CN105858590B - Mems电磁力驱动器及其制备方法 - Google Patents

Mems电磁力驱动器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种MEMS电磁力驱动器，包括一端为固定端另一端为悬空端的长方形线圈状悬臂梁、外电路输入电极、外电路输出电极、悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极，一绝缘垫高层位于覆盖于悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极上表面，绝缘垫高层具有输入通孔、输出通孔，位于所述线圈状悬臂梁固定端的输入端通过位于输入通孔内的导电柱与悬臂梁输入电极电连接，位于所述线圈状悬臂梁固定端的输出端通过位于输出通孔内的导电柱与悬臂梁输出电极电连接，线圈状悬臂梁下表面、输入通孔侧表面、输出通孔侧表面均覆有Si3N4绝缘层，线圈状悬臂梁上表面覆有Si3N4保护膜。本发明延长了器件的使用寿命，大大降低了电荷累积问题，减少了故障率，机械强度高，其驱动间隙变化大，实现了低驱动电压或者低驱动电流运行。

Description

MEMS电磁力驱动器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）器件的电磁力驱动器，特别涉及一种驱动电压低、能量损耗小的微型MEMS电磁力驱动器。
背景技术
驱动器是自动控制、机器人等领域的基础单元器件。其中，工作在射频波段的驱动器作为集成电路的开关，成为射频信号处理电路的基本元件之一。以前，射频驱动器通常采用P-I-N二极管或砷化镓金属-半导体场效应管来实现。但是，随着频率增长，这类半导体驱动器表现出信号损失和能量损耗的缺陷。近年来，射频MEMS驱动器由于插入损耗低、隔离度高和功率损耗小等优点，引起了人们的极大关注。
大多数射频MEMS驱动器通过静电力驱动，其功率损耗非常低并且容易制造。但是，依靠静电力驱动的射频MEMS驱动器存在两个主要问题：高驱动电压和低机械稳定性。高驱动电压降低了器件的使用寿命，而且会因为电荷累积问题引起故障。
发明内容
本发明提供一种MEMS电磁力驱动器，此MEMS电磁力驱动器延长了器件的使用寿命，大大降低了电荷累积问题，减少了故障率，机械强度高，其驱动间隙变化大，实现了低驱动电压或者低驱动电流运行，提高了机械稳定性，而且具有更长的寿命，且其体积小、驱动电压低，与半导体制造工艺兼容的MEMS电磁力驱动器；同时提供一种用于制备上述的MEMS电磁力驱动器的制造工艺。
为达到上述目的，本发明采用的第一技术方案是：一种MEMS电磁力驱动器，包括一端为固定端另一端为悬空端的长方形线圈状悬臂梁、外电路输入电极、外电路输出电极、悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极，所述外电路输入电极、外电路输出电极位于衬底上表面一端，所述悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极位于衬底上表面另一端，一绝缘垫高层位于覆盖于所述悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极上表面，所述绝缘垫高层具有输入通孔、输出通孔，位于所述线圈状悬臂梁固定端的输入端通过位于输入通孔内的导电柱与悬臂梁输入电极电连接，位于所述线圈状悬臂梁固定端的输出端通过位于输出通孔内的导电柱与悬臂梁输出电极电连接，所述线圈状悬臂梁下表面、输入通孔侧表面、输出通孔侧表面均覆有Si3N4绝缘层，所述线圈状悬臂梁上表面覆有Si3N4保护膜，位于所述线圈状悬臂梁悬空端的Si3N4保护膜下表面具有一金属接触电极，此金属接触电极与外电路输入电极、外电路输出电极在竖直方向留有间隙，并位于外电路输入电极、外电路输出电极上方；
当电压或电流信号从悬臂梁输入电极引入，自下而上流过位于输入通孔内的导电柱，从固定端的线圈状悬臂梁的输入端流进，从线圈状悬臂梁的输出端流出，然后自上而下流过位于输出通孔内的导电柱，最后从悬臂梁输出电极导出，形成悬臂梁的工作回路，且外加一个水平方向的磁场时，线圈状悬臂梁的悬空端在电磁力和静电力的共同作用下，下移动或者上移动，从而实现金属接触电极的两端与外电路输入电极和外电路输出电极导通或者断开。
上述技术方案中进一步的改进技术方案如下：
1. 上述方案中，所述衬底为绝缘Si衬底。
2. 上述方案中，所述线圈状悬臂梁、外电路输入电极、外电路输出电极、悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极材料为金属、掺杂多晶硅或者掺杂砷化镓。
本发明采用的第二技术方案是：一种用于制备上述的MEMS电磁力驱动器的制造工艺，包括以下步骤：
步骤一、在一个表面氧化的绝缘Si衬底上面溅射一层Au薄膜，厚度为1 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀形成悬臂梁电极和外电路电极；如图1所示，悬臂梁电极包括悬臂梁输入电极，悬臂梁输出电极， 外电路电极包括外电路输入电极，外电路输出电极，输入电极和输出电极可互换；
步骤二、采用CVD方法生长一层SiO2，从绝缘Si衬底上表面到SiO2上表面厚度为2～3 μm，到悬臂梁电极或外电路电极的厚度为1～2 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀形成绝缘垫高层起到保护悬臂梁和悬臂梁电极导通的作用；
步骤三、在步骤二得到的凹凸不平的表面上填充一层PSG牺牲层，并经过回流平坦化工艺使上表面平整，其中PSG牺牲层的上表面到绝缘Si衬底的厚度为5～6 μm，到悬臂梁电极或外电路电极的厚度为4～5 μm，在PSG牺牲层上刻蚀窗口，其中，在悬臂梁电极位置，刻蚀至露出悬臂梁电极；而外电路电极位置处刻蚀出金属接触电极的长方形小孔，刻蚀深度约1μm，使得该位置继续保留2～3 μm的PSG牺牲层；
步骤四、在PSG牺牲层的上表面，溅射生长厚度约1μm的Au薄膜，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀将其余部分去除，仅保留步骤3中“金属接触电极的长方形小孔”处的Au薄膜，小孔的深度约1μm，Au薄膜的厚度也为1μm，因此Au薄膜刚好将此小孔填平，形成金属接触电极，而且该金属接触电极与外电路电极之间保留2～3 μm的PSG牺牲层，因此并未导通；
步骤五、在步骤四得到的凹凸不平的表面上外延生长一层等厚的Si3N4绝缘层，厚度为1.0 μm，并在悬臂梁电极位置，刻蚀至露出衬底上的悬臂梁电极，其余部分保留，该Si3N4绝缘层的作用是使得悬臂梁的工作回路和外电路的工作回路相互绝缘；
步骤六、在步骤五形成的上表面，溅射一层Au薄膜，厚度约2.0 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀，形成线圈状悬臂梁；
步骤七、在线圈状悬臂梁的上表面，CVD方法生长一层Si3N4，厚度约0.1 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀，在线圈状悬臂梁的上表面形成一层Si3N4保护膜；
步骤八、溶解去除步骤三中的PSG牺牲层。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明MEMS电磁力驱动器及其制备方法，其延长了器件的使用寿命，大大降低了电荷累积问题，减少了故障率，高机械强度的结构，其驱动间隙变化大，实现了低驱动电压或者低驱动电流运行，提高了机械稳定性，而且具有更长的寿命；其次，其体积小、驱动电压低，与半导体制造工艺兼容的MEMS电磁力驱动器。
附图说明
图1 为本发明MEMS电磁力驱动器的三维立体结构示意图；
图2~9本发明MEMS电磁力驱动器工艺流程图。
以上附图中：1、绝缘Si衬底；2、悬臂梁电极；2a、悬臂梁输入电极；2b、悬臂梁输出电极；3、外电路电极；3a、外电路输入电极；3b、外电路输出电极；4、绝缘垫高层；5、PSG牺牲层；6、金属接触电极；7、Si3N4绝缘层；8、线圈状悬臂梁；9、Si3N4保护膜；10、导电柱。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：一种MEMS电磁力驱动器，包括一端为固定端另一端为悬空端的长方形线圈状悬臂梁8、外电路输入电极、外电路输出电极、悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极，所述外电路输入电极、外电路输出电极位于衬底上表面一端，所述悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极位于衬底上表面另一端，一绝缘垫高层位于覆盖于所述悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极上表面，所述绝缘垫高层具有输入通孔、输出通孔，位于所述线圈状悬臂梁8固定端的输入端通过位于输入通孔内的导电柱10与悬臂梁输入电极电连接，位于所述线圈状悬臂梁8固定端的输出端通过位于输出通孔内的导电柱10与悬臂梁输出电极电连接，所述线圈状悬臂梁8下表面、输入通孔侧表面、输出通孔侧表面均覆有Si3N4绝缘层7，所述线圈状悬臂梁8上表面覆有Si3N4保护膜，位于所述线圈状悬臂梁8悬空端的Si3N4保护膜9下表面具有一金属接触电极，此金属接触电极与外电路输入电极、外电路输出电极在竖直方向留有间隙，并位于外电路输入电极、外电路输出电极上方；
当电压或电流信号从悬臂梁输入电极2a引入，自下而上流过位于输入通孔内的导电柱10，从固定端的线圈状悬臂梁8的输入端流进，从线圈状悬臂梁8的输出端流出，然后自上而下流过位于输出通孔内的导电柱10，最后从悬臂梁输出电极2b导出，形成悬臂梁的工作回路，且外加一个水平方向的磁场时，线圈状悬臂梁8的悬空端在电磁力和静电力的共同作用下，下移动或者上移动，从而实现金属接触电极6的两端与外电路输入电极3a和外电路输出电极3b导通或者断开。
上述衬底为绝缘Si衬底。
上述线圈状悬臂梁8、外电路输入电极、外电路输出电极、悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极材料为金属、掺杂多晶硅或者掺杂砷化镓。
作为本发明的进一步改进，衬底材料可采用玻璃、锗或砷化镓等材料代替硅。
作为本发明的进一步改进，该MEMS电磁力驱动器电极和线圈状悬臂梁等导电部分的材料可由掺杂后的半导体材料代替金属，例如掺杂多晶硅、掺杂砷化镓等半导体材料。
作为本发明的进一步改进，该MEMS电磁力驱动器的电极和线圈状悬臂梁等导电部分可采用溅射、电镀等工艺制备金属层。
作为本发明的进一步改进，该MEMS电磁力驱动器的氮化硅或氧化硅绝缘层可采用CVD等方法制备。
作为本发明的进一步改进，线圈形状的悬臂梁可通过调节材料导电能力、线圈圈数、线圈尺寸等物理参数，以得到驱动电压低，能量损耗小的驱动器结构。
本实施例MEMS电磁力驱动器，参见附图1是本实施例中的MEMS电磁力驱动器的三维立体结构示意图；其主要结构包括：一端固定另一端悬空的长方形线圈状悬臂梁8和两对固定在衬底上的电极组成，其中，一对电极与悬臂梁的固定端导通，另一对电极接入外电路。悬臂梁电路和外电路相互绝缘，形成两个独立回路。电压或电流信号从悬臂梁输入电极2a引入，自下而上流过通孔，从固定端的线圈的一端流进，从线圈的另一端流出，然后自上而下流过通孔，最后从衬底上的悬臂梁输出电极2b导出，形成悬臂梁的工作回路。当外加一个水平方向的磁场时，悬臂梁的悬空端在电磁力和静电力的共同作用下可上下移动。在悬空端的背面紧贴一层Si3N4绝缘层7和金属接触电极6：Si3N4绝缘层7的作用是使得悬臂梁的工作回路和外电路的工作回路相互绝缘；当悬臂梁的悬空端向下移动时，金属接触电极6的两端分别搭上外电路输入电极3a和外电路输出电极3b，使得原本断开的一对外电路电极导通，形成开关结构。
一种用于制备上述的MEMS电磁力驱动器的制造工艺，包括以下步骤：
步骤一、在一个表面氧化的绝缘Si衬底1上面溅射一层Au薄膜，厚度为1 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀形成悬臂梁电极2和外电路电极3；如图1所示，悬臂梁电极2包括悬臂梁输入电极2a，悬臂梁输出电极2b， 外电路电极3包括外电路输入电极3a，外电路输出电极3b，输入电极和输出电极可互换；
步骤二、采用CVD方法生长一层SiO2，从绝缘Si衬底1上表面到SiO2上表面厚度为2～3 μm，到悬臂梁电极2或外电路电极3的厚度为1～2 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀形成绝缘垫高层4起到保护悬臂梁和悬臂梁电极2导通的作用；
步骤三、在步骤二得到的凹凸不平的表面上填充一层PSG牺牲层5，并经过回流平坦化工艺使上表面平整，其中PSG牺牲层5的上表面到绝缘Si衬底1的厚度为5～6 μm，到悬臂梁电极2或外电路电极3的厚度为4～5 μm，在PSG牺牲层5上刻蚀窗口，其中，在悬臂梁电极2位置，刻蚀至露出悬臂梁电极2；而外电路电极3位置处刻蚀出金属接触电极6的长方形小孔，刻蚀深度约1μm，使得该位置继续保留2～3 μm的PSG牺牲层；
步骤四、在PSG牺牲层5的上表面，溅射生长厚度约1μm的Au薄膜，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀将其余部分去除，仅保留步骤3中“金属接触电极6的长方形小孔”处的Au薄膜，小孔的深度约1μm，Au薄膜的厚度也为1μm，因此Au薄膜刚好将此小孔填平，形成金属接触电极6，而且该金属接触电极6与外电路电极3之间保留2～3 μm的PSG牺牲层，因此并未导通；
步骤五、在步骤四得到的凹凸不平的表面上外延生长一层等厚的Si3N4绝缘层7，厚度为1.0 μm，并在悬臂梁电极2位置，刻蚀至露出衬底上的悬臂梁电极2，其余部分保留，该Si3N4绝缘层7的作用是使得悬臂梁的工作回路和外电路的工作回路相互绝缘；
步骤六、在步骤五形成的上表面，溅射一层Au薄膜，厚度约2.0 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀，形成线圈状悬臂梁8；
步骤七、在线圈状悬臂梁8的上表面，CVD方法生长一层Si3N4，厚度约0.1 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀，在线圈状悬臂梁8的上表面形成一层Si3N4保护膜9；
步骤八、溶解去除步骤三中的PSG牺牲层5。
采用上述MEMS电磁力驱动器时，其延长了器件的使用寿命，大大降低了电荷累积问题，减少了故障率，高机械强度的结构，其驱动间隙变化大，实现了低驱动电压或者低驱动电流运行，提高了机械稳定性，而且具有更长的寿命；其次，其体积小、驱动电压低，与半导体制造工艺兼容的MEMS电磁力驱动器。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种MEMS电磁力驱动器，其特征在于：包括一端为固定端另一端为悬空端的长方形线圈状悬臂梁（8）、外电路输入电极、外电路输出电极、悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极，所述外电路输入电极、外电路输出电极位于衬底上表面一端，所述悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极位于衬底上表面另一端，一绝缘垫高层覆盖于所述悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极上表面，所述绝缘垫高层具有输入通孔、输出通孔，位于所述线圈状悬臂梁（8）固定端的输入端通过位于输入通孔内的导电柱（10）与悬臂梁输入电极电连接，位于所述线圈状悬臂梁（8）固定端的输出端通过位于输出通孔内的导电柱（10）与悬臂梁输出电极电连接，所述线圈状悬臂梁（8）下表面、输入通孔侧表面、输出通孔侧表面均覆有Si3N4绝缘层（7），所述线圈状悬臂梁（8）上表面覆有Si3N4保护膜，位于所述线圈状悬臂梁（8）悬空端的Si3N4保护膜（9）下表面具有一金属接触电极，此金属接触电极与外电路输入电极、外电路输出电极在竖直方向留有间隙，并位于外电路输入电极、外电路输出电极上方；
当电压或电流信号从悬臂梁输入电极（2a）引入，自下而上流过位于输入通孔内的导电柱（10），从固定端的线圈状悬臂梁（8）的输入端流进，从线圈状悬臂梁（8）的输出端流出，然后自上而下流过位于输出通孔内的导电柱（10），最后从悬臂梁输出电极（2b）导出，形成悬臂梁的工作回路，且外加一个水平方向的磁场时，线圈状悬臂梁（8）的悬空端在电磁力和静电力的共同作用下，下移动或者上移动，从而实现金属接触电极（6）的两端与外电路输入电极（3a）和外电路输出电极（3b）导通或者断开。
2.根据权利要求1所述的MEMS电磁力驱动器，其特征在于：所述衬底为绝缘Si衬底。
3.根据权利要求1所述的MEMS电磁力驱动器，其特征在于：所述线圈状悬臂梁（8）、外电路输入电极、外电路输出电极、悬臂梁输入电极和悬臂梁输出电极材料为金属、掺杂多晶硅或者掺杂砷化镓。
4.一种用于制备权利要求1所述的MEMS电磁力驱动器的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、在一个表面氧化的绝缘Si衬底（1）上面溅射一层Au薄膜，厚度为1 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀形成悬臂梁电极（2）和外电路电极（3）；悬臂梁电极（2）包括悬臂梁输入电极（2a），悬臂梁输出电极（2b）， 外电路电极（3）包括外电路输入电极（3a），外电路输出电极（3b），输入电极和输出电极可互换；
步骤二、采用CVD方法生长一层SiO2，从绝缘Si衬底（1）上表面到SiO2上表面厚度为2～3μm，绝缘Si衬底（1）上表面到悬臂梁电极（2）或外电路电极（3）的厚度为1～2 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀形成绝缘垫高层（4）起到保护悬臂梁和悬臂梁电极（2）导通的作用；
步骤三、在步骤二得到的凹凸不平的表面上填充一层PSG牺牲层（5），并经过回流平坦化工艺使上表面平整，其中PSG牺牲层（5）的上表面到绝缘Si衬底（1）的厚度为5～6 μm，到悬臂梁电极（2）或外电路电极（3）的厚度为4～5 μm，在PSG牺牲层（5）上刻蚀窗口，其中，在悬臂梁电极（2）位置，刻蚀至露出悬臂梁电极（2）；而外电路电极（3）位置处刻蚀出金属接触电极（6）的长方形小孔，刻蚀深度约1μm，使得该位置继续保留3～4μm的PSG牺牲层；
步骤四、在PSG牺牲层（5）的上表面，溅射生长厚度约1μm的Au薄膜，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀将其余部分去除，仅保留步骤三中“金属接触电极（6）的长方形小孔”处的Au薄膜，小孔的深度约1μm，Au薄膜的厚度也为1μm，因此Au薄膜刚好将此小孔填平，形成金属接触电极（6），而且该金属接触电极（6）与外电路电极（3）之间保留3～4μm的PSG牺牲层，因此并未导通；
步骤五、在步骤四得到的凹凸不平的表面上外延生长一层等厚的Si3N4绝缘层（7），厚度为1.0 μm，并在悬臂梁电极（2）位置，刻蚀至露出衬底上的悬臂梁电极（2），其余部分保留，该Si3N4绝缘层（7）的作用是使得悬臂梁的工作回路和外电路的工作回路相互绝缘；
步骤六、在步骤五形成的上表面，溅射一层Au薄膜，厚度约2.0 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀，形成线圈状悬臂梁（8）；
步骤七、在线圈状悬臂梁（8）的上表面，CVD方法生长一层Si3N4，厚度约0.1 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀，在线圈状悬臂梁（8）的上表面形成一层Si3N4保护膜（9）；
步骤八、溶解去除步骤三中的PSG牺牲层（5）。
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