CN106463311B - 减少rf mems致动器元件中表面介电充电的系统、装置和方法 - Google Patents

减少rf mems致动器元件中表面介电充电的系统、装置和方法 Download PDF

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Abstract

本主题涉及用于减少RF MEMS致动器元件中表面介电充电的系统、装置和方法。具体地，一种微机电系统(MEMS)可以包括：固定电极，其定位在基板上；可动电极，其定位在固定电极大致上方且与固定电极分离有间隙；以及至少一个孤立凸块，其定位在固定电极和可动电极之间，其中，至少一个孤立凸块延伸进入间隙中。在该构造中，固定电极或可动电极中的一个或两个可以被图案化以限定与至少一个孤立凸块中的一个或多个大致对齐的一个或多个孔。所述凸块和孔都可以有助于减少表面介电充电率和所产生的电荷总量。

Description

减少RF MEMS致动器元件中表面介电充电的系统、装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2014年4月1日、序列号为61/973,813的美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本文公开的主题总体涉及射频微机电系统(RF MEMS)致动器装置、系统和方法。更具体地，本文公开的主题涉及RF MEMS致动器装置、系统的可动元件之间的介电接触表面的设计和方法。
背景技术
移动通信的增长已将早已繁忙和复杂的无线电信号频谱推动到新的水平从而适应市场所期望的语音和数据的大规模的传送。为了在这样饱和的频谱内进行操作，可调谐滤波器是合乎需要的以保持最佳的信号强度值。具体地，RF MEMS可以有助于提供高线性性能、高品质因数，以及长寿命，使这样的装置在宽范围的移动手机应用中有用。
在无线电频谱中宽范围频带上持续的数据通信增长正导致在手机寿命期间日益增加的调谐事件的次数，这将要求延长和提高可调谐寿命。然而，传统的RF MEMS开关和其他MEMS静电致动器的主要的可靠性问题之一是介电充电。闭合开关所需要的高静电场在介电层内产生电荷，这能够引起不期望的开关特性的漂移。这种结果可能会降低该装置的调谐性能并在极端情况下可能会造成不可恢复的静态阻力。
这样的介电充电的起因根据位置、接触类型，以及所涉及的机制而变化。例如，通过以相对快速的充电/放电动态从电极注入电介质能够在介电体中发生充电。在其他情形下，表面充电可能会取决于所使用的接触类型。具体地，当开关被致动时，金属-电介质接触能够通过注入产生表面电荷，而摩擦带电效应可能会是两种电介质接触时的主要机制，在该机制下由于两个电介质的厚度，没有来自金属的注入，也能够在电介质之间发生电荷交换。另外，许多参数可能会有助于表面介电充电，诸如所使用的介电材料、制造工艺，以及环境操作条件。甚至在体充电(bulk charging)最小的结构中，根据摩擦带电效应的表面充电可能会具有重要的作用，成为限制开关寿命的关键因素。
在任何情况下，充电通常是当开关在高压下被致动时的一种快速机制，但是当除去电压时的放电可能会比较缓慢。一旦表面电荷产生且在除去所施加的电压之后接触断开，将电荷耗散的唯一途径是通过横跨电介质的厚度来扩散，这可能会由于高品质的介电材料中普遍较低的体扩散率而特别缓慢。结果，表面充电可能会是特别有害的，因为一旦在表面上产生电荷，就不能除去，则可能会产生累积恶化。
因此，期望MEMS开关系统、装置及其构造方法能被特别设计以减少所产生的充电量。
发明内容
根据本公开，提供了用于减少在RF MEMS致动器元件中的表面介电充电的系统、装置和方法。在一个方案中，提供了一种微机电系统(MEMS)部件。MEMS部件可以包括：固定电极，其定位在基板上；可动电极，其定位在固定电极大致上方且与固定电极分离有间隙；以及至少一个孤立凸块，其定位在固定电极和可动电极之间，其中，至少一个孤立凸块延伸进入间隙中。在该构造中，固定电极或可动电极中的一个或两个可以图案化以限定与至少一个孤立凸块中的一个或多个大致对齐的一个或多个孔。
在具体方案中，MEMS部件可以包括：固定电极，其定位在基板上；可动电极，其定位在固定电极大致上方且与固定电极分离有间隙；以及至少一个孤立凸块，其定位在固定电极和可动电极之间，其中，至少一个孤立凸块延伸进入间隙中。在该构造中，可动电极可以图案化以限定与至少一个孤立凸块中的一个或多个大致对齐的一个或多个孔，所述孔具有比至少一个孤立凸块的宽度要大但比固定电极和可动电极之间的最大间隙间距要小的尺寸。
在又一方案中，提供了一种用于形成MEMS部件的方法，所述方法包括安置固定电极在基板上、安置牺牲层在固定电极之上，以及蚀刻牺牲层以限定至少一个孤立腔在固定电极之上。一个或多个可动介电层可以安置在牺牲层之上，其中，至少一个孤立凸块被限定在至少一个孤立腔中，且可动电极可以安置在一个或多个可动介电层之上。所述方法可以进一步包括蚀刻可动电极以限定与至少一个孤立凸块中的一个或多个大致对齐的一个或多个孔和除去牺牲层使得一个或多个可动介电层和可动电极从固定电极间隔开而有间隙。
尽管上文中已经陈述了本文中所公开的由本公开的主题整体或部分实现的本主题的一些方案，但当与下文中所最佳说明的附图相结合时，随着描述进行，其他方案也将变得显而易见。
附图说明
本主题的特征和优点将根据下面的详细说明书更加容易被理解，该详细说明书应该结合附图来理解，所述附图仅以说明和非限制示例的方式被给出，且在附图中：
图1A和图1B是根据本公开主题的实施例的具有孤立凸块的MEMS致动器元件的侧剖视图，其中，孤立凸块具有相对于周围材料被优化以减少介电充电的尺寸；
图2A和图2B是示出对于传统的MEMS致动器元件的吸合(实线)和释放(虚线)电压偏移的曲线图；
图3A和图3B是示出对于根据本公开主题的实施例的具有孤立凸块的MEMS致动器元件的吸合(实线)和释放(虚线)电压偏移的曲线图；
图4是示出根据本公开主题的实施例的对于具有不同顶部金属孔直径的装置在孤立凸块之下的表面静电场强度的曲线图；
图5是示出根据本公开主题的实施例的在孤立凸块处的表面静电场强度的中心值作为不同顶部金属孔直径的函数的曲线图；
图6A和图6B是根据本公开主题的另一实施例的具有孤立凸块的MEMS致动器元件的侧剖视图，其中，孤立凸块具有相对于周围材料被优化的尺寸以减少介电充电；
图7A和图7B是根据本公开主题的又一实施例的具有孤立凸块的MEMS致动器元件的侧剖视图，其中，孤立凸块具有相对于周围材料被优化的尺寸以减少介电充电；
图8A和图8B是根据本公开主题的另一实施例的具有孤立凸块的MEMS致动器元件的侧剖视图，其中，孤立凸块具有相对于周围材料被优化的尺寸以减少介电充电；
图9A和图9B是根据本公开主题的另一实施例的具有孤立凸块的MEMS致动器元件的侧剖视图，其中，孤立凸块具有相对于周围材料被优化的尺寸以减少介电充电。
具体实施方式
本主题提供了用于在对致动行为产生最小影响的情况下来减少在RFMEMS致动器元件中介电充电的系统、装置和方法。摩擦带电效应已经被研究了几个世纪，且尽管电荷交换所涉及的物理机制一直不为人知，但可以理解地是在接触时离子或电子转移能够引起在MEMS开关和其他致动器中的电荷产生。不管电荷交换中是否存在有电子或离子，摩擦带电效应都稳固地与接触面积成正比，且转移离子或电子的相关能量都与电场成正比。因此，可以将这些参数中的任一个或两个最小化以减少充电速率和所产生的电荷总量，其结果寿命增加。
因此，在一个方案中，本主题提供了系统、装置和方法以通过包括空间分布的凸块来减少充电量，包括空间分布的凸块可与图案化金属相关联且可以减少接触面积中的电场。如图1中所示，例如，示出了对于MEMS致动器元件的示例性构造，其总体指定为100。尽管在图中未示出，但MEMS致动器元件100可以实施为可调谐电容器元件或各种其他类型的MEMS结构中的任一个。在任何一个构造中，MEMS致动器元件100都可以包括定位在基板S上的固定电极110。可动电极120与固定电极110间隔开而有间隙125(例如，空气间隙)，间隙125有最大间隙间距126(参见例如，图1A)，但可动电极120相对于固定电极110可移动至致动位置，在致动位置下可动电极120移动得更靠近固定电极110或与固定电极110相接触(参见例如，图1B)。具体地，例如，可动电极120可以被承载在悬挂在固定电极110之上的可动梁结构(例如，悬臂梁)上。此外在这方面，尽管在图1A和图1B中仅示出了固定电极110、可动电极120以及直接围绕这些材料层的那些元件，但本领域技术人员将认识到所示结构可以并入具有一个或多个附加的材料层或附接的元件或否则连接至其的更大的结构中。
另外，为了防止电极彼此直接接触和/或与其他周围结构相接触，一个或多个介电材料层可以设置在固定电极110和/或可动电极120中的任一个或两个上。具体地，例如，固定电极110可以被第一固定介电层112(例如，SiO2材料层)、第二固定介电层114(例如，Al2O3材料层)和/或其他材料层或涂层中的一个或多个覆盖。类似地，可动电极120可以联接至可动电介质122和/或被可动电介质122围绕。具体地，例如，可动电极120可以夹在多层可动电介质122之间，作为悬挂在固定电极110上方的可动梁结构的一部分。
为了至少部分地解决表面介电充电的问题，一个或多个孤立凸块130可以设置在固定电极110和可动电极120之间。如图1A和图1B所示，例如，凸块130可以形成为从可动电介质122起的突出，可动电介质122从可动电极120朝向固定电极110延伸。在一个具体构造中，例如，凸块130可以为大约38nm至500nm高(例如，大约65nm高)以及100nm至2000nm宽(例如，大约400nm宽)。在一些实施例中，多个凸块可以以间隔排列方式(例如，彼此间隔大约3300nm排列的凸块阵列)设置在固定电极110和可动电极120之间。在一些实施例中，凸块130可以由属于可动电极120的相同的介电材料(例如，SiO2)制成。
如上所讨论，表面电荷产生与当接触时的接触面积和电场成正比，因此接触面积可以由凸块130的尺寸粗略限定(尽管在许多情况下，实际接触面积将由于粗糙度等而小于凸块面积，但强场也可能会在最接近于接触但未接触的面积中形成)。结果，凸块130的尺寸可以被设计为足够小(例如，通过制造工艺或机械磨损)从而导致充电减少。如图2A和图2B所示，例如，没有凸块130，可以显示出随时间推移的有害的致动电压偏移。
然而，通过在固定电极110和可动电极120之间引入凸块130，电压偏移可以如图3A和图3B所示显著减少，这表明表面充电大大地减少，因此提高了致动器寿命，特别在高温度下也是如此。在具有连续接触表面(即，没有凸块的均匀表面)或不连续接触表面(即，有一个或多个凸块130)的装置中，只要明确指示表面充电且体充电最小或不存在，致动电压偏移就在任何保持电压下增加且一旦除去所施加的电压就保持不改变。瞬变特性示出与连续接触结构相对的不连续接触的明显影响，其中，所产生的表面电荷量已经显著减少。两种构造示出不同的瞬变性能，连续接触具有早期快速积累，随后是较平缓的充电行为，而不连续接触示出表面电荷更线性的增加。致动电压偏移瞬变在升高温度下也表现出不同的行为。连续接触表现出致动电压偏移随温度增加而变化更少，但过渡更快。另一方面，不连续接触示出了在最终状态和过渡中都略微增加。这种行为可以归因于两种情形：第一，减少的电场和接触延迟了在连续装置中所见的充电特性，且第二，所引起的电荷分布将以不同的方式改变致动电压偏移。
此外，除了减少接触面积以最小化表面电荷产生之外，也可以通过在凸块130的内部和外部区域中包括至少一个凸块130来最小化接触面积中的电场。另外地，电场可以通过对固定电极110和/或可动电极120中的一个或两个进行图案化来被进一步控制。具体地，再次参照图1A和图1B中示出的构造，可动电极120可以形成为具有与凸块130的区域大致对齐(即，定位在凸块130处、在凸块130之上，或否则围绕凸块130)的贯穿的孔123，且可动电介质122的一部分可以基本上填满孔123。在该构造下，正如凸块130的尺寸可以被改变以影响表面电荷产生，孔123的尺寸同样也可以被具体定大小以最小化在接触区域中的电场，且由此引起充电进一步减少。
具体地，如图4中所示，在凸块130下(即，在接触表面处)的表面静电场随着孔123的尺寸增加而减小。具体地，例如，对于具有大约400nm宽度133的凸块130，仅包括凸块130而无金属图案(即，无孔123)可将静电场从10.5MV/cm减少至8MV/cm，但随着金属孔直径增加，静电场甚至被进一步减少(例如，在大约1400nm孔尺寸处减少至大约4MV/cm)。类似地，图5示出了在不同电压下作为金属孔直径的函数的静电变化。如图5中所示，仿真已经确定了静电场强度和金属孔尺寸之间关系中的两个明确的部分：第一，当孔123和凸块130的尺寸可比较时从高电场到低电场的快速过渡，且第二，当孔123的横向尺寸大于凸块130的横向尺寸时的半稳定状态情况。
基于这些结果，利用孔123的金属图案直径可以实现静电场减少、接触面积减少以及致动器中金属体积损失之间期望的平衡，所述孔123被定大小为使得孔123延伸超出凸块130的周边的量(即，孔123的尺寸与凸块130的宽度133之间差的一半)明显大于在闭合状态下的最小间隙间距(例如，近似等于凸块130的高度)。在一些实施例中，例如，在孔123的金属图案直径比凸块130的宽度133大至少3倍的情况下，可以实现对介电充电的这种有益的改善。就是说，本领域技术人员应该认识到即使孔123的尺寸越大可以实现所产生的静电场减少得越多，但当孔面积变得可比较于最大间隙间距126(例如，大约2μm)而需要对致动电压的增加进行平衡时，这种进一步的变化可能不会提供显著益处。换言之，在孔123的尺寸大于凸块130的宽度133但小于固定电极110和可动电极120之间的初始空气间隙125的尺寸的情况下，可以实现各种因素的期望的平衡。在被建模以实现图4和图5中示出的结果的具体构造中，例如，对于孔123的1400nm金属直径可比较于凸块130的大约400nm宽度133，提供了期望的各因素的平衡。就是说，与装置的总尺寸相比，对于具有少量孔/凸块的装置来说，孔123的有效尺寸的上限可以更大。另外，孔123的期望尺寸在某种程度上也可以与包括可动电极120的厚度的其他参数有关。
为了构造MEMS致动器元件100，可以使用传统的MEMS加工方法。具体地，例如，固定电极110可以安置在基板S上，一个或多个固定介电层(例如，第一固定电介质112和/或第二固定电介质114)可以安置在固定电极110之上，且牺牲层可以安置在固定电极110之上。该牺牲层可以被蚀刻以在固定电极110之上限定至少一个孤立腔，且一个或多个可动介电层(例如，可动电介质122)可以安置在牺牲层之上，其中至少一个孤立凸块130被限定在至少一个孤立腔中。可动电极120于是可以安置在介电层122之上。可动电极120可以被蚀刻以限定与至少一个孤立凸块130中的一个或多个大致对齐的一个或多个孔123，且一个或多个另外的可动介电层(即，可动电介质122的更多部分)可以被安置以基本上填满孔130。然后可以除去该牺牲层以释放可动部件使得可动介电层123和可动电极120从固定电极110间隔开而有间隙125。
在不偏离本主题的精神及其必要特征的情况下，可以采用其他形式来具体体现本主题。例如，在保持允许接触面积和/或所产生的电场中的一个或两个减少的特征的同时，可以根据图1A和图1B中示出的构造来改进固定电极110、可动电极120和凸块130的构造。在一些实施例中，例如，第一电介质112或第二电介质114中的一个或多个可以被省略使得凸块130被构造为如图6A(未致动状态)和图6B(致动状态)中所示的直接接触固定电极110。在类似于图6A和图6B中所示的又一替换构造中，电介质122可不延伸到活动电极120下面。在这样的构造中，仅凸块130将明显延伸到活动电极120下方。可替换地，凸块130可以如图7A(未致动状态)和图7B(致动状态)所示连接至固定电极110且朝向可动电极120延伸进空气间隙125。
在又一可替换构造中，除了孔123形成在可动电极120中以外或作为替代，固定孔115可以如图8A和图8B所示形成在固定电极110中。在图8A和图8B所示的该构造中，第一电介质112不仅可以覆盖固定电极110而且还可以填满固定孔115，且该层于是能够被平面化以提供大致均匀的表面，在该表面上可以安置更多层。可替换地，如图9A和图9B所示，第一电介质112可以作为保形层(即，未平面化)被安置。在这样的构造中，其中固定孔115在下材料层的表面中产生凹陷，凸块130可以被定尺寸为具有比在先前构造中更大的凸块高度，使得它延伸进该凹陷中，同时依旧保持可动部件层以期望的间距与固定部件层间隔开(参见例如，图9B)。在类似于图9A和图9B中所示构造的又一可替换的构造中，第一介电层112和第二介电层114可以被省略，且凸块130可以被构造为当在致动状态下延伸至基板S。不管具体构造如何，只要包括凸块130，不论单独包括或与孔123和/或固定孔115中的一个或两个相结合地包括，都可以有益地减少RF MEMS致动器元件中的介电充电，并对致动行为有最小的影响。
本领域技术人员将认识到这些实施例和其他实施例在各个方面都将被认为是说明性的且不受限制的，且通过本公开主题可以设想具有上述一个或多个元件的另外的变型例。尽管已经用某些优选实施例描述了本主题，但对本领域技术人员来说显而易见的其他实施例也在本主题的范围内。

Claims (20)

1.一种微机电系统(MEMS)部件，包括：
固定电极，其定位在基板上；
可动梁结构，其悬挂在所述固定电极上方；
可动电极，其定位在所述固定电极大致上方且与所述固定电极分离有间隙；以及
至少一个孤立凸块，其定位在所述固定电极和所述可动电极之间，其中，所述至少一个孤立凸块延伸进入所述间隙中；
其中，所述固定电极或所述可动电极中的一个或两个被图案化以限定与所述至少一个孤立凸块中的一个或多个大致对齐的一个或多个孔；
其中，所述一个或多个孔延伸超出所述至少一个孤立凸块的周边的量明显大于所述固定电极和所述可动电极之间的最小间隙间距；并且
其中，在所述固定电极或所述可动电极中的一个或两个中的所述一个或多个孔具有小于所述固定电极和所述可动电极之间的最大间隙间距的尺寸。
2.根据权利要求1所述的微机电系统(MEMS)部件，其中，所述至少一个孤立凸块包括以间隔开排列来布置在所述固定电极和所述可动电极之间的多个孤立凸块。
3.根据权利要求2所述的微机电系统(MEMS)部件，其中，所述间隔开排列包括以阵列来布置的所述多个孤立凸块。
4.根据权利要求1所述的微机电系统(MEMS)部件，其中，在所述固定电极或所述可动电极中的一个或两个中的所述孔具有大于所述至少一个孤立凸块的宽度的尺寸。
5.根据权利要求4所述的微机电系统(MEMS)部件，其中，在所述固定电极或所述可动电极中的一个或两个中的所述孔具有大于所述至少一个孤立凸块的3倍宽度的尺寸。
6.根据权利要求1所述的微机电系统(MEMS)部件，包括在所述固定电极和所述可动电极之间被定位在所述固定电极上的一个或多个固定介电材料层。
7.根据权利要求6所述的微机电系统(MEMS)部件，其中，所述至少一个孤立凸块连接至所述一个或多个固定介电材料层。
8.根据权利要求1所述的微机电系统(MEMS)部件，包括在所述固定电极和所述可动电极之间被附接至所述可动电极的一个或多个可动介电材料层。
9.根据权利要求8所述的微机电系统(MEMS)部件，其中，所述至少一个孤立凸块连接至所述一个或多个可动介电材料层。
10.一种微机电系统(MEMS)部件， 包括：
固定电极，其定位在基板上；
可动梁结构，其悬挂在所述固定电极上方；
可动电极，其定位在所述固定电极大致上方且与所述固定电极分离有间隙；以及
至少一个孤立凸块，其定位在所述固定电极和所述可动电极之间，其中，所述至少一个孤立凸块延伸进入所述间隙中；
其中，所述可动电极被图案化以限定与所述至少一个孤立凸块中的一个或多个大致对齐的一个或多个孔，所述孔具有大于所述至少一个孤立凸块的宽度但小于所述固定电极和所述可动电极之间最大间隙间距的尺寸；
其中，所述一个或多个孔延伸超出所述至少一个孤立凸块的周边的量明显大于所述固定电极和所述可动电极之间的最小间隙间距。
11.根据权利要求10所述的微机电系统(MEMS)部件，其中，所述至少一个孤立凸块包括以间隔开排列来布置在所述固定电极和所述可动电极之间的多个孤立凸块。
12.根据权利要求10所述的微机电系统(MEMS)部件，包括在所述固定电极和所述可动电极之间被定位在所述固定电极上的一个或多个固定介电材料层。
13.根据权利要求12所述的微机电系统(MEMS)部件，其中，所述至少一个孤立凸块连接至所述一个或多个固定介电材料层。
14.根据权利要求10所述的微机电系统(MEMS)部件，包括在所述固定电极和所述可动电极之间被附接至所述可动电极的一个或多个可动介电材料层。
15.根据权利要求14所述的微机电系统(MEMS)部件，其中，所述至少一个孤立凸块连接至所述一个或多个可动介电材料层。
16.一种用于形成微机电系统(MEMS)部件的方法，所述方法包括：
安置固定电极在基板上；
安置牺牲层在所述固定电极之上；
蚀刻所述牺牲层以限定至少一个孤立腔在所述固定电极之上；
安置一个或多个可动介电层在所述牺牲层之上，其中，至少一个孤立凸块被限定在所述至少一个孤立腔中；
安置可动电极在所述一个或多个可动介电层之上；
蚀刻所述可动电极以限定与所述至少一个孤立凸块中的一个或多个大致对齐的一个或多个孔；以及
除去所述牺牲层使得所述一个或多个可动介电层和所述可动电极从所述固定电极间隔开而有间隙；
其中，蚀刻所述可动电极以限定一个或多个孔包括蚀刻所述可动电极以限定所述一个或多个孔延伸超出所述至少一个孤立凸块的周边的量明显大于所述固定电极和所述可动电极之间的最小间隙间距；并且
其中，蚀刻所述可动电极以限定一个或多个孔包括蚀刻所述可动电极以限定具有小于除去所述牺牲层后在所述固定电极和所述可动电极之间的最大间隙间距的尺寸的一个或多个孔。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，蚀刻所述可动电极以限定一个或多个孔包括蚀刻所述可动电极以限定具有大于所述至少一个孤立凸块的宽度的尺寸的一个或多个孔。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，蚀刻所述可动电极以限定一个或多个孔包括蚀刻所述可动电极以限定以间隔开排列在所述固定电极之上的多个孔。
19.根据权利要求16所述的方法，包括在安置所述牺牲层之前在所述固定电极之上安置一个或多个固定介电层。
20.根据权利要求16所述的方法，包括安置一个或多个另外的可动介电层以基本上填满所述一个或多个孔。
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