CN107077971A - 减少微机电系统装置中的介电充电的系统、装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本主题涉及用于对MEMS装置中的静电致动的隔离以减少或最小化介电充电的装置、系统和方法。一种可调谐部件可以包括：固定致动电极，其定位在基板上；可动致动电极，其承载在悬置于基板上方的可动部件上；一个或多个隔离凸起，所述一个或多个隔离凸起定位在固定致动电极与可动致动电极之间；以及固定隔离着落部，其被隔离在固定致动电极的在一个或多个隔离凸起中的每一个隔离凸起处、在每一个隔离凸起附近、和/或与每一个隔离凸起大致对齐的部分内。在该布置中，可动致动电极可以选择性地朝向固定致动电极移动，但一个或多个隔离凸起可以防止固定致动电极与可动致动电极之间的接触，且固定隔离着落部可以抑制在隔离凸起中产生电场。
Description
优先权要求
本申请要求提交于2014年10月3日、序列号为62/059,822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
在本文中公开的主题一般性地涉及可调谐的微机电系统(MEMS)部件。更具体地，在本文中公开的主题涉及对MEMS装置中的静电致动器的隔离以减少或最小化介电充电。
背景技术
在微机电系统(MEMS)的构造中，静电致动板在打开与闭合的状态之间相对彼此可动，如果MEMS装置闭合且致动器彼此接触，则致动板会变为短路。为了防止致动器接触且短路，致动电极中的一个或两个可以覆盖具有适当厚度的电介质来防止介电击穿。连续的电介质提供了适当的隔离使得可以防止短路和击穿，但可能会在高强度电场区域内产生显著的接触面积，这能进行充电从而导致由介电充电而引起的寿命降低。该接触面积可以通过将连续的电介质图案分解成不连续或孤立的电介质零件、隔离零件或隔离凸起而被最小化，但即使这些解决方案也无法充分解决充电问题。
发明内容
根据本公开，提供了用于对MEMS装置中的静电致动器的隔离以减少或最小化介电充电的装置、系统和方法。在一个方案中，提供了一种可调谐部件。该可调谐部件可以包括：固定致动电极，其定位在基板上；可动致动电极，其承载在悬置于基板上方的可动部件上；一个或多个隔离凸起，所述一个或多个隔离凸起定位在固定致动电极与可动致动电极之间；以及固定隔离着落部，其被隔离在固定致动电极的在一个或多个隔离凸起中的每一个凸起处、在每一个隔离凸起附近、和/或与每一个隔离凸起大致对齐的部分内。在该布置中，可动致动电极可以选择性地朝向固定致动电极移动，但一个或多个隔离凸起可以防止固定致动电极与可动致动电极之间的接触，且固定隔离着落部可以抑制在隔离凸起中产生电场。
在另一方案中，一种用于制造可调谐部件的方法可以包括：将固定致动电极布置在基板上；限定被隔离在固定致动电极的一部分内的一个或多个固定隔离着落部；将牺牲层布置在固定致动电极上；在牺牲层中形成在一个或多个固定隔离着落部处、在所述一个或多个固定隔离着落部附近和/或与所述一个或多个固定隔离着落部大致对齐的凹部；将隔离凸起布置在一个或多个凹部中的每一个凹部中；将可动致动电极布置在牺牲层上方；以及去除牺牲层以释放可动致动电极，其中可动致动电极可选择性地朝向固定致动电极移动。
尽管已经在上面陈述了在本文中公开的主题的一些方案，这些方案以本公开的主题的全部或部分实现，但在下文结合附图继续进行说明以作为最恰当说明时，其他方案也将变得显而易见。
附图说明
根据下面具体说明将更容易理解本主题的特征和优点，以下的具体说明应该结合附图来理解，附图仅以解释性和非限制性示例的方式给出，并且其中：
图1是根据本公开主题的实施例的MEMS可调谐电容器模的侧视图；
图2A至图5是根据本公开主题的实施例的用于对MEMS装置中的静电致动器进行隔离的构造的侧剖视图；
图6和图7是示出根据本公开主题的实施例的静电致动器之间的隔离凸起周围的区域内的电压线图；
图8和图9是示出根据本公开主题的实施例的静电致动器之间的隔离凸起的中心处的电场的图；以及
图10A至图13B是根据本公开主题的实施例的用于对MEMS装置中的静电致动器进行隔离的构造的侧剖视图。
具体实施方式
本主题提供了对MEMS装置中的静电致动器的隔离的改进以减少或最小化介电充电。在一个方案中，本主题提供了用于致动电极的构造，所述构造提供了对隔离凸起处、凸起附近和/或与凸起大致对齐的区域内的电场的隔离，所述隔离凸起保持了两个致动电极之间的期望的最小间距。
具体地，例如，在用于MEMS可调谐装置的一些构造中，设置了多个单独的可调谐部件构成的阵列。例如，如图1中所示，每一个可调谐部件(总体地标记为100)，包括设置在基板S上的一个或多个固定致动电极110。对应的一个或多个可动致动电极130可以承载在与基板S间隔有间隙的可动部件MC上。此外，在一些实施例中，可调谐部件100可以是可调谐电容器，所述可调谐电容器进一步包括设置在基板S上的一个或多个固定电容电极120和承载在可动部件MC上的一个或多个可动电容电极140。可动致动电极130和可动电容电极140可以分别与固定致动电极110和固定电容电极120大致对齐。
在一些实施例中，这样的结构可以通过逐层布置过程来形成，在该过程中，固定致动电极110布置在基板S上，牺牲层布置在固定致动电极110上，可动致动电极130和可动部件MC的其他元件布置在牺牲层上方，然后去除牺牲层(例如，通过蚀刻)以释放可动部件MC。在该布置中，可以通过控制施加到固定致动电极110和可动致动电极130的电位来相对于固定元件和基板S移动可动部件MC。例如，在一些实施例中，可动致动电极130可以连接至接地电位且固定致动电极110可以连接至高电压，以引起致动电极之间的静电吸引，从而引起可动部件MC朝向基板S偏转。
在一些实施例中，固定电极和活动电极(即，固定致动电极110、固定电容电极120、可动致动电极130、和/或可动电容电极140中的一个或多个)由一个或多个电介质材料层封装以消除或至少降低在作业期间电极之间(例如，当可动部件MC偏转至电极之间的间隙被最小化“闭合”位置时)的直接电气短路的可能性。然而，即使在这样的布置中，致动元件之间大的接触面积仍然可以导致过度的介电充电且产生大的力，这可能会影响作业和可靠性。
相应地，在一些实施例中，可以在相应的固定电极与可动电极之间(例如，在固定致动电极110与可动致动电极130之间)设置一个或多个隔离凸起150以帮助最小化接触面积且减少致动器较大面积上的电场。再次参照上述的示例性的逐层布置过程，可以通过在布置于基板S上方的牺牲层中形成凹部且在一个或多个凹部中的每一个凹部中布置隔离凸起来形成一个或多个隔离凸起150。这样的隔离凸起可以采用各种具体形状(例如，直角棱柱形、八角棱柱形)或构造中的任何一个来实现，以优化装置的机械作业和可靠性。
例如，在一些实施例中，距电容元件的中心较远的高隔离凸起(例如，具有大约0.5μm的高度)可以在致动器区域的整个长度范围内提供比较大的隔离，提供机械稳定性且限制致动行程以及由此引起的材料应力。可替换地或另外地，矮隔离凸起(例如，具有大约0.2μm的高度)可以设置在致动器区域的其他地方以防止局部致动器接触或塌下，特别是在电容器区域附近。在一些具体构造中，较矮的隔离凸起可以均匀分布在整个致动器区域上或最佳地分布在离散位置上。用于MEMS电容器的这些隔离凸起的最佳的数量和安置可以根据实现以下条件所要求的最小量来确定：稳定的电容；吸合以上的平坦的CV响应，包括最小化致动器与电容器之间的初级/次级致动器塌下的可能性或最小化主隔离凸起与梁端之间的初级致动器塌下的可能性；和/或最小化吸合电压的增大。增加隔离凸起的高度也起到最小化任何场生电荷的作用，但凸起高度受到对于在向下状态下保持足够的力以提供稳定电容的需求的限制。用于这样的隔离凸起的这些和其他示例性的构造在编号为6,876,482的美国专利和序列号为14/033,434的待审的美国专利申请中被更详细地讨论，上述公开的全部内容均并入本文中。
与具体布置无关，一个或多个隔离凸起150可以被设计为相对于附近的电极占有最小面积，在数量上最少，和/或具有这样的高度以使得从其他功能要求的角度最小化电场。为了进一步提高在隔离凸起150周围的区域内电场的效应，可以将引起电场的电极的部分从隔离凸起150周围的区域中移除。例如，在图2A和图2B示出的一个具体构造中，隔离凸起150在固定致动电极110与可动致动电极130之间附接于可动部件MC。另外，在一些实施例中，为了进一步防止致动器接触和短路，固定电介质层115(例如，SiO2、Al2O3)可以设置在固定致动电极110上(即，在固定致动电极110的面向可动致动电极130的表面上)，和/或可动电介质层135(例如，SiO2)可以设置在可动致动电极130上(即，在可动致动电极130的面向固定致动电极110的表面上)。固定电介质层115和可动电介质层135可以由相同材料或不同电介质材料构成。
在可动致动电极130的在附接隔离凸起150的点处或该点附近的部分中(例如，在图2A和图2B所示的取向上，隔离凸起150的上方)，可动致动电极130可以被图案化以具有在凸起上方的孔，使得第一可动电极部分130a和第二可动电极部分130b围绕隔离凸起150，但不与其重叠。此外，在所示构造中，固定致动电极110的在隔离凸起150会接触固定致动电极110的位置处或该位置附近的部分(例如，在图2A和图2B所示的取向上，隔离凸起150的正下方)被图案化为具有固定隔离着落部112，固定隔离着落部112位于固定致动电极110的第一固定致动部分110a与第二固定致动部分110b之间(例如，其间有电介质材料的介入部分)。
例如，在特定示例性的构造中，隔离凸起150可以具有大约0.4μm的有效直径和大约250nm的高度，且固定隔离着落部112在固定致动电极110内具有大致矩形尺寸，尺寸为大约2.1μm×1.5μm。在一些实施例中，固定致动电极110与固定隔离着落部112之间的间距大约为1μm。隔离凸起150可以在固定隔离着落部112内大致被置于中心，或它可以相对于固定隔离着落部112的中心偏移。
在另一特定示例性的构造中，与具有大约7.7μm×7μm尺寸的固定隔离着落部112相比，隔离凸起150的较大的实施例可以具有大约0.6μm的有效直径和大约550nm的高度。
在图3A和图3B所示的替代构造中，不是将孔在附接有隔离凸起150的位置处或该位置附近设置在可动致动电极130内，而是可动致动电极130在隔离凸起150的区域内可以大致不被图案化(即，连续横跨隔离凸起150的大致整个宽度)。在该构造中，固定致动电极110可以重新被图案化为在固定致动电极110的会在闭合状态下接触隔离凸起150的区域内具有固定隔离着落部112。
在图4和图5所示的又一示例性构造中，隔离凸起150可以附接或以其他方式设置在可调谐部件100的固定部分上，其中或者在可动致动电极130中有图案化的孔(例如，参见图4)或者可动致动电极130基本不被图案化(例如，参见图5)。在具有这样构造的一些实施例中，隔离凸起150可以制造在固定电介质层115上且延伸到固定致动电极110与可动致动电极130之间的间隙中。在这些实施例中，由于隔离凸起150直接形成在固定隔离着落部112上而不是悬置在固定隔离着落部112的上方时更容易将隔离凸起150与固定隔离着落部112对齐，所以可以提高可调谐部件100的可制造性。对于这点，在隔离凸起150附接于可动部件MC的实施例中，在形成固定隔离着落部112与形成隔离凸起150之间可能会需要更多工序步骤，从而存在更可能在各介入步骤中的一个步骤中可能会发生对不齐。此外，在一些实施例和实施方案中，可动部件MC在释放时可能会略微扩张或收缩，如果在设计中未考虑到对梁的形状的这种改变(例如，通过对隔离凸起150相对于固定隔离着落部112的对齐的偏移的设计、扩张固定隔离着落部112的尺寸以允许对相对移动的更大的容差，或者上述两者)则这也可能会引起对不齐。也就是说，由于附加的外形可能会使将布置在固定部件上的牺牲层平面化(例如，在固定致动电极110与可动致动电极130之间形成间隙)更复杂，因此在固定隔离着落部112上设置隔离凸起150可能会使制造的其他方面更困难。
在图10A和图10B中示出了再一示例性的构造，其中，隔离凸起150附接于可动致动电极130，且与固定元件接触的区域是位于第一致动部分110a与第二致动部分110b之间的固定隔离着落部112，只是省略了固定电介质层115和可动电介质层135。同样地，图11示出了隔离凸起150附接在固定隔离着落部112处的类似的示例性构造。在该构造中，隔离凸起150可以直接制造在固定隔离着落部112上或直接附接于可动致动电极130。
在又一替代构造中，图12A至图12C示出了可动致动电极130被改进为在隔离凸起150处、在该隔离凸起附近或与该隔离凸起大致对齐处包括可动隔离填充物132(例如，钨)的布置。该变型增加了制造工序的复杂性，且如果使可动隔离填充物132悬空，则由于它最终可能充电，因此它可能会表现出一些缺点。也就是说，在一些实施例中，高电压可以施加到可动致动电极130(即，施加到第一可动致动部分130a和第二可动致动部分130b)，而不是施加到固定致动电极110(即，施加到第一固定致动部分110a和第二固定致动部分110b)，且可动隔离填充物132可以接地以实现期望功能。
在另一替代构造中，图13A和图13B示出了隔离凸起150自身设置有隔离凸起金属填充物152的布置。如在该构造所示，隔离凸起金属填充物152可以与可动致动电极130连通，且可以保持在共用电位。与隔离凸起150不包括隔离凸起金属填充物152的构造相比，这样的构造可以提高装置的可制造性，而不会显著不利地影响作业。尤其是，以这种方式形成隔离凸起150可能会更容易，这是因为可动电介质层135和隔离凸起150可以在单次布置中形成，且然后可动致动电极130和隔离凸起金属填充物152可以同样在单次布置中形成。相比之下，在隔离凸起150大致完全由电介质材料构成的构造中，形成这样结构可能会要求布置足够的绝缘体材料以填充牺牲材料中的孔。除非可动电介质层135被平面化，否则这个工序步骤可能会导致可动电介质层135变得比期望的更厚，这虽然是可行的，但将增加工序的成本和/或劳动强度。
在这些布置中任何一个中，本领域的技术人员将理解到，电极部分在隔离凸起150处、在该隔离凸起附近或与该隔离凸起大致对齐的构造可以影响通过电极之间的隔离凸起150产生电荷的能力。例如，尤其是，固定隔离着落部112可以被电隔离(“悬空”)、连接至接地电位、或连接至所选择的与连接至第一固定电极部分110a和第二固定电极部分110b的电位相同或不同的电位。例如，如图6中所示，针对固定隔离着落部112被电隔离/悬空且可动致动电极130在固定致动电极110和固定隔离着落部112上方连续(例如，参见图3A、图3B和图5)的可调谐部件100的构造，示出了电压线图。相比之下，图7示出了针对固定隔离着落部112接地且可动致动电极130连续的可调谐部件100的构造的电压线图。相应地，本领域普通技术人员应该认识到，在隔离凸起150的附近的电场，特别是在其接触表面处的电场可以被减小，这可以使得进一步减少充电。
类似地，在隔离凸起150的中心处产生的电场可以根据可动致动电极130的构造(例如，具有在隔离凸起150处或其附近作为共形层的孔，或具有可动隔离填充物132)和固定致动电极110的构造(例如，其中限定有固定隔离着落部112)而变化。在所示出的特定构造中，例如，接地的固定隔离着落部112产生的电场(例如，参见图8)可以与悬空的固定着落部产生的电场(例如参见图9)相对比。正如从这些结果可以看到的，隔离凸起150和固定隔离着落部112的接地可以在隔离凸起150的电介质接触区域内引起较低的电场。
在不偏离本主题的精神和必要特征的情况下，本主题可以采用其他形式来实现。因此所描述的实施例应该在各个方面都被认为是说明性的，而不是限制性的。尽管已经根据某些优选实施例描述了本主题，但对本领域普通技术人员而言显而易见的其他实施例也在本主题的范围内。
Claims (21)
1.一种可调谐部件，包括：
固定致动电极，其定位在基板上；
可动致动电极，其承载在悬置于所述基板上方的可动部件上，其中所述可动致动电极能够选择性地朝向所述固定致动电极移动；
一个或多个隔离凸起，所述一个或多个隔离凸起定位在所述固定致动电极与所述可动致动电极之间，所述一个或多个隔离凸起被构造为防止所述固定致动电极与所述可动致动电极之间的接触；以及
固定隔离着落部，其被隔离在所述固定致动电极的在所述一个或多个隔离凸起中的每一个隔离凸起处、在所述每一个隔离凸起附近、和/或与所述每一个隔离凸起大致对齐的部分内，所述固定隔离着落部被构造为抑制在所述隔离凸起中产生电场。
2.根据权利要求1所述的可调谐部件，其中所述一个或多个隔离凸起附接于所述可动部件。
3.根据权利要求1所述的可调谐部件，其中所述一个或多个隔离凸起中的每一个凸起都附接于相应的固定隔离着落部。
4.根据权利要求1所述的可调谐部件，其中所述固定隔离着落部被电隔离。
5.根据权利要求1所述的可调谐部件，其中所述固定隔离着落部连接至接地电位。
6.根据权利要求1所述的可调谐部件，其中所述固定隔离着落部与连接至所述固定致动电极的电位大致相同的电位相连接。
7.根据权利要求1所述的可调谐部件，其中所述固定隔离着落部与连接至所述固定致动电极的电位不同的电位相连接。
8.根据权利要求1所述的可调谐部件，包括固定电介质材料层和可动电介质材料层中的至少一个，所述固定电介质材料层设置在所述固定致动电极的面向所述可动致动电极的表面上，所述可动电介质材料层设置在所述可动致动电极的面向所述固定致动电极的表面上。
9.根据权利要求1所述的可调谐部件，其中所述可动致动电极被图案化为包括在所述一个或多个隔离凸起中每一个隔离凸起处、在所述每一个隔离凸起附近处、和/或与所述每一个隔离凸起大致对齐的孔。
10.根据权利要求1所述的可调谐部件，包括可动隔离填充物，所述可动隔离填充物被隔离在所述可动致动电极的在所述一个或多个隔离凸起中每一个隔离凸起处、所述每一个隔离凸起附近、和/或与所述每一个隔离凸起大致对齐的部分内。
11.一种用于制造可调谐部件的方法，所述方法包括：
将固定致动电极布置在基板上；
限定被隔离在所述固定致动电极的一部分内的一个或多个固定隔离着落部；
将牺牲层布置在所述固定致动电极上；
在所述牺牲层中形成在所述一个或多个固定隔离着落部处、在所述一个或多个固定隔离着落部附近和/或与所述一个或多个固定隔离着落部大致对齐的凹部；
将隔离凸起布置在所述一个或多个凹部中的每一个凹部中；
将可动致动电极布置在所述牺牲层上方；以及
去除所述牺牲层以释放所述可动致动电极，其中所述可动致动电极能够选择性地朝向所述固定致动电极移动。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述牺牲层中蚀刻凹部包括蚀刻与所述固定致动电极相连通的凹部，其中将隔离凸起布置在所述一个或多个凹部中的每一个凹部中包括将所述隔离凸起附接于所述固定致动电极。
13.根据权利要求11所述的方法，其中在所述牺牲层中蚀刻凹部包括在所述牺牲层的外露表面中蚀刻凹部，其中将可动致动电极布置在所述牺牲层上方包括将所述可动致动电极附接于所述隔离凸起。
14.根据权利要求11所述的方法，包括电隔离所述固定隔离着落部。
15.根据权利要求11所述的方法，包括将所述固定隔离着落部连接至接地电位。
16.根据权利要求11所述的方法，包括将所述固定隔离着落部和所述固定致动电极连接至共用电位。
17.根据权利要求11所述的方法，包括将所述固定隔离着落部连接至第一电位并且将所述固定致动电极连接至与所述第一电位不同的第二电位。
18.根据权利要求11所述的方法，包括将所述可动致动电极图案化为包括在所述一个或多个隔离凸起中的每一个隔离凸起处、在所述每一个隔离凸起附近、和/或与所述每一个隔离凸起大致对齐的孔。
19.根据权利要求11所述的方法，包括限定可动隔离填充物，所述可动隔离填充物被隔离在所述可动致动电极的在所述一个或多个隔离凸起中的每一个隔离凸起处、在所述每一个隔离凸起附近、和/或与所述每一个隔离凸起大致对齐的部分内。
20.根据权利要求11所述的方法，包括：在布置所述牺牲层之前，将固定电介质材料层布置在所述固定致动电极上。
21.根据权利要求11所述的方法，包括：在布置所述可动致动电极之前，将可动电介质材料层布置在所述牺牲层上。
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