CN109314018A - 可变射频微机电开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频微机电开关(通常使用首字母缩略词RF MEMS)以及制造这种开关的方法。

Description

可变射频微机电开关

本发明大体涉及一种射频微机电开关(通常使用首字母缩略词RF MEMS)以及制造这种开关的方法。

在本发明中的开关指的是电气或电子元件，所述电气或电子元件为在外部指令的影响下，能够改变至少在2个完全不同的状态下传输的电力水平。

随着无线数据传输需求的增加，对可重构的射频(RF)组件的需求不断增长。实际上，电信标准的增加使设备的架构复杂化，并且需要可重构组件的集成。与传统半导体相比，RF MEMS开关特别凭借其低电损耗、高线性行为和低功耗而成为可以满足上述需求的最有力的选择之一。

这些RF MEMS开关可以以数字矩阵的形式组合，这种组合使得可以获得具有明确且精确的单一变化，电响应的高线性度和低电损耗的装置。其他技术，例如固定容量MOS晶体管堆叠，可用于相同的目的。这些MOS晶体管可以以低成本来制造并且易于集成，但具有适中的品质因数Q，即串联电阻乘以它可以达到的最小容量值的乘积的倒数是适中的。一般认为该Q因数越高，开关的性能越好。

因此，如果希望利用MEMS开关的更高质量因数的同时降低制造成本，则开关的尺寸和生产的简单性是必须改进以取代半导体技术的关键方面。

迄今为止，已经作出了许多努力，以简化RF MEMS开关的制造方法。它们与标准薄层生产链(例如CMOS)的集成将大大降低生产成本。因此，专利申请US20150235771描述了由具有RF线的薄层制成的MEMS电容，插入到基板中的控制电极，以及当在控制电极或RF线上施加电压时能够移动的MEMS膜，所述MEMS膜插入于密封腔中，所述控制电极置于腔体的上方，并且介电层夹住组件。然而，这种配置具有引起RF线高电阻率和由于杂散容量产生损耗的缺点。此外，该MEMS的生产用到许多工艺步骤，这使得制造过程复杂且制造成本昂贵。

为了在避免上述缺点的同时解决所提出的问题，申请人开发了一种射频微机电开关，包括：

-一半导体基板和/或绝缘基板，所述半导体基板和/或绝缘基板具有基本平坦面；

-一第一RF线，所述第一RF线能够传输RF信号并且包括至少一个金属层，所述第一RF线设置于所述基板的所述面上；

-一第二RF线，所述第二RF线能够传输RF信号并且包括至少一个金属层；

-一MEMS膜，所述MEMS膜能够通过静电类型的一次或多次激活朝向基板或沿相反方向偏转，所述MEMS膜包括至少一层金属并且基本上平行于所述基板并通过一个或多个锚与第一RF线相连；

-一圆顶，所述圆顶具有与基板的所述面相对的内表面和与所述内表面相对的外表面并且包括至少一个介电层，所述圆顶布置在第二RF线和MEMS膜之间，封闭地将所述MEMS膜包装在腔体(C)中，并且固定在基板的所述面上，

所述开关的特征在于，所述第二RF线至少包括与所述基板的所述面接触的第一部分和与所述第一部分相邻并且电连接的第二部分，所述第二部分至少部分地覆盖在所述圆顶的上部。

在根据本发明的开关中，所述第二RF线的定位允许使用相对于现有技术的RF线具有更大厚度(例如约5微米)的RF线。通过这种更大的厚度，可以获得非常小的串联电阻，这提高了部件RF的性能。而且，这种配置使得由于在RF线下方存在空隙而能够创建具有低杂散电容的开关。

根据本发明的开关配置基本上是紧凑的，并且这种紧凑性使得可以降低开关的温度灵敏度，缩小制造成本并且便于例如将开关矩阵集成到RF电路中。

根据本发明的开关圆顶还可以由不连续的金属层覆盖其外表面。

在本发明中的不连续的意思是指包括脱节图案(点、线、几何形状等)的层，所述脱节图案可以彼此连接或不连接。此外，一些图案可以连接到第一RF线或第二RF线。有利地，可具有任何形状的MEMS膜还可以包括介电层和/或若干附加金属层。该电介质可以例如选自氧化铝、氧化硅和氮化硅。

有利地，所述第二RF线的第二部分可以至少部分地插入到形成圆顶的所述介电层中。所述配置尤其可以使得能够在膜向上偏转以与圆顶的下表面接触时获得更高的电容值。

有利地，根据本发明的开关还包括：

一个或多个上激活电极，所述一个或多个上激活电极彼此电连接并且能够通过静电激活使所述MEMS膜偏转，所述上激活电极布置在圆顶的外表面上和/或一个或多个中央激活电极，所述一个或多个中央激活电极彼此电连接并且能够通过静电激活使所述MEMS膜偏转，所述中央激活电极布置在圆顶的内表面上和/或一个或多个下激活电极，所述一个或多个下激活电极彼此电连接并且能够通过静电激活使所述MEMS膜偏转，所述下激活电极设置在密封腔中的基板的所述面上。

因此，MEMS膜的静电型激活可以通过两种不同的方式完成：

-通过RF线完成激活：

在这种情况下，在第二RF信号线和膜之间施加直流电压。该电压产生静电力，该静电力将使MEMS膜朝向第二RF线的第二部分偏转。当电压降低并且不再足以抵消返回力时，膜返回到基本平行于基板表面的初始位置，或者

-通过激活电极完成激活：

当在电极和MEMS膜之间施加直流电压时，产生静电力并使MEMS膜朝向电极偏转。当电压降低并且不再足以抵消返回力时，膜返回到基本平行于基板表面的初始位置。这种激活使得可以不依靠RF信号就能控制移动膜。

有利地，根据本发明的开关可以包括一个或多个上激活电极，每个上激活电极通过金属通孔电连接到中央电极。

有利地，根据本发明的开关可以包括布置在空腔中的一个或多个止动销，以防止中央或下部激活电极与MEMS膜在其偏转时的任何接触。在该有利的实施例中，该销可以位于：

-圆顶的下表面下方：销可以限制膜的偏转，从而防止MEMS膜和中央激活电极之间的任何接触，

-基板的所述面上：销可以限制MEMS膜的偏转，从而防止MEMS膜和下激活电极之间的任何接触，

-MEMS膜上：销可以限制MEMS膜的偏转，从而防止MEMS膜和中央激活电极之间的任何接触，

-在MEMS膜上下方：销可以限制MEMS膜的偏转，从而防止MEMS膜和下激活电极之间的任何接触，

根据本发明的开关可以用作天关电容，或者用作欧姆开关。

在根据本发明的开关用作欧姆开关的情况下，圆顶包括至少一个开口，其中容纳金属销，该金属销形成在第二RF线的所述第二部分的延伸部分中，使得当所述MEMS膜被上部或中央激活电极激活时，MEMS膜和所述第二RF线的所述第二部分能够接触，从而形成欧姆接触。

在根据本发明的开关用作电容的情况下，圆顶包括分隔MEMS膜和第二RF线的第二部分的至少一个介电层，以便形成金属-介电-金属电容。在该实施例中，金属层可以有利地布置在所述介电层下方，并且当所述膜朝向圆顶偏转时与MEMS膜接触。

因此根据本发明的开关可以用作电容或者欧姆接触，这些实施例均受益于RF性能的提升，其中所述第二RF线在圆顶的上部上的定位对RF性能的提升作出了贡献。在根据本发明的开关用作电容的情况下，所述MEMS膜与第二RF线的第二部分之间的可变距离可以改变电容的值并改变设备的电力绝缘。以同样的方式，当开关是欧姆类型时，当膜未被激活时例如开关隔绝RF电流，当膜被激活时例如开关允许电流通过。

而且，圆顶可以通过由两条RF线中的一条或两条RF线构成的金属气密密封，并且腔体可以包含气体(例如空气、N₂、Ar或O₂)或真空(初级或二次真空)。

本发明还涉及一种包括根据本发明的开关的射频微机电微系统(RF MEMS)。

最后，本发明还涉及一种制造根据本发明的开关的方法，包括以下步骤：

-a)将第一牺牲层放置于半导体或绝缘基板的基本平坦面上并通过去除(通常称为“剥离”)和/或蚀刻所述层的一部分来制造图案；

-b)将至少第一层金属放置在所述第一牺牲层以及所述基板的基本平坦面上；通过剥离和/或蚀刻所述金属层的一部分来制造图案，以形成第一RF线和第一MEMS膜；

-c)将二牺牲层放置于所述第一RF线上；然后通过剥离和/或蚀刻所述层的一部分来制造图案；

-d)将介电层放置于所述第二牺牲层上，然后通过剥离和/或蚀刻介电层的一部分制造图案，以形成具有与基板的所述面相对的内表面的圆顶，与所述内表面相对的外表面，以及所述圆顶中的一个或多个开口；

-e)通过所述开口消除牺牲层；将至少一个第二金属层放置于所述圆顶的所述外表面上和所述基板的所述基本平坦的表面上；然后制造图案，使得可以通过剥离和/或蚀刻所述第二金属层的一部分来堵塞所述开口并形成第二RF线。

如此形成的第二RF线包括与基板的基本平坦的面接触的第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分。

在步骤d)中形成的开口是横向开口，即不与MEMS膜的上表面相对的开口。

牺牲层的消除可以通过干法蚀刻或湿法蚀刻来完成。在湿法蚀刻的情况下，MEMS膜包括在液体中，该液体必须从液态变为气态：这种转变可以通过临界点干燥器(通过使用首字母缩略词CPD来表示)来完成。

本发明的其他优点和特征将从以下描述中显现，作为非限制性示例提供并参考附图进行：

-图1示出了根据本发明的开关的俯视图(图1a)，沿线AA’的剖视图(图1b)和沿线BB’的剖视图(图1c)；

-图2示出了根据本发明的开关被用作电容以及第二RF线部分地插入到圆顶的介电层中时，开关沿线AA’的示意性剖视图；

-图3示出了根据本发明的开关被用作电容并且具有布置在圆顶上的两个激活电极和布置在圆顶的介电层中的金属层时，所述开关的沿线AA’的示意性剖视图；

-图4示出了根据本发明的被用作欧姆接触器并且具有彼此相连的上电极和中央电极的开关的示意图，图4a为沿线AA’的剖视图，图4b为沿线BB’的剖视图；

-图5示出了根据本发明的被用作电容接触并且具有上电极和止动销的开关的沿线AA’的示意性剖视图；

-图6示出了根据本发明的被用作欧姆开关并且具有中央电极和下电极以及止动销的开关的沿线AA’的示意性剖视图；

-图7示出了根据本发明的开关的实施例的不同的连续步骤a)至g)的示意图，图7a为沿线AA’的剖视图，图7b为沿线BB’的剖视图。

图1示出了根据本发明的开关的俯视图。第一RF线3与MEMS膜5通过锚51电连接，从而允许RF信号穿过MEMS膜5在第一RF线3中传播。第二RF线4具有与基板2的面21接触的第一部分41和部分地覆盖圆顶6的第二部分42。这两个部分彼此电连接，从而允许穿过第一部分41的RF信号在第二部分42中传播(图1a)。

包括MEMS膜5和电介质(包括圆顶的介电层以及若膜5未被完全偏转则膜5和圆顶的介电层之间的任何空气层)，以及第二RF线4的第二部分42的叠层形成电容。信号通过该叠层从一条RF线传播到另一条RF线。当膜5朝向RF线4偏转并与电介质圆顶接触时，电容更高。因此，根据本发明的开关可以用作开关电容。在这种特殊情况下，膜的激活由RF线完成。

图1的圆顶6包括至少一个介电层，并且被可以是不连续的一层金属覆盖，该层金属的元件图案连接到第一RF线3(图1b)。RF线3和4组成的金属使得可以保证腔体的密封性。

圆顶6在基板2的平坦面21上具有多个锚定点63，以及三个开口64、65，所述开口能够消除已经用于开发MEMS膜5和圆顶6的牺牲层S1、S2(比较下列图7a和图7b的描绘)：由第一RF线3(图1a和1b中可见)封闭的两个开口64和由第二RF线4封闭的开口65(在图1a和1c中可见)。如图1b(用于开口64)和图1c(用于开口65)所示，这些开口为横向开口，其不与MEMS膜5的上表面51相对。

图2示出了根据本发明的开关被用作电容且第二RF线4部分地插入到圆顶6的介电层中时的开关的示意性剖视图第二RF线4部分地插入到圆顶6的介电层中。在该特定情况下，第二RF线4的第二部分仍然通过至少一个介电层8与MEMS膜分离。当MEMS膜5与圆顶6接触时，RF线插入圆顶6越深，获得的电容越高。

图3示出了根据本发明的开关被用作电容且金属层8布置在介电层下方时开关的示意性剖视图。这种方法的优点是允许开关电容几乎完美的复原性，但品质因数会略微降低。

图4示出了根据本发明的开关被用作欧姆接触并具有上电极71和中央电极72时开关的示意性剖视图。在该特定情况下，每个上激活电极71通过穿过圆顶6的金属孔75连接到中央电极72(图4a)。在开关用作欧姆接触的情况下，激活电极是必不可少的，不能通过接触的RF线来激活膜。

图4的欧姆接触通过穿过圆顶并与第二RF线4接触的金属接触销91完成。当膜偏转时，其重新与所述金属销接触并允许RF电流在两条RF线(RF线3和4)之间通过。

图5示出了根据本发明的开关在用作可变电容并且具有下电极73和止动销9的情况下的开关的示意性剖视图。该销可以置于MEMS膜5的下方且与所述膜接触或者置于基板2的所述面21上并与所述面接触。当所述膜朝向下电极73偏转时，销限制MEMS膜朝向下电极73的偏转，从而在MEMS膜5和下电极73之间留下空隙。在没有所述销的情况下，下电极73可能与膜接触，这会使膜5带电从而导致装置失效。

图6示出了根据本发明的开关在被用作欧姆接触并且具中央电极72和下电极73的情况下的开关的沿线AA’的示意性剖视图。所述激活电极71、73不能使膜5朝向激活电极71、73偏转。因此，添加下电极73使得可以使膜5朝向基板2偏转，从而增加装置的电特性变化的幅度。

图7示出了制造本发明的开关的不同的连续步骤a)至g)的示意图，图7a示出了沿线AA’的剖视图，图7b示出了沿线BB’的剖视图。

在图7a和7b中，与步骤(a)相关的示图示出了成形之后位于基板2上的第一牺牲层S1。

在图7a和7b中，与步骤(b)相关的示图示出了位于第一牺牲层S1上的第一金属层M1。所述第一金属层M1通过蚀刻(干法或湿法)成形以产生第一RF线3和MEMS膜5，这两个组件彼此通过MEMS膜5的锚51电连接。

在图7a和7b中，与步骤(c)相关的示图示出了成形之后的第二牺牲层S2。

在图7a和7b中，与步骤(d)相关的示图示出了在对其进行成形以形成圆顶6之后的介电层。所述圆顶6锚固在基板2中并允许第一RF线3通过以允许与MEMS膜5的连接。

所述开口64、65允许牺牲层的干法蚀刻或湿法蚀刻，湿法蚀刻需要额外的临界点干燥器来处理的步骤。

在图7a和7b中，与步骤(e)相关的示图示出了消除牺牲层的步骤的结果。

在图7a和7b中，与步骤(f)相关的示图示出了放置第二金属层M2的步骤，所述层将用作形成接下来的步骤的不同图案的基底。

如在与图7a和7b的步骤(g)相关的示图中所描述的，所述第二金属层M2通过剥离和/或蚀刻术(干法或湿法)成形，以便形成第二RF线4并关闭在前一步骤中以某种方式形成的开口64、65。该第二RF线4被分解成与基板2的平坦面21相接触的第一部分41以及与第一部分41相邻的第二部分42(即与第一部分41电连接)。所述第二RF线4和所述第一RF线3中的至少一个闭合横向开口64、65，从而形成封装MEMS膜的密封腔体C。

Claims (11)

1.一种射频微机电开关(1)，包括：

-一半导体基板和/或绝缘基板(2)，所述半导体基板和/或绝缘基板(2)具有基本平坦面(21)；

-一第一RF线(3)，所述第一RF线(3)能够传输RF信号并且包括至少一个金属层，所述第一RF线(3)设置于所述基板(2)的所述面(21)上；

-一第二RF线(4)，所述第二RF线(4)能够传输RF信号并且包括至少一个金属层；

-一MEMS膜(5)，所述MEMS膜(5)能够通过静电类型的一次或多次激活朝向所述基板(2)或相反方向偏转，所述MEMS膜(5)包括至少一层金属并且基本上平行于所述基板(2)并通过一个或多个锚(51)与所述第一RF线(3)相连；

-一圆顶(6)，所述圆顶(6)具有与基板(2)的所述面(21)相对的内表面(61)和与所述内表面(60)相对的外表面(62)，所述圆顶(6)包括至少一个介电层，所述圆顶(6)布置于所述第二RF线(4)和MEMS膜(5)之间，将所述MEMS膜封闭地封装在腔体(C)中，并且锚固在所述基板(2)的所述面(21)上，

所述开关的特征在于，所述第二RF线(4)至少包括与所述基板(2)的所述面接触的第一部分(41)和与所述第一部分(41)相邻并且电连接的第二部分(42)，所述第二部分(42)至少部分地覆盖在所述圆顶(6)的上部。

2.根据权利要求1所述的开关(1)，其特征在于，所述MEMS膜(5)还包括至少一个介电层和/或一个或多个额外的金属层。

3.根据权利要求1或2所述的开关(1)，其特征在于，所述第二RF线(4)的所述第二部分(42)至少部分地插入于所述圆顶(6)的所述介电层中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关(1)，其特征在于，还包括：

-一个或多个上激活电极(71)，所述一个或多个上激活电极(71)彼此电连接并且能够使所述MEMS膜(5)通过静电激活偏转，所述上激活电极(71)布置于所述圆顶(6)的外表面上和/或

-一个或多个中央激活电极(72)，所述一个或多个中央激活电极(72)彼此电连接并且能够使所述MEMS膜(5)通过静电激活偏转，所述中央激活电极(71)布置于所述圆顶(6)的内表面(62)上和/或

-一个或多个下激活电极(72)，所述一个或多个下激活电极(72)彼此电连接并且能够使所述MEMS膜(5)通过静电激活偏转，所述下激活电极(73)布置于密封腔体(C)中的所述基板(2)的所述面(21)上。

5.根据权利要求4所述的开关(1)，其特征在于，包括一个或多个上激活电极(71)，每个上激活电极(71)通过金属通孔(75)电连接到中央电极。

6.根据权利要求4或5所述的开关(1)，其特征在于，包括布置在所述腔体(C)中的一个或多个止动销(9)，以防止所述中央或下激活电极(72、73)与所述MEMS膜(5)在其偏转时的任何接触。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的开关(1)，其特征在于，所述圆顶(6)包括至少一个开口，其中金属销(91)容纳在所述开口中，所述金属销形成于所述第二RF线(4)的所述第二部分(42)的延伸部中，从而使得所述MEMS(5)和所述第二RF线(4)的所述第二部分(42)能够在所述MEMS膜(5)被上激活电极(71)或中央激活电极(72)激活时接触，以形成欧姆接触。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的开关(1)，其特征在于，所述圆顶包括至少一个隔离所述MEMS膜(5)和所述第二RF线(4)的第二部分(42)的介电层，从而在所述膜被激活且与所述圆顶接触时时形成一金属-介电-金属电容。

9.根据权利要求8所述的开关(1)，其特征在于，一金属层(63)布置于所述介电层(62)的下方并且在所述膜朝向所述圆顶偏时与所述MEMS膜(5)接触。

10.一种频射微机电微系统(RF MEMS)，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项定义的开关(1)。

11.一种制造根据权利要求1至9中任一项定义的开关(1)的方法，其特征在于，包括下列步骤：

a)将第一牺牲层(S1)放置于半导体或绝缘基板(2)的基本平坦面上并通过剥离和/或蚀刻所述层(S1)的一部分来制造图案；

b)将至少第一金属层放置在所述第一牺牲层(S1)以及所述基板(2)的基本平坦面(21)上；然后通过剥离和/或蚀刻所述金属层的一部分来制造图案，以形成所述第一RF线(3)和所述第一MEMS膜(5)；

c)将二牺牲层(S2)放置于所述第一RF线(3)上；然后通过剥离和/或蚀刻所述层(S2)的一部分来制造图案；

d)将介电层放置于所述第二牺牲层(S2)上；然后通过剥离和/或蚀刻所述介电层的一部分来制造图案，以形成具有与所述基板(2)的所述面(21)相对的内表面(61)和与所述内表面(61)相对的外表面(62)的圆顶，以及位于所述圆顶中的一个或多个开口(64、65)；

e)通过所述开口(64、65)消除所述牺牲层(S1、S2)；然后

f)将至少一个第二金属层放置于所述圆顶(6)的所述外表面(62)上和所述基板(2)的所述基本平坦面(21)上；然后制造图案，使得可以通过剥离和/或蚀刻所述第二金属层的一部分来堵塞所述开口(64、65)并形成第二RF线(4)。