CN111627759B - 一种基于驻极体的可重构驱动电压rf mems开关及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关及其制备方法，包括：固支梁，所述固支梁的两端远离第二衬底的一面设置第一键合结构；CPW结构，包括CPW信号线以及位于所述CPW信号线两侧的CPW地线；所述CPW地线上设置第二键合结构，所述固支梁通过所述第一键合结构与所述第二键合结构的键合工艺设置在所述CPW结构上；驱动电极，位于所述CPW信号线与所述CPW地线之间；以及充电结构，所述充电结构包括驻极体以及压焊块，所述驻极体设置在所述驱动电极上。本发明的一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关及其制备方法，能够同时满足低驱动电压和高驱动电压的应用要求，这既能够有效降低开关的驱动电压，又能够防止粘连失效的发生。

Description

一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关及其制备 方法

技术领域

本发明涉及射频微机电技术领域，具体涉及一种基于驻极体的可重构驱动电压RFMEMS开关及其制备方法。

背景技术

RF MEMS(射频微机电系统)开关是指利用MEMS技术加工出来的尺寸在微米到毫米量级的器件，用于射频和微波信号的导通和断开。它主要是由两个部分组成：机械部分(执行)和电学部分。其机械部分主要以静电、静磁、压电或热原理为机械运动提供驱动力，实现开关的横向或纵向运动；而电学部分可以采用串联或并联方式排列，可以是金属-金属接触或电容耦合。由于基于静电执行开关具有零直流功耗、小的结构电极、相对短的开关时间(μs)、较小的接触力(50～200μN)以及可用高阻偏置线给开关施加偏压等优势，所以静电执行是目前使用的最普遍的技术。

目前，消费类无线通讯设备以及某些特殊工作环境的雷达系统仅能提供低驱动电压，若需要提高基于静电原理的RF MEMS开关的驱动电压必须增加向上变换器。所增加的变换器必然引起额外尺寸、功耗和成本问题。通过设计RF MEMS开关的结构，例如增加MEMS梁的长度或降低MEMS梁的高度等，可实现其低的驱动电压，然而这种方法对加工工艺要求很高，例如表面释放工艺，且在多次执行后容易引起塌陷失效等可靠性问题。所以，通过调研国内外文献发现，通常会将基于静电原理的RF MEMS开关的驱动电压设计的较高，以保证高性能、高质量的RF MEMS开关。然而，过高的驱动电压将导致介质层的离子注入，造成开关的屏蔽或粘连等失效问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关及其制备方法，能够同时满足低驱动电压和高驱动电压的应用要求，这既能够有效降低开关的驱动电压，又能够防止粘连失效的发生。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关，包括：固支梁，设置在第二衬底上，所述第二衬底上设置凹槽，所述固支梁的中部位于所述凹槽的槽口，所述固支梁的两端远离所述第二衬底的一面设置第一键合结构；CPW结构，设置在第一衬底上，所述CPW结构包括CPW信号线以及位于所述CPW信号线两侧的CPW地线，所述CPW信号线与所述CPW地线相互平行；所述CPW地线上设置第二键合结构，所述固支梁通过所述第一键合结构与所述第二键合结构的键合工艺设置在所述CPW结构上；驱动电极，设置在所述第一衬底上，位于所述CPW信号线与所述CPW地线之间；以及充电结构，设置在所述第一衬底上，所述充电结构包括驻极体以及压焊块，所述驻极体设置在所述驱动电极上，所述压焊块通过金属连接线与所述驱动电极连接。

进一步地，所述驻极体包括氮化硅绝缘介质层以及二氧化硅层，所述二氧化硅层设置在所述驱动电极远离所述第一衬底的一面上，所述氮化硅绝缘介质层设置在所述二氧化硅层远离所述驱动电极的一面上。

进一步地，每个所述CPW地线上设置一条缝隙，所述金属连接线的一端与所述驱动电极连接，所述金属连接线的另一端穿过所述缝隙与所述压焊块连接。

进一步地，因所述缝隙中断的所述CPW地线通过空气桥连接，所述空气桥下方正对的所述金属连接线上设置氮化硅绝缘介质层。

进一步地，所述第一衬底上设置U型槽，所述U型槽的轴线与所述CPW信号线平行，所述CPW信号线以及所述驱动电极位于所述U型槽内。

进一步地，所述第一衬底靠近所述CPW结构的一面以及所述第二衬底靠近所述固支梁的一面设置缓冲介质层。

一种如上所述的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关的制备方法，包括如下步骤：S10在第一衬底上刻蚀出U型槽，后通过热氧化方式在所述第一衬底以及所述第二衬底上生长缓冲介质层；S20在所述第一衬底的缓冲介质层上依次通过光刻、蒸发、剥离第一金属层，初步获得CPW结构、金属连接线、压焊块和驱动电极；S30采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在所述驱动电极上生长一层二氧化硅层，后采用PECVD工艺在所述二氧化硅层、缝隙内的所述金属连接线上以及两个驱动电极之间的位置的CPW信号线上生长一层氮化硅绝缘介质层；S40在所述CPW结构、金属连接线、压焊块以及第二衬底上依次蒸发钛、金、钛层，光刻、电镀第二金属层、去除光刻胶、反刻，完全形成CPW结构、金属连接线以及压焊块，同时形成空气桥、固支梁，并在所述CPW地线以及所述固支梁上形成第二键合结构以及第一键合结构；S50通过刻蚀技术在所述固支梁中部的所述第二衬底上形成凹槽，采用热极化驻极装置对所述驱动电极上的所述驻极体进行驻极操作，实现电荷的注入和存储；以及S60采用键合工艺将所述第一键合结构与所述第二键合结构对准键合，形成所述RFMEMS开关结构。

进一步地，所述第一金属层以及所述第二金属层的材质为金。

进一步地，所述第一衬底与所述第二衬底采用高阻硅，电阻率大于1kΩ·cm。

进一步地，所述U型槽的深度为0.1-10μm，所述CPW结构、所述空气桥、所述压焊块以及所述金属连接线的厚度为0.5-2μm，所述第一键合结构以及所述第二键合结构的厚度为5-15μm；所述固支梁的厚度为1-5μm，所述凹槽的深度为5-30μm。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明的一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关及其制备方法，不但具有传统静电执行开关的微型化、高响应时间、高隔离和高可靠性优点，而且可根据需求控制所述驻极体中电荷量的大小，也可以将所述驻极体进行接地使电荷逸出，具有可调控的驱动电压的特点。所述RF MEMS开关能够同时满足低驱动电压和高驱动电压的应用要求，这既能够有效降低开关的驱动电压，又能够防止粘连失效的发生。

(2)本发明的一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关及其制备方法，所述驻极体采用SiO2/Si3N4双层膜结构，其电荷存储稳定性明显优于单层膜。

(3)本发明的一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关及其制备方法，所述RF MEMS开关通过采用第一衬底和第二衬底相互键合构成，其中在第二衬底上的MEMS固支梁通过刻蚀第二衬底形成的，以减少在驻极体完成电荷注入之后后续工艺对驻极体中存储电荷的影响，并且在键合后第二衬底可以作为RF MEMS开关的封帽，从而对开关起到封装保护作用。

(4)本发明的一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关及其制备方法，所述RF MEMS开关的制备工艺与传统静电式RF MEMS开关加工工艺相似，与Si基MEMS工艺兼容。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

图1所示为本发明一实施例的固支梁结构仰视图；

图2所示为本发明一实施例的去掉固支梁以及第二衬底后基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关俯视图；

图3所示为本发明一实施例的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关剖视图；

图4所示为本发明一实施例的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关的制造方法流程图；

图5～9所示为本发明一实施例的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关制造过程流程图。

图中部件编号如下：

1固支梁、11第二衬底、111凹槽、2缓冲介质层、31第一键合结构、41CPW信号线、42CPW地线、421缝隙、43第一衬底、32第二键合结构、431U型槽、5驱动电极、6驻极体、7压焊块、8金属连接线、9空气桥。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关，如图1～图3所示，包括：固支梁1、CPW结构、驱动电极5以及充电结构。所述固支梁1设置在第二衬底11上，所述CPW结构、所述驱动电极5以及所述充电结构设置在第一衬底43上，所述第一衬底43与所述第二衬底11采用高阻硅，电阻率大于1kΩ·cm。

所述第二衬底11上设置凹槽111，所述固支梁1的中部位于所述凹槽111的槽口，使得所述固支梁1的中间部分呈悬空状态，防止所述固支梁1在开关关闭时拉不下来，而影响关闭效果。所述固支梁1的两端远离所述第二衬底11的一面设置第一键合结构31。所述第二衬底11靠近所述固支梁1的一面设置缓冲介质层2。

所述CPW结构包括CPW信号线41以及位于所述CPW信号线41两侧的CPW地线42，所述CPW信号线41与所述CPW地线42相互平行。所述CPW地线42上设置第二键合结构32，所述固支梁1通过所述第一键合结构31与所述第二键合结构32的键合工艺设置在所述CPW结构上。在键合操作之前，通过热极化驻极装置对所述驱动电极5上的所述驻极体6进行一段时间的“充电”，完成后撤去热极化驻极装置，所述驻极体6就能够充当“附加电源”。将所述第一衬底43与第二衬底11进行键合操作，使所述第一键合结构31与所述第二键合结构32对准连接。每个所述CPW地线42上设置一条缝隙421，因所述缝隙421中断的所述CPW地线42通过空气桥9连接，所述空气桥9下方正对的所述金属连接线8上设置氮化硅绝缘介质层。

所述驱动电极5位于所述CPW信号线41与所述CPW地线42之间。所述第一衬底43上设置U型槽431，所述U型槽431的轴线与所述CPW信号线41平行，所述CPW信号线41以及所述驱动电极5位于所述U型槽431内。所述第一衬底43靠近所述CPW结构的一面设置缓冲介质层2。

所述充电结构包括驻极体6以及压焊块7，所述驻极体6设置在所述驱动电极5上，所述压焊块7通过金属连接线8与所述驱动电极5连接。每根所述金属连接线8的一端与一个所述驱动电极5相连，每根所述金属连接线8的另一端穿过所述缝隙521与所述压焊块7连接。所述驻极体6包括氮化硅绝缘介质层以及二氧化硅层，所述二氧化硅层设置在所述驱动电极5远离所述第一衬底43的一面上，所述氮化硅绝缘介质层设置在所述二氧化硅层远离所述驱动电极5的一面上。

本发明的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关工作时，所述驻极体6形成的电压同外加的电压组合成驱动电压共同作用于RF MEMS开关的关断和开启，从而实现RFMEMS开关驱动电压的降低。通过对所述驻极体6材料的选择，尺寸的设计和工艺的优化等，能够控制所述驻极体6的电荷捕获能力和电荷存储能力，从而进一步改善驱动电压的大小。通过控制“充电”电压的大小，“充电”时间的长短，可根据需求控制所述驻极体6中电荷量的大小，从而有效降低驱动电压。通过对“充电”后的所述驻极体6进行接地，实现电荷逸出，从而能够使得该开关恢复到“充电”前的高驱动电压状态，实现开关驱动电压的可重构，提升开关的可靠性。

本发明还提供了以上基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关的制备方法，如图4～9所示，包括如下步骤：S10在第一衬底43上刻蚀出U型槽431，后通过热氧化方式在所述第一衬底43以及所述第二衬底11上生长缓冲介质层2。S20在所述第一衬底43的缓冲介质层2上依次通过光刻、蒸发、剥离第一金属层，初步获得CPW结构、金属连接线8、压焊块7和驱动电极5。S30采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在所述驱动电极5上生长一层二氧化硅层，后采用PECVD工艺在所述二氧化硅层、缝隙421内的所述金属连接线8上以及两个驱动电极5之间的位置的CPW信号线41上生长一层氮化硅绝缘介质层。S40在所述CPW结构、金属连接线8、压焊块7以及第二衬底11上依次蒸发钛、金、钛层，光刻、电镀第二金属层、去除光刻胶、反刻，完全形成CPW结构、金属连接线8以及压焊块7，同时形成空气桥9、固支梁1，并在所述CPW地线42以及所述固支梁1上形成第二键合结构32以及第一键合结构31。S50通过刻蚀技术在所述固支梁1中部的所述第二衬底11上形成凹槽111，采用热极化驻极装置对所述驱动电极5上的所述驻极体6进行驻极操作，实现电荷的注入和存储。以及S60采用键合工艺将所述第一键合结构31与所述第二键合结构32对准键合，形成所述RF MEMS开关结构。

所述CPW结构、所述金属连接线8以及所述压焊块7分两步形成，第一步形成所述CPW结构、所述金属连接线8以及所述压焊块7比较薄且与所述驱动电极5一体形成。第二步通过电镀第二金属层的方法形成所述CPW结构、所述金属连接线8以及所述压焊块7，所述第二金属层比较厚且致密，通过电镀的方法获得的所述第二金属层与所述第一金属层的连接更加牢固，不易脱落或划破。

所述U型槽431的深度为0.1-10μm，所述CPW结构、所述空气桥9、所述压焊块7以及所述金属连接线8的厚度为0.5-2μm，所述第一键合结构31以及所述第二键合结构32的厚度为5-15μm。所述固支梁1的厚度为1-5μm，所述凹槽111的深度为5-30μm。所述第一金属层以及所述第二金属层的材质为金。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，包括：

固支梁，设置在第二衬底上，所述第二衬底上设置凹槽，所述固支梁的中部位于所述凹槽的槽口，所述固支梁的两端远离所述第二衬底的一面设置第一键合结构；

CPW结构，设置在第一衬底上，所述CPW结构包括CPW信号线以及位于所述CPW信号线两侧的CPW地线，所述CPW信号线与所述CPW地线相互平行；所述CPW地线上设置第二键合结构，所述固支梁通过所述第一键合结构与所述第二键合结构的键合工艺设置在所述CPW结构上；

驱动电极，设置在所述第一衬底上，位于所述CPW信号线与所述CPW地线之间；以及

充电结构，设置在所述第一衬底上，所述充电结构包括驻极体以及压焊块，所述驻极体设置在所述驱动电极上，所述压焊块通过金属连接线与所述驱动电极连接；

其中，所述驻极体包括氮化硅绝缘介质层以及二氧化硅层，所述二氧化硅层设置在所述驱动电极远离所述第一衬底的一面上，所述氮化硅绝缘介质层设置在所述二氧化硅层远离所述驱动电极的一面上。

2.根据权利要求1所述的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，每个所述CPW地线上设置一条缝隙，所述金属连接线的一端与所述驱动电极连接，所述金属连接线的另一端穿过所述缝隙与所述压焊块连接。

3.根据权利要求2所述的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，因所述缝隙中断的所述CPW地线通过空气桥连接，所述空气桥下方正对的所述金属连接线上设置氮化硅绝缘介质层。

4.根据权利要求3所述的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，所述第一衬底上设置U型槽，所述U型槽的轴线与所述CPW信号线平行，所述CPW信号线以及所述驱动电极位于所述U型槽内。

5.根据权利要求4所述的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，所述第一衬底靠近所述CPW结构的一面以及所述第二衬底靠近所述固支梁的一面设置缓冲介质层。

6.根据权利要求5所述的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10在第一衬底上刻蚀出U型槽，后通过热氧化方式在所述第一衬底以及所述第二衬底上生长缓冲介质层；

S20在所述第一衬底的缓冲介质层上依次通过光刻、蒸发、剥离第一金属层，初步获得CPW结构、金属连接线、压焊块和驱动电极；S30采用等离子体增强化学气相沉积工艺在所述驱动电极上生长一层二氧化硅层，后采用等离子体增强化学气相沉积工艺在所述二氧化硅层、缝隙内的所述金属连接线上以及两个驱动电极之间的位置的CPW信号线上生长一层氮化硅绝缘介质层；

S40在所述CPW结构、金属连接线、压焊块以及第二衬底上依次蒸发钛、金、钛层，光刻、电镀第二金属层、去除光刻胶、反刻，完全形成CPW结构、金属连接线以及压焊块，同时形成空气桥、固支梁，并在所述CPW地线以及所述固支梁上形成第二键合结构以及第一键合结构；

S50通过刻蚀技术在所述固支梁中部的所述第二衬底上形成凹槽，采用热极化驻极装置对所述驱动电极上的所述驻极体进行驻极操作，实现电荷的注入和存储；以及

S60采用键合工艺将所述第一键合结构与所述第二键合结构对准键合，形成所述RFMEMS开关结构。

7.根据权利要求6所述的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关的制备方法，其特征在于，所述第一金属层以及所述第二金属层的材质为金。

8.根据权利要求7所述的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关的制备方法，其特征在于，所述第一衬底与所述第二衬底采用高阻硅，电阻率大于1kΩ·cm。

9.根据权利要求8所述的基于驻极体的可重构驱动电压RF MEMS开关的制备方法，其特征在于，所述U型槽的深度为0.1-10μm，所述CPW结构、所述空气桥、所述压焊块以及所述金属连接线的厚度为0.5-2μm，所述第一键合结构以及所述第二键合结构的厚度为5-15μm；所述固支梁的厚度为1-5μm，所述凹槽的深度为5-30μm。

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