CN116081565A - 射频mems开关的制作方法及射频mems开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了提供了一种射频MEMS开关的制作方法及其结构，射频MEMS开关的制作方法包括：提供第一衬底，在第一衬底上形成共面波导和第一电极，第一电极连接共面波导；提供第二衬底，在第二衬底上形成触点结构；将第一衬底设置有共面波导的一侧与第二衬底形成有触点结构的一侧阳极键合，触点结构与共面波导对应设置且触点结构与共面波导之间形成有间隙；在第二衬底背离触点结构的一侧形成与第一电极对应的第二电极；在完成键合后，刻蚀第二衬底，形成可动梁结构。本发明的射频MEMS开关的制作方法，其能够避免阳极键合时所加外加电场对射频MEMS开关的可动电极组件造成的影响，提高开关的可靠性。

Description

射频MEMS开关的制作方法及射频MEMS开关
技术领域
本发明是关于半导体技术领域，特别是关于一种射频MEMS开关的制作方法及射频MEMS开关。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)指在微米量级内设计和制造集成多种元件，并适于低成本大量生产的系统。射频微电子机械系统(RF MEMS)是指集成了射频信号和微机械系统的微机电系统，是一项将能对现有雷达和通讯中射频结构产生重大影响的技术。
在RF MEMS器件中目前最受关注的是RF MEMS开关，它是RF MEMS器件中的核心器件。RF MEMS开关是工作在射频到毫米波频率的微机械开关，依靠机械移动实现对传输线的通断控制。RF MEMS开关与传统FET、PIN二极管开关相比具有功耗低、隔离度高、插入损耗低、互调分量低等优点。开关在通信系统中用途相当广泛，是雷达、电子对抗、无线通信等领域的重要控制元件。
现有技术中，制作RF MEMS开关的悬空结构的主流工艺为牺牲层技术，但传统牺牲层释放工艺形成悬空结构会出现牺牲层释放不彻底的问题，无法保证射频MEMS开关的表面洁净度以及良好的接触电阻。且传统牺牲层释放工艺一般采用金属作为上层可动结构，但金属弹性模量较小，造成开关可靠性降低。
为了解决牺牲层释放不彻底的问题，已经出现采用阳极键合技术代替牺牲层技术，可以避免牺牲层释放带来的缺陷。但目前应用阳极键合制作器件的主流工艺是，完成双衬底上下结构的制作后再进行键合。然而，阳极键合是采用外加电场作用使双衬底结合，外加电场的作用会对RFMEMS开关的可动结构(悬空结构)产生影响。同时，目前由于微负载效应造成的问题被忽视，常常造成悬空结构下侧被刻蚀导致器件厚度减小，影响器件稳定性及其性能的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种射频MEMS开关的制作方法及射频MEMS开关，其能够避免阳极键合时所加外加电场对射频MEMS开关的可动电极组件造成的影响，提高开关的可靠性。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种射频MEMS开关的制作方法，包括：提供第一衬底，在所述第一衬底上形成共面波导和第一电极，所述第一电极连接所述共面波导；提供第二衬底，在所述第二衬底上形成触点结构；将所述第一衬底设置有共面波导的一侧与所述第二衬底形成有触点结构的一侧阳极键合，所述触点结构与所述共面波导对应设置且所述触点结构与所述共面波导之间形成有间隙；在所述第二衬底背离所述触点结构的一侧形成与所述第一电极对应的第二电极；在完成所述键合后，刻蚀所述第二衬底，形成可动梁结构。
在本发明的一个或多个实施方式中，在所述第二衬底上形成触点结构的步骤之前，还包括：在所述第二衬底上形成氧化隔离层的步骤；所述触点结构形成于所述氧化隔离层上。
在本发明的一个或多个实施方式中，在所述第二衬底上形成氧化隔离层的步骤之前，还包括：在所述第二衬底上形成凹槽的步骤；所述氧化隔离层形成于所述凹槽的底面。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述的在所述第一衬底上形成共面波导和第一电极，所述第一电极连接所述共面波导，包括：在所述第一衬底上依次磁控溅射黏附层以及金属层，光刻/IBE刻蚀形成共面波导以及第一电极；其中，所述共面波导包括彼此间隔设置的信号线和地线，所述信号线中部形成有断口，所述第一电极与所述地线相连接。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述的所述触点结构与所述共面波导对应设置且所述触点结构与所述共面波导之间形成有间隙，包括：所述触点结构与所述信号线对应设置，且所述触点结构悬设于所述信号线断口的上方，所述触点结构被设置为，当其发生弹性形变接触所述信号线时，可连通所述信号线。
在本发明的一个或多个实施方式中，在所述第二衬底背离所述触点结构的一侧形成与所述第一电极对应的第二电极的步骤之前，还包括：对所述第二衬底进行减薄、抛光处理。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二衬底具有一定弹性模量，所述第二衬底包括SOI。
本发明的实施例还提供了一种射频MEMS开关，包括：第一衬底、共面波导、第一电极以及可动电极组件；所述共面波导形成于所述第一衬底上，其包括彼此间隔设置的信号线和地线，所述信号线中部设置有断口；所述第一电极设置于所述地线上；所述可动电极组件包括可动梁结构以及第二电极，所述可动梁结构架设于所述第一衬底上，所述可动梁结构上对应于所述信号线的断口位置设置有触点结构，所述触点结构与所述信号线之间彼此间隔，所述第二电极设置于所述可动梁结构上且与所述第一电极相对应。
在上述技术方案中，当射频MEMS开关处于初始状态时，由于信号线断开，射频信号无法通过信号线传输，当给第二电极施加驱动电压时，第二电极受到静电力的作用与可动梁结构一起向下运动，触点结构与断开的信号线接触，射频信号可以通过信号线-触点结构-信号线的方式传播。本方案通过施加驱动电压改变可动电极组件的上下位置，进而改变信号线的通/断，进而控制射频MEMS开关的通/断，从而达到对射频信号的控制。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述触点结构与所述可动梁结构之间设置有氧化隔离层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述地线包括第一地线和第二地线，所述第一地线和所述第二地线彼此间隔，所述信号线设置于所述第一地线和所述第二地线之间且与所述第一地线和所述第二地线均平行。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述可动梁结构被设置为由SOI的顶层硅制作而成的梁结构，所述可动梁结构具有一定弹性模量。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述触点结构的材料包括Au、TiW、AuPt合金、AuRh合金
与现有技术相比，本发明实施方式的射频MEMS开关的制作方法，采用阳极键合技术代替了牺牲层技术，从根本上避免了牺牲层释放带来的缺陷，同时提升了射频MEMS开关表面的洁净度，减小了金属触点结构与信号线之间的接触电阻。
本发明实施方式的射频MEMS开关的制作方法，采用先阳极键合后光刻的步骤进行射频MEMS开关的制作，避免了阳极键合所加外加电场对可动电极组件造成的影响。
本发明实施方式的射频MEMS开关的制作方法，在第二衬底的表面沉积了一层氧化隔离层，避免了微负载效应对射频MEMS开关造成的不良影响，在深硅刻蚀第二衬底过程中保护整体结构的完整性。
本发明实施方式的射频MEMS开关，采用SOI的顶层硅(单晶硅)作为可动梁结构的主要材质，避免传统的金属结构长时间的疲劳问题，增强了射频MEMS开关的可靠性，保证射频MEMS开关的工作寿命。
附图说明
图1是本发明一实施方式的射频MEMS开关的制作方法的流程示意图；
图2A至图2I是本发明一实施方式的射频MEMS开关的制程图；
图3是利用HFSS有限元仿真软件对本发明的一实施方式的射频MEMS开关的插入损耗进行仿真的结果图；
图4是利用HFSS有限元仿真软件对本发明的一实施方式的射频MEMS开关的隔离度进行仿真的结果图；
图5是本发明一实施方式的射频MEMS开关的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
首先对本申请中涉及的专有名词做一术语解释。
隔离度：开关断开状态时的传送功率与电路导通状态时的传送功率的比值，指断开状态下对信号的隔离程度。
插入损耗：开关导通状态时传输至负载的功率与理想开关传输至负载的功率的比值，指内阻对信号产生衰减的大小。
驱动电压：为使上电极移动至下极板接触位置的最小直流偏置电压。
开关响应时间：上电极从开态位置运动到关态位置的所需时间。
开关寿命：开关在失效前正常工作循环的最小次数。
微负载效应：在等离子体刻蚀时，会出现的刻蚀速率与纵横比相互依赖的现象，换句话来说，就是宽沟槽比窄沟槽刻蚀快。
如背景技术所言，射频MEMS开关一直是国内外的研究热点。国内许多研究所和大学均在进行着RFMEMS的研究，如中国电子科技集团公司第13研究所、第55研究所、清华大学和北京大学微电子所、东南大学、南京理工大学、山东大学和中北大学等单位都已在RFMEMS器件方面作了相关的研究工作，有些单位己实现了具有较高可靠性的开关，然而多数研究都处于材料选择、建模分析、模拟仿真、结构优化和工艺改进等相关阶段，并没有制造出应用于实际情况的射频MEMS开关产品，更没有形成开关及其系列产品的产业链，与国外的MEMS研究与制造能力还存在很大差距。
同时，国内在射频MEMS开关的工艺流片上也存在很大难题。首先，为制作悬空结构常常采用牺牲层技术，然而牺牲层释放的不彻底会影响接触表面的洁净度和接触电阻。其次，为制作悬空结构采用键合工艺，键合工艺常常是构建好上下衬底的结构再进行键合，键合时施加的外加电场会对上层可动电极组件造成影响，例如引入应力。再者，为降低开关的驱动电压通常采用金属上电极，但由于金属结构层本身的弹性模量较小，牺牲了开关的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明创造性的提出了一种射频MEMS开关的制作方法，采用先阳极键合后光刻的步骤进行射频MEMS开关的制作，避免了阳极键合所加外加电场对可动电极组件造成的影响。
以下将结合附图来详细描述本发明的实施例的射频MEMS开关的制作方法及结构。
如图1所示，本发明一实施方式提供了一种射频MEMS开关的制作方法，包括：s1：提供第一衬底，在第一衬底上形成共面波导和第一电极，第一电极连接共面波导；s2：提供第二衬底，在第二衬底上形成氧化隔离层；s3：在氧化隔离层上形成触点结构；s4：将第一衬底设置有共面波导的一侧与第二衬底形成有触点结构的一侧阳极键合，触点结构与共面波导对应设置且触点结构与共面波导之间形成有间隙；s5：对第二衬底进行减薄、抛光处理；s6：在第二衬底背离触点结构的一侧形成与第一电极对应的第二电极；s7：在完成阳极键合后，刻蚀第二衬底，形成可动梁结构。
图2A至图2I是本发明上述射频MEMS开关的制程图，下面参照图2A至图2I对本发明的射频MEMS开关的制作方法作详细阐述。
如图2A所示，准备第一衬底10：选用BF33玻璃作为第一衬底10，对其进行清洗；在第一衬底10的表面制作共面波导(111/112/120)和第一电极(130/140)。共面波导(111/112/120)包括彼此间隔设置的信号线120和地线(111/112)，信号线120中部形成有断口，第一电极(130/140)与地线(111/112)相连接。具体的，在第一衬底10上依次磁控溅射20nm厚度的Ti，以及800nm厚度的Au，其中Ti作为黏附层，Au作为金属层，然后光刻达成共面波导(111/112/120)及第一电极(130/140)结构化，IBE刻蚀形成共面波导(111/112/120)及第一电极(130/140)。
如图2B所示，准备第二衬底20：选用顶硅厚度为5um的高阻SOI作为第二衬底20，对其进行清洗。
如图2C所示，在第二衬底20的顶层硅表面光刻和深硅刻蚀，形成3um凹槽。
如图2D所示，在凹槽的底面形成氧化隔离层30。具体的，通过PECVD在凹槽内沉积200nm的二氧化硅，通过光刻、IBE刻蚀形成二氧化硅隔离层结构。
如图2E所示，在氧化隔离层30上制作触点结构40。具体的，在氧化隔离层30上磁控溅射20nm厚度的Ti，以及500nm厚度的Au，其中Ti作为黏附层，然后光刻达成触点结构化，IBE刻蚀形成触点结构40。在其他实施例中，触点结构40的材料还可以采用电阻率及硬度高的材料例如TiW、AuPt合金、AuRh合金等材料作，可大大延长器件寿命。
如图2F所示，将第一衬底10和第二衬底20阳极键合。通过对准，采用阳极键合标准工艺，使SOI和玻璃合二为一。
如图2G所示，对第二衬底20进行减薄、抛光处理。对SOI底硅进行减薄、抛光，通过深硅刻蚀去除剩余底硅，通过NLD刻蚀去除SOI埋氧层。
如图2H所示，在第二衬底20制作第二电极(51/52)。依次磁控溅射20nm厚度Ti，200nm厚度Au，其中Ti作为黏附层。然后光刻，IBE刻蚀形成第二电极结构。
如图2I所示，最后制作可动梁结构60。经过光刻和深硅刻蚀形成单晶硅可动梁结构，最后激光划片。
在上述技术方案中，本发明通过采用先阳极键合后光刻的步骤进行射频MEMS开关的制作，避免了阳极键合所加外加电场对可动电极组件造成的影响，进一步提高了射频MEMS开关的稳定性和性能。
图3是利用HFSS有限元仿真软件对本发明的一实施方式的射频MEMS开关的制作方式制作的射频MEMS开关插入损耗进行仿真的结果图。参照图3，随着射频MEMS开关的工作频率的增加，射频MEMS开关的性能变差，在频率为5GHz时其插入损耗优于-0.10dB。
图4是利用HFSS有限元仿真软件对本发明的一实施方式的射频MEMS开关的制作方式制作的射频MEMS开关的隔离度进行仿真的结果图。参照图4，射频MEMS开关工作频率为5Gz时开关性能最好，隔离度为-36dB。
上述实施方式中，可动梁结构的设计目的是为了降低开关的驱动电压，驱动电压的理论计算公式如下所示：
Figure BDA0004068221460000081
Figure BDA0004068221460000082
Ktotal＝nKm
Figure BDA0004068221460000091
其中，K为结构的弹性系数，E为第二电极材料的弹性模量，w为梁的宽度，t为梁的厚度，l为梁的长度，Km为单个铰链的弹性系数，n为铰链个数，Vp为开关驱动电压，g0为空气间隙，ε0为真空介电常数，A为第一电极和第二电极重合面积。
根据上述的理论公式可以得出，减小梁的厚度和宽度、增加梁的长度、减少折叠梁的个数或增加折叠梁的弯曲程度均能使得第二电极具有较小的弹性系数，从而降低开关的驱动电压。但是一味地降低弹性系数以获得低的驱动电压使得可动梁结构容易向下吸合发生坍塌，会影响开关的可靠性。
综合以上考虑，本发明一实施方式提供了一种射频MEMS开关，如图5所示，使得开关具有较小的驱动电压的同时也保证了开关的高可靠性。根据公式计算得出开关的驱动电压理论值为10.75V。
如图5所示，本发明一实施方式提供了由上述射频MEMS开关的制作方法制成的射频MEMS开关，包括第一衬底10、共面波导(111/112/120)、第一电极(130/140)、第二电极(51/52)、可动梁结构60、氧化隔离层30以及触点结构40。
第一衬底10作为基底，用于提供开关整体结构的支撑基础。在一具体实施例中，第一衬底10选用BF33玻璃，因为BF33玻璃具有较小的损耗角，能够减小第一衬底10的损耗。
共面波导形成于第一衬底10上，共面波导包括彼此间隔设置的信号线120和地线。地线包括第一地线111和第二地线112，第一地线111和第二地线112彼此间隔平行设置，信号线120设置于第一地线111和第二地线112之间且与第一地线111和第二地线112均平行且等距设置。信号线120中部设置有断口。在一具体实施例中，共面波导的传输线选用Au，金的电导率高且化学性质稳定。
第一电极分别设置于信号线120的两侧且连接第一地线111和第二地线112。优选的，第一电极分别设置于第一地线111和第二地线112上。
可动梁结构60架设于第一衬底10上，可动梁结构60具有一定弹性模量。在一具体实施例中，可动梁结构60的材料选用SOI晶圆的顶层Si，其具有较大的弹性模量和良好的机械性能。
可动梁结构60背离第一衬底10的表面设置有第二电极，第二电极的位置与第一电极上下相对应。第一电极和第二电极中间隔着可动梁结构60，能有效避免由第一电极和第二电极接触磨损带来的失效。在一具体实施例中，第一电极和第二电极的材料选用Au，其具有较小的直流阻抗。
可动梁结构60贴近第一衬底10的一侧设置有形状与其相同或者不同的氧化隔离层30。氧化隔离层30选用传统介质材料Si3N4，其在等离子刻蚀中不易被刻蚀，起着良好的保护作用，避免了微负载效应对射频MEMS开关造成的不良影响，在深硅刻蚀第二衬底过程中保护整体结构的完整性。。
可动梁结构60上对应于信号线120的断口位置设置有触点结构40，触点结构40与信号线120之间，在未被施加驱动电压的情况下保持预定间隔距离，触点结构40与可动梁结构60之间通过氧化隔离层30隔离。在一具体实施例中，触点结构40选用Au，金的电导率高且化学性质稳定。
示例性的，第一衬底10上可以凹设形成一凹槽结构，共面波导以及第一电极形成于第一衬底10的凹槽内。或者，可动梁结构60可以设置成拱桥结构，架设于第一衬底10上，氧化隔离层30以及触点结构40设置于其面向第一衬底10的表面上。
上述射频MEMS开关同样包括引线和电极PAD等，引线的设置和电极PAD的大小与位置应当根据具体测试情况略作调整，在本发明中不做进一步阐述。
下面以上述实施例为例，对本发明的射频MEMS开关的使用方式或原理进行简要说明。
当射频MEMS开关处于初始状态时，由于信号线120断开，射频信号无法通过信号线120传输，当给第二电极施加驱动电压时，第二电极受到静电力的作用与可动梁结构60一起向下运动，触点结构40与断开的信号线120接触。当触点结构40与信号线120接触时，射频信号可以通过信号线-触点-信号线的方式传播。本发明的射频MEMS开关，通过施加驱动电压改变可动电极组件的上下位置，进而改变信号线120的通/断，进而控制射频MEMS开关的通/断，从而达到对射频信号的控制。
与现有技术相比，本发明实施方式的射频MEMS开关的制作方法，采用阳极键合技术代替了牺牲层技术，从根本上避免了牺牲层释放带来的缺陷，同时提升了射频MEMS开关表面的洁净度，减小了金属触点结构与信号线之间的接触电阻。
本发明实施方式的射频MEMS开关的制作方法，采用先阳极键合后光刻的步骤进行射频MEMS开关的制作，避免了阳极键合所加外加电场对可动电极组件造成的影响。
本发明实施方式的射频MEMS开关的制作方法，在第二衬底的表面沉积了一层氧化隔离层，避免了微负载效应对射频MEMS开关造成的不良影响，在深硅刻蚀第二衬底过程中保护整体结构的完整性。
本发明实施方式的射频MEMS开关，采用SOI的顶层硅(单晶硅)作为可动梁结构的主要材质，避免传统的金属结构长时间的疲劳问题，增强了射频MEMS开关的可靠性，保证射频MEMS开关的工作寿命。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (11)

1.一种射频MEMS开关的制作方法，其特征在于，包括：
提供第一衬底，在所述第一衬底上形成共面波导和第一电极，所述第一电极连接所述共面波导；
提供第二衬底，在所述第二衬底上形成触点结构；
将所述第一衬底设置有共面波导的一侧与所述第二衬底形成有触点结构的一侧阳极键合，所述触点结构与所述共面波导对应设置且所述触点结构与所述共面波导之间形成有间隙；
在所述第二衬底背离所述触点结构的一侧形成与所述第一电极对应的第二电极；
在完成所述键合后，刻蚀所述第二衬底，形成可动梁结构。
2.如权利要求1所述的射频MEMS开关的制作方法，其特征在于，在所述第二衬底上形成触点结构的步骤之前，还包括：
在所述第二衬底上形成氧化隔离层的步骤；
所述触点结构形成于所述氧化隔离层上。
3.如权利要求2所述的射频MEMS开关的制作方法，其特征在于，在所述第二衬底上形成氧化隔离层的步骤之前，还包括：
在所述第二衬底上形成凹槽的步骤；
所述氧化隔离层形成于所述凹槽的底面。
4.如权利要求1所述的射频MEMS开关的制作方法，其特征在于，所述的在所述第一衬底上形成共面波导和第一电极，所述第一电极连接所述共面波导，包括：
在所述第一衬底上依次磁控溅射黏附层以及金属层，光刻/IBE刻蚀形成共面波导以及第一电极；其中，所述共面波导包括彼此间隔设置的信号线和地线，所述信号线中部形成有断口，所述第一电极与所述地线相连接。
5.如权利要求4所述的射频MEMS开关的制作方法，其特征在于，所述的所述触点结构与所述共面波导对应设置且所述触点结构与所述共面波导之间形成有间隙，包括：
所述触点结构与所述信号线对应设置，且所述触点结构悬设于所述信号线断口的上方，所述触点结构被设置为，当其发生弹性形变接触所述信号线时，可连通所述信号线。
6.如权利要求1所述的射频MEMS开关的制作方法，其特征在于，在所述第二衬底背离所述触点结构的一侧形成与所述第一电极对应的第二电极的步骤之前，还包括：
对所述第二衬底进行减薄、抛光处理。
7.如权利要求1所述的射频MEMS开关的制作方法，其特征在于，所述第二衬底具有一定弹性模量，所述第二衬底包括SOI。
8.一种射频MEMS开关，其特征在于，包括：
第一衬底；
共面波导，所述共面波导形成于所述第一衬底上，其包括彼此间隔设置的信号线和地线，所述信号线中部设置有断口；
第一电极，所述第一电极设置于所述地线上；以及
可动电极组件，所述可动电极组件包括可动梁结构以及第二电极，所述可动梁结构架设于所述第一衬底上，所述可动梁结构上对应于所述信号线的断口位置设置有触点结构，所述触点结构与所述信号线之间彼此间隔，所述第二电极设置于所述可动梁结构上且与所述第一电极相对应。
9.如权利要求8所述的射频MEMS开关的制作方法，其特征在于，所述触点结构与所述可动梁结构之间设置有氧化隔离层。
10.如权利要求8所述的射频MEMS开关的制作方法，其特征在于，所述地线包括第一地线和第二地线，所述第一地线和所述第二地线彼此间隔，所述信号线设置于所述第一地线和所述第二地线之间且与所述第一地线和所述第二地线均平行。
11.如权利要求8所述的射频MEMS开关的制作方法，其特征在于，所述可动梁结构被设置为由SOI的顶层硅制作而成的梁结构，所述可动梁结构具有一定弹性模量。
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