CN1599250A - 继电器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种体硅MEMS继电器及其制备方法，属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺技术领域。该继电器包括：一采用正向吸合驱动方式的由上、下两个部分组成的继电器本体，上部结构包括带有锚点和梁结构的单晶硅结构板，在单晶硅结构板上分别设有开关上级板和上级板驱动金属板；下部结构包括一玻璃/硅衬底结构，在衬底结构上设有与开关上级板和上级板驱动金属板相对应的开关下级板和下级板驱动金属板。通过采取正向吸合的设计，避免了接触电阻大的问题，提高了继电器的接触电阻性能。且采用绝缘衬底结构，电学性能稳定，可靠性高，不易在加高压驱动时产生击穿。

Description

继电器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺技术领域，特别是涉及一种体硅MEMS继电器及其制备方法。

背景技术

MEMS技术作为九十年代发展起来的一项跨学科新兴技术，对提高人民生活品质、以及军事国防具有无法替代的作用，并且对某些行业和领域有交叉和渗透融合的特征。由于MEMS自身的特点，使得在MEMS发展过程中，其研究领域和加工技术具有种类繁多、技术多样的特点。在众多的MEMS加工技术中，硅基加工工艺，由于可与传统IC工艺相互兼容的优势和加工手段多样等特点，成为MEMS科研人员普遍采用的MEMS加工工艺主流。在硅基MEMS器件中，微继电器由于其广泛的用途和与传统继电器相比具有体积小、重量轻、可靠性高、能耗小，适用于特种环境，如航空、航天、恶劣条件等，近年来逐渐成为MEMS器件研究的热点之一。

专利(US2003043003-A1)公开了采用了侧向吸合驱动方式的MEMS继电器结构，采用侧向吸合时通常MEMS结构的释放采用湿法腐蚀或干法腐蚀的半导体技术，由于工艺的局限性，造成MEMS侧向吸合结构的粗糙度大，使得继电器的接触电阻率很大，直接影响继电器的性能和开关寿命。

专利(US2003183887-A1)公开了一种正向吸合驱动方式的MEMS继电器结构，其采用了表面牺牲层工艺，参考图1，该MEMS继电器结构包括结构层360、牺牲层350(后被去除)、绝缘层330、衬底金属层340和驱动电极320等部分，该结构由于表面工艺的特点，使得结构层厚度不易做大，并且其驱动电极和绝缘结构相互重叠，且衬底为导电的金属在外加高电压时容易造成结构放电击穿，电学性能不稳定，可靠性会相应降低，牺牲层的使用也会在结构释放时发生结构粘附，工艺成品率也会降低，在结构底部没有使用降低电阻率的金属，使得该结构的接触电阻也较大。并且该结构使用的表面工艺实现起来较为复杂，成品率较低，不易完成。

如何获得具有较小电阻率和可靠性和成品率均较高的MEMS继电器产品，是MEMS继电器发展一个技术难题。

发明内容

本发明克服了上述MEMS继电器结构不合理的缺陷，提供一种体硅MEMS继电器，结构简单，工艺易于实现，成品率高。

本发明的技术内容：一种继电器，包括：一采用正向吸合驱动方式的继电器本体，其特征在于：继电器本体是由上、下两个部分组成，上部结构包括带有锚点和梁结构的单晶硅结构板，在单晶硅结构板上分别设有开关上级板和上级板驱动金属板；下部结构包括一衬底结构，在衬底结构上设有与开关上级板和上级板驱动金属板相对应的开关下级板和下级板驱动金属板。

驱动金属板与开关上极板之间可设有多晶硅绝缘连接结构。

开关上极板与绝缘结构之间可设有回型梁或弓型梁结构。

所述梁结构可为T型梁、π型梁或槽型梁；

所述开关上极板可由多个开关极板组成，开关极板之间设有绝缘结构。

一种继电器的制备方法，其步骤包括：

1、继电器本体的单晶硅结构部分：

(1-1)定义键合区；

(1-2)定义绝缘连接结构；

(1-3)刻蚀体硅，形成单晶硅结构板的梁结构和绝缘连接结构；

(1-4)在单晶硅结构板的键合面上引线，形成单晶硅结构板上的开关上级板和上极板驱动金属板；

2、继电器本体的衬底结构部分

(2-1)在玻璃/硅衬底结构上引线，形成衬底结构上的开关下级板和下级板驱动金属板；

3、键合单晶硅结构板和玻璃/硅衬底结构；

4、释放结构。

继电器本体的上部单晶硅结构的工艺进一步包括：

1.硅键合面氧化，光刻；

2.KOH腐蚀浅槽，形成键合区；

3.BHF腐蚀掉氧化层；

4.扩散，形成欧姆接触；

5.键合面光刻；

6.ICP刻蚀深槽；

7.热氧化(1100℃左右)；

8.填充多晶硅(高温)；

9.掺杂多晶硅，扩散P或B；

10.键合面光刻；

11.KOH腐蚀多晶硅，RIE刻蚀二氧化硅；

12.湿氧(低温，800-900℃)，形成二氧化硅后，包住多晶硅，形成侧墙；

13.ICP回刻二氧化硅；

14.键合面光刻；

15.淀积金属Ti/Pt/Au；

16.剥离，形成金属电极；

17.键合面光刻；

18.ICP刻蚀深槽，形成回型梁或弓型梁。

继电器本体的下部衬底结构的工艺进一步包括：

1、在玻璃上光刻；

2、BHF腐蚀浅槽；

3、淀积金属Ti/Pt/Au；

4、剥离，形成金属电极。

释放结构工艺进一步包括：

1、KOH减薄单晶硅结构板；

2、单晶硅结构板面淀积金属铝；

3、单晶硅结构板面光刻；

4、磷酸腐蚀金属铝，形成金属掩膜；

5、划片；

6、ICP深槽刻蚀(刻穿)，释放结构。

本发明的技术效果：

1、采取了正向吸合的设计思路并且使用了减小接触电阻的设计，避免了通常采用的侧向吸合原理接触电阻大的问题，提高了继电器的接触电阻性能，且衬底为绝缘玻璃结构，电学性能稳定，可靠性高，不易在加高压驱动时产生击穿；

2、驱动金属板与开关上极板之间采用了绝缘连接的设计，既保证器件在结构上相连，电学性能的隔离，又可通过改变填充多晶硅的长、宽、高，实现调整隔离击穿电压；

3、单晶硅结构板的梁部分采用T型、∏型或槽型结构，直接降低梁的垂直刚度，而梁的扭转刚度加大，使得继电器的吸合电压降低，抗扭强度增加，提高继电器的开关性能；

4、在驱动电极与绝缘结构之间采用了回型梁或弓型梁结构，减小了结构的刚度，从而减小了继电器的驱动电压。

附图说明

图1为现有继电器的剖面示意图；

图2为本发明继电器的剖面示意图；

图3为本发明继电器的俯视图；

图4为本发明继电器的制备工艺流程图。

其中图4-1为俯视图，图4-2为剖面图；

11---硅；12---多晶硅；13---二氧化硅；14---金属电极；15---玻璃。

具体实施方式

参考图2、图3，本发明继电器结构总的分为上部硅结构部分和下部玻璃结构部分，上部硅结构部分包括：带有锚点(Anchor)3和梁结构9的单晶硅结构板1，单晶硅结构板1上设有上级板驱动金属板4和开关上级板7，单晶硅结构板的梁结构9为T型、π型梁或其它形式，采用T型、π型梁或槽型梁结构，可直接降低梁的垂直刚度，且梁的扭转刚度加大，使得继电器的吸合电压降低，提高了继电器的开关性能。同时，为了保证器件在结构上相连，电学性能隔离，上级板驱动金属板4与开关上极板7之间设有多晶硅绝缘连接结构6，通过改变填充多晶硅，可调整隔离击穿电压，且在开关上极板7与绝缘结构6之间设有回型梁结构10，减小了单晶硅结构板的刚度，进而减小了继电器的驱动电压。继电器开关上极板7为带有阻尼孔结构，该开关上极板7可由多个开关极板组成，开关极板之间设有绝缘结构。

继电器结构的下部分为玻璃衬底部分2，该衬底部分2也可以使用硅材料替代玻璃。在衬底结构上设有与开关上级板7和上级板驱动金属板4相对应的开关下级板8和下级板驱动金属板5，将单晶硅结构板1和玻璃衬底2上、下键合，形成采用正向吸合驱动方式的继电器本体。

参考图4，本发明制备工艺为：体硅MEMS工艺(硅-玻璃阳极键合、硅ICP深刻蚀)为主，加入了扩展工艺模块，主要是加入绝缘连接和T型或π型梁结构工艺模块，使得继电器具有工艺简单且对于提高器件的性能(主要是减小吸合电压、降低电阻率)方面，具有实际作用。该方法对于将继电器进一步与电路集成方面，也具有帮助，另外对于其它相应的MEMS器件，绝缘连接和特殊设计的梁结构也具有一定的指导作用。为保证键合质量，在硅-玻璃键合时硅键合尺寸比玻璃上定义尺寸都要大于10微米，具体设计参数：硅-玻璃之间的间距为4-10微米；绝缘连接多晶硅宽度3-5微米，厚度20-40微米；溅射钛/铂/金(Ti/Pt/Au)厚度为：钛100-600埃，铂300-500埃，金800-1200埃，宽度20-100微米；溅射铝600-800埃；T型梁宽度20-40微米，底部20-30微米；继电器本身结构60-100微米；

制造工艺步骤如下：

1.硅片正面氧化2000-4000埃；

2.光刻1#版，定义键合区域，参考图4a1、图4a2，

3.RIE刻蚀SiO₂；

4.硅片11正面去胶；

5.KOH腐蚀硅片正面4微米深，形成键合区域，在外围还应有一圈宽300微米的键合区，用做KOH减薄保护；

6.RIE硅片正面，去掉全部SiO₂；

7.硅片正面扩散，形成欧姆接触，n型硅片掺P，p型硅片掺B；剂量5E15，能量80Kev；

8.光刻2#版，参考图4b1、图4b2；

9.ICP硅片正面深20微米宽3微米O₂ASE程序，定义形成绝缘连接的正面结构；

10.背面SiO₂BHF漂洗；

11.硅片正面去胶，测3微米绝缘槽槽宽；

12.参考图4c1、图4c2，硅片正面热氧化1000℃；3000-4000埃，槽内氧化兼多晶硅12与硅的绝缘；

13.硅片正面LPCVD填充多晶硅2-3微米620℃；

14.硅片正面氧化1000-3000埃，温度1000℃；

15.掺杂多晶硅，扩散P或B；

16.光刻3#版，参考图4d1、图4d2；

17.KOH腐蚀多晶硅12，RIE刻蚀二氧化硅；

18.湿氧(低温，800-900℃)，形成二氧化硅13后，包住多晶硅12，形成侧墙；

19.RIE SiO₂，使用各向同性条件，先刻正面，再刻背面；

20.ICP多晶硅，先刻正面，再刻背面；

21.RIE多晶硅，使用各向同性条件；

22.RIE SiO₂；

23.BHF去胶；

24.LPCVD SiO₂1000埃；

25.RIE正面SiO₂；

26.光刻4#版，参考图4e1、图4e2；

27.溅射金属Ti/Pt/Au，分别为400埃、300埃、900埃，宽度10微米以上，同时注意距多晶硅边缘留2微米的钻蚀距离；

28.剥离金属复合膜，形成金属电极14；

29.光刻5#版，参考图4f1、图4f2；

30.去底膜，ICP刻蚀深槽，约40-50微米深，宽度10-50微米，形成回型梁；

31.光刻6#版，参考图4g1、图4g2；

32.BHF腐蚀玻璃15浅槽，约1200-1400埃；

33.淀积金属Ti/Pt/Au，约1600-1700埃；

34.剥离，形成金属电极14；

35.参考图4h1、图4h2，阳极键合硅11和玻璃15；

36.KOH减薄余结构高度80-100微米；

37.硅片背面溅射铝800-1000埃；

38.光刻7#版，参考图4i1、图4i2；

39.磷酸腐蚀铝，形成金属掩膜；

40.去胶；

41.划片，划片槽宽300微米；

42.ICP深槽刻蚀(刻穿)结构释放。

Claims (10)

1、一种继电器，包括：一采用正向吸合驱动方式的继电器本体，其特征在于：继电器本体是由上、下两个部分组成，上部结构包括带有锚点和梁结构的单晶硅结构板，在单晶硅结构板上分别设有开关上级板和上级板驱动金属板；下部结构包括一衬底结构，在衬底结构上设有与开关上级板和上级板驱动金属板相对应的开关下级板和下级板驱动金属板。。

2、如权利要求1所述的继电器，其特征在于：驱动金属板与开关上极板之间设有多晶硅绝缘连接结构。

3、如权利要求1或2所述的继电器，其特征在于：所述梁结构为T型梁、π型梁或槽型梁。

4、如权利要求1所述的继电器，其特征在于：开关上极板与绝缘结构之间设有回型梁或弓型梁结构。

5、如权利要求1所述的继电器，其特征在于：所述开关上极板由多个开关极板组成，开关极板之间设有绝缘结构。

6、如权利要求1所述的继电器，其特征在于：所述衬底结构为玻璃或硅片。

7、一种继电器的制备方法，其步骤包括：

(1)继电器本体的单晶硅结构板部分：

(1-1)定义键合区；

(1-2)定义绝缘连接结构；

(1-3)刻蚀体硅形成单晶硅结构板的梁结构和绝缘连接结构；

(1-4)在单晶硅结构板的键合面上引线，形成单晶硅结构板上的开关上级板和上极板驱动金属板；

(2)继电器本体的衬底结构部分：

(2-1)在玻璃/硅衬底结构上引线，形成衬底结构上的开关下级板和下级板驱动金属板；

(3)键合单晶硅结构板和衬底结构；

(4)释放结构。

8、如权利要求7所述的继电器的制备方法，其特征在于：继电器本体的上部单晶硅结构板的工艺进一步包括：

(1)硅键合面氧化，光刻；

(2)KOH腐蚀浅槽，形成键合区；

(3)BHF腐蚀掉氧化层；

(4)扩散，形成欧姆接触；

(5)键合面光刻；

(6)ICP刻蚀深槽；

(7)热氧化；

(8)填充多晶硅；

(9)掺杂多晶硅，扩散P或B；

(10)键合面光刻；

(11)KOH腐蚀多晶硅，RIE刻蚀二氧化硅；

(12)湿氧，形成二氧化硅后，包住多晶硅，形成侧墙；

(13)ICP回刻二氧化硅；

(14)键合面光刻；

(15)淀积金属Ti/Pt/Au；

(16)剥离，形成金属电极；

(17)键合面光刻；

(18)ICP刻蚀深槽，形成回型梁或弓型梁。

9、如权利要求7或8所述的继电器的制备方法，其特征在于：继电器本体的下部衬底结构的工艺进一步包括：

(1)在玻璃上光刻；

(2)BHF腐蚀浅槽；

(3)淀积金属Ti/Pt/Au；

(4)剥离，形成金属电极。

10、如权利要求7所述的继电器的制备方法，其特征在于：释放结构工艺进一步包括：

(1)KOH减薄单晶硅结构板；

(2)单晶硅结构板面淀积金属铝；

(3)单晶硅结构板面光刻；

(4)磷酸腐蚀金属铝，形成金属掩膜；

(5)划片；

(6)ICP深槽刻穿，释放结构。

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