CN1735993A - 密封的整体式微机电系统开关 - Google Patents

Abstract

一种MEMS开关包括微机械加工的单层(122)，该单层(122)具有杠杆(52)、一对扭杆(66a、66b)和框架(64)。框架(64)支撑杠杆(52)以绕扭杆(66a、66b)所建立的轴线(68)转动。在杠杆(52)末端处的短路棒(58a、58b)连接在接合到层(122)一个表面的衬底(174)上支承的多对开关触点(56a1、56a2、56b1、56b2)。基底(104)也结合到层(122)与衬底(174)相反的表面。衬底(174)支承电极(54a、54b)，用于向杠杆(54)施加力来促使其绕轴线(68)转动。支撑在悬臂(166)的自由端处的电接触支柱(152)确保层(122)上的接地板(162a、162b)和衬底(174)上的电导体之间有良好的电传导。

Description

密封的整体式微机电系统开关

技术领域

本发明一般地涉及电气开关的技术领域，更具体而言，涉及微机电系统(MEMS)开关。

背景技术

射频(RF)开关在微波和毫米波传输系统中被广泛用于天线切换应用，包括波束形成相控阵列天线。一般而言，与机械开关相比较，这种切换应用目前使用半导体固态电气开关，例如砷化镓(GaAs)MESFET(金属半导体场效应晶体管)或者PIN型二极管。这种半导体固态电气开关还在蜂窝电话中广泛用于在发送和接收之间进行切换。

当RF信号频率超过约1GHz时，固态开关在“On”状态下(即当电信号通过该开关时)会受到很大的插入损失，而在“Off”状态下(即当开关阻止电信号的传输时)会受到很差的电隔离。MEMS开关在这两个特性上相对于固态装置表现出明显的优点，尤其是对于接近或超过1GHz的RF频率。

美国专利No.5,994,750、6,069,540和6,535,091都公开了这样的MEMS开关，其中一对共轴扭杆、一个销或者一对柔性枢轴分别支撑基本上平坦且刚性的梁或者叶片，以绕扭杆、销或者柔性枢轴建立的轴转动。在所有三个专利中，共轴扭杆对、销或者柔性枢轴对分别将基本上平坦且刚性的梁或者叶片支撑在衬底上方一个小距离处。美国专利No.5,994,750(简称“′750专利”)公开了从梁向外突出并分别定位到一对支撑部件的扭杆末端单独将梁支撑到玻璃衬底上方的小距离处。美国专利No.6,069,540(简称“′540专利”)和美国专利6,535,091(简称“′091专利”)两者分别将销或者位于柔性枢轴处的上、下支点置于梁或叶片与衬底之间，以在其间维持一定间隔。

在′750专利的示例中，梁仅延伸到扭杆的一侧，因此在接通由此所设置的电气开关时，梁绕扭杆的转动等效于门在其枢轴上摆动的运动。或者，在′540和′091专利两者中，各自的梁或者叶片在从销或者柔性枢轴对向外的两个方向上延伸。因此在这两个专利各自公开的结构中，在接通电气开关时，梁或者叶片绕销或者柔性枢轴对所建立的轴的转动类似于杠杆的运动。在所有三个专利中，电磁引力引起实现开关接通的转动。

省略′750专利的文字和附图中出现的大量制造细节，其在第一示例中公开了形成其梁的材料最初是作为单片p型硅衬底的一部分开始的，该衬底携带有n型扩散层，硼离子被注入该扩散层以形成p⁺表面层。也就是说，n型扩散层将p⁺表面层与p型硅衬底分隔开。在梁的制造期间，刻蚀去除p型硅衬底，仅留下p⁺表面层和n型扩散层的材料以形成梁。类似地，扭杆的制造去除了n型扩散层的材料，仅留下p⁺表面层的材料来形成扭杆。后续处理形成铝支撑部件，其跨在形成扭杆末端的p⁺表面层材料和相邻的玻璃衬底之间。

′540专利公开了为了减小开关插入损失以及提高敏感性，其梁优选地和该梁绕其转动的销一样全都用金属形成。具体而言，′540专利公开了梁可以用在与大多数半导体工艺相比都较低的温度下所电镀的镍(Ni)形成。′540专利公开了不仅其全金属梁相对于已知的SiO₂或者合成金属硅梁降低了插入损失，而且这种配置还提高了三阶截距点，以提供增大的动态范围。在一对金电极和一对场极电极(field plate)之间分别施加的电势产生实现梁绕金属销的转动的静电力，所述一对金电极沉积在玻璃衬底最接近金属梁的一侧上，而所述一对场极电极布置在玻璃衬底离梁最远的相反侧上。

′091专利公开的MEMS开关中所包括的叶片用相对刚性的材料形成，例如在金属种晶层上的电镀金属、蒸镀金属或电介质材料。薄的柔性金属枢轴将叶片的相反两侧连接到从低损失微波绝缘或半绝缘衬底向外突出的金框架。衬底可以用石英、氧化铝、蓝宝石、金属基板低温烧结陶瓷(LTCC-M)、GaAs或者高阻抗硅制造。以此方式配置，叶片和枢轴布置在衬底上方，并且柔性枢轴将叶片电耦合到框架。可以是平的或起伏不平的枢轴允许叶片绕枢轴线转动，该枢轴线平行于衬底并且在下支点上方。在衬底上邻近叶片处形成回拉和下拉电极，其可以用例如氮化硅(Si₃N₄)的绝缘体封装。施加到下拉或者回拉电极上的电势分别接通或者断开MEMS开关。

一系列美国专利No.5,629,790、5,648,618、5,895,866、5,969,465、6,044,705、6,272,907、6,392,220和6,426,013全部都公开了在或大或小程度上让人联想到以上对′750、′540和′091专利所说明的那些结构的MEMS结构。这些专利全都公开了整体的、微机械加工的扭力扫描器，在特定配置中其可以包括框架形参考部件。扭力扫描器的特定配置包括耦合到参考部件并从其突出的完全相反的、轴向对齐的扭杆。在特定配置中，与′750、′540和′091专利中分别公开的梁和叶片相似的片状动态部件被框架所环绕，并通过扭杆耦合到该框架。以此方式进行配置，扭杆支撑动态部件绕着与扭杆共轴的轴线转动。参考部件、扭杆和动态部件全部都是从硅衬底的半导体层整体地制造的。制造扭力扫描器的理想方法是使用注氧隔离晶片(Simox wafer)或类似晶片，例如绝缘体上硅(SOI)衬底，其中片的厚度由晶片的外延层确定。与金属或者多晶硅相比，单晶硅对于片和扭杆两者都是优选的，因为其具有更优的强度和疲劳特性。这些专利还公开了使用静电力来实现动态部件的旋转运动。

发明内容

本发明的一个目的是提供改进的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供快速切换的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供具有较低工作电压的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供单刀双掷(SPDT)MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供可以通过重复常规结构来提供额外刀数的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供可以改进信号隔离的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供有助于开关触点材料选择和定制的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供其制造不需要牺牲层的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供有助于批量制造并且容易分成单个MEMS开关的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供在制造期间自然变成密封的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供更简单的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供节约成本的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供易于制造的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供制造经济的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供一种MEMS结构，其在MEMS结构的两个不同层上的金属之间提供良好的电连接。

简单地说，本发明的第一方面是一种整体式微机电系统开关，适合于选择性地将连接到所述微机电系统开关的第一输入导体上存在的电信号耦合到同样连接到所述微机电系统开关的第一输出导体。所述微机电系统开关包括微机械加工的单层材料，其具有：

a.杠杆；

b.一对扭杆，其布置在所述杠杆的相反侧上并且耦合到所述杠杆，并且建立了所述杠杆可以绕其转动的轴线；

c.框架，所述扭杆离所述杠杆最远的末端耦合到所述框架。

所述框架通过所述扭杆来支撑所述杠杆绕所述扭杆所建立的所述轴线转动。所述微机电系统开关还包括导电的短路棒，其支承在所述杠杆的远离所述扭杆建立的所述转动轴线的末端处。

所述微机电系统开关还包括结合到所述单层的第一表面的基底。同样包括在所述微机电系统开中的衬底被接合到所述单层的第二表面，所述第二表面远离所述基底所结合到的所述第一表面。在所述衬底中形成有与所述杠杆的一个表面并置的电极，该表面位于由所述扭杆建立的所述转动轴线的一侧。当在所述电极和所述杠杆之间施加电势时，促使所述杠杆绕由所述扭杆建立的所述转动轴线在第一方向上转动。在所述衬底上还形成有适合于可分别连接到所述输入导体和所述输出导体的一对开关触点。该对开关触点：

a.当没有力施加到所述杠杆时布置成与所述第一短路棒相邻但是与其间隔开；

b.当没有力施加到所述杠杆时彼此电绝缘；和

c.在向所述杠杆施加足够大的力以促使所述杠杆在所述第一方向上转动时，与所述第一短路棒接触；

由此，所述短路棒和所述开关触点之间的接触将所述第一对开关触点电耦合起来。

本发明的另一个方面是一种微机电系统电接触结构和微机电系统结构，其包括每个都分别支承有电导体的第一层和第二层。所述第二层还包括在悬臂的自由端处支撑电接触支柱的悬臂。所述电接触支柱具有一个末端，其远离所述悬臂并且支承布置在所述第二层上的所述电导体的一部分。在本发明的此特定方面中，所述悬臂提供的力促使所述电导体在所述电接触支柱的所述末端处的所述部分与布置在所述第一层上的所述电导体紧密接触。

从以下对各个附图所示的优选实施例的详细说明中，本领域技术人员将理解或更清楚这些和其他特征、目的以及优点。

附图说明

图1是包括在根据本发明的MEMS开关中的杠杆、电极、开关触点和短路棒的立体图；

图2A和2B是沿着图1的线2A，2B-2A，2B所取的杠杆、电极、开关触点和短路棒的其他正视图；

图3是根据本发明优选实施例的MEMS开关中包括的基底晶片的表面上的区域的立体图，在该基底晶片中已经形成了微机械加工的腔；

图4是图示将SOI晶片的器件层熔焊到基底晶片的顶表面上的立体图，在该基底晶片中已经微机械加工出腔；

图5是熔焊到基底晶片的顶表面上的SOI晶片在去除SOI晶片的操纵层和埋入SiO₂层后的器件层的立体图；

图6是在其中形成初始腔并且沉积和图案化电绝缘SiO₂层后，熔焊到基底晶片的顶表面上的SOI晶片的器件层的一部分的立体图，该部分位于紧邻图3所示基底晶片的区域的上方；

图7是当在初始腔中沉积金属结构并且形成杠杆及其支撑扭杆后，图6所示的熔焊到基底晶片的顶表面上的SOI晶片的器件层的一部分的另一立体图；

图8是沿着图7的线8-8所取的初始腔的中心部分的平面图，其示出了位于该处的金属结构、杠杆及其支撑扭杆；

图9是与图7所示的器件层的区域相匹配的玻璃衬底的一部分的立体图，其图示了上面微机械加工的金属结构；

图10是当玻璃衬底上的金属结构已经与图7所示的器件层的经微机械加工的表面相匹配，并且器件层已经阳极焊接到其上后，图9所示的基底晶片、SOI晶片的器件层和玻璃衬底的部分的立体图；

图11是当基底晶片和玻璃衬底已经变薄后，并且微机械加工出穿过基底晶片的孔而由此暴露出图7所示的微机械加工金属结构中包括的接触垫片和接地垫片后，图10所示的基底晶片、器件层和玻璃衬底的一部分的立体图；

图12是沿着图11的线12-12所取的剖视正视图，其图示了将电引线引线连接到MEMS开关中包括的几个接触垫片之一；

图13是当基底晶片和玻璃衬底已经变薄后，并且锯开基底晶片而由此暴露出图7所示的微机械加工金属结构中包括的接触垫片和接地垫片后，图10和图11所示的基底晶片、器件层和玻璃衬底的一部分的立体图；

图14是沿着图13的线14-14所取的剖视正视图，其图示了将电引线引线连接到MEMS开关中包括的几个接触垫片之一；

图15是对于其中穿过玻璃衬底形成导电过孔的本发明的另一个替代实施例，当基底晶片和玻璃衬底已经变薄后，图10所示的基底晶片、器件层和玻璃衬底的一部分的立体图；

图16是沿着图15的线16-16所取的剖视正视图，其图示了穿过玻璃衬底所形成的、实现到MEMS开关中包括的接触和接地垫片的电连接的几个过孔；

图17是替代实施例玻璃衬底的一部分的立体图，其图示了容纳电导体的微机械加工沟道；

图18是图17所示替代实施例玻璃衬底的一部分的立体图，其中沟道和电导体与玻璃衬底已经阳极焊接到其上的支撑晶片并置，以允许形成穿过玻璃衬底的导电过孔；

图19是当金属结构(包括导电过孔)已经与器件层的微机械加工表面匹配并且器件层已经阳极焊接到玻璃衬底上以后，与图7所示类似的基底晶片和SOI晶片的器件层以及图18所示的玻璃衬底和支撑晶片的多个部分的立体图；和

图20是沿着图19的线20-20所取的剖视正视图，其图示了穿过玻璃衬底所形成的、实现到MEMS开关中包括的接合垫片的电连接的几个过孔。

具体实施方式

图1、2A和2B图示了本发明的MEMS开关中包括的杠杆52、金属电极54a和54b、金属开关触点56a1、56a2、56b1和56b2、以及金属短路棒58a和58b。通过微机械加工材料层62来形成杠杆52，该材料优选地为单晶硅(Si)。层62的材料还形成框架64，其优选地环绕杠杆52。还用层62的材料与杠杆52和框架64整体地形成一对扭杆66a和66b，其在图1中用虚线描绘并且其从杠杆52的相反两侧向外延伸到框架64。虽然杠杆52的尺寸根据MEMS开关的特定构造而变化，但在一个示例性实施例中，层62中被微加工来建立环绕杠杆52的框架64的孔的尺寸约为0.4×0.4毫米。在此同一示例性实施例中，层62厚约17微米，而杠杆52与扭杆66a和66b一样厚约5微米。

扭杆66a和66b从环绕的框架64支撑着杠杆52绕轴线68转动，轴线68与扭杆66a和66b共线。几个微米厚的短路棒58a和58b由杠杆52在其离轴线68最远的相反两端处所支承。在上面提到的示例性实施例中，扭杆66a和66b约为20微米宽和60微米长。具有此构造的扭杆66a和66b是刚性的并因此表现出高的谐振频率，并且提供很大的回复力，这减小了MEMS开关表现出粘附的可能性。此外，扭杆66a和66b的刚度与切换速度直接相关，即组合的杠杆52以及扭杆66a和66b的更高的谐振频率会增大切换速度。

对于上述示例性实施例，电镀到薄的钛(Ti)附着层上的几微米的金(Au)形成了短路棒58a和58b。短路棒58a和58b约为10微米宽和40微米长。分别位于杠杆52的离轴线68最远的相反两端处的一对二氧化硅(SiO₂)绝缘垫片72a和72b被置于短路棒58a和58b与杠杆52之间，以使得短路棒58a和58b与杠杆52电绝缘。如图1所示，绝缘垫片72a和72b在杠杆52上覆盖的面积比短路棒58a和58b更大，并且厚约1.0微米。与杠杆52相邻的电极54a和54b以及开关触点56a1、56a2、56b1和56b2厚约4.0微米。

当没有外力施加到杠杆52时，由扭杆66a和66b提供的回复力使杠杆52位于图2A所示的位置。位于此位置时，约3微米的距离将杠杆52与相邻的电极54a和54b以及开关触点56a1、56a2、56b1和56b2隔开。在层62与电极54a和54b之一之间施加电势，使得杠杆52由于对杠杆52朝着该电极(例如图2B中为电极54a)的吸引而绕轴线68转动。杠杆52的充分转动使得短路棒58a和58b之一接触一对开关触点56a1和56a2或者56b1和56b2(例如，图2B中开关触点56a1和56a2)，以在其间建立电路。

虽然如下所述，有各种不同处理来装配根据本发明具有如图1、2A和2B所示地配置的杠杆52、电极54a和54b、开关触点56a1、56a2、56b1和56b2、以及短路棒58a和58b的MEMS开关，但优选的处理如图3所示地开始。图3描述了在基底晶片104上由单个MEMS开关所占据的区域102。在图3的图示中，线106表示具有八(8)个相同邻近区域102的中心区域102的边界，其除了邻近基底晶片104的边，还环绕中心区域102。根据以下说明，在MEMS开关已经全部制造好后，将通过沿着线106锯开而将区域102分成各个MEMS开关。

基底晶片104是传统的硅晶片，该晶片可能比按照其直径的标准半导体晶片厚度更薄。例如，如果基底晶片104直径为150mm，那么标准半导体晶片通常厚度约为650微米。但是，基底晶片104的厚度(其通常可以变化很大而仍然可以用来制造根据本发明的MEMS开关)可以比标准半导体硅晶片薄。

根据本发明的MEMS开关的优选实施例的制造，首先开始于在基底晶片104的顶表面108中微机械加工出开关端子垫片腔112、杠杆腔114和公共端子垫片腔116。腔112、114和116的深度不是特别重要，但对于上述示例性实施例应当约为10微米深。优选的是将提供良好均匀性和各向异性的反应离子刻蚀(RIE)的等离子系统，被用来微机械加工腔112、114和116。但是，KOH或者其他湿法刻蚀也可以用来微机械加工腔112、114和116。标准的刻蚀阻挡技术被用于微机械加工腔112、114和116，即用于等离子刻蚀的光阻膜或者由二氧化硅或氮化硅所形成的用于湿法、KOH刻蚀的掩膜。此微机械加工产生杠杆腔114，其容纳如图2B所示的杠杆52的运动，而下面将更详细说明的腔112和116容纳馈通连接(feedthrough)或者电接触垫片。

在顶表面108中微机械加工出腔112、114和116后，下一步(附图中未示出)是在图3所示的基底晶片104的底表面118中刻蚀出对齐标记。底侧对齐标记必须对准到基底晶片104中微机械加工出的腔112、114和116，以允许在后续处理操作期间将微机械加工的其他结构与腔112、114和116对齐。这些底侧对齐标记还将在接近整个处理流程末尾的底侧硅刻蚀期间使用。底侧对齐标记通过以下步骤生成，即首先通过使用与腔112、114和116对齐的专用目标唯一掩膜(target-only-mask)的光刻步骤，然后通过微机械加工基底晶片104的底表面118。在从基底晶片104的两个表面去除光阻膜之前，在底表面118中等离子刻蚀出几个微米深的目标唯一掩膜的图案。如果具有红外能力的对准器可以用于制造MEMS开关，则可以省略生成底侧对齐标记的步骤。

如图4所示，制造MEMS开关的下一个步骤是将绝缘体上硅(SOI)晶片124的薄的单晶硅器件层122熔焊到基底晶片104的顶表面108。优选地，SOI晶片124的器件层122是极薄的二氧化硅(SiO₂)埋入层上的17微米厚的一层，因此其名为绝缘体上硅或者SOI。有利于微机械加工杠杆52以及扭杆66a和66b的SOI晶片124的特征在于，器件层122在SOI晶片124的整个表面上相对于薄的SiO₂层132具有基本上均匀的厚度，优选地为约17微米。在将SOI晶片124的器件层122熔焊到基底晶片104的顶表面108时，通过使基底晶片104上的对齐平面134与SOI晶片124上的相应对齐平面136相匹配而将晶片104和124整体对齐。在约1000℃下将SOI晶片124熔焊到基底晶片104。

在通过熔焊已将基底晶片104和SOI晶片124形成为单片后，去除位于离器件层122最远的操纵层138，然后去除SiO₂层132，仅留下焊接到基底晶片104的顶表面108上的器件层122。首先在基底晶片104的底表面118上形成保护性二氧化硅层、氮化硅层、两者的组合或者任何其他合适的保护层。在这样掩蔽基底晶片104后，使用应用到SOI晶片124的KOH刻蚀来去除操纵层138的硅。在已经去除形成操纵层138的大块硅后到达埋入SiO₂层时，KOH刻蚀SOI晶片124的速率明显变慢。这样，SiO₂层132用作去除操纵层138的刻蚀停止层。在已经去除了操纵层138的大块硅后，使用HF刻蚀来去除以前埋入但现在已暴露的SiO₂层132。注意，可以使用去除操纵层138的大块硅的其他方法，包括其他湿法硅刻蚀剂、等离子刻蚀、研磨与抛光、或者这些方法的组合。在完成此处理后，仅有SOI晶片124的器件层122保持连接到基底晶片104，如图5所示。

图6描述了由于刻蚀掉操纵层138和SiO₂层132，已经暴露作为器件层122的前表面142的部分。与形成腔112、114和116类似，制造优选实施例的MEMS开关的下一个步骤是穿过前表面142到器件层122中微机械加工(优选地使用KOH刻蚀)约12.0微米深的初始腔144。如同MEMS和半导体制造领域技术人员所公知的那样，器件层122的前表面142首先被氧化和图案化，以为使用KOH微机械加工初始腔144提供阻挡掩膜。然后去除在微机械加工初始腔144后在器件层122的前表面142上剩余的氧化物。虽然图6等的示例描述初始腔144的壁是垂直的，但是因为它们优选地是用KOH刻蚀而非RIE等离子刻蚀形成，所以如本领域技术人员公知的那样优选实施例中初始腔144的壁实际上以约54°的角度倾斜。

在MEMS开关的优选实施例中，初始腔144的深度产生了如图2A所示电极54a和54b离杠杆52最远的表面与杠杆52最接近电极54a和54b的表面之间的间隔。在考虑到杠杆52和薄的器件层122的期望厚度的情况下，计算初始腔144的深度，以提供杠杆52上的短路棒58a和58b与电极54a和54b以及开关触点56a1、56a2、56b1和56b2的金属之间的期望间隙。

在器件层122中微机械加工出初始腔144，留下了四(4)个从初始腔144的底面向上突起的接地支柱152、U形壁154以及齿状U形壁156。接地支柱152和壁154与156从初始腔144的底面向上延伸到器件层122的前表面142。壁154和156主要环绕前表面142的将成为MEMS开关杠杆52的底面区域。在形成初始腔144后，SiO₂绝缘垫片72a和72b被沉积到初始腔144的底面上，以准备在初始腔144内沉积短路棒58a和58b以及其他金属结构。

图7和8描述了被沉积在初始腔144的底面上的各种金属结构，包括短路棒58a和58b。如上所述，优选地通过首先沉积薄的Ti附着层，然后在其上沉积(在示例性实施例中)约0.5微米的Au来形成这些金属结构。除了短路棒58a和58b，一对金属接地板162a和162b分别在两对接地支柱152之间延伸跨过初始腔144，并经过短路棒58a和58b以及绝缘垫片72a和72b。在沉积0.5微米的Au层后，随后光刻图案化和刻蚀金属，以生成短路棒58a和58b以及接地板162a和162b的形状。随后，额外的Au被电镀到短路棒58a和58b上以达到约4.0微米的总厚度。

当已在初始腔144中形成全部金属结构后，穿透器件层122在初始腔144的底面处所剩材料的第二RIE刻蚀形成扭杆66a和66b以及杠杆52a的轮廓，由此使杠杆52自由以绕轴线68转动。这样，杠杆52和扭杆66a和66b与器件层122中变成框架64的环绕材料整体地形成。第二RIE刻蚀还使初始腔144开口到基底晶片104的腔112和116，在下面留下悬臂166并支撑每个接地支柱152。在悬臂166的自由端处支撑每个接地支柱152，适应了接地板162a和162b在突出前表面142的每个接地支柱152的顶部上的末端处的Au厚度。由悬臂166提供的柔性力确保了在接地板162a和162b以及下述后续金属化层之间形成良好的电接触。

图9描述了Pyrex玻璃衬底174的金属化表面172上的区域，该表面172随后将与图7所示器件层122的前表面142匹配并且熔合。玻璃衬底174具有与基底晶片104和SOI晶片124相同的直径，且优选地厚1.0mm。图9的示例描述了在金属化表面172上沉积薄的1000A°的铬金(Cr-Au)种晶层后，金属化表面172顶部上的金属结构。Cr-Au种晶层的图案化生成了接触垫片和导体线、开关触点56a1、56a2、56b1和56b2以及电极54a和54b，这些接触垫片和导体线用于将变成优选实施例MEMS开关的公共端子182的部分。Cr-Au种晶层的图案化还生成了接地垫片186，其适合于匹配并啮合接地板162a和162b在接地支柱152的突出端上存在的那部分。在已经为这些结构在Cr-Au种晶层中生成了图案后，然后电镀约2.0微米的Au以形成图9中出现的图案。优选地，开关触点56a1、56a2、56b1和56b2以及公共端子182厚4.0微米，以满足与高效传导高频射频(RF)信号相关的集肤效应(skin effect)要求。但是，根据本发明的开关可以使用不同于上述内容的材料和处理过程。

电极54a和54b被电镀至与开关触点56a1、56a2、56b1和56b2相同的厚度，以减小电极54a和54b与杠杆52上的紧邻区域之间的间隙。电极54a和54b与杠杆52上的紧邻区域之间的较小间隙减小了必须施加来驱动MEMS开关的电压。

图10描述了在图9所示的玻璃衬底174的金属化表面172的相应区域已经被阳极焊到器件层122的前表面142之后，图3、6和7逐步示出的基底晶片104的区域。在将金属化表面172焊接到前表面142时，图9所示的金属图案被仔细地与图7和8中出现的器件层122中微机械加工出的结构对齐。以此方式将金属化表面172焊接到前表面142就生成了如图1、2A和2B所示的MEMS开关。在图7和8所示的结构中，电极54a和54b连接到其接触垫片的导线分别穿过壁156中的齿形，而开关触点56a1、56a2、56b1和56b2在分别非常接近接地板162a和162b的情况下分别沿着U形壁154和156的臂通过。

在将金属化表面172阳极焊接到前表面142期间，支撑接地支柱152的悬臂166由于接地板162a和162b在每个接地支柱152顶部上的金属与在玻璃衬底174的金属化表面172上形成的接地垫片186的金属之间的干涉而偏转。形成悬臂166的单晶硅材料的机械刚度所提供的力，确保了在接地垫片186与接地板162a和162b的与其并置在接地支柱152处的部分之间有良好的电连接。

在玻璃衬底174已经阳极焊接到壁154后，基底晶片104和玻璃衬底174两者的离器件层122最远的整个外侧部分如图10中虚线192和194所示地变薄。优选地，基底晶片104和玻璃衬底174在双面研磨和抛光操作中变薄。去除每层大约一半的厚度，其中玻璃衬底174的最终厚度约为100微米。对组合的基底晶片104、器件层122和玻璃衬底174的研磨和抛光，生成厚度与标准半导体器件的厚度相当的MEMS开关。在使基底晶片104和玻璃衬底174变薄中可以使用在MEMS或者半导体处理中通常使用的任何技术，包括研磨、抛光、化学机械平坦化(CMP)或者各种湿法或等离子刻蚀。

图11描述了与图10的图示颠倒的组合基底晶片104、器件层122和玻璃衬底174的部分。图11还图示了在使基底晶片104变薄后刻蚀穿过基底晶片104的硅材料的孔，这些硅材料在刻蚀前保持在腔112和116的基底上。通过使用双侧对准器并透过透明玻璃衬底174观察器件层122的结构，首先在基底晶片104离器件层122最远的底侧上生成图案来进行腔112和116的延伸。然后使用深RIE系统对形成基底晶片104的硅材料进行等离子刻蚀。以此方式使腔112和116开口会暴露出电极54a和54b的接触垫片、开关触点56a1和56b1连同用于开关触点56a2和56b2的公共端子182、以及接地垫片186，如图11中虚线和图9所示，它们在阳极焊接之前最初形成在玻璃衬底174上。

图12是在锯开组合的基底晶片104、器件层122和玻璃衬底174以分离出在其中同时制造的许多开关后，以及在将电引线198引线连接到MEMS开关中的接触垫片和接地垫片186后根据本发明的MEMS开关的剖视图，图12中仅示出了其中这些电引线198之一。

电引线198提供了这样的装置，其用于将两个输入信号耦合到MEMS开关中，其中一个信号从MEMS开关输出；或者其将单个输入信号耦合到从MEMS开关的两个输出中的一个或者另一个。电引线198还提供了这样的装置，其用于将接地板162a和162b连同杠杆52电接地，并且用于在杠杆52与电极54a和54b之间产生促使杠杆52绕轴线68转动的电势差。

锯开组合的基底晶片104、器件层122和玻璃衬底174就产生了单个的MEMS开关，其通常约为2.0×1.5×1.5毫米(L×W×H)。这些尺寸可以容易地改变为该尺寸的两倍大或者一半。在锯开组合的基底晶片104、器件层122和玻璃衬底174期间，用传统的晶片条盖住基底晶片104的表面上朝上的开口腔112和116。将腔112和116与晶片条密封起来对确保锯浆不进入腔112和116非常重要，其中接触垫片和接地垫片186露置在腔的底部，可能甚至对位于MEMS开关内部的短路棒58a和58b以及开关触点56al、56a2、56b1和56b2也非常重要。

如果需要或者有利，通过使图7所示的器件层122和图9所示的玻璃衬底174的表面疏水，也可以阻止锯浆侵入MEMS开关内部。腔112和116与MEMS开关的内部之间的通道约为10微米乘100微米，在将玻璃衬底174阳极焊接到器件层122器件期间在所述内部中生成短路棒58a和58b以及开关触点56a1、56a2、56b1和56b2。如果这些通道的表面是疏水的，则该表面状况将阻挡在锯开期间水的侵入。通过在玻璃衬底174的金属化表面172阳极焊接到这些表面上之前，或者在如上所述地刻蚀基底晶片104的背面以使腔112和116开口之后，用硅树脂涂覆这些表面来实现使其疏水。可以用来用硅树脂涂覆这些表面的一种方法包括，将图7所示的组合的基底晶片104和器件层122或者如图11所示的组合的基底晶片104、器件层122和玻璃衬底174放置到具有Gel Pak材料加热垫的真空室中。热板被用来将来自Gel Pak垫的聚合物层加热到约40℃。在热板达到此温度后，包含组合的基底晶片104和器件层122以及Gel Pak垫的室被密封、抽真空并保持在该状态约4小时。在该时间段后，室首先被净化然后回充空气，接着组合的基底晶片104和器件层122被取出以进行后续处理。以此方式处理组合的基底晶片104和器件层122就防止了在锯开期间水通过腔112和116进入MEMS开关内部。

本发明的替代实施例主要包括用于形成到开关触点56a1、56a2、56b1和56b2、电极54a和54b以及接地板162a和162b的电连接的不同技术。图13和14所示的用于提供这些连接的一种替代技术沿着腔112和116的行在基底晶片104中但不穿过基底晶片104机加工出锯口204来打开腔112和116，而非利用RIE刻蚀。取决于组合的基底晶片104、器件层122和玻璃衬底174中紧邻的MEMS开关之间的间距以及锯条的宽度，机加工锯口204可能会或者可能不会在紧邻的锯口204对之间留下突出脊206。随后彻底锯穿组合的基底晶片104、器件层122和玻璃衬底174来形成单个的MEMS开关会去除脊206，如果其存在的话。因为机加工锯口204必然将接触和接地垫片暴露到锯浆，所以对于此特定替代实施例而言，在将玻璃衬底174阳极焊接到器件层122之前使得腔122和116与MEMS开关的内部之间的通道疏水非常重要。优选地使用上述Gel Pak过程来使这些表面疏水。

用于提供所要求的电连接的另一个替代技术除了两个主要区别外，遵循与图10所示的上述通过使基底晶片104和玻璃衬底174变薄来制造MEMS开关相同的过程。第一个区别是图3所示的腔112和116不是电接触垫片所要求的，而仅仅是接地支柱152和悬臂166所需要的。在此替代实施例中，接触和接地垫片将定位在玻璃衬底174的外层上。第二个区别是金属图案将不同于优选实施例，以利用在玻璃基片每侧上的两层金属互连来优化RF性能。在使玻璃衬底174变薄到约50微米的厚度之后，如图15和16所示，刻蚀过孔212穿过玻璃衬底174到达接触垫片、接地垫片和电极的Cr种晶层。Cr种晶层在形成图9所示的金属结构时被沉积。玻璃通常使用例如8∶1的NHO₃∶HF的各向同性刻蚀剂来湿法刻蚀。刻蚀剂将在到达Cr层时停止。在已经暴露出形成接触垫片、接地垫片和电极的金属后，金属214被沉积到过孔212中和玻璃衬底174的表面上方，由此使接触垫片、接地垫片和电极的金属延伸到玻璃衬底174的外表面。金属214是与在形成图9所示的金属结构时沉积到玻璃衬底174上的金属相似的铬金(Cr-Au)溅射或者蒸镀膜。沉积的Cr-Au膜被图案化和刻蚀，留下与沉积到每个过孔212中的金属214相邻并连接到其上的接合垫片区域。随后，额外的Au被电镀到金属上以达到约4.0微米的总厚度。金属214的接合垫片区域于是可以通过焊接到金属214的导线或者焊料凸块被连接到印刷电路板。因为在玻璃衬底174的外表面上设置有接合垫片区域，所以不再需要如图11所示地对基底晶片104进行RIE刻蚀以打开腔112和116。因此在此替代实施例中省略了进行RIE刻蚀打开腔112和116所需要的基底晶片104的背侧图案化和刻蚀。此用于形成到开关触点56a1、56a2、56b1和56b2、电极54a和54b以及接地板162a和162b的电连接的特定替代技术所提供的一个优点是，获得的MEMS开关是密封的。

图17至20描述了也产生密封的MEMS开关的最后一个替代实施例。在此替代实施例中，首先在玻璃衬底174的表面224中刻蚀出约50微米深的沟道222的图案，如图17所示。然后Cr-Au的种晶层被沉积到表面224上并且被图案化，以允许后面在每个沟道222中形成约4.0微米厚的Au导体226。Au导体226将米自MEMS开关的密封部分内的开关结构(即，开关触点56a1、56a2、56b1和56b2、电极54a和54b以及接地板162a和162b)的电信号传送到MEMS开关的密封部分之外的接合垫片248。

如图18所示，然后将玻璃衬底174的表面224阳极焊接到传统的硅支撑晶片232，并且使玻璃衬底174变薄到100微米。类似于上述用于图15和16所示的替代实施例中的处理，然后刻蚀过孔242穿过玻璃衬底174到达导体226的Cr利晶层。玻璃通常使用例如8∶1的NHO₃∶HF的各向同性刻蚀剂来湿法刻蚀。刻蚀剂将在到达Cr层时停止。在已经暴露出导体226的Cr层后，金属244被沉积到过孔242中和玻璃衬底174的金属化表面172上方，由此将导体226的金属延伸到玻璃衬底174的金属化外表而172。金属244是与在形成图9所示的金属结构时沉积在玻璃衬底174上的金属相似的铬金(Cr-Au)溅射或者蒸镀膜。沉积的Cr-Au膜被图案化和刻蚀，以形成电极54a和54b、开关触点56a1、56a2、56b1和56b2、接地板162a和162b在接地支柱152顶部的触点、以及接合垫片248。随后，额外的Au被电镀到金属上以达到约4.0微米的总厚度。

然后将玻璃衬底174的金属化表面172阳极焊接到器件层122的前表面142，如图19所示，因此接合垫片248变成与MEMS开关在接合垫片腔252中的其余部分隔开。定位成与锯口将随后使MEMS开关分离的部位紧邻的腔252，与微机械加工图6所示的腔112、114和116同时在基底晶片104中形成，并且在微机械加工图6的初始腔144并随后使图7中的杠杆52自由的同时穿过器件层122。在MEMS开关的优选实施例和本实施例之间形成初始腔144的主要区别在于，初始腔144现在被分成与图3所示的腔112、114和116相对应的三(3)个不同的腔。在图6所示的优选实施例中具有开口的壁154和156现在是连续的，由此将初始腔144分成三个独立腔。现在埋入的导体226在壁154和156下传送电信号。然后，与图13和14所示的替代实施例相似，沿着腔252的行在基底晶片104中形成锯口204，由此暴露出其中被隔离的接合垫片248。随后彻底锯穿组合的基底晶片104、器件层122、玻璃衬底174以及支撑晶片232就产生了单个的MEMS开关。

图20描述了一个腔252，具有位于其中的接合垫片248、穿过玻璃衬底174的过孔242以及沟道222内的导体226。图20的示例还示出了引线连接到接合垫片248之一的电引线198。或者，可以在接合垫片248上形成焊料凸块。

工业应用性

虽然已经按照当前的优选实施例说明了本发明，但应当理解到此公开纯属举例说明，而不应当被理解为限制性的。例如，虽然用于形成杠杆52的单晶硅层优选地为SOI晶片的器件层，但也可以是外延晶片(epiwafer)上外延的N型顶层。虽然扭杆66a和66b离杠杆52最远的末端所耦合到的器件层122的材料形成优选地环绕杠杆52的框架，但是根据本发明的MEMS开关的杠杆52不需要被器件层122的材料所环绕。虽然包括在MEMS开关中的金属导体优选地是涂到钛(Ti)附着层上的金(Au)，但它们也可以使用任何数量的其他材料的组合形成，例如钛(Ti)或者钨(W)上的铂(Pt)。可以使用半导体工艺中使用的任何常用沉积方法来涂敷金属，这些方法包括溅射、电子束沉积和蒸镀。

还存在使用连接到接触垫片和接地垫片186的电引线198来耦合信号输入和输出MEMS开关的替代方案。因为可以使基底晶片104变薄到小于100微米的厚度，所以可以使用接触垫片和接地垫片186上形成的焊料凸块来替代地将电信号耦合输入或者输出MEMS开关。接触垫片和接地垫片186上焊料凸块的存在允许将MEMS开关倒装片安装到印刷电路板上存在的匹配焊料凸块。

类似地，虽然此处公开的优选实施例的MEMS开关是单刀双掷(SPDT)开关，但是其可以容易地适合于构造为两个互斥的单刀单掷(SPST)开关。这两个互斥的SPST开关然后可以通过MEMS开关外部的恰当连接的连线被配置成作为SPDT开关工作。此外，代替开关触点56a1、56a2、56b1和56b2以及两个短路棒58a和58b，根据本发明的SPDT MEMS开关可以被构造成仅有开关触点56a1和56b1，以及通过位于杠杆52上的导体被相互电连接的两个短路棒58a和58b。在此MEMS开关的配置中，将杠杆52上的两个短路棒58a和58b电耦合起来的导体通过其延伸部分连接到公共端子182，该延伸部分穿过扭杆66a和66b之一。

此外，在单个根据本发明的MEMS开关中可以包括多于一个杠杆52及其相关的电极54a和54b以及开关触点56a1、56a2、56b1和56b2。使用两个杠杆52及其相关的电极54a和54b以及开关触点56a1、56a2、56b1和56b2，可以提供单刀四掷(SP4T)MEMS开关。虽然外部连线可以配置根据本发明的MEMS开关以作为旁路开关工作，但MEMS开关自身可以通过将短路棒58a和58b接地而被配置来作为旁路开关工作。在这样的旁路开关中，开关触点56a1、56a2、56b1和56b2可以作为连续导体，而没有在图1和9中出现的间隙。

因此，在不背离本发明的精神和范围的情况下，本发明的各种变化、修改和/或替代应用将毫无疑问地在已经阅读上述公开后暗示给本领域技术人员。所以，意在将所附权利要求解释为包含落入本发明的真正精神和范围内的所有变化、修改或者替代应用。

Claims (14)

1.一种整体式微机电系统开关，适合于选择性地将连接到所述微机电系统开关的第一输入导体上存在的电信号耦合到同样连接到所述微机电系统开关的第一输出导体，所述微机电系统开关包括：

单层材料，其中微机械加工有：

a.杠杆；

b.一对扭杆，其布置在所述杠杆的相反侧上并且耦合到所述杠杆，并且建立了所述杠杆可以绕其转动的轴线；和

c.框架，所述扭杆离所述杠杆最远的末端耦合到所述框架，所述框架通过所述扭杆来支撑所述杠杆绕所述扭杆所建立的所述轴线转动；

导电的第一短路棒，其支承在所述杠杆的远离所述扭杆建立的所述转动轴线的末端处；

基底，其结合到所述单层的第一表面；和

衬底，其被接合到所述单层的第二表面，所述第二表面远离所述基底所结合到的所述第一表面，所述衬底上形成有：

a.与所述杠杆的一个表面并置的第一电极，所述表面位于由所述扭杆建立的所述转动轴线的一侧，在所述第一电极和所述杠杆之间施加电势促使所述杠杆绕由所述扭杆建立的所述转动轴线在第一方向上转动；和

b.适合于可分别连接到所述第一输入导体和所述第一输出导体的第一对开关触点，并且所述第一对开关触点：

i.当没有力施加到所述杠杆时布置成与所述第一短路棒相邻但是与其间隔开；

ii.当没有力施加到所述杠杆时彼此电绝缘；和

iii.在向所述杠杆施加足够大的力以促使所述杠杆绕由所述扭杆建立的所述转动轴线在所述第一方向上转动时，与所述第一短路棒接触；

由此在所述杠杆绕所述扭杆所建立的所述转动轴线在所述第一方向上转动到所述第一短路棒接触所述第一对开关触点的程度时，所述接触的第一短路棒将所述第一对开关触点电耦合起来。

2.如权利要求1所述的微机电系统开关，其还适合于选择性地将连接到所述微机电系统开关的第二输入导体上存在的电信号耦合到同样连接到所述微机电系统开关的第二输出导体：

其中所述杠杆在所述杠杆的一个末端处支承第二短路棒，所述末端位于所述转动轴线与所述第一短路棒相反的一侧上；并且

其中所述衬底上还形成有：

a.适合于可分别连接到所述第二输入导体和所述第二输出导体的第二对开关触点，并且所述第二对开关触点：

i.当没有力施加到所述杠杆时布置成与所述第二短路棒相邻但是与其间隔开；

ii.当没有力施加到所述杠杆时彼此电绝缘；和

iii.在向所述杠杆施加足够大的力以促使所述杠杆绕由所述扭杆建立的所述转动轴线在与所述第一方向相反的第二方向上转动时，与所述第二短路棒接触；

由此在所述杠杆在所述第二方向上绕所述扭杆所建立的所述转动轴线转动到所述第二短路棒接触所述第二对开关触点的程度时，所述接触的第二短路棒将所述第二对开关触点电耦合起来。

3.如权利要求2所述的微机电系统开关，其中所述衬底还在其上形成有与所述杠杆的一个表面并置的第二电极，所述表面位于所述扭杆所建立的所述转动轴线的一侧上，所述一侧与并置有所述第一电极的所述杠杆的那一个表面相反，在所述第二电极和所述杠杆之间施加电势促使所述杠杆绕由所述扭杆建立的所述转动轴线在所述第二方向上转动。

4.如权利要求1所述的微机电系统开关，其还适合于选择性地将连接到所述微机电系统开关的第二输入导体上存在的电信号耦合到所述第一输出导体：

其中所述杠杆在所述杠杆的一个末端处支承第二短路棒，所述末端位于所述转动轴线与所述第一短路棒相反的一侧上；并且

其中所述衬底上还形成有：

a.第二对开关触点，所述第二对开关触点中的第一个适合于可连接到所述第二输入导体，并且所述第二对开关触点中的第二个连接到所述第一对开关触点中适合于连接到所述第一输出导体中的那一个触点，并且所述第二对开关触点：

i.当没有力施加到所述杠杆时布置成与所述第二短路棒相邻但是与其间隔开；

ii.当没有力施加到所述杠杆时彼此电绝缘；和

iii.在向所述杠杆施加足够大的力以促使所述杠杆绕由所述扭杆建立的所述转动轴线在与所述第一方向相反的第二方向上转动时，与所述第二短路棒接触；

由此在所述杠杆在所述第二方向上绕所述扭杆所建立的所述转动轴线转动到所述第二短路棒接触所述第二对开关触点的程度时，所述接触的第二短路棒将所述第二对开关触点电耦合起来。

5.如权利要求4所述的微机电系统开关，其中所述衬底还在其上形成有与所述杠杆的一个表面并置的第二电极，所述表面位于所述扭杆所建立的所述转动轴线的一侧上，所述一侧与并置有所述第一电极的所述杠杆的那一个表面相反，在所述第二电极和所述杠杆之间施加电势促使所述杠杆绕由所述扭杆建立的所述转动轴线在所述第二方向上转动。

6.如权利要求1至5所述的微机电系统开关，其中通过熔焊来结合所述单层和所述基底。

7.如权利要求1至6所述的微机电系统开关，其中形成所述单层的材料是单晶硅。

8.如权利要求1至7所述的微机电系统开关，其中一层电绝缘材料被置于所述杠杆和所述一个或多个短路棒之间。

9.如权利要求1至8所述的微机电系统开关，其中所述基底包括在其中形成的腔，所述腔邻接所述单层的所述第一表面，并且在所述杠杆绕所述扭杆建立的所述轴线转动时所述杠杆的一部分进入所述腔。

10.如权利要求1至9所述的微机电系统开关，其中：

所述衬底上形成有电导体，所述电导体分别在所述开关触点和所述输入与输出导体之间传送电信号；并且

所述微机电系统开关包括一个或多个接地板，其布置成与所述电导体相邻并且电绝缘。

11.如权利要求10所述的微机电系统开关，其中所述一个或多个接地板布置在所述单层上。

12.如权利要求11所述的微机电系统开关，其中所述单层包括悬臂，所述悬臂在其自由端处支撑接地支柱，所述接地支柱在其远离所述悬臂的末端处支承所述接地板的一部分，所述悬臂提供的力促使所述接地板在所述接地支柱的所述末端处的所述部分与布置在所述衬底上的电导体紧密接触。

13.一种微机电系统电接触结构，适合于在微机电系统器件的第一层上布置的电导体和所述微机电系统器件的第二层上布置的电导体之间形成电接触，所述微机电系统电接触结构包括：

包括在所述第二层中的悬臂；和

同样包括在所述第二层中被支撑在所述悬臂的自由端处的电接触支柱，所述电接触支柱在其远离所述悬臂的末端处支承布置在所述第二层上的所述电导体的一部分，所述悬臂提供的力促使所述电导体在所述电接触支柱的所述末端处的所述部分与布置在所述第一层上的所述电导体紧密接触。

14.一种微机电系统结构，包括：

其上布置有电导体的第一层；和

其上同样布置有电导体的第二层，所述第二层包括：

a.悬臂；和

b.支撑在所述悬臂的自由端处的电接触支柱，所述电接触支柱在其远离所述悬臂的末端处支承布置在所述第二层上的所述电导体的一部分，所述悬臂提供的力促使所述电导体在所述电接触支柱的所述末端处的所述部分与布置在所述第一层上的所述电导体紧密接触。

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