CN1835188A - 微移动器件及使用湿蚀刻的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种微移动器件，包括：基础衬底；固定部，其与基础衬底接合；可移动部，其具有连接至固定部的固定端，并沿着基础衬底延伸；以及压电驱动部，其设置在可移动部和固定部与基础衬底相反的一侧上。压电驱动部具有由第一电极膜、第二电极膜以及位于第一和第二电极膜之间的压电膜构成的层叠结构，该第一电极膜与可移动部和固定部接触。可移动部和固定部中的至少一个设置有沿着压电驱动部延伸的沟槽。

Description

微移动器件及使用湿蚀刻的制造方法
技术领域
本发明一般涉及微移动器件(micro movable device)及其制造方法，尤其涉及使用湿蚀刻技术的制造方法。
背景技术
在诸如移动电话等无线电通信设备的技术领域中，组成部件的数量随着性能的改进而增加，因此对于更小的高频电路或者RF电路也产生了进一步的需求。为满足这一需求，构造电路所需的各种部件成为利用称为MEMS(微机电系统)的技术进行微型化的焦点。
这些部件的种类之一是MEMS开关。MEMS开关是具有通过MEMS技术制造的微结构的开关器件，并且包括至少一对触点和一个驱动机构等，所述触点用于进行机械打开/关闭操作以实现开关操作，而所述驱动机构用于实现触点对的机械打开/关闭操作。与其他由PIN二极管、MESFET等提供的开关器件相比，MEMS开关易于在开关打开时表现更高的隔离性，并在开关关闭时表现更低的插入损耗，这是因为在开关处于打开状态下MEMS开关触点被机械打开，并且机械开关不容易产生较大的寄生电容。例如，在以下专利文献1和专利文献2中公开了MEMS开关。
专利文献1：JP-A-H9-17300
专利文献2：JP-A-2001-143595
图17和图18示出作为传统MEMS开关的微开关器件X2。图17为微开关器件X2的局部平面图，而图18为沿着图17中的线XVIII-XVIII截取的剖视图。微开关器件X2包括：衬底S2、固定部51、可移动部52、可移动触点53、一对固定触点电极54以及驱动电极55、56。固定部51与衬底S2接合。可移动部52从固定部51起沿着衬底S2延伸。可移动触点53设置于可移动部52面向衬底S2的一侧上。驱动电极55设置在固定部51和可移动部52上。在衬底S2上将固定触点电极54图案化，以使每个电极端面向可移动触点53。驱动电极56与驱动电极55相应地设置于衬底S2上并接地。此外，在衬底S2上设置有预定的布线图案(未示出)，其与固定触点电极54或者驱动电极56电性连接。
在具有上述结构的微开关器件X2中，当将预定的电势施加于驱动电极55时，在驱动电极55、56之间产生静电引力。因此，可移动部52弹性变形，直到可移动触点53与固定触点电极54接触，从而使微开关器件X2变为关闭状态。在关闭状态下，可移动触点53电性桥接所述一对固定触点电极54，从而使电流经过这一对固定触点电极54。
另一方面，如果在微开关器件X2处于关闭状态时作用在驱动电极55、56之间的静电引力停止，则可移动部52返回到其自然状态，从而使可移动触点53离开固定触点电极54。因此，如图18所示，微开关器件X2变为打开状态。在打开状态下，固定触点电极54相互之间没有电性连接，因此电流不能经过这一对固定触点电极54。
图19和图20示出微开关器件X2的制造方法。在微开关器件X2的制造中，首先如图19(a)所示，在衬底S2上将固定触点电极54和驱动电极56图案化。具体地，在衬底S2上形成预定的导电材料膜，然后通过光刻在导电膜上形成预定的抗蚀图案，接着通过将抗蚀图案用作掩模而对导电膜进行蚀刻处理。然后，如图19(b)所示，形成牺牲层57。具体地，例如使用溅射法在衬底S2上沉积或者生长预定的材料，并覆盖固定触点电极54和驱动电极56。然后，如图19(c)所示，使用预定的掩模进行蚀刻处理，在牺牲层57中与固定触点电极54相应地形成凹槽57a。然后，如图19(d)所示，在凹槽57a中形成预定的材料膜，由此形成可移动触点53。
然后，如图20(a)所示，例如通过溅射法形成结构膜58。然后，如图20(b)所示，在结构膜58上将驱动电极55图案化。具体地，在结构膜58上形成预定的导电材料膜，然后使用光刻法在导电膜上形成预定的抗蚀图案，接着通过将抗蚀图案用作掩模而对导电膜进行蚀刻处理。然后，如图20(c)所示，将结构膜58图案化，形成包含部分固定部51和可移动部52的膜件(film piece)59。具体地，使用光刻法在结构膜58上形成预定的抗蚀图案，然后通过将抗蚀图案用作掩模而对结构膜58进行蚀刻处理。然后，如图20(d)所示，形成固定部51和可移动部52。具体地，将膜件59用作蚀刻掩模，对牺牲层57进行湿蚀刻处理，以在可移动部52下方形成下切部(undercut)，同时留下部分牺牲层57作为固定部51的一部分。
开关器件通常需要具备的一个特性是在关闭状态下具有低插入损耗。为了降低开关器件中的插入损耗，一对固定触点电极应该具有低电阻。
然而，对于微开关器件X2，难以形成厚触点电极54。实际上，由于在微开关器件X2的制造过程中，需要确保牺牲层57在其上表面(生长表面)上具有一定程度的平坦度，如图中所示，因此固定触点电极54的厚度至多达到2μm。
如参照图19(b)所述，当在衬底S2上沉积或者生长预定的材料并覆盖一对固定触点电极54时形成牺牲层57。因此，牺牲层57的生长表面会随着固定触点电极54的厚度而具有阶台(step)(未示出)。当固定触点电极54较厚时阶台会变得更加突出，而且当阶台变得更加突出时，将更难在适当的位置形成可移动触点53以及以适当的形状形成可移动部52。此外，如果固定触点电极54的厚度超过一定限度，则可能出现这样的情况：由于固定触点电极54的厚度，而导致在衬底S2顶部形成的牺牲层57断裂。如果牺牲层57损坏，则不可能在牺牲层57上正确地形成可移动触点53和/或可移动部52。因此，需要在微开关器件X2中形成足够薄的固定触点电极54，以便不会在牺牲层57的生长表面上出现不期望的阶台。从而，在微开关器件X2中，有时难以使固定触点电极54具有充分低的电阻，因而有时不能获得低插入损耗。
图21至图25示出在本发明的申请人在先提交的日本专利申请(No.2005-023388)中基本揭示的微开关器件X3。微开关器件X3涉及旨在提供适于降低插入损耗且适于制造的微开关器件的发明。基本揭示微开关器件X3的在先申请未在本申请提交之前公开。图21为微开关器件X3的平面图，图22为微开关器件X3的局部未示出平面图。图23至图25为分别沿着图21中的线XXIII-XXIII、XXIV-XXIV以及XXV-XXV截取的剖视图。
微开关器件X3包括基础衬底S3、固定部61、可移动部62、可移动触点63、一对固定触点电极64(图22中未示出)以及压电驱动部65。
如图23至图25所示，固定部61通过界面层61’与基础衬底S3接合。固定部61由诸如单晶硅等硅材料制成。界面层61’由氧化硅制成。例如，如图22所示，可移动部62具有固定在固定部61上的固定端62a，并且如图25所示沿着基础衬底S3延伸，以及经由狭缝(slit)66而被固定部61围绕。可移动部62具有体部62A和头部62B。可移动部62由诸如单晶硅等硅材料制成。
如图22清楚所示，可移动触点63设置在可移动部62的头部62B上。如图23和图25所示，每个固定触点电极64设立在固定部61上，并具有面向可移动触点63的接触区64a。每个固定触点电极64通过预定布线(未示出)与开关器件所应用的预定电路连接。优选地，采用从Au、Pt、Pd以及Ru构成的集合中选择的一种贵金属，或者含有该选择的贵金属的合金来制成可移动触点63和固定触点电极64。
压电驱动部65包括电极膜65a、65b以及二者之间的压电膜65c。每个电极膜65a、65b具有由例如Ti底层和Pt主层构成的层叠结构。电极膜65b经过预定的布线(未示出)接地。压电膜65c由压电材料制成，该压电材料是可通过以下特性(逆压电效应)加以区分的材料：即在施加电场时该材料变形。可用的压电材料的实例包括PZT(PbZrO3和PbTiO3的固溶体)、掺杂有Mn的ZnO、ZnO以及AlN。电极膜65a、65b的厚度为例如0.55μm，而压电膜65c的厚度为例如1.5μm。
在具有上述结构的微开关器件X3中，当将预定的正电势施加于电极膜65a时，在电极膜65a与电极膜65b之间产生电场，并且在压电膜65c中沿其平面方向产生收缩力。在远离由可移动部62直接支撑的电极膜65a的位置上，压电材料沿压电膜65c平面方向的收缩较大，即，在靠近电极膜65b的位置有较大的收缩。因此，在压电膜65c中，上述收缩力所产生的平面内的收缩量从靠近电极膜65a一侧向靠近电极膜65b一侧逐渐增加，从而使可移动部62弹性变形，而使可移动触点63与固定触点电极64或者接触区64a接触。这使得微开关器件X3变为关闭状态。在关闭状态下，可移动触点63桥接所述一对固定触点电极64，从而允许电流经过这一对固定触点电极64。以这种方式，可以实现例如高频信号的ON状态。
现在，微开关器件X3处于关闭状态，当通过停止对压电驱动部65施加电势从而停止电极膜65a与电极膜65b之间的电场时，压电膜65c和可移动部62返回到其自然状态，从而使得可移动触点63离开固定触点电极64。因此，微开关器件X3变为打开状态。在打开状态下，固定触点电极64相互之间没有电性连接，因此电流不能经过所述一对固定触点电极64。以这种方式，可以实现高频信号的OFF状态。
图26至图29示出微开关器件X3的制造方法。图26至图29示出沿图21中的线XXIII-XXIII截取的部分剖面的变化，以及沿着图21中的线XXIV-XXIV截取的部分剖面的变化。在微开关器件X3的制造中，首先，制备如图26(a)所示的衬底70。衬底70为SOI(绝缘体上覆硅)衬底，其具有由第一层71、第二层72以及第一层71与第二层72之间的中间层73构成的层叠结构。例如，第一层71的厚度为10μm，第二层72的厚度为400μm，以及中间层73的厚度为2μm。第一层71由例如单晶硅制成，由第一层71形成上述的固定部61和可移动部62。第二层72由例如单晶硅制成，由第二层72形成衬底S3。中间层73由氧化硅制成，由中间层73形成界面层61’。
然后，如图26(b)所示，在衬底70的第一层71上形成压电驱动部65。在形成压电驱动部65时，首先，在第一层71上形成第一导电膜，以形成电极膜65a。然后，在第一导电膜上形成压电材料膜，以形成压电膜65c。然后，在压电材料膜上形成第二导电膜，以形成电极膜65b。然后，通过使用预定掩模的蚀刻处理将每层膜图案化。通过溅射法，例如通过首先形成Ti膜，然后在Ti膜上形成Pt膜，形成作为图案化对象的第一和第二导电膜。通过溅射法，例如通过形成预定压电材料的膜，形成压电材料膜。
然后，如图26(c)所示，在第一层71上形成可移动触点63。例如这可以通过如下方式实现：首先通过溅射而在第一层71上形成Cr膜，然后在Cr膜上形成Au膜。然后，使用光刻法在该多层导电膜上形成预定的抗蚀图案，接着通过将抗蚀图案用作掩模而对多层导电膜进行蚀刻处理。以这种方式，可以在第一层71上将可移动触点63图案化。
然后，如图26(d)所示，形成保护膜81以覆盖压电驱动部65。例如，通过使用预定掩模的溅射法形成Si膜，从而可形成保护膜81。压电驱动部65，尤其是其中的压电膜65c易于被湿蚀刻处理中采用的蚀刻剂侵蚀，该湿蚀刻处理用以去除下文将描述的牺牲层82和部分中间层73。形成保护膜81是为了保护压电驱动部65或者压电膜65c免受侵蚀，并且保护膜81可以抵制蚀刻剂的侵蚀。
然后，如图27(a)所示，蚀刻第一层71而形成狭缝66。具体地，使用光刻法在第一层71上形成预定的抗蚀图案，然后通过将抗蚀图案用作掩模而对第一层71进行蚀刻处理。通过这个去除步骤，第一层71生成固定部61和可移动部62。
然后，如图27(b)所示，在衬底70形成有第一层71的一侧上形成牺牲层82，以填塞狭缝66。牺牲层82可由氧化硅形成。例如，可通过等离子体CVD法或者溅射法形成牺牲层82。在此步骤中，牺牲层材料沉积在狭缝66的部分侧壁上并填塞狭缝66。
然后，如图27(c)所示，在牺牲层82中相应于可移动触点63的位置处形成两个凹槽82a。具体地，使用光刻法在牺牲层82上形成预定的抗蚀图案，然后通过将抗蚀图案用作掩模而对牺牲层82进行蚀刻处理。上述蚀刻可通过湿蚀刻实现。每个凹槽82a用以形成固定触点电极64的接触区64a。
然后，如图28(a)所示，将牺牲层82图案化，以形成开口区82b。具体地，使用光刻法在牺牲层82上形成预定的抗蚀图案，然后通过将抗蚀图案用作掩模而对牺牲层82进行蚀刻处理。上述蚀刻可通过湿蚀刻实现。暴露的开口区82b为固定触点电极64与固定部61接合的区域。
然后，在图28(c)所示的目标结构(object structure)中，在设置有牺牲层82的表面上形成用作导电路径的底涂膜(undercoating film)(未示出)，然后如图28(b)所示形成抗蚀图案83。通过溅射法，例如通过首先形成50nm厚的Cr膜，然后在Cr膜上形成500nm厚的Au膜，可形成底涂膜。抗蚀图案83具有相应于一对固定触点电极64的开口区83a。
然后，如图28(c)所示，形成一对固定触点电极64。具体地，使用电镀法在开口区83a上暴露的底涂膜上生长例如Au膜。
然后，如图29(a)所示，通过蚀刻去除抗蚀图案83。然后，通过蚀刻去除底涂膜的暴露部分。可以通过分别使用预定蚀刻剂的湿蚀刻方法而进行这些蚀刻处理。
然后，如图29(b)所示，去除牺牲层82和部分中间层73。具体地，对牺牲层82和中间层73进行湿蚀刻处理。可利用含缓冲剂的氢氟酸(BHF)提供蚀刻剂。在此蚀刻处理中，首先去除牺牲层82，然后从狭缝66暴露的位置去除部分中间层73。当在整个可移动部62与第二层72之间形成适当的空隙(gap)时停止蚀刻处理。图29(b)示出利用蚀刻剂形成的空隙G，其中蚀刻剂沿着固定触点电极64从狭缝66进入并对中间层73进行蚀刻。以这种方式，可以蚀刻中间层73而留下界面层61’。注意第二层72将构成基础衬底S3。
然后，根据需要进行湿蚀刻处理，以去除残留在固定触点电极64下表面上的部分底涂膜(例如Cr膜)，然后将整个器件干燥。之后，如图29(c)所示，去除保护膜81。例如，通过将O2气体用作蚀刻气体的RIE(活性离子蚀刻)进行上述去除处理。
按照上述步骤，可以制造微开关器件X3。根据上述方法，如参照图28(c)所述，通过电镀法在牺牲层82上可形成较厚的固定触点电极64，该固定触点电极64具有面向可移动触点63的接触区64a。因此，能够确保固定触点电极64具有足够的厚度。上述的微开关器件X3适于降低关闭状态下的插入损耗。此外，根据微开关器件X3，固定触点电极64的接触区64a下表面(即可与可移动触点63接触的表面)不是电镀金属层生长的界面，从而非常平坦。因此，能够以高空间精度(dimensional accuracy)在可移动触点63与接触区64a之间形成空气空隙。具有高空间精度的空隙适于降低关闭状态下的插入损耗，并适于提高打开状态下的隔离特性。
然而，根据上述微开关器件X3的制造方法，存在以下的情况：在参照图29(b)所述的步骤中，蚀刻剂侵蚀压电驱动部65。具体地，参照图29(b)所述的湿蚀刻处理需要几个小时的时间。在这样长时间的湿蚀刻处理期间，蚀刻剂会逐渐沿着第一层71与保护膜81之间的接合界面进入，并且有时蚀刻剂会到达压电驱动部65，在这种情况下，压电驱动部65(尤其是压电膜65c)被蚀刻剂侵蚀。压电驱动部65或者压电膜65c的侵蚀是不期望发生的，因为这样会阻止压电驱动部65驱动可移动部62。
发明内容
本发明是在上述情况下提出的，因此本发明的目的是：提供一种适于在进行湿蚀刻的同时为所需的区域提供充分保护的方法；提供一种包括湿蚀刻步骤的微移动器件的制造方法，适于为所需的区域提供充分保护；以及提供一种微移动器件。
本发明的第一方案提供一种湿蚀刻方法。这种湿蚀刻方法包括以下步骤：在目标结构中形成沿着保护对象延伸的沟槽；在目标结构上形成覆盖保护对象和沟槽的抗蚀刻剂(etchant-resistant)保护膜，其中保护膜的一部分延伸到沟槽中；以及使用蚀刻剂对目标结构进行蚀刻。
在根据本方法的蚀刻步骤中，蚀刻剂作用于目标结构，如果蚀刻剂偶然进入目标结构与抗蚀刻剂保护膜之间的接合面，蚀刻剂也不能穿过沟槽，除非蚀刻剂已通过了包括沿着沟槽内表面的非直线路径以及沿着抗蚀刻剂保护膜(其落入沟槽中)表面的非直线路径的所有路径。因此，在根据本方法的蚀刻步骤中，沟槽和抗蚀刻剂保护膜构成了用以使进入目标结构与抗蚀刻剂保护膜之间的接合面以接近或到达保护对象的蚀刻剂减速的结构，其中沟槽沿着保护对象形成并被抗蚀刻剂保护膜覆盖，抗蚀刻剂保护膜的一部分落入并覆盖沟槽。因此，本方法适用于在进行蚀刻处理的同时为保护对象提供充分的保护。
本发明的第二方案提供一种微移动器件的制造方法，该微移动器件由具有层叠结构的材料衬底制成，该层叠结构包括第一层、第二层以及位于该第一层和第二层之间的中间层。该微移动器件包括：基础衬底；固定部，其与该基础衬底接合；可移动部，其具有固定至该固定部的固定端，并沿着该基础衬底延伸；以及压电驱动部，其设置在该可移动部和固定部远离该基础衬底的一侧上，并具有由第一电极膜、第二电极膜以及位于该第一和第二电极膜之间的压电膜构成的层叠结构，该第一电极膜与该可移动部和固定部接触。所述微移动器件的制造方法包括：在该第一层上形成压电驱动部的步骤；沟槽形成步骤，在该步骤中，通过使用第一掩模图案蚀刻该第一层直到到达该第一层厚度方向的一半，而在该第一层中形成该沟槽，并使得该沟槽沿着该压电驱动部延伸；保护膜形成步骤，在该步骤中，形成抗蚀刻剂保护膜以覆盖该压电驱动部和沟槽，其中该保护膜的一部分延伸到该沟槽中；形成该可移动部和固定部的步骤，在该步骤中，通过使用第二掩模图案蚀刻该第一层直到露出该中间层而形成该可移动部和固定部；以及通过湿蚀刻去除该可移动部与第二层之间的中间层的材料的步骤。
在根据本方法的湿蚀刻步骤中，如果蚀刻剂偶然进入可移动部与抗蚀刻剂保护膜之间的接合面，蚀刻剂也不能穿过沟槽，除非蚀刻剂已通过了包括沿着沟槽内表面的非直线路径以及沿着抗蚀刻剂保护膜(其落入沟槽中)表面的非直线路径的所有路径。因此，在根据本方法的蚀刻步骤中，沟槽和抗蚀刻剂保护膜构成了用以使进入可移动部与抗蚀刻剂保护膜之间的接合面以接近或到达压电驱动部的蚀刻剂减速的结构，其中沟槽沿着压电驱动部形成并被抗蚀刻剂保护膜覆盖，抗蚀刻剂保护膜的一部分落入并覆盖沟槽。如上所述，本方法包括湿蚀刻步骤，其适用于在进行蚀刻的同时为压电驱动部(保护对象)提供充分的保护。
优选地，在沟槽形成步骤中，在第一层中形成沿着压电驱动部延伸的多个沟槽。在保护膜形成步骤中形成的抗蚀刻剂保护膜覆盖压电驱动部和沟槽，并且保护膜的一部分延伸到每个沟槽中。上述设置适于使进入可移动部与抗蚀刻剂保护膜之间的接合面以接近或到达压电驱动部的蚀刻剂减速。
优选地，所述一个沟槽或者多个沟槽围绕第一层中与压电驱动部接触的区域。上述这种设置适于保护压电驱动部免受进入可移动部与抗蚀刻剂保护膜之间接合面的蚀刻剂的侵蚀。
优选地，所述一个沟槽或者多个沟槽包括拐角，在该拐角处所述一个沟槽或者多个沟槽通过弯曲而改变方向。该拐角的内角大于90度。如果沟槽具有这种拐角，则与内角小于90度的其他拐角(在拐角处沟槽通过更尖锐的弯曲而改变其方向)相比，这些拐角具有更好的使蚀刻剂在横断移动(crosscutting travel)中减速的性能。
优选地，抗蚀刻剂保护膜以聚酰亚胺作为主要成分。以聚酰亚胺作为主要成分的抗蚀刻剂保护膜具有极好的抗热性，并且适用于抗蚀刻剂保护膜必须具有抗热性的情况。
本发明的第三方案提供一种微移动器件。该微移动器件，包括：基础衬底；固定部，其与基础衬底接合；可移动部，其具有固定至固定部的固定端，并沿着基础衬底延伸；以及压电驱动部，其设置在可移动部和固定部远离基础衬底的一侧上，并具有由第一电极膜、第二电极膜以及位于第一和第二电极膜之间的压电膜提供的层叠结构，该第一电极膜与可移动部和固定部接触。可移动部和/或固定部设置有沿着压电驱动部延伸的沟槽。该移动器件是通过根据本发明第二方案的方法制成。
根据本发明的微移动器件还包括：可移动触点，其设置在可移动部中远离基础衬底的一侧上；以及一对固定触点电极，每个固定触点电极都与固定部接合，并具有面向可移动触点的部分。该微移动器件可构成为微开关器件，以有选择地实现关闭状态和打开状态，在关闭状态下可移动部上的可移动触点电性桥接两个固定触点电极，在打开状态下可移动部与固定触点电极分离。
附图说明
图1为根据本发明的微开关器件的平面图。
图2为图1中的微开关器件的局部未示出平面图。
图3为沿着图1中的线III-III截取的剖视图。
图4为沿着图1中的线IV-IV截取的放大剖视图。
图5为沿着图1中的线V-V截取的剖视图。
图6示出图1中的微开关器件的制造方法中的几个步骤。
图7示出图6中的步骤之后的步骤。
图8示出图7中的步骤之后的步骤。
图9示出图8中的步骤之后的步骤。
图10示出图9中的步骤之后的步骤。
图11示出图10中的步骤之后的步骤。
图12示出图11中的步骤之后的步骤。
图13示出图12中的步骤之后的步骤。
图14为图1中的微开关器件的一种变形的局部未示出平面图。
图15为图1中的微开关器件的另一种变形的局部未示出平面图。
图16为图1中的微开关器件的另一种变形的局部未示出平面图。
图17为通过MEMS技术制造的传统微开关器件的局部平面图。
图18为沿着图17中的线XVIII-XVIII截取的剖视图。
图19示出在图17中的微开关器件的制造方法中的几个步骤。
图20示出图19中的步骤之后的步骤。
图21为根据在先专利申请的微开关器件的平面图。
图22为图21中的微开关器件的局部未示出平面图。
图23为沿着图21中的线XXIII-XXIII截取的剖视图。
图24为沿着图21中的线XXIV-XXIV截取的剖视图。
图25为沿着图21中的线XXV-XXV截取的剖视图。
图26示出图21中的微开关器件的制造方法中的几个步骤。
图27示出图26中的步骤之后的步骤。
图28示出图27中的步骤之后的步骤。
图29示出图28中的步骤之后的步骤。
具体实施方式
图1至图5示出微开关器件X1，其作为根据本发明的微移动器件的实施例。图1为微开关器件X1的平面图。图2为微开关器件X1的局部未示出平面图。图3和图5分别为沿着图1中的线III-III和V-V截取的剖视图。图4为沿着图1中的线IV-IV截取的放大剖视图。
微开关器件X1包括基础衬底S1、固定部11、可移动部12、可移动触点13、一对固定触点电极14(图2中未示出)以及压电驱动部15。
如图3至图5所示，固定部11通过界面层11’与基础衬底S1接合。固定部11由诸如单晶硅等硅材料制成。用于固定部11的硅材料优选为N型，并具有不小于1000Ω.cm的电阻率。界面层11’由例如氧化硅制成。
例如，如图2所示，可移动部12具有固定在固定部11上的固定端12a，并且如图5所示沿着基础衬底S1延伸，以及经由狭缝16而被固定部11围绕。可移动部12具有体部12A和头部12B。可移动部12的厚度在图3和图4中由T1表示，其大小为例如不小于5μm。体部12A的长度在图2中由L1表示，其大小为例如400μm，而长度L2的大小为例如30μm。头部12B的长度在图2中由L3表示，其大小为例如100μm，而长度L4的大小为例如30μm。狭缝16的宽度为例如2μm。可移动部12由例如单晶硅制成。如果可移动部12由单晶硅制成，则在可移动部12中不会很容易产生不需要的内部应力。在传统MEMS开关中，有时通过薄膜形成技术制造可移动部。在这种情况下，在可移动部中容易产生内部应力，并且此内部应力经常会引起可移动部的不适当变形的问题。可移动部的不适当变形是不期望发生的，这是因为其会导致MEMS开关的特性恶化。
如图2清楚所示，可移动触点13设置在可移动部12的头部12B上。如图3和图5所示，每个固定触点电极14设立在固定部11上，并具有面向可移动触点13的接触区14a。固定触点电极14的厚度T2为例如不小于5μm。每个固定触点电极14通过预定的布线(未示出)与开关器件所应用的预定电路连接。优选地，采用从Au、Pt、Pd以及Ru构成的集合中选择的一种贵金属，或者含有该选择的贵金属的合金来制成可移动触点13和固定触点电极14。
压电驱动部15包括电极膜15a、15b以及二者之间的压电膜15c，并设置在可移动部12和固定部11上。每个电极膜15a、15b具有例如由Ti底层和Pt主层构成的层叠结构。电极膜15b经过预定的布线(未示出)接地。压电膜15c由压电材料制成，该压电材料是可通过以下特性(逆压电效应)加以区分的材料：即在施加电场时材料变形。这种压电材料的实例包括PZT(PbZrO3和PbTiO3的固溶体)、掺杂有Mn的ZnO、ZnO以及AlN。电极膜15a、15b的厚度为例如0.55μm，压电膜15c的厚度为例如1.5μm。
如图1、图2、图4和图5所示，固定部11和可移动部12设置有沟槽17。为了简化图示，图1、图2和图5以粗线示出沟槽17。沟槽17沿着压电驱动部15延伸，并具有直角拐角17a。沟槽17的深度例如为3至15μm，假定该值小于固定部11和可移动部12的厚度。沟槽17的宽度为例如1至5μm。
在具有上述结构的微开关器件X1中，当将预定的正电势施加于电极膜15a时，在电极膜15a与电极膜15b之间产生电场，并且在压电膜15c中沿其平面方向产生收缩力。在远离由可移动部12直接支撑的电极膜15a的位置，压电材料沿压电膜15c平面方向的收缩较大，即在靠近电极膜15b的位置有较大的收缩。因此，在压电膜15c中，由于上述收缩力产生的平面内收缩量从靠近电极膜15a一侧向靠近电极膜15b一侧逐渐增加，从而使可移动部12弹性变形，进而使可移动触点13与固定触点电极14或者接触区14a接触。这使微开关器件X1变为关闭状态。在关闭状态下，可移动触点13桥接所述一对固定触点电极14，从而允许电流经过这一对固定触点电极14。以这种方式，可以实现例如高频信号的ON状态。
现在，微开关器件X1处于关闭状态，当通过停止对压电驱动部15施加电势而停止电极膜15a与电极膜15b之间的电场时，压电膜15c和可移动部12返回到其自然状态，从而使可移动触点13离开固定触点电极14。因此，微开关器件X1变为打开状态。在打开状态下，固定触点电极14相互之间没有电性连接，因此电流不能经过所述一对固定触点电极14。以这种方式，可以实现例如高频信号的OFF状态。
图6至图13示出微开关器件X1的制造方法。图6至图13示出沿图1中的线III-III截取的部分剖面的变化，以及沿图1中的线IV-IV截取的部分剖面的变化。在微开关器件X1的制造中，首先，制备如图6(a)所示的衬底20。衬底20为SOI(绝缘体上覆硅)衬底，其具有由第一层21、第二层22以及第一层21与第二层22之间的中间层23构成的层叠结构。在本实施例中，第一层21的厚度为例如10μm，第二层22的厚度为例如400μm，以及中间层23的厚度为例如2μm。第一层21由例如单晶硅制成，由第一层21形成上述的固定部11和可移动部12。第二层22由例如单晶硅制成，由第二层22形成衬底S1。在本实施例中，中间层23由绝缘材料制成。这种绝缘材料的实例包括氧化硅和氮化硅。
然后，如图6(b)所示，在衬底20的第一层21上形成压电驱动部15。在形成压电驱动部15时，首先，在第一层21上形成第一导电膜，以形成电极膜15a。然后，在第一导电膜上形成压电材料膜，以形成压电膜15c。然后，在压电材料膜上形成第二导电膜，以形成电极膜15b。然后，通过使用预定掩模的蚀刻处理而将每层膜图案化。通过溅射法，例如通过首先形成Ti膜，然后在Ti膜上形成例如Pt膜，形成第一和第二导电膜。Ti膜的厚度为例如50nm，Pt膜的厚度为例如500nm。通过溅射法，例如通过形成预定的压电材料膜，形成压电材料膜。
然后，如图7(a)所示，在第一层21上形成可移动触点13。这可以通过例如如下方式实现：首先通过溅射在第一层21上形成Cr膜，然后在Cr膜上形成例如Au膜。Cr膜的厚度为例如50nm，Au膜的厚度为例如500nm。然后，使用光刻法在该多层导电膜上形成预定的抗蚀图案，然后通过将抗蚀图案用作掩模而对多层导电膜进行蚀刻处理。以这种方式，可以在第一层21上将可移动触点13图案化。
然后，如图7(b)所示，使用光刻法在第一层21上形成抗蚀图案31，同时覆盖压电驱动部15和可移动触点13。抗蚀图案31具有相应于沟槽17的开口31a，该沟槽17沿着压电驱动部15延伸。
然后，如图8(a)所示，形成沟槽17。具体地，通过将抗蚀图案31用作掩模而对第一层21进行各向异性蚀刻处理，直到蚀刻到第一层21厚度的一半。该蚀刻可通过DRIE(深度活性离子蚀刻)实现。在进行DRIE时，通过波希(Bosch)处理可实现良好的各向异性蚀刻，在波希处理中蚀刻和侧壁保护相互交替进行。
然后，去除抗蚀图案31，接着，如图8(b)所示，形成保护膜32，其覆盖压电驱动部15和沟槽17，并填塞沟槽17。具体地，在衬底20形成有第一层21的一侧上形成光敏聚酰亚胺膜，然后通过光刻法将光敏聚酰亚胺图案化，由此形成保护膜32。保护膜32的厚度为例如2μm。压电驱动部15(尤其是压电膜15c)易于被湿蚀刻处理中采用的蚀刻剂侵蚀，该湿蚀刻处理用以去除下文将描述的牺牲层34和部分中间层23。保护膜32用以提供对这些压电驱动部15或者压电膜15c的保护，并且保护膜32可以抵制蚀刻剂的侵蚀。
然后，如图9(a)所示，通过光刻法在第一层21上形成抗蚀图案33。抗蚀图案33具有相应于上文描述的狭缝16的开口33a。
然后，如图9(b)所示，形成狭缝16。具体地，通过将抗蚀图案33用作掩模而对第一层21进行各向异性蚀刻处理，直到到达中间层23。该蚀刻可通过DRIE(深度活性离子蚀刻)实现。在此步骤中，蚀刻第一层21是为了形成固定部11和可移动部12。
然后，去除抗蚀图案33，接着，如图10(a)所示，在衬底20形成有第一层21的表面上形成牺牲层34，以填塞狭缝16。牺牲层34的厚度为例如4μm。牺牲层的材料实例为氧化硅。牺牲层34的形成方法实例为等离子体CVD法。如果使用等离子体CVD法，则衬底20被加热至例如200至300℃。根据本实施例用于形成保护膜32的光敏聚酰亚胺具有一定程度的耐热性，其不会在这种程度的高温下退化。此外，注意在此步骤中，牺牲层的材料沉积在狭缝16的部分侧壁上，因此狭缝16被填塞。
然后，如图10(b)所示，在牺牲层34中相应于可移动触点13的位置形成两个凹槽34a。具体地，使用光刻法在牺牲层34上形成预定的抗蚀图案，然后通过将抗蚀图案用作掩模而对牺牲层34进行蚀刻处理。该蚀刻可通过湿蚀刻实现。每个凹槽34a用于形成固定触点电极14的接触区14a，其深度为例如3μm。
然后，如图11(a)所示，将牺牲层34图案化，以形成开口区34b。具体地，使用光刻法在牺牲层34上形成预定的抗蚀图案，然后通过将抗蚀图案用作掩模而对牺牲层34进行蚀刻处理。该蚀刻可通过湿蚀刻实现。开口区34b为固定部11与固定触点电极14接合的区域。
然后，在图11(a)所示的目标结构中，在设置有牺牲层34的表面上形成用作导电路径的底涂膜(未示出)，然后如图11(b)所示，形成抗蚀图案35。通过溅射法，例如通过首先形成50nm厚的Cr膜，然后在Cr膜上形成500nm厚的Au膜，可形成底涂膜。抗蚀图案35具有相应于一对固定触点电极14的开口区35a。
然后，如图12(a)所示，形成一对固定触点电极14。具体地，使用电镀法在开口区35a上暴露的底涂膜上生长例如Au膜。
然后，如图12(b)所示，通过蚀刻去除抗蚀图案35。然后，通过蚀刻去除底涂膜的暴露部分。这些蚀刻处理可通过分别使用预定蚀刻剂的湿蚀刻实现。
然后，如图13(a)所示，去除牺牲层34和部分中间层23。具体地，对牺牲层34和中间层23进行湿蚀刻处理。可利用含缓冲剂的氢氟酸(BHF)提供蚀刻剂。在该蚀刻处理中，首先去除牺牲层34，然后从狭缝16暴露的位置去除部分中间层23。当在整个可移动部20与第二层22之间形成适当的空隙时停止蚀刻处理。图13(a)示出利用蚀刻剂形成的空隙G，蚀刻剂沿着固定触点电极14从狭缝66进入并对中间层23进行蚀刻。以这种方式，可以蚀刻中间层23而留下界面层11’。注意第二层22将构成基础衬底S1。
然后，根据需要进行湿蚀刻处理，以去除残留在固定触点电极14下表面上的部分底涂膜(例如Cr膜)，然后通过超临界干燥法将整个器件干燥。之后，如图13(b)所示，去除保护膜32。例如，通过将O2气体用作蚀刻气体的RIE进行上述去除处理。
按照上述步骤，可以制造微开关器件X1。根据上述方法，如参照图12(a)所述，通过电镀法可在牺牲层34上形成较厚的固定触点电极14，该固定触点电极14具有面向可移动触点13的接触区14a。因此，能够确保固定触点电极14具有足够的厚度。上述的微开关器件X1适于降低关闭状态下的插入损耗。
根据微开关器件X1，固定触点电极14的接触区14a下表面(即与可移动触点13接触的表面)不是电镀金属层生长的界面，从而非常平坦。因此，能够以高空间精度在可移动触点13与接触区14a之间形成空气空隙。具有高空间精度的空隙适于降低关闭状态下的插入损耗，并适于提高打开状态下的隔离特性。
根据以上参照图13(a)所述的步骤，即使蚀刻剂偶然进入可移动部12与保护膜32之间的接合面，蚀刻剂也不能穿过沟槽17，除非蚀刻剂已通过了包括沿着沟槽17内表面的非直线路径以及沿着保护膜32(其落入沟槽17中)表面的非直线路径的所有路径。因此，在以上参照图13(a)所述的步骤中，沟槽17和保护膜32构成了用以使进入可移动部12与保护膜32之间的接合面以接近或到达压电驱动部15的蚀刻剂减速的结构，其中沟槽17沿着压电驱动部15形成并被保护膜32覆盖，保护膜32的一部分落入并覆盖沟槽17。因此，通过上述方法，能够在进行参照图13(a)所述的蚀刻处理的同时为压电驱动部15提供充分的保护，从而能够正确地制造微开关器件X1。
在微开关器件X1中，沟槽17可被如图14所示的双沟槽18A、如图15所示的沟槽18B或者如图16所示的沟槽18C代替。注意，为了简化图示，图14至图16以粗实线示出各个沟槽18A、18B以及18C。
图14中的双沟槽18A沿着压电驱动部15相互平行地延伸。如果用沟槽18A代替沟槽17，则上文参照图7(b)描述的步骤可以略微不同的方式进行：具体地，代替抗蚀图案31，形成不同的抗蚀图案，该抗蚀图案具有相应于双沟槽18A的开口。在上文参照图8(a)所述的步骤中，在对第一层21进行各向异性蚀刻处理(其中，蚀刻第一层21至其厚度的一半)时，将此抗蚀图案用作掩模。在上文参照图8(b)所述的步骤中，形成保护膜32以覆盖压电驱动部15和双沟槽18A。与由被保护膜32覆盖的沟槽17和部分落入并覆盖沟槽17的保护膜32构成的结构相比，由被保护膜32覆盖的双沟槽18A和部分落入并覆盖每个沟槽18A的保护膜32构成的结构具有更好的使蚀刻剂减速的性能，其中该蚀刻剂进入可移动部12与保护膜32之间的接合面以接近或到达压电驱动部15。
图15中的沟槽18B具有拐角18b，其内角(面向压电驱动部15的角度)大于90°。如果用沟槽18B代替沟槽17，则上文参照图7(b)描述的步骤以略微不同的方式进行：具体地，代替抗蚀图案31，形成不同的抗蚀图案，该抗蚀图案具有相应于沟槽18B的开口。在上文参照图8(a)所述的步骤中，在对第一层21进行各向异性蚀刻处理(其中，蚀刻第一层21至其厚度的一半)时，将该抗蚀图案用作掩模。在上文参照图8(b)所述的步骤中，形成保护膜32以覆盖压电驱动部15和沟槽18B。已经确定在上文参照图13(a)所述的步骤中，与90°角的拐角相比，内角大于90°的拐角18b具有更好的使蚀刻剂在横断移动中减速的性能。
图16中的沟槽18C具有拐角18c，在拐角18c处沟槽通过弯曲而改变其延伸方向。如果用沟槽18C代替沟槽17，则上文参照图7(b)描述的步骤以略微不同的方式进行：具体地，代替抗蚀图案31，形成不同的抗蚀图案，该抗蚀图案具有相应于沟槽18C的开口。在上文参照图8(a)所述的步骤中，在对第一层21进行各向异性蚀刻处理(其中，蚀刻第一层21至其厚度的一半)时，将该抗蚀图案用作掩模。在上文参照图8(b)所述的步骤中，形成保护膜32以覆盖压电驱动部15和沟槽18C。已经确定在上文参照图13(a)所述的步骤中，与内角为90°的沟槽17中的拐角相比，沟槽通过弯曲而改变其延伸方向的拐角18c具有更好的使蚀刻剂在横断移动中减速的性能。

Claims (9)

1.一种湿蚀刻方法，包括以下步骤：
在目标结构中形成沿着保护对象延伸的沟槽；
在该目标结构上形成覆盖该保护对象和沟槽的抗蚀刻剂保护膜，其中该保护膜的一部分延伸到该沟槽中；以及
使用蚀刻剂对该目标结构进行蚀刻。
2.一种微移动器件的制造方法，该微移动器件由具有层叠结构的材料衬底制成，该层叠结构包括第一层、第二层以及位于该第一层和第二层之间的中间层，该微移动器件包括：基础衬底；固定部，其与该基础衬底接合；可移动部，其具有固定至该固定部的固定端，并沿着该基础衬底延伸；以及压电驱动部，其设置在该可移动部和固定部远离该基础衬底的一侧上，并具有由第一电极膜、第二电极膜以及位于该第一和第二电极膜之间的压电膜构成的层叠结构，该第一电极膜与该可移动部和固定部接触；所述微移动器件的制造方法包括：
在该第一层上形成压电驱动部；
通过使用第一掩模图案蚀刻该第一层直到到达该第一层厚度方向的一半，而在该第一层中形成该沟槽，并使得该沟槽沿着该压电驱动部延伸；
形成抗蚀刻剂保护膜以覆盖该压电驱动部和沟槽，其中该保护膜的一部分延伸到该沟槽中；
通过使用第二掩模图案蚀刻该第一层直到露出该中间层，而形成该可移动部和固定部；以及
通过湿蚀刻去除该可移动部与第二层之间的中间层的材料。
3.如权利要求2所述的微移动器件的制造方法，其中在沟槽形成步骤中，在所述第一层中形成沿着所述压电驱动部延伸的多个沟槽，并且在保护膜形成步骤中形成的抗蚀刻剂保护膜覆盖所述压电驱动部和沟槽，其中所述保护膜的一部分伸到每个沟槽中。
4.如权利要求2所述的微移动器件的制造方法，其中所述一个沟槽或者多个沟槽围绕所述第一层中与压电驱动部接触的区域。
5.如权利要求2所述的微移动器件的制造方法，其中所述一个沟槽或者多个沟槽包括内角大于90度的拐角，在该拐角处所述沟槽通过弯曲而改变方向。
6.如权利要求2所述的微移动器件的制造方法，其中所述一个沟槽或者多个沟槽包括拐角，在该拐角处沟槽通过弯曲而改变方向。
7.如权利要求2所述的微移动器件的制造方法，其中抗蚀刻剂保护膜以聚酰亚胺作为主要成分。
8.一种微移动器件，包括：
基础衬底；
固定部，其与该基础衬底接合；
可移动部，其具有固定至该固定部的固定端，并沿着该基础衬底延伸；以及
压电驱动部，其设置在该可移动部和固定部远离该基础衬底的一侧上，并具有由第一电极膜、第二电极膜以及位于该第一和第二电极膜之间的压电膜构成的层叠结构，其中该第一电极膜与该可移动部和固定部接触；
其中，该可移动部和固定部中的至少一个设置有沿着该压电驱动部延伸的沟槽。
9.如权利要求8所述的微移动器件，还包括：
可移动触点，其设置在所述可移动部远离所述基础衬底的一侧上；以及
一对固定触点电极，每个固定触点电极都与所述固定部接合，并具有面向所述可移动触点的部分。
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