CN1971797B - 射频微机电系统开关及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种RF MEMS开关及其制造方法，其中RF MEMS器件利用压电效应在低电压下向下驱动。该RF MEMS开关包括提供有RF信号线和凹腔的衬底、位于凹腔上且一端固定到所述衬底的悬臂、及当所述悬臂向下驱动时接触所述RF信号线而使所述RF信号线与所述悬臂连接的接触焊盘。

Description

射频微机电系统开关及其制造方法
技术领域
本发明涉及射频微机电系统(RF MEMS)开关。更特别地，本发明涉及其中RF MEMS器件在低电压向下弯曲的RF MEMS开关及其制造方法。
背景技术
通常，RF MEMS开关用于各种领域。例如，RF MEMS器件在移动产品中用作带(band)选择器、多功能开关、或相移器。
已经开发了各种RF MEMS开关。RF MEMS开关的例子包括基于静电现象的静电RF MEMS开关以及基于压电效应的压电RF MEMS开关。图1和2分别示出了这些RF MEMS开关。
图1是示出静电RF MEMS开关的前剖视图。参照图1，静电RF MEMS开关10包括提供有RF信号线12a、锚部(anchor)13和驱动线14的衬底1，固定到锚部13与RF信号线12a间隔1μm的悬臂11，以及形成在悬臂11末端从而根据悬臂11的驱动与RF信号线12a接触来接通/断开的接触焊盘12。如果外部电压通过驱动线14施加到RF MEMS开关10，在驱动线14和悬臂11之间产生静电力，使得悬臂11被向下驱动从而允许接触焊盘12与RF信号线12a接触地传送RF信号。然而，静电RF MEMS开关10具有3V或更高的高驱动电压和大体积。因此，总的趋势是用图2所示的压电RF MEMS开关取代静电RF MEMS器件。
图2是示出压电RF MEMS开关的平面图。参照图2，示出了向上驱动的锆钛酸铅(PZT，Pb(Zr，Ti)O3)RF MEMS开关20。压电RF MEMS开关20包括镀有RF输入信号线22a和RF输出信号线22b的衬底1、及支承位于RF信号线22a和22b下并与RF信号线22a和22b间隔开的接触焊盘22的多个悬臂21a至21d。悬臂21a至21d包括上电极层、压电层、下电极层和膜(membrane)。如果DC电压通过驱动线24a和24b施加到悬臂21a至21d的电极层，悬臂21a至21d在凹腔(cavity)23a中向上弯曲。于是，形成在悬臂21a至21d的末端的接触焊盘22接触RF信号线22a和22b，使得RF信号线22a和22b彼此连接从而传送RF信号。压电RF MEMS开关20可以以低于3V的电压驱动，当悬臂具有100μm的长度时产生约1.8μm的位移，且具有很少的功耗。
然而，制造上述压电RF MEMS开关20存在一些困难。特别地，压电RF MEMS开关20的制造工艺不简单。在压电RF MEMS开关20中，悬臂的压电层或膜在高温下制造。为此，压电层或膜应在包括RF信号线的共面波导(coplanar waveguide，CPW)线之前形成。如果CPW形成在衬底上并且压电薄膜材料制造在CPW线上，则在高温发生金属扩散或形成硅化物。因此，在压电RF MEMS开关中，如图2所示，悬臂21a至21d向上弯曲，且单独的晶片或衬底1准备在悬臂21a至21d上从而形成CPW线。在此情况中，衬底的后(底)表面被过蚀刻。在图2所示的压电RF MEMS开关20中，RF信号线22a和22b通过镀形成在衬底1的上表面上之后，衬底1的相反表面被充分蚀刻从而形成悬臂21a至21d。
为了解决制造压电RF MEMS开关中的困难，韩国特开专利Nos.2005-86629和2005-0076149公开了一种压电RF MEMS开关，其中悬臂形成在凹腔上从而它们能够向下驱动。然而，该压电RF MEMS开关分别需要提供有悬臂的衬底和提供有RF信号线的衬底。在这方面，如果在压电RFMEMS开关中CPW线和悬臂设置在一个衬底上，则能够提供压电RF MEMS开关的简单制造工艺。在此情况下，容易形成CPW线，并且RF MEMS开关的开关操作将精确地进行。
发明内容
因此，本发明针对RF MEMS开关及其制造方法，解决了现有技术的问题和缺点。
本发明的目的是提供一种以低电压驱动而没有功耗的RF MEMS开关。
本发明的另一目的是提供一种用于制造在低电压下驱动而没有功耗的RF MEMS器件的方法。
为实现这些方面且根据本发明的目的，一种RF MEMS开关包括：衬底，设置有RF信号线和凹腔；悬臂，定位在所述凹腔上并且一端固定到所述衬底；及接触焊盘，当所述悬臂向下驱动时接触所述RF信号线而使所述RF信号线与所述悬臂连接。
所述衬底提供有CPW线。
所述RF信号线包括RF输入信号线和RF输出信号线。在一示例性实施例中，RF信号线形成为低于所述接触焊盘。
所述凹腔位于所述RF输入信号线和所述RF输出信号线之间。然而，在根据本发明另一示例性实施例的RF MEMS开关中，RF信号线可设置在凹腔的前面。
所述悬臂可包括一个梁或一对梁。在一示例性实施例中，所述悬臂从下方向以预定顺序设置有下电极、压电层、上电极和膜。该上电极和下电极分别与它们的驱动线连接。所述膜形成为开放所述下电极。
所述接触焊盘形成在所述悬臂的上端。在根据本发明另一示例性实施例的RF MEMS开关中，该接触焊盘可沿着所述悬臂的纵向突出。
在一示例性实施例中，RF MEMS开关还包括形成在所述衬底表面上的钝化层。
在本发明的另一方面，一种用于制造RF MEMS开关的方法包括：在衬底中形成凹腔；在所述凹腔上制造悬臂；在提供有所述凹腔的所述衬底中形成RF信号线；及在所述悬臂中形成接触焊盘。
形成所述凹腔的步骤包括蚀刻工艺。
在示例性实施例中，制造所述悬臂的步骤包括：在所述衬底上形成钝化层；在所述凹腔中形成第一牺牲层；及在所述第一牺牲层上顺序形成下电极层、压电层、上电极层和膜层并构图它们。
所述钝化层由硅氧化物或硅氮化物形成。
所述第一牺牲层由多晶硅、低温氧化物(LTO)、原硅酸四乙酯(TEOS)、用于光致抗蚀剂的聚合物、金属、和合金中的任一种形成。
所述上电极和下电极由铂(Pt)、铑(Rh)、钽(Ta)、金(Au)、钼(Mo)和AuPt中的任一种形成。
所述压电层由压电材料例如PZT、钛酸钡、铟锡氧化物(ITO)、氧化锌、和氮化铝(AlN)形成。
所述膜层由硅氮化物、AlN、多晶硅氧化物、TEOS、Mo、Ta、Pt和Rh中的一种形成
所述RF信号线由导电金属例如Au、Rh、钛(Ti)、Ta、Pt和金/镍合金(AuNix)形成。在一示例性实施例中，该RF信号线由Au形成。
在一示例性实施例中，形成所述接触焊盘的步骤包括：在提供有所述RF信号线的所述衬底上沉积第二牺牲层并构图所述第二牺牲层；在所述构图的牺牲层上在所述悬臂中形成所述接触焊盘；以及去除所述第一和第二牺牲层。
在用于制造根据本发明的RF MEMS开关的方法中，所述RF信号线和所述接触焊盘之间的间隙通过所述第二牺牲层的厚度来控制。
所述第二牺牲层由多晶硅、LTO、TEOS、用于光致抗蚀剂的聚合物、金属、和合金中的任一种形成。
附图说明
通过参照附图描述其特定示例性实施例，本发明的上述方面和其它特征将变得更加明显，附图中：
图1是示出静电RF MEMS开关的正剖视图；
图2是示出基于PZT的向上驱动的RF MEMS的平面图；
图3是透视图，示出根据本发明第一示例性实施例向下驱动的RFMEMS开关；
图4A是图3的平面图；
图4B是沿图4A的线A-A截取的剖视图；
图4C是沿图4A的线B-B截取的剖视图；
图5至图7是平面图，示出根据本发明另一些示例性实施例的RF MEMS开关；
图8是剖视图，示出根据本发明第一示例性实施例的RF MEMS开关的操作；
图9是曲线图，示出施加到本发明示例性实施例的RF MEMS开关的电压与悬臂之间的位移关系；以及
图10A至图10L示出了用于制造根据本发明第一示例性实施例的RFMEMS开关的方法。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的示例性实施例，其示例示于附图中。在可能的情况下，附图中始终使用相同的附图标记表示相同或类似的部分。
图3是透视图，示出根据本发明第一示例性实施例向下驱动的RFMEMS开关，图4A是图3的平面图，图4B是沿图4A的线A-A截取的剖视图，图4C是沿图4A的线B-B截取的剖视图。
如图3和图4A至图4C所示，根据本发明第一示例性实施例的RF MEMS开关100包括设置有RF信号线102和凹腔103a的衬底101、位于凹腔103a上且一端固定到衬底101的悬臂110、以及接触焊盘111，当悬臂110向下驱动时，接触焊盘111与RF信号线102接触来使RF信号线102与悬臂110连接。
衬底101可在上表面设置有CPW线，包括RF信号线102以及DC驱动线107a和107b。凹腔103a通过蚀刻工艺形成在衬底101中。在一示例性实施例中，凹腔103a位于RF输入信号线102a和RF输出信号线102b之间。然而，在根本发明其它示例性实施例的RF MEMS开关中(见图5至图7)，RF信号线102可位于凹腔103a前面。
RF信号线102可包括RF输入信号线102a和RF输出信号线102b。在一示例性实施例中，RF信号线102形成在接触焊盘111之下。在根据本发明第一示例性实施例的RF MEMS开关100中，接触焊盘111的两端111a和111b根据悬臂110的向下驱动分别接触RF输入信号线102a和RF输出信号线102b从而传送RF信号到RF信号线102。
悬臂110可包括一个梁(见图6)或一对梁。在一示例性实施例中，悬臂110从下方按预定顺序设置有下电极115、压电层112、上电极113和膜114。
上电极113和下电极115通过上端子电极104a和104b以及下端子电极106a和106b分别与驱动线107a和107b连接。
膜114沿悬臂110的纵向方向形成。膜114覆盖上电极113和压电层112，但未封住下电极115。悬臂110可通过膜114这样的结构向下驱动。
在一示例性实施例中，接触焊盘111形成在悬臂110的上端。在根本发明另一些示例性实施例的RF MEMS开关中(见图5至图7)，接触焊盘211、311和411可分别沿悬臂210、310和410的纵向方向突出。
在本发明该示例性实施例的RF MEMS开关100中，钝化层108可进一步形成在凹腔103a的表面上。
图5至图7是平面图，示出根据本发明另一些示例性实施例的RF MEMS开关。示于图5至图7的RF MEMS开关与第一示例性实施例的RF MEMS开关100不同在于接触焊盘或悬臂。为了理解，由于将在附图中始终使用相同的附图标记来表示相同或类似部分，因此将省略它们的重复说明。
与根据本发明第一示例性实施例的RF MEMS开关100不同，图5所示的根据本发明第二示例性实施例的RF MEMS开关200具有这样的结构，即接触焊盘211比凹腔203a更突出。在如上构造的RF MEMS开关200中，由于RF信号线202a和202b与接触焊盘211的接触距离长，可以利用悬臂210的最大位移。因此，RF MEMS开关200可具有RF特性所需的优异隔离性能。
与根据本发明第一示例性实施例的RF MEMS开关100不同，图6所示的根据本发明第三示例性实施例的RF MEMS开关300设置有具有一个梁的悬臂310。因此，根据本发明第三示例性实施例的RF MEMS开关300可容易地制造并由于小尺寸而具有小的封装面积。
与根据本发明第一示例性实施例的RF MEMS开关100不同，图7所示的根据本发明第四示例性实施例的RF MEMS开关400具有这样的结构，即悬臂410的梁之间的距离较宽，因而接触焊盘411具有大尺寸。在如上构造的RF MEMS开关400中，由于RF信号线402a和402b与接触焊盘411稳定接触，RF信号传输中的可靠性高。
将参照附图描述根据本发明第一示例性实施例的RF MEMS开关100的操作。
图8示出了根据本发明第一示例性实施例的RF MEMS开关100的操作。如果DC电压通过驱动线107a和107b(见图3)施加到RF MEMS开关100，如图4B所示，DC电压分别通过与驱动线107a和107b(见图3)连接的上和下端子电极104a、104b、106a、106b施加到上和下电极113和115。同时，极化发生在悬臂110的压电层112中，并且向悬臂110施加力。由于膜114位于悬臂110上，悬臂110在凹腔103a中被向下驱动，如图8所示。换言之，电压施加到构成膜114的压电薄膜材料时，悬臂110中产生偶极矩，由此悬臂110向下弯曲。位于悬臂110中的接触焊盘111的两端111a和111b通过悬臂110的开关接触形成在衬底101中的RF信号线102a和102b，于是RF信号通过衬底101。
图9是曲线图，示出施加到RF MEMS开关100的电压与悬臂110之间的位移关系。如图9所示，注意到RF MEMS器件100中悬臂110根据DC电压被良好驱动。例如，由于在3V至5V的电压获得1.5μm至2.0μm的位移，所以RF MEMS器件100能够在低电压被稳定操作。
下面将参照附图说明用于制造根据本发明示例性实施例的RF MEMS开关的方法。
图10A至图10L示出了用于制造根据本发明示例性实施例的RF MEMS开关100的方法。
用于制造根据本发明第一示例性实施例的压电RF MEMS器件100的方法与用于制造根据本发明第二示例性实施例至第四示例性实施例的RFMEMS开关没有不同。因此，用于制造根据第二示例性实施例至第四示例性实施例的RF MEMS开关的方法的重复说明将不再描述。
为了制造根据本发明第一示例性实施例的RF MEMS开关100，准备具有凹腔103a的衬底101(图10A)。衬底101的凹腔103a可通过普通蚀刻工艺形成。诸如高电阻硅晶片或高纯度硅晶片的硅晶片，诸如熔融石英的玻璃基晶片，或石英晶片可用作衬底101。
然后，悬臂110形成在提供有凹腔103a的衬底101中(图10A至10F)。
为了制造悬臂110，钝化层108通过常见沉积工艺形成在包括蚀刻凹腔103a的衬底101的表面上且然后构图(图10B)。硅氧化物例如SiO2或硅氮化物例如Si3N4可用作钝化层108。
接着，第一牺牲层103形成在凹腔103a中且然后通过化学机械抛光(CMP)工艺被构图(图10C)。第一牺牲层103可由多晶硅、LTO、TEOS、用于光致抗蚀剂的聚合物、金属、或合金形成。
下电极层115、压电层112、上电极层113和膜层114顺序沉积在第一牺牲层103上且然后被顺序构图(图10D至10F)。在此情况中，悬臂110个根据构图由一个或两个或更多梁构成。
上电极113和下电极115可由Pt、Rh、Ta、Au、Mo或AuPt形成。在示例性实施例中，上电极113和下电极115可由Pt形成。由于Pt具有高熔点，如果Pt用作上电极113或下电极115，则当压电层被烧结时不产生扩散或硅化物。
压电层112可由压电材料例如PZT、钛酸钡、ITO、氧化锌、和氮化铝形成。在一示例性实施例中，压电层112可由PZT形成。
膜层114可由硅氮化物、铝氮化物、多晶硅氧化物、TEOS、Mo、Ta、Pt、或Rh形成。
下一步，RF信号线102a和102b形成在提供有凹腔103a的衬底101中(图10G)。RF信号线102通常由Au形成，但也可由Rh、Ti、Ta、Pt、或AuNix形成。
RF信号线102由金属形成，同时用于悬臂110的压电材料由陶瓷形成。因此，CPW线例如RF信号线102应当在悬臂110形成之前形成在衬底101中。由于压电薄膜材料的压电层112或膜层114在高温下制造，因此现有技术中不能在悬臂110之下形成RF信号线。即，由于利用驱动机构驱动压电材料的RF MEMS开关被向上驱动，所以CPW线应该形成在悬臂之上。
然而，在本发明的示例性实施例中，CPW线例如RF信号线102或驱动线107可形成为低于悬臂110。特别地，由于信号线在形成膜层114之后形成，所以压电薄膜材料可以通过上述工艺顺序烧结。因此，能够获得压电材料的优化机械位移。另外，可以通过最小电压产生最大位移。而且，在本发明的示例性实施例中，由于悬臂110和RF信号线102在一个衬底101中形成，不需要单独的上衬底。替代地，不同的CPW线在本发明的示例性实施例中形成在一个衬底中。这意味着RF MEMS开关可稳定而简单地制造。
然后，接触焊盘111形成在悬臂110的上端(图10H至10J)。
为了形成接触焊盘111，第二牺牲层105沉积在提供有RF信号线102的第一衬底101上(图10H)。在该情况下，RF信号线102和接触焊盘111之间的间隙可通过第二牺牲层105的厚度来控制。第二牺牲层105可由多晶硅、LTO、TEOS、用于光致抗蚀剂的聚合物、金属、或合金形成。第二牺牲层105被构图从而暴露悬臂110之后(图10I)，接触焊盘111形成在悬臂110的上端(图10J)。然后，第二牺牲层105和第一牺牲层103从衬底101被顺序移除(图10K和图10L)。第一和第二牺牲层103和105分别从其去除的RF MEMS开关的悬臂110具有浮置结构。因此，如果DC电压从驱动线107a和107b施加到悬臂110，悬臂110向下弯曲从而使接触焊盘111接触RF信号线102，从而RF信号能够传输。
如上所述，在本发明示例性实施例的压电RF MEMS开关中，CPW线和压电悬臂可形成在一个衬底中，并且CPW线可形成为低于压电悬臂。另外，由于RF MEMS开关具有简单结构，能够实现部件的小型化。
此外，本发明示例性实施例的RF MEMS开关可在低驱动电压下稳定操作而没有功耗。另外，该RF MEMS开关可按照根据本发明示例性实施例的制造方法来稳定制造。
上述实施例只是示例性的而不应该解释成限制本发明。本教导可容易地应用于其它类型的装置。另外，本发明示例性实施例的描述是说明性的而不是限制权利要求的范围，且很多替代、修改和变型对本领域技术人员将是明显的。

Claims (25)

1.一种射频微机电系统(RF MEMS)开关，包括：
衬底，包括RF信号线和凹腔；
悬臂，位于所述凹腔上且一端固定到所述衬底；及
接触焊盘，当所述悬臂被向下驱动时接触所述RF信号线而使所述RF信号线与所述悬臂连接。
2.如权利要求1所述的RF MEMS开关，其中所述衬底包括共面波导(CPW)线。
3.如权利要求1所述的RF MEMS开关，其中所述RF信号线包括RF输入信号线和RF输出信号线。
4.如权利要求1所述的RF MEMS开关，其中所述RF信号线形成为位于比所述接触焊盘低的位置。
5.如权利要求3所述的RF MEMS开关，其中所述凹腔位于所述RF输入信号线和所述RF输出信号线之间。
6.如权利要求1所述的RF MEMS开关，其中所述悬臂包括一个梁。
7.如权利要求1所述的RF MEMS开关，其中所述悬臂包括一对梁。
8.如权利要求1所述的RF MEMS开关，其中所述悬臂从下方向依次包括下电极、压电层、上电极和膜。
9.如权利要求8所述的RF MEMS开关，其中所述上电极和下电极分别与驱动线连接。
10.如权利要求1所述的RF MEMS开关，其中所述接触焊盘形成在所述悬臂的上端。
11.如权利要求1所述的RF MEMS开关，其中所述接触焊盘沿所述悬臂的纵向突出。
12.如权利要求1所述的RF MEMS开关，还包括形成在所述衬底表面上的钝化层。
13.一种用于制造射频微机电系统(RF MEMS)开关的方法，包括：
在衬底中形成凹腔；
在所述凹腔上制造悬臂；
在提供有所述凹腔的所述衬底中形成RF信号线；及
在所述悬臂上形成接触焊盘。
14.如权利要求13所述的方法，其中形成所述凹腔包括蚀刻工艺。
15.如权利要求13所述的方法，其中制造所述悬臂包括：
在所述衬底上形成钝化层；
在所述凹腔中形成第一牺牲层；及
在所述第一牺牲层上顺序形成下电极层、压电层、上电极层和膜层并构图所述下电极层、所述压电层、所述上电极层和所述膜层。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述钝化层由硅氧化物或硅氮化物形成。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述第一牺牲层由多晶硅、低温氧化物(LTO)、原硅酸四乙酯(TEOS)、用于光致抗蚀剂的聚合物、金属和合金中的任一种形成。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述上电极和下电极由铂(Pt)、铑(Rh)、钽(Ta)、金(Au)、钼(Mo)和AuPt中的任一种形成。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述压电层由压电材料形成，所述压电材料是锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、铟锡氧化物(ITO)、氧化锌和氮化铝中的一种。
20.如权利要求15所述的方法，其中所述膜层由硅氮化物、铝氮化物、多晶硅氧化物、原硅酸四乙酯(TEOS)、钼(Mo)、钽(Ta)、铂(Pt)和铑(Rh)中的一种形成。
21.如权利要求13所述的方法，其中所述RF信号线由金(Au)、铑(Rh)、钛(Ti)、钽(Ta)、铂(Pt)和金/镍合金(AuNix)中的一种形成。
22.如权利要求13所述的方法，其中所述接触焊盘形成在所述悬臂的上端。
23.如权利要求15所述的方法，其中形成所述接触焊盘包括：
在提供有所述RF信号线的所述衬底上沉积第二牺牲层并构图所述第二牺牲层；
在所述构图的牺牲层上在所述悬臂上形成所述接触焊盘；及
去除所述第一和第二牺牲层。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述RF信号线和所述接触焊盘之间的间隙通过所述第二牺牲层的厚度来控制。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述第二牺牲层由多晶硅、低温氧化物(LTO)、原硅酸四乙酯(TEOS)、用于光致抗蚀剂的聚合物、金属和合金中的任一种形成。
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