CN1975956A - 压电射频微机电系统装置及其制备方法 - Google Patents

压电射频微机电系统装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种压电射频(RF)微机电系统(MEMS)装置及其制造方法，其中RF MEMS装置基于压电效应以低压向上驱动。所述压电RF MEMS装置包括：提供有RF输出信号线的上基板；设置于RF输出信号线下的压电致动器；和提供有空腔的下基板，从而压电致动器的一端固定到下基板且其另一端可移动且与上和下基板分开，其中压电致动器提供有在其上的RF输入信号线，且接触焊盘被提供以当压电致动器被向上驱动时将RF输出信号线与RF输入信号线连接。制造压电RF MEMS装置的方法包括：提供包括RF输出信号线的上基板；提供包括压电致动器的下基板，压电致动器具有对应于RF输出信号线的RF输入信号线；且组装上基板和下基板。

Description

压电射频微机电系统装置及其制备方法
技术领域
与本发明一致的设备和方法涉及压电射频(RF)微机电系统(MEMS)装置及其制造方法，更具体而言，涉及一种压电RF MEMS装置及其制造方法，其中压电致动器提供有作为低压的一点接触的RF输入信号线，且RFMEMS装置被制造为一个封装体。
背景技术
一种RF MEMS装置在各种领域中，比如在雷达、移动和通讯产品中，被用作多功能开关、继电器、电容器和移相器。RF MEMS装置的示例包括基于静电现象的静电RF MEMS装置和基于压电现象的压电RF MEMS装置。然而，静电RF MEMS装置需要3V的高驱动电压和具有大的体积。在该方面，压电RF MEMS装置被广泛使用。
图1示出了为相关技术的RF MEMS装置的一种的压电RF MEMS装置。图1A是示出压电RF MEMS开关的平面图，图1B是沿图1A的线A-A所取的剖面图，且图1C是示出压电RF MEMS开关的下基板的平面图。在韩国专利公开NO.10-2005-0076149中公开了压电RF MEMS开关1。如图1A到1C所示，压电RF MEMS开关1包括上基板10、提供有RF输入和输出线21和22的下基板20、其一端固定到上基板10且另一端与下基板20隔开的压电致动器30；和排列在压电致动器30的一端上的接触焊盘34。压电致动器30形成在上基板10下，且具有一种比如锆钛酸铅(PZT，Pb(Zr，Ti)O3)结构的压电层33夹置于上电极33和下电极32之间的结构。弹性层12形成于上基板10和上电极31之间。上基板10是半导体晶片基板，且压电致动器30的端部设置于上基板10的沟槽区13中。下基板20除了RF输入和输出线21和22以外还提供有共平面形波导(CPW)线，比如凸起23和24。
与静电RF MEMS开关不同，前述的压电RF MEMS开关1可以在低电压下驱动。而且，压电RF MEMS开关1比静电RF MEMS开关相对小，且具有比静电RF MEMS开关更快的开关速度。在压电RF MEMS开关1中，如果将外电压通过下基板20的凸起23和24施加到压电致动器30的上和下电极31和32，则在压电层33中产生力矩以向下弯曲压电致动器30，且接触焊盘34接触RF输入和输出信号线21和22以将RF信号传输到RF电路板，即下基板20。然而，在压电RF MEMS开关1中，压电致动器30的接触焊盘34在两点接触RF信号线21和22。该两点接触方式与一点接触方式相比，恶化了开关操作的稳定性。
发明内容
因此，本发明涉及一种压电RF MEMS装置及其制造方法以解决由于相关技术的限制和缺点的一个或更多的问题。
本发明的方面是提供一种压电RF MEMS装置，其中压电致动器提供有对于低电压的一点接触的RF输入信号线。
本发明的另一方面提供了一种制造压电RF MEMS装置的方法，其中压电RF MEMS装置被制造为一个封装体。
为了实现这些和其他的方面且根据本发明的目的，如这里体现和广泛描述的，压电RF MEMS装置包括：提供有RF输出信号线的上基板；设置于RF输出信号线下的压电致动器；和提供有空腔的下基板，从而压电致动器的一端固定到下基板且其另一端可移动且与上和下基板分开，其中压电致动器提供有在其上的RF输入信号线，且接触焊盘被提供以当压电致动器被向上驱动时将RF输出信号线与RF输入信号线连接。
上基板提供有至少一个电接触RF输入和输出信号线的过孔。
压电致动器包括一个梁或一对梁。优选地，但不是必须地，压电致动器从顶按下述顺序提供有RF输入信号线、第二钝化层、上电极、压电层、下电极和膜。上电极和下电极分别与其驱动线连接。
优选地，但不是必须地，空腔设置于压电致动器下。
而且，优选地，但不是必须地，接触焊盘形成于压电致动器的上端。
上基板和/或下基板可以提供有至少一条CPW线。
优选地，但不是必须地，上基板和下基板彼此接合。
压电RF MEMS装置还包括形成于下基板表面上的第一钝化层。
在本发明的另一方面，制造压电RF MEMS装置的方法包括：提供包括RF输出信号线的上基板；提供包括压电致动器的下基板，压电致动器具有对应于RF输出信号线的RF输入信号线；且将上基板和下基板组装。
提供上基板的操作包括：在第一晶片的一个表面上形成绝缘层和构图绝缘层；通过处理构图的绝缘层来形成过孔；且在提供有过孔的第一晶片的表面上形成RF输出信号线。
制备下基板的操作包括：在第二晶片中形成空腔；在提供有空腔的第二晶片上形成第一钝化层；和在空腔上方制造提供有RF输入信号线的压电致动器。
制造压电致动器的操作包括：在空腔中形成牺牲层；在牺牲层上顺序形成膜层、下电极层、压电层、上电极层、第二钝化层、RF输入信号线和接触焊盘层且将其构图；且去除牺牲层。
第一钝化层和/或第二钝化层由氧化硅或氮化硅形成。
牺牲层由多晶硅、低温氧化物(LTO)、原硅酸四乙酯(TEOS)、光致抗蚀剂的聚合物、金属和合金的任何一种形成。
膜层由氮化硅、氮化铝、多晶硅氧化物、TEOS、Mo、Ta、Pt和Rh的任何一种形成。
上电极和下电极由Pt、Rh、Ta、Au、Mo和AuPt的任何一种形成。
压电层由比如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、氧化铟锡(ITO)、氧化锌、和氮化铝的压电材料形成。
RF信号线由Rh、Ti、Ta、Pt和AuNix的任何一种形成。
组装上基板和下基板的操作包括在将上基板固定到下基板之后将上基板和下基板彼此接合。
附图说明
参考附图，通过描述本发明的特定示范性实施例，本发明的以上方面和特征将变得更加显见，在附图中：
根据本发明的示范性实施例，图1A是示出相关技术的压电RF MEMS装置的平面图，图1B是沿图1A的线A-A所取的剖面图，且图1C是示出相关技术的压电RF MEMS装置的下基板的平面图；
根据本发明的示范性实施例，图2A是示出压电RF MEMS装置的前视图，图2B是示出压电RF MEMS装置的上基板的底视图，且图2C是示出压电RF MEMS装置的下基板的平面图；
图3A到图3C是示出根据本发明的示范性实施例的制造压电RF MEMS装置的上基板的方法中的上基板的剖面图；
图4A到图4F是示出根据本发明的示范性实施例的制造压电RF MEMS装置的下基板的方法中的下基板的剖面图；
图5A到图5C是示出根据本发明的示范性实施例的压电RF MEMS装置的上基板和下基板的组装工艺的剖面图；
图6是示出了根据本发明的示范性实施例的压电RF MEMS装置的操作的剖面图；以及
图7是示出施加到根据本发明的示范性实施例的压电RF MEMS装置的电压和其压电致动器的位移关系的曲线图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的示范性实施例，其示例在附图中示出。在可能的情况下，贯穿附图，相同的附图标记指示相同或相似的元件。
图2示出了根据本发明的实施例的压电RF MEMS装置，其中图2A是示出压电RF MEMS装置的前视图，图2B是示出压电RF MEMS装置的上基板的底视图，且图2C是示出压电RF MEMS装置的下基板的平面图。
如图2A到2C所示，本发明的RF MEMS装置100包括下基板110、压电致动器130、和下基板120。RF MEMS装置100被提供为一个封装体。
上基板110在一个表面提供有RF输出信号线111，优选地但不是必须地在下表面。RF输出信号线111可以在两侧提供有地线116和118。RF输出信号线111可以通过接触焊盘111a和111b以及过孔113与上基板110的CPW线电连接。相似地，地线116和118通过接触焊盘116a和118a和过孔被外部接地。上基板110可以提供有过孔115和与下基板120的压电致动器130连接的另一接触焊盘112a。上基板110的如此的连接可以依据设计来选择性地控制。
压电致动器130设置于上基板110的RF输出信号线111下。压电致动器130具有固定到下基板120的一端和可移动地与上和下基板110和120分开的另一端。下基板120在压电致动器130下提供有空腔122。因为压电致动器130的另一端设置于空腔122上，其可以自由地移动，其状态为与上和下基板110和120分开。
下基板120提供有压电致动器130。而且，下基板120可以提供有CPW线。第一钝化层124还可以形成于下基板120的表面上。
压电致动器130可以包括一个梁和一对梁。优选地，但不是必须地，压电致动器130可以按下述顺序提供有RF输出信号线135、第二钝化层137、上电极131、压电层133、下电极132和膜134。上电极131和下电极132可以分别通过端子焊盘121和123与驱动线连接。膜134沿压电致动器130的纵向形成。因为膜134形成于下电极131下，压电致动器130可以被向上驱动。
RF输入信号线135形成于压电致动器130上。当压电致动器130被向上驱动时，RF输入信号线135通过接触焊盘136接触RF输出信号线111，从而RF输入和输出信号线111和135可以彼此电连接。在本发明的RFMEMS装置100中，因为一条RF信号线(图2C中RF输入信号线135)提供在压电致动器130上，RF输入信号线135和RF输出信号线111通过接触焊盘136形成一点接触。
上基板110和下基板120被彼此组装以形成一个封装体。优选地，但不必须地，上基板110和下基板120以这样的方式组装，从而围绕基板110和120形成的侧壁119、136a和136b彼此接合，其状态为它们彼此面对。侧壁119、136a和136b形成以当形成基板110和120的结构时到达基板110和120的外周。
其后，将参考附图描述根据本发明的示范性实施例的制造压电RFMEMS装置的方法。
图3到图5是示出根据本发明的示范性实施例的制造压电RF MEMS装置的方法的剖面图。图3A到图3C是示出上基板110的制造方法的剖面图，沿图2B的线B-B所截取。图4A到图4F是示出下基板120的制造方法的剖面图，沿图2C的线C-C所截取。图5A到图5C是上基板110和下基板120的组装工艺的剖面图，上基板110沿图2B的线B-B截取，下基板120沿图2C的线D-D截取。
根据本发明的实施例的制造压电RF MEMS装置100的方法包括：分别制备上基板110和下基板120；和组装基板110和120。在本发明的示范性实施例中，上基板110可以在制造下基板120之前或之后制造。
为了制备上基板110，如图3A到图3C所示，绝缘层114形成于第一晶片110a的一个表面上，然后将其构图为期望的设计。比如高电阻硅晶片或高纯度硅晶片的硅晶片、比如熔融硅石的玻璃基晶片、或石英晶片可以被用作下基板120以及上基板110。
通过激光处理构图的绝缘层114即绝缘层图案，以形成过孔113和115。在提供有过孔113和115的第一晶片110a的表面上镀覆或沉积导电金属。然后将导电金属构图以形成RF输出信号线111、地线116和118、和接触焊盘111a、112a、116a和118a(见图2B)。优选地，但不是必须地，当制造上基板110时，在上基板110的外周形成侧壁119。
接下来，为了制备下基板120，如图4A所示，第二晶片120a提供有空腔122。空腔122可以通过典型的蚀刻工艺形成。如图4B所示，第一钝化层124形成于提供有空腔122的第二晶片120a上。第一钝化层124可以通过典型的沉积工艺形成。比如SiO2的氧化硅或比如Si3N4的氮化硅可以被用作第一和第二钝化层124和137。
接下来，在空腔122上制造提供有RF输入信号线135的压电致动器130(图4C到4F)。压电致动器130以这样的方式制造，即在空腔122中形成牺牲层122a，在牺牲层122a上顺序形成并随后构图膜层134、下电极层132、压电层133、上电极层131、第二钝化层137、RF输入信号线135和接触焊盘层136和135a，和去除牺牲层122a。压电致动器130可以被制造具有一个梁或两个或更多的梁，依据构图各个层时的设计。
优选地，但不是必须地，牺牲层122a通过化学机械抛光(CMP)工艺去除。牺牲层122a可以由多晶硅、低温氧化物(LTO)、原硅酸四乙酯(TEOS)、光致抗蚀剂的聚合物、金属或合金形成。而且，优选地，但不是必须地，下基板120的各个层被构图以在下基板120的外周形成侧壁136a和136b，其方式与上基板110相同。
膜层134可以由氮化硅、氮化铝、多晶硅氧化物、TEOS、Mo、Ta、Pt或Rh形成。
上电极131和下电极132可以由Pt、Rh、Ta、Au、Mo或AuPt形成。优选地，但不是必须地，上电极131和下电极132可以由Pt形成。因为Pt具有高熔点，当烧结压电层时如果Pt被用作上电极131或下电极132则不发生扩散或硅化。
压电层133可以由比如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、氧化铟锡(ITO)、氧化锌、和氮化铝的压电材料形成。最优选地，但不必须地，压电层133可以由PZT形成。
RF输入信号线135、RF输出信号线111、接触焊盘层136和135、以及端子焊盘121和123由比如Rh、Ti、Ta、Pt和AuNix的导电金属形成。优选地，但不是必须地，它们由Au形成。
RF信号线111和135由导电金属形成，而压电致动器130由陶瓷形成。当在高温制造压电薄膜材料的膜层134或压电层133时，在相关技术中不可能在设置低于压电致动器130的下基板20上形成CPW线。然而，在本发明的示范性实施例中，因为压电致动器130形成于下基板120上，所以CPW线可以形成于下基板120上。特别地，因为在形成膜层134之后形成电极线，通过以上的工艺顺序可以烧结压电薄膜材料。结果，可以获得优化的压电材料的机械位移。而且，通过最小的电压可以产生最大的位移。另外，在本发明中，因为RF输入信号线135形成于压电致动器130上，RF信号线111和135在一点通过接触焊盘136彼此接触。这意味着RF MEMS装置100可以被稳定地操作。
之后，如图4F所示，如果从下基板120去除牺牲层122a，浮置了压电致动器130。
接下来，如图5A到5C所示，上基板110和下基板120被组装以彼此面对。为此，如图5A所示，上和下基板110和120彼此固定，从而上基板110的侧壁119设置对应于如上制造的下基板120的侧壁136a和136b。上和下基板110和120彼此接合以组装成一个封装体。优选地，但不是必须地，上和下基板110和120使用Au彼此键合。在如上组装之后，上基板110以这样的方式被制造，从而晶片110a被蚀刻以暴露过孔113和115，如图5B所示。接触焊盘层111b和112b形成于上基板110上以将RF MEMS装置100的上和下表面通过过孔113和115彼此连接(图5C)。
在如上制造的RF MEMS装置100中，如果将DC电压施加到端子焊盘121和123，压电致动器130被向上弯曲以允许接触焊盘136接触RF输出信号线111。于是，RF信号线111和135彼此连接以传输RF信号。
将参考附图描述根据本发明的示范性实施例的压电RF MEMS装置的操作。
图6是示出了根据本发明的示范性实施例的压电RF MEMS装置100的操作的剖面图。如果将DC电压通过端子焊盘121和123施加到RF MEMS装置100(见图2C)，DC电压被施加到压电致动器130的上和下电极131和132。同时，在压电致动器130的压电层133中产生极化，且力被施加到压电致动器130。因为膜层134设置于压电致动器130下方，压电致动器130被向上驱动，如图6所示。换言之，当电压被施加到构成膜层134的压电薄膜材料时在压电致动器130中产生偶极矩，由此压电致动器130被向上弯曲。接触焊盘136和RF信号线111和135通过压电致动器130的开关在一接触点彼此接触，且RF信号通过RF MEMS装置100传递。
图7是示出施加到根据本发明的示范性实施例的压电RF MEMS装置100的电压和压电致动器130的位移关系的曲线图。如图7所示，注意，在RF MEMS装置100中的压电致动器130依据DC电压被良好地驱动。例如，因为在本发明的示范性实施例中获得了1.5μm到2.0μm的位移，所以可以稳定地操作RF MEMS装置100。
如上所述，在本发明中，因为RF信号线形成于压电致动器上以实现一点接触，可以获得RF MEMS装置的稳定操作。而且，因为RF MEMS装置由于其简单的结构而提供为一个封装体，可以实现装置的微型化。
另外，RF MEMS装置可以在低驱动电压下稳定操作而没有功耗。
另外，RF MEMS装置可以根据本发明的前述的示范性实施例的制造方法来稳定地制造。
前述实施例和它们的方面仅是示范性的且不应解释为限制本发明。本教导可以容易地应用于其他类型的设备。而且，本发明的实施例的描述旨在为示例性的，且不限制权利要求的范围，且许多替换、改进和变化将对于本领域的技术人员是明显的。

Claims (25)

1、一种压电射频微机电系统装置，包括：
包括射频输出信号线的上基板；
设置于所述射频输出信号线下的压电致动器；和
包括空腔的下基板，从而所述压电致动器的一端固定到所述下基板且其另一端可移动且与所述上和下基板分开，
其中所述压电致动器包括射频输入信号线，和被提供以当所述压电致动器被向上驱动时将所述射频输出信号线与所述射频输入信号线连接的接触焊盘。
2、根据权利要求1所述的压电射频微机电系统装置，其中所述上基板包括至少一个电接触所述射频输入和输出信号线的过孔。
3、根据权利要求1所述的压电射频微机电系统装置，其中所述射频输出信号线形成于所述上基板的下表面上。
4、根据权利要求1所述的压电射频微机电系统装置，其中所述压电致动器包括一个梁。
5、根据权利要求1所述的压电射频微机电系统装置，其中所述压电致动器包括两个或更多的梁。
6、根据权利要求1所述的压电射频微机电系统装置，其中所述压电致动器还包括第二钝化层、电极、压电层、和膜的至少一个。
7、根据权利要求6所述的压电射频微机电系统装置，
其中所述电极包括上电极和下电极；且
其中所述射频输入信号线、所述第二钝化层、所述上电极、所述压电层、所述下电极和所述膜按照所述的顺序从顶部设置以构成所述压电致动器。
8、根据权利要求7所述的压电射频微机电系统装置，其中所述上电极和所述下电极分别与其驱动线连接。
9、根据权利要求1所述的压电射频微机电系统装置，其中所述空腔设置于所述压电致动器下。
10、根据权利要求1所述的压电射频微机电系统装置，其中所述接触焊盘形成于所述压电致动器的上端。
11、根据权利要求1所述的压电射频微机电系统装置，其中所述上基板和所述下基板的至少一个提供有至少一条共平面形波导线。
12、根据权利要求1所述的压电射频微机电系统装置，其中所述上基板和所述下基板彼此接合。
13、根据权利要求1所述的压电射频微机电系统装置，还包括形成于所述下基板表面上的第一钝化层。
14、一种制造压电射频微机电系统装置的方法，包括：
提供包括射频输出信号线的上基板；
提供包括压电致动器的下基板，所述压电致动器包括对应于所述射频输出信号线的射频输入信号线；且
将所述上基板和所述下基板组装。
15、根据权利要求14所述的方法，其中所述提供上基板的步骤包括：
在第一晶片的一个表面上形成绝缘层和构图所述绝缘层；
通过处理所述构图的绝缘层来形成过孔；且
在提供有所述过孔的第一晶片的表面上形成射频输出信号线。
16、根据权利要求14所述的方法，其中所述制备下基板的步骤包括：
在第二晶片中形成空腔；
在提供有所述空腔的第二晶片上形成第一钝化层；和
在所述空腔上方制造包括所述射频输入信号线的压电致动器。
17、根据权利要求16所述的方法，其中所述制造压电致动器的步骤包括：
在所述空腔中形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成叠层，其中所述叠层包括膜层、电极层、压电层、第二钝化层的至少一层；
构图所述牺牲层上的叠层；且
去除所述牺牲层。
18、根据权利要求17所述的方法，
其中所述电极包括上电极和下电极，且所述叠层还包括接触焊盘层；以及
其中所述形成叠层通过在所述牺牲层上顺序形成所述膜层、所述下电极层、所述压电层、所述上电极层、所述第二钝化层、所述射频输入信号线和所述接触焊盘层而进行。
19、根据权利要求17所述的方法，其中所述第一钝化层和第二钝化层的至少一层包括氧化硅和氮化硅的至少一种。
20、根据权利要求17所述的方法，其中所述牺牲层包括多晶硅、低温氧化物、原硅酸四乙酯、光致抗蚀剂的聚合物、金属和合金的至少一种。
21、根据权利要求17所述的方法，其中所述膜层包括氮化硅、氮化铝、多晶硅氧化物、原硅酸四乙酯、Mo、Ta、Pt和Rh的至少一种。
22、根据权利要求18所述的方法，其中所述上电极和下电极的至少一个包括Pt、Rh、Ta、Au、Mo和AuPt的至少一种。
23、根据权利要求17所述的方法，其中所述压电层由一种压电材料形成，所述压电材料包括锆钛酸铅压电材料、钛酸钡、氧化铟锡、氧化锌、和氮化铝的至少一种。
24、根据权利要求14所述的方法，其中所述射频输入信号线和所述射频输出信号线的至少一种包括Rh、Ti、Ta、Pt和AuNix的至少一种。
25、根据权利要求14所述的方法，其中所述组装上基板和下基板的操作包括在将所述上基板固定到所述下基板之后将所述上基板和所述下基板彼此接合。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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