TW582043B - Membrane for micro-electro-mechanical switch, and methods of making and using it - Google Patents

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582043 A7 .....— B7 五、發明説明（1~) - 璧A技術蓺f 本發明一般有關於開關’更特定言之係有關於具有可 撓電容性薄膜之微電子機械開關。 fcg背景 一型既有的開關為射頻（RF)微電子機械開關 (MEMS)，此既有開關具有—基材且在基材上設有兩個相 隔的導電柱，-導電元件在柱之間設置於基材上並覆蓋有 層的η電物質。由一導電材料製成的一可撓薄膜係在 柱之間延伸，使其一中央部位於基材上的導電元件上方， 薄膜在柱之間延伸的部份在未摺屈狀態係近似平面狀，將 一 RF訊號施加至導電元件與薄膜中之一者。 為了致動開關，將一直流電（Dc)偏壓電壓施加至薄膜 與導電元件之間，並在薄膜及導電元件上產生電荷使其彼 此靜電性吸引，這將令薄膜摺屈藉以使其一中央部往下移 動直到接觸導電元件上方的介電層為止，此為開關的致動 位置。此致動位置中，經過薄膜與導電元件其中一者之RF 訊號係大致整體電容性耦合至其中另一者。為了使開關解 除致動，將DC偏壓電壓切斷，薄膜的固有彈性將使薄膜回 到其原始位置。 雖然此型既有開關一般已堪用於預定用途，其並未全 面令人滿意。一種問題在於：致動期間使薄膜摺屈係需要 較高的DC偏壓電壓，譬如40至100伏特。這些高偏壓電壓 容易將電子形式的電荷導入介電層内，這些電子容易留在 該處。介電層隨後發展成永久性電荷而易於與薄膜產生交 4 (請先閲讀背面之注意事¾再填寫本頁} 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 582043

互作用7薄膜即使在已切斷偏壓電壓後仍保持接觸介電 層，易言之’開關係問鎖在其致動位置中而無法解除致動， 這代表開_失效。結果，由於高的偏Μ電Μ，累積在介 電層中的電荷將縮短開關的有效操作壽命。 一種考量因素為··相對於溫度變化，所需要的最小偏 壓電壓係容易大幅改變，這是因為基材與薄膜由具有不同 熱膨脹係數(CTE)的不同材料製成之緣&。因&，當環境 溫度從高溫變成低溫時，其中_部份溫度將膨脹力施加於 薄膜上’ 1另-部份溫度將收縮力施加在其i。當膨服力 施加在薄膜上時，使薄膜摺屈並往下拉至致動位置所需要 之力畺將會增大，這將需要使用較高的偏壓電壓來實行此 移動。但如上述，較高的偏壓電壓傾向於縮短裝置的使用 壽命。為了獲得有意義的使用壽命，既有的此型開關必須 指定使用於比大部份商業應用所需要範圍更小且遠比軍用 設備所需要範圍更小之受限制的溫度範圍内。 這些既有的開關之另一考量因素為：雖然使用偏壓電 壓將薄膜摺屈至其致動位置，當開關解除致動時並無外力 作用在薄膜上，取而代之，薄膜本身的固有彈性必須足以 使薄膜回到其原始位置。如上述，介電層中的電荷累積係 容易靜電式吸收薄膜，藉此抵抗薄膜回到其解除致動位置 之移動。此問題的一種解決方式係增大薄膜本身内的彈性 恢復力，但缺點在於需要較大力量將薄膜摺屈至其致動位 置’這代表需要較高偏壓電壓來致動開關。然而，如上述， 較高的偏壓電壓將增大在介電層内殘留電荷之累積率，而 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 582043 A7 —-一__B7__ 五、發明説明（3 ) 縮短開關的使用壽命。 另一考量因素為：既有的開關具有較薄的薄膜，以對 於薄膜提供足以回應偏壓電壓而移動至其致動位置之撓 性，然而，這些既有薄膜的較小剖面積係造成比理想值更 高而限制可合理流過薄膜的電流量之約〇.5至1〇歐姆的薄 膜電阻，因此限制了開關可處理的功率量。 限制這些既有開關的功率處理能力之另一考量因素 為··大的RF電流可產生容易使薄膜保持在致動位置中之一 磁場，即使DC偏壓電壓已切斷之後亦然。如上述，可能增 加將薄膜驅迫往上之彈性恢復力，但這則需要增大致動開 關的偏壓電壓，並減小較高的偏壓電壓，而具有縮短開關 操作壽命之不良效果。 由上文可知，需要一種具有一可撓薄膜的開關之製造 及操作方法及裝置，藉以使開關能以比既有開關顯著更低 的拉入電壓（pull_in v〇ltage)在寬廣的溫度範圍下可靠地操 作。根據本發明之一型式，對於此需求提出一種方法及裝 置並使用一種開關，此開關包括一基段；支稽在基段上之 一導電元件；及一薄膜，其具有支撐在基段上的相隔位置 處之第一及第二端點’此薄膜具有配置於其端點之間之一 導電部。此方法及裝置包含：在薄膜的第一及第二端點之 間k供能夠可在薄膜長度方向呈屈曲性膨脹之彈性結構， 藉以增加薄膜的有效長度；藉由彈性摺屈薄膜來回應在導 電元件與導電部之間一施加的電壓，使得薄膜從令薄膜不 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、v一口 · 線- 發明説明（， 摆屈且‘電部與導電元件相隔之一第一位置移動至令薄獏 摺屈且導電部與導電元件相鄰之一第二位置，當薄膜從第 一位置移至第二位置時彈性結構將膨服。 本發明的一不同型式係有關於製造一開關且包含：在 基段上形成一導電元件；在導電元件上方形成一間隔件 層，此間隔件層具有一頂表面，頂表面的一部份係相對於 頂表面的其餘部份界定一溝槽與一脊部的其中一者；在頂 表面上方形成一薄膜層，此薄膜層具有第一及第二端點藉 以接合位於導電元件的相對側上之基段的間隔部，且薄膜 層/、有第及第二端點之間之一導電部；及移除間隔件層 、遠下由其端點支撐之薄膜層，且其中導電部係分佈 電元件上方。 、 選^式簡單說！ 中可由下文的詳細描述及圖式更清楚地暸解本發明，其 士第1圖為一種包括實施本發明的一微電子機械開關之 裝置的圖解片段側剖視圖； 第2圖為第1圖的裝置之圖解片段俯視圖，其中亦圖示 用於執行開關操作之一控制電路； 回y、 第3圖為類似第1圖的圖解片段側剖視圖，但顯示開關 的一薄膜之一不同的操作位置； 第4圖為類似第丨及3圖的圖解片段側剖視圖，但顯示 闕的薄膜之另一操作位置； ' 第5圖為第i圖的開關處於開關製造程序期間的一時間 本紙張尺度適用 582043 A7 B7 五、發明説明（5 ) 點之圖解片段側剖視圖； 第6圖為類似第1圖的圖解片段側剖視圖，但顯示一種 包括實施本發明的一開關之不同裝置，且此裝置係為第工 圖的裝置之一替代性實施例； 第7圖為第6圖的裝置處於開關製造程序期間的一時間 點之圖解片段側剖視圖； 第8圖為類似第6圖的圖解片段侧剖視圖，但顯示另一 種包括實施本發明的一開關之裝置，且此裝置係為第6圖的 裝置之一替代性實施例； 第9圖顯示用於微電子機械開關中之數種不同類型的 薄膜’包括得自實施本發明的開關之薄膜； 第10至17圖以圖解顯示第9圖所示的一或多個薄膜之 各種不同特徵；及 ' 第18及19圖各為第9圖之一薄膜的一部份之圖解側視 圖’其中顯示該薄膜如何回應於溫度變化。 1明詳細描！ —第1圖為一種裝置之圖解片段側剖視圖，此裝置包括用 於貫施本發明之一微電子機械開關（mems)i〇。第2圖為第 1圖的裝置之圖解片段俯視圖並且顯示開關！ 〇。 一開關1〇包括一石夕半導體基材13,石夕半導體基材13在其 -上側具有一氧化物層14，圖示實施例中此氧化物層㈣ 一氧切。揭露的實施例中基材13雖為—料導體材料， ^ 了另為某些其他適當的材料，譬如碎化鎵⑴則或適當 的乳化銘。如第！圖所示，兩個柱17及18設置於氧化物料 本紙張 ---------------------4^— (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) 訂·--------------«線丨· 582043 A7 B7 五、發明説明（6 上之相隔位置並各由一種譬如金等導電材料製成。基材 13、氧化物層14及柱17與18可稱為開關1〇的一基段。 一導電電極22設置於氧化物層14的上表面而介於柱17 與18之間，如第2圖所示，電極22為一長條，電極22作為一 傳輸線，位於柱17及18之間的電極22部份係覆蓋有由氮化 矽製成的一介電層23。 一導電薄膜31延伸於柱17及18的上端點之間，薄膜31 由此技藝習知的一種鋁合金製成，此鋁合金包含約99%重 量的鋁而其餘部份大多或全部為矽及鈦。但對於薄膜31可 另使用其他適當材料，薄膜31具有各固定式支撐在分別各 個柱17與18頂部上之端點32及33。薄膜31在介於端點辦 33之間具有一中央部36，中央部36直接配置於電極“及介 電層23上方，薄膜31在其端點32及33鄰近處分別具有外部 37及38,中央部36及外部37與38呈現近似共面性。 薄膜31具有位於中央部31與外部37之間之一膨脹段 41，並具有位於中央部36與外部38之間之一類似膨脹段 42。膨脹段41及42各近似_。特定言之，膨脹㈣包括 相隔的垂直部46及47以及在垂直部牝及47的下端點之間延 伸之一水平部48。第1圖所示的操作位置中，水平部“近似 平行於中央部36及外部37,且垂直部46及47各近似垂直於 水平部48、中央部46及外部37。膨脹段以亦類似並包括垂 直部51及52及一水平部53。 部48及53具有相同長度，且部46至47與51至52皆有相 同高度，外部37及38具有相同長度。第i圖中，部37及38

582043 A7 __B7 五、發明説明（7 ) 各有與部48及53相同的長度。 操作時，約有300MHz至90GHz頻率範圍的一射頻（RF) 訊號將通過薄膜31或電極22中作為傳輸線之一者。更具體 a之’ RF訊號可從柱17通過薄膜3 1至柱18。或者，參照第 2圖，RF訊號可從圖的下方通過電極22朝向圖的上方。在 薄膜3 1與電極22之間施加的一直流電（dc)偏壓電壓的控 制下，第2圖虛線顯示之習知類型的一控制電路61進行開關 10的致動，此偏壓電壓亦稱為拉入電壓（Vp)。 當偏壓電壓並未施加至開關1 〇時，薄膜3 1具有第1圖所 示的位置，如上述，一RF訊號通過薄膜31與電極22中的一 者，為便於討論，假設此RF訊號通過電極22。當薄膜3 1處 於第1圖的位置時，通過電極22的RF訊號將經過開關1 〇然 後繼續經過電極2，而此RF訊號並無從電極22至薄膜3 1之 顯著的輕合。 為了致動開關10，在電極22與薄膜31之間藉由控制電 路61施加一 DC偏壓電壓。此電壓在薄膜31上及電極22上產 生電荷，使得薄膜3 1的中央部36受到一靜電力驅往電極 22，此吸力將使薄膜3 1往下摺屈令其中央部36移往電極 22，發生此作用時，膨脹段41的垂直部46及47各將相對於 水平部48略微傾斜使其上端點彼此移動離開。膨脹段42的 垂直部5 1及5 2將經歷一類似的傾斜運動，導致各膨脹段41 及42的有效長度略微增大’因而造成薄膜3 1的整體有效長 度略微增大。薄膜3 1因此可比薄膜31不具有膨脹段41及42 的情形更容易地往下移動。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格⑵0X297公釐） -1〇 . (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

582043 A7 B7 五、發明説明（8 頁 當薄膜31往下摺屈時，將抵達第3圖所示的位置，其中 各水平段48及53有至少—部份接合氧化物層41。此位置 中，薄膜31的中央部36仍在覆蓋於電極22之介電層23上方 相隔-小距離，需要中央部36本身的擅屈以使薄㈣的中 央部36進一步往下移動，此額外摺屈係需要在中央部36與 電極22之間具有比中央部36實行初始往下移動所需要者更 高之吸力。另—方面，因為中央部％及電極Μ此時比糾 圖所示的操作位置更加實際靠近，其間的靜電吸力先天就 比第1圖的操作位置中更高。因此，不需增加施加於薄膜η 與電極22之間的DC偏壓電壓，即可發生中央部以產生從第 3圖的操作位置至第4圖的操作位置之進一步往下移動所需 要的額外力量。 更具體言之，從第3圖所示位置，薄膜的中央部％摺屈 直到其中〜接合介電層23頂部為止，如第4圖所示，此為開 關10的致動位置，在此位置中，電極22與薄膜36的中央部 之間的電容性耦合比起當薄膜處於第丨圖的解除致動位置 中時約更大100倍。結果，經過電極22的1117訊號將從電極 22大致整體耦合入薄膜3丨、並傾向於具有從中央部％反方 向離開朝向各柱17及18之組份。或者，若RF訊號已從柱17 通過薄膜31前往柱18，RF訊號係已從中央部％大致整體耦 合至電極22並傾向於在各反方向中經由電極22遠離開關 10 ° 旦薄膜3 1已經抵達第4圖所示的致動位置之後，控制 電路61可將DC偏壓電壓選擇性降低至一待命或暫停值，此 '本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X297公楚） 582043 A7 ____B7 五、發明説明（9 ) 值係小於啟動薄膜31從第1圖位置往下移動所需要之拉入 電壓、但足以在一旦抵達此致動位置時則將薄膜3丨保持在 弟4圖的致動位置中。 為了將開關10解除致動，控制電路61將施加在薄膜31 與電極22之間的DC偏壓電壓切斷，藉由經摺屈的中央部％ 之彈性連同相鄰膨脹段41及42與氧化物層14之接合作用係 致較強的恢復力，藉以啟動中央部36遠離介電層23及導 電元件22之往上移動。一旦啟動往上移動後，薄膜31持續 移動並且在藉由薄膜3 1内的彈性回到第丨圖位置時移動通 過第3圖位置，因此，膨脹段41及42各彈性收縮至其原始形 狀與長度。 第5圖為第1圖的開關之圖解片段側剖視圖並顯示根據 實施本發明之一種程序來製造開關1〇的一時間點。更詳述 之，製造時首先為矽基材13，然後藉由二氧化矽沉積在基 材13上以形成氧化物層14。隨後，譬如藉由沉積一層金然 後進行圖案化蝕刻，使電極22形成於氧化物層14上。 #下來沉積-層氮化碎、然後進行_圖案化敍刻，藉 以形成介電層23。一間隔件76隨後形成於氧化物層14及介 電層23上方，間隔件76為熟悉此技藝者已知的一型光阻材 料，光阻層隨後圖案化及蝕刻一或多次以在間隔件％的一 頂表面中界定相隔的橫向溝槽77及78，並藉以界定與形成 柱17及18位置相鄰之垂直側表面81及82。溝槽”及乃各有 一近似長方形的剖面。 接著，沉積一層金然後進行圖案化蝕刻以移除不需要 ?本紙張尺度適财關緖準（CNS) A4規格（210X297公------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

582043 A7 --------— _B7 五、發明説明（1〇；Γ " — ~ ----— 的材料而只留下柱17錢，藉以形成柱17及18。然後，— 層上述的銘合金沉積在間隔件76、電極17及18及氧化物声 14上方’並且隨後圖案化與㈣形成薄賴。在此點，^ 構具有第5圖所示的構造。 " 然後，進行一種稱為薄膜釋放餘刻的敍刻程序，藉以 移除整個間隔件76。薄膜釋放钱刻譬如可能為用於侵^構 成間^件7 6的光阻材料之一已知類型的電裝餘刻或任何复 他適當賴刻。此韻刻留下以其端點32及33懸設在柱^ 18上之薄膜3卜如第1圖所示此係為開關1G的完成構造。 第6圖為類似第}圖的圖解片段側剖視圖但顯示身為第 1圖開關1〇的替代性實施例之一開關110。因此，開關110 大致類似於第1圖的開關1〇，差異在於開關i 1〇具有與開關 10的薄膜31不同之一薄膜131。第6圖内其他結構係標有與 第1圖所用相同的編號。 第6圖的薄膜131係由與第1圖的薄膜31相同之材料製 成，其包括各固定式支撐在柱17及18中的各別一者上之端 點132及133，薄膜131具有一中央部136、以及各與端點132 至133中的各別一者相鄰之兩個外部137及138。薄膜31具有 位於中央部136與外部137之間之一大致U形的膨脹段 H1、以及位於中央部Π6與外部138之間的另一大致u形的 膨脹段142。當薄膜131未摺屈時，中央部136及外部137及 138彼此呈近似共面性。第6圖的薄膜π丨與第1圖的薄膜31 之間的一項差異為··薄膜31的膨脹段41及42相對於其中央 部36往下突起’但薄膜131的膨脹段141及142相對於其中央 ，本紙張尺度適用中國國家標準（OJS) A4規格（210X297公爱） -13 - 582043 A7 _B7_ 五、發明説明（η) 部136往上突起。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 更具體言之，膨脹段141包括兩個相隔垂直部146及 147,垂直部146及147各對於中央部136與外部137的各別一 者呈現垂直狀並往上延伸。膨脹段141進一步包括一水平部 148，水平部148垂直於垂直部146及147的上端點且在其間 延伸。同樣地，膨脹段142包括垂直部151及152 ,各垂直部 151及152係對於一中央部136及外部138之各別一者的一端 點呈垂直並往上延伸，膨脹段142並包括一水平部1 53，水 平部153係與垂直部15 1至152的上端點呈垂直並在其間延 伸。 第6圖的開關11 〇之操作除下述外均大致類似於第1圖 的開關10之操作，更具體言之，當開關i 10致動期間薄膜13丄 往下摺屈時，膨脹段141及142顯然應不會與氧化物層14接 合。因此，薄膜131僅簡單地從第6圖所示的位置進行一大 致漸進式摺屈運動至令中央部136中間接合介電層23頂部 A線- 之一位置。並且，當供應至開關110的DC偏壓電壓終止時， 為了將開關解除致動，所有位於電極17至18之間的薄膜13 i 部份係藉由固有彈性實行啟動薄膜131往上移回到第6圖位 置之恢復力。 第7圖為開關110的圖解片段側剖視圖並顯示根據實行 本發明之一程序的開關H0製造期間之一時間點，因此，基 材13、氧化物層14、電極22及介電層以皆以類似第$圖上述 =式形成。然後，一間隔件層176由一已知的光阻或聚醯亞 胺材料製成並圖案化與蝕刻成為適當形狀，包括形成側表 582043 A7 B7 五、發明説明（l2) 面181至182。然後，另一層相同或等效材料係沉積在間隔 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 件176上並圖案化與蝕刻形成相隔與平行的脊部或間隔件 177及178 。 然後，係以類似上述第5圖的薄膜3 1形成方式製成薄膜 131而產生第7圖所示的結構。隨後，利用一電漿餘刻或其 他適當的技術移除作為間隔件176及間隔件177及178之光 阻材料，藉以使開關110保留其最終構造，如第6圖所示。 .#1 第8圖為類似第6圖的圖解片段側剖視圖，但顯示身為 第6圖的開關11 〇的替代性實施例之一開關21 〇，第8圖的開 關210與第6圖的開關11〇之主要差異為開關21〇具有與第6 圖的薄膜131不同之一薄膜231，開關210的其餘部份係與第 1圖的開關10及第6圖的開關110的對應部份相等並標有相 同的編號。 第8圖的薄膜23 1具有端點232及233，端點232及233各 固定式支撐在各一柱17至18上。並且，薄膜231具有一中央 部236且在其相對側上具有膨脹段241及242。第8圖的薄膜 231與第6圖的薄膜131之主要差異為：薄膜131的膨脹段141 及142具有近似正方波或長方形的形狀，但薄膜231的各膨 脹段241至242形狀係為從正弦波負峰值到下個負峰值之正 弦波的一週期。膨脹段241至242各相對於中央部236往上突 起’第8圖的開關210之操作大致類似於第6圖的開關之操 作，因此咸信不需另外詳述開關210的操作方式。 第9圖顯示各在301及302代表的電極間延伸之六個圖 解的薄膜A-F，其並非具有六個薄膜的單一開關，但為方

582043 A7 「__ —__________^B7__ 五、發明説明（13 ) " — ^-- 便加以比較，自六個不同開關畫出六個薄膜並一起描繪。 可瞭解薄膜B類似於第8圖的薄膜231，且薄膜1?類似於胃第6 圖的薄膜131，薄膜D&E為第6圖的薄膜31之變化。第9圖 的薄膜A係為此技藝已知存在並包括在第9圖以提供評估 其他薄膜的一參考點之既有類型的薄膜，薄膜A_F的中心 位於與虛線304對應的位置。 為便於下文討論，連同第9圖的薄膜提供某些示範性尺 寸，但可暸解這些尺寸僅供示範且本發明無意以任何方式 受限於這些特定尺寸，因此可假設電極3〇1至3〇2之間的距 離306為300至320微米。並且假設薄膜A_F各有〇·3微米的厚 度，可假設安裝有薄膜A-F的開關除了薄膜差異以外均Z 同，且各此等開關具有約O.i微米厚度的一介電層，且當開 關解除致動時在薄膜與介電物之間具有4微米的一間隔。 對於薄膜B，相隔的膨脹段包括各端點上之_正弦波 的單一週期，其具有約15微米的週期及約3微求之振幅 309。薄膜B的膨脹段各緊鄰柱3〇 1及3〇2的其中一者。 現在討論薄膜C，此薄膜大致類似於薄膜^旦差異在 於·各端點的膨脹段係包括一正弦波的五個週期而非一個 週期，這些週期共同加總成為約1〇〇微米的一距離313，這 些正弦波各具有與薄膜B中的波相同之振幅，亦即3微米的 振幅。 薄膜D、E、F各為第6圖的薄膜131之變化，其中膨脹 段長度對於相鄰外部之比值可以改變，因此，薄獏d的外 部各有約10微米的長度，且膨脹段各有約9〇微米的長度。 * … 一本紙張尺度適用中國國表標準（CNS) A4規格（2IQX297公董) I '— - 1 y 1 一 夢…： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .、可丨 582043 A7 明（14) " ~— 一 ~~ 帛膜Ε的外部各有約3G微米的長度，且其膨脹段各有⑽ I卡的長度。薄膜F的外部各有约50微米的長度，且其膨 I 騰段各有約5 0微米的長度。 帛1。圖顯示當薄膜的膨脹段中的波數改變時致動開關 所需要之拉入電壓如何改變’因此’點32〇代表第9圖的薄 膜A且其不具有膨脹段或波。點321代表第$圖的薄膜b且其 在各膨脹段中具有-個正弦波。點322至324代表薄膜㈣ 變化且其分別顯示於第9圖並各別在各膨脹段中具有兩 個、三個及四個正弦波。第1〇圖中的點奶代表第9圖的薄 膜C且其在各膨脹段中具有五個正弦波。 依據點320及321之比較，請注意藉由對於相隔膨服段 提供一正弦波可使致動開關所需要的拉入電壓產生約7〇% 的顯著降低。參照點322至325，對於膨脹段增添額外正弦 波將提供更好性能但有遞減的邊緣效果。 第11圖為特別對應於第9圖的薄膜3之另一圖，並顯示 拉入電壓如何回應於波長或週期變化（亦即第9圖的距離 308變化）而改變。請注意當波長小於振幅的約…倍時拉入 電壓具有顯著減小，但當波長增加超過1〇倍振幅則僅有有 限的額外利益。 第12圖亦對應於第9圖的薄膜B，並顯示當振幅改變時 所需要的拉入電壓如何改變。請注意當振幅增大時拉入電 壓將顯著降低，直到振幅約為波長或週期3〇8的2〇%至25% 為止。振幅的額外增加僅提供有限的額外利益。 第13圖顯示六條曲線且各對應於第9圖的薄膜a_f中 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 17

、可I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 叫〇43 A7 ____B7 五、發明説明（15) 的各者，實際上，這些曲線各顯示相關薄膜傾向於回應溫 度變化而下垂之範圍，可暸解在高溫下薄膜D-F傾向於經 歷比薄膜A-C更小的下垂。 第14及15圖為各顯示分別對應於第9圖的六個薄膜 A-F之六條曲線之相關圖式，第15圖為第14圖下部的放大 垂直尺寸圖。第14及15圖各顯示致動所需要的拉入電壓如 何傾向於針對溫度而改變。請注意可在整個指示的溫度範 圍上，藉由顯著小於薄膜A及B中任一者所需要者之一拉入 電壓來致動薄膜C-F。 第16圖顯示各對應於第9圖的六個薄膜a_f各者之六 條線’弟16顯示當薄膜處於解除致動位置時不同溫度在各 薄膜内發生的應力，請注意薄膜C_F均經歷比薄膜A及b顯 著更小的應力。 第17圖顯示各對應於第9圖的六個薄膜a_f各者之六 條線’第17圖顯示當薄膜處於其致動位置（亦即其固定位置） 時各薄膜内的抗拉強度如何隨著溫度而改變，請注意大部 份應力發生於低溫，薄膜C在低溫經歷比薄膜d-f明顯更小 的内部應力，且所有薄膜C-F均經歷比任一薄膜a或B更小 的應力。 第18及19圖為顯示選定溫度之第9圖的薄膜ρ左半部 之類似圖解，第18及19圖各假設以8〇。〇溫度不具有熱變形 的方式製造薄膜，第18圖顯示薄膜從8(rc加熱至1〇〇。〇時經 歷的變形本質，第19圖顯示薄膜從8(TC冷卻至-4〇。〇時經歷 的變形’在第19圖右側請注意在環境溫度從-40°C到80°C的 m本紙μ祕⑵οχ騰楚) 二 18 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

582043 A7 __ B7 五、發明説明（l6) 120 C溫度範圍内改變時薄膜中央部並未經歷顯著變形或 者往上或往下移動。相反地，在第18圖右側請注意當薄膜 已加熱至100°C時，薄膜的中央部經歷某些變形並往下移動 一小距離。 實際上，第18及19圖顯示藉由薄膜與相關基材的不同 熱膨脹係數（CTE)而使薄膜傾向於變形之方式。薄膜之垂 直部的傾斜在120°C溫度範圍可對於薄膜與基材之間的 CTE不匹配提供補償，並避免薄膜中央部變形。 本發明提供數種技術優點，其中一項技術優點得自於 一薄膜或彈性結構，譬如能夠在薄膜長度方向屈曲性膨脹 之相隔的膨脹段，藉以增加薄膜的有效長度藉以利於使薄 膜在一開關的致動與未致動狀態位置之間對應地彈性撓 屈’這將降低致動開關所需要的拉入電壓。 另一技術優點得自於膨脹段的構造，此構造包含概呈 垂直與水平之第一及第二部、及在近似垂直的第一及第二 部之間延伸之一第三部。第一及第二部可某程度地傾斜以 利薄膜有效長度產生膨脹或收縮，藉以補償薄膜與基材之 CTE不匹配。藉由補償CTE不匹配，可使得針對溫度產生 的拉入電壓改變程度降低。此外，開關可以比既有開關更 低的拉入電壓在更寬的溫度範圍操作。 本發明的一型式中，膨脹段相對於薄膜的其餘部份朝 向基#又在下犬起，結果，在薄膜的中央部接合電極上方的 η電層之七這些膨脹段即接合基段，中央部隨後撓屈直到 接合介電層為止。此方式的一項優點為：一旦當dc偏壓電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 19 ---------------------0^…… (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .訂丨 582043 A7 B7 五、發明説明（Π I終止以使開關解除致動時，一顯著向上力量係施加在薄 膜的中央部上以啟動其遠離介電層及電極的移動，這將使 ----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 得介電層中的殘留電荷產生即便切斷沉偏壓電壓後仍將 薄膜保持在其致動位置中的—靜電吸力之可能性顯著降 低此配置的-相關優點為：不需增大將薄膜從其解除致 動位置移至其致動位置的拉人電壓即可達成增加的恢復 力。 另一優點為：藉由設置膨脹段，可比無膨脹段的一先 前既有薄膜之情形具有略為更厚的薄膜，較厚的薄膜可降 低薄膜的有效電阻使得開關以更高的功率值操作。 雖然已經詳細描述與圖示數項實施例，請瞭解可能具 .訂— 有各種替代與變更而不脫離由申請專利範圍界定之本^明 的精神與範圍。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公釐） 582043 A7 B7 五、發明説明（l8) 元件標號對照 10·· .微電子機械開關(MEMS) 76.. .間隔件 13.· .矽半導體基材 77… .橫向溝槽 14·· .氧化物層 78… .橫向溝槽 17.. .柱 81... .垂直側表面 18.. .柱 82 · ·. ，垂直側表面 22.. .導電電極 110. ..開關 23.. .介電層 131. • •薄膜 31.. .導電薄膜 132. ..端點 32.. •端點 133. ..端點 33.. .端點 136. ..中央部 36.. .中央部 137. ..外部 37·· .外部 138...0 外部 38·· .外部 141. ..膨脹段 41·· .膨脹段 142. ..膨脹段 42.. .膨脹段 146. ..垂直部 46."垂直部 147. ..垂直部 47.. .垂直部 148...水平部 48.. .水平部 151. ..垂直部 51.. .垂直部 152. ..垂直部 52.. .垂直部 153. 水平部 53._ .水平部 176. ...間隔件 61·· .控制電路 177. ...間隔件 -----------……费…： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .訂— 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 21 582043 A7 B7 五、發明説明（l9) 178. ..間隔件 241.. ..膨脹段 181. ..側表面 242.. ..膨脹段 182...側表面 301.. ..電極 210·, ..開關 302.. 電極 231.. ..薄膜 309…振幅 232·. 端點 313·· .距離 233.. .端點 A-F. ..薄膜 236._ .中央部 (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 22

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 1· 一種包含一開關之裝置，該開關包括·· 一基段； 一導電元件，其支撐在該基段上； 一薄膜，其具有支撐在該基段上的相隔位置之第一 及第二端點，並具有配置於其該等端點之間之一導電 部，並在該等第-及第二端點之間包括能夠在該薄膜的 一長度方向屈曲性膨脹以增加詨薄膜的有效長度之彈 性結構，並能夠彈性摺屈以使該薄膜可從令該薄膜大致 未摺屈且該導電部與該導電元件相隔之一第一位置移 至令該薄膜摺屈且該導電部與該導電元件相鄰之一第 二位置。 2·如申請專利範圍第1項之裝置，其包括配置於該導電元 件上方之一介電層，當該薄膜處於該第二位置時，該薄 膜接合與該導電元件相對之該介電層的一側。 、 3·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該彈性結構包括配 置於該導電部的相對側上之兩個膨脹段。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印裂 4.如申請專利範圍第3項之裝置，其中各該膨脹段包括與 該薄膜呈橫向延伸並具有近似！；形輪廓之一薄膜段。 5·如申請專利範圍第4項之裝置，其中當該薄膜處於該第 位置時，各該薄膜段的U形輪廓具有近似一正弦波的 形狀。… 6.如申請專利範圍第4項之裝置，其中當該薄膜處於該第 一位置時，各該薄膜段的ϋ形輪廓包括近似直線狀且彼 此近似平行延伸之相隔的第一及第二部、並包括近似直 ---- . Τ (CNS)A4 (210 x 297 ：一23—-—— -

   A8B8C8D8 線狀且在近似垂直的該等第一 伸-n L料端點之間延 請 先 閲 讀 背 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 7·如申請專利範圍第6項之裝置，1 ,,^ , /、甲回應於—長度方向 收,力與-長度方向膨脹力施加在該薄膜上之作用，使 =各該薄膜段的第一及第二部相對於其該第三部而傾 8.如:請專利範圍第6項之裝置，其中各該薄膜段的第一 及第一 係在朝向該基段的一方向中從其該第三部的 相對端點延伸。 9·如:請專利範圍第6項之裝置，其中各該薄膜段的第一 及第二部係在遠離該基段的一方向中從其該第三部的 相對端點延伸。 i〇·如申請專利範圍第6項之裝置，其中該薄膜從該第一位 置移至该第二位置，在該導電部抵達該鄰近該導電元件 之位置前，該等薄膜段接合該基段，然後位於該等膨脹 段之間之薄膜的一中央部係撓屈以使該導電部進行移 動至鄰近該導電元件之位置。 11.如申請專利範圍第4項之裝置，其中該薄膜具有在該等 膨服段之間延伸之一中央部，並具有各從與該中央部相 對一側上一各別的該膨脹段往外延伸之外部，當該薄膜 處於該第一位置時，該中央部及該等外部近似呈共面 性。 12·如申請專利範圍第3項之裝置，其中各該膨脹段包括與 该薄膜呈橫向延伸且各具有近似U形輪廓之至少兩個 本紙張尺度適用中國國家鮮（CNS)A4規格（2ι〇χ297公爱） · ％ - 13.如申請專利範圍第3項之裝置，其中該基段包括一基 材’ *亥基材具有從相隔位置往_L突起之兩個導電柱，該 導電元件介於該等柱之間，且該薄膜具有各支撐在一各 別的該柱上之端點。 K如申請專利範圍第㈣之裝置，其包括—電路，可操作 该電路在該導電元件與該導電部之間施加一第一電壓 藉以使该薄膜從該第一位置進行移動至該第二位置，並 隨後在該導電元件與該導電部之間施加比該第一電壓 更小且足以將該薄膜維持在該第二位置中之一第二電 壓。 15. —種利用一開關進行切換之方法，該開關包括一基段、 ¥電元件，其支撐在該基材上、及一薄膜，其具有支 撐在4基&上的相隔位置的第一及第二端點並具有配 置於其該等第一及第二端點之間之一導電部，此方法包 含以下步驟： 在該薄膜的第一及第二端點之間提供彈性結構，該 彈性結構能夠在該薄膜的一長度方向中屈曲性膨脹以 增加該薄膜的有效長度；及 藉由彈性摺屈該薄膜以回應該導電元件與該導電 邛之間的一施加電壓，使得該薄膜從令該薄膜不摺屈且 該導電部與該導電元件相隔之一第一位置移動至令該 薄膜摺屈且該導電部鄰近該導電元件之一第二位置，並 包括當該薄膜從該第一位置移動至該第二位置時使該 (210X297公釐) 本紙張尺度適用中國國家標準（⑽）A4規格 々、申請專利範圍 彈性結構進行膨脹之步驟。 .如申請專利範圍第15項之方法，其包括以下步驟： 設定該薄膜的構造使其該彈性結構包括配置於該導電 部的相對侧上之兩個膨脹段，各該膨脹段包括與該薄膜 呈橫向延伸且具有近似U形輪廓之一薄膜段；及 當該薄膜從該第-位置移動至該第二位置時，各該等膨 脹段進行膨脹。 y 17·如申請專利範圍第16項之方法，其包括設定各該薄膜段 的構造以使該薄膜處於該第一位置時其該輪廓具 有近似一正弦波形狀之步驟。 18.如申請專利範圍第16項之方法，其包括設定各該薄膜段 的構造以使該薄膜處於該第一位置時其該U形輪廓包 括近似直線狀且彼此近似平行延伸之相隔的第一及第 一 °卩並包括近似直線狀且在近似垂直的該等第一及第 一部的端點之間延伸之一第三部之步驟。 19·如申請專利範圍第18項之方法，其包括回應於一長度方 向膨脹力與一長度方向收縮力其中一者施加至該薄膜 之作用而使各该薄膜段的各第一及第二部相對於其該 第三部傾斜之步驟。 20·如申請專利範圍第18項之方法，其包括以下步驟·· 在该薄膜抵達該第二部之前該薄膜移往該第二部 期間，使得該等薄膜段接合該基段；及 隨後使得配置於該等膨脹段之間的該薄膜的一中 央部摺屈，以使該導電部進行移動至與該導電元鄰 六、申請專利範園 之位置。 21.如申請專利範圍第15項之方法，其包括以下步驟:在該 導電元件與該導電部之間施加令該薄膜 X 電 位置移至該第二位置之一第一電麗且隨後在該 H 件與該導電部之間施加比該第一電壓更小且足以將該 薄膜維持在該第二位置中之該第二電屋，藉以在該導X 元件與該導電部之間進行施加該施加電壓。· 22·-種製造一開關之方法，其包含以下步驟·· 在一基段上形成一導電元件； 在該導電元件上方形成一間隔件層，該間隔件層具 表面a頂表面係具有可相對於該頂表面其餘部 伤界疋一溝槽與一脊部其中一者之一部份； 〃在該頂表面上方形成—薄膜層，該薄膜層具有第一 及弟二端點並具有位於該等第一及第二端點之間之一 導電部，該等第-及第二端點係接合配置於該導電元件 的相對側上之該基段的相隔部，·及 移除該間隔件層以留下由 由該4鳊點所支撐的該薄 、曰〜、中該導電部係分隔於該導電元件上方。 23.如申請專利範圍第22項之 ,, 具中在該導電元件上方 形成該間隔件層的一第一部、妙 万 …、设在该第一部上方形成 該間隔件層的相隔第二部，葬 步驟。 糟以進行該形成間隔件層之 24·如申請專利範圍第22項之 十"a 万去’其包括藉由進行以下步 驟來形成該基段之步驟： 本紙張尺度適财目國家標準(CNS) Μ規格 27 582043 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 提供一基材； 在該基材上方形成一氧化物層； 在該氧化物層上的相隔位置形成兩個相隔導電 柱，該等柱係為用於支撐該薄膜層的第一及第二端點之 該基段的相隔部；及 藉由在該等柱之間的一位置形成該導電元件來進 行該形成導電元件之步驟。 28 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 203