TWI516436B - 微機電系統（ｍｅｍｓ）裝置及其製造方法 - Google Patents
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Description
在此所描述的實施例係大致關於一種微機電系統(MEMS)裝置及其製造方法。
包括一可動電極及一固定電極的微機電系統(MEMS)裝置係具有低損耗、高絕緣性以及高線性。其因此作為在下一代行動電話中的關鍵裝置而備受關注。此外，微機電系統電容器已被提出，其係使得微機電系統裝置被良好地使用，且可具有一可變的靜電電容。
然而，任何這種類型的微機電系統電容器均無法獲得所需的電容。此外，微機電系統開關可能不具有足夠的可靠性。
一般而言，根據一實施例，微機電系統裝置包括設置在支承基板的第一電極、相對於該第一電極的第二電極、以及設置在該支承基板上且支承該第二電極的樑部，該第
二電極具有與該第一電極重疊的至少一端部，且能夠在相對於該第一電極的方向上移動。相較於該第二電極相對於該第二電極的中央部分之部分的表面，該第一電極相對於該第二電極的該端部之部分的表面係設置在一較低的水平。
根據數個實施例的微機電系統裝置將參照附圖描述如下。
10‧‧‧支承基板
11‧‧‧矽基板
12‧‧‧絕緣膜
12a‧‧‧凹部
21‧‧‧下部電極(第一電極)
21a‧‧‧凹部
21b‧‧‧階級
22‧‧‧上部電極(第二電極)
23‧‧‧第一彈性部(樑部)
24‧‧‧錨部
25‧‧‧第二彈性部
26‧‧‧錨部
31‧‧‧電容器絕緣膜
32‧‧‧凸出層
41‧‧‧第一犧牲層
42‧‧‧第二犧牲層
51‧‧‧下膜
52‧‧‧上膜
圖1為概述根據第一實施例的微機電系統裝置的配置之平面圖；圖2A及2B分別為沿圖1所顯示之線A-A’及線B-B’的剖視圖；圖3A至3D為顯示根據該第一實施例的該微機電系統裝置的製造步驟之剖視圖；圖4A及4B為顯示上部電極與下部電極如何重疊的平面圖；圖5為顯示上部電極與下部電極如何以其他方式重疊的平面圖；圖6為顯示根據第二實施例之構成微機電系統裝置的主要部件的剖視圖；圖7為顯示根據第三實施例之構成微機電系統裝置的主要部件的剖視圖；圖8為顯示根據該第三實施例之構成微機電系統裝置
的主要部件的剖視圖；圖9為顯示根據修改的實施例之構成微機電系統裝置的主要部件的剖視圖；圖10為顯示根據另一修改的實施例之構成微機電系統裝置的主要部件的剖視圖；以及圖11為顯示根據又另一修改的實施例之構件微機電系統裝置的主要部件的剖視圖。
圖1為概述根據第一實施例的微機電系統裝置的配置之平面圖。圖2A為沿圖1所顯示之線A-A’的剖視圖。圖2B為沿圖1所顯示之線B-B’的放大剖視圖。本實施例係為一種類型的裝置，當電壓被施加於上部及下部電極之間時，其係被以靜電力驅動。
在圖2A及2B中，數字10代表支承基板，其係由矽基板11以及，例如矽氧化膜之形成在矽基板11上的絕緣膜12所構成。支承基板10可包含，例如，構成邏輯電路或記憶電路的場效電晶體，之元件。
下部電極(第一電極)21被設置在支承基板10上，且用作固定電極。下部電極21為例如，長方形的，且由，例如鋁(Al)或主要由鋁製成的鋁合金所製成。下部電極21的材料並不限制於這些。相反地，下部電極21可由銅(Cu)、鉑(Pt)、鎢(W)等材料所製成。
在下部電極21及支承基板10之間設置有凸出層32，其係由氮化矽膜所製成，並按照上部電極22(稍後描述)的圖案被圖案化。亦即，凸出層32係形成在除了上部電極的端部以外之整個上部電極的下方。由於凸出層32，下部電極21在其上表面具有凹部21a。凹部21a的深度係使得，當微機電系統裝置被驅動來使上部電極22接觸下部電極21時，上部電極22的端部在接觸到下部電極21的平部之前不會與下部電極21接觸。
由例如，氮化矽膜所製成且具有100奈米之厚度的電容器絕緣膜31係被形成，覆蓋下部電極21的表面。電容器絕緣膜31可替代為一高k膜，其相較於氧化矽及氮化矽具有較大的介電係數。
上部電極(第二電極)22，或可動電極，係被配置在下部電極21上方且相對於下部電極21。上部電極22為長方形的且大於下部電極21，並重疊於下部電極21。上部電極22係由例如，像是鋁、鋁合金、銅、金或鉑之材料所製成。但上部電極22的材料並不限於延性材料。上部電極22可由，例如鎢(W)的脆性材料所製成。
如圖2B所示，上部電極22的端部因加工而向下彎曲，此容後描述。如此彎曲的上部電極22的端部係與凹部21a對齊。
如圖1所示，當從上方視之，下部電極21及上部電極22為長方形的。它們亦可被成形為像是方形、圓形或橢圓形。
上部電極22藉由第一彈性部(樑部)23在一些部分被連接到設置在支承基板10上的錨部24。第一彈性部23及錨部24被設置在數個位置(例如，四個位置)。第一彈性部23為，例如氮化矽膜，具有蜿蜒的形狀，且具有彈性。該等彈性部23使得上部電極22能上下移動。
上部電極22藉著由導電材料所製成的第二彈性部25在一部分被連接到設置在支承基板10上的錨部26。第二彈性部25可為與上部電極22一體的，並可從其上延伸。第二彈性部25實現與上部電極22的電傳導，且第二彈性部25為非常細長的並由例如，鋁的彈性材料所製成。
圓頂層(未示)可被設置以覆蓋上部電極22、彈性部23及25可移動的空間。
在此實施例中，下部電極21具有凹部21a，其位在下部電極21的表面並位在上部電極22的端部下方。因此，即使上部電極22在端部彎曲，在上部電極22的任何其他部分接觸到下部電極21之前，此端部將不會接觸到下部電極21。
微機電系統電容器可能無法獲得所需的電容，而未能表現出良好的特性。原因可以推斷如下。
在微機電系統電容器中，上部電極(可動電極)在一些情況下可能不具有平坦表面。在例如，形成犧牲層以提供圍繞上部電極的空間、固化犧牲層以及移除犧牲層的過程中，上部電極的端部係向下彎曲。一旦上部電極的邊部已彎曲，它們就會在任何其他部分之前接觸到下部電極。
因此，空氣層係形成在之後的上部之平坦部及下部電極之間。
在此情況下，由上部電極、下部電極及形成於下部電極上的絕緣膜所構成的電容器無法獲得足夠的電容。為了實現上部及下部電極足夠堅實的接觸，施加於上部及下部電極之間的電壓必須被升高。亦即，為使電容充分飽和，應施加高電壓於上部及下部電極之間。
在一微機電系統開關中，上部電極的邊部在任何其他部位之前與下部電極接觸。電場不可避免地集中在兩電極的邊部。這將減少微機電系統開關的可靠性。
在根據本實施例的微機電系統裝置中，凹部21a在下部電極21的表面上被作成，且即使上部電極22的端部在任何其他部位之前彎曲，上部電極22的端部將不會與下部電極21接觸。即使上部電極22的端部向下彎曲，它們仍避免在任何其他部位接觸下部電極21之前去與下部電極21接觸。
根據本實施例之製造微機電系統裝置的方法將參照圖3A至圖3D被說明。圖3A至圖3D是相當於沿顯示於圖1的線B-B’之剖視圖。
首先，如圖3A所示，凸出層32係形成在支承基板10上，該支承基板10係由例如，矽所製成的基板11及形成在基板11上的絕緣膜12所構成。更精確地，氮化矽膜係形成在絕緣膜12的整個表面上，亦即，下層，且接著以例如，抗蝕圖案化及乾式蝕刻來加以處理。此時，氮
化矽膜具有幾乎相當於將被形成在下部電極21的上表面的階級之厚度。
更具體地，上部電極22的端部僅需具有一高度，當上部電極22在犧牲層(稍後描述)被移除之後而彎曲時，該高度係大的足以使其不會接觸下部電極21，且該高度係大的足以不去降低隨後將被形成之犧牲層的平坦度。氮化矽膜的高度係為例如，約100到400奈米。由於端部的高度係取決於犧牲層的厚度以及上部電極的厚度，此數值僅為一例子。
界定下部電極21的凸部之凸出層32的圖案，將被形成在除了邊部以外的整個上部電極22上，或將被形成在上部電極22的一些部位上。然而，若下部電極21具有約1微米的厚度，儘管其厚度係取決於形成它的方法，下部電極21係形成為各向同性的。在此情形下，因下部電極21的厚度，由凸出層32所界定的凹部及凸部相對於下部電極21的凹部及凸部而移位。因此，作為轉換差異，當氮化矽膜被圖案化時，下部電極21的厚度應該被納入考慮。由於作成在下部電極21中的凹部界定出上部電極22的彎曲部之寬度，在一些情況下，其可能從上部電極22的末端延伸數個微米。
凸出層32可能由導電性材料所製成，而非由絕緣膜所製成。凸出層32可藉由圖案化一感光層而被形成。或者，凸出層32可藉由選擇性的化學蒸汽沉積(CVD)法而被形成在支承基板10上。例如，矽(Si)可被選擇性
地形成於支承基板10上，並接著使用六氟化鎢(WF6)執行化學蒸汽沉積。在此情況下，以矽作為催化劑，鎢膜增長且可被用作為凸出層32。
接著，電極材料(例如，鋁合金)層被形成在整個表面以形成下部電極及連接到下部電極的接線。此層接著被圖案化，形成下部電極21。該層可藉由例如，使用抗蝕劑及電極材料層的各向異相蝕刻之圖案轉移而被圖案化。此時，凹部及凸部係以符合形成在下部電極21下的凸出層32之圖案而形成在下部電極21的上表面。亦即，凹部21a係作成在下部電極21之將設置在上部電極22的端部下方的部分中。上面所描述的所有錨部24及錨部26可被形成在與下部電極21相同之處。
接著，如圖3B所示，形成將作為電容器絕緣體的絕緣膜(例如，氮化矽膜)31，覆蓋下部電極21的外露表面。之後，由例如，聚亞醯氨之有機材料所製成的犧牲層41係藉由塗佈在構造的整個表面而被形成，以提供在下部電極21及上部電極22之間的一空間(供信號線及驅動線之用)。此時，在下部電極21的上表面的凹部及凸部(界定一階級)為不那麼凸出的。此外，有機材料具有流動性。因此，犧牲層41具有幾乎平坦的上表面。
接著，犧牲層41被圖案化以形成錨部(未示)，用於定位上部電極。犧牲層41係藉由例如，使用抗蝕劑及蝕刻之轉移而被圖案化。犧牲層41依需求而被固化。
此外，如圖3C所示，施加上部電極材料以形成一
層。該層被圖案化，形成上部電極22、驅動電極及偏壓線路(未示)、第二彈性部25等等。此時，相對於下部電極21的上部電極22之下表面的部分係為幾乎平坦的。
接下來，形成支承上部電極22的第一彈性部23(未示)。例如，氮化矽膜被形成在犧牲層41上，覆蓋上部電極22及錨部24。之後，氮化矽膜被圖案化，留下從上部電極22延伸到錨部24的部分。第一彈性部23可與上部電極22同時被形成。
接著，如圖3D所示，形成第二犧牲層42以提供在上部電極與薄膜圓頂之間的一空間。第二犧牲層42係以相同於第一犧牲層41的方式被形成並被圖案化，且接著被固化。此時，第二犧牲層42收縮，施加一力。該力使上部電極22的端部向下彎曲。此彎曲的程度(變形的程度)係取決於第二犧牲層42的厚度、收縮率和固化條件，以及上部電極22的厚度、剛性及圖案。
因此，膜係沉積來形成圓頂，並被圖案化以移除第一犧牲層41及第二犧牲層42。犧牲層41及42接著被移除，提供了上部電極22被支承在半空中的一構造。
上部電極22可以各種方式與下部電極21重疊。圖4A顯示如圖1所示之上部電極22具有一端部與下部電極21重疊。在此情況下，可在下部電極21之位在上部電極22的一端部下方的該部分中作成凹部21a(以粗虛線表示)。
圖4B顯示上部電極22具有兩相對端部與下部電極
21重疊。在此情況下，兩凹部21a可分別被作成在下部電極21之位在上部電極22的兩相對端部下方的該些部分中。
圖5顯示上部電極22的四個側部全部與下部電極21重疊的情況。在此情況下，凹部21a被作成在下部電極21的所有側部中。
在此實施例中，凸出層32係形成在支承基板10上，符合上部電極22的圖案。凹部21a因此在上部電極22的端部位在下部電極21上方的位置被作成在下部電極21中。因此，即使與下部電極21共同構成一電容器的上部電極22之端部朝向下部電極21彎曲，仍可避免上部電極22的端部在任何其他部位接觸下部電極21之前去接觸下部電極21。這可以防止在上部電極22及下部電極21之間形成空氣層，且靜電電容將永遠不會減少到設計值之下。因此，根據本實施例的各種電容器在電容特性方面有其過人之處。
當所施加的電壓改變時，電容不會變化。這有助於提高產物產率。此外，若該實施例被應用到一開關上，由於電場不會集中在電極的邊緣部，該開關將獲得高的可靠性。
圖6為顯示根據第二實施例之構成微機電系統裝置的主要部件的剖視圖。相同於在圖1、圖2A及圖2B中所顯
示的元件之元件係指定為相同的參考號碼，且將不再詳細描述。
此實施例不同於上述的該第一實施例之處為，凹部及凸部在支承基板的表面被作成，以取代形成凸出層。亦即，凹部12a被作成在支承基板10的絕緣膜12的表面中，與上部電極22的端部對齊。
更明確地，凸出構造被形成在支承基板10的絕緣膜12，以在下部電極21的上表面形成階級。首先，絕緣膜12的表面係被抗蝕圖案化及蝕刻。該蝕刻可能為例如，乾式蝕刻或濕式蝕刻。接著，移除抗蝕劑，並形成具有凹部及凸部在其上表面的下部電極21。作成在絕緣膜12之上表面的階級具有類似於形成在第一實施例中的凸出層32的深度及圖案。之後，執行與在第一實施例中所執行的製造步驟相同之製造步驟。
因此，在此實施例中，凹部12a被作成在支承基板10的絕緣膜12的表面中。結果，凹部21a被作成在下部電極21的表面中，與凹部12a對齊。因此，即使構成電容器等等的上部電極22朝向下部電極21彎曲，上部電極22的端部將不會接觸下部電極21。此實施例因此可實現與第一實施例相同的優勢。
圖7及圖8為顯示根據第三實施例之構成微機電系統裝置的主要部件的剖視圖。相同於在圖1、圖2A及圖2B
中所顯示的元件之元件係指定為相同的參考號碼，且將不再詳細描述。
此實施例不同於上述的該第一實施例之處為，凹部及凸部藉由例如，蝕刻的方式在下部電極21的表面上被作成，而不需形成凸出層。
更明確地，下部電極21係形成在支承基板10上。接著，凹部及凸部在下部電極21的上表面被作成。例如，首先形成由下膜51及上膜52所構成的下部電極21，並接著圖案化及蝕刻上膜52，因而作成凹部及凸部。更精確地，如同凹部21a的深度一般薄的上膜52係形成在相對厚的下膜51上，且上膜52接著在某些位置藉由例如，活性離子蝕刻(RIE)的方式被蝕刻，因此作成凹部及凸部。
另一方法為在下部電極21上執行抗蝕圖案化，如圖8所示，並接著執行蝕刻，在下部電極21的上表面作成凹部及凸部。凹部及凸部是形成在下部電極的圖案化之前或之後是無關緊要的。此外，覆膜可在例如，蝕刻之後，被形成。之後，將執行與第一實施例中所執行的製造步驟相同之製造步驟。
在此實施例中，凹部及凸部在下部電極21的表面被作成，且作成在下部電極21的表面中的凹部21a與上部電極22的端部對齊。這可避免上部電極22的端部去接觸下部電極21。因此，第三實施例可實現與第一實施例相同的優勢。
本發明並不限於上面所描述的實施例。
如圖9所示，第二及第三實施例可被結合，因而形成凸出層32且下部電極21在表面可被處理。此外，若上部電極22的兩端部均與下部電極21重疊，如圖10及圖11所示，凹部21a可被作成在下部電極21，與上部電極22的兩端部對齊。如圖10所示，下部電極21在左端相對於上部電極22僅有一點點延伸。因此，不是凹部21a，而是階級21b被形成在下部電極21的左端。故，在相較於下部電極21的中央部分之一較低水平的階級，而非凹部，係可被形成在下部電極21相對於下部電極21之端部的任何端部。如圖11所示，凹部21a係作成於下部電極21相對於上部電極22的端部之兩端部中。在上部電極22形成之前，凹部21a相較於階級21b係更有效地使犧牲層平坦化。
支承基板並不限制於由矽基板及形成於矽基板上的矽氧化膜所組成的一基板。由例如，玻璃所製成的絕緣基板可被使用來取代之。此外，設置於上部電極的樑部不需由與上部電極之材料不同的材料所製成。相反地，其可由與上部電極的材料相同的材料所製成，且可在上部電極形成的同時被形成。
上面所描述的任何實施例均為以由施加在上部及下部電極之間的電壓所產生的靜電力來驅動的一種裝置。然而，本發明可被應用於一種微機電系統構造，其係具有由
不同材料所製成且相互重合的電極，且該微機電系統構造係藉由該些電極所構成的層疊體所產生的壓電力來加以驅動。
上面所描述的任何實施例為微機電系統電容器。然而，本發明可被應用於微機電系統開關。在此情況下，形成在下部電極上的電容器絕緣膜的一部分，例如，接觸上部電極的部分，係藉由圖案化及蝕刻的方式而移除，因而暴露出下部電極的表面。因此，上部電極及下部電極構成一開關。當該等電極分別被上部及下部驅動電極所驅動時，此構造係運作為一開關。
上面所描述的任何實施例均具有兩個電極，亦即，下部電極與上部電極。然而，本發明可被應用於具有三個或多個電極(例如，固定上部電極、固定下部電極、及可動中間電極)的微機電系統裝置。此外，每一電極可依所需的靜電電容被設置為任何大小。
此外，即使在不具有凸出層於下部電極下方的配置中，所選擇的化學蒸汽沉積法可被使用，其中形成下部電極的速度被改變，因而改變膜的厚度。例如，矽膜可被選擇性地形成或暴露在支承基板的表面，並接著使用六氟化鎢作為材料氣體來執行化學蒸汽沉積法，因而使鎢以矽為催化劑而成長。
雖然特定的實施例已經被描述，但這些實施例僅作為例子的方式被提出，並且不打算限制本發明的範圍。事實上，在此描述的新穎的實施例可被以各種其他形式實施；
此外，在不背離本發明的精神之下，可作成在此所描述的實施例之形式的各種省略、替代及變化。所附的申請專利範圍及其等效物係意圖涵蓋這樣的形式或修改，只要它們是落在本發明的精神之範圍內。
21‧‧‧下部電極
22‧‧‧上部電極
23‧‧‧第一彈性部(樑部)
24‧‧‧錨部
25‧‧‧第二彈性部
26‧‧‧錨部
Claims (17)
- 一種微機電系統裝置，包括：第一電極，設置在支承基板上；第二電極，相對於該第一電極，該第二電極具有由上方觀之與該第一電極重疊的至少一端部，且能夠在相對於該第一電極的方向上移動；以及樑部，設置在該支承基板上且支承該第二電極，其中，相較於該第一電極相對於該第二電極的中央部分之部分的表面，該第一電極相對於該第二電極的該端部之部分的表面係設置在一較低的水平。
- 如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中在該第二電極的該端部重疊於該第一電極之該第一電極的一區域作成有一凹部。
- 如申請專利範圍第2項之微機電系統裝置，其中該第一電極的該凹部已藉由蝕刻該第一電極的表面而被作成。
- 如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，更包括形成在該支承基板及該第一電極之間的凸出層，以在該第一電極的表面上設置階級。
- 如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中階級係形成在該支承基板的表面，以在該第一電極的表面上設置階級。
- 如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該第一電極係由形成在該支承基板上的下層及布置在該下層 上的上層所構成，且該上層係形成在該第二電極的該端部與該第一電極重疊的區域之外。
- 如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該第二電極的該端部向下彎曲。
- 如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該第二電極的兩端部均與該第一電極重疊。
- 如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該第二電極的四個側部均與該第一電極重疊。
- 如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該第二電極的端部向下彎曲，且在該第一電極中作成一凹部，該凹部係位於該第二電極的該端部與該第一電極重疊的區域內。
- 如申請專利範圍第10項之微機電系統裝置，其中該第一電極的該凹部已藉由蝕刻該第一電極的表面而被作成。
- 如申請專利範圍第10項之微機電系統裝置，更包括形成在該支承基板及該第一電極之間的凸出層，以在該第一電極的表面設置階級。
- 如申請專利範圍第10項之微機電系統裝置，其中階級係形成在該支承基板的表面，以在該第一電極的表面上設置階級。
- 如申請專利範圍第10項之微機電系統裝置，其中該第一電極係由形成在該支承基板上的下層及布置在該下層上的上層所構成，且該上層係形成在該第二電極的該端 部與該第一電極重疊的區域之外。
- 如申請專利範圍第10項之微機電系統裝置，其中該第二電極的兩端部均與該第一電極重疊。
- 如申請專利範圍第10項之微機電系統裝置，其中該第二電極的四個側部均與該第一電極重疊。
- 一種微機電系統裝置的製造方法，包括：在支承基板上形成第一電極，該第一電極具有在表面的一部分的凹部；形成覆蓋該第一電極的犧牲層；在該犧牲層上形成第二電極，該第二電極具有一區域，該區域與該第一電極中所作成的該凹部重疊，且其中該第二電極的至少一端部係與該第一電極中所作成的該凹部對齊；以及在該第二電極被形成之後，移除該犧牲層。
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