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具有可移动厚隔膜的微机电系统结构的制作方法

文档序号:9927237
具有可移动厚隔膜的微机电系统结构的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本本发明涉及微机电系统(MEMS),具体地说,涉及射频微子机系统(RF MEMS)开关与包括厚隔膜的电容器。
【背景技术】
[0002]微机电系统(MEMS)用于各种应用中,被用作传感器、致动器或无源器件。RF MEMS尤其用于诸如无线电传输的射频应用中,以及在诸如移动通信的各种行业中。在移动电话中,例如,RF MEMS可以用于RF前端以便天线调谐或天线切换。与诸如固态器件的其它技术相比,MEMS部件为这些应用提供了较强的技术优点,诸如非常低的插入损耗、在切换情形中的高绝缘、以及非常高的线性度(在IIP3中国足球协会超级联赛过70dB)。
[0003]更具体地说关于RFMEMS开关,致动原理在全部现有技术中保持相同:传导传输线通过机电致动或者打开或者闭合。传输线的闭合可以例如利用传导元件实现,此传导元件特征在于梁、桥或膜定位在与彼此分离的传输线的两个传导端距离较短处以便避免传输线中的电传导。梁、桥或隔膜然后可以被机电地致动,使得该特征的传导元件例如通过欧姆接触缩短了传输线的两个传导端之间的回路,由此形成传导线并且由此闭合开关。
[0004]如前所述,支撑传导元件的部分可以是梁(锚定在一端)、桥(锚定在两端)或者隔膜(或者自由或者特征在于几个锚定件)。根据实施方式,隔膜完全地释放并且可以通过支柱与止动件保持隔膜(参见EP1705676A1和EP2230679A1)。
[0005]在图1中示出了包括自由支撑隔膜的已知的MEMS开关结构的实例。为了使自由支撑隔膜I弯曲,MEMS结构10包括适于使柔性隔膜弯曲以便降低隔膜的功能部分的电致动装置。隔膜的功能性部分是在两个柱之间的隔膜的部分下方的传导元件8并且这缩短了闭合模式中的传输线。电下降致动装置通常地由定位在隔膜I下方的外部致动电极2A构成,当致动电压施加在电极2A上时,电极2A适于将静电推力直接地施加到柱之间的隔膜I。与作用在柱3上的杆结合的这些推力使得能够弯曲隔膜I。由于在隔膜下的接触,通过弯曲的隔膜实现了到传输线4的欧姆接触。传输线4可以适于传输射频信号。在示出的实例中,电极2、柱3与传输线4形成在相同的基板5上。为了返回到静止位置或者进入到隔离位置(其中传导元件与传导小区段之间的间隙最大的位置),电极2A的致动电压返回到O并且致动电极施加到外部电极2B,这将通过柱3实行杠杆作用,由此相反方向弯曲隔膜。应该指出的是自由支撑隔膜开关还可以用作电容式接触开关而非欧姆接触开关。
[0006]如可以通过图1看到,需要设置止动件6以便限制自由隔膜I沿着全部三个方向的移动。在通常应用中,隔膜的移动需要限定到一定Mi以便确保开关结构可靠且可重复的操作。
[0007]图1中示出的制造开关结构的传统方法包括在制造处理的完成阶段被移除的牺牲基层102(参见图2a)上形成隔膜层101。接着,牺牲层103形成在隔膜层101上以及未被隔膜层101覆盖的牺牲基层102部分上(参见图2b)。在牺牲层103上形成止动件层并且蚀刻止动件层以便形成如图2c中所示的止动件104。在形成止动件104以后,移除牺牲层103(图2d)。此后或同时地移除牺牲基层102并且隔膜层101可以落在图1中示出的柱3上。
[0008]然而,MEMS器件,例如具有自由支撑隔膜I的MEMS开关的可靠操作,要求在现有技术中的中间部分(出于机械原因)中的隔膜I的厚度至少是3μπι。人们发现在如图2a至2d中示出的传统的处理中,用于可靠地覆盖隔膜层101的牺牲层103的必要厚度导致止动件104的每个与隔膜I的相应边缘之间的大约1.5μπι的侧向间距,导致隔膜的侧向自由移动间距大约3wii。自由支撑隔膜I的此相对大的侧向自由移动空间可以不利地影响MEMS开关的可靠操作。类似的推理使用于包括可移动以便调节电容的隔膜电极的可变电容器的操作。
[0009]由此,需要改进的MEMS器件及其制造方法,其中,与现有技术相比,增强了操作的可靠性。

【发明内容】

[0010]通过根据权利要求1的制造MEMS器件的方法解决了上述问题。此方法包括以下步骤,在牺牲基层上方(例如,上面)形成第一隔膜层,在第一隔膜层上方(例如,上面)形成第二隔膜层,其中第二隔膜层包括暴露第一隔膜层的侧向部分的凹入部;以及当操作MEMS器件时形成止动件以限定第一隔膜层的移动。原则上,通过第二隔膜层暴露的第一隔膜层的侧向部分可以通过任何其它材料层覆盖。根据本发明,隔膜设置为MEMS器件的移动元件,其包括除了在其中第二隔膜层中形成凹入部的一些侧向区域处的由第二隔膜层覆盖的第一隔膜层。凹入部可以沿着隔膜的纵向方向布置在第二隔膜层的边缘处(此外参见下面的详细描述)。这里,术语“纵向”表示隔膜的纵轴,然而术语“横向”表示其横轴。
[0011]通过第一隔膜层与止动件的机械接触限定包括第一隔膜层与第二隔膜层的隔膜的移动。在操作中,第一隔膜层可以与当与第一隔膜层接触时可以部分地延伸到第二隔膜层的凹入部中而不与第二隔膜层接触的止动件接触。通过止动件与第一隔膜层的边缘之间的间隙提供隔膜的自由移动距离。由于第一隔膜层薄于具有均匀厚度的常用隔膜,因此,与现有技术相比,由于在制造处理期间具有较薄厚度的牺牲层需要施加在隔膜上方,因此隔膜的自由移动距离可以减小,由此改进了操作的可靠性。
[0012]特别地,第二隔膜层可以形成为比第一隔膜层更厚。第一隔膜层可以以最多2μπι,尤其最多Um的厚度形成,并且第二隔膜层可以以至少2μπι的厚度形成。
[0013]根据实施方式,牺牲层(例如,由聚合物或其它介电材料制成)形成在第一隔膜层上方(例如,上面)以及在未被第一隔膜层覆盖的牺牲基层的部分上方,并且形成止动件包括在牺牲层上方形成止动件层并且例如通过蚀刻图案化止动件层以形成提供为限定第一隔膜层的移动的止动件。第一隔膜层的厚度确定牺牲层的厚度(参见下面的详细描述)以及由此在MEMS器件的操作过程中包括第一隔膜层与第二隔膜层的隔膜的自由移动距离。
[0014]此外,本发明方法可以包括移除,例如蚀刻在第一隔膜层的一部分上方的牺牲层以及在通过移除牺牲层的处理暴露的第一隔膜层的部分上方形成第二隔膜层。在此实施方式中,由于在形成第二隔膜层以前未被移除的牺牲层的部分,通过不被第二隔膜层完全地覆盖第一隔膜层,形成第二隔膜层的上述凹入部。
[0015]止动件与第二隔膜层可以以相同的处理步骤形成,由此加速并简化了整体处理。此外,止动件层与第二隔膜层可以由例如金属或电传导性合金的相同材料形成。根据另选实施方式,在移除第一隔膜层的部分上方(例如,在上面)的牺牲层以前,形成止动件层与止动件。
[0016]MEMS器件可以包括作为形成在基板上方的致动装置的电极。基板可以是硅晶片、绝缘体上硅薄膜、蓝宝石上硅薄膜、砷化镓、氮化镓、玻璃、石英、氧化铝或用于制造半导体装置任何其它材料。此外,基板可以被例如由氮化硅、二氧化硅、氧化铝或用于制造微电子装置的任何其它电介质层制成的绝缘材料薄层覆盖。另外,材料的功能层与功能性结构可以在制造隔膜层以前在诸如电连接、保护隆起或支撑支柱的所述晶片上。
[0017]止动件可以形成与基板机械接触,并且此方法还可以包括在基板上方形成柱与传输线(例如,由铝或金制成),并且其可以包括移除可以形成在柱上或上方的牺牲基层以及将第一隔膜层(以及由此形成在第一隔膜层上方的第二隔膜层)布置在柱上以允许包括第一隔膜层与第二隔膜层的隔膜的自由移动。
[0018]可以实行制造MEMS器件的方法的上述实例的步骤以便实现电容式MEMS开关或欧姆接触MEMS开关。另选地,可以实行制造MEMS器件的方法的上述实例的步骤以便实现MEMS电容器。在MEMS电容器的情形中,隔膜可以表不电容器的电极中的一个。
[0019]根据实施方式,此方法可以进一步包括在局部地在其上搁置隔膜的柱上方的区域和/或传输线上方的区域中,在第二隔膜层上方(例如,上面)形成第三隔膜层。在柱(尤其全部柱上方)中的一个上方的区域和/或传输线上方区域中,第三隔膜层可以形成在第一隔膜层上方,使得第三隔膜层仅部分地与第二隔膜层重叠。在柱中的一个上方(尤其是全部柱上方)的区域和/或传输线上方的区域中,第三隔膜层可以形成在第一隔膜层上方,使得第二隔膜层具有其中第三隔膜层不邻近其中形成第三隔膜层的区域的区域的区域。第三隔膜层可以沿着其宽度方向与柱和/或传输线(导线)重叠一定量,例如此重叠可以在柱/传输线的2倍宽度或I倍宽度以下。第三隔膜层可以形成在沿着柱的全部长度(沿着横向方向)或者仅部分地沿着柱延伸的区域中,并且可以完全地或部分地覆盖柱并且具有1/4到2倍于柱的宽度范围的宽度。第三隔膜层可以形成在沿着传输线
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