具有撓性和自由開關膜的rfmems開關的製作方法

2023-10-26 12:42:57

專利名稱：具有撓性和自由開關膜的rf mems開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及由微電子機械系統(MEMS)實施的射頻(RF)開 關的技術領域。
背景技術：
微電子機械系統(MEMS)開關現在廣泛地用於射頻(RF)通 信系統，例如相位陣列天線、移相器、可開關調諧部件，等等。RF MEMS開關本質上是使用電驅動的機械運動以便實現RF傳 輸線中的短路或斷路的小型化器件。RF MEMS開關因此本質上包括 兩個不同裝置-微機械裝置，其將一般地稱作"開關裝置"，並且能夠被移動 到兩個不同位置對應於開關的斷開狀態即其中傳輸線被斷開且不能 用於傳輸RF信號的狀態的斷開位置，以及對應於開關的接通狀態即 其中傳輸線被"閉合"且能夠用於傳輸RF信號的狀態的接通位置。—電裝置，其將一般地稱作"驅動裝置"，所述電子驅動裝置一 般地用於產生施加到機械開關裝置上以便將後者移動到它們的接通位 置和/或它們的斷開位置的力。可以基於所使用的電驅動裝置即靜電的、電磁的、壓電的或電熱 的驅動裝置將MEMS RF開關分成幾個類別。靜電驅動是至今在用 的盛行技術，因為它能夠達到更短的開關時間(典型地小於200ns) 以及近乎零功耗。此外，在RF MEMS開關設計中，可以組合不同 的驅動技術(例如，靜電電壓保持可以結合熱驅動)。也可以基於用於開關傳輸線的接觸將MEMS RF開關分成兩個 類別即"金屬-金屬接觸開關"或"電容性接觸開關"。所謂的金屬-金屬 接觸開關(也稱作"歐姆接觸開關")典型地用於開關DC 60GHz的
信號。電容性開關更特別地用於開關6GHz 120GHz的RF信號。 至今為止，也可以基於它們的微機械開關裝置的結構將MEMSRF開關分成兩個主要類別。第一主要類別包括其微機械開關裝置包括錨定在開關的襯底上的撓性膜的RF MEMS開關。第二類別包括其微機械開關裝置包括自由地裝配在開關的村底上的無應力剛性梁的RF MEMS開關。 具有撓性錨定膜的RF MEMS在第一配置中，撓性膜在兩個末端錨定在襯底上，因此形成橋 梁。使用撓性橋梁作為開關元件的MEMS開關例如在下面發表物中 公開美國專利申請2004/0091203號，美國專利6，621，387號，歐洲 專利申請EP 1343189， PCT申請WO 2004/076341。在第二配置中，撓性膜僅在一個末端錨定在襯底上，因此形成懸 臂。使用撓性懸臂膜作為開關元件的MEMS開關例如在美國專利 5，638，946號中公開。具有撓性錨定膜(橋梁或懸臂)作為開關元件的RF MEMS開 關的使用遇到以下主要缺點。這些開關對於溫度變動以及襯底的機械 和/或熱變形是非常敏感的(第一主要缺點)。在驅動過程中，當錨 定開關膜在驅動裝置所產生的力之下變形時，所述膜受到高的機械應 力，這又顯著地降低RFMEMS開關的壽命(第二主要缺點)。具有無應力剛性梁的RF MEMS開關具有無應力剛性梁的RF MEMS開關例如在歐洲專利申請EP 1489639中公開。在該發表物中，開關元件是能夠在平行於襯底的平 面內在接通位置和斷開位置之間自由地移動的剛性梁。在另一個變型 中，剛性梁可以是能夠在垂直於村底的方向上在接通位置和斷開位置 之間自由地移動的浮式梁。該類型的開關有利地克服具有錨定開關膜的RF MEMS開關的 上述缺點。作為回報，具有無應力剛性開關梁的這些RF MEMS開 關具有較長的開關時間(即在接通位置和斷開位置之間移動開關梁所 需的時間)。此外，它們對於機械衝擊或振動更敏感
發明內容
發明的主要目的在於提出RFMEMS開關的新結構。發明的另一個目的在於提出克服使用錨定開關膜的RF MEMS 開關的上述缺點的新RF MEMS開關。發明的另一個目的在於提出與具有無應力剛性開關梁的上述RF MEMS開關相比具有短的開關時間的新RF MEMS開關。發明的另一個目的在於提出與具有無應力剛性開關梁的上述RF MEMS開關相比對於機械衝擊或振動較不敏感的新RF MEMS開 關。發明概要至少上面的主要目的通過權利要求1的RF MEMS開關獲得。 發明的RF MEMS開關包括—微機械開關裝置，其能夠在兩個位置之間受驅動第一位置 (斷開狀態)和第二位置(接通狀態)，以及—驅動裝置，其用於驅動開關裝置的位置。才艮據發明的一個主要新特徵，微機械開關裝置包括由支撐裝置自 由地支撐的，在驅動裝置的動作下可彎曲的，並且在其彎曲運動過程 中能夠相對於支撐裝置(3)自由地滑動的撓性膜。這裡(在說明書中和在權利要求書中)所使用的措詞"自由地支 撐"意指開關膜能夠在斷開位置和接通位置之間的膜的開關運動過程 中相對於支撐裝置自由地滑動。


當閱讀下面的作為非詳盡的和非限制的例子並且參考附圖而做出 的詳細描述時，發明的其他特徵和優點將變得更清楚，其中一圖1是發明的電容性RF MEMS開關的剖視圖(圖3的平面 1-1中)，開關處於斷開狀態，-圖2是圖l的開關的剖視圖，開關處於接通狀態， -圖3是電容性RFMEMS開關的頂視圖，以及 -圖4是在製造過程中且剛好在最終釋放步驟之前的開關的剖 視圖。
具體實施方式
圖1~3顯示根據發明的優選實施方案製造的電容性RF MEMS 開關。為了清楚起見，但是必須強調發明的範圍不限於電容性RF MEMS開關，而是也包括歐姆接觸RF MEMS開關。圖1 3的電容 性RF MEMS開關具有現在將詳述的新結構，並且能夠通過使用常 規的表面微機械加工技術來製造。參考圖1， RF MEMS開關包括形成開關的襯底的晶片1 (例 如，由矽製成)。薄的電介質層2沉積在所述晶片1的表面上。在電 介質層2上，開關包括—兩個隔開且平行的側部支撐元件3，其在圖1的橫斷方向上 延伸(參看圖3-方向Y)。——個中央支撐元件4，其在基本平行於側部支撐元件3的主 方向的方向上延伸(即在圖1的橫斷方向上-參看圖3),所述中央 支撐元件4布置在兩個側部支撐元件3之間，並且優選地處於側部支 撐元件3之間的中央。與側部支撐元件3形成對比，中央支撐元件4的上表面由薄的電 介質層5覆蓋。兩個側部支撐元件3和電介質層2形成共面波導(CPW)，兩 個側部支撐元件3對應與地面線。中央支撐元件4形成RF電信號在 共面波導(CPW)中傳輸的信號線。側部和中央支撐元件3， 4例如由金屬例如金製成。層2和5的 電介質材料可以是具有非常低的導電性的任何材料，特別地是聚合 物。例如，電介質層2和5由氮化珪製成。RF MEMS開關還包括由薄的撓性膜6構成的電容性開關元件， 該撓性膜6由金屬例如鋁、金或任何導電合金製成。撓性開關膜6至 少由側部支撐元件3自由地支撐。參考圖3，撓性開關膜6具有主要的中央部件6a以及板形式的 兩個相對末端6b。在附圖的特定實施方案中，中央部件6a是矩形 的，並且在側部支撐元件3上方在橫向(X)上延伸。板6b具有在 支撐元件3的縱向(Y)上獲取的尺寸(E )，其大於矩形部件6a的 寬度(e)。撓性膜6的形狀對於發明不是重要的。每個支撐元件3在其頂部還包括形成通道3b的橋梁部分3a，通 過通道3b自由地布置膜的中央部件6a。膜的板6b結合橋梁部分3a 用作使膜保持在支撐元件3上但不會妨礙膜6在開關的正常使用過程 中相對於支撐元件3自由地移動的扣緊裝置。RF MEMS開關還包括靜電驅動裝置，其用於使膜6彎曲，並且 由兩個側部掩埋電極7形成。在圖1~3的優選實施方案中，掩埋電 極有利地布置在共面波導(CPW)外在開關膜6的兩個板6a下方。 每個電極7的頂表面由電介質層8覆蓋，以便避免膜板6b和電極7 之間的任何歐姆接觸。電介質層8可以用能夠避免膜板6b和電極7 之間的歐姆接觸的任何其他等效裝置代替。斷開狀態圖1顯示RF MEMS開關的斷開狀態配置。在該斷開狀態配置 中，沒有電驅動信號施加到電極7上。在斷開狀態中，開關膜6靜止並且與電介質層5接觸。信號線4 斷開並且不能在共面波導(CPW)中傳輸任何RF信號。優選地，DC信號施加到中央支撐元件4,以便在膜6上施加小 的靜電力(Fl)並且保持膜6和電介質層5之間的完美接觸。所述 的斷開狀態DC電壓可以有利地非常低(低消耗)。該偏置DC信號在當膜靜止時電介質層5和膜6之間存在非常小 的初始間隙的情況下也是有用的。在這種情況中，偏置DC信號的電 壓必須是足夠的，以便在膜6的中央部分上施加高於膜的反向安靜力 的接觸力F1 (圖1)。在斷開狀態位置中，膜6由三個支撐元件3， 4有利地支撐在穩
定位置中，因此與使用無應力剛性開關梁(發表物EP 1489639)的 RFMEMS開關相比，對於機械振動或衝擊較不敏感。
優選地，當膜6處於斷開狀態位置時，在板6b和側部支撐元件 3的橋梁部分3a之間仍然有小的間隙〔圖3-尺寸(d)〕。因此， 支撐元件3僅垂直地支撐膜6 (圖1的方向Z)，並且在平面 (X，Y)內在膜上不施加任何機械力。因此，當膜6處於斷開狀態位 置時，在膜6中沒有由側部支撐元件3引起的機械應力。
接通狀態
圖2顯示RF MEMS開關的接通狀態配置。在該接通狀態配置 中，膜6彎曲離開襯底1並且不再與電介質層5接觸，RF信號線能 夠用於傳輸RF信號。
在該彎曲狀態中，平面向外方向上的膜勁度增加，這又增加開關 膜6對振動或衝擊的抵抗力。
從斷開狀態到接通狀態
為了實現接通狀態配置，DC信號施加到電極7上，以便在電極 7和膜板6b之間產生靜電力(F2)。所述靜電力F2結合側部支撐元 件3引起膜的彎曲(圖2)，這樣，膜6的中央部分6a移離電介質 層5 (RF信號線閉合)。
必須強調，在膜6的該開關運動過程中(以及在從接通狀態到斷 開狀態的反向開關運動過程中)，膜6在所述支撐膜3的通道3b中 相對於支撐元件3完全自由地滑動。
由於膜6在開關操作過程中的該自由運動，與膜(橋梁或懸臂) 被鉗制在支撐結構上的現有技術的RF開關相比，在膜6中有較少的 由支撐元件3引起的機械應力。避免了在膜6的末端的由於周期應力 引起的機械疲勞和蠕變，並且與使用鉗制在村底上的膜的現有技術 RFMEMS開關相比，膜壽命因此有利地增加了。
由於膜6相對於支撐元件自由移動的亊實，當RF MEMS開關 受到溫度變動時，開關膜6的擴張和鬆弛不引起膜的額外彎曲。因 此，與使用鉗制在村底上的膜的現有技術RF MEMS開關形成對
比，發明的RFMEMS開關有利地不依賴於溫度。
此外，由於使用完全自由的膜6，所以結構不依賴於襯底(晶 片)曲率。特別地，例如在熱變動或其他機械約束下或在製造過程 中，襯底1的小的變形可以發生而不損害開關操作。因此，與使用鉗 制在襯底上的膜的現有技術RF MEMS開關相比，發明的RF MEMS 開關有利地對於襯底變形較不敏感。
一般地，在電容性RF MEMS開關中，由於電介質層的溼度或 靜電電荷，開關元件在斷開狀態中粘住電介質層是經常發生的。對於 發明的開關，由於使用用於將膜6移向接通狀態位置的驅動力(靜電 力F2),解決了膜粘在電介質層5上的問題。
從接通狀態到斷開狀態
當電極7上的DC接通狀態驅動信號低於預先確定的閾值(拔拉 電壓)時，靜電驅動力F2不再施加到膜6的末端(板6a)上，並且 膜6彎回圖1的斷開狀態位置中。膜6從接通狀態位置(圖2)到斷 開狀態位置(圖1)的運動膜6的恢復力引起，歸因於膜6的固有勁 度。
由於使用膜的固有勁度，從接通狀態位置到斷開狀態位置的運動 是非常快的且不需要高的電能。因此，與使用無應力剛性開關梁的 RF MEMS開關(發表物EP 1489639)相比，發明的RF MEMS開 關的開關時間(在圖1~3的特定實施方案的情況下從接通狀態到斷 開狀態)是非常短的且不需要電能。
圖4/製造工藝
可以通過使用常規的表面微機械加工技術(即通過在晶片上沉積 幾個層並製作圖案)來製造圖1 3的RFMEMS開關。
圖4顯示剛好在製造過程之後並且在釋放步驟之前的RF MEMS 開關。使用三個犧牲層9， 10和11。這些犧牲層可以由任何材料 (金屬、聚合物、電介質材料)製成。
一個第一犧牲層9用於將膜6沉積到電介質層2上。 一旦在最終 的釋放步驟中去除該犧牲層9，膜6的兩個板6b以及在側部支撐元
件3之間延伸的膜6的部分被釋放。其他犧牲層10和11用於從電介 質層5釋放膜6，並且形成側部支撐元件3 (地面線)。
在製造工藝過程中，膜6和電介質層5之間的距離(即犧牲層 10的厚度)是非常短的。典型地，該距離小於O.lfim。這有利地涉 及膜6和電介質層5的輪廓是相同的。因為在斷開狀態中膜6處於靜 止而且不變形並且膜6的輪廓與電介質層5的輪廓是相同的，那麼在 膜6的斷開狀態位置中在膜和電介質層5之間獲得完美的表面-表面 接觸。
發明不限於圖1~3的優選實施方案，而可以延伸到包括通過支 撐元件等自由地支撐在襯底上且在驅動裝置的動作下可彎曲的撓性開 關膜的所有RF MEMS開關。
驅動裝置優選地是靜電裝置，但不一定是靜電裝置。
發明允許製造具有非常低的驅動參數、非常快的開關和改善的 RF性能的電容性RF MEMS開關。發明更特別地且主要地關注於制 造能夠在非常高的RF信號頻率特別是高於25GHz的RF頻率下使 用的電容性RF MEMS開關。
但是，發明不限於電容性RF MEMS開關，而也能夠用於製造 歐姆接觸RF MEMS開關(通常也稱作"金屬-金屬接觸RF MEMS 開關")。在發明的歐姆接觸RF MEMS開關中，撓性且被自由支撐 的膜6例如被設計，以便在布置於側部支撐元件3之間的一個第一金 屬觸點和能夠例如與膜6永久接觸的第二金屬觸點之間的接通狀態位 置中形成短路。在斷開狀態位置中，膜不再與所述第一金屬觸點接 觸。
在電容性RF MEMS開關的情況中，電介質層5可以由膜6承 栽，而不一定由信號線4承載。可選地，電介質層既可以由信號線4 也可以由膜6承栽。
在圖1~3的優選實施方案中，驅動電極7布置在膜6下方(即 在電介質層2和膜6之間)以及在由側部支撐元件3形成的共面波導 (CPW)外部.電極的該特定位置涉及下面的優點。在接通狀態配
置中，有利地在用於驅動膜6的位置的靜電力(F2)和在共面波導 中傳輸的RF信號之間沒有相互作用的危險。因此，電極7的表面可 以是大的，並且施加到電極7上的"接通狀態電壓，，可以有利地是非常 低的。但是，電極7的該特定位置僅是發明的優選特徵。在發明的另 一個變形中，RF MEMS開關可以例如被設計，使得驅動電極7布置 在膜6上。
權利要求
1. 一種RF MEMS開關，其包括可以在第一位置(斷開狀態) 和第二位置(接通狀態)的兩個位置之間被驅動的微機械開關裝置、 以及用於驅動所述開關裝置的位置的驅動裝置，其特徵在於，所述微 機械開關裝置包括撓性膜(6)，該撓性膜由支撐裝置(3)自由地支 撐，在所述驅動裝置(7)的作用下可彎曲，並且在其彎曲運動過程 中相對於所述支撐裝置(3)可以自由地滑動。
2. 根據權利要求1的RF MEMS開關，其中所述撓性膜(6) 在所述第一位置和所述第二位置中的一個上，並且優選地在所述開關 斷開的所述第一位置(斷開狀態)上靜止。
3. 根據權利要求2的RF MEMS開關，其中所述RF MEMS開 關包括用於使所述膜(6)保持在其靜止位置的靜電裝置(4)。
4. 根據權利要求1~3中的任一項的RF MEMS開關，其中所 述膜(6)形成電容性開關元件。
5. 根據權利要求4的電容性RF MEMS開關，其中第一電介質 層(2)沉積在襯底(1)的表面上，其中所述電容性RF MEMS開 關還包括與所述第一電介質層(2)形成共面波導的兩個金屬支撐元 件(3)，並且其中所述膜(6)由所述兩個金屬支撐元件(3)自由 地支撐。
6. 才艮據權利要求5的電容性RF MEMS開關，其中每個支撐元 件(3 )包括通過它自由地布置所述開關膜(6 )的通道(3b )，並且 所述膜(6)在其兩個末端包括用於將所述膜(6)向所述支撐元件(3)扣緊但在所述膜的開關運動過程中不妨礙所述膜(6)相對於所述支撐元件(3)自由地滑動的兩個超尺寸部件(6b)。
7. 根據權利要求5或6的電容性RF MEMS開關，其中所述 RF MEMS開關包括布置在所述兩個金屬支撐元件(3)之間的且用 作RF信號的信號線的第三金屬支撐元件(4)，並且其中至少一個 第二電介質層(5)夾置在所述膜(6)和所述第三金屬支撐元件(4)之間。
8. 根據權利要求7的電容性RF MEMS開關，其中第二電介質 層(5)由所述第三金屬支撐元件(4)承栽。
9. 根據權利要求2和8的電容性RF MEMS開關，其中當所述 膜(6)處於靜止時所述膜(6)與所述第二電介質層(5)接觸。
10. 才艮據權利要求1~9中的任一項的RF MEMS開關，其中所 述驅動裝置是靜電裝置。
11. 根據權利要求5~9中的任一項的電容性RF MEMS開關， 其中所述驅動裝置是包括用於使所述膜彎離襯底(1)的兩個電極(7)的靜電裝置，並且，其中所述兩個電極(7)布置在所述襯底 (1)上且在所述共面波導外部。
全文摘要
一種RF MEMS開關，其包括由襯底(1)承載的可以在第一位置(斷開狀態/圖1)和第二位置(接通狀態)的兩個位置之間受驅動的微機械開關裝置，以及用於驅動開關裝置的位置的驅動裝置。微機械開關裝置包括由支撐裝置(3)自由地支撐的，在驅動裝置(7)的動作下可彎曲的，以及可以在其彎曲運動過程中相對於支撐裝置(3)自由地滑動的撓性膜(6)。
文檔編號H01H1/00GK101147223SQ200680009284
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月7日 優先權日2005年3月21日
發明者奧利弗·米萊特 申請人:德爾福芒斯公司