一種射頻mems開關(guān)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種射頻MEMS開關(guān)及其制造方法，屬于射頻MEMS技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]射頻微電子系統(tǒng)(Rad1Frequency Micro-Electro-Mechanical System，簡稱RFMEMS)是MEMS技術(shù)的一個重要分支，也是20世紀(jì)90年代以來MEMS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。RF MEMS是指采用MEMS技術(shù)制造RF器件、組件或子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對RF信號的控制。RF MEMS開關(guān)利用力學(xué)運(yùn)動來控制射頻信號傳輸?shù)耐〝?，是RF MEMS器件和系統(tǒng)中最重要的一種基本元件。RFMEMS開關(guān)以其固有的近零驅(qū)動功耗、低插入損耗、線性和低交叉調(diào)制損耗等特性，在微波領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。它可以被用于波段切換開關(guān)、旁路開關(guān)、可重構(gòu)天線、相控陣通信系統(tǒng)、相控陣?yán)走_(dá)、移相器、高達(dá)120GHz的通信衛(wèi)星開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和無線通信系統(tǒng)中。現(xiàn)有的RF MEMS開關(guān)主要是靜電驅(qū)動的電容式開關(guān)和接觸式開關(guān)，其主要缺陷是:
[0003](I)靜電驅(qū)動的開關(guān)兩電極板的間距與驅(qū)動電壓之間的矛盾，要想得到高的隔離度，極板的間距不能太小，但此時驅(qū)動電壓就較高。
[0004](2)現(xiàn)有開關(guān)一般采用單觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，觸點(diǎn)因多次接觸打擊，導(dǎo)致開關(guān)可靠性差，且極易損壞。
[0005](3)RF MEMS開關(guān)通常采用器件級封裝技術(shù)，不僅成本高而且器件級封裝技術(shù)本身的長期可靠性差，也影響了開關(guān)的可靠性和壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種射頻MEMS開關(guān)及其制造方法，該射頻MEMS開關(guān)解決了現(xiàn)有開關(guān)驅(qū)動電壓高、壽命低、可靠性差的問題。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種射頻MEMS開關(guān)，包括:襯底、介質(zhì)層、驅(qū)動電極、隔離層、信號線、地線和蓋帽;所述信號線包括信號線輸入電極、柱狀錨點(diǎn)、兩個帶有轉(zhuǎn)折結(jié)構(gòu)的固定梁、橫梁、多觸點(diǎn)系統(tǒng)和信號線輸出電極;其中每個固定梁至少有六個轉(zhuǎn)折部分；
[0008]襯底上設(shè)置有介質(zhì)層，介質(zhì)層上設(shè)置有驅(qū)動電極、信號線輸入電極、信號線輸出電極和地線，信號線輸入電極上加工有柱狀錨點(diǎn)，兩個固定梁的一端均固定在柱狀錨點(diǎn)的上表面，兩個固定梁另一端與橫梁的固定端連接，兩個固定梁與橫梁高度相同且上表面平齊，橫梁上設(shè)計(jì)有網(wǎng)孔，橫梁自由端的下方對應(yīng)有多觸點(diǎn)系統(tǒng)，所述多觸點(diǎn)系統(tǒng)位于信號線輸出電極上;驅(qū)動電極插入橫梁下方，且位于橫梁下方的部分上加工有隔離層；
[0009]地線包含第一地線、第二地線和第三地線，第一地線和第二地線分別位于信號線的兩側(cè)，其中，第二地線被驅(qū)動電極隔開，通過位于驅(qū)動電極上的第三地線相連接；
[0010]蓋帽為尺寸與襯底相匹配的實(shí)心體，蓋帽與襯底鍵合連接，蓋帽上與信號線相對應(yīng)的位置開有凹槽，用于為橫梁提供運(yùn)動空間，蓋帽上加工有五個通孔，分別與信號線輸入電極、信號線輸出電極、第一地線、第二地線和驅(qū)動電極對應(yīng)。
[0011]所述襯底和蓋帽的材料均為電阻率大于4000Ω.cm的娃，介質(zhì)層的材料為二氧化硅，驅(qū)動電極的材料為金或鋁，隔離層的材料為氮化硅，信號線輸入電極、錨點(diǎn)、固定梁、橫梁、多觸點(diǎn)系統(tǒng)、信號線輸出電極以及地線的材料為金。
[0012]所述每個固定梁的轉(zhuǎn)折部分均為直角。
[0013]制造所述射頻MEMS開關(guān)的方法，包括以下步驟:
[0014](一)選擇電阻率大于4000Ω.cm的硅作為襯底；
[0015](二)在襯底上通過熱氧化的方法生成一層二氧化硅，利用光刻和刻蝕技術(shù)在二氧化硅層上形成介質(zhì)層；
[0016](三)通過濺射技術(shù)在介質(zhì)層上濺射一層金或鋁，利用光刻和刻蝕技術(shù)在介質(zhì)層上形成驅(qū)動電極；
[0017](四)利用LPCVD的方法在介質(zhì)層上生成一層氮化硅，利用光刻和刻蝕技術(shù)在驅(qū)動電極上形成隔離層；
[0018](五)利用濺射的方法在介質(zhì)層上生成一層金，通過光刻技術(shù)完成介質(zhì)層上信號線輸入電極、信號線輸出電極、第一地線和第二地線的圖形化設(shè)計(jì)，利用電鍍的方法在所述圖形化區(qū)域生成一層金，然后采用刻蝕的方法在介質(zhì)層上形成信號線輸入電極、信號線輸出電極、第一地線和第二地線，其中第二地線包括兩部分，分別位于驅(qū)動電極兩側(cè)；
[0019](六)通過光刻技術(shù)在信號線輸入電極的一端完成柱狀錨點(diǎn)的圖形化設(shè)計(jì)，在第二地線上完成第三地線的圖形化設(shè)計(jì)，在信號線輸出電極上完成多觸點(diǎn)系統(tǒng)的圖形化設(shè)計(jì)，利用電鍍的方法在所述圖形化區(qū)域生成一層金，然后采用刻蝕的方法在介質(zhì)層上形成柱狀錨點(diǎn)，在第二地線上形成第三地線，在信號線輸出電極上形成多觸點(diǎn)系統(tǒng)；
[0020](七)通過旋涂的方法形成一層聚酰亞胺，然后通過光刻技術(shù)完成轉(zhuǎn)折彎曲結(jié)構(gòu)的固定梁、橫梁、橫梁上的網(wǎng)孔的圖形化設(shè)計(jì)，利用電鍍的方法在圖形化區(qū)域生成一層金，然后采用刻蝕和聚酰亞胺釋放的方法形成固定梁、橫梁和橫梁上的網(wǎng)孔；
[0021 ](八)選擇電阻率大于4000 Ω.cm的硅制成尺寸與襯底相匹配的實(shí)心體作為蓋帽；
[0022](九)通過刻蝕、腐蝕或噴砂的方法在蓋帽上與信號線對應(yīng)的位置加工凹槽；
[0023](十)通過刻蝕、腐蝕或噴砂的方法在蓋帽上形成五個通孔，所述五個通孔分別與信號線輸入電極、信號線輸出電極、第一地線、第二地線和驅(qū)動電極相對應(yīng)；
[0024](十一)將襯底和蓋帽在真空環(huán)境下進(jìn)行硅-硅鍵合，形成鍵合片。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0026](I)本發(fā)明的射頻MEMS開關(guān)，由固定梁和橫梁一起構(gòu)成懸臂梁，固定梁為轉(zhuǎn)折結(jié)構(gòu)，且?guī)в兄辽倭鶄€轉(zhuǎn)折部分，橫梁上有網(wǎng)孔，這種懸臂梁的設(shè)計(jì)降低了懸臂梁的彈性系數(shù)，從而降低了射頻MEMS開關(guān)的驅(qū)動電壓。
[0027](2)本發(fā)明的射頻MEMS開關(guān)采用多觸點(diǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，較傳統(tǒng)使用單觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)，明顯改善了觸點(diǎn)因多次接觸打擊引起的可靠性差的問題，提高了開關(guān)的壽命和可靠性。
[0028](3)本發(fā)明的射頻MEMS開關(guān)，采用硅-硅雙層結(jié)構(gòu)，通過硅蓋帽保護(hù)開關(guān)的懸臂梁不受環(huán)境影響，提高了開關(guān)的可靠性和壽命。
[0029](4)本發(fā)明襯底和蓋帽選用電阻率大于4000 Ω.cm的高阻硅，這種高阻硅屬于絕緣介質(zhì)基片，電導(dǎo)率低，從而使電磁波在介質(zhì)基片上的損耗較小，固定梁和橫梁的材料為金，金的彈性模量較低，有效降低了懸臂梁的彈性系數(shù)，從而有效降低了射頻MEMS開關(guān)的驅(qū)動電壓。
[0030](5)本發(fā)明MEMS開關(guān)制造方法中，襯底和蓋帽在真空環(huán)境下進(jìn)行硅-硅鍵合，這種方法便于實(shí)現(xiàn)圓片級封裝，從而實(shí)現(xiàn)批量封裝，降低了成本，同時由于襯底和蓋帽進(jìn)行鍵合后可以給開關(guān)提供長期的真空度，保護(hù)懸臂梁運(yùn)動不受外界環(huán)境的影響，從而提高了開關(guān)的可靠性和壽命。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明射頻MEMS開關(guān)示意圖，其中IA和IB分別為側(cè)視圖和剖面圖；
[0032]圖2為本發(fā)明制造方法中步驟(1)-(7)的工序完成后的硅襯底剖面示意圖，其中2A為襯底剖面示意圖，2B為形成介質(zhì)層后的剖面示意圖，2C為形成驅(qū)動電極后的剖面示意圖，2D為形成隔離層后的剖面示意圖，2E為形成信號線輸入電極和信號線輸出電極的剖面示意圖，2F為形成柱狀錨點(diǎn)和多觸點(diǎn)系統(tǒng)的剖面示意圖，2G為形成固定梁、橫梁和網(wǎng)孔的剖面示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明制造方法中步驟(8)-(10)的工序完成后的硅帽剖面示意圖，其中3A為蓋帽的剖面示意圖，3B為在蓋帽上形成凹槽的剖面示意圖，3C為帶有凹槽和部分通孔的蓋帽剖面示意圖；
[0034]圖4為利用本發(fā)明制造方法制造完成的射頻MEMS開關(guān)剖面示意圖；
[0035]圖5為本發(fā)明中固定梁8的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]本發(fā)明提出一種射頻MEMS開關(guān)，包括:襯底2、介質(zhì)層3、驅(qū)動電極4、隔離層5、信號線輸入電極6、柱狀錨點(diǎn)7、兩個帶有轉(zhuǎn)折結(jié)構(gòu)的固定梁8、橫梁9、多觸點(diǎn)系統(tǒng)11和信號線輸出電極12、地線13和蓋帽14。如圖1為本發(fā)明的射頻MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖，IA為其側(cè)視圖，IB為其沿圖1A的AB-A’B’截面的剖面圖。
[0037]其中每個固定梁8包括至少6個轉(zhuǎn)折部分，如圖5所示給出了本發(fā)明固定梁8的一種結(jié)構(gòu)，其中轉(zhuǎn)折部分為直角，一個固定梁有7個直角轉(zhuǎn)折部分，將固定梁分為8段。轉(zhuǎn)折結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)降低了橫梁9的彈性系數(shù)。
[0038]襯底2上有介質(zhì)層3，介質(zhì)層3上分布有驅(qū)動電極4、信號線輸入電極6、信號線輸出電極12、地線13。信號線輸入電極6上加工有柱狀錨點(diǎn)7，兩個固定梁8的一端均固定在柱狀錨點(diǎn)7上表面，固定梁8是橫梁9的固定端，且固定梁8與橫梁9高度相同且上表面平齊，固定梁8和橫梁9構(gòu)成懸臂梁，橫梁9上有網(wǎng)孔10，橫梁9自由端的下方對應(yīng)有多觸點(diǎn)系統(tǒng)11，多觸點(diǎn)系統(tǒng)11與信號線輸出電極12相連，且位于信號線輸出電極12上。信號線輸入電極6、柱狀錨點(diǎn)7、固定梁8、橫梁9、多觸點(diǎn)系統(tǒng)11和信號線輸出電極12共同構(gòu)成了信號線，地線13包含第一地線13a和第二地線13b，第一地線13a和第二地線13b分別位于信號線的兩側(cè)，其中，地線13b被驅(qū)動電極4隔開，通過位于驅(qū)動電極4上的第三地線13c相連接。信號線與地線13共同構(gòu)成了共面波導(dǎo)線。驅(qū)動電極4插入橫梁9下方，且位于橫梁9下方的部分上加工有隔離層
5。驅(qū)動電極4施加驅(qū)動電壓時，橫梁9與多觸點(diǎn)系統(tǒng)11接觸，所述信號線導(dǎo)通。
[0039]蓋帽14為尺寸與襯底2相匹配的實(shí)心體，蓋帽14與襯底2鍵合連接，蓋帽14上與信號線相對應(yīng)的位置開有凹槽16，用于為橫梁9提供運(yùn)動空間，蓋帽14上加工有信號輸入端通孔15a、信號輸出端通孔15b、第一地線通孔15c、第二地線通孔15d和驅(qū)動電極通孔15e，其中信號輸入端通孔15a的位置對應(yīng)信號線輸入電極6的一端，信號輸出端通孔15b的位置對應(yīng)信號線輸出電極12的一端，第一地線通孔15c的位置對應(yīng)第一地線13a的一端，第二地線通孔15d的位置對應(yīng)第二地線13b的一端，驅(qū)動電極通孔15e的位置對應(yīng)驅(qū)動電極4的一端。
[0040]所述的襯底2和蓋帽14的材料為高阻硅，電阻率大于4000 Ω.cm，屬于絕緣介質(zhì)基片，電導(dǎo)率低能夠保證電磁波在介質(zhì)基片上的損耗較小。介質(zhì)層3的材料為二氧化硅，驅(qū)動電極4的材料為金或鋁，隔離層5的材料為氮化硅，是較好的絕緣介質(zhì)材料。信號線輸入電極
6、柱狀錨點(diǎn)7、固定梁8、橫梁9、多觸點(diǎn)系統(tǒng)11、信號線輸出電極12、地線13的材料為金