CN102543591A - Mems开关及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MEMS开关及其制作方法，所述MEMS开关包括：半导体衬底；位于半导体衬底上的开关腔体，所述开关腔体包括底部介质层以及顶部介质层；位于所述底部介质层的第一组开关触点；位于所述顶部介质层的第二组开关触点；还包括机械臂，所述机械臂包括固定于开关腔体底部介质层上的固定端以及悬浮的自由端，所述自由端上形成有掷刀；所述掷刀与第一组开关触点以及第二组开关触点的位置相对应；在开关腔体内施加驱动电场时，所述机械臂受到驱动电场作用而弯曲，使得掷刀接触第一组开关触点或第二组开关触点。本发明所述MEMS开关具有结构简单，反应灵敏，易于制造的特点。
Description
技术领域
本发明涉及微机电机械系统(MEMS)器件制造领域，尤其涉及一种单刀双掷的MEMS开关及其制作方法。
背景技术
微机电机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是一种可集成化生产，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路于一体的微型器件或系统。它是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。采用MEMS技术的微电子器件在航空、航天、环境监控、生物医学以及几乎人们所接触到的所有领域中有着十分广阔的应用前景。
相对于传统的机械结构，MEMS器件的尺寸更小，最大不超过一个厘米，甚至仅仅为数个微米，其中的器件层厚度就更加微小。由于采用了以硅为主的半导体材料，因此可大量利用半导体集成电路生产中的成熟技术、工艺，进行低成本的批量化生产。其中微机械结构作为传感、传动以及运动机构是MEMS器件的最重要的组成部分，微机械结构通常需要设置于封闭空间中，以避免收到外部环境影响，包括固定的支撑部分以及可活动且悬浮的自由端。当所述微机械结构受到外界磁场力或电场力的作用下发生弯曲，其自由端与封闭空间的不同区域相接触，而实现电性连接，所述MEMS器件便能够起到开关的作用。
开关根据结构的差别可以分为单刀单掷开关或单刀双掷开关，后者能起到路径切换的作用，因而在电路以及信号传输系统中具有广泛的应用，传统的单刀双掷开关器件体积较大，难以集成于芯片中。而利用MEMS器件制作单 刀双掷开关，能够极大的提高器件的集成度。更多关于单刀双掷的MEMS开关的内容，可以参见专利号为US60/561192的美国专利。
随着应用环境的日趋复杂以及器件的日益微缩，提供结构更为简单，制作更为容易，并更易于器件微缩的MEMS开关成为MEMS技术的发展方向之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有单刀双掷功能的MEMS开关及其制作方法，结构简单且易于生产制造。
本发明所述的MEMS开关，包括：
半导体衬底；位于半导体衬底上的开关腔体，所述开关腔体包括底部介质层以及顶部介质层；
位于所述底部介质层的第一组开关触点，包括第一输入触点以及第一输出触点；位于所述顶部介质层的第二组开关触点，包括第二输入触点以及第二输出触点；
还包括机械臂，所述机械臂包括固定于开关腔体底部介质层上的固定端以及悬浮的自由端，所述自由端上形成有掷刀；所述掷刀与所述第一组开关触点以及第二组开关触点的位置相对应；
在开关腔体内施加驱动电场时，所述机械臂受到驱动电场作用而弯曲，使得掷刀接触底部介质层将所述第一输入触点与第一输出触点电连接，或者接触顶部介质层将所述第二输入触点以及第二输出触点电连接。
可选的，所述机械臂为Z字形结构，其一端为固定端，另一端为自由端，所述固定端与自由端具有高度差。
所述底部介质层上形成有连接区，所述连接区与机械臂的固定端连接。
所述MEMS开关还包括形成于所述顶部介质层的上电极板以及形成于所 述底部介质层的下电极板，所述机械臂的自由端在垂直方向对准所述下电极板以及上电极板。
可选的，所述下电极板设置于所述底部介质层的表面，所述上电极板设置于所述顶部介质层相对于底部介质层的另一侧表面。
所述机械臂包括支撑结构以及导电电极，所述导电电极沿支撑结构表面自固定端向自由端延伸，且与所述掷刀绝缘。
可选的，所述机械臂为桥梁状结构，其两端为固定端，中部为自由端。所述底部介质层上形成有第一连接区以及第二连接区，所述第一连接区以及第二连接区关于所述第一组开关触点对称，且分别与机械臂的两固定端连接。
所述MEMS开关还包括形成于所述顶部介质层上并关于第二组开关触点对称的第一上电极板以及第二上电极板，形成于底部介质层上并关于第一组开关触点对称的第一下电极板以及第二下电极板；所述机械臂的自由端在垂直方向对准所述上述下电极板以及上电极板。
可选的，所述第一下电极板以及第二下电极板形成于所述底部介质层的表面，所述第一上电极板以及第二上电极板形成于所述顶部介质层相对于底部介质层的另一侧表面。
所述机械臂包括支撑结构以及第一导电电极、第二导电电极，所述第一导电电极以及第二导电电极沿所述支撑结构的表面，分别自机械臂的两固定端向中部自由端延伸，且均与所述掷刀绝缘。
本发明还提供了一种MEMS开关的制作方法，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成底部介质层；在所述底部介质层的表面形成第一组开关触点、下电极板以及连接区；
在上述半导体结构的表面形成图形化的下牺牲介质层，所述下牺牲介质层暴露出连接区以及部分底部介质层；
在所述下牺牲介质层的部分表面上形成与所述连接区连接的机械臂；
在上述半导体结构表面形成图形化的上牺牲介质层，所述上牺牲介质层与下牺牲介质层连接；
在所述上牺牲介质层表面形成顶部介质层；
在所述顶部介质层表面形成第二组开关触点、上电极板；所述第二组开关触点与第一组开关触点的位置相对应，所述上电极板与下电极板的位置相对应；
刻蚀所述顶部介质层形成若干暴露出上牺牲介质层的通孔，通过所述通孔，去除上牺牲介质层以及下牺牲介质层。
其中，所述在底部介质层表面形成第一组开关触点、下电极板以及连接区包括：
在底部介质层表面形成第一金属层；
刻蚀所述第一金属层形成第一组开关触点、下电极板以及连接区；
在上述半导体结构表面回填绝缘介质，提高底部介质层的表面高度；
进行化学机械研磨，使得底部介质层的表面与所述第一组开关触点、下电极板以及连接区的顶部平齐。
所述连接区位于下电极板相对于第一组开关触点的外侧，且所述连接区、下电极板以及第一组开关触点与后续形成的机械臂的位置相对应。
所述形成下牺牲介质层包括：
在底部介质层表面形成第一牺牲层；
刻蚀所述第一牺牲层形成定位凹槽，所述定位凹槽露出第一组开关触点；
在第一牺牲层表面形成第二牺牲层，所述第二牺牲层厚度与第一牺牲层相等，使得所述第二牺牲层填平所述定位凹槽，并在所述定位凹槽处形成第一凹槽；
刻蚀所述第二牺牲层以及第一牺牲层，暴露出底部介质层表面的连接区， 形成下牺牲介质层。
所述形成机械臂包括：
在下牺牲介质层以及连接区的部分表面，利用掩模进行选择性沉积形成支撑介质层，所述支撑介质层定义所述机械臂的形状；
在所述连接区以及支撑介质层表面形成第二金属层；
刻蚀所述第二金属层形成导电电极以及掷刀，所述掷刀包括填充于所述第一凹槽内的第二金属层，所述导电电极与连接区连接，并沿支撑介质层表面自连接区向所述掷刀延伸。
所述在顶部介质层表面形成第二组开关触点、上电极板包括：
刻蚀所述顶部介质层形成第二凹槽，所述第二凹槽对准下方的掷刀，且贯穿顶部介质层；
在所述顶部介质层表面形成第三金属层；
刻蚀所述第三金属层形成第二组开关触点以及上电极板；所述上电极板对准下方的下电极板，所述第二组开关触点对准下方的掷刀，所述第二组开关触点包括填充于第二凹槽内的第三金属层。
可选的，所述下牺牲介质层与上牺牲介质层的材质均为无定形碳，且厚度相同。所述去除上牺牲介质层以及下牺牲介质层包括：向所述通孔内通入氧气，采用灰化工艺去除所述上牺牲介质层以及下牺牲介质层，所述灰化工艺的加热温度为100℃～350℃。
可选的，所述MEMS开关制作方法还包括在所述顶部介质层表面形成覆盖层，所述覆盖层封闭所述通孔。
本发明所述的MEMS开关将两组开关触点分别设置于开关腔体的顶部以及底部，通过施加外界电场，驱动机械臂上下弯曲，从而使得机械臂上的掷刀与其中一组开关触点接触，连通相应的输入触点以及输出触点，从而实现单刀双掷的控制。具有结构简单，反应灵敏，易于制造的特点。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。附图中各实施例相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未按比例绘制，重点在于示出本发明的主旨。在附图中为清楚起见，放大了层和区域的尺寸。
图1是本发明所述MEMS开关的第一实施例的剖面示意图；
图2是图1所示MEMS开关中沿A-A剖线的俯视示意图；
图3是图1所示MEMS开关中沿B-B剖线的俯视示意图；
图4是图1所示MEMS开关中沿C-C剖线的俯视示意图；
图5是本发明所述MEMS开关的第二实施例的剖面示意图；
图6是图5所示MEMS开关中沿A’-A’剖线的俯视示意图；
图7是图5所示MEMS开关中沿B’-B’剖线的俯视示意图；
图8是图5所示MEMS开关中沿C’-C’剖线的俯视示意图；
图9为本发明所述MEMS开关的制作方法的流程示意图；
图10至图23为本发明第二实施例的MEMS开关的制作方法各步骤的剖面示意图；图24以及图25为本发明第二实施例的MEMS开关工作示意图；
图10a至图20a为本发明第二实施例的MEMS开关的制作方法各步骤的俯视示意图；
图13b为图13a中沿E-E剖线的剖面示意图；
图17b为图17a中沿E-E剖线的剖面示意图；
图19b为图19a中沿E-E剖线的剖面示意图；
图21b为图21a中沿E-E剖线的剖面示意图。
具体实施方式
本发明所述的MEMS开关的基本结构包括：
半导体衬底；位于半导体衬底上的开关腔体，所述开关腔体的包括底部介质层以及顶部介质层；
位于所述底部介质层的第一输入触点以及第一输出触点；
位于所述顶部介质层的第二输入触点以及第二输出触点；
还包括位于所述开关腔体内的机械臂，所述机械臂包括固定于开关腔体上的固定端以及悬浮的自由端，所述自由端上形成有掷刀；
在开关腔体内施加驱动电场时，所述机械臂受到驱动电场作用而弯曲，使得掷刀接触底部介质层，将所述第一输入触点与第一输出触点电连接，或者接触顶部介质层，将所述第二输入触点以及第二输出触点电连接。
上述MEMS开关将两组开关触点分别设置于开关腔体的顶部以及底部，通过施加外界电场，驱动机械臂上下弯曲，从而使得机械臂上的掷刀与其中一组开关触点接触，连通相应的输入触点以及输出触点，从而实现单刀双掷的控制。具有结构简单，反应灵敏，易于制造的特点。
下面结合具体的实施例对本发明所述MEMS开关做详细的介绍。
第一实施例
图1是本发明所述MEMS开关的第一实施例的剖面示意图，本实施例的MEMS开关的结构包括：
半导体衬底10；位于半导体衬底10上的开关腔体100，所述开关腔体100的内表面包括底部介质层100a以及顶部介质层100b；位于所述开关腔体100内的机械臂400，所述机械臂400的一端为固定端400a，且固定于所述底部介质层100a上，另一端为悬浮的自由端400b，所述自由端400b上形成有掷 刀401。
图2是图1所示MEMS开关中沿A-A剖线的俯视示意图，示出了本实施例的底部介质层100a的结构。结合图2所示，所述底部介质层100a上形成有第一组开关触点101，包括第一输入触点101a以及第一输出触点101b；所述第一输入触点101a与第一输出触点101b可以为方形金属层、或者金属以及其他导电材质的凸点，分别作为MEMS开关的第一组输入端以及输出端，并与外部电路相连接。
所述底部介质层100a上形成有下电极板301a，所述下电极板301a作为产生所述驱动电场的一极。本实施例中，所述下电极板301a位于所述第一组开关触点101的一侧，其形状可以为方形、多边形、圆形等，材质可以为铜、铝、钛、钽、镍、钴等金属或其合金组合以及多晶硅、锗硅或其他常用的半导体导电材料，以便与半导体制造工艺尤其是CMOS工艺相兼容。
所述底部介质层100a上还形成有连接区103，所述连接区103用于与所述机械臂400的固定端400a连接，从而固定机械臂400的位置。本实施例中，所述连接区103位于所述下电极板301a相对于第一组开关触点101的另一侧，且所述连接区103、下电极板301a以及第一组开关触点101与机械臂400在垂直方向上相对应。
图3是图1所示MEMS开关中沿B-B剖线的俯视示意图，示出了本实施例的顶部介质层100b的结构。结合图3所示，所述顶部介质层100b相对于底部介质层100a的一侧表面形成有第二组开关触点102，包括第二输入触点102a以及第二输出触点102b；所述第二输入触点102a与第二输出触点102b，作为MEMS开关的第二组输入端以及输出端，分别与外部电路相连接。此外，所述第二输入触点102a以及第二输出触点102b应当在垂直方向上分别对准其下方的第一输入触点101a以及第二输出触点101b。以便于MEMS开关的 机械臂400在向上或向下两个方向弯曲时，设置于其上的掷刀401，能准确地与相应的触点相接触。通常为了简化结构，所述第二输入触点102a以及第二输出触点102b的材质、形状、间距可以与第一输入触点101a以及第一输出触点101b相同。
所述顶部介质层100b相对于底部介质层100a的另一侧表面上还形成有上电极板301b，所述上电极板301b作为产生所述驱动电场的另一极。同样，所述上电极板301b应当在垂直方向上对准其下方的下电极板301a，且形状、面积以及材质与下电极板301a相同。当分别向所述上电极板301b与下电极板301a通电时，两者之间的电压差能够使得所述开关腔体100内形成自上而下或自下而上的驱动电场。
图4是图1所示MEMS开关中沿C-C剖线的俯视示意图，示出了本实施例的机械臂400的结构。结合图4所示，所述机械臂400包括与底部介质层100a的连接区103连接的固定端400a以及悬浮的自由端400b，所述自由端400b上形成有掷刀401，所述掷刀401分别与位于其上方的第一组开关触点101以及位于其下方的第二组开关触点102相对应。具体的，所述机械臂400为柔性结构，其自由端400b在垂直方向上对准底部介质层100a上的下电极板301a以及顶部介质层100b上的上电极板301b。当分别向所述下电极板301a以及上电极板301b通电，形成驱动电场时，所述机械臂400，尤其是机械臂400的自由端400b能够处于所述驱动电场内。
所述柔性结构的机械臂400包括支撑结构403以及形成于所述支撑结构403上的导电电极402，所述导电电极402沿支撑结构403的表面，自固定端400a向自由端400b延伸，所述导电电极402可以通过连接区103与外部电路连接，以便于向所述导电电极402通入电荷；但所述导电电极402应当与掷刀401相互绝缘。当向所述导电电极402中通入正电荷或负电荷，可以使得机械臂400在所述驱动电场中受到电场力作用而向上或向下弯曲。此外，所 述支撑结构403可以为绝缘材质，可以避免机械臂400弯曲时，导电电极402与下电极板301a接触而发生短路。
所述掷刀401可以是金属、多晶硅或其他导电材料，可以为条状、柱状或刀片状；由于所述掷刀401分别与位于其上方的第一组开关触点101以及位于其下方的第二组开关触点102相对应，因此机械臂400在向上或向下弯曲时，掷刀401能够与其中一组开关触点接触，连通相应的输入触点与输出触点，从而实现单刀双掷的作用。
在本实施例中，所述机械臂400呈“Z”字形，当机械臂400固定于开关腔体100中时，自由端400b与固定端400a具有不同的高度。具体的，当固定端400a与底部介质层100a上的连接区103固定连接时，所述自由端400b与固定端400a之间，也即与底部介质层100a之间存在高度差，所述高度差使得所述自由端400b悬浮于开关腔体100中。作为优选实施例，在机械臂400未弯曲时，其自由端400b应当介于顶部介质层100b与底部介质层100a之间，且位于中间位置。所述机械臂400受驱动电场作用而弯曲时，其自由端400b上的掷刀401向上或向下移动，经过相同的行程，便能够与相应的开关触点接触。
第二实施例
在第一实施例中，所述机械臂400的一端为固定端400a，另一端为悬浮的自由端400b。由于机械臂400为柔性结构，自由端400b除了向上或向下移动外，还可以横向移动，因此所述自由端400b具有四个方向的运动自由度。在MEMS开关的某些应用场合中，由于受到外部碰撞或加速度影响，很容易导致机械臂400的自由端400b产生横向的错位，使得掷刀401将无法对准位于其上方或下方的开关触点。当所述MEMS开关工作时，如果掷刀401不能准确与开关触点接触，将使得输入触点与输出触点不能正常连通，甚至使得 本应绝缘的金属层之间产生短路，而导致MEMS开关失效。因此本发明还提供了第二实施例的MEMS开关解决上述问题。
图5是本发明所述MEMS开关的第二实施例的剖面示意图，结合图5以及图1所示，与第一实施例相比较，所述第二实施例的区别仅在于，MEMS开关中所述机械臂为桥梁状结构，其两端为固定端，而中部为自由端。以上设置使得机械臂的自由端仅具有两个方向的运动自由度，只能向上或向下移动。以下对本实施例MEMS开关的具体结构作进一步介绍，其中与第一实施例相同的部件结构，使用了相同的附图标号。
本实施例的MEMS开关的结构包括：
半导体衬底10；位于半导体衬底10上的开关腔体100，所述开关腔体100的内表面包括底部介质层100a以及顶部介质层100b；位于所述开关腔体100内的机械臂500，所述机械臂500为桥梁状结构，其两端为固定端，包括第一固定端501a以及第二固定端501b，上述两固定端均固定于所述底部介质层100a上；所述机械臂500的中部为悬浮的自由端502，所述自由端502上形成有掷刀503。
图6是图5所示MEMS开关中沿A’-A’剖线的俯视示意图，示出了本实施例的底部介质层100a的结构。结合图6所示，所述底部介质层100a上形成有第一组开关触点101，包括第一输入触点101a以及第一输出触点101b；所述第一输入触点101a与第一输出触点101b可以为方片金属层、金属或其他导电材质的凸点，分别作为MEMS开关的第一组输入端以及输出端，并与外部电路相连接。
所述底部介质层100a上形成有两块下电极板，包括第一下电极板601a以及第二下电极板602a。所述第一下电极板601a以及第二下电极板602a分别设置于第一组开关触点101的两侧，且关于第一组开关触点101对称。上 述两块下电极板作为产生所述驱动电场的同一极。进一步的，可以使用金属互连线(图未示出)将所述第一下电极板601a以及第二下电极板602a电连接。与第一实施例相类似，上述两下电极板的形状可以为方形、多边形、圆形等，材质可以为铜、铝、钛、钽、镍、钴等金属或其合金组合以及多晶硅、锗硅或其他常用的半导体导电材料。作为优选的方案，所述第一下电极板601a以及第二下电极板602a的形状、面积以及材质应当相同，以便在开关腔体100内形成均匀的驱动电场。
所述底部介质层100a还形成有两块连接区，包括第一连接区103a以及第二连接区103b，上述两连接区分别与所述机械臂500的固定端501a以及固定端501b连接，从而固定机械臂500的位置。本实施例中，所述第一连接区103a以及第二连接区103b分别设置于第一组开关触点101的两侧，且关于第一组开关触点101对称。进一步的，所述第一连接区103a以及第二连接区103b分别位于第一下电极板601a以及第二下电极板602a的外侧。上述第一连接区103a、第一下电极板601a、第一组开关触点101、第二下电极板602a以及第二连接区103b与机械臂400在垂直方向上相对应。
图7是图5所示MEMS开关中沿B’-B’剖线的俯视示意图，示出了本实施例的顶部介质层100b的结构。结合图7所示，所述顶部介质层100b相对于底部介质层100a的一侧表面上形成有第二组开关触点102，包括第二输入触点102a以及第二输出触点102b；所述第二输入触点102a与第二输出触点102b作为MEMS开关的第二组输入端以及输出端，分别与外部电路相连接。此外，所述第二输入触点102a以及第二输出触点102b应当在垂直方向上分别对准其下方的第一输入触点101a以及第二输出触点101b。所述第二组开关触点102的材质、形状、间距可以与第一组开关触点101相同。
所述顶部介质层100b相对于底部介质层的另一侧表面上还形成有两块上电极板，包括第一上电极板601b以及第二上电极板602b。所述第一上电极板 601b以及第二上电极板602b分别设置于第二组开关触点102的两侧，且关于第二组开关触点102对称。上述两块上电极板作为产生所述驱动电场的另一极。进一步的，可以使用金属互连线(图未示出)将所述第一上电极板601b以及第二上电极板602b电连接。所述第一上电极板601b以及第二上电极板602b应当在垂直方向上分别对准其下方的第一下电极板601a以及第二下电极板602a，且形状、面积以及材质相同。当分别向两块上电极板以及两块下电极板通电时，能够在所述开关腔体100内形成自上而下或自下而上的驱动电场。
图8是图5所示MEMS开关中沿C’-C’剖线的俯视示意图，示出了本实施例的机械臂500的结构。结合图8所示，所述机械臂500为桥梁状结构，包括分别与连接区103a以及连接区103b连接的固定端501a以及固定端501b，以及中部的自由端502，所述自由端502上形成有掷刀503。与第一实施例相同，所述掷刀503分别与位于其上放的第一组开关触点101以及位于其下方的第二组开关触点102相对应。具体的，所述机械臂500为柔性结构，其自由端502在垂直方向上对准底部介质层100a上的两块下电极板以及顶部介质层100b上的两块上电极板。当形成所述驱动电场时，所述机械臂500的自由端502能够处于所述驱动电场内。
所述柔性结构的机械臂500包括支撑结构505以及形成于所述支撑结构上的第一导电电极504a以及第二导电电极504b，所述第一导电电极504a沿所述支撑结构505表面自固定端501a向自由端502延伸，且可以通过连接区103a与外部电路连接；所述第二导电电极504b沿所述支撑结构505表面自固定端501b向自由端502延伸，且可以通过连接区103b与外部电路连接。所述第一导电电极504a以及第二导电电极504b应当均与掷刀503相互绝缘。当向所述第一导电电极504a以及第二导电电极504b中通入正电荷或负电荷，可以使得机械臂500在驱动电场中受到电场力作用而弯曲。为了使得机械臂 500所受电场力均匀一致，应当向第一导电电极504a以及第二导电电极504b中通入同种类以及同数量的电荷。作为优选的方案，可以在外部电路中将第一导电电极504a与第二导电电极504b电连接。与第一实施例相同，所述支撑结构505可以为绝缘材质，可以避免机械臂500弯曲时，所述第一导电电极504a以及第二导电电极504b与两块下电极板接触而发生短路。
所述掷刀503分别与位于其上方的第一组开关触点101以及位于其下方的第二组开关触点102相对应，使得机械臂500在向上或向下弯曲时，掷刀503能够与其中一组开关触点接触，连通相应的输入触点以及输出触点，从而实现单刀双掷的作用。
本实施例中，所述机械臂500呈“Ω”形，使得机械臂500在固定于开关腔体100中时，中部的自由端502与两侧的固定端501a以及固定501b具有不同的高度。具体的，当固定端501a与连接区103a固定连接，固定端501b与连接区103b连接时，所述自由端502与底部介质层100a之间存在高度差，所述高度差使得自由端502悬浮于开关腔体100中。作为优选实施例，在机械臂500未弯曲时，其自由端502应当介于顶部介质层100b与底部介质层100a之间，且位于中间位置。所述机械臂500受驱动电场驱动而弯曲时，其自由端502上的掷刀503向上或向下移动，经过相同的行程，便能够与相应的开关触点接触。
本发明还提供了上述MEMS开关的制作方法。图9为所述制作方法的流程示意图，基本步骤包括：
执行步骤S101、提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成底部介质层；在所述底部介质层的表面形成第一组开关触点、下电极板以及连接区。
其中，所述底部介质层应当为绝缘材质。所述第一组开关触点、下电极板以及连接区均可以为金属，可以先在底部介质层表面形成第一金属层，然 后刻蚀所述第一金属层形成上述第一组开关触点、下电极板以及连接区。所述第一组开关触点、下电极板以及连接区的具体形状以及相对位置关系，在前述结构实施例中已有详细描述，此处不再赘述。
执行步骤S102、在上述半导体结构的表面形成图形化的下牺牲介质层，所述下牺牲介质层暴露出连接区以及部分底部介质层。
其中，所述下牺牲介质层用于形成机械臂悬浮的自由端的下方空间，其厚度决定了所述自由端与底部介质层的间距。所述下牺牲介质层表面还形成有第一凹槽，所述第一凹槽对准第一组开关触点，用于制作机械臂自由端上的掷刀。
执行步骤S103、在所述下牺牲介质层的部分表面上形成机械臂。
具体的，先在所述下牺牲介质层以及连接区的部分表面上形成绝缘的支撑介质层，所述支撑介质层与预形成的机械臂的形状相同，且暴露出所述第一凹槽；然后在所述支撑介质层、部分连接区表面以及第一凹槽内形成连续的第二金属层，刻蚀所述第二金属层形成机械臂的导电电极以及掷刀。上述支撑介质层、导电电极以及掷刀便组成了本发明所述机械臂。其中，支撑介质层一方面起到构成机械臂的骨架并支撑导电电极以及掷刀的作用，另一方面还可以避免机械臂向下弯曲时，导电电极与底部介质层上的下电极板相接触。
执行步骤S104、在上述半导体结构表面形成图形化的上牺牲介质层，所述上牺牲介质层与下牺牲介质层连接。
其中，所述上牺牲介质层用于形成机械臂悬浮的自由端的上方空间，其厚度决定了所述自由端与顶部介质层的间距。
执行步骤S105、在所述上牺牲介质层表面形成顶部介质层；
其中，所述顶部介质层上还形成有第二凹槽，所述第二凹槽贯穿顶部介 质层，其底面低于顶部介质层的下表面。所述第二凹槽对准机械臂的掷刀，用于制作第二组开关触点。
执行步骤S106、在所述顶部介质层表面形成第二组开关触点、上电极板。
可以先在顶部介质层表面形成第三金属层，然后刻蚀所述第三金属层形成上述第二组开关触点以及上电极板。其中第三金属层填充于第二凹槽内的部分作为第二组开关触点，由于第二凹槽贯穿所述顶部介质层，因此所述第二组开关触点实际上也贯穿所述顶部介质层。
执行步骤S107、刻蚀所述顶部介质层形成若干暴露出上牺牲介质层的通孔，通过所述通孔，去除上牺牲介质层以及下牺牲介质层。
由于所述上牺牲介质层与下牺牲介质层连接，因此仅通过顶部介质层上的通孔，便能够同时去除所述上牺牲介质层以及下牺牲介质层。
经过上述步骤便能够形成本发明所述的MEMS开关。
下面以第二实施例的MEMS开关结构为例，对本发明所述MEMS开关的制作方法作进一步介绍。图10至图20为本发明第二实施例的MEMS开关的制作方法各步骤的剖面示意图。图10a至图20a为上述制作方法各步骤的俯视示意图。其中图10是图10a中沿D-D剖线的剖面示意图，后续附图一一对应，不再赘述。
如图10以及图10a所示，首先提供半导体衬底10，所述半导体衬底10可以为硅衬底或绝缘体上硅，可以形成有金属互连或其他半导体器件(图中未示出)，以便于本发明所述的MEMS开关与其他采用CMOS工艺的半导体芯片相集成。在所述半导体衬底10的表面形成底部介质层100a以及第一金属层701。所述底部介质层100a为绝缘介质，本实施例中，所述底部介质层100a为二氧化硅，采用化学气相沉积工艺形成。所述第一金属层701可以为铜、铝、钛、钽、镍、钴等金属或其合金组合，采用物理气相沉积工艺形成。
如图11以及图11a所示，刻蚀所述第一金属层701形成第一连接区103a、第一下电极板601a、第一组开关触点101、第二下电极板602a以及第二连接区103b。
其中，所述第一组开关触点101包括第一输入触点101a以及第二输入触点101b，所述第一输入触点101a以及第二输入触点101b为金属凸点，两者沿底部介质层100a的表面纵向排列，间距为 
所述第一连接区103a、第一下电极板601a、第一组开关触点101、第二下电极板602a以及第二连接区103b与预形成的机械臂在垂直方向上相对应。所述第一连接区103a与第二连接区103b、第一下电极板601a以及第二下电极板602a均关于第一组开关触点101对称设置，且均为方形金属层。
此外在刻蚀所述第一金属层701时，还包括同时形成与上述各金属层连接的金属互连线，用于将上述金属层与外部电路连接。
作为可选的方案，在刻蚀完第一金属层701后还可以在上述半导体结构表面回填绝缘介质，提高底部介质层100a的表面高度。具体的，可以采用化学气相沉积工艺沉积二氧化硅，覆盖上述半导体结构表面，然后进行化学机械研磨，使得所述底部介质层100a的表面与上述各金属层顶部平齐。
如图12以及图12a所示，在图11所示的半导体结构表面形成第一牺牲层801a，刻蚀所述第一牺牲层801a形成定位凹槽900，所述定位凹槽900露出第一组开关触点101。所述第一牺牲层801a为无定形碳，采用化学气相沉积形成。
如图13以及图13a所示，在第一牺牲层801a表面形成第二牺牲层801b，所述第二牺牲层801b为无定形碳，采用化学气相沉积形成，厚度与第一牺牲层801a相等。
由于第一牺牲层801a在定位凹槽900的边缘处形成了阶梯状结构，因此 在沉积与第一牺牲层801a厚度相同的第二牺牲层801b时，所述第二牺牲层801b不但填满了定位凹槽900，还在原定位凹槽900处形成了新的凹槽，即所需的第一凹槽901。所述第一凹槽901能够精确对准其下方的第一组开关触点101，其深度则近似于第二牺牲层801b的厚度，宽度略小于原定位凹槽900。
图13b为图13a中沿E-E剖线的剖面示意图，从图13b中可见，由于第一组开关触点101包括第一输入触点101a以及第一输出触点101b，因此所述第一凹槽901也包括相应的两个凹槽。
如图14以及图14a所示，图形化所述第一牺牲层801a以及第二牺牲层801b形成下牺牲介质层801，暴露出其两侧的第一连接区103a、第二连接区103b以及周围的底部介质层100a。
上述下牺牲介质层801制作方法，其优点在于，所述第一凹槽901的深度能够通过调整第二牺牲层801b的沉积厚度进行精确控制。而如果采用直接沉积牺牲介质形成下牺牲介质层，再刻蚀所述下牺牲介质层形成第一凹槽的方法，由于缺乏刻蚀停止层，需要通过调整所述刻蚀的时间，因此难以精确控制所述第一凹槽的深度，而容易产生过刻蚀。
如图15以及图15a所示，在下牺牲介质层801及其两侧的第一连接区103a、第二连接区103b的部分表面，采用选择性沉积形成支撑介质层505。所述支撑介质层505呈桥梁状结构，两端分别与第一连接区103a以及第二连接区103b连接，中部覆于下牺牲介质层801的表面，且暴露出所述第一凹槽901。所述支撑介质层505的材质为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等绝缘材料，其厚度过厚将造成机械臂刚性过大而弯曲困难，而过薄则影响机械臂的稳定性，因此需要根据MEMS开关的实际器件尺寸进行选择。
如图16以及图16a所示，在所述支撑介质层505及其两侧的第一连接区103a、第二连接区103b的部分表面，形成第二金属层702。
所述第二金属层702材质可以与第一金属层701相同，采用物理气相沉积形成。
如图17以及图17a所示，刻蚀所述第二金属层702形成第一导电电极504a、第二导电电极504b以及掷刀503。
其中所述掷刀503包括第二金属层702填充于第一凹槽901的部分，所述第一导电电极504a、第二导电电极504b与掷刀503相绝缘，且关于掷刀503对称设置。具体的，所述第一导电电极504a与第一连接区103a连接，并沿支撑介质层505的表面向掷刀503延伸，并与位于其下方的第一下电极板601a相对应；所述第二导电电极504b与第二连接区103b连接，并沿支撑介质层505的表面向503延伸，并与位于其下方的第二下电极板602a相对应。
上述第一导电电极504a、第二导电电极504b、掷刀503以及支撑介质层505构成本实施例所述桥梁状结构的机械臂。
图17b为图17a中沿E-E剖线的剖面示意图，从图17b中可见，所述掷刀503包括填充于所述第一凹槽901内的金属，形成了两个金属凸点。
如图18以及图18a所示，在图17所示半导体结构表面覆盖沉积牺牲介质，并图形化所述牺牲介质形成上牺牲介质层802。由于机械臂为开放式的桥梁状结构，并未封闭位于其下方的下牺牲介质层801，因此位于其上方的上牺牲介质层802能够与所述下牺牲介质层801相连接。优选的，所述上牺牲介质层802的材质以及厚度与下牺牲介质层801相同。
如图19以及图19a所示，在所述上牺牲介质层802的表面形成顶部介质层100b，刻蚀所述顶部介质层100b形成底部露出牺牲介质层802的第二凹槽902，所述第二凹槽902对准下方机械臂的掷刀503。优选的，在形成第二凹槽902时，可以进行一定深度的过刻蚀，使得所述第二凹槽902的底面低于顶部介质层100b的下表面。
图19b为图19a中沿E-E剖线的剖面示意图，从图19b中可见，所述第二凹槽902用于制作第二组开关触点，因此包括两个凹槽，分别对应第二输入触点以及第二输出触点，且上述两凹槽的间距与第一输入触点101a、第一输出触点101b的间距一致。
如图20以及图20a所示，在所述顶部介质层100b的表面形成第三金属层703。所述第三金属层703材质可以与第一金属层701相同，采用物理气相沉积形成。
如图21以及图21a所示，刻蚀所述第三金属层703形成第一上电极板601b、第二上电极板602b以及第二组开关触点102。
所述第一上电极板601b以及第二上电极板602b分别对准下方的第一下电极板601a以及第二下电极板602a，且形状、面积尺寸相同。所述第二组开关触点102即原第三金属层703填充于第二凹槽902的部分。
图21b为图21a中沿E-E剖线的剖面示意图，从图21b中可见，所述第二组开关触点102包括相隔离的第二输入触点102a以及第二输出触点102b。由于第二凹槽902贯穿顶部介质层100b，因此所述第二输入触点102a以及第二输出触点102b也贯穿所述顶部介质层100b。
同样在刻蚀所述第三金属层703时，还包括同时形成与上述各金属层连接的金属互连线，用于将上述金属层与外部电路连接。
如图22以及图22a所示，刻蚀所述顶部介质层100b形成若干暴露出上牺牲介质层802的通孔904，通过所述通孔904去除上牺牲介质层802以及下牺牲介质层801。
所述上牺牲介质层802以及下牺牲介质层801均为无定形碳，可以向所述通孔904内通入氧气，并进行灰化工艺，去除所述无定形碳。具体的，所述灰化工艺的加热温度为100℃～350℃，在此温度下，所述无定形碳被氧化 成二氧化碳或一氧化碳气体，并通过通孔904排出，较为彻底地去除，而器件的其余部分不会受到影响。
经过上述步骤便形成本发明第二实施例的MEMS开关。所述下牺牲介质层801以及上牺牲介质层802去除后，所述机械臂除了连接于第一连接区103a以及第二连接区103b的固定端外，其中部的自由端以及掷刀503处于悬浮状态。
如图23所示，通常为了保证MEMS开关的封闭性，还可以在所述图22所示MEMS开关的表面形成覆盖层104，从而构成封闭的开关腔体。所述覆盖层104的材质为氧化硅，采用化学气相沉积形成。所述覆盖层104能够较容易地将顶部介质层100b上的通孔904封闭，而不会渗入MEMS开关内。
从图1以及图5中不难看出，所述第一实施例的MEMS开关与第二实施例的MEMS开关的结构相似，区别仅在于机械臂，而所述第二实施例的机械臂实际上可以等效于将两个第一实施例的机械臂对称设置。根据上述提供的第二实施例MEMS开关的制作方法，很容易推得第一实施例MEMS开关的制作方法，此处不再赘述。
图24以及图25分别示出了以上方法所制作的MEMS开关在不同工作状态下的剖面示意图。
如图24所示，假设机械臂向下弯曲直至接触底部介质层100a，使得所述掷刀503同时与第一输入触点101a以及第一输出触点101b接触，由于掷刀503为导电金属，上述接触将第一输入触点101a与第一输出触点101b连通。
如图25所示，假设机械臂向上弯曲直至接触顶部介质层100b，使得所述掷刀503同时与第二输入触点102a以及第二输出触点102b接触，从而将第二输入触点102a与第二输出触点102b连通。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任 何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (20)
1.一种MEMS开关，其特征在于，包括：
半导体衬底；位于半导体衬底上的开关腔体，所述开关腔体包括底部介质层以及顶部介质层；
位于所述底部介质层的第一组开关触点，包括第一输入触点以及第一输出触点；
位于所述顶部介质层的第二组开关触点，包括第二输入触点以及第二输出触点；
还包括机械臂，所述机械臂包括固定于开关腔体底部介质层上的固定端以及悬浮的自由端，所述自由端上形成有掷刀；所述掷刀与所述第一组开关触点以及第二组开关触点的位置相对应；
在开关腔体内施加驱动电场时，所述机械臂受到驱动电场作用而弯曲，使得掷刀接触底部介质层将所述第一输入触点与第一输出触点电连接，或者接触顶部介质层将所述第二输入触点以及第二输出触点电连接。
2.如权利要求1所述的MEMS开关，其特征在于，所述机械臂为Z字形结构，其一端为固定端，另一端为自由端，所述固定端与自由端具有高度差。
3.如权利要求2所述的MEMS开关，其特征在于，所述底部介质层上形成有连接区，所述连接区与机械臂的固定端连接。
4.如权利要求2所述的MEMS开关，其特征在于，还包括形成于所述顶部介质层的上电极板以及形成于所述底部介质层的下电极板，所述机械臂的自由端在垂直方向对准所述下电极板以及上电极板。
5.如权利要求4所述的MEMS开关，其特征在于，所述下电极板设置于所述底部介质层的表面，所述上电极板设置于所述顶部介质层相对于底部介质层的另一侧表面。
6.如权利要求4所述的MEMS开关，其特征在于，所述机械臂包括支撑结构以及导电电极，所述导电电极沿支撑结构表面自固定端向自由端延伸，且与所述掷刀绝缘。
7.如权利要求1所述的MEMS开关，其特征在于，所述机械臂为桥梁状结构，其两端为固定端，中部为自由端。
8.如权利要求7所述的MEMS开关，其特征在于，所述底部介质层上形成有第一连接区以及第二连接区，所述第一连接区以及第二连接区关于所述第一组开关触点对称，且分别与机械臂的两固定端连接。
9.如权利要求7所述的MEMS开关，其特征在于，还包括形成于所述顶部介质层上并关于第二组开关触点对称的第一上电极板以及第二上电极板，形成于底部介质层上并关于第一组开关触点对称的第一下电极板以及第二下电极板；所述机械臂的自由端在垂直方向对准所述上述下电极板以及上电极板。
10.如权利要求9所述的MEMS开关，其特征在于，所述第一下电极板以及第二下电极板形成于所述底部介质层的表面，所述第一上电极板以及第二上电极板形成于所述顶部介质层相对于底部介质层的另一侧表面。
11.如权利要求9所述的MEMS开关，其特征在于，所述机械臂包括支撑结构以及第一导电电极、第二导电电极，所述第一导电电极以及第二导电电极沿所述支撑结构的表面，分别自机械臂的两固定端向中部自由端延伸，且均与所述掷刀绝缘。
12.一种MEMS开关的制作方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成底部介质层；在所述底部介质层的表面形成第一组开关触点、下电极板以及连接区；
在上述半导体结构的表面形成图形化的下牺牲介质层，所述下牺牲介质层暴露出连接区以及部分底部介质层；
在所述下牺牲介质层的部分表面上形成与所述连接区连接的机械臂；
在上述半导体结构表面形成图形化的上牺牲介质层，所述上牺牲介质层与下牺牲介质层连接；
在所述上牺牲介质层表面形成顶部介质层；
在所述顶部介质层表面形成第二组开关触点、上电极板；所述第二组开关触点与第一组开关触点的位置相对应，所述上电极板与下电极板的位置相对应；
刻蚀所述顶部介质层形成若干暴露出上牺牲介质层的通孔，通过所述通孔，去除上牺牲介质层以及下牺牲介质层。
13.如权利要求12所述的制作方法，其特征在于，所述在底部介质层表面形成第一组开关触点、下电极板以及连接区包括：
在底部介质层表面形成第一金属层；
刻蚀所述第一金属层形成第一组开关触点、下电极板以及连接区；
在上述半导体结构表面回填绝缘介质，提高底部介质层的表面高度；
进行化学机械研磨，使得底部介质层的表面与所述第一组开关触点、下电极板以及连接区的顶部平齐。
14.如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述连接区位于下电极板相对于第一组开关触点的另一侧，且所述连接区、下电极板以及第一组开关触点与后续形成的机械臂的位置相对应。
15.如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述形成下牺牲介质层包括：
在底部介质层表面形成第一牺牲层；
刻蚀所述第一牺牲层形成定位凹槽，所述定位凹槽露出第一组开关触点；
在第一牺牲层表面形成第二牺牲层，所述第二牺牲层厚度与第一牺牲层相等，使得所述第二牺牲层填平所述定位凹槽，并在所述定位凹槽处形成第一凹槽；
刻蚀所述第二牺牲层以及第一牺牲层，暴露出底部介质层表面的连接区，形成下牺牲介质层。
16.如权利要求15所述的制作方法，其特征在于，所述形成机械臂包括：
在下牺牲介质层以及连接区的部分表面，利用掩模进行选择性沉积形成支撑介质层，所述支撑介质层定义所述机械臂的形状；
在所述连接区以及支撑介质层表面形成第二金属层；
刻蚀所述第二金属层形成导电电极以及掷刀，所述掷刀包括填充于所述第一凹槽内的第二金属层，所述导电电极与连接区连接，并沿支撑介质层表面自连接区向所述掷刀延伸。
17.如权利要求16所述的制作方法，其特征在于，在所述顶部介质层表面形成第二组开关触点、上电极板包括：
刻蚀所述顶部介质层形成第二凹槽，所述第二凹槽对准下方的掷刀，且贯穿顶部介质层；
在所述顶部介质层表面形成第三金属层；
刻蚀所述第三金属层形成第二组开关触点以及上电极板；所述上电极板对准下方的下电极板，所述第二组开关触点对准下方的掷刀，所述第二组开关触点包括填充于第二凹槽内的第三金属层。
18.如权利要求12所述的制作方法，其特征在于，所述下牺牲介质层与上牺牲介质层的材质均为无定形碳，且厚度相同。
19.如权利要求18所述的制作方法，其特征在于，所述去除上牺牲介质层以及下牺牲介质层包括：向所述通孔内通入氧气，采用灰化工艺去除所述上牺牲介质层以及下牺牲介质层，所述灰化工艺的加热温度为100℃～350℃。
20.如权利要求12所述的制作方法，其特征在于，还包括在所述顶部介质层表面形成覆盖层，所述覆盖层封闭所述通孔。
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