射频MEMS开关器件及其制作方法

本发明属于半导体技术领域，具体地讲，涉及一种射频mems开关器件及其制作方法。

背景技术：

微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，简称mems)指在微米量级内设计和制造集成多种元件，并适于低成本大量生产的系统。射频微机电系统(rfmems)是mems技术的重要应用领域之一。rfmems用于射频和微波频率电路中的信号处理，是一项将能对现有雷达和通讯中射频结构产生重大影响的技术。在rfmems器件中目前最受关注的是rfmems开关，它是rfmems器件中的核心器件。rfmems开关是工作在射频到毫米波频率范围内的微机械开关，依靠机械移动实现对传输线的通/断控制。rfmems开关与传统场效应晶体管(fet)开关、pin二极管开关相比具有功耗低、隔离度高、插入损耗低、互调分量低等优点。

rfmems开关在通信系统中用途相当广泛，是雷达、电子对抗、无线通信等领域的重要控制元件。然而，现有的rfmems开关的制作工艺较为复杂，从而制作效率较低。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种简化制作工艺以提高效率的射频mems开关器件及其制作方法。

根据本发明的实施例的一方面提供的射频mems开关器件，其包括：衬底；设置于所述衬底上的信号线、地线以及第一电极，所述信号线与所述地线彼此间隔，并且与所述第一电极连接；设置于所述第一电极上方以与所述第一电极面对的第二电极，所述第二电极与所述第一电极彼此间隔；连接所述第二电极和所述地线的铰链；所述铰链、所述第二电极、所述信号线以及所述地线同时形成。

在根据本发明的实施例的一方面提供的射频mems开关器件中，所述射频mems开关器件还包括：覆盖在所述第一电极上的介质层。

在根据本发明的实施例的一方面提供的射频mems开关器件中，所述射频mems开关器件还包括：设置在所述衬底以及所述信号线、所述地线和所述第一电极之间的隔离氧化层。

在根据本发明的实施例的一方面提供的射频mems开关器件中，所述地线包括第一地线和第二地线，所述第一地线和所述第二地线彼此间隔，所述信号线设置于所述第一地线和所述第二地线之间；所述第二电极呈矩形，其四边串接的顺序为第一边、第二边、第三边和第四边，第一边邻近所述第二地线，第三边邻近所述第一地线；所述铰链包括彼此间隔的第一铰链和第二铰链；所述第一铰链包括：由所述第二电极的第一角沿远离所述第一边的方向延伸形成的第一梁；由所述第一梁沿朝向所述第二边的方向延伸形成的第二梁；由所述第二梁沿朝向所述第三边的方向延伸形成的第三梁；由所述第三梁沿朝向所述第四边的方向延伸形成的第四梁；其中，所述第四梁连接到所述第一地线，所述第一角为所述第一边和所述第四边之间的夹角；所述第二铰链包括：由所述第二电极的第二角沿远离所述第三边的方向延伸形成的第五梁；由所述第五梁沿朝向所述第四边的方向延伸形成的第六梁；由所述第六梁沿朝向所述第一边的方向延伸形成的第七梁；由所述第七梁沿朝向所述第二边的方向延伸形成的第八梁；所述第八梁连接到所述第二地线，所述第二角为所述第二边和所述第三边之间的夹角。

在根据本发明的实施例的一方面提供的射频mems开关器件中，所述第二电极上具有若干释放孔。

根据本发明的实施例的另一方面提供的射频mems开关器件，其包括：在衬底上形成第一电极；在所述衬底上同时形成与所述第一电极连接的所述信号线、与所述信号线彼此间隔的地线、位于所述第一电极上方且与所述第一电极面对的第二电极以及连接所述第二电极和所述地线的铰链。

在根据本发明的实施例的一方面提供的射频mems开关器件中，在所述衬底上同时形成与所述第一电极连接的所述信号线、与所述信号线彼此间隔的地线、位于所述第一电极上方且与所述第一电极面对的第二电极以及连接所述第二电极和所述地线的铰链之前，所述射频mems开关器件还包括：制作形成覆盖所述第一电极的介质层。

在根据本发明的实施例的一方面提供的射频mems开关器件中，在衬底上形成第一电极之前，所述射频mems开关器件还包括：在衬底上形成隔离氧化层；在衬底上形成第一电极，具体包括：在所述隔离氧化层上形成第一电极。

在根据本发明的实施例的一方面提供的射频mems开关器件中，在所述衬底上同时形成与所述第一电极连接的所述信号线、与所述信号线彼此间隔的地线、位于所述第一电极上方且与所述第一电极面对的第二电极以及连接所述第二电极和所述地线的铰链，具体包括：在所述第一电极上形成牺牲层，所述牺牲层的截面形状呈等腰梯形；在所述衬底和所述牺牲层上形成结构层，所述结构层覆盖所述牺牲层；对所述结构层进行图案化处理，以形成所述信号线、所述地线、所述第二电极、所述铰链以及位于所述第二电极上的若干释放孔；通过所述释放孔将所述牺牲层去除。

在根据本发明的实施例的一方面提供的射频mems开关器件中，对所述结构层进行图案化处理形成的所述地线包括第一地线和第二地线，所述第一地线和所述第二地线彼此间隔，所述信号线设置于所述第一地线和所述第二地线之间；对所述结构层进行图案化处理形成的所述第二电极呈矩形，所述第二电极的四边串接的顺序为第一边、第二边、第三边和第四边，所述第一边邻近所述第二地线，所述第三边邻近所述第一地线；对所述结构层进行图案化处理形成的所述铰链包括彼此间隔的第一铰链和第二铰链；所述第一铰链包括：由所述第二电极的第一角沿远离所述第一边的方向延伸形成的第一梁；由所述第一梁沿朝向所述第二边的方向延伸形成的第二梁；由所述第二梁沿朝向所述第三边的方向延伸形成的第三梁；由所述第三梁沿朝向所述第四边的方向延伸形成的第四梁；其中，所述第四梁连接到所述第一地线，所述第一角为所述第一边和所述第四边之间的夹角；所述第二铰链包括：由所述第二电极的第二角沿远离所述第三边的方向延伸形成的第五梁；由所述第五梁沿朝向所述第四边的方向延伸形成的第六梁；由所述第六梁沿朝向所述第一边的方向延伸形成的第七梁；由所述第七梁沿朝向所述第二边的方向延伸形成的第八梁；其中，所述第八梁连接到所述第二地线，所述第二角为所述第二边和所述第三边之间的夹角。

有益效果：在本发明提供的射频mems开关器件及其制作方法中，将共面波导与上电极同时构建形成，如此可以简化制作工艺。此外，由于共面波导与上电极同时构建形成，因此无需固定锚点，降低了开关的对准精度要求，并且缩短制作周期。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的射频mems开关器件的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例的射频mems开关器件中第二电极、铰链和地线的俯视图；

图3a至图3d是根据本发明的实施例的射频mems开关器件的制程图；

图4a至图4c是根据本发明的实施例的射频mems开关器件中同时形成第二电极和共面波导的制程图；

图5是利用高频结构仿真软件对根据本发明的实施例的射频mems开关器件的插入损耗进行仿真的结果图；

图6是利用高频结构仿真软件对根据本发明的实施例的射频mems开关器件的隔离度进行仿真的结果图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的具体实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。

如背景技术中所述，现有的射频(rf)mems开关的制作工艺较为复杂，从而制作效率较低。因此，为了简化射频mems开关的制作工艺，根据本发明的实施例提供一种同时形成共面波导和上电极的射频mems开关器件及其制作方法。该射频mems开关器件包括：衬底；设置于所述衬底上的信号线、地线以及第一电极，所述信号线与所述地线彼此间隔，并且与所述第一电极连接；设置于所述第一电极上方以与所述第一电极面对的第二电极，所述第二电极与所述第一电极彼此间隔；连接所述第二电极和所述地线的铰链；其中，所述铰链、所述第二电极、所述信号线以及所述地线同时形成。

因此，在该射频mems开关器件中，将共面波导与上电极同时构建形成，如此可以简化制作工艺。此外，由于共面波导与上电极同时构建形成，因此无需固定锚点，降低了开关的对准精度要求，并且缩短制作周期。

以下将结合附图来详细描述根据本发明的实施例的同时形成共面波导和上电极的射频mems开关器件及其制作方法。

图1是根据本发明的实施例的射频mems开关器件的结构示意图。

参照图1，根据本发明的实施例的射频mems开关器件包括衬底1、隔离氧化层2、第一电极3、介质层4、第一铰链51、第二铰链52、第二电极6、第一地线7、第二地线8、信号线9以及释放孔10。

在一个示例中，衬底1可以选用高阻硅片，这是因为高阻硅具有较小的损耗角能够减小衬底损耗。

隔离氧化层2设置在衬底1上。具体地，隔离氧化层2平铺并铺满在衬底1的一表面上。隔离氧化层2可以是二氧化硅(sio2)层，其能够减小漏电流从而降低衬底1的损耗。

这里，地线包括第一地线7和第二地线8。铰链的数量根据实际情况而定，但不少于地线的数量，一般铰链数量为2或4。第一地线7和第二地线8设置于隔离氧化层2上，并且二者彼此间隔设置。

第一电极3也可以被称为驱动电极。第一电极3和信号线9也设置于隔离氧化层2上，并且二者位于第一地线7和第二地线8之间。进一步地，第一电极3和信号线9彼此连接。这样，在第一电极3未被施加驱动电压时，信号线9可以与第一电极3一起传输射频信号。

介质层4覆盖在第一电极3上，以是防止第二电极6与第一电极3直接接触而发生短接或者粘连。介质层4可以选用传统介质材料si3n4，具有较大的介电常数且击穿场强较大。

第二电极6也可以被称为上电极。第二电极6设置于第一电极3的上方以与第一电极3面对，并且第二电极6与第一电极3在第一电极3未被施加驱动电压的情况下保持预定间隔距离。当然，在这种情况下，第二电极6与介质层4保持适当的间隔距离。也就是说，第二电极6通过铰链的支撑而悬空，以与第一电极3间隔面对。进一步地，第二电极6可以与第一电极3正面对。第二电极6可以选用au，其具有较小的弹性模量和直流阻抗。

第一铰链51将第二电极6与第一地线7连接，而第二铰链52将第二电极6与第二地线8连接。这里，第二电极6、铰链(第一铰链51、第二铰链52)、共面波导(包括信号线9、第一地线7以及第二地线8)同时形成，具体的形成工艺将在下面中进行详细描述。

若干释放孔10设置在第二电极6上，释放孔10的作用将在下面中进行详细描述。

以下对第二电极、铰链和地线(第一地线7、第二地线8)的具体连接方式进行详细说明。图2是根据本发明的实施例的射频mems开关器件中第二电极、释放孔、铰链和地线的俯视图。注意，图2中省略了射频mems开关器件中其他部件。

一并参照图1和图2，第二电极6呈矩形，其四边串接的顺序为第一边61、第二边62、第三边63和第四边64。第一边61邻近第二地线8，第三边63邻近第一地线7。

第一铰链51包括：由第二电极6的第一角沿远离第一边61的方向延伸形成的第一梁511；由第一梁511沿朝向第二边62的方向延伸形成的第二梁512；由第二梁512沿朝向第三边63的方向延伸形成的第三梁513；由第三梁513沿朝向第四边64的方向延伸形成的第四梁514。这里，第四梁514连接到第一地线7，第一角为第一边61和第四边64之间的夹角。

第二铰链52包括：由第二电极6的第二角沿远离第三边63的方向延伸形成的第五梁521；由第五梁521沿朝向第四边64的方向延伸形成的第六梁522；由第六梁522沿朝向第一边61的方向延伸形成的第七梁523；由第七梁523沿朝向第二边62的方向延伸形成的第八梁524。这里，第八梁524连接到第二地线8，第二角为第二边62和第三边63之间的夹角。也就是说，第一角和第二角为呈矩形的第二电极6的一对对角。

以下对根据本发明的实施例的射频mems开关器件的工作原理进行详细说明。参照图1，当射频mems开关器件(电容式开关)处于打开状态时，射频信号通过信号线9(以及第一电极3)正常传输。当给第一电极3施加驱动电压时，第二电极6受到静电力的作用向下运动，使得第二电极10的中央向下产生弯曲并与覆盖有介质层4的第二电极3接触(此时射频mems开关器件处于闭合状态)，此时射频信号将通过接触的第二电极6耦合至两端的第一地线7和第二地线8，从而传输的射频信号被断开。如此，通过施加的驱动电压来控制射频mems开关器件的打开/闭合，从而达到对射频信号的控制。

第二电极6的结构设计的目的是为了降低开关的驱动电压，驱动电压的理论计算公式如下所示：

ktotal＝nkm

其中，k为第二电极6的结构的弹性系数，e为第二电极6的材料的弹性模量，w为梁的宽度，t为梁的厚度，l为梁的长度，km为单个铰链的弹性系数，n为铰链个数，vp为开关驱动电压，g0为空气间隙，ε0为真空介电常数，a为第一电极3和第二电极6的重合面积。

根据上面的理论公式可以得出，减小梁的厚度，和/或减小梁的宽度，和/或增加梁的长度，和/或减少铰链的个数，和/或增加铰链的弯曲程度均能使得第二电极6具有较小的弹性系数，从而降低开关的驱动电压。

图3a至图3d是根据本发明的实施例的射频mems开关器件的制程图。

参照图3a，在衬底1上制作形成隔离氧化层2。

参照图3b，在隔离氧化层2上制作形成第一电极3。

参照图3c，在隔离氧化层2上制作形成覆盖第一电极3的介质层4。

此外，需要说明的是，这里的介质层4覆盖在第一电极3的上表面上以及两侧表面上，但是介质层4不覆盖第一电极3的前后(垂直纸面方向)表面上，这是因为后续制作信号线时，信号线需与第一电极3的前后表面接触。

参照图3d，在隔离氧化层2上同时形成与第一电极3连接的信号线(这里没有示出)、第一地线7、第二地线8、位于第一电极3上方且与第一电极3面对的第二电极6、连接第二电极6和第一地线7的第一铰链51以及连接第二电极6和第二地线8的第二铰链52。图4a至图4c是根据本发明的实施例的射频mems开关器件中同时形成第二电极和共面波导的制程图。

参照图4a，在进行完图3c所示的制程之后，在介质层4上形成牺牲层5。

这里，牺牲层5覆盖在介质层4的上表面以及两侧，但是牺牲层5不覆盖介质层4的前后(垂直于纸面方向)表面，从而也就不覆盖第一电极3的前后表面。

在一个示例中，牺牲层5的截面形状呈等腰梯形，这是由于刻蚀过程中侧蚀的影响，但这样的结构以便于后续形成共面波导和第二电极6，这是因为这样形成的形状，对应的连接处不是直角，而是一个钝角，这样能够减小应力集中，使得连接部分更为稳固。

参照图4b，在隔离氧化层2和牺牲层5上形成结构层，所述结构层覆盖牺牲层5，并对所述结构层进行图案化处理，以形成信号线、第一地线7、第二地线8、第二电极6、第一铰链51以及第二铰链52以及位于第二电极6上的若干释放孔10。

参照图4c，通过所述释放孔10将牺牲层5去除。在一个示例中，利用m4l氧等离子体去胶机通过释放孔10对牺牲层5进行长时间的干法释放，以将牺牲层5去除。

图5是利用高频结构仿真软件对根据本发明的实施例的射频mems开关器件的插入损耗进行仿真的结果图。参照图5，随着射频mems开关器件的工作频率的增加，射频mems开关器件的性能变差，在频率为6ghz时其插入损耗优于-0.10db。

图6是利用高频结构仿真软件对根据本发明的实施例的射频mems开关器件的隔离度进行仿真的结果图。参照图6，射频mems开关器件工作频率为6gz时开关性能最好，隔离度优于-30db。

上述对本发明的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

上述各流程和各系统结构图中不是所有的步骤和单元都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或单元。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行确定。上述各实施例中描述的装置结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些单元可能由同一物理实体实现，或者，有些单元可能分由多个物理实体实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。

在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。

以上结合附图详细描述了本发明的实施例的可选实施方式，但是，本发明的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的实施例的技术构思范围内，可以对本发明的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的实施例的保护范围。

本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。