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具有罩接触部的MEMS开关的制作方法

具有罩接触部的mems开关
技术领域
1.本发明从一种微机械开关出发，该微机械开关具有第一衬底和第二衬底，第一衬底具有微机械功能层，在该微机械功能层中构造有能够偏移的开关元件，第二衬底与第一衬底连接，其中，第二衬底具有距离地布置在开关元件的上方，其中，开关元件具有能够导电的第一接触区域并且能够朝向第二衬底偏移。

背景技术：

2.传统的继电器通过电磁线圈被驱动，而在接通状态下具有一定的不可忽略的电流消耗且相对较大。
3.除了常规的磁驱动式继电器之外，近来也有能够电容式操纵的mems开关。所述能够电容式操纵的mems开关由于其驱动原理而具有非常低的电流消耗。例如已知analog devices公司的mems开关adgm1304(图1)，该mems开关以表面微机械技术来制造。在此，开关元件构型为可从衬底平面向外(out-of-plane，平面外式)运动。
4.在非在先公开的德国专利申请de 102021202238.3中描述了一种能够电容式操纵的mems开关，该能够电容式操纵的mems开关具有可平行于衬底平面(in-plane，平面内式)运动的开关元件(图2)和所属的制造方法(图2)。
5.大多使用罩晶圆将mems继电器的可运动部分封闭，以便保护敏感的机械结构并获得用于电接触部的限定的环境。
6.相对于传统继电器，mems继电器具有很多优点，如快速的开关时间、低电流消耗、小结构空间及更多。然而，已知的用于mems继电器的制造方法是高开销的、昂贵的，并且受到一些不期望的限制。
7.为了产生可运动接触部和电容式驱动，在大多数情况下使用牺牲层方法来工作。在第一个示例中，在制造方法中需要在杠杆结构与接触面之间的牺牲层。在第二种情况下，需要多次蚀刻，以便在接触区域中将金属、绝缘层和硅层分离。此外，需要对在硅层下方的牺牲层进行蚀刻，以便释放(freistellen)所述结构而因此使所述结构可运动。
8.在继电器制造中对金属和蚀刻工艺的选择受到非常强烈的限制，因为不仅金属而且所使用的蚀刻工艺都必须分别是彼此兼容的。这一方面导致昂贵的制造过程，另一方面导致对非最佳的金属系统的利用。

技术实现要素：

9.本发明的任务在于，提出一种mems开关和一种配属的制造方法，在所述制造方法中，能够独立于制造过程、尤其可运动微机械开关部分的制造过程地选择用于开关接触部的材料。
10.本发明从一种微机械开关出发，该微机械开关具有第一衬底和第二衬底，第一衬底具有微机械功能层，在该微机械功能层中构造有能够偏移的开关元件，第二衬底与第一衬底连接，其中，第二衬底具有距离地布置在开关元件的上方，其中，开关元件具有能够导
电的第一接触区域并且能够朝向第二衬底偏移。
11.本发明的核心在于，第二衬底在内侧上具有能够导电的第二接触区域，该第二接触区域如此布置为，使得开关元件能够以第一接触区域贴靠到第二接触区域上，以便闭合电接触部。
12.本发明还涉及一种用于制造微机械开关的方法。
13.提出，制造在两个键合到彼此上的晶圆之间的可运动接触部。在第一衬底上形成呈可运动mems结构的形式的开关元件，该可运动mems结构能够实施平面外式运动并且具有第一电接触区域。在第二衬底上形成固定的第二电接触区域。第一和第二衬底如此相互校准并且键合到彼此上，使得在可运动结构偏移时第一接触区域能够与第二接触区域进行接触以便闭合电接触部。
14.在一种有利构型中，在第一衬底与第二衬底之间形成至少一个第一电连接。
15.在一种有利构型中，在两个衬底之间的空腔完全被键合框架围绕其包围并密封，可运动结构处于所述两个衬底中。
16.还有利的是，在第二衬底上或者在第二衬底中制造至少一个在第二接触区域与外部区域之间的第二电连接。这特别有利地通过下述方式出现：施加穿过第二衬底的敷镀通孔。还有利的是，在第二衬底上施加布线平面，借助该布线平面在键合框架下方穿过该键合框架地制造在第二接触区域与在第二衬底的同一侧上的外部区域之间的第二电连接。
17.在现有技术中，通过蚀刻方法带有该方法的所有限制地产生两个接触部之间的距离。在根据本发明的方法中相反，通过晶圆键合方法产生在第一接触区域与第二接触区域之间的距离。这使得能够实现对接触部金属以及用于可运动结构的制造方法的自由选择。总而言之，更好且更简单的mems继电器能够被实现。此外能够实现非常大的并且也是平行的接触面，因为不存在由于牺牲层蚀刻方法而造导致的限制。
18.尤其还有益的是，在这种布置中，能够独立于对可运动结构的机械装置负责的材料来选择还对电流传导负重要责任的电接触部材料。因此能够在该方法中例如利用在继电器的典型运行温度的情况下实际不显现疲劳现象的硅层。此外，使用硅层还能够产生非常大且平坦的裸露面，从而使得能够实现大静电电极面，所述静电电极面由于其小弯曲而能够以具有至对电极的较小距离地布置，以便因此而能够产生特别大的静电力。尤其有益的是具有至少5μm的厚度的硅功能层。
19.第一和第二接触区域的两个接触表面在制造过程中是可自由触及的，而因此能够被定向施涂，例如使用气相沉积工艺(aufdampfprozess)。此外，能够对接触表面以可自由触及的方式进行预处理(konditioniert)——例如使用紫外线，并能够以可自由触及的方式进行清洁——例如使用反溅射。最后，还可以将第一接触面自由且独立于第二接触面地结构化，因为第一接触面和第二接触面处于两个不同的衬底上。
20.有利的是，由空腔soi衬底来构建在第一衬底中的可运动mems结构。尤其因此能够仅通过沟槽工艺(trenchprozess)释放可运动结构，这使得能够实现非常自由的对接触部金属的选择，因为能够因此避免牺牲层蚀刻过程。此外，单晶硅层作为功能层在机械特性和热特性方面是尤其有益的。
21.此外有利的是，在两个衬底之间设置止挡，以便限制键合连接的下沉或者压入而因此确保两个衬底之间的限定的距离，因此产生用于可运动结构的限定的机械止挡条件。
22.还有利的是，设置具有asic电路的第二衬底。因此可以将用于继电器的保护电路或者用于继电器的控制电路集成到mems结构中，而无需附加的空间。相反，在现有技术中已知的mems继电器作为模块是非常大且昂贵的，因为在模块中需要附加的asic。
23.在一种特别有利的、具有穿过第二衬底的敷镀通孔(tsv’s，硅通孔)和在第二衬底的背侧上的焊接面或者焊球的布置中，甚至能够产生特别小的裸晶继电器(bare-die-relais)作为芯片级结构元件(参见图8)。
24.有利地将铝层用作第二衬底上的键合连接，而将锗层用作第一衬底上的键合连接。因此能够制造在机械方面非常稳健的并且在键合过程中释放较少气体的键合连接。此外，该连接是能够良好导电的。这尤其在第二衬底中在面向第一衬底的侧上设置有asic电路时是有益的。很多asic工艺将铝用作导体轨材料(leiterbahnmaterial)，铝导体轨(leiterbahn)则因此同时也能够被用作键合层，而无需附加的措施。
25.在一种替代的构型中，利用铜-锡-铜键合连接。这尤其在第二衬底中在面向第一衬底的侧(即内侧)上布置有asic电路时是有益的，在该asic电路中，导体轨由铜制成。
26.此外，该布置不仅能够用于构建唯一的继电器，还可以将多个继电器集成在一个芯片上。以有利的方式还可以将在第二衬底上的布线用于以可变的方式连接继电器，例如连接为矩阵。
27.此外，也可以将在第二衬底中的金属层用作屏障，以便构建如下继电器：所述继电器被特别良好地屏蔽或者所述继电器被专门针对高频应用而设计。
28.本发明的另外的有利构型能够从优选实施方式中获知。
附图说明
29.图1示意性示出现有技术中的具有平面外式开关元件的能够电容式操纵的mems开关。
30.图2示意性示出具有平面内式开关元件的能够电容式操纵的mems开关。
31.图3a和图3b在第一实施例中示意性示出在基础状态下和在接通状态下的根据本发明的mems开关，该mems开关具有在罩中的接触部。
32.图4在第二实施例中示意性示出具有在功能层上的金属附加层的根据本发明的mems开关。
33.图5在第三实施例中示意性示出具有金属接触面的根据本发明的mems开关，该金属接触面通过第二绝缘层布置在功能层上。
34.图6在第四实施例中示意性示出具有布线平面和第二衬底的内侧上的键合盘的根据本发明的mems开关。
35.图7在第五实施例中示意性示出具有止挡的根据本发明的mems开关，该止挡确定微机械功能层与第二衬底之间的距离。
36.图8在第六实施例中示出具有铝锗键合连接和第二衬底的根据本发明的mems开关，该第二衬底具有集成电路。
37.图9a至9l在一个实施例中示出根据本发明的用于制造设备上的微机械开关的方法的不同阶段。
38.图10示意性示出根据本发明的用于制造微机械开关的方法。
具体实施方式
39.图1以剖面图示意性示出现有技术中的能够电容式操纵的mems开关。在衬底1上设置第一电极2和第一接触面3。在这两个结构上方，通过一距离间隔开地布置有杠杆结构4。如果在杠杆和第一电极之间施加电压，则发生从衬底平面出发向外的运动(平面外式)。杠杆基本上垂直于衬底地偏移，并且产生在杠杆与接触面之间的接触。
40.图2以剖面图示意性示出具有平面内式开关元件的能够电容式操纵的mems开关。在衬底1上上下叠置地布置有第一绝缘层100、硅层110、第二绝缘层9和金属层10。硅层、第二绝缘层和金属层共同形成微机械功能层，在该微机械功能层中构造有固定部分121、能够电操纵且能够偏移的开关元件122和固定电极8。开关元件122可运动地悬挂在悬挂弹簧6上。在固定部分121的金属层10中构造有第一接触区域1210，并且在开关元件122的金属层10中构造有第二接触区域1220。开关元件能够在平行于衬底主延伸平面的至少一个第一方向7上偏移。由此，第一和第二接触区域能够进行彼此机械接触而因此闭合电接触部11。通过将电压施加到对置的、锚固在衬底上的电极指8上，引起开关元件122的偏移。第一接触区域1210和第二接触区域1220分别与各自的导体轨连接。因此，通过开关元件122的偏移能够接通和关断在导体轨之间的电连接。
41.图3a和图3b在第一实施例中示意性示出在基础状态下和在接通状态下的根据本发明的mems开关，该mems开关具有在罩中的接触部。
42.图3a在第一实施例中示意性示出在基础状态下的具有在罩中的接触部的根据本发明的mems开关。mems开关由多层式第一衬底11构成，该第一衬底又由硅衬底1、第一绝缘层100和部分可运动的微机械功能层23形成。在微机械功能层中构造有能够偏移的开关元件12。该mems开关还具有第二衬底14，该第二衬底借助共晶键合18与mems衬底连接。第二衬底在此以距离a布置在开关元件的上方。该开关元件具有能够导电的第一接触区域13并且能够朝向第二衬底(平面外式)偏移。第二衬底在内侧141上具有能够导电的第二接触区域15，该第二接触区域如此布置，使得该开关元件能够以第一接触区域贴靠到第二接触区域上，以便闭合电接触部16。
43.共晶连接18还形成能够导电的第一连接17，该第一连接布置在微机械功能层23与第二衬底14之间。
44.能够导电的第二连接——即敷镀通孔19——布置在内侧141上的第二电接触区域15与第二衬底14的外侧142之间，并且与外侧上的电连接端35——即背侧接触部——连接。
45.第二衬底在内侧141上还具有驱动电极22，以便将电容式驱动力施加到开关元件23上。
46.另外的敷镀通孔19将驱动电极22和能够导电的第一连接17与外侧142上的另外的电连接端35连接。
47.图3b在第一实施例中示意性示出具有在罩中的接触部的根据本发明的mems开关的接通状态。
48.开关元件12借助驱动电极22的电容力作用朝向第二衬底14偏移，从而第一接触区域13贴靠在第二接触区域15上并且电接触部16闭合。
49.图4在第二实施例中示意性示出具有在功能层上的金属附加层的根据本发明的mems开关。微机械功能层23上的金属附加层130改善该功能层——尤其是能够偏移的开关
元件12——的导电性。金属附加层的一部分还形成第一接触区域13。
50.图5在第三实施例中示意性示出具有金属接触面的根据本发明的mems开关，该金属接触面通过第二绝缘层布置在功能层上。金属接触面26形成第一接触区域13，并且借助第二绝缘层25与功能层23电绝缘。
51.由此能够以简单的方式构建如下继电器：为操控该继电器，该继电器的电压电平与该继电器的输入端和输出端电隔离。第二衬底14的内侧141上的第二接触区域15主要为了更好地描述而被并排布置。在实际中，所述第二接触区域优选前后相继地布置到绘图平面中，以便实现良好的桥式接触部16。
52.图6在第四实施例中示意性示出具有布线平面和第二衬底的内侧上的键合盘的根据本发明的mems开关。示出如下继电器：在该继电器的情况下，并非像迄今为止那样穿过第二衬底引导电供应，而是在键合区域的下方，在第二衬底的前侧上——即内侧上——向外引导电供应。为此，在第二衬底14的内侧141上布置有布线平面200。该布线平面不仅一方面与能够导电的第一连接17、第二接触部和驱动电极22、而且另一方面与键合盘210连接。图6另外还示出如下布置：借助该布置能够产生尤其高的接触力。静电力随着距离平方的倒数的增大而增大。因此重要的是，在接触状态下实现可运动结构与驱动电极22之间的尽可能小且经明确限定的距离。
53.这能够借助在此所示出的方案以尤其有益的方式实现。
54.在第二衬底14的侧部上，接触部15和驱动电极22为此由相同的层形成：由此能够实现所述接触部与驱动电极位于相同的竖直高度上。为了在特别好的程度上确保这一点，在制造过程中能够借助抛光工艺要么将该层自身平面化、要么将位于该层下方的层平面化。
55.在相对侧上，可以在第一衬底11中将用于第一接触区域13的金属接触层26沉积在开关元件12上。在对电极的区域中，未在开关元件上设置附加的材料。在此一方面有益的是，能够偏移的开关元件与驱动电极22之间的距离在接触状态下仅通过金属接触层26的厚度来限定而因此能够非常准确地被调整。进一步有益的是，对于可运动结构的表面，通过利用空腔soi衬底能够实现，非常平滑地在驱动电极22上方产生具有少量翘曲的表面作为可运动结构，这也使得能够实现能够偏移的开关元件12与驱动电极22之间在接触状态下的非常小的距离。
56.图7在第五实施例中示意性示出具有止挡的根据本发明的mems开关，该止挡确定微机械功能层与第二衬底之间的距离。在第一衬底11与第二衬底14之间永久地布置有距离保持件或止挡21，该距离保持件或止挡确定在制造该设备期间在对衬底进行接合时键合框架18的最终高度。即，这是永久的、在原位(in situ)的键合旗。距离保持件21限界键合连接的下沉。因此，mems开关的第一接触区域13与第二接触区域15之间的距离a也准确地确定。
57.图8在第六实施例中示意性示出具有铝锗键合连接和第二衬底的根据本发明的mems开关，该第二衬底具有集成电路。在第二衬底11的内侧上布置有ic结构，在本示例中布置有asic 300。共晶键合连接18由铝锗构成。止挡21确定该键合连接的高度。
58.图9a至9l在一个实施例中示出根据本发明的用于制造设备上的微机械开关的方法的不同阶段。
59.图9a示出第一衬底11。在衬底11上，将功能层23施加在第一绝缘层100的上方。优
选使用具有埋入式空穴的soi衬底，即所谓的空腔soi衬底20。
60.在第一衬底11的微机械功能层23上，沉积锗层24并将该锗层结构化(图9b)。
61.在微机械功能层23上还沉积介电层25，该介电层优选是pecvd氧化物层或者pecvd氮化物层。在该介电层上沉积金属接触层26并将该金属接触层结构化。优选在此沉积贵金属层、钨层、钌层或者铱层。将该介电层结构化(图9c)。
62.将功能层23结构化并且释放该功能层。在此尤其形成开关元件12，该开关元件能够在垂直于该衬底的主平面的方向上(平面外式)偏移。优选使用沟槽工艺(图9d)。
63.图9e示出第二衬底14。在第二衬底上，在介电层的上方沉积第一导体轨层28并将该第一导体轨层结构化。在第二衬底的情况下，尤其可以使用具有集成电路27的asic晶圆。此外，该电路能够以有益的方式用作功能元件或者用作用于mems继电器的保护元件。沉积另外的介电层29并将该另外的介电层结构化。沉积铝层30并将该铝层结构化。
64.可选地，沉积另外的介电层31并将该另外的介电层结构化(图9f)。使用该层在子区域中产生止挡结构21。如此选择层厚度，使得在键合过程中铝与锗层能够接触，但同时也在键合过程中对两个层的挤压进行限界。通过所述结构化还能够释放第一导体轨层并将该第一导体轨层用作第二接触面。
65.可选地，现在能够沉积第二接触面32并将该第二接触面结构化(图9g)。优选使用贵金属层、钨层、钌层或者铱层。
66.可选地，现在在另一结构化步骤中将键合区域33中的另外的介电层移除(图9h)。释放止挡21。
67.第一衬底11以该第一衬底的前侧指向第二衬底14并且在该第二衬底的上方布置(图9i)。
68.将两个衬底相互校准(图9j)，其中，使锗层24和铝层30在键合区域33中相互接触。将两个衬底键合(图9k)。
69.优选使用具有400℃与480℃之间的温度的键合工艺。
70.在第二衬底中，制造通过键合连接包围的区域与外部区域之间的至少一个电连接。
71.优选将第二衬底14从背侧减薄。
72.制造通过第二衬底的电连接34，即敷镀通孔(tsv)。
73.可选地，在第二衬底的背侧上施加布线平面。
74.在第二衬底14的背侧142上施加接触面35，所述接触面尤其是能焊接的面或者焊球(图9l)。
75.图10示意性示出根据本发明的用于制造微机械开关的方法，该方法具有如下重要的步骤：
76.a——提供具有微机械功能层的第一衬底，在该微机械功能层中构造有能够偏移的开关元件，该开关元件具有能够导电的第一接触区域；
77.b——提供第二衬底，该第二衬底在内侧上具有能够导电的第二接触区域；
78.c——将第一衬底键合到第二衬底上，其中，该第二衬底的内侧指向第一衬底，并且第一接触区域和第二接触区域以彼此具有距离的方式如此布置，使得能够偏移的开关元件能够以第一接触区域贴靠到第二接触区域上以便闭合电接触部。
79.附图标记列表
80.1衬底
81.2第一电极
82.3第一接触面
83.4杠杆结构
84.5(经移除的)牺牲层
85.6悬挂弹簧
86.7第一方向
87.8固定电极
88.9第二绝缘层
89.10金属层
90.11第一衬底，mems衬底
91.12能够偏移的开关元件
92.13第一接触区域
93.14第二衬底，罩衬底
94.15第二接触区域
95.16接触部
96.17第一电连接
97.18键合框架
98.19第二电连接
99.21止挡
100.22驱动电极
101.23部分可运动的功能层
102.24锗层
103.25第二绝缘层，介电层
104.26金属接触层
105.27asic
106.28第一导体轨
107.29另外的介电层
108.30铝层
109.31介电层
110.32第二接触面
111.33键合区域
112.34敷镀通孔(transsiliconvia，tsv，硅通孔)
113.35背侧接触面
114.130金属附加层
115.141第二衬底的内侧
116.142第二衬底的外侧
117.100第一绝缘层
118.110硅层
119.120微机械功能层
120.121固定部分
121.122能够偏移的开关元件
122.1210第一接触区域
123.1220第二接触区域
124.a距离
125.200布线平面
126.210键合盘
127.300集成电路(asic)。

技术特征：

1.一种微机械开关，所述微机械开关具有第一衬底(11)和第二衬底(14)，所述第一衬底具有微机械功能层(23)，在所述微机械功能层中构造有能够偏移的开关元件(12)，所述第二衬底与所述第一衬底连接，其中，所述第二衬底具有距离(a)地地布置在所述开关元件的上方，其中，所述开关元件具有能够导电的第一接触区域(13)并且能够朝向所述第二衬底偏移，其特征在于，所述第二衬底在内侧(141)上具有能够导电的第二接触区域(15)，所述第二接触区域如此布置，使得所述开关元件能够以所述第一接触区域贴靠到所述第二接触区域上，以便闭合电接触部(16)。2.根据权利要求1所述的微机械开关，其特征在于，在所述微机械功能层(23)与所述第二衬底(14)之间布置有能够导电的第一连接(17)、尤其是共晶键合。3.根据权利要求1或2所述的微机械开关，其特征在于，在所述内侧(141)上的第二电接触区域(15)与所述第二衬底(14)的外侧(142)之间布置有能够导电的第二连接(19)、尤其是敷镀通孔。4.根据权利要求1或2所述的微机械开关，其特征在于，所述第一衬底(11)与所述第二衬底(14)借助键合框架(18)相互连接，并且在所述内侧(141)上的第二电接触区域(15)与所述内侧上的键合盘(210)之间尤其是在布线平面中布置有第三电连接(200)，其中，所述第三电连接在下方横穿所述键合框架。5.根据权利要求1至4中任一项所述的微机械开关，其特征在于，在所述第二衬底(14)上在可运动功能层(23)的下方的子区域中布置有能够电操控的电极面(22)。6.根据权利要求1至5中任一项所述的微机械开关，其特征在于，第一电接触部(16)完全被键合框架(18)包围。7.根据权利要求1至6中任一项所述的微机械开关，其特征在于，第一电接触区域(13)完全施加在所述能够偏移的开关元件(12)上的电绝缘的第二绝缘层(25)上方。8.根据权利要求1至7中任一项所述的微机械开关，其特征在于，在所述开关元件(12)的未偏移的状态下，所述第一电接触部(13)在竖直方向上超过所述可运动功能层(23)突出的部分小于所述第一接触区域(13)至所述第二接触区域(15)的竖直距离(a)的25％。9.根据权利要求1至8中任一项所述的微机械开关，其特征在于，在所述开关元件(12)的未偏移的状态下，所述第二电接触区域(15)在竖直方向上位于与所述驱动电极(22)相同的高度上，或者在高度方面的偏差相对于所述第一接触区域(13)至所述第二接触区域(15)的竖直距离(a)至少不多于10％。10.根据权利要求1至9中任一项所述的微机械开关，其特征在于，所述微机械功能层(23)全部地或部分地由硅构成。11.根据权利要求10所述的微机械开关，其特征在于，所述微机械功能层(23)在竖直方向上至少具有5μm的高度。12.根据权利要求1至11中任一项所述的微机械开关，其特征在于，所述第一接触区域(13)和/或所述第二接触区域(15)由金属材料构成。13.一种用于制造微机械开关的方法，所述方法具有下述步骤：a
ꢀ‑
提供具有微机械功能层的第一衬底，在所述微机械功能层中构造有能够偏移的开
关元件，所述开关元件具有能够导电的第一接触区域；b-提供第二衬底，所述第二衬底在内侧上具有能够导电的第二接触区域；c-将所述第一衬底键合到所述第二衬底上，其中，所述第二衬底的内侧指向所述第一衬底，并且所述第一接触区域和所述第二接触区域彼此具有距离地如此布置，使得所述能够偏移的开关元件能够以所述第一接触区域贴靠到所述第二接触区域上以便闭合电接触部。14.根据权利要求13所述的用于制造微机械开关的方法，其特征在于，在所述步骤a中，提供空腔soi衬底作为第一衬底。15.根据权利要求13或14所述的用于制造微机械开关的方法，其特征在于，将在所述第二衬底(14)的内侧上的和/或在所述第一衬底(11)的对置侧上的至少一个层平面化，所述对置侧指向所述内侧。

技术总结

本发明从一种微机械开关出发，所述微机械开关具有第一衬底(11)和第二衬底(14)，第一衬底具有微机械功能层(23)，在该微机械功能层中构造有能够偏移的开关元件(12)，第二衬底与第一衬底连接，其中，第二衬底具有距离(A)地布置在开关元件的上方，其中，开关元件具有能够导电的第一接触区域(13)并且能够朝向第二衬底偏移。本发明的核心在于，第二衬底在内侧(141)上具有能够导电的第二接触区域(15)，该第二接触区域如此布置为，使得开关元件能够以第一接触区域贴靠到第二接触区域上，以便闭合电接触部(16)。本发明还涉及一种用于制造微机械开关的方法。的方法。的方法。