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西安电子科技大学 博士学位论文 mems电开关的微机理、微工艺和微效应 姓名：吕苗 申请学位级别：博士 专业：半导体物理与微电子学 指导教师：赵正平 20031001 中文摘要 微电子机械系统( m e m s ) 技术是采用集成电路微细加工技术，从2 维加工向3 维加工 发展，以硅、砷化镓等集成电路的通用材料实现微型机械结构，并与集成电路共同制造， 最终实现芯片级微系统的一种新技术。由于它符合人类技术发展的总趋势，即以更少的资 源实现更多的功能，在过去l o 年间得到快速发展，和纳米技术并列为微纳米技术，被称 为二十一世纪的关键技术之一。由于可动结构进入微米量级，其特有的微机理、微结构研 究在物理领域也非常活跃。i e m s 技术研究属于高科技前沿领域，被国家8 6 3 计划列为重大 专项。 m e m s 电开关( m e m ss w i t c ho rr e l a y ) 是m e m s 技术中的重要领域，其工作频率从直 流到微波。这种电开关本身可以用于自动测试，电路切换、微波移相器等场合，同时它是 一种典型的纵向m e m s 器件，对其特性的研究具有普遍的意义，获得的设计技术、工艺技 术可以用于多种重要的m e m s 器件，例如光开关、z 轴加速度计、陀螺等等。在每次m e m s 国际会议中，与m e m s 电开关相关的研究报告均占到1 0 3 0 的比例。并在美国召开过专 门的i e m s 电开关会议。在过去1 0 年问的研究报告和文章有上千篇之多? 本文作者在基金、预研、8 6 3 、新品等研究项目的支持下，从2 0 0 0 年开始，对i e m s 电r 丌关进行了较为深入的研究，各种m e m s 电开关的投片批次达到近5 0 次，最后使用的光 刻版是第1 3 次版，由于集成电路工艺比较昂贵，仅制版和投片这两项费用就超过一百万 元，并且有十几位同志常年参加这项工作。研究工作中所获得的大部分设计、工艺、测试 数据和分析结果都编写在本文中。 本文在国内首先对m e m s 开关的制造技术和特- 陛进行了较深入的研究，获得的部分设 计技术和工艺技术成果，如微结构黏附力的测试技术：自适应触点技术：防粘连的硅溶片 工艺等在国际上有创新。获得的m e m s 电开关的部分性能达到了国际水平，例如驱动电压 最低达到8 伏，部分性能接近了国际水平，如最高开关频率达到i o k h z ，开关延迟小于2 0 us ，开关寿命大于1 0 9 次。 由于承担的新品项目要求工程化，作者对阢w s 电开关的一致性、可靠性进行了较为 深入的研究。最终获得的1 e m s 开关的成品率达到7 0 以上，驱动电压一致性得到明显改 善。通过对m e m s 电开关失效机理的分析，克服了温度变化，静宅冲击造成的短期失效， 使m e m s 电丌关的工作寿命延长到1 0 9 次。 绪论集中介绍了 i e m $ 电开关在国际上的发展过程全面阐述了各种技术方案和获得 的最新成果。 第二章对m e i s 电开关的设计和优化技术进行了详细论述：设计中采用宏观物理模型 和微观物理量测试以及有限元仿真相结合的方法，力求给出器件的数学模型，对于制约模 型精确度的一些重要物理量，如黏附力和薄膜应力等，通过专门设计进行了测量，并将测 量结果反馈回设计仿真中。 第三章论述了m e , i s 电开关的微纽制造技术，结舍微细妞工工艺的“液态援”等工艺 模型分析，我们在m e m s 电开关的制造中提出的一些创新技术，例如防粘连技术、微波丌 关中的薄膜跨牺牲层技术等，同时在大量工艺试验的基础上优化工艺流程，最终获得了较 高的成品率和一致锰。 第四章在对m e m s 电开关特性测试的基础上，对m e m s 开关的特性，包括开关特性，微 波特性、开关寿命等进行了详细的讨论。 第五章讨论了m e m s 电开关的微观效应，主要包括微接触效应和“t i l t i n g ”效应，在 大量的试验数据的基础上，提出微接触电阻及微接触损伤的物理模型。重点阐述了我们提 出的一种刨新的“自适应触点”结构，它能有效地抑豁“t i l t i n g ”效藏，获得了驱动电 压2 0 伏，一致性好的m e m s 电开关。 第六章讨论了m e m s 电开关的可靠性，包括例行的可靠性试验和试验结果。此外由于 i e m s 电开关在宇航中的应用需求，我们对m e m $ 开关迸行了辐照试验，并讨论了其辐照损 伤机理、敏感参数和损伤阈值。 作为疆e 慨电开关技术的系统应用，第六章对由怃沤电开关组成铃新型开关隔离电 路设计、制造和性能进行了介绍。 关键字：m e m s 开关，微接触微细加工 a b s t r a c t m i c r oe l e c t r o n i cm e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) t e c h n o l o g yi si n d u c e di n19 8 0 s ，w h i c hc a n r e a l i z em e c h a n i c a ls t r u c t u r e si ns e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sb yi cf a b r i c a t e dp r o c e s sw i t hm i c r o n d i m e n s i o n s t h e s em i c r om e c h a n i c a ls t r u c t u r e sc a r lb ei n t e g r a t e dx x j t hc o m m o ni n t e g r a t e d c i r c u i ti nas i n g l ew a f e r , a n dl e a d st os oc a l l e ds o c ( s y s t e mo nc h i p ) t e c h n o l o g y , w h i c hc a n g a i nm o r eb e n e f i t sf r o ml e s sr e s o u r c ea n df i tf o rt h eo r i g i n a lg o a lo fd e v e l o p m e n to fh u m a n t e c h n o l o g i e s t h e r e f o r e ，m e m sg e tw i d e l ya t t e n t i o n si nl a s td e c a d e s m e m sa i m st of a b r i c a t e d m o v a b l e ，m i c r o n sd i m e n s i o n ss t r u c t u r e s ，i n w h i c h s p e c i a lp r i n c i p l e s a n de f f e c t su n d e r m i c r o e n v i r o n m e n tw i l lb ei n v o l v e d s u c hr e s e a r c hw i l la c ta sa ni m p o r t a n tp a r ti nm o d e m p h y s i c s m e m se l e c t r o n i cs w i t c ho rr e l a yi sa ni m p o r t a n ta r e ai sm e m sr e s e a r c h ，w h i c hi n c l u d e s m i c r m x a v es w i t c ha n do r d i n a d r e l a yt or e a l i z et h es 、i t c h i n go fd i f f e r e n tp a t h m e m se l e c t r o n i c s w i t c hc a nb ea p p l i e dw i d e l yi nc a t ，p h a s es h i f t e r ，a n t e n n ae t c a d d i t i o n a l l y , s 、i t c hi so n eo f t h eb a s i cm e m ss t r u c t u r e s ；e x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o ms w i t c hc a nb ea p p l i e di no p t i c a ls w i t c h ， a c c e l e r o m e t e r , g y r oe r e a c c o r d i n g l yt h ei s s u eg a i n sm u c ha t t e n t i o n f o re x a m p l e ，1 0 t o3 0 p a p e r si ne v e r m e m sw o r k s h o pa r ei n v o l v e di nt h er e s e a r c ho fs 、i t c h ，a n ds p e c i a ls y m p o s i u m sa b o u ts w i t c h a r eo p e n e di nu s a t h ea u t h o ri sd e v o t e dt ot h er e s e a r c ho fm e m ss w i t c hs i n c e2 0 0 0b yt h es u p p o r to f c h i n e s eh i g h t e c ht e c h n o l o g yp r o j e c te t c u pt o5 0p r o c e s sf l o w sa r ep r e c e d e da n dt h ec o s th a s e x c e e d e d1m i l l i o nr m b m o s to ft h er e s u l t si nd e s i g n ，p r o c e s sa n dt e s t i n ga r el i s ti nt h i sp a p e r p a r to ft h e s er e s u l t st i k et e s t i n gm e t h o d so fa d h e s i v ef o r c eb e t w e e nm i c r os u r f a c e s ，a d a p t i v e c o n t a c t ，a n t i - s t i c k i n gp r o c e s sa r eo r i g i n a li n n o v a t i o n s o m eo ft h ep e r f o r m a n c eo fs w i t c hs u c ha s 8v o l t sa c t u a t e dv o l t a g e ，10 k t t zo p e r a t i n gf r e q u e n c 。，2 0usd e l a ye t c i su pt ot h es t a t e o f - a r t e s p e c i a l l y , t h ea u t h o ri si n v o l v e di nt h er e s e a r c ho f r e l i a b i l i t ya n dc o n s i s t e n c yo f t h es w i t c h ， w h i c hi st h eb i g g e s tp r o b l e mi nt h ea p p l i c a t i o no fm e m ss w i t c h f i n a l l yt h ey i e l di sr e c o r d e da s u pt o7 0 ，t h ec o n s i s t e n c yo f a c t u a t e dv o l t a g ee x c e e d st o9 0 ，a n dt h el i f eo fs w i t c hi su pt o1o c y c l e st h r o u g ha n a l y s i so nt h ef a i l u r em e c h a n i s m c h a p t e r1i n d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h es w i t c ha n dv a r i e so fs w i t c ht e c h n i q u e s t h e m o d e l i n g ，d e s i g n ，s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o na r ep r e s e n t e di nc h a p t e r2 ，t h ea u t h o rd i v i d e st h e m o d e lo fs w i t c hi n t ot w od i f f e r e n tp r o c e s s e s ：r e s o n a n tp r o c e s sa n dc o n t a c t d i v i d ep r o c e s s ，t h e f o r m e rc a nb ed e s c r i b e db ym a c r oe q u a t i o n sb u tt h el a t e rm u s tb ec o n s i d e r e di nm i c r o e n v i r o n m e n ta i lt h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o na r eb u i l to nt h i sm u l t i p l em o d e l t h ea u t h o rd i s c u s s e sf a b r i c a t e dp r o c e s so fm e m ss w i t c hi nc h a p t e r3 ，a n ds o m en o v e l p r o c e s si sp r e s e n t e do nt h eb a s eo fm o d e l i n go fs o m ek e yp r o c e s s f o re x a m p l e ，n e wt e c h n i q u e s a r eg i v e nt op r e s e n tp r o c e s ss t i c k i n gb y “l i q u i db r i d g e ”：a n t i - b r e a kp r o c e s si sp r o v i d e d s u c c e s s f u l l yt og e tah i g h e ry i e l di ns h u n t e dr fm e m ss m t c h t h r o u g ht e s t i n go fm e m ss w i t c h ，w ed i s c u s s e dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，m i c r o w a v e c h a r a c t e r i s t i c sa n dl i f e t i m ei nc h a p t e r4i nd e t a i l s w et h e np r e s e n t e dt h em o d e l i n go fs o m e e f f e c t si nm i c r o e n v i r o n r n e n ti nc h a p t e r5 ，i n c l u d i n gm i c r o c o n t a c te f f e c ta n d “t i l t i n g ”e f f e c t o n t h eb a s eo fa b o v er e s e a r c h ，ak i n do fa d a p t i v ec o n t a c ts t r u c t u r ei si n d u c e dt or e d u c et h et i l t i n g e f f e c t ，a n dl e s sa c t u a t e dv o l t a g e ，w e l lc o n s i s t e n c ys w i t c hi sr e w a r d e d t h ec o n t e n t so fc h a p t e r6a r ea b o u tr e l i a b i l i t yo fm e m ss x i t c h ，i n c l u d i n go r d i n a r y r e l i a b i l i t yt e s ta n df i n a lr e s u l t s a d d i t i o n a l l y , r a d i a t i o nr e s p o n s eo ft h es w i t c hi si n v o l v e do dt h e f a c to fi t ss p a c ea p p l i c a t i o n s t h ep r i n c i p l e ，s e n s i t i v ef a c t o r sa n dt h r e s h o l dv a l u ea r eg i v e n a s o n eo ft h ea p p l i c a t i o n so fm e m ss w i t c h ，an o v e lm e m si s o l a t i o na m p l i f i e ri sp r e s e n t e di n c h a p t e r7 d e s i g n ，f a b r i c a t i o na n dt e s t i n go f t h ec i r c u i ta r ed i s c u s s e di nd e t a i l s k e y w o r d ：m e m s ，s w i t c h ，m i c r oc o n t a c t ，f a b r i c a t e dp r o c e s s j 虫仓0 性l 或到新性) 声明 s 凡声明所翠文呐论文是我个人盔导师指导下：墨 亍白。听气1 ：汁1 j t ! ? 吨霉孓我寥i j z 跨了文中特别加咀标泣j = 致澎卞所罗列自i j j 荽? i 。、 r 蔓：f h 寰三? 。己始发襄茸攫；过的研宄成景：也不包古力拙衔。，j - f ? - j 二 ：oj ! 嚣育# ： 一学忙；【i 书而使用过n 村科一与拉一同i 怍p 同寸 ：j 。j 1 i ：壹舡垣三旺：0 支l 川躯了明确的说”q j p 表示r i 埘意。 幸 学：二与资黄育不必之处本j 、承担一训 口兰! j 弹j r 纠 i 。酆：i 始 日期兰丝竺夕 j ? 、冗2 0 i 马袁r 0 于：j - 耋芝大学育关保目和他罔学位讫立f h k 专 。! 。鼍l ? 攻毒皇啦嚣i 0 文工作的知识产权萆何属雨奠h 1 于科发_ 0 ： i l v 2 焉丝爰i 0 ：e 贰 壬惟论文( 与学位沱文 - h * if 戍策。y t 1 曩i ! | 弘j i 一( 掌 杌白1 t 悍留送它论文的i ! 趸e 州= ，丸f 盘- j 十12 j ：。 卜一j ： 【誓曩垒并j j e 帑分 j j 各a j 0 允许采1 影印缅i 印矗0 0 一l 一】1 。+ = t 。：? 0l t 三群密，g - i g0 此观定) 一 防彳矛) l 。一旺 l 上谴二 泌一 1 i 。) ，。 同崩坌三! 乏护、7 日明塑3 心， 第一章绪论 第一章绪论 1 1i v l e m s 电开关技术的发展 1 1 1m e m s 电开关的应用领域 电开关能够实现电信号的开关，在自动测试设备、汽车电子、工业控制、通 讯和国防等领域得到广泛应用，目前有3 种电开关，电磁机械开关、固态电子开 关和m e m s 电开关。 传统的机械电开关用于设各和工业控制，它的一些特性接近理想开关，包括 小而稳定的接触电阻：高隔离度，大的电流电压控制能力。同时也具有速度慢， 驱动功率大，体积重量大，成本高、难以集成，电磁噪声大等缺点。 固态电子开关应用范围最广，从直流到微波领域都可以应用。它的主要优点 包括：高可靠、长寿命、开关速度快，易于集成，体积小、成本低。主要缺点是： 接触电阻大，隔离度低，功耗大，寄生电容大。同时由于固态电子开关的控制回 路与信号回路的地线相通，控制信号对开关信号产生干扰，一般电路中需要增加 滤波器环节。 自1 9 7 9 年p e t e r s o n 制造了第一只m e i s 电开关以来“3 ，随着m e m s 技术的发 展，出现了多种类型的m e m s 电开关。“。和传统的机械电开关相比，m e m s 电开关 的优点包括高可靠、长寿命、开关速度快，易于集成，体积小、成本低，驱动功 耗小。和固态电子开关相比，具有隔离度高，寄生电容小等优点。 1 9 9 0 年以来，m e m s 电开关在微波领域地应用得到广泛地关注。”2 “，这是由2 方面的原因造成的：首先是微波系统向高频方向发展，s 波段、x 波段、k u 波段甚 至k a 波段的应用越来越多，而m e m s 微波开关是一种无源器件，和传统的p i n 微 波开关和f e t 开关相比，能满足高频、宽带应用：第二是相控阵天线的快速发展。， 相控阵天线需要多达几万只到十几万只的开关，而m e m s 微波丌关的驱动功耗、插 入损耗很低，能满足相控阵天线需求。 ! m e m s 电开关的微机理、微工艺和微效应 1 1 2m e m s 电开关的分类 按驱动方式分类，包括静电驱动，电磁驱动，热变形驱动和压电驱动等等； 按结构设计分类，包括横向和纵向振动型：从制造方法分类：包括表面工艺、体硅 工艺和l e a 工艺；从应用领域分类：包括低频电开关和微波开关等。 1 1 3m e m s 电开关的发展水平 1 1 3 1 低频应用的m e m s 电开关的发展水平 g r e t i l l a te ta 1 1 9 9 4 研制了一种和m o s f e t s 集成的多晶硅悬梁静电开关。 d r a k ee ta 1 1 9 9 5 研制了一种应用在汽车测试系统中的静电驱动电开关，采用玻 璃一硅静电键合技术，开关驱动电压小于l o o v ，接触电阻小于3 欧姆，开关寿命超过 l 亿次，开关闭合延迟小于2 0 u s 。s h u v or o ye ta 1 【1 9 9 b 报道了一种采用n i 表面微机械加工工艺制造的m e m s 电开关，采用静电梳齿驱动。针对电接触弓l 起的 触点失效问题，m ag r e t i i l a te ta t 1 9 9 9 提出了一种静电驱动、i e m s 电开关， 采用n 卜a u 触点，多晶硅悬梁。提高了可靠性。 h a s h i m o t oe ta 1 1 9 9 5 报道了一种温控电驻驱动汪m s 电开关，通过集成的 t i 加热电阻加温，改变材料磁性，产生磁力，这种结构的优点是不需要电磁线圈。 这种m e m s 电开关的开关时间为l o m s 。b o s a k ae ta 1 1 9 9 43 t 道了一种电磁驱动 的i e m s 电开关，由开关结构和电磁线圈两部分装配而成，电镀的n i f e 合金作 为磁性材料。这种m e s 电开关的优点是能产生较大的接触力。h t i l m a n s 【1 9 9 9 报道了一种塑封的电磁电开关，采用多层c u 线圈和n i f e 悬臂梁，接触电阻小于 0 4 欧姆，驱动电压z v ，开关延迟l m s 。r o g g ee ta 1 1 9 9 5 采用l i o a 工艺实现了 一种电磁驱动，不需装配的m e m s 电开关，采用跌莫合金作为浇铸材料， 驱动电 流可以达到4 j m a ，但工艺中需要2 次x 一射线光亥0 ，成本较高。g u c k e le ta t 1 9 9 5 报道了另一种l i g a 工艺制造的m e m s 电开关，芯片尺寸在1 唧左右。它需要装配， 因此性能重复性较差， e z e k i e le ta 1 1 9 9 9 报道了一种水平驱动的开关结构，采用a u a u 接触获 得了7 0 m q 的接触电阻，0 4 5 a 的额定开关电流，t t l 电平驱动，这种、1 e s 电开关采 用两层多晶硅的表面微机板加工工艺，采用热变形驱动，开关时间7 5 l o o u s 。 第一章绪论! 对m f f m s 电开关的要求包括：低导通电阻，高隔离度，大功率容量，开关速度 快，小尺寸，能够批量生产。但目前能够达到上述要求并实现商品化的技术还没 有出现。 m e m s 电开关低频应用的主要问题在于： ( 1 ) 难以实现较大的功率容量。较大的电流、电压会通过电弧作用熔毁触点。 ( 2 ) 开关次数还需提高。 1 i 3 2 微波应用的m e m s 开关的发展水平 微波应用的m e m s 开关通过在微波传输线上的可动结构实现微波信号的通断， 分成并联开关和串联开关两类：并联开关通过可动结构在共平面波导线的信号线 与地线之间制造一个可变电容，在几十f f 和几p f 之间跳变实现微波信号的通断， 并联开关在x 波段以上隔离度才能满足要求，具有使用价值。t i & r a y t h e o n 实验室 研制的并联开关代表最高水平，典型性能为：驱动电压3 0 v ，开关延迟l o u s ，在 3 0 g h z 时，插入损耗小于0 2 d b ，隔离度大于4 0 d b 。串联开关将微波传输线断开， 通过中间悬浮的微带线的运动实现微波传输线的通断。串联开关低频端的隔离度 较高，r s c 代表了串联开关的最高水平：驱动电压3 0 v ，开关延迟l o u s ，在3 g h z 时插入损耗0 2 d b ，隔离度大于5 0 d b 。图卜1 是串联、并联开关的性能结构比较 示意图。 剀1 1 串联、并联r f ) , i e m s 开关比较结果 m e m s 电开关的微机理、微工艺和微效应 图1 2 是采用b s t 薄膜研制的r fm e m s 开关示意图 和现有的p i n 开关和f e t 开关相比，r fm e m s 开关的优点是插入损耗小、驱动 功耗小、能够实现单片集成。r fm 卧i s 开关的缺点是驱动电压高，隔离度低，开关 速度慢。针对驱动电压的问题，研究者设计了许多新结构，韩国l g 电子和先进科 技研究所先后将驱动电压降到8 v 、5 v 。目前提高隔离度比较好的方案是采用b s t 介质的方案，能比采用氮化硅介质的提高1 5 d b 以上。图卜2 是采用b s t 薄膜研 制的r fm e m s 开关示意图。对于开关速度的问题，没有太多的解决办法，只能在 应用中扬长避短。 目前r fm e m s 开关具有单刀单掷、单刀多掷等多种结构，可方便地制造成阵 列。并有分离器件和与m m i c 集成的产品进入市场。图卜3 、图卜4 是r fm e m s 的 分离器件和州i c 的照片。图1 - 5 是r f i e m s 单刀多掷开关的版图照片。 微波m e m s 开关的发展方向是提高隔离度，降低插入损耗和提高开关速度。目 前尚为解决的问题包括： ( 1 ) 可靠性：目前达到的开关次数是从1 亿次到1 0 亿次，而很多微波系统 要求的丌关次数是2 0 0 亿次到2 0 0 0 亿次。 ( 2 ) 较低的开关速度：目前达到的水平是2 4 0 us ，一般的通讯和雷达系统 需要至少lus 以下的开关延迟时间。 ( 3 ) 功率容量：目前的微波开关的功率容量在2 0 5 0 m w 而通讯和雷达系统 需要0 2 1 0 w 的功率处理能力。 ( 4 ) 驱动电压：目前的微波m e m s 开关的驱动电压在2 0 8 0 v 之间，因此在 应用中需要专门的升压电路。 ( 5 ) 封装技术：要求采用气密封装技术而不能影响开关的性能。能满足要求 第一章绪论 并且价格低廉的封装技术仍在研究。 图卜3d o w k e y 公司的r fm e m s 微波开关产品图卜4 采用4 个r fm e m s 开关的h 5 1 1 c 产品 吕霎昌 吕宁昌节= 图卜5r fm e m s 单刀多掷开关f i 勺版图照片和原理说明 1 2m e m s 电开关的主要技术方案 本节通过介绍m e m s 电开关的主要技术方案，力图揭示m e 惦电开关的发展脉 络和关键指标的提高。本节分为两个部分，分别是低频电开关及微波开关的主要技 术方案，其内容决定了本文技术方案的选择。 1 2 1 低频电开关 1 2 1 1 表面微机械悬梁开关。“ 1 9 9 7 年，德国m u n i c h 的f r a u n h o f e r 学院的i g n a zs c h i e l e 等人研制了一种 典型的悬梁m e m s 开关，图卜6 是这种m e m s 开关的扫描电镜照片。其工艺过程示 意图如图卜7 所示，以单晶硅材料做为衬底，以光刻胶或高分子聚合物做为牺牲 盛盆 攀|羲，毒 骥糯一 麓。 ! m e m s 电开关的微机理、微工艺和微效应 层，采用两次牺牲层工艺，悬梁由介质一金属一介质的复合结构制成，由于悬梁 的内应力向上弯曲。采用金属一金属接触。采用静电力驱动。 图i 一6 表面微机械悬梁型m e m s 开关的扫描电镜照片 。趸；兰吝窖筻三茏一、“ 一。t i “u ! 茂：王立：二二：父i ：一一一j ”熏 图卜7 表面微机械悬梁型m e m s 开关的工艺流程示意图 图卜8 是这种m e m s 开关的开关特性测试结果，可见驱动电压为7 j 伏，开关 丌通延迟为2 6 ，us 。图卜9 是其接触电阻与开关次数的关系曲线，可见经过4 0 0 次开关动作后，接触电阻稳定在4 0 欧姆左右。 幽1 - 8 表面微饥械悬梁型i l i e m s 开关的开关 。特r 主曲线 22z3 e 03 0 n l m b e r o r c v c l 自5 图l 一9 袭西微机械悬梁型m e , i s 开关的 接是电阻与开关次数的关系曲线 w ” 和 站 一eo一8c旦i口 第一章绪论 1 2 1 2 与m o s 工艺兼容的多晶硅薄膜电开关 1 9 9 4 年，瑞士n e u c h a t e l 大学的“a g r e t i l f a t 等人发表了与m o s 工艺兼容 的m e m s 电开关的研究报告，图卜1 0 是这种电开关的结构示意图，采用牺牲层工 艺，薄膜采用多晶硅一氮化硅一多晶硅三层复合膜结构。采用浓硼扩散的多晶硅 实现电极接触。 圈p t y 雌r e 褂“1 圈n _ 斟p | ：c e , g o n , - ma l u f n i “ 口_ ， 餐圈l p c v d 巍n h d d 芒 圈i 器缫嚣 圈凛黜甜 豳粼辅 图卜1 0 与m o s 工艺兼容的m e ”s 电开关结构示意图 通过测试，上述开关的驱动电压为5 0 7 5 伏，开通延迟为4us ，关断延迟为 lus 。经过1 亿次的开关工作后，性能未见退化。这种方案的主要问题是接触电 阻较高。 1 2 1 3 能使驱动电压降低到5 伏的m e ! , i s 静电驱动开关。” 驱动电压高是m e m s 静电开关应用中的一个主要问题，造成驱动电压高的原因 是静电力不能产生斥力，开关断开时需要足够的弹性力，要求悬梁或薄膜要有足够 的刚度由于在开关导通时驱动电压产生的静电力需要克服这个刚度，因此驱动 电压难以降低。 2 0 0 0 年，韩国的d o o y o u n gh a h 等人发表了一种“翘翘板”结构的m e i s 开关， 能使驱动电压降到5 伏左右。这种结构的原理示意图如图卜1 l 所示：驱动电极分 成接触电极和分离电极两块，整个结构围绕两个橇往梁做旋转。由于分离也由静 电力完成，因此结构刚度可以设计的很小，有效地降低了驱动电压。 !m e m s 电开关的微机理、微工艺和徽效应 圈1 - 1 1 “翘翘扳”结构的m e m s 开关的结构图卜1 2 “翘翘板”结构的m e m s 示意图开关 的s e h i 照片 这种m e m s 开关的工艺流程示意图如图1 - 1 3 所示：采用高分子聚合物做为牺 牲层，活动结构由氮化硅- - t ia u 复合膜制成，触点采用金属一金属接触。最终获 得的这种结构的扫描电镜照片如图卜1 2 所示。 图卜1 3 “翘翘板”结构的m e m s 开关的工艺流程示意图 对这种开关进行了测试，图卜1 4 是驱动电压的测试结果，可见当驱动电压为 3 6 伏时开关就发生了偏转。图l 一1 5 是开关特性的测试曲线，其开关延迟是毫秒 级的。这时这种结构的主要缺点。 第一章绪论 图卜1 4 “翘翘板”m e m s 开关的驱动电压测试结果 lt ，。，。i 毒a 咖。i l 一一。 瘦“一雌 【，剥置厂忙r 忆l 。1 i 。m 丁 l 0：o3 04 0 t i m * f m s c c 】 图1 - 1 5 “翘翘扳”m e m s 开关的开关特胜 9 1 2 1 4 体硅工艺获得的静电开关 1 9 9 9 年，日本o ! , i r o n 公司的m s a k a t a 等人研制了一种静电驱动的m e , i s 开关， 这种丌关的结构示意图如图卜1 6 所示，工艺流程图如图卜1 7 所示，采用一片硅片 和一片玻璃片静电键合组成，金属一金属接触。 目1 1 6 体硅工艺获得的m e m s 开关结构示意图 !耋幡 一u2磬pi!智：o薯墨 。昙ccoi露芎一2ilu 一1 0 m e m s 电开关的微机理、微工艺和微效应 虽5 目；三习i 5 ；三习 4 d d e 0 州州p 5 u d 舶h f p _ f 帆i “g 口口= 君口 lj 暑鬻器口鼬勰懿 口0 1 j g i d n s 棚“d m c m 图l 一1 7 体硅工艺获得的m e , i s 开关的工艺流程图 这种开关的特点有两个，一是采用体硅工艺，实现较厚，变形小的驱动电极 极扳，通过增加驱动电极的面积来实现较低的驱动电压。二是能够在接触电极之 间实现较大的接触力，获得较小的接触电阻，经测试，这种开关的下拉电压为1 6 - - ： 1 9 伏，接触电阻小于o 5 欧姆，寿命大于1 0 ：次，但是这种开关的开关速度较慢， 丌通延迟为0 3 m s ，断开延迟为0 i m s 。图卜1 8 是这种开关的接触电阻随开关次 数的变化曲线，可见接触电阻非常稳定。 。 隧交菇! 童一一耄二 e + 0 02 。+ n 540 e + g $60 e o sg o e * 0 $l0 e + _ 0 61 2 e 椰6 “l d 。f 1 c ， 剀1 - 1 8 体硅： 艺加工的开关接越电阻随开关次数的变化曲线 1 2 1 5 采用电磁驱动的m e m s 电开关= 2 ” 静电开关的优点是驱动功耗小，但是驱动电压较高，它的另一个缺点是接触 力较小，造成接触电阻较高和接触电阻的不稳定。电磁驱动的开关能够克服上述 两个问题，但制造工艺复杂，往往需要装配。 1 9 9 8 年，美国加州t e l e d y n er e l a y s 公司的w p t a y l o r 等人研制了一种集成 营。毡i；_普2ho益 第一章绪论 的电磁驱动的m e m s 电开关，其结构的俯视图、剖面图如图1 - 1 9 所示。 ( a )( b ) 图1 - 1 9 集成电磁驱动m e m s 开关的结构示意图( a ) 俯视图( b ) 剖面图 这种开关的工艺流程图如图l 一2 0 所示，采用n i f e 材料形成磁芯，以高分子 f 聚合物形成绝缘层，在硅片上制成驱动线圈，通过牺牲层工艺制造悬浮的接触电 极，接触电极有磁性材料制成，由低刚度的悬梁支撑。图卜2 l 是制成的集成电磁 m e s 开关的扫描电镜照片。 经测试，集成电磁开关的驱动电压小于t t l 电平，最小驱动电流为1 8 0 r 心，驱 动功耗3 3 m w ，接触电阻小于0 0 5 欧姆，电流开关能力对于i 2 安培，开关次数大 于8 5 0 ，0 0 0 次。图1 - 2 2 是这种开关的开关特性测试曲线，图卜2 3 是接触电阻与 开关次数的关系曲线。这种开关的缺点是开关电流较大，开关速度较慢。 匿进盛：i c o “一w 圈n 、一m 一 匿湍? ：2 “w “园m m “圃s 一一m ”t 幽卜2 0 集成电磁m e m s 开关的工艺流程示意幽 。一。黝。豳。冁。 旦m e m s 电开关的微机理、微工艺和微效应 ；避 i 蒸 麟 l i 。ii ：。 m 呷帆j 、 w j 。 l ， 山n iq 。 i ”f nv a3 0 6 c 。o g 3 0 0 1 2 ( ；0 0t s 0 0 0 o c a a c j o i l i c r 图l 一2 1 集成电融m e m s 开关的扫描电镜照片图卜2 2 接触电阻与开关次数的关系 6 s 4 拿a i 2 童 。 ， l j i ：一“ g51 01 5 柏2 50 03 54 3q 5 5 0 “ i - i m e ( m i l l i s e e o n d s ) 图1 - 2 3 集成电磁m e m s 开关的开关特性曲线 i 2 1 6 热驱动的横向m e m s 开关。” 上述几种典型的m e l , i s 开关都是纵向开关，即接触电极在垂直基板的方向运动， 这和传统的电磁继电器的结构是一致的，但在m e m s 的加工技术中，纵向结构往往 更容易受到固体颗粒，工艺应力的影响造成失效。另外横向的驱动器般只需要 较小的驱动电压。 1 9 9 9 年，美国加州大学伯克利分校传感器和驱动器研究中心的 e z e k i e l j j k r u g l i c k 等人发表了一种横向的m e m s 开关，图卜2 4 是这种m e s 开 关的扫描电镜照片。 第一章绪论 图1 - 2 4 横向热变形驱动的m e m s 开关的扫描电镜照片 横向热变形驱动的m e , i s 开关采用双层多晶硅的表面微机械工艺加工，触点采 用金一金接触，经测试，驱动电压为t t l 电平，接触电阻为7 0 m q ，最大处理电流 能力为0 4 5 安培，这种开关的缺点是开关速度比静电开关慢两个数量级。 1 2 1 7 水银接触m e m s 电开关。“ 一般的电开关和继电器都采用固体一固体接触，一般是金属一金属接触，由 于接触时的碰撞，电火花放电等现象，造成开关的寿命有限。采用液态金属做为 接触电极可明显改善上述问题。实现大功率、长寿命的m e m s 电开关。 1 9 9 7 年，来自美国加州大学洛杉矶分校的j s i m o n 等人发表了水银接触的 , q e m s 电开关，采用热电阻产生的蒸发气泡推动水银滴运动以接通和断开信号电极。 图1 - 2 5 是这种开关的结构示意图。 紊梅“ 图卜2 5 水银接触的m e m s 电开关的结构示意图 m e m s 电开关的微机理、微工艺和微效应 采用单晶硅作为衬底，首先制备加热电阻和信号电极，然后将水银液滴装配 在结构上。最后再通过硅一玻璃键合将水银滴密封起来。图卜2 6 是水银接触的m e m s 开关的工艺流程图。图卜2 7 是获得的m e m s 电开关的扫描电镜照片。 。= 焉? _ | l 飞j 燕拦：三j 釜喜 t 。 一一o ：_ = z ：= k 。一# = = = = = m j 、。一一一一- ，n t e 三三兰三f 。“声置一点掣 m - 。一1 磊二一一 一一一、，一一二_ = i ”一= ：主；釜筮：互：要，一。 、0 ， 7 r m “ _ 一 一，械一“睡三磊磊娶 h lj “，- _ 】一i “j 。 h j 一一 图卜2 6 水银接触的m e m s 电开关的工艺流程示意图 圈卜2 7 水银接触的m e , i s 电开关的扫描电镜照片 经测试，驱动电压为t t l 电平，接触电阻小于0 5 欧姆，开关延迟约为l o m s 图卜2 8 是这种开关的开关特性测试曲线。 幽卜2 8 水银接触的m e b l s 电开关的开关特性曲线 第一章绪论 1 2 1 8 小结 对于低频应用的m e m s 电开关的要求主要包括：开关速度快，驱动电压小，驱 动功耗小，接触电阻小，功率处理能力强，寿命长等方面。从上述的主要技术方 案我们可以得出下述结论：( 1 ) 上述指标目前无