CN101194333A - 单刀双掷微机电***开关 - Google Patents

Abstract

各种构造的MEMS开关提供了单独可制动的触点。MEMS开关由改进的阳极接合技术来密封。

Description

单刀双掷微机电***开关

技术领域

本发明一般地涉及电气开关和继电器的技术领域，并且更具体地，涉及微机电***(“MEMS”)开关继电器。

背景技术

具有国际公布号WO2004/103898 A2(“PCT专利申请”)的专利合作条约(“PCT”)国际专利申请PCT/2003/024255(名为“SealedIntegral MEMS Switch”，公布于2004年2月12日)公开了一种集成的MEMS开关，其将第一输入导体上的电信号耦合至以下中的一个：

1.单一输出导体；或

2.第一或第二输出导体。

该PCT专利申请中公开的MEMS开关包含微机械加工的单材料层，其具有：

a.杠杆；

b.一对扭杆，其布置在所述杠杆的相对侧上并且耦合到所述杠杆，并且建立了所述杠杆可以绕其转动的轴；和

c.框架，扭杆的离杠杆最远的末端耦合到所述框架。

框架通过扭杆支撑杠杆，用于绕由所述扭杆建立的轴旋转。杠杆将一个或两个导电短路棒承载在杠杆的任意一端或者两相对端上，其中导电短路棒远离由扭杆建立的转轴定位。

MEMS开关还包括结合至所述单层的第一表面的基体。也包含在MEMS开关中的衬底接合至所述单层的第二表面，所述第二表面远离连接至所述基体的第一表面定位。形成在衬底上的是一个或者两个电极，电极分别与杠杆的位于由扭杆所建立的转轴的一侧上的表面并置。在一个电极和杠杆之间施加电势促使杠杆绕由扭杆建立的转轴旋转，由此缩窄了电极和杠杆之间存在的间隙。

衬底上还形成一对或两对开关触点，每对开关触点连接至输入导体和输出导体，或者分别连接至两个输出导体。所述一对开关触点或两对开关触点：

a.与短路棒邻近布置，但是当没有力施加在杠杆上时与短路棒隔开；

b.当没有力施加至杠杆时，彼此电绝缘；并且

c.通过施加足够强的力至杠杆以驱动杠杆旋转，杠杆与短路棒接触。

以此方式，短路棒和一对开关触点之间的接触将输入导体和输出导体电耦合在一起。

PCT专利申请的另一个方面是MEMS电接触结构和MEMS结构，该MEMS结构包含第一和第二层，每个层分别承载电导体。第二层还包含悬臂，在该悬臂的自由端处支撑电接触支柱。电接触支柱具有远离悬臂的一端，并且该端承载布置在第二层上的电导体的一部分。在PCT专利申请的该具体方面中，电导体的在电接触支柱端部处的部分通过由悬臂供应的力驱动至与布置在第一层上的电导体紧密接触。在MEMS开关中，该悬臂结构提供了至接地板(一个或多个)的电连接，这些接地板布置为靠近MEMS开关输入和输出电导体，且与它们电绝缘。

发明内容

本公开的目的是提供一种改进的MEMS开关。

另一个目的是使用阳极接合和玻璃熔块(frit)的新组合来提供一种良好密封的MEMS开关。

本发明的另一个目的是提供一种MEMS开关，其包括单刀单掷开关、或单刀多掷开关、或多刀多掷开关，该MEMS开关适于开关射频(“RF”)交流电。

本发明的另一个目的是提供一种较小的MEMS开关。

简而言之，单刀双掷(“SPDT”)微机电***(“MEMS”)开关将连接至SPDT MEMS开关的输入导体上的电信号选择性地耦合至也连接到其上的第一或第二输出导体，反之亦然。

1.SPDT MEMS开关包含微机械加工的单材料层，该单材料层至少具有一对可致动的触发器。该对触发器可以以任何需要的方位来定位。在优选的实施方式中，扭杆从周围的框架支撑致动触发器。扭杆在触发器的相对侧上并建立了触发器能够绕其旋转的轴。每个触发器在其离触发器的转轴最远的端部处承载导电短路棒。由此每个触发器代表一个单独的单刀单掷(SPST)开关。

2.本发明的另一个目的是允许SPST触发器开关的任意布置的构造，以形成更加复杂的开关网路。多个单独的触发器可以建立在密封的腔内，并且明智的设计和布局允许在密封的腔内建立开关的整体网络。一般而言，在以明智选择的方式连接多个触发器的情况下，可以建立单刀单掷开关、单刀多掷开关或多刀多掷开关。因为每个触发器元件能够彼此独立于每个其它触发器元件工作，所以可以使多于一个的触发器同时关闭。因为单个开关的损耗非常低，所以可以通过经由若干开关连接至任意输出的任意输入来构造可行的开关网络。可以在相同的封装内具有多个单独的开关构造；例如，单个整体部件可以容纳SPDT MEMS开关(1×2)与SP4T开关(1×4)。在公开的方式中，每个触发器独立地起作用，并可以根据需要在任何时候关闭较多或较少的开关，例如允许单个输入同时连接至多个输出。

本发明的另一个方面是一种用于阳极接合的方法，其使用玻璃熔块作为密封垫来密封金属穿通以形成强接合。包含在本发明中的是这样的方法，其利用形成在接合表面上的轨道或其它特征来增大至密封玻璃的表面接触面积，其中接合表面初始没有用密封玻璃来图案化。在接合过程中，轨道或其它特征进入密封玻璃。对本领域技术人员来说很明显的是，该密封技术可以用于需要晶片级密封的各种MEMS和其它机械以及电气器件。

对于本领域普通技术人员来说，这些和其它特征、目的以及优点将从各个附图中所示的优选实施例的以下详细描述中被理解或变得清楚。

附图说明

图1是根据优选实施例的MEMS开关中包括的基体晶片的表面上的区域的立体图，在该基体晶片中已经形成了微机械加工的腔；

图2是图示将SOI晶片的器件层熔融接合到基体晶片的顶表面上的立体图，在该基体晶片中已经微机械加工出腔；

图3是熔融接合到基体晶片的顶表面上的SOI晶片在去除SOI晶片的操纵层和埋入的SiO₂层后的器件层的立体图；

图4是在其中形成初始腔并且沉积和图案化电绝缘层后，熔融接合到基体晶片的顶表面上的SOI晶片的器件层的一部分的立体图，该部分位于紧邻图1所示基体晶片的区域的上方；

图5是在初始腔中沉积金属结构并且形成对面对面(confronting)触发器以及它们的支撑扭杆后，熔融接合到图4所示的基体晶片的顶表面上的SOI晶片的器件层的一部分的另一立体图；

图6是沿着图5的线6-6所取的初始腔的中心部分的平面图，其示出了位于该处的金属结构、触发器及其支撑扭杆；

图7是与图5和图6所示的器件层的区域相匹配的玻璃衬底的一部分的立体图，该玻璃衬底用于面对面触发器，该图图示了微机械加工在其上的金属结构；

图8是与图5所示的器件层的区域相匹配的玻璃衬底的一部分的立体图，其图示了其上微机械加工的金属结构的替换实施例，描述了具有阶梯状横截面形状的电极；

图9是沿着图6的线9-9所取的根据本公开的MEMS开关的剖面正视图；

图10是在初始腔中沉积金属结构且形成对背对背(conrearing)触发器以及它们的支撑扭杆之后，熔融接合至图4所示基体晶片的顶表面上的SOI晶片的器件层的一部分的另一立体图；

图11是初始腔的中心部分的沿着图10的线11-11所取的平面图，示出了位于那里的金属结构、触发器和它们的支撑扭杆；

图12是用于背对背触发器的玻璃衬底的一部分的立体图，该部分与图10和11所示的器件层的区域配合，图示了其上微机械加工的金属结构；

图13是描述用图1-12中的任何一种结构来制造的MEMS开关中的引线以及它们相邻接地板的典型构造的剖视图；

图14是描述图13所示类型的两对引线以及它们各自的相邻接地板的可替换构造的剖视图；

图15是描述图13所示类型的两对引线以及它们各自的相邻接地板的可替换构造的剖视图，其中硅的壁分离两个引线-接地板对；

图16是描述引线以及它们各自的相邻接地板的另一种可替换构造的剖视图，其中接地板与引线共面且相邻；和

图17是描述图16所示类型的引线以及它们各自的相邻接地板的另一种可替换构造的剖视图，其中硅的壁分离两个引线-接地板对。

具体实施方式

尽管如下所述，存在各种不同处理和构造来制造根据本公开的MEMS开关，图1描述了在基体晶片104上由用于MEMS开关的一种具体构造所占据的区域102。在图1的图示中，线106表示具有八(8)个相同邻近区域102的中心区域102的边界，这些边界中除了邻近基体晶片104的边缘的以外，围绕中心区域102。根据以下的描述，在MEMS开关已经全部制造好后，将通过沿着线106锯开而将区域102分成单个的MEMS开关。

基体晶片104是传统的硅晶片，该晶片可能比按照其直径的标准SEMI厚度更薄。例如，如果基体晶片104的直径为150mm，那么标准SEMI晶片的厚度通常约为650微米。但是，基体晶片104的厚度(其通常可以变化很大而仍然可以用来制造根据本公开的MEMS开关)可以比标准SEMI硅晶片薄。

根据本公开的MEMS开关的一个实施例的制造，首先开始于在基体晶片104的顶表面108中微机械加工出一对开关端子衬垫腔112、矩形的触发器(toggle)腔114、一对公共端子穿通(feedthrough)腔115、两对电极穿通腔116和衬底接触通道117。腔112、114、115、116和117的深度不是特别严格，但对于这里所述的实施例应当约为10微米深。

KOH或者其他湿法蚀刻剂优选用于微机械加工腔112、114、115、116和117。标准的蚀刻阻挡技术被用于微机械加工腔112、114、115、116和117。如MEMS和半导体制造领域中的技术人员所公知的，基体晶片104的顶表面108首先被氧化，然后被图案化以提供用于利用KOH来微机械加工顶表面108的阻挡掩膜。然后去除微机械加工之后残留在基体晶片104的顶表面108上的氧化物。如本领域技术人员所公知的，以此方式形成的腔112、114、115、116和117的壁倾斜大约54°角。如果等离子体蚀刻用于形成腔112、114、115、116和117，类似于上述的在先PCT专利申请(其仅通过引用将其全文包含在这里)中出现的描述，则光阻掩膜将施加到顶表面108。该微机械加工产生了腔112、114、115、116和117，特别是触发器腔114，其适应以下将更详细描述的触发器的运动。

在顶表面108中微机械加工出腔112、114、115、116和117后，下一步(附图中未示出)是在基体晶片104的底表面118中蚀刻出对齐标记。底侧对齐标记必须与基体晶片104中微机械加工出的腔112、114、115、116和117对准，以允许将后续的其他微机械加工的结构与腔112、114、115、116和117对齐。这些底侧对齐标记还将在接近整个处理流程末尾的底侧硅蚀刻期间使用。底侧对齐标记通过以下步骤生成，即首先通过使用与腔112、114、115、116和117对齐的专用靶-掩膜(target-only-mask)的光刻步骤，然后通过微机械加工基体晶片104的底表面118。在从基体晶片104的两个表面去除光阻掩膜之前，在底表面118中等离子体蚀刻出几个微米深的靶-掩膜的图案。如果具有红外能力的对准器可以用于制造MEMS开关，则可以省略底侧对齐标记的生成。

如图2所示，制造MEMS开关的下一个步骤是将绝缘体上硅(“SOI”)晶片124的薄的单晶硅器件层122熔融接合到基体晶片104的顶表面108。优选地，SOI晶片124的器件层122在极薄的二氧化硅(SiO₂)埋入层132上方为10微米厚，因此其名为绝缘体上硅或者SOI。SOI晶片124的有利于微机械加工MEMS开关的特征在于器件层122在SOI晶片124的整个表面上方相对于薄的SiO₂层132具有基本上均匀的厚度，优选为约10微米。在将SOI晶片124的器件层122熔融接合到基体晶片104的顶表面108的过程中，通过使基体晶片104上的对齐平面134与SOI晶片124上的相应对齐平面136相匹配而将晶片104和124整体对齐。在约1000℃下将SOI晶片124熔融接合到基体晶片104。

在通过熔融接合已将基体晶片104和SOI晶片124形成为单片后，去除SOI晶片124的位于离器件层122最远的操纵层138，然后去除SiO₂层132，仅留下接合到基体晶片104的顶表面108上的器件层122。首先在基体晶片104的底表面118上形成保护性二氧化硅层、氮化硅层、两者的组合或者任何其他合适的保护层。在这样掩蔽基体晶片104后，使用应用到SOI晶片124的KOH或TMAH蚀刻来去除操纵层138的硅。在已经去除形成操纵层138的块硅后到达埋入的SiO₂层时，KOH或TMAH蚀刻SOI晶片124的速率明显变慢。这样，SiO₂层132用作去除操纵层138的蚀刻停止层。在已经去除了操纵层138的块硅后，使用HF蚀刻来去除以前埋入但现在已暴露的SiO₂层132。注意，可以使用去除操纵层138的块硅的其他方法，包括其他湿法硅蚀刻剂、等离子体蚀刻、研磨与抛光、或者这些方法的组合。在完成此处理后，仅有SOI晶片124的器件层122保持接合到基体晶片104，如图3所示。可替换地，埋入的二氧化硅层可以留在器件层122上，并用作用于后续蚀刻的阻挡掩膜。在完成蚀刻之后，去除埋入的氧化物。

本领域技术人员应当认识到形成腔112、114、115、116和117的其他方法也是可以的。例如，SOI晶片可以用其上沉积有N型epi层的P型epi层来代替。N型epi层类似于SOI晶片的器件层122。在硅熔融接合步骤之后，使用电化学蚀刻停止蚀刻处理，该晶片的P型部分将被去除，仅在基体晶片104上留下N型epi层。

图4描述了由于蚀刻掉操纵层138并可能蚀刻掉SiO₂层132，已经暴露作为器件层122的前表面142的部分。与图2所描述的形成腔112、114、115、116和117类似，制造优选实施例的MEMS开关的下一个步骤是穿过前表面142到器件层122中第一微机械加工(优选地使用KOH蚀刻)约5.0微米深的初始腔144。在器件层122中微机械加工初始腔144在器件层122中建立了以下的区域。

1.矩形的触发器区152

2.引线穿通区154、155、156和157

3.衬底接触穿通区158

4.衬底接触沟槽区159，位于围绕衬底接触基座162的衬底接触穿通区158的一端处

5.接合衬垫区164和166

6.矩形的熔块沟槽区168，其包围触发器区152

区域152、154、155、156、157、158、162、166和168从初始腔144的底面172向上延伸至器件层122的前表面142。

在形成初始腔144后，绝缘衬垫174a和174b被沉积到初始腔144的底面172上，以准备在初始腔144内沉积导电金属结构。优选利用等离子体增强化学气相沉积(“PECVD”)沉积用于绝缘衬垫174a和174b的约10％氮和90％氧的硅氮氧化物材料。当沉积在硅上时，这些硅氮氧化物材料是没有应力的。但是，沉积用于绝缘衬垫174a和174b的材料可以是电绝缘的氮化硅材料、二氧化硅(SiO₂)材料或其组合中的任何一种。如果金(Au)将被沉积到器件层122上的其他地方并且后续的处理需要400℃或更高的温度，则沉积电绝缘膜可以有利地沉积在那些区域中，以防止将Au与器件层122的Si合金化。

图5和6描述了被沉积在初始腔144的底面上的各种金属结构。这些金属结构优选由沉积在钛/钨附着层上的Au层形成。但是，这些金属结构可以使用任何数量的其他材料组合(例如钛/钨上的铂)上进行沉积。这些金属层可以通过用在半导体处理中的任何常用沉积方法来沉积。这些沉积方法包括溅射、电子束和蒸发。

在沉积之后，金属层被光刻地图案化并蚀刻以形成位于绝缘衬垫174a和174b上的短路棒176a和176b。金属层的蚀刻还形成了金属接地板182，接地板182延伸穿过绝缘衬垫174a和174b以及短路棒176a和176b之间的初始腔144，并穿过穿通区154、156。布置在衬底接触穿通区158内的金属衬底接触引线186将接地板182连接至位于衬底接触基座162顶部上的衬底接触衬垫188。

在初始腔144中形成金属结构之后，能提供良好的均匀性和各向异性的等离子体***(优选的是反应性离子蚀刻(“RIE”))被用于穿透器件层122在初始腔144的底面172处所剩的材料。但是，KOH或者其他湿法蚀刻剂也可以用于此器件层122的第二蚀刻。标准蚀刻阻挡技术用于此第二微机械加工器件层122，即用于等离子体蚀刻的光阻掩膜或者由二氧化硅或者氮化硅所形成的用于湿法、KOH蚀刻的掩膜。

如图5和6所示，该应用到初始腔144的底面172上的第二蚀刻形成一对触发器192a和192b，触发器192a和192b被构造为使得短路棒176a和176b彼此面对。触发器192a和192b中的每个在离短路棒176a和176b最远的一个边缘处由一对扭杆194支撑。每对扭杆194在触发器192a和192b中的一个的相对侧与由器件层122的硅材料所提供的围绕框架之间延伸。通过两个扭杆194以这种方式支撑，每个触发器192可以绕与扭杆194共线的轴旋转。以此方式，触发器192a和192b以及扭杆194与器件层122的围绕材料一体形成。初始腔144的第二RIE蚀刻还去除熔块沟槽区168内的底面172的材料向下直到位于那里的中间轨道198两侧上的基体晶片104。以此方式在变深的熔块沟槽区168内构造的轨道198向外突出至初始腔144的底面172。中间轨道198增大了与玻璃熔块的接触表面积。但是，轨道198对于良好密封性的密封来说不是必需的，而可以省略。

图7描述了Pyrex玻璃衬底204的金属化表面202上的区域，该表面202随后将与图5所示器件层122的前表面142匹配并且熔接。玻璃衬底204具有与基体晶片104和SOI晶片124相同的直径，且优选为0.5mm厚。图7的示例描述了在金属化表面202上首先沉积薄的

的铬金(Cr-Au)或钛/钨金(TiW-Au)种晶层后，金属化表面202顶部上的金属结构。然后在2.0微米的Au镀至种晶层上之后，图案化种晶层。考虑到RF集肤效应，这对于形成在金属化表面202上的金属结构来说是优选的厚度，但是也可以使用其他的厚度、金属和沉积处理。例如，Ti/W-Au层可以溅射总共2.0微米的厚度。

种晶层的图案化或较厚材料层(例如Ti/W-Au)的蚀刻建立了以下的金属结构。

1.一对电极衬垫212a和212b，它们分别经由引线214a和214b连接至致动电极216a和216b

2.公共端子衬垫222，其经由公共端子引线224连接至一对公共端子接触区226

3.一对接触衬垫232a和232b，它们分别经由引线234a和234b连接至开关端子接触区236a和236b

4.接地衬垫242，其通过引线244连接至基座接触衬垫246

除了上述的金属，利用剥离(liftoff)处理将硬金属的薄层沉积到短路棒176a和176b、公共端子接触区226和开关端子接触区236a和236b上。目前，对于该薄层来说，铂(Pt)是优选的材料，因为与纯Au相比，其表现出减小“粘附性质(sticktion)”。

除了这些金属结构，图7还描述了在金属化表面202上形成金属化结构之后，丝网印刷(screen)到金属化表面202的玻璃衬底204上的矩形玻璃熔块框架252。框架252的水平宽度略微窄于熔块沟槽区168在初始腔144的底面172处的宽度。以此宽度形成框架252减小了在与玻璃衬底204的金属化表面202配合的过程中熔块颗粒出现在器件层122的前表面142上的可能性。框架252的高度超过器件层122的前表面142和形成到其中的初始腔144的底面172之间的熔块沟槽区168的深度。在熔块丝网印刷到玻璃衬底204的金属化表面202上之后，在大约100℃处进行干燥，以去除溶剂，然后在大约400℃处在大气中进行烧制，以玻璃化粉状的熔块。优选的熔块材料具有可能最低的熔点，并具有与组合的基体晶片104和器件层122以及玻璃衬底204分别大致匹配的热膨胀系数。优选地，密封玻璃被丝网印刷到玻璃衬底上。密封玻璃还可以利用其他的技术(包括溅射、旋涂或其它方法)来沉积。密封玻璃初始可以放在玻璃或硅晶片上。具有上述特性的优选熔块材料是Ferro Electronic Materials的部件编号为FX11-036的密封玻璃。

图8描述了玻璃衬底204的可替换实施例，其中在将熔块施加到玻璃衬底204的金属化表面202之前，第二层金属已经被沉积并图案化。尽管这里仅沉积了两层金属，但是根据厚度变化，附加的层也是可以的。在此实施例中，第一层金属比最终的总金属厚度薄0.5微米。如前图案化第一层金属，其中具有以下例外：

1.第一金属层从一对公共端子接触区226和一对开关端子接触区236a和236b的末端262去除，这些顶端与短路棒176a和176b接触；并且

2.第一金属层从电极216a和216b的邻近一对开关端子接触区236a和236b的纵向半部264去除。

第二层的Ti/W(其后是Au，总共具有0.5微米的厚度)溅射或蒸发到上述图案化的金属结构上。然后第二层的金属使用图7所示的相同图案进行图案化和蚀刻。形成的图案如图8所示。该实施例在以下的位置处具有更薄(0.5微米)的金属：

1.一对公共端子接触区226和一对开关端子接触区236a和236b的末端262，这些末端与短路棒176a和176b接触；和

2.电极216a和216b的邻近一对开关端子接触区236a和236b、且邻近开关端子接触区236a和236b的纵向半部264。

代替前述的处理，金属剥离处理可以用于将金属沉积到图8所示的金属结构的变厚的部分上。如上对图7的描述，在第二金属层被沉积、图案化和蚀刻之后，熔块框架252被施加到金属化表面202的玻璃衬底204上。以此方式施加的第二层金属提供了具有阶梯状横截面形状的电极216a和216b，其减小了必须施加到其的用于激发MEMS开关的电压。

已经准备了如图5和6所示的组合的基体晶片104和器件层122、以及如图7或8所示的玻璃衬底204，玻璃衬底204的金属化表面202优选如下接合到器件层122的前表面142。首先，玻璃衬底204上的金属图案小心与器件层122上的结构对齐。然后，将玻璃衬底204和组合的器件层122与基体晶片104放在一起，并且在大约400℃的温度下，将优选为1800牛顿的力施加到玻璃衬底204及组合的器件层122和基体晶片104。当玻璃衬底204及组合的器件层122和基体晶片104以此方式配合时，熔块的框架252包围由器件层122的硅材料所设置的触发器支撑框架、与其一体形成的扭杆194、和与扭杆194一体形成的触发器192a和192b。此时，位于器件层122和玻璃衬底204的区域(当将接合的晶片切割成单个的MEMS开关时锯穿过该区域)中的附加金属结构(任何附图中都未示出)将上述用于MEMS开关的所有金属结构彼此电互连。

在使施加到基体晶片104及组合的器件层122和基体晶片104的力与温度稳定之后，在配合的玻璃衬底204及组合的器件层122和基体晶片104上施加电压用于阳极接合。一般来说，在配合的玻璃衬底204及组合的器件层122和基体晶片104上施加的电压小于100伏。该电势显著小于传统用于阳极接合的200至300V范围内的电势。玻璃熔块框架252的厚度使其接触初始腔144的底面172，并在底面172和玻璃衬底204的金属化表面202之间压缩。以此方式，由熔块沟槽区168内的轨道198所压缩的框架252的熔块密封围绕引线214a、214b、224、234a、234b和244以及器件层122与玻璃衬底204之间的接合。此外，在接合过程中施加的温度和压力使得在玻璃衬底204的金属化表面202上形成基座接触衬垫246的Au与器件层122的衬底接触基座162之间产生合金的接触。玻璃衬底204的金属化表面202和器件层122的衬底接触衬垫162之间的任何多余的Au都流入到衬底接触穿通区158中。阳极接合优选使用由AppliedMicroengineering Ltd.(AML)生产的AWB-04P型晶片结合设备来进行，该公司位于173 Curie Avenue，Didcot，Oxon，Ox11 OQG，United Kingdom。该设备允许压力辅助阳极接合，并允许在高真空或者在可控压力的环境气体下进行接合。

在将玻璃衬底204接合到组合的器件层122与基体晶片104之后，玻璃衬底204的离金属化表面202最远的表面和基体晶片104的底表面118变薄。变薄优选通过两侧研磨和抛光来完成。可替换地，变薄可以用诸如KOH的湿法蚀刻或者等离子体蚀刻来完成。基体晶片104和玻璃衬底204的每个的大于一半的厚度可以被去除。当接合到玻璃衬底204时，组合的器件层122和基体晶片104的变薄对单个MEMS开关产生与标准半导体器件的高度类似的高度。以此方式，公开的MEMS开关可以与传统的自动印刷电路板组装设备兼容。

在使基体晶片104和玻璃衬底204变薄之后，需要另外的两个或以上的处理步骤来完成MEMS开关的制造。如上述的PCT专利申请中所述，这些处理步骤中的第一个蚀刻穿过基体晶片104的底表面118的孔，该孔完全打开接合衬垫区164和166，由此暴露接合衬垫212a、212b、222、232a、232b和242。以此方式打开接合衬垫区164和166是通过首先图案化基体晶片104的底表面118，然后用深RIE***等离子体蚀刻硅来进行的。可替换地，利用KOH或TMAH的湿法蚀刻可以用于蚀刻硅。尽管接触接合衬垫212a、212b、222、232a、232b和242优选是穿过基体晶片104获得的，如上述的PCT专利申请所述，但是接合衬垫212a、212b、222、232a、232b和242也可以通过用于接合至印刷电路板的玻璃衬底204来接触。

制造MEMS开关的最后步骤是使用标准硅晶片锯沿着图1中的线106来切割穿过接合至玻璃衬底204的组合的器件层122和基体晶片104的切块处理，以单个化各个MEMS开关。除了单个化各个MEMS开关之外，锯开接合至玻璃衬底204的组合器件层122和基体晶片104还破坏了附加的金属结构，这些附加的金属结构位于器件层122和玻璃衬底204的在切块过程中锯穿过的区域中。以此方式，锯开接合至玻璃衬底204的组合器件层122和基体晶片104以获得各个的MEMS开关还使上述对于功能性的MEMS开关所需的金属结构电断开。

如上所述，将组合的器件层122和基体晶片104连接至玻璃衬底204使一对公共端子接触区226和开关端子接触区236a和236b分别与由触发器192a和192b承载的短路棒176a和176b相邻，且当没有力施加至触发器192a和192b时与短路棒176a和176b隔开。在该构造中，公共端子接触区226和开关端子接触区236a和236b彼此电绝缘。但是，当施加至电极216a和216b中的一个或两个的电压施加足够的力使得触发器192a和192b中的一个或两个绕由它们各自的一对扭杆194建立的轴旋转时，短路棒176a和176b中的一个或两个分别接触所述一对公共端子接触区226和一个或两个开关端子接触区236a和236b。

图10和11描述了与图5和6所示的实施例不同的MEMS开关的替代实施例的器件层122，其中不同点在于触发器192a和192b不是具有面对面的布置，而是具有称为背对背的构造。对于此实施例的MEMS开关，不同于面对面布置中短路棒176a和176b彼此靠近且扭杆194较宽地分开，对于背对背布置，扭杆194彼此靠近，而短路棒176a和176b彼此较宽地分开。如图10和11所示，制造具有用于触发器192a和192b的背对背布置的MEMS开关将很可能需要在基体晶片104中蚀刻与图1中所示的略微不同的腔。具有图10和11所示的触发器192a和192b的背对背布置的MEMS开关有利地在器件层122上占用了比图1-9所示的面对面触发器实施例略小的面积。

图12描述了玻璃衬底204的金属化表面202上的区域，该区域接下来将与图10和11所示的器件层122的前表面142配合并熔融至前表面142。尽管图11的图示没有描述图8所示的阶梯状电极216a和216b，但是阶梯状电极216a和216b也可以用于图10和11所示的触发器192a和192b的背对背布置。

图13-17描述了根据本公开制造的MEMS开关中的引线和相邻接地板的典型构造。用于开关高频RF信号的MEMS器件(具有可接受的信号损耗)必须使用某种形式的传输线。用于公开的MEMS开关的优选传输线示出在图13的剖视图中。该图描述了用于图1-9所示的触发器192a和192b的面对面布置的公共端子引线224和相邻接地板182的典型构造。图13还描述了用于图10-12所示触发器192a和192b的背对背布置的所有引线的传输线构造。图14描述了用于图1-9所示触发器192a和192b的面对面布置的引线234a和234b和它们相邻的接地板182的的典型构造。图15描述了图14的构造的替代构造，其中接地板182在纵向上被裂为两部分，器件层122的硅材料的壁分离引线234a和234b。

图16描述了不同的传输线构造，其中引线272位于一对共面接地板274之间。因为施加电压至电极216a和216b需要电连接至基体晶片104和器件层122的硅材料，所以减小用于图16所示的传输线构造的信号损耗需要增大引线272和附近硅材料之间的间隔。由此，当制造具有图16所示构造的MEMS开关时，器件层122的第二RIE蚀刻去除了底面172上接地板182处的更多材料。去除接地板82处的材料打开了公共端子穿通腔115、电极穿通腔116和开关端子衬垫腔112，在将器件层122熔融接合至基体晶片104之前，这些腔蚀刻至基体晶片104中。类似于图15所示的传输线构造，硅的壁可以分离一对引线172和它们的相关的共面接地板274，由此机械地增强引线腔。

工业应用性

蚀刻到器件层122中的初始腔144的底面172的深度是严格的，在此实施例中描述为5.0微米。但是，考虑到触发器192a和192b的需要的厚度以及器件层122的厚度，必须小心地选择底面172的深度以在承载在触发器192a和192b上的短路棒176a和176b与基体晶片104上的公共端子接触区226和开关端子接触区236a和236b之间提供需要的间隙。

当开关高频RF信号时MEMS开关的性能通过在玻璃衬底204的离金属化表面202最远的表面处设置接地板而显著提高。如果接触接合衬垫212a、212b、222、232a、232b和242是如上所述穿过基体晶片104获得的，则金属接地面优选施加至MEMS开关的外表面上，该外表面在玻璃衬底204的离金属化表面202最远的表面上。当组装到印刷电路板时，该施加至玻璃衬底204的外表面上的接地面可以通过导电环氧材料电连接至印刷电路板的迹线。可替换地，如果接触接合衬垫212a、212b、222、232a、232b和242是如上述PCT专利申请中所述穿过玻璃衬底204而获得的，则印刷电路板上图案化的区域可以在玻璃衬底204的离金属化表面202最远的表面处可替换地提供接地面。

基于在MEMS开关外的电路中如何布置导体的精确细节，公共端子接触区226可以经由公共端子衬垫222连接至输入导体，而开关端子接触区236a和236b分别经由接触衬垫232a和232b连接至第一和第二输出导体。当连接至这样的外部电路时，该对公共端子接触区226共同连接至外部电路的输入导体，而开关端子接触区236a和236b单独连接至外部电路的输出导体中的一个。可替换地，不改变MEMS开关，开关端子接触区236a和236b分别经由接触衬垫232a和232b连接至外部电路的第一和第二输入导体，而公共端子接触区226经由公共端子衬垫222连接至外部电路的单个输出导体。

尽管已经通过这里的优选实施例描述了本发明，但是应当理解仅是示例性的，而不作为其解释的限制。由此，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本发明的各种变化、修改和/或替代应用将毫无疑问地在已经阅读上述公开后暗示给本领域技术人员。所以，意在将所附权利要求解释为包含落入本发明的真正精神和范围内的所有变化、修改或者替代应用。

Claims (21)

1.一种单刀双掷微机电***开关，适于将连接至所述单刀双掷微机电***开关的输入导体上的电信号耦合至选自至少包含第一输出导体和第二输出导体的组的输出导体，所述第一输出导体和所述第二输出导体都连接至所述单刀双掷微机电***开关，所述单刀双掷微机电***开关包括：

其中微机械加工了以下结构的单材料层：

a.以从包含一对面对面触发器和一对背对背触发器的组中选择的布置来构造的至少一对触发器；

b.多对扭杆，其数量不少于触发器的数量，每对扭杆：

i.分别布置在所述触发器的相对侧上并耦合至所述触发器中的一个；且

ii.建立所述触发器能够绕其旋转的轴；和

c.所述扭杆的离所述触发器最远的端部耦合至其上的框架，所述框架通过所述扭杆来支撑所述触发器，用于所述触发器绕由所述扭杆建立的所述轴的旋转；

导电短路棒，其数量不少于所述触发器的数量，一个短路棒分别承载在每个触发器的远离所述触发器的所述旋转轴的端部处；

基体，其连接至所述单层的第一表面；和

衬底，其接合至所述单层的远离连接所述基体的第一表面的第二表面，所述衬底上形成有：

a.电极，其数量不少于所述触发器的数量，每个电极与所述触发器的偏离至其转轴一侧的表面并置，在所述电极和所述触发器之间施加电势以驱动所述触发器绕由耦合至其的扭杆所建立的转轴旋转；和

b.多对开关触点，其数量不少于所述触发器的数量，每对开关触点分别连接至所述输入导体和一个所述输出导体，并且每对开关触点：

i.每对开关触点与由所述触发器中的一个所承载的短路棒相邻布置，但当没有力施加至所述触发器时与所述短路棒隔开；

ii.当没有力施加至所述触发器时，每对开关触点彼此电绝缘；并且

iii.基于施加足够强的力至所述触发器，其中所述力驱动所述触发器绕由每对扭杆建立的转轴旋转，每对开关触点与相邻的短路棒接触；

由此，基于使每个触发器绕由耦合至其的所述扭杆所建立的转轴旋转至使所述短路棒接触所述开关触点的程度，所述短路棒的所述接触使得与由所述触发器所承载的短路棒相邻的开关触点电耦合在一起。

2.如权利要求1所述的单刀双掷微机电***开关，其中，所述电极具有阶梯状的横截面形状，由此减小了必须施加用于产生足够强力的电压，所述足够强的力使所述触发器绕由每对扭杆建立的转轴旋转。

3.如权利要求1所述的单刀双掷微机电***开关，其中，熔块材料将所述单层接合至所述衬底，在接合由绕所述框架、所述扭杆和所述触发器定位的突出轨道所压缩的熔块材料的过程中，布置所述熔块材料以围绕所述框架、所述扭杆和所述触发器。

4.如权利要求3所述的单刀双掷微机电***开关，其中，所述轨道布置在接收所述熔块材料的熔块沟槽内。

5.如权利要求3和4中任一项所述的单刀双掷微机电***开关，其中，所述轨道形成在所述单层中。

6.如权利要求1至5中任一项所述的单刀双掷微机电***开关，其中，熔融接合连接所述单层和所述基体。

7.如权利要求1至6中任一项所述的单刀双掷微机电***开关，其中，形成所述单层的材料是单晶硅。

8.如权利要求1至7中任一项所述的单刀双掷微机电***开关，其中，电绝缘材料片布置在所述触发器和由所述触发器承载在其上的一个或多个短路棒之间。

9.如权利要求1至8中任一项所述的单刀双掷微机电***开关，其中，所述基体包含形成于其中的腔，所述腔靠近所述单层的所述第一表面。

10.如权利要求1至9中任一项所述的单刀双掷微机电***开关，其中：

所述衬底具有形成于其上的电导体，所述电导体分别承载所述开关触点与输入和输出导体之间的电信号；并且

所述单刀双掷微机电***开关包含一个或多个接地板，所述接地板邻近所述电导体布置且与其电绝缘。

11.如权利要求10所述的单刀双掷微机电***开关，其中，所述一个或多个接地板布置在所述单层上。

12.如权利要求10所述的单刀双掷微机电***开关，其中，所述一个或多个接地板布置在所述衬底上。

13.一种微机电***器件，包含：

第一材料层；和

第二材料层，其中，在接合由位于选自所述第一材料层和所述第二材料层的材料层内的轨道所压缩的熔块材料的过程中，熔块材料将所述第一材料层接合至所述第二材料层。

14.如权利要求13所述的微机电***器件，其中，所述轨道布置在接收所述熔块材料的熔块沟槽内。

15.如权利要求13和14中任一项所述的微机电***器件，其中，所述熔块材料阳极接合在所述第一材料层和所述第二材料层之间。

16.如权利要求15所述的微机电***器件，其中，小于一百伏的电压施加在所述第一材料层和所述第二材料层上，同时在它们之间建立熔块接合。

17.一种将微机电***器件的多层接合在一起的方法，包括以下步骤：

将熔块材料布置在微机电***器件的配合的第一材料层和第二材料层之间；

在配合的所述第一材料层和所述第二材料层上施加压力；

加热配合的所述第一材料层和所述第二材料层；以及

在配合的所述第一材料层和所述第二材料层上施加小于100伏的电势。

18.如权利要求17所述的方法，其中，施加在所述第一材料层和所述第二材料层上的压力至少为1800牛顿。

19.如权利要求17所述的方法，其中，配合的所述第一材料层和所述第二材料层被加热至至少400℃。

20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，其中，所述熔块材料由位于选自所述第一材料层和所述第二材料层中的材料层中的轨道来压缩。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述轨道布置在接收所述熔块材料的熔块沟槽中。

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