專利名稱：具有提高的調(diào)諧范圍的微機(jī)電可變電抗器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及微機(jī)電(MEM)開關(guān)和制造該結(jié)構(gòu)的方法，更具體而言，涉及通過(guò)將芯片鍵合到載體襯底(carrier substrate)的使用三維梳狀驅(qū)動(dòng)電極(鰭(fins))的MEM可變電容器。
背景技術(shù)：
可變電容器或可變電抗器為高頻和射頻(RF)電路的基本部分。MEM可變電容器由于其卓越的電特性在過(guò)去的幾年里已經(jīng)吸引了相當(dāng)多的關(guān)注。對(duì)于航空和航天、消費(fèi)電子和通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用MEM技術(shù)的可變電容器可以以標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體器件來(lái)容易地實(shí)現(xiàn)。
許多研究者試圖改進(jìn)MEMS可變電容器的調(diào)諧范圍，因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用平行板電極方法獲得的最大的電容調(diào)諧范圍是有限的。這是由激勵(lì)(actuation)期間所包含的非線性靜電力所引起的。平行板電極在間隙距離的三分之一處表現(xiàn)出典型的“下拉狀態(tài)”(“pull-down behavior”)，導(dǎo)致最大調(diào)諧電容為1.5。大多數(shù)在前的方法造成了增加的處理復(fù)雜性和/或大量的移動(dòng)部件，導(dǎo)致可靠性的顯著降低。
此外，封裝MEMS器件和將MEMS器件集成到CMOS集成電路中具有極大的挑戰(zhàn)性。
A.Dec等人在IEEE RF IC Symposium Digest，pp.309-312，June 1998發(fā)表的題為“RF micro-machined varactors with wide tuning range”的文章中描述通過(guò)在可移動(dòng)電極的上方和下方使用兩個(gè)平行電極激勵(lì)可移動(dòng)電極來(lái)構(gòu)建MEMS可變電容器。由于頂部可移動(dòng)和底部可移動(dòng)之間的各個(gè)電容處于串聯(lián)，總體電容調(diào)諧范圍得到了顯著的增強(qiáng)。使用這種方法可獲得的最大調(diào)諧范圍是2∶1的比率。A.Dec等人已報(bào)道獲得了1.9∶1的調(diào)諧范圍。盡管使用此方法顯著提高了調(diào)諧范圍，但是增加了工藝復(fù)雜性。
包含在本方法中的內(nèi)在機(jī)電方面明顯不同于平行板方法。梳狀驅(qū)動(dòng)電極用于激勵(lì)而控制或信號(hào)電極感測(cè)可移動(dòng)電極的移動(dòng)。由于靜電力本質(zhì)上恒定，所以顯著提高了所得電容調(diào)諧范圍。由于此器件具有三個(gè)端口(兩個(gè)端口用于DC偏置并且一個(gè)端口用于RF信號(hào))，所以信號(hào)電容需要去耦，如在2端口可變電抗器件的情況下那樣。而且，大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的MEMS器件需要被分開封裝，使得至少對(duì)于具有移動(dòng)部件的MEMS器件產(chǎn)生了某些需要解決的工藝問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種MEM可變電容器件，該可變電容器件使用梳狀驅(qū)動(dòng)電極(或鰭)以用于激勵(lì)，而控制或信號(hào)電極感測(cè)可移動(dòng)梁的移動(dòng)，導(dǎo)致電容的變化。
本發(fā)明的另一目的是提供一種MEM可變電抗器件，其中通過(guò)電介質(zhì)分隔開關(guān)觸點(diǎn)以提供控制信號(hào)和開關(guān)信號(hào)之間的電絕緣。
本發(fā)明的又一目的是提供一種用于獲得大電容比率或調(diào)諧范圍的帶有梳狀驅(qū)動(dòng)激勵(lì)的MEM可變電抗器件。
本發(fā)明的又一目的是以多種三維排列來(lái)配置多個(gè)MEM可變電抗器件。
本發(fā)明的又一目的是提供用于較低驅(qū)動(dòng)電壓的具有增加的驅(qū)動(dòng)電極面積的MEM可變電抗器。
本發(fā)明的又一目的是提供一種制造MEM開關(guān)的方法，其使用與適用于CMOS半導(dǎo)體器件的制造技術(shù)兼容的制造技術(shù)，允許同時(shí)制造和封裝MEMS器件且將制造步驟的數(shù)目減至最小，同時(shí)減少了工藝成本。
相對(duì)于傳統(tǒng)固態(tài)可變電抗器，基于MEMS的可變電容器提供了許多優(yōu)點(diǎn)。這些器件在更高的品質(zhì)因數(shù)下運(yùn)行，從而導(dǎo)致了運(yùn)行期間的低損耗。此處描述兩種類型的MEMS可變電抗器平行板可變電抗器和梳狀驅(qū)動(dòng)可變電抗器。大多數(shù)廣泛研究的MEMS可變電抗器為具有可移動(dòng)電極和固定電極的平行板電容器。使用這些MEMS器件時(shí)的主要缺點(diǎn)為激勵(lì)這些器件時(shí)獲得的有限的操作調(diào)諧范圍。所包含的內(nèi)在機(jī)電方面限制了調(diào)諧范圍且導(dǎo)致了可移動(dòng)電極的突然向下移動(dòng)(snap down)。這通常被稱為“下拉不穩(wěn)定效應(yīng)”。作用于可移動(dòng)電極上的靜電力本質(zhì)上是非線性的，導(dǎo)致了該效應(yīng)。在梳狀驅(qū)動(dòng)電極中，作用于可移動(dòng)電極上的靜電力本質(zhì)上是線性的(正比于距離)，顯著提高了調(diào)諧范圍。但是，梳狀驅(qū)動(dòng)電極加工困難且獲得的電容變化非常小(由于較小的可用面積)。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，所描述的MEM開關(guān)包括迄今所考慮的兩種方法(平行板和梳狀驅(qū)動(dòng))。通過(guò)使用平行板型模型同時(shí)結(jié)合來(lái)自梳狀驅(qū)動(dòng)方法的線性靜電力，在調(diào)諧期間獲得了更大的可用面積?？梢苿?dòng)和固定電極在芯片上和載體晶片上分開加工。芯片側(cè)包含雙端固定(fixed-fixed)的可移動(dòng)梁。利用用作梳狀電極的金屬“鰭”來(lái)制造所述梁。載體側(cè)具有沿溝槽的側(cè)壁和底部的激勵(lì)器(DC電極)。RF(信號(hào))電極設(shè)置于該電極之間。激勵(lì)器電極通過(guò)用于電連接的“貫穿通孔”(“through vias”)的方式被連接。
在完成芯片和載體晶片的加工之后，芯片側(cè)被翻轉(zhuǎn)(flip)到載體晶片上且被精確校準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)電連接。載體側(cè)的凸點(diǎn)(stud)的高度確定了可移動(dòng)電極和固定電極之間的空氣間隙。最后，可以用聚合物材料密封所述器件以在運(yùn)行期間為MEMS器件提供可控環(huán)境。
在本發(fā)明的另一方面中，提供一種半導(dǎo)體微機(jī)電(MEM)可變電抗器，該可變電抗器包括具有可移動(dòng)梁的第一襯底，所述可移動(dòng)梁至少在所述可移動(dòng)梁的一端錨定于所述第一襯底，該可移動(dòng)梁具有在與所述第一襯底相反的方向上從其突出的分立的鰭；以及耦合到所述第一襯底的具有固定電極的第二襯底，每個(gè)固定電極分別面對(duì)所述分立的鰭之一，所述分立的鰭由所述突出的鰭和所述固定電極之間的電壓激勵(lì)。


通過(guò)結(jié)合附圖的本發(fā)明的詳細(xì)的優(yōu)選實(shí)施例，將會(huì)更好地理解本發(fā)明的這些和其它目的、方面和優(yōu)點(diǎn)。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的功能性的MEM可變電抗器件的剖面圖，其為通過(guò)圖2所示的線A-A而觀看的斷面；圖2為依據(jù)本發(fā)明的圖1所示器件的可移動(dòng)部件(頂部、芯片側(cè))的頂視圖；圖3為依據(jù)本發(fā)明的圖1所示器件的固定部件(底部、載體側(cè))的頂視圖；圖3A為依據(jù)本發(fā)明的MEM開關(guān)的透視圖；圖4顯示了依據(jù)本發(fā)明的圖1所示具有梳狀驅(qū)動(dòng)電極迷宮型結(jié)構(gòu)的器件的可移動(dòng)部件(頂部、芯片側(cè))的頂視圖；
圖5顯示了依據(jù)本發(fā)明的反映圖4的具有用于底部電極的迷宮型結(jié)構(gòu)的器件的固定部件(底部、載體側(cè))頂視圖；圖6顯示了依據(jù)本發(fā)明的圖1所示的具有梳狀驅(qū)動(dòng)電極的另一結(jié)構(gòu)的器件的可移動(dòng)部件(頂部、芯片側(cè))的頂視圖；圖7顯示了依據(jù)本發(fā)明的反映圖6的具有用于底部電極的另一結(jié)構(gòu)的器件的固定部件(底部、載體側(cè))的頂視圖；圖8表示了MEM可變電抗器件的另一結(jié)構(gòu)，其使用用于饋電連通的焊料凸起(solder bump)封裝；圖9至21顯示了依據(jù)本發(fā)明的用于制造MEM可變電抗器件的頂部芯片側(cè)的工藝順序；圖22至39顯示了依據(jù)本發(fā)明的用于制造MEM可變電抗器件的底部載體側(cè)的工藝順序。
具體實(shí)施例方式
以下將參考其中表示了優(yōu)選實(shí)施例的附圖，更加全面地描述本發(fā)明。
圖1表示了三維MEM可變電抗器件的由線A-A(見(jiàn)圖2)所界定的斷面看過(guò)去的剖面。在兩個(gè)分開的襯底10和11上構(gòu)建此器件，在襯底10和11上分別制造可移動(dòng)梁50和固定電極51。除了這些固定電極51，還有懸空于固定電極51上方的在垂直于可移動(dòng)梁的方向上的一系列驅(qū)動(dòng)梳50A(電極)。(梳狀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由突出物50和50A的組合構(gòu)成)。下文中，可移動(dòng)電極襯底10將被稱為“芯片側(cè)”而固定電極襯底11將被稱為“載體側(cè)”。到電極的金屬連接(未顯示)被插入到電介質(zhì)20A內(nèi)，正如在半導(dǎo)體制造工藝中所共知的金屬鑲嵌工藝中通常所作的那樣。在該優(yōu)選實(shí)施例中，金屬連接和電極優(yōu)選為帶有合適的襯材(liner)和阻擋材料的銅。金屬導(dǎo)體51、51A和51B的厚度大約為1000。導(dǎo)體51A為示例性的信號(hào)電極，其中電極51A和50之間的間隙距離決定了電容的變化。
請(qǐng)參照?qǐng)D2，梳狀驅(qū)動(dòng)鰭50A的面積變化顯著，且一般為10μm2的量級(jí)?？梢苿?dòng)梁50(圖1)的長(zhǎng)度也是可變的，其范圍從20μm至大于200μm。驅(qū)動(dòng)電極51B(圖1和圖3)穩(wěn)定了梳50A的運(yùn)動(dòng)以迫使其保持非常好的線性和垂直運(yùn)動(dòng)以提供所需的激勵(lì)。驅(qū)動(dòng)電極51B和梳50A之間的吸引力依賴于梳狀驅(qū)動(dòng)橫向表面(lateral surface)的重疊面積。電極50A的面積范圍從0.5至10μm2，盡管通過(guò)使電極50A更深或更長(zhǎng)以最大化電極50A的面積，可以使電極50A的尺寸變化。電極51B的高度決定了可移動(dòng)梁50和固定電極51之間的間隙距離。
溝槽間隙31的寬度提供了當(dāng)在電極50A(圖1)和固定電極51B(圖1)之間施加電壓時(shí)電極上下運(yùn)動(dòng)所需要的空間。當(dāng)此發(fā)生時(shí)，電極50A被吸引、朝向電極51?？梢苿?dòng)梁50從雙鉸鏈支撐件或雙端固定支撐件懸掛下來(lái)并且由其松動(dòng)地連接?？梢苿?dòng)梁被錨定在到電介質(zhì)20A的任意一側(cè)上。梳狀驅(qū)動(dòng)電極50A和51B之間的吸引力導(dǎo)致梁50沿梳狀驅(qū)動(dòng)電極51B的方向移動(dòng)?？刂齐姌O51A通過(guò)絕緣或半絕緣電介質(zhì)材料21B(圖30)與可移動(dòng)梁50分離。電極51可以在一側(cè)上暴露于所述溝槽或設(shè)定為這樣的方式，即電介質(zhì)的薄層阻止電極50A和51之間的物理接觸。優(yōu)選地，量級(jí)為200-500的電介質(zhì)薄層避免它們彼此接觸。如果發(fā)生接觸，則損失了電勢(shì)增量(a delta in potential)且驅(qū)動(dòng)電壓可能波動(dòng)?？蛇x擇地，可以通過(guò)在其側(cè)面淀積電介質(zhì)薄層來(lái)絕緣可移動(dòng)梁50。
請(qǐng)參照?qǐng)D2，其表示了本發(fā)明的MEM可變電抗器“芯片側(cè)”襯底的頂視圖，梳狀驅(qū)動(dòng)電極為50A?？梢苿?dòng)電極構(gòu)建于所述襯底內(nèi)部或者淀積于所述襯底頂部的介電層上。圖2說(shuō)明了使用雙鉸鏈撓曲支撐件將可移動(dòng)電極50連接到電介質(zhì)兩側(cè)的情況。可以通過(guò)對(duì)所述梁提供不同的彈簧常數(shù)的多種撓曲支撐件來(lái)支撐可移動(dòng)電極。這樣的撓曲支撐件可以為單鉸鏈、蛇形線(serpentine)、絞盤腿(crab-leg)、雙端固定支撐件。金屬電極50A和50可以為不同或相同的材料，后者因?yàn)楦玫碾娺B通性而為優(yōu)選?？涨?0形成于電介質(zhì)或襯底中、可移動(dòng)梁50的下方，以允許該結(jié)構(gòu)自由移動(dòng)。使用如金屬鑲嵌方法的常規(guī)半導(dǎo)體制造技術(shù)，在電介質(zhì)的內(nèi)部以及充有犧牲材料的空腔30的上方形成相應(yīng)的電極50。使用通過(guò)電鍍(through plating)方法，可以在電極50之上形成電極50A。當(dāng)電壓差施加于電極50和51B時(shí)，靜電力吸引可移動(dòng)電極50朝向固定電極51B，導(dǎo)致電極50偏離固定電極或朝向固定電極移動(dòng)。當(dāng)電極變形時(shí)，信號(hào)電極51A記錄由電極之間間隙距離的變化所致的電容的變化。
圖3為說(shuō)明包含在襯底11(圖1)上方的絕緣材料21中的驅(qū)動(dòng)電極51B、信號(hào)電極51A和溝槽間隙31的載體側(cè)襯底的頂視圖。
也可以配置MEM器件使得驅(qū)動(dòng)電極可以為多種結(jié)構(gòu)以最大化梳狀驅(qū)動(dòng)有效面積(active area)，從而用于降低驅(qū)動(dòng)電壓。圖2顯示了梳狀驅(qū)動(dòng)電極51B的一種特定組合。除了這種結(jié)構(gòu)，也可以使用圖4所示的迷宮型結(jié)構(gòu)和圖6所示的針(pin)結(jié)構(gòu)。由于增加了電極的剛性，迷宮型結(jié)構(gòu)(圖4)有望于最小化梳狀驅(qū)動(dòng)電極的橫向下拉效果。梳狀驅(qū)動(dòng)電極50A的其它結(jié)構(gòu)也是可能的。圖3、5和7分別顯示了與圖2、4和6相對(duì)應(yīng)的底部電極結(jié)構(gòu)。例如，圖3表示了其中信號(hào)電極51A處在空腔區(qū)域之間且沿著空腔的側(cè)壁形成梳狀驅(qū)動(dòng)電極51A的構(gòu)思。
圖8表示了MEM可變電抗器件的另一結(jié)構(gòu)，其使用用于饋電連通的焊料凸起51C來(lái)封裝。在該封裝方法中，載體襯底附著到臨時(shí)襯底(未顯示)上，且底部襯底11被拋光或磨制以敞開電極。在其上，可以使用常規(guī)的半導(dǎo)體凸起形成工藝(semiconductor bumping process)，使用焊料凸起來(lái)進(jìn)行到底部電極的直接電連接。然后去除臨時(shí)襯底11A(未顯示)。焊料凸起的通常高度為0.1至1mm的量級(jí)?？梢郧懈?dice)載體襯底且將各個(gè)構(gòu)件附著到有機(jī)或陶瓷襯底12上用于電連接。使用該方法，可以對(duì)器件的載體側(cè)實(shí)施器件“芯片側(cè)”的晶片級(jí)對(duì)準(zhǔn)和鍵合，提供了改進(jìn)的產(chǎn)率和較低的制造成本的優(yōu)點(diǎn)。
圖9至21表示了利用本發(fā)明來(lái)制造MEM可變電抗器件的頂部芯片側(cè)所使用的工藝順序，而圖22至39顯示了制造MEM可變電抗器件的底部載體側(cè)所使用的工藝順序。以下簡(jiǎn)要描述工藝順序的逐個(gè)步驟芯片側(cè)工藝順序圖9表示了制造工藝的第一步，其中在芯片側(cè)襯底10的頂部淀積絕緣或半絕緣材料20。優(yōu)選地，材料20的厚度與空腔的高度相匹配，該空腔預(yù)計(jì)形成在可移動(dòng)電極的下方并允許該結(jié)構(gòu)的自由運(yùn)動(dòng)。圖10表示了使用常規(guī)的半導(dǎo)體光刻和構(gòu)圖技術(shù)在形成于芯片側(cè)襯底10上方的材料20中形成的空腔30。
在圖11中，淀積犧牲材料或聚合物40以填充在先前步驟中形成的空腔。圖12表示了使?fàn)奚牧?0平坦化的步驟。然后在材料40之上淀積絕緣或半絕緣材料20A(圖13)。然后絕緣材料20A被構(gòu)圖并被蝕刻以形成用于形成可移動(dòng)電極和相關(guān)連接30的開口。然后淀積種子層(seed layer)50C以用于進(jìn)一步的處理(圖14)。在圖15中，使用電鍍或其它相似技術(shù)在襯底上方淀積導(dǎo)電材料50。所淀積的金屬的厚度應(yīng)該至少等于可移動(dòng)電極的厚度。在圖16中，金屬50被平坦化以在襯底之上形成電極。然后在襯底之上淀積種子金屬(seed metal)50B，例如鉻-銅，用于選擇性地電鍍電極(圖17)。然后抗蝕劑或聚合物材料60被淀積并被構(gòu)圖以形成用于選擇性電鍍工藝的多個(gè)開口(圖18)。在圖19中，通過(guò)抗蝕劑或聚合物材料電鍍梳狀驅(qū)動(dòng)電極。然后聚合物材料/抗蝕劑60被去除或從襯底10剝離從而隨后蝕刻或去除種子金屬50B(圖20)。圖21表示了芯片側(cè)的最后工藝步驟，其中在可移動(dòng)電極50下方的犧牲材料40被蝕刻或去除以形成自立(freestanding)可移動(dòng)梁。然后該結(jié)構(gòu)可以翻轉(zhuǎn)到載體側(cè)上，如圖1所示。
載體側(cè)工藝順序圖22表示了加工MEM可變電抗器件的載體側(cè)(“底部那半”)的第一步。襯底11被構(gòu)圖并被蝕刻從而制造多個(gè)深通孔31以形成底部電極。然后在通孔上方共形地淀積絕緣材料或電介質(zhì)21(圖23)。然后將導(dǎo)電材料51、優(yōu)選金屬嵌入通孔內(nèi)且將其平坦化以形成底部電極，如同在金屬鑲嵌工藝中通常所做的那樣(圖24)。在底部電極之上淀積電介質(zhì)或絕緣材料21A(圖25)，其厚度決定了用于梳狀驅(qū)動(dòng)電極的溝槽的深度，其厚度應(yīng)該至少等于或大于芯片側(cè)上在前制造的梳狀驅(qū)動(dòng)電極50A的高度(圖21)。然后電介質(zhì)材料21A被構(gòu)圖并被蝕刻以在底部電極的上方形成開口31A(圖26)。然后在圖案化的電介質(zhì)之上淀積導(dǎo)電材料或金屬51F(圖27)。抗蝕劑或聚合物材料41被毯覆淀積到該結(jié)構(gòu)上方并被構(gòu)圖以暴露部分金屬51F(圖28)。
在圖29中，在除了抗蝕劑/聚合物覆蓋金屬的區(qū)域之外，蝕刻被暴露的金屬來(lái)形成驅(qū)動(dòng)電極51B和信號(hào)電極51A。然后去除抗蝕劑或聚合物材料。在開口之上淀積絕緣材料21B以覆蓋電極51A和51B(圖30)。然后構(gòu)圖抗蝕劑或聚合物材料并且在開口的底部蝕刻電介質(zhì)材料21B(圖31)?？刮g劑或聚合物41A再次被毯覆淀積且被構(gòu)圖以選擇性地敞開在器件任意側(cè)的互連或接觸焊盤51處的區(qū)域(圖32)。之后，在聚合物41A之上淀積種子金屬51E，例如鉻-銅(圖33)。聚合物41A的厚度是關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)槠錄Q定了高起的接觸電極的高度和頂部與底部電極之間的初始間隙距離。圖34表示了其中金屬51D(與51同樣的材料)被淀積于接觸焊盤上方并被平坦化的步驟。圖35表示了載體側(cè)襯底的最后工藝步驟，其中抗蝕劑或聚合物材料41A被去除或被剝離以暴露高起的接觸焊盤51D。一旦完成載體和芯片側(cè)襯底，則芯片側(cè)襯底可以被切割且芯片側(cè)器件(可移動(dòng)梁)可以被翻轉(zhuǎn)到載體側(cè)襯底上、被校準(zhǔn)并被鍵合，以形成如圖1所示的最終器件。由于各個(gè)“芯片側(cè)”器件可以同時(shí)鍵合到載體側(cè)襯底上，所以可以提高產(chǎn)率且降低制造成本(晶片級(jí)封裝)。而且，一旦形成最終器件，則不需要附加的封裝，因?yàn)槠骷谌我粋?cè)被襯底完全包圍。對(duì)于要求MEMS器件的氣密封的應(yīng)用，可以使用導(dǎo)致器件的良好聚合物密封的聚合物來(lái)完成最終器件的真空層壓(vacuum lamination)。
在另一實(shí)施例中，MEMS可變電抗器件也可以使用可選擇的制造方法而互連。在形成具有高起的接觸焊盤的載體襯底之后(圖34)，聚合物材料被遺留在襯底的頂部且另一臨時(shí)襯底11A附著到聚合物的頂部(圖36)。襯底11然后被拋光或磨制以敞開電極的底部，用于互連(圖37)。使用常規(guī)的凸起形成制造方法，將焊料凸起材料51C附著到襯底的底部(圖38)。用于焊料凸起的通常材料是鉛-錫、錫-銀。在襯底11的底部淀積絕緣或半絕緣聚合物材料以保證機(jī)械穩(wěn)定性。
圖39表示了具有焊料凸起互連的器件的載體側(cè)的最后工藝步驟。這里，去除玻璃襯底11A和聚合物材料41A以暴露高起的接觸焊盤51D。然后襯底被切割并附著于另一有機(jī)或陶瓷襯底12上以提供互連。然后各個(gè)“芯片側(cè)”器件可以被翻轉(zhuǎn)并鍵合至載體襯底上，以形成如圖8所示的最終器件。
盡管已結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解的是，依據(jù)前述描述，許多替換、修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明意于包括落在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的所有這樣的替換、修改和變化。所有在此闡述的或在附圖中表示的事物應(yīng)解釋為示例性的而非限定性的。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體微機(jī)電可變電抗器，包括具有可移動(dòng)梁的第一襯底，所述可移動(dòng)梁至少在所述可移動(dòng)梁的一端錨定于所述第一襯底，所述可移動(dòng)梁具有在與所述第一襯底相反的方向上從其突出的分立的鰭；以及耦合到所述第一襯底的具有固定電極的第二襯底，每個(gè)所述固定電極分別面對(duì)所述分立的鰭之一，所述分立的鰭被突出的鰭和所述固定電極之間的電壓所激勵(lì)。
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電可變電抗器，其中所述第一襯底被切割、翻轉(zhuǎn)、對(duì)準(zhǔn)并連接到所述第二襯底上，并且其中所述第二襯底耦合到第三襯底上。
3.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電可變電抗器，其中通過(guò)所述固定電極并結(jié)合從每個(gè)所述固定電極延伸超過(guò)所述第二襯底的表面的突出物，來(lái)形成驅(qū)動(dòng)電極。
4.如權(quán)利要求3所述的微機(jī)電可變電抗器，還包括在所述驅(qū)動(dòng)電極之間、所述第二襯底的頂表面處，橫過(guò)所述突出物而設(shè)置的信號(hào)電極，其中在所述可移動(dòng)梁和所述固定電極之間施加的電壓在所述固定電極上產(chǎn)生吸引力，誘發(fā)所述可移動(dòng)梁的移動(dòng)。
5.如權(quán)利要求4所述的微機(jī)電可變電抗器，其中通過(guò)作為所述可變電容器第一極板的所述信號(hào)電極和提供所述可變電容器第二極板的所述可移動(dòng)梁來(lái)分別形成可變電容器，所述可變電容器的電容作為所述第一和第二極板之間的間隙的函數(shù)而變化。
6.如權(quán)利要求3所述的微機(jī)電可變電抗器，其中附著于所述突出物的凸起耦合到焊料凸起以提供到設(shè)置于所述第三襯底中的互連的連接。
7.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電可變電抗器，其中附著于所述可移動(dòng)梁的所述鰭被校準(zhǔn)從而分別在由延伸超過(guò)所述固定電極的所述突出物形成的空間內(nèi)移動(dòng)。
8.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電可變電抗器，其中所述可移動(dòng)梁被空氣包圍，除了所述可移動(dòng)梁錨定到所述第一襯底的點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電可變電抗器，還包括多個(gè)固定電極，所述固定電極中的至少一個(gè)提供了所述至少一個(gè)固定電極與所述可移動(dòng)梁之間的信號(hào)通路，形成多端口微機(jī)電可變電抗器。
10.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電可變電抗器，其中附著于所述可移動(dòng)梁的所述鰭被成形為多種結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電可變電抗器，其中附著于所述可移動(dòng)梁的所述鰭具有最大化驅(qū)動(dòng)面積以降低激勵(lì)電壓的結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電可變電抗器，其中附著于所述可移動(dòng)梁的所述鰭具有通過(guò)降低移置所述可移動(dòng)梁所需的電壓來(lái)最小化橫向下拉效應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電可變電抗器，其中所述第三襯底由有機(jī)材料或陶瓷制成。
14.一種微機(jī)電可變電抗器的制造方法，包括以下步驟a)在第一襯底上淀積第一介電層，所述第一介電層具有至少一個(gè)在其中蝕刻的空腔；b)用犧牲材料填充并平坦化所述至少一個(gè)空腔；c)在其上形成可移動(dòng)梁；d)在所述第一襯底上淀積第二介電層并形成到所述可移動(dòng)梁的多個(gè)連接；e)在第二襯底上淀積第一介電層；f)在所述第二襯底上的所述第一電介質(zhì)上形成多個(gè)空腔，用犧牲材料填充并平坦化所述多個(gè)空腔；g)在設(shè)置于所述第二襯底上的所述第一電介質(zhì)上淀積第二介電層，并用導(dǎo)電材料填充多個(gè)空腔以在所述空腔之間形成固定電極；h)在所述固定電極周圍形成高起的接觸焊盤；i)從所有所述空腔去除所述犧牲材料以釋放所述可移動(dòng)梁和所述固定電極；以及j)切割所述第一襯底并將所述第二襯底連接到所述被切割的第一襯底，同時(shí)將所述第一襯底中的所述可移動(dòng)梁與所述第二襯底中的所述固定電極對(duì)準(zhǔn)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括以下步驟k)在步驟g)之后，在所述第二襯底的頂部添加第三襯底，并且拋光和磨制所述第二襯底的底部以敞開所述固定電極；l)在所述第二襯底之下淀積介電層，并形成焊料凸起；m)將所述第二襯底連接到設(shè)置有互連的第四襯底的頂部；n)釋放在所有所述空腔中的所有犧牲材料，并去除所述第三襯底以敞高起的接觸焊盤；以及o)將所述可移動(dòng)梁對(duì)準(zhǔn)并連接到所述第二襯底上。
全文摘要
描述了三維微機(jī)電(MEM)可變電抗器，其中在彼此耦合的分離襯底上分別制造可移動(dòng)梁(50)和固定電極(51)。在“芯片側(cè)”上制造具有梳狀驅(qū)動(dòng)電極的可移動(dòng)梁而在分離的襯底的“載體側(cè)”上制造固定底部電極。在襯底兩個(gè)表面上制造該器件時(shí)，芯片側(cè)器件被切割并“翻轉(zhuǎn)”、對(duì)準(zhǔn)且連接至“載體”襯底以形成最終器件。梳狀驅(qū)動(dòng)(鰭)電極用于激勵(lì)而電極的運(yùn)動(dòng)提供電容的變化。由于引入恒定驅(qū)動(dòng)力，可獲得大的電容調(diào)諧范圍。器件的三維方面有利于大的表面積。當(dāng)提供大縱橫比特征時(shí)可使用低激勵(lì)電壓。制造時(shí)，完全封裝MEM器件，無(wú)需附加的器件封裝。另外，由于在晶片級(jí)完成對(duì)準(zhǔn)和鍵合(晶片級(jí)MEMS封裝)，可以低成本獲得改善的器件產(chǎn)率。
文檔編號(hào)B81C1/00GK1689227SQ03824521
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月22日
發(fā)明者阿尼爾·K·欽薩金迪, 羅伯特·A·格羅夫斯, 肯尼思·J·斯坦, 塞沙德里·薩班納, 理查德·P·沃蘭特 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司