壓電射頻微機電系統裝置及其制備方法

專利名稱：壓電射頻微機電系統裝置及其制備方法
技術領域：
與本發明一致的設備和方法涉及壓電射頻(RF)微機電系統(MEMS)裝置及其制造方法，更具體而言，涉及一種壓電RF MEMS裝置及其制造方法，其中壓電致動器提供有作為低壓的一點接觸的RF輸入信號線，且RFMEMS裝置被制造為一個封裝體。
背景技術：
一種RF MEMS裝置在各種領域中，比如在雷達、移動和通訊產品中，被用作多功能開關、繼電器、電容器和移相器。RF MEMS裝置的示例包括基于靜電現象的靜電RF MEMS裝置和基于壓電現象的壓電RF MEMS裝置。然而，靜電RF MEMS裝置需要3V的高驅動電壓和具有大的體積。在該方面，壓電RF MEMS裝置被廣泛使用。
圖1示出了為相關技術的RF MEMS裝置的一種的壓電RF MEMS裝置。圖1A是示出壓電RF MEMS開關的平面圖，圖1B是沿圖1A的線A-A所取的剖面圖，且圖1C是示出壓電RF MEMS開關的下基板的平面圖。在韓國專利公開NO.10-2005-0076149中公開了壓電RF MEMS開關1。如圖1A到1C所示，壓電RF MEMS開關1包括上基板10、提供有RF輸入和輸出線21和22的下基板20、其一端固定到上基板10且另一端與下基板20隔開的壓電致動器30；和排列在壓電致動器30的一端上的接觸焊盤34。壓電致動器30形成在上基板10下，且具有一種比如鋯鈦酸鉛(PZT，Pb(Zr，Ti)O3)結構的壓電層33夾置于上電極33和下電極32之間的結構。彈性層12形成于上基板10和上電極31之間。上基板10是半導體晶片基板，且壓電致動器30的端部設置于上基板10的溝槽區13中。下基板20除了RF輸入和輸出線21和22以外還提供有共平面形波導(CPW)線，比如凸起23和24。
與靜電RF MEMS開關不同，前述的壓電RF MEMS開關1可以在低電壓下驅動。而且，壓電RF MEMS開關1比靜電RF MEMS開關相對小，且具有比靜電RF MEMS開關更快的開關速度。在壓電RF MEMS開關1中，如果將外電壓通過下基板20的凸起23和24施加到壓電致動器30的上和下電極31和32，則在壓電層33中產生力矩以向下彎曲壓電致動器30，且接觸焊盤34接觸RF輸入和輸出信號線21和22以將RF信號傳輸到RF電路板，即下基板20。然而，在壓電RF MEMS開關1中，壓電致動器30的接觸焊盤34在兩點接觸RF信號線21和22。該兩點接觸方式與一點接觸方式相比，惡化了開關操作的穩定性。

發明內容
因此，本發明涉及一種壓電RF MEMS裝置及其制造方法以解決由于相關技術的限制和缺點的一個或更多的問題。
本發明的方面是提供一種壓電RF MEMS裝置，其中壓電致動器提供有對于低電壓的一點接觸的RF輸入信號線。
本發明的另一方面提供了一種制造壓電RF MEMS裝置的方法，其中壓電RF MEMS裝置被制造為一個封裝體。
為了實現這些和其他的方面且根據本發明的目的，如這里體現和廣泛描述的，壓電RF MEMS裝置包括提供有RF輸出信號線的上基板；設置于RF輸出信號線下的壓電致動器；和提供有空腔的下基板，從而壓電致動器的一端固定到下基板且其另一端可移動且與上和下基板分開，其中壓電致動器提供有在其上的RF輸入信號線，且接觸焊盤被提供以當壓電致動器被向上驅動時將RF輸出信號線與RF輸入信號線連接。
上基板提供有至少一個電接觸RF輸入和輸出信號線的過孔。
壓電致動器包括一個梁或一對梁。優選地，但不是必須地，壓電致動器從頂按下述順序提供有RF輸入信號線、第二鈍化層、上電極、壓電層、下電極和膜。上電極和下電極分別與其驅動線連接。
優選地，但不是必須地，空腔設置于壓電致動器下。
而且，優選地，但不是必須地，接觸焊盤形成于壓電致動器的上端。
上基板和/或下基板可以提供有至少一條CPW線。
優選地，但不是必須地，上基板和下基板彼此接合。
壓電RF MEMS裝置還包括形成于下基板表面上的第一鈍化層。
在本發明的另一方面，制造壓電RF MEMS裝置的方法包括提供包括RF輸出信號線的上基板；提供包括壓電致動器的下基板，壓電致動器具有對應于RF輸出信號線的RF輸入信號線；且將上基板和下基板組裝。
提供上基板的操作包括在第一晶片的一個表面上形成絕緣層和構圖絕緣層；通過處理構圖的絕緣層來形成過孔；且在提供有過孔的第一晶片的表面上形成RF輸出信號線。
制備下基板的操作包括在第二晶片中形成空腔；在提供有空腔的第二晶片上形成第一鈍化層；和在空腔上方制造提供有RF輸入信號線的壓電致動器。
制造壓電致動器的操作包括在空腔中形成犧牲層；在犧牲層上順序形成膜層、下電極層、壓電層、上電極層、第二鈍化層、RF輸入信號線和接觸焊盤層且將其構圖；且去除犧牲層。
第一鈍化層和/或第二鈍化層由氧化硅或氮化硅形成。
犧牲層由多晶硅、低溫氧化物(LTO)、原硅酸四乙酯(TEOS)、光致抗蝕劑的聚合物、金屬和合金的任何一種形成。
膜層由氮化硅、氮化鋁、多晶硅氧化物、TEOS、Mo、Ta、Pt和Rh的任何一種形成。
上電極和下電極由Pt、Rh、Ta、Au、Mo和AuPt的任何一種形成。
壓電層由比如鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇、氧化銦錫(ITO)、氧化鋅、和氮化鋁的壓電材料形成。
RF信號線由Rh、Ti、Ta、Pt和AuNix的任何一種形成。
組裝上基板和下基板的操作包括在將上基板固定到下基板之后將上基板和下基板彼此接合。


參考附圖，通過描述本發明的特定示范性實施例，本發明的以上方面和特征將變得更加顯見，在附圖中根據本發明的示范性實施例，圖1A是示出相關技術的壓電RF MEMS裝置的平面圖，圖1B是沿圖1A的線A-A所取的剖面圖，且圖1C是示出相關技術的壓電RF MEMS裝置的下基板的平面圖；根據本發明的示范性實施例，圖2A是示出壓電RF MEMS裝置的前視圖，圖2B是示出壓電RF MEMS裝置的上基板的底視圖，且圖2C是示出壓電RF MEMS裝置的下基板的平面圖；
圖3A到圖3C是示出根據本發明的示范性實施例的制造壓電RF MEMS裝置的上基板的方法中的上基板的剖面圖；圖4A到圖4F是示出根據本發明的示范性實施例的制造壓電RF MEMS裝置的下基板的方法中的下基板的剖面圖；圖5A到圖5C是示出根據本發明的示范性實施例的壓電RF MEMS裝置的上基板和下基板的組裝工藝的剖面圖；圖6是示出了根據本發明的示范性實施例的壓電RF MEMS裝置的操作的剖面圖；以及圖7是示出施加到根據本發明的示范性實施例的壓電RF MEMS裝置的電壓和其壓電致動器的位移關系的曲線圖。
具體實施例方式
現將詳細參考本發明的示范性實施例，其示例在附圖中示出。在可能的情況下，貫穿附圖，相同的附圖標記指示相同或相似的元件。
圖2示出了根據本發明的實施例的壓電RF MEMS裝置，其中圖2A是示出壓電RF MEMS裝置的前視圖，圖2B是示出壓電RF MEMS裝置的上基板的底視圖，且圖2C是示出壓電RF MEMS裝置的下基板的平面圖。
如圖2A到2C所示，本發明的RF MEMS裝置100包括下基板110、壓電致動器130、和下基板120。RF MEMS裝置100被提供為一個封裝體。
上基板110在一個表面提供有RF輸出信號線111，優選地但不是必須地在下表面。RF輸出信號線111可以在兩側提供有地線116和118。RF輸出信號線111可以通過接觸焊盤111a和111b以及過孔113與上基板110的CPW線電連接。相似地，地線116和118通過接觸焊盤116a和118a和過孔被外部接地。上基板110可以提供有過孔115和與下基板120的壓電致動器130連接的另一接觸焊盤112a。上基板110的如此的連接可以依據設計來選擇性地控制。
壓電致動器130設置于上基板110的RF輸出信號線111下。壓電致動器130具有固定到下基板120的一端和可移動地與上和下基板110和120分開的另一端。下基板120在壓電致動器130下提供有空腔122。因為壓電致動器130的另一端設置于空腔122上，其可以自由地移動，其狀態為與上和下基板110和120分開。
下基板120提供有壓電致動器130。而且，下基板120可以提供有CPW線。第一鈍化層124還可以形成于下基板120的表面上。
壓電致動器130可以包括一個梁和一對梁。優選地，但不是必須地，壓電致動器130可以按下述順序提供有RF輸出信號線135、第二鈍化層137、上電極131、壓電層133、下電極132和膜134。上電極131和下電極132可以分別通過端子焊盤121和123與驅動線連接。膜134沿壓電致動器130的縱向形成。因為膜134形成于下電極131下，壓電致動器130可以被向上驅動。
RF輸入信號線135形成于壓電致動器130上。當壓電致動器130被向上驅動時，RF輸入信號線135通過接觸焊盤136接觸RF輸出信號線111，從而RF輸入和輸出信號線111和135可以彼此電連接。在本發明的RFMEMS裝置100中，因為一條RF信號線(圖2C中RF輸入信號線135)提供在壓電致動器130上，RF輸入信號線135和RF輸出信號線111通過接觸焊盤136形成一點接觸。
上基板110和下基板120被彼此組裝以形成一個封裝體。優選地，但不必須地，上基板110和下基板120以這樣的方式組裝，從而圍繞基板110和120形成的側壁119、136a和136b彼此接合，其狀態為它們彼此面對。側壁119、136a和136b形成以當形成基板110和120的結構時到達基板110和120的外周。
其后，將參考附圖描述根據本發明的示范性實施例的制造壓電RFMEMS裝置的方法。
圖3到圖5是示出根據本發明的示范性實施例的制造壓電RF MEMS裝置的方法的剖面圖。圖3A到圖3C是示出上基板110的制造方法的剖面圖，沿圖2B的線B-B所截取。圖4A到圖4F是示出下基板120的制造方法的剖面圖，沿圖2C的線C-C所截取。圖5A到圖5C是上基板110和下基板120的組裝工藝的剖面圖，上基板110沿圖2B的線B-B截取，下基板120沿圖2C的線D-D截取。
根據本發明的實施例的制造壓電RF MEMS裝置100的方法包括分別制備上基板110和下基板120；和組裝基板110和120。在本發明的示范性實施例中，上基板110可以在制造下基板120之前或之后制造。
為了制備上基板110，如圖3A到圖3C所示，絕緣層114形成于第一晶片110a的一個表面上，然后將其構圖為期望的設計。比如高電阻硅晶片或高純度硅晶片的硅晶片、比如熔融硅石的玻璃基晶片、或石英晶片可以被用作下基板120以及上基板110。
通過激光處理構圖的絕緣層114即絕緣層圖案，以形成過孔113和115。在提供有過孔113和115的第一晶片110a的表面上鍍覆或沉積導電金屬。然后將導電金屬構圖以形成RF輸出信號線111、地線116和118、和接觸焊盤111a、112a、116a和118a(見圖2B)。優選地，但不是必須地，當制造上基板110時，在上基板110的外周形成側壁119。
接下來，為了制備下基板120，如圖4A所示，第二晶片120a提供有空腔122。空腔122可以通過典型的蝕刻工藝形成。如圖4B所示，第一鈍化層124形成于提供有空腔122的第二晶片120a上。第一鈍化層124可以通過典型的沉積工藝形成。比如SiO2的氧化硅或比如Si3N4的氮化硅可以被用作第一和第二鈍化層124和137。
接下來，在空腔122上制造提供有RF輸入信號線135的壓電致動器130(圖4C到4F)。壓電致動器130以這樣的方式制造，即在空腔122中形成犧牲層122a，在犧牲層122a上順序形成并隨后構圖膜層134、下電極層132、壓電層133、上電極層131、第二鈍化層137、RF輸入信號線135和接觸焊盤層136和135a，和去除犧牲層122a。壓電致動器130可以被制造具有一個梁或兩個或更多的梁，依據構圖各個層時的設計。
優選地，但不是必須地，犧牲層122a通過化學機械拋光(CMP)工藝去除。犧牲層122a可以由多晶硅、低溫氧化物(LTO)、原硅酸四乙酯(TEOS)、光致抗蝕劑的聚合物、金屬或合金形成。而且，優選地，但不是必須地，下基板120的各個層被構圖以在下基板120的外周形成側壁136a和136b，其方式與上基板110相同。
膜層134可以由氮化硅、氮化鋁、多晶硅氧化物、TEOS、Mo、Ta、Pt或Rh形成。
上電極131和下電極132可以由Pt、Rh、Ta、Au、Mo或AuPt形成。優選地，但不是必須地，上電極131和下電極132可以由Pt形成。因為Pt具有高熔點，當燒結壓電層時如果Pt被用作上電極131或下電極132則不發生擴散或硅化。
壓電層133可以由比如鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇、氧化銦錫(ITO)、氧化鋅、和氮化鋁的壓電材料形成。最優選地，但不必須地，壓電層133可以由PZT形成。
RF輸入信號線135、RF輸出信號線111、接觸焊盤層136和135、以及端子焊盤121和123由比如Rh、Ti、Ta、Pt和AuNix的導電金屬形成。優選地，但不是必須地，它們由Au形成。
RF信號線111和135由導電金屬形成，而壓電致動器130由陶瓷形成。當在高溫制造壓電薄膜材料的膜層134或壓電層133時，在相關技術中不可能在設置低于壓電致動器130的下基板20上形成CPW線。然而，在本發明的示范性實施例中，因為壓電致動器130形成于下基板120上，所以CPW線可以形成于下基板120上。特別地，因為在形成膜層134之后形成電極線，通過以上的工藝順序可以燒結壓電薄膜材料。結果，可以獲得優化的壓電材料的機械位移。而且，通過最小的電壓可以產生最大的位移。另外，在本發明中，因為RF輸入信號線135形成于壓電致動器130上，RF信號線111和135在一點通過接觸焊盤136彼此接觸。這意味著RF MEMS裝置100可以被穩定地操作。
之后，如圖4F所示，如果從下基板120去除犧牲層122a，浮置了壓電致動器130。
接下來，如圖5A到5C所示，上基板110和下基板120被組裝以彼此面對。為此，如圖5A所示，上和下基板110和120彼此固定，從而上基板110的側壁119設置對應于如上制造的下基板120的側壁136a和136b。上和下基板110和120彼此接合以組裝成一個封裝體。優選地，但不是必須地，上和下基板110和120使用Au彼此鍵合。在如上組裝之后，上基板110以這樣的方式被制造，從而晶片110a被蝕刻以暴露過孔113和115，如圖5B所示。接觸焊盤層111b和112b形成于上基板110上以將RF MEMS裝置100的上和下表面通過過孔113和115彼此連接(圖5C)。
在如上制造的RF MEMS裝置100中，如果將DC電壓施加到端子焊盤121和123，壓電致動器130被向上彎曲以允許接觸焊盤136接觸RF輸出信號線111。于是，RF信號線111和135彼此連接以傳輸RF信號。
將參考附圖描述根據本發明的示范性實施例的壓電RF MEMS裝置的操作。
圖6是示出了根據本發明的示范性實施例的壓電RF MEMS裝置100的操作的剖面圖。如果將DC電壓通過端子焊盤121和123施加到RF MEMS裝置100(見圖2C)，DC電壓被施加到壓電致動器130的上和下電極131和132。同時，在壓電致動器130的壓電層133中產生極化，且力被施加到壓電致動器130。因為膜層134設置于壓電致動器130下方，壓電致動器130被向上驅動，如圖6所示。換言之，當電壓被施加到構成膜層134的壓電薄膜材料時在壓電致動器130中產生偶極矩，由此壓電致動器130被向上彎曲。接觸焊盤136和RF信號線111和135通過壓電致動器130的開關在一接觸點彼此接觸，且RF信號通過RF MEMS裝置100傳遞。
圖7是示出施加到根據本發明的示范性實施例的壓電RF MEMS裝置100的電壓和壓電致動器130的位移關系的曲線圖。如圖7所示，注意，在RF MEMS裝置100中的壓電致動器130依據DC電壓被良好地驅動。例如，因為在本發明的示范性實施例中獲得了1.5μm到2.0μm的位移，所以可以穩定地操作RF MEMS裝置100。
如上所述，在本發明中，因為RF信號線形成于壓電致動器上以實現一點接觸，可以獲得RF MEMS裝置的穩定操作。而且，因為RF MEMS裝置由于其簡單的結構而提供為一個封裝體，可以實現裝置的微型化。
另外，RF MEMS裝置可以在低驅動電壓下穩定操作而沒有功耗。
另外，RF MEMS裝置可以根據本發明的前述的示范性實施例的制造方法來穩定地制造。
前述實施例和它們的方面僅是示范性的且不應解釋為限制本發明。本教導可以容易地應用于其他類型的設備。而且，本發明的實施例的描述旨在為示例性的，且不限制權利要求的范圍，且許多替換、改進和變化將對于本領域的技術人員是明顯的。
權利要求
1.一種壓電射頻微機電系統裝置，包括包括射頻輸出信號線的上基板；設置于所述射頻輸出信號線下的壓電致動器；和包括空腔的下基板，從而所述壓電致動器的一端固定到所述下基板且其另一端可移動且與所述上和下基板分開，其中所述壓電致動器包括射頻輸入信號線，和被提供以當所述壓電致動器被向上驅動時將所述射頻輸出信號線與所述射頻輸入信號線連接的接觸焊盤。
2.根據權利要求1所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述上基板包括至少一個電接觸所述射頻輸入和輸出信號線的過孔。
3.根據權利要求1所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述射頻輸出信號線形成于所述上基板的下表面上。
4.根據權利要求1所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述壓電致動器包括一個梁。
5.根據權利要求1所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述壓電致動器包括兩個或更多的梁。
6.根據權利要求1所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述壓電致動器還包括第二鈍化層、電極、壓電層、和膜的至少一個。
7.根據權利要求6所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述電極包括上電極和下電極；且其中所述射頻輸入信號線、所述第二鈍化層、所述上電極、所述壓電層、所述下電極和所述膜按照所述的順序從頂部設置以構成所述壓電致動器。
8.根據權利要求7所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述上電極和所述下電極分別與其驅動線連接。
9.根據權利要求1所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述空腔設置于所述壓電致動器下。
10.根據權利要求1所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述接觸焊盤形成于所述壓電致動器的上端。
11.根據權利要求1所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述上基板和所述下基板的至少一個提供有至少一條共平面形波導線。
12.根據權利要求1所述的壓電射頻微機電系統裝置，其中所述上基板和所述下基板彼此接合。
13.根據權利要求1所述的壓電射頻微機電系統裝置，還包括形成于所述下基板表面上的第一鈍化層。
14.一種制造壓電射頻微機電系統裝置的方法，包括提供包括射頻輸出信號線的上基板；提供包括壓電致動器的下基板，所述壓電致動器包括對應于所述射頻輸出信號線的射頻輸入信號線；且將所述上基板和所述下基板組裝。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述提供上基板的步驟包括在第一晶片的一個表面上形成絕緣層和構圖所述絕緣層；通過處理所述構圖的絕緣層來形成過孔；且在提供有所述過孔的第一晶片的表面上形成射頻輸出信號線。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述制備下基板的步驟包括在第二晶片中形成空腔；在提供有所述空腔的第二晶片上形成第一鈍化層；和在所述空腔上方制造包括所述射頻輸入信號線的壓電致動器。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述制造壓電致動器的步驟包括在所述空腔中形成犧牲層；在所述犧牲層上形成疊層，其中所述疊層包括膜層、電極層、壓電層、第二鈍化層的至少一層；構圖所述犧牲層上的疊層；且去除所述犧牲層。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述電極包括上電極和下電極，且所述疊層還包括接觸焊盤層；以及其中所述形成疊層通過在所述犧牲層上順序形成所述膜層、所述下電極層、所述壓電層、所述上電極層、所述第二鈍化層、所述射頻輸入信號線和所述接觸焊盤層而進行。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述第一鈍化層和第二鈍化層的至少一層包括氧化硅和氮化硅的至少一種。
20.根據權利要求17所述的方法，其中所述犧牲層包括多晶硅、低溫氧化物、原硅酸四乙酯、光致抗蝕劑的聚合物、金屬和合金的至少一種。
21.根據權利要求17所述的方法，其中所述膜層包括氮化硅、氮化鋁、多晶硅氧化物、原硅酸四乙酯、Mo、Ta、Pt和Rh的至少一種。
22.根據權利要求18所述的方法，其中所述上電極和下電極的至少一個包括Pt、Rh、Ta、Au、Mo和AuPt的至少一種。
23.根據權利要求17所述的方法，其中所述壓電層由一種壓電材料形成，所述壓電材料包括鋯鈦酸鉛壓電材料、鈦酸鋇、氧化銦錫、氧化鋅、和氮化鋁的至少一種。
24.根據權利要求14所述的方法，其中所述射頻輸入信號線和所述射頻輸出信號線的至少一種包括Rh、Ti、Ta、Pt和AuNix的至少一種。
25.根據權利要求14所述的方法，其中所述組裝上基板和下基板的操作包括在將所述上基板固定到所述下基板之后將所述上基板和所述下基板彼此接合。
全文摘要
本發明涉及一種壓電射頻(RF)微機電系統(MEMS)裝置及其制造方法，其中RF MEMS裝置基于壓電效應以低壓向上驅動。所述壓電RF MEMS裝置包括提供有RF輸出信號線的上基板；設置于RF輸出信號線下的壓電致動器；和提供有空腔的下基板，從而壓電致動器的一端固定到下基板且其另一端可移動且與上和下基板分開，其中壓電致動器提供有在其上的RF輸入信號線，且接觸焊盤被提供以當壓電致動器被向上驅動時將RF輸出信號線與RF輸入信號線連接。制造壓電RF MEMS裝置的方法包括提供包括RF輸出信號線的上基板；提供包括壓電致動器的下基板，壓電致動器具有對應于RF輸出信號線的RF輸入信號線；且組裝上基板和下基板。
文檔編號B81C1/00GK1975956SQ20061013662
公開日2007年6月6日 申請日期2006年10月31日 優先權日2005年11月30日
發明者金鐘碩, 宋寅相, 李相勛, 權相旭, 李昌承, 洪榮澤, 金載興 申請人:三星電子株式會社