Конструкция и технология изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем

Конструкция и технология изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Описание изобретения

Область техники

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов микроэлектромеханических систем, в частности интегральных микромеханических реле и устройств на их основе: силовых переключателей, схем памяти, сенсорных датчиков, систем обработки информации и др.

Уровень техники

Интегральное микромеханическое реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем может изготавливаться в виде балки, состоящей из неподвижного электрода и подвижного электрода - балки, закрепленной на опорах с двух сторон, выполненной в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем, или в виде консоли, состоящей из неподвижного электрода и подвижного электрода - консоли, закрепленного на опоре с одной стороны, выполненной в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем. Реле в виде консоли обеспечивает работу устройства при более низких рабочих напряжения, чем реле в виде балки с теми же размерами подвижного электрода. Эффективность работы интегрального микромеханического реле определяется обратным пьезоэлектрическим эффектом, вызывающим перемещение подвижного электрода, что в свою очередь зависит от материала подвижного электрода, приложенного напряжения и расстояния между электродами. Также эффективность работы микромеханического реле определяется гибкостью и прочностью подвижного электрода, которое обеспечивает использование в структуре подвижного электрода диэлектрических слоев с высокими упругими свойствами.

Хорошо известны пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектриков, а именно ЦТС-19 (на основе свинца, цирконата, титаната). Для обеспечения высокой подвижности электрода он должен быть изготовлен из материала с хорошо выраженным обратным пьезоэлектрическим эффектом, который может обеспечить пленки сегнетоэлектрика, а именно ЦТС-19 (на основе свинца, цирконата, титаната).

Одним из способов получения устройства с подвижным элементом является устройство, показанное в патенте РФ №2193804, в котором описаны конструкция, способ изготовления и характеристики полупроводникового термомеханического микроактюатора, который предназначен для использования в конструкциях широкого класса микроманипуляторов, в том числе и микрореле, состоящего из основания, выполненного в виде рамы, электрического нагревателя и исполнительного элемента из кремнийсодержащего материала, подвешенного в окне рамы с помощью как минимум одной подвижной пластины с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя. Недостатками этого устройства являются ненадежность и низкая скорость срабатывания.

Еще один способ получения пьезоэлектрического реле показан в патенте №RU2391736. Пьезокерамическое реле содержит основание, закрепленный на нем консольно-биморфный пластинчатый пьезоэлемент с контактами цепи управления на неподвижном конце пьезоэлемента и с контактом коммутационной цепи, установленным на свободном конце пьезоэлемента, взаимодействующим при подаче напряжения на контакты цепи управления пьезоэлемента с другим контактом коммутационной цепи. Причем упомянутое реле дополнительно содержит механизм регулировки зазора между упомянутыми электрическими контактами коммутационной цепи, выполненный в виде установленного в корпусе цилиндрического торцевого кулачка, имеющего возможность поворота вокруг оси и подпружиненного рычага, один конец которого закреплен в упомянутом корпусе механизма регулировки зазора, а второй конец рычага находится в кинематической связи с упомянутым торцевым кулачком и содержит электрический контакт коммутационной цепи, взаимодействующий с другим упомянутым электрическим контактом, установленным на подвижном конце пьезоэлемента. Рабочее напряжение данного устройства 18 В с частотой 0-240 Гц. Недостатками вышеупомянутого устройства являются его большие размеры (18×8×4 мм) и сложность сборки устройства.

Наиболее близким техническим решением к предложенному изобретению является патент US 5.093.600, кл. 310/332. В этом изобретении заявляется пьезоэлектрическое реле, содержащее основание (корпус), закрепленный на нем консольный пластинчатый биморфный пьезоэлемент с контактами цепи управления на неподвижном конце и с электрическим контактом коммутационной цепи, установленным на свободном конце пьезоэлемента, взаимодействующим при подаче напряжения на контакты цепи управления пьезоэлемента с другим электрическим контактом коммутационной цепи, установленным в основании реле. Недостатки этого реле состоят в том, что для надежной работы и обеспечения воспроизводимости параметров реле требуется с высокой точностью (единицы микрон) выдержать зазор между контактами коммутационной цепи, что существенно усложняет технологический процесс производства и получение воспроизводимых параметров реле.

Целью изобретения является создание способа изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом на основе пьезоэлектрических пленок, которое, при упрощенной технологии изготовления, совместимой с технологией производства интегральных схем, обладало бы высокой стабильностью переключений при продолжительном ресурсе службы.

Поставленная цель достигается тем, что способ изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем, состоящее из подложки, покрытой диэлектрическим слоем с нижним (неподвижным) электродом, и подвижного электрода, состоящего последовательно из нижнего токопроводящего слоя, диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами, среднего токопроводящего слоя, пьезоэлектрического слоя, верхнего токопроводящего слоя, расположенного на поверхности вышеупомянутой подложки, осуществляется на поверхности кремниевых пластин, отличается созданием интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем в едином технологическом цикле при упрощенной технологии изготовления, совместимой с технологией производства интегральных схем, в которой формирование подвижного электрода возможно в виде консоли или в виде балки и включает операции: формирования на поверхности кремниевой подложки пленки Si₃N₄ методом пиролиза SiH₄; напыление слоя TiN и формирование структуры «нижний электрод» методом проекционной фотолитографии и плазмохимического травления слоя TiN; осаждение слоя ФСС (фосфатно-силикатного стекла) методом химического осаждения из газовой фазы и формирование на его основе жертвенного слоя методом жидкостного химического травления; напыление первого слоя TiN; осаждение диэлектрического слоя Si₃N₄; напыление второго слоя TiN; осаждение пьезоэлектрического слоя ЦТС; напыление третьего слоя TiN; плазмохимическое травление слоев: третьего слоя TiN, слоя ЦТС, второго слоя TiN, слоя Si₃N₄, первого слоя TiN с формированием подвижного многослойного электрода и вскрытием жертвенного слоя ФСС, жидкостное химическое травление жертвенного слоя ФСС с образованием воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами. Указанным способом возможно создание интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде балки и в виде консоли. Причем формирование подвижного электрода в виде консоли производится методом дополнительного плазмохимического травления части балки до получения подвижного электрода, закрепленного на одной опоре. Микромеханическое реле с пьезоэлементом, изготовленное по вышеупомянутой технологии, обладает рядом преимуществ: микронные размеры, относительная простота в изготовлении с использованием стандартных операций, использующихся в производстве интегральных микросхем, низкая потребляемая мощность, высокое быстродействие, высокая надежность.

В предлагаемой технологии создание интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем происходит в едином технологическом цикле изготовления интегрального элемента, с формированием на поверхности подложки диэлектрического слоя; токопроводящего слоя, образующего неподвижный электрод; и жертвенного слоя, с последующим нанесением на упомянутые слои последовательно с целью формирования подвижного электрода: нижнего токопроводящего слоя; диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами; среднего токопроводящего слоя, слоя сегнетоэлектрика; верхнего токопроводящего слоя; с удалением на финальном этапе жертвенного слоя с боковым подтравом, для образования подвижного электрода, закрепленного с одной стороны (консоль), или с двух сторон (балка). При таком технологическом маршруте уменьшается разброс расстояний между подвижным и неподвижным электродами. Использование пьезоэлектрических слоев и диэлектрических слоев с высоким коэффициентом упругости обеспечивает стабильную работу микромеханического реле, позволяет избежать электростатического «залипания» подвижного электрода с неподвижным.

Литература

1. Вардан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. М.: Техносфера, 2004.

2. Technical paper "Microengineering Space Systems" for The First Canadian Workshop on "MEMS Technology for Aerospace Applications". 2001 - P.49.

3. Majumder S., McGruer N.E., Adms G.G., Zavracky P.M., Morrison R.H., Krim J. Study of contacts in an electrostatically actuated microswitch // Sen-sors and Actuators - 2001 - №A93. - P.19-26.

4. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие - Тул. гос. университет. - Тула. 2002.

5. M.A.Michalicek. Introduction to micromechanical systems. URL: http://mems.colorado.edu.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является получение технического результата, заключающегося в получении интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем, упрощении технического процесса его производства и получении воспроизводимых параметров пьезоэлектрического реле. Интегральное микромеханическое реле представляет собой устройство, состоящее из неподвижного и подвижного электрода, который, в свою очередь, состоит из токопроводящих слоев, слоев сегнетоэлектрика, диэлектрических слоев с высокими упругими свойствами, что позволяет использовать для переключения микрореле обратный пьезоэлектрический эффект и избежать «залипания» подвижного электрода после срабатывания реле.

Поставленная задача решается в конструкции микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем, включающего подложку, покрытую диэлектрическим слоем, и нижний токопроводящий слой, играющий роль неподвижного электрода, и подвижный электрод, состоящий последовательно из: нижнего токопроводящего слоя; диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами; среднего токопроводящего слоя, пьезоэлектрического слоя; верхнего токопроводящего слоя; расположенный на поверхности вышеупомянутой подложки и контактной площадки. Между неподвижным электродом и нижним токопроводящем слоем подвижного электрода имеется зазор, обеспечивающий прерывание тока при отключении реле.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что формирование микромеханического реле производится в едином технологическом цикле по микроэлектронной технологии. В процессе формирования на поверхности подложки располагается диэлектрический слой и неподвижный электрод и, на вышеупомянутом диэлектрическом слое, в свою очередь, располагается подвижный электрод, состоящий последовательно из нижнего токопроводящего слоя, диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами, среднего токопроводящего слоя, пьезоэлектрического слоя, верхнего токопроводящего слоя. Между неподвижным электродом и подвижным электродом имеется воздушный зазор, образующийся после ЖХТ травления жертвенного слоя, обеспечивающий прерывание тока при отключенном реле. Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в получении интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем, изготовленного по микроэлектронной технологии, а именно, в создании в едином технологическом цикле неподвижного и подвижного электродов методом последовательного осаждения токопроводящих, диэлектрических и пьезоэлектрических слоев на кремниевую подложку с применением методов ЖХТ травления, в том числе ЖХТ травления жертвенного слоя для образования воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами.

Краткое описание чертежей.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг.1 Формирование диэлектрического слоя на подложке.

Фиг.2 Формирование неподвижного электрода на диэлектрическом слое.

Фиг.3 Нанесение жертвенного слоя.

Фиг.4а Формирование многослойного подвижного электрода в виде балки.

Фиг.4б Формирование многослойного подвижного электрода в виде консоли.

Фиг.5а Жидкостное травление жертвенного слоя и формирование реле в виде балки.

Фиг.5б Жидкостное травление жертвенного слоя и формирование реле в виде консоли.

Обозначение слоев: 1 - подложка (Si); 2 - диэлектрический слой (Si₃N₄); 3 - нижний электрод токоведущий слой (TiN); 4 - первый токоведущий слой подвижного электрода (TiN); 5 - диэлектрический слой с высокими упругими свойствами (Si₃N₄); 6 - второй токоведущий слой подвижного электрода (TiN); 7- пьезоэлектрический слой (ЦТС); 8 - третий токоведущий слой подвижного электрода (TiN); 9 - жертвенный слой (ФСС).

Пример осуществления изобретения

Разработана технология изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем на поверхности кремниевых пластин диаметром 100 мм, включая следующие операции для получения микрореле в виде балки: формирование на поверхности кремниевой подложки (1) пленки Si₃N₄ (2) толщиной 0,25 мкм методом пиролиза SiH₄; напыление слоя TiN толщиной 0,15 мкм и формирование структуры «нижний электрод» (3) при проведении проекционной фотолитографии и плазмохимического травления слоя TiN; осаждение слоя ФСС (фосфатно-силикатного стекла) толщиной 0,5 мкм методом химического осаждения из газовой фазы и формирование на его основе жертвенного слоя (9) методом жидкостного химического травления; напыление первого слоя TiN (4) толщиной 0,25 мкм; осаждение диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами Si₃N₄ (5) толщиной 0,7 мкм; напыление второго слоя TiN (6) толщиной 0,25 мкм; осаждение пьезоэлектрического слоя ЦТС (7) толщиной 0,7 мкм; напыление третьего слоя TiN (8) толщиной 0,25 мкм; плазмохимическое травление слоев: третьего слоя TiN, слоя ЦТС, второго слоя TiN, слоя Si₃N₄, первого слоя TiN с формированием подвижного многослойного электрода и вскрытием жертвенного слоя ФСС, жидкостное химическое травление жертвенного слоя ФСС с образованием воздушного зазора (11) между неподвижным и подвижным электродами; для получения микрореле в виде консоли производится плазмохимическое травление части балки до получения подвижного электрода, закрепленного на одной опоре.

Полученные по описанной технологии интегральные микромеханические реле имеют микронные размеры 20-80 мкм, рабочее напряжение U=10 В при частоте 0-1000 Гц, обеспечивают высокую стабильностью переключений при продолжительном ресурсе службы.

1. Способ изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем, состоящее из подложки, покрытой диэлектрическим слоем с нижним (неподвижным) электродом, и подвижного электрода, состоящего последовательно из нижнего токопроводящего слоя, диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами, среднего токопроводящего слоя, пьезоэлектрического слоя, верхнего токопроводящего слоя, расположенного на поверхности вышеупомянутой подложки, осуществляется на поверхности кремниевых пластин, отличающийся тем, что создание интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем в едином технологическом цикле при упрощенной технологии изготовления, совместимой с технологией производства интегральных схем, в которой формирование подвижного электрода возможно в виде консоли или в виде балки и включает операции: формирования на поверхности кремниевой подложки пленки Si₃N₄ методом пиролиза SiN₄; напыление слоя TiN и формирование структуры «нижний электрод» методом проекционной фотолитографии и плазмохимического травления слоя TiN; осаждение слоя ФСС (фосфатно-силикатного стекла) методом химического осаждения из газовой фазы и формирование на его основе жертвенного слоя методом жидкостного химического травления; напыление первого слоя TiN; осаждение диэлектрического слоя Si₃N₄; напыление второго слоя TiN; осаждение пьезоэлектрического слоя ЦТС; напыление третьего слоя TiN; плазмохимическое травление слоев: третьего слоя TiN, слоя ЦТС, второго слоя TiN, слоя Si₃N₄, первого слоя TiN с формированием подвижного многослойного электрода и вскрытием жертвенного слоя ФСС, жидкостное химическое травление жертвенного слоя ФСС с образованием воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами.

2. Способ по п.1, в котором формирование подвижного электрода производится в виде балки.

3. Способ по п.2, в котором формирование подвижного электрода производится в виде консоли методом дополнительного плазмохимического травления части балки до получения подвижного электрода, закрепленного на одной опоре.