射频微机电系统及其制造方法

摘要

一种RF MEMS装置，包括一个或多个配置成响应于致动或激励而移动的自支撑薄膜，该一个或多个薄膜包括铝和镁的合金，可选地包括一种或多种另外的材料。最终的薄膜相对于传统薄膜具有提高的硬度和减小的蠕变。

权利要求

1.一种包括自支撑薄膜(30)的电子装置，该薄膜(30)由铝和至少镁的合金制成，其中Mg含量为0.1至10原子量百分比。

2.如权利要求1所述的电子装置，其中所述自支撑薄膜包括铝、镁和至少另一材料的合金。

3.如权利要求2所述的电子装置，其中所述至少另一材料包括铜、锰、硅、镍、铬和锂中的一种或多种。

4.如权利要求3所述的电子装置，其中所述另一材料包括含量为0.1至8原子量百分比的铜。

5.如权利要求3所述的电子装置，其中镁、铜、和锰的含量之和为2.5至10原子量百分比。

6.如权利要求4所述的电子装置，其中镁、铜、和锰的含量之和为2.5至10原子量百分比。

7.如权利要求3、5或6所述的电子装置，其中从AlvMgwMny、AlvMgwCuxSiz1Niz2、AlvMgwCux、AlvMgwCuxSiz1、AlvMgwCuxZnz3Crz4、AlvMgwCuxLiz5的 组 中 选 择 该 合 金，其 中

80≤v≤99.8，0.1≤w≤8.0，0.1≤x≤8.0，0.1≤y≤4.0，且z 1、z2、z3、z4、z5分别小于20，其中v、w、x、y、z1、z2、z3、z4和z5表示合金中各元素的相对数量。

8.如权利要求3、5或6所述的电子装置，其中该合金为AlvMgwCuxMny，其中

80≤v≤99.7，0.1≤w≤8.0，0.1≤x≤8.0，0.1≤y≤4.0，其中v、w、x和y表示合金中各元素的相对数量。

9.如权利要求7所述的电子装置，其中z1、z2、z3、z4、z5分别小于5。

10.一种包括自支撑薄膜(30)的电子装置的制造方法，该方法包括步骤：在牺牲释放层(16、17)上提供机械层材料(12)；

构造所述机械层(12)以定义薄膜(30)；以及

除去所述释放层(16、17)以形成所述自支撑薄膜(30)，其特征在于所述自支撑薄膜由铝和至少镁的合金制成，其中Mg含量为0.1至10原子量百分比。

11.如权利要求10所述的方法，其中在所述释放层(16、17)上提供所述机械层(12)之前对该释放层构图。

说明书

射频微机电系统及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及包括自支撑金属薄膜的电子装置，所述金属薄膜包括铝合金。本发明特别地涉及这样的装置，其中该自支撑金属薄膜为微机电系统(MEMS)元件的一部分。

背景技术

[0002] 许多MEMS结构采用合金金属而非纯金属以改善特定的装置规格所要求的机械或电学性能。在参考美国宾夕法尼亚州West Conshohocken，American Society for Testing and Materials，C.Muhlstein和S.B.Brown编辑的Mechanical Properties of Structural Films ASTMSTP 1413中Zhang，P、Lee，H.J.和Bravman，J.C.的“Mechanical Testsof Free-Standing Aluminum Microbeams for MEMS Applications”中，具体研究了钛(Ti)合金铝薄膜的机械性能。在该参考文件中研究的自支撑微梁(beam)包括原子百分比为2％的钛，且该自支撑微梁被制成和纯Al微梁参照组的尺寸相同且制造方式与其相似，使得可以直接比较它们机械性能。通过将该合金样品的机械测试结果和纯Al样品的结果进行比较，作者证明使用Ti(明确地)作为MEMS装置的合金材料的优点。

[0003] 这种已知电子装置的缺点为，Al和Ti合金制成的自支撑薄膜证实对蠕变(creep)非常敏感。

发明内容

[0004] 因此本发明的目标是提供在开篇段落中提及类型的电子装置，该装置对蠕变较不敏感。

[0005] 通过使该薄膜包括铝、镁、以及备选的任-另外元素形成的合金而实现该目标。

[0006] 该自支撑薄膜的机械性能对于RF MEMS装置的正常工作是极其重要的。其弹性模量和残余应力决定了所需的致动电压，而其屈服强度和蠕变性能很大程度上决定了最终装置的可靠性。低的屈服强度值或高的蠕变敏感度会导致在加工和工作期间都会出现塑性(即，永久)形变，这将导致装置性能随时间变化，或者甚至导致无法正常致动的高度变形MEMS装置。

[0007] 进行更为仔细的观察，已经证实这些机械性能(以及由此导致的热机械特征)与装置的不同加工及使用阶段是有关的。首先，由于使用过程的广泛致动(负载)，机械性能可能由于弛豫/蠕变效应而改变，即，所结合的应力通过形变而随时间得到释放。

[0008] 更为重要的是加工过程期间的性能，因为自支撑金属薄膜部件会在加工过程中出现广泛的不可逆(塑性)形变。具体地有三个阶段会增大这种形变：在提升或升高的温度下在牺牲层上提供该薄膜，由于各材料之间热膨胀不同会产生应力；第二，除去牺牲层，因为这些层无法再用于释放任何应力；第三，在升高的温度下将装置通过回流炉，导致有可能超过屈服强度的危险。

[0009] 因此，导致本发明的洞察是基于：屈服强度和蠕变阻力必须足够良好，使得材料能够适用于自支撑薄膜。与此并发的因素为要求具有良好的电导率，从而限制电阻和损耗。

[0010] 除此之外，不能预期自支撑薄膜的机械特征和体材料的机械特征相同，甚至不会和衬底上传统薄膜的机械特征相同。在自支撑薄膜中，晶粒尺寸通常非常小，衬底的缺失使得其上表面和下表面同时不受约束。

[0011] 在导致本发明的实验中发现，Al-Mg合金具有高的屈服强度和良好的蠕变阻力，通过提供诸如Cu、Mn、和Si的另外合金元素可以优化其性能。相反，其它熟知的合金并不提供这种优良的结果。对于Al-Cu，硬度随铜浓度增大，但蠕变阻力降低。对于Al-Ti，硬度和蠕变阻力随Ti浓度增大而增大。然而，在低的Ti浓度(例如1至2％)时，蠕变阻力小于纯铝。如果Ti浓度过高，电阻率降低。诸如Al-Zn和Al-Li的合金不能用于净化室，因此根本不适用。

[0012] 在本发明优选实施例中，镁的原子量百分比为0.1至20％。优选地，镁的量为0.5至10％，最优选的范围为1至5％。

[0013] 在另外实施例中，自支撑薄膜的材料包括另外的合金元素。使用这些另外的合金元素，可以进一步优化机械和电学性能。测量表明这种三元合金的电导率优于现有技术的Al-Ti合金。

[0014] 该另外的合金元素可以选自元素周期表的II、III、IV、和V族元素以及过渡金属中的任一元素。诸如氢和锂的非常小的元素同样适用。特别优选的是元素周期表中和镁及钙所处的列的元素。示例包括锑、砷、钡、铍、硼、镉、钙、碳、铈、铬、钴、铜、镓、金、氢、铟、铁、铅、锂、镁、锰、汞、钼、镍、铌、钯、磷、钪、硅、银、硫、钽、锡、钛、钨、钒、锌、锆。

[0015] 使用进一步包括铜或锰的合金已经获得良好的结果，例如AlvCuwMgxMny、AlvMnwMgx、AlvSiwMgxCuyNiz、AlvMgwCux、AlvCuwMgxSiy、AlvZnwMgxCuyCrz、AlvLiwCuxMgy。这里的v、w、x、y、及z表示合金中各元素的相对数量。在适当的实施例中，v范围为80至99.8％，所有w、x、y、及z或其中任意一个或多个的范围为0.1至20％。Mg、Cu和/或Mn的合金元素的总和为3至8％时已经获得良好的结果，且其中各种元素可大幅变化(对于铜来讲0.1至4.4％，对于镁来讲1至5％)。由此认为，使用三元合金或更多元合金也可以在更宽的范围出现非常良好的结果，例如元素Mn和Cu的浓度在0.1至10％之间改变。

[0016] 该自支撑薄膜可以是集成电路中空气间隙互连结构的一部分，也可以是RF MEMS元件的一部分。另外还适用于声学目的的薄膜，适用于流体容器的体积校正、适用于用作传感器或致动器的MEMS元件。这些应用的自支撑薄膜需要满足这些要求：良好的电导率、高的蠕变阻力、良好的强度、以及与牺牲层的可制造性。考虑其第一应用为用于RF MEMS元件。

[0017] 本发明的自支撑薄膜的另外优点为，设计自由度基本得到增加。实际上，包括自支撑梁的元件的设计可以与工艺分离。

[0018] 本发明的自支撑薄膜的另一个优点为，其也适用于衬底上的层。这对于减少装置中的层并由此减少掩模步骤和成本而言是优选的。更为重要地，自支撑薄膜的厚度和电导率通常使其适合用作电感器的互连或定义。特别优选地，将具有本发明自支撑薄膜的MEMS元件包括到无源元件的网络中。MEMS元件通常尺寸要比CMOS晶体管大至少一个数量级。尺寸差异不会有助于以节省成本的方式将它们集中到一个且相同的薄膜沉积装置中。然而，MEMS元件可以很好地与互连、电感器、以及薄膜电容器等集成，由此可以在晶片工厂加工，相对于高级集成电路的工艺而言这种晶片工厂被认为太过陈旧。

[0019] 将自支撑薄膜也用于横向及垂直互连并用于定义电感器，由此可以实现适当地将MBMS元件包含在薄膜网络中。另外的基底金属层则包括MEMS元件的第一电极(该电极面向该自支撑薄膜或者连接到该元件的第二电极)，以及薄膜电容器的第一电极。随后仅局部地除去在自支撑薄膜加工时需要的牺牲层，从而在第一电极和MEMS元件的自支撑薄膜之间创建空气间隙。可以使用相同的一个或多个牺牲层作为该薄膜电容器的电介质，并作为用于横向互连及电感器的衬底。由于Al-Mg合金的热膨胀系数和纯铝的热膨胀系数相当，不需要调整所使用的牺牲层。优选的牺牲层包括能够承受在回流焊接期间所采用的温度的无机材料。无机材料的示例包括钙钛矿、氮化硅、氧化硅、氧化钽等。

[0020] 本发明还涉及包括自支撑薄膜的电子装置的制造方法，该方法包括步骤：

[0021] 在牺牲释放层上提供顶部材料层；

[0022] 构建所述顶层以定义一梁；以及

[0023] 除去所述释放层以形成所述自支撑梁；

[0024] 其特征在于所述顶层包括铝和至少镁的合金。

[0025] 有利地，在该释放层上提供顶层之前对该释放层进行构图。优选地使用例如光刻和/或诸如湿法化学刻蚀的刻蚀法构造该顶层。可以使用湿法或干法化学刻蚀除去该释放层。对于干法刻蚀，可以使用含氟的化学品。如果提供了刻蚀阻拦层，这允许局部地除去该牺牲层从而保护衬底，该衬底优选为半导体衬底，最常用的是高欧姆电阻的硅衬底。

[0026] 该电子装置可以包括RF MEMS元件。对于这种元件，重要的是随后对其进行密封地封装。密封封装该装置的步骤可通过焊料环实现，包括步骤：涂敷焊料，以及随后将装置通过回流炉而回流该焊料。

[0027] 参考这里所描述的实施例，本发明的这些及其它方面将显而易见。

附图说明

[0028] 现在将仅通过示例的方式并参考附图描述本发明的各实施例，其中：

[0029] 图1为阐述了纳米压痕的原理的示意图；

[0030] 图2为负载-位移曲线示意图；

[0031] 图3为阐述了焊接打压试验(bulge test)设备的原理的示意图；

[0032] 图4示意性阐述了激光扫描方法的原理；

[0033] 图5为使用纳米压痕测量的各种溅射铝合金的归一化硬度的图形表示；

[0034] 图6为使用纳米压痕测量的各种溅射铝合金的归一化蠕变量的图形表示；

[0035] 图7为各种1微米薄膜的焊接打压试验结果的图形表示(应力-应变曲线)；

[0036] 图8为2μm薄膜的焊接打压试验结果的图形表示(应力-应变曲线)；

[0037] 图9为使用晶片曲率测试得到的AlCu(1wt％)薄膜(上图)及AlCuMgMn薄膜(下图)的应力弛豫的图形表示。AlCuMgMn薄膜呈现显著更小的应力弛豫。

[0038] 图10示出了本发明装置实施例的示意性截面视图；以及

[0039] 图11示意性示出了本发明的装置在制造过程中的截面视图。

具体实施方式

[0040] 使用不同技术平台和材料的RF MEMS开关和电容器正受到广泛研究和发展。和传统技术相比，使用RF MEMS具有一些显著优点，例如低的插入损耗、低功耗、和良好的隔离。然而，RF MEMS装置成功商业化的一个主要障碍为其热机械可靠性。

[0041] RF MEMS中的热机械可靠性问题会通过各种方式呈现出来。首先，在加工过程中可能会出现自支撑金属薄膜部件的广泛不可逆(塑性)形变。其原因为，由于和结构中存在的其它材料之间热膨胀失配所致的大机械应力和/或沉积应力，超出了金属的屈服强度。这会导致高度形变的装置。换而言之，如果材料的应力低于其屈服强度，该材料将会形变，但这只是可逆的形变。除去力之后，材料将返回到原始尺寸。然而，如果材料的应力大于其屈服强度，则会发生永久或塑性形变，这会改变材料的尺寸。材料的硬度和屈服强度直接关联。

[0042] 第二，由于使用过程期间的广泛致动(负载)，机械性能可能会由于弛豫/蠕变效应而改变，即通过形变而随时间释放所包括的应力。

[0043] 图10示意性示出了本发明装置的截面视图，其中自支撑薄膜为MEMS元件10的一部分。该装置进一步包括薄膜电容器50和垂直互连60。该装置位于衬底14的顶部上，该衬底在这种情形下包括具有热氧化物表面142的硅体141。该图阐述了一有利实施例，其中具有三个电极20、30、220的MEMS元件嵌入到还包括其它元件的无源网络中，而无需应用任何附加金属层或牺牲层。实际上，第一牺牲层16还用作薄膜电容器50的电介质。电极20、220、30通过空气间隙26而相互分离。在和MEMS元件10的第二及第三电极相同的金属层内定义薄膜电容器50的电极51、52。机械层12不仅是第二电极30，该层也是互连。这里，选择性地刻蚀掉第一和第二牺牲层16、17则尤其重要。由此改善了：在机械层12内不是存在一个孔径，而是存在多个孔径；且支持结构具有巨大扩展，即，支持结构主要为壁状而非柱状。

[0044] 图11示出了制造过程中的本发明装置的示意性截面视图。在该工艺示例中，采用CFy等离子体对牺牲层16、17进行干法刻蚀。刻蚀阻拦层18(例如Al2O3)保护衬底14的表面免受氟等离子体刻蚀，这里的衬底包括具有热氧化物表面142的硅体141。MEMS元件在这种情况下还包括基底层13内的第一电极20。此外还有牺牲层16、中间金属层11、第二牺牲层17、和机械层12。

[0045] 只有在提供该第二牺牲层之后才在牺牲层16、17内形成窗口。这一点通过反应离子刻蚀来实现。金属层13、11充当刻蚀阻拦层，使得机械层12在一个平台连接到中间金属层11，而在另一个平台连接到基底层13。

[0046] 在升高温度下(例如400摄氏度)通过溅射或CVD沉积铝合金层而提供机械层12。和薄膜的通常厚度相比，该机械层12相对较厚，通常为1至10微米。该层包括对衬底的任何互连或支持结构(然而，将会理解的是，在这方面上可以想到许多不同配置，因此本发明不应限于此)。接着，使用光刻和例如湿法化学刻蚀的刻蚀法构造顶层12，从而定义梁。

[0047] 在机械层12的顶部上施加掩模22。该掩模22包括到牺牲层17的窗口21。使用了厚度约为5μm的聚酰亚胺。鉴于机械层12的厚度(例如为1μm)，这种厚度的聚酰亚胺是适用的，并提供了针对氟等离子体的足够保护。接着，局部刻蚀牺牲层16、17，从而创建空气间隙26(如图10所示)。掩模22未被除去，并构成了MEMS元件的梁结构的一部分。此外，其可作为装置中其它元件的钝化层。

[0048] 在此之后，密封地封装该MEMS元件以及可能整个装置，因为湿气等趋于对装置的功能产生有害影响。通常是采用焊料环将密封盖置于装置上而实现这种封装，该封装是这样实施的：首先提供焊料，之后使装置在约250至300摄氏度下通过回流炉而回流该焊料。

[0049] 在前述工艺中至少有三个阶段会增大梁的形变。首先，在提升或升高的温度下沉积顶层。这涉及在表面上提供一层，基底材料的热致膨胀或收缩将趋于与该层的膨胀或收缩不同，这将导致在沉积该层之后的冷却阶段期间产生应力。因此，在特定程度上重要的是，用于形成该层的材料应足够硬以防止塑性形变。

[0050] 第二，除去牺牲层：自支撑梁(在该工艺步骤之后)的机械特征将不同于其在表面上时的机械特征，直到除去牺牲层为止在梁内存在的应力在除去牺牲层之后通过蠕变而释放。不受控制的形变会导致相应的电学效应。

[0051] 第三，MEMS装置穿过回流炉：在该工艺步骤中采用升高温度会增大形变直至超过屈服强度。

[0052] 如前面所解释的，自支撑薄膜的机械性能对于RF MEMS装置的正常工作是至关重要的。自支撑薄膜的弹性模量和残余应力决定了所要求的致动电压，而其屈服强度和蠕变性能很大程度上决定了最终装置的可靠性。小的屈服强度值或对蠕变的高敏感性会导致加工和使用过程中的塑性(即，永久)形变，这将导致装置性能随时间而改变，或者甚至导致无法正常致动的高度形变的MEMS装置。测试自支撑薄膜机械性能的技术有许多种。纳米压痕、焊接打压试验、和衬底曲率实验可以用于评估屈服强度、弹性模量、和蠕变性能，而特殊的机械测试结构可用于测量机械应力。

[0053] 然而，尽管似乎铝合金本身就包括具有相似的性能和微结构，但实际情形并非如此。不同Al合金的微结构可能差别甚远，使其(相互之间的)机械性能也差别很大。特别地，存在两种主要的组：固溶体，其中合金元素或多或少均匀地分布和结合到晶体结构中；以及结构，其中在铝晶粒周围或铝晶粒内部存在金属间化合物。这些组的组合也是可能的。

[0054] 这里还值得注意的是，合金必须具有良好的导电性，因此例如不能使用Al-Si合金。

[0055] 根据本发明，自支撑薄膜包括铝和至少镁的合金。已经发现，这相对于在上述参考文件中提出的Al-Ti具有显著的优点，即，性能(诸如和蠕变相关的性能)较不敏感，因为该性能与Ti含量的变化无关。此外，已经发现实际硬度和蠕变阻力得到显著改善。

[0056] 现在将描述和解释对各种自支撑薄膜进行的实验。在这些实验中，确定了各种铝合金薄膜的硬度和蠕变。重要的是要注意，这些实验特别涉及薄膜。铝合金体材料的机械性能在本领域中是公知的。然而，由于薄膜中的不同表面/体积比，此外由于自支撑梁的大的自由表面积(和仅具有界面的叠层相比)，不能假设薄膜的机械性能和体材料的机械性能相同。

[0057] 现在将给出对所提及技术的简要描述。

[0058] 纳米压痕

[0059] 纳米压痕可以评估用于自支撑薄膜的各种材料的屈服强度和(主要)蠕变性能。在附图的图1中阐述了纳米压痕的原理。使用特定的负载将尖锐的金刚石针尖(压头)压到材料内，同时测量针尖的位移。如附图的图2所示，负载-无负载周期产生负载-位移曲线。分析该曲线可得到关于受压材料的弹性模量、硬度、蠕变性能，以及(脆性材料的)断裂性能的信息。如前所述，在本发明的上下文中硬度尤其相关，因为对于金属来讲，其硬度正比于屈服强度。

[0060] 硬度H定义为最大负载P和最大负载时压头与表面之间接触面积A的比例：

[0061]

[0062] 从测量的压痕曲线获得面积A，这在本领域中已知。在蠕变实验中，最大负载保持固定并保持特定时间(保持周期)，其中位移的变化可以给出关于蠕变性能的信息。因此，从压痕实验得到对蠕变的定量测量为Δh，即，在保持周期Δt期间的位移变化。

[0063] 焊接打压试验

[0064] 尽管纳米压痕可用于测量“固定”薄膜(即，粘附到衬底的薄膜)的性能，但焊接打压试验技术允许对自支撑薄膜进行机械表征。图3示出了其原理。所需要的样品包括该薄膜的矩形薄膜(尺寸为16mm×4mm)，该矩形薄膜被安装到焊接打压试验仪中。对该薄膜施加压力，其结果为该薄膜将会形变，即，将会“隆起”。通过测量该薄膜反射的激光束的偏斜，可以确定该薄膜的最大偏斜。从所施加的压力P和测量的偏斜h0，

[0065] 借助下述方程可以计算出应力σ和应变ε：

[0066]

[0067]

[0068] 其中t为薄膜厚度，a为薄膜(最小)宽度。

[0069] 由此可以获得应力-应变关系，这意味着原则上有可能从焊接打压试验测量确定弹性模量和屈服强度。此外，可以确定(初始)残余应力，至少可确定该应力是否为张应力。

[0070] 衬底曲率测量

[0071] 为了研究次级或稳态蠕变性能，可以采用衬底曲率测量。这些测量与压痕-蠕变测量是互补的，后者只覆盖了初始的主要蠕变。因此，测量了薄膜中应力随时间和温度变化的函数。测量薄膜应力的最精确和最简单方法是使用激光扫描方法测量衬底曲率。这是一种派生测量，因为测量得到的反射激光束的位移变化正比于晶片表面切线斜率的变化。

[0072] 激光束以特定角度从弯曲衬底的表面反射，并且在特定位置检测该激光束(图4)。一旦将激光束移动到新的位置，光线以不同角度反射，并在光电检测器上的不同位置检测到该光线。光电检测器检测到的线性移动可以转换成作为衬底上位置函数的角度变化，反过来这可用于发现衬底的曲率。

[0073] 通过测量晶片曲率(斜率＝2/R)变化并使用下述表达式(Stoney方程)，可以计算出薄膜内的应力：

[0074]

[0075] 其中σfilm为薄膜内的应力，Esub和vsub为衬底的弹性模量和泊松比，tsub和tfilm分别为衬底和薄膜的厚度。R0为薄膜沉积之前或薄膜清除之后的初始曲率半径，R为测量的曲率半径。

[0076] 为了获得R0的值，必须测量无该薄膜时的样品。为此目的，使用H2O2/H2SO4溶液在实验之后除去该薄膜，并再次测量作为温度函数的曲率。

[0077] 如果在晶片曲率测试期间，温度保持恒定，则可以观察到应力弛豫。测量曲率半径随时间的变化，应力弛豫的演变机制与此相同，导致蠕变。

[0078] 试样和材料

[0079] 对于纳米压痕、焊接打压试验、和衬底曲率测试，需要制备特殊的样品。对于纳米压痕和衬底曲率测试，这些样品为均匀溅射的金属薄膜，该薄膜沉积在硅晶片上的氧化硅或氮化硅薄膜上。对于该金属，制备了一系列不同的Al合金。在(下面的)表1中给出了综述。对于衬底曲率测量，只使用了AlCu(4wt％)和AlV(0.15wt％)Pd(0.1wt％)及AlCuMgMn。

[0080]合金 Wt％ 厚度[μm]
Al - 5
AlCu 4 5
AlCu 1 5
AlCr 2(at％) 5
AlTi 1(at％) 5
AlVPd 0.15(at％)-0.1(at％) 5
Al - 1
AlV 1(at％) 1
AlTiB 94-5-1 1
AlMnMg 97.8-1.2-1(at％) 1
AlCuMgMn 93.5-4.4-1.5-0.6(at％) 1
AlMgCu 94.9-5-0-1.1(at％) l
AlMgCuSi 97-1-1-1(at％) 1
AlSiMgCuNi 85.2-12-1-0.9-0.9(at％) 1

[0081] 表1：纳米压痕测试试样

[0082] 对于焊接打压试验，按下述方式制备金属薄膜。使用PECVD在硅晶片的两侧沉积0.5μm的Si3N4薄膜。使用反应离子刻蚀，从晶片一侧上除去一矩形区域，该区域的尺寸为氮化物层的最终薄膜的尺寸(4mm×16mm)。在下一个步骤中，使用该氮化物作为硅的KOH刻蚀中的刻蚀掩模：得到一矩形孔洞，在一侧上留下氮化物薄膜。金属薄膜被溅射到该氮化硅薄膜上。因此获得包括两层(即，氮化物层和金属层)的薄膜。最后一个步骤是使用反应离子刻蚀除去氮化物层，从而获得自支撑金属薄膜。

[0083] 制备了包括多种金属、全Al合金、以及各种厚度的许多薄膜。表2给出了综述。

[0084]合金 Wt％ 厚度[μm]
AlCu 4 1.5
Al - 1
AlCu 4 1
AlCr 2(at％) 1
AlCu l 1
Al - 1.5
Al - 0.5
AlCu 1 1
AlCu 1 1.5
AlCu 1 0.5
AlTiB 94-5-1 2
AlMnMg 97.8-1.2-1(at％) 2
AlCuMgMn 93.5-4.4-1.5-0.6(at％) 2
AlMgCu 94.9-5-0.1(at％) 2
AlMgCuSi 97-1-1-1(at％) 2
AlSiMgCuNi 95.2-12-1-0.9-0.9(at％) 2

[0085] 表2：焊接打压试验试样

[0086] 结果

[0087] 纳米压痕

[0088] 纳米压痕实验的结果总结在图5和图6中。图5描述了测量的硬度，使用纯铝的测量硬度对其归一化。在30秒保持阶段的位移如图6所示，使用纯铝的值归一化这些位移。这些结果只代表压痕深度约为薄膜厚度0.2倍时的测量。这保证所有测量受硅衬底存在的影响是相同的，因此可以直接相互比较。明显的是，与纯铝相比，所有合金具有更大的硬度，因此具有更高的屈服强度。AlCuMgMn和AlSiMgCuNi中特别发现了高的数值。

[0089] 图6为使用纳米压痕测量的各种溅射铝合金的归一化蠕变量的图示。为了能够使RF MEMS装置机械稳定，需要同时具有高的屈服强度(即，高硬度)和低的蠕变。图6和7表明，这两种性能可呈现相反的趋势。例如Alcu(1wt％)呈现非常小的蠕变，但同时具有相对小的硬度。另一方面，Alcu(4wt％)具有高的硬度，但蠕变非常大。AlcuMgMn和AlMgCu同时具有高的硬度和小的蠕变。这种趋势相反的原因为蠕变和硬度是由不同的(微结构)机制决定的。

[0090] 焊接打压试验

[0091] 图7总结了焊接打压试验结果。

[0092] 图7示出了直到对于1μm薄膜出现及发现薄膜断裂时的应力-应变曲线。所有样品都具有初始张应力，各种样品的初始张应力不同。显著的是，所有样品呈现很小或无屈服，而是呈现相当地“脆性”性能(即，只有塑性形变直至断裂)。其断裂应变和体合金的典型值(范围为3至30％)相比很低。在体材料中，断裂之前总是出现广泛的塑性形变，这可以解释这种差异。另一方面，和体材料相比，这些薄膜的极限强度(即，断裂时的应力)相对较大。在图7中示出了从曲线中计算得到的杨氏模量。杨氏模量的值约为50GPa，显著低于体Al合金的测量值(70GPa)。对于用作RF MEMS中致动层的薄膜，介于初始应力和极限强度之间的应力范围尽可能的大是有利的。从图7可以看出，AlCu(4wt％)薄膜具有最大的范围。这与所发现的这种合金的大硬度值(见图5)相一致。

[0093] 图8描述了五种2μm薄膜的结果。

[0094] 杨氏模量低于70GPa的体材料值。AlCuMgMn呈现非常突出的性能，即，初始应力和极限强度之间的范围非常大。这个性能和纳米压痕发现的高硬度和低蠕变(图5和6)是一致的，表明这种合金是本发明的一个优选示例实施例。

[0095] 晶片曲率测试

[0096] 图9示出了晶片曲率测试的结果。描述了AlCu(4wt％)和AlCuMgMn在77℃温度下应力随时间的长时间演变。该应力弛豫和蠕变性能直接关联。该图表明，AlCuMgMn合金的长期应力弛豫以及因此的长期蠕变远不如AlCu(4wt％)那么显著。这和图6的纳米压痕结果一致。

[0097] 因此，总之，前述实验说明了下述结论：

[0098] -对于Al-Cu，硬度随铜浓度增大，但蠕变阻力减小。

[0099] -对于Al-Ti，硬度和蠕变阻力随Ti浓度增大。然而，在低Ti浓度(例如1至2％)时，蠕变阻力小于纯铝的蠕变阻力。如果Ti浓度过高，认为电导率降低。

[0100] -Al-Zn和Al-Li不能用于净化室。

[0101] -发现了Al-Mg合金具有高的屈服强度和良好的蠕变阻力，通过提供诸如Cu、Mn、和Si的另外合金元素可以优化其性能。

[0102] 在表3中，阐明了本发明的Al-Mg合金的导电性能和已知Al-Ti合金的比较。

[0103]合金或金属 电阻(μΩ/cm)
Al95Mg5Cu0.1 5.4
Al93.5Cu4.4Mg1.5Mn0.6 6.8
Al97Mg1Cu1Si1 6.2
Al 3.7
Al99Cu1 4.0
Al96Cu44 4.5
Al99Ti1 11
Al94Ti5B1 17

[0104] 表3-Al与选定Al合金的电阻率。

[0105] 从这些结果可以清楚地看出，和Al-Ti合金相比，Al-Mg合金相对于纯Al或AlCu合金的电导率增大相对有限。两倍的电阻率增大似乎落在适用于RF MEMS装置的规格范围内。

[0106] 应该注意，尽管已经参考RF MEMS装置具体地描述了本发明的自支撑薄膜，但将会了解到，这些自支撑薄膜也可适用于其它应用，例如集成电路中的空气间隙互连。

[0107] 应该注意，前述实施例阐述而非限制本发明，本领域技术人员在不偏离由所附权利要求书定义的本发明范围的情况下能够设计许多备选实施例。在权利要求中，圆括号内的任何参考符号不应被认为是限制权利要求。词组“包括”和“包含”等并不排除在任何权利要求或整个说明书中罗列的元件或步骤之外的其它元件或步骤的存在。元件的一次参考并不排除多次参考这种元件，且反之亦然。在列举诸多工具的装置权利要求中，可由一个相同的硬件实施诸多这些工具。在互不相同的从属权利要求中陈述特定措施的这一纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。