CN102190280B - 微机械结构元件和用于制造微机械结构元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微机械结构元件和用于制造微机械结构元件的方法。该微机械结构元件、尤其是开关包括具有至少一个留空的衬底和致动器，其中，在留空的区域中设有至少两个导电的接触面，这些接触面能借助致动器相互接触以便导电。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机械结构元件、尤其是开关以及一种用于微机械结构元件的相应制造方法。
背景技术
尽管可应用在任意的微机械结构元件上，但是本发明及其所基于的背景技术在硅技术中的微机械结构元件方面解释。
由DE 19919030A1已知用于测定微结构的材料数据的方法和装置。在此，该装置包括衬底并且设有至少一个单侧地与衬底锚固的、与衬底至少区域式地间隔开的并且由要研究的材料组成的弯曲元件。在此，弯曲元件的长度小于2mm。此外，设有一些器件，通过这些器件能使弯曲元件从其原始位置运动。
由DE 198 04 326 A1公知一种传感器，尤其是用于测量介质的粘度和密度。在此，该传感器包括一弯曲舌和一压电振荡器。通过该压电振荡器的激励，弯曲舌可被激励在测量介质中作振荡。在此，弯曲舌的振荡频率和阻尼取决于测量介质的密度或者粘度。
由WO 02/02458、DE 10 2004 036032 A1和DE 10 2004 036035 A1公知一种利用压电电阻的换能器原理的压力传感器和用于制造该压力传感器的方法。该制造方法被总结成“高级多孔硅薄膜”，简称APSM。
此外，由另一参考文件公知一种用于施加微机械结构的制造方法。在此，一薄的光吸收层被施加在衬底的背面上并且通过一透明层保护。通过使短激光脉冲射入到透明层上，光吸收层的材料在激光脉冲的入射面的区域中爆发式地蒸发。由此产生声震波，该声震波穿过衬底。如果衬底被结构化，那么因此可以有目的地破坏衬底中的结构。在蒸发材料的部位上产生留空，该留空设置在衬底和透明层之间。
发明内容
在权利要求1中限定的微机械结构元件以及在权利要求8中限定的用于制造微机械结构元件的方法具有优点，即通过两个接触面的直接接触可实现低欧姆的接触。最终一方面可非常成本有利地制造该微机械结构元件，另一方面它极其小并且可安装在芯片上。由此，该微机械结构元件同样可以简单的方式在承载芯片上地嵌入到集成电路中。
根据一种优选的扩展构型，接触面基本上完全电流地(galvanisch)分离。在此优点在于，微机械结构元件也可以在需要完全电流地分离的应用中、例如在测量设备的电压供电中用于电势分离等。
根据一种优选的扩展构型，这些接触面分别包括至少一个金属层。在此优点在于，当这些接触面通过致动器相互接触时，通过金属导体的直接接触能够实现非常低欧姆的接触。如果金属层尤其是包括金、铂、银、钯、钨、铜和/或铬或类似物，则优点在于，这些金属层一方面可被简单地施加，另一方面具有良好的导电性。
在衬底和金属层之间可设置一氧化层。在此优点是，能够以简单且成本有利的方式借助已知的方法例如PECVD将氧化层施加在衬底上。该氧化层确保金属层与衬底充分地绝缘。
根据另一种优选扩展构型，致动器包括至少两个电极，在它们之间尤其设置一压电层。在此优点是，由此实现微机械结构元件的小的结构形状和短的开关动作时间。该致动器除了包括压电器件外也可以包括静电的、感应的和/或热学的器件。在此优点是，结构元件由此可应用在多个领域中或者可适配于不同的要求。如果例如致动器被有源地驱动，也就是说致动器将两个接触面挤压到一起，则这可通过在致动器上施加相应的电压实现，相反，在结构元件的无源运行中，致动器例如可被热学器件间接地操控，其方式是致动器因为热量而变形并且因此两个接触面彼此相对地挤压或者相互远离。
根据另一种优选的扩展构型，在与衬底尤其是一体地连接的梁和衬底之间设有留空。在此优点是，能够实现微机械结构元件的简单地、成本有利的制造。
根据另一种优选的扩展构型，致动器设置在微机械结构元件的、尤其梁的外侧上。在此优点是，确保了致动器的良好的可接近性，以便将致动器例如与电流源或者电压源连接，另一方面该致动器可特别简单地设置在外侧上。
根据另一种优选扩展构型，致动器设置在留空的区域中，尤其是在梁的区域中。在此优点是，致动器由此以尽可能直接的方式使接触面相互接触。如果致动器尤其设置在梁的区域中，那么除了此外改善两个接触面的操纵外也实现致动器的简单可接近性。
根据方法的优选扩展构型，留空的制造包括以下步骤：制造至少一个空腔、尤其是器件APSM，以及部分地打开制成的空腔以形成留空。在此优点是，由此能够可靠地产生或者制造结构元件的非常小的空腔和非常小的结构。在此，空腔的打开可包括蚀刻步骤。在此优点是，在蚀刻时形成平的侧沿，在这些侧沿上能够更好地施加稍后要沉积的层、尤其是喷镀的层。
为了能够实现金属层与衬底的可靠绝缘，可以在施加金属层之前将氧化层施加在衬底的表面上。为了特别简单且成本有利地将接触层施加到金属层上，该接触层可以借助电镀施加在尤其结构化的金属层上。
根据另一种优选扩展构型，制成两个空腔并且通过尤其激光层裂制造留空和空腔之间的连接结构。在此优点是，通过制造留空和空腔之间的连接结构以简单的方式将接触层尤其电流地分离成至少两个部分。
根据另一种优选扩展构型，在衬底的表面上施加至少一个激光吸收层，其中，尤其与留空的区域间隔地设置该吸收层。在此优点是，由此留空的区域不必暂时地设置附加的层。由此降低用于制造微机械结构元件的耗费和成本。
如果激光层裂被用于至少部分地、间接地破坏衬底的结构，那么在此优点是，结构的破坏被简化，因为该结构通常仅非常难直接接近。同时由此降低损害留空区域的概率。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中被详细地解释。附图示出：
图1，2示意性以横截面示出根据本发明第一实施方式的微机械结构元件；
图3a，b在操控致动器时根据第一实施方式的微机械结构元件；
图4a-e以俯视图示出用于制造根据具有微机械结构元件的第一实施方式的微机械结构元件的步骤；
图5a-f以横截面或者俯视图示出用于制造根据具有微机械结构元件的第二实施方式的微机械结构元件的步骤。
具体实施方式
在图中相同的附图标记表示相同的或者功能相同的元件。
图1和图2示意性地以横截面示出根据本发明第一实施形式的微机械结构元件。
在图1中，附图标记1表示呈开关形式的微机械结构元件。在此，该开关包括衬底2。衬底的一个部分构造为矩形的梁2a，该梁与衬底2一体地连接。在梁2a和衬底2之间设有一空腔8以及一留空7。同样设有一致动器(参见图2)。在此，梁2a的不与衬底2一体地连接的端部以及衬底2本身在其相应的外侧上从内向外地包括用于电绝缘的氧化层9、用于更容易施加金属层10的焊盘层6以及金属层10、10’。设置在梁2a上的、与衬底2a的金属层10相邻并借助留空7与之隔开地设置的金属层10’通过在衬底2和梁2a之间的、借助激光层裂L被破坏的连接元件25在形成缝隙11的情况下被电流地分成两个部分。如果现在向下挤压梁2a的在图1中左边的端部，则金属层10、10’的两个金属接触面10a、10b在留空7的区域中相对彼此挤压以至实现电接触，其中一个接触面设置在衬底2上，另一个接触面设置在梁2a上。如果不再向下挤压梁2a或者梁根据图1向上弯曲或者运动回到静止位置中，则接触面10a、10b不再相互贴靠，也就是说在梁2a和衬底2的金属层10、10’之间不再存在导电连接。为了借助APSM制造空腔8，在空腔8中适当地设置另外的边界层12。
图2在此基本上示意性地以横截面示出在制造缝隙11时并带有致动器20的根据图1的装置的简化视图。
在根据图2的衬底2的底侧上设有吸收层17并且在吸收层上设有透明层18。如果现在激光束L首先射在透明层18上，那么激光束穿过透明层18。如果激光束L接下来射在吸收层17上，那么吸收层17的设置在激光束L的区域中的材料爆发式地蒸发并且产生声震波S，该声震波穿过衬底2。如果该声震波然后碰到在衬底2的留空7和空腔8之间的区域上，更确切地说碰到连接元件25上，那么震波S破坏连接元件25并且产生缝隙11，该缝隙由此将金属层10、10’分成两个部分，这两个部分相互电绝缘并且电流地分离。
图3a、b示出在操纵致动器时根据第一实施形式的微机械结构元件。
在梁2a的外侧上，也就是说在背离留空7的一侧上，根据图3a、3b设有一致动器20，该致动器包括两个电极14a和14b。在电极14a、14b之间设有一压电层15。这两个电极14a、14b设有接线端16，电压U可施加在这些接线端上。如果现在将电压U施加在接线端16之间，那么梁2a与其接触面10a一起通过在图3a中呈压电元件14a、14b、15形式的致动器20被向下挤压直至两个接触面10a、10b至少部分地相互贴靠。以这种方式建立接触面10a、10b之间的导电连接。如果将相应的电压-U施加到致动器20的接线端16上，那么根据图3b梁2a被致动器20向上运动。两个接触面10a、10b又相互远离；因此在衬底2和梁2a的接触面10a、10b之间不再存在导电连接。
图4a-e以微机械结构元件的俯视图示出用于制造根据第一实施形式的微机械结构元件的步骤。
在图4a中首先借助APSM方法在衬底2中制造两个空腔8a、8b，这些空腔通过连接元件25相互分离。接下来根据图4b施加呈第一电极14a、压电层15以及第二电极14b形式的致动器20并且配设接线端16。借助开沟道技术露出在梁2a区域中的一个部分21并且随后在衬底2和梁2a上施加氧化层9。根据图4c在另一步骤中焊盘层和/或呈金属层6形式的带状导线被施加到衬底2以及梁2a上并且配设或者结构化出接线端22。在根据图4d的下一步骤中，借助电镀将接触层10、尤其是金层施加到金属层6上。在此，接触层10仅在施加了金属层6的位置上生长，尤其是也在衬底2或者梁2a的对留空7限界的侧面上生长。根据图4e现在借助开沟道技术使梁2a的还没露出的区域露出，使得现在整个梁2a被露出。在最后的步骤中然后借助激光层裂(参见图1)通过破坏两个空腔8a、8b之间的连接元件25来制造空腔8b和留空7之间的缝隙11。
图5a-f以微机械结构元件的横截面或俯视图示出用于制造根据第二实施形式的微机械结构元件的步骤。
在图5a中示出在衬底2中的借助APSM方法制成的空腔8。随后在空腔8区域中在空腔8的外侧上设置一致动器(没有示出)。在下一步骤中，根据图5b在空腔8的区域中借助蚀刻22去除衬底2的一部分，从而制成一侧与衬底2连接的梁2a并且在梁2a和衬底2之间设有一留空7。在根据图5c的下一步骤中将氧化层9、尤其是例如沉积的TEOS氧化物施加到衬底2的或者梁2a的表面上。在此，尤其是衬底2的和梁2a的、在留空7区域中的相应表面也设有氧化层9。在根据图5d的另一步骤中例如借助喷镀施加金属覆层6。在此，该金属层6仅施加在根据图5d可直接从上方接近的区域中，也就是说金属覆层不在留空7的内部区域中实现，即对留空7限界的侧面7a、7b、7c没有设置金属层6。
金属层6根据图5e用作用于接触层或者金属层10、10’的电镀的起始层并且被结构化，优选借助等离子蚀刻方法结构化。在根据图5e的另一步骤中，在梁2a和衬底2之间的过渡区域中，起始层6被去除或者结构化去掉，例如借助喷漆工艺(Sprühlackprozess)。
在借助电镀在金属层6上电镀地沉积由铬、镍、金或者类似的物质制成的接触层10之后，图5f现在以横截面示出这样制成的微机械开关。在此，该电镀地沉积的接触层10仅在金属层6的金属化区域上生长。在留空7的区域中，尤其在侧面7a、7b、7c中，没有接触层10生长或者沉积。那里没有金属层6沉积，因为那里根据图5d不能从上方接近。接触面10因此被一分为二地分成两个部分10a、10b。这两个部分由此相互电绝缘。通过电镀地沉积的接触层10形成一重叠区域26，两个接触面10a、10b可通过重叠区域26相互接触，以便能够在梁2a朝向衬底2运动时建立可靠的电连接，接触层尤其具有在金属层6上的所有方向上生长的特性。附加地，同样可以在梁2a的区域中设置一具有压电驱动器的致动器20。该致动器然后可直接使梁2a以其接触面10b运动到衬底2的接触面10a上，从而这些接触面10a、10b相互导电地贴靠。
尽管以上根据优选的实施例描述了本发明，但是本发明不局限于此，而是能以多种多样的方式改型，尤其可设置具有致动器的其他触点以及一个或者多个集成电路，例如用于控制。
Claims (17)
1.微机械结构元件(1)，包括一具有至少一个留空(7)的衬底(2)和一致动器(20)，其中，在所述留空(7)的区域中设有至少两个导电的接触面(10a，10b)，所述接触面(10a，10b)能借助所述致动器(20)相互接触以便导电，在所述衬底(2)的表面上施加至少一个激光吸收层(17)，其中，所述吸收层(17)与所述留空(7)的区域间隔开地设置，其中，所述吸收层(17)的设置在激光束的区域中的材料能够爆发式地蒸发并且产生声震波。
2.根据权利要求1所述的微机械结构元件，其中，所述接触面(10a，10b)基本上完全电流地分离。
3.根据权利要求1或2所述的微机械结构元件，其中，所述接触面(10a，10b)分别包括至少一个金属层(10)。
4.根据权利要求1所述的微机械结构元件，其中，所述致动器(20)包括至少两个电极(14a，14b)。
5.根据权利要求1所述的微机械结构元件，其中，所述留空(7)设置在与所述衬底(2)连接的梁(2a)和所述衬底(2)之间。
6.根据权利要求5所述的微机械结构元件，其中，所述致动器(20)设置在所述留空(7)的区域中。
7.根据权利要求5所述的微机械结构元件，其中，所述致动器(20)设置在所述微机械结构元件(1)的外侧上。
8.根据权利要求1所述的微机械结构元件，其中，所述微机械结构元件(1)是开关。
9.根据权利要求3所述的微机械结构元件，其中，所述金属层(10)包括金、铂、银、钯、钨、铜和/或铬。
10.根据权利要求4所述的微机械结构元件，其中，在所述电极之间设有一压电层(15)。
11.根据权利要求5所述的微机械结构元件，其中，所述梁(2a)与所述衬底(2)一体地连接。
12.根据权利要求6所述的微机械结构元件，其中，所述致动器(20)设置在所述梁(2a)的区域中。
13.根据权利要求7所述的微机械结构元件，其中，所述致动器(20)设置在所述梁(2a)的外侧上。
14.用于制造微机械构件(1)的方法，包括以下步骤：
在衬底(2)中制造至少一个留空(7)，
在制成的留空(7)的区域中施加致动器(20)，
在所述留空(7)的区域中至少间接地在所述衬底(2)上施加和结构化一金属层(6)，
其中，在所述衬底(2)的表面上施加至少一个激光吸收层(17)，其中，所述吸收层(17)与所述留空(7)的区域间隔开地设置，其中，所述吸收层(17)的设置在激光束的区域中的材料能够爆发式地蒸发并且产生声震波。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述留空(7)的制造包括以下步骤：借助高级多孔硅薄膜制造至少一个空腔(8)，以及部分地打开制成的空腔(8)以形成所述留空(7)。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，制造两个空腔(8a，8b)并且通过激光层裂(4)制造在所述留空(7)和一个空腔(8b)之间的连接结构(11)。
17.激光层裂的用途，用于至少部分地、间接地破坏衬底(2)的结构，用于制造在衬底中的留空(7)和空腔(8)之间的缝隙(11)。
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