DE102004062992A1

DE102004062992A1 - Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element mit bewegbarem Schaltelement und Verfahren zu einer Herstellung

Info

Publication number: DE102004062992A1
Application number: DE200410062992
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Phys. Prechtel; Volker Dr.-Ing. Ziegler
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-23
Also published as: DE102004062992B4

Abstract

Ein schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element umfasst einen Signalleiter (12), der aus einer Metallisierung gebildet ist, und ein Substrat (11), auf dem der Signalleiter (12) angeordnet ist. Ein Schaltelement (13) ist senkrecht zur Substratebene bewegbar, um die Impedanz zu verändern. Dabei sind der Signalleiter (12) und senkrecht zur Substratebene bewegbare Schaltelement (13) in einer einzigen Metallisierungsebene ausgestaltet. Bei der Herstellung des schaltbaren Hochfrequenz-MEMS-Elements wird bevorzugt eine Opferschicht mit möglichst geringer Dicke, beispielsweise im nm-Bereich oder kleiner, auf das Substrat (11) unterhalb des bewegbaren Bereichs des Schaltelements (13) aufgebracht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines schaltbaren Hochfrequenz-MEMS-Elements gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 11.

MEMS-Schalter bzw. Schaltelemente in MEMS-Technologie (MEMS = Micro Electro Mechanical Systems) kommen in den verschiedensten Bereichen zur Anwendung, wie beispielsweise Automobilelektronik, Telekommunikation, Medizintechnik oder Messtechnik. Aufgrund Ihrer Miniaturisierung sind derartige, als mikroelektromechanisches System ausgestaltete Schaltelemente besonders auch für Raumfahrtanwendungen und Satellitensysteme geeignet. Insbesondere auch in Radarsystemen, Satellitenkommunikationssystemen, drahtlosen Kommunikationssystemen und Instrumentensystemen kommen Hochfrequenz-MEMS-Schalter zum Einsatz. Beispielsweise auch in Phasenantennenanlagen und bei Phasenschiebern für satellitenbasierte Radarsysteme, werden Hochfrequenz-MEMS-Schalter benötigt.

Aktive phasengesteuerte Antennen bestehen oftmals aus Tausenden von dicht gepackten Sende-/Empfangsmodulen. Die große Anzahl erforderlicher integrierter Schaltungen für Mikrowellen-Frequenzen (MMIC = Monolithic Microwave IC) führt in vielen Fällen zu hohen Kosten und zu einem hohen Energieverbrauch der Module. Der Energieverbrauch wiederum erfordert komplexe Architekturen zur Kühlung. Aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs, ihrer guten Arbeitsweise und der geringen Kosten sind MMICs, die auf Hochfrequenz-MEMS-Schaltern basieren, ideale Schaltungen für phasengesteuerte Antennen und andere Hochfrequenz- und Mikrowellen-Systeme.

Hochfrequenz-MEMS-Schalter bieten eine Reihe von Vorteilen, wie z.B. einen äußerst geringen Stromverbrauch, eine gute Isolation bzw. geringe Störkapazitäten, eine geringe Einfügungsdämpfung bzw. geringe Einfügungsverluste und geringe Herstellungskosten.

In dem Artikel „RF-MEMS-Switches, Switch Circuits, and Phase Shifters, von Gabriel M. Rebeiz et al. in.Revue HF No. 2/2001 werden MEMS-Schalter beschrieben, die im Hochfrequenzbereich eingesetzt werden, in einem Bereich zwischen 0,1 und 100 GHz. Diese MEMS-Schalter haben als mechanische Federn ausgestaltete freitragende Schaltarme, die durch elektrostatische Krafteinwirkung zum Öffnen oder Schließen eines Schaltkreises betätigt werden. Der freitragende Schaltarm bzw. Cantilever-Balken ist auf einem Substrat befestigt und wird durch eine Elektrode elektrostatisch angezogen, um einen Kontakt zu schließen. Ohne anliegende Spannung geht der Schaltarm durch elastische Rückstellkräfte in seine Ausgangsposition zurück, und der Kontakt wird geöffnet.

Bei MEMS-Schaltern kann der Schaltvorgang auf verschiedene Arten bewirkt werden, die prinzipiell in den 3a–f als Beispiele gezeigt sind. Dabei beeinflusst ein Schaltelement das Fortschreiten einer elektromagnetischen Welle auf einer Signalleitung durch Öffnen oder Schließen eines Übertragungspfades. Dies kann in der Art eines Serienschalters, eines Shunt-Schalters oder eines Serien-Shunt- Schalters erfolgen. Allgemein ist im geöffneten Zustand des Schaltelements ein großer Abstand zum Kontaktbereich notwendig, da die Kapazität in diesem Zustand möglichst gering sein soll, um eine ungestörte Leitung zu erhalten. Für den Schaltvorgang selbst ist jedoch ein geringer Abstand erforderlich, da nur geringe elektrostatische Kräfte wirken.

In dem Artikel von C. Chang und P. Chang, „Innovative Micromachined Microwave Switch with very Low Insertion Loss", Proceedings of the 10th International Conference on Solid-State Sensors Actuators (Transducers 99), June 7–10, 1999, Sendai, Japan, S. 1830–33, ist ein MEMS-Schalter mit einem gebogenen Schaltelement beschrieben, das in Form eines Cantilever-Balkens als freitragendes Element ausgestaltet ist. Das Schaltelement ist oberhalb einer Bodenelektrode mit einem Ende auf einem Substrat befestigt, wobei der übrige Bereich des Schaltelements bogenförmig nach oben gerichtet ist und vom Substrat wegragt. Beim Anlegen einer Schaltspannung legt sich das nach oben gebogene Schaltelement durch elektrostatische Kräfte an die Bodenelektrode an, so dass das freie Ende des Schaltelements mit einer Signalleitung in Kontakt gerät. Ohne die anliegende Schaltspannung wird das Schaltelement durch eine elastische Zugspannung zurück in die nach oben gerichtete Position gebracht, in der es von der Signalleitung weit entfernt ist. Beim Hin- und Herschalten zwischen den beiden Schaltzuständen bewegt sich das Schaltelement wie die Zunge eines Frosches.

Allgemein besteht bei den MEMS-Schaltern das Problem, dass die elastischen Rückstellkräfte in der Regel sehr klein sind, so dass die Gefahr besteht, dass das Schaltelement durch Adhäsion oder gegenseitiges Verhaken an seiner Bewegung gehindert wird. Beispielsweise haften Schaltelemente in vielen Fällen an einer Grundmetallisierung an, die z.B. eine Bodenelektrode bildet. Die übereinander liegenden Metallstrukturen können sich verkanten oder verhaken, so dass das Schaltelement nicht mehr funktionstüchtig ist. Aus diesen Gründen mangelt es vielen Schaltelementen oftmals an einer ausreichenden Zuverlässigkeit, die für Langzeiteinsätze, beispielsweise im Weltraum, notwendig ist.

Um das Problem zu lösen wurde versucht, das Schaltelement stärker auszugestalten, um dadurch stärkere Rückstellkräfte zu erzielen. Jedoch reichen die elektro statischen Kräfte in den meisten Fällen nicht aus, um zuverlässig die Schaltvorgänge zu bewirken, wenn eine Gefahr des Verhakens oder Anhaltens besteht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element zu schaffen, das eine geringere Störanfälligkeit und höhere Langzeitzuverlässigkeit gewährleistet, wobei die Leistungsaufnahme gering ist und insbesondere ein Verhaken von Metallstrukturen verhindert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das schaltbare Hochfrequenz-MEMS-Element gemäß Patentanspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung eines schaltbaren Hochfrequenz-MEMS-Elements gemäß Patentanspruch 11. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Das schaltbare Hochfrequenz-MEMS-Element gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Signalleiter, der aus einer Metallisierung gebildet ist, ein Substrat, auf dem der Signalleiter angeordnet ist, sowie ein Schaltelement, das senkrecht zur Substratebene bewegbar ist, um die Impedanz des Hochfrequenz-MEMS-Elements zu verändern, wobei der Signalleiter und das Schaltelement in einer einzigen Metallisierungsebene ausgestaltet sind.

Dadurch ist keine Grundmetallisierung bzw. unterhalb der Signalleitung verlaufende sogenannte „under path"-Struktur notwendig. Weiterhin ist direkt unter dem schaltbaren Signalleitungselement keine Grund- bzw. „bottom"-Elektrode vorhanden. D.h., es gibt keine übereinander liegenden Metallleitungen, weshalb die Gefahr des Verhakens der Metallstrukturen, beispielsweise an ihren Kanten, beseitigt ist. Das schaltbare Hochfrequenz-MEMS-Element kann insbesondere für Schalter Filter- oder Anpassfunktionen verwendet werden. Bevorzugte Anwendungsgebie-, te sind insbesondere elektrisch ansteuerbare Antennen, Phasenschieber, usw. Bei dem erfindungsgemäßen Element ergeben sich nur extrem geringe Verluste und eine sehr geringe Leistungsaufnahme, weshalb das MEMS-Element insbesondere für Raumfahrt-Anwendungen geeignet ist.

Durch die vorliegende Erfindung wird weiterhin eine besonders kleine Bauweise, eine hohe Stabilität, Hochfrequenztauglichkeit und geringe Störanfälligkeit gewährleistet.

Bevorzugt ist das Schaltelement nur mit einem Teilstück auf dem Substrat befestigt, wobei ein weiteres Teilstück einen biegbaren Bereich aufweist, so dass es senkrecht zur Substratoberfläche bewegbar ist.

Dadurch benötigt das Schaltelement geringe Stellkräfte, wobei die Bauweise stabil ist.

Vorteilhafterweise bilden der Signalleiter und das Schaltelement einen Leitungsresonator mit einem biegbaren Bereich zur Veränderung der Resonanzfrequenz. Das Schaltelement kann beispielsweise als „Stub" am Signalleiter ausgebildet sein, wobei die Resonanzfrequenz durch Bewegen des Schaltelements veränderbar ist.

Vorteilhafterweise ist das Schaltelement am Signalleiter ausgebildet. Alternativ dazu kann das Schaltelement jedoch auch getrennt vom Signalleiter angeordnet sein, wobei beispielsweise eine gegenseitige kapazitive Ankopplung durch Bewegen des Schaltelements veränderbar ist.

Vorteilhafterweise weist der Signalleiter zwei oder mehr Teilstücke auf, die durch mindestens ein Schaltelement kapazitiv miteinander gekoppelt sind.

Es können auch ein oder mehrere biegbare Schaltelemente als Leitungsresonatoren zur Kopplung des Signalleiters an einen weiteren Signalleiter ausgestaltet sein.

Bevorzugt umfasst das schaltbare Hochfrequenz-MEMS-Element eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft, um einen bewegbaren Teilbereich des Schaltelements anzutreiben.

Vorteilhafterweise ist das Schaltelement in einem ersten Schaltzustand vollständig in der Ebene der Signalleitung, während es in einem zweiten Schaltzustand über die Ebene der Signalleitung hinausragt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines schaltbaren Hochfrequenz-MEMS-Elements angegeben, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrates; Aufbringen einer Metallisierung auf das Substrat und Ausbilden eines Signalleiters; Ausbilden eines Schaltelements auf dem Substrat, so dass es senkrecht zur Substratebene bewegbar ist, um die Impedanz des Hochfrequenz-MEMS-Elements zu verändern, wobei der Signalleiter und das Schaltelement in einer einzigen Metallisierungsebene ausgebildet werden.

Vorteile und Verfahren, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen schaltbaren Hochfrequenz-MEMS-Element genannt sind, gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.

Bevorzugt wird ein erster Teilbereich des Schaltelements am Substrat befestigt, während ein zweiter Teilbereich des Schaltelements von der Substratoberfläche weg biegbar gestaltet wird.

Vorteilhafterweise wird unterhalb des zweiten Teilbereichs eine Anti-Haft-Schicht vorgesehen, um ein Anhaften des zweiten Teilbereichs an der Substratoberfläche zu verhindern. Durch diese Maßnahme wird eine noch höhere Zuverlässigkeit gewährleistet, da die Gefahr des Anhaftens des zweiten Teilbereichs an der Substratoberfläche noch weiter reduziert wird.

Vorteilhafterweise wird unterhalb des zweiten Teilbereichs eine Opferschicht mit möglichst geringer Dicke, bevorzugt im nm-Bereich, auf das Substrat aufgebracht.

Vorteilhaft wird auf der Substratoberfläche eine Isolatorschicht aufgebracht, auf der das Leiterelement bzw. der Signalleiter und das Schaltelement ausgebildet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere ein Hochfrequenz-MEMS-Element gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beschrieben, in denen
1 ein schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittansicht zeigt;
2 eine Draufsicht auf das in 1 gezeigte Hochfrequenz-MEMS-Element zeigt;
3a–f verschiedene Schalterkonfigurationen von Hochfrequenz-MEMS-Elementen schematisch darstellen;
4 ein HF-MEMS-Element gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform schematisch in einer Draufsicht zeigt;
5 ein HF-MEMS-Element gemäß einer dritten bevorzugten Ausfuhr ungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht zeigt;
6 ein HF-MEMS-Element gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht zeigt;
7 ein HF-MEMS-Element gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht zeigt;
8a–f verschiedene Konfigurationen von Hochfrequenz-MEMS-Elementen schematisch als Draufsicht zeigen;
9 ein HF-MEMS-Element gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht zeigt;
10 das HF-MEMS-Element gemäß 9 schematisch in einer Schnittansicht zeigt; und
11 ein HF-MEMS-Element gemäß einer siebten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht zeigt.
1 zeigt als besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel ein Hochfrequenz-MEMS-Element 10, das als Schalter ausgebildet und für Hochfrequenz-Anwendungen geeignet ist. Das schaltbare MEMS-Element 10 umfasst ein Substrat 11, das beispielsweise aus Silizium gebildet ist. Auf dem Substrat 11 ist eine Signalleitung 12 ausgebildet, die sich in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene von 1 über das Substrat 11 erstreckt. Weiterhin ist auf dem Substrat 11 ein Schaltelement 13 ausgebildet, das senkrecht zur Substratebene in Richtung des Doppelpfeils B hin und her bewegbar ist.
Der Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 sind aus einer Metallisierung gebildet, die sich in einer einzigen Metallisierungsebene befindet. D.h., dass der Signalleiter 11 und das Schaltelement 12 in einer einzigen Metallisierungsebene ausgestaltet sind, die sich auf dem Substrat 11 befindet. Optional ist zwischen dem Substrat 11 und der darauf befindlichen Metallisierung, die den Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 bildet, eine Isolatorschicht bzw. ein Isolator 15 vorgesehen, der beispielsweise aus SiO₂ gebildet ist. Der optionale Isolator 15 kann beispielsweise dann vorgesehen sein, wenn eine Restleitfähigkeit im Substrat 11 vorhanden ist. Es ist aber auch möglich, die Metallisierung, die den Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 bildet, direkt auf der Oberfläche des Substrats 11 aufzubringen.
Die Metallisierung bzw. die Signalleitung 12 und das Schaltelement 13 bestehen in dem vorliegenden Fall aus einem Dünnfilm mit einer Dicke von 4 μm. Es ist aber auch möglich, den Dünnfilm in einer anderen Dicke vorzusehen, z.B. mit einer Dicke im Bereich von 1–10 μm.
An der Unterseite des Substrats 11, d.h. auf der der Metallisierung 12, 13 gegenüberliegenden Seite des Substrats 11, befindet sich eine Elektrode 14 als Masseelektrode. Die Elektrode 14 dient zur elektrostatischen Anziehung des nach oben, von der Substratoberfläche weg gebogenen Schaltelements 13 hin zur Substratoberfläche. In diesem Fall, d.h. beim Aufliegen des biegbaren oder elastischen Teils des Schaltelements 13 auf der Substratoberfläche bzw. optionalen Isolatorschicht 15, erfolgt eine kapazitive Kopplung zwischen dem Schaltelement 13 und dem Signalleiter 12. Durch die resultierende Kapazität zwischen dem Signalleiter 12 und dem Schaltelement 13 erfolgt ein Shunt bzw. Nebenschluss für eine elekt romagnetische Welle, die auf dem Signalleiter 12 fortschreitet. Das Herunterbiegen des bewegbaren Teils des Schaltelements 13, so dass es direkt auf der Substratoberfläche oder der optionalen Isolatorschicht 15 aufliegt, wird durch eine Aktuatorspannung verursacht, die über die Masseelektrode 14 an die Struktur angelegt wird und dadurch den Shunt schließt.
In der nach oben gebogenen Position des bewegbaren Teils bzw. Schaltarmes des Schaltelements 13 erfolgt eine nur geringe kapazitive Ankopplung zwischen dem Signalleiter 12 und dem Schaltelement 13, so dass in diesem Fall der Einfluss des Schaltelements 13 auf das Fortschreiten der elektromagnetischen Welle auf dem Signalleiter 12 gering ist.
Das Schaltelement 13 hat beispielsweise einen elastischen Biegebereich, so dass beim Fehlen der Aktuatorspannung das Schaltelement 13 in der oberen bzw. gebogenen Position ist und beim Anlegen der Aktuatorspannung das Schaltelement 13 vollständig auf der Oberfläche des Substrats 11 bzw. auf der Oberfläche der optionalen Isolatorschicht 15 aufliegt. D.h., beim Beenden der Aktuatorspannung kehrt das biegbare bzw. bewegbare Schaltelement 13 aufgrund elastischer Rückstellkräfte wieder in seine Ausgangsposition zurück. Es ist aber ebenso möglich, das Schaltelement durch elektrostatische Kräfte in die obere Position zu bringen.
Dadurch, dass auf der Oberfläche des Substrats 11 nur eine Metallisierungsebene vorhanden ist, die den Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 bildet, kann die Metallisierung des bewegbaren Teils des Schaltelements 13 nicht verkanten oder verhaken, da keine Grundmetallisierung oder sogenannte „under path"-Strukturen vorhanden sind. D.h., die Substratoberfläche, auf der sich das Schaltelement 13 bewegt, ist glatt und es erfolgt kein Übereinanderlegen von zwei oder mehr Metallisierungsebenen. Der Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 sind in nur einer einzigen Lithographie-Ebene ausgestaltet.
2 zeigt die in 1 gezeigte Shunt-Konfiguration des HF-MEMS-Schalters 10 schematisch in einer Draufsicht. Dabei stellt die gestrichelte Linie A-A' die Schnittebene für die in 1 gezeigte Schnittansicht dar. Der Signalleiter 12 erstreckt sich in seiner Längsrichtung auf der Oberfläche des Substrats 11. Das biegbare Schaltelement 13 ist senkrecht zur Signalleitung 12 gerichtet und ebenfalls auf der Oberfläche des Substrats 11 ausgestaltet, wobei der Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 in einer einzigen Metallisierungsebene ausgebildet sind.
Die 3a–f zeigen als Beispiele verschiedenartige Schalterkonfigurationen, die mit dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-MEMS-Element möglich sind. 3a und 3b zeigen eine Schaltung in Serie mit der Signalleitung 12, wobei in 3a die Signalleitung unterbrochen und in 3b die Signalleitung 12 geschlossen ist.
3c und 3d zeigen eine Shunt-Schalter-Konfiguration, bei der die Schaltung durch einen elektrischen Nebenschluss erfolgt. Dabei ist in 3c die Signalleitung 12 geschlossen, da der Schalter offen ist und somit kein Nebenschluss vorliegt. In 3d ist die Signalleitung 12 unterbrochen, da der Schalter geschlossen ist und ein Nebenschluss vorliegt.
Die 3e und 3f zeigen eine Kombination von Serien- und Shunt-Konfigurationen, wobei in 3e der Schalter in der Signalleitung 12 geöffnet ist und in 3f der Nebenschluss geschlossen ist.
Das Substrat 11 ist aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium gefertigt, während die Signalleitung 12 und das Schaltelement 13 aus hochleitendem Material gefertigt werden, wie beispielsweise Al, Cu, Au, usw.
In 4 ist ein schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element 20 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht gezeigt. Der biegbare Bereich 13a des Schaltelements 13 ist schraffiert gekennzeichnet. Ebenso wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der biegbare bzw. bewegbare Teil 13a des Schaltelements 13 derart ausgestaltet, dass er sich bei Vorliegen einer Aktuatorspannung an die Substratoberfläche anlegt und beim Fehlen der Aktuatorspannung von der Substratoberfläche weg gebogen ist. Sobald der bewegbare Teil 13a auf der Substratoberfläche aufliegt, erfolgt eine kapazitive Ankopplung an den Signalleiter 12, so dass ein Signal durch das Schaltelement 13 und den Signalleiter 12 fortschreiten kann, wie durch den Pfeil C in 4 dargesellt.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der das Schaltelement 13 als sogenannter Stub an der Signalleitung 12 ausgebildet ist. Der nach oben von der Substratoberfläche weg biegbare Bereich 13a des Schaltelements 13 ist wiederum durch die Schraffur gekennzeichnet und hat eine Länge von ungefähr λ/4, wobei λ die Wellenlänge der auf der Signalleitung 12 fortschreitenden elektromagnetischen Welle ist. Durch das Hoch- und Runterbiegen des Schaltelements 13 mit seinem beweglichen Teil 13a verändert sich die Resonanzfrequenz des MEMS-Elements 30, so dass die Sperrfrequenz je nach Stellung des Stub verschoben wird. Dadurch kann die elektromagnetische Welle auf der Signalleitung 12 in Richtung des Pfeiles C bei einer bestimmten Frequenz ungehindert fortschreiten, wenn sich das Schaltelement in einer bestimmten Position befindet, beispielsweise in der nach oben gebogenen Position, und sie wird am Fortschreiten gehindert, wenn sich das Schaltelement 13 in der anderen Position befindet, beispielsweise wenn das Schaltelement 13 vollständig auf der Substratoberfläche aufliegt, d.h. vollständig in einer Ebene liegt.
6 zeigt ein Hochfrequenz-MEMS-Element 40 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Signalleitern 12, die durch ein Schaltelement 13 verbunden sind. Die beiden Signalleiter 12 sind dabei zueinander versetzt angeordnet, wobei sich das Schaltelement 13 zwischen den beiden Leitungselementen 12 senkrecht zu diesen über den Versatz hin erstreckt. An seinen beiden Enden weist das Leitungselement 13 jeweils einen biegbaren Bereich 13a auf, dessen Länge wiederum im Bereich von ¼ der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle liegt, die auf dem Signalleiter 12 zum Beispiel in Richtung des Pfeils C fortschreitet. Die nach oben, d.h. von der Zeichnungsebene bzw. Substratoberfläche weg biegbaren Bereiche 13a des Signalleiters 12 bilden jeweils einen Stub, der je nach Position die Resonanzfrequenz des Hochfrequenz-Elements 40 verändert und somit die Durchlässigkeit des MEMS-Elements für das elektromagnetische Signal schaltet. Dabei kann beispielsweise die Resonanz- oder Sperrfrequenz in einem Schaltzustand im Bereich von 30 GHz liegen, während sie im anderen Schaltzustand im Bereich von 40 GHz liegt.
7 zeigt ein schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element 50 gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind zwei Signalleitungen 12 in ihrer Längsrichtung voneinander beabstandet angeordnet, wobei sie zusätzlich einen gegenseitigen Versatz in Querrichtung aufweisen. In dem Zwischenraum zwischen den beiden Signalleitern 12 erstrecken sich zwei voneinander getrennte Schaltelemente 13 mit nach oben, von der Substratoberfläche weg biegbaren Bereichen 13a. Die Schaltelemente 13 bilden Leitungsresonatoren, deren Durchlassfrequenz von der jeweiligen Stellung der biegbaren Bereiche 13a abhängig ist. D.h., dass durch die Verbiegung der Teilbereiche 13a der Schaltelemente 13 eine Längenänderung und somit eine Resonanzverschiebung stattfindet, so dass das MEMS-Element einen schaltbaren Filter bzw. Schalter bildet. Eine Verwendungsmöglichkeit ergibt sich aber auch als Anpassstruktur, beispielsweise um breitbandigere Schaltungen zu erzeugen.
Die 8a–8f zeigen weitere mögliche Schalterkonfigurationen.
8a, b und c zeigen koplanare Strukturen, bei denen in einer einzigen Metallisierungsebene die Metallisierungsbereiche für den Signalleiter 12, das Schaltelement 13, 13a und weitere Metallisierungen 19 auf der Substratoberfläche 11 angeordnet sind. 8a zeigt eine Stub-Anordnung mit variabler elektrischer Länge, die als veränderbare Impedanz beispielsweise in Anpass-Schaltungen oder Filtern verwendet wird. Durch die Verwendung kurzer Stubs kann die Phasencharakteristik der fortschreitenden Welle beeinflusst werden, wodurch die Realisierung eines Phasenschiebers möglich ist. In 8b kann durch Hin- und Herschalten des Stubs bzw. des bewegbaren Bereichs 13a des Schaltelements 13 durch Herauf- und Herunterbewegen die charakteristische Impedanz der Signalleitung verändert werden. Die charakteristische Impedanz des koplanaren Wellenleiters hängt dabei von der Schlitzbreite ab, die im Bereich des Schalters veränderbar ist. Beim Hochklappen bzw. Heraufbiegen des bewegbaren Teils 13a des Schaltelements 13 ergibt sich ein Impedanzsprung. Bei der Schalterkonfiguration gemäß 8c kann die Länge der Kopplungsstrukturen durch Hin- und Herschalten der bewegbaren Enden 13a des Schaltelements 13, das als Koppler arbeitet, verändert werden. Dadurch können unterschiedliche Frequenzen übertragen werden. Das Schalten der gesamten Ankopplungsstruktur führt zu einem HF-Schalter mit bestimmten DC-Sperrcharakteristika.
Die Schalterkonfigurationen gemäß den 8d, e und f sind sogenannte Microstrip-Konfigurationen. Auf der Oberseite des Substrats 11 befinden sich Metallisierungsstreifen, welche den Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 mit seinem bewegbaren Bereich 13a bilden. Auf der in den Figuren nicht sichtbaren Rückseite des Substrats 11 befindet sich jeweils eine Masseelektrode. Die Schalterkonfiguration gemäß 8d entspricht in ihrer Funktion und Arbeitsweise weitgehend der in 8a dargestellten Konfiguration. D.h., hier handelt es sich um eine Stub-Konfiguration mit einem Schaltelement 13, dessen bewegbarer Teil 13a senkrecht zur Substratoberfläche verbiegbar ist.
Bei der in 8e gezeigten Konfiguration kann die charakteristische Impedanz der Signalleitung durch Schalten bzw. Bewegen der beiden Stubs, die durch die seitlich des Signalleiters 12 angeordneten Schaltelement 13 gebildet werden, verändert werden. Die charakteristische Impedanz des Microstrip-Signalleiters 12 hängt im wesentlichen von dessen Breite ab, die durch Schalten bzw. Bewegen der beiden Teilbereiche 13a des Schaltelements 13 veränderbar ist.
Die Schalterkonfiguration gemäß 8f ist in ihrer Funktion und Wirkungsweise vergleichbar mit derjenigen von 8c. Im geschlossenen Zustand, d.h. wenn die bewegbaren Bereiche 13a heruntergebogen sind und auf der Oberfläche des Substrats 11 aufliegen, erfolgt eine kapazitive Ankopplung, und eine Frequenz der elektromagnetischen Welle auf der Signalleitung 12 wird durchgelassen. Wenn jedoch die bewegbaren Bereiche 13a in einem hochgebogenen Zustand sind, d.h. von der Substratoberfläche weg zeigen, erfolgt eine Schwächung des Signals auf der Signalleitung 12.
Die 9 und 10 zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Das dort gezeigte Hochfrequenz-MEMS-Element 20 entspricht im wesentlichen dem in 4 gezeigten MEMS-Element, wobei jedoch in dem Substrat 11 unterhalb des bewegbaren Teilbereichs 13a des Schaltelements 13 eine Implantation 17 eingebettet ist. Durch die Ionenimplantation 17 unterhalb der Isolationsschicht 15 erfolgt eine vertikale kapazitive Kopplung vom Signalleiter 12 in den Bereich der Implantation 17 und von dort ebenfalls eine vertikale kapazitive Kopplung zu dem Teilbereich 13a des Schaltelements 13. D.h., dass bei geschlosse nem Schaltelement 13 anstelle einer horizontalen Ankopplung an den Signalleiter 12 eine vertikale Kopplung über die Ionenimplantation 17 erfolgt.
Die Vorteile des Hochfrequenz-MEMS-Elements 60 mit einer Ionenimplantation 17, die sich unterhalb der beiden Enden des Signalleiters 12 und des Schaltelements 13 im Substrat 11 erstreckt, liegen zum einen darin, dass der Bereich der vertikalen kapazitiven Kopplung größer ist als der Bereich der horizontalen Kopplung in den oben beschriebenen Ausführungsformen, so dass Verluste bei geschlossenem Schalter noch weiter reduziert werden. D.h., dass in diesem Zustand, wenn der Schalter geschlossen bzw. der bewegbare Teilbereich 13a auf der Isolationsschicht 15 vollständig aufliegt, die Welle mit minimalen Verlusten fortschreiten kann. Weiterhin ist die Herstellung einer dünnen Isolations-Oxidschicht im nm-Bereich wesentlich einfacher als die Erzeugung kleiner horizontaler Lücken. Hinzu kommt, dass im Vergleich zu einer zweiten Metallisierungsschicht eine einfache Herstellung einer thermischen Oxidschicht zur Realisierung einer Isolationsschicht sehr einfach ist und eine ebene Oberfläche ohne zusätzliche Planarisierung erzielt wird.
11 zeigt als weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ein Hochfrequenz-MEMS-Element 70, das ebenfalls eine Implantation 17 aufweist, die in einen Bereich des Substrats 11 an dessen Oberseite eingebettet ist. Ebenso wie bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich auch hier eine Isolationsschicht 15 in Form einer Oxidschicht zwischen dem Substrat 11 mit der darin eingebetteten Implantation 17 und der darüber liegenden Metallisierung, welche den Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 mit seinem beweglichen Ende 13a bildet. Das als sogenannter Cantilever oder Biegebalken ausgebildete Schaltelement 13 kann als Shunt auf Masse geschaltet werden, wodurch ein paralleler Schalter realisiert wird, bzw. eine Anwendung als Phasenschieber erfolgen kann. Der Signalleiter 12 ist um das bewegbare Ende 13a herum elektrisch leitend ausgebildet, um somit Verluste zu vermeiden, wenn der Schalter geöffnet ist, d.h. wenn der bewegbare Teil 13a des Schaltelements 13 nach oben gebogen ist und von der Oberfläche des Substrats 11 weg zeigt.
Die Fläche des Signalleiters und somit auch die kapazitive Kopplung kann im Bereich der Implantation 17 durch Anpassung der geometrischen Ausgestaltung des Signalleiters 12 erhöht bzw. angepasst werden.
Ebenso wie bei einer direkten Kopplung können beispielsweise interdigitale Fingerstrukturen realisiert werden, um die Verluste zu verringern.
Die hierin beschriebene HF-MEMS-Technologie kann beispielsweise dazu verwendet werden, bestimmte Teile einer Signalleitung anzuheben, um die elektrischen Charakteristika zu verändern, die mit diesem Teil des Signalleiters assoziiert sind. Wenn ein Teil des Übertragungspfades nicht auf der Substratoberfläche aufliegt, sondern nach oben gebogen ist bzw. in die Luft ragt, erfährt er eine reduzierte dielektrische Konstante, welche die dielektrische Länge des Übertragungspfades erhöht. Deshalb können Übertragungswege, die normalerweise in Bezug auf ihre elektrische Läge fest bzw. unveränderlich sind, nun eine veränderbare elektrische Länge erfahren. D.h., ein Teil des Übertragungspfades kann herauf und herunter geschaltet werden, indem eine Aktuatorspannung angelegt wird.
Durch Anwendung der Erfindung in HF-Mikro- und Millimeterwellen-Schaltkreisen und deren Design werden eine Vielzahl neuer Schaltkreis-Topologien ermöglicht, die als re-konfigurierbare Übertragungspfade und Schaltkreise zusammengefasst werden können. Die Erfindung kann beispielsweise sowohl auf koplanare Wellenleiter (CPW = coplanar waveguides) als auch auf sogenannte „microstrip transmission lines" angewendet werden. Einige Beispiele dieser rekonfigurierbaren Übertragungspfade bzw. transmission lines sind hier dargestellt. Diese variablen Schaltungselemente können für rekonfigurierbare anspassbare Schaltungen, Filter, Koppler und Phasenschiebeanwendungen verwendet werden.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-MEMS-Elements wird zunächst ein Substrat 11, beispielsweise aus Silizium, bereitgestellt. Auf dem Substrat 11 wird anschließend eine Metallisierung aufgebracht und der Signalleiter 12 ausgebildet. Nun wird das Schaltelement 13 auf dem Substrat 11 ausgebildet, derart, dass es senkrecht zur Substratebene bzw. zur Oberfläche des Substrats 11 bewegbar ist. Dabei erfolgt die geometrische Anordnung derart, dass die Impedanz des Hochfrequenz-MEMS-Elements durch Bewegen des Schaltelements veränderbar ist. Der Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 werden in einer einzigen Metallisierungsebene ausgebildet.
Bei der Ausbildung des Schaltelements wird ein erster Teilbereich des Schaltelements am Substrat 11 befestigt, während ein zweiter Teilbereich des Schaltelements 13 von der Substratoberfläche weg biegbar gestaltet ist. Um ein mögliches Anhaften des zweiten Teilbereichs an der Substratoberfläche zu verhindern, wird optional auf der Substratoberfläche eine Anti-Haft-Schicht vorgesehen. Die Anti-Haft-Schicht ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Um den zweiten Teilbereich des Schaltelements 13, d.h. den biegbaren Bereich 13a, zu realisieren, wird in diesem Bereich zunächst eine Opferschicht möglichst geringer Dicke, die bevorzugt im nm-Bereich liegt, auf das Substrat 11 aufgebracht. Die Opferschicht ist beispielsweise eine Photolackschicht mit einer Dicke von 1 μm. D.h., die Metallisierung, die das spätere Schaltelement 13 mit dem beweglichen Bereich 13a ausbildet, befindet sich teilweise oberhalb der möglichst dünnen Opferschicht. Durch Eliminierung der Opferschicht im weiteren Verfahren wird der frei bewegbare bzw. biegbare Teil 13a des Schaltelements 13 ausgebil det, während der andere Teil des Schaltelements 13 fest auf dem Substrat 11 befestigt ist.
Optional kann die Substratoberfläche mit einer Isolatorschicht versehen werden, um darauf das Leiterelement 12 und das Schaltelement 13 auszubilden.
Weiterhin kann optional vor dem Aufbringen der Isolatorschicht an der Substratoberfläche eine Implantationsschicht 17 eingebettet werden (s. 9–11).

Claims

Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70), mit einem Signalleiter (12), der aus einer Metallisierung gebildet ist, einem Substrat (11), auf dem der Signalleiter (12) angeordnet ist, und einem Schaltelement (13), das senkrecht zur Substratebene bewegbar ist, um die Impedanz des Hochfrequenz-MEMS-Element zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalleiter (12) und das Schaltelement (13) in einer einzigen Metallisierungsebene ausgestaltet sind.
Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (13) nur mit einem Teilstück auf dem Substrat (11) befestigt ist und ein weiteres Teilstück mit einem biegbaren Bereich aufweist, so dass es senkrecht zur Substratoberfläche bewegbar ist.
Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalleiter (12) und das Schaltelement (13) einen Leitungsresonator mit einem biegbaren Bereich (13a) zur Veränderung der Resonanzfrequenz bilden.
Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (13) als Stub am Signalleiter (12) ausgebildet ist, wobei die Resonanzfrequenz durch Bewegen des Schaltelements (13) veränderbar ist.
Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (13) am Signalleiter (12) ausgebildet ist.
Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (13) getrennt vom Signalleiter (12) angeordnet ist, wobei eine gegenseitige Ankopplung durch Bewegen des Schaltelements (13) veränderbar ist.
Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalleiter (12) zwei oder mehr Teilstücke aufweist, die durch mindestens ein Schaltelement kapazitiv miteinander gekoppelt sind.
Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere biegbare Schaltelemente (13) als Leitungsresonatoren zur Kopplung des Signalleiters (12) an einen weiteren Signalleiter (12) ausgestaltet sind.
Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Elektrodenanordnung (14) zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft, um einen bewegbaren Teilbereich (13a) des Schaltelements anzutreiben.
Schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (13) in einem ersten Schaltzustand vollständig in der Ebene der Signalleitung (12) liegt, während es in einem zweiten Schaltzustand über die Ebene der Signalleitung (12) hinaus ragt.
Verfahren zur Herstellung eines schaltbaren Hochfrequenz-MEMS-Elements, mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrates (11); Aufbringen einer Metallisierung auf das Substrat (11) und Ausbilden eines Signalleiters (12); Ausbilden eines Schaltelements (12) auf dem Substrat (11), so dass es senkrecht zur Substratebene bewegbar ist, um die Impedanz des Hochfrequenz-MEMS-Element zu verändern dadurch gekennzeichnet, dass der Signalleiter (12) und das Schaltelement (13) in einer einzigen Metallisierungsebene ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilbereich des Schaltelements (13) am Substrat (11) befestigt wird, während ein zweiter Teilbereich (13a) des Schaltelements (13) von der Substratoberfläche weg biegbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des zweiten Teilbereichs (13a) eine Anti-Haft-Schicht vorgesehen wird, um ein Anhaften des zweiten Teilbereichs (13a) an der Substratoberfläche zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, unterhalb des zweiten Teilbereichs (13a) eine Opferschicht mit möglichst geringer Dicke, bevorzugt im nm-Bereich, auf das Substrat (11) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Substratoberfläche eine Isolatorschicht (15) aufgebracht wird, auf der der Signalleiter (12) und das Schaltelement (13) ausgebildet wer den.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochfrequenz-MEMS-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ionenimplantation (17) in das Substrat (11) unterhalb des bewegbaren Schaltelements (13) eingebettet wird.