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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer
Strukturen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine mikromechanische
Struktur nach dem Oberbegriff von Anspruch 21.
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Stand der Technik
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Derartige
mikromechanische Strukturen sind bspw. als mikromechanische Hochfrequenz-Schalter (MEMS
(Micro-Electro-Mechanical-System) HF-Schalter) bekannt. Dies sind
mechanische Vorrichtungen zum Schalten von elektromagnetischen Hochfrequenzsignalen.
MEMS HF-Schalter haben im Vergleich zu Feldeffekttransistoren und
PIN-Dioden eine sehr geringe Signal-Einfügedämpfung
in Durchlassstellung und eine sehr gute Isolationswirkung in Sperrstellung.
Darüber hinaus besitzen sie ein nahezu lineares Signalübertragungsverhalten
und eine sehr geringe Leistungsaufnahme, wobei dies insbesondere
für elektrostatisch angetriebene Schalter gilt.
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MEMS
HF-Schalter werden typischerweise zum Schalten von Signalen eingesetzt,
die sich auf mikrotechnisch hergestellten planaren Hochfrequenz-Wellenleitern
(HF-Wellenleitern) in einem Frequenzbereich bis 300 GHz ausbreiten.
Mikrotechnisch hergestellte Wellenleiter gibt es in verschiedenen
Ausführungsformen. Die am häufigsten verwendeten
Formen sind Mikrostreifenleiter und koplanare Wellenleiter. In einem
Mikrostreifenleiter befinden sich zwei Leiterbahnen auf gegenüberliegenden
Seiten eines dielektrischen Substrats, wobei die Leiterbahn auf
einer Substratebene ganzflächig ausgeführt und
geerdet wird. Die nicht geerdete Leiterbahn wird als Signalleitung
bezeichnet und stellt die eigentliche funktionelle Leiterbahn dar.
Ein koplanarer Wellenleiter besteht aus einer zentralen Leiterbahn,
der so genannte Signalleitung, und zwei die Signalleitung umgebenen
geerdeten Leiterbahnen, den so genannten Masseleitungen.
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Es
gibt zwei schaltungstechnische Ausführungsformen von MEMS
HF-Schaltern. In der seriellen Anordnung ist die Signalleitung des
HF-Wellenleiters unterbrochen und kann durch ein Kontaktstück geschlossen
werden. In der Kurzschluss-Anordnung wird die Signalleitung des
HF-Wellenleiters nicht unterbrochen, sondern kann mit den Masseleitungen verbunden
und damit kurzgeschlossen werden. Die typischen Ausführungsformen
werden in Gabriel M. Rebeiz „RF MEMS, Theory, Design,
and Technology", John Wiley & Sons,
Inc., 2003, Kapitel 5, Seiten 121–156 beschrieben.
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Für
die Schaltkontakte in MEMS HF-Schaltern gibt es zwei mögliche
Ausführungsformen: Elektrisch leitfähige, z. B.
metallische Kontakte und kapazitive Kontakte. Typischerweise werden
MEMS HF-Schalter mit elektrisch leitfähigen Kontakten in der
seriellen Anordnung eingesetzt. Durch das Verbinden oder Unterbrechen
der Signalleitung mit einem leitfähigen Kontaktstück,
das oft in Form eines Biegebalkens ausgelegt ist, wird ein elektromagnetisches
Signal weiter geleitet oder reflektiert. Diese Art von HF-Schalter
eignet sich besonders für Frequenzen bis zu einigen GHz.
Typische Beispiele werden in
EP 0 751 546 B1 und
EP 1 426 992 A2 beschrieben. Die
Bewegung des Kontaktstücks erfolgt meistens durch einen
elektrostatischen Antrieb, da diese Antriebsart über eine
vorteilhafte, sehr geringe Leistungsaufnahme verfügt. Für
sehr hohe Frequenzen werden zumeist kapazitive Kontakte in der Kurzschluss-Anordnung
eingesetzt. Das Kontaktstück wird in diesem Fall an eine
durchgängige Signalleitung geführt, wobei eine
dielektrische Isolationsschicht einen elektrischen Kontakt verhindert.
Das Signal koppelt kapazitiv in das Kontaktstück ein und wird
mit einer Masseleitung kurzgeschlossen. Ein Signal kann den Schalter
in diesem Zustand nicht passieren. Typische Beispiele werden in
US 6 803 534 B1 und
DE 100 37 385 A1 beschrieben.
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In
US 6 798 315 B2 „Lateral
Motion MEMS Switch" wird ein serieller HF-Schalter beschrieben, bei
dem die unterbrochene Signalleitung seitlich mittels eines Kontakt stücks
kontaktiert und damit geschlossen wird. Die parallel zur Substratebene
ausgeführte, laterale Anordnung des Schalters erlaubt den
Einsatz eines lateralen, elektrostatischen Parallelpiattenantriebs,
dessen Elektroden kammartig ineinander greifen. Ein derartiger lateraler
elektrostatischer Antrieb ist vorteilhaft, da relativ große
Elektrodenflächen auf einer kleinen Substratfläche
realisiert werden können und der Schalter mit geringen
Antriebsspannungen betrieben werden kann.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von substratparallel ausgeführten
Schaltern aus Silizium ist das so genannte DRIE Verfahren (Deep
Reactive Ion Etching), welches in
DE 42 41 045 C1 beschrieben ist. Mit diesem
Verfahren können Strukturen in Silizium mit einem großen
Aspektverhältnis (Verhältnis von Höhe
zu Breite) hergestellt werden. Dies ist insbesondere für
die Fertigung von Schaltern mit elektrostatischen Antrieben vorteilhaft,
da sich große Elektrodenflächen realisieren lassen.
Ein Beispiel ist in
EP
1 163 692 B1 „Substratparallel arbeitendes Mikrorelais"
beschrieben.
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Wie
in
US 6 798 315 B2 vorgeschlagen,
kann die Leitfähigkeit und damit die Signalübertragung
von substratparallel ausgeführten Schaltern aus Silizium verbessert
werden, indem die Kontaktflächen, die Kontaktstücke
und/oder die Leiterbahnen mit dünnen Metallisierungen beschichtet
werden, die durch Sputtertechniken oder Aufdampfen auf die Siliziumstrukturen
aufgebracht werden. Darüber hinaus können die
dünnen Metallisierungen zur Leitfähigkeitsverbesserung
und zur Verstärkung der verschleißbehafteten Kontaktflächen,
wie z. B. in
EP 1 163
692 B1 vorgeschlagen, galvanisch verstärkt werden.
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Ein
weiterer Ansatz zur Herstellung substratparalleler, mikromechanischer
Schalter mit guten elektrischen Übertragungseigenschaften
ist die galvanische Herstellung der Schalterstruktur. Ein Beispiel
wird in Proceedings of IEEE MEMS Workshop, Amsterdam 1995
auf den Seiten 353–357 „Fabrication of Electrostatic
Nickel Microrelay by Nickel Surface Micromachining" beschrieben.
Bei diesem Verfahren wird zunächst die Negativform eines
Schalters in einem Photolack hergestellt, die anschließend
galvanisch aufgefüllt wird. Durch das beschriebene Verfahren
werden Schalterstrukturen realisiert, die vollständig aus
Metall bestehen.
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Nachteile des Standes der Technik
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Galvanisch
hergestellte mikromechanische Schalter, wie in Proceedings
of IEEE MEMS Workshop, Amsterdam 1995, Seiten 353–357,
beschrieben, haben den Nachteil, dass keine elektrische Trennung
zwischen den Leiterbahnen/Kontakten und dem elektrostatischen Antrieb
des Systems besteht. Ein elektromagnetisches Hochfrequenzsignal
kann in die metallischen Strukturen des Antriebs einkoppeln und
verhindert ein optimales Signalübertragungsverhalten. Des
Weiteren kann die Antriebsspannung des Schalters eine Störung
des HF-Signals verursachen. Ein weiteres Problem galvanisch hergestellter
Schalter ist der Umstand, dass die Seitenwände der metallischen
Strukturen nicht exakt senkrecht verlaufen. Das Seitenwandprofil
besitzt durch die eingesetzten photolithografischen Belichtungsverfahren,
je nach eingesetztem Photolack (Positiv- oder Negativlack), eine
leicht konkave oder konvexe Form, die für die Ausbildung
von Kontaktflächen unvorteilhaft ist.
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Mikromechanische
Schalter aus Silizium haben den Vorteil, dass durch eine geeignete
Wahl der Dotierung und durch elektrisch isolierende Zwischenschichten
leitende und nicht bzw. wenig leitende Bereiche getrennt werden
können. Die Leitfähigkeit des Siliziums erreicht
jedoch nicht die Leitfähigkeit von metallischen Leiterbahnen.
Dies gilt auch für hohe Dotierungen und für polykristallines
Silizium, wie es z. B. in
US
6 798 315 B2 „Lateral Motion MEMS Switch" verwendet
wird.
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Durch
Sputtertechniken oder Aufdampfen können Metallisierungen
auf die Siliziumstrukturen eines MEMS HF-Schalters aufgebracht werden,
die typischerweise 0,1 μm bis 1 μm dick sind.
Durch die Metallisierung werden die Leitfähigkeit und das
Signalübertragungsverhalten der entsprechenden Schalter
erheblich verbessert. Der Nachteil der dünnen Schichten
ist jedoch, dass nur Signale mit geringen Leistungen geschaltet
werden können. Insbesondere sind die Zuverlässigkeit
und die Haltbarkeit der Kontakte durch die dünnen Metallisierungen
begrenzt.
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In
EP 1 163 692 B1 wird
für einen mikromechanischen Schalter die Verstärkung
der dünnen Metallisierungen durch elektrolytische Verfahren
vorgeschlagen. Der Nachteil einer elektrolytischen Metallisierung
ist jedoch eine zunehmende Oberflächenrauheit bei zunehmender
Schichtdicke. Eine zunehmende Oberflächenrauheit führt
bei den relativ geringen Kontaktkräften mikromechanischer
Schalter zu einer Ver kleinerung der Kontaktflächen und
damit zu einer Zunahme des Kontaktwiderstandes. Des Weiteren haben
raue Leiterbahnoberflächen einen erhöhten Widerstand
für Hochfrequenzsignale, da die auftretenden Ströme
wegen des sog. Skineffekts im Wesentlichen in einer dünnen
Schicht an der Leiterbahnoberfläche fließen.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, mikromechanische Strukturen,
insbesondere mikromechanische Schalter, zu verbessern.
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Lösung der Aufgabe
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Die
Erfindung löst dieses Problem mittels eines Verfahrens
zum Herstellen mikromechanischer Strukturen, wobei ein Siliziumsubstrat
mit einem Plasmaätzprozess derart strukturiert wird, um
Siliziumstrukturen zu bilden, wobei die in das Siliziumsubstrat
geätzten Siliziumstrukturen zumindest teilweise als Negativform
verwendet und galvanisch mit einem Metall aufgefüllt werden,
um massive Metallstrukturen, insbesondere in Form von massiven Leiterbahnen
und/oder beweglichen Kontaktstücken, zu bilden, und mittels
eines nachfolgenden Ätzprozesses Teilbereiche des Siliziumsubstrats
entfernt und die galvanisch erzeugten Metallstrukturen ganz oder
teilweise freigelegt werden.
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Die
Erfindung löst dieses Problem ferner mittels einer mikromechanischen
Struktur, insbesondere einem mikromechanischen Schalter, die mindestens einen
im Wesentlichen aus Silizium bestehenden elektrostatischen Antrieb
aufweist, wobei sie mindestens eine galvanisch hergestellte, massive,
als metallische Leiterbahn ausgebildete Metallstruktur aufweist,
die mit mindestens einem Kontaktstück kontaktierbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Durch
das Herstellungsverfahren können mikromechanische Strukturen,
insbesondere elektrostatisch angetriebene, mikromechanische Schalter, aus
einer Materialkombination Silizium/Metall realisiert werden, bei
denen sich die Silizium- und Metallstrukturen in einer Ebene befinden
und bei denen sowohl die Silizium- als auch die Metallstrukturen
mit dem Substrat verbunden oder beweglich sein können.
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Insbesondere
wird der elektrostatische Antrieb eines Schalters aus Silizium und
die Leiterbahnen und das bewegliche Kontaktstück aus Metall
gefertigt. Dies ist von Vorteil, da das einkristalline Silizium
hervorragende mechanische Eigenschaften besitzt und die metallischen
Leiterbahnen und das Kontaktstück sehr gute elektrische
Leitfähigkeiten aufweisen. Die Verbindung des metallischen
Kontaktstücks mit dem elektrostatischen Antrieb aus Silizium erfolgt
bevorzugt über einen Formschluss.
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Vorteilhafterweise
liegen die entsprechenden Silizium- und Metallstrukturen wiederum
in einer Ebene.
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Durch
die Nutzung der mit dem Plasma-Ätzprozess geätzten
Strukturen als Negativform für einen Galvanikprozess können
metallische Strukturen mit senkrechten Seitenwänden hergestellt
werden, die eine sehr geringe Oberflächenrauheit aufweisen. Dies
ist besonders vorteilhaft für die Realisierung von Kontaktflächen
und die Realisierung von Wellenleitern für Hochfrequenzsignale.
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Die
Leiterbahnen einer mikromechanischen Struktur, insbesondere eines
mikromechanischen Schalters, werden mit diesem Herstellungsverfahren vorteilhafterweise
für Hochfrequenzanwendungen z. B. als Mikrostreifenleitung,
als Bandleitung, als koplanare Zweibandleitung oder als koplanare
Wellenleiter gefertigt. Im Falle eines koplanaren Wellenleiters
weisen die äußeren Masseleitungen auf ihrer gesamten
Länge oder in Teilbereichen vorzugsweise eine geringere
Höhe als die mittlere Leiterbahn auf, sodass eine seitliche
Kontaktierung durch ein bewegliches Kontaktstück oberhalb
der Masseleitungen möglich ist. Des Weiteren ermöglicht
das Herstellungsverfahren die Realisierung von mikromechanischen
Schaltern für Gleichstrom oder für Wechselstromanwendungen
bei niedrigen Frequenzen.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
sowie aus den anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung
zeigen:
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1a–1e schematische,
nicht maßstabsgerechte Ansichten der Prozessabfolge des Herstellungsverfahrens
in Schnittansicht für ein System; wo bei im tatsächlichen
Prozess die Systeme auf Waferebene in Planartechnologie parallel
gefertigt werden;
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2a einen
mikromechanischen Schalter in Isolationsstellung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2b den
Schalter aus 2a in perspektivischer Darstellung;
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2c die
Rückseite des Schalters aus 2a in
perspektivischer Darstellung;
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2d den
Schalter aus 2a in Durchlassstellung;
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3 einen
mikromechanischen Schalter in Kurzschluss-Anordnung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1a zeigt
ein strukturiertes Siliziumsubstrat 1 als Ausgangsmaterial
des Herstellungsverfahrens. Das Siliziumsubstrat 1 ist
ein so genanntes SOI (Silicon an Insulator) Substrat, das dreischichtig
aus einer Silizium-Funktionsschicht 2, einer Siliziumoxid-Zwischenschicht 3 und
einer weiteren Silizium-Schicht 4 aufgebaut ist. Die Strukturierung
des Siliziumsubstrats 1 erfolgt mit einem Plasmaätzverfahren,
wobei sich insbesondere ein reaktives Ionenätzverfahren
bzw. das DRIE(Deep Reactive Ion Etching)-Verfahren eignet, um Strukturen
mit senkrechten Seitenwänden in der Silizium-Funktionsschicht 2 zu
erzeugen.
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Das
DRIE-Verfahren ist ein hoch anisotroper Plasma-Ätzprozess,
mit dem Mikrostrukturen mit einem großen Aspektverhältnis
von Strukturtiefe zu Strukturbreite in Silizium hergestellt werden
können. Das DRIE-Verfahren umfasst typischerweise folgende
Schritte:
Zunächst wird ein Siliziumsubstrat mit einer Ätzmaskierung,
z. B. mittels Fotolack oder Siliziumoxid, partiell bedeckt. Diese Ätzmaskierung
definiert die nicht zu ätzenden Bereiche des Substrats.
Das auf diese Weise maskierte Siliziumsubstrat wird dann in einen Plasmareaktor
gegeben, in den ein Gasgemisch aus SF6 und
Argon eingeleitet wird. Sodann werden folgende Prozessschritte so
lange wiederholt, bis die gewünschte Ätztiefe
im Siliziumsubstrat erreicht ist:
Zunächst wird durch
Erzeugen eines energiereichen Hochfrequenzplasmas und Beschleunigen
der Ionen in einem elektrischen Feld auf das Substrat eine chemi sche,
isotrope Ätzreaktion durch SF6-Radikale
und eine physikalische, anisotrope, in Richtung der Substratnormalen
gerichtete Ätzreaktion durch Argon-Ionen auf den nicht
maskierten Bereichen des Substrats ausgelöst.
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Der Ätzprozess
wird nach kurzer Dauer angehalten. In einem zweiten Prozessschritt
wird dann ein Gas, bspw. C4F8,
in den Plasmareaktor eingeleitet, das eine polymere Passivierungsschicht
auf dem gesamten Siliziumsubstrat hinterlässt. Diese Passivierungsschicht
dient dem Schutz der vertikalen Seitenwände vor weiterem
chemischen Materialabtrag durch die SF6-Radikale.
Die Passivierungsschicht der horizontalen Silizium-Flächen
wird durch die physikalische, anisotrope Komponente der Ätzreaktion schnell
entfernt, wodurch diese Silizium-Flächen durch die SF6-Radikale
in Richtung der Substratnormalen in die Tiefe geäzt werden.
Diese beiden Prozessschritte werden so lange wiederholt, bis die
gewünschte Tiefe der Siliziumstrukturen erreicht ist.
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Die
Siliziumoxid-Zwischenschicht 3 wirkt als Ätzstopp
und gewährleistet eine gleichmäßige Tiefe der
geätzten Strukturen in der Silizium-Funktionsschicht 2.
Das Siliziumsubstrat 1 kann ganz oder teilweise dotiert
sein. Des Weiteren kann die strukturierte Silizium-Funktionsschicht 2 ganz
oder teilweise mit leitfähigen oder isolierenden Beschichtungen
versehen sein. Die Silizium-Funktionsschicht 2 kann auch in
einzelnen Bereichen oxidiert sein, um elektrisch isolierende Bereiche
zu erzeugen.
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Des
Weiteren zeigt 1a ein zweites Siliziumsubstrat 5,
das partielle Metallisierungen 6 aufweist. Die Metallisierungen
können durch Sputtertechniken oder Aufdampftechniken hergestellt
und nasschemisch strukturiert worden sein und aus unterschiedlichen
Metallen bestehen, die im späteren Verlauf des Prozesses
selektiv entfernt werden können. Die unterschiedlichen
Metalle sind durch unterschiedliche Schraffierungen angedeutet.
Das Siliziumsubstrat 5 kann mit Durchkontaktierungen 7 versehen
sein, die eine elektrische Kontaktierung der Metallisierungen 6 ermöglichen.
Die Durchkontaktierungen können für einen späteren
elektrischen Anschluss des Systems, z. B. mit Flipchiptechniken,
und für den folgenden Galvanikprozess von Vorteil sein. Zusätzlich
zu dem gezeigten Aufbau kann das Siliziumsubstrat 5 mit
weiteren Beschichtungen versehen sein, die z. B. als Isolationsschicht
dienen. Das Substrat 5 besteht bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
aus Glas.
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1b zeigt
die Verbindung der Substrate 1 und 5 über
eine Zwischenschicht 8. Diese Zwischenschicht 8 ist
bspw. eine als Polymerschicht, insbesondere aus einem Benzocyclobuten
basierten Polymer und/oder aus einem photostrukturierbaren Polymer bestehende
Schicht, ausgebildete Klebeschicht. Sie wird bspw. aufgebracht durch
Aufschleudern bzw. Spincoating. Diese Zwischenschicht 8 ist
partiell entfernbar, insbesondere wegätzbar. Im späteren
Verlauf des Prozesses wird die Zwischenschicht 8 als Opferschicht
verwendet und partiell entfernt. Alternativ zur Zwischenschicht 8 kann
auch eine Kombination aus mehreren Schichten verwendet werden, die als
Adhäsions- und/oder Opferschichten dienen. Die Zwischenschicht 8 bedeckt
in der Zeichnung nur die Bereiche des Siliziumsubstrats 5,
an denen keine Metallisierung vorhanden ist. Sie kann auch ganzflächig
oder partiell ausgeführt und/oder zu einem späteren
Zeitpunkt im Verfahren strukturiert werden.
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1c zeigt
den Schichtaufbau aus 1b, bei dem die Silizium-Schicht 4 entfernt
wurde, die Siliziumoxid-Zwischenschicht 3 partiell entfernt
wurde und die frei liegenden strukturierten Bereiche der Silizium-Funktionsschicht 2 galvanisch
mit einem Metall 9 teilweise oder ganz aufgefüllt
wurden. Im Galvanikprozess dient die Metallisierung 6 als
Startschicht für das Aufwachsen der Metallstrukturen 9.
Eine seitliche elektrische Isolation der aufzufüllenden
Siliziumstrukturen ist von Vorteil, da das Aufwachsen in diesem
Fall nur aus Richtung der Metallisierung 6 erfolgt und
sehr gleichmäßige Metallstrukturen 9 entstehen.
Die Metallisierung 6 kann auch so ausgeführt werden,
dass sie in einigen Bereichen nicht als Startschicht für
die Galvanik dient, sondern später z. B. die äußeren
Masseleitungen einer koplanaren Wellenleiterstruktur ausbildet.
Nach dem Galvanikprozess können weitere hier nicht gezeigte
Prozesse, wie z. B. Planarisierungsprozesse, eingefügt
werden.
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1d zeigt
den Schichtaufbau aus 1c, bei dem die Siliziumoxid-Zwischenschicht 3 entfernt wurde
und eine neue partielle Maskierungsschicht 10 aufgebracht
wurde. Die Silizium-Funktionsschicht 2 wurde an den nicht
maskierten Bereichen durch einen Ätzschritt entfernt. Das Ätzen
der Silizium-Funktionsschicht kann durch das DRIE-Verfahren oder
ein anderes Plasmaätzverfahren erfolgen. Die Siliziumoxid-Zwischenschicht 3 muss
nicht zwingend entfernt werden. Sie kann auch anstelle oder mit
der Maskierungsschicht 10 zusammen partiell entfernt und
als Maskierung für den Ätzschritt genutzt werden.
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1e zeigt
den Schichtaufbau aus 1d, bei dem die Maskierungsschicht 10 entfernt
wurde. Des Weiteren wurde die Zwischenschicht 8 partiell entfernt,
wodurch Bereiche der Silizium-Funktionsschicht 2 unterätzt
wurden und bewegliche Strukturen entstanden sind. An Stellen an
denen die Zwischenschicht 8 nicht entfernt wurde, besteht
weiterhin eine Verbindung des Silizium-Substrats 5 mit
der Silizium-Funktionsschicht 2. Durch selektives Entfernen
der Metallisierung 6 können ebenfalls bewegliche
Bereiche des Metalls 9 hergestellt werden. Zu diesem Zweck
sind diese Bereiche des Metalls 9 über einen Formschluss
mit der Silizium-Funktionsschicht 2 verbunden. Die beweglichen
metallischen Bereiche sind insbesondere für die Herstellung
metallischer Kontaktstücke vorgesehen. Abschließend kann
der in 1e gezeigte Schichtaufbau mit
einer in der Abbildung nicht gezeigten Deckelstruktur versehen werden,
die das System hermetisch verschließt. Der von der Deckelstruktur
gebildete Raum weist vorzugsweise zur Vermeidung von Korrosionen an
den Metallstrukturen ein kontrolliertes Vakuum, eine Stickstofffüllung
oder eine Inertgasfüllung auf.
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2a zeigt
die Skizze eines mikromechanischen Schalters, der mit dem Herstellungsverfahren realisiert
werden kann. Der Schalter besteht aus einem koplanaren Wellenleiter,
der aus den drei metallischen Leiterbahnen 11, 12, 13 besteht.
Die Leiterbahnen 11, 12, 13 befinden
sich auf einem Substrat 14, das eine typische Größe
von wenigen Quadratmillimetern hat. Die mittlere Leiterbahn 11 ist
unterbrochen und kann durch ein bewegliches metallisches Kontaktstück 15 geschlossen
werden. Die gezeigte Ausführung der Leiterbahnen eignet
sich für die Schaltung von Hochfrequenzsignalen. In einer Ausführungsform
für Gleichstrom oder Niederfrequenz-Wechselströme
kann auf die äußeren Leitungsbahnen 12 und 13 verzichtet
werden. Für Hochfrequenzsignale gilt dies ebenfalls, wenn
unter dem Substrat 14 oder in einer anderen zur Leiterbahn 11 beabstandeten,
insbesondere zur Leiterbahn 11 parallelen, Ebene eine Metallisierung
aufgebracht wird, die als zweite Leiterbahn in einer so genannten
Mikrostreifenleiter-Anordnung wirkt. Des Weiteren sind Ausführungsformen
als so genannte Bandleitung oder koplanare Zweibandlei tung mit zwei
metallischen Leiterbahnen möglich. Das metallische Kontaktstück 15 kann
in diversen Ausführungsformen erstellt werden. Es muss
lediglich eine elektrische Verbindung der beiden unterbrochenen
Teile der Leiterbahn 11 gewährleisten. Alternativ
kann das Kontaktstück 15 auch aus Silizium hergestellt
werden, wobei eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit über
eine Dotierung oder durch eine dünne metallische Beschichtung
gewährleistet sein muss.
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Das
bewegliche metallische Kontaktstück 15 ist in 2a über
einen Formschluss mit einem elektrostatischen Antrieb verbunden,
der im Wesentlichen aus Silizium besteht. Der elektrostatische Antrieb
besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem
Verbindungsstück 16 an dem sich Elektroden 17 befinden,
die vorteilhaft in kammartiger Anordnung angebracht sind. Das Verbindungsstück 16 und
die Elektroden 17 sind über eine elastische Aufhängung 18 in
den Bereichen 19 mit dem Substrat 14 verbunden.
Die Bereiche 19 können von der Unterseite mit
metallischen Durchkontakten 21 versehen sein. Die Gegenelektroden 20 des
elektrostatischen Antriebs sind fest mit dem Substrat verbunden
und können ebenfalls mit Durchkontakten 21 oder über das
Substrat mit einer elektrischen Spannung angesteuert werden. Der
elektrostatische Antrieb ist in der Skizze nicht maßstabsgerecht
gezeichnet. Typische Ausführungsformen elektrostatischer
Antriebe haben eine Vielzahl von länglichen Elektroden
und Gegenelektroden, die einen Abstand von wenigen Mikrometern aufweisen,
um eine möglichst große Kontaktkraft des Schalters
zu gewährleisten. Des Weiteren gibt es diverse andere Ausführungsformen
der elastischen Aufhängung.
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Der
elektrostatische Antrieb mit seinen Teilbereichen 16, 17, 18, 19, 20 ist
in der Silizium-Funktionsschicht 2 der 1a–1e ausgebildet.
Die Teilbereiche 16, 17, 18 sind nicht
direkt mit dem Substrat 14 verbunden und daher beweglich.
Die Leiterbahn 11 und das Kontaktstück 15 sind
in der galvanisch hergestellten Metallschicht 9 der 1c–1e ausgebildet,
wobei das Kontaktstück 15 nicht mit dem Substrat 14 verbunden
und daher beweglich ist. Die metallischen Leiterbahnen 12 und 13 sind
in der Metallisierungsschicht 6 der 1a–1e ausgebildet.
Das Substrat 14 ist in dem Siliziumsubstrat 5 der 1a–1e ausgebildet.
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Die 2b und 2c zeigen
den mikromechanischen Schalter aus 2a in
perspektivischer Ansicht von der Vorderseite (2b)
und von der Rückseite (2c). In 2c sind
die Zuleitungen 23, 24 des koplanaren Wellenleiters
und die Anschlüsse 22 des elektrostatischen Antriebs
gezeigt. Die Verbindung zwischen der Vorder- und Rückseite des
Schalters werden mit den elektrischen Durchkontakten 7 der 1a bis 1d realisiert.
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2d zeigt
den mikromechanischen Schalter aus 2a in
Durchlassstellung. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an
den elektrostatischen Antrieb erfolgt eine Auslenkung des Verbindungsstücks 16 und
das Kontaktstück 15 verbindet die unterbrochenen
Teile der Leiterbahn 11. Ein Strom oder ein Hochfrequenzsignal
können den Schalter in diesem Zustand passieren.
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3 zeigt
einen mit dem Verfahren hergestellten mikromechanischen Schalter
in Kurzschluss-Anordnung, bei dem die Signalleitung 11 nicht
unterbrochen ist. Das Kontaktstück 15 besteht in
diesem Fall aus dotiertem, leitfähigem Silizium und ist
mit einer nicht gezeichneten dielektrischen Beschichtung versehen.
Bei geschlossenem Schalter verursacht das Kontaktstück
eine kapazitive Verbindung der Signalleitung 11 mit der
Masseleitung 12 über metallische Anschläge 25.
Zusätzlich zum Kontaktstück 15 kann ein
zweites symmetrisch zur Signalleitung 11 angeordnetes Kontaktstück
durch einen zweiten elektrostatischen Antrieb die Signalleitung 11 mit
der Masseleitung 13 verbinden, um die Isolation des Schalters
zu verbessern. Das Kontaktstück 15 kann auch aus
einem Metall bestehen und über einen Formschluss mit dem
elektrostatischen Antrieb verbunden sein.
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In
einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist eine
mikromechanische Struktur mehrere sich auf dem Siliziumsubstrat
befindende Schalter auf. Dabei weist eine Leiterbahn bzw. eine Wellenleiterstruktur
eine oder mehrere Verzweigungen auf, wobei wenigstens ein Verzweigungsknoten
einen Eingang und mehrere Ausgänge bzw. einen Ausgang und
mehrere Eingänge oder mehrere Eingänge und mehrere
Ausgänge aufweist. Ein solcher Verzweigungsknoten bildet
somit Zweige. Mehrere oder alle dieser Zweige weisen jeweils einen
Schalter auf. Eine auf diese Weise gebildete Mehrfachschalteranordnung
bildet bspw. einen Kondensator mit variabler Kapazität,
indem mehrere Teilkapazitäten zu- bzw. abschaltbar sind.
In einem anderen Ausführungsbeispiel bildet eine Mehrfachschalteranordnung
einen Phasenschieber mit variabler Phasenverschiebung, indem in
eine Leiterbahn weitere Leiterbahnabschnitte unterschiedlicher Weglängen
geschaltet werden. Bspw. verzweigt sich eine Leiterbahn in einem
ersten Knoten in mehrere Zweige, die nach unterschiedlichen Weglängen
in einem zweiten Verzweigungsknoten wieder zusammengeführt
werden. Jeweils am Anfang und am Ende der zwischen den Verzweigungsknoten
liegenden Zweige befindet sich jeweils ein Schalter, mit dem unterschiedlich
lange Leiterbahnen geschaltet werden können. Durch auf
diese Weise unterschiedliche Weglängen erreicht man unterschiedliche
Phasenverschiebungen eines Hochfrequenzsignals, so dass ein Phasenschieber
gebildet werden kann.
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Darüber
hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
auch für Kondensatoren mit kontinuierlich verstellbarer
variabler Kapazität, indem der Abstand zweier metallischer
Kontaktstücke mittels eines Antriebs der oben beschriebenen
Art herstellbar ist. Der Abstand der Kontaktstücke zueinander
bestimmt dabei die Kapazität des Kondensators. Mittels
einer an den elektrostatischen Antrieb angelegten Spannung kann
gegen die Kraft einer Feder ein bestimmter Abstand der Kontaktstücke
zueinander eingestellt und gehalten werden. Somit eignet sich das
erfindungsgemäß Herstellungsverfahren nicht nur
für die Herstellung mikromechanischer Schalter, sondern
auch anderer Bauteile.
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Die
Erfindung ermöglicht somit insgesamt die Herstellung von
mikromechanischen Strukturen, insbesondere mikromechanischen Schaltern,
die aus einer Kombination von Silizium und Metall bestehen, wobei
neben Siliziumstrukturen massive Metallstrukturen – und
nicht bloß aufgedampfte dünne Metallschichten – gebildet
werden. Auf diese Weise können in Bezug auf die mikromechanische
Struktur große und hoch präzise ausgebildete metallische
Kontaktstücke mit großen metallischen Kontaktoberflächen gebildet
werden. Dies ermöglicht eine wesentliche Reduzierung von
Kontaktwiderständen und damit eine signifikante Verbesserung
insbesondere von mikromechanischen Schaltern.
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Alle
in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen
genannten Merkmale sind auch einzeln oder in Kombination mit dem
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren bzw. der
erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur kombinierbar.
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Somit
ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten
Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Kombinationen
von Einzelmerkmalen als offenbart zu betrachten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0751546
B1 [0005]
- - EP 1426992 A2 [0005]
- - US 6803534 B1 [0005]
- - DE 10037385 A1 [0005]
- - US 6798315 B2 [0006, 0008, 0011]
- - DE 4241045 C1 [0007]
- - EP 1163692 B1 [0007, 0008, 0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Gabriel M.
Rebeiz „RF MEMS, Theory, Design, and Technology", John
Wiley & Sons,
Inc., 2003, Kapitel 5, Seiten 121–156 [0004]
- - Proceedings of IEEE MEMS Workshop, Amsterdam 1995 auf den
Seiten 353–357 „Fabrication of Electrostatic Nickel
Microrelay by Nickel Surface Micromachining" [0009]
- - Proceedings of IEEE MEMS Workshop, Amsterdam 1995, Seiten
353–357 [0010]