DE102007035633B4

DE102007035633B4 - Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Strukturen sowie mikromechanische Struktur

Info

Publication number: DE102007035633B4
Application number: DE200710035633
Authority: DE
Inventors: Andreas Menz; Dr. Höper Ralf
Original assignee: PROTRON MIKROTECHNIK GmbH
Current assignee: PROTRON MIKROTECHNIK GmbH
Priority date: 2007-07-28
Filing date: 2007-07-28
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2027-07-29
Also published as: DE102007035633A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur, welche Siliziumstrukturen und massive Metallstrukturen (9) umfasst, wobei a) eine Silizium-Funktionsschicht (2) eines Siliziumsubstrats (1) mit einem Plasma-Ätzprozess derart strukturiert wird, um Siliziumstrukturen zu bilden, b) ein weiteres Substrat (5), das partielle Metallisierungen (6) aufweist, mit der die Silizium-Funktionsschicht (2) aufweisenden Seite des Siliziumsubstrats (1), insbesondere über wenigstens eine Zwischenschicht (artiell derart entfernt wird, dass die strukturierten Bereiche der Silizium-Funktionsschicht (2) freiliegen, d) die in die Silizium-Funktionsschicht (2) des Siliziumsubstrats (1) geätzten Siliziumstrukturen teilweise als Negativform verwendet und ausgehend von den partiellen Metallisierungen (6) als Startschicht galvanisch mit einem Metall aufgefüllt werden, um die massiven Metallstrukturen (9), insbesondere in Form von massiven Leiterbahnen (11) und/oder beweglichen Kontaktstücken (15), zu bilden, wobei Metallstrukturen (9), die für die Herstellung beweglicher Kontaktstücke (15) vorgesehen sind, über einen Formschluss mit der Silizium-Funktionsschicht (2) verbunden...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Strukturen nach Anspruch 1 sowie eine mikromechanische Struktur nach Anspruch 9.
Stand der Technik
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.
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.
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.
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.
In US 6 798 315 B2 „Lateral Motion MEMS Switch” wird ein serieller HF-Schalter beschrieben, bei dem die unterbrochene Signalleitung seitlich mittels eines Kontaktstücks kontaktiert und damit geschlossen wird. Die parallel zur Substratebene ausgeführte, laterale Anordnung des Schalters erlaubt den Einsatz eines lateralen, elektrostatischen Parallelplattenantriebs, 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.
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.
Aus DE 10 2006 001 321 B3 ist ein mikromechanischer Hochfrequenzschalter bekannt, dessen Signalleitung und dessen Masseleitungen ebenfalls mittels des DRIE-Verfahrens aus einkristallinem Silizium gefertigt werden. Alle Leitungen sind stirnseitig von einem Kontaktstück kontaktierbar, das von einem elektrostatischen Antrieb angetrieben wird.
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.
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.
Nachteile des Standes der Technik 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.
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.
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.
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 Verkleinerung der Kontaktflächen und damit zu einer Zunahme des Kontaktwiderstandes. Des Weiteren haben rauhe Leiterbahnoberflächen einen erhöhten Widerstand für Hochfrequenzsignale, da die auftretenden Ströme wegen des sog. Skineffekts im Wesentlichen in einer dünnen Schicht an der Leiterbahnoberfläche fließen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, mikromechanische Strukturen, insbesondere mikromechanische Schalter, zu verbessern.
Lösung der Aufgabe
Die Erfindung löst dieses Problem mittels eines Verfahrens zum Herstellen mikromechanischer Strukturen nach Anspruch 1.
Die Erfindung löst dieses Problem ferner mittels einer mikromechanischen Struktur nach Anspruch 9.
Vorteile der Erfindung
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.
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.
Vorteilhafterweise liegen die entsprechenden Silizium- und Metallstrukturen wiederum in einer Ebene.
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.
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.
Gemäß einer besonderen Ausführung besteht die metallische Schicht aus zwei oder mehreren Metallen, die selektiv voneinander entfernt werden können. In einer ganz besonderen Ausführung besteht die metallische Schicht aus Kupfer und/oder Gold.
Gemäß einer besonderen Ausführung besteht das weitere Substrat aus Silizium.
Gemäß einer alternativen besonderen Ausführung besteht das weitere Substrat aus Glas.
Gemäß einer besonderen Ausführung ist das Siliziumsubstrat mit dem weiteren Substrat über eine Zwischenschicht verbunden.
Gemäß einer besonderen Ausführung handelt es sich bei der Zwischenschicht um eine Polymerschicht.
Gemäß einer besonderen Ausführung besteht die Zwischenschicht aus einem Benzocyclobutene basierten Polymer und/oder aus einem photostrukturierbaren Polymer.
Gemäß einer besonderen Ausführung handelt es sich bei der Zwischenschicht um eine Kombination aus mehreren Schichten.
Gemäß einer besonderen Ausführung dienen Teilbereiche der metallischen Schicht nicht als Startschicht für die Galvanisierung der Metallstrukturen, sondern werden als leitfähige Schicht, z. B. zur Ausbildung von Masseleitungen, bereitgestellt.
Gemäß einer besonderen Ausführung wird die metallische Schicht galvanisch verstärkt, ohne Siliziumstrukturen als Negativform zu nutzen.
Gemäß einer besonderen Ausführung weist das weitere Substrat metallische Durchkontaktierungen auf.
Gemäß einer besonderen Ausführung weisen Teile der Silizium-Funktionsschicht unterschiedliche Dotierungen und damit unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten auf.
Gemäß einer besonderen Ausführung ist die mikromechanische Struktur auf dem Substrat gebildet, wobei die metallische Leiterbahn auf der Vorderseite des Substrats angeordnet ist und sich mindestens eine weitere metallische Leiterbahn auf der Rückseite des Substrats oder auf einer Deckelstruktur befindet, die mit dem Substrat eine Mikrostreifenleitung bildet und als Wellenleiter für Hochfrequenzsignale dient.
Gemäß einer besonderen Ausführung befinden sich mehrere Schalter auf dem Substrat.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist die metallische Leiterbahn bzw. die Wellenleiterstruktur eine oder mehrere Verzweigungsknoten auf. Dabei weist ein Verzweigungsknoten einen Eingang und mehrere Ausgänge, einen Ausgang und mehrere Eingänge oder mehrere Eingänge und mehrere Ausgänge auf. Ein auf diese Weise gebildeter Verzweigungsknoten bildet mehrere Zweige. Mehrere oder alle dieser Zweige weisen jeweils einen Schalter auf.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist die mikromechanische Struktur eine Deckelstruktur auf, die das System hermetisch verschließt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser besonderen Ausführungsform bildet die Deckelstruktur einen Raum, der ein Vakuum, eine Stickstofffüllung oder eine Inertgasfüllung aufweist.
Eine erfindungsgemäße mikromechanische Struktur kann mit einem erfindungsgemäßen Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt sein.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der beigefügten Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
1a–1e schematische, nicht maßstabsgerechte Ansichten der Prozessabfolge des Herstellungsverfahrens in Schnittansicht für ein System; wobei im tatsächlichen Prozess die Systeme auf Waferebene in Planartechnologie parallel gefertigt werden;
2a einen mikromechanischen Schalter in Isolationsstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2b den Schalter aus 2a in perspektivischer Darstellung;
2c die Rückseite des Schalters aus 2a in perspektivischer Darstellung;
2d den Schalter aus 2a in Durchlassstellung;
3 einen mikromechanischen Schalter in Kurzschluss-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1a zeigt ein strukturiertes Siliziumsubstrat 1 als Ausgangsmaterial des Herstellungsverfahrens. Das Siliziumsubstrat 1 ist ein so genanntes SOI (Silicon on 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.
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 chemische, 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.
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 geätzt werden. Diese beiden Prozessschritte werden so lange wiederholt, bis die gewünschte Tiefe der Siliziumstrukturen erreicht ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Zweibandleitung 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Tange Leiterbahnen geschaltet werden können. Durch auf diese Weise unterschiedliche Weglängen erreicht man unterschiedliche Phasenverschiebungen eines Hochfrequenzsignals, so dass ein Phasenschieber gebildet werden kann.
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 erfindungsgemäße Herstellungsverfahren nicht nur für die Herstellung mikromechanischer Schalter, sondern auch anderer Bauteile.
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.
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. Somit ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Kombinationen von Einzelmerkmalen als offenbart zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur, welche Siliziumstrukturen und massive Metallstrukturen (9) umfasst, wobei a) eine Silizium-Funktionsschicht (2) eines Siliziumsubstrats (1) mit einem Plasma-Ätzprozess derart strukturiert wird, um Siliziumstrukturen zu bilden, b) ein weiteres Substrat (5), das partielle Metallisierungen (6) aufweist, mit der die Silizium-Funktionsschicht (2) aufweisenden Seite des Siliziumsubstrats (1), insbesondere über wenigstens eine Zwischenschicht (8), verbunden wird, c) das Silizium-Substrat (1) partiell derart entfernt wird, dass die strukturierten Bereiche der Silizium-Funktionsschicht (2) freiliegen, d) die in die Silizium-Funktionsschicht (2) des Siliziumsubstrats (1) geätzten Siliziumstrukturen teilweise als Negativform verwendet und ausgehend von den partiellen Metallisierungen (6) als Startschicht galvanisch mit einem Metall aufgefüllt werden, um die massiven Metallstrukturen (9), insbesondere in Form von massiven Leiterbahnen (11) und/oder beweglichen Kontaktstücken (15), zu bilden, wobei Metallstrukturen (9), die für die Herstellung beweglicher Kontaktstücke (15) vorgesehen sind, über einen Formschluss mit der Silizium-Funktionsschicht (2) verbunden werden, e) mittels eines nachfolgenden Ätzprozesses Teilbereiche der als Negativform verwendeten Silizium-Funktionsschicht (2) entfernt werden, so dass die vor dem Entfernen dieser Teilbereiche an diese Teilbereiche angrenzenden Metallstrukturen (9), insbesondere in der Ebene der Silizium-Funktionsschicht (2), ganz oder teilweise freigelegt werden, und f) zur Herstellung der beweglichen Kontaktstücke (15) aus den dafür vorgesehenen teilweise freigelegten Metallstrukturen (9) diese teilweise freigelegten Metallstrukturen (9) durch selektives Entfernen der partiellen Metallisierungen (6) vom weiteren Substrat (5) gelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaätzprozess ein reaktiver Ionenätzprozess ist, bei dem zunächst das Siliziumsubstrat (1) mit einer Ätzmaskierung partiell bedeckt wird und dann folgende Schritte mehrfach wiederholt werden: a) ein energiereiches Hochfrequenzplasma wird erzeugt und Ionen in einem elektrischen Feld auf das Siliziumsubstrat (1) beschleunigt, so dass eine anisotrop senkrecht zur Hauptebene des Siliziumsubstrats (1) gerichtete Ätzreaktion auf nicht von der Ätzmaskierung bedeckten Bereichen des Siliziumsubstrats (1) stattfindet; b) nach einem Stoppen der Ätzreaktion wird eine Passivierungsschicht auf dem Siliziumsubstrat (1) aufgebracht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur ein elektrostatischer Antrieb und/oder ein mikromechanischer Schalter ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Siliziumsubstrat (1) ein mehrschichtig aufgebautes Siliziumsubstrat mit mindestens einer Siliziumoxid-Zwischenschicht (3) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliziumsubstrat (1) mit dem weiteren Substrat (5) über eine Zwischenschicht (8) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (8) im Prozessverlauf partiell entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Seitenwände der galvanisch aufzufüllenden Siliziumstrukturen teilweise oder ganz elektrisch isolierend ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Silizium-Funktionsschicht (2) oxidiert werden und somit elektrisch isolierend sind.
Mikromechanische Struktur, insbesondere mikromechanischer Schalter, die mindestens einen im Wesentlichen aus Silizium bestehenden elektrostatischen Antrieb (16–20) und mindestens eine metallische Leiterbahn (11) aufweist, die mit mindestens einem Kontaktstück (15) kontaktierbar ist, wobei a) die metallische Leiterbahn (11) mit einem Substrat (5, 14) fest verbunden ist, b) Teilbereiche (16–18) des elektrostatischen Antriebs (16–20) und das Kontaktstück (15) nicht direkt mit dem Substrat (5, 14) verbunden und daher beweglich sind, c) das Kontaktstück (15) und die metallische Leiterbahn (11) massive Metallstrukturen (9) sind, die als galvanisch mit einem Metall (9) aufgefüllte Bereiche in einer Silizium-Funktionsschicht (2) ausgebildet sind, und d) das Kontaktstück (15) über einen Formschluss mit den beweglichen Teilbereichen (16–18) des ebenfalls in dieser Silizium-Funktionsschicht (2) ausgebildeten elektrostatischen Antriebs (16–20) verbunden ist.
Mikromechanische Struktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktstück (15) vom elektrostatischen Antrieb (16–20) über einen Bereich aus Siliziumoxid elektrisch isoliert ist.
Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Leiterbahn (11) von zwei äußeren Masseleitungen (12, 13) umgeben ist und somit eine koplanare Wellenleiterstruktur zur Leitung elektromagnetischer Hochfrequenz-Signale bildet, und wenigstens eine der zwei äußeren Masseleitungen (12, 13) auf ihrer gesamten Länge oder in Teilbereichen eine geringere Höhe als die mittlere metallische Leiterbahn (11) aufweist, sodass eine seitliche Kontaktierung durch das bewegliche Kontaktstück (15) und den elektrostatischen Antrieb (16–20) oberhalb der Masseleitung (12) möglich ist.
Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein serieller mikromechanischer Schalter ist, wobei die metallische Leiterbahn (11) in Teilbereiche unterbrochen und diese Teilbereiche durch das Kontaktstück (15) verbindbar sind.
Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Schalter in Kurzschlussanordnung handelt, bei dem die metallische Leiterbahn (11) als durchgehende metallische Leiterbahn (11) ausgebildet und durch mindestens ein Kontaktstück (15) mit mindestens einer Masseleitung (12 oder 13) verbindbar ist.
Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Leiterbahn (11) und/oder der elektrostatische Antrieb (16–20) durch metallische Durchkontakte (21) elektrisch kontaktiert werden.