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Die Erfindung betrifft einen MEMS-Schalter sowie ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Schalters.
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MEMS-Schalter (MEMS = engl.: „Microelectromechanical Systems“ = mikroelektromechanische Systeme) umfassen typischerweise elektrostatisch aktuierte Biegeelemente im Mikrometerbereich. Häufig wird eine Mehrzahl solcher MEMS-Schalter zu einem Array angeordnet, insbesondere zur Schaltung hinreichend großer Ströme.
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Allerdings variieren die Schaltzeiten solcher Schalter in einer Anordnung. Für typische Anwendungsfälle ist eine solche Variation der Schaltzeiten jedoch unerwünscht.
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Vor diesem Hintergrund des Standes der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen MEMS-Schalter zu schaffen, welcher sich präzise, insbesondere verlässlich hinsichtlich seiner Schaltzeiten, ausbilden lässt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Schalters anzugeben, mittels welchem sich MEMS-Schalter präzise und insbesondere hinsichtlich der Schaltzeiten genau fertigen lassen. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung von MEMS-Schaltern zu schaffen, bei welcher die Variation von Schaltzeiten verschiedener MEMS-Schalter verringert ist.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem MEMS-Schalter mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Anordnung umfassend zwei oder mehr MEMS-Schalter mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Der erfindungsgemäße MEMS-Schalter weist ein auslenkbar angeordnetes Biegeelement auf. Der erfindungsgemäße MEMS-Schalter weist ein Silicon-On-Insulator-Substrat auf. Bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter sind die Biegeelemente infolge des Silicon-On-Insulator-Substrats hochpräzise, insbesondere hinsichtlich ihrer Dicken, herstellbar. Im Gegensatz dazu ist eine präzise Ausbildung von galvanischen Schichten und damit eine hinreichend präzise Realisierung einer vorgegebenen Schaltzeit bei bislang bekannten MEMS-Schaltern schwierig. Erfindungsgemäß jedoch weisen Silicon-On-Insulator-Substrate bereits sehr homogene Silizium-Schichten auf, sodass mit Silicon-On-Insulator-Substraten hochpräzise MEMS-Schalter mit präzise definierter Schaltzeit herstellbar sind. Zudem ist bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter das Biegeelement mit monokristallinem Silizium realisierbar, welches einen präzise kontrollierbaren Elastizitätsmodul aufweist, sodass auch in dieser Hinsicht unbeabsichtigte Abweichungen und dadurch bedingt eine Inhomogenität der Schaltzeiten vermeidbar sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter bildet das Silicon-On-Insulator-Substrat zweckmäßig eine Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge oder weist eine Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge auf. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist das Biegeelement des erfindungsgemäßen MEMS-Schalters vorteilhaft mittels eines der Silizium-Schichten der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge ausbildbar. Vorzugsweise werden weitere Schichten der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge zumindest bereichsweise mittels Ätzens entfernt, sodass ein zumindest abschnittsweise freistehendes Biegeelement realisierbar ist.
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Bei dem MEMS-Schalter gemäß der Erfindung weist bevorzugt das Biegeelement das Silicon-On-Insulator-Substrat auf und/oder das Silicon-On-Insulator-Substrat weist das Biegeelement auf.
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Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter das Biegeelement an einer Isolatorschicht des Silicon-On-Insulator-Substrats angeordnet. Besonders bevorzugt weist bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter das Silicon-On-Insulator-Substrat eine Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge auf, wobei mittels bereichsweisen Ätzens mindestens einer Silizium-Schicht der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge das Biegeelement des MEMS-Schalters gebildet ist und wobei ein Teil der Isolator-Schicht der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge eine Anbindung bildet, mittels welcher das Biegeelement an eine weitere Silizium-Schicht der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge angeordnet ist. Zweckmäßig fungiert diese weitere Silizium-Schicht der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge als Fuß für das Biegeelement, d.h. einen auch im Betrieb des MEMS-Schalters in sich starren und fixpunktartigen Bereich des MEMS-Schalters, an welchen das Biegeelement beweglich angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines MEMS-Schalters, insbesondere eines erfindungsgemäßen MEMS-Schalters mit einem Biegeelement wie oben beschrieben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Silicon-On-Insulator-Substrat herangezogen, vorzugsweise ein solches Silicon-On-Insulator-Substrat, welches eine Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge bildet oder aufweist.
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Zweckmäßig wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung zur Ausbildung des Biegeelements eine mit Silizium gebildete Schicht zumindest teilweise entfernt. Vorzugsweise wird dazu ein Silicon-On-Insulator-Substrat mit einer Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge herangezogen, wobei zur Ausbildung des Biegeelements eine Silizium-Schicht und eine Isolator-Schicht der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge entfernt werden.
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Geeigneterweise wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung eine Schicht entfernt, indem Lithographie und nachfolgendes Ätzen eingesetzt wird. Bei den genannten Verfahren handelt es sich vorteilhaft um routinemäßig zur Herstellung von MEMS-Schaltern herangezogene Fertigungsschritte.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kontaktierung des Biegeelements zumindest in Bereichen eine Isolatorschicht des Silicon-On-Insulator-Substrats entfernt wird und es werden diese Bereiche metallisiert oder eine Isolatorschicht des Silicon-On-Insulator-Substrats, zumindest bereichsweise, metallisiert.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird geeigneterweise zur Kontaktierung des Biegeelements eine Siliziumschicht des Silicon-On-Insulator-Substrats zumindest teilweise dotiert.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gegenkontakt zum Biegeelement, insbesondere zu einer Kontaktierung des Biegelements, des MEMS-Schalters hergestellt, indem ein mit Glas gebildetes Substrat herangezogen wird. Vorzugsweise wird zur Ausbildung von Ausnehmungen im Substrat zumindest bereichsweise Glas entfernt und das Substrat nachfolgend metallisiert. Vorteilhaft werden Fertigungstechniken zur Entfernung von Glas routinemäßig mit hoher Präzision eingesetzt. Mittels dieses Verfahrensschritts lässt sich eine präzise Dimensionierung der Ausnehmung erreichen und somit ein definierter Abstand zwischen Biegeelement und Gegenkontakt gewährleisten. In dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein MEMS-Schalter mit einer definierten und homogenen Schaltzeit herstellbar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise zwei oder mehr MEMS-Schalter hergestellt, wobei die MEMS-Schalter mit demselben Silicon-On-Insulator-Substrat hergestellt werden. Aufgrund der mittels des Silicon-On-Insulator-Substrats möglichen Herstellung von MEMS-Schaltern mit Biegeelementen mit definierten Dicken lassen sich erfindungsgemäß zwei oder mehr MEMS-Schalter mit äußerst gering voneinander abweichenden Schaltzeiten herstellen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst zwei oder mehr MEMS-Schalter, wobei bei der Anordnung die MEMS-Schalter erfindungsgemäße MEMS-Schalter wie oben beschrieben sind und/oder MEMS-Schalter sind, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben erläutert hergestellt sind. Damit kann die erfindungsgemäße Anordnung mit besonders gering voneinander abweichenden Schaltzeiten der MEMS-Schalter voneinander realisiert werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind bei der Anordnung die MEMS-Schalter mit demselben Silicon-On-Insulator-Substrat gebildet. Insbesondere bei der Herstellung mit demselben Silicon-On-Insulator-Substrat lassen sich die Biegeelemente der zwei oder mehreren MEMS-Schalter aus derselben Schicht ausbilden, sodass die Dicke und damit die Schaltzeit der zwei oder mehreren MEMS-Schalter besonders geringe Abweichungen voneinander aufweisen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 bis 7 einen Teil eines Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung erfindungsgemäßer MEMS-Schalter, in welchem Biegebalken der MEMS-Schalter einer erfindungsgemäßen Anordnung hergestellt werden, in aufeinanderfolgenden Prozessstadien schematisch im Längsschnitt,
- 8 bis 12 einen weiteren Teil des Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gem. 1 bis 7, in welchem Gegenkontakte des Biegebalkens der MEMS-Schalter hergestellt werden, in aufeinanderfolgenden Prozessstadien schematisch im Längsschnitt sowie
- 13 und 14 zwei Ausführungsbeispiele von mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gem. 1 bis 12 hergestellter erfindungsgemäßer MEMS-Schalter schematisch im Längsschnitt.
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Wie in den 1 bis 7 dargestellt wird zur erfindungsgemäßen Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung erfindungsgemäßer MEMS-Schalter ein SOI-Substrat 10 („Silicon-On-Insulator“-Substrat) herangezogen, welches eine Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge 20 aufweist, die auf einer mit Glas gebildeten Isolationsschicht 30 angeordnet ist. Die Isolationsschicht 30 und ein schichtartige Isolator 40 der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge 20 des SOI-Substrats 10 sind jeweils aus Glas, d.h. Siliziumdioxid, gebildet. Somit weist das SOI-Substrat 10 eine Schichtfolge auf, die eine homogene Glasschicht 30 (in 1 zuunterst dargestellt), darauf aufbauend eine 300 Mikrometer dicke homogene Siliziumschicht 70, darauffolgend den als Glasschicht ausgebildeten einen Mikrometer dicken Isolator 40 sowie abschließend eine 10 Mikrometer dicke, äußere Siliziumschicht 80 aufweist.
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Zur Fertigung von Biegebalken der MEMS-Schalter wird auf das SOI-Substrat 10 zunächst eine Metallisierung aufgebracht:
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Dazu wird auf das SOI-Substrat 10 an die äußere Siliziumschicht 80 eine homogene 300 Nanometer dicke äußere Glasschicht 90 aufgesputtert. Die homogene Glasschicht 90 wird mittels Lithographie derart strukturiert, sodass diese Glasschicht 90 entlang zweier zueinander paralleler Streifen 100 (in der Zeichnung gem. 2 senkrecht zur Zeichenebene) mittels Ätzens entfernbar ist. Nachfolgend wird die Glasschicht entlang der Streifen 100 mittels Ätzens gemäß dem RIE-Verfahren (RIE = engl.: „Reactive Ion Etching“) entfernt. Folglich ist in dem in 2 dargestellten Prozessstadium die Glasschicht 90 entlang zweier zueinander paralleler Streifen 100 entfernt.
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Die Glasschicht 90 bildet folglich eine Maske für eine nachfolgende Dotierung der oberen Siliziumschicht 80. Die obere Siliziumschicht 80 wird wie in 3 dargestellt in einem oberflächlichen Bereich 102 stark mittels Phosphors dotiert. Nachfolgend wird die äußere Siliziumschicht 80 mit der Glasschicht 90 mittels Flusssäure angeätzt und daraufhin mittels einer 300 Nanometer dicken Goldschicht 110 metallisiert. Die Goldschicht erstreckt sich somit entlang der beiden Streifen 100, entlang welchen das Silizium der äußeren Siliziumschicht 80 mittels Phosphors dotiert ist sowie entlang eines zwischen den Streifen 100 zwischenliegenden Bereichs 105, welcher mittels eines zwischen den Streifen 100 verbleibenden Bereichs der Glasschicht 90 von der äußeren Siliziumschicht 80 elektrisch isoliert ist.
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Ferner wird auch ein von den Streifen 100 entfernt liegender Bereich der Glasschicht 90 mittels einer 300 Nanometer dicken Goldschicht 120 metallisiert. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Metallisierung auch mit einer 20 Nanometer dicken Chromschicht gebildet werden. Die Metallisierung wird wie an sich bekannt mittels Lithographie und einem nachfolgenden Ätzschritt durchgeführt ( 4). Die beiden Goldschichten 110, 120 werden bei dem MEMS-Schalter eine Anbindung (Goldschicht 110) und ein freies Ende (Goldschicht 120) des Biegebalkens bilden.
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Anschließend wird das SIO-Substrat 10 räumlich strukturiert (5):
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Dazu werden angrenzend an die Goldschichten 110, 120 an ihrer der jeweils anderen Goldschicht 110, 120 fernen Seite zu den Streifen 100 parallel sich erstreckende Spalte 130, 140 in die äußere Glasschicht 90 und die äußere Siliziumschicht 80 eingebracht, welche in Dickenrichtung d durch die äußere Glasschicht 90 bis an den Isolator 40 angrenzend in das SIO-Substrat 10 einragen. Die Spalte verlaufen zu den Streifen 100 parallel.
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Dazu werden die äußere Glasschicht 90 mittels Lithographie und des RIE-Verfahrens sowie die äußere Siliziumschicht 80 mittels des DRIE-Verfahrens (DRIE = engl.: „Deep reacive-ionetching“) zur Bildung der Spalte 130, 140 entfernt. Nachfolgend wird wie in 6 dargestellt die Isolationsschicht 30 und die Siliziumschicht 70 und der Isolator 40 mittels Lithographie und aufeinanderfolgender Ausführung des RIE-Verfahrens, des DRIE-Verfahrens und des RIE-Verfahrens in demjenigen Bereich des SIO-Substrats 10 entfernt, welcher an dem an der Goldschicht 120 liegenden Spalt 140 sowie an der Goldschicht 120 und dem zwischen Goldschicht 110 und Goldschicht 120 liegenden Bereich der äußeren Siliziumschicht 80 angrenzen.
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Folglich ist mittels der die Goldschichten 110 und 120 tragenden äußeren Siliziumschicht 80 der Biegebalken 150 ausgebildet, dessen freies Ende mit der Goldschicht 120 gebildet ist und welcher mittels des Isolators 40 nah der Goldschicht 110 an dem SIO-Substrat angebunden ist. Infolge des Spalts 130 ist der Biegebalken von übrigen Bereichen der äußeren Siliziumschicht 80 mechanisch entkoppelt.
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Nachfolgend wird die äußere Glasschicht 90 an denjenigen Bereichen der äußeren Siliziumschicht 80, welche nicht metallisiert sind, mittels Flusssäure entfernt. Folglich verbleibt lediglich die äußere Siliziumschicht 80, an welche in einem der nachfolgenden Fertigungsschritte weitere Teile des MEMS-Schalters angebunden werden können.
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Bei dem Biegebalken 150 bildet die Goldschicht 120 einen ersten Kontakt Biegebalkens 150 des MEMS-Schalters. Der zum ersten Kontakt des Biegebalkens 150 korrespondierende Gegenkontakt wird erfindungsgemäß mit einem Glaswafer 200 gebildet:
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Dazu wird ein 700 Mikrometer dicker Glaswafer 200 herangezogen, in welchen zwei wannenförmige Gräben 210, 220 eingebracht werden, welche zueinander parallel und senkrecht zur Zeichenebene verlaufen. Der Graben 220 ist dabei um ein mehrfaches so breit wie der Graben 210. Dazu wird der Glaswafer zunächst an denjenigen Stellen des Glaswafers 200, welche unverändert bleiben sollen, mittels einer 100 Nanometer dicken Siliziumschicht 230 beschichtet. Dazu wird Silizium mittels LPCVD (LPCVD = engl.: „Low-Pressure Chemical Vapor Deposition“ = Chemische Gasphasenabscheidung bei Niederdruck) auf den Glaswafer 200 aufgebracht. Die aufgebrachte Siliziumschicht 230 wird nachfolgend mittels Lithographie strukturiert und unerwünschte Bereiche der Siliziumschicht 230 mittels des RIE-Verfahrens entfernt.
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Nachfolgend werden an den von der Siliziumschicht 230 nicht bedeckten Bereichen die wannenförmigen Gräben 210, 220 gefertigt. Dazu werden die Gräben 210, 220 mittels Flusssäure geätzt.
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Nach der Ätzung der Gräben 210, 220 wird die Siliziumschicht 230 mittels Kaliumhydroxids entfernt (11).
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Die oberflächlichen Bereiche des Glaswafers 200, welche nicht mit Flusssäure geätzt worden sind, werden nachfolgend mit einer 300 Nanometer dicken Goldschicht 240 metallisiert. Insbesondere ist der zwischen den beiden Gräben 210, 220 befindliche Bereich des Glaswafers 200 mit einer Metallisierung 255 versehen. Zusätzlich wird auch ein dem schmaleren Graben 210 ferner Randbereich eines Bodens des breiteren Grabens 220 mit einer Metallisierung 250 versehen, welche einen Gegenkontakt für den Kontakt des Biegebalkens 150 bildet. Beabstandet von der Metallisierung 250 ist der dem schmaleren Graben 210 nähere Bereich des Bodens des breiteren Grabens 220 mit einer Gate-Metallisierung 260 versehen, welche nach Fertigstellung des MEMS-Schalters der Auslenkung des Biegebalkens 150 mittels Speisung mit Steuersignalen dient.
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Dazu wird Gold abgeschieden, nachfolgend mittels Lithographie strukturiert und überschüssiges Gold mittels Ätzens der Goldes entfernt. Alternativ kann auch anstatt mittels einer Goldschicht 240 mittels einer 20 Nanometer dicken Chromschicht metallisiert werden.
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Die erfindungsgemäße Herstellung des MEMS-Schalters wird abgeschlossen, indem die Goldschicht 240 des Glaswafers 200 an die äußere Siliziumschicht 80 des SOI-Wafers mit der Metallisierung des Glaswafers derart flächig zusammengefügt wird, dass die die Kontaktierung des Biegebalkens 150 bildende Goldschicht 120 der den Gegenkontakt bildenden Metallisierung 250 zugewandt wird.
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Die an den Streifen 100 befindliche Metallisierung 110 wird (13) mit der zwischen den Gräben 210, 220 befindlichen Metallisierung 255 in flächiger Anlage gebracht und, beispielsweise galvanisch, stoffschlüssig verbunden. Auf diese Weise ist der Biegebalken 150 an zwei einander abgewandten Seiten fixiert, indem der Biegebalken 150 einerseits mittels des Isolators 40 mit dem übrigen Teil des SIO-Substrats 10 verbunden ist und andererseits über die miteinander verbundenen Metallisierungen 255 und 110 an dem Glaswafer 200 angebunden ist.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Biegebalken 150 nicht dotiert und - anders als in 13 dargestellt - stromleitend ausgebildet. Dazu ist der Biegebalken 150 nicht lediglich mit einer Metallisierung 120 am freien Ende des Biegebalkens 150 versehen, sondern der Biegebalken ist entlang seiner gesamten Längserstreckung (d.h. entlang seiner gesamten Erstreckung in Richtung der flächigen Erstreckungen der Schichten der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge 20, also senkrecht zur Dickenrichtung d) metallisiert. Entlang dieser Erstreckung bleibt auch die äußere Glasschicht 90 wie im Bereich der Metallisierung 120 des in 13 dargestellten Ausführungsbeispiels erhalten. Im Vergleich zur 13 entfällt im Ausführungsbeispiel auch die Dotierung des oberflächlichen Bereichs 102 und die Ausbildung von Streifen 100. Vielmehr sind die Metallisierungen 110 und 255 von SIO-Substrat 10 und Glaswafer 200 direkt miteinander mittels Galvanisierens verbunden.
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Nicht eigens dargestellt umfasst die erfindungsgemäße Anordnung von MEMS-Schaltern mehrere MEMS-Schalter, die wie oben beschrieben hergestellt sind. Dazu sind die MEMS-Schalter mit ein- und demselben SIO-Substrat 10 hergestellt und weisen äußerst geringe Abweichungen der Schaltzeiten voneinander auf.
