DE102021203566A1 - MEMS Schalter mit eingebettetem Metallkontakt - Google Patents

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Matthew Lewis
Peter Schmollngruber
Jochen Reinmuth
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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem MEMS-Schalter mit einem Substrat (1) mit einer ersten Isolationsschicht (100) und einer Siliziumschicht (110) darüber, wobei in der Siliziumschicht ein festes Teil (121) und ein bewegliches Schaltteil (122) gebildet ist.Der Kern der Erfindung besteht darin, dass eine erste Metallschicht (13) an einer vom Substrat abgewandten Seite der Siliziumschicht in Ausnehmungen in der Siliziumschicht angeordnet ist, wobei die erste Metallschicht wenigstens einen schaltbaren elektrischen Kontakt zwischen dem festen Teil und dem Schaltteil bildet.Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Schalters mit wenigstens einem eingebetteten Metallkontakt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem MEMS-Schalter mit einem Substrat mit einer ersten Isolationsschicht und einer Siliziumschicht darüber, wobei in der Siliziumschicht ein festes Teil und ein bewegliches Schaltteil gebildet ist.
  • Es gibt unterschiedlichste Relais. Typische Miniatur-Relais sind ca. einen cm groß, werden über eine Magnetspule angetrieben, haben einen gewissen nicht zu vernachlässigbaren Stromverbrauch im angeschalteten Zustand und sind auf unterschiedlichste Anwendungen optimiert.
  • Um eine hohe Lebensdauer zu garantieren und um auch Ströme beim Schaltvorgang schalten zu können, gibt es spezielle Relais, deren Kontakte aus Wolfram aufgebaut sind. Wird unter Strom ein Relais ein- oder ausgeschalten, entsteht elektrische Überschläge, die die Kontaktflächen beeinträchtigen. Wolfram ist ein Material, das gegen Überschläge sehr robust ist und daher für diese Anwendung eine hohe Lebensdauer garantiert. Nachteilig an Wolfram ist, dass es sich dabei um ein sehr teures und mechanisch schwer zu verarbeitendes Material handelt, daher werden Wolframkontakte speziell nur für diese Anwendung in Relais genutzt.
  • Neben den herkömmlichen magnetisch betriebenen Relais gibt es seit kurzem auch kapazitiv betätigbare MEMS Schalter. Sie haben aufgrund ihres Antriebsprinzips einen sehr geringen Stromverbrauch. Bekannt ist beispielsweise der MEMS-Schalter ADGM1304 der Firma Analog Devices, welcher in Oberflächen-Mikromechanik gefertigt ist (1). Das Schaltelement ist dabei aus der Substratebene heraus (out-of-plane) beweglich gestaltet.
  • In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 102021202238.3 ist ein kapazitiv betätigbarer MEMS-Schalter mit einem parallel zur Substratebene (in-plane) beweglichen Schaltelement beschrieben (2).
  • MEMS-Relais haben gegenüber klassischen Relais viele Vorteile, wie schnelle Schaltzeiten, geringer Stromverbrauch, kleiner Bauraum und vieles mehr. Allerdings sind bisher nur MEMS-Relais bekannt, die im stromlosen Zustand schalten.
  • Metallschichten werden in mikromechanischen Herstellungsprozessen normalerweise als Schicht abgeschieden und über ein Ätzverfahren mit einer Lackmaske als lokalen Ätzschutz strukturiert.
    Beschränkend an diesem Verfahren ist, dass dicke Metallschichten auch immer eine Metallabscheidung in mindestens der Zieldicke des Metallsteckers erfordern. Dies ist speziell bei Wolframschichten kritisch, da diese gegenüber dem Substrat bei der Abscheidung einen Stress verursachen werden, was zu einer Verbiegung des Substrats führt. Um die Verbiegung klein zu halten, damit das Substrat weiterverarbeitet werden kann, also um beispielsweise eine Lackmaske aufbringen und strukturieren zu können, können nur Wolframschichten mit Dicken geringer als 500 nm bei typischen Substratdicken von 700 µm Silizium aufgebracht werden.
    Weiter beschränkend ist, dass es speziell für Wolfram und viele andere Metall keine Ätzverfahren gibt, die einerseits sehr senkrechte Ätzflanken herstellen, um bei einer lateralen Auslenkung des Schaltteils des Relais große Kontaktbereiche zu erreichen. Andererseits gibt es auch keine Ätzverfahren für Wolfram und viele andere Metalle, die sehr schmale und tiefe Gräben erzeugen können, um bei einer lateralen Bewegung der Kontaktbereiche geringe Abstände zu erreichen.
    Neben der typischen Beschränkung der bekannten Metallätzverfahren in der Form und der Tiefe der Ätzgräben, haben diese Ätzverfahren auch eine schlechte Selektivität gegenüber der Lackmaske. Das heißt, man muss entweder eine dicke Lackmaske mit einer schlechten Auflösung nutzen, also nur breite Gräben zulassen, oder man nutzt eine dünne Lackmaske mit hoher Auflösung, kann damit aber nur Gräben geringer Tiefe in W erzeugen.
    Weiter beschränkend ist, dass nach der klassischen Strukturierung von sehr dicken Metallschichten, eine hohe Topographie auf dem Substrat vorliegt und es technisch sehr schwierig bzw. unmöglich ist, weitere Schichten abzuscheiden und zu strukturieren. Isolationsschichten wie die Schicht 20 oder Leiterbahnen wie die Schicht 21 wäre auf dicken Metallschichten praktisch nicht mehr herstellbar.
    Bekannt ist hingegen auch, dass in Silizium über zyklische Trenchverfahren sehr senkrechte Gräben hineingeätzt werden können.
  • Bekannt ist weiter, dass die Trenchverfahren in Silizium eine hohe Lackselektiviät aufweisen.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein kapazitiv angesteuertes MEMS-Relais zu schaffen, das auch im stromführenden Zustand zuverlässig ein- und ausschalten kann.
  • Kern und Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einem MEMS-Schalter mit einem Substrat mit einer ersten Isolationsschicht und einer Siliziumschicht darüber, wobei in der Siliziumschicht ein festes Teil und ein bewegliches Schaltteil gebildet ist.
    Der Kern der Erfindung besteht darin, dass eine erste Metallschicht an einer vom Substrat abgewandten Seite der Siliziumschicht in Ausnehmungen in der Siliziumschicht angeordnet ist, wobei die erste Metallschicht wenigstens einen schaltbaren elektrischen Kontakt zwischen dem festen Teil und dem Schaltteil bildet. Er wird hierdurch also ein eingebetteter oder vergrabener Kontakt in der Siliziumschicht geschaffen, ein Metallstecker.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Metallschicht aus Wolfram. Die erfindungsgemäße Lösung, eine vergrabene oder eingebettete erste Metallschicht als Kontaktfläche eines MEMS-Relais zu verwenden, erlaubt erstmals mit in der Halbleiter-Technik bekannten Schritten ein MEMS-Relais mit Wolfram-Kontakten zu bauen. Dies sollte eine grundsätzliche Verbesserung des Verhalten von MEMS-Relais erlauben.
  • Ein wesentlicher Teil der Erfindung ist es, in Silizium über ein Trenchverfahren ein Negativbild der späteren Metallstecker abzubilden. Durch die Nutzung einer Negativabbildung können sehr schmale Abstände zwischen den Metallsteckern erreicht werden. Die schmalen Abstände sind zunächst mit Silizium verfüllt, können aber nach der Metallabscheidung mit einem weiteren Trenchprozess geöffnet werden, wobei die Metallverfüllung selbst als Maske dienen kann, es handelt sich also um einen selbstjustierenden Prozess, der sehr kleine Gap-Weiten ermöglich.
    Weiter werden in Silizium schmale Gräben erzeugt. Sind die Gräben schmäler als die halbe Schichtdicke der Metallabscheidung können die Gräben vollständig verfüllt werden. Es können also theoretisch beliebig tiefe Gräben verfüllt werden unabhängig davon welche Metallschichtdicke abgeschieden wird. Da nur geringe Schichtdicken abgeschieden werden müssen, können auch langsame aber sehr konforme CVD-Verfahren, also Abscheidungen aus der Gasphase, genutzt werden. Oft ist es schwierig, CVD-Abscheidungen in schmalen Gräben vorzunehmen. Dazu sind meist Diffusionsbarrieren und Keimschichten für die CVD-Abscheidung notwendig. In diesem Ansatz kann durch die Nutzung von Silizium als Trägerschicht in günstiger weise auf Diffusionsbarrieren und Keimschichten verzichtet werden. Es wird vorgeschlagen, in einem ersten Schritt eine Austauschreaktion von Si mit WF6 zu nutzen, um eine erste Keimschicht in Silizium zu erzeugen. Die Abscheidung kann mit einem gewissen Anteil an H2 erfolgen, um eine schnellere Abscheidung in Silizium zu erreichen. In einem weiteren Abscheideschritt wird dann rein aus der Gasphase mit einer Reaktion zwischen WF6 und einem bewusst höheren Anteil an H2 als Reduktionsmittel Wolfram abgeschieden, um nicht über die Reduktionsreaktion von WS6 mit Si Hohlräume im Si zu erzeugen.
    Nach der Abscheidung erfolgt eine Politur des überstehenden Metalls an der Oberfläche, dies erzeugt eine sehr glatte Oberfläche, auf den weiteren Schichten in Gegensatz zu Stand der Technik ohne Probleme aufgebracht werden können.
  • In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Metallschicht aus Nickel.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS Schalters mit wenigstens einem eingebetteten Metallkontakt.
    Es wird ein Herstellungsverfahren und eine Anordnung für ein In-Plane-MEMS-Relais mit eingebetteten Metallkontakten dazu vorgeschlagen.
    Insbesondere wird vorgeschlagen in eine [Siliziumschicht ][SP(1]Gräben einzubringen, die mit Wolfram gefüllt werden. Anschließend wird über ein Silizium-Trench-Verfahren ein Teil der Wolframoberfläche freigelegt. Insbesondere wird das Silizium-Trench-Verfahren derart anwendet, dass die Wolframflächen in der Ebene die Siliziumflächen mit einem Überstand etwas überragen und dadurch bevorzugt benachbarte Wolframflächen bei In-Plane-Bewegung zueinander in Kontakt treten können. Über das Trenchverfahren wird mindestens ein auslenkbares Schaltelement definiert.
    Wenn eine erste Metallschicht, zum Beispiel aus Wolfram oder Nickel, in schmalen Gräben deponiert wird und die Flanke des Grabens später freigestellt wird (und damit die Flanke des ersten Metalls), erreicht man vorteilhaft eine große metallische Kontaktfläche und eine große Leiterquerschnittsfläche ohne dass es notwendig wird, eine hohe Metalldicke abzuscheiden. Vorteilhaft können hierdurch Kosten gesenkt werden und Verspannungen der Siliziumschicht durch die erste Metallschicht minimiert werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch einen kapazitiv betätigbaren MEMS Schalter mit out-of-plane Schaltelement im Stand der Technik.
    • 2 zeigt schematisch einen kapazitiv betätigbaren MEMS Schalter mit in-plane Schaltelement.
    • 3 zeigt schematisch den kapazitiv betätigbaren MEMS Schalter mit in-plane Schaltelement in Draufsicht.
    • Die 4 a bis i zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines MEMS Schalters mit eingebetteten Metallkontakten an verschiedenen Herstellungsstadien.
    • 5 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines MEMS Schalters mit wenigstens einem eingebetteten Metallkontakt.
    • Die 6 a und b zeigen in einem ersten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS-Schalter mit eingebetteten Metallkontakten im nicht geschalteten Zustand.
    • Die 7 a und b zeigen den erfindungsgemäßen MEMS-Schalter mit eingebetteten Metallkontakten aus 6 im geschalteten Zustand.
    • 8 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS-Schalter mit eingebetteten Metallkontakten und Kappe in Schnittdarstellung.
  • Beschreibung
  • 1 zeigt schematisch einen kapazitiv betätigbaren MEMS Schalter mit out-of-plane Schaltelement im Stand der Technik in Schnittdarstellung. Auf einem Substrat 1 werden eine erste Elektrode 2 und eine erste Kontaktfläche 3 vorgesehen. Über beiden Strukturen wird durch einen Abstand getrennt eine Hebel-Struktur 4 angeordnet. [Wird eine Spannung zwischen dem Hebel und erster Elektrode angelegt, kommt es zu einer Bewegung aus der Substratebene hinaus (out-of-plane). Der Hebel wird im Wesentlichen senkrecht zum Substrat hin ausgelenkt, und ein Kontakt zwischen Hebel und Kontaktfläche wird erzeugt. | [SP(2]
  • 2 zeigt schematisch einen kapazitiv betätigbaren MEMS Schalter mit in-plane Schaltelement in Schnittdarstellung. Auf einem Substrat 1 sind übereinander eine erste Isolationsschicht 100, eine Siliziumschicht 110, eine zweite Isolationsschicht 9 und eine Metallschicht 10 angeordnet. Die Siliziumschicht, die zweite Isolationsschicht und die Metallschicht bilden zusammen eine mikromechanische Funktionsschicht 120, in der ein fester Teil 121, ein elektrisch betätigbares, auslenkbares Schaltelement 122 und Festelektroden 8 ausgebildet sind.
    In der Metallschicht 10 des festen Teils 121 ist ein erster Kontaktbereich 1210 ausgebildet, und in der Metallschicht 10 des Schaltelements 122 ist ein zweiter Kontaktbereich 1220 ausgebildet. Das Schaltelement ist in wenigstens einer ersten Richtung 7 parallel zu einer Haupterstreckungsebene (x,y) des Substrats auslenkbar. Hierdurch können der erste und der zweite Kontaktbereich in mechanischen Kontakt miteinander treten und somit einen elektrischen Kontakt 11 schließen. Die Auslenkung des Schaltelements 122 wird dadurch bewirkt, dass an gegenüberliegende, am Substrat verankerte Elektrodenfinger 8 eine elektrische Spannung angelegt wird. Der erste Kontaktbereich 1210 und der zweite Kontaktbereich 1220 ist jeweils mit einer eigenen Leiterbahn verbunden. Durch Auslenkung des Schaltelements 122 kann also eine elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen ein- und ausgeschaltet werden.
  • 3 zeigt schematisch den kapazitiv betätigbaren MEMS Schalter mit in-plane Schaltelement in Draufsicht. Aufhängefedern 6, welche an dem darunterliegenden Substrat 1 verankert sind, tragen das bewegliche Schaltelement 122. Des Weiteren sind die Festelektroden 8 und der feste Teil 121 gezeigt. Die Festelektroden liegen entsprechenden Ausformungen des Schaltelements 122 gegenüber und bilden mit diesen die Kondensatorplatten eines kapazitiven Antriebs. Der kapazitive Antrieb kann eine Bewegung des Schaltelements in die erste Richtung 7 bewirken. Der feste Teil 121 und ein gegenüberliegender Bereich des Schaltelements 122 sind mit der Metallschicht 10 belegt und bilden dort den schaltbaren elektrischen Kontakt 11.
  • Die 4 a bis i zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines MEMS Schalters mit eingebetteten Metallkontakten an verschiedenen Herstellungsstadien. Die Vorrichtung ist jeweils in einem Schnittbild und in einer 3D-Ansicht dargestellt.
  • Auf einem Substrat 1 wird eine erste Opferschicht 100, bevorzugt eine Oxidschicht abgeschieden. Auf der Oxidschicht wird eine Siliziumschicht 110 aufgebracht (4a). Bevorzugt wird eine Polysiliziumschicht abgeschieden, oder ein Siliziumsubstrat wird aufgebondet und auf Zieldicke rückgedünnt. Bevorzugt wird eine Siliziumschicht mit einer Dicke zwischen 5 und 50 µm verwendet.
  • Schmale Gräben 12 werden in die Siliziumschicht 110 mittels anisotropem Ätzen eingebracht (4b). Bevorzugt werden überwiegend Gräben geätzt, die mindestens so tief wie breit sind. Bevorzugt werden Gräben geätzt, die eine Tiefe von 0,5 bis 5 µm haben.
  • Eine erste Metallschicht 13 wird abgeschieden (4c). Insbesondere wird eine Wolframschicht abgeschieden. Bevorzugt wird so viel Wolfram abgeschieden, dass die schmalen Gräben vollständig verschlossen werden.
  • Alternativ kann auch eine Nickel- oder nickelhaltige Schicht abgeschieden werden. Nickel ist etwas schlechter bezüglich der elektrischen Überschlagsfestigkeit hat aber einen geringeren Kontaktwiderstand.
  • Optional kann auch vor der Abscheidung der ersten Metallschicht eine dünne Haftschicht oder eine Nukleationsschicht abgeschieden werden, welche die Gräben nicht verfüllt. Besonders günstig ist eine Keimschicht, die zum Teil durch eine Reduktion der Siliziumoberfläche erzeugt wird.
  • Die erste Metallschicht 13 wird bis mindestens auf die Höhe der Siliziumschicht 110 herunterpoliert (4d).
  • Optional werden schmale, isolierende, bis zur Oxidschicht 100 durchgängige Gräben 19 in die Siliziumschicht 110 geätzt (4e).
  • Die durchgängigen Gräben 19 werden nachfolgend mit einem dielektrischen Material 20 verfüllt, wodurch gefüllte Isolationsgräben 33 entstehen und wobei auch an der Oberfläche der Siliziumschicht 110 eine Schicht aus dem dielektrischen Material gebildet wird. (4f).
  • Bevorzugt werden die Gräben mit einer SiRiN-Schicht verfüllt. Die dielektrische Schicht wird zudem an der Oberfläche der Siliziumschicht 110 strukturiert.
  • Optional wird eine zweite Metallschicht 21 aufgebracht und strukturiert (4g). Bevorzugt wird eine Aluminiumschicht aufgebracht.
  • Optional werden weitere Schichtfolgen von dielektrischen und metallischen Schichten aufgebracht und strukturiert.
  • Mit einem Trenchprozess wird die Siliziumschicht 110 strukturiert (4h). Der Trenchprozess wird derart geführt, dass ein erster Kontaktbereich 1210 und ein zweiter Kontaktbereich 1220 der ersten Metallschicht 13 freigestellt wird. Insbesondere wird ein Trenchprozess gewählt, der einen Rückzug der Siliziumkante unter der Strukturierungsmaske von mindestens 50 nm erzeugt. Um und unter den freigestellten Kontaktbereichen wird dadurch ein horizontales Überstehen der Metallkante relativ zur Siliziumkante erzeugt. Bevorzugt beträgt ein Überstand 15 des jeweiligen Kontaktbereichs über die angrenzende Siliziumschicht 110 mindestens 25 nm.
  • In einem Opferätzschritt wird die Oxidschicht 100 unter einem Teilbereich der Siliziumschicht 110 entfernt (4i). Bevorzugt wird ein Gasphasenätzverfahren mit HF verwendet.
  • Weitere Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens In einem alternativen Herstellungsprozess kann auch ein Cavity-SOI-Wafer genutzt werden. Mit der Nutzung eines teureren Cavitiy-SOI-Wafers kann die Freistellung der beweglichen Struktur schon mit der Strukturierung der Siliziumschicht mit einem Trenchprozess erfolgen, die Ätzung der ersten Isolationsschicht kann entfallen.
  • Auf der Siliziumschicht kann optional vor dem Trench-Schritt eine Polierstoppschicht aufgebracht werden. Bevorzugt kann eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht oder eine Oxidnitridschicht oder ein SiRiN-Schicht genutzt werden. Die Strukturierung der Polierstoppschicht kann zusammen mit dem Trench-Schritt bevorzugt mit einer gemeinsamen Lackmaske erfolgen. Die Politur der Wolframschicht erfolgt dann bis zur Polierstoppschicht. Diese Schicht kann ganz oder teilweise in einem der Folgeschritte entfernt werden.
  • Die zweite Metallschicht 21 kann als eine erste Komponente eines eutektischen Bondmaterials dienen, um eine Kappe 22 über den beweglichen Strukturen anzuordnen, um diese Strukturen zu schützen. Vorteilhaft kann die Metallschicht also nicht nur als Leiterbahn, sondern auch als Bondmaterial genutzt werden.
  • 5 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines MEMS Schalters mit eingebetteten Metallkontakten.
    In einem Schritt A wird ein Substrat mit einer Siliziumschicht darüber bereitgestellt.
    In einem Schritt B werden schmale Gräben in die Siliziumschicht eingebracht.
    In einem Schritt C wird eine erste Metallschicht abgeschieden und die schmalen Gräben damit aufgefüllt.
    In einem Schritt D wird die erste Metallschicht oberflächlich bis zur Siliziumschicht abgetragen, wobei die erste Metallschicht in den schmalen Gräben verbleibt und so eingebettete Metallkontakte geschaffen werden.
    In einem Schritt H wird die Siliziumschicht mit einem Trenchprozess strukturiert, wobei ein festes Teil und ein Schaltelement gebildet wird und Kontaktbereiche der eingebetteten Metallkontakte gegenüber der Siliziumschicht freigestellt werden.
  • Die 6 a und b zeigen in einem ersten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS-Schalter mit eingebetteten Metallkontakten im nicht geschalteten Zustand. 6 a zeigt in teildurchlässiger Aufsicht ein erfindungsgemäßes Relais mit kapazitivem Antrieb und Bondrahmen im Grundzustand. Ein Ausschnitt um einen schaltbaren Kontakt ist dabei in 6 b vergrößert gezeigt.
    Die Vorrichtung weist über einem Substrat 1 und einer Isolationsschicht (in der Aufsicht nicht sichtbar) eine Siliziumschicht 110 auf. In der Siliziumschicht ist ein festes Teil 121 und ein bewegliches Schaltteil 122 gebildet. Von oben in die Siliziumschicht eingebettet ist eine strukturierte erste Metallschicht. Die erste Metallschicht ist gegenüber der angrenzenden Siliziumschicht bereichsweise freigestellt und bildet mit einem ersten Kontaktbereich 1210 und einem gegenüberliegenden zweiten Kontaktbereich 1220 einen schaltbaren elektrischen Kontakt 11 zwischen dem festen Teil 121 und dem Schaltteil 122. Darüber ist eine zweite strukturierte Metallschicht 21 angeordnet. Die zweite Metallschicht bildet Bondpads 30, die erste Komponente eines elektrisch isolierten Bondrahmens 31 und gegen die Siliziumschicht 110 elektrisch isolierte Leiterbahnen 32, welche auch gefüllte Isolationsgräben 33 überqueren.
    Die Siliziumschicht 110 ist mittels der gefüllten Isolationsgräben 33 in einzelne zueinander isolierte Bereiche unterteilt, um beispielsweise feststehende Gegenelektroden 8 zu bilden und diese im Schaltzustand auf ein elektrisch von der beweglichen Masse unterschiedliches Potential zu legen. Die Festelektroden 8 bilden mit beweglichen Elektroden des Schaltelements einen kapazitiven Antrieb wie zu den 2 und 3 beschrieben und dienen dazu, das Schaltelement 122 in die erste Richtung 7 zu bewegen. Die eingebettete erste Metallschicht ist auch zu Leiterbahnen 36 strukturiert, welche die Leitfähigkeit lokal erhöhen. In Teilbereichen 37, in denen die zweite Metallschicht 21 keine andere Funktion erfüllt, kann die Leitfähigkeit auch noch durch die zweite Metallschicht erhöht werden (siehe jeweils auch 8).
  • Die 7 a und b zeigen den erfindungsgemäßen MEMS-Schalter mit eingebetteten Metallkontakten aus 6 im geschalteten Zustand. Das Schaltteil 122 ist in der ersten Richtung 7 ausgelenkt und liegt am festen Teil 121 an, wobei der erste und der zweite Kontaktbereich der eingebetteten Metallkontakte aneinander anliegen. Der elektrische Kontakt 11 ist somit geschlossen.
  • 8 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS-Schalter mit eingebetteten Metallkontakten und Kappe in Schnittdarstellung. Die Darstellung zeigt einen kapazitiv betätigbaren MEMS-Schalter mit einem Substrat 1 mit einer ersten Isolationsschicht 100 und einer Siliziumschicht 110 darüber, wobei in der Siliziumschicht ein festes Teil 121 und ein bewegliches Schaltteil 122 gebildet ist. Eine erste Metallschicht 13 aus Wolfram ist an einer vom Substrat abgewandten Seite der Siliziumschicht, der Oberseite, in Ausnehmungen in der Siliziumschicht angeordnet und so eingebettet. Die erste Metallschicht ist gegenüber der angrenzenden Siliziumschicht bereichsweise freigestellt und bildet mit einem ersten Kontaktbereich 1210 und einem gegenüberliegenden zweiten Kontaktbereich 1220 einen schaltbaren elektrischen Kontakt 11 zwischen dem festen Teil 121 und dem Schaltteil 122. Auf der Siliziumschicht 110 und in Isolationsgräben 19 ist eine strukturierte dielektrische Schicht 20 angeordnet. Mechanisch verbundene Bereiche der Siliziumschicht sind so elektrisch isoliert. Auf der dielektrischen Schicht 20 ist eine strukturierte zweite Metallschicht 21 aus Aluminium angeordnet. Die zweite Metallschicht bildet Bondpads 30, die erste Komponente eines elektrisch isolierten Bondrahmens 31 und gegen die Siliziumschicht 110 elektrisch isolierte Leiterbahnen 32, welche auch die Isolationsgräben 19 überqueren. Auf der zweiten Metallschicht 21 ist im Bereich des Bondrahmens eine dritte Metallschicht 21a aus Germanium angeordnet, die mit der zweiten Metallschicht aus Aluminium einen eutektischen Bond bildet, mit dem eine Kappe 22 über den mikromechanischen Strukturen befestigt ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Substrat
    2
    erste Elektrode
    3
    erste Kontaktfläche
    4
    Hebel-Struktur
    6
    Aufhängefedern
    7
    erste Richtung
    8
    Festelektrode
    9
    zweite Isolationsschicht
    10
    Metallschicht
    11
    Kontakt
    12
    schmale Gräben
    13
    erste Metallschicht
    15
    Überstand
    19
    durchgängige Gräben
    20
    dielektrische Schicht
    21
    zweite Metallschicht
    21a
    dritte Metallschicht
    22
    Kappe
    30
    Bondpad
    31
    isolierter Bondrahmen
    32
    Metalllage
    33
    gefüllte Isolationsgräben
    36
    Leiterbahn
    37
    Teilbereich
    100
    erste Isolationsschicht
    110
    Siliziumschicht
    120
    mikromechanische Funktionsschicht
    121
    festes Teil
    122
    auslenkbares Schaltelement
    1210
    erster Kontaktbereich
    1220
    zweiter Kontaktbereich
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102021202238 [0005]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Schalters mit wenigstens einem eingebetteten Metallkontakt mit den Schritten: A - Bereitstellen eines Substrats mit einer Siliziumschicht darüber; B - Einbringen von schmalen Gräben in die Siliziumschicht mittels anisotropem Ätzen; C - Auffüllen der schmalen Gräben durch Abscheiden einer ersten Metallschicht; D - Abtragen der ersten Metallschicht an einer Oberfläche der Siliziumschicht, wobei die erste Metallschicht in den schmalen Gräben verbleibt und so wenigstens ein eingebetteter Metallkontakt geschaffen wird; H - Strukturieren der Siliziumschicht mit einem Trenchprozess, wobei ein festes Teil und ein Schaltelement gebildet wird und ein Kontaktbereich des eingebetteten Metallkontakts gegenüber der Siliziumschicht freigestellt wird;
  2. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters mit Metallkontakten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt A ein Substrat mit einer ersten Isolationsschicht und einer Siliziumschicht darüber bereitgestellt wird und dass nach dem Schritt H in einem Schritt I die Isolationsschicht unter einem strukturierten Bereich der Siliziumschicht geätzt wird, wobei das Schaltelement freigestellt und beweglich gemacht wird.
  3. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters mit Metallkontakten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden der ersten Metallschicht eine dünne Haftschicht oder eine Nukleationsschicht abgeschieden wird, welche die schmalen Gräben nicht verfüllt.
  4. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters mit Metallkontakten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Haftschicht oder Nukleationsschicht durch eine Silizium reduzierende Reaktion abgeschieden wird, welche die Siliziumschicht an einer hierbei beschichteten Oberfläche teilweise abträgt.
  5. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters mit Metallkontakten nach Anspruch 4, wobei WF6 als eine Komponente der reduzierenden Reaktion genutzt wird.
  6. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters mit Metallkontakten nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt D in einem Schritt E schmale, bis zur ersten Isolationsschicht reichende durchgängige Gräben in die Siliziumschicht geätzt werden und nachfolgend in einem Schritt F auf der Siliziumschicht ein dielektrisches Material abgeschieden und strukturiert wird, wobei die durchgängigen Gräben mit dem dielektrischen Material verfüllt werden.
  7. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters mit Metallkontakten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt F und vor dem Schritt H weitere Schichtfolgen von dielektrischen und/oder metallischen Schichten aufgebracht und strukturiert werden, insbesondere, dass in einem Schritt G eine zweite Metallschicht 21 aufgebracht und strukturiert wird.
  8. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters mit Metallkontakten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt H die Ätzung derart erfolgt, dass der Metallkontakt die Siliziumkante in vertikaler Richtung mindestens um 20nm überragt.
  9. MEMS-Schalter mit einem Substrat (1) mit einer ersten Isolationsschicht (100) und einer Siliziumschicht (110) darüber, wobei in der Siliziumschicht ein festes Teil (121) und ein bewegliches Schaltteil (122) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Metallschicht (13) an einer vom Substrat abgewandten Seite der Siliziumschicht in Ausnehmungen in der Siliziumschicht angeordnet ist, wobei die erste Metallschicht wenigstens einen schaltbaren elektrischen Kontakt zwischen dem festen Teil und dem Schaltteil bildet.
  10. MEMS Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (13) aus Wolfram besteht.
  11. MEMS Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (13) aus Nickel oder einem nickelhaltigen Material besteht.
  12. MEMS Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (13) die in Ausnehmungen in der Siliziumschicht (110) angeordnet ist, wenigstens in einem Kontaktbereich (1210, 1220) mit einem Überstand (15) lateral aus der Siliziumschicht herausragt.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6078016A (en) 1998-08-17 2000-06-20 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor accelerometer switch
US20030210124A1 (en) 2002-04-25 2003-11-13 Volant Richard P. Micro electromechanical switch having self-aligned spacers
US20090239366A1 (en) 2005-09-01 2009-09-24 Hasan Nejad Method Of Forming A Transistor Gate Of A Recessed Access Device, Method Of Forming A Recessed Transistor Gate And A Non-Recessed Transistor Gate, And Method Of Fabricating An Integrated Circuit
EP2365498A1 (de) 2010-03-01 2011-09-14 Omron Corporation Schalter und Verfahren zu dessen Herstellung und Relais
US20130048480A1 (en) 2010-03-12 2013-02-28 Omron Corporation Structure for signal line, manufacturing method for signal line and switch using the signal line
DE102021202238A1 (de) 2021-03-09 2022-09-15 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Elektrisch betätigbarer MEMS-Schalter

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7474923B2 (en) * 2003-04-29 2009-01-06 Medtronic, Inc. Micro electromechanical switches and medical devices incorporating same
US7190245B2 (en) * 2003-04-29 2007-03-13 Medtronic, Inc. Multi-stable micro electromechanical switches and methods of fabricating same
JP4540443B2 (ja) * 2004-10-21 2010-09-08 富士通コンポーネント株式会社 静電リレー
US8138859B2 (en) * 2008-04-21 2012-03-20 Formfactor, Inc. Switch for use in microelectromechanical systems (MEMS) and MEMS devices incorporating same
US8528885B2 (en) * 2008-04-21 2013-09-10 Formfactor, Inc. Multi-stage spring system
KR101272359B1 (ko) * 2010-03-01 2013-06-07 오므론 가부시키가이샤 스위치 및 그 제조 방법 및 릴레이
JP5257383B2 (ja) * 2010-03-10 2013-08-07 オムロン株式会社 スイッチ及びその製造方法並びにリレー
JP5131298B2 (ja) * 2010-03-10 2013-01-30 オムロン株式会社 スイッチ及びその製造方法並びに静電リレー
JP5263203B2 (ja) * 2010-03-12 2013-08-14 オムロン株式会社 静電リレー
WO2016086998A1 (en) * 2014-12-04 2016-06-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Microelectromechanical switch and method for manufacturing the same
JP2016114510A (ja) * 2014-12-16 2016-06-23 セイコーインスツル株式会社 電子デバイスの製造方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6078016A (en) 1998-08-17 2000-06-20 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor accelerometer switch
US20030210124A1 (en) 2002-04-25 2003-11-13 Volant Richard P. Micro electromechanical switch having self-aligned spacers
US20090239366A1 (en) 2005-09-01 2009-09-24 Hasan Nejad Method Of Forming A Transistor Gate Of A Recessed Access Device, Method Of Forming A Recessed Transistor Gate And A Non-Recessed Transistor Gate, And Method Of Fabricating An Integrated Circuit
EP2365498A1 (de) 2010-03-01 2011-09-14 Omron Corporation Schalter und Verfahren zu dessen Herstellung und Relais
US20130048480A1 (en) 2010-03-12 2013-02-28 Omron Corporation Structure for signal line, manufacturing method for signal line and switch using the signal line
DE102021202238A1 (de) 2021-03-09 2022-09-15 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Elektrisch betätigbarer MEMS-Schalter

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