-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Schalter mit einem ersten Substrat mit einer mikromechanischen Funktionsschicht, in der ein auslenkbares Schaltelement ausgebildet ist und mit einem zweiten Substrat, welches mit dem ersten Substrat verbunden ist, wobei das zweite Substrat mit einem Abstand über dem Schaltelement angeordnet ist, wobei das Schaltelement einen elektrisch leitfähigen ersten Kontaktbereich aufweist und zum zweiten Substrat hin auslenkbar ist.
-
Klassische Relais werden über eine Magnetspule angetrieben, haben einen gewissen nicht zu vernachlässigbaren Stromverbrauch im angeschalteten Zustand und sind relativ groß.
-
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 (
2) und ein zugehöriges Herstellungsverfahren beschrieben (
2).
-
Die beweglichen Teile des MEMS-Relais werden meist mit einem Kappenwafer verschlossen, um die empfindlichen mechanischen Strukturen zu schützen und eine definierte Atmosphäre für die elektrischen Kontakte zu erhalten.
-
MEMS-Relais haben gegenüber klassischen Relais viele Vorteile, wie schnelle Schaltzeiten, geringer Stromverbrauch, kleiner Bauraum und vieles mehr. Allerdings sind die bekannten Herstellungsverfahren für MEMS-Relais aufwendig, teuer und unterliegen einigen ungewünschten Beschränkungen.
-
Um eine beweglichen Kontakt und einen kapazitiven Antrieb zu erzeugen, wird in den meisten Fällen mit einer Opferschichtverfahren gearbeitet. Im ersten Beispiel wird im Herstellungsverfahren eine Opferschicht zwischen der Hebelstruktur und der Kontaktfläche benötigt. Im zweiten Fall werden mehrere Ätzungen benötigt, um das Metall, die Isolationsschicht und die Siliziumschicht im Kontaktbereich zu trennen. Weiterhin ist ein Ätzen der Opferschicht unterhalb der Siliziumschicht notwendig, um die Strukturen freizustellen und so beweglich zu machen.
Die Auswahl der Metalle und der Ätzprozesse bei der Herstellung der Relais unterliegt sehr starken Einschränkungen, da sowohl die Metalle und als auch die verwendeten Ätzprozesse jeweils kompatibel zueinander sein müssen. Dies führt einerseits zu teuren Herstellungsprozess und andererseits zur Nutzung von nicht optimalen Metallsystemen.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen MEMS Schalter und ein zugehöriges Herstellungsverfahren zu schaffen, bei dem das Material für die Schaltkontakte unabhängig vom Herstellungsprozess insbesondere des beweglichen mikromechanischen Schaltteils gewählt werden kann.
-
Kern und Vorteile der Erfindung
-
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Schalter mit einem ersten Substrat mit einer mikromechanischen Funktionsschicht, in der ein auslenkbares Schaltelement ausgebildet ist und mit einem zweiten Substrat, welches mit dem ersten Substrat verbunden ist, wobei das zweite Substrat mit einem Abstand über dem Schaltelement angeordnet ist, wobei das Schaltelement einen elektrisch leitfähigen ersten Kontaktbereich aufweist und zum zweiten Substrat hin auslenkbar ist.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das zweite Substrat an einer Innenseite einen elektrisch leitfähigen zweiten Kontaktbereich aufweist, welcher derart angeordnet ist, dass das Schaltelement mit dem ersten Kontaktbereich an den zweiten Kontaktbereich anlegbar ist um einen elektrischen Kontakt zu schließen.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schalters.
Es wird vorgeschlagen einen beweglichen Kontakt zwischen zwei aufeinander gebondeten Wafer herzustellen. Auf einem ersten Substrat wird ein Schaltelement in Form einer bewegliche MEMS-Struktur, die eine Out-of-Plane-Bewegung ausführen kann und einen ersten elektrischen Kontaktbereich aufweist, gebildet. Auf einem zweiten Substrat wird ein fester zweiter elektrischer Kontaktbereich gebildet. Das erste und das zweite Substrat werden derart zueinander justiert und aufeinander gebondet, dass bei Auslenkung der beweglichen Struktur der erste Kontaktbereich mit dem zweiten Kontaktbereich in Berührung treten kann um einen elektrischen Kontakt zu schließen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mindestens eine erste elektrische Verbindung zwischen den ersten und dem zweiten Substrat gebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Hohlraum zwischen den beiden Substraten in dem sich die bewegliche Struktur befindet, vollständig durch ein Bondrahmen um die bewegliche Struktur umschlossen und versiegelt.
Vorteilhaft ist auch, wenn auf oder in dem zweiten Substrat mindesten eine zweite elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Kontaktbereich und einem Außenbereich hergestellt wird. Besonders vorteilhaft geschieht dies, indem ein Durchkontakt durch das zweite Substrat angelegt wird. Vorteilhaft ist auch, wenn eine Verdrahtungsebene auf dem zweiten Substrat angelegt wird, mittels der unter dem Bondrahmen hindurch die zweite elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Kontaktbereich und dem Außenbereich auf derselben Seite des zweiten Substrats hergestellt wird.
-
Der Abstand zwischen den beiden Kontakten wird im Stand der Technik durch ein Ätzverfahren mit all seinen Einschränkungen erzeugt. Im erfindungsgemäßen Verfahren hingegen wird der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Kontaktbereich durch ein Waferbondverfahren erzeugt. Dies ermöglicht eine freiere Wahl der Kontaktmetalle sowie des Herstellungsverfahrens für die bewegliche Struktur. In Summe kann ein besseres und einfacheres MEMS-Relais erzielt werden. Weiter sind sehr große und auch parallele Kontaktflächen möglich, da es keine Einschränkungen durch das Opferschichtätzverfahren gibt.
-
Günstig ist insbesondere auch, dass in dieser Anordnung das elektrische Kontaktmaterial das auch maßgeblich für die Stromleitung verantwortlich ist getrennt vom Material, das für die Mechanik der beweglichen Struktur verantwortlich ist gewählt werden kann. So kann in diesem Ansatz beispielsweise eine Siliziumschicht genutzt werden, die bei typische Betriebstemperaturen eines Relais praktisch keine Ermüdungserscheinungen zeigt. Weiter können mit Siliziumschichten auch sehr große und flache freistehende Flächen erzeugt werden, so dass große elektrostatische Elektrodenflächen ermöglich werden, die aufgrund ihrer geringer Verbiegung mit geringen Abständen zur Gegenelektrode angeordnet werden können, um so besonders große elektrostatische Kräfte erzeugen zu können. Günstig sind insbesondere Siliziumfunktionsschichten, die eine Dicke von mindesten 5 µm aufweisen.
-
Beide Kontaktoberflächen des ersten und zweiten Kontaktbereichs sind im Herstellungsprozess frei zugänglich und können daher gerichtet beschichtet werden, zum Beispiel mit einem Aufdampfprozess. Weiter können die Kontaktoberflächen frei zugänglich konditioniert werden, zum Beispiel mit UV-Licht und frei zugänglich gereinigt werden, zum Beispiel mit Rücksputtern. Schließlich kann die die erste Kontaktfläche auch frei und unabhängig von der zweiten Kontaktfläche strukturiert werden, weil sie sich auf zwei verschiedenen Substraten befinden.
-
Vorteilhaft ist es die bewegliche MEMS-Struktur im ersten Substrat aus einem Cavitiy-SOI-Substrat zu bauen. Insbesondere kann damit nur durch einen Trenchprozess eine Freistellung der beweglichen Struktur erfolgen, dies ermöglicht eine sehr freie Wahl des Kontaktmetalls, da damit ein Opferschichtätzprozess vermieden werden kann. Weiter ist eine einkristalline Siliziumschicht als Funktionsschicht besonders günstig hinsichtlich der mechanischen und der thermischen Eigenschaften.
-
Weiter ist es vorteilhaft zwischen den beiden Substraten einen Anschlag (21) vorzusehen, um das Einsinken oder das Eindrücken der Bondverbindung zu limitieren und damit einen definierten Abstand zwischen den beiden Substarten zu gewährleisten, damit definierte mechanische Anschlagsbedingungen für die bewegliche Struktur zu erzeugen.
-
Vorteilhaft ist auch das zweite Substrat mit einer ASIC-Schaltung zu versehen. Damit kann eine Schutzschaltung für das Relais oder eine Steuerschaltung für das Relais in den MEMS-Aufbau ohne dass zusätzlicher Platz von Nöten ist integriert werden. Im Stand der Technik bekannte MEMS-Relais sind hingegen als Modul sehr groß und teuer, weil im Modul ein zusätzlicher ASIC notwendig ist.
-
In einer besonders vorteilhaften Anordnung mit Durchkontakten (TSV's) durch das zweite Substrat und Lötflächen oder Lötballs auf der Rückseite des zweiten Substrats kann sogar ein besonders kleines Bare-Die-Relais als ein Chip-Level-Bauelement erzeugt werden (siehe 8).
-
Vorteilhaft wird als Bondverbindung auf dem zweiten Substrat eine AI-Schicht genutzt und auf dem ersten Substrat eine Ge-Schicht. Damit kann eine mechanisch sehr robuste und in Bondprozess wenig ausgasende Bondverbindung hergestellt werden. Weiter ist die Verbindung gut elektrisch leitfähig. Insbesondere ist dies günstig, wenn in zweiten Substrat auf der zum ersten Substrat hin gewandte Seite eine ASIC-Schaltung vorgesehen wird. Viele ASIC-Prozesse nutzen AI als Leiterbahnmaterial, daher kann dann eine AI-Leiterbahn auch gleichzeitig als Bondschicht genutzt werden, ohne dass zusätzliche Maßnahmen notwendig sind.
In einer alternativen Ausgestaltung wird eine Kupfer-Zinn-Kupfer Bondverbindung genutzt. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn im zweiten Substrat auf der zum ersten Substrat hin gewandte Seite, der Innenseite, eine ASIC-Schaltung angeordnet wird, bei der die Leiterbahnen aus Cu hergestellt werden.
-
Weiter kann die Anordnung nicht nur genutzt werden, um ein einziges Relais zu bauen, es können auch auf einem Chip mehrere Relais integriert werden. In günstiger Weise kann auch die Verdrahtung auf dem zweiten Substrat genutzt werden, um die Relais in variabler Weise, beispielsweise als Matrix, zu verschalten.
-
Weiter können die Metalllagen in zweiten Substrat auch als Abschirmung genutzt werden, um Relais zu bauen die besonders gut geschirmt sind oder die speziell für Hochfrequenzanwendungen ausgelegt sind.
-
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.
- Die 3 a und b zeigen schematisch in einem ersten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit Kontakten in der Kappe im Grundzustand und im geschalteten Zustand.
- 4 zeigt schematisch in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit einer metallischen Zusatzschicht auf der Funktionsschicht.
- 5 zeigt schematisch in einem dritten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit einer metallischen Kontaktfläche, die über eine zweite Isolationsschicht auf der Funktionsschicht angeordnet ist.
- 6 zeigt schematisch in einem vierten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit einer Verdrahtungsebene und Bondpads an der Innenseite des zweiten Substrats.
- 8 zeigt schematisch in einem sechsten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit Al-Ge Bondverbindung und einem zweiten Substrat mit integrierter Schaltung.
- Die 9a - 91 zeigen in einem Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schalters an einer Vorrichtung in verschiedenen Stadien.
- 10 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schalters.
-
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 der ersten Elektrode angelegt, kommt es zu einer Bewegung aus der Substratebene hinaus (out-of-plane). Der Hebel wird im Wesentlichen senkrecht zum Substrat ausgelenkt, und ein Kontakt zwischen Hebel und Kontaktfläche wird erzeugt.
-
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, in der ein fester Teil 121, ein elektrisch betätigbares, auslenkbares Schaltelement 122 und Festelektroden 8 ausgebildet sind. Das Schaltelement 122 ist an Aufhängefedern 6 beweglich aufgehängt. 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 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.
-
Die 3 a und b zeigen schematisch in einem ersten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit Kontakten in der Kappe im Grundzustand und im geschalteten Zustand.
3 a zeigt schematisch in einem ersten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit Kontakten in der Kappe im Grundzustand. Der MEMS Schalter besteht aus einem mehrschichtigen ersten Substrat 11, welches wiederum aus einem Siliziumsubstrat 1, einer ersten Isolationsschicht 100 und einer in Teilen beweglichen mikromechanischen Funktionsschicht 23 gebildet ist. In der mikromechanischen Funktionsschicht ist ein auslenkbares Schaltelement 12 ausgebildet. Der MEMS Schalter weist auch ein zweites Substrat 14 auf, welches mittels eines eutektischen Bonds 18 mit dem MEMS Substrat verbunden ist. Das zweite Substrat ist dabei mit einem Abstand A über dem Schaltelement angeordnet. Das Schaltelement weist einen elektrisch leitfähigen ersten Kontaktbereich 13 auf und ist zum zweiten Substrat hin (out of plane) auslenkbar. Das zweite Substrat weist an einer Innenseite 141 einen elektrisch leitfähigen zweiten Kontaktbereich 15 auf, welcher derart angeordnet ist, dass das Schaltelement mit dem ersten Kontaktbereich an den zweiten Kontaktbereich anlegbar ist. um einen elektrischen Kontakt 16 zu schließen.
Die eutektische Verbindung 18 bildet auch eine erste elektrisch leitfähige Verbindung 17, die zwischen der mikromechanischen Funktionsschicht 23 und dem zweiten Substrat 14 angeordnet ist.
Eine zweite elektrisch leitfähige Verbindung, nämlich ein Durchkontakt 19 ist zwischen dem zweiten elektrischen Kontaktbereich 15 an der Innenseite 141 und einer Außenseite 142 des zweiten Substrats 14 angeordnet und mit einem elektrischen Anschuss 35 an der Außenseite, einem Rückseitenkontakt verbunden.
Das zweite Substrat weist an der Innenseite 141 auch eine Antriebselektrode 22 auf um eine kapazitive Antriebskraft auf das Schaltelement 23 auszuüben.
Weitere Durchkontakte 19 verbinden die Antriebselektrode 22 und die erste elektrisch leitfähige Verbindung 17 mit weiteren elektrischen Anschlüssen 35 an der Außenseite 142.
-
3b zeigt schematisch in einem ersten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit Kontakten in der Kappe im geschalteten Zustand.
Das Schaltelement 12 ist mittels einer kapazitiven Kraftwirkung der Antriebselektrode 22 zum zweiten Substrat 14 hin ausgelenkt, sodass der erste Kontaktbereich 13 an dem zweiten Kontaktbereich 15 anliegt und der elektrische Kontakt 16 geschlossen ist.
-
4 zeigt schematisch in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit einer metallischen Zusatzschicht auf der Funktionsschicht. Die metallische Zusatzschicht 130 auf der mikromechanischen Funktionsschicht 23 verbessert die Leitfähigkeit der Funktionsschicht, insbesondere des auslenkbaren Schaltelements 12. Ein Teil der metallischen Zusatzschicht bildet auch den ersten Kontaktbereich 13.
-
5 zeigt schematisch in einem dritten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit einer metallischen Kontaktfläche, die über eine zweite Isolationsschicht auf der Funktionsschicht angeordnet ist. Die metallische Kontaktfläche 26 bildet den ersten Kontaktbereich 13 und ist mittels der zweiten Isolationsschicht 25 von der Funktionsschicht 23 elektrisch isoliert.
Dadurch kann in einfacher Weise ein Relais gebaut werden, dessen Spannungspegel zur Ansteuerung des Relais galvanisch vom Eingang und Ausgang des Relais getrennt ist. Die zweiten Kontaktbereiche 15 auf der Innenseite 141 des zweiten Substrats 14 sind vor allem der besseren Darstellung wegen nebeneinander angeordnet. In der Realität würden sie vorzugsweise hintereinander in die Zeichnungsebene hinein angeordnet werden, um einen guten Brücken-Kontakt 16 zu schaffen.
-
6 zeigt schematisch in einem vierten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit einer Verdrahtungsebene und Bondpads an der Innenseite des zweiten Substrats. Dargestellt ist ein Relais, bei dem nicht wie bisher die elektrische Zuführung durch das zweite Substrat geführt wird sondern unterhalb des Bondbereichs auf der Vorderseite, also der Innenseite des zweiten Substrats nach außen geführt wird. Dazu ist an der Innenseite 141 des zweiten Substrats 14 eine Verdrahtungsebene 200 angeordnet. Die Verdrahtungsebene ist sowohl mit der ersten elektrisch leitfähigen Verbindung 17, zweiten Kontakten 15 und der Antriebselektrode 22 einerseits als auch mit Bondpads 210 andererseits verbunden. Weiter zeigt 6 eine Anordnung, mit der besonders hohe Kontaktkräfte erzeugt werden können. Elektrostatische Kräfte nehmen mit dem reziproken Abstandsquadrat zu. Daher ist es wichtig einen möglichst kleinen und wohldefinierten Abstand zwischen der beweglichen Struktur und der Antriebselektrode 22 in Kontaktzustand zu erreichen.
Mit dem hier gezeigten Konzept kann das in besonders günstiger Weise erreicht werden. Auf der Seite des zweiten Substrats 14 wird der Kontakt 15 und die Antriebselektrode 22 dazu aus der gleichen Schicht gebildet, wodurch erreicht werden kann, dass sie auf gleicher vertikaler Höhe liegen. Um das in besonders gutem Maße sicher zu stellen kann im Herstellungsprozess entweder die Schicht selbst oder eine Schicht die unter dieser Schicht liegt mit einem Polierprozess planarisiert werden.
Auf der Gegenseite kann im ersten Substrat 11 auf dem Schaltelement 12 ein metallische Kontaktschicht 26 für einen ersten Kontaktbereich 13 abgeschieden werden. Im Bereich der Gegenelektrode wird keine zusätzlichen Material auf dem Schaltelement vorgesehen. Günstig ist dabei einerseits, dass der Abstand zwischen dem auslenkbaren Schaltelement und der Antriebselektrode 22 im Kontaktzustand allein durch die Dicke der metallischen Kontaktschicht 26 definiert wird und daher sehr genau eingestellt werden kann. Weiter günstig ist, dass die Oberfläche der beweglichen Struktur durch die Nutzung eines Cavity-SOI-Substrats es möglich ist sehr glatt Oberflächen mit wenig Verwölbung als bewegliche Struktur oberhalb der Antriebselektrode 22 zu erzeugen, was es ermöglicht auch sehr kleine Abstände zwischen dem auslenkbaren Schaltelement 12 und der Antriebselektrode 22 in Kontaktzustand zu erreichen.
-
7 zeigt schematisch in einem fünften Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit einem Anschlag, welcher den Abstand zwischen der mikromechanischen Funktionsschicht und dem zweiten Substrat bestimmt. Zwischen dem ersten Substrat 11 und dem zweiten Substrat 14 ist permanent ein Abstandshalter oder Anschlag 21 angeordnet, welcher die endgültige Höhe des Bondrahmens 18 beim Zusammenfügen der Substrate während der Herstellung der Vorrichtung bestimmt. Es handelt sich also um permanente in situ Bondflags. Der Abstandshalter 21 begrenzt das Einsinken der Bondverbindung. In der Folge ist auch der Abstand A zwischen dem ersten Kontaktbereich 13 und dem zweiten Kontaktbereich 15 des MEMS Schalters genau festgelegt.
-
8 zeigt schematisch in einem sechsten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen MEMS Schalter mit Al-Ge Bondverbindung und einem zweiten Substrat mit integrierter Schaltung. An der Innenseite des zweiten Substrats 11 sind IC Strukturen, im Beispiel ein ASIC 300 angeordnet. Die eutektische Bondverbindung 18 besteht aus Al-Ge. Anschläge 21 bestimmen die Höhe der Bondverbindung.
-
Die 9a - 91 zeigen in einem Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schalters an einer Vorrichtung in verschiedenen Stadien.
9a zeigt ein erstes Substrat 11. Auf einem Substrat 1 wird eine Funktionsschicht 23 über einer ersten Isolationsschicht 100 angelegt. Bevorzugt wird ein SOI-Substrat mit vergrabener Kaverne genutzt, ein sogenanntes Cavity-SOI-Substrat 20.
Auf der mikromechanischen Funktionsschicht 23 des ersten Substrats 11 wird ein Germanium-Schicht 24 abgeschieden und strukturiert (9b).
Auf der mikromechanischen Funktionsschicht 23 wird auch eine dielektrische Schicht 25, bevorzugt eine PECVD-Oxidschicht oder PECVD-Nitridschicht abgeschieden. Darauf wird eine metallische Kontaktschicht 26 abgeschieden und strukturiert. Bevorzugt wird hier eine Edelmetallschicht, eine Wolframschicht, eine Rutheniumschicht oder eine Iridiumschicht abgeschieden. Die dielektrische Schicht wird strukturiert (9c).
Die Funktionsschichtschicht 23 wird strukturiert und freigestellt. Insbesondere wird dabei ein Schaltelement 12 geschaffen, welches in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptebene des Substrats (out-of-plane) auslenkbar ist. Bevorzugt wird ein Trenchprozess verwendet ( 9d).
9e zeigt ein zweites Substrat 14. Auf dem zweiten Substrat wird über einer dielektrischen Schicht eine erste Leiterbahnschicht 28 abgeschieden und strukturiert. Beim zweiten Substrat kann insbesondere ein ASIC-Wafer mit integrierter Schaltung 27 genutzt werden. Weiter kann die Schaltung in günstiger Weise als Funktionselement oder als Schutzelement für das MEMS-Relais genutzt werden. Eine weitere dielektrische Schicht 29 wird abgeschieden und strukturiert. Eine Aluminiumschicht 30 wird abgeschieden und strukturiert.
-
Optional wird eine weitere dielektrische Schicht 31 abgeschieden und strukturiert (9f). Mit dieser Schicht wird in Teilbereichen eine Anschlagsstruktur 21 erzeugt. Die Schichtdicke wird derart gewählt, dass sich im Bondprozess die AI und die Ge-Schicht berühren können, aber gleichzeitig auch die Verquetschung der beiden Schichten im Bondprozess begrenzt werden. Über die Strukturierung kann auch die erste Leiterbahnschicht freigestellt werden und als zweite Kontaktfläche genutzt werden.
Optional kann jetzt eine zweite Kontaktfläche 32 abgeschieden und strukturiert werden (9g). Bevorzugt wird eine Edelmetallschicht, eine Wolframschicht, eine Rutheniumschicht oder eine Iridiumschicht verwendet.
Optional wird nun in einem weiteren Strukturierungsschritt die weitere dielektrische Schicht in den Bondbereichen 33 entfernt (9h). Die Anschläge 21 werden freigestellt.
-
Das erste Substrat 11 wird mit seiner Vorderseite zum zweiten Substrat 14 weisend und über diesem angeordnet (9i).
Die beiden Substrate werden zueinander justiert (9j), wobei die Germaniumschicht 24 und die Aluminiumschicht 30 in den Bondbereichen 33 miteinander in Kontakt gebracht werden. Die beiden Substrate werden gebondet (9k).
Bevorzugt wird ein Bondprozess mit einer Temperatur zwischen 400°C und 480°C genutzt.
-
Es wird im zweiten Substrat mindestens eine elektrische Verbindung zwischen den durch die Bondverbindung umschlossenen Bereich und einem Außenbereich hergestellt.
Bevorzugt wird das zweite Substrat 14 von der Rückseite her gedünnt.
Eine elektrische Verbindung 34 durch das zweite Substrat wird hergestellt, ein Durchkontakt (TSV).
Optional wird auf der Rückseite des zweiten Substrats eine Verdrahtungsebene angelegt. Kontaktflächen 35, insbesondere lötbare Flächen oder Lotkugeln werden auf der Rückseite 142 des zweiten Substrats 14 angelegt (91).
-
10 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schalters mit den wesentlichen Schritten:
- A - Bereitstellen eines ersten Substrats mit einer mikromechanischen Funktionsschicht, in der ein auslenkbares Schaltelement ausgebildet ist, welches einen elektrisch leitfähigen ersten Kontaktbereich aufweist;
- B - Bereitstellen eines zweiten Substrats, welches an einer Innenseite einen elektrisch leitfähigen zweiten Kontaktbereich aufweist;
- C - Bonden des ersten Substrats auf das zweite Substrat, wobei dessen Innenseite zum ersten Substrat weist und der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, derart, dass das auslenkbare Schaltelement mit dem ersten Kontaktbereich an den zweiten Kontaktbereich anlegbar ist um einen elektrischen Kontakt zu schließen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Substrat
- 2
- erste Elektrode
- 3
- erste Kontaktfläche
- 4
- Hebel-Struktur
- 5
- (entfernte) Opferschicht
- 6
- Aufhängefedern
- 7
- erste Richtung
- 8
- Festelektrode
- 9
- zweite Isolationsschicht
- 10
- Metallschicht
- 11
- erstes Substrat, MEMS Substrat
- 12
- auslenkbares Schaltelement
- 13
- erster Kontaktbereich
- 14
- zweites Substrat, Kappensubstrat
- 15
- zweiter Kontaktbereich
- 16
- Kontakt
- 17
- erste elektrische Verbindung
- 18
- Bondrahmen
- 19
- zweite elektrische Verbindung
- 21
- Anschlag
- 22
- Antriebselektrode
- 23
- in Teilen bewegliche Funktionsschicht
- 24
- Ge Schicht
- 25
- zweite Isolationsschicht, dielektrische Schicht
- 26
- metallische Kontaktschicht
- 27
- ASIC
- 28
- erste Leiterbahn
- 29
- weitere Dielektrische Schicht
- 30
- Aluminiumschicht
- 31
- dielektrische Schicht
- 32
- zweite Kontaktfläche
- 33
- Bondbereich
- 34
- Durchkontakt (trans silicon via, TSV)
- 35
- rückseitige Kontaktfläche
- 130
- metallische Zusatzschicht
- 141
- Innenseite des zweiten Substrats
- 142
- Außenseite des zweiten Substrats
- 100
- erste Isolationsschicht
- 110
- Siliziumschicht
- 120
- mikromechanische Funktionsschicht
- 121
- festes Teil
- 122
- auslenkbares Schaltelement
- 1210
- erster Kontaktbereich
- 1220
- zweiter Kontaktbereich
- A
- Abstand
- 200
- Verdrahtungsebene
- 210
- Bondpad
- 300
- integrierte Schaltung (ASIC)
-
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
-
