DE112011101117B4

DE112011101117B4 - Integrierter elektromechanischer Aktuator und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE112011101117B4
Application number: DE112011101117.2T
Authority: DE
Inventors: Michel Despont
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: WO2011121531A1; GB2489186A; US11342149B2; US10079128B2; US9029719B2; US20190027331A1; US20130140157A1; CN102822931A; GB2489186B; DE112011101117T5; US20130015045A1; GB201213155D0; CN102822931B

Abstract

Integrierter elektromechanischer Aktuator (1), der Folgendes umfasst:- Aktuatorelektroden mit einem elektrostatischen Aktuatorspalt zwischen den Aktuatorelektroden,- Kontaktelektroden mit einem elektrischen Kontaktspalt zwischen den Kontaktelektroden,wobei eine Neigung mit einem Neigungswinkel (α) zwischen den Aktuatorelektroden und den Kontaktelektroden bereitgestellt wird,wobei eine Dicke des elektrischen Kontaktspalts (g0) gleich der Dicke einer Opferschicht ist, undwobei eine Dicke (g) des elektrostatischen Aktuatorspalts von der Dicke des elektrischen Kontaktspalts (g) und von dem Neigungswinkel (a) wie folgt abhängt:

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen integrierten elektromechanischen Aktuator und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen integrierten elektromechanischen Aktuators.
FACHLICHER HINTERGRUND
Da Einschränkungen hinsichtlich Strom und Energie bei Mikroelektronikanwendungen immer größere Schwierigkeiten bereiten, wird beständig nach alternativen und den Strom effizienter nutzenden Möglichkeiten für Schalt- und Rechenvorgänge gesucht. Eine übliche, in der Halbleiterbranche genutzte Schalteinheit ist ein CMOS-Transistor. Zur Überwindung der strombezogenen Engpässe bei CMOS-Einheiten werden neuartige Schalteinheiten erforscht, die mit grundlegend anderen Transportmechanismen wie beispielsweise Tunneln arbeiten. Die Kombination der wünschenswerten Merkmale eines hohen Einschaltstroms, eines sehr niedrigen Ausschaltstroms, abrupter Umschaltungen, einer hohen Geschwindigkeit sowie eines geringen Platzbedarfs in einer Einheit, die auf einfache Weise an eine CMOS-Einheit angeschlossen werden kann, stellt jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Mechanische Schalter wie beispielsweise nanoelektromechanische Schalter (NEM-Schalter) sind vielversprechende Einheiten, um Kriterien dieser Art zu erfüllen. Ein nanoelektromechanischer Schalter mit einem schmalen Spalt zwischen den Elektroden wird durch elektrostatische Betätigung gesteuert. Als Antwort auf eine elektrostatische Kraft kann eine Kontaktelektrode so gebogen werden, dass sie einen Kontakt zu einer anderen Elektrode herstellt und dadurch einen Schalter schließt. Die Steuerung des schmalen Spalts für die elektrostatische Betätigung und für die Trennung der elektrischen Kontakte ist eine wesentliche Frage beim Entwerfen und Betreiben nanoelektromechanischer Schalter. Der NEM-Schalter muss sowohl die Anforderung einer hohen Schaltgeschwindigkeit als auch die einer niedrigen Betätigungsspannung erfüllen. Um eine Betätigungsspannung im Bereich von 1 V und eine an 1 ns herankommende Schaltgeschwindigkeit zu erreichen, muss die Dicke des zwischen den Elektroden vorgesehenen Spalts im Bereich von ungefähr 10 nm liegen. Die Abmessung eines Abstands von 10 nm zwischen Elektroden ist allerdings selbst bei Anwendung einer Lithographie-Technologie auf dem neuesten Stand der Technik schwer zu definieren und zu kontrollieren.
Aus dem Stand der Technik bekannt sind ein Mikrosystem- (MEMS-) Schalter, bei dem ein Kontaktspalt durch Seitwärtsbewegung eines Kontaktschiffchens geschlossen und geöffnet werden kann ( US 2003/0102936 A1 ); ein als metallische Mikrostrukturen ausgebildetes Relais mit einem beweglichen Schaltkontakt, welcher an einem elastisch biegsamen Federelement gelagert ist ( DE 199 35 678 A1 ); sowie ein Nanoschalter mit zugehörigem Herstellungsverfahren, bei dem der Innenleiter eines koplanaren Wellenleiters eine Lücke mit einer Breite im Sub-Mikrometerbereich aufweist ( US 2007/0229199 A1 ).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die Erfindung stellt einen integrierten elektromechanischen Aktuator bereit, der Folgendes umfasst:

einen elektrostatischen Aktuatorspalt zwischen den Aktuatorelektroden, einen elektrischen Kontaktspalt zwischen Kontaktelektroden, wobei eine Neigung mit einem Neigungswinkel zwischen den Aktuatorelektroden und den Kontaktelektroden bereitgestellt wird.

In einer möglichen Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Dicke des elektrischen Kontaktspalts gleich der Dicke g₀ einer Opferschicht.
In einer möglichen Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung hängt die Dicke g_A des elektrostatischen Aktuatorspalts von der Dicke des elektrischen Kontaktspalts und dem Neigungswinkel α wie folgt ab: $g_{A} = g_{0} \cdot cos (α) .$
In einer möglichen Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem elektromechanischen Aktuator um einen Aktuator in einer Ebene (in-plane actuator).
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem elektromechanischen Aktuator um einen Aktuator aus einer Ebene heraus (out-ofplane actuator).
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem elektromechanischen Aktuator um einen vertikalen Aktuator.
In einer möglichen Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung liegt die Dicke des Kontaktspalts in einem Bereich von of 5 bis 50 nm.
In einer möglichen Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung liegt der Neigungswinkel in einem Bereich von 15 bis 60 Grad.
In einer möglichen Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der elektromechanische Aktuator mindestens einen elektromechanischen Schalter.
In einer Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Kontaktspalt in einem betätigten Schaltzustand des elektromechanischen Schalters geschlossen, und in einem nicht betätigten Schaltzustand des elektromechanischen Schalters ist der Kontaktspalt nicht geschlossen.
In einer Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung wird im betätigen Schaltzustand des elektromechanischen Schalters ein an einer Kontaktelektrode befestigter strukturierter Kontaktträger als Antwort auf eine elektrostatische Kraft gebogen und bewegt, welche von einem elektrischen Feld zwischen dem strukturierten Kontaktträger und einer Aktuatorelektrode erzeugt wird.
In einer möglichen Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der strukturierte Kontaktträger einen biegsamen Abschnitt, der an der Kontaktelektrode befestigt ist, und einen starren Abschnitt, der mit dem biegsamen Abschnitt verbunden ist und an seinem entfernten Ende eine elektrische Kontaktfläche aufweist, die durch den elektrischen Kontaktspalt von einer elektrischen Kontaktfläche einer anderen Kontaktelektrode getrennt ist.
In einer Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung weist der biegsame Abschnitt des strukturierten Kontaktträgers eine Federkonstante im Bereich von 0,1 bis 10^N/_m auf.
In einer möglichen Ausführungsform des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der elektromechanische Aktuator

eine Eingangselektrode zum Anlegen einer Eingangsspannung,
eine Ausgangselektrode zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung,
eine erste Versorgungsspannungselektrode, an der ein erster strukturierter Kontaktträger befestigt ist,
eine zweite Versorgungsspannungselektrode, an der ein zweiter strukturierter Kontaktträger befestigt ist,
wobei dann, wenn die an die Eingangselektrode angelegte Eingangsspannung der ersten Versorgungsspannung entspricht, der an der zweiten
Versorgungsspannungselektrode befestigte zweite strukturierte Kontaktträger als Antwort auf eine elektrostatische Kraft, welche von einem elektrischen Feld zwischen dem zweiten strukturierten Kontaktträger und der Eingangselektrode erzeugt wird, gebogen oder bewegt wird, um einen Kontakt zwischen der zweiten Versorgungsspannungselektrode und der Ausgangselektrode bereitzustellen,
wobei dann, wenn die Eingangsspannung, mit der die Eingangselektrode versorgt wird, der zweiten Versorgungsspannung entspricht, der an der ersten Versorgungsspannungselektrode befestigte erste strukturierte Kontaktträger als Antwort auf eine elektrostatische Kraft, welche von einem elektrischen Feld zwischen dem ersten strukturierten Kontaktträger und der Eingangselektrode erzeugt wird, gebogen oder bewegt wird, um einen Kontakt zwischen der ersten Versorgungsspannungselektrode und der Ausgangselektrode bereitzustellen.

Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuators bereit, umfassend:

einen elektrostatischen Aktuatorspalt zwischen den Aktuatorelektroden,
einen elektrischen Kontaktspalt zwischen Kontaktelektroden,
wobei eine Neigung mit einem Neigungswinkel zwischen den Aktuatorelektroden und den Kontaktelektroden bereitgestellt wird,
wobei jeder Spalt durch Ätzen einer einzigen Opferschicht gebildet wird, deren Dicke der des elektrischen Spalts entspricht.

In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Opferschicht durch Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, ALD) gebildet.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Opferschicht durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) gebildet.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Opferschicht durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) gebildet.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

Ätzen von Silicium auf einem Isolator zum Bereitstellen von Trägerkörpern,
Durchführen einer selektiven Silicidierung der Trägerkörper,
Abscheiden von Opferschichten auf den Trägerkörpern,
Durchführen einer Metallabscheidung,
Durchführen eines CMP-Schritts und
Ätzen der Opferschichten und des Isolators, um die Trägerkörper von einem Substrat zu trennen.

Figurenliste
Im Folgenden werden die möglichen Ausführungsform eines integrierten elektromechanischen Aktuators und eines Verfahrens zum Herstellen eines solchen integrierten elektromechanischen Aktuators unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.

1A, 1B, 1C zeigen eine mögliche Ausführungsform eines integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A, 2B zeigen eine weitere Ausführungsform eines integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren möglichen Ausführungsform eines integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt einen Ablaufplan zur Veranschaulichung einer möglichen Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung;
5A bis G veranschaulichen einen Herstellungsschritt in einer möglichen Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie in 1A, in der eine erste mögliche Ausführungsform eines integrierten elektromechanischen Aktuators 1 gezeigt wird, zu sehen ist, umfasst der elektromechanische Aktuator 1 Aktuatorelektroden und Kontaktelektroden. Bei der in 1A gezeigten Ausführungsform handelt es sich um einen Aktuator in einer Ebene und im Besonderen um eine elektromechanische Schalteinheit in einer Ebene. Bei der in 1A gezeigten Topologie in einer Ebene handelt es sich um die Topologie eines NEM-Schalters, der auf einem Substrat bereitgestellt werden kann. 1A ist eine Draufsicht, die die Schaltertopologie von oben zeigt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der elektromechanische Aktuator 1, bei dem es sich um eine Schalteinheit handelt, eine Eingangselektrode 2 zum Anlegen einer Eingangsspannung. Der elektromechanische Aktuator 1 umfasst weiterhin eine Ausgangselektrode 3 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung. Außerdem wird eine erste Versorgungsspannungselektrode 4 bereitgestellt, an die eine erste Versorgungsspannung V₁ (z.B. VDD) angelegt werden kann. Der elektromechanische Aktuator 1 umfasst weiterhin eine zweite Versorgungsspannungselektrode 5, an die eine zweite Versorgungsspannung V₂ (z.B. GND) angelegt werden kann. Wie in 1A zu sehen ist, ist ein erster strukturierter Kontaktträger 6 an der ersten Versorgungsspannungselektrode 4 befestigt. In gleicher Weise ist ein zweiter strukturierter Kontaktträger 7 an der zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 befestigt. Wie in 1A zu sehen ist, umfasst der integrierte elektromechanische Aktuator 1, wie in 1 dargestellt, eine symmetrische Struktur. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der elektromechanische Aktuator 1 zwei strukturierte Kontaktträger 6, 7. Jeder strukturierte Kontaktträger 6, 7 umfasst einen biegsamen Abschnitt und einen starren Abschnitt. In der gezeigten Ausführungsform von 1A umfasst der strukturierte Kontaktträger 6 einen biegsamen Abschnitt 6A, der an der ersten Kontaktelektrode 4 befestigt ist. Der strukturierte Kontaktträger 6 umfasst weiterhin einen starren Abschnitt 6B, der an seinem entfernten Ende eine elektrische Kontaktfläche 6C aufweist, die durch einen elektrischen Kontaktspalt von einer elektrischen Kontaktfläche 3A der Ausgangselektrode 3 getrennt ist. Der zweite strukturierte Kontaktträger 7 umfasst ebenfalls einen biegsamen Abschnitt 7A, der an der zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 befestigt ist, und einen starren Abschnitt 7B, der mit dem biegsamen Abschnitt 7A verbunden ist und der an seinem entfernen Ende eine elektrische Kontaktfläche 7C aufweist, die von einer elektrischen Kontaktfläche 3B der Ausgangselektrode 3 durch einen elektrischen Kontaktspalt getrennt ist. Beide strukturierte Kontaktträger 6, 7 eines biegsamen Abschnitts 6A, 7A können eine vorab festgelegte Federkonstante im Bereich von 0,1 bis 10 ^N/_m aufweisen. In der in 1A gezeigten Ausführungsform umfasst jeder biegsame Abschnitt 6A, 7A eines strukturierten Kontaktträgers 6, 7 zwei strukturierte Stäbe, die parallel zueinander in einer vorab festgelegten Breite w und einer Höhe h verlaufen. In einer möglichen Ausführungsform liegt ein Längenverhältnis zwischen der Breite w und der Höhe h der beiden parallelen biegsamen Stäbe, die durch elektrostatische Kräfte gebogen werden können, zwischen 1:1 und 1:5.
In der in 1A gezeigten Ausführungsform wird dann, wenn die an die Eingangselektrode 2 angelegte Eingangsspannung V_in der ersten Versorgungsspannung V₁ (z.B. VDD) entspricht, der an der zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 befestigte zweite strukturierte Kontaktträger 7 als Antwort auf eine elektrostatische Kraft, welche von einem elektrischen Feld zwischen dem zweiten strukturierten Kontaktträger 7 und der Eingangselektrode 2 erzeugt wird, gebogen oder bewegt, um einen Kontakt zwischen einer zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 und der Ausgangselektrode 3 bereitzustellen.
1B zeigt den zweiten strukturierten Kontaktträger 7 des Aktuators 1 in einem nicht betätigten Zustand, in dem kein Spannungssignal an der Eingangselektrode 2 anliegt. Wie in 1B zu sehen ist, wird in dem nicht betätigten Zustand ein elektrischer Kontaktspalt mit einer Dicke g₀ zwischen der Kontaktfläche 7C des zweiten strukturierten Kontaktträgers 7 und der Kontaktfläche 3B der Ausgangselektrode 3 bereitgestellt. Außerdem wird ein elektrostatischer Aktuatorspalt mit einem Abstand g_A zwischen der Eingangselektrode 2 und dem starren Abschnitt 7B des zweiten strukturierten Kontaktträgers 7 bereitgestellt. Wie in 1B zu sehen ist, wird im nicht betätigten Zustand ein elektrostatischer Aktuatorspalt mit einer Dicke g₀ zwischen dem zweiten strukturierten Kontaktträger 7 bereitgestellt, der an der zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 befestigt ist, und ein elektrostatischer Aktuatorspalt mit einem Abstand g_A wird zwischen der Elektrode 2 und dem zweiten strukturierten Kontaktträger 7 bereitgestellt, der an der zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 befestigt ist. Wie in 1B zu sehen ist, wird eine Neigung mit einem Neigungswinkel α zwischen dem elektrostatischen Aktuatorspalt und dem elektrischen Kontaktspalt bereitgestellt.
1C zeigt einen betätigten Zustand, nachdem die zweite Versorgungsspannungselektrode 5 auf die Ausgangselektrode 3 geschaltet wurde. Wie in 1C zu sehen ist, wurde der elektrische Kontaktspalt zwischen dem an der zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 befestigten zweiten strukturierten Kontaktträger 7 nach der Betätigung geschlossen, sodass die elektrische Kontaktfläche 7C am entfernten Ende des starren Abschnitts 7B des zweiten strukturierten Kontaktträgers 7 einen Kontakt zur Kontaktfläche 3B der Ausgangselektrode 3 herstellt. Der elektrostatische Aktuatorspalt zwischen der Eingangselektrode 2 und dem starren Abschnitt 7B des zweiten strukturierten Kontaktträgers 7 ist, wie in 1C zu sehen, selbst nach der Betätigung nicht geschlossen. Wenn eine Eingangsspannung V_in , die der ersten Versorgungsspannung V₁ (z.B. VDD) entspricht, an die Eingangselektrode 2 angelegt wird, wird ein elektrostatisches Feld zwischen der Eingangselektrode 2 und der zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 bereitgestellt, an die eine zweite Versorgungsspannung V₂ (z.B. GND) angelegt wird und an der der zweite strukturierte Kontaktträger 7 befestigt ist. Insbesondere das elektrostatische Feld zwischen dem starren Abschnitt 7B des zweiten strukturierten Kontaktträgers 7 und der Eingangselektrode 2 über dem schmalen Aktuatorspalt bewirkt, dass dieser biegsame Abschnitt 7A in Richtung der Eingangselektrode 2 gebogen oder bewegt wird, ohne den Aktuatorspalt zwischen der Eingangselektrode 2 und dem zweiten strukturierten Kontaktträger 7 zu schließen, er schließt jedoch den Kontaktspalt zwischen dem starren Abschnitt 7B und der Ausgangselektrode 3 und schaltet dadurch die zweite Versorgungsspannungselektrode 5 auf die Ausgangselektrode 3.
Wenn die Eingangsspannung, mit der die Eingangselektrode 2 versorgt wird, der zweiten Versorgungsspannung V₂ (z.B. GND) entspricht, wird der an der ersten Versorgungsspannungselektrode 4 befestigte erste strukturierte Kontaktträger 6 als Antwort auf eine elektrostatische Kraft, welche von einem elektrischen Feld zwischen dem ersten strukturierten Kontaktträger 6 und der Eingangselektrode 2 erzeugt wird, gebogen oder bewegt, um einen Kontakt zwischen der ersten Versorgungsspannungselektrode 4 und der Ausgangselektrode 3 bereitzustellen. Dementsprechend umfasst die in 1A gezeigte Ausführungsform einen integrierten elektromechanischen Aktuator 1, der zwei Schalter besitzt und wie ein Spannungsumkehrer arbeitet. Wenn es sich bei der an die Eingangselektrode 2 angelegten Eingangsspannung V_in um eine hohe Eingangspannung handelt, die der ersten hohen Versorgungsspannung VDD entspricht, stellt die Ausgangselektrode eine niedrige Ausgangsspannung V_in (z.B. GND) bereit. Wenn dagegen die an die Eingangselektrode 2 angelegte Eingangsspannung niedrig ist und der an die zweite Versorgungsspannungselektrode 5 angelegten niedrigen Versorgungsspannung (GND) entspricht, hat die zweite Versorgungsspannungselektrode 4 Kontakt mit der Ausgangselektrode 3, wodurch eine hohe Ausgangsspannung am Ausgang bereitgestellt wird.
Bei beiden Spalten, d.h. dem Aktuatorspalt g_A und dem Kontaktspalt g₀ , handelt es sich um Spalte zwischen Elektroden, die in einer Bewegungsrichtung gemessen werden. Die Differenz zwischen den Elektrodenwinkeln der Kontakt- und der Aktuatorelektrode ist α. Die Dicke g_A des elektrostatischen Aktuatorspalts hängt von der Dicke des elektrischen Kontaktspalts g₀ und vom Neigungswinkel α wie folgt ab: $g_{A} = g_{0} \cdot cos (α)$
Durch Wählen des vorab festgelegten Neigungswinkels α kann die Differenz des Bewegungsspalts konstruktionsseitig vorgegeben werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke g_o des elektrischen Kontaktspalts gleich der Dicke einer Opferschicht im Herstellungsprozess. In einer möglichen Ausführungsform liegt die Dicke des Kontaktspalts g₀ im Bereich von 5 bis 50 nm. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Dicke des Kontaktspalts g₀ im Bereich von 5 bis 15 nm und vorzugsweise bei ungefähr 10 nm.
In einer möglichen Ausführungsform liegt der Neigungswinkel α zwischen den Aktuatorelektroden und den Kontaktelektroden in einem Bereich von 15 bis 60 Grad. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Neigungswinkel α in einem Bereich zwischen 25 und 35 Grad, insbesondere bei ungefähr 30 Grad.
Die parallelen Stäbe der biegsamen Abschnitte 6A, 7A der strukturierten Träger 6, 7 können ein Längenverhältnis von ungefähr 1 zu 2 aufweisen, sodass sie, wenn sie betätigt werden, keine Dreh- sondern nur eine Translationsbewegung ausführen. In einer möglichen Ausführungsform beträgt die Dicke g₀ des elektrischen Kontaktspalts ungefähr 10 nm, und der Neigungswinkel α beträgt 30 Grad, sodass die Dicke g_A des elektrostatischen Aktuatorspalts ungefähr 11,5 nm beträgt, sodass eine geringfügige Differenz von ungefähr 1,5 nm zwischen der Dicke g_o des elektrischen Kontaktspalts und der Dicke g_A des elektrostatischen Aktuatorspalts besteht. Eine solche geringfügige Differenz wäre durch herkömmliche Lithographie-Verfahren sehr schwer herzustellen. Da der integrierte elektromechanische Aktuator 1 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Neigungswinkel zwischen den Aktuatorelektroden und den Kontaktelektroden aufweist, ermöglicht dies, einen Spalt mit unterschiedlichen Dicken mit demselben Abstandshalter zu definieren. In einer möglichen Ausführungsform werden die Eingangselektrode 2 und die Ausgangselektrode 3 von Platinelektroden gebildet. Abhängig von einer Länge L des biegsamen Trägerabschnitts 6A, 7A ist es möglich, eine Federkonstante für die strukturierten Kontaktträger 6, 7 einzustellen, die sich in einem Bereich von 0,1 bis 10 ^N/_m bewegen kann. Durch Erhöhen der Länge des biegsamen Abschnitts lassen sich die strukturierten Kontaktträger leichter durch elektrostatische Kräfte biegen oder bewegen. Dementsprechend können durch Erhöhen der Länge L des biegsamen Abschnitts die benötigten Schaltspannungen verringert werden. In einer möglichen Ausführungsform liegen die Schaltspannungen in einem Bereich zwischen 0,5 und 5 V. In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Schaltspannungen in einem Bereich unter 1 V. Dementsprechend ist die Betätigungsspannung zum Ausführen einer Betätigung, insbesondere eines Schaltvorgangs, in einer bevorzugten Ausführungsform kleiner als 1 V.
2A zeigt eine Seitenansicht einer weiteren möglichen Ausführungsform eines integrierten elektromechanischen Aktuators 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. 2A zeigt eine Seitenansicht, während 2B eine Draufsicht der Ausführungsform zeigt. Bei der in 2A, 2B gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine Ausführungsform des elektromechanischen Aktuators 1 aus einer Ebene heraus. Wie in 2A, 2B zu sehen ist, können die zwei Versorgungsspannungselektroden 4, 5 auf einem Substrat 8 angeordnet werden, und an jeder Versorgungsspannungselektrode 4, 5 ist ein strukturierter Trägerabschnitt 6, 7 befestigt und kann in Abhängigkeit von einer an die Eingangselektrode 2 angelegten Spannung betätigt werden. Wenn die an die Eingangselektrode 2 angelegte Eingangsspannung V_in einer niedrigen Spannung (GND) entspricht, die an eine zweite Anlegepannungselektrode 5 angelegt wird, biegt oder bewegt das elektrostatische Feld zwischen dem biegsamen Abschnitt des strukturierten Kontaktträgers 6 den Träger in Richtung der Ausgangselektrode 3, bis eine Kontaktfläche 6C des strukturierten Kontaktträgers 6 den Kontakt zu der Kontaktfläche 3A der Ausgangselektrode 3 herstellt. Bei der Ausführungsform von 2A, 2B handelt es sich um einen elektromechanischen Aktuator 1 aus einer Ebene heraus, bei dem die strukturierten Kontaktträger 6, 7 ebenfalls einen biegsamen Abschnitt und einen starren Abschnitt umfassen. Zwischen den Aktuatorelektroden und den Kontaktelektroden besteht eine Neigung mit einem Neigungswinkel α. Die Struktur der strukturierten Kontaktträger 6, 7 stellt eine Translationsbewegung unter dem Einfluss des elektrostatischen Feldes bereit, nicht jedoch eine Drehbewegung. 2A zeigt einen nicht betätigten Schaltzustand eines elektromechanischen Schalters, bei dem der Kontaktspalt nicht geschlossen ist. In einem betätigten Schaltzustand des elektromechanischen Schalters, der in 2A gezeigt ist, ist der Kontaktspalt zwischen den Flächen 3A, 6C geschlossen. In dem betätigten Schaltzustand des elektromechanischen Schalters wird der an der Kontaktelektrode 4 befestigte strukturierte Kontaktträger 6 als Antwort auf eine elektrostatische Kraft gebogen und bewegt, wobei die elektrostatische Kraft von einem elektrischen Feld zwischen dem strukturierten Kontaktträger 6 und der Aktuatorelektrode erzeugt wird, die in diesem Fall von der Eingangselektrode 2 gebildet wird. Durch Biegen des strukturierten Kontaktträgers 6 wird der elektrische Kontaktspalt g₀ zwischen den Kontaktelektroden geschlossen, der elektrostatische Aktuatorspalt wird jedoch nur teilweise geschlossen, sodass ein Spalt bestehen bleibt und dadurch ein Kontakt vermieden wird.
3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines integrierten elektromechanischen Aktuators 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Ausführungsform von 3 handelt es sich bei dem integrierten elektromechanischen Aktuator 1 um einen vertikalen Aktuator. Wie in 3 zu sehen ist, wird der integrierte elektromechanische Aktuator 1 auf einem Substrat 8 bereitgestellt, das zwei vertikal strukturierte Kontaktträger 6, 7 aufweist, die an einer ersten Versorgungsspannungselektrode 4 und an einer zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 befestigt sind. Beide strukturierten elektromechanischen Kontaktträger 6, 7 umfassen einen starren Abschnitt 6A, 7A und einen biegsamen Abschnitt 6B, 7C. Wenn die an die Eingangselektrode 2 angelegte Eingangsspannung V_in der an die Elektrode 4 angelegten ersten Versorgungsspannung V₁ (z.B. VDD) entspricht, wird der an der zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 mit z.B. einem niedrigen Potential GND befestigte zweite strukturierte Kontaktträger 7 als Antwort auf eine elektrostatische Kraft, welche von einem elektrischen Feld zwischen dem zweiten strukturierten Kontaktträger 7 und der Eingangselektrode 2 erzeugt wird, gebogen oder bewegt, um einen Kontakt zwischen der zweiten Versorgungsspannungselektrode 5 und der Ausgangselektrode 3 bereitzustellen. Wenn dagegen die an die Eingangselektrode 2 angelegte Eingangsspannung V_in der zweiten niedrigen Versorgungsspannung (GND) entspricht, wird der an der ersten Versorgungsspannungselektrode 4 befestigte erste strukturierte Kontaktträger 6 als Antwort auf eine elektrostatische Kraft, welche von einem elektrischen Feld zwischen dem ersten strukturierten Kontaktträger 6 und der Eingangselektrode 2 erzeugt wird, bewegt, um einen Kontakt zwischen der ersten Versorgungsspannungselektrode 4 und der Ausgangselektrode 3 bereitzustellen. Durch Anpassen der Länge L der biegsamen Abschnitte 6B, 7B ist es möglich, die Federkonstante in einem Bereich von z.B. 0,1 bis 10 ^N/_m anzupassen.
4 ebenso wie 5A, 5G veranschaulichen eine mögliche Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuators 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten Schritt S1 des Herstellungsprozesses wird Silicium-auf-Isolator (SOI) geätzt, um Trägerkörper bereitzustellen. Wie in 5A zu sehen ist, ist das Silicium von einem Substrat durch einen Isolator wie beispielsweise ein Oxid, insbesondere SIO2, getrennt. Um die Trägerkörper bereitzustellen, wird ein Membranätzen durchgeführt, wie in 5B gezeigt.
In einem weiteren Schritt S2 wird eine selektive Silicidierung durchgeführt, wie in 5C gezeigt. Auf die Trägerkörper wird eine Metallschicht abgeschieden und bildet selektiv mit dem Silicium ein Silicid. Das verbleibende Metall wird weggeätzt. Bei dem Metall kann es sich um Platin (Pt) handeln, das ein Silicid PtSi bildet. Es wird eine Schicht aufgetragen, die leitend ist, jedoch nicht oxidiert.
In einem weiteren Schritt S3 wird die Opferschicht auf die Trägerkörper abgeschieden, wie ebenfalls in 5D gezeigt. In einer möglichen Ausführungsform wird die Opferschicht durch Atomlagenabscheidung ALD gebildet. Die Dicke der Opferschicht entspricht in einer bevorzugten Ausführungsform der definierten Spaltdicke des elektromechanischen Aktuators 1, die im Bereich von 5 bis 50 nm, vorzugsweise bei ungefähr 10 nm, liegt. In einer möglichen Ausführungsform besteht die durch Atomlagenabscheidung ALD gebildete Opferschicht aus Al₂ O₃ . In alternativen Ausführungsformen kann die Opferschicht auch durch chemische Gasphasenabscheidung CVD oder durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung gebildet werden.
In einem weiteren Schritt S4 wird eine Metallabscheidung durchgeführt, wie ebenfalls in 5E gezeigt. Ein Metall wie beispielsweise Platin (Pt) wird auf die Struktur abgeschieden.
In einem weiteren Schritt S5a wird, wie in 5F gezeigt, ein CMP-Schritt, d.h. ein chemisch-mechanischer Polierschritt durchgeführt, um eine glatte Oberfläche zu erhalten.
Schließlich wird in einem Schritt S6 die in Schritt S3 abgeschiedene Opferschicht geätzt, ebenso der Isolator auf der SOI-Struktur, um die Trägerkörper des elektromechanischen Aktuators von dem Substrat zu trennen, wie in 5G zu sehen ist. In einer möglichen Ausführungsform wird dies durch Ätzen mit gasförmiger HF durchgeführt. Wie in 5G zu sehen ist, können die strukturierten Trägerkörper, welche den ersten und den zweiten strukturierten Kontaktträger 6, 7 des integrierten elektromechanischen Aktuators 1 bilden, und in seitlicher Richtung betätigt oder bewegt werden, um Elektrodenspalte zu schließen.
Der integrierte elektromechanische Aktuator 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, der durch einen Herstellungsprozess, wie er in 4, 5 gezeigt ist, hergestellt werden kann, ermöglicht einen hohen Einschaltstrom und einen sehr niedrigen Ausschaltstrom. Darüber hinaus kann das Schalten mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit erfolgen. Der integrierte elektromechanische Aktuator 1 gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen geringen Platzbedarf in einer Einheit auf und kann auf einfach Weise an andere elektronische Einheiten, insbesondere CMOS-Einheiten, angeschlossen werden. Darüber hinaus weist der elektromechanische Aktuator 1 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Leckstrom von nahezu null und eine steile Steigung unterhalb der Schwellenspannung mit einer mechanischen Verzögerung in der Größenordnung von Nanosekunden auf. Hinzu kommt, dass der integrierte elektromechanische Aktuator 1, wie durch den Herstellungsprozess von 4, 5 gezeigt, auf einfache Weise hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil des elektromechanischen Aktuators 1 besteht darin, dass die Bauweise des elektromechanischen Aktuators 1 an die spezifische Anwendung angepasst werden kann, indem die zugehörigen Parameter wie beispielsweise eine Federkonstante eines biegsamen Abschnitts der strukturierten Kontaktträger 6, 7 eingestellt wird, die unter anderem von einer Länge L des biegsamen Abschnitts abhängt. Ein elektromechanischer Aktuator 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einem Herstellungsprozess hergestellt werden, der gegenüber einer Schwankung der Opferschichtdicke vergleichweise unempfindlich ist. Eine Schwankungsbreite der Opferdicke von 10 % führt bei einem Neigungswinkel α = 30° zu einer Schwankung der Spaltdifferenz von ebenfalls 10 %.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, für den Fachmann wird jedoch ersichtlich sein, dass daran verschiedene Änderungen und Ersetzungen durch gleichwertige Lösungen vorgenommen werden können, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zudem können zahlreiche Abänderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne ihren Geltungsbereich zu verlassen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die bestimmte beschriebene Ausführungsform beschränkt sein, sondern die vorliegende Erfindung soll alle Ausführungsformen einschließen, die in den Geltungsbereich der anhängenden Ansprüche fallen. Beispielsweise werden die Spalte nicht notwendigerweise mittels einer Opferschicht erzielt. Ferner kann in Ausführungsformen der elektrostatische Aktuatorspalt ohne Berücksichtigung der Dicke des elektrischen Kontaktspalts und des Neigungswinkels gestaltet werden. Er kann weiterhin von diesen beiden Größen abhängen, aber nicht notwendigerweise nach dem Gesetz g_A = g₀ .cos(α). Der Aktuator kann auch andere Anordnungen als in einer Ebene, aus einer Ebene heraus oder vertikal aufweisen. In ähnlicher Weise muss in Ausführungsformen abhängig von einer bestimmten angestrebten Anwendung die Dicke des Kontaktspalts nicht notwendigerweise im Bereich von 5 bis 50 nm liegen, und der Neigungswinkel braucht nicht im Bereich von 15 bis 60 Grad zu liegen. Außerdem hängt das Ausmaß, wie weit der Kontaktspalt tatsächlich geschlossen wird, von den Einzelumständen ab. Es können auch andere Mittel als ein strukturierter Kontaktträger gewählt werden. Doch auch wenn ein Kontaktträger (oder ein Kontaktteil oder dergleichen) verwendet werden sollten, können hinsichtlich seiner genauen Struktur verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten in Betracht kommen. Allgemeiner gesagt, können Ausführungsformen des integrierten elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung in digitalen elektronischen Schaltungen oder in Computerhardware realisiert werden.

Claims

Integrierter elektromechanischer Aktuator (1), der Folgendes umfasst: - Aktuatorelektroden mit einem elektrostatischen Aktuatorspalt zwischen den Aktuatorelektroden, - Kontaktelektroden mit einem elektrischen Kontaktspalt zwischen den Kontaktelektroden, wobei eine Neigung mit einem Neigungswinkel (α) zwischen den Aktuatorelektroden und den Kontaktelektroden bereitgestellt wird, wobei eine Dicke des elektrischen Kontaktspalts (g0) gleich der Dicke einer Opferschicht ist, und wobei eine Dicke (g_A) des elektrostatischen Aktuatorspalts von der Dicke des elektrischen Kontaktspalts (g₀) und von dem Neigungswinkel (a) wie folgt abhängt: $g_{A} = g_{0} / cos (α) .$
Integrierter elektromechanischer Aktuator nach Anspruch 1, wobei der elektromechanische Aktuator (1) dazu ausgebildet ist, sich bei Betätigung in einer Bewegungsrichtung relativ zu einer Ebene zu bewegen, um einen Kontakt zwischen einer der Kontaktelektroden (4, 5) und einer anderen der Kontaktelektroden (3) herzustellen, wobei der elektromechanische Aktuator (1) Folgendes umfasst: einen Aktuator in der Ebene, wobei die Bewegungsrichtung parallel zu der Ebene ist, wobei sich die andere der Kontaktelektroden (3) in der Ebene befindet; oder einen Aktuator aus der Ebene heraus, wobei die Bewegungsrichtung senkrecht zu der Ebene ist, wobei sich die andere der Kontaktelektroden (3) in der Ebene befindet; oder einen vertikalen Aktuator, wobei die Bewegungsrichtung parallel zu der Ebene ist, wobei sich die andere der Kontaktelektroden (3) außerhalb der Ebene befindet.
Integrierter elektromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Dicke (g₀) des Kontaktspalts im Bereich von 5 bis 50 nm liegt.
Integrierter elektromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Neigungswinkel (a) im Bereich von 15 bis 60 Grad liegt.
Integrierter elektromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der elektromechanische Aktuator (1) mindestens einen elektromechanischen Schalter umfasst.
Integrierter elektromechanischer Aktuator nach Anspruch 5, wobei in einem betätigten Schaltzustand des elektromechanischen Schalters der Kontaktspalt geschlossen ist und wobei in einem nicht betätigten Schaltzustand des elektromechanischen Schalters der Kontaktspalt nicht geschlossen ist.
Integrierter elektromechanischer Aktuator nach Anspruch 6, wobei in dem betätigten Schaltzustand des elektromechanischen Schalters ein an einer Kontaktelektrode (4, 5) befestigter strukturierter Kontaktträger (6, 7) als Antwort auf eine elektrostatische Kraft gebogen wird, die von einem elektrischen Feld zwischen dem strukturierten Kontaktträger (6, 7) und einer Aktuatorelektrode (2) erzeugt wird.
Integrierter elektromechanischer Aktuator nach Anspruch 7, wobei der strukturierte Kontaktträger (6, 7) Folgendes umfasst: einen biegsamen Abschnitt (6A, 7A), der an der Kontaktelektrode (4, 5) befestigt ist, und einen starren Abschnitt (6B, 7B), der mit dem biegsamen Abschnitt verbunden ist und an seinem davon entfernen Ende eine elektrische Kontaktfläche (6C, 7C) aufweist, die von einer elektrischen Kontaktfläche einer anderen Kontaktelektrode (3) durch den elektrischen Kontaktspalt getrennt ist.
Integrierter elektromechanischer Aktuator nach Anspruch 8, wobei der biegsame Abschnitt (6A, 7A) des strukturierten Kontaktträgers (6, 7) eine Federkonstante im Bereich von 0,1 bis 10 ^N/_m aufweist.
Integrierter elektromechanischer Aktuator nach Anspruch 5, wobei der elektromechanische Aktuator (1) Folgendes umfasst: eine Eingangselektrode (2) zum Anlegen einer Eingangsspannung, eine Ausgangselektrode (3) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung, eine erste Versorgungsspannungselektrode (4), an der ein erster strukturierter Kontaktträger (6) befestigt ist, eine zweite Versorgungsspannungselektrode (5), an der ein zweiter strukturierter Kontaktträger (7) befestigt ist, wobei dann, wenn die an die Eingangselektrode (2) angelegte Eingangsspannung der ersten Versorgungsspannung entspricht, der an der zweiten Versorgungsspannungselektrode (5) befestigte zweite strukturierte Kontaktträger (7) als Antwort auf eine elektrostatische Kraft, welche von einem elektrischen Feld zwischen dem zweiten strukturierten Kontaktträger (7) und der Eingangselektrode (2) erzeugt wird, gebogen wird, um einen Kontakt zwischen der zweiten Versorgungsspannungselektrode (5) und der Ausgangselektrode (3) bereitzustellen, wobei dann, wenn die Eingangsspannung, mit der die Eingangselektrode (2) versorgt wird, der zweiten Versorgungsspannung entspricht, der an der ersten Versorgungsspannungselektrode (4) befestigte erste strukturierte Kontaktträger (6) als Antwort auf eine elektrostatische Kraft, welche von einem elektrischen Feld zwischen dem ersten strukturierten Kontaktträger (6) und der Eingangselektrode (2) erzeugt wird, gebogen wird, um einen Kontakt zwischen der ersten Versorgungsspannungselektrode (4) und der Ausgangselektrode (3) bereitzustellen.
Verfahren zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuator (1), umfassend: - Aktuatorelektroden mit einem elektrostatischen Aktuatorspalt zwischen den Aktuatorelektroden, - Kontaktelektroden mit einem elektrischen Kontaktspalt zwischen den Kontaktelektroden, wobei eine Neigung mit einem Neigungswinkel (a) zwischen den Aktuatorelektroden und den Kontaktelektroden bereitgestellt wird, wobei jeder Spalt durch Ätzen einer Opferschicht gebildet wird, deren Dicke einer Dicke des Spalts entspricht, und wobei eine Dicke (g_A) des elektrostatischen Aktuatorspalts von der Dicke des elektrischen Kontaktspalts (g₀) und von dem Neigungswinkel (a) wie folgt abhängt: $g_{A} = g_{0} / cos (α) .$
Verfahren zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuators nach Anspruch 11, wobei die Opferschicht durch Atomlagenabscheidung (ALD), durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines integrierten elektromechanischen Aktuators nach Anspruch 12, welches folgende Schritte umfasst: Ätzen (S1) von Silicium auf einem Isolator zum Bereitstellen von Trägerkörpern, Durchführen (S2) einer selektiven Silicidierung der Trägerkörper, Bilden (S3) von Opferschichten auf den Trägerkörpern, Durchführen (S4) einer Metallabscheidung, Durchführen (S5) eines CMP-Schritts, Ätzen (S6) der Opferschichten und des Isolators, um die Trägerkörper von einem Substrat zu trennen.