DE19800189A1 - Mikromechanischer Schalter und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents
Mikromechanischer Schalter und Verfahren zur Herstellung desselbenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mikromechanische
Schalter sowie Verfahren zur Herstellung derselben, und ins
besondere laterale mikromechanische Schalter, d. h. solche,
die eine bewegliche Elektrode aufweisen, die in einer Ebene
parallel zu der Oberfläche eines Trägersubstrats beweglich
ist.
Zum Schalten von elektrischen Strömen werden in der Technik
entweder elektromechanische Schalter oder Halbleiterschalter
verwendet. Elektromechanische Schalter zeichnen sich neben
einer galvanischen Trennung des Last- und Steuerkreises fer
ner durch eine fast vollständige Isolation der geöffneten
Kontakte sowie einen geringen Kontaktwiderstand aus. Nach
teile mikromechanischer Schalter sind der relativ hohe Lei
stungsverbrauch, das große Bauteilvolumen sowie die langen
Schaltzeiten im Millisekundenbereich.
Dagegen weisen Halbleiterschalter geringe Schaltzeiten, eine
hohe Prellfreiheit, eine hohe Schockfestigkeit und eine von
der Schaltzahl unabhängige Lebensdauer auf. Nachteile der
Halbleiterschalter sind das temperaturabhängige Schaltver
halten, die niedrigen Isolationswiderstände und die aufwen
digen Schutzmaßnahmen gegen Überlast.
In jüngerer Zeit wird durch die Verwendung mikrotechnischer
Fertigungsverfahren in zunehmendem Maße versucht, miniaturi
sierte Schalter oder Mikrorelais herzustellen. Aufgrund der
Ergebnisse des aktuellen Entwicklungsstandes ist zu erken
nen, daß derartige Mikroschalter schnelle Schaltzeiten im
Mikrosekunden-Bereich, eine hohe Schockfestigkeit, geringe
Kontaktwiderstände und hohe Isolationswiderstände aufweisen
und ein prellfreies Schalten ermöglichen. Überdies werden
diese Eigenschaften bei einem sehr geringen Bauteilvolumen
erreicht. Durch die mikrotechnische Fertigung ist darüberhi
naus eine preisgünstige Massenproduktion möglich. Es sind
mikromechanische Schalter bekannt, die aus einer beweglichen
Balkenstruktur bestehen, die als Kontaktträger dient. Bei
herkömmlichen mikromechanischen Schaltern bewegt sich diese
Balkenstruktur üblicherweise in der z-Achse, d. h. von dem
Trägersubstrat weg oder zu dem Trägersubstrat hin. Die Bewe
gungsrichtung der beweglichen Balkenstruktur liegt also
senkrecht zu dem Substrat.
Der Trägerbalken besteht bei derartigen Schalterkonzepten,
deren bewegliche Balkenstruktur sich senkrecht zum Trager
substrat bewegt, aus Polysilizium, Siliziumdioxid, Metall
oder einem Schichtverbund aus mehreren Werkstoffen. Derar
tige Schalter sind bei I. Schiele, B. Hillerich, C. Evers,
F. Kozlowski, Micromechanical Relay with Electrostatic
Actuation, Proceedings Transducers 97, 9th International
Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chica
go/USA, 16-19 Juni 1997; Paul M. Zavracky, Sumit Majumder,
Nicol E. McGruer, Micromechanical switches Fabricated Using
Nickel Surface Micromachininq, Journal of Microelektromecha
nical Systems, Bd.6, Nr.1, März 1997; und M.-A. Gretillat,
P. Thiebaud, N. F. de Rooij, c. Linder, Electrostatic Poly
silicon Microrelays Integrated with MOSFETs, Proc. IEEE MEMS
Workshop 94, Oiso, Japan (1994), beschrieben. Diese Träger
balken bei den bekannten Schaltern sind eigenspannungsbehaf
tet. Durch diese Eigenspannungen werden unerwünschte Defor
mationen des Trägerbalkens bewirkt. Beispielsweise verformt
sich der bewegliche Teil des Schalters aus der Waferebene
heraus. Um eine solche Verformung zu verhindern, muß die
Eigenspannung reduziert werden, wobei dies jedoch nur sehr
eingeschränkt möglich ist.
Um dennoch funktionsfähige Schalter herzustellen, wird diese
Eigenspannung bei bekannten Schaltern dazu benutzt, um eine
gewollte Vordeformation des beweglichen Balkens einzustel
len. Dies dient einmal dazu, einen großen Kontaktabstand zu
erreichen, der die Hochfrequenztauglichkeit eines Mikrore
lais garantiert. Ferner kann damit ein sogenannter Wander
keilantrieb, wie er in der DE-C-4205029 beschrieben ist,
realisiert werden. Hierbei ist jedoch nicht auszuschließen,
daß es durch Inhomogenitäten bei der Prozeßführung zu un
terschiedlichen Eigenspannungszuständen kommen kann, wodurch
die Deformation variiert wird. Dies führt zu einer verrin
gerten Ausbeute.
Wie oben beschrieben, bewegt sich die Balkenstruktur bei be
kannten Mikroschaltern üblicherweise senkrecht zum Substrat.
Durch die in der Mikrotechnik verwendeten Planartechnologien
ist es dabei schwierig, auf den Kontaktstücken derartiger
Schalter Kontaktspitzen zu strukturieren. Derartige Kontakt
spitzen sind jedoch vorteilhaft, da sie den Kontaktdruck
erhöhen und somit den Kontaktwiderstand verringern. Eine
derartige Kontaktstelle ist beispielsweise in der oben ge
nannten Schrift von Paul M. Zavracky u. a. offenbart. Hierbei
wird in einer Kupfer-Opferschicht mittels isotropen Ätzens
eine Vertiefung erzeugt. Diese Vertiefung wird mit dem Trä
gerwerkstoff des beweglichen Elements ausgefüllt, so daß
nach dem Entfernen der Opferschicht eine Kontaktspitze ent
steht. Die Form der Kontaktspitze ist jedoch durch die ver
fügbaren isotropen oder anisotropen Ätzverfahren bedingt, so
daß dieselbe nicht frei gewählt und den jeweiligen Anforde
rungen angepaßt werden kann. Bei solchen vertikalen Schal
tern ist zur Bildung der Kontaktspitze ein Lithographie
schritt notwendig, wodurch die Herstellungskosten steigen.
Ein lateraler Schalter ist bei Rob Legtenberg, John Gilbert,
Stephen D. Senturia, Miko Elwenspoek, Electrostatic Curved
Electrode Actuators, Journal of Microelectromechanical Sy
stems, Bd. 6, Nr. 3, September 1997, beschrieben. Dieser la
terale Schalter weist eine gekrümmte Gegenelektrode auf. Der
bewegliche Balken wird durch elektrostatische Kräfte betä
tigt. Ein Kurzschluß zwischen beweglicher Gegenelektrode und
gekrümmter Elektrode wird unter anderem durch Stopper er
reicht. Der bewegliche Balken besteht bei dem bekannten la
teralen Schalter aus eigenspannungsbehaftetem Polysilizium,
wodurch ebenfalls die oben beschriebenen Probleme entstehen.
Ferner kann Polysilizium nur in dünnen Schichten abgeschie
den werden, so daß die Herstellung eines Balkens mit großem
Aspektverhältnis nicht möglich ist. Folglich ist die Stei
figkeit des Balkens in der z-Richtung, d. h. senkrecht zu dem
Substrat, gering. Dies hat Auswirkungen auf den Opfer
schichtätzprozeß. Bei einem naßchemischen Opferschichtätzen
wird die freie Struktur durch Adhäsions- und Kohäsions-Kräf
te der trocknenden Flüssigkeit zu dem Substrat hingezogen,
wo sie dann kleben bleibt. Daher muß zur Herstellung dieses
bekannten Schalters ein spezielles Opferschichtätzverfahren
angewendet werden, was wiederum die Herstellungskosten er
höht.
Aus der DE-A-19530736 ist ein Verfahren zur Herstellung ei
nes Beschleunigungssensors bekannt, bei dem SOI-Wafer (SOI =
Silicon on Isolator) in Verbindung mit Tiefenätzverfahren
verwendet werden. Bei dem bekannten Beschleunigungssensor
wird eine bewegliche, auslenkbare Masse zusammen mit einer
Kammstruktur zur kapazitiver Erfassung der Auslenkung der
Masse durch das Wegätzen der unter diesen Strukturen ange
ordneten Siliziumoxidschicht gebildet.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik besteht die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen einfach her
stellbaren mikromechanischen Schalter zu schaffen, bei dem
Probleme bezüglich einer Eigenspannung des Materials, aus
dem die bewegliche Elektrode gebildet ist, beseitigt sind.
Diese Aufgabe wird durch einen mikromechanischen Schalter
gemäß Anspruch 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar
in, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen mikromechani
schen Schalters zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 17 ge
löst.
Die vorliegende Erfindung basiert primär auf der Erkenntnis,
daß es möglich ist, einen lateralen mikromechanischen Schal
ter zu schaffen, bei dem eine Vielzahl der bei bekannten
Schaltern auftretenden Probleme beseitigt sind, indem die
wesentliche Struktur der beweglichen Elektrode eines latera
len mikromechanischen Schalters aus einem einkristallinen
Halbleitermaterial, vorzugsweise einem einkristallinen Sili
zium, hergestellt ist.
Die vorliegende Erfindung schafft einen mikromechanischen
Schalter, der ein Trägersubstrat, ein auf einer Hauptober
fläche des Trägersubstrats angeordnetes, feststehendes Kon
taktstück, eine auf der Hauptoberfläche des Trägersubstrats
angeordnete Gegenelektrode sowie eine bewegliche Elektrode
aufweist. Die bewegliche Elektrode weist ein befestigtes En
de, das an der Hauptoberfläche des Trägersubstrats befestigt
ist, und ein freies Ende auf. Die bewegliche Elektrode ist
durch eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen der be
weglichen Elektrode und der Gegenelektrode bewegbar, um ei
nen elektrischen Kontakt zwischen der beweglichen Elektrode
und dem feststehenden Kontakt zu bilden bzw. zu lösen. Gemäß
der vorliegenden Erfindung besteht die wesentliche Struktur
der beweglichen Elektrode aus einem einkristallinen Halblei
termaterial, wobei die bewegliche Elektrode vorzugsweise als
längliche Struktur ausgebildet ist, deren Höhe senkrecht zu
der Hauptoberfläche des Trägersubstrats verglichen mit ihrer
Breite parallel zu dem Substrat groß ist.
Der erfindungsgemäße mikromechanische Schalter weist einen
lateral beweglichen Balken auf. Ein Vorteil eines lateralen
Schalters besteht darin, daß das Schaltverhalten desselben
schneller und genauer analysiert werden kann wie bei einem
vertikalen Schalter. Da die Bewegungsrichtung des lateralen
Schalters in der Substratebene liegt, lassen sich solche
Schalter einfacher unter einem Mikroskop beobachten. Die
Kontaktfläche sowie die Bewegung läßt sich somit schneller
analysieren und bedarf keiner REM-Aufnahmen, die ohnehin
meist nur statische Aufnahmen liefern.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der vorlie
genden Erfindung weist der bewegliche Balken an dem freien
Ende desselben einen Kontaktspitzenbereich auf. Durch einen
derartigen Kontaktspitzenbereich erhöht sich der Kontakt
druck, was wiederum zu einem geringen Kontaktwiderstand und
einem zuverlässigen Schalten führt. Die mikrotechnische Her
stellung einer solchen Kontaktspitze ist bei lateral beweg
lichen Balken besonders einfach, da hier der Kontaktschluß
in der lateralen Ebene stattfindet. Durch eine Phototechnik
kann der bewegliche Balken mit Kontaktspitzen definiert und
anschließend durch anisotrope Ätzverfahren strukturiert wer
den. Somit ist im Gegensatz zu vertikalen Schaltern zur Fer
tigung einer Kontaktspitze keine spezielle Phototechnik not
wendig, was eine kostengünstige Fertigung ermöglicht. Ferner
kann bei lateralen Schaltern die Form der Kontaktspitze frei
gewählt werden, da dieselbe vollständig durch die Maske de
finiert wird.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung weist der mikromechanische Schalter
eine Rückstellfeder auf. Eine wichtige Teilfunktion eines
Schalters ist das Speichern mechanischer Energie für die
Kontaktöffnung nach Fortfall der Erregung. Bei bekannten
vertikalen Schaltern wird durch die Deformation der beweg
lichen Struktur und in manchen Ausführungsformen auch durch
die Deformation der kontaktgebenden Struktur eine mechani
sche Energie gespeichert, die zum öffnen des Kontakts benö
tigt wird. Bei einem erfindungsgemäßen lateralen Schalter
ist es möglich, eine Rückstellfeder zu strukturieren, die
bei einer Erregung des Schalters gespannt wird und damit
eine zusätzliche mechanische Energie speichert. Durch diese
Rückstellfeder wird ein zuverlässiges öffnen der Kontakte
möglich. Ferner wird durch die Rückstelleinrichtung ein ab
ruptes öffnen der Kontakte erreicht, wodurch ein funkenfrei
es Schalten unterstützt wird. Die Spannkraft der Rückstell
feder ist während des Herstellungsverfahrens konstruktiv
einstellbar, so daß die Schließ-, Öffnungs- und Halte-Werte
des Schalters einfach zu beeinflussen sind. Überdies kann
die Rückstelleinrichtung bei dem Herstellungsverfahren gemäß
der vorliegenden Erfindung ohne zusätzliche Verfahrens
schritte erzeugt werden, was eine kostengünstige Fertigung
ermöglicht.
Wie oben beschrieben, basiert die vorliegende Erfindung auf
der Verwendung eines einkristallinen Halbleitermaterials,
vorzugsweise eines einkristallinen Siliziums, für die beweg
liche Elektrode des lateralen Schalters. Da dieses Material
eigenspannungsfrei ist, treten keinerlei Deformationen oder
Verwerfungen auf. Weiterhin sind die Materialeigenschaften
von einkristallinem Silizium sehr genau erforscht, so daß
das Schaltverhalten des erfindungsgemäßen Schalters durch
eine rechnergestützte Simulation gut voraussagbar ist. Fer
ner kann zur Herstellung der erfindungsgemäß lateralen mi
kromechanischen Schalter vorteilhaft ein SOI-Wafer verwendet
werden. Dadurch wird das Herstellungsverfahren einfach und
kostengünstig. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
es beispielsweise möglich, mit nur zwei Phototechniken einen
lateralen Schalter herzustellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine Drei
schichtstruktur bereitgestellt, die aus einer Trägerschicht,
einer auf derselben angeordneten Zwischenschicht und einer
auf der Zwischenschicht angeordneten Schicht aus einem ein
kristallinen Halbleitermaterial besteht. In der einkristal
linen Halbleitermaterialschicht werden ein feststehendes
Kontaktstück, eine Gegenelektrode und eine Schaltelektrode
strukturiert. Im Anschluß erfolgt ein zeitlich begrenztes
Ätzen der Zwischenschicht derart, daß die Schaltelektrode
mit Ausnahme eines Befestigungsbereichs derselben vollstän
dig unterätzt wird, um eine bewegliche Elektrode zu bilden,
wobei die bewegliche Elektrode, das feststehende Kontakt
stück und die Gegenelektrode derart angeordnet sind, daß die
bewegliche Elektrode durch eine elektrostatische Anziehungs
kraft zwischen derselben und der Gegenelektrode für eine
Kontaktierung zwischen der beweglichen Elektrode und dem
feststehenden Gegenstück bewegbar ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah
rens wird beim Strukturieren der Schaltelektrode ein ver
dünnter Bereich der Schaltelektrode neben dem Befestigungs
bereich derselben erzeugt, um dadurch eine Absenkung der Be
tätigungsspannung zu ermöglichen. Dieser Verdünnungsbereich
wird erfindungsgemäß mittels eines Zweistufen-Prozesses er
reicht, bei dem am Einspannpunkt des beweglichen Balkens Ma
terial durch Ätzen entfernt wird. Dadurch wird die Balken
steifigkeit reduziert, während die Elektrodenfläche nahezu
konstant bleibt, wodurch niedrigere Betätigungsspannungen
erreicht werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin,
daß durch dieses Verfahren das Ansprechverhalten des Schal
ters gezielt beeinflußt werden kann, so daß in Kombination
mit einer Rückstellfeder das gesamte statische und dynami
sche Verhalten steuerbar ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Schalters besteht darin, daß derselbe hochfrequenztauglich
ausgebildet werden kann. Zu diesem Zweck muß die Kontaktka
pazität gering gehalten werden. Dies kann erreicht werden,
wenn die feste Elektrode oder die bewegliche Elektrode als
Kurve ausgebildet sind. Dies führt zu einem geringen Elek
trodenabstand am Einspannpunkt, wodurch eine geringe Betä
tigungsspannung erreicht wird, und zu einem großen Kontakt
abstand am freien Ende der beweglichen Elektrode, wodurch
eine geringe Kontaktkapazität erreicht wird. Um das Hoch
frequenzverhalten zu verbessern, ist es ferner vorteilhaft,
das Trägersubstratmaterial unter der beweglichen Struktur zu
entfernen. Dies ist vorteilhaft, da die bewegliche Struktur
nur durch eine dünne, vorzugsweise 5 µm dicke Opferschicht
von dem Trägersubstrat beabstandet ist und somit parasitäre
Kapazitäten auftreten können, die zu einem Überkoppeln von
Signalen von der beweglichen Elektrode über das Substrat zu
der festen Elektrode kommen kann. Dies kann verhindert wer
den, indem das Substratmaterial unter der beweglichen Struk
tur entfernt wird, was beispielsweise durch einen Rücksei
ten-KOH-Prozeß erreicht werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
mikromechanischen Schalters sowie des erfindungsgemäßen Ver
fahrens zur Herstellung desselben sind in den abhängigen An
sprüchen dargelegt.
Bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen
gleiche Elemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen bezeich
net sind, werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines ersten bevor
zugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
mikromechanischen Schalters;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht eines zweiten bevor
zugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
mikromechanischen Schalters;
Fig. 3A) bis 3D) schematisch Schritte eines ersten bevorzug
ten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ver
fahrens zur Herstellung eines mikromechanischen
Schalters;
Fig. 4A) bis 4E) schematisch Schritte eines zweiten bevor
zugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen
Schalters;
Fig. 5A) bis 5c) schematisch Schritte eines dritten bevor
zugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung einem mikromechanischen
Schalters;
Fig. 6A) bis 6E) schematisch Schritte eines vierten bevor
zugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen
Schalterstruktur; und
Fig. 7 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalters.
Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 zwei
bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen late
ralen Schalters beschrieben. Zunächst sei darauf hingewie
sen, daß der erfindungsgemäße laterale Schalter vorzugsweise
aus drei Hauptschichten gebildet ist, wobei die erste
Schicht vorzugsweise aus Silizium besteht und als Trägerma
terial -dient. Die zweite Schicht besteht vorzugsweise aus
Siliziumdioxid oder Polyimid, ist lateral ätzbar und iso
lierend, und dient ferner als Opferschicht zum Bilden der
beweglichen Elektrodenstruktur. Eine dritte Schicht besteht
aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, vorzugsweise
einem einkristallinen Silizium, das p- oder n-dotiert sein
kann, eigenspannungsfrei ist, und in dem die eigentliche
Struktur des erfindungsgemäßen lateralen Schalters gebildet
ist. Dabei sind die feststehenden, aus der dritten Schicht
gebildeten Teile des mikromechanischen Schalters über die
zweite, aus Siliziumdioxid oder Polyimid gebildete Schicht,
mit der Trägerschicht verbunden.
In Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht eines ersten be
vorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen mikro
mechanischen Schalters dargestellt. Es sei darauf hingewie
sen, daß in Fig. 1 lediglich die aus der dritten Schicht,
d. h. dem eigenspannungsfreien Material, gebildeten Struktu
ren dargestellt sind. Es ist offensichtlich, daß alle Struk
turteile mit Ausnahme der beweglichen Elektrode über die
zweite Schicht mit dem Trägersubstrat verbunden sind.
In Fig. 1 ist bei 10 ein Befestigungsbereich einer bewegli
chen Elektrode 12 dargestellt. Die bewegliche Elektrode 12
ist parallel zum Trägersubstrat beweglich, d. h. in Fig. 1 in
der Papierebene. Die bewegliche Elektrode 12 ist durch einen
Verbindungspunkt 14, an dem dieselbe mit dem Befestigungsbe
reich 10 verbunden ist, einseitig eingespannt. Ein Ende 16
der beweglichen Elektrode ist parallel zu dem Trägersubstrat
beweglich und wird daher als freies Ende bezeichnet.
Benachbart zu der beweglichen Elektrode, jedoch beabstandet
von derselben ist eine Gegenelektrode 18 auf dem Trägersub
strat angeordnet. Ferner ist ein feststehendes Kontaktstück
20 auf dem Trägersubstrat vorgesehen, derart, daß dasselbe
durch die bewegliche Elektrode 12 kontaktiert werden kann.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist die Gegenelektrode 18
eine gekrümmte Oberfläche 22 auf, von der Anschlagvorrich
tungen, oder Stopper, 24 vorstehen. Die Stopper 24 sind von
der Gegenelektrode 18 jeweils um Zwischenräume 26 beabstan
det, so daß die Gegenelektrode 18 und die Stopper 24 nicht
auf dem gleichen Potential liegen. Bei dem in Fig. 1 darge
stellten Ausführungsbeispiel ist ferner eine Rückstellvor
richtung gezeigt, die aus einem mit der beweglichen Elek
trode 12 einstückig gebildeten Federbauteil 28 sowie einem
fest mit dem Substrat verbundenen Gegenhaltebauteil 30 be
steht. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist das Federbauteil 28
bei diesem Ausführungsbeispiel eine- im wesentlichen anker
artige Form auf. Wesentliche für die vorliegende Erfindung
ist, daß die bewegliche Elektrode 12 aus einem einkristalli
nen Halbleitermaterial besteht und somit keine Eigenspannun
gen besitzt.
Wird nun zwischen der beweglichen Elektrode 12 und der Ge
genelektrode 18 eine Spannung angelegt, entsteht eine elek
trostatische Kraft, die den beweglichen -Balken, d. h. die
bewegliche Elektrode 12, zu der Gegenelektrode 18 hinzieht.
Da diese elektrostatische Kraft an den Stellen groß ist, an
denen der Elektrodenabstand, zwischen beweglicher Elektrode
12 und Gegenelektrode 18, klein ist, schmiegt sich der Bal
ken ausgehend von dem Einspannpunkt 14 an die kurvenförmige
Gegenelektrode 18 an, bis der Kontakt zwischen einer Kon
taktspitze 32, die an dem freien Ende der beweglichen Elek
trode 12 gebildet ist, und dem feststehenden Kontaktstück 20
geschlossen ist. Die Stopper 24 verhindern hierbei einen
Kurzschluß zwischen der beweglichen Elektrode 12 und der Ge
genelektrode 18. Diese Stopper 24 bewirken, daß die ausge
lenkte bewegliche Elektrode 12 von der Gegenelektrode 18 be
abstandet bleibt, so daß es zu keiner Berührung zwischen der
beweglichen Elektrode 12 und der Gegenelektrode 18 kommen
kann.
Während die bewegliche Elektrode 12 zu der Gegenelektrode 18
hingezogen wird, treffen die zwei äußeren Enden 34 und 36
des Federbauteils 28 auf eine denselben zugewandte Oberflä
che des Gegenhaltebauteils 30. Um eine Bewegung des ein
stückig mit der beweglichen Elektrode 12 gebildeten Teils
der Rückstellvorrichtung zu ermöglichen, ist in dem Gegen
haltebauteil 30 ein Zwischenraum 38 angeordnet, in dem sich
der entsprechende Teil des Federbauteils 28, der den ge
krümmten Abschnitt desselben mit der beweglichen Elektrode
12 verbindet, bewegen kann. Die den äußeren Enden 34, 36 des
Federbauteils zugewandte Oberfläche des Gegenhaltebauteils
80 ist abgeschrägt, so daß die äußeren Enden bei einer Be
wegung der beweglichen Elektrode 12 im wesentlichen gleich
zeitig auf diese Oberfläche treffen. Wird nun die bewegliche
Elektrode 12 weiter zu dem feststehenden Kontaktstück 20 hin
bewegt, verbiegen sich die äußeren Enden 34, 36 des Feder
bauteils, so daß dieselben eine Spannung auf die bewegliche
Elektrode 12 ausüben.
Wird nun die Spannung zwischen der beweglichen Elektrode 12
und der Gegenelektrode 18 unterbrochen, öffnet sich der
Schalter zum einen aufgrund der Rückstellkraft des Balkens
und zum anderen unterstützt durch die wirkende Spannung des
Federbauteils 28. Durch diese gespannte Rückstellfeder wird
ein schlagartiges Öffnen des Schalters erreicht, was für ein
funkenfreies Schalten notwendig ist. Ferner ist ein schlag
artiges Schließen des Schalters notwendig. Dieses schlagar
tige Schließen wird durch das elektrostatische Wirkprinzip
erreicht, da die elektrostatische Kraft schneller ansteigt
als die elastische Rückstellkraft des Balkens der bewegli
chen Elektrode. Dies führt dazu, daß bei einer bestimmten
Spannung, die als Schnappspannung bezeichnet werden kann,
der Balken schlagartig ausgelenkt wird.
In Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht eines zweiten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Schalters dargestellt. Eine bewegliche Elektrode 42 weist an
einem ersten Ende derselben wiederum einen Befestigungsbe
reich 10 auf, während das andere Ende 16 derselben parallel
zu dem Trägersubstrat beweglich ist. An dem freien Ende 16
ist wiederum eine Kontaktspitze 32 vorgesehen. Es sei darauf
hingewiesen, daß statt der in den Fig. 1 und 2 jeweils ge
zeigten einzelnen Spitze ein Spitzenbereich vorgesehen sein
kann, der jeweils eine Mehrzahl von nebeneinander angeordne
ten Spitzen aufweist.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist eine Gegenelektrode 44 bei
diesem Ausführungsbeispiel keine gekrümmte Oberfläche auf,
sondern eine parallel zu der beweglichen Elektrode 42 ver
laufende, derselben zugewandte Oberfläche 46. Beabstandet
von der Gegenelektrode 44 ist wiederum ein feststehendes
Kontaktstück 48 vorgesehen, das von der Kontaktspitze 32 der
beweglichen Elektrode 42 kontaktierbar ist. Die bewegliche
Elektrode 42 ist wiederum mit einer Rückstelleinrichtung
versehen. Die Rückstelleinrichtung besteht aus einer Mehr
zahl von Federbauteilen 50 sowie einem Gegenhaltebauteil 52.
Das Gegenhaltebauteil 52 und die Federbauteile 50 sind der
art ausgebildet, daß das Gegenhaltebauteil 52 ferner als ein
Abstandhalter wirkt, der verhindert, daß die bewegliche
Elektrode 42 mit der Gegenelektrode 44 in Berührung kommt.
Dazu weist das Gegenbauteil Anschläge 54 auf, auf die bei
einer Bewegung der beweglichen Elektrode 42 gegenüberliegen
de Flächen 56 der Federbauteile 50 treffen. Diese Flächen 56
sind über eine federartige Einrichtung 58 mit einem Längs
träger 60 verbunden, wobei der Längsträger 60 über einen
Querträger 62 mit der beweglichen Elektrode 42 verbunden
ist.
Wird eine Spannung zwischen der Gegenelektrode 44 und der
beweglichen Elektrode 42 angelegt, bewegt sich die bewegli
che Elektrode 42 in Richtung der Gegenelektrode 44. Dadurch
treffen die Flächen 56 auf die Anschläge 54, so daß die fe
derartigen Einrichtungen 58 der Federbauteile 50 gegen das
Gegenhaltebauteil 52 vorgespannt werden. Dadurch ergibt sich
eine Spannung der Rückstelleinrichtung. Durch diese Spannung
wird gleichzeitig bewirkt, daß die bewegliche Elektrode 42
von der Gegenelektrode 44 beabstandet bleibt. Das Öffnen und
Schließen des in Fig. 2 dargestellten Schalters geschieht
auf die oben beschriebene Art und Weise. Diese Ausführungs
form hat den Vorteil, daß keine Stopper benötigt werden, wo
durch die Fläche der Gegenelektrode -nicht verkleinert wird.
Dies führt bei gleicher Spannung zu einer höheren elektro
statischen Kraft. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung der Kon
taktkraft zwischen der Kontaktspitze 32 und dem feststehen
den Kontaktstück 48. Ein vergleichbarer Schalter, der bei- -
spielsweise die bezugnehmend auf Fig. 1 beschriebenen Stop
per aufweist, muß mit einer höheren Spannung betrieben wer
den, da durch die Stopper die Fläche der Gegenelektrode ver
ringert wird, wodurch die elektrostatische Kraft, die zum
Auslenken des Balkens zur Verfügung steht, reduziert wird.
Bezugnehmend auf Fig. 3 wird nachfolgend ein erstes Ausfüh
rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Her
stellen eines mikromechanischen Schalters erläutert. Als
Ausgangsmaterial wird bei dem bevorzugten Ausführungsbei
spiel ein SOI-Wafer verwendet, der aus einer Siliziumschicht
70, die als Trägerschicht dient, einer Zwischenschicht 72,
die vorzugsweise aus Siliziumdioxid oder Polyimid bestehen
kann, und einer einkristallinen Siliziumschicht 74 besteht.
Die Siliziumschicht 74 kann p- oder n-dotiert sein. In Fig.
3A ist ferner ein Koordinatensystem dargestellt, wobei die
Koordinatenachsen desselben die Richtungen der hierin ver
wendeten Bezeichnungen x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung
definieren. Ferner sei darauf hingewiesen, daß in den sche
matischen Darstellungen der Fig. 3 bis 6 jeweils nur die
Herstellungsschritte zum Herstellen der beweglichen Elektro
de dargestellt sind, wobei es für Fachleute offensichtlich
ist, wie gleichzeitig mit der Herstellung der beweglichen
Elektrode die Gegenelektrode, das feststehende Kontaktstück
sowie die Rückstelleinrichtung in den Schichten 72 und 74
auf der Trägerschicht 70 strukturiert werden können.
Bei dem nachfolgend bezugnehmend auf Fig. 3 beschriebenen
Verfahren sind nur zwei Phototechniken nötig, um einen er
findungsgemäßen lateralen Schalter herzustellen. Zunächst
wird auf die einkristalline Siliziumschicht 74 eine Haft
schicht 76, die vorzugsweise aus TiW besteht, aufgebracht.
Auf diese Haftschicht wird eine Metallschicht 78, die vor
zugsweise aus Gold (Au) besteht, aufgebracht. Diese Schich
ten werden mittels einer ersten Phototechnik strukturiert,
um Bondpads und Leiterbahnen zu bilden, wobei in Fig. 3A die
beiden Schichten 76 und 78 bereits in ihrer strukturierten
Form dargestellt sind.
Nachfolgend wird mittels eines zweiten photolithographischen
Verfahrens, die Struktur 80 der beweglichen Elektrode und
des feststehenden Bereichs derselben gebildet, um beispiels
weise die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Form aufzuweisen.
In der folgenden Beschreibung wird diese bewegliche Elek
trode zusammen mit dem feststehenden Bereich derselben als
Schaltelektrode 80 bezeichnet, solange die Opferschicht 72
noch nicht entfernt ist und die bewegliche Elektrode somit
noch nicht beweglich ist. Die Strukturierung der Schaltelek
trode 80 kann z. B. in bekannter Weise durch die Verwendung
einer Maskierung, einer Belichtung und eines Siliziumtiefen
ätzprozesses durchgeführt werden. Die resultierende Struktur
ist in Fig. 3B dargestellt.
Im Anschluß wird die Opferschicht 72 geätzt, derart, daß nur
noch Verbindungsteile derselben, zum Verbinden des festste
henden Bereichs der beweglichen Elektrode mit der Träger
schicht 70, sowie in gleicher Weise zur Verbindung der Ge
genelektrode, des feststehenden Kontaktstücks sowie des
feststehenden Gegenhaltebauteils mit der Trägerschicht 70
zurückbleiben. Die sich ergebende Struktur ist in Fig. 3C
dargestellt. Die bewegliche Elektrode 80 ist somit an einem
Ende derselben über das Verbindungsteil 82 mit der Träger
schicht 70 verbunden. Besteht die Opferschicht 72 aus Si
liziumdioxid, wird dieselbe in einem naßchemischen Prozeß
geätzt, während dieselbe in einem Trockenätzprozeß, bei
spielsweise unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas, geätzt
wird, wenn dieselbe aus Polyimid besteht. Durch ein zeitlich
begrenztes Ätzen werden nur die beweglichen Strukturen voll
ständig unterätzt, so daß dieselben freistehend sind, wäh
rend die feststehenden Strukturen wegen der größeren Fläche
nicht vollständig unterätzt werden, so daß dieselben stehen
bleiben, siehe Verbindungsteil 82.
In einem abschließenden Schritt D wird nachfolgend eine Me
tallschicht 84 aufgebracht, die vorzugsweise aus Gold be
steht. Diese Metallschicht wird bei einem bevorzugten Aus
führungsbeispiel mittels eines Sputterverfahrens aufge
bracht. Diese Metallschicht 84 dient als Kontaktwerkstoff.
Die Metallschicht belegt sowohl die Flächen in der Wafer
ebene als auch die vertikalen Seitenflächen des beweglichen
Balkens. Da die Dicke der Metallschicht 84 dünner ist als
die Dicke der Opferschicht 72 bleibt zwischen dem bewegli
chen Balken und der Oberfläche der Trägerschicht 70 ein
Luftspalt bestehen, wie in Fig. 3D gezeigt ist, so daß der
Balken frei beweglich bleibt. Wird der Balken ausgelenkt,
trifft die metallisierte Kontaktspitze, wobei die Kontakt
spitze bei dem oben genannten Schritt des Strukturierens der
Schaltelektrode 80 strukturiert wird, auf das feststehende
ebenfalls metallisierte Kontaktstück und der Stromkreis ist
geschlossen. Es sei darauf hingewiesen, daß auf die separate
Metallisierung verzichtet werden kann, wenn die einkristal
line Siliziumschicht 74 dotiert ist, um eine ausreichende
Leitfähigkeit aufzuweisen.
Bezugnehmend auf Fig. 4 wird nun ein zweites bevorzugtes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläu
tert. Das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel unterschei
det sich bezüglich des ersten Ausführungsbeispiels, das in
Fig. 3 dargestellt ist, lediglich durch einen Rückseiten
ätzprozeß, durch den die Trägerschicht 70 in dem Bereich,
der später unterhalb des beweglichen Balkens liegt, zu ent
fernt wird. Zu diesem Zweck wird zunächst auf der Rückseite
der Trägerschicht 70 eine Maskierungsschicht aufgebracht,
die vorzugsweise aus einer Siliziumdioxidschicht 86 und ei
ner Siliziumnitridschicht 88 besteht. Diese Maskierungs
schicht wird im Anschluß, d. h. nach dem Strukturieren der
Bondpads unter der Leiterbahnen auf der einkristallinen Si
liziumschicht 74 strukturiert, um eine Maske 90 für das Ät
zen der Trägerschicht 70 zu bilden. Nachfolgend wird vor
zugsweise mittels eines KOH-Ätzprozesses ein Graben 92 ge
ätzt, der bis zu der Opferschicht 72 reicht, wie in Fig. 4B
gezeigt ist. Mittels dieses Verfahrensschrittes wird das
Substratmaterial der Trägerschicht 70, das sich unterhalb
oder in unmittelbarer Nähe zum beweglichen Balken befindet,
entfernt. Dies ist vorteilhaft dahingehend, daß beim späte
ren Betrieb des Schalters ein Überkoppeln von Signalen über
das feststehende Kontaktstück, die Trägerschicht und den be
weglichen Balken verhindert wird. Die in den Fig. 4C bis 4E
dargestellten Verfahrensschritte entsprechen den Verfahrens
schritten, die bezugnehmend auf die Fig. 3B bis 3D beschrie
ben wurden.
In den Fig. 5A bis 5D ist ein drittes bevorzugtes Ausfüh
rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Das in Fig. 5 dargestellte Verfahren stellt einen Zweistu
fenprozeß dar, wobei sich die beiden Stufen auf die Erzeu
gung des beweglichen Balkens beziehen, der in zwei Prozeß
schritten strukturiert wird. Als Ausgangspunkt dient wie
derum ein SOI-Wafer bestehend aus den Schichten 70, 72 und
74. Auf die Oberseite der einkristallinen Siliziumschicht 74
wird zunächst eine Maskierungsschicht 94 aufgebracht, die
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus einer Haft
schicht 76 (TIW) einer Metallschicht 78 (Au) und einer Si
liziumdioxidschicht 96 besteht. Diese Maskierungsschicht 94
dient wiederum dazu, Bondpads und Leiterbahnen auf der ein
kristallinen Siliziumschicht 74 zu definieren. Ferner wird
die aufgebrachte Maskierungsschicht 94 strukturiert, um ei
nen Bereich 98 zu definieren, der einen verdünnten Bereich
des beweglichen Balkens festlegt. Die sich ergebende Struk
tur mit der Maske für die Dünnung des beweglichen Balkens im
Bereich des Einspannpunkts ist in Fig. 5A dargestellt.
Im Anschluß daran wird, wie in Fig. 5B dargestellt ist, ein
Photolack 100 auf die Maskierungsschicht 94 sowie den freien
Bereich 98 aufgebracht und belichtet, um die Struktur der
beweglichen Elektrode festzulegen. Nachfolgend wird ein Ätz
schritt durchgeführt, der jedoch zeitlich begrenzt ist, so
daß der Siliziumbalken nicht vollständig strukturiert wird,
wie bei 102 in Fig. 5B dargestellt ist. Nach diesem Ätz
schritt wird der Photolack 100 entfernt, woraufhin ein wei
terer Tiefenätzschritt durchgeführt wird, bei dem die ein
kristalline Siliziumschicht außerhalb der Balkenstruktur
vollständig entfernt wird und gleichzeitig am Einspannpunkt
des Balkens Silizium entfernt wird, um eine Dünnung 104 in
dem Balken zu erzeugen, wie in Fig. 5C dargestellt ist. So
mit ist eine Schaltelektrode 106 mit einer Dünnung 104 er
zeugt. Anschließend wird die Siliziumdioxidschicht 96, die
als Maskierungsschicht diente, entfernt. Im weiteren Verlauf
des Verfahrens erfolgt der Entfernen der Opferschicht und
das Aufbringen der Metallschicht in der gleichen Weise wie
oben bezugnehmend auf das erste und das zweite Ausführungs
beispiel beschrieben wurden. Wie der Fig. 5D zu entnehmen
ist, verbleiben dabei bei diesem Ausführungsbeispiel die
Haftschicht 76 und die Metallschicht 78 auf der gesamten
Oberfläche der beweglichen Elektrode mit Ausnahme des Dün
nungsbereichs.
Durch die örtliche Dünnung des Balkens am Einspannpunkt kann
bewirkt werden, daß die Federsteifigkeit des Balkens verrin
gert ist. Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da der Balken
nicht beliebig schmal strukturiert werden kann. Die Photo
techniken sowie der Tiefenätzprozeß erfordern nämlich eine
Mindestdicke des Balkens. Eine verminderte Steifigkeit eines
solchen Balkens kann somit nur durch eine örtliche Verringe
rung der Schichtdicke erreicht werden, wobei eine solche
örtliche Verringerung durch das dritte Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht wird.
In Fig. 6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfin
dungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechani
schen Schalters dargestellt. Das in Fig. 6 dargestellte Ver
fahren stellt eine Kombination der in den Fig. 4 und 5 dar
gestellten Verfahren dar. Bei diesem vierten Ausführungsbei
spiel wird somit eine bewegliche Elektrode mit einem ver
dünnten Bereich erzeugt und ferner die Trägerschicht 70 in
den Bereich unterhalb des beweglichen Teils der Elektrode
entfernt, indem ein Graben 92 in die Trägerschicht geätzt
wird. Die jeweiligen Verfahrensschritte entsprechen denen,
die bezugnehmend auf die Fig. 4 und 5 beschrieben wurden.
Die obige Beschreibung bezog sich auf die Verwendung von
Silizium zum Bilden der Trägerschicht, wobei es jedoch für
Fachleute offensichtlich ist, daß diese Schicht aus einem
anderen Material bestehen kann, das als Substratmaterial ge
eignet ist. Die beschriebene Zwischenschicht besteht vor
zugsweise aus Siliziumdioxid oder Polyimid. Diese als Opfer
schicht und als Ätzstoppschicht dienende Schicht kann auch
aus anderen Materialien bestehen, solange dieselben struk
turierbar, lateral ätzbar und isolierend sind. Siliziumdio
xid ist temperaturstabiler als Polyimid, wird aber in einem
naßchemischen Ätzprozeß entfernt, wobei Haftprobleme, die
nachfolgend erläutert werden, bestehen können. Dagegen wird
Polyimid in einem Trockenätzprozeß im Sauerstoffplasma ge
ätzt, wodurch die genannte Haftproblematik umgangen wird.
Die zur Strukturierung der beweglichen Elektrode verwendete
Schicht besteht bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
aus einer einkristallinen Siliziumschicht, die p- oder n-do
tiert sein kann. In gleicher Weise kann eine andere einkri
stalline Halbleiterschicht verwendet werden, solange diesel
be eigenspannungsfrei ist. Die Dicke der einkristallinen
Halbleiterschicht liegt vorzugsweise in einem Bereich zwi
schen 10 und 100 µm und am bevorzugtesten ist dieselbe 30 µm
dick. Die bewegliche Balkenschicht wird aus dieser einkri
stallinen Siliziumschicht strukturiert, indem ein anisotro
pes Siliziumätzverfahren, ein sogenanntes Tiefenätzverfah
ren, verwendet wird. Durch dieses Verfahren werden Struktu
ren erzeugt, die ein großes Aspektverhältnis aufweisen. Bei
spielsweise kann die Höhe des Balkens in z-Richtung 30 µm
betragen, während die Breite des Balkens in y-Richtung 5 µm
beträgt. Dadurch wird eine hohe Steifigkeit in der z-Rich
tung und eine geringe Steifigkeit in der lateralen x-y-Ebene
erreicht. Aufgrund dieser geringen Steifigkeiten kann ein
derartiger Schalter-mittels eines elektrostatischen Antriebs
mit geringen Betätigungsspannungen betrieben werden. Das
Öffnen der Kontakte kann vorzugsweise durch die Rückstellfe
der unterstützt werden. Ferner wird ein Anhaften der Struk
tur am Substrat, d. h. der Trägerschicht, beim Ätzen der Op
ferschicht durch die hohe Steifigkeit der Balken in der
z-Richtung verhindert.
Dieses Anhaften der frei geätzten Strukturen nach dem Trock
nungsprozeß an dem Substrat tritt bei naßchemischen Opfer
schichtätzverfahren auf. Bei solchen Verfahren wird erfin
dungsgemäß eine Struktur mit hohem Aspektverhältnis und so
mit einer großen Steifigkeit in der z-Achse verwendet. Somit
reichen die Adhäsions- bzw. Kohäsions-Kräfte der trocknenden
Flüssigkeit nicht mehr aus, um die Balkenstruktur nach unten
zu der Trägerschicht zu ziehen, wo sie dann kleben bleiben
würde. Jedoch kann ab einer kritischen Länge bei naßchemi
schen Ätzverfahren dennoch ein Anhaften am Substrat erfol
gen, da die Rückstellkraft des Balkens mit zunehmender Länge
abnimmt. Derartige Strukturen, die einen Balken großer Länge
aufweisen, können durch die Verwendung von Polyimid als Op
ferschicht in einem Trockenätzprozeß freigeätzt werden, so
daß auch hier das Problem des Anhaftens nicht auftritt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mi
kromechanischen Schalters ist in Fig. 7 dargestellt. Elemen
te des in Fig. 7 dargestellten Schalters, die denen des in
Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels entsprechen, sind
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die
bewegliche Elektrode 12' zumindest in den der Gegenelektrode
18 gegenüberliegenden Bereichen mit einer Isolationsschicht
(nicht dargestellt) versehen. Bei bevorzugten Ausführungs
beispielen, bei denen die bewegliche Elektrode 12' aus ein
kristallinem Silizium besteht, kann die Isolationsschicht
beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht sein. Wie in Fig.
7 gezeigt ist, sind die bewegliche Elektrode 12' und die
Stopper 24' über eine Verbindungsstruktur 200 und den Befe
stigungsbereich 10' verbunden. Somit können die bewegliche
Elektrode 12' und die Stopper 24' auf einem gleichen Poten
tial gehalten werden.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der
mikromechanische Schalter mittels einer Treibereinrichtung
202 betätigbar. Die elektrostatische Antriebseinrichtung ist
somit durch die Treibereinrichtung 202 sowie einen Platten
kondensator, bestehend aus der beweglichen Elektrode 12' und
der Gegenelektrode 18, gebildet. Um bei diesem Ausführungs
beispiel eine Kontaktierung zwischen diesen Elektroden zu
verhindern, sind zum einen die Stopper 24' vorgesehen und
ist zum anderen die bewegliche Elektrode 12' zumindest in
dem den Stoppern 24' gegenüberliegenden Bereichen mit einer
Isolationsschicht versehen.
Bei einem solchen Aufbau kommt es zur Bildung von Oberflä
chenladungen, hauptsächlich auf der Isolationsschicht, die
auch nach einer Unterbrechung der Spannungsversorgung 202
noch existent sind. Eine Möglichkeit zur Verringerung der
Oberflächenladungen besteht darin, das Bauteil mit einer
Wechselspannung zu betreiben. Jedoch kann die Bildung von
Oberflächenladungen besser unterdrückt werden, indem die be
wegliche Elektrode 12' und die Stopper 24' auf dem gleichen
elektrischen Potential gehalten werden.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel bewegt
sich bei einer Anregung die beweglich Elektrode in Richtung
der Gegenelektrode, bis der Kontakt zwischen der Kontakt
spitze 32 und dem feststehenden Kontaktstück 20 geschlossen
ist. Dabei verhindern die Isolationsschicht des beweglichen
Balkens und die strukturierten Stopper, daß es zu einem
Kurzschluß zwischen der beweglichen Elektrode 12' und der
Gegenelektrode 18 kommt. Dadurch, daß an der beweglichen
Elektrode 12' und den Stoppern 24' das gleiche Potential an
liegt, wird die Erzeugung von bleibenden Oberflächenladun
gen, hauptsächlich in der Siliziumdioxidschicht, verhindert.
Um zu erreichen, daß die bewegliche -Elektrode und die Stop
per auf einem gleichen Potential liegen, sind dieselben vor
zugsweise elektrisch verbunden. Wie in Fig. 7 dargestellt
ist, können dazu die bewegliche Elektrode und die Stopper
einstückig aus der Schicht aus dem' einkristallinen Halblei
termaterial gebildet sein, wobei dieselben durch die Verbin
dungsstruktur 200 verbunden sind.
Claims (29)
1. Mikromechanischer Schalter mit folgenden Merkmalen:
einem Trägersubstrat (70);
einem auf einer Hauptoberfläche des Trägersubstrats (70) angeordneten feststehenden Kontaktstück (20; 48);
einer auf der Hauptoberfläche des Trägersubstrats (70) angeordneten Gegenelektrode (18; 44); und
einer beweglichen Elektrode (12; 12'; 42) mit einem be festigten Ende (14), das an der Hauptoberfläche des Trägersubstrats (70) befestigt ist, und einem freien Ende (16), wobei die bewegliche Elektrode (12; 12'; 42) durch eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen der beweglichen Elektrode (12; 12'; 42) und der Gegen elektrode (18; 44) bewegbar ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen der beweglichen Elektrode (12; 12'; 42) und dem feststehenden Kontaktstück (20; 48) zu bil den und aufzutrennen, wobei die wesentliche Struktur der beweglichen Elektrode (12; 12'; 42) aus einem ein kristallinen Halbleitermaterial besteht.
einem Trägersubstrat (70);
einem auf einer Hauptoberfläche des Trägersubstrats (70) angeordneten feststehenden Kontaktstück (20; 48);
einer auf der Hauptoberfläche des Trägersubstrats (70) angeordneten Gegenelektrode (18; 44); und
einer beweglichen Elektrode (12; 12'; 42) mit einem be festigten Ende (14), das an der Hauptoberfläche des Trägersubstrats (70) befestigt ist, und einem freien Ende (16), wobei die bewegliche Elektrode (12; 12'; 42) durch eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen der beweglichen Elektrode (12; 12'; 42) und der Gegen elektrode (18; 44) bewegbar ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen der beweglichen Elektrode (12; 12'; 42) und dem feststehenden Kontaktstück (20; 48) zu bil den und aufzutrennen, wobei die wesentliche Struktur der beweglichen Elektrode (12; 12'; 42) aus einem ein kristallinen Halbleitermaterial besteht.
2. Mikromechanischer Schalter gemäß Anspruch 1, bei dem
die wesentliche Struktur der beweglichen Elektrode (12;
12'; 42) aus einkristallinem Silizium besteht.
3. Mikromechanischer Schalter gemäß Anspruch 1 oder 2, bei
dem die bewegliche Elektrode (12; 12'; 42) als längli
che Struktur ausgebildet ist, deren Höhe senkrecht zu
der Hauptoberfläche des Trägersubstrats (70) verglichen
mit ihrer Breite parallel zu dem Trägersubstrat groß
ist.
4. Mikromechanischer Schalter gemäß einem der Ansprüche 1
bis 3, bei dem die bewegliche Elektrode (12; 12'; 42)
im Bereich des Befestigungsendes derselben einen Ab
schnitt mit verringerter Höhe (104) senkrecht zu dem
Trägersubstrat (70) aufweist.
5. Mikromechanischer Schalter gemäß einem der Ansprüche 1
bis 4, bei dem die bewegliche Elektrode an dem freien
Ende (16) eine Kontaktspitze (32) zur Erhöhung des Kon
taktdrucks mit dem feststehenden Kontaktstück (20; 48)
aufweist.
6. Mikromechanischer Schalter gemäß einem der Ansprüche 1
bis 5, bei dem eine Rückstellvorrichtung vorgesehen
ist, die bei einer Bewegung der beweglichen Elektrode
(12; 12'; 42) zu dem feststehenden Kontaktstück (20;
48) hin gespannt wird, derart, daß beim Fehlen einer
elektrostatischen Anziehungskraft zwischen der bewegli
chen Elektrode (12; 12'; 42) und dem feststehenden Kon
taktstück (20; 48) die bewegliche Elektrode (12; 12';
42) von dem feststehenden Kontaktstück (20; 48) wegge
zogen wird.
7. Mikromechanischer Schalter gemäß Anspruch 6, bei dem
die Rückstellvorrichtung derart ausgebildet ist, daß
dieselbe ferner als Abstandhalter wirkt, der verhin
dert, daß die bewegliche Elektrode (42) in Kontakt mit
der Gegenelektrode (44) kommt.
8. Mikromechanischer Schalter gemäß einem der Ansprüche 1
bis 6, bei dem die der beweglichen Elektrode (12; 12')
zugewandte Oberfläche (22) der Gegenelektrode (18) ge
krümmt ausgebildet ist, derart, daß die Beabstandung
derselben von der beweglichen Elektrode am Befesti
gungsende (14) der beweglichen Elektrode kleiner ist
als am freien Ende (16) derselben.
9. Mikromechanischer Schalter gemäß Anspruch 8, bei dem
aus der gekrümmten Oberfläche (22) der Gegenelektrode
(18) vorstehende Anschlageinrichtungen (24; 24') vorge
sehen sind, die bezüglich der Gegenelektrode (18) elek
trisch isoliert sind und einen Kontakt zwischen der be
weglichen Elektrode (12; 12') und der Gegenelektrode
(18) verhindern.
10. Mikromechanischer Schalter gemäß einem der Ansprüche 1
bis 9, bei dem die bewegliche Elektrode (12; 12'; 42)
im wesentlichen ganz flächig mit einer Metallisierungs
schicht (84) versehen ist.
11. Mikromechanischer Schalter gemäß einem der Ansprüche 1
bis 9, bei dem das Halbleitermaterial, aus dem die be
wegliche Elektrode (12; 12'; 42) besteht, derart do
tiert ist, daß die bewegliche Elektrode leitfähig ist.
12. Mikromechanischer Schalter gemäß einem der Ansprüche 1
bis 11, bei dem das Trägersubstrat (70) unterhalb der
beweglichen Elektrode (12; 12'; 42) eine Ausnehmung
(92) aufweist.
13. Mikromechanischer Schalter gemäß Anspruch 12, bei dem
die Ausnehmung (92) das Trägersubstrat (70) vollständig
durchdringt.
14. Mikromechanischer Schalter gemäß Anspruch 9, bei dem
die bewegliche Elektrode (12') zumindest in den der
Gegenelektrode (18) gegenüberliegenden Bereichen mit
einer Isolationsschicht beschichtet ist, wobei die
bewegliche Elektrode (12') und die Anschlageinrichtun
gen (24') mit dem gleichen Potential beaufschlagbar
sind.
15. Mikromechanischer Schalter gemäß Anspruch 14, bei dem
die bewegliche Elektrode (12') und die Anschlageinrich
tungen (24') elektrisch leitend verbunden sind.
16. Mikromechanischer Schalter gemäß Anspruch 15, bei dem
die wesentlichen Strukturen der beweglichen Elektrode
(12') und der Anschlageinrichtungen (24') einstückig
aus dem einkristallinen Halbleitermaterial gebildet
sind.
17. Verfahren zur Herstellung einem mikromechanischen
Schalters mit folgenden Schritten:
- a) Bereitstellen einer Dreischichtstruktur (70, 72, 74), bestehend aus einer Trägerschicht (70), einer auf derselben angeordneten Zwischenschicht (72) und einer auf der Zwischenschicht (72) angeordne ten Schicht (74) aus einem einkristallinen Halb leitermaterial;
- b) Strukturieren eines feststehenden Kontaktstücks (20; 48), einer Gegenelektrode (18; 44) und einer Schaltelektrode (80; 106) in der einkristallinen Halbleitermaterialschicht (74); und
- c) zeitlich begrenztes Ätzen der Zwischenschicht (72) derart, daß die Schaltelektrode (80; 106) mit Aus nahme eines Befestigungsbereichs derselben voll ständig unterätzt wird, zum Bilden einer bewegli chen Elektrode (12; 42),
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem nach dem Schritt
a) Bondpads und Leiterbahnen (76, 78) auf der Schicht
aus dem einkristallinen Halbleitermaterial (74) struk
turiert werden.
19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem nach dem
Schritt (c) ein Schritt des Aufbringens einer Metalli
sierungsschicht (84) zumindest auf die bewegliche Elek
trode, die Gegenelektrode und das feststehende Kontakt
stück erfolgt.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem
nach dem Schritt a) der Bereich (92) der Trägerschicht
(70), der nach Abschluß des Schritts c) dem beweglichen
Teil der beweglichen Elektrode gegenüberliegen würde,
entfernt wird.
21. Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem der Bereich (92)
der Trägerschicht (70) mittels eines KOH-Ätzverfahrens
entfernt wird.
22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, bei dem
im Schritt b) beim Strukturieren der Schaltelektrode
(106) ein verdünnter Bereich (104) der Schaltelektrode
neben dem Befestigungsbereich derselben erzeugt wird.
23. Verfahren gemäß Anspruch 22, bei dem die Schaltelektro
de (106) mit dem verdünnten Bereich (104) mittels fol
gender Teilschritte strukturiert wird:
- b1) Aufbringen einer ersten Maskenschicht (94) zum Festlegen eines Dünnungsbereichs (98) auf die Schicht (74) aus dem einkristallinen Halbleiterma terial, derart, daß der Dünnungsbereich (98) nicht von der ersten Maskenschicht (94) bedeckt ist;
- b2) Aufbringen einer zweiten Maskenschicht (100) zum Festlegen der Struktur der Schaltelektrode (106) auf die erste Maskenschicht (94) und den Dünnungs bereich (98);
- b3) zeitlich begrenztes Ätzen der Schicht (74) aus dem einkristallinen Halbleitermaterial, wobei nur die zweite Maskenschicht (100) als Ätzmaske dient, derart, daß die Schicht (74) aus dem einkristalli nen Halbleitermaterial in Bereichen außerhalb der zweiten Maskenschicht (100) lediglich bis zu einer bestimmten Tiefe (102) geätzt wird;
- b4) Entfernen der zweiten Maskenschicht (100); und
- b5) Ätzen der Schicht (74) aus dem einkristallinen Halbleitermaterial bis die im Schritt b3) ver bliebene restliche Schicht (74) aus dem einkri stallinen Halbleitermaterial außerhalb der ersten Maskenschicht und dem Dünnungsbereich (98) voll ständig entfernt ist.
24. Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem als erste Masken
schicht (94) eine Schichtfolge, bestehend aus einer
Haftschicht (76), einer Metallschicht (78) und einer
Oxidschicht (96), und als zweite Maskenschicht (100)
ein Photolack verwendet wird.
25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem
die Zwischenschicht (72) auf SiO2 besteht, wobei der
Schritt c) mittels eines naßchemischen Ätzverfahrens
durchgeführt wird.
26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem
die Zwischenschicht (72) aus Polyimid besteht, wobei
der Schritt c) mittels eines Trockenätzverfahrens
durchgeführt wird.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 26, bei dem
die Trägerschicht (70) aus Silizium besteht und als
einkristallines Halbleitermaterial einkristallines Si
lizium verwendet wird.
28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 27, bei dem
im Schritt b) ferner eine Rückstellvorrichtung in der
Schicht (74) aus dem einkristallinen Halbleitermaterial
strukturiert wird, wobei ein Teil derselben einstückig
mit der Schaltelektrode (80; 106) verbunden ist und im
Schritt c) vollständig unterätzt wird, und ein zweiter
Teil fest mit der Trägerschicht (70) verbunden bleibt.
29. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 28, bei dem
im Schritt b) die Schaltelektrode an einem von dem Be
festigungsbereich derselben entfernten Ende mit einer
Kontaktspitze strukturiert wird.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998100189 DE19800189C2 (de) | 1998-01-05 | 1998-01-05 | Mikromechanischer Schalter |
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ID=7854023
Family Applications (1)
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DE1998100189 Expired - Fee Related DE19800189C2 (de) | 1998-01-05 | 1998-01-05 | Mikromechanischer Schalter |
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