DE3809597C2

DE3809597C2 -

Info

Publication number: DE3809597C2
Application number: DE3809597A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. Benecke; Werner Dipl.-Ing. 1000 Berlin De Riethmueller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1988-03-22
Filing date: 1988-03-22
Publication date: 1990-03-22
Also published as: WO1989009477A1; DE3809597A1

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Einrich tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche mikromechanischen Einrichtungen und Verfahren zu ihrer Her stellung werden z. B. von Heuberger, A. beschrieben in Wissen schaftsmagazin, TU Berlin, Heft 1, Bd. 3, 1983, S. 93 bis 98.

Eine mikromechanische Einrichtung, mit einem positionsveränderlichen Element, das elektrostatisch ausgelenkt wird, beschreibt Petersen, K. E. in "Micromechanical light modulator array fabricated on silicon", Applied Physics Letters, Vol. 31, No 8, 1977, S. 521 bis 523. Diese Einrichtung ist als Lichtmodulator z. B. für eine optische Anzeige ausgebildet.

In der Schrift "Micromechanical Membrane Switches on Silicon" (IBM Journal Research Development, Vol. 23, 1979, S. 376-385) gibt K. E. Peters ein mikromecha nisches Schaltelement an, das die unterschiedliche thermische Ausdehnung zweier übereinander angeordneter Materialien (Bimaterial) ausnützt. Bei einer bestimmten Umgebungstemperatur wechselt das Element seinen Schaltzustand.

Um die Höhe der Umschalttemperatur beeinflussen zu können, ist an dem Schaltelement eine zusätzliche Elektrode angebracht, die mit der beweglichen Schalt zunge einen Kondensator bildet und deren Lage mit Hilfe elektrostatischer Kräfte verändert wird. Ein Nachteil solcher elektrostatisch betriebener Elemente liegt darin, daß die elektrostatische Kraft rasch mit zuneh mender Entfernung abnimmt, weshalb sich die Lage der Zunge beim Schaltvorgang nur minimal verändern darf.

In der Veröffentlichung "Micromechanical Silicon Actuators based on thermal expansion effects" (Trans ducers 1987, The 4th International Conference on Solid-state Sensors and Actuators, June 2-6, 1987, Digest of technical Papers, Tokyo Japan, S. 834-837 beschreiben W. Riethmüller, W. Benecke, U. Schnakenberg und A. Heuberger eine mikromechanische Einrichtung mit einem positionsveränderlichen Element, das als bewegliche Zunge aus einer Silizium-Metall-Schichtstruktur herge stellt ist und das mit Hilfe eines elektrischen Wider standes geheizt werden kann.

Durch eine vorgebbare Heizleistung läßt sich die Lage der Bimaterial-Zunge um einen definierten Betrag verändern. Allerdings ist die jeweils aktuelle Stellung der Zunge nicht genau bestimmbar, da diese nicht nur von der Heizleistung, sondern auch von der Umgebungs temperatur abhängt. Eine exakte Positionierung der Zunge ist damit nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikro mechanische Einrichtung mit einem positionsveränder lichen Element wie sie in der Veröffentlichung von W. Riethmüller u. a. (Transducers 1987) beschrieben ist, und wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 entspricht, so weiterzubilden, daß das positionsveränderliche Element positionierbar und regelbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Einrichtung Sensorelemente (6, 7) zur Posi tionserfassung des positionsveränderlichen Elementes (1) angebracht sind und die Ausgangssignale der Sen sorelemente (6, 7) mittels eines Regelkreises zur Positionsregelung des Elementes eingesetzt werden.

Die Sensorelemente erfassen die momentane Stellung des positionsveränderlichen Elementes und erlauben von der bekannten Stellung ausgehend, jede gewünschte Lageän derung. Die neue Lage kann unbeeinflußt durch Schwan kungen der Umgebungstemperatur beibehalten werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Nach Anspruch 2 ist die Einrichtung auf einem Silizium-Wafer mit (100)-Orien tierung der Oberfläche aufgebaut. Damit findet als Ausgangsmaterial ein handelsüblicher Chip Verwendung. Um mit geringen Heizleistungen möglichst große Lage veränderungen herbeizuführen, besteht das posi tionsveränderliche Element nach Anspruch 3 aus einer Kombination von Materialien mit möglichst unterschied lichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.

Die Schichtfolge ist so gewählt, daß das posi tionsveränderliche Element bei Erhöhung der Temperatur zur Substratseite hin gebogen wird. Nach Anspruch 4 ist der Heizer als elektrischer Widerstand zwischen oder auf den Schichten so angeordnet, daß eine gleichmäßige Erwärmung gewährleistet ist. Aufgrund der niedrigen Wärmekapazität des positionsveränderlichen Elementes wird eine starke Temperaturerhöhung pro elektrischer Leistung erreicht. Nach Anspruch 5 werden Sensorelemente verwendet, die den piezoresistiven Effekt ausnützen. Dieser statische Effekt ist bei Halbleitern insbesondere bei Silizium gut ausgeprägt und eignet sich zur Messung von Zug- oder Druckbela stungen. Ein weiterer Vorzug ist, daß Piezowiderstände einfach mit der Technik integrierter Schaltungen herstellbar sind.

Nach den Ansprüchen 6 und 7 können je nach Anwendungs fall zur Messung der Auslenkung auch magnetische, piezoelektrische, ferroelektrische oder kapazitive Effekte herangezogen werden. Wenn beispielsweise die Lageveränderung des positionsveränderlichen Elementes detektiert werden soll, eignet sich der dynamische piezoelektrische Effekt. Für besonders große Meßemp findlichkeit wird die mechanische Spannung vorteilhaft mittels kapazitiver Signalwandlung bestimmt.

Um zu vermeiden, daß die Positionsbestimmung des positionsveränderlichen Elementes durch die Betriebs temperatur beeinflußt wird, sind die Sensoren und der Heizer nach Anspruch 8 thermisch entkoppelt.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung sind nach Anspruch 9 alle Teile auf einem Halbleiterchip integriert. Die Sensor- und Heizersi gnale werden in einem Regelkreis miteinander verknüpft. Dadurch wird das positionsveränderliche Element bei spielsweise durch Regelung der Heizleistung in einer vorgebbaren Stellung gehalten. Durch die Integration auf einem Halbleiterchip wird ein hoher Grad an Miniaturisierung erreicht. Dadurch können gleichzeitig mehrere identische, regelbare mikromechanische Ein richtungen hergestellt werden.

In der zitierten Schrift von Riethmüller, Benecke, Schnakenberg und Heuberger wird die Weiterbildung einer mikromechanischen Einrichtung zu einem Lichtmodulator, einem Schalter und zu einem Mikroventil erwähnt. Allerdings ist dort kein Weg aufgezeigt, wie die Wei terbildung erfolgen soll.

In Anspruch 10 ist eine Weiterbildung der mikro mechanischen Einrichtung zu einem Lichtmodulator gekennzeichnet, bei dem das positionsveränderliche Element mit einer spiegelnden Metallschicht überzogen ist. Der Vorteil dieser Vorrichtung liegt darin, daß das Element sowohl in eine vorgebbaren Richtung ju stiert werden kann als auch - bei Anlegen einer oszil lierenden Spannung - zur Modulation eines Lichtstrahles geeignet ist.

In Anspruch 11 ist eine Weiterbildung der Einrichtung zu einem elektrisch angetriebenen Mikroventil gekenn zeichnet. Es vereint die Vorteile bekannter Mikro ventile, wie kleine Abmessungen und geringes Gewicht, mit einer besonders einfachen Funktionsweise und Her stellung. Nach dem Anspruch 13 ist die Einrichtung zu einem elektrisch angetriebenen Relais ausgestaltet.

Alle gekennzeichneten Weiterbildungen der Erfindung werden vorteilhaft mit den in der Mikromechanik und in der Mikroelektronik bekannten Verfahren hergestellt und sind mit Standard-IC-Prozessen kompatibel. Die ein zelnen Bestandteile werden dabei mit Hilfe planarer Lithographieprozesse strukturiert. Für den Betrieb der mikromechanischen Einrichtung reichen die in der Mikroelektronik üblichen Spannungspegel aus. Die erfindungsgemäße mikromechanische Einrichtung und ihre Weiterbildungen zeichnen sich durch einen hohen Grad an Miniaturisierung, hohe Genauigkeit, große Zu verlässigkeit und niedrige Kosten aus.

Nachfolgend werden an Hand von Zeichnungen vier Aus führungsbeispiele dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine mikromechanische Einrichtung in Aufsicht (a) und Schnitte entlang der Schnittlinien

A-A′ (b) B-B′ (c) C-C′ (d),

Fig. 2 eine Weiterbildung der mikromechanischen Einrichtung zu einem elektrisch verstellbaren Spiegel im Querschnitt (a) und in Aufsicht (b),

Fig. 3 eine Weiterbildung der mikromechanischen Einrichtung zu einem elektrisch angetriebenen Mikroventil im Querschnitt (a) und in Aufsicht (b) ,

Fig. 4 eine Weiterbildung der mikromechanischen Einrichtung zu einem elektrisch gesteuerten Relais im Querschnitt (a) und in Aufsicht (b),

Fig. 5 die Verfahrensschritte zur Herstellung einer mikromechanischen Einrichtung.

Das positionsveränderliche Element (1) der Einrichtung in Fig. 1 besteht aus einer Schicht aus Silizium oder einer Siliziumverbindung (z. B. 4 µm dick) mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Es ist zur Bildung eines Bimaterials partiell mit einer Metallschicht (2) mit einem wesentlich höheren Ausdeh nungskoeffizienten (z. B. eine 2 µm dicke Goldschicht) bedeckt. Zwischen diesen Schichten oder auf der Me tallschicht ist ein elektrisch betriebener Heizwider stand (3) angeordnet (z. B. aus polykristallinem Sili zium). Wegen des größeren thermischen Ausdehnungskoef fizienten des Metalls wird das positionsveränderliche Element in Richtung einer Ätzgrube (4) gedrückt, die mit Hilfe anisotroper Ätzmethoden in das Substrat (5) geätzt ist. Die gestrichelte Linie gibt eine mögliche Position des ausgelenkten Elementes an.

Da die absolute Temperatur der beiden Schichten (1, 2) die augenblickliche Position des Elementes bestimmt, wird diese sowohl durch Änderungen der Umgebungstempe ratur als durch die Bedingungen der Wärmeableitung beeinflußt. Zur Messung der momentanen Position der Zunge sind deshalb auf dem Stellelement Sensoren (6, 7) angebracht (z. B. Piezowiderstände aus Silizium), deren Widerstand von der Auslenkung der Zunge abhängt. Die Sensoren (6, 7) und der Heizwiderstand (3) werden in einem gemeinsamen elektrischen Regelkreis so verknüpft, daß das positionsveränderliche Element in jeder ge wünschten Position gehalten werden kann. Zur ther mischen Entkopplung der Sensoren von dem Heizwiderstand ist das Element aus drei Stegen zusammengesetzt, die in eine gemeinsame Fläche einmünden. Auf den seitlichen Stegen sind die Sensoren (6, 7), und auf dem Mittelsteg ist der Heizwiderstand (3), angebracht.

Bei der Weiterbildung der Einrichtung in Fig. 2 ist das positionsveränderliche Element (1) als Steg mit einem verbreiterten losen Ende ausgebildet, das mit einer hochreflektierenden Metallschicht überzogen ist. Auf dem schmalen Bereich des Steges sind die Metallschicht (2), der Heizwiderstand (3) und die Sensoren (6, 7) angebracht. Diese Weiterbildung stellt einen elektrisch steuerbaren Lichtmodulator dar. In der Ausgangsstellung wird ein einfallender Lichtstrahl (8) in sich selbst reflektiert; in der durch die gestrichelte Linie angedeuteten Stellung verläßt der Lichtstrahl (9) den Modulator unter einem einstellbaren Reflexionswinkel. Zur Vergrößerung der spiegelnden Fläche können viele Modulatoren auf einem Chip im Gleichtakt betrieben werden. Um verschiedene Teile eines Lichtstrahles in unterschiedliche Richtungen zu reflektieren, werden die Modulatoren einzeln angesteuert.

Die in Fig. 3 dargestellte Weiterbildung der Einrich tung stellt ein mikromechanisches Ventil dar. Das positionsveränderliche Element (1) ist als Steg mit einem verbreiterten losen Ende ausgebildet, das als Ventilplatte dient. Auf dem schmalen Bereich des Steges sind die Metallschicht (2), der Heizwiderstand (3) und die Sensoren (6, 7) angebracht. Das positonsveränder liche Element (1) wird durch eine Distanzschicht (10) (z. B. eine epitaktisch abgeschiedene Siliziumschicht) in Abstand vom Substrat (5) gehalten. Die Ätzgrube (4) ist in Form einer Ventilöffnung ausgebildet. Durch Einschalten des Heizwiderstandes (3) wird das als Ventilplatte ausgebildete Element (1) gegen die Ven tilöffnung gepreßt. Da das Element im Bereich des schmalen Steges nachgiebiger ist als im Bereich des breiten losen Endes, nimmt es die durch die gestri chelte Linie angedeutete Form an.

Die in Fig. 4 dargestellte Weiterbildung der Einrich tung dient zum Schalten eines elektrischen Kontaktes. Auf dem losen Ende des positionsveränderlichen Elemen tes (1) ist ein Schaltkontakt (11) aus Metall ange bracht, während das Element im Bereich des festen Endes mit einer Metallschicht (2) zu einem Bimaterial ausge bildet ist und einen Heizwiderstand (3) aufweist. Gegenüber dem Schaltkontakt (11) sind auf dem Substrat zwei Elektroden (12) angeordnet, die nach Aktivierung des Elementes (1) durch den Kontakt (11) elekrisch kurzgeschlossen werden.

Die in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Ausführungs beispiele werden dadurch vorteilhaft weitergebildet, daß die Sensorelemente auf separaten Stegen unterge bracht und damit von den Heizwiderständen entkoppelt sind.

Die Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfin dungsgemäßen Einrichtung sind in Fig. 5 schematisch dargestellt.

a) Auf eine Siliziumscheibe in (100)-Orientierung, die als Substrat (5) dient, wird eine hoch-bordodierte Siliziumschicht (14) epitaktisch abgeschieden. Sie liefert das Material für das positionsveränderliche Element (1). Nacheinander werden eine Passivie rungsschicht (15) (z. B. Siliziumnitrit) und - als Material sowohl für den Heizwiderstand (3) als auch die Sensoren (6, 7) - eine polykristalline Silizi umschicht (16) abgeschieden, die anschließend dotiert wird.
b) Mit Hilfe lithographischer Prozesse und durch Ätzen der polykristallinen Siliziumschicht (16) werden der Heizwiderstand (3) und die Sensoren (6, 7) hergestellt. Nach Aufbringen einer Passivierungs schicht (17) folgen weitere Lithographieschritte.
c) Eine Metallschicht wird abgeschieden und durch lithographische Schritte und einem Ätzprozeß zur zweiten Schicht (2) des Bimaterials geformt.
d) Durch isotropes Ätzen der Epitaxieschicht (14) wird das positionsveränderliche Element (1) und durch anisotropes Ätzen des Substrats (5) die Ätzgrube (4) herausgebildet.

Anstelle der hoch-bordotierten Siliziumschicht kann als Material für das positionsveränderliche Element auch eine niedrigdotierte Schicht Verwendung finden. Der Ätzprozeß wird dann durch einen elektrochemischen Ätz stop an der Schichtoberfläche beendet.

Claims

1. Mikromechanische Einrichtung, die ein Substrat und wenigstens eine darauf aufgebrachte Schicht enthält, mit einem aus dem Substrat und der Schicht freige ätzten positionsveränderlichen Element, das ein festes und ein loses Ende aufweist, wobei die über einander angeordneten Schichten aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher thermischer Aus dehnung bestehen, und mit einem Heizer zur Erhöhung der Temperatur des positionsveränderlichen Elemen tes, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Einrichtung Sensorelemente (6,7) zur Positionserfassung des positionsveränderlichen Elementes (1) angebracht sind und die Ausgangssignale der Sensorelemente (6, 7) mittels eines Regelkreises zur Positionsrege lung des Elementes eingesetzt werden.

2. Mikromechanische Einrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) aus einem Silizium-Wafer mit (100)-Orientierung der Oberfläche besteht.

3. Mikromechanische Einrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das positionsveränderliche Element aus zwei Schichten zusammengesetzt ist, wo bei die substratnähere Schicht aus einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht aus Silizium, einer Silizi umverbindung oder aus polykristallinem Silizium und die darüberliegende Schicht aus einer Metallschicht besteht.

4. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer (3) als Widerstand ausgebildet und zwischen den Schichten angeordnet ist, und aus einer Silizium- oder Metallschicht besteht.

5. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen sorelemente (6, 7) als Piezowiderstände ausgebildet sind.

6. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen sorelemente (6, 7) als Streifen aus piezoelektrischem Material oder ferroelektrischem Material ausgebildet sind und daß zur Bestimmung der Auslenkung des positionsveränderlichen Elementes der piezoelek trische Effekt oder der ferroelektrische Effekt herangezogen werden.

7. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen sorelemente (6, 7) als Filme aus leitfähigem Material ausgebildet sind, die sich paarweise gegenüberliegen und von denen jeweils eines auf dem positionsver änderlichen Element und eines auf dem ortsfesten Substrat angebracht ist, und daß zur Bestimmung der Auslenkung des positionsveränderlichen Elementes magnetische oder kapazitive Effekte herangezogen werden.

8. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen sorelemente (6, 7) von dem Heizelement (3) thermisch entkoppelt sind.

9. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Regel kreis auf demselben Halbleiterchip integriert ist, wie die mikromechanische Einrichtung.

10. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das posi tionsveränderliche Element der Einrichtung wenigs tens teilweise als Spiegel ausgebildet ist.

11. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sub strat eine Ventilöffnung aufweist und das feste Ende des positionsveränderlichen Elementes durch eine Distanzschicht (10) in einem vorgebbaren Abstand vom Substrat gehalten wird.

12. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sub strat und das positionsveränderliche Element mit jeweils wenigstens einer elektrischen Kontaktplatte (11 bzw. 12) versehen sind, und daß korrespondie rende Kontaktplatten auf dem Substrat und dem positionsveränderlichen Element übereinander ange ordnet sind und einen Schalter bilden.

13. Mikromechanische Einrichtung nach Anspruch 12, da durch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatten so an geordnet sind, daß eine Kontaktplatte (11) des positionsveränderlichen Elementes durch Überbrücken von zwei Kontaktplatten (12) auf dem Substrat einen Stromkreis schließen kann.