DE4302204A1

DE4302204A1 - Mfr. of micro-mechanical electrostatic relay - in which wedge-shaped air gap is formed between the armature element and the counter-plate

Info

Publication number: DE4302204A1
Application number: DE19934302204
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Prof Dr Gevatter; Lothar Prof Dr Ing Kiesewetter; Joachim Dipl Phys Schimkat; Helmut Dr Ing Schlaak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1993-01-27
Publication date: 1993-09-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen elektrostatischen Relais gemäß dem Ober begriff des Patentanspruchs 1.

In der DE 32 07 920 C2 ist bereits ein Verfahren zur Her stellung eines elektrostatischen Relais der eingangs ge nannten Art beschrieben. Dort wird der Anker aus einer Rahmenplatte aus kristallinem Halbleitermaterial herausge ätzt, wodurch der Anker die volle Dicke des Halbleiterma terials besitzt. Der Anker wird dadurch verhältnismäßig starr; zur Sicherung seiner Beweglichkeit wird an der La gerstelle eine Art Filmscharnier freigeätzt. Außerdem wird zur Vorspannung des Ankers in eine Ruheposition eine eige ne Rückstellfaser aus dem Substrat gebildet. Die Rahmen platte mit dem Anker wird auf eine isolierende Unterlage gesetzt, welche auch die Gegenelektrode trägt. Allerdings besteht zwischen dem Anker und der Gegenelektrode ein ver hältnismäßig großer Abstand, der auch bei angezogenem An ker erhalten bleibt. Um ein Durchhängen des mittleren Teils des Ankers dabei zu verhindern, sind zusätzliche isolierende Abstandhalter vorgesehen. Um bei diesem Ab stand zwischen Anker und Gegenelektrode die gewünschten Kontaktkräfte zu erzeugen, sind bei diesem bekannten Re lais verhältnismäßig große Spannungen erforderlich.

Es ist auch bekannt, eine dünne Ankerfeder aus der Ober fläche eines Silizium-Substrats zu ätzen (IEEE Trans actions on Electron Devices, 1978, Seiten 1246 bis 1248). In diesem Fall ist auch die Gegenkontaktelektrode aus der gleichen Ebene der Substratoberfläche wie der Anker gewon nen. Es fehlt somit eine dem Anker großflächig gegenüber stehende Kondensatorplatte zur Erzeugung einer hohen Kon taktkraft.

Aus DE 32 15 411 A1 ist auch bereits ein Verfahren zum Herstellen von Öffnungen mit Hilfe einer Maske in einer auf einem Halbleiterkörper angeordneten Schicht bekannt, wobei schräg verlaufende Öffnungswandungen gebildet wer den. Zu diesem Zweck wird dort eine Maskierungsschicht aus zwei übereinanderliegenden Teilschichten verwendet, wobei die untere Teilschicht gegenüber dem Ätzgas nicht resi stent ist, während die obere Teilschicht resistent ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellverfahren für ein mikromechanisches Relais zu schaffen, bei dem mit mög lichst kleinen Abmessungen eine möglichst hohe elektrosta tische Anziehungskraft bei möglichst kleinen elektrischen Spannungen und somit auch eine möglichst hohe Kontaktkraft erzeugt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst. Mit diesem Verfah ren wird an der Gegenplatte eine abgeschrägte Oberfläche gewonnen. Die Gegenplatte bildet also mit dem Anker einen keilförmigen Luftspalt, wodurch eine hohe Anzugskraft be reits von Beginn der Ankerbewegung an erzeugt werden kann. Da nach dem Anziehen des Ankers, abgesehen von den notwen digen dünnen Isolierschichten, keinerlei Luftspalt ver bleibt, lassen sich verhältnismäßig hohe Kontaktkräfte ge winnen. Unerwünscht große Luftspalte sowohl im Ruhezustand als auch im angezogenen Zustand des Ankers werden dadurch vermieden, daß der Anker unmittelbar auf der Oberfläche seines Trägersubstrats ausgebildet ist und mit der Ober fläche der Gegenplatte in Kontakt gelangt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein mikromechanisches Relais mit einem geraden Anker und einer schrägen Gegenplatte,

Fig. 2a bis 2d verschiedene Verfahrensabschnitte bei der Herstellung der abgeschrägten Gegenplatte,

Fig. 3a bis 3d verschiedene Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Ankers aus bzw. auf einem Silizium-Sub strat,

Fig. 4 eine Draufsicht IV auf den Anker gemäß Fig. 3d,

In Fig. 1 ist schematisch ein mikromechanisches elektro statisches Relais dargestellt. Dabei ist an einem Träger 1 aus Halbleitersubstrat, vorzugsweise einem Silizium-Wafer, ein zungenförmiger Anker 2 als freigeätzter Oberflächenbe reich ausgebildet. Eine Gegenplatte 3, beispielsweise aus Glas, ist an Randbereichen so mit dem Träger 1 verbunden, daß der Anker 2 in einem geschlossenen Kontaktraum 4 liegt. Die Gegenplatte 3 besitzt in dem dem Anker gegen überliegenden Bereich eine abgeschrägte Fläche 5, welche mit dem Anker einen keilförmigen Luftspalt 6 bildet. Um einen elektrostatischen Antrieb zu erzeugen, ist der Anker an seiner Oberfläche mit einer Elektrode 7 in Form einer Metallschicht versehen. Außerdem ist auf der schrägen Flä che 5 eine Gegenelektrode 8, ebenfalls in Form einer Me tallschicht, vorgesehen. Am freien Ende trägt der Anker ein Kontaktstück 9; außerdem ist an der Gegenplatte ein Gegenkontaktstück 10 angeordnet.

Der Anker wird durch selektive Ätzverfahren aus dem Träger 1 freigelegt, wobei der Innenraum 11 hinter dem Anker durch Unterätzung gemaß Fig. 3 gewonnen wird. Die schräge Fläche 5 an der Gegenplatte 3, die beispielsweise aus Pyrex-Glas besteht, wird erfindungsgemäß durch das Ätzver fahren gemäß Fig. 2 gewonnen. Die metallischen Leiter schichten, nämlich die Elektroden 7 und 8 sowie die Kon taktstücke 9 und 10 werden dabei durch übliche Beschich tungsverfahren gewonnen; die jeweiligen Anschlüsse 7a, 8a bzw. 9a und 10a werden ebenfalls als Metallschichten dabei mit aufgebracht. Soweit jeweils zwei oder mehr Metall schichten in einem gemeinsamen Bereich liegen, beispiels weise die Anschlußbahnen 7a und 9a für eine Elektrode und für einen Kontaktanschluß, können diese entweder in einer Ebene nebeneinander liegen und durch Isolierabschnitte ge trennt sein oder gegebenenfalls auch übereinander liegen, wobei dann wiederum eine Isolierschicht dazwischen liegt. Als Größenordnung für ein derartiges Relais läßt sich an nehmen, daß ein Silizium-Wafer beispielsweise eine Dicke von etwa 0,5 mm hat, so daß die Gesamthöhe des Relais bei etwa 1 mm liegen könnte. Die Länge und Breite des Relais liegen im Millimeterbereich. All diese Größenangaben sind jedoch nur als ungefähre Anhaltspunkte zu nehmen. Der Keilwinkel des Luftspaltes 6 ist übertrieben dargestellt. In Wirklichkeit liegt er in der Größenordnung von 3° oder weniger. Die Verbindung des Trägers 1 mit der Gegenplatte erfolgt beispielsweise durch anodisches Bonden am Glas- Si-Übergang oder über Metall-Glas- Schichten. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen Anker und Gegenplatte mi nimiert werden.

Beim Anlegen einer Spannung an die beiden Elektroden 7 und 8 wird der Anker 2 an die schräge Fläche 5 der Gegenplatte angezogen, so daß er die gestrichelte Position 2′ ein nimmt. Das freie Ende 2a des Ankers mit dem Kontaktstück 9 kommt dabei bereits vor dem Erreichen der Ankerendstellung mit dem Gegenkontaktstück 10 in Berührung, so daß sich der Anker im Endbereich durchbiegt. Auf diese Weise wird der Kontaktdruck erzeugt. Dabei ist natürlich selbstverständ lich, daß zumindest eine der Elektroden 7 bzw. 8 an ihrer Oberfläche mit einer Isolierschicht versehen ist, um einen Kurzschluß zu vermeiden.

Die Herstellung der Gegenplatte gemäß Fig. 1 erfolgt ent sprechend den Fig. 2a bis 2d. Als Substrat dient bei spielsweise Pyrex-Glas, auf dessen Oberfläche zunächst ei ne ätzbare Maske 18, beispielsweise aus Titan, und darüber eine ätzresistente Maske 19, z. B. aus Gold, aufgebracht wird. Durch Ätzen entlang der Pfeile 20 wird die Gold-Mas ke 19 unterätzt. Da dabei die Titan-Maske 18 nach und nach weggeätzt wird, entsteht eine schräge Fläche 5 (siehe Fi gur 2b). Gemäß Fig. 9c wird dann nach Entfernen der Gold- Maske die Elektrodenschicht 8 aufgebracht. Im Stoßbereich 5a zwischen der geraden und der schrägen Fläche wird eine kleine Vertiefung freigeätzt, um später die Beweglichkeit des Ankers an der Lagerstelle zu gewährleisten. Auf die Metallschicht (Stromzuführung 10a) wird dann in üblicher Weise mit einer Resist-Maske ein Kontaktstück 10 aus Gold abgelagert.

Als Gegenplatte 3 kann auch ein Si-Substrat benutzt wer den, wobei der Ätzvorgang für die Schräge vergleichbar wie oben abläuft. Für den darauf folgenden Fügeprozeß mit dem Träger 1 kann die Isolierschicht aus eine bondfähigen Glasschicht bestehen, um z. B. die Verbindung der Teile 1 und 3 durch anodisches Bonden herzustellen.

Anhand der Fig. 3a bis 3d soll nun ein mögliches Her stellverfahren für einen Anker gemäß Fig. 1 angegeben werden. Hierbei wird gemäß Fig. 3a zunächst auf einem Si lizium-Substrat 1 ein Oberflächenbereich entsprechend der späteren Ankerfläche mit Bor dotiert (Konzentration größer 1 · 10¹⁹ cm^-3). Es entsteht dabei eine p⁺-Silizium-Schicht von beispielsweise 10 µm Tiefe. Als Maske dient dabei bei spielsweise eine SiO₂-Schicht von etwa 0,2 µm Dicke. Durch die hohe Dotierung mit Bor wird die betreffende Schicht gegen das spätere Unterätzen resistent. Außerdem erzeugt die Bor-Dotierung in der Schicht eine Zugspannung, durch die eine erwünschte Krümmung des Ankers nach innen bewirkt wird.

Nach Abdeckung der p⁺-Schicht mit SiO₂ wird eine Metall schicht aufgebracht, die in einer Ebene sowohl eine Elek trodenschicht für den elektrostatischen Antrieb ein schließlich einer Zuleitung als auch eine elektrische Stromzuführung für den späteren Ankerkontakt bildet. Die nebeneinander liegenden Metallschichten werden durch eine entsprechende Maskierung elektrisch voneinander getrennt. Als Metall kommt beispielsweise Aluminium in einer Schichtdicke von 0,3 bis 1 µm in Betracht (siehe Fig. 3b).

Nach Aufbringen einer weiteren Isolierschicht, z. B. SiO₂ oder Si₃N₄ mit Hilfe plasma-unterstützter Gasphasenab scheidung PECVD), von beispielsweise 0,2 µm Dicke wird mit Hilfe einer Maske aus Fotoresist ein Goldkontakt 9, bei spielsweise mit einer Schichtdicke von mehr als 10 µm, aufgebracht.

Schließlich wird gemäß Fig. 3d die Ankerzunge 2 freige legt. Dies geschieht durch anisotropes Ätzen an drei Sei ten, wie durch die Pfeile 14 angedeutet ist. Wie aus Fig. 4 in einer Draufsicht zu erkennen ist, entsteht durch die ses Ätzen ein Graben 15, der den Anker 2 auf drei Seiten umgibt. Außerdem wird der Anker 2 entsprechend der gestri chelten Linie 16 in Fig. 3d unterätzt. Der Anker 2 bleibt also als freitragende Zunge übrig.

In Fig. 4 ist in einer Draufsicht (ohne Berücksichtigung der SiO₂-Isolierschicht) die Elektrodenverteilung auf dem Anker gezeigt. Zu erkennen sind zwei Elektrodenflächen 17a und 17b mit jeweils einer Anschlußfahne, außerdem eine Stromzuleitung 9a für das Kontaktstück 9. Die Metallober flächen sind durch Schraffierung kenntlich gemacht. Natür lich sind auch andere Geometrien hierfür denkbar.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen elek trostatischen Relais mit mindestens einem Anker (2), wel cher einseitig mit einem Träger (1) elastisch schwenkbar verbunden ist, mit seinem freien Ende mindestens ein Kon taktstück (9) trägt und zumindest eine elektrisch leitende Schicht (7) aufweist, sowie mit mindestens einer Gegen platte (3), welche zumindest eine elektrisch leitende Schicht (8) und zumindest ein mit dem Kontaktstück (9) des Ankers zusammenwirkendes Gegenkontaktstück (10) trägt, wobei die einander gegenüberstehenden leitenden Schichten (7, 8) gegeneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Gegenplatte (3) mit einer Ausnehmung (4) mit einer schrägen Flanke (5) zur Auflage des Ankers (2) im Betä tigungsfalle versehen wird, indem
- auf Oberflächenbereiche eines Substrats (3) entsprechend der herzustellenden schrägen Flanke (5) eine durch eine isotrope Ätzflüssigkeit abtragbare, dünne Schicht (18) aufgetragen wird,
- anschließend die dünne Schicht (18) mit einer für die isotrope Ätzflüssigkeit unangreifbaren Ätzmaske (19) ab gedeckt wird,
- anschließend ein isotropes Ätzen vorgenommen wird,
- danach die elektrisch leitende Schicht (8) auf die schräge Flanke aufgetragen wird und
- schließlich die Gegenplatte (3) mit dem Anker (3) zur Bildung des Relais vereinigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die dünne Schicht (18) aus Titan in einer Stärke von et wa 50 nm hergestellt wird und
- die Ätzmaske (19) aus Gold gebildet wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines Relais nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch fol gende Verfahrensschritte zur Bildung des Ankers:

a) auf einem Silizium-Substrat (1) wird ein der späteren Ankerfläche entsprechender Bereich mit einem ätzstop penden Element (z. B. Bor) dotiert;
b) auf dem vorgesehenen Ankerbereich werden durch selekti ve Abscheidung von Metall- und Isolierschichten eine Elektrode (7), ein Kontaktstück (9) und gegebenenfalls eine Stromzuführung zu dem Kontaktstück (9a) erzeugt;
c) durch Freiätzen des Ankerbereiches an drei Seiten sowie durch Unterätzung des dotierten Bereiches wird ein zun genförmig freiliegender Anker gewonnen;
d) das Substrat wird an seiner den Anker bildenden Ober fläche mit der Oberfläche eines ein Gegenkontaktstück (10) und eine Gegenelektrode (8) tragenden Gegensub strats (3) verbunden.