DE60117257T2

DE60117257T2 - Photolithographisch strukturierte variable kondensatorstrukturen und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60117257T2
Application number: DE60117257T
Authority: DE
Inventors: L. Christopher San Jose CHUA; Eric Fremont Peeters; F. Koenraad Mountain View VAN SCHUYLENBERGH; L. Donald Bolinas SMITH
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: MY133936A; US20020080554A1; AU2001261384A1; EP1303863A4; ATE318007T1; JP4980539B2; US6396677B1; TWI244206B; EP1303863B1; EP1303863A1; ES2256239T3; US20030030965A1; JP2004512671A; WO2001088933A1; US6922327B2; DE60117257D1; US6606235B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Feld der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf fotolithografisch gemusterte Spulenstrukturen, die aus der Ebene reichen, für die Verwendung in integrierten Schaltungen, Schaltplatinen und anderen Einrichtungen.
Beschreibung der verwandten Technik
Standardmäßige Verbindungstechniken für die elektrische Verbindung von integrierten Schaltkreisen oder Chips mit einer Schaltplatine oder einer anderen Einrichtung schließen Drahtverbindung, Streifenverbindung und Lötaugen-Flip-Typ-Verbindung ein. Die 1 zeigt einen Kontaktfuß 3, welcher auf einem Chip 2 ausgebildet ist, welcher mittels Draht zu einem entsprechenden Kontaktfuß 3 verbunden ist, welcher auf dem Substrat 1 ausgebildet ist. Die Kontaktfüße 3 sind durch einen Draht 4 elektrisch verbunden oder verschweißt. Da der Baustein 2 typischerweise mehrere zehn oder sogar mehrere hundert der Kontaktfüße 3 aufweist, ist das Drahtverbinden von jedem Kontaktfuß 3 auf dem Baustein 2 zu einem entsprechenden Kontaktfuß 3 auf dem Substrat 1 eine aufwendige, teure und zeitraubende Arbeit. Weiterhin müssen die Kontaktfüße 3 groß genug sein, um sowohl den Draht 4 als auch die Genauigkeit des Drahtverbindungsgerätes, welches verwendet wird, um die Drahtverbindung zu schaffen, zu berücksichtigen. Daher sind die Kontaktfüße 3 größer hergestellt als andererseits notwendig, um die Größeneinschränkungen des Drahtes 4 und des Drahtverbindungsgerätes auszugleichen.
Die 2 zeigt den auf dem Baustein 2 ausgebildeten Kontaktfuß 3 mittels Streifen mit einem entsprechenden Kontaktfuß 3 auf dem Substrat verbunden. Ein biegsames Sub strat 5, welches leitfähige Linien auf dessen unterer Oberfläche ausgebildet hat, wird gegen die Kontaktfüße 3 angedrückt. Eine Schicht von anisotropem Klebstoff (nicht gezeigt) ist zwischen den Kontaktfüßen 3 und dem flexiblen Substrat 5 angeordnet. Wenn das flexible Substrat 5 gegen die Kontaktfüße 3 gepresst wird, wirken der anisotrope Klebstoff und die auf dem flexiblen Substrat 5 ausgebildeten leitfähigen Linien zusammen, um die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktfüßen 3 fertig zu stellen. Wie das Drahtverbinden, leidet das Streifenverbinden unter Ausbeuteverlusten und hohen Kosten. Ungleichmäßigkeiten in den Höhen der Kontaktfüße 3 bedingen, dass eine nicht gleichförmige Kontaktkraft das flexible Substrat 5 gegen die Kontaktfüße 3 drückt. Die nicht gleichförmige Kontaktkraft bedeutet, dass einige Kontaktfüße 3 nicht ordnungsgemäß mit dem flexiblen Substrat 5 verbunden sein werden.
Ein weiteres herkömmliches Verfahren zum Verbinden der Kontaktfüße 3, welche auf dem Baustein 2 ausgebildet sind, mit den auf dem Substrat 1 ausgebildeten Kontaktfüßen 3 oder zu irgendeiner anderen Einrichtung ist die Lötauge-Flip-Chip-Verbindung. 3 zeigt den Baustein 2, welcher umgekehrt ist mit den Kontaktfüßen 3 nach unten schauend zu dem Substrat 1. Die Bezeichnung "Flip-Chip" rührt von dem Umkehren des Bausteins 2 her, da der Baustein 2 übergekippt ("flipped over") ist mit den Kontaktfüßen 3 zu dem Substrat 1 gerichtet, im Gegensatz sowohl zu der Streifenverbindung als auch zu der Drahtverbindung, in welchen die Kontaktfüße 3 auf dem Baustein 2 von dem Substrat 1 abgewandt sind. Beim standardmäßigen Umkehrverbinden werden Lötaugen 6 auf den Kontaktfüßen 3 auf dem Substrat ausgebildet. Die elektrische Verbindung zwischen den entsprechenden Kontaktfüßen 3 wird durch Anpressen der Kontaktfüße 3 auf dem Baustein 2 gegen die Lötaugen 6 fertiggestellt.
Das Umkehrverbinden ist eine Verbesserung sowohl gegenüber dem Drahtverbinden als auch dem Streifenverbinden. Die relativ weichen Lötaugen 6 neigen dazu, sich dauerhaft zu verformen, wenn der Baustein 2 nach unten gegen die Lötaugen 6 gedrückt wird. Diese Deformation der Lötaugen 6 gleicht einige Ungleichmäßigkeiten in der Höhe der Kontaktfüße 3 aus und jeglichen ungleichmäßigen Kontaktdruck, welcher den Baustein 2 gegen die Lötaugen 6 presst.
Das Umkehrverbinden leidet allerdings sowohl unter mechanischen als auch thermischen Variationen in den Lötaugen 6. Wenn die Lötaugen 6 in der Höhe nicht gleichmä ßig sind oder wenn das Substrat 1 wellig ist, kann der Kontakt zwischen den Kontaktfüßen 3 und den Lötaugen 6 zerbrechen. Wenn der Kontaktdruck, welcher den Baustein 2 nach unten auf die Lötaugen 6 presst, nicht gleichmäßig ist, kann weiterhin der Kontakt zwischen einigen Kontaktfüßen 3 und entsprechenden Lötaugen 6 ebenso fehlschlagen.
Die 4 zeigt eine standardmäßige Technik zum Aufbau eines zeitweisen elektrischen Kontaktes zwischen zwei Geräten. Eine Steckkarte 7 mit einer Vielzahl von Taststiften 8 berührt die Kontaktfüße 3 durch physisches Anpressen der Taststifte 8 gegen die Kontaktfüße 3. Der physische Kontakt zwischen den Taststiften 8 und den Kontaktfüßen 3 erzeugt eine elektrische Verbindung zwischen den Taststiften 8 und den Leitungen 9, welche auf dem Substrat 1 ausgebildet sind.
Steckkarten 7 werden allgemein verwendet, um ausschließlich vorübergehende Kontakte zwischen den Taststiften 8 und den Kontaktfüßen 3 zu schaffen, so dass die Einrichtung 10 getestet, abgefragt oder in anderer Weise mit derselben kommuniziert werden kann. Die Einrichtung 10 kann eine Matrix von Anzeigeelektroden sein, welche Teil einer Flüssigkristallanzeige mit aktiver Matrix sind. Das Austesten der Einrichtungen 10 wie etwa der Elektrodenmatrix der Flüssigkristallanzeige ist eingehender in einer Anmeldung JAO 34053 für denselben Erfinder beschrieben, welche gemeinsam eingereicht ist und hierbei als Bezug aufgenommen wird.
Die Steckkarten 7 weisen viel mehr Anwendungen auf als nur zum Testen von Flüssigkristallanzeigen. Jede Einrichtung 10, welche mehrere und relativ kleine Kontaktfüße 3 aufweist, ähnlich zu denjenigen auf dem Baustein 2, kann unter Verwendung der Steckkarte 7 getestet werden. Standardmäßige Techniken zur Herstellung der Steckkarte 7 sind jedoch zeitaufwendig und arbeitsintensiv. Jede Steckkarte 7 muss nutzungsbezogen für eine bestimmte, zu testende Einrichtung 10 erstellt werden. Typischerweise werden die Taststifte 8 manuell auf der Steckkarte 7 ausgebildet. Weil die Steckkarten 7 kundenbezogen und relativ teuer sind, werden die Steckkarten 7 typischerweise nicht so hergestellt, dass alle Kontaktfüße 3 der Einrichtung gleichzeitig kontaktiert werden. Daher kann nur mit Teilen der Einrichtung 10 eine Kommunikation stattfinden, dieselbe getestet oder gleichzeitig abgefragt werden, wodurch es notwendig ist, dass die Steckkarte 7 bewegt wird, um Kommunikation, Test und Abfrage der gesamten Einrichtung 10 zu ermöglichen.
Die Steckkarten 7 werden ebenso verwendet, um die Bausteine 2 zu testen, während die Bausteine 2 immer noch Teil einer Einkristall-Siliciumscheibe sind. Eine derartige Steckkarte 7 wird durch Beschichtungsverarbeitung mit lithografischen Mustern ausgebildet, wie in "Probing at Die Level, Corwith, Advanced Packaging, Februar 1995, Seiten 26–28" offenbart ist. Beschichtungsverarbeitung mit fotolithografischen Mustern erzeugt Steckkarten, welche im Wesentlichen dieselbe Auslegung aufweisen wie die standardmäßige Steckkarte 7. Dieser neue Prozesstyp scheint jedoch das Verfahren zur Herstellung der Taststifte 8 zu automatisieren, wodurch das manuelle Ausbilden der Taststifte 8 vermieden wird. Dieser Artikel offenbart weiterhin eine Steckkarte 7, welche an dem Ende, welches den Taststiften 8 am nächsten ist, gebogen ist, wie in 5 gezeigt. Die Biegung in der Steckkarte 7 ermöglicht, dass die Taststifte 8 die Kontaktfüße 3 unter einem Winkel berühren. Wenn die Steckkarte 7 die Taststifte 8 in die Kontaktfüße 3 drückt, geschieht eine mechanische Schleifaktion, welche ermöglicht, dass die Taststifte 8 das auf der Oberseitenfläche des Kontaktfußes 3 ausgebildete Oxid durchstößt.
Alle standardmäßigen Steckkarten 7 sind jedoch darauf beschränkt, Kontaktfüße 3 zu testen, welche in einer linearen Anordnung angeordnet sind. Ebenso sind die standardmäßigen Steckkarten 7 empfindlich für Variationen in der Höhe der Kontaktfüße 3 auf dem Substrat 1, auf Ungleichmäßigkeiten oder Verwellung des Substrates 1 und auf Temperaturänderungen.
Die Integration von kleinen Induktivitäten auf Siliciumsubstraten war für mehr als 15 Jahre Gegenstand einer intensiven, weltweiten Forschung. Diese Anstrengung wird durch den Wunsch angetrieben, Spulen auf integrierten Schaltkreisen (ICs) aus Silicium und Galiumarsenid zu integrieren. Die bisher vorgeschlagenen Strukturen waren jedoch Abwandlungen von Einrichtungen, in welchen aufgrund von technologischen Einschränkungen, die Spulenwindungen meist als Spiralen parallel zu dem darunterliegenden Substrat implementiert wurden.
Diese in der Ebene befindlichen Architekturen weisen zwei wichtige Nachteile auf. Wenn dieselben auf einem Substrat hergestellt werden, welches geringfügig leitfähig ist wie etwa Silicium, induzieren die magnetischen Felder der Spule Induktionsströme in dem darunterliegenden Substrat. Diese Ströme verursachen Widerstandsdissipation, welche zu Spulenverlusten beiträgt. Das zweite Problem entsteht, wenn die Spule bei hohen Frequenzen betrieben wird, bei welchen Oberflächen- und Nachbarschaftseffekte dazu führen, dass der Spulenstrom entlang den äußeren Oberflächen des Leiters fließt. Die "Hauttiefe" beträgt ungefähr 2 bis 3 μm für typische Leiter bei Frequenzen, die für die drahtlose Kommunikation von Bedeutung sind, beispielsweise 900 MHz, 1,9 GHz und 2,4 GHz. Der AC-Widerstand des Spulenleiters wird erheblich höher als dessen DC-Widerstand, weil der Querschnitt des Leiters nicht voll verwendet wird.
Die 31 zeigt die Stromverteilung bei in der Ebene eingerichteten Spulen, welche bei hohen Frequenzen betrieben werden. Eine dunklere Schattierung in der Spule zeigt eine höhere Stromdichte an. Die in 31a gezeigte scheibenförmige Spule weist eine Stromverteilung auf, welche an den äußeren Rändern der Windungsdrähte konzentriert ist. Daher vergrößert ein Erweitern des Leiters nur den ungenutzten Anteil des Leiters und vermindert den AC-Widerstand nicht. Diese Situation kann mit der typischerweise als diskrete Komponente bestehenden, aus der Ebene tretenden Spule der 31b verglichen werden, in welcher der AC-Widerstand verringert werden kann durch einfaches Erweitern der Leiter.
In der Vergangenheit wurden Lösungen vorgeschlagen und versucht, um den Nachteilen, welche mit in der Ebene angeordneten Induktionsspulen verbunden sind, zu begegnen. Die Wirbelströme können beispielsweise reduziert werden durch Wegätzen des Substrats unterhalb der Spule. Diese Vorgehensweise ist jedoch nicht praktikabel, da es die strukturelle Integrität opfert und bestehende elektronische Schaltung in dem Siliciumsubstrat zerstört. Um den Wechselstromwiderstand der in 31a gezeigten Einrichtung zu verringern, kann der Leiter unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken wie etwa LIGA (siehe A. Rogner et al., "The LIGA technique – what are the new opportunities", J. Micromech. Microeng., Band 2, Seiten 133–140, 1992) hergestellt werden. Die Verarbeitung von Strukturen mit großem Seitenverhältnis ist jedoch schwierig und teuer.
Verschiedene Techniken für aus der Ebene reichende Spulen wurden vorgeschlagen. Beispielsweise beschreibt Chukwunenye Stanley Nnebe, in "A Mechanically-raised Micromachined Variable Inductor Coil" (www.ee.cornell.edu/MENG/Abstracts/tien.htm) eine variable Induktorstruktur, welche aus der Ebene reicht. Die Struktur besteht aus an fänglich goldmetallisierten Streifen aus Polysilicium auf der Oberflächenebene des Substrates, welche darauffolgend angehoben und über ein Gelenksystem befestigt werden, um mit der Berührung eine dreieckige Geometrie auszubilden. Nachdem der Aufbau der Spule beendet ist, kann daraufhin der Schlitten, welcher den magnetischen Kern darstellt, durch ein Stoßsystem aktiviert werden, welches durch vier kammgetriebene Resonatoren gesteuert wird (zwei kammgetriebene Resonatoren für jede Bewegungsrichtung). Das Einsetzen des magnetischen Kerns durch die Spulen würde den magnetischen Fluss, welcher um die Spulen herum entwickelt wird, beeinflussen und daher die Induktivität entsprechend variieren. Der Abstimmbereich des Induktors wird durch diesen Effekt eingestellt und es können zuverlässige Daten durch sorgfältiges Steuern der vier Resonatoren erhalten werden, welche den Schlitten betätigen, wodurch bewirkt wird, dass sich derselbe über eine endliche Entfernung durch die Spulen bewegt. Eine derartige Technik ist schwierig mikromechanisch herzustellen und erfordert zusätzliche Komponenten auf wertvollem Bausteingebiet.
Robert Marcus et al. offenbart in der internationalen PCT-Anmeldung Nr. WO 99/18445, eingereicht am 2. Oktober 1998 mit dem Titel "Michromachined element and Method of Fabrication thereof", eine Spulenstruktur, welche durch die Abscheidung von zwei Schichten aus Material, welches unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweist auf einer Opferschicht, Entfernen der Opferschicht und nachfolgendes Erwärmen der auskragenden Struktur, bis sich dieselbe teilweise um sich selbst herum aufrollt. Das Schließen der Spule wird durch Mustern eines angebundenen Endes an die Spitze der auskragenden Struktur erreicht. Wenn die Opferschicht entfernt wird und die Auskragung erwärmt wird, wickelt sich die Auskragung auf sich selbst auf und bewirkt, dass sich das angebundene Ende verkrümmt. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Struktur ist jedoch für die Herstellung von Feldern von dicht gepackten, integrierten Mikroinduktoren und anderen Strukturen auf Siliciumsubstraten ungeeignet.
Induktoren mit geringem Verlust, welche auf dem Baustein integriert werden können, sind in Einrichtungen der drahtlosen Kommunikation wie etwa Mobiltelefonen, Pagern, GPS-Empfängern, Warenhausmanagement-RF-Identifikationsanhängern, drahtlosen Computer LANs, Personal-Digital-Assistents und Satelliten-Telekommunikation höchst wünschenswert. Insbesondere erfordern kleine tragbare Geräte den geringstmöglichen Stromverbrauch für eine größere Batterielebensdauer und eine maximale Schaltungsin tegration, um die Gerätegröße und die Komplexität der PC-Schaltplatine zu reduzieren. Die Nachfrage nach Induktoren mit geringem Verlust wird durch eine grundlegende Abwägung zwischen dem Stromverbrauch auf der einen Seite und der Notwendigkeit für passive Schaltkreise mit geringem Verlust (d.h. Induktoren und Kondensatoren) auf der anderen Seite angetrieben. Das Absenken der Transistorvorspannung in Radioschaltkreisen verringert den Leistungsverlust, verschlechtert aber ebenso die Verstärkung, Oszillatorstabilität und Filterselektivität. Die Verwendung von passiven Bauteilen mit niedrigem Verlust ist die einzige überlebensfähige Technik, um dieses Problem zu beherrschen. Kondensatoren von niedrigem Verlust im Bereich von 0,1 bis 100 pF werden routinemäßig heutzutage auf Bausteinen integriert. Die integrierten Spulenarchitekturen nach dem Stand der Technik sind jedoch immer noch zu verlustreich, um nützlich in integrierten RF-Schaltungen zu sein. Alle gegenwärtigen RF-Bausteinesätze sind daher darauf begrenzt, diskrete Induktoren zu verwenden, welche einen Platzengpass in den heutigen, fortschreitend miniaturisierten Anwendungen bilden.
Moderne drahtlose Bauformen werden typischerweise in den unteren GHz-Bändern betrieben. Die Standardfrequenzen für Mobiltelefone sind 900 MHz, 1,8 GHz, 1,9 GHz und 2,4 GHz, während 900 MHz die Frequenz der Wahl für schnurlose Telefone ist. Die 410 bis 430 MHz, 870 MHz und 900 bis 930 MHz Bänder werden für drahtlose RS-232, Computer LANs und RF-Identifikation verwendet. Bei diesen 100 MHz bis GHz Frequenzen sind die passiven Bausteine der Wahl bei Induktoren typischerweise 1 bis 30 nH und bei Kondensatoren typischerweise 1 bis 30 pF. Die dazwischenliegenden Frequenzen in Superheterodyn-Empfängern sind 40 bis 350 MHz, welche passive Bauteile in der Größenordnung von 100 bis 1000 nH und 10 bis 100 pF erfordern. Obwohl auf dem Baustein befindliche Kondensatoren von hoher Qualität im Bereich von 0,1 pF bis 100 pF üblicherweise in Gebrauch sind, sind integrierte Induktoren und integrierte variable Kondensatoren, welche die Anforderungen an geringem Verlust erfüllen, derzeit nicht erhältlich.
Variable Kondensatoren (variable capacitors: varicaps), welche auf dem Baustein integriert werden können, werden ebenso stark nachgefragt. Die Benchmark-Architektur für derzeitige drahtlose Übertrager ist immer noch die Superheterodyn-Architektur, welche sowohl Induktoren als auch Varicaps verwendet. Varicaps sind wichtige Komponenten der Superheterodyn-Schaltkreise, welche in vielen drahtlosen Geräten verwendet wer den. Superheterodyn-Schaltkreise, welche sowohl Induktoren als auch Kondensatoren verwenden, können derzeit nicht auf den Baustein in kommerziellen Geräten integriert werden und stellen somit einen Engpass bei der Geräteminiaturisierung dar. Das fehlende Glied beim Implementieren der vollen Superheterodyn-Drahtlosarchitekturen auf einem Baustein sind Induktoren mit Qualitätsfaktoren von mindestens 30 bis 50, Varicaps mit einem Abstimmbereich von 10% und einem Qualitätsfaktor von 30 bis 50 und Oszillatoren mit Qualitätsfaktoren von 10000 oder mehr. Die Prozesstechnologie zur Herstellung der Kondensatoren sollte kompatibel mit dem Prozess zur Herstellung der Induktoren sein.
Derzeitige drahtlose Geräte verwenden diskrete, nicht auf dem Baustein angeordnete Komponenten, um Superheterodyn-Schaltkreise zu implementieren. Der Oszillator mit sehr hohem Q ist üblicherweise ein Kristalloszillator. Es gibt ebenso viele spannungsgesteuerte Oszillatoren (Voltage Controlled Oscillators: VCOs), von denen jeder mindestens einen diskreten Induktor und einen diskreten Varicap verwendet. Wegen dieser diskreten Komponenten belegen die VCOs einen großen Abschnitt bei vielen RF-Schaltkreisflächen. Die Möglichkeit, gesamte VCOs auf dem Baustein zu integrieren, erfordert einen neuen Typ von Varicap ebenso wie Induktor.
Es gibt einen Bedarf für eine in Mikrotechnik hergestellte Spulenstruktur, welche einfach herzustellen ist und nicht viel Platz auf dem Baustein verwendet. Es gibt einen Bedarf für Spulenstrukturen von niedrigem Verlust und variablen Kapazitäten von niedrigem Verlust, welche auf leitfähigen Substraten wie etwa Silicium, integriert werden können. Es besteht ebenso ein Bedarf für eine integrierte Spulenstruktur, in welcher die Windungen einen geringeren Widerstand aufweisen. Es gibt ebenso einen Bedarf für ein Verfahren zur Herstellung einer Spulenstruktur, bei welcher das elektrische Schließen der Windungen der Spule eine brauchbare elektrische Struktur erzeugt. Es gibt einen Bedarf für eine herstellgeeingnete Technik, welche in einer geschlossenen Spulenstruktur, passend für high-Q integrierte passive Induktorelemente resultiert. Es gibt einen Bedarf für eine Herstelltechnik, welche die Integration sowohl von Induktoren und Varicaps auf dem Baustein ermöglicht.
EP-A-0759628 beschreibt einen variablen Kondensator. Ein kleiner variabler Kondensator schließt einen beweglichen Abschnitt ein, welcher aus einer beweglichen Elektrode, welche von einem Trägerabschnitt getragen wird, zusammengesetzt ist. Eine Antriebselektrode und eine Detektionselektrode werden der beweglichen Elektrode gegenüberliegend bereitgestellt.
US-A-5,613,861 beschreibt einen fotolithografisch gemusterten Federkontakt. Ein fotolithografisch gemusterter Federkontakt wird auf einem Substrat ausgebildet und verbindet Kontaktfüße auf zwei Einrichtungen elektrisch. Der Federkontakt gleicht ebenso thermische und mechanische Änderungen und andere Umweltfaktoren aus. Ein inhärenter Spannungsgradient in dem Federkontakt verursacht, dass der freie Abschnitt des Federkontakts sich aufbiegt und sich von dem Substrat wegbiegt. Ein Verankerungsabschnitt verbleibt an dem Substrat befestigt und ist elektrisch mit einem ersten Kontaktfuß auf dem Substrat verbunden.
JP 10079324A beschreibt ein Element mit variabler Kapazität. Eine feststehende Elektrode ist auf einem Trägersubstrat ausgebildet und eine Auskragung ist über der feststehenden Elektrode über einen der festen Elektrode gegenüberliegenden Spalt ausgebildet. Eine bewegliche Elektrode ist auf einer Seite gegenüber der festen Elektrode der Auskragung ausgebildet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen variablen Kondensator und ein Verfahren zur Ausbildung eines variablen Kondensators insbesondere in Bezug auf verbesserte Zuverlässigkeit und geringere Kosten zu verbessern. Dieses Ziel wird durch Bereitstellen eines variablen Kondensators gemäß Anspruch 1 und eines Verfahrens zur Ausbildung eines variablen Kondensators gemäß Anspruch 5 erreicht. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die in den 1 bis 54 gezeigten Ausführungsformen sind nicht Teil der Erfindung.
Diese Erfindung wird mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben, in welchen die Bezugszeichen sich auf ähnliche Elemente beziehen:
1 zeigt einen Baustein, welcher mit Draht mit einem Substrat verbunden ist;
2 zeigt einen Baustein, welcher mit einem Streifen mit einem Substrat verbunden ist;
3 zeigt einen Baustein, welcher mit Lötaugen über Kopf mit dem Substrat verbunden ist;
4 zeigt eine Steckkarte, welche mit einem elektronischen Gerät in Kontakt steht;
5 zeigt eine Steckkarte mit einem angewinkelten Taststift;
6 ist ein Federkontakt in einem nicht deformierten freien Zustand und ein weiterer Federkontakt, welcher beim Kontakt mit einem Kontaktfuß deformiert wird;
7 zeigt einen Metallstreifen ohne Spannungsgradient;
8 zeigt ein Modell zur Bestimmung der Krümmung eines Federkontaktes aufgrund von Spannungsgradient;
9 zeigt ein Modell zur Bestimmung der Größe der Reaktionskraft, welche an der Spitze des Federkontaktes ausgeübt wird;
10–13 zeigen die Schritte eines Verfahrens zur Ausbildung eines Federkontaktes;
14 ist eine grafische Darstellung der Filmspannung bei einer durch Sputtern aufgeschichteten Nickel-Zirkonium-Legierung als eine Funktion des Plasma-Gasdruckes;
15 ist eine Draufsicht auf einen Federkontakt;
16 ist eine Einrichtung zum Testen des Federwiderstandes einer Vielzahl von Federkontaktpaaren;
17 ist eine grafische Darstellung des ermittelten Widerstands einer Vielzahl von Federkontaktpaaren;
18 ist eine grafische Darstellung des Federwiderstandes eines Federkontaktes als eine Funktion der Distanz zwischen dem Kontaktfuß und dem Substrat;
19 ist ein Federkontakt mit einem ebenen Ende;
20 ist ein Federkontakt mit einem punktförmigen Ende;
21 ist ein Federkontakt mit zwei Punkten an dem Tastende;
22 ist ein Federkontakt mit vielfachen Punkten an dem Tastende;
23 ist ein Federkontakt mit einem deformierbaren Streifen an dem Tastende;
24 zeigt einen Federkontakt mit einem deformierten Tastende, wenn dasselbe gegen einen Kontaktfuß gedrückt wird;
25 ist ein Baustein mit einer Vielzahl von Federkontakten, welche elektrisch mit einem Substrat verbunden sind;
26 ist ein Baustein, welcher mit einem Staubdeckel verbunden ist und welcher eine Vielzahl von Federkontakten aufweist, welche elektrisch mit einem Substrat verbunden sind;
27 ist ein Baustein, welcher mit einem Substrat verklebt ist und elektrisch mit dem Substrat durch eine Vielzahl von Federkontakten auf dem Baustein verbunden ist und welcher einen Staubdeckel aufweist;
28 ist ein Baustein, welcher elektrisch mit einem Substrat verbunden ist mittels einer Zwischenscheibe, welche eine Vielzahl von Federkontakten aufweist;
29 ist eine Steckkarte, welche eine Vielzahl von Federkontakten aufweist und welche zum Testen eines elektronischen Geräts verwendet wird;
30 ist eine Flüssigkristallanzeige und ein Gerät zum Testen des Betriebes der Anzeige;
31a und 31b sind Querschnitte und veranschaulichen die Stromverteilung bei hohen Frequenzen jeweils in einer scheibenförmigen Spule und einem Solenoid;
32 ist ein Querschnitt eines Stapels von spannungsbeaufschlagtem Film, welcher über einer Freigabeschicht abgelagert ist;
33 veranschaulicht eine Spulenstruktur mit konstantem Radius;
34 ist eine SEM-Mikroaufnahme einer Folge von Windungen mit konstantem Radius;
35 veranschaulicht eine Spule mit vielen Windungen, welche aus einer Folge von verbundenen Schleifen ausgebildet ist;
36 veranschaulicht die Positionierung des zweiten Ankerabschnittes mit einem mechanischen Anschlag;
37 veranschaulicht die Lage des mechanischen Anschlags der 36;
38 ist eine grafische Darstellungen der Enden-Trajektorien für verschiedene Längen des elastischen Elements für einen Spulenradius von 100 μm;
39 veranschaulicht die Ausbildung einer Spule mit vielen Windungen aus einzelnen, angewinkelten Spulen;
40 veranschaulicht ein Verfahren für die Bereitstellung von Verbindungen zwischen den Spulen;
41 veranschaulicht ein toroidförmiges Solenoid;
42 veranschaulicht das Spulenanzapfen;
43 veranschaulicht einen einfachen Transformator mit Luftkern;
44 veranschaulicht einen Luftkerntransformator mit ineinandergespulten primären und sekundären Windungen;
45 veranschaulicht einen Induktor mit galvanisierten Dauerlegierungskernen;
46 veranschaulicht geschichtete metallische Kerne;
47a und 47b veranschaulichen zwei Stufen eines Mikrotransformators;
48 veranschaulicht unterschiedlichen schraubenförmigen Abstand von verschiedenen Federorientierungen;
49 veranschaulicht eine Spule mit vielen Windungen, welche aus einzelnen schraubenförmigen Spulenwindungen aufgebaut ist;
50 veranschaulicht eine schraubenförmig aneinandergesetzte vielschleifige Windung;
51 ist eine grafische Darstellung einer dreisegmentigen Feder mit drei unterschiedlichen Radien;
52 veranschaulicht eine Spule, welche unter Verwendung eines Lastelements geschlossen wird;
53 veranschaulicht quer aneinandergesetzte einzelne Windungsschleifen;
54a und 54b veranschaulichen zwei Strukturen mit einem sich ändernden Krümmungsradius;
55 ist ein Querschnitt eines Varicaps gemäß der Erfindung;
56 ist eine grafische Darstellung der Varicap-Kapazität gegen die Federanhebung; und
57 ist eine Draufsicht eines Varicaps mit einem großen Feld von einzelnen Kondensatorelementen;
58 ist ein Querschnitt entlang Linie A-A der 57; und
59 und 60 veranschaulichen abstimmbare LC-Schaltkreise.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die auf Seiten 14 bis 38 beschriebenen und in 1 bis 54 gezeigten Ausführungsformen sind nicht Teil der Erfindung. Die Beschreibung dieser Ausführungsformen wird zum besseren Verständnis der Erfindung angegeben.
6 zeigt eine Seitenansicht einer Verbindungsstruktur 100 mit einer Vielzahl von Federkontakten 15. Jeder Federkontakt 15 umfasst einen freien Abschnitt 11 und einen Ankerabschnitt 12, welcher an einer Unterschicht oder Freigabeschicht 13 befestigt ist und elektrisch mit einem Kontaktfuß 3 verbunden ist. Jeder Federkontakt 15 ist aus einem extrem elastischen Material, wie etwa einer Chrom-Molybdän-Legierung oder einer Nickel-Zirkon-Legierung hergestellt. Vorzugsweise werden die Federkontakte 15 aus einem elastischen, leitenden Material ausgebildet, wenngleich dieselben aus einem nicht leitenden oder halb leitenden Material hergestellt werden können, wenn dieselben mit einem leitenden Material beschichtet oder galvanisiert werden. Besonders vorzugsweise werden die Federkontakte 15 aus einer Nickel-Zirkon-Legierung mit 1% Zirkon ausgebildet. Zirkon wird der Legierung zugegeben, um die elastischen Eigenschaften der Le gierung zu verbessern, während die Leitfähigkeit der Legierung nicht stark beeinflusst wird. Wenn das elastische Material nicht leitend ist, wird dasselbe auf mindestens einer Seite mit einem leitfähigen Material wie etwa einem Metall oder einer Metalllegierung beschichtet.
Der Kontaktfuß 3 ist das Anschlussende einer Kommunikationsleitung, welche elektrisch mit einem elektronischen Gerät kommuniziert, welches auf dem Substrat 14 ausgebildet ist, wie etwa ein Transistor, eine Anzeigeelektrode oder eine andere elektrische Einrichtung. Der Kontaktfuß 3 wird typischerweise aus Aluminium hergestellt, kann jedoch aus jedem anderen leitfähigen Material hergestellt werden. Die Freigabeschicht 13 ist aus Siliciumnitrid, Silicium, Titan oder einem anderen ätzbaren Material hergestellt. Die Freigabeschicht 13 ist jedoch nicht notwendig und kann weggelassen werden. Die Freigabeschicht 13 und der Kontaktfuß 3 werden auf oder über dem Substrat 14 ausgebildet, welches aus einem Material besteht, wie etwa oxidiertes Silicium oder Glas oder eine gedruckte Schaltplatine oder Keramik oder Silicium oder Galliumarsenid.
Gemäß 7 wird ein Streifen aus Metall, welcher keinen Spannungsgradient inhärent in dem Metall aufweist, eben daliegen. Wenn jedoch, wie in 8 gezeigt, ein gleichförmiger Spannungsgradient in den Metallstreifen eingeführt wird, biegt sich der Metallstreifen in einen Bogen.
Jeder Federkontakt 15 wird derart ausgebildet, dass der in 8 gezeigte Spannungsgradient in den Federkontakt 15 eingegeben wird. Wenn der Federkontakt 15 ausgebildet wird, wird die Metallschicht, welche den Federkontakt 15 umfasst derart aufgeschichtet, dass eine Druckspannung in den unteren Abschnitten der Metallschicht vorhanden ist und eine Zugspannung in den oberen Abschnitten der Metallschicht vorhanden ist. 8 zeigt den Spannungsunterschied Δσ (d.h. den Unterschied in der Spannung von der Oberseite zu der Bodenseite), welcher in dem Federkontakt 15 vorhanden ist. Die Druckspannung in den unteren Abschnitten der Metallschicht ist durch Pfeile dargestellt, welche nach links weisen. Die Zugspannung in den oberen Abschnitten der Metallschicht ist durch Pfeile dargestellt, welche nach rechts weisen. Der Spannungsgradient (Spannungsunterschied dividiert durch Dicke) verursacht, dass der Federkontakt 15 sich in die Form eines Bogens mit einem Radius r aufbiegt. Die Gleichung 1 liefert den Krümmungsradius r des Federkontaktes 15:
wobei y der Young'sche Modul des Metalls, h die Dicke der Metallschicht, welche den Federkontakt 15 ausbildet, Δσ der Spannungsunterschied, und ν der Schermodul des Metalls ist.
Mit wiederholtem Bezug auf die 6 ist r der Krümmungsradius des freien Abschnittes 11 des Federkontaktes 15, wie er durch die Gleichung (1) vorhergesagt wird, und θ ist der Winkel zwischen der Radiuslinie, die zu der Verbindung des freien Abschnittes 11 mit dem Ankerabschnitt 12 weist und der Radiuslinie, welche zu der Spitze 30 des freien Abschnittes 11 weist. Die Gleichung (2) gibt die ungefähre Höhe b der Spitze 30 des Federkontaktes von dem Substrat 14 für Winkel θ < 50°:
wobei L die Länge des freien Abschnittes 11 und r der Krümmungsradius des freien Abschnittes 11 ist.
Da jeder Federkontakt 15 vorzugsweise aus einem hoch elastischen Material hergestellt wird, kann jeder Federkontakt 15 an der Spitze 30 nach unten gedrückt und wie in 6 gezeigt deformiert werden, wobei sich dieser aber plastisch nicht deformiert. Typischerweise nimmt ein Kontaktfuß 3 der Einrichtung 101 die auf die Spitze 30 nach unten gerichtete Kraft auf und verbindet die Spitze 30 elektrisch. Der Federkontakt 15 widersteht der auf die Spitze 30 nach unten ausgerichteten Kraft und hält eine elektrische Verbindung mit dem Kontaktfuß 3 aufrecht.
Wenn die Kraft auf der Spitze 30 nachlässt kehrt der Federkontakt in seinen nicht deformierten Zustand zurück. Daher ermöglicht die Elastizität des Federkontaktes 15, dass die Federkontakte 15 viele elektrische Verbindungen mit verschiedenen Kontaktfüßen 3 herstellen, während die Unversehrtheit der elektrischen Verbindung zwischen der Federkontaktspitze 30 und dem Kontaktfuß 3 aufrechterhalten wird.
Weiterhin wird der Federkontakt 15 vorzugsweise aus einem Material mit kriechendem Widerstand hergestellt. Wenn der Federkontakt 15 über eine längere Zeit durch einen Kontaktfuß 3 elastisch deformiert wird, welcher die Federkontaktspitze 30 nach unten drückt, widersteht daher der Federkontakt 15 der nach unten gerichteten Kraft und drückt die Federkontaktspitze 30 gegen den Kontaktfuß 3, wodurch die elektrische Verbindung aufrechterhalten wird.
Die 9 zeigt ein Modell zur Bestimmung des Ausmaßes der Kraft F_tip, welche durch die Federkontaktspitze 30 auf einen Kontaktfuß 3 in Reaktion auf die Kraft des Kontaktfußes 3 angewandt wird, welcher die Federkontaktspitze 30 nach unten drückt. Die Gleichung 3 gibt die Reaktionskraft F_tip der Federkontaktspitze 30 an:
wobei w die Breite des Federkontaktes 15, h die Dicke des Federkontaktes 15, Δσ der Spannungsgradient und x der horizontale Abstand von der Federkontaktspitze zu dem Punkt ist, an welchem der Federkontakt 15 als Erstes das Substrat 14 berührt.
Für eine gegebene Breite w, Dicke h und Spannungsgradient Δσ variiert die Reaktionskraft F_tip der Spitze 30 umgekehrt mit der Entfernung x. Daher nimmt die Reaktionskraft F_tip zu, wenn die Federkontaktspitze 3 näher an das Substrat 14 herankommt, da der Abstand x abnimmt, wenn der Federkontakt 15 zusammenfällt und gegen das Substrat 14, wie in 6 gezeigt, drückt. Die Zunahme in der Reaktionskraft F_tip, wenn der Kontaktfuß 3 die Federkontaktspitze 30 näher an das Substrat 14 herandrückt, verbessert allgemein die elektrische Verbindung zwischen der Federkontaktspitze 30 und dem Kontaktfuß 3. Die zunehmende Reaktionskraft F_tip bewirkt, dass sich die Federkontaktspitze 30 lokal an dem Kontaktfuß 3 deformiert, wodurch der Berührungsbereich zwischen dem Kontaktfuß 3 und der Federkontaktspitze 30 vergrößert wird.
Die 10–13 zeigen die wichtigsten Schritte eines Verfahrens zur Ausbildung eines Federkontaktes 15. Gemäß 10 wird ein Kontaktfuß 3 auf oder über einem Substrat 14 ausgebildet. Zusätzlich wird eine Freigabeschicht 13 auf oder über dem Substrat 14 ausgebildet. Wie vorstehend erwähnt, wird die Freigabeschicht 13 nicht benötigt und kann weggelassen werden.
Gemäß 11 wird eine Schicht aus Metall 16 auf oder über dem Substrat 14 abgelagert. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Metall die oben erwähnte Nickel-Zirkon-Legierung. Ein Teil der Metallschicht 16 ist elektrisch verbunden mit oder berührt unmittelbar den Kontaktfuß 3 und ein anderer Abschnitt der Metallschicht 16 ist auf oder über der Freigabeschicht 13 abgelagert. Für die Ablagerung einer Metallschicht 16 auf oder über dem Substrat 14 sind viele Verfahren verfügbar, einschließlich Elektronenstrahlablagerung, Epitaxie mit Molekularstrahl, chemische Dampfabscheidung und Zerstäubungsablagerung. Vorzugsweise wird die Metallschicht 16 über Zerstäubung abgelagert.
Wenn ein Metall mit Zerstäubung abgelagert wird, wird das abzulagernde Metall auf einem Träger angeordnet und auf eine hohe negative Spannung gesetzt. Ein Strom von Plasmagas, typischerweise Argon, wird auf den Träger gerichtet. Das Potenzial hoher Spannung zwischen dem Plasmagas und dem Trägermetall erzeugt Ionen, welche zu dem Metallträger hin beschleunigt werden und denselben bombardieren. Dieses Bombardement schlägt kleine Partikel des Metallkörpers frei und die befreiten Partikel werden auf die Oberfläche geleitet, auf welcher sich die Partikel ablagern.
Die Metallschicht 16 wird in verschiedenen Unterschichten 16-1 bis 16-n bis zu einer endgültigen Dicke h von ungefähr 1 μm abgelagert. Die Spannungsdifferenz Δσ wird in die Metallschicht 16 durch Verändern der in jeder Unterschicht 16-1 bis 16-n der Metallschicht 16 inhärenten Spannung eingebracht, wie in 11 gezeigt, wobei jede Unterschicht 16-x ein unterschiedliche Ausmaß von inhärenter Spannung aufweist.
Die unterschiedlichen Spannungsgrößen können in jede Unterschicht 16-x der aufgelagerten Metallschicht 16 während der Zerstäubungsablagerung auf vielfache Weisen eingebracht werden, einschließlich der Hinzunahme eines reaktiven Gases zu dem Plasma, Ablagern des Metalles unter einem Winkel, oder Variieren des Ablagerungswinkels, und Ändern des Druckes des Plasmagases. Vorzugsweise werden die unterschiedlichen Spannungsgrößen in die Metallschicht 16 durch Variieren des Druckes des Plasmagases eingebracht, welches vorzugsweise Argon ist.
14 ist eine grafische Darstellung und zeigt die Beziehung der Schichtspannung in der über Zerstäubung abgelagerten Nickel-Zirkon-Legierung und dem Druck des für die Ablagerung verwendeten Plasmagases. Für niedrige Drücke des Plasmagases, ungefähr 1 mTorr, ist die Schichtspannung in dem abgeschiedenen Metall eine Druckspannung. Wenn sich der Druck des Plasmagases vergrößert, ändert sich die Schichtspannung in der abgelagerten Unterschicht zu einer Zugspannung und vergrößert sich mit größer werdendem Plasmagasdruck.
Vorzugsweise wird die Metallschicht 16 in fünf Unterschichten 16-1 bis 16-5 abgeschieden. Die erste Unterschicht 16-1 wird bei einem Plasmadruck von 1 mTorr abgeschieden, wie durch die Zahl 1 in 14 angezeigt. Die erste Unterschicht 16-1 ist die unterste Schicht in der Metallschicht 16 und weist eine inhärente Druckspannung auf. Die zweite Unterschicht 16-2 wird auf der Oberseite der ersten Unterschicht 16-1 bei einem Plasmagasdruck von ungefähr 6 mTorr abgeschieden. Die zweite Unterschicht 16-2 weist eine geringfügige inhärente Zugspannung auf, wie durch die Zahl 2 in 14 angezeigt. Die Unterschichten 16-3, 16-4 und 16-5 werden danach eine über die andere bei Plasmagasdrücken, wie sie durch die Zahlen 3, 4 und 5 in 14 angezeigt sind, abgeschieden.
Der Prozess der Abscheidung der Metallschicht 16 in fünf getrennten Unterschichten 16-1 bis 16-5 resultiert in einer Metallschicht 16 mit einem Spannungsunterschied Δσ, welcher sich in dem unteren Abschnitt der Metallschicht 16 auf Kompression bezieht und in Richtung auf die Oberseite der Metallschicht 16 sich verstärkend auf Zug bezieht. Wenn gleich der Spannungsgradient die Metallschicht 16 veranlasst, sich in einen Bogen zu biegen, haftet die Metallschicht 16 an der Freigabeschicht 13, dem Substrat 14 und dem Kontaktfuß 3 und liegt daher flach da.
Nach der Abscheidung der Metallschicht 16 wird die Metallschicht 16 fotolithografisch in die Federkontakte 15 gemustert. Fotolithografisches Mustern ist eine gut bekannte Technik und wird routinemäßig in der Industrie für Halbleiterbausteine verwendet. Das fotolithografische Mustern der Metallschicht 16 wird beendet, wie allgemein in den 11–13 gezeigt. Ein fotoempfindliches Material 17 wird gleichmäßig auf der Deckfläche der Metallschicht 16 abgeschieden. Die fotoempfindliche Schicht 17 wird daraufhin bei einer Temperatur von ungefähr 120°F sanft gebacken. Die fotoempfindliche Schicht 17 wird daraufhin belichtet, typischerweise im Ultraviolett-Spektralbereich unter Verwendung einer geeigneten Maske. Die Maske stellt sicher, dass Gebiete des fotoempfindlichen Materials 17 geeignet dem Licht ausgesetzt werden, welches eine zweidimensionale Ansicht des Federkontaktes 15 beschreibt.
Sobald das fotoempfindliche Material 17 mit einem geeigneten Lichtmuster belichtet wurde, wird das fotoempfindliche Material 17 entwickelt und bei einer Temperatur von ungefähr 200°F stark gebacken. Das elastische Material 16 wird daraufhin geätzt, um den Federkontakt 15 auszubilden. Es können unterschiedliche Verfahren für die Ätzung verwendet werden, einschließlich Ionenfräsen, reaktives Ionenätzen, Plasmaätzen und nasschemisches Ätzen. Vorzugsweise wird nasschemisches Ätzen verwendet.
Das nasschemische Ätzmittel, z.B. eine Salpetersäurelösung, wird auf das elastische Material 16 angewandt. Das Ätzmittel entfernt geeignete Gebiet des fotoempfindlichen Materials 17, welche durch die Gebiete des fotoempfindlichen Materials 17 bestimmt sind, welche mit Licht belichtet wurden oder nicht belichtet wurden und dem Typ des verwendeten fotoempfindlichen Materials 17. Wenn die geeigneten Gebiet des fotoempfindlichen Materials 17 entfernt sind, entfernt das Ätzmittel die Gebiete der Metallschicht 16, welche unter den entfernten Gebieten des fotoempfindlichen Materials 17 liegen. Die übriggebliebenen Gebiete der Metallschicht 16 bilden die Federkontakte 15 aus. Eine Draufsicht auf einen Federkontakt 15 ist in der 15 gezeigt. Das Gebiet der Metallschicht 16, welches durch das Ätzmittel entfernt wurde, ist durch die gestrichelte Linie 18 kenntlich gemacht.
Wie in 12 gezeigt, wird als Nächstes der freie Abschnitt 11 des Federkontaktes 15 von der Freigabeschicht 13 durch einen Prozess der Hinterätzung freigegeben. Bis der freie Abschnitt 11 von der Freigabeschicht 13 freigegeben wird, haftet der freie Abschnitt 11 an der Freigabeschicht 13 und der Federkontakt 15 liegt flach auf dem Substrat 14. Es wird eine zweite Schicht von fotoempfindlichem Material 17 auf der Oberseite der Federkontakte 15 und auf dem Gebiet abgeschieden, welches den Federkontakt 15 umgibt. Die zweite Schicht von fotoempfindlichem Material 17 wird daraufhin unter Verwendung einer geeigneten Maske einem Licht ausgesetzt, entwickelt und hartgebacken. Ein selektives Ätzmittel wird daraufhin auf die fotoempfindliche Schicht 17 angewandt und entfernt Gebiete der fotoempfindlichen Schicht 17 um die Federkontakte 15 herum. Das Ätzmittel wird als selektives Ätzmittel bezeichnet, weil, nachdem die Gebiete des fotoempfindlichen Materials 17 um die Federkontakte 15 herum entfernt sind, das Ätzmittel weiterhin die Freigabeschicht 13 unterhalb des Federkontaktes 15 ätzt. Das fotoempfindliche Material 17 auf der Oberseite der Federkontakte 15 widersteht dem selektiven Ätzmittel und schützt die Federkontakte 15. Das selektive Ätzmittel ätzt die Freigabeschicht 13 schneller, als das selektive Ätzmittel Metall von dem Federkontakt 15 entfernt. Das bedeutet, dass die Federkontakte 15 von der Freigabeschicht 13 freigegeben werden und dieselben sich aufbiegen können, weg von der Freigabeschicht 13 aufgrund des Spannungsgradienten in den Federkontakten 15.
Nur diejenigen Gebiete der Freigabeschicht 13 unter dem freien Abschnitt 11 des Federkontaktes 15 werden hinterätzt. Das Gebiet der Freigabeschicht 13, welches für jeden Federkontakt 15 hinterätzt ist, ist durch den schraffierten Abschnitt in 17 beschrieben. Das bedeutet, dass der Ankerabschnitt 12 des Federkontaktes 15 fest auf der Freigabeschicht 13 verbleibt und sich von der Freigabeschicht 13 nicht ablöst. Es ist anzumerken, dass das Verfahren zum Mustern der Metallschicht 16 auf den Federkontakten 15 nicht in irgendeiner Wärmebehandlung der Metallschicht 16 resultieren sollte.
Sobald der freie Abschnitt 11 von der Freigabeschicht 13 freigegeben ist, bewirkt der Spannungsgradient, dass der freie Abschnitt 11 sich nach oben und weg von dem Substrat biegt. Der Spannungsgradient ist immer noch in dem Ankerabschnitt 12 inhärent und bewirkt, dass der Ankerabschnitt 12 sich von dem Substrat 14 abzieht.
Um die Wahrscheinlichkeit zu verkleinern, dass der Ankerabschnitt 12 sich von dem Substrat 14 abzieht, kann der Federkontakt 15 wärmebehandelt werden, um die Spannung in dem Ankerabschnitt 12 abzubauen. Dieser Wärmebehandlungsprozess beeinflusst den freien Abschnitt 11 nicht, weil sobald der freie Abschnitt 11 freigegeben ist und sich derselbe nach oben biegen kann, keine Spannung in dem freien Abschnitt 11 verbleibt, welche durch Wärmebehandlung gelöst werden könnte. Daher bleibt der Spannungsgradient in dem freien Abschnitt 11, und der freie Abschnitt 11 verbleibt nach der Wärmebehandlung nach oben gebogen, weg von dem Substrat 14.
Schließlich zeigt die 13 eine Schicht von Gold 19, welche über der äußeren Oberfläche von jedem Federkontakt 15 aufgebracht wird. Die Schicht aus Gold 19 wird vorzugsweise verwendet, um den Widerstand in den Federkontakten 15 zu verringern; dieselbe kann aber mit jedem anderen leitenden Material ersetzt werden. Vorzugsweise wird die Goldschicht 19 auf die Federkontakte 15 unter Verwendung eines Galvanisierungsprozesses aufgebracht.
Es können weitere Schritte zu dem Hinterätzprozess hinzugenommen werden, um den Prozess, wenn notwendig, zu verbessern. Beispielsweise können Ätzgänge oder kleine Fenster in den freien Abschnitt 11 der Federkontakte 15 geätzt werden. Die Ätzgänge bewirken, dass das selektive Ätzmittel schneller zu der Freigabeschicht 13 gelangt, wodurch der Prozess für die Freigabe des freien Abschnittes 11 von der Freigabeschicht 13 beschleunigt wird. Es kann ebenso eine harte Maske auf der Deckfläche der Federkontakte 15 angewandt werden, um sicherzustellen, dass das selektive Ätzmittel kein Material von der Deckfläche der Federkontakte 15 entfernt, im Fall, dass das fotoempfindliche Material 17, welches die Deckfläche der Federkontakte 15 schützt, fehlschlägt.
Da der Prozess zur Ausformung der Federkontakte 15 ausschließlich durch die Auslegungsregeln des fotolithografischen Musterns beschränkt ist, können Hunderte oder Tausende von Federkontakten 15 nahe beieinander in einem relativ kleinen Gebiet auf einem Substrat 14 ausgebildet werden. Die typische Breite des Federkontaktes 15 beträgt 40 bis 60 lm. Daher können die Federkontakte 15 nahe beieinander ausgebildet werden, mit einem Abstand von ungefähr 10 bis 20 lm. Dies bewirkt, dass die Mitte-zu-Mitte-Entfernung zwischen angrenzenden Federkontakten 15 ungefähr 50 bis 80 lm beträgt, was gut innerhalb des typischen Mitte-zu-Mitte-Abstandes zwischen benachbarten Kontaktfüßen 3 auf einem Standard-Halbleiterbaustein 2 ist.
Um die Wirksamkeit der Federkontakte 15 bei Anwendungen, die ähnlich zu denjenigen sind, wie sie bei Lötaugen-Umkehrverbindungen vorgefunden werden, wurde ein Testfeld von Federkontakten 15 mit einem Mitte-zu-Mitte-Abstand von 80 mm entwickelt, wie in 16 gezeigt. Vier Gruppen von Feldern 20 der Federkontakte 15 wurden auf einem Bodensubstrat 21 ausgebildet. Vier entsprechende Felder von verbundenen Kontaktfüßen 22 wurden auf einem oberen Substrat 23 ausgebildet. Das obere Substrat 23 und das untere Substrat 21 wurden derart zusammengelegt, dass die Federkontakte 15 einen entsprechenden Kontaktfuß 3 berühren. Der Widerstand R wurde daraufhin über Paare der Federkontakte 15 gemessen.
Die 17 stellt den gemessenen Widerstand R für jedes Paar von Federkontakten in der Testvorrichtung grafisch dar. Der gemessene Widerstand innerhalb jeden Feldes weist allgemein einen aufwärts weisenden Trend von links nach rechts auf wegen der vergrößerten Leiterlänge der Federkontakte 15, welche rechts angeordnet sind, verglichen mit den Federkontakten 15, welche links in jedem Feld angeordnet sind. Der größte Anteil des gemessenen Widerstandes von ungefähr 25 bis 30 Ohm für jedes Federkontaktpaar 15 besteht aufgrund der Länge und Geometrie der Leiter, welche sich zwischen den Federkontakten 15 und den Kontaktfüßen 3 erstrecken.
Die 18 zeigt den gesamten Widerstand der Verbindung zwischen einem Federkontakt 15 und dem entsprechenden Kontaktfuß 3. Gemäß 18 ist der Widerstand von ungefähr 1,5 Ohm aufgrund des Leiters, welcher zu dem Kontaktfuß 3 und zu dem Federkontakt 15 führt. Ungefähr 0,2 Ohm Widerstand bestehen aufgrund der Form der Federkontaktspitze 30. Der restliche Widerstand von ungefähr 0,5 bis 0,8 Ohm ist der Widerstand an der Nahtstelle zwischen dem Kontaktfuß 3 und der Federkontaktspitze 30.
Allgemein nimmt der Widerstand an der Nahtstelle zwischen dem Kontaktfuß 3 und der Federkontaktspitze 30 bei abnehmender Höhe b ab. Wie vorstehend ausgeführt, nimmt die Reaktionskraft F_tip, welche die Federkontaktspitze 30 auf den Kontaktfuß 3 ausübt zu, wenn der Kontaktfuß 3 die Federkontaktspitze näher an das Substrat 14 drückt. Die vergrößerte Reaktionskraft F_tip bewirkt, dass sich die Federkontaktspitze 30 lokal an dem Kontaktfuß 3 deformiert, wodurch das Berührungsgebiet vergrößert und der Widerstand an der Nahtstelle verringert wird.
Die Form der Federkontaktspitze 30 nimmt unterschiedliche Formen an, abhängig von der Anwendung. Die 19–24 zeigen eine Folge von sechs unterschiedlichen Formen der Spitze 30, welche getestet wurden. Wenngleich nur vier von jedem Typ der Federkontaktspitze 30 getestet wurden, wies keine der Formen der Federkontaktspitzen 30 eine erhebliche Überlegenheit über irgendeinen anderen Typ der Federkontaktspitzen 30 auf.
Da die Herstellung der Federkontakte 15, wie vorstehend ausgeführt, ausschließlich durch die Auslegungsregeln des fotolithografischen Musterns beschränkt sind, können die Federkontakte 15 verwendet werden, um viele verschiedene Typen von Einrichtungen zu verbinden. Beispielsweise zeigen die 25–26 das Substrat 14, welches eine Vielzahl von Federkontakten 15 aufweist, welche auf der Deckfläche des Substrates 14 ausgebildet sind. Die Kontaktfüße 3, welche auf der unteren Fläche des Bausteins 2 ausgebildet sind, werden elektrisch mit entsprechenden Federkontakten 15 auf dem Substrat 14 verbunden. Eine Verklebung 24 hält den Baustein 2 stationär relativ zu dem Substrat 14. Ein Staubdeckel, oder Dose 25 deckt den Baustein 2 ab und ist hermetisch an dem Substrat 14 abgedichtet. Der Staubdeckel 25 stellt sicher, dass Feuchtigkeit und fremde Stoffe die Federkontakte 15 oder die Kontaktfüße 3 nicht korrodieren oder anderweitig die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Federkontakten 15 und den entsprechenden Kontaktfüßen 3 beeinflussen.
Die 28 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Kontakteinrichtung zur elektrischen Verbindung von zwei Einrichtungen. Es wird eine Scheibe 26 mit einer Vielzahl von Federkontakten 15 gezeigt, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe ausgebildet sind. Paare von Federkontakten 15 auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe 26 stehen untereinander in Verbindung und verbinden die Kontaktfüße 3 sowohl des Bausteins 12 als auch des Substrates 14 elektrisch miteinander. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt die Bearbeitung des Bausteines 2 und des Substrates 14 ohne das Risiko eines Schadens für die Federkontakte 15. Die Scheibe 26 wird verwendet, um den Baustein 2 und das Substrat 14 zu verbinden, ausschließlich nachdem alle Prozessschritte für den Baustein 2 und das Substrat 14 beendet sind.
27 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Federkontakte 15 sind auf der unteren Fläche des Bausteins 2 ausgebildet. Die Federkontakte 15 berühren entsprechende Kontaktfüße 3 auf dem Substrat 14. Eine Verklebung 24 hält den Baustein stationär in Bezug auf das Substrat 14.
Die Federkontakte 15 sind nicht darauf beschränkt, einen Baustein 2 und ein Substrat 14 oder eine Schaltplatine zu verbinden. Die Federkontakte 15 können ebenso gut verwendet werden, um zwei Bausteine 2, zwei Schaltplatinen oder andere elektronische Einrichtungen miteinander zu verbinden. Eine derartige alternative Verwendung für die Federkontakte 15 sind Steckkarten. Wie vorstehend ausgeführt, werden Steckkarten 7 verwendet, um zeitweise zwei Einrichtungen zu verbinden, typischerweise wenn eine der Einrichtungen getestet wird. Derartiges Testen ist in der Halbleiterindustrie üblich, wo Steckkarten 7 verwendet werden, um Halbleiterbausteine zu testen, während die Bausteine immer noch Teil der Einkristall-Siliciumscheibe sind.
Die 29 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher eine Steckkarte 27 ein Feld von Federkontakten 15 aufweist, welche anstelle der standardmäßigen Tastspitzen 8 verwendet werden. Die Steckkarte 27 arbeitet genauso wie die standardmäßige Steckkarte 7, mit der Ausnahme, dass dieselbe Federkontakte aufweist. Die Steckkarte 27 wird mit der Einrichtung 10 derart ausgerichtet, dass die Federkontakte 15 zuverlässig die entsprechenden Kontaktfüße 3 auf der Einrichtung 10 berühren. Die Einrichtung 10 wird daraufhin getestet oder dieselbe steht in Kommunikation mit einer Testeinrichtung, welche elektrisch mit der Steckkarte 27 verbunden ist.
Eine beispielhafte Testeinrichtung ist in der 30 gezeigt. Ein Generator 40 für ein Anzeigemuster steht in Kommunikation mit den Treiberbausteinen 42, welche an den zwei Steckkarten 27 von voller Breite angebracht sind. Die Steckkarten 27 weisen Federkontakte 15 auf, welche zugeordnete Adressleitungen 43 berühren, welche auf der Anzeigeplatte 40 ausgebildet sind. Die Adressleitungen 43 stehen in Kommunikation mit Anzeigeelektroden (nicht gezeigt). Daher kann der Generator 40 für Anzeigemuster die Anzeigeelektroden betreiben, um eine Anordnung von elektrischen Potenzialen zu erzeugen, welche einem Testbild entsprechen. Sensoren (nicht gezeigt) auf der Sensorplatte 45 detektieren die Anordnung der elektrischen Potenziale auf den Anzeigeelektroden und erzeugen Signale, wobei jedes dem elektrischen Potenzial entspricht. Die Signale werden durch Abtastbausteine 46, welche auf der Sensorplatte 45 angebracht sind, ausgelesen. Der Testsignalanalysator 41 empfängt die Signale von den Abtastbausteinen 46 und bildet ein abgetastetes Bild entsprechend zu den Signalen aus. Der Testsignalanalysator 41 vergleicht daraufhin, das abgetastete Bild mit dem Testbild, welches von dem Generator 40 für Anzeigemuster ausgegeben wird, um festzulegen, ob die Anzeigeplatte 44 und die Anzeigeelektroden ordnungsgemäß arbeiten.
Da die Herstellung einer standardmäßigen Steckkarte 7 mit Tastspitzen 8 arbeitsintensiv und zeitaufwendig ist, werden die standardmäßigen Steckkarten 7 nicht so hergestellt, dass dieselben alle Adressleitungen 43 der Anzeigeplatte 44 berühren. Daher muss das Testen der Anzeigeplatte 44 in Abschnitten durchgeführt werden, weil die Steckkarten 7 nicht die gesamte Breite der Adressleitungen 43 berücksichtigen können. Im Gegensatz dazu kann die Steckkarte 27, welche mit den Federkontakten 15 ausgestattet ist, einfach und billig hergestellt werden. Ebenso können die Steckkarten 27 mit Federkontakten 15 mit jeglicher Breite hergestellt werden und können daher alle Daten oder Adressleitungen einer Vorrichtung gleichzeitig testen, wie die in 26 gezeigte Anzeige.
Die vorstehenden Techniken der Herstellung von Federn oder Steckkarten und andere Anwendungen können ausgeweitet werden, um Spulenstrukturen herzustellen. Die Federn werden hergestellt durch die Einführung eines inhärenten Spannungsprofils einer gewissen Größe, welches ausgelegt ist, um die gewünschte Federhöhe und Krümmung zu erzeugen. In ähnlicher Weise kann ein reproduzierbarer eingebauter Spannungsgradient oder ein inhärentes Spannungsprofil in einem dünnen Film durch Variieren der Wachstumsbedingungen während des Abscheidens in geeigneter Weise ausgelegt werden, um Spulenstrukturen herzustellen, d.h. eine Feder, welche sich auf sich selbst zurückbiegt und eine Schleife ausbildet und das Substrat berührt. Durch das Hinzufügen von einer oder mehreren leitenden Schichten kann eine Spulenstruktur hergestellt werden, welche für die Anwendung in einem Induktor geeignet ist.
Die intrinsische Spannung von vielen aufgesprühten dünnen Filmen hängt von dem Umgebungsdruck ab, bei dem das Material abgelagert wird. Durch Variieren des Druckes während des Sprühens können Filme erhalten werden, welche eine Druckspannung nahe an der Grenzfläche zwischen Substrat und Film aufweisen und eine Zugspannung an der Filmoberfläche. Die 32 zeigt einen derartigen spannungsbeaufschlagten Film 104, welcher zwischen zwei Goldschichten 102, 106 gelagert ist. Der spannungsbeaufschlagte Film kann NiZr, Mo/Cr, Lötmittel-benetzbares Nickel oder ein anderes passendes Material sein. Die Bodengoldschicht 106 bildet eine äußere Haut der Spule, wenn freigegeben, und stellt einen Weg von hoher Leitfähigkeit für Elektro nen bei hohen Frequenzen bereit. Die Golddeckschicht passiviert die Oberfläche. Der Metallstapel ist über einer passenden Freigabeschicht 108 wie etwa Ti, Si oder SiN abgelagert. Die Freigabeschicht sollte ein Material sein, welches durch eine trockene oder nasse Hinterätzung schnell entfernt werden kann. Mögliche Ätzmittel für eine Freigabeschicht aus Silicium schließen KOH (Nassprozess) und XeF₂ (Trockenprozess) ein.
In 33 ist eine freigegebene Struktur mit durchgehenden Schichten 106 und 104 gezeigt. Die Herausforderung, das freie Ende der Schleife mit einem Kontaktfuß auf demselben Substrat zu verbinden, wird durch die Tatsache erschwert, dass die Schleife typischerweise einen konstanten Krümmungsradius aufweist und daher wird das freie Ende natürlicherweise zu dem Ablösepunkt zurückkehren. Es können verschiedene Techniken verwendet werden, um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen.
Die Elektronenabtast-Mikroaufnahme in der 34 zeigt eine Folge von aus der Ebene reichenden Mikroinduktorwindungen, welche gemäß der Erfindung hergestellt sind. Die Spulenwindungen wurden hergestellt unter Verwendung von in Spannung ausgelegten dünnen Filmen, welche durch Sprühen aufgelagert wurden. Der Film wird fotolithografisch in Streifen der Mikrofedern oder elastischen Elemente gemustert, welche nachfolgend von ihrem darunter liegenden Substrat freigegeben werden. Bei der Freigabe bewirkt der eingebaute Spannungsgradient, dass das elastische Element sich aufwindet und dreidimensionale aus der Ebene reichende Schleifen bildet, welche die Induktorspule aufbauen. Bei der in 34 gezeigten Spule weist jede Schleife gerade genügend schraubenförmige Versetzungen für jedes freie Ende auf, um den benachbarten Fuß des Feldes zu berühren. Das schraubenförmige Verdrehen stellt das nützliche Merkmal bereit, dass das freie Ende des elastischen Elementes in Längsrichtung (oder axial) von dem Ausgangspunkt versetzt ist. Dies ermöglicht die Ausbildung eines durchgehenden Induktors, welcher aus vielfachen Windungen ohne Unterbrechung des Fehlermetalls besteht. Um den Induktor bei der tatsächlichen Verwendung auf einem Baustein oder einer Schaltplatine zu schützen, können die Windungen von einer Gussmasse eingeschlossen werden.
In dem bestimmten Beispiel der 34 ist das mit Spannung beaufschlagte Metall eine 0,3 lm dicke, 85 Mo/15 Cr-Legierung, welche bei fünf nacheinander ansteigenden Drucken abgeschieden wird. Der Film wurde in 4 lm breite elastische Elemente gemustert, welche daraufhin durch Entfernen einer darunterliegenden PECVD SiN-Schicht unter Verwendung von 10 : 1 gepuffertem HF freigegeben wurde. Die freigegebenen elastischen Elemente bildeten kreisförmige Schleifen mit 70 lm Durchmesser. Nach Spülen in D. I. Wasser wurden die freigegebenen elastischen Elemente gegen eine ebene Oberfläche gedrückt und das Substrat wurde auf 85°C erhitzt. Der Druck hält die Federn fest, während das Wasser langsam verdampft. Diese Technik verhindert, dass die Oberflächenspannung der Flüssigkeit angrenzende elastische Elemente in einen verwirrten Wust verzieht, wenn das Wasser verdampft. Für viele Anwendungen sind größere und dickere elastische Elemente wünschenswert, welche größere Schleifen bilden. Diese größeren Spulen sind einfacher herzustellen als diejenigen in 34, weil ein kleinerer Spannungsgradient erforderlich ist. Weiterhin sind die breiteren Federn steifer und allgemein weniger empfindlich dafür, sich mit angrenzenden Elementen während der Federfreigabe zu verheddern.
35 zeigt einige der Prozessschritte zur Ausbildung einer Spulenstruktur mit vielen Windungen aus einer Folge von einzelnen kreisförmigen Spulenstrukturen. Zunächst wird eine Vielzahl von elastischen Elementen 61a–65a über einem Freigabefenster gemustert. Jedes elastische Element 61a–65a ist Teil einer größeren, gemusterten Struktur 61–65. Die Struktur 61 schließt beispielsweise das elastische Element 61a, den Verbindungsfuß 61b und den Kontaktfuß 61c ein. Um eine durchgehende Struktur auszubilden, muss jede Windung elektrisch mit der folgenden angrenzenden Windung elektrisch verbunden werden. Nach der Entfernung des Freigabefensters 66 windet sich jedes elastische Element 61a–65a zurück auf sich selbst. Bei der Freigabe werden die elastischen Elemente 61a–65a kreisförmige Windungen mit Radien ausbilden, welche durch die vorstehende Gleichung (1) gegeben sind. Die Länge von jedem der Elemente 61a–65a ist derart ausgelegt, dass die elastischen Elemente keine vollständigen Windungen überspannen, wenn freigelassen. Die Spitzen (freien Enden) werden hängend belassen, etwas zurückversetzt von einem gegenüberliegenden Kontakt, welches der Kontaktfuß 62c–65c der angrenzenden Windung ist. Die Windungen werden daraufhin auf den Kontakt niedergepresst und gelötet oder aufplattiert. Die resultierende Spulenstruktur mit vielen Windungen, mit der Spulenachse 68, beginnt bei 61a–61b, daraufhin die erste Windungsschleife 61c, welche mit dem Kontaktfuß 62a verbunden ist, usw.
Die 36 und 37 zeigen eine alternative Vorgehensweise zur Ausbildung von Spulenverbindungen. Bei dieser Vorgehensweise wird eine mechanische Schwelle oder Anschlag 71 auf dem Substrat am Ende des Kontaktfußes 62c befestigt, um die Spitze des elastischen Elementes 61c zu empfangen. Diese Vorgehensweise verwendet elastische Elemente von nahezu vollkommener Länge, unterstützt durch eine mechanische Schwelle 71. Es ist wichtig, die Abmessungen des mechanischen Anschlags geeignet auszulegen und den Anschlag korrekt zu positionieren, so dass die Struktur vollkommen innerhalb der Trajektorie der Spitze liegt, wie in 37 veranschaulicht. Sonst könnte das elastische Element auf der naheliegenden Kante des Anschlags während der Freigabe gefangen werden. In der 37 zeigt die gestrichelte Linie die Spitzen-Trajektorie.
Die 38 zeigt eine grafische Darstellung der Spitzen-Trajektorien für Spulen mit 200 lm Durchmesser, welche unterschiedliche elastische Elementlängen aufweisen. Der Parameter in der Darstellung, i, entspricht der Länge des elastischen Elements in Vielfachen von r/4, wobei r der Spulenradius ist. Der Punkt x = 0 in der Darstellung ist die Kante des Freigabefensters. Es ist wichtig anzumerken, dass die Spitze der Feder mit voller Länge, i = 8, während seiner gesamten Trajektorie auf der rechten Seite der Freigabekante verbleibt. Da der mechanische Block bei x < 0 angeordnet werden muss, muss die Länge des elastischen Elements kleiner als ein voller Umfang gemacht werden. Der Bereich der möglichen Trajektorien bedingt ebenso Einschränkungen auf die Abmessungen des mechanischen Blocks.
Zusätzlich zu dem mechanischen Anschlag schließt ein weiteres Verfahren zur Positionierung der freien Spitze in tangentialer Richtung, weg von dem Ablösepunkt, ein Variieren des Krümmungsradius des elastischen Elements ein. Wenn der Krümmungsradius entlang der Länge des elastischen Elements variiert wird, wird eine im Allgemeinen kreisförmige Spule ausgebildet werden. Ein ungleichmäßiger Krümmungsradius wird verursachen, dass die freie Spitze an irgendeinem Punkt, entfernt von dem Ablösepunkt, zum Stehen kommt. Wenn der Krümmungsradius als eine Funktion der Länge und Breite des elastischen Elements variiert, wird eine schraubenförmige Spule ausgebildet werden. Der Krümmungsradius des elastischen Elementes kann variiert werden, beispielsweise durch Hinzufügen einer Belastungsschicht gleichmäßig über die Breite von einem oder mehreren Abschnitten des elastischen Elementes. Der Krümmungsradius kann ebenso durch Mustern von einer oder mehreren Öffnungen oder Durchbrüchen gleichmäßig über die Breite eines Abschnittes des elastischen Elementes variiert werden. Es können auch einige Kombinationen der Belastungsschicht und der Durchbrüche (oder Öffnungen) verwendet werden. Durchbrüche und Belastungsschichten können ebenso verwendet werden, um schraubenförmige Windungen zu schaffen, wie nachstehend beschrieben.
Die 39 zeigt eine weitere Vorgehensweise zur Ausformung einer vielschleifigen Spule mit individuellen Spulenwindungen. In dieser Ausführungsform wird ein Freigabefenster 66 festgelegt mit einem angeschrägten Winkel in Bezug auf die Lauflänge von jedem elastischen Element 61c–64c. Wenn das elastische Element freigegeben wird, lehnen sich die Spulenwindungen seitwärts und berühren somit die angrenzenden Kontaktfüße. Daher berührt die Windung 61c den Kontaktfuß 62a. Dieses seitliche Verbiegen kann ebenso durch Einplanen einer eingebauten, anisotropen Spannung in den Federn bewirkt werden (nachstehend beschrieben). Wenn die Federn nach unten gedrückt werden, gleiten die Spitzen zu den benachbarten Kontaktfüßen über und es wird eine durchgehende Spule ausgebildet.
Um den verfügbaren Leitungsweg voll zu nutzen, sollte die Spulendicke, h, mindestens so dick gemacht werden wie die Hauttiefe:
wobei ρ der spezifische elektrische Widerstand des Spulenleiters, μ die magnetische Permeabilität, und f die Betriebsfrequenz ist. Dadurch, dass der Film dicker als die Hauttiefe gemacht wird, wird der Filmleitwert nicht verbessert, weil der meiste Teil des Stromes innerhalb der Hauttiefe der Leiteroberfläche eingegrenzt ist. Für die interessierenden Frequenzen (ungefähr 1 GHz) ist die ideale Filmdicke zwischen 1 lm und 3 lm, ein Dickenbereich, welcher kompatibel mit der Stromführung und den Musterungsprozessen ist.
Wenn das Spulenmaterial aus einem elastischen Material mit einem Spannungsgradient aufgebaut ist, kann der Spulenwindungsradius bei festgelegter Filmdicke unter Verwendung von Gleichung 1 berechnet werden. Wenn zusätzliche Schichten vorhanden sind, ist das Spannungsprofil kein linearer Gradient und die Gleichung 1 muss modifiziert werden. Die Federlänge, I, sollte dann ungefähr ausgelegt werden: l = 2πr (5)für die elastischen Elemente, um vollständige kreisförmige Windungen bei der Freigabe zu bilden. Die Anzahl der Spulenwindungen, N, wird nachfolgend basierend auf einer gewünschten Induktivität bestimmt, für welche ungefähr gilt:
wobei x der regelmäßige Abstand zwischen den Spulenwindungen und μ₀ die Permeabilität von Luft ist (für eine Spule mit Luftkern). Während Gleichung 6 für Toroide und lange Solenoide (N·x >> r) ist, sind kompliziertere Ausdrücke für kurze Solenoide aus Lehrbüchern erhältlich. Die Federbreite, w, kann so breit wie notwendig gemacht werden, um einen akzeptablen elektrischen Widerstand, R, zu erhalten durch die nachfolgende Näherung:
Die Gleichungen 6 und 7 zeigen an, dass es eine Abwägung zwischen Induktivität und Widerstand gibt. Breite elastische Elemente, eine geringe Anzahl von Windungen und ein kleiner Radius erzeugen einen geringen Widerstand aber ebenso eine geringe Induktivität. Das Verhältnis zwischen Spuleninduktivität und Widerstand, ebenso als Spulenqualitätsfaktor Q bezeichnet, ist ein geeigneter Parameter zur Bestimmung der Spulenleistungsfähigkeit bei geringem Verlusteinfluss:
Dieser dimensionslose Parameter bestimmt die Steilheit der Resonanzspitzen von LC-Resonatoren, die Selektivität von LC-Filtern, das Ausmaß von Oszillatorschwankung und die Verstärkung von Resonanzverstärkern. Mit wiederholtem Bezug auf die Gleichungen 6 und 7 wird ersichtlich, dass der Qualitätsfaktor mit dem Spulendurchmesser ansteigt und mit dem Verhältnis zwischen Leiterbreite und Windungsabstand:
In der Gleichung 9 wird die Wichtigkeit eines geringen AC-Schichtwiderstandes explizit ausgedrückt.
Die Tabelle 1 tabelliert einige repräsentative Induktivitätswerte und Q-Faktoren für aus der Ebene tretende Spulen, welche gemäß der Erfindung hergestellt werden. Eine Leiterleitfähigkeit von 2,5 μOhm-cm wird in den Abschätzungen angenommen. Die Qualitätsfaktoren sind durch die Annahme, dass der Strom in einer gleichförmigen Schicht mit einer Schichtdicke fließt, welche gleich der Hauttiefe ist, grob abgeschätzt. Der tatsächliche Qualitätsfaktor kann bis um einen Faktor 2 kleiner sein, aufgrund des Nahbereichseffektes, welcher nicht in diesen Berechnungen eingeschlossen ist. Die aufgeführten Zahlen für Q sollten mit den besten Werten von 10 bis 20 verglichen werden, welche derzeit mit aus der Ebene reichenden Spulen nach dem Stand der Technik erreicht werden, welche Windungen von hohem Seitenverhältnis verwenden und wobei das Substrat entfernt ist.
Tabelle 1: Werte für typische, aus der Ebene reichende Induktionsspulen mit Luftkern
Zusätzlich zu dem "diagonalen" Freigabefenster zur Verbindung von einzelnen Spulenwindungen miteinander, wie in 35 beschrieben, sind viele andere Typen von Verbindungen möglich. Eine alternative Ausführungsform ist in der 40 gezeigt, welche symmetrische, keilförmige Ablösepunkte verwendet. Gemäß 40 werden die elastischen Elemente 81a–85a auf einem Substrat abgeschieden und gemustert. Jedes elastische Element, beispielsweise, 81a, schließt eine Anordnung eines gemusterten Kontaktfußes ein. Diese Anordnung des Kontaktfußes schließt einen U-förmigen Abschnitt 81b ein, welcher zwei Spitzenabschnitte 81c und 81d einschließt. Für die Abstützung ist das symmetrische Element 81e ebenso eingeschlossen. Die symmetrischen Abstützungen gleichen entgegengesetzte biaxiale Spannungen in dem freigesetzten Film 81a aus, um ein seitliches Verbiegen der Spulenwindungen zu reduzieren. Das Anordnen des Ablösepunktes niedriger als einen zusammenpassenden Kontaktfuß, bringt die Spitze des elastischen Elements ebenso zu dem geeigneten Kontakt, ohne mechanische Blöcke. Diese Auslegungsalternative ermöglicht eine bessere Kontaktierung auf Kosten eines etwas größeren Windungsabstands. Wenn die elastischen Elemente 81a–85a freigegeben werden, spulen sich dieselben auf und berühren die Kontaktfußabschnitte 82c–86c (nicht gezeigt).
Die vielschleifigen Spulenauslegungen in den 35, 36, 39 und 40 stellen lineare Spulenanordnungen bereit, d.h. die Spulenachse ist eine gerade Linie. Jede dieser Auslegungen kann ebenso in einer kreisförmigen Anordnung arrangiert werden, um Mikrotoroide auszubilden, d.h. die Spulenachse ist ein Kreis. Ein Toroid aus Mikrofedern ist in 41 gezeigt, wobei die Spulenachse 91 und jede Spulenwindung 92 schematisch gezeigt ist. Toroide sind attraktiv, weil sie die magnetischen Felder sehr stark in ihren Windungen einschließen, wodurch es ermöglicht wird, vielfache Spulen ohne gegenseitige Kopplung eng zu packen. Das Fehlen von magnetischen Streufeldern reduziert weiterhin Wirbelstromverluste im Substrat.
Anders als bei in der Ebene befindlichen Spulen sind die einzelnen Windungen von aus der Ebene reichenden Spulen an beliebigen Stellen entlang des Induktors leicht zugänglich. Daher ist es möglich, unterschiedliche Induktivitäten aus einer einzigen Spule zu erhalten durch Abgreifen der Windungen an geeigneten Stellen. Im Falle einer Kombination mit Transistorschaltern können diese Abgriffe verwendet werden, um variable Induktoren herzustellen, welche in abstimmbaren Filtern und Resonatoren nützlich sind. 42 zeigt, wie die Spule der 41 durch Hinzunahme des Abgriffs 93 an dem Kontaktfuß 61a, des Abgriffs 94 bei dem Kontaktfuß 62a und des Abgriffs 95 bei dem Kontaktfuß 65a modifiziert werden kann. Es ist anzumerken, dass die Abgreifpunkte von N, der Anzahl der Windungen zwischen den Abgriffen abhängt. Zwischen den Abgriffen 93 und 94 ist N = 1 und zwischen den Abgriffen 93 und 94 ist N = 4.
Zusätzlich zu der Verwendung als Induktoren können die aus der Ebene reichenden Spulen als Transformatoren verwendet werden. Mikrotransformatoren sind in elektronischen Komponenten wie Mischern, doppelabgestimmten Filtern und RF-Signaltransformatoren wesentlich. Die aus der Ebene reichenden Spulen sind mit einer Vielzahl von Mikrotransformator-Architekturen kompatibel. Die 43 zeigt eine Ausführungsform in der Form eines Toroidtransformators mit einem Luftkern, welcher die Primärwindung 124 mit dem Ein-/Ausgang 122 und die Sekundärwindung 126 mit dem Ein-/Ausgang 120 einschließt. Die Spannungsbeziehung zwischen den zwei verkoppelten Spulen ist durch das Verhältnis der Windungen zwischen den primären und sekundären Windungen bestimmt. Die Paare der Pfeils 120 und 122 zeigen die Stromwege in und aus den zwei Windungen 124 und 126 an.
Die 44 zeigt eine alternative Auslegung für einen Luftkerntransformator mit ineinander gewundenen primären und sekundären Windungen 124 und 126. Die vielfachen Ausgangspfeile 127 in der Sekundärspule 126 veranschaulichen die Möglichkeit des Spulenabgriffes, um variable Transformationsverhältnisse zu erhalten. Das Vergrößerungsfenster zeigt die Auslegung einer Mikrofeder, die notwendig zur Implementierung der Transformatorarchitektur ist. Das Spulenangreifen ist selbstverständlich ebenso mit der Einrichtung in 43 kompatibel.
Ferromagnetische Kerne sind für viele Spulenanwendungen günstig wegen deren Fähigkeit, die Spuleninduktivität zu vergrößern und die magnetischen Felder zu kanalisieren und einzufangen in gut festgelegte Gebiete. Für Hochfrequenz-GHz-Anwendungen muss jedoch jedes verwendete ferromagnetische Material elektrisch isolierend sein. Ansonsten führen starke Verluste zu geringeren Q-Werten.
Die Mikrospulen können in eine Epoxidmatrix eingebettet werden, welche Ferritpartikel enthält, nachdem dieselben von dem Substrat freigegeben sind. Dies erzeugt einen Ferritkern in und um die Mikrospule, welcher die Spuleninduktivität vergrößert. Dies ist ebenso das Verfahren der Wahl, um die magnetischen Felder von Solenoiden einzugrenzen. Die Feldlinien außerhalb des Solenoides schweifen nicht mehr aus, weil das um die Spule herum befindliche Ferrit die magnetischen Wege schließt.
Die Spulen werden durch Verwenden einer Insel von ferromagnetischem Material für jede einzelne Spule magnetisch voneinander isoliert. Die Spulenwindungen werden daher in tiefen Taschen angeordnet, welche durch Mustern eines wirbelbeschichteten BCB oder eines anderen dicken Films hergestellt werden. Nach der Freigabe des elastischen Elementes wird die Tasche mit ferromagnetischen Partikeln von einer geeigneten Größe gefüllt, welche in eine isolierende Epoxidmatrix getaucht sind.
Eine weitere Vorgehensweise verwendet ferromagnetische Metallkerne, welche abgelagert und gemustert werden können in einer Weise, die mit der Mikroherstellung kompatibel ist. Da jedoch diese Kerne leitfähig sind, sind deren Anwendungen auf niedrige Frequenzen begrenzt. Die 52 zeigt eine derartige Einrichtung, welche einen galvanisierten Kern aus Dauerlegierung (NiFe) anwendet. In dieser Ausführungsform wird eine Schicht aus SiN_x 202 auf dem Substrat 200 abgeschieden, gefolgt durch das elasti sche Element 204. Ein dicker Film 206, wie etwa SU-8-Fotolack, wird als erstes gemustert, um ein Fenster für die Aufschichtung des Kernmaterials festzulegen. Der NiFe-Kern 208 wird über einer dünnen, vakuumabgeschiedenen Keimschicht aufgebracht, welche wiederum auf der Oberseite eines isolierenden Dielektrikums 210 liegt. Die SU-8-Schicht 206 wird daraufhin entfernt, gefolgt von der Freigabe des elastischen Elements 200, um die Windungen auszubilden, welche den Kern umschließen. Die Spulenverluste können in einem gewissen Ausmaß durch Schichten des Kernes 208 wie in 52 gezeigt, reduziert werden.
Die 45 und 46 sind nicht im tatsächlichen Maßstab und Seitenverhältnissen gezeichnet. Insbesondere muss der Kern 208 derart ausgelegt werden, dass derselbe mit den gemäß 38 erörterten Einschränkungen konform geht. Diese Einschränkung bewirkt, dass der Kern viel weniger als die verfügbare Querschnittsfläche der Spule besetzt. Für eine typische relative Kernpermeabilität von ungefähr 1000 wird jedoch sogar ein Füllfaktor von 10% die Induktivität einer Einrichtung mit Luftkern ungefähr 100-fach vergrößern.
Ein metallischer oder keramischer ferromagnetischer Kern kann ebenso durch körperliches Anbringen eines vorgefertigten Kernes 206 auf dem Substrat 200 vor der Freigabe der elastischen Elemente 220 ausgebildet werden, wie in 47 gezeigt. Die Anordnung kann durch eine automatische Greif- und Ablageeinrichtung durchgeführt werden, wie sie üblicherweise in der Bausteinindustrie verwendet wird. Die Abmessungen des vorgefertigten Kerns müssen selbstverständlich einigen Einschränkungen, wie sie gemäß 38 erörtert wurden, entsprechen.
Die 47 veranschaulicht, wie ein Mikrotransformator mit ferromagnetischem Kern unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt werden kann. Die 47a zeigt den Aufbau des elastischen Elements 220 vor der Freigabe. Zwei Sätze von metallischen Leitungen, welche für die primären und sekundären Windungen zueinander gegenüberliegend sind, sind in der BCB-Tasche angeordnet. Nach der Freigabe der elastischen Elemente 220 wird die Tasche mit einem ferromagnetischen Epoxid gefüllt. Eine Veranschaulichung der freigegebenen elastischen Elemente ist in 47b gezeigt. Die Schleife 224 in 47b folgt einem magnetischen Weg, welcher die primären und sekundären Spulen verbindet. Die Tasche ist mit Merkmalen ausgestattet, welche sich zu der Spulenachse auf dem halben Weg nach unten in jeder Spule erstrecken. Diese Merkmale sind dazu gedacht, Streufelder zu unterbrechen und die beabsichtigte Kopplung zwischen den primären und sekundären Windungen zu verbessern. Wenngleich die berechnete Kopplung für den Transformator in 47 nur ungefähr 66% beträgt, sind erhebliche Verbesserungen möglich, wenn durch Licht festlegbare Füllmaterialien verwendet werden.
Ein alternativer Mikrotransformator mit ferromagnetischem Kern kann mit den in 45 und 46 erörterten Verfahren hergestellt werden. In dieser Ausführungsform ist der Kern der 51 und 52 in einer Schleife ausgelegt, welche magnetisch verbunden ist mit einer Gruppe von zwei oder mehr Spulenwindungen. Um die Möglichkeit der Kernsättigung zu vermindern, kann ein kleiner Luftspalt angeordnet werden, um die Kernschleife zu unterbrechen.
Die vorstehend beschriebenen Spulenstrukturen weisen kreisförmige Spulenwindungen auf. Derartige Spulenstrukturen können ebenso unter Verwendung von Spulen mit einer schraubenförmigen Ablenkung hergestellt werden.
Es wurde beobachtet, dass sich in einigen freigegebenen Strukturen eine schraubenförmige Ablage entwickelt. Der Ursprung dieser Ablage ist eine Spannungsanisotropie. Insbesondere variieren in einem planetenförmigen Abscheidungssystem die radialen und tangentialen Komponenten der Spannung in dem Film in unterschiedlichem Ausmaß, wodurch Spannungen von unterschiedlicher Größe erzeugt werden. Die Spannungsanisotropie verursacht eine radial tangentiale Scherung. Der Druck in dem Aufsprühsystem wird während der Abscheidung verändert, um einen Spannungsgradient zu erzeugen, weil die Spannung jedoch anisotrop ist, entwickelt sich ebenso ein Scherungsgradient. Dies bedingt eine Verdrillung der Feder, wodurch ein endlicher schraubenförmiger Regelabstand entsteht. Der schraubenförmige Regelabstand bewirkt, dass die Spitze der freigegebenen Feder sich von der Achse der Feder wegbewegt.
Es wurde ebenso beobachtet, dass breitere Fingerstrukturen dazu neigen, sich stärker hochzuheben als schmale Fingerstrukturen derselben Dicke. Federn können sich nur in einer Richtung zu einer Zeit verdrehen und können auf diese Weise die Spannung in einer Richtung nicht vollständig abbauen. Wenn ebene Spannungsbedingungen nahe der längslaufenden Mittellinie einer breiteren Feder bestehen, bauen sich intrinsische längslaufende Spannungen vollständig ab, während querlaufende Spannungen sich nur sehr nahe an den Rändern entspannen können.
Die 48 veranschaulicht, wie unterschiedlicher schraubenförmiger Regelabstand aus veränderter Federorientierung resultiert. Die Federn wurden aus Metall hergestellt, welches in einem planetenförmigen Aufsprühsystem abgelagert wurde. Die planetenmäßige Bewegung der Platte in dem Vakuumsystem erzeugt geometrische Unterschiede in dem Auftreffen des Flusses in radialen und tangentialen Richtungen der Scheibe. Dies bedingt, dass die Spannung in den radialen und tangentialen Richtungen der Scheibe ungleich sind. Es werden zwei Windungen gezeigt, die eine links von 130 ist entlang einer Richtung der Hauptspannung ausgerichtet und als ein Ergebnis ist die schraubenförmige Verbiegung praktisch null. Die Feder rechts von 132 in der 48 ist bei 45 Grad zu der Hauptachse ausgerichtet und weist im Ergebnis eine große schraubenförmige Ablage auf in der Größenordnung von einem Windungsdurchmesser. Daher kann bei Verwendung eines Metallfilmes von bekannter Spannungsanisotropie, in diesem Fall ungefähr 8,6%, und bei Ausrichtung der Feder in dem gewünschten Winkel zu der Hauptachse der Regelabstand nutzbringend kontrolliert werden.
Die anhängige Anmeldung D/A0505 (IP/A00002) des Erfinders David Fork, welche an dem selben Tag wie diese Anmeldung eingereicht wurde und hiermit als Bezug aufgenommen wird, offenbart Herstellungsverfahren zum Aufsprühen dünner Filme mit kontrollierter Spannungsanisotropie. Weitere Verfahren zur Herstellung einer schraubenförmigen Ablage in der Windung werden nachfolgend offenbart.
Die 49 veranschaulicht, wie eine vielschleifige Spule 140 unter Verwendung von einzelnen schraubenförmigen Windungen 142 auf einem Substrat angeordnet werden kann. Jede Windung der Spule weist ein ausreichendes Ausmaß von schraubenförmiger Ablage auf, um das freie Ende der Windung über einen Kontaktfuß 144 vorzurücken, welcher der Windung 142 benachbart ist. Bei der Herstellung des mechanischen Kontaktes des freien Endes mit dem Fuß kann ebenso ein elektrischer Kontakt hergestellt werden. Ein robuster elektrischer und mechanischer Kontakt kann beispielsweise durch Löten des freien Endes der Windung auf den Fuß 143 erfolgen. Die Veranschaulichung in 49 zeigt ein Weiterrücken zwischen dem Ende der ersten Windung und der Basis der benachbarten Windung. Dies wird aus Gründen der Klarheit getan und ist bei der tatsächlichen Einrichtung nicht notwendig. Die Leistung für Spulen mit dichteren Windungen ist besser; daher ist es vorteilhaft, die Spulen so dicht wie möglich zu packen.
Die 50 zeigt eine vielschleifige Spule 150. Für eine derartige Spule wird das Federmetall in einen Streifen gemustert, welcher lang genug ist, um die gesamte Spule zu überspannen. Die Veranschaulichung zeigt vier Windungen. Im Prinzip ist die Anzahl der Windungen durch die Länge des Substrates begrenzt, da die Länge der Feder durch das Produkt aus Anzahl der Windungen mal Windungsumfang gegeben ist. Wenn es nicht zweckdienlich ist, einen einzigen Induktor aus einer einzigen vielschleifigen Spule herzustellen, können vielschleifige Abschnitte aneinandergesetzt werden unter Verwendung der in 34 gezeigten Kontaktfußpunkte, um eine vollständige Einrichtung herzustellen.
Eine Möglichkeit bei einem vielschleifigen Windungssegment der 50 besteht darin, dichter gewundene Spulen herzustellen. Für Spulen, welche aus Schleifen einer einzigen Windung hergestellt sind, begrenzen Auslegungsüberlegungen den Windungsabstand, so dass dieser mindestens geringfügig größer ist als die Breite des Federmetalles in der Windung. Vielschleifige Windungen weisen jedoch diese Beschränkung nicht auf, weil die Federn in der Querrichtung der Spule länger gemacht werden, um die vielen Windungen aufzunehmen. Ein langer Metallstreifen kann sich mit einem schraubenförmigen Versatz von weniger als dessen Breite aufspulen und das freie Ende kann mit einem Kontaktfuß entweder über den aufsummierten Versatz der schraubenförmigen Ablage oder durch einen Abgriff überlappen, welcher sich von dem freien Ende der Feder zu dem Fuß erstreckt. Um Kurzschluss von sich überlappenden Windungen der vielschleifigen Windung zu verhindern, kann eine Oberfläche, vorzugsweise die Deckfläche des Federmetalls, mit einer isolierenden Abstandsschicht bedeckt oder teilweise bedeckt werden. Diese Technik könnte eine schärfere Kontrolle des Radius und des Versatzes erfordern, weil der Fehler in der Anordnung des freien Endes sich mit jeder Windung aufkumulieren würde.
Es können weitere Verfahren verwendet werden, um das freie Ende des elastischen Elementes in Bezug auf den Ablösepunkt zu verschieben. Das Variieren des Krümmungsradius der Spule wird das freie Ende in der Querrichtung verschieben. Der Krümmungs radius hängt von dem Ausmaß des intrisischen Spannungsprofils in dem elastischen Element ab und von den mechanischen Eigenschaften des elastischen Elementes. Um eine gewünschte Verbiegung zu erreichen, kann ein elastisches Element mit einem intrinsischen Spannungsprofil von einem Wert in einem ersten Abschnitt und von einem zweiten Wert des intrinsischen Spannungsprofils in dem restlichen Abschnitt ausgebildet werden. Ein weiteres Verfahren besteht darin, anisotrope Eigenschaften einzubauen, beispielsweise durch Abscheiden einer Lastschicht auf einer Seite des elastischen Elementes. Wenn das elastische Element freigegeben wird, wird die resultierende Spule zwei Abschnitte aufweisen, jeder mit einem unterschiedlichen Krümmungsradius. Die Wirkung der beiden unterschiedlichen Krümmungsradien besteht darin, dass sie das elastische Element zu einer Verbiegung veranlassen.
Wenngleich eine Spule mit Abschnitten, welche zwei unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen, angewandt werden kann, um die Landungsstelle der Spitze von dem Ablösepunkt des freigegebenen elastischen Elementes zu versetzen, ist eine bevorzugte Konfiguration mit drei Abschnitten von unterschiedlichen Krümmungsradien ausgestattet. Die 51 zeigt eine Kurve einer Windung mit etwa 0,5 mm Durchmesser, wobei das elastische Element so ausgelegt wurde, dass dasselbe einen Punkt etwa 150 μm hinter dem Ablösepunkt des elastischen Elementes tangential berührt. Die obere Hälfte der Spule ist aus einem größeren Radius aufgebaut als die untere Hälfte. Dies hat zur Wirkung, dass das freie Ende nach hinten in Bezug auf den Ablösepunkt verschoben wird. Durch Einstellen der unteren (erstes und viertes) Viertel (erster und dritter Abschnitt) der Feder mit einem geringeren Radius als der obere Abschnitt, berührt zweitens das freie Ende der Feder das Substrat tangential. Die tangentiale Berührung kann vorteilhaft sein zur Vergrößerung der Berührungsfläche, wodurch der Kontaktwiderstand verkleinert wird. Die tangentiale Berührung kann ebenso die Empfindlichkeit für Anordnungsfehler reduzieren. Es ist anzumerken, dass die Radien für das erste und dritte Segment gleich sind, dass keine Notwendigkeit besteht, mehr als zwei unterschiedliche Radien zu schaffen. Dies vereinfacht die Bearbeitung.

Eine weitere Möglichkeit, den Krümmungsradius zu variieren besteht darin, eine Beladungsschicht entweder auf der inneren Fläche des elastischen Elementes oder auf der äußeren Fläche anzubringen (oder auf beiden). Die Beladungsschicht ist eine zusätzliche Schicht, welche auf dem elastischen Element gemustert wird, um eine Spannung anzuwenden, welche den Biegeradius entweder vergrößert oder verkleinert. Der Biegeradius, R, für einen beladenen Balken, kann ausgedrückt werden als

wobei Y₀ der Federmodul, Y₁ der Modul der Lastschicht, h die Federdicke, t die Beladungsschichtdicke, σ die intrinsische Spannungsänderung der Feder, σ₀ die nettointrinsische Spannung in dem elastischen Element und σ₁ die intrinsische Spannung der Lastschicht ist. In dem Beispiel in 51 konnten die beiden Radien für das erste und zweite Segment mit den folgenden Parametern erzeugt werden:

Elastisches Element	Nickellegierung
Spannungsgradient des Elements	1 GPa
Nettospannung des Elements	0 GPa
Elementdicke	970 nm
Beladungsmetall	Gold
Beladungsspannung	0 GPa
Beladungsdicke	180 nm.

Die Beladungsschicht wird so gemustert, dass dieselbe nur in dem mittleren Segment des elastischen Elementes besteht. Es ist anzumerken, dass die Gleichung 10 ein rein elastisches Verhalten annimmt und eine Näherung darstellen kann. Gold kann einen Teil seiner Spannung durch plastisches Fließen abbauen. Dies kann die erforderliche Dicke etwas modifizieren. Es können andere Materialien mit höheren Ausbeutepunkten ersatzweise für Gold als Beladungsmaterialien verwendet werden.
Die 52 zeigt eine mit tangentialer Ablage erzeugte Spule durch den Einbau einer Beladungsschicht. Die Struktur der 52 kann gemäß folgendem Prozess hergestellt werden. Als Erstes wird eine Freigabeschicht 301 von 100 nm Ti auf einem Substrat (nicht gezeigt) abgeschieden. Als Nächstes wird die äußere Leitungsschicht 302 der Spule abgeschieden (welche vorzugsweise Gold ist, aber jeder andere passende Leiter sein kann). Daraufhin wird das Material für das elastische Element 303, welches aus NiZr besteht, auf der Leitungsschicht 302 abgeschieden. Die Belastungsschicht 304, welche vorzugsweise eine Metallschicht aus Gold ist, wird daraufhin auf dem elastischen Element abgeschieden. Die Anordnungen der Lötfüße werden daraufhin mit Fotolack maskiert, gefolgt durch Aufplattieren von Lötgut auf die Lötfußflächen. Die Lötfußmaske wird daraufhin abgezogen und nachfolgend wird die Belastungsschicht mit Fotolack maskiert. Dies stellt die Anordnung der Lastschicht bereit. Die Lastschicht wird daraufhin mit Kaliumiodid geätzt und die Maske der Beladungsschicht abgestreift. Als Nächstes wird das elastische Element mit einem Fotolack maskiert. Das elastische Element 303 wird daraufhin mit Salpetersäure geätzt, um die nicht freigegebene Spule auszubilden. Daraufhin wird die Spulenleiterschicht 302 mit Kaliumiodid geätzt. Um zwischen den elastischen Elementen freizulegen, wird die Freigabeschicht 301 geätzt, vorzugsweise durch Trockenätzen in einem Fluorplasma. Die Maske des elastischen Elements wird abgestreift und daraufhin das Freigabefenster mit Fotolack maskiert. Die Freigabeschicht wird durch das Freigabefenster unter Verwendung von Flusssäure entfernt. Wenn gewünscht, kann die Maske des Freigabefensters abgestreift werden. Wenn die Freigabeschicht entfernt wird, verursacht das intrinsische Spannungsprofil in dem elastischen Element 302, dass das elastische Element sich selbst aufspult. Die Beladungsschicht 304 bewirkt eine tangentiale Ablage, was eine Berührung mit einem Kontaktfuß ermöglicht. Es wird ein Fluss auf die Lötkontakte angewandt und das Lötgut fließt wieder. Vorzugsweise wird ein Epoxid über die resultierende Spule angewandt und ausgehärtet. Zum Abschluss wird die Scheibe zerschnitten.
Die resultierende Spulenstruktur in der 52 veranschaulicht, dass es möglich ist, eine brauchbare, sich zur Spule schließende Struktur mit nur zwei Segmenten zu schaffen. Die 53 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine fertiggestellte querverbundene Spule mit einzelnen Windungen.
Der Krümmungsradius des Spulenabschnitts kann durch Anordnen einer Beladungsschicht in asymmetrischer Weise über ein Segment des elastischen Elementes oder durch Einführen von einer oder mehreren Öffnungen asymmetrisch in dem elastischen Element vor der Freigabe variiert werden. Wir haben eine Größenwirkung für das Aufbiegen der Feder beobachtet, welche auftritt, weil die Ränder der Feder in der Lage sind, etwas von der intrinsischen Spannung abzubauen. Schmalere Federn bauen mehr von der gesamten Spannung an ihren Rändern ab als breite Federn. Für Feder von variabler Breite oder geschlitzte Federn wurde eine Theorie ausgearbeitet. Im Wesentli chen kann der effektive biaxiale Modul der Feder zwischen den Grenzen variiert werden, welche festgelegt sind durch Y/(1 – F) und Y/(1 – F²), wobei Y und F jeweils der Young'sche Modul und das Poisson-Verhältnis sind. Für typische Werte von F kann der Radius um ungefähr 30% durch Schlitzen der Feder variiert werden oder durch Variieren deren Bereite. Ein ähnlicher Effekt ist durch die Anordnung von Löchern möglich (Öffnungen 162 in dem elastischen Element 160 wie in 54a gezeigt) anstelle von Aussparungen (Aussparung 172 in dem elastischen Element 170 wie in der 54b gezeigt) in dem elastischen Element; dies würde einen zweidimensionalen Spannungsabbau erzeugen. Dieser Effekt kann durch das Perforieren des oberen Abschnitts des elastischen Elementes ausgenützt werden, um zu bewirken, dass sich dasselbe zu einem größeren Radius verbiegt. Aus praktischen Gründen ist es besser, das elastische Element in einige Streifen zu zerschneiden, wie sie in dem oberen Abschnitt benötigt werden, um die Leitfähigkeit zu maximieren.
Die Vorteile der Perforation liegen darin, dass dieselbe von der Notwendigkeit enthebt, getrennt eine zusätzliche Schicht abzuscheiden, zu maskieren und zu mustern, wie etwa eine Beladungsschicht. Daher ist das Verfahren weniger teuer. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass dasselbe von der Notwendigkeit enthebt, die Materialeigenschaften der Beladungsschicht zu kontrollieren, wodurch der Prozess vereinfacht wird und die Ausbeute vergrößert wird. Die beispielhafte, in 51 gezeigte Feder könnte durch Aussparen des mittleren Abschnitts einer MoCr-Feder mit einer Dicke von 1,75 μm und einem intrinsischen Spannungsprofil von 2,8 GPa geschaffen werden.
Eine weitere Anwendung der Perforation besteht darin, eine kontrollierte schraubenförmige Ablage zu erzeugen und zwar nicht durch Aufwachsen einer intrinsischen Spannungsanisotropie, wie vorstehend beschrieben, sondern anstelle dessen, durch Aussparen des elastischen Elements, um ein Nettomoment zu erzeugen. Eine Aussparung 172, welche sich entlang der Länge eines Abschnitts des elastischen Elements 170 erstreckt und eine Ablage zu einer Seite aufweist, wird bewirken, dass sich die zwei Seiten des Segmentes mit unterschiedlichen Radien verbiegen. Dies wird das Segment in eine Helix ziehen. Weitere asymmetrische Konfigurationen können ebenso die Fähigkeit besitzen, wie etwa diagonale Aussparungen oder Beladungsschichten, oder nicht-mittige Löcher oder Beladungsschichten. Eine Spule von variablem Radius würde ebenso einen höheren Füllfaktor für NiFe-Kerne erlauben durch Entschärfen der Einschränkungen der 38.
Eine erhebliche Herausforderung für die Herstellung einer brauchbaren Spule liegt darin, den Spulenwiderstand niedrig zu machen (hoher Q-Faktor). Ein Aspekt der vorstehend beschriebenen Mikrospulen besteht darin, dass Induktoren von hohem Q erzeugt werden können durch Anpassen der Federbreite, und des äußeren Leiterwiderstandes, und der äußeren Leiterdicke. Weil der Hauteffekt den Strom in der äußeren Oberfläche der Spule einschließt, dominieren diese Faktoren den Hochfrequenzwiderstand der Induktorwindung.
Der Widerstand des Windungsabschlusses kann ebenso beschränkt sein durch die Verbindung des freien Endes einer Windung zurück zu einem Kontaktfuß auf dem Substrat mit einem geringen Widerstand. Um einen geringen Widerstand an den Kontaktfüßen zu erreichen, ist es erforderlich, dass ein guter metallurgischer Anschluss von hochleitfähigen Materialien besteht. Nachfolgend beschreiben wir eine Struktur und eine Ausführungsform der Herstellung, welche metallurgische Anschlüsse mit einem geringen Kontaktwiderstand ermöglichen. Spulenstrukturen, welche einen Lötfuß beinhalten, welcher wiederaufgeschmolzen wird, um die Schleife zu schließen, wurden vorstehend beschrieben und erreichen einen guten metallurgischen Anschluss wie auch einen geringen Kontaktwiderstand. Alternativ dazu kann das freie Ende an dem Kontaktfuß durch Galvanisieren angeschlossen werden, entweder ohne Elektroden oder durch Elektroplattieren. Bei diesem Verfahren wird die Windung durch Freigeben des elastischen Elementes ausgebildet. Das freie Ende kommt entweder in mechanischen Kontakt oder in die Nachbarschaft zu einem Kontaktfuß auf dem Induktorsubstrat. Daraufhin wendet die Plattierung leitfähiges Material sowohl um das freie Ende als auch um den Kontaktfuß an, wodurch ein durchgehender Anschluss zwischen denselben ausgebildet wird. In dieser Ausführungsform muss die Anwendung von Material nicht beschränkt sein ausschließlich auf das freie Ende und das Fußgebiet. Vorzugsweise weist das Plattierungsmaterial eine hohe Leitfähigkeit auf und wird durchgehend über die Windung aufgebracht, um den Spulenwiderstand zu reduzieren, wodurch günstigerweise der Qualitätsfaktor erhöht wird.
Das Verfahren der Erfindung erlaubt Ausweitungen des Prozesses. Diese Prozessabläufe sind beispielhaft, aber es sind Abwandlungen möglich. Beispielsweise können bestimmte der oben in Bezug auf 52 beschriebenen Prozessschritte kombiniert oder ausgeschlossen werden. Schichten aus Lötmaterial, welche verwendet werden, um die Windung zu schließen, könnten ebenfalls als Ablösefenster für den Federfreigabeschritt dienen.
Die vorstehenden Techniken können ebenso verwendet werden, um einen neuen Typ von Varicaps mit hohem Q-Faktor herzustellen. Diese Varicaps verwenden dieselbe Mikrofedertechnologie wie vorstehend beschrieben, weisen die erforderlichen Kapazitätswerte auf und können auf Bausteinen integriert werden. Eine Varicap-Struktur, basierend auf Mikrofedern, erlaubt sowohl, dass nicht vorhandene passive RF-Komponenten für den On-Chip-Einsatz, Induktoren und Varicaps unter Verwendung derselben Prozesstechnologie hergestellt werden. Diese Mikrofeder-Varicaps weisen zusätzliche Vorteile auf, indem sie niedrigere Vorspannungen erfordern als MEMS-Kondensatoren mit parallelen Platten. Durch die Verwendung einer Feder als der zweiten Elektrode in einem fotolithografisch gemusterten Kondensator und durch Variieren der Spannung zwischen einer festen Platte und der Feder, variiert die Kapazität der Struktur.
Die 55 zeigt einen Querschnitt eines variablen Kondensators, welcher die Mikrofedertechnologie anwendet. Eine Schicht aus Metall 153 (Metall 0) wird zuerst abgeschieden und in der erforderlichen Form auf einem Substrat gemustert (nicht gezeigt). Nachfolgend wird eine Schicht aus einem dielektrischen Material 156 über der Metallschicht 153 abgeschieden und gemustert. Über der dielektrischen Schicht 156 wird eine Freigabeschicht 152 abgeschieden. Daraufhin wird die Metallschicht 151 (Metall 1) über der Freigabeschicht 152 abgeschieden. Die Metallschicht 151 besteht aus einem elastischen Material mit einem inhärenten, eingebauten Spannungsprofil. Dieses inhärente Spannungsprofil wird in die Schicht auf dieselbe Weise eingebaut wie vorstehend in Bezug auf die Mikrofedern beschrieben. Die Metallschicht 151 wird auf die gewünschte Federform gemustert. Wenn die Freigabeschicht 152 gemustert und teilweise entfernt wird, drückt das inhärente Spannungsprofil in der Metallschicht 151 den freien Abschnitt der Metallschicht 151 von der dielektrischen Schicht 156 weg, welche die Metallschicht bedeckt. Wenn ein isolierendes Material für die Ablöseschicht 152 verwendet wird, kann die dielektrische Schicht 156 unnötig sein.
Die Kapazität wird durch einen freigegebenen, unterschnittenen Abschnitt der Länge L₁ parallel zu einem festen Abschnitt der Länge L₀ festgelegt. Wenn eine DC-Vorspannung zwischen der Schicht 153 und der Schicht 151 angelegt wird, werden elektrische Kräfte verursachen, dass sich der federnde Teil nach unten biegt und die AC-Kapazität erhöht.
In der 56 ist die Kapazität als eine Funktion der Federabhebung, d, abgetragen für den besonderen Fall von L₀ = 25 μm, L₁ = 100 μm, D₀ = 0,5 μm, Kondensatorbreite = 500 μm und r = 500 μm. In einer VCO-Schaltung könnte der Krümmungsradius der Feder, r, derart ausgelegt sein, dass derselbe mit dem Windungsradius eines begleitenden Induktors identisch ist. Auf diese Weise können sowohl die Induktoren als auch die Vericaps in dem gleichen Schritt hergestellt werden.
Die 56 zeigt, dass die Kapazität des Vericaps sich von 2 pF auf 2,2 pF ändert, wenn die Spitze von 10 μm auf 7 μm abgelenkt wird. Dieser Abstimmbereich von 10% entspricht einer Ablenkung, welche etwas kleiner als 1/3 der ursprünglichen Abhebung ist, so dass keine Gefahr besteht für einen bistabilen Betrieb, in welchem die Feder plötzlich nach unten schnappt. Die berechnete Spannung, welche notwendig ist, um die Auskragung um 3 μm abzulenken, ist nur ungefähr 10 V. Diese geringe Spannung ist auf das gekrümmte Elektrodenprofil zurückzuführen, welches im Allgemeinen niedrigere Antriebsspannungen erfordert als herkömmlichere Aktuatoren. Für größere Ablenkungen kann eine Anschrägung der Spitze in Betracht gezogen werden, um den Startpunkt für das bistabile Verhalten hinauszuschieben. Alternativ dazu kann man eine angeschrägte Elektrode (Schicht 151 in der 55) unter Erhalt einer herkömmlichen Feder herstellen.
Die gemäß dem vorstehenden Prozess hergestellten Vericaps zeigen eine ausgezeichnete Unempfindlichkeit gegenüber Vibration. Das gekrümmte Elektrodenprofil ermöglicht es, dass die Auskragung steifer hergestellt wird als bei Einrichtungen mit parallelen Platten, wodurch Einrichtungen mit einer geringen Empfindlichkeit für inertiale Kräfte entstehen. Unter Beschleunigung ist das Verhältnis zwischen inertialen Kräften und elektrostatischen Kräften nur in der Größenordnung von 10⁵.
Ein Feld von variablen Kondensatoren kann in einer einzigen Einrichtung angeordnet werden, um eine größere Kapazität herzustellen. Die 57 zeigt ein Beispiel eines größeren variablen Kondensators. Mit Bezug auf 57 und den Ausschnitt der 58 wird eine große Bodenleiterschicht 268 auf einem Substrat 269 abgeschieden. Der Kontakt 266 stellt den Kontakt für die Bodenelektrode bereit, welche vielfache Elektroden sein können, welche elektrisch miteinander verbunden sind oder eine einzige Bodenleiterschicht. Eine dielektrische Schicht 267 wird auf der Oberseite des Leiters 269 abgeschieden, gefolgt von einer Freigabeschicht 270. Auf der Oberseite der Freigabeschicht 270 wird die zweite Leiterschicht 261 abgeschieden, welche in die Konfiguration von parallelen Reihen von "Federn" 261 gemustert wird, wobei jede elektrisch mit einer gemeinsamen Verbindung 263 verbunden ist. Die Höhe der Mikrofedern 261 bestimmt die Kapazität und sie wird durch die Anwendung einer Spannung zwischen dem Federkontakt 264 und dem Kontakt für die Bodenelektroden 266 gesteuert. In einigen Ausführungsformen kann der Abschnitt der Freigabeschicht, welcher unter der ersten leitenden Schicht 261 verbleibt, als die dielektrische Schicht arbeiten, wenn die Freigabeschicht 270 aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist. Dies enthebt von der Notwendigkeit, eine getrennte dielektrische Schicht abzuscheiden. Bei den meisten Anwendungen wird es jedoch bevorzugt, dass sich die dielektrische Schicht 267 vollständig zwischen der ersten und zweiten leitenden Schicht erstreckt, um Kurzschluss zu vermeiden.
Das Verfahren der Erfindung kann einfach auf "On-Chip"-Beschaltungsanwendungen angewandt werden, welche einen LC-Schaltkreis oder einen abstimmbaren LC-Schaltkreis benötigen. Mit Bezug auf die 59 und 60 wird ein abstimmbarer LC-Schaltkreis gezeigt. Die Mikrospule 270 verbindet einen abstimmbaren Kondensator 272, welcher durch die Platten 284 (A), und 282 (B) ausgebildet wird mit der gemeinsamen dielektrischen Schicht 286 (D). Die Anwendung einer DC-Vorspannung zwischen den Platten 284 (A) und 282 (B) steuert den Wert der Kapazität. Ein DC-Blockkondensator, welcher durch die Platten 280 (C) und 282 (B) ausgebildet wird, verhindert, dass die Mikrospule die Vorspannung kurzschließt. Man beachte, wie die Mikrospule 270 mit dem DC-Blockkondensator am Punkt 290 verbunden ist. Die oberen Kondensatorplatten 284 (A) und 280 (C) werden vorzugsweise unter Verwendung desselben Metalls wie für die Mikrospule 270 implementiert. Die Bodenplatte 282 (B) ist aus einer zusätzlichen Metallschicht hergestellt.
Die Bearbeitung ist wirtschaftlich. Als Erstes wird die Bodenleiterschicht D (286) auf dem Substrat abgeschieden und geätzt. Daraufhin wird die dielektrische Schicht 286 abgeschieden, gefolgt durch eine einzige Freigabeschicht (nicht gezeigt), welche das Gebiet sowohl des Kondensators BC als auch der Mikrospule 270 bedeckt. Es wird eine Metallschicht C abgeschieden. Daraufhin wird eine Metallschicht, welche aus einem elastischen Material ausgebildet ist, sowohl für die Kondensatorschicht A als auch für die Mikrospule 270 abgeschieden und geformt. Wenn die Freigabeschicht unterschnitten wird, wird die Mikrospule und die variable Platte A ausgebildet. Die freien Enden der Mikrospule werden unter Verwendung eines der vorstehend beschriebenen Verfahren angebracht.
Beispiel: Varicap AB mit einem Abstimmungsbereich von 500 μm mal 550 μm variablen Kondensator, 500 nm Si₃N₄ Dielektrikum (r = 8) = 3,5 bis 22,7 pF mit einer minimalen Überlappung = 500 μm mal 50 μm, maximale Überlappung an der Grenze für das nach unten Schnappen = 500 μm mal 320 μm. An diesem Punkt ist die Spitze der Platte A um 66% nach unten bewegt.). Der Blockkondensator DC der Größe 400 μm mal 1,6 mm, 500 nm Si₃N₄ dielektrische Schicht (= 8) = 91 pF. Der Abstimmbereich von beiden Kondensatoren in Serie = 3,37 bis 18,2 pF. Das Mikro-Solenoid 270 hat einen 1 mm Durchmesser, 5 Windungen, ist 500 μm lang = 26 nH. Im Ergebnis ist der Abstimmungsbereich der LC-Resonanzfrequenz = 538 MHz bis 232 MHz.
Die Erfindung stellt einen neuen Typ von Mikroinduktoren mit großen Q bereit, welche in Siliciumbausteine integriert werden können. Anders als die meisten bisherigen Mikrospulen weisen die Spulenstrukturen eine aus der Ebene weisende Architektur auf, bei welcher die Spulenachse parallel zur Scheibenoberfläche angeordnet ist. Die aus der Ebene weisenden Spulen begegnen dem Problem von induzierten Wirbelströmen im Substrat, welches mit in der Ebene befindlichen Induktoren verbunden ist. Sie stellt ebenso eine einfache Möglichkeit bereit, dem vergrößerten elektrischen Widerstand zu begegnen, welcher durch Hauteffekte verursacht wird, ohne auf einen Prozess mit großen Seitenverhältnis zurückzugreifen. Die Auslegung ist mit einer großen Vielfalt von verwandten Ausführungsformen kompatibel, wie etwa Spulenabgriff und Transformato ren. Diese Erfindung schließt eine wichtige Lücke bei der Auslegung von integrierten RF-Schaltungen.
Ein neuer Typ von variablen Mikrofederkondensatoren von hohem Q und von der aus der Ebene reichenden Induktoren, welche auf Siliciumbausteinen integriert werden können, wurde beschrieben. In Kombination mit Induktoren können diese Varicaps für die "On-Chip"-Integration von vollständigen VCOs in Superheterodyn-Schaltkreisen implementiert werden. Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen ausschließlich veranschaulichend und soll den Umfang der Erfindung nicht begrenzen.

Claims

Ein variabler Kondensator, welcher umfasst: ein Substrat; eine erste elektrisch leitende Schicht (153), welche an dem Substrat befestigt ist; eine Freigabeschicht (152), welche aus einem elektrisch isolierenden Material auf einem Abschnitt der ersten elektrisch leitenden Schicht (153) ausgebildet ist; und eine zweite elektrisch leitende Schicht (151), welche einen Ankerabschnitt und einen freien Abschnitt umfasst, wobei der Ankerabschnitt an der Freigabeschicht (152) befestigt ist und der freie Abschnitt durch Hinterätzen eines Abschnittes der Freigabeschicht unter der zweiten elektrisch leitenden Schicht (151) freigegeben wird, wobei ein inhärentes Spannungsprofil in der zweiten elektrisch leitenden Schicht den freien Abschnitt von dem Substrat wegdrückt; wobei eine elektrostatische Kraft, welche auf die zweite elektrisch leitende Schicht (151) ausgeübt wird, den freien Abschnitt veranlasst, sich zu der ersten elektrisch leitenden Schicht (153) zu versetzen, wodurch die Kapazität des Kondensators vergrößert wird.
Der Kondensator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend eine dielektrische Schicht (156), welche auf der ersten elektrisch leitenden Schicht (153) angeordnet ist, wobei die dielektrische Schicht sich im Wesentlichen zwischen dem freien Abschnitt und der ersten elektrisch leitenden Schicht (153) erstreckt.
Der Kondensator gemäß Anspruch 1, wobei eine Spitze eines ersten Abschnittes der ersten elektrisch leitenden Schicht (153) angeschrägt ist.
Der Kondensator gemäß Anspruch 2, wobei die zweite elektrisch leitende Schicht (151) eine Vielzahl von individuell beabstandeten, elektrisch leitenden Schichten (261) umfasst, wobei jede zweite elektrisch leitende Schicht einen Ankerabschnitt und einen freien Abschnitt umfasst, wobei der Ankerabschnitt an der dielektrischen Schicht (267) befestigt ist.
Ein Verfahren zur Ausbildung eines variablen Kondensators, wobei das Verfahren umfasst: Abscheiden einer ersten Schicht (153) eines elektrisch leitenden Materials auf einem Substrat; Abscheiden einer Freigabeschicht (152), welche aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, auf einem Abschnitt der ersten elektrisch leitenden Schicht (153); Abscheiden einer zweiten Schicht (151) eines elektrisch leitenden Materials auf mindestens einem Abschnitt der Freigabeschicht (152); Hinterätzen eines Abschnittes der Freigabeschicht (152) unter der zweiten Schicht (151), um einen freien Abschnitt der zweiten Schicht von der Freigabeschicht freizugeben, wobei ein Ankerabschnitt der zweiten Schicht (151) an der Freigabeschicht (152) befestigt verbleibt; wobei ein inhärentes Spannungsprofil in der zweiten Schicht (151) den freien Abschnitt der gemusterten zweiten Schicht (151) von der Freigabeschicht (152) wegdrückt; wobei elektrostatische Kräfte in dem freien Abschnitt den freien Abschnitt zu der ersten elektrisch leitenden Schicht (153) hin biegen, wenn eine Vorspannung zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht (153) und der zweiten Schicht (151) angelegt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, weiterhin umfassend den Schritt, eine dielektrische Schicht (156) zwischen der Freigabeschicht (152) und der ersten elektrisch leitenden Schicht (153) abzuscheiden.