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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektromechanische Mikroschalter
(micro electromechanical, MEM) und insbesondere einen MEM-Schalter
mit mehreren Schalterstellungen.
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Die
in den letzten Jahren erreichten Fortschritte bei der Technik integrierter
Schaltkreise haben zur Entwicklung elektromechanischer Mikrosysteme
(MEMS) geführt,
die durch Vorrichtungen mit Abmessungen im Mikrometerbereich gekennzeichnet
sind und mittels mechanischer, elektrostatischer, elektromagnetischer,
strömungstechnischer
und thermischer Verfahren betätigt
und gesteuert werden können.
MEMS-Herstellungstechnologien
bestehen aus einer Kombination der bekannteren Halbleiter-Mikrofertigungsverfahren
mit den neueren Entwicklungen in der mikromechanischen Bearbeitung.
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Ein
Beispiel einer MEM-Vorrichtung ist ein Cantileverträgerschalter,
dessen eines Ende an einem Substratmaterial, wie z. B. Silicium,
verankert ist. Das freie Ende des Trägers dient als Ablenkelektrode,
die bei Anlegen einer Spannungsquelle an die Ablenkelektrode als
Folge der elektrostatischen Kräfte
am Träger
und an einer Feldplatte abgelenkt wird und den Kontakt zu einer
stationären
Elektrode herstellt. Wird die Spannungsquelle entfernt, kehrt der Träger aufgrund
der Rückstellkräfte darin
in seinen „starren" Zustand zurück und die
Schalterkontakte werden geöffnet.
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Obwohl
die Fortschritte der letzten Jahre bei der MEM-Technologie beträchtlich sind, hat die Technologie
nach wie vor Nachteile. Beispielsweise besteht eines der tückischsten
Probleme für
die Hersteller von MEMS-Vorrichtungen in der Haftreibung, die auftritt,
wenn eine Oberfläche
eines mikrobearbeiteten Teils (wie z. B. eines Cantileverträgers) mit
einer angrenzenden Oberfläche
der Struktur verschweißt oder
an dieser gebondet wird. Haftreibung resultiert oft aus Bedingungen
wie Oberflächenrauheit,
Feuchte, angelegter Spannung und Kapillarkräften während des Herstellungsprozesses.
Je größer die
Anzahl der in einer Vorrichtung auftretenden Haftreibungsprobleme
ist, desto größer ist
die Gesamtauswirkung auf die Ausbeute der Vorrichtungen. Außerdem kann
die physikalische Geometrie einer Komponente selbst auch eine Auswirkung
auf die Anfälligkeit
der Komponente für
Haftreibung haben; Schalter des Typs mit Cantilever verziehen sich
möglicherweise
aufgrund wiederholter mechanischer Belastungen am Träger. Es
ist daher wünschenswert,
eine Schaltergestaltung bereitzustellen, welche die Anfälligkeit für Haftreibung
minimiert.
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Weitere
Schwierigkeiten, die mit Trägerschaltern
verbunden sein können,
sind: Materialermüdung,
räumliche
Einschränkungen
(aufgrund erforderlicher Verankerungspunkte), die Entstehung parasitärer Induktivitäten sowie
Resonanzfrequenzprobleme. Es ist daher außerdem wünschenswert, einen MEM-Schalter
bereitzustellen, der die oben erwähnten Probleme beseitigt.
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Das
Dokument
US 5 051 643 offenbart
einen Schalterkörper
12,
der mittels Cantilevern mit Pfosten
14 verbunden ist, wobei
der Schalterkörper
durch Anlegen eines elektrischen Potentials an Elektroden
18 oder
19 deformierbar
ist, um einen Kontakt zu feststehenden Elektroden
26 bzw.
32 herzustellen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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In
einer exemplarischen Ausführungsart
der Erfindung weist ein elektromechanischer Mikroschalter einen
auf einem Substrat gebildeten Führungspfosten
auf. Eine Signalübertragungsleitung
ist auf dem Substrat ausgebildet, wobei die Signalübertragungsleitung
einen Spalt aufweist und einen offenen Stromkreis bildet. Der Schalter
enthält
des Weiteren einen Schalterkörper
mit einer darin ausgebildeten Durchgangsöffnung, wobei der Schalterkörper auf
einer durch den Führungspfosten
definierten Länge beweglich
angeordnet ist. Der Führungspfosten
ist von der Durchgangsöffnung
teilweise umgeben. In einer bevorzugten Ausführungsart ist eine Feldplatte auf
dem Substrat ausgebildet und elektrostatisch anziehbar vom Schalterkörper entfernt
ausgerichtet. Eine elektrostatische Anziehung zwischen der Feldplatte
und dem Schalterkörper
bewirkt, dass der Schalter den Spalt in der Signalübertragungsleitung schließt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittansicht eines Cantileverträger-Mikroschalters nach dem Stand der Technik,
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2 ist
eine Draufsicht einer Ausführungsart
eines elektromechanischen Mikroschalters der Erfindung, bei der
die obere und untere Substratebene seitlich auseinandergezogen sind,
um den Schalterhauptkörper
zu veranschaulichen,
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3 ist
eine Querschnittansicht des Schalters aus 2 entlang
der Schnittlinie 3-3,
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4 ist
eine alternative Ausführungsart
des in 3 gezeigten Schalters,
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5 ist
eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsart des elektromechanischen
Mikroschalters der Erfindung,
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6 ist
eine Ansicht von oben auf den Querschnitt einer weiteren Ausführungsart
des Schalterkörpers
und
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die 7 bis 9 sind
Querschnittsansichten der Schritte beim Herstellen eines Abschnitts
des in den 3 und 4 gezeigten
Schalters.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSART
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1 veranschaulicht
einen bekannten elektromechanischen Mikroschalter (MEMS). Der MEMS,
der wie gezeigt generell mit der Bezugsnummer 20 gekennzeichnet
ist, ist auf einem Substrat 22 mit einem an einem Ende
gebildeten feststehenden Pfosten 24 ausgebildet. Ein flexibler
Cantileverträger 26 ist
mit einem Ende des Pfostens 24 verbunden. Der Cantileverträger 26 ist
eingerichtet, um an einem Ende einen elektrischen Kontakt 28 zu
tragen, der ausgerichtet und eingerichtet ist, um mit einem entsprechenden
Kontakt 30 auf dem Substrat 22 verbunden zu werden.
Der Schalter 20 ist eingerichtet, um elektrostatisch aktiviert
werden zu können.
Eine Erdungsplatte 32 ist auf dem Substrat 22 ausgebildet,
während
eine Feldplatte 34 auf dem Cantileverträger 26 ausgebildet
ist. Die Erdungsplatte 32 ist eingerichtet, um mit Masse
verbunden zu werden, während
die Feldplatte 34 eingerichtet ist, um selektiv an eine
Gleichspannungsquelle (nicht gezeigt) gekoppelt werden zu können. Bei
nicht an die Feldplatte 34 angelegter Spannung ist der
Kontakt 28 vom Kontakt 30 getrennt, wodurch ein
offener Zustand des Stromkreises definiert ist. Beim Anlegen einer
geeigneten Gleichspannung an die Feldplatte 34 wird der
Cantileverträger 26 durch
elektrostatische Kräfte
zwischen der Platte 34 und der Erdungsplatte 32 abgelenkt
und bewirkt eine elektrische Verbindung des elektrischen Kontakts 28 und
dem Kontakt 30, wodurch ein geschlossener Zustand des Stromkreises
definiert ist. Wird die angelegte Spannung danach von der Feldplatte 34 entfernt,
kehrt der Cantileverträger 26 aufgrund
der Rückstellkräfte im Träger in seine
statische Position zurück.
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In
den 2 bis 4 ist ein Schalter 50 einer
Ausführungsart
der Erfindung auf einem Substrat 52, wie z. B. Siliciumdioxid
(SiO2), hergestellt, auf dem eine Vielzahl
von Führungspfosten 54 gebildet und
darauf platziert sind. Die Führungspfosten 54 sind
von Durchgangsöffnungen 56 umgeben,
die innerhalb eines beweglichen Körpers 58 des Schalters 50 ausgebildet
sind. Der Körper 58 umfasst
im Allgemeinen einen rechteckigen Block 60 aus leitfähigem Material,
wie z. B. Kupfer. Zur Verhinderung von Oxidation ist der Block 60 in
einer Isolierschicht gekapselt und abgedeckt, wie hierin nachfolgend
detaillierter beschrieben wird. Wie in den 3 und 4 am besten
zu erkennen ist, ist der Körper 58 des
Schalters 50 auf einer durch die Führungspfosten 54 definierten
Länge beweglich
angeordnet, die dazu dienen, den Körper 58 in korrekter
lateraler Ausrichtung zu halten, während er sich vertikal entlang
den Führungspfosten 54 bewegt.
Mit einer derartigen Konfiguration benötigt der Schalter 50 keinen
Anker- oder Fixpunkt, um den er schwenkt oder sich biegt.
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Der
Körper 58 ist
in einer im Allgemeinen horizontalen Ausrichtung zwischen einer
oberen Schicht 62 des Substrats 52 und einer unteren Schicht 64 des
Substrats 52 angeordnet, wie in den 3 und 4 zu
erkennen. Eine erste Feldplatte 66, an die eine Steuerspannung
angelegt ist, ist innerhalb der unteren Schicht 64 des
Substrats 52 ausgebildet. Eine zweite Feldplatte 68 ist
in ähnlicher Weise
innerhalb der oberen Schicht 62 des Substrats 52 angeordnet
und ebenfalls mit einer Steuerspannungsversorgung (nicht gezeigt)
verbunden. Die erste Feldplatte 66 ist elektrostatisch
getrennt von der unteren Oberfläche 70 des
Schalterkörpers 58 und kann
zu dieser hin angezogen werden, wohingegen die zweite Feldplatte 68 elektrostatisch
getrennt von der oberen Oberfläche 72 des
Schalterkörpers 58 ist und
zu dieser hin angezogen werden kann.
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Eine
erste Signalübertragungsleitung 74 ist durch
die untere Schicht 64 von Substrat 52 über die Kontakte 76 eingerichtet,
die durch einen dazwischenliegenden Spalt 78 getrennt sind
und eine Stromkreisunterbrechung in der ersten Signalübertragungsleitung 74 definieren.
Eine zweite Signalübertragungsleitung 80 ist
durch die obere Schicht 66 von Substrat 52 über die
Kontakte 82 eingerichtet, die durch einen dazwischenliegenden
Spalt 84 getrennt sind und eine Stromkreisunterbrechung
in der zweiten Signalübertragungsleitung 80 definieren.
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Die
Konfiguration des Schalters 50 in den veranschaulichten
Ausführungsarten
stellt einen zweipoligen Umschalter dar; die Prinzipien der Erfindung
sind jedoch gleichermaßen
auf andere Schalterkonfigurationen anwendbar. In den vorliegenden Ausführungsarten
kann der Schalter 50 entweder als Schalter mit zwei Schalterstellungen
oder als Schalter mit drei Schalterstellungen implementiert sein. Um
eine dritte Schalterstellung aufrechtzuerhalten, wird der Körper 58 des
Schalters in einer Stellung gehalten, die von den Signalübertragungsleitungen 74, 80 elektrisch
getrennt ist und zwischen der oberen und unteren Substratschicht 62, 64 liegt.
Die in 3 gezeigte Ausführungsart ist beispielsweise
durch ein Paar von Gelenken 90 gekennzeichnet, die verwendet
werden, um den Schalter 50 in einer Neutralstellung oder „Aus"-Stellung vorzuspannen.
Die Gelenke 90 können
im leitenden Material integriert sein.
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Alternativ
kann bei Fehlen der Gelenke 90 eine in 4 gezeigte „frei schwebende" Schaltergestaltung
genutzt werden. Um jedoch den Schalter 50 in einer neutralen
dritten Schalterstellung zu halten, werden die erste und zweite
Feldplatte 66, 68 mit einer entsprechenden Ausgleichsladung
vorgespannt, sodass sich die auf den Schalterkörper 58 ausgeübten entgegengesetzten
elektrostatischen Kräfte
gegenseitig aufheben, wodurch der Schalterkörper 58 in einer frei
schwebenden Position gehalten wird. Bei Fehlen von vorspannenden
elektrostatischen Kräften kann
der Schalter 50 auch in einer Konfiguration mit zwei Schalterstellungen
oder in einer binären
Betriebsart verwendet werden. Als Beispiel für eine derartige Konfiguration
ist in der Standardstellung oder „Aus"-Stellung der Spalt 78 der
ersten Übertragungsleitung
geschlossen und der Spalt 84 der zweiten Übertragungsleitung
offen. In der unter Spannung gesetzten Schalterstellung oder „Ein"-Stellung ist der Spalt 78 der
ersten Übertragungsleitung
geöffnet
und der Spalt 84 der zweiten Übertragungsleitung geschlossen.
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Der
Schalter 50 wird durch eine Steuerspannung betätigt, die
selektiv an eine der gewünschten Feldplatten
angelegt wird. Die resultierende elektrostatische Kraft zwischen
der gewählten
Feldplatte und dem Schalterkörper 58 hebt
je nachdem, welche Feldplatte unter Spannung gesetzt wird, den Körper entweder
an oder senkt ihn ab. Wenn z. B. die erste Platte 66 unter
Spannung gesetzt und angenommen wird, dass sich der Schalter 50 zu
Anfang in der Neutralstellung befindet, wird der Schalterkörper 58 dann veranlasst,
sich abwärts
zu bewegen, bis die leitenden Oberflächen 91 an gegenüberliegenden
Seiten des Schalterkörpers 58 mit
entsprechenden Kontakten 76 auf der unteren Substratschicht 64 zusammentreffen,
dadurch den Spalt 78 der ersten Übertragungsleitung schließen und
einen geschlossenen Stromkreis definieren. Wird die Spannung an
der ersten Feldplatte 66 anschließend abgeschaltet, kann der
Schalterkörper 58 durch
Vorspanngelenke 90 oder durch Anlegen von Ausgleichsladungen
an sowohl die erste als auch die zweite Feldplatte 66, 68 in eine
Neutralstellung zurückgeführt werden.
In beiden Fällen
wird der Spalt der ersten Signalübertragungsleitung
nach der Trennung der Kontakte 76 von den leitenden Oberflächen am
Schalterkörper 58 wieder geöffnet.
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Der
Spalt in der zweiten Signalübertragungsleitung 80 wird
in derselben Weise geschlossen, indem die zweite Feldplatte 68 unter
Spannung gesetzt wird. Diesmal bewirken die erzeugten elektrostatischen
Kräfte,
dass sich der Schalterkörper 58 in
einer Aufwärtsrichtung
bewegt, bis leitende Oberflächen 91 mit
Kontakten 82 auf der oberen Substratschicht 62 zusammentreffen.
Die zweite Signalübertragungsleitung 80 befindet
sich in einem Zustand des geschlossenen Stromkreises, bis die Spannung
an der zweiten Feldplatte 68 abgeschaltet wird und der Schalterkörper 58 in
eine Neutralstellung zurückgeführt ist.
Anzumerken ist außerdem,
dass die Polarität
der an beide Feldplatten angelegten Spannung umgekehrt und dadurch
eine Abstoßungskraft
am Schalterkörper 58 erzeugt
werden kann. Die durch eine Feldplatte bereitgestellte Abstoßungskraft
kann außerdem
in Verbindung mit einer durch die andere Feldplatte bereitgestellten
Anziehungskraft verwendet und dadurch ein Zug-Druck-Betätigungsmechanismus geschaffen
werden.
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Wiederum
kann als Alternative zu einer Ausführungsart mit drei Schalterstellungen
der Schalter 50 so in einer Betriebsart mit zwei Schalterstellungen konfiguriert
werden, dass eine Feldplatte unter Spannung gesetzt und die Spannung
an der anderen Feldplatte abgeschaltet ist und umgekehrt. Auf diese
Weise ist zu einem gegebenen Zeitpunkt der Spalt entweder in der
ersten oder in der zweiten Signalübertragungsleitung kontinuierlich
geöffnet,
jedoch nicht beide Spalte gleichzeitig. Mit anderen Worten, der Schalterkörper 58 wird
nicht statisch in einer Neutralstellung gehalten.
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5 veranschaulicht
noch eine weitere Ausführungsart
der Schalterkonfiguration, die zur Verwendung mit einem Cantileverträger angepasst werden
kann. In dieser Ausführungsart
ist der Schalterhauptkörper 58 am
Ende eines Hebelarms 92 integriert ausgebildet, der wiederum
an einem innerhalb des Substrats ausgebildeten stationären Pfosten 94 befestigt
ist. Der Hebelarm 92 stützt
das Gewicht des Schalterkörpers
nicht gänzlich,
da in dieser Konfiguration auch Gelenke 90 verwendet werden.
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6 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsart
des Schalterhauptkörpers 58.
Wie gezeigt kann der Schalterkörper 58 mit
einer im Allgemeinen kreisartigen Form 100 hergestellt
sein. In dieser Konfiguration bewegt sich der Schalterkörper 58 innerhalb
eines im Substrat 52 ausgebildeten Hohlraums 96 vertikal
aufwärts
und abwärts,
wobei er an vier tangentialen Oberflächen 102 am Schalterkörper 58 nur
reibend in die Substratwände
eingreift. Obwohl Führungspfosten
(nicht gezeigt) den Schalterkörper 58 in
einer relativ horizontalen Orientierung innerhalb des Hohlraums 96 halten,
lassen Durchgangsöffnungen
(nicht gezeigt) ein geringfügiges
seitliches Verschieben des Schalterkörpers 58 während des
Betriebs zu. Dementsprechend würde
bei einer kreisförmigen
Gestaltung in minimalem Umfang ein Oberflächenkontakt zwischen den Außenkanten
des Schalterkörpers 58 und
den Substratwänden,
welche den Hohlraum 96 definieren, bestehen.
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In 7 sind
Einzelheiten zur Herstellung des Schalters veranschaulicht. Die
Führungspfosten 54 werden
mittels bekannter Maskierungs-, Abscheidungs- und Ätzverfahren
aus dem Siliciumdioxidsubstrat (SiO2) (52)
gebildet. Eine Opferschicht 200, wie z. B. diamantähnlicher
Kohlenstoff (diamond-like carbon, DLC) oder ein anderes konformes
organisches Polymer, wird auf dem Substrat 52 einschließlich der seitlichen
und oberen Oberflächen
der Führungspfosten 54 abgeschieden.
Danach wird eine Auskleidung 202 auf der Opferschicht 200 abgeschieden, um
die Diffusion des galvanisch abgeschiedenen Kupfers 204 zu
verhindern, das anschließend
auf der Auskleidung 202 abgeschieden wird. Die Auskleidung 202 besteht
vorzugsweise aus einem hoch schmelzenden Material wie Titan, Titannitrid,
Tantalnitrid oder Wolfram. Aufgrund der schlechten Korrosionsbeständigkeit
des Kupfers 204 wird auf der oberen Oberfläche der
Kupferschicht stromlos eine Deckschicht 206 aus Cobalt-Wolfram-Phosphid (COWP)
gebildet, wie in 8 gezeigt. Anzumerken ist jedoch,
dass andere Materialien, einschließlich Tantalnitrid oder Nickel,
für die
Deckschicht 206 verwendet werden können. Die Oberseite der Deckschicht 206 wird
nach dem chemisch-mechanischen Polieren mit der oberen Oberfläche der
Führungspfosten 54 eingeebnet.
Eine zweite Opferschicht 208 aus DLC wird dann auf den
Deckschichten 206 und den Führungspfosten 54 abgeschieden.
Als Nächstes
wird eine obere Deckschicht 210 aus isolierendem Material, vorzugsweise
Siliciumnitrid, auf der zweiten Schicht 208 aus DLC abgeschieden.
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Schließlich veranschaulicht 9 den Schalter
nach der Beseitigung der Opferschichten 200, 208 aus
DLC. Nach dem Ausbilden einer Anzahl von Durchbrüchen in der oberen Deckschicht 210 wird
der Schalter 50 dann in einer mit Sauerstoff angereicherten
Umgebung erwärmt,
was zur Beseitigung der Opferschichten 200, 208 führt und
wobei Kohlendioxid und Kohlenmonoxid als Abgase entstehen. Die Beseitigung
des DLC erzeugt auf diese Weise die Durchgangsöffnungen 56 im Schalterkörper 58,
durch welche die Führungspfosten 54 die
vertikale Bewegung des Schalterkörpers 58 führen.
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Die
Erfindung ist daher nicht als auf die spezielle Ausführungsart
beschränkt
anzusehen, die als die beste denkbare Ausführungsform dieser Erfindung
offenbart wurde, sondern die Erfindung schließt alle Ausführungsarten
ein, die in den Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen.