DE60212229T2

DE60212229T2 - Mikrohergestellte abgeschirmte Leiter

Info

Publication number: DE60212229T2
Application number: DE60212229T
Authority: DE
Inventors: Peter M. Webster Gulvin; Jingkuang Rochester Chen
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: CA2375712C; US6465856B2; US20020130916A1; DE60212229D1; MXPA02002849A; CA2375712A1; EP1243550B1; EP1243550A2; EP1243550A3; BR0200848A; JP2002307697A; BR0200848B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf mikro-elektro-mechanische Systeme (Micro-Electro-Mechanical Systems: MEMS) und insbesondere auf eine Mikrostruktur eines mikro-elektro-mechanischen Systems, welche eine abgeschirmte leitende Bahn aufweist.
Mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) sind die Integration von mechanischen Elementen, Sensoren, Aktuatoren und elektronischen Elementen auf einem gemeinsamen Substrat durch die Verwendung von Mikroherstellungs-Technologien. Im Ergebnis können bessere Produkte entwickelt werden, weil eine MEMS-Vorrichtung die Realisierung eines kompletten elektro-mechanischen Systems auf einem Substrat ermöglicht. Die resultierenden elektro-mechanischen Systeme sind kleiner, leichter, funktioneller, billiger in der Herstellung und zuverlässiger als herkömmliche elektro-mechanische Systeme. Wegen dieser Vorzüge werden MEMS bei Anwendungen eingesetzt, welche MEMS erfordern, um die lokale Umgebung abzutasten und zu steuern. Die Sensorelemente des MEMS sind in der Lage, Informationen aus der Umgebung durch die Messung von thermischen, biologischen, chemischen, optischen und magnetischen Phänomenen zu sammeln. Währenddessen sind die Steuerelemente der MEMS-Vorrichtung in der Lage, die gesammelte Information zu verarbeiten, um die lokale Umgebung für ein gewünschtes Ergebnis oder einen Zweck zu steuern.
Eine dieser Umgebungen erfordert, dass die MEMS-Vorrichtung in Berührung steht mit einem leitenden Fluid, wie etwa leitender Tinte. Dementsprechend sind die Leitungswege der MEMS-Vorrichtung für elektrischen Kurzschluss anfällig. Die herkömmliche Technik, um elektrischen Kurzschluss leitenden Bahnen in Berührung mit leitenden Fluiden zu verhindern, besteht darin, die leitenden Bahnen mit einem dielektrischen Material wie etwa Polyimid zu umschließen. Wenngleich Polyimid geeignete Isolationseigenschaften bietet, ist es häufig wünschenswert, eine zusätzliche Schutzschicht zwischen dem lei tenden Fluid und den leitenden Bahnen der MEMS-Vorrichtung hinzuzufügen. Beispielsweise wird Polyimid auf dem Fachgebiet der Tintenstrahldruckkopf-Technologie verwendet, um einen tintenhaltenden Hohlraum auszubilden, und die leitenden Bahnen, welche zu einem Tintenstrahl-Ejektor führen, zu isolieren. Die leitenden Bahnen, welche zu einem Tintenstrahl-Ejektor führen, liegen jedoch unmittelbar unter dem Tinte haltenden Hohlraum, welcher durch das Polyimid ausgebildet ist. Dementsprechend wirkt das Polyimid, welches den Tinten haltenden Hohlraum ausbildet, ebenso als der Isolator, welcher einen elektrischen Kurzschluss zwischen der leitenden Bahn und dem leitenden Fluid vermeidet. Daher führt ein einzelner Durchbruch in dem Polyimid zu einem Ausfall des Tintenstrahl-Druckkopfes.
Weiterhin stellt eine Schicht aus isolierendem Material wie etwa Polyimid keinen Schutz vor elektro-magnetischer Interferenz (Electromagnetic Interference: EMI) bereit. Dementsprechend sind die MEMS empfindlich für EMI und können eine ungewünschte oder ungewollte Reaktion erzeugen, die Funktion einstellen oder eine Verschlechterung der Leistung bedingen. Da eine plötzliche Änderung in der Spannung oder dem Strom in einem übertragenen Signal EMI erzeugen kann, sind benachbarte leitende Bahnen besonders empfindlich.
Dementsprechend sind die leitenden Bahnen einer MEMS-Vorrichtung für EMI aus benachbarten leitenden Bahnen und von anderen EMI-Quellen empfindlich, welche in der Nähe der Vorrichtung in Betrieb sind. Die Wirkungen der EMI sind stärker ausgeprägt, wenn die MEMS-Anwendung die Verwendung einer hochfrequenten modulierten Wellenform erfordert. Da MEMS-Einrichtungen typischerweise hohe Resonanzfrequenzen aufweisen, sind Wellenformen hoher Frequenz eine Notwendigkeit, um die Einrichtungen zu steuern und zu überwachen.
Daher wird die Auslegung der leitenden Bahnen in einer MEMS-Vorrichtung kritisch. Aufgrund der miniaturisierten Beschaffenheit einer MEMS-Vorrichtung ist aber die Auslegung der leitenden Bahnen, um die Wirkungen von EMI von benachbarten leitenden Bahnen zu vermeiden und/oder die Berührung mit leitenden Fluiden in der vorgesehen Betriebsumgebung zu vermeiden, nicht immer möglich und ausgesprochen schwierig. Demnach hat sich das Vordringen der MEMS-Vorrichtungen in bestimmten Umgebungen, beispielsweise Tintenstrahl-Druckköpfen, verlangsamt.
US-A-6012336 beschreibt einen kapazitiven Drucksensor. Der MEMS-kapazitive Drucksensor schließt einen kapazitiven Drucksensor ein, welcher mindestens teilweise in einem Hohlraum ausgebildet ist, welcher unterhalb einer Oberfläche eines Silikon-Substrates und benachbarter Schaltung, weiche auf dem Substrat ausgebildet ist, geätzt ist.
EP-A-0778139 beschreibt einen integrierten Dünnfilm-Treiberkopf für einen thermalen Tintenstrahldrucker. Ein Tintenstrahl-Treiberkopf in Dünnfilmtechnik ist mit einem MOSTFT-Transistor, einem Widerstand und der Verbindung zwischen den zwei elektrischen Komponenten ausgestattet, wobei alle aus derselben multifunktionalen Dünnfilmschicht aufgebaut sind.
IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium 1997, Denver, CO, USA (08-06-1997), IEEE, Seiten 113-116. Es wird ein dreidimensionaler Master Slice MMIC auf einem Siliziumsubstrat beschrieben.
US-A-5467068 beschreibt einen mikrobearbeiteten Signalschalter aus zwei Materialien. Ein mikrobearbeiteter Signalschalter für vertikale Verschiebung schließt ein feststehendes Substrat ein, welches mindestens eine Signalleitung aufweist und schließt ein Aktuator-Substrat ein, welches thermisch aktiviert wird, um wahlweise eine Signalleitung mit der ersten Signalleitung zu verbinden. Das Aktuator-Substrat schließt eine Vielzahl von Beinen ein, welche aus Materialien aufgebaut sind, welche ausreichend unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, um mechanische Spannungen zu erzeugen, welche die Beine aufbiegen, wenn die Beine erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein mikrohergestelltes elektromechanisches System (MEMS) insbesondere in Bezug auf Zuverlässigkeit und EMI Unterdrückung zu verbessern. Dieses Ziel wird durch Bereitstellen eines Verfahrens zum Ausbilden einer elektrischen Verbindung in einem mikrohergestellten elektro-mechanischen System gemäß Anspruch 1 und eines mikrohergestellten, elektro-mechanischen Systems gemäß Anspruch 7 erreicht. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die in den 4 und 5 gezeigten Beispiele sind nicht Bestandteil der Erfindung.
1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Tintenstrahl-Druckkopfes, welcher geeignet ist, den abgeschirmten Leiter gemäß der Lehre vorliegenden Erfindung anzuwenden.
2 stellt eine Querschnittsansicht eines abgeschirmten Leiters gemäß der Lehre vorliegenden Erfindung dar.
3 ist ein schematisches Flussdiagramm und stellt die Schritte dar, welche durchgeführt werden, um den Leiter der 2 herzustellen.
4 stellt eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines abgeschirmten Leiters dar.
5 ist ein schematisches Flussdiagramm und stellt die Schritte dar, welche durchgeführt werden, um den abgeschirmten Leiter der 4 herzustellen.
6 stellt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des abgeschirmten Leiters gemäß den Lehren vorliegenden Erfindung dar.
7 ist ein schematisches Flussdiagramm und veranschaulicht die Schritte, welche durchgeführt werden, um den Leiter der 6 herzustellen.
Eingehende Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf einen abgeschirmten Energieleiter für die Verwendung in einer mikrohergestellten MEMS-Vorrichtung gerichtet. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf eine MEMS-Mikrostruktur und ein Verfahren zum Implementieren eines abgeschirmten Energieleiters in einer MEMS-Vorrichtung gerichtet. Die MEMS-Mikrostruktur ist ein abgeschirmter Festkörper-Leiter, welcher in der Lage ist, die MEMS-Vorrichtung mit einem Schutz vor EMI und Schutz gegen Berührung mit einem leitenden Fluid auszustatten. Das Verfahren stellt die Schritte bereit, welche während des MEMS- Mikroherstellungsprozesses durchgeführt werden, um den abgeschirmten Leiterweg wie nachstehend behandelt, aufzubauen.
Im Allgemeinen wird eine MEMS-Vorrichtung unter Verwendung einer leitenden Bahn aus Polysilizium oder einem metallisierten leitenden Material wie etwa Gold, hergestellt. Während der Mikroherstellung können die leitenden Bahnen der MEMS-Vorrichtung mit einer nichtleitenden Opferschicht aus Oxid oder Nitridmaterial überlagert werden. Diese Opferschichten werden später entfernt, um die beweglichen mechanischen Elemente in der MEMS-Vorrichtung freizusetzen. Nachdem die Opferüberschichtungen entfernt sind, sind die leitenden Bahnen für Kurzschlüsse aufgrund von Berührung mit einem leitenden Fluid empfindlich und sind empfindlich für elektro-magnetische Einwirkung von benachbarten leitenden Bahnen oder anderen elektro-magnetischen Phänomenen.
Für die nachfolgende Erörterung ist es hilfreich, die Bedeutung der Bezeichnungen „leitend" und „Leiter" klarzustellen. Die Bezeichnungen „leitend" und „Leiter", wie sie hier verwendet werden, sollen jegliches geeignete Material einschließen, welches elektrische Leitfähigkeit zeigt. Beispiele passender Materialien schließen leitende Metalle, wie etwa Gold, Silber, Aluminium und Kupfer, leitende Metall-Legierungen und jegliche Art von Festkörpern ein, wie etwa Germanium oder Silizium, welche elektrische Leitfähigkeit zeigen.
Die 1 veranschaulicht einen Querschnitt eines bilderzeugenden Systems wie etwa einen Tintenstrahl-Druckkopf 10, welcher geeignet ist für die Verwendung mit vorliegenden Erfindung. Der Tintenstrahl-Druckkopf 10 erhält Vorzüge aus der zusätzlichen Mikroherstellungstechnik der vorliegenden Erfindung, weil die eingebetete Steuer- und Datenschaltung vorteilhafterweise mit einer leitfähigen Abschirmung hergestellt werden kann, um die schädlichen Wirkungen von EMI und leitender Tinte zu vermeiden. Der Tintenstrahl-Druckkopf 10 ist nur ein Beispiel eines mikro-elektro-mechanischen Systems oder MEMS-Vorrichtung mit eingebetteter Steuerschaltung. Der Fachmann wird realisieren, dass die in der vorliegenden Erfindung offenbarten Verfahren und MEMS-Mikrostrukturen auf jegliche MEMS-Einrichtung oder Vorrichtung anwendbar sind, welche unter Verwendung von herkömmlichen Mikroherstellungstechniken hergestellt werden, und dass die veranschaulichte Ausführungsform eines Tintenstrahl-Druckkopfes in einem bilderzeugenden System nicht als beschränkend für die vorliegende Erfindung angesehen wird. Die Mikrostruktur ist eingerichtet, in jeglichem passenden System, wie etwa einem bilderzeugenden System verwendet zu werden. Ein bilderzeugendes System kann unterschiedliche Technologien einschließen, wie etwa elektro-fotografische, elektrostatische, elektro-statografische, ionografische, akustische und Tintenstrahl-Technologien, wie etwa thermischer Tintenstrahl, Piezo-Tintenstrahl und mikro-mechanischer Tintenstrahl, und andere Typen von bilderzeugenden oder Reproduktionssystemen, welche eingerichtet sind, um Bilddaten aufzunehmen und zu speichern, welche mit einem bestimmten Objekt, wie etwa einem Dokument verbunden sind, und ein Bild zu reproduzieren, auszubilden, oder zu erzeugen.
Der Tintenstrahl-Druckkopf 10 schließt eine Basis oder Trägersubstrat 12 ein, auf welchem die MEMS-Vorrichtung aufgebaut ist. In diesem Beispiel ist das Trägersubstrat 12 ein Silizium-Material, das Trägersubstrat 12 kann jedoch jegliches Material sein, welches mit einem Mikro-Herstellungsprozess kompatibel ist, wie etwa Quarz, Siliziumnitrid, und Formen von Aluminiumoxid, wie etwa Saphir, Diamant oder Galliumarsenat. Eine erste Isolationsschicht 18 aus einem Oxidmaterial wie etwa Siliziumdioxid wird thermisch auf dem Substrat aufgeschichtet oder aufgewachsen. Auf der Deckfläche der ersten Isolationsschicht 18 wird unter Verwendung einer chemischen Dampfabscheidung unter niedrigem Druck (Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD) Technik eine zweite Isolationsschicht 19 aus einem Nitridmaterial, wie etwa Siliziumnitrid abgeschieden und gemustert. Der Fachmann wird erkennen, dass andere Abscheidetechniken ebenso verwendet werden können wie etwa die Plasma-unterstützte, chemische Dampfabscheidungen (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD), das Aufspinnen, oder Aufspritzen, in Abhängigkeit von den Materialien, welche ausgewählt werden, um die verschiedenen Schichten der erfindungsgemäßen MEMS-Mikrostruktur auszubilden.
Auf der Deckseite der zweiten Isolationsschicht 19 wird unter Verwendung einer LPCVD-Technik eine erste leitende Schicht aus Material wie etwa Polysilizium abgeschieden und gemustert, um die Bodenelektrode 20 des Tinten-Ejektors 17 und den Mittenleiter 38 von jedem abgeschirmten Leiter 32 auszubilden. Der Fachmann wird erkennen, dass ein zusätzlicher Schritt des Ätzens erforderlich ist, um die Bodenelektrode 20 und den Mittenleiter 38 auszubilden. Die mit der Herstellung des abgeschirmten Leiters 32 verbundenen Verarbeitungsschritte werden nachstehend eingehender erörtert.
Über die erste leitende Schicht wird eine dritte Schicht aus isolierendem Material unter Verwendung einer Plasma-gestützten, chemischen Dampfabscheidungstechnik (PECVD) abgeschieden. Die dritte Schicht aus isolierendem Material ist eine Opferschicht aus Material, wie etwa Phospho-Silicat-Glas (PSG). Diese dritte Schicht aus isolierendem Material bildet, sobald gemustert und geätzt, das Dielektrikum 36 aus, welches den Mittenleiter 38 von jedem abgeschirmten Leiter 32 umschließt. Der Fachmann wird erkennen, dass ein oder mehrere thermische Arbeitsvorgänge an logischen Punkten in dem Mikroherstellungsprozess eingeführt werden können, um Spannung in dem Polysilizium-Material zu reduzieren, und um die Leitfähigkeit von jeglichem Polysilizium, welches in Berührung mit einer isolierenden Schicht aus PSG ist zu erhöhen.
Über der dritten Schicht aus isolierendem Material, welche das Dielektrikum 36 ausbildet, wird eine zweite Schicht aus leitendem Material abgeschieden und gemustert. Das Material für die zweite leitende Schicht kann ein Siliziummaterial sein, wie etwa Polysilizium. Die zweite Schicht aus leitendem Material bildet den Tintenstrahl-Ejektor-Trommelkopf 22 des Tintenstrahl-Ejektors 17, den äußeren Leiter 34 von jedem der abgeschirmten Leiter 32, und das Tintenhohlraum-Tintenfilter 16 aus. Der Fachmann wird erkennen, dass die abgeschirmten Leiter 32 einen einzigen, gleichförmigen, äußeren Leiter 34 aufweisen, welcher alle benachbarten Mittenleiter umschließt. Mit Bezug auf die 1 kann beispielsweise der Zwischenraum, welcher zwischen jedem äußeren Leiter 34 dargestellt ist, mit demselben Material gefüllt werden, welches verwendet wird, um den äußeren Leiter auszubilden. Auf diese Weise ist jeder äußere Leiter 34 bei demselben Potential und dient dazu, Erdschleifen in der MEMS-Vorrichtung zu vermeiden.
Um den Tinteneinlass 14 auszubilden, werden die erste Isolationsschicht 18 und die zweite Isolationsschicht 19 von der Rückseite des Struktursubstrates 12 her gemustert, um mehrere Fenster für eine Wafer-Durchgangsätzung mit KOH zu erzeugen. Die KOH-Ätzung auf der Rückseite des strukturellen Substrates 12 bildet den angeschrägten Tinteneinlass 14 aus.
Auf die zweite leitende Schicht aus Material wird eine Schicht aus Fotolack aufgeschleudert und wird nachfolgend gemustert und geätzt. Eine Schicht aus Polyimid wird auf die Deckfläche des Fotolackes abgeschieden, um die Tinten-Ejektor-Düsenplatte 30 auszubilden, welche ebenso die Wände des Tintenhohlraums 26 festlegt. Um den Tintenhohlraum 26 auszubilden, wird der Fotolack entfernt, wodurch ein Luftspalt unter der Tinten-Ejektor-Düsenplatte 30 zurückbleibt. Eine zusätzliche Schicht aus Polyimid wird auf die Deckseite der Tinten-Ejektor-Düsenplatte 30 aufgeschleudert und gemustert und geätzt, um die Tinten-Ejektor-Düsen 28 zu schaffen.
Im Betrieb ist jeder abgeschirmte Leiter 32 mit einem individuellen Tinten-Ejektor 17 verbunden. Der Mittenleiter 38 von jedem abgeschirmten Leiter 32 trägt ein Erregungssignal zu der Bodenelektrode 20 des Tinten-Ejektors 17. Das Erregungssignal gibt eine elektrostatische Ladung auf die Bodenelektrode 20, welche verursacht, dass der Tintenstrahl-Trommelkopf 22 in enge Nachbarschaft zu der Bodenelektrode 20 gebracht wird. Das Herabziehen vergrößert das Volumen des Tinten-Hohlraums 26, wodurch ermöglicht wird, dass zusätzliche Tinte durch den Tinteneinlass 14 einläuft. Wenn das Erregungssignal von der Bodenelektrode 20 entfernt wird, verschwindet die elektrostatische Ladung, wodurch ermöglicht wird, dass der Tintenstrahl-Trommelkopf 24 in dessen Ruheposition zurückkehrt. Wegen der Vergrößerung des Tinten-Volumens, welche durch das Herabziehen des Tintenstrahl-Trommelkopfs 24 verursacht wird, wird ein Teil des vergrößerten Tinten-Volumens aus der Tinten-Ejektordüse 28 ausgetrieben, wenn das Erregungssignal von der Bodenelektrode 20 entfernt wird.
Wie in der 1 veranschaulicht, dient jeder Mittenleiter 38 als die leitende Bahn, welche das Erregungssignal zu jeder Bodenelektrode 20 trägt. Jeder Mittenleiter 38 ist durch das Dielektrikum 36 umschlossen, welches durch den äußeren Leiter 34 umschlossen ist. Demnach weist jeder Mittenleiter 38 mindestens zwei Materialschichten auf, welche das Erregungssignal von dem leitenden Fluid trennen, beispielsweise eine leitende Tinte, welche den Tinten-Hohlraum 26 füllt. Weil das leitende Fluid in Berührung mit dem äußeren Leiter 34 steht, welcher im Allgemeinen mit Masse verbunden ist, verhindert der äußere Leiter 34 weiterhin den Aufbau von elektro-statischer Ladung in dem Tinten-Hohlraum 26, welcher andernfalls den Betrieb des Tintenstrahl-Druckkopfes beeinträchtigen könnte. Weiterhin vermindert die Tatsache, dass der äußere Leiter 34 mit Masse verbunden ist und mit einem leitenden Fluid in Berührung steht, vorteilhafterweise die Möglichkeit für eine explosive Reaktion, welche durch eine elektro-statische Entladung in der Gegenwart von flüchtigem, leitenden Fluid verursacht wird.
Weil weiterhin Geschwindigkeit eine wichtige Kenngröße für eine MEMS-Vorrichtung, wie etwa einen Tintenstrahl-Tropfen-Ejektor ist, werden üblicherweise Erregungssignale von hoher Frequenz verwendet. Um sogar höhere Leistungsdaten für den Tintenstrahl-Tropfen-Ejektor zu erreichen, können die Erregungssignale hoher Frequenz moduliert sein. Dementsprechend werden benachbarte leitende Bahnen in dem Tintenstrahl-Druckkopf empfindlich für elektro-magnetische Interferenz (EMI). Weil jeder Mittenleiter 38 eine dielektrische Schicht 36 und einen äußeren Leiter 32 aufweist, welcher die notwendige Abschirmung bereitstellt, wird der Mittenleiter 38 trotzdem von EMI-Quellen geschützt.
Die in 2 dargestellte mikro-hergestellte MEMS-Mikrostruktur ist ein Querschnitt eines geschirmten Leiters 51, welcher einen inneren oder Mittenleiter und einen äußeren oder abgeschirmten Leiter getrennt durch ein Dielektrikum aufweist. Der abgeschirmte Leiter 51 schließt eine Basis oder ein Struktursubstrat 40 ein, entweder aus einem leitenden Material oder einem halbleitenden Material. Typische Materialien, welche für das strukturelle Substrat 40 verwendet werden, schließen Silizium, Quarz, Glas, Siliziumnitrid, und Formen von Aluminiumoxid wie etwa Saphir, Diamant oder Galliumarsenat ein. Trotzdem wird der Fachmann erkennen, dass das strukturelle Substrat 40 aus jedem beliebigen Material ausgebildet sein kann, welches in der Lage ist, den gesamten Mikroherstellungsprozess zu überleben.
Auf der Deckseite des Substrates 40 ist eine erste Isolationsschicht 42 aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften wie etwa Siliziumnitrid oder ein Oxidmaterial aufgeschichtet. Auf der Deckseite der ersten Isolationsschicht 42 ist eine erste leitende Schicht 46 eines leitenden Materials aufgeschichtet, welches den Mittenleiter des abgeschirmten Leiters 51 ausbildet. Das als die erste leitende Schicht 46 verwendete leitende Material kann jedes passende leitende Material wie etwa Polysilizium, Gold oder ähnliches sein. Auf der Deckseite der ersten leitenden Schicht 46 ist eine zweite isolierende Schicht 48 aufgeschichtet, welche das Dielektrikum zwischen Mittenleiter und dem äußeren Leiter ausbildet. Das Isolationsmaterial, welches für die zweite isolierende Schicht 48 verwendet wird, kann jedes passende dielektrische Material sein, wie etwa Phospho-Silicat-Glas (PSG) oder Slliziumnitrid.
Auf der Deckseite der zweiten Isolationsschicht 48 ist eine zweite leitende Schicht 50 aufgeschichtet, welche den äußeren Leiter des abgeschirmten Leiters 51 ausbildet. Das für die zweite leitende Schicht 50 verwendete leitende Material kann jedes passende leitende Material sein, wie etwa Polysilizium oder ein ähnliches Material. Die zweite leitende Schicht 50 füllt ebenso die in die zweite Isolationsschicht 48 geätzten Kanäle, wodurch der Mittenleiter des abgeschirmten Leiters 51 auf drei Seiten umschlossen wird.
Ein Luftspalt 44 wird bereitgestellt, um einem benachbarten mechanischen Element ausreichend Platz zu erlauben, sich zu biegen, zu rotieren, zu gleiten oder ähnliches. Der Fachmann wird erkennen, dass der Luftspalt eine optionale Mikrostruktur des abgeschirmten Leiters 51 ist. Das Verfahren zur Ausbildung des abgeschirmten Leiters 51 wird nachstehend mit Bezug auf die 3 eingehender erörtert.
Im Betrieb wirkt der abgeschirmte Leiter 51 wie ein koaxialer Leiter, welcher den inneren Leiter von der Umgebung abschirmt, in welcher die MEMS-Vorrichtung angewandt wird. Die zweite leitende Schicht 50 wirkt als ein Schirm, um das entlang der ersten leitenden Schicht 46 sich ausbreitende Signal von externer Beeinflussung wie etwa EMI und leitende Fluide zu schützen, ebenso wie die Abstrahlung des sich ausbreitenden Signals nach außen zu unterdrücken. Die zweite leitende Schicht 50 ist typischerweise mit Masse verbunden, um eine unendliche Senke für die Streuung elektro-magnetischer Energie bereitzustellen und im Fall von leitenden Fluiden für elektro-statische Energie.
Wenngleich dem abgeschirmten Leiter 51 eine leitende Abschirmung fehlt, welche den Mittenleiter vollständig umschließt, wirkt der abgeschirmte Leiter 51 bei bestimmten Anwendungen trotzdem als ein koaxialer Leiter. Beispielsweise gibt es bei einer MEMS-Vorrichtung, welche eine einzige Schicht von eingebetteter Schaltung aufweist, keine eingebettete Schaltung darüber oder darunter, welche ein elektro-magnetisches Feld ausstrahlen könnte, oder welche empfindlich für elektro-magnetische interferenz sein könnte. Das Vorhandensein einer leitenden Abschirmung auf drei Seiten des Mittenleiters stellt auf diese Weise ausreichend Schutz bereit, um den Wirkungen von EMI aus benachbarten leitenden Bahnen zu begegnen. Wenngleich der Fachmann erkennen wird, dass jegliche Öffnung in der Abschirmung eines abgeschirmten Leiters die Wirksamkeit der Abschirmung verringert, ist die Abschirmungsgrenze des abgeschirmten Leiters 51 für Druckkopf-Anwendungen ausreichend.
Da der abgeschirmte Leiter 51 verwendet werden kann, um elektro-magnetische Interferenz von einem oder mehreren benachbarten, leitenden Bahnen einer MEMS-Vorrichtung zu verhindern, wird die herkömmliche Schwierigkeit für das Verlegen von leitenden Bahnen durch eine MEMS-Vorrichtung, wie etwa durch einen elektrostatischen Tintenstrahl-Druckkopf, herabgesetzt. Das Risiko, dass eine benachbarte, leitende Bahn oder ein elektronisches Element einen elektro-magnetischen Puls auf den Mittenleiter induziert, wird stark verringert. Im Ergebnis ist die MEMS-Vorrichtung weniger empfindlich für elektro-magnetische Interferenz. Weiterhin erfordert das Ausbilden des abgeschirmten Leiters 51 keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte; weiterhin werden keine zusätzlichen Arbeits- oder Materialkosten während des Mikroherstellungsprozesses eingeführt.
Die 3 veranschaulicht die für die Herstellung des in der 2 veranschaulichten abgeschirmten Leiters 51 durchzuführenden Schritte. Am Beginn des Prozesses wird eine Basis oder Substrat 40 aus leitendem oder halbleitendem Material bereitgestellt (Schritt 52) und wird mit einem dielektrischen Material bedeckt, um die erste Isolationsschicht 42 auszubilden (Schritt 54). Die erste Isolationsschicht 42 kann aus einem isolierenden Material bestehen, wie etwa Siliziumnitrid oder thermisches Oxid, welches auf dem Substrat abgeschieden oder aufgewachsen wird, um eine dielektrische Schicht mit einer Dicke von zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 1,0 Mikrometer auszubilden. Wenn die erste Isolationsschicht 42 ein thermisches Oxidmaterial ist, wird die erste Isolationsschicht 42 in einem Ofen aufgewachsen. Wenn die erste Isolationsschicht 42 ein Siliziumnitridmaterial oder ein anderes ähnliches Material ist, wird die erste Isolationsschicht 42 abgeschieden. Der Abscheidungsprozess ist ein trockener Abscheidungsprozess unter Verwendung einer chemischen Dampfabscheidung unter niedrigem Druck (LPCVD).
Eine erste leitende Materialschicht 46 ist ein leitendes Material, wie etwa Polysilizium und wird über der ersten Isolationsschicht 42 unter Verwendung eines LPCVD-Verfahrens (Schritt 56) abgeschieden. Die erste leitende Schicht 46 kann eine Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 3 Mikrometer aufweisen. Sobald die erste leitende Schicht 46 abgeschieden ist, wird dieselbe gemustert und geätzt, um den Mittenleiter des abgeschirmten Leiters 51 auszubilden und festzulegen.
Sobald der Mittenleiter ausgebildet worden ist, wird eine zweite Isolationsschicht 48 aus einem isolierenden Material, wie etwa Phospho-Silicat-Glas (PSG) unter Verwendung eines Plasma-unterstützten, chemischen Dampfabscheidungsprozesses (PECVD) über der ersten leitenden Schicht 42 abgeschieden (Schritt 58). Der Fachmann wird würdigen, dass ein LPCVD-Abscheidungsprozess verwendet werden kann, um die erste leitende Schicht 42 abzuscheiden. Die zweite Isolationsschicht 48 bildet das Dielektrikum aus, welches den Mittenleiter und den äußeren Leiter in dem abgeschirmten Leiter 51 trennt. Die zweite Isolationsschicht 48 wird gemustert und geätzt, um einen Kanal oder Graben entlang jeder Seite des Mittenleiters auszubilden, welcher in der ersten leitenden Schicht 46 ausgebildet ist (Schritt 58). Die zweite Isolationsschicht 48 kann eine Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 3 Mikrometer aufweisen.
Über der zweiten Isolationsschicht 48 wird unter Verwendung eines LPCVD-Abscheidungsprozesses eine zweite leitende Schicht 50 mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 3 Mikrometer abgeschieden (Schritt 60). Die zweite leitende Schicht 50 füllt die Kanäle oder Gräben, welche vorstehend in der zweiten Isolationsschicht 48 ausgebildet wurden (Schritt 60). Die zweite leitende Schicht 50 ist ein leitendes Material, wie etwa Polysilizium, welches einen äußeren Leiter oder eine Abschirmung ausbildet, welche die zweite Isolationsschicht 48 auf drei Schreiten umschließt. Die zweite leitende Schicht 50 wird gemustert und geätzt, um die Deckbreite und die Seiten des äußeren Leiters des abgeschirmten Leiters 51 festzulegen (Schritt 60).
Der Fachmann wird erkennen, dass zusätzliche Prozess-Schritte zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Ausbilden eines abgeschirmten Leiters hinzugefügt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Abhängig von den Materialtypen, die ausgewählt werden, um eine Isolationsschicht oder dielektrische Schicht auszubilden, kann beispielsweise ein Hochtemperatur-Backprozess nach der Abscheidung der zweiten Isolationsschicht 48 oder nach dem Abscheiden der zweiten leitenden Schicht 50 stattfinden. Insbesondere wenn ein Phospho-Silicat-Glasmaterial als eine Isolationsschicht verwendet wird und Polysilizium als eine erste oder zweite leitende Schicht verwendet wird, erzeugt das Hochtemperatur-Backen einen zweifachen Vorteil. Erstens behandelt das Backen die inhärente Spannung der Polysilizium-Schichten auf thermische Weise und zweitens dotiert dasselbe die Polysilizium-Schichten mit zusätzlichem Phosphor, um die Leitfähigkeit von jeglichem Polysilizium in Berührung mit dem PSG zu vergrößern.
Zusätzlich kann eine Schicht aus PSG mit einer Dicke von ungefähr 0,2 Mikrometer nach jeder abgeschiedenen Polysilizium-Schicht von mehr als einen Mikrometer abgeschieden werden. Daraufhin wird während jedem Fotolack-Arbeitsschritt das Muster, welches erzeugt wird, auf das PGS übertragen durch die Durchführung einer Oxidätzung.
Im Ergebnis wirkt das Oxid während jeglicher Ätzung des darunterliegenden Polysiliziums als eine bessere schützende Schicht als der Fotolack, um das Polysilizium während der Ätzung zu schützen.
Die in 4 dargestellte, mikro-hergestellte MEMS-Mikrostruktur ist ein Querschnitt des abgeschirmten Leiters 61. Die Mikrostruktur stellt einen abgeschirmten Leiter 61, einen inneren oder Mittenleiter, einen äußeren oder abgeschirmten Leiter, und ein Dielektrikum bereit, welches die zwei Leiter trennt. Der abgeschirmte Leiter 61 schließt eine Basis oder ein strukturelles Substrat 62 entweder aus einem leitenden Material oder einem halbleitenden Material ein. Typische für das strukturelle Substrat 62 verwendete Materialien schließen Silizium, Quarz, Glas, Siliziumnitrid und Formen von Aluminiumoxid wie etwa Saphir, Diamant und Galliumarsenat ein. Trotzdem wird der Fachmann erkennen, dass das strukturelle Substrat 62 jegliches Material sein kann, welches in der Lage ist, den vollständigen Mikro-Fabrikationsprozess zu überstehen.
Aufgeschichtet auf die Oberseite des strukturellen Substrates 62 ist eine erste Isolationsschicht 64. Die erste Isolationsschicht 64 ist aus einem Material zusammengesetzt, welches dielektrische Eigenschaften aufweist, wie etwa Siliziumnitrid oder ein Oxidmaterial. Über der ersten Isolationsschicht 64 wird eine erste leitende Schicht 68 aus leitendem Material aufgeschichtet, welche den Bodenabschnitt des äußeren Leiters in dem abgeschirmten Leiter 61 ausbildet. Das für die erste leitende Schicht 68 verwendete leitende Material kann jegliches passende leitende Material wie etwa Polysilizium, Gold oder ähnliches sein. Auf der Oberseite der ersten leitenden Schicht 68 wird eine zweite Isolationsschicht 70 aufgeschichtet, welche die dielektrische Barriere zwischen dem Bodenabschnitt des Mittenleiters und dem Bodenabschnitt des äußeren Leiters ausbildet. Das für die zweite Isolationsschicht 70 verwendete Isolationsmaterial kann jegliches passende dielektrische Material wie etwa Phospho-Silicat-Glass (PSG) sein.
Auf die Oberseite der zweiten Isolationsschicht 70 wird die zweite leitende Schicht 72 aufgeschichtet, welche den inneren Leiter des abgeschirmten Leiters 61 ausbildet. Das für die zweite leitende Schicht 72 verwendete leitende Material kann jegliches passende leitende Material sein wie etwa Polysilizium oder ein ähnliches Material. Über der zweiten leitenden Schicht 72 wird eine dritte Isolationsschicht 71 aufgeschichtet, um das Dielektrikum auszubilden, welches die Seitenabschnitte und den Oberseitenabschnitt des Mittenleiters von dem äußeren Leiter trennt. Über der dritten Isolationsschicht 71 wird die dritte leitende Schicht 69 aufgeschichtet, um den äußeren Leiter des abgeschirmten Leiters 61 auszubilden. Die dritte leitende Schicht 69 umschließt die Oberseite und die Seiten der dritten Isolationsschicht 71. Auf diese Weise bilden die dritte leitende Schicht 69 und die erste leitende Schicht 68 eine nahtlose Abschirmung, um die zweite leitende Schicht 72, welche ebenso als Mittenleiter des abgeschirmten Leiters 61 bezeichnet wird.
Es wird ein Luftzwischenraum 66 bereitgestellt, um einem benachbarten mechanischen Element ausreichend Platz zur Verfügung zu stellen, um sich zu biegen, zu drehen, zu gleiten oder ähnliches. Der Fachmann wird erkennen, dass der Luftzwischenraum 66 eine optionale Mikrostruktur des abgeschirmten Leiters 61 ist. Das Verfahren zur Ausbildung des abgeschirmten Leiters wird nachstehend genauer mit Bezug auf 4 erörtert.
Im Betrieb verhält sich der abgeschirmte Leiter 61 wie ein koaxialer Leiter, welcher den inneren Leiter von der Umgebung abschirmt, in welcher die MEMS-Vorrichtung angewandt wird. Die erste leitende Schicht 68 und die dritte leitende Schicht 69 arbeiten so, dass dieselben das Signal, weiches sich entlang der zweiten leitenden Schicht 72 ausbreitet, von externer Interferenz, von leitenden Fluiden abgeschirmen wird und dass äußere Strahlung von dem sich ausbreitenden Signal abgehalten wird. Die erste leitende Schicht 68 und die zweite leitende Schicht 69 sind typischerweise mit einer Masseerde verbunden, um eine unendliche Senke für elektro-magnetische Streuenergie und/oder elektro-statische Energie im Fall von leitenden Fluiden bereitzustellen.
Da der abgeschirmte Leiter 61 verwendet werden kann, elektro-magnetische Interferenz von der Wirkung auf eine oder mehrere leitende Bahnen abzuhalten, welche in der MEMS-Vorrichtung ausgebildet sind, wird der herkömmliche Aufwand die leitenden Bahnen durch eine MEMS-Vorrichtung wie etwa einen elektro-statischen Tintenstrahl-Druckkopf zu führen, vermieden. Das Risiko, dass eine leitende Bahn oder ein elektronisches Element einen elektro-magnetischen Puls auf den Mittenleiter induziert wird stark reduziert. Im Ergebnis ist die MEMS-Vorrichtung für elektro-magnetische Interferenz weniger empfindlich. Weiterhin erfordert die Ausbildung des abgeschirmten Leiters 61 keine zusätzlichen Prozessschritte; weiterhin werden keine zusätzlichen Arbeits- oder Materialkosten während des Mikro-Herstellungsprozesses eingeführt.
Die 5 veranschaulicht die durchzuführenden Schritte, um den in 4 veranschaulichten, abgeschirmten Leiter 61 herzustellen. Um den Prozess zu starten, wird eine Basis oder Substrat 62 aus leitendem oder halbleitendem Material bereitgestellt (Schritt 74) und wird daraufhin mit einer ersten Isolationsschicht 64 bedeckt. Die erste Isolations schicht 64 kann unter Verwendung eines dielektrischen Materials wie etwa Siliziumnitrid oder einem thermischen Oxid ausgebildet werden. Abhängig von dem ausgewählten Material, wird die erste Isolationsschicht 64 auf dem Substrat 62 abgeschieden oder aufgewachsen (Schritt 76), um eine dielektrische Schicht mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,5 μm und ungefähr 1 μm auszubilden. Wenn die erste Isolationsschicht 64 ein thermisches Oxidmaterial ist, wird die erste Isolationsschicht 64 in einem Ofen aufgewachsen. Wenn die erste Isolationsschicht 64 ein Siliziumnitridmaterial oder ein anderes ähnliches Material ist, muss die erste Isolationsschicht 64 abgeschieden, gemustert und geätzt werden. Der Abscheidungsprozess für die erste Isolationsschicht 64 ist ein trockener Abscheidungsprozess unter Verwendung einer chemischen Dampfabscheidung unter niedrigem Druck (LPCVD).
Eine erste leitende Schicht 68 wird unter Verwendung eines LPCVD-Verfahrens über der ersten Schicht aus isolierendem Material abgeschieden. Die erste leitende Schicht 68 kann mit einem leitenden Material ausgebildet werden, wie etwa Polysilizium oder ein anderes ähnliches Material. Die erste leitende Schicht 68 kann eine Dicke zwischen ungefähr 0,5 μm und ungefähr 3,0 μm aufweisen. Sobald die erste leitende Schicht 68 abgeschieden ist, wird dieselbe gemustert und geätzt, um den Bodenabschnitt des äußeren Leiters in dem abgeschirmten Leiter 61 auszubilden und festzulegen (Schritt 78).
Sobald der Bodenabschnitt des äußeren Leiters ausgebildet worden ist, wird eine zweite Isolationsschicht 70 aus einem isolierenden Material wie etwa Phospho-Silicat-Glas (PSG) oder ein ähnliches Material unter Verwendung eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses mit Plasma-Unterstützung (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition process: PECVD) über der ersten leitenden Schicht 68 abgeschieden (Schritt 80). Die zweite Isolationsschicht 70 bildet den Bodenabschnitt des Dielektrikums, welches den Bodenabschnitt des Mittenleiters von dem Bodenabschnitt des äußeren Leiters in dem abgeschirmten Leiter 61 trennt. Die zweite Isolationsschicht 70 wird an diesem Punkt des Prozesses nicht gemustert oder geätzt, weil ihr Vorhandensein als Ätzstopp notwendig ist, so dass die leitende Schicht 68 während der Ätzung der leitenden Schicht 72 nicht geätzt wird. Die zweite Isolationsschicht 70 kann eine Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 1 Mikrometer aufweisen.
Über der zweiten Isolationsschicht 70 wird unter Verwendung eines LPCVD-Abscheidungsprozesses eine zweite leitende Schicht 72 aus leitendem Material wie etwa Polysilizium oder ein ähnliches Material abgeschieden. Die zweite leitende Schicht 72 ist mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und 3,0 Mikrometer ausgebildet. Die zweite leitende Schicht 72 wird gemustert und geätzt, um den Mittenleiter des abgeschirmten Leiters 61 auszubilden (Schritt 82). Der Fachmann wird erkennen, dass eine Überätzung der zweiten leitenden Schicht 72 vorzuziehen ist, um sicherzustellen, dass das Material vollständig in den Gebieten entfernt ist, in welchen ein früherer Prozess-Schritt die Filmdicke vergrößert hat.
Über der zweiten leitenden Schicht 72 wird ein Isolationsmaterial wie etwa PSG oder ein ähnliches Material abgeschieden, um die dritte Isolationsschicht 71 auszubilden. Der PECVD-Abscheidungsprozess, welcher für die Abscheidung der dritten Isolationsschicht 71 verwendet wird, stellt eine Schicht aus isolierendem Material mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 2 Mikrometer bereit. Zu diesem Zeitpunkt wird die zweite Isolationsschicht 70 und die dritte Isolationsschicht 71 gemustert und geätzt, um die dielektrische Struktur auszubilden, welche den Mittenleiter von dem äußeren Leiter trennt. Die zweite Isolationsschicht 70 und die dritte Isolationsschicht 71 werden ebenso gemutert und geätzt, um einen Kanal oder Graben entlang jeder Seite des Mittenleiters auszubilden, welcher durch die zweite leitende Schicht 72 gebildet wird (Schritt 84).
Über der dritten Isolationsschicht 71 wird unter Verwendung einer LPCVD-Abscheidungstechnik eine dritte leitende Schicht 69 aufgeschichtet, welche ebenso die vorstehend ausgebildeten Kanäle oder Gräben auffüllt, um die Oberseite und die Seiten des äußeren Leiters des abgeschirmten Leiters 61 auszubilden (Schritt 86). Die dritte leitende Schicht 69 kann aus einem leitenden Material ausgebildet sein, wie etwa Polysilizium oder ein ähnliches Material. Die dritte leitende Schicht 69 kann eine Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 3 Mikrometer aufweisen. Als Teil des Abscheidungsprozesses wird die dritte leitende Schicht 69 gemustert und geätzt, um die Breite der Oberseite des äußeren Leiters festzulegen (Schritt 86).
Der Fachmann wird erkennen, dass weitere Verarbeitungsschritte zu dem vorstehend beschriebenen Beispiel zum Ausbilden eines abgeschirmten Leiters hinzugenommen werden können. Abhängig von den Materialtypen, welche ausgewählt werden, um die isolierenden oder dielektrischen Schichten auszubilden, kann beispielsweise ein Ausbacken unter hoher Temperatur nach der Abscheidung der Isolationsschichten stattfinden. Insbesonere wenn ein Phospho-Silicat-Glas-Material als eine Isolations schicht verwendet wird und ein Polysilizium als eine leitende Schicht verwendet wird, stellt ein Ausbacken unter hoher Temperatur zwei Vorzüge bereit. Erstens tempert das Ausbacken die inhärente Spannung aus der Polysilizium-Schicht aus und zweitens dotiert derselbe die Polysilizium-Schicht mit zusätzlichem Phosphor, um die Leitfähigkeit von jeglichem Polysilizium in Berührung mit dem PSG zu verbessern.
Zusätzlich kann eine Schicht aus PSG mit einer Dicke von ungefähr 0,2 Mikrometer nach jeder abgeschiedenen Polysilizium-Schicht von mehr als einem Mikrometer abgeschieden werden. Während jedem Fotolack-Arbeitsschritt wird daraufhin das Muster, welches erzeugt wird, durch Durchführung einer Oxidätzung auf das PSG übertragen. Im Ergebnis wirkt das Oxid während jeglicher Ätzung des darunter liegenden Polysiliziums als eine besser schützende Schicht als der Fotolack, um das Polysilizium während der Ätzung zu schützen.
Die in der 6 dargestellte, mikro-hergestellte MEMS-Mikrostruktur ist ein Querschnitt des abgeschirmten Leiters 87. Die Mikrostruktur ermöglicht, dass der abgeschirmte Leiter 87 einen inneren oder Mittenleiter, einen ersten abgeschirmten Leiter, einen zweiten abgeschirmten Leiter und ein Dielektrikum aufweist, welches jede leitfähige Schicht trennt. Der abgeschirmte Leiter 87 schließt eine Basis oder ein strukturelles Substrat 88 ein. Es ist entweder ein leitendes Material oder ein Halbleitermaterial für die Verwendung als strukturelles Substrat 88 geeignet. Typische für das strukturelle Substrat 88 verwendete Materialien schließen Silizium, Quarz, Glas, Siliziumnitrid und Formen von Aluminiumoxid wie etwa Saphir, Diamant und Galliumarsenat ein. Trotzdem wird der Fachmann erkennen, dass das strukturelle Substrat 88 jegliches Material sein kann, welches in der Lage ist, den vollständigen Mikro-Fabrikationsprozess zu überstehen.
Auf der Oberseite des strukturellen Substrats 88 ist eine erste Isolationsschicht 90 aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften, wie etwa Siliziumnitrid oder ein Oxidmaterial aufgeschichtet. Auf der Oberseite der ersten Isolationsschicht 90 ist eine erste leitende Schicht 94 aus einem leitenden Material aufgeschichtet, welches den Mittenleiter und den Bodenabschnitt des ersten abgeschirmten Leiters und den Bodenabschnitt des zweiten abgeschirmten Leiters des abgeschirmten Leiters 87 ausbildet. Das als erste leitende Schicht 94 verwendete leitende Material kann jedes passende leitende Material sein, wie etwa Polysilizium, Gold oder ähnliches. Auf der Oberseite der ersten leitenden Schicht 94 ist eine zweite Isolationsschicht 96 aufgeschichtet, welche das Dielektri kum zwischen dem Mittenleiter und dem ersten abgeschirmten Leiter ausbildet. Das für die zweite Isolationsschicht 96 verwendete Isolationsmaterial kann jegliches passende dielektrische Material sein, wie etwa Phospho-Silicat-Glas (PSG) oder ein ähnliches Material. Die zweite Isolationsschicht 96 umschließt die Oberseite und die Seiten des Mittenleiters und setzt sich in die Kanäle oder Gräben, welche in der ersten leitenden Schicht 94 während des Mikro-Herstellungsprozesses ausgebildet werden.
Auf der Oberseite der zweiten Isolationsschicht 94 ist die zweite leitlende Schicht 98 aufgeschichtet, welche den Oberseitenabschnitt des ersten abgeschirmten Leites und einen Abschnitt der Seitenwände für den zweiten abgeschirmten Leiter ausbildet. Die zweite leitende Schicht 98 wird während des Mikro-Herstellungsprozesses gemustert und geätzt, um einen Kanal oder Graben auf jeder Seite des Mittenleiters auszubilden, welcher sich zu den Kanälen oder Gräben koppelt, welche durch die zweite Isolationsschicht 96 gefüllt sind. Das für die zweite leitende Schicht 98 verwendete leitende Material kann jedes passende leitende Material sein, wie etwa Polysilizium oder ein ähnliches Material.
Auf der zweiten leitenden Schicht 98 und die Kanäle ausfüllend, welche in der zweiten leitenden Schicht 98 ausgebildet sind, ist eine dritte Isolationsschicht 100 aufgeschichtet, um die oberseitigen und seitlichen Abschnitte der dielektrischen Schicht auszubilden, welche den ersten abgeschirmten Leiter von dem zweiten abgeschirmten Leiter des abgeschirmten Leiters 61 trennt. Über der dritten Isolationsschicht 100 ist die dritte leitende Schicht 102 aufgeschichtet, um den Oberseitenabschnitt und den zweiten abgeschirmten Leiter des abgeschirmten Leiters 61 auszubilden. Die dritte leitende Schicht 102 umschließt die Oberseite der dritten Isolationsschicht 100 und ist in struktureller und elektrischer Berührung mit dem Abschnitt der zweiten leitenden Schicht 98, welcher die Seitenwände des zweiten abgeschirmten Leiters ausbildet.
Es wird ein Luftzwischenraum 92 bereitgestellt, um einem benachbarten mechanischen Element ausreichend Platz zur Verfügung zu stellen, um sich zu biegen, zu drehen, zu gleiten oder ähnliches. Der Fachmann wird erkennen, dass der Luftzwischenraum 92 eine optionale Mikrostruktur des abgeschirmten Leiters 87 ist. Das Verfahren zur Ausbildung des abgeschirmten Leiters wird nachstehend genauer mit Bezug auf 7 erörtert.
Im Betrieb wirkt der abgeschirmte Leiter 87 wie ein triaxialer Leiter, wobei der zweite abgeschirmte Leiter mit Masse verbunden ist, während der Mittenleiter und der erste abgeschirmte Leiter mit einer Signalquelle verbunden sind. Auf diese Weise kann ein Signalweg mit geringer Kapazität, welcher eine Eingangskapazität in der Größenordnung von 1 pF aufweist, verwendet werden, um die MEMS-Vorrichtung zu betreiben. Herkömmliche Signalwege, welche verwendet werden, um eine MEMS-Vorrichtung zu betreiben, weisen typischerweise eine Eingangskapazität in der Größenordnung von 1 pF auf. Da die Kapazität des Signalweges erheblich größer ist als diejenige der MEMS-Vorrichtung wird der überwiegende Teil der für die MEMS-Vorrichtung vorgesehenen Ladung durch die relativ hohe Kapazität des Signalweges abgezogen.
Die Verwendung des abgeschirmten Leiters 87 minimiert die Menge der Signalladung, welche abgezogen wird, wenn Signale zu und von der MEMS-Vorrichtung übertragen werden. Im Betrieb werden der Mittenleiter und die erste Abschirmung des abgeschirmten Leiters 87 mit der Signalquelle verbunden. Weil beide Leiter mit der Signalquelle verbunden sind, befinden sich beide bei dem gleichen Potential und vermeiden daher kapazitive Wirkungen des Dielektrikums. Obwohl der äußere Leiter mit Masse verbunden ist, oder als eine Rückleitung wirkt, besteht immer noch eine Kapazität zwischen dem ersten abgeschirmten Leiter und dem zweiten abgeschirmten Leiter. Weil das Dielektrikum zwischen dem Mittenleiter und dem ersten abgeschirmten Leiter übergangen wird, weist jedoch der Mittenleiter eine vernachlässigbare Kapazität relativ zu dem zweiten abgeschirmten Leiter auf, wodurch ermöglicht wird, dass nahezu eine vollständige Signalladung zu der MEMS-Vorrichtung geführt wird.
Der abgeschirmte Leiter 87 stellt ebenso Vorzüge bereit, welche mit dem abgeschirmten Leiter 51 und dem abgeschirmten Leiter 61, welche vorstehend eingehend erörtert wurden, verbunden sind. Beispielsweise das Abschirmen des Mittenleiters von Wirkungen elektro-magnetischer Interferenz, Kontakt mit leitenden Fluiden, Abhalten von äußerer Strahlung von dem fortgeleiteten Signal.
Da der abgeschirmte Leiter 87 verwendet werden kann, elektro-magnetische Interferenz von der Wirkung auf eine oder mehrere leitende Bahnen abzuhalten, welche in einer einzigen Schicht einer MEMS-Vorrichtung ausgebildet sind, wird der herkömmliche Aufwand die leitenden Bahnen durch eine MEMS-Vorrichtung wie etwa einen elektrostatischen Tintenstrahl-Druckkopf zu führen, vermieden. Das Risiko, dass eine benach barte leitende Bahn oder ein elektronisches Element einen elektro-magnetischen Puls auf den Mittenleiter induziert wird stark reduziert. Im Ergebnis ist die MEMS-Vorrichtung für elektro-magnetische Interferenz weniger empfindlich. Weiterhin erfordert die Ausbildung des abgeschirmten Leiters 61 keine zusätzlichen Prozessschritte; weiterhin werden keine zusätzlichen Arbeits- oder Materialkosten während des Mikro-Herstellungsprozesses eingeführt.
Die 7 veranschaulicht die durchzuführenden Schritte, um den in 6 veranschaulichten, abgeschirmten Leiter 87 herzustellen. Um den Prozess zu starten, wird eine Basis oder Substrat 88 aus leitendem oder halbleitendem Material bereitgestellt (Schritt 110) und wird daraufhin mit einer ersten Isolationsschicht 90 bedeckt (Schritt 112). Die erste Isolationsschicht 90 kann aus einem isolierenden Material wie etwa Siliziumnitrid oder einem thermischen Oxid ausgebildet werden. Die erste Isolationsschicht 90 wird auf dem Substrat 88 abgeschieden oder aufgewachsen, um eine dielektrische Schicht mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 1 Mikrometer auszubilden. Wenn die erste Isolationsschicht 90 ein thermisches Oxidmaterial ist, wird die erste Isolationsschicht 90 in einem Ofen aufgewachsen. Wenn die erste Isolationsschicht 90 ein Siliziumnitridmaterial oder ein anderes ähnliches Material ist, muss die erste Isolationsschicht 90 abgeschieden, gemustert und geätzt werden. Der Abscheidungsprozess für die erste Isolationsschicht 64 ist ein trockener Abscheidungsprozess unter Verwendung einer chemischen Dampfabscheidung unter niedrigem Druck (LPCVD).
Über der ersten Isolationsschicht 90 wird unter Verwendung eines LPCVD-Verfahrens eine erste leitende Schicht 94 aus leitendem Material wie etwa Polysilizium oder ein ähnliches Material abgeschieden. Die erste leitende Schicht 94 kann eine Dicke zwischen 0,5 Mikrometer und ungefähr 3 Mikrometer aufweisen. Sobald die erste leitende Schicht 94 abgeschieden ist, wird die Schicht gemustert und geätzt, um den Mittenleiter, einen Bodenabschnitt der ersten leitenden Abschirmung und einen Bodenabschnitt der zweiten leitenden Abschirmung des abgeschirmten Leiters 87 auszubilden und festzulegen (Schritt 114).
Sobald der Mittenleiter und die Bodenabschnitte der ersten und zweiten leitenden Abschirmung ausgebildet sind, wird eine zweite Isolationsschicht 96 aus einem isolierenden Material wie etwa Phospho-Silicat-Glas (PSC) oder ein ähnliches Material unter Verwendung eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses mit Plasma-Unterstützung (PECVD) über der ersten leitenden Schicht 94 abgeschieden. Die zweite Isolationsschicht 96 wird gemustert und geätzt, um den Oberseitenabschnitt und die Seitenabschnitte des Mittenleiters zu umschließen, und um die Kanäle oder Gräben zwischen den Bodenabschnitten der ersten und zweiten abgeschirmten Leiter aufzufüllen (Schritt 116). Das Schichtmaterial der zweiten Isolationsschicht 96 kann eine Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 1 Mikrometer aufweisen.
Unter Verwendung eines LPCVD-Abscheidungsprozesses wird eine zweite leitende Schicht 98 aus leitendem Material, wie etwa Polysilizium oder ein ähnliches Material, über der zweiten Isolationsschicht 96 abgeschieden. Die Dicke der zweiten leitenden Schicht 98 ist zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 3 Mikrometer. Die zweite leitende Schicht 98 wird gemustert und geätzt, um den Oberseitenabschnitt des ersten abgeschirmten Leiters festzulegen und um einen Kanal oder Graben auf jeder Seite des Mittenleiters auszubilden, um die Seitenwandabschnitte des zweiten abgeschirmten Leiters festzulegen (Schritt 118).
Über der zweiten leitenden Schicht 98 wird unter Verwendung eines PECVD-Abscheidungsprozesses eine dritte Isolationsschicht 100 aus isolierendem Material wie etwa PSG oder ein ähnliches Material abgeschieden. Der PECVD-Abscheidungsprozess stellt eine dritte Isolationsschicht 100 mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 2 Mikrometer bereit. Die dritte Isolationsschicht 100 wird gemustert und geätzt, um die dielektrische Struktur auszubilden, welche den Oberseitenabschnitt und die Seitenabschnitte des ersten abgeschirmten Leiters umschließt, um den ersten abgeschirmten Leiter von dem zweiten abgeschirmten Leiter zu trennen (Schritt 120).
Über der dritten Isolationsschicht 100 wird unter Verwendung einer LPCVD-Abscheidungstechnik eine dritte leitende Schicht 102 aus leitendem Material aufgeschichtet, welche den Oberseitenabschnitt des äußeren abgeschirmten Leiters ausbildet. Die dritte leitende Schicht 102 kann aus einem leitenden Material hergestellt sein, wie etwa Polysilizium oder ein ähnliches Material. Die dritte leitende Schicht 102 kann eine Dicke zwischen ungefähr 0,5 Mikrometer und ungefähr 3 Mikrometer aufweisen. Die dritte leitende Schicht 102 wird gemustert und geätzt, um die Breite der Oberseite des zweiten abgeschirmten Leiters festzulegen (Schritt 122).
Der Fachmann wird erkennen, dass zusätzliche Prozess-Schritte zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Ausbilden eines abgeschirmten Leiters hinzugefügt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Abhängig von den Materialtypen, die ausgewählt werden, um die Isolationsschichten oder die dielektrischen Schichten auszubilden, kann beispielsweise ein Hochtemperatur-Backprozess nach der Abscheidung einer Isolationsschicht stattfinden. Insbesondere wenn ein Phospho-Silicat-Glas-Material verwendet wird um die Isolationsschicht auszubilden und Polysilizium das Material ist das verwendet wird, um eine leitende Schicht auszubilden, erzeugt das Hochtemperatur-Tempern einen zweifachen Vorteil. Erstens entfernt das Tempern die inhärente Spannung der Polysilizium-Schicht und zweitens dotiert dasselbe die Polysilizium-Schichten mit zusätzlichem Phosphor, um die Leitfähigkeit von jeglichem Polysilizium in Berührung mit dem PSG zu vergrößern.
Zusätzlich kann eine Schicht aus PSG mit einer Dicke von ungefähr 0,2 Mikrometer nach jeder abgeschiedenen Polysilizium-Schicht von mehr als einen Mikrometer abgeschieden werden. Daraufhin wird während jeden Fotolack-Arbeitsschritt das Muster, welches erzeugt wird, auf das PGS übertragen durch die Durchführung einer Oxidätzung. Im Ergebnis wirkt das Oxid während jeglicher Ätzung des darunter liegenden Polysiliziums als eine bessere schützende Schicht als der Fotolack, um das Polysilizium während der Ätzung zu schützen.
Der Fachmann wird erkennen, dass der abgeschirmte Leiter 87 auf eine Weise ausgebildet werden kann, ähnlich zu der Ausbildung des abgeschirmten Leiters 61. Auf diese Weise kann einer oder beide der abgeschirmten Leiter in dem abgeschirmten Leiter 87 ebenso einen Bodenabschnitt aufweisen, um eine durchgehende Abschirmung ohne irgendwelche Öffnungen auszubilden.
Der Fachmann wird würdigen, dass die Anwendungen der vorstehend beschriebenen abgeschirmten Leiter nicht allein auf MEMS beschränkt ist, welche als Druckkopf für eine bilderzeugende Einrichtung verwendet werden. Beispielsweise kann der abgeschirmte Leiter für eine MEMS-Vorrichtung zur Feststellung von gefährlichen Chemikalien und biologischen Stoffen, für die Manipulation von Licht, für die Verarbeitung und Herstellung von chemischen und biologischen Verbindungen und Materialien verwendet werden, wie etwa Mikrosysteme für die Reihenprüfung und Auswahl unter hohem Durchsatz für Medikamente.

Claims

Ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrischen Verbindung in einem mikrohergestellten elektromechanischen System (MEMS), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Abscheiden einer ersten Schicht aus leitendem Material auf einem Substrat (40); Mustern der ersten Schicht aus leitendem Material, um einen Mittenleiter (46) auszubilden; Abscheiden einer Schicht aus nichtleitendem Material (48) über der ersten gemusterten Schicht aus leitendem Material; Mustern der Schicht aus nichtleitendem Material (48); Abscheiden einer zweiten Schicht aus leitendem Material (50) über dem nichtleitenden Material, um eine äußere Abschirmung auszubilden; dadurch gekennzeichnet, dass das Mustern der Schicht aus nichtleitendem Material (48) das Ausbilden eines Kanals in Gebieten der nichtleitenden Schicht (48) entlang jeder Seite des Mittenleiters (46) umfasst, wobei der Kanal von dem Mittenleiter (46) durch Material der Schicht aus nichtleitendem Material getrennt ist, wobei die zweite Schicht aus leitendem Material (50) die Kanäle im Wesentlichen füllt, wodurch der Mittenleiter (46) auf drei Seiten abgeschirmt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt, eine erste Schicht aus nichtleitendem Material (42) auf dem Substrat vor dem Abscheiden der ersten Schicht aus leitendem Material abzuscheiden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, weiterhin umfassend den Schritt, einen seitlichen Spalt (44) zwischen der ersten Schicht aus nichtleitendem Material (42) und der zweiten Schicht aus leitendem Material (50) auszubilden, wobei der Spalt nur einen Abschnitt der ersten Schicht aus nichtleitendem Material (42) und einen Abschnitt der zweiten Schicht (50) aus leitendem Material freilegt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend die Schritte: Mustern der zweiten Schicht aus leitendem Material; Abscheiden einer zweiten Schicht aus nichtleitendem Material (100) über der gemusterten zweiten Schicht aus leitendem Material, um die gemusterte zweite Schicht aus leitendem Material zu umschließen; und Abscheiden einer dritten Schicht aus leitendem Material (102) über der zweiten Schicht aus nichtleitendem Material (100), um eine äußere Abschirmung auszubilden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Abscheidungsschritte ebenso die Schichten des MEMS ausbilden, wobei das MEMS in einem Druckkopf für ein bilderzeugendes System verwendet wird.
Eine mikrohergestellte elektromechanische System-Mikrostruktur (MEMS), welche eine elektrische Verbindung ausbildet, umfassend: eine gemusterte erste Schicht aus leitendem Material (46), welche auf einem Substrat (40) angeordnet ist, um einen Mittenleiter auszubilden; eine gemusterte erste Schicht aus dielektrischem Material (48), welche über der gemusterten ersten Schicht aus leitendem Material angeordnet ist, um den Mittenleiter zu umschließen; und eine zweite Schicht aus leitendem Material (50), welche über der ersten Schicht aus dielektrischem Material (48) angeordnet ist, um eine äußere Abschirmung auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass die gemusterte Schicht des nichtleitenden Materials (48) Kanäle umfasst, welche in Gebieten des nichtleitenden Materials (48) entlang jeder Seite des Mittenleiters (46) ausgebildet sind, wobei die Kanäle von dem Mittelleiter (46) durch Material der Schicht aus nichtleitendem Material getrennt sind, wobei die zweite Schicht aus leitendem Material (50) die Kanäle im Wesentlichen füllt, wodurch der Mittenleiter (46) auf drei Seiten abgeschirmt wird.