DE69934945T2

DE69934945T2 - Mikroelektromechanische Anordnung

Info

Publication number: DE69934945T2
Application number: DE69934945T
Authority: DE
Inventors: Hector J. Inglewood De Los Santos; Yu-Hua Oak Park Kao; Arturo L. Chino Hills Caigoy; Eric D. Redondo Beach Ditmars
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2019-08-13
Also published as: EP0986082A2; JP2000090802A; JP3443046B2; DE69934945D1; US6040611A; EP0986082A3; EP0986082B1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft mikroelektromechanische Vorrichtungen.
Allgemeiner Stand der Technik
US 5,619,061 offenbart eine mikromechanische Mikrowellenschaltungsvorrichtung. Die verwendeten Schalter in dieser Vorrichtung umfassen sowohl Ohmsche als auch kapazitive Verbindungen, elektrostatische und thermische Aktivierung, leitfähige dielektrische deformierbare Membrane, elektrische und mechanische Rückstellkräfte, feste und Trägerelementstromträger.
Bekannte mikroelektromechanische (MEM) Vorrichtungen basieren auf einem freitragenden Balken, wie in 1 gezeigt. Der Balken 10 wirkt als Platte eines Parallel-Platten-Kondensators. Eine Spannung, die Aktuations- bzw. Betätigungsspannung, die an den Balken 10 und eine Elektrode 12 auf dem Substrat 14 angelegt wird, übt eine Anziehungskraft auf den Balken 10 aus, die, wenn die Kraft groß genug ist, die Steifheit des Balkens 10 überwindet und den Balken 10 zum Biegen bringt, um eine zweite bzw. Zweit-Elektrode 16 zu kontaktieren und damit einen durchgehenden Pfad aufzubauen. Während die bekannte MEM-Vorrichtung als eine einfache Vorrichtung erscheint, haben aktuelle Implementierungen eine Anzahl von Nachteilen.
Beispielsweise neigen sie dazu, zwischen der Balkenspitze 18 und der Zweitelektrode 16 hängen zu bleiben, so dass, wenn sie als Ergebnis der Anlegung der Betätigungsspannung einmal geschlossen sind, eine Entfernung der Spannung nicht zu einem Öffnen der Vorrichtung führt. Dies kann auftreten, wenn die Haftreibungskräfte die Federrückstellkräfte übersteigen. Bei dieser Vorrichtung ist die Vorrichtungsöffnungsphase nicht elektrisch, sondern mechanisch gesteuert, d.h. es liegt an „Mutter Natur", verkörpert in den Rückstellkräften des Balkens 10, um die Öffnung zu bewirken.
Es gibt ebenfalls einen nachteiligen Kompromiss zwischen Betätigungsspannung und Isolierung im Aus-Zustand. Das heißt, um eine geringe Betätigungsspannung zu erhalten, sollte die Balken-zu-Substrattrennung klein sein, aber im Gegenzug führt eine geringe Balken-zu-Substrattrennung zu einer großen parasitären Kapazität im Aus-Zustand und damit zu einer geringen RF-Isolierung im Aus-Zustand.
Ferner steht die maximale Frequenz, mit der der Balken ausgelenkt und entspannt werden kann, d.h. ein-/ausgeschaltet werden kann, im Verhältnis zu seiner Geometrie und den Materialeigenschaften, insbesondere in seiner Länge, Dicke, zu einem Kompressionsmodul und der Dichte. Deshalb kann es bei einigen Anwendungen unmöglich werden, hohe Schaltfrequenzen bei praktischen Balkengeometrien und/oder Spannungen zu erreichen.
Eines der inneren Probleme der freitragenden Balkenvorrichtung besteht darin, dass der Zustandswechsel des Balkens von offen nach geschlossen das Ergebnis einer Instabilität ist. Im Wesentlichen deformiert sich der Balken graduell und vorhersehbar als Funktion der angelegten Betätigungsspannung bis zu einem Schwellenwert. Über diesem Schwellenwert tritt eine Instabilität auf, wodurch die Kontrolle verloren wird, und der Balken schlägt auf die Bodenelektrode auf. Eine Anzahl von ungewünschten Bedingungen ergibt sich daraus, wie bspw. Anhaftung, d.h. der Schalter bleibt geschlossen selbst nach Entfernen der Betätigungsspannung, sowie Kontaktverschlechterung, die die nutzbare Lebensdauer der Vorrichtung negativ beeinflussen wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist deshalb eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mikroelektromechanische (MEM) Vorrichtung vorzusehen, die nur eine geringe Betätigungsspannung benötigt, um ein Schalten zu bewirken.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine MEM-Vorrichtung vorzusehen, die eine hohe Aus-Isolierung zeigt.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine MEM-Vorrichtung vorzusehen, bei der die Schaltaktion unabhängig ist von der Steifheit des Balkens.
Noch weiter ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine MEM-Vorrichtung vorzusehen, bei der die Haftreibung bzw. Anhaftung wesentlich reduziert ist.
Bei der Ausführung der vorliegenden Aufgaben und anderer Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, wird eine MEM-Vorrichtung bereitgestellt, um eine kleine Betätigungsspannung, eine geringe Einfügungsdämpfung (insertion loss), eine hohe Isolierung und eine hohe Schaltfrequenz zu erreichen, die nicht durch Anhaftung bzw. Haftreibung begrenzt sind. Die MEM-Vorrichtung umfasst ein Substrat, mit einer darauf positionierten ersten Verbindungsleitung, die durch einen ersten Spalt mit einer ersten Spaltbreite geteilt bzw. getrennt ist, und einer zweiten Verbindungsleitung, die durch einen zweiten Spalt mit einer zweiten Spaltbreite geteilt bzw. getrennt ist und parallel zu der ersten Verbindungsleitung ist.
Das Substrat umfasst eine erste und eine zweite Hauptsteuerungselektrode, wobei eine der ersten und der zweiten Hauptsteuerungselektrode auf einer Seite von der ersten oder der zweiten Verbindungsleitung positioniert ist und wobei die andere der ersten und der zweiten Hauptsteuerungselektrode auf der anderen Seite der anderen der beiden Verbindungsleitungen positioniert ist. Die MEM-Vorrichtung umfasst ferner einen flexiblen freitragenden Balken mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche und einer Balkenbreite, die etwas größer ist als die erste und die zweite Spaltbreite an einem ersten und einem zweiten Abschnitt entsprechend der ersten und der zweiten Verbindungsleitung. Ein flexibler Anker ist an der unteren Fläche des Balkens in der Mitte des Balkens angebracht und an einer Mitte des Substrats befestigt, um den Balken orthogonal zu der ersten und der zweiten Verbindungsleitung zu positionieren. Erste und zweite Sekundärsteuerungselektroden sind an der unteren Fläche des Balkens angebracht und gegenüber der ersten und der zweiten Hauptsteuerungselektroden positioniert. Erste und zweite Kontaktanschlussflächen sind an der unteren Fläche des Balkens angebracht und gegenüber der ersten und der zweiten Verbindungsleitung positioniert, wobei, wenn eine Spannung an die erste oder die zweite Hauptsteuerungselektrode und die entsprechende erste oder zweite Sekundärsteuerungselektrode angelegt wird, der Balken in Richtung der ersten oder zweiten Hauptsteuerungselektrode bewegt werden wird und damit die erste oder zweite Kontaktanschlussfläche zur Überlappung des entsprechenden ersten oder zweiten Spalts bringt, um einen elektrischen Kontakt zwischen der entsprechenden der ersten oder zweiten Verbindungsleitung herzustellen.
Die vorherigen Aufgaben und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung des besten Modus zur Ausführung der Erfindung, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht einer bekannten mikroelektromechanischen (MEM) Vorrichtung;
2 ist eine Seitenansicht einer MEM-Vorrichtung, die entsprechend der Lehren der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist; und
3 ist eine Draufsicht der MEM-Vorrichtung, die in 2 gezeigt ist;
4 ist eine Seitenansicht einer alternativen MEM-Vorrichtung, die entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist;
5 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, nach dem Schritt des Aufbringens der TiW-Au-Schichten auf das Substrat entsprechend einem ersten alternativen Prozess;
6 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung, die in 5 gezeigt ist, nach dem Schritt des Ätzens der Kontaktflächen und der Übertragungsleitungen auf dem Substrat;
7 ist eine Draufsicht der Vorrichtung, die in 6 gezeigt ist;
8 ist eine Seitenansicht der in 6 gezeigten Vorrichtung, nach dem Schritt der Ausbildung des Scharniers;
9 ist eine Seitenansicht der in 8 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Aufschleuderns einer dicken Schicht eines positiven Fotolacks auf das Substrat und das Entwickeln einer Öffnung oben auf dem Scharnier und in dem benachbarten Gebiet;
10 ist eine Draufsicht der in 9 gezeigten Vorrichtung;
11 ist eine Seitenansicht der in 9 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Auftragens einer zweiten Schicht von TiW-Au auf die Vorrichtung;
12 ist eine Seitenansicht der in 11 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Aufschleuderns und Entwickelns eines positiven Fotolackmusters und des Ätzens der TiW-Au-Schicht, um den Balken und die Masseanschlussfläche auszubilden;
13 ist eine Draufsicht der Vorrichtung, die in 12 gezeigt ist;
14 ist eine Seitenansicht der in 12 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Auflösens der positiven Fotolackschichten;
15 ist eine Draufsicht der Vorrichtung, die in 14 gezeigt ist;
16 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung nach dem Schritt des Auftragens einer dielektrischen Schicht auf das Substrat entsprechend einem zweiten alternativen Prozess;
17 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung nach dem Schritt des Auflösens bzw. Ablösens der positiven Fotolackschichten;
18 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung nach dem Schritt des Auftragens der TiW-Au- und TiW-Si₃N₄-Schichten auf das Substrat entsprechend einem dritten alternativen Prozess;
19 ist eine Seitenansicht der in 18 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Aufschleuderns und Entwickelns eines positiven Fotolackmusters und des Ätzens der TiW-Au- und TiW-Si₃N₄-Schichten, um den Balken und die Masseanschlussfläche auszubilden;
20 ist eine Draufsicht der in 18 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Ätzens der TiW-Si₃N₄-Schicht, um die Au-Masseanschlussfläche freizulegen;
21 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung, die in 19 gezeigt ist, nach dem Schritt des Auflösens des Fotolacks mit Azeton;
22 ist eine Draufsicht der Vorrichtung, die in 21 gezeigt ist;
23 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung nach dem Schritt des Auftragens einer TiW-Si₃N₄-Schicht und einer separaten TiW-Schicht entsprechend einem vierten alternativen Prozess;
24 ist eine Seitenansicht der in 3 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Ätzens des TiW-Maskenmusters mit Löchern;
25 ist eine Draufsicht der Vorrichtung, die in 24 gezeigt ist;
26 ist eine Seitenansicht der in 24 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Ätzens der TiW-Si₃N₄-Schicht, um den Balken und die Masseanschlussfläche auszubilden und die TiW-Maske zu entfernen;
27 ist eine Draufsicht der in 26 gezeigten Vorrichtung;
28 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung, die in 26 gezeigt ist, nach dem Schritt des Auftragens der TiW-Au-Schicht;
29 ist eine Seitenansicht der in 28 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Ätzens der TiW-Au-Schicht, um die Balkenelektrode und die Masseanschlussfläche auszubilden;
30 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung, die in 29 gezeigt ist, nach dem Schritt des Auflösens des positiven Fotolacks;
31 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nach dem Schritt des Auftragens einer TiW-Au- und einer TiW-Schicht und des Ätzens der oberen TiW-Schicht, um eine Maske auszubilden, entsprechend einem fünften alternativen Prozess;
32 ist eine Draufsicht der Vorrichtung, die in 31 gezeigt ist;
33 ist eine Seitenansicht der in 31 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Ätzens der TiW-Au-Schicht und des Entfernens der TiW-Maske;
34 ist eine Draufsicht der Vorrichtung, die in 33 gezeigt ist;
35 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung, die in 33 gezeigt ist, nach dem Schritt des Auftragens einer TiW-Si₃N₄-Schicht;
36 ist eine Seitenansicht der in 35 gezeigten Vorrichtung nach dem die TiW-Au- und TiW-Si₃N₄-Schichten geätzt wurden, um den Balken und die Masse auszubilden; und
37 ist eine Seitenansicht der in 36 gezeigten Vorrichtung nach dem Schritt des Auflösens des Fotolacks in Azeton.
Beste Modi zur Ausführung der Erfindung
Wendet man sich nun den 2 und 3 zu, ist dort eine Seitenansicht und eine Draufsicht der MEM-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung jeweils dargestellt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet ist. Die MEM-Vorrichtung 20 umfasst ein Substrat 22. Auf dem Substrat 22 ist eine erste und eine zweite Verbindungsleitung 24a, 24b positioniert, die parallel zueinander liegen. Verbindungsleitungen 24a, 24b sind durch einen Spalt 26a bzw. 26b getrennt. Verbindungsleitungen 24a, 24b sind durchgehend, wenn die Spalte 26a bzw. 26b überbrückt werden.
Über dem Substrat 22 positioniert, um die Verbindungsleitungen 24a, 24b zu überbrücken, ist ein flexibler freitragender Balken 28, der orthogonal zu den Verbindungsleitungen 24a, 24b positioniert ist und eine Breite besitzt, die zumindest so groß ist wie die Breiten der Spalte 26a, 26b an den Spalten 26a, 26b. Auf der unteren Fläche des Balkens 28 ist eine erste und eine zweite Kontaktanschlussfläche 30a, 30b vorgesehen, um die Verbindungsleitungen 24a bzw. 24b zu überbrücken.
Dies wird erreicht durch ein Schwenken des Balkens 28 an seiner Mitte über einen flexiblen Anker 32. Der flexible Anker 32 kann aus einem Metallmaterial, einem keramikähnlichen dielektrischen Material oder einem Polyamidmaterial hergestellt sein. Ferner kann der flexible Anker 32 ein Verbundanker sein, wobei eine Basis 34 des Ankers 32 aus einem Material mit einem großen E-Modul gefertigt ist, während ein Pfosten 36 des Ankers 32 aus einem Material mit einem kleinen E-Modul hergestellt ist, oder umgekehrt, so dass extrem kleine Betätigungsspannungen möglich werden.
Um die Anschluss- bzw. Kontaktflächen 30a, 30b in Richtung der Verbindungsleitungen 24a bzw. 24b zu bewegen, sind Hauptsteuerungselektroden 38a, 38b oben auf dem Substrat 22 positioniert, während entsprechende entgegengesetzte Sekundärsteuerungselektroden 40a, 40b an der unteren Fläche des Balkens 28 positioniert sind. Sekundärsteuerungselektroden 40a, 40b können eher eine durchgehende Elektrode, wie in 2 gezeigt, sein als zwei getrennte Elektroden. Die Hauptsteuerungselektroden 38a, 38b können positive Elektroden sein, während die Sekundärsteuerungselektroden 40a, 40b negative Elektroden sein können, oder umgekehrt.
Die Hauptsteuerungselektroden 38a, 38b können ebenfalls außerhalb der Verbindungsleitungen 24a, 24b positioniert sein, wie in 4 gezeigt. In diesem Fall sind die Sekundärsteuerungselektroden 40a, 40b außerhalb der Kontaktanschlussfläche bzw. Kontaktflächen 30a, 30b positioniert, und die Verbindungsleitungen 24a, 24b erfordern eine Höhe, die größer ist als die der Hauptsteuerungselektroden 38a, 38b.
Wenn somit ein passender Spannungspegel an die Hauptsteuerungselektrode 38a und die Sekundärsteuerungselektrode 40a angelegt wird, während eine geringere Spannung oder keine Spannung an die Hauptsteuerungselektrode 38b und die Sekundärsteuerungselektrode 40b angelegt wird, wird der Balken 28 den Spalt 26a in der Verbindungsleitung 24a überbrücken, während der Spalt 26b in der Verbindungsleitung 24b offen bleibt, oder umgekehrt.
Durch ein geeignetes Schwenkdesign bzw. Gelenkdesign und eine passende Taktung der Größen der Hauptsteuerungselektroden 38a, 38b kann die Schaltaktionsrate gesteuert werden. Ebenfalls kann die Geschwindigkeit des Kontakts zwischen den Verbindungsleitungen 24a, 24b und den Kontaktanschlussflächen 30a, 30b gesteuert werden, um somit die Kontaktlebensdauer zu verlängern. Wenn die Verbindungsleitung 24a geschlossen ist, ist ferner die Balken-zu-Substrattrennung auf der Verbindungsleitung 24b größer, als dies bei bekannten freitragenden Balkenvorrichtungen erreicht werden konnte, was zu höheren Isolationseigenschaften im Aus-Zustand führt.
Da die Position des Balkens durch Anlegen von Betätigungsspannungen auf einer Seite des Ankers 32 gesteuert wird, wird die Schaltfrequenz durch diese Spannungen gesteuert. Somit kann die Schaltfrequenz, die unabhängig von der Steifheit des freitragenden Balkens ist, wesentlich erhöht werden. Ein solches Merkmal hat eine enorme Auswirkung auf die Möglichkeiten von Satellitenkommunikationssystemen, insbesondere jene, die Architekturen beinhalten, die Schaltmatrizen und phasengesteuerte Antennen umfassen, da geringe Einschwingverluste, eine hohe Isolation und eine hohe Schaltfrequenz erreicht wird.
Es sei nun auf die 5-37 Bezug genommen. Dort sind fünf Beispiels von Verfahrens- bzw. Prozessschritten gezeigt, die verwendet werden könnten, um typische Ausführungsformen der MEM-Vorrichtung 20 herzustellen, die den Ansprüchen entsprechen, die in der vorliegenden Erfindung ausgeführt sind. Die Seitenansichten der fünf alternativen MEM-Vorrichtungen sind in den 14, 17, 21, 30 und 37 gezeigt. Die Materialien, Dicken und Verarbeitungsschritte sind nur vorgeschlagene Werte und Techniken, um zu diesen fünf Ausführungsformen zu gelangen.
Einem ersten Prozess, der in den 5 bis 14 dargestellt ist, wird eine dünne Schicht 54 aus TiW-Au auf der Schaltungsseite 50 des Substrats 22 der MEM-Vorrichtung 20 abgelagert, wie in 5 gezeigt. TiW ist eine typische Haftschicht zwischen Substraten, wie bspw. Al₂O₃ und Au (d.h. Gold). Die TiW-Au-Schicht kann etwa 250 Å – 1 μm dick sein, und das Substrat 22 kann 5, 10, 15 oder 25 mil dickes poliertes Al₂O₃ sein. Dieser Schritt kann auf einem von verschiedenen Wegen ausgeführt werden, wie bspw. Sputtering und/oder Elektroplattierung. Als nächstes wird unter Verwendung der zuvor beschriebenen Techniken eine zweite Schicht 56 von TiW-Au auf der unteren bzw. Boden- oder Masseseite 52 des Substrats 22 mit einer Dicke abgelagert, die durch die Frequenz der Anwendung bestimmt ist, typischerweise einige wenige hundert Mikroinches von Au.
Ein positiver Fotolack wird auf das Substrat 22 aufgeschleudert, gefolgt durch eine Ausrichtung einer Maske und Aussetzen des Fotolacks einem ultravioletten Licht, um ein Fotolackmuster zu entwickeln. Die TiW-Au-Schicht 54 wird geätzt, um die Kontaktanschlussflächen bzw. Kontaktflächen 38 und die Verbindungsleitungen 24 auszubilden, wie in den 6 und 7 gezeigt. Wenn die Verbindungsleitungen 24 zwischen den Kontaktflächen 38 platziert werden, wie in 4 gezeigt, müssen die Verbindungsleitungen 24 dicker gemacht sein als die Kontaktflächen 38. Der positive Fotolack wird schließlich mit Azeton entfernt.
Der flexible Anker 32 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, die zuvor erwähnt wurden. Aus Vereinfachungsgründen kann jedoch eine dicke Schicht aus Polyamid auf das Substrat 22 aufgeschleudert werden, wie in 8 gezeigt, um den Pfosten 36 auszubilden. Die Pfostenhöhe hängt von der gewünschten Betätigungsspannung ab und liegt üblicherweise im Bereich von Mikrometern. Eine Maske wird dann ausgerichtet und ultraviolettem Licht ausgesetzt, um den Pfosten 36 zu entwickeln.
Eine dicke Schicht 58 eines positiven Fotolacks wird auf das Substrat 22 aufgeschleudert, wie in 9 gezeigt. Eine Maske wird ausgerichtet und ultraviolettem Licht ausgesetzt, um eine Öffnung oben auf dem Pfosten 36 und einem benachbarten Gebiet zu entwickeln, um die Masseanschlussfläche auszubilden, wie in 10 gezeigt. Eine zweite Schicht 60 aus TiW-Au wird als nächstes aufgetragen, wie in 11 gezeigt. Diese Schicht 60 ist das Balkenmaterial und wird in einer gewünschten Dicke abgelagert, indem Aufschleudern oder Elektroplattieren verwendet wird, oder jede andere vergleichbare Technik.
Wie in 12 gezeigt, wird dann eine dünne Schicht 62 aus einem positiven Fotolack auf die Vorrichtung aufgeschleudert. Eine Maske wird ausgerichtet und ultraviolettem Licht ausgesetzt, um das Fotolackmuster zu entwickeln. Die TiW-Au-Schicht 60 wird geätzt, um den Balken und die benachbarte Masseanschlussfläche auszubilden, wie in den 12 und 13 gezeigt. Schließlich wird der Balken freigegeben, indem die positive Fotolackschicht 58 mit Azeton aufgelöst wird, wie in 14 und 15 gezeigt.
Bei einem zweiten alternativen Prozess, der in den 16-17 gezeigt ist, ist eine dielektrische Schicht eingebracht, um die Möglichkeit zu reduzieren, dass der Balken bei Anlegen einer Spannung anhaftet. Bei dieser Ausführungsform kann eine dünne dielektrische Schicht 64 auf die TiW-Au-Schicht 54 auf der Schaltungsseite 50 des Substrats 22 aufgebracht werden, wie in 16 gezeigt. Vorzugsweise ist die dielektrische Schicht 64 so dünn wie möglich, weniger als etwa 0,5 μm, und kann bspw. SiO₂ sein. Der Rest der Schritte sind die gleichen wie beim ersten Prozess. Die Endstruktur des zweiten alternativen Prozesses ist in 17 gezeigt in einer Seitenansicht und ist gleich wie in 14 in einer Draufsicht.
Es wird nun auf die 18-22 Bezug genommen. Dort ist eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gezeigt, die gemäß einem dritten alternativen Prozess hergestellt ist. Bei diesem Prozess ist das Balkenmaterial ein dickes Dielektrikum mit einer dünnen leitfähigen oder Au-Unterschicht, um ein Mittel zum Anlegen einer Spannung bereitzustellen. Das heißt, es wird nicht nur eine TiW-Au-Schicht 60 auf das Substrat 22, wie in 11 gezeigt aufgebracht, sondern es werden zwei Schichten aufgebracht; eine TiW-Au-Schicht 66 und eine dicke TiW-Si₃N₄-Schicht 68, die etwa 250 Å – 1 μm bzw. 250 Å – einige wenige μm sein können. Ein Muster eines positiven Fotolacks 70 wird dann oben auf dem Substrat entwickelt und sowohl die TiW-Si₃N₄-Schicht 68 als auch die TiW-Au-Schicht 66 werden geätzt, um den Balken und die Masse- bzw. Boden-Anschlussfläche auszubilden, wie in 19 gezeigt.
Ein zweites Fotolackmuster wird entwickelt, um es zu ermöglichen, dass nur die TiW-Si₃N₄-Schicht 68 auf der Au-Masseanschlussfläche geätzt wird, wie in 20 gezeigt. Der letzte Schritt, das Freigeben des Balkens durch Auflösen des Fotolacks mit Azeton, ist der gleiche wie bei den vorherigen Prozessen. Die Endstruktur dieses dritten alternativen Prozesses ist in den 21 und 22 gezeigt. Zusätzlich kann die Au-Unterschicht 66 leicht getrennt werden in eine erste und eine zweite Kontaktanschlussfläche 30a und 30b und in Sekundärsteuerungselektroden 40a und 40b. Dies wird mit einem zusätzlichen Schritt des Ätzens der TiW-Au-Unterschicht gleich nach dem Auftragen aber vor dem Auftragen des TiW-Si₃N₄ erreicht, wie in dem fünften alternativen Prozess beispielhaft ausgeführt.
Es sei nun auf die 23-30 Bezug genommen. Dort ist eine Seitenansicht und eine Draufsicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gezeigt, die entsprechend einem vierten alternativen Prozess hergestellt wird. Bei diesem Prozess ist das Balkenmaterial ebenfalls ein dickes Dielektrikum allerdings mit einer dünnen Au-Oberschicht 74, um ein Mittel zum Anlegen einer Spannung bereitzustellen. Die Anfangsschritte sind die gleichen wie beim ersten Prozess bis zu dem Punkt, wo die dicke Schicht 58 eines Fotolacks auf das Substrat 22 aufgeschleudert wird und die Öffnungen oben auf dem Pfosten 36 und in dem benachbarten Gebiet entwickelt werden. Als nächstes werden zwei getrennte Schichten abgelagert, eine TiW-Si₃N₄-Schicht 72 und eine azetonresistente Schicht, wie bspw. TiW 74, wie in 23 gezeigt. Die TiW-Si₃N₄-Schicht 72 kann 250 Å – wenige μm dick sein, während die TiW-Schicht 74 etwas weniger als ein 1 μm sein kann. Indem ein positiver Fotolack benutzt wird, wird ein Balkenmuster mit Löchern in die obere TiW-Schicht 74 geätzt, wie in 24 und 25 gezeigt. Die obere Fotolackschicht wird mit Azeton entfernt.
Indem die TiW-Schicht 74 als Maske verwendet wird, wird die TiW-Si₃N₄-Schicht 72 geätzt, um den Balken auszubilden, wie in 26 und 27 gezeigt. Die TiW-Maske 74 wird dann weggeätzt, und eine andere TiW-Au-Schicht 76 wird aufgebracht, wie in 28 gezeigt. Indem ein Balkenmuster aus positiven Fotolack 76 verwendet wird, wird die TiW-Au-Schicht 76 dann geätzt, um den Balken und die Au-Masseanschlussfläche auszubilden, wie in 29 gezeigt. Schließlich wird der Balken durch Auflösen des Fotolacks 58 mit Azeton freigegeben, wie in Verbindung mit dem ersten Prozess beschrieben. Die Endstruktur des vierten alternativen Prozesses ist in 30 gezeigt und ist gleich wie 14 in einer Draufsicht.
Es wird nun auf die 31-37 Bezug genommen. Dort ist eine Seitenansicht und eine Draufsicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gezeigt, die entsprechend einem fünften alternativen Prozess hergestellt ist. Bei diesem Prozess ist das Balkenmaterial ein dickes Dielektrikum mit einer dünnen Au-Schicht, die innerhalb des Balkens eingebettet ist, um ein Mittel zum Anlegen einer Spannung bereitzustellen. Die auszuführenden Anfangsschritte sind die gleichen wie jene, die im vierten alternativen Prozess ausgeführt werden, bis zu dem Schritt des Ablagern der TiW-Au-Schicht 76, wie in 28 gezeigt. Als nächstes wird eine Maske, wie bspw. eine TiW-Schicht 77, aufgebracht, Löcher geätzt und eine Fotolackschicht entfernt, wie in 31 und 32 gezeigt. Diese TiW-Schicht 77 wird eingesetzt als eine Maske für nachfolgendes Ätzen der TiW-Au-Schicht 76 an der unteren Seite, wie in 33 und 34 gezeigt. Die TiW-Schicht 77 wird dann weggeätzt, um eine Trennung der TiW-Au-Schicht 76 in erste und zweite Kontaktanschlussflächen 30a und 30b und Sekundärsteuerungselektroden 40a und 40b zu ermöglichen.
Hier wird eine TiW-Si₃N₄-Schicht 80 aufgebracht, wie in 35 gezeigt. Ein Fotolackmuster 82 wird entwickelt und die TiW-Au-Schicht 76 und die TiW-SisN₄- Schicht 80 werden geätzt, um den Balken und die Masseanschlussfläche auszubilden, wie in 36 gezeigt. Wie bei dem dritten alternativen Prozess wird ein Fotolackmuster entwickelt, um zu ermöglichen, dass nur die TiW-Si₃N₄-Schicht 80 oben auf der Au-Masseanschlussfläche weggeätzt wird, wie in 20 gezeigt. Wie bei allen vorherigen Prozessen wird der Balken durch Auflösen des Fotolacks 58 mit Azeton freigegeben. Diese Endstruktur des fünften alternativen Prozesses ist in 37 gezeigt und ist gleich wie 22 in einer Draufsicht. Die in 37 gezeigte Vorrichtung ist gleich zu der Vorrichtung, die in 30 gezeigt ist, aber strukturell stärker.
Während die besten Modi zur Ausführung der Erfindung im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung möglich sind, wie sie durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Mikroelektromechanische (MEM) Vorrichtung (20) mit: einem Substrat (22) mit: einer ersten darauf positionierten Verbindungsleitung (24a), die durch einen ersten Spalt (26a) mit einer ersten Spaltbreite geteilt ist; einer zweiten darauf positionierten Verbindungsleitung (24b), die durch einen zweiten Spalt (26b) mit einer zweiten Spaltbreite geteilt ist, wobei die zweite Verbindungsleitung (24b) parallel zu der ersten Verbindungsleitung (24a) ist; und einer ersten und einer zweiten Hauptsteuerungselektrode (38a, 38b), wobei eine der ersten und der zweiten Hauptsteuerungselektrode (38a, 38b) auf einer Seite der ersten oder der zweiten Verbindungsleitung (24a, 24b) positioniert ist und wobei die andere Hauptsteuerungselektrode (38a, 38b) auf der anderen Seite der anderen ersten oder zweiten Verbindungsleitung (24a, 24b) positioniert ist; und einem flexiblen freitragenden Balken (28) mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche und einer Balkenbreite, die etwas größer ist als die erste und die zweite Spaltbreite (26a, 26b) an einem ersten und einem zweiten Abschnitt entsprechend der ersten und der zweiten Verbindungsleitung (24a, 24b), dadurch gekennzeichnet, dass der flexible freitragende Balken (28) aufweist: einen flexiblen Anker (32), der an der unteren Fläche des Balkens (28) in der Mitte des Balkens (28) befestigt ist und an einer Mitte des Substrats (22) angebracht ist, um den Balken (28) orthogonal zu der ersten und der zweiten Verbindungsleitung (24a, 24b) zu positionieren; eine erste und eine zweite Sekundärsteuerungselektrode (40a, 40b), die an der unteren Fläche des Balkens (28) befestigt sind und gegenüberliegend der ersten und der zweiten Hauptsteuerungselektrode (38a, 38b) positioniert sind; und eine erste und eine zweite Kontaktanschlussfläche (30a, 30b), die an der unteren Fläche des Balkens (28) befestigt sind und gegenüberliegend der ersten und der zweiten Verbindungsleitung (24a, 24b) positioniert sind; wobei, wenn eine Spannung an die erste oder die zweite Hauptsteuerungselektrode (38a, 38b) und die entsprechende erste oder zweite Sekundärsteuerungselektrode (40a, 40b) angelegt wird, der Balken (28) in Richtung der ersten oder der zweiten Hauptsteuerungselektrode (30a, 30b) sich bewegen wird und die erste oder die zweite Kontaktanschlussfläche den entsprechenden ersten oder zweiten Spalt (26a, 26b) überlappen lässt, um eine elektrische Verbindung zwischen der entsprechenden ersten oder zweiten Verbindungsleitung (24a, 24b) herzustellen.
MEM-Vorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Hauptsteuerungselektrode (38a, 38b) positiv sind und die erste und die zweite Sekundärsteuerungselektrode (40a, 40b) negativ sind.
MEM-Vorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Hauptsteuerungselektrode (38a, 38b) negativ sind und die erste und die zweite Sekundärsteuerungselektrode (40a, 40b) positiv sind.
MEM-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Hauptsteuerungselektrode (38a, 38b) zwischen der ersten und der zweiten Verbindungsleitung (24a, 24b) positioniert sind.
MEM-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Hauptsteuerungselektrode (38a, 38b) außerhalb von der ersten und der zweiten Verbindungsleitung (24a, 24b) positioniert sind.
MEM-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Anker (32) aus einem metallenen Material hergestellt ist.
MEM-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Anker (32) aus einem keramischen dielektrischen Material hergestellt ist.
MEM-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Anker (32) aus einem Polyamidmaterial hergestellt ist.
MEM-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Anker (32) ein Verbundpfosten mit einem ersten Teil (34) und einem zweiten Teil (36) ist, wobei der erste Teil (34) des Verbundpfostens einen ersten Elastizitätsmodul hat und der zweite Teil (36) des Verbundpfostens einen zweiten Elastizitätsmodul hat.
MEM-Vorrichtung (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elastizitätsmodul größer ist als der zweite Elastizitätsmodul.
MEM-Vorrichtung (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elastizitätsmodul kleiner ist als der zweite Elastizitätsmodul.
MEM-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine dielektrische Schicht (64), die auf einer oberen Fläche jeder ersten und zweiten Verbindungsleitung (24a, 24b) und der ersten und der zweiten Kontaktanschlussfläche (30a, 30b) positioniert ist, um die Gefahr des Anhaftens beim Anlegen der Spannung zu reduzieren.
MEM-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Fläche des freitragenden Balkens (28) eine dielektrische Schicht (68) aufweist, und die untere Fläche eine leitfähige Schicht (66) aufweist, wobei die dielektrische Schicht (68) dicker ist als die leitfähige Schicht (66).
MEM-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Fläche des freitragenden Balkens (28) eine leitende Schicht (30a, 30b) aufweist, und ein Abschnitt der unteren Fläche eine dielektrische Schicht (40a, 40b) aufweist, wobei die leitende Schicht (30a, 30b) die erste und die zweite Kontaktanschlussfläche (30a, 30b) bildet und die dielektrische Schicht (40a, 40b) die erste und die zweite Sekundärsteuerungselektrode (40a, 40b) bildet.
MEM-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der freitragende Balken (28) eine dielektrische Schicht (80) mit einer darin eingebetteten leitenden Schicht (76) aufweist, wobei die dielektrische Schicht (80) die erste und die zweite Sekundärsteuerungselektrode (40a, 40b) bildet und die leitende Schicht (76) die erste und die zweite Kontaktanschlussfläche (30a, 30b) bildet.