EP1151446B1 - Mikroschaltkontakt - Google Patents

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EP1151446B1
EP1151446B1 EP00902631A EP00902631A EP1151446B1 EP 1151446 B1 EP1151446 B1 EP 1151446B1 EP 00902631 A EP00902631 A EP 00902631A EP 00902631 A EP00902631 A EP 00902631A EP 1151446 B1 EP1151446 B1 EP 1151446B1
Authority
EP
European Patent Office
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contact
microswitching
base plate
bending beam
contact according
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00902631A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1151446A1 (de
Inventor
Mario Adamschik
Erhard Kohn
Stefan Ertl
Philipp Schmid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GFD Gesellschaft fuer Diamantprodukte mbH
Original Assignee
GFD Gesellschaft fuer Diamantprodukte mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GFD Gesellschaft fuer Diamantprodukte mbH filed Critical GFD Gesellschaft fuer Diamantprodukte mbH
Publication of EP1151446A1 publication Critical patent/EP1151446A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1151446B1 publication Critical patent/EP1151446B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/021—Composite material
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    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0052—Special contact materials used for MEMS
    • H01H2001/0057—Special contact materials used for MEMS the contact materials containing refractory materials, e.g. tungsten
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/005—Details of electromagnetic relays using micromechanics
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics

Definitions

  • the present invention relates to a mechanical closing electrical micro switch contact.
  • Such switch contacts are everywhere there needed where large electrical currents are confined Room should be switched, for example in Sensors, actuators and high-performance / high-temperature applications, such as in power electronics, Automotive electronics or in chemically aggressive Environments.
  • a micro switch contact according to the generic term of claim 1 is e.g. known from US-A-4954170.
  • Micromechanical switches are compared to conventional ones Relays fast, shock resistant and need very little control power with electrostatic Drive and also usually have negligible Control leakage currents. Miniaturization also allows implementation in microwave circuits, where high power pulse operation is required is.
  • Micro switches and micro relays can be used on the electrostatic (capacitive), magnetic or inductive principle or based on temperature change be switchable.
  • Microswitches are generally based on silicon or metal or ceramic micromechanical concepts. This is usually coated with silicon dioxide Silicon as an electrically insulating substrate, while the contacts from different Multi-layer material systems exist. For the production is therefore a complex material system and a correspondingly complex procedure is required.
  • the currents to be switched are metallic or silicon-based microswitches, there at high current densities due to the heat loss of the switch often very high temperatures arise that no longer with these materials are manageable.
  • hybrid structures exist or ceramic switches. With these, however the respective material thickness, for example one Bending beam, limited at the bottom.
  • the object of the present invention is therefore a mechanically closing, electrical micro switch contact to provide the chemically is inert, long life, high impact resistance, high switching dynamics, minimal material complexity has, which is suitable for microwave, at very high temperatures and a can switch high current density.
  • the micro switch contact according to the invention has two electrically conductive contact elements which, in the closed state, touch in the region of two electrically conductive contact surfaces. At least one of the two contact surfaces consists of highly doped, conductive and therefore quasi-metallic diamond, silicon carbide (SiC), galium nitride (GaN), boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN) and / or aluminum gallium nitride (AlGaN). Diamond in particular is characterized by a high debye temperature and is therefore elastic up to high temperatures and has a high temperature conductivity. Furthermore, these materials have the property that their electrical properties can be changed by doping between insulating, semiconducting and quasi-metallic.
  • Diamond also has high wear resistance and mechanical stability, which leads to a long service life of the switch contact.
  • the microswitch according to the invention can be used at very high temperatures, for example up to 800 ° C., and switch a high current density (with high power loss), for example of 1 ⁇ 10 6 A / cm 2 at an operating temperature of ⁇ 600 ° C. These properties are made possible by a single base material. Because there is no plastic deformation, even at high temperatures in diamond, there is no change in the threshold voltage at temperatures themselves T> 600 ° C to be expected.
  • micro switch contact according to the invention possible very small freestanding To produce layer structures, for example bending beams with a thickness between usually 0.5 to 10 ⁇ m. This reduces the inertia of the moving elements and thus increases the switching dynamics.
  • layer thicknesses with high bending stiffness and Breaking strength are with ceramic and hybrid construction currently not feasible.
  • one or preferably both Contact surfaces of the contact elements made of diamond, SiC, AlN, BN, GaN and / or AlGaN exist.
  • at least one of the two contact surfaces partly made of metal (Al, Au, Cu, Ni), a carbide-forming Metal and / or a high temperature stable Metallization exist.
  • the high temperature stable Metallization can contain W: Si and / or Ta: Si.
  • One of the two contact surfaces is advantageously each on a base plate and / or a bending beam arranged.
  • the bending beam is preferred cantilevered over one arranged at one of its ends Anchor or other mechanical connection fixed.
  • Both the base plate and the anchor or the bending beam can be from one of the above mentioned materials diamond, SiC, GaN, AlN, BN and / or AlGaN exist.
  • BN for all layers and elements of the invention
  • Micro switch contact cubic boron nitride used as BN for all layers and elements of the invention.
  • the bending beam Due to the electrostatic, inductive, hydraulic, pneumatic, mechanical and / or thermomechanical principle in the direction the bottom plate are moved so that the touch opposite contact elements and create an electrical contact.
  • the Currents to the two contact elements can be via respective External contacts, for example on the first Contact element or on the bending beam as metallization are applied, are supplied.
  • control electrode can be attached via by means of the electrostatic principle of the bending beams be moved in the direction of the base plate can. Also on this control electrode are on the side outside the area covered by the bending beam Metallizations as external contacts to put on arranged the control voltage.
  • the contacting of the contact elements and the control electrode can also use the so-called via-hole technique take place at the corresponding holes in the Bottom plate are etched on the back, so that on the back the corresponding components to be contacted exposed and with a metallization as external contact can be covered.
  • the entire component constructed from a single material such as diamond.
  • a single material such as diamond.
  • doping achieved that, for example the contact elements, the control electrode and the Bending beams are electrically conductive, for example by strong doping, for example with boron, nitrogen, Sulfur or phosphorus.
  • the entire component can be arranged on a carrier layer, for example made of silicon. This can also be present during the production of the component and can be removed later.
  • a further insulating layer for example made of SiO x , can be arranged between the base plate and the carrier layer in order to prevent any leakage currents through the carrier material.
  • the manufacture of an anchored Switching contact take place by first the bottom plate, the anchor and the first contact element as well optionally the control electrode on a silicon carrier, for example via CVD methods, preferably Plasma CVD but also via arc jet CVD or hot filament CVD be deposited. Then a Victim layer applied to which the Bending beam is deposited. The bending beam is connected to the anchor and thus the base plate, so that the victim layer is then removed and the bending beam as a self-supporting mechanical Component remains.
  • CVD methods preferably Plasma CVD but also via arc jet CVD or hot filament CVD be deposited.
  • FIG. 1 shows a micro switch contact according to the invention 1.
  • the micro switch contact 1 is located a base plate on a carrier layer 2 made of silicon 3 from undoped and thus non-conductive, Diamond deposited using a CVD process.
  • a carrier layer 2 made of silicon 3 from undoped and thus non-conductive, Diamond deposited using a CVD process.
  • On one The end of the bottom plate is another non-conductive Diamond layer applied as anchor 4.
  • At the other The end of the base plate 3 is a contact element 7 made of heavily doped with boron and therefore quasi-metallic conductive diamond arranged.
  • a bending beam 5 also from a strong boron doping quasi-metallic conductive Diamond.
  • the height of the armature 4 determines the distance of the bending beam 5 from the base plate 3.
  • This Bending beam 5 extends cantilever to the first contact element 7, where on its underside a second contact element 8 made of electrically conductive Diamond is arranged.
  • the two contact elements 7 and 8 have a predetermined in the non-switched state Distance from each other.
  • control electrode 9 made of electrically conductive diamond.
  • Both the control electrode 9 and the first one Contact element 7 have metallizations made of W: Si or Au 11 or 10, which act as external contacts of voltages and currents to the control electrode 9 and the first contact element 7 are used.
  • This Metallizations 11 and 10 are out of range attached, which is covered by the bending beam 5 becomes. This will make contact between the Bending beam 5 and the metallizations 11 and 10 avoided, if the bending beam is in the direction of the Arrow A bends.
  • the second contact element 8 is over the bending beam 5 with one attached to this bending beam, as Metallization 6 serving external contact electrically connected. Voltage can be applied to this metallization 6 the second contact element 8 are created.
  • About the thickness and the dimensioning of the bending beam 5 can change its elastic properties be so that, for example, the threshold voltage or the switching limit frequency individually can be adjusted.
  • the base plate 3 of the micro switch contact instead of diamond SiC, GaN, AlN, AlGaN or BN exist.
  • the carrier 2 advantageously consists of (100) -oriented silicon.
  • the base plate 3 can be high be oriented and have a high surface planarity have.
  • the second contact 8 can also from a high temperature stable metallization like W: Si or Ta: Si exist.
  • the second contact element 8 made of diamond and the first Contact element 7 from such a high temperature stable Metallization exist.
  • the metallization can even be done on a diamond substrate ("metal coated Diamond "), the good mechanical ones Properties of the diamond can be used. such metallizations are stable at high temperatures for example of high temperature stable Schottky diode materials known from here.
  • the switch contact 1 shown in FIG. 1 becomes capacitive here (electrostatic) switched.
  • As an upper capacitor plate serves the bending beam 5 and as lower electrode the control electrode 9.
  • the switching voltage between a few volts and a few 10 volts become.
  • the Bending beam 5 has a thickness between 0.5 and 10 ⁇ m. This low layer thicknesses lead just like the high one Modulus of elasticity of diamond to a low inertia and thus high switching limit frequency.
  • Such small layer thicknesses for bending beams are with one Ceramic or hybrid construction not possible.
  • Figure 2 shows the measured temperature dependence the threshold voltage of the micro switch contact shown in FIG. 1 1. It is easy to see that switching up to temperatures well above 600 ° C possible without changing the threshold voltage is.
  • FIG. 3 shows the simulated temperature distribution in the vacuum of the micro switch contact 1 shown in FIG. 1 at a current density of 1 ⁇ 10 6 A / cm 2 .
  • FIG 4 shows another example of an inventive Micro switch contact, with the shields are intended for HF frequencies.
  • the shields are intended for HF frequencies.
  • FIG. 4 shows another example of an inventive Micro switch contact, with the shields are intended for HF frequencies.
  • FIG. 4 shows another example of an inventive Micro switch contact, with the shields are intended for HF frequencies.
  • FIG. 4 shows another example of an inventive Micro switch contact, with the shields are intended for HF frequencies.
  • the armature is now 4 a bending beam 5 attached, the three different, metallizations 6a electrically separated from one another, 6b and 6c.
  • the bending beam itself is out electrically insulating diamond during the metallization 6a, 6b, 6c each with contact elements 8a, 8b and 8c are connected.
  • FIG. 4A The metallizations 6a, 6b and 6c are on the side of the armature 4 with further metallizations 12a, 12b and 12c connected.
  • the bending beam thus supports 5 a total of 3 shift fingers, the middle one Switch finger with the metallization 6b to the signal line is used while the other two Shift finger with the metallizations 6a and 6c Shield are connected to ground.
  • the bending beam 5 is now bent by the Control electrode 9 applied a corresponding voltage the contact elements 6a, 6b and 6c with the corresponding contact elements 7a, 7b and 7c connected to the diamond substrate 3.
  • the metallizations 12a, 12b and 12c with the metallizations 10a, 10b and 10c produced. That’s not all Signal, but also the appropriate ground shield connected through.
  • Figure 4B shows a cross section through each of the individual Shift finger, it should be noted that all Shift finger arranged on the same bending beam 5 are.
  • the indices a, b and c have been omitted here, because each of these shift fingers is constructed the same way is.
  • FIG. 5 shows a further invention Switching contact, which also has three fingers, however only the middle signal contact is switched becomes.
  • FIG. 5 as in FIG. 4, corresponding elements with corresponding reference numerals as provided in Figure 1, so that on their description is waived.
  • FIG. 5B shows a cross section through a mass-leading switch contact, in which a metallization 14 is applied to the common bending beam 5. Furthermore, a metallization 13 is arranged between the insulating diamond layer 3 and the armature 4, which extends over the entire length of the switching finger and connects both sides of the switching contact to one another as a ground shield.
  • the metallization 14 on the bending beam 5 serves as a control electrode. Both the metallization 13 and the metallization 14 can consist, for example, of W: Si, W: Si: N, Ti, Au, possibly also with a P + diamond layer underneath.
  • the bending beam 5 is designed semi-insulating in this example.
  • FIG. 5C shows the middle shift finger, which acts as a signal line.
  • This Switch contact is designed in the same way as the switching contact, which is shown in Figure 4B, and is therefore not described further here.
  • FIG 5A is a top view of the entire Switching contact shown, which can be seen here is that only the middle shift finger at one Deflection of the bending beam 5 an electrical Contact between the two contact elements 7 and 8 manufactures.
  • the bar 5 becomes electrostatic by applying a voltage between the beam contact 14 and the substrate ground surface 13 deflected. This will make the diamond contact over the contact elements 7, 8 closed and there can be a signal current via the metallization 12, 6, via the contact elements 8, 7 and the metallization 10 flow.
  • the beam metallizations 14 for the control voltage are from the underlying and mass substrate metallization 13 via the insulating anchor 4 electrically isolated.
  • the two signal metallizations 6 are with the substrate signal metallization 12th connected, the two metallizations 12 and 13 and the two metallizations 10 and 13 each spatially and thus also electrically from each other are separated.
  • Micro switch contact it becomes possible very to switch high currents at very high temperatures. It is particularly exploited that diamond is dependent from its doping, very variable electrical Possesses properties and as multifunctional Material can be used. Diamond has one high thermal conductivity and high heat resistance.
  • the microswitch according to the invention is chemical inert, has a long life, high Impact resistance, high switching dynamics and minimal Complexity of materials and is suitable for microwaves.

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mechanisch schließenden elektrischen Mikroschaltkontakt. Derartige Schaltkontakte werden überall dort benötigt, wo große elektrische Ströme auf engstem Raum geschaltet werden sollen, so beispielsweise in Sensoren, Aktoren und Hochleistungs-/Hochtemperaturapplikationen, wie beispielsweise in der Leistungselektronik, Kfz-Elektronik oder in chemisch aggressiven Umgebungen. Ein Mikroschaltkontakt gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 ist z.B. aus US-A-4954170 bekannt. Mikromechanische Schalter sind im Vergleich zu konventionellen Relais schnell, schockresistent und benötigen sehr wenig Steuerleistung bei elektrostatischem Antrieb und besitzen obendrein gewöhnlich vernachlässigbare Steuerleckströme. Die Miniaturisierung erlaubt ferner die Implementierung in Mikrowellenschaltungen, wo Pulsbetrieb hoher Leistung erforderlich ist. Mikroschalter und Mikrorelais können dabei auf dem elektrostatischen (kapazitiven), magnetischen oder induktiven Prinzip beruhen oder auch über Temperaturänderung schaltbar sein. Die Strukturen derartiger Mikroschalter basieren im allgemeinen auf Silizium- oder Metall- oder Keramik-Mikromechanikkonzepten. Hierbei dient üblicherweise mit Siliziumdioxid beschichtetes Silizium als elektrisch isolierendes Substrat, während die Kontakte aus unterschiedlichen Mehrschichtmaterialsystemen bestehen. Für die Herstellung ist daher ein komplexes Materialsystem und eine entsprechend komplexe Vorgehensweise erforderlich.
Die zu schaltenden Ströme sind dabei jedoch bei metallischen oder siliziumbasierten Mikroschaltern beschränkt, da bei hohen Stromdichten durch die Verlustwärme des Schalters oft sehr hohe Temperaturen entstehen, die mit diesen Materialien nicht mehr handhabbar sind. Alternativ existieren Hybridaufbauten oder Schalter aus Keramik. Bei diesen ist jedoch die jeweilige Materialdicke, beispielsweise eines Biegebalkens, nach unten beschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen mechanisch schließenden, elektrischen Mikroschaltkontakt zur Verfügung zu stellen, der chemisch inert ist, eine hohe Lebensdauer, hohe Schlagfestigkeit, hohe Schaltdynamik, minimale Materialkomplexität aufweist, der mikrowellentauglich ist, bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden und eine hohe Stromdichte schalten kann.
Diese Aufgabe wird durch den Mikroschaltkontakt nach Anspruch 1 sowie durch das Herstellungsverfahren für einen derartigen Mikroschaltkontakt gemäß Anspruch 28 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Der erfindungsgemäße Mikroschaltkontakt besitzt zwei elektrisch leitende Kontaktelemente, die im geschlossenen Zustand sich im Bereich zweier elektrisch leitender Kontaktflächen berühren. Dabei besteht mindestens eine der beiden Kontaktflächen aus hochdotiertem, leitfähigem und mithin quasi metallischem Diamant, Siliziumcarbid (SiC), Galiumnitrid (GaN), Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN) und/oder Aluminiumgaliumnitrid (AlGaN). Besonders Diamant zeichnet sich durch eine hohe Debyetemperatur aus und ist daher bis zu hohen Temperaturen elastisch und hat eine hohe Temperaturleitfähigkeit. Weiterhin besitzen diese Materialien die Eigenschaft, daß ihre elektrischen Eigenschaften durch Dotierung zwischen isolierend, halbleitend und quasi-metallisch geändert werden können. Weiterhin besitzt Diamant eine hohe Verschleißfestigkeit und mechanische Stabilität, was zu einer hohen Lebensdauer des Schaltkontaktes führt. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Mikroschalter bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise bis 800 °C, eingesetzt werden und eine hohe Stromdichte (mit hoher Verlustleistung) beispielsweise von 1 x 106 A/cm2 bei < 600 °C Betriebstemperatur, schalten. Diese Eigenschaften werden durch ein einziges Grundmaterial ermöglicht. Dadurch, daß keine plastische Verformung, selbst bei hohen Temperaturen in Diamant auftritt, ist auch keine Veränderung der Schwellspannung bei Temperaturen selbst über
T > 600 °C zu erwarten.
Unter Schwellspannung wird die minimale erforderliche Schaltspannung und unter Schaltgrenzfrequenz die maximale, stabil erzeugbare Schaltfrequenz verstanden.
Eine derart hohe Temperatur-Stabilität ist mit metallischen oder siliziumbasierten Mikroschaltern nicht realisierbar.
Weiterhin ist es mit dem erfindungsgemäßen Mikroschaltkontakt möglich, sehr kleine freistehende Schichtstrukturen herzustellen, beispielsweise Biegebalken mit einer Dicke zwischen üblicherweise 0,5 bis 10 um. Dies reduziert die Trägheit der bewegten Elemente und erhöht damit die Schaltdynamik. Derartig kleine Schichtdicken mit hoher Biegesteifigkeit und Bruchfestigkeit sind mit Keramik- und Hybridaufbau derzeit nicht realisierbar.
Erfindungsgemäß können eine oder vorzugsweise beide Kontaktflächen der Kontaktelemente aus Diamant, SiC, AlN, BN, GaN und/oder AlGaN bestehen. Alternativ kann jedoch auch eine der beiden Kontaktflächen zumindest teilweise aus Metall (Al, Au, Cu, Ni), einem carbidbildenden Metall und/oder einer hochtemperaturstabilen Metallisierung bestehen. Die hochtemperaturstabile Metallisierung kann dabei W:Si und/oder Ta:Si enthalten.
Vorteilhafterweise ist je eine der beiden Kontaktflächen auf einer Bodenplatte und/oder einem Biegebalken angeordnet. Dabei ist der Biegebalken vorzugsweise freitragend über einen an einem seiner Enden angeordneten Anker oder einer anderen mechanischen Verbindung fixiert. Sowohl die Bodenplatte als auch der Anker oder der Biegebalken können aus einem der oben genannten Materialien Diamant, SiC, GaN, AlN, BN und/oder AlGaN bestehen. Vorteilhafterweise wird als BN für sämtliche Schichten und Elemente des erfindungsgemäßen Mikroschaltkontaktes kubisches Bornitrid verwendet.
Bei Verwendung von Diamant ergibt sich ein hervorragendes mechanisches Federungsverhalten und damit eine hohe Schaltgrenzfrequenz des Biegebalkens, da Diamant ein sehr hohes Elastizitätsmodul aufweist. Der Biegebalken kann nunmehr aufgrund des elektrostatischen, induktiven, hydraulischen, pneumatischen, mechanischen und/oder thermomechanischen Prinzips in Richtung der Bodenplatte bewegt werden, so daß sich die einander gegenüber angeordneten Kontaktelemente berühren und einen elektrischen Kontakt erzeugen. Die Ströme zu den beiden Kontaktelementen können über jeweilige Außenkontakte, die beispielsweise auf dem ersten Kontaktelement bzw. auf dem Biegebalken als Metallisierung aufgebracht sind, zugeführt werden.
Weiterhin kann auf der Bodenplatte unterhalb des Biegebalkens eine Steuerelektrode angebracht sein, über die mittels des elektrostatischen Prinzips der Biegebalken in Richtung der Bodenplatte bewegt werden kann. Auch an dieser Steuerelektrode sind seitlich außerhalb des von dem Biegebalken überdeckten Bereiches Metallisierungen als Außenkontakte zum Anlegen der Steuerspannung angeordnet.
Die Kontaktierung der Kontaktelemente und der Steuerelektrode kann auch über die sogenannte via-hole-Technik erfolgen, bei der entsprechende Löcher in die Bodenplatte rückseitig eingeätzt sind, so daß rückseitig die entsprechenden zu kontaktierenden Bestandteile freiliegen und mit einer Metallisierung als Außenkontakt überzogen werden können.
Erfindungsgemäß kann nun das gesamte Bauelement (Mikroschaltkontakt) aus einem einzigen Material aufgebaut werden, beispielsweise Diamant. Dabei wird mittels geeigneter Dotierung erreicht, daß beispielsweise die Kontaktelemente, die Steuerelektrode und der Biegebalken elektrisch leitend sind, beispielsweise durch starke Dotierung beispielsweise mit Bor, Stickstoff, Schwefel oder Phosphor. Andererseits kann die Bodenplatte aus isolierendem, über ein CVD-Verfahren abgeschiedenem Diamant bestehen, ebenso der Anker.
Das gesamte Bauelement kann auf einer Trägerschicht, beispielsweise aus Silizium, angeordnet sein. Diese kann auch noch während der Fertigung des Bauelements vorhanden und nachträglich wieder entfernt werden. Zwischen der Bodenplatte und der Trägerschicht kann dabei eine weitere isolierende Schicht, beispielsweise aus SiOx angeordnet werden, um jegliche Leckströme durch das Trägermaterial zu unterbinden.
Erfindungsgemäß kann die Herstellung eines verankerten Schaltkontaktes erfolgen ,indem zuerst die Bodenplatte, der Anker und das erste Kontaktelement sowie gegebenenfalls die Steuerelektrode auf einen Siliziumträger, beispielsweise über CVD-Verfahren, vorzugsweise Plasma-CVD aber auch über Arc-Jet-CVD oder Hot-Filament-CVD abgeschieden werden. Daraufhin wird eine Opfer-Schicht aufgebracht, auf die anschließend der Biegebalken abgeschieden wird. Der Biegebalken wird dabei mit dem Anker und damit der Bodenplatte verbunden, so daß anschließend die Opfer-Schicht entfernt werden kann und der Biegebalken als freitragendes mechanisches Bauelement verbleibt.
Im folgenden wird ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikroschaltkontaktes gegeben. Es zeigen
Figur 1
einen erfindungsgemäßen Mikroschaltkontakt;
Figur 2
die Temperaturabhängigkeit der Schwellspannung des Schaltkontaktes aus Figur 1;
Figur 3
die Simulation der Temperaturverteilung im Vakuum des Mikroschaltkontaktes aus Figur 1;
Figur 4
einen Schaltkontakt mit einem geschalteten Schaltkontakt und zwei Abschirmungen sowie
Figur 5
einen Schaltkontakt mit geschaltetem Signalkontakt und zwei geschalteten Abschirmungen.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Mikroschaltkontakt 1. Bei dem Mikroschaltkontakt 1 befindet sich auf einer Trägerschicht 2 aus Silizium eine Bodenplatte 3 aus nichtdotiertem und damit nichtleitendem, über ein CVD-Verfahren abgeschiedenen Diamant. An einem Ende der Bodenplatte ist eine weitere nichtleitende Diamantschicht als Anker 4 aufgebracht. Am anderen Ende der Bodenplatte 3 ist ein Kontaktelement 7 aus stark mit Bor dotiertem und mithin quasi-metallisch leitendem Diamant angeordnet.
Oberhalb des Ankers 4 und mit diesem verbunden, jedoch in Richtung der Bodenplatte 3 diesen überragend, befindet sich ein Biegebalken 5 aus ebenfalls über eine starke Bor-Dotierung quasi-metallisch leitendem Diamant. Die Höhe des Ankers 4 bestimmt dabei den Abstand des Biegebalkens 5 von der Bodenplatte 3. Dieser Biegebalken 5 erstreckt sich freitragend bis über das erste Kontaktelement 7, wo an seiner Unterseite ein zweites Kontaktelement 8 aus elektrisch leitendem Diamant angeordnet ist. Die beiden Kontaktelemente 7 und 8 weisen im nichtgeschalteten Zustand einen vorbestimmten Abstand voneinander auf.
Unterhalb des Biegebalkens im Zwischenraum zwischen dem Biegebalken 5 und der Bodenplatte 3 befindet sich eine Steuerelektrode 9 aus elektrisch leitendem Diamant. Sowohl die Steuerelektrode 9 als auch das erste Kontaktelement 7 weisen Metallisierungen aus W:Si oder Au 11 bzw. 10 auf, die als Außenkontakte zum Anlegen von Spannungen und Strömen an die Steuerelektrode 9 bzw. das erste Kontaktelement 7 dienen. Diese Metallisierungen 11 und 10 sind außerhalb des Bereiches angebracht, der von dem Biegebalken 5 überdeckt wird. Dadurch wird eine Kontaktierung zwischen dem Biegebalken 5 und den Metallisierungen 11 und 10 vermieden, wenn sich der Biegebalken in Richtung des Pfeiles A durchbiegt.
Das zweite Kontaktelement 8 ist über den Biegebalken 5 mit einer auf diesem Biegebalken angebrachten, als Außenkontakt dienenden Metallisierung 6 elektrisch verbunden. An diese Metallisierung 6 kann Spannung an das zweite Kontaktelement 8 angelegt werden.
Über die Dicke und die Dimensionierung des Biegebalkens 5 können dessen elastische Eigenschaften verändert werden, so daß beispielsweise die Schwellspannung oder auch die Schaltgrenzfrequenz individuell eingestellt werden können.
In alternativen Ausführungen kann die Bodenplatte 3 des Mikroschaltkontaktes statt aus Diamant auch aus SiC, GaN, AlN, AlGaN oder BN bestehen. Der Träger 2 besteht vorteilhafterweise aus (100)-orientiertem Silizium. In diesem Falle kann die Bodenplatte 3 hoch orientiert sein und eine hohe Oberflächenplanarität besitzen. Der zweite Kontakt 8 kann alternativ auch aus einer hochtemperaturstabilen Metallisierung wie W:Si oder Ta:Si bestehen. Alternativ kann jedoch auch das zweite Kontaktelement 8 aus Diamant und das erste Kontaktelement 7 aus einer derartigen hochtemperaturstabilen Metallisierung bestehen. Die Metallisierung kann selbst auf einem Diamantsubstrat erfolgen ("metallüberzogener Diamant"), wobei die guten meachnischen Eigenschaften des Diamants genutzt werden. Derartige hochtemperaturstabile Metallisierungen sind beispielsweise von hochtemperaturstabilen Schottky-Diodenmaterialien her bekannt.
Der in Figur 1 gezeigte Schaltkontakt 1 wird hier kapazitiv (elektrostatisch) geschaltet. Als obere Kondensatorplatte dient dabei der Biegebalken 5 und als untere Elektrode die Steuerelektrode 9. Abhängig von der geometrischen Dimensionierung des Biegebalkens 5 und der Steuerelektrode 9 kann dabei die Schaltspannung zwischen einigen Volt und einigen 10 Volt eingestellt werden. Im vorhergehenden Beispiel besitzt der Biegebalken 5 eine Dicke zwischen 0,5 und 10 um. Diese geringen Schichtdicken führen ebenso wie das hohe Elastizitätsmodul von Diamant zu einer geringen Trägheit und damit hohen Schaltgrenzfrequenz. Derartig kleine Schichtdicken für Biegebalken sind mit einem Keramik- oder Hybridaufbau nicht realisierbar.
Figur 2 zeigt die gemessene Temperaturabhängigkeit der Schwellspannung des in Figur 1 dargestellten Mikroschaltkontaktes 1. Es ist unschwer zu erkennen, daß bis zu Temperaturen weit über 600 °C ein Schalten ohne eine Veränderung der Schwellspannung möglich ist.
Figur 3 zeigt die simulierte Temperaturverteilung im Vakuum des in Figur 1 dargestellten Mikroschaltkontaktes 1 bei einer Stromdichte von 1 x 106 A/cm2.
Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamant lassen sich hohe Verlustleistungen abführen.
Durch die hohe Temperaturstabilität des Materials toleriert der Schaltkontakt hohe Temperaturen.
Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikroschaltkontaktes, bei dem Abschirmungen für HF-Frequenzen vorgesehen sind. Bei dieser Figur sind entsprechende Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen und werden daher nicht weiter erläutert.
Im Unterschied zu Figur 1 ist nunmehr an dem Anker 4 ein Biegebalken 5 befestigt, der drei verschiedene, voneinander elektrisch getrennte Metallisierungen 6a, 6b und 6c aufweist. Der Biegebalken selbst ist aus elektrisch isolierendem Diamant, während die Metallisierung 6a, 6b, 6c jeweils mit Kontaktelementen 8a, 8b und 8c verbunden sind. Dies ist in Figur 4A dargestellt. Die Metallisierungen 6a, 6b und 6c sind auf der Seite des Ankers 4 mit weiteren Metallisierungen 12a, 12b und 12c verbunden. Damit trägt der Biegebalken 5 insgesamt 3 Schaltfinger, wobei der mittlere Schaltfinger mit der Metallisierung 6b zur Signalleitung verwendet wird, während die beiden anderen Schaltfinger mit den Metallisierungen 6a und 6c zur Abschirmung auf Masse gelegt sind.
Wird der Biegebalken 5 nun durchgebogen, indem an die Steuerelektrode 9 eine entsprechende Spannung angelegt wird, so werden die Kontaktelemente 6a, 6b und 6c mit den entsprechenden Kontaktelementen 7a, 7b und 7c auf dem Diamantsubstrat 3 verbunden. Folglich wird ein elektrischer Kontakt zwischen den Metallisierungen 12a, 12b und 12c mit den Metallisierungen 10a, 10b bzw. 10c hergestellt. Damit ist nicht nur das Signal, sondern auch die entsprechende Massenabschirmung durchgeschaltet.
Figur 4B zeigt einen Querschnitt durch jeden der einzelnen Schaltfinger, wobei zu beachten ist, daß sämtliche Schaltfinger auf demselben Biegebalken 5 angeordnet sind. Die Indizes a, b und c wurden hier weggelassen, da jeder dieser Schaltfinger gleich aufgebaut ist.
Figur 5 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Schaltkontakt, der ebenfalls drei Finger aufweist, wobei jedoch nur der mittlere Signalkontakt geschaltet wird. In Figur 5 sind ebenfalls, wie in Figur 4, entsprechende Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen, so daß auf ihre Beschreibung verzichtet wird.
Figur 5B zeigt einen Querschnitt durch einen masseführenden Schaltkontakt, bei dem auf dem gemeinsamen Biegebalken 5 eine Metallisierung 14 aufgebracht ist. Weiterhin ist zwischen der isolierenden Diamantschicht 3 und dem Anker 4 eine Metallisierung 13 angeordnet, die sich über die gesamte Länge des Schaltfingers erstreckt und als Masseabschirmung beide Seiten des Schaltkontaktes miteinander verbindet. Die Metallisierung 14 auf dem Biegebalken 5 dient als Steuerelektrode. Sowohl die Metallisierung 13 als auch die Metallisierung 14 können beispielsweise aus W:Si, W:Si:N, Ti, Au, eventuell auch mit darunter liegender P+-Diamantschicht bestehen. Der Biegebalken 5 ist in diesem Beispiel semi-isolierend ausgeführt.
In Figur 5C ist der mittlere Schaltfinger dargestellt, der als Signalleitung fungiert. Dieser Schaltkontakt ist in gleicher Weise ausgeführt wie der Schaltkontakt, der in Figur 4B dargestellt ist, und wird an dieser Stelle daher nicht weiter beschrieben.
In Figur 5A ist eine Aufsicht auf den gesamten Schaltkontakt dargestellt, wobei hier zu erkennen ist, daß lediglich der mittlere Schaltfinger bei einer Durchbiegung des Biegebalkens 5 einen elektrischen Kontakt zwischen den beiden Kontaktelementen 7 und 8 herstellt. Der Balken 5 wird dabei elektrostatisch durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Balkenkontakt 14 und der Substratmassefläche 13 ausgelenkt. Dadurch wird der Diamantkontakt über die Kontaktelemente 7, 8 geschlossen und es kann ein Signalstrom über die Metallisierung 12, 6, über die Kontaktelemente 8, 7 und die Metallisierung 10 fließen. Die Balkenmetallisierungen 14 für die Steuerspannung sind von der darunter und daneben liegenden Substratmassemetallisierung 13 über den isolierenden Anker 4 elektrisch getrennt. Die beiden Signalmetallisierungen 6 sind mit der Substratsignalmetallisierug 12 verbunden, wobei die beiden Metallisierungen 12 und 13 sowie die beiden Metallisierungen 10 und 13 jeweils räumlich und damit auch elektrisch voneinander getrennt sind.
Insgesamt ergibt sich folglich, daß mit dem erfindungsgemäßen Mikroschaltkontakt es möglich wird, sehr hohe Ströme bei sehr hohen Temperaturen zu schalten. Dabei wird insbesondere ausgenutzt, daß Diamant, abhängig von seiner Dotierung, sehr variable elektrische Eigenschaften besitzt und als multifunktionelles Material eingesetzt werden kann. Diamant besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Hitzebeständigkeit. Der erfindungsgemäße Mikroschalter ist chemisch inert, weist eine hohe Lebensdauer, hohe Schlagfestigkeit, hohe Schaltdynamik sowie eine minimale Materialkomplexität auf und ist mikrowellentauglich.

Claims (30)

  1. Mechanisch schließender, elektrischer Mikroschaltkontakt mit einem ersten und einem zweiten elektrisch leitenden Kontaktelement mit einer ersten bzw. einer zweiten elektrisch leitenden Kontaktfläche, wobei die beiden Kontaktelemente im offenen Zustand des Mikroschaltkontakts einen vorbestimmten Abstand voneinander aufweisen und im geschlossenen Zustand einander in einem Kontaktbereich im Bereich der ersten und zweiten Kontaktflächen berühren, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kontaktelement an einem Ende eines Biegebalkens aus Diamant angeordnet ist und die erste Kontaktfläche und/oder die zweite Kontaktfläche zumindest teilweise aus einem karbidbildenden Metall, einer hochtemperaturstabilen Metallisierung, hochdotiertem, leitfähigem Diamant, Siliziumcarbid (SiC), Galiumnitrid (GaN), Bornitrid (BN), Aluminium-Galiumnitrid (AlGaN) und/oder Aluminiuminitirid (AlN) besteht.
  2. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Kontaktflächen zumindest teilweise aus Metall, einem karbidbildenden Metall und/oder einer hochtemperaturstabilen Metallisierung besteht.
  3. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die hochtemperaturstabile Metallisierung W:Si und/oder Ta:Si enthält.
  4. Mikroschaltkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
    eine Bodenplatte, wobei auf der Oberseite der Bodenplatte das erste Kontaktelement derart angeordnet ist, daß seine Kontaktfläche der Bodenplatte gegenüber liegt,
    einen Anker, der auf der Oberseite der Bodenplatte in einem vorbestimmten Abstand zu dem ersten Kontaktelement angeordnet ist,
    wobei der Biegebalken auf der der Bodenplatte abgewandten Seite des Ankers befestigt ist, von diesem in einem vorbestimmten Abstand zur Bodenplatte gehalten wird und sich freitragend von dem Anker bis zum ersten Kontaktelement erstreckt und
    wobei das zweite Kontaktelement auf der dem ersten Kontaktelement zugewandten Seite des Biegebalkens angeordnet ist, derart, daß die Kontaktfläche des zweiten Kontaktelementes der Kontaktfläche des ersten Kontaktelementes gegenüber liegt.
  5. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte zumindest teilweise aus einer elektrisch isolierenden Diamantschicht, SiC, GaN, AlGaN, BN und/oder AlN besteht.
  6. Mikroschaltkontakt nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker zumindest teilweise aus elektrisch isolierendem Diamant, SiC, GaN, AlGaN, BN und/oder AlN besteht derart, daß er die Bodenplatte und den Biegebalken voneinander elektrisch isoliert.
  7. Mikroschaltkontakt nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken zumindest teilweise aus elektrisch leitend dotiertem Diamant, SiC, GaN, AlGaN, BN und/oder AlN besteht.
  8. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Bodenplatte eine Dicke zwischen 0,5 und 10 µm aufweist.
  9. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte auf einem Substrat als Träger angeordnet ist.
  10. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat zumindest teilweise aus Silizium besteht.
  11. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat zumindest teilweise aus (100)-orientiertem Silizium besteht.
  12. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er elektrostatisch, induktiv, mechanisch und/oder thermodynamisch schaltbar ist.
  13. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Bodenplatte zwischen der Bodenplatte und dem Biegebalken eine Steuerelektrode angeordnet ist.
  14. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode zumindest teilweise aus elektrisch leitend dotiertem Diamant besteht.
  15. Mikroschaltkontakt nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode elektrische Außenkontakte zur Spannungsversorgung der Steuerelektrode aufweist.
  16. Mikroschaltkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem ersten und/oder zweiten Kontaktelement außerhalb des Kontaktbereichs elektrische Außenkontakte zur Spannungs- und Stromversorgung des Kontaktelementes angeordnet sind.
  17. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Kontaktelement außerhalb des Kontaktbereichs mit Oberflächenmetallisierungen zur Bildung der elektrischen Außenkontakte versehen sind.
  18. Mikroschaltkontakt nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode mit Oberflächenmetallisierungen zur Bildung der elektrischen Außenkontakte versehen ist.
  19. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Biegebalkens zumindest teilweise Oberflächenmetallisierungen aufweist.
  20. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Anker entgegengesetzte Oberfläche des Biegebalkens zumindest teilweise Oberflächenmetallisierungen aufweist.
  21. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenmetallisierung ein Edelmetall, ein Nichtedelmetall oder eine Metalllegierung aufweist.
  22. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenmetallisierung durch Aufdampfen, Zerstäuben oder galvanische Abscheidung auf die Kontaktelemente, den Biegebalken und/oder die Steuerelektrode aufgebracht ist.
  23. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte und ggf. der Träger im Bereich des ersten Kontaktelementes und gegebenenfalls im Bereich der Steuerelektrode auf der von diesen abgewancten Seite Öffnungen aufweisen, über die das erste Kontaktelement und gegebenenfalls die Steuerelektrode elektrisch kontaktierbar sind.
  24. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Träger und der Bodenplatte eine Zwischenschicht aus Silizium(di)oxid (SiOx), Siliziumnitrid, Metall, einer Legierung und/oder einem Dielektrikum angeordnet ist.
  25. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte, der Anker und/oder der Biegebalken durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) von Diamant hergestellt ist.
  26. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamant durch Plasma-CVD, Arc-Jet-CVD, und/oder Hot-Filament-CVD abgeschieden ist.
  27. Mikroschaltkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Diamantschichten der Kontaktelemente, des Biegebalkens und/oder der Steuerelektrode zumindest teilweise aus Diamantschichten bestehen, der mit Bor, Stickstoff, Schwefel und/oder Phosphor dotiert sind.
  28. Verfahren zur Herstellung eines Mikroschaltkontaktes nach einem der Ansprüche 4 bis 27,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    auf einem Träger eine Bodenplatte, ein Anker und das erste Kontaktelement aufgebracht,
    auf die Bodenplatte bis zur Höhe des Ankers eine Opferschicht aufgebracht,
    auf den Anker und die Opferschicht der Biegebalken und das mit dem Biegebalken verbundene zweite Kontaktelement aufgebracht wird,
    und abschließend die Opferschicht entfernt wird.
  29. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine Opferschicht aus Metall, einem Dielektrikum, Siliziumdioxid, SiOx, Si3N4 und/oder SiOxNy aufgebracht wird.
  30. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Opferschicht durch Ätzen entfernt wird.
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