EP4002407A1 - Mikroelektromechanisches schaltelement, vorrichtung und herstellungsverfahren - Google Patents

Mikroelektromechanisches schaltelement, vorrichtung und herstellungsverfahren Download PDF

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EP4002407A1
EP4002407A1 EP20209398.5A EP20209398A EP4002407A1 EP 4002407 A1 EP4002407 A1 EP 4002407A1 EP 20209398 A EP20209398 A EP 20209398A EP 4002407 A1 EP4002407 A1 EP 4002407A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bending element
switching
cover substrate
bending
switching element
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP20209398.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Raab
Markus Schwarz
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Siemens AG
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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP20209398.5A priority Critical patent/EP4002407A1/de
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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
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • 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]
    • H01H2001/0084—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] with perpendicular movement of the movable contact relative to the substrate

Definitions

  • the present invention relates to a microelectromechanical switching element, which comprises a flexible element with at least one first switching contact arranged on the flexible element. Furthermore, the invention relates to a device with such a switching element and a method for producing such a switching element.
  • Microelectromechanical switching elements are known in principle from the prior art and are also referred to as MEMS switches in the technical field. These are mechanical solid-state switching elements that are structured in the micrometer to nanometer range and include electrostatically actuated bending elements so that they can be switched by changing an electrical voltage. A plurality of such individual MEMS switches is often arranged to form an array, in particular in order to achieve a sufficiently high current-carrying capacity and/or dielectric strength. Such MEMS switches and switching devices based on them are, for example, in DE102017215236A1 and the WO2018028947A1 described.
  • a disadvantage of the MEMS switches according to the prior art is that the flexible elements typically require relatively high forces in order to be brought from their basic position into a deflected position. Or to put it another way, the bending elements are typically designed in such a way that in the deflected position they exert a relatively high mechanical restoring force, by means of which they can independently return to their basic position after the switching voltage has been removed. On the one hand, this high restoring force has the advantage that the switching elements very reliably return to the basic position after the switching voltage has been removed and do not stick in the deflected state.
  • the movement of the bending element into its deflected position requires a switching voltage that is comparatively high in absolute terms.
  • the switching voltage is the voltage that is applied between a portion of the flexure and an opposing control electrode to cause deflection of the flexure by electrostatic force.
  • these switching voltages are often around 10 V.
  • the switching duration is often undesirably long, which can also be attributed to the rigid design of the bending elements described: At least with a fixed switching voltage, a stiffer design of the bending element leads to this to a higher switching time.
  • the object of the invention is therefore to provide a switching element which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a switching element is to be made available which can be switched with a comparatively low switching voltage and/or which can be switched comparatively quickly.
  • a further object is to specify a device with such a switching element and a method for producing such a switching element.
  • the microelectromechanical switching element has a bending element with at least one first switching contact arranged on the bending element, wherein the bending element can be deflected from a central position into two opposite deflection directions.
  • the switching element also has a first and a second cover substrate, the two cover substrates being designed in such a way that the bending element is arranged in a cavity between the two cover substrates. In doing so, each of the two cover substrates in the area of the bending element has a control electrode with which a deflection of the bending element can be influenced.
  • a microelectromechanical switching element is to be understood here as meaning a switching element which is produced using microsystems technology.
  • microsystems technology is generally understood to mean the technology that is able to produce microscopically small mechanically active components, such as switches or gears that can move.
  • the term microsystems technology should also include nanosystems technology, which enables corresponding structures in the submicrometer to nanometer range.
  • technologies that are generally known from semiconductor production are used here.
  • Such MEMS switches can be manufactured on glass and/or semiconductor substrates (so-called wafers), for example made of silicon or gallium arsenide. In this case, the length of a MEMS switching element is less than 1 mm, preferably less than 100 ⁇ m.
  • the largest structural element of a single MEMS switching element is typically the bending element.
  • This bending element is expediently shaped in an elongate manner in order to enable a defined, resilient deflection in the manner of a straight leaf spring.
  • the bending element is therefore often also referred to as a bending beam or as a switch tongue in the specialist circles. In principle, however, other proportions are also possible.
  • the bending element is located in an inner cavity of the superordinate switching element component, which is composed of several flat substrates and is therefore present overall as a flat component.
  • this component is covered on the outside "above” and “below” (that is to say towards its two main surfaces) by two cover substrates in such a way that the inner cavity is delimited by these two cover substrates.
  • the region of the flexure is in contrast typically limited only on one side by a cover substrate which, for example, as in the DE102017215236A1 can be designed as a glass wafer.
  • this cover substrate carries the control electrode, which is placed opposite the bending beam and to which the switching voltage is applied.
  • this control electrode is sometimes also referred to as the gate electrode.
  • the bending element can be deflected by electrostatic interaction between the control electrode and the bending element. For example, it can be moved in the direction of the cover substrate due to electrostatic attraction, so that this deflection can result in the formation of an electrical contact between a contact element of the bending beam and a contact element of the cover substrate.
  • a significant advantage of the switching element according to the invention is that the cavity is delimited by two cover substrates and that each of these two cover substrates carries an associated control electrode in the area of the bending beam.
  • a deflection of the bending element can then be influenced or brought about with each of these two control electrodes by temporarily applying a switching voltage. Since these two control electrodes (seen when the component is oriented horizontally) lie above and below the bending element, this bending element can thus be actively moved both from above and from below. In particular, this enables controlled deflections upwards and downwards from a central position.
  • an upward or downward deflection can also be effected with just one control electrode, for example by means of an overhead control electrode causing an attractive or repulsive electrostatic force depending on the desired direction of movement.
  • the latter variant is technically much more difficult to implement.
  • actuation with two separate opposing control electrodes allows for much more controlled and precise guidance of the movement.
  • An upward deflection can be effected from a central position, and a downward deflection can be effected by electrostatic attraction by means of the lower control electrode. In this way, it is possible to switch between a central position, an upwardly deflected position and a downwardly deflected position of the bending element in a particularly controlled manner.
  • the central position can be a basic position of the bending element, into which the bending element automatically returns without the action of electrostatic forces.
  • the bending element could also be prestressed, so that a position deflected “up” (ie to the first cover substrate) or a position deflected “down” (ie to the second cover substrate) can also form the mechanical basic position.
  • the bending element is arranged between the two control electrodes in the switching element according to the invention, so that it can be actuated electrostatically by the interaction of both control electrodes.
  • the bending element can be designed to be significantly softer, in other words it can have a lower mechanical restoring force than if it were only deflected with a control electrode. This is because, for example after an electrostatic attraction of the bending beam in the direction of the first control electrode, the subsequent return in the direction of the second control electrode can be supported by a correspondingly attractive switching voltage on the second control electrode.
  • the resetting from a first (electrostatically) deflected position does not have to take place purely mechanically, but can be supported electrostatically in a simple manner by the second electrode.
  • a softer bending element with a smaller restoring force also allows the use of lower absolute values Switching voltages compared to the prior art (on both control electrodes).
  • the bending element can be moved in the direction of this first control electrode by switching on the switching voltage on the first control electrode (when the so-called "pull-in voltage" is exceeded).
  • braking can also be effected shortly before the bending element mechanically impacts, which reduces the mechanical stress on the bending element (and its contact elements) and can thus significantly extend the service life of the switching element.
  • suitable voltage profiles at the two control electrodes can be used to achieve predetermined switching characteristics and thus the corresponding movement characteristics of the flexible element much more precisely than with just one control electrode.
  • the device according to the invention has a switching element according to the invention or an array of several such switching elements according to the invention as partial element(s). Regardless of the specific application of the device, its advantages are analogous to the above-described advantages of the switching element according to the invention, in particular with regard to a reduced switching voltage, shorter switching time and/or a more precise setting of a desired movement profile.
  • the method according to the invention serves to produce a switching element according to the invention.
  • the bending element is formed by subtractive manufacturing from at least one flat layer and is then freed.
  • This layer forming the bending element or the layer system containing this layer is connected to the first cover substrate and the second cover substrate by a total of two wafer bonding steps.
  • the "subtractive production" of the bending element is to be understood as meaning that material is removed within the planar layer in an area around the bending element, so that the bending element remains within its layer like an island or at least like a peninsula.
  • the bending element is separated from the "mainland” (ie the surrounding areas of the same layer), so to speak, to such an extent that it can, in principle, be deflected independently of these areas.
  • a type of web remains in the foot area of the bending element, by which it can be connected to the other areas of the same layer.
  • the mechanically load-bearing flat layers that may be adjacent here on both main surfaces are removed so that the bending element can be deflected upwards and downwards in the manner of a straight leaf spring perpendicular to the layer surface.
  • the bending element is already exposed to one of its main surfaces in this step, so that a mechanically supporting adjacent layer only has to be removed on a rear side in order to enable the required mobility.
  • the layer or the layer system which contains the flexible element is connected to the first cover substrate and the second cover substrate by a total of two wafer bonding steps.
  • an additional carrier substrate can optionally be used, which, for example, initially carries the layer system of the flexible element before it is connected to the first cover substrate on its free side. After subsequent removal of this carrier substrate, the opposite side of the layer system (which is then exposed) can also be connected to the second cover substrate in a similar way via a wafer bonding step. In this way, an overall structure is achieved in which the layer system that contains the bending element is sandwiched between the two cover substrates.
  • a recess is expediently created in the two cover substrates before the respective wafer bonding step in the area in which the bending element is arranged after the bonding step. These two recesses form the hollow space in which the bending element is arranged so that it can be deflected in the finished state.
  • the described configurations of the switching element, the device and the production method can generally be advantageously combined with one another. So can in particular the first deflection direction of the bending element can correspond to a deflection towards the first cover substrate, and the second deflection direction can correspond to a deflection towards the second cover substrate.
  • the bending element can be deflected “up” and “down” when the overall component that is shaped flat is horizontal.
  • Such mobility out of the layer plane of the bending element is particularly easy to implement with a bending element shaped like a leaf spring.
  • the bending element can be deflected in the direction of the first cover substrate by applying voltage to the control electrode of the first cover substrate, and it can be deflected in the direction of this second cover substrate by applying voltage to the control electrode of the second cover substrate.
  • This can be achieved in particular by temporarily applying a switching voltage to each of the two control electrodes for deflecting the bending element in the relevant direction, which causes an electrostatic attraction force between the bending element and the associated cover substrate.
  • the respective control electrode can in principle also be subjected to a switching voltage, which results in a repelling electrostatic force between the bending element and the associated cover substrate.
  • the bending element can essentially be formed from a semiconductor material. This is particularly favorable because it is advantageous for maintaining defined switching properties if the mechanical properties of the bending element can firstly be precisely reproduced from component to component in a defined manufacturing process and secondly if they remain stable for a given component over a longer period of operation. This can easily be achieved with known semiconductor layer systems, since the processing of such semiconductors can be easily controlled and has reached a very advanced level of development. In addition, it is comparatively inexpensive. Silicon, for example, is therefore particularly suitable as a semiconductor material. Monocrystalline silicon in particular can be processed very reproducibly in terms of its mechanical and electrical properties and is stable over the long term.
  • the bending element can also be formed essentially from a metal and/or one or more dielectrics. "Essentially” is intended here to mean in general that the materials mentioned form the main component, with other additional materials, e.g. in the form of coatings of the bending element, not being excluded.
  • the bending element can carry one or more contact elements, which can be applied to the bending element in the form of structured metallization. If the bending element is formed essentially from a dielectric material, it can expediently carry a control electrode on its upper and lower side, which is arranged opposite the respective control electrode of the cover substrate in the finished switching element. On the other hand, if the bending element is configured from a semiconducting or metallic material, the bending element itself can form the counter-electrode for these two control electrodes of the cover substrates.
  • cover substrates and in particular even both cover substrates can be embodied as an insulating cover substrate.
  • they can essentially be made of glass.
  • the glass or other insulating Material forms the main component of the respective substrate and additional elements, in particular in the form of local coatings, should not be excluded.
  • the named control electrodes and additional contact elements can be applied as further elements on the surface of the cover substrates.
  • control electrodes and contact elements can be arranged on the side of the cover substrates facing the bending element.
  • metallizations in the form of line elements and/or contact elements and/or other components, for example, can also be present on the outside of the cover substrates.
  • Electrical feedthroughs can be provided between the two main surfaces of the respective cover substrate, in particular in the form of so-called vias, which extend through the substrate perpendicularly to the substrate surface in order to electrically connect elements on the top and bottom.
  • conductive substrates can also be coated with an electrically insulating layer on the side facing the bending element, so that an electrically insulating cover substrate is formed purely functionally.
  • Such an electrically insulating layer can be a silicon dioxide layer or else a polymer layer, for example.
  • the cavity for the bending element can be formed by recesses in the two cover substrates.
  • these recesses can be arranged opposite one another in the two cover substrates and can correspond to one another in terms of their outline, so that a common cavity is formed as a result of their interaction.
  • the bending element can be correspondingly deflected upwards and downwards in this common cavity.
  • the metallizations of the two control electrodes are advantageously arranged in the area of the recesses of the respective cover substrates. In this way, the respective control electrode can interact electrostatically with the bending element arranged within the cavity.
  • the switching element can have a silicon-on-insulator layer system or part of such a layer system in the area between the two cover substrates.
  • a silicon-on-insulator (abbreviated: SOI) layer system includes, in particular, a silicon-insulator-silicon layer sequence.
  • one of the two silicon layers and particularly preferably both silicon layers can be monocrystalline silicon.
  • the insulator layer can preferably essentially be formed by a silicon dioxide layer (SiO 2 ). In particular, it can be implemented as a so-called buried oxide layer or BOX layer for short.
  • SOI technology which is known per se, enables a particularly precise definition of the layer thicknesses and the other material properties of the individual layers.
  • the bending element or at least a mechanically supporting part of the bending element can be essentially realized by one of these silicon layers.
  • the bending beam can be produced subtractively, for example by etching away surrounding areas of the silicon.
  • the layer of the cantilever is the thinner of the two silicon layers of a typical SOI substrate.
  • the mechanical connection of the bending element to the other areas of the component can be mediated in particular via an insulator layer of the SOI substrate.
  • the bending element can be coupled in its foot area via the insulator layer to a mechanically supporting part of the switching element.
  • the SOI layer system described no longer has to be completely preserved.
  • the originally thicker of the two silicon layers can be completely removed after the component has been completed.
  • the insulator layer can also be completely or at least partially removed. What is essential in this embodiment is that at least the bending beam has been produced from a partial layer of the SOI layer system.
  • the first cover substrate carries a first counter-contact, which can be electrically contacted with a first switching contact of the bending element in a first deflection position of the bending element.
  • a first counter-contact which can be electrically contacted with a first switching contact of the bending element in a first deflection position of the bending element.
  • the second cover substrate can also carry a second mating contact, which can be contacted with a second switching contact of the bending element in a second deflection position of the bending element.
  • the functioning of the second switching contact in interaction with the second counter-contact is analogous to that already described in connection with the first switching contact and the first counter-contact.
  • a pair of second mating contacts can be present, which can be electrically connected to one another by means of the second switching contact.
  • a second load circuit can be formed be, which is closed in the second deflection position of the bending element.
  • the bending element can then be used to switch between an “ON” position for the first load circuit and an “ON” position for the second load circuit.
  • the bending beam it is also possible for the bending beam to assume a central basic position, in which the switching element is switched to “OFF” with respect to both load switching circuits.
  • the bending element can be designed in such a way that this central basic position is assumed when the two control electrodes are in a voltage-free state.
  • the bending element can also be mechanically prestressed in the first or second deflection direction by the type of processing, so that the "ON" position of the first load circuit or the "ON" position of the second load circuit is the basic position of the switching element forms.
  • Such a bias can be achieved, for example, as in the not yet published European patent application with the application file number 20182568.4 is described. This application should therefore also be included in the disclosure of the present application.
  • the configuration with a second switching contact and a second mating contact is particularly advantageous since it can be used to form a changeover switch.
  • a changeover switch is also referred to as a changeover relay and enables switching between two load circuits.
  • An input line can thus be optionally connected to a first or a second output line. This can be implemented, for example, by electrically connecting an individual contact of the upper contact pair via a via to an individual contact of the lower contact pair, so that the two individual contacts are connected together to the input line.
  • the realization of a changeover switch is particularly advantageous for applications in telecommunications, for example, or for all types of logic circuits in which switching between two or more exits is desirable.
  • a combination of several such switching elements, in particular connected in series can also be used to switch between more than two outputs.
  • the superordinate device can have an array of a plurality of switching elements according to the invention.
  • Such an array can be a parallel connection and/or a series connection of several such switching elements.
  • a parallel connection of several switching elements can be used in particular to increase the current carrying capacity of the entire device compared to a single switching element.
  • a series connection of a plurality of switching elements can be used in particular to increase the electric strength compared to a single switching element.
  • the number of individual switching elements in the array can be aligned with the respective specifications. For example, it can be a few 10 to a few 1000 switching elements and even be several hundred thousand for higher power ranges.
  • the device in addition to the at least one switching element, it can comprise one or more semiconductor elements electrically connected in series or parallel thereto.
  • This can be, for example, transistors or other semiconductor switching elements, as in the WO2018028947A1 described.
  • the additional semiconductor elements can be manufactured on the same substrate as the bending element, that is to say they can be monolithically integrated, or they can in principle also be manufactured on a different substrate and only subsequently connected to the switching element.
  • the higher-level device can be designed for use in very different applications.
  • it can be designed as a switching device or contactor, as a converter or as an inverter, as a logic circuit and/or as a logic gate.
  • the switching device or contactor can in particular be a device for a low-voltage or medium-voltage network.
  • the device can also be a programmable logic controller, in particular a controller for an industrial plant. Switching elements according to the invention can be used, for example, in an input stage, an output stage and/or in a safety relay of such a system controller.
  • the bending element can be obtained by subtractive manufacturing from a silicon-on-insulator layer system, as has already been described above for the corresponding embodiment of the switching element.
  • the bending element can be formed by exposing part of a silicon layer of the SOI layer system.
  • the production method can include a large number of further optional production steps, which are known in principle from MEMS and semiconductor processing in particular.
  • additional metallization steps can be provided, for example in the form of a coating by vapor deposition, sputtering or galvanic deposition.
  • the metallic layers for the electrodes and/or contact elements can include, for example, gold, chromium or silver or other metals that are common in semiconductor production.
  • the (complete or partial) removal of individual layers can take place, for example, by etching and/or mechanical/chemical polishing and/or by a lift-off process.
  • etching processes such as chemical etching with hydrofluoric acid, reactive ion etching (RIE for "reactive ion etching” or DRIE for "deep reactive ion etching") can be used for the defined removal of (partial) layers.
  • RIE reactive ion etching
  • DRIE deep reactive ion etching
  • the respective substrates can be handled during production by gripping and positioning individual "functional substrates" of the component, e.g. the SOI and cover substrates.
  • a functional substrate can also be held during processing by an additional carrier substrate and, so to speak, carried piggyback through the process by this.
  • Such an additional carrier substrate can be removed in a simple manner, for example by a so-called tilt-release step, without the functional substrates being damaged in the process.
  • FIG 1 shows a microelectromechanical switching element 1, which is known from the prior art.
  • This switching element is structured in a similar way to that in DE102017215236A1 described, but it is shown here in a somewhat simplified manner for the sake of clarity.
  • the switching element has a silicon-on-insulator layer system 50, which here includes a first silicon layer 51, then a first oxide layer 52 and then a second silicon layer 53.
  • the layer 53 can also be followed by a second oxide layer as part of the SOI layer system 50 or at least have been present here during production.
  • a flexible element 10 is defined from this SOI layer system 50 and in particular from its second silicon layer 53 by subtractive production and is then released.
  • the production of the bending element includes the removal of the surrounding areas of the silicon layer 53 and the local removal of the parts of the layers 51 and 52 adjoining the bending element 10. In this way, a bending element 10 that can be deflected in the direction of thickness d was produced, similar to that in FIG DE102017215236A1 described.
  • the other manufacturing steps can be analogous to that DE102017215236A1 be performed.
  • the foot area 10a of the bending element in which this is mechanically connected to the remaining parts of the SOI layer system, is designed and shown here in a somewhat simplified manner.
  • the foot area 10a can also be analogous to DE102017215236A1 or the not yet published European patent application 20182568.4 be designed.
  • a cover substrate 100 which can be made of glass, for example.
  • This cover substrate 100 can have been connected to the remaining layers of the SOI layer system 50 by a wafer bonding step, for example.
  • the cover substrate In the area of the bending beam, the cover substrate has a recess so that together with the removed parts of the layers 51 and 52 a cavity is formed in which the bending element 10 can be deflected.
  • a control electrode 110 is provided on the cover substrate 100 in the region above the bending element 10 . By applying voltage of the control electrode 110, a deflection of the bending element can be electrostatically actuated.
  • the bending element 10 If the bending element 10 is deflected upwards in direction d, its end region can be brought into contact with the cover substrate to such an extent that a switching contact 11 applied to the bending element 10 and a counter-contact 120 applied in the recess of the cover substrate 100 are electrically connected to step. In this way, the switching element can be switched to "ON", and an associated load circuit can be closed with the switching element 1.
  • the switching element 1 shown can be present as part of a higher-level device, which in particular can have an array of switching elements that are similar to one another.
  • a MEMS array can be constructed monolithically from the same substrates.
  • the area shown is to be understood as a section from a larger component, with the lateral layers extending even further to the right and left (and of course also perpendicular to the plane of the paper) and in these spatial directions can also include other similarly constructed switching elements.
  • figure 2 shows a perspective detail view of such a conventional switching element, which is particularly similar to the switching element in terms of its layer sequence figure 1 can be constructed.
  • the spatial orientation is the opposite of that figure 1 selected so that the direction d points downwards here and the cover substrate 100 lies below the bending element 10 .
  • the foot area 10a of the bending element this is connected to the other layers of the SOI layer system 50 and connected to the covering substrate 100 via the planar wafer connection.
  • the bending element is relatively wide and electrostatically interacts with the control electrode 110 on the cover substrate, in particular when a voltage is applied to it via the control circuit outlined.
  • the bending element is also relatively wide and carries a switching contact that is not visible here.
  • FIG 3 shows a schematic cross-sectional representation of a switching element 1 according to a first example of the invention.
  • the basic functionality is analogous to the functionality of the conventional switching element 1 of Figures 1 and 2 , unless otherwise described below. In particular, this functionality is expanded as described below.
  • the switching element 1 of the invention figure 3 a bending element 10 which can be deflected perpendicularly to the substrate plane.
  • the bending element is produced subtractively from a silicon-on-insulator layer system, for example from a silicon layer 53 of such a layer system.
  • the component is covered at the top by a first cover substrate 100, which has a recess in the region of the bending element and carries a first control electrode 110 and a first mating contact 120 (or a pair of such mating contacts) there.
  • the bending element 1 has a first switching contact 11, which can be brought into connection with the at least one counter-contact when it is deflected upwards. The deflection can also be brought about here by applying a voltage to the control electrode 110 .
  • the first silicon layer and the first oxide layer of the SOI layer system have been removed from the underside of the component.
  • the component is covered here by a second cover substrate 200, which is designed analogously to the first cover substrate 100 and can therefore also be essentially made of glass.
  • This second cover substrate was connected to the remaining layers of the SOI layer system (here the silicon layer 53) by a planar connection in a wafer bonding step. This flat connection also results in an encapsulation of the component towards the bottom.
  • the planar connection is only interrupted in the immediate vicinity of the bending element 10, since the second cover substrate 200 has a recess here, which together with the corresponding recess in the first cover substrate forms a superordinate cavity 300 in which the bending element 10 can be moved .
  • the second cover substrate 200 also has a control electrode in the area of the bending element 10 .
  • This second control electrode is labeled 210 here.
  • a movement of the bending element in two opposite deflection directions r1 and r2 can be brought about. This movement can be controlled much more precisely according to a desired characteristic than is possible with only one control electrode in the conventional switching element.
  • the switching element of the figure 3 have further features, which, however, are to be regarded as optional in connection with the present invention and these only in particular advantageously further develop:
  • the bending element can have a second switching contact 21 on its underside (ie opposite to the first switching contact).
  • the second cover substrate 200 can have one or more second mating contacts 220 in the corresponding area, which can be brought into an electrically conductive connection with the second switching contact 21 when the bending element is deflected downwards.
  • the switching element forms a changeover switch which can switch over between a first load circuit and a second load circuit. The first load circuit is closed when the first switching contact 11 is connected to the at least one first mating contact 120, and the second load circuit is closed when the second switching contact 21 is connected to the at least one second mating contact 220.
  • the choice of materials for the individual layers and elements can, for example, be analogous to that already cited DE102017215236A1 be designed.
  • the layer thicknesses and other properties can also be configured analogously to the embodiments there.
  • the configuration of the foot area of the bending element can deviate from the simplified form shown here analogously, as in FIG DE102017215236A1 or the as yet unpublished European application 20182568.4 be realised.
  • FIG. 4 shows a sequence of selected process stages for an exemplary manufacturing method according to the present invention. So shows figure 4 an intermediate stage in the manufacture of the switching element figure 3 , which largely in analogous process control as in the Figures 1 to 13 the DE102017215236A1 was produced.
  • This local opening can be made, for example, by lithographic structuring and an etching process.
  • a metallic layer can then be deposited in the region of this opening 52a, as a result of which the second switching contact 21 is formed here. This corresponds to the stage of figure 7 .
  • the residual layer 52 can be removed (for example, again by an etching step), whereby the in figure 8 stage shown is reached.
  • the component that has been thinned down in this way is connected areally to the second cover substrate 200 in a second wafer bonding step.
  • this second cover substrate was provided with at least one recess 205 analogously to the first cover substrate 100 and provided there with the control electrode 210 and the optional second counter-contact (or a corresponding pair of counter-contacts), analogously to the processing of the first cover substrate 100 and thus to the "glass wafer”.
  • the DE102017215236A1 the structuring or generation of the second switching contact is in accordance with the Figures 6 and 7 to be regarded as optional within the scope of the present invention. What is important, however, is that the component is covered on both sides by two cover substrates 100, 200 with their corresponding recesses 105 and 205 and the fact that in each of these two cover substrates 100 and 200 an associated control electrode 110 or 210 is formed.
  • FIGS. 10 to 12 Schematic views are shown for an exemplary realization of a contact topology, with which in particular the functionality of a changeover switch can be achieved.
  • the figures each show a view along the thickness direction d, with the same detail being shown in each case, but different partial planes (partially superimposed).
  • figure 10 shows the bending element 10 in its end region together with the first switching contact 11 arranged thereon this figure shows the first mating contacts arranged in the region of the first cover substrate, ie overlying it.
  • there is a pair of first mating contacts namely a first input contact 121 and a first output contact 122.
  • These two contacts 121 and 122 become electrically conductive with the first switching contact 11 and thus also with one another when the bending beam is correspondingly deflected towards the first cover substrate tied together.
  • figure 11 shows the same bending element 10 together with the second switching contact 21, which is arranged on the second cover substrate 200 facing surface of the bending element.
  • this figure shows the second counter-contacts arranged in the region of the second cover substrate, that is to say underneath.
  • the figures 10 and 11 also show a via 400, through which the two input contacts 121 and 221 are connected across the component levels to form a higher-level input. Depending on the deflection position of the bending element, the input can thus alternatively be connected either to a first output or to a second output.
  • figure 12 finally shows an overlay of the figures 10 and 11 elements already shown, through which this switching from a common input (connected contacts 121 and 221) to two alternative outputs (122 or 222) is illustrated.
  • figure 13 finally shows a schematic cross-sectional representation of a switching element 1 according to a further example of the invention.
  • the area around the flexure 10 with its surrounding control electrodes and contacts is analogous to, for example, FIG figure 3 designed.
  • the example of figure 13 differs This is essentially due to the fact that the two control electrodes 110 and 120 are connected here to contact points located on the surface of these cover substrates by two vias 400 passed through the two cover substrates 100 and 200 .
  • the second mating contact 220 is also connected here by such a via 400 to a contact point in the region of the covering substrate 100 lying opposite.
  • the first mating contact or optionally present further contacts (not shown here) (e.g.

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Abstract

Es wird ein mikroelektromechanisches Schaltelement (1) angegeben, umfassend- ein Biegeelement (10) mit wenigstens einem an dem Biegeelement angeordneten ersten Schaltkontakt (11),wobei das Biegeelement (10) aus einer zentralen Stellung (p0) heraus in zwei gegenüberliegende Auslenkungsrichtungen (r1,r2) auslenkbar ist,- sowie ein erstes Decksubstrat (100) und ein zweites Decksubstrat (200),- wobei die beiden Decksubstrate (100,200) so ausgebildet sind, dass das Biegeelement (10) in einem Hohlraum (300) zwischen den beiden Decksubstraten (100,200) angeordnet ist,- und wobei jedes der beiden Decksubstrate (100, 200) im Bereich des Biegeelements (10) eine Steuerelektrode (110, 210) aufweist, mit welcher eine Auslenkung des Biegeelements (10) beeinflusst werden kann.Weiterhin wird eine Vorrichtung mit einem solchen Schaltelement (1) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaltelements (1) angegeben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches Schaltelement, das ein Biegeelement mit wenigstens einem an dem Biegeelement angeordneten ersten Schaltkontakt umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einem solchen Schaltelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaltelements.
  • Aus dem Stand der Technik sind mikroelektromechanische Schaltelemente grundsätzlich bekannt und werden in der Fachwelt auch als MEMS-Schalter bezeichnet. Es handelt sich dabei um mechanische Festkörper-Schaltelemente, welche im Mikrometer- bis Nanometer-Bereich strukturiert sind und elektrostatisch aktuierte Biegeelemente umfassen, so dass sie durch die Änderung einer elektrischen Spannung geschaltet werden können. Häufig wird eine Mehrzahl solcher einzelner MEMS-Schalter zu einem Array angeordnet, insbesondere um eine hinreichend große Stromtragfähigkeit und/oder Spannungsfestigkeit zu erreichen. Solche MEMS-Schalter und darauf aufbauende Schaltvorrichtungen werden beispielsweise in der DE102017215236A1 und der WO2018028947A1 beschrieben.
  • Nachteilig bei den MEMS-Schaltern nach dem Stand der Technik ist, dass die Biegeelemente typischerweise relativ hohe Kräfte benötigen, um von ihrer Grundstellung in eine ausgelenkte Stellung gebracht zu werden. Oder anders ausgedrückt sind die Biegeelemente typischerweise so ausgelegt, dass sie in der ausgelenkten Stellung eine relativ hohe mechanische Rückstellkraft ausüben, durch welche sie sich nach Wegfall der Schaltspannung eigenständig in ihre Grundstellung zurückstellen können. Mit dieser hohen Rückstellkraft ist einerseits der Vorteil verbunden, dass die Schaltelemente nach Wegfall der Schaltspannung sehr zuverlässig zurück in die Grundposition gelangen und nicht im ausgelenkten Zustand festkleben.
  • Allerdings ist damit auch der Nachteil verbunden, dass für die Bewegung des Biegeelements in seine ausgelenkte Stellung eine betragsmäßig vergleichsweise hohe Schaltspannung erforderlich ist. Die Schaltspannung ist die Spannung, die zwischen einem Bereich des Biegeelements und einer gegenüberliegenden Steuerelektrode angelegt wird, um durch die elektrostatische Kraft eine Auslenkung des Biegeelements zu bewirken. Bei herkömmlichen MEMS-Schaltern liegen diese Schaltspannungen häufig bei einigen 10 V. Außerdem ist bei herkömmlichen Schaltelementen die Schaltdauer oft unerwünscht lang, was ebenfalls auf die beschriebene steife Ausführung der Biegeelemente zurückzuführen sein kann: Zumindest bei einer fest vorgegebenen Schaltspannung führt eine steifere Ausführung des Biegeelements zu einer höheren Schaltdauer.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schaltelement zur Verfügung zu stellen, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Schaltelement zur Verfügung gestellt werden, welches mit einer vergleichsweise niedrigen Schaltspannung schaltbar ist und/oder welches vergleichsweise schnell schaltbar ist. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung mit einem solchen Schaltelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaltelements anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Schaltelement, die in Anspruch 11 beschriebene Vorrichtung und das in Anspruch 14 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst.
  • Das erfindungsgemäße mikroelektromechanische Schaltelement weist ein Biegeelement mit wenigstens einem an dem Biegeelement angeordneten ersten Schaltkontakt auf, wobei das Biegeelement aus einer zentralen Stellung heraus in zwei gegenüberliegende Auslenkungsrichtungen auslenkbar ist. Das Schaltelement weist ferner ein erstes und ein zweites Decksubstrat auf, wobei die beiden Decksubstrate so ausgebildet sind, dass das Biegeelement in einem Hohlraum zwischen den beiden Decksubstraten angeordnet ist. Dabei weist jedes der beiden Decksubstrate im Bereich des Biegeelements eine Steuerelektrode auf, mit welcher eine Auslenkung des Biegeelements beeinflusst werden kann.
  • Unter einem mikroelektromechanischen Schaltelement soll hier ein Schaltelement verstanden werden, welches mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik hergestellt wird. Dabei wird unter dem Begriff Mikrosystemtechnik ganz allgemein die Technik verstanden, die in der Lage ist, mikroskopisch kleine mechanisch wirksame Komponenten herzustellen, beispielsweise Schalter oder Zahnräder, die eine Bewegung vollziehen können. Unter dem Begriff der Mikrosystemtechnik soll hier im weiteren Sinne auch die Nanosystemtechnik eingeschlossen sein, welche entsprechende Strukturen im Submikrometer- bis Nanometerbereich ermöglicht. Allgemein wird hier in der Regel auf Technologien zurückgegriffen, die aus der Halbleiterfertigung grundsätzlich bekannt sind. Solche MEMS-Schalter können auf Glas- und/oder Halbleiter-Substraten (sogenannten Wafern), beispielsweise aus Silizium oder Galliumarsenid gefertigt werden. Die Länge eines MEMS-Schaltelements beträgt hierbei weniger als 1mm, bevorzugt weniger als 100 µm. Hierbei ist das größte konstruktives Element eines einzelnen MEMS-Schaltelements typischerweise das Biegeelement. Dieses Biegeelement ist zweckmäßigerweise länglich geformt, um eine definierte, rückfedernde Auslenkung nach Art einer geraden Blattfeder zu ermöglichen. Das Biegeelement wird daher in den Fachkreisen häufig auch als Biegebalken oder als Schaltzunge bezeichnet. Grundsätzlich sind aber auch andere Proportionen möglich.
  • Das Biegeelement befindet sich in einem inneren Hohlraum des übergeordneten Schaltelement-Bauteils, welches aus mehreren flächigen Substraten zusammengesetzt ist und somit insgesamt als flächiges Bauteil vorliegt. Bei horizontaler Ausrichtung ist dieses Bauteil "oben" und "unten" (also zu seinen beiden Hauptflächen hin) nach außen durch zwei Decksubstrate abgedeckt und zwar so, dass der innere Hohlraum durch diese beiden Decksubstrate begrenzt ist. Bei herkömmlichen MEMS-Schaltelementen ist der Bereich des Biegeelements dagegen typischerweise nur einseitig durch ein Decksubstrat begrenzt, welches z.B. wie in der DE102017215236A1 als Glaswafer ausgebildet sein kann. Dieses Decksubstrat trägt bei den bekannten MEMS-Schaltern die Steuerelektrode, welche gegenüber dem Biegebalken platziert ist und auf welcher die Schaltspannung aufgebracht wird. Diese Steuerelektrode wird im Stand der Technik zum Teil auch als Gate-Elektrode bezeichnet. Durch elektrostatische Wechselwirkung zwischen der Steuerelektrode und dem Biegeelement kann das Biegeelement ausgelenkt werden. Z.B. kann es aufgrund von elektrostatischer Anziehung in Richtung des Decksubstrats bewegt werden, so dass es bei dieser Auslenkung zur Ausbildung eines elektrischen Kontakts zwischen einem Kontaktelement des Biegebalkens und einem Kontaktelement des Decksubstrats kommen kann.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Schaltelements ist, dass der Hohlraum hier von zwei Decksubstraten begrenzt ist und dass jedes dieser beiden Decksubstrate eine zugeordnete Steuerelektrode im Bereich des Biegebalkens trägt. Insbesondere kann dann mit jeder dieser beiden Steuerelektroden durch temporäres Anlegen einer Schaltspannung eine Auslenkung des Biegeelements beeinflusst bzw. bewirkt werden. Da diese beiden Steuerelektroden (bei horizontaler Ausrichtung des Bauteils betrachtet) oberhalb und unterhalb des Biegeelements liegen, kann dieses Biegeelement somit aktiv sowohl von oben als auch von unten aus bewegt werden. Insbesondere werden damit kontrollierte Auslenkungen von einer zentralen Stellung aus nach oben und unten ermöglicht. Zwar kann prinzipiell auch nur mit einer Steuerelektrode eine Auslenkung nach oben oder unten bewirkt werden, indem z.B. durch mittels einer obenliegenden Steuerelektrode je nach gewünschter Bewegungsrichtung eine anziehende oder eine abstoßende elektrostatische Kraft bewirkt wird. Die letztgenannte Variante ist technisch aber deutlich schwerer zu realisieren. In jedem Fall ermöglicht die Aktuierung mit zwei separaten gegenüberliegenden Steuerelektroden eine wesentlich kontrolliertere und präzisere Führung der Bewegung. Insbesondere kann durch elektrostatische Anziehung mittels der oberen Steuerelektrode von einer zentralen Stellung aus eine Auslenkung nach oben bewirkt werden, und durch elektrostatische Anziehung mittels der unteren Steuerelektrode kann eine Auslenkung nach unten bewirkt werden. Auf diese Weise kann besonders kontrolliert zwischen einer zentralen Stellung, einer nach oben ausgelenkten Stellung und einer nach unten ausgelenkten Stellung des Biegeelements gewechselt werden. Beispiels kann es sich bei der zentralen Stellung um eine Grundstellung des Biegeelements handeln, in welche sich das Biegeelement ohne die Einwirkung elektrostatischer Kräfte selbsttätig zurückstellt. Prinzipiell könnte aber auch eine Vorspannung des Biegeelements vorliegen, so dass auch eine nach "oben" (also zum ersten Decksubstrat) oder eine nach "unten" (also zum zweiten Decksubstrat) ausgelenkte Stellung die mechanische Grundstellung bilden kann.
  • Allgemein und unabhängig von der genauen Ausgestaltung ist das Biegeelement beim erfindungsgemäßen Schaltelement zwischen den beiden Steuerelektroden angeordnet, so dass es durch das Zusammenspiel beider Steuerelektroden elektrostatisch aktuiert werden kann. Hierdurch ergeben sich mehrere Vorteile für die Ansteuerung bzw. die Bewegung des Schalters: Zum einen kann das Biegeelement deutlich weicher ausgelegt werden, also mit anderen Worten eine niedrigere mechanische Rückstellkraft aufweisen, als wenn es nur mit einer Steuerelektrode ausgelenkt würde. Dies liegt daran, dass beispielsweise nach einer elektrostatischen Anziehung des Biegebalkens in Richtung der ersten Steuerelektrode die darauffolgende Rückstellung in Richtung der zweiten Steuerelektrode durch eine entsprechend anziehend wirkende Schaltspannung auf der zweiten Steuerelektrode unterstützt werden kann. Mit anderen Worten muss die Rückstellung aus einer ersten (elektrostatisch) ausgelenkten Position heraus nicht rein mechanisch erfolgen, sondern sie kann durch die zweite Elektrode auf einfache Weise elektrostatisch unterstützt werden. Ein weicheres Biegeelement mit einer kleineren Rückstellkraft ermöglicht andererseits aber auch den Einsatz von betragsmäßig niedrigeren Schaltspannungen im Vergleich zum Stand der Technik (auf beiden Steuerelektroden).
  • Trotz einer weicheren Ausgestaltung des Biegeelements kann beim erfindungsgemäßen Schaltelement ein Ankleben des Biegeelements in einem ausgelenkten Zustand zuverlässig verhindert werden, da die zweite Steuerelektrode durch die Ausbildung einer elektrostatischen Rückstellkraft das Ablösen aus dem ausgelenkten Zustand unterstützen kann. Weitere Vorteile ergeben sich für die Dynamik des Schaltverhaltens, da mit den beiden Steuerelektroden und dem weicheren Biegeelement allgemein ein schnellerer und bei Bedarf auch ein dynamisch gesteuerter Schaltvorgang ermöglicht wird. So können an den Steuerelektroden nicht nur binäre Schaltsignale (Schaltspannung an oder aus) angelegt werden, sondern es können komplexere Spannungsprofile angelegt werden. Insbesondere durch das Zusammenspiel von beiden gegenüberliegenden Steuerelektroden kann dann die Bewegung des Biegeelements besonders genau kontrolliert werden. So kann beispielsweise das Biegeelement durch Einschalten der Schaltspannung auf der ersten Steuerelektrode (bei Überschreiten der sogenannten "Pull-In-Spannung") in Richtung dieser ersten Steuerelektrode bewegt werden. Mit einem geeigneten Spannungsprofil auf der gegenüberliegenden zweiten Steuerelektrode kann zusätzlich ein Abbremsen kurz vor dem mechanischen Auftreffen des Biegeelements bewirkt werden, was die mechanische Belastung des Biegeelements (und seiner Kontaktelemente) verringert und somit die Lebensdauer des Schaltelements deutlich verlängern kann. Allgemeiner ausgedrückt können durch geeignete Spannungsprofile an den beiden Steuerelektroden vorbestimmte Schaltcharakteristiken und somit die entsprechenden Bewegungs-Kennlinien des Biegeelements wesentlich genauer erreicht werden als nur mit einer Steuerelektrode. So ist es insbesondere auch möglich, bei der Rückstellung aus einer ausgelenkten Position des Biegeelements und einer damit einhergehenden elektrischen Trennung der entsprechenden Kontaktelemente nicht nur in die Grundstellung zurückzukehren, sondern das Biegeelement über die neutrale Grundstellung hinaus temporär zu "überbiegen". Auf diese Weise kann ein Lichtbogen zwischen den gerade getrennten Kontaktelementen wesentlich zuverlässiger gelöscht werden, als wenn nur die Grundstellung erreicht würde, da der Abstand der Kontaktelemente erhöht wird und somit das elektrische Feld weiter verringert wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein erfindungsgemäßes Schaltelement oder ein Array von mehreren solchen erfindungsgemäßen Schaltelementen als Teilelement(e) auf. Unabhängig von dem speziellen Anwendungszweck der Vorrichtung ergeben sich ihre Vorteile analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Schaltelements, insbesondere im Hinblick auf eine verringerte Schaltspannung, kürzere Schaltzeit und/oder eine präzisere Einstellung eines gewünschten Bewegungsprofils.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaltelements. Dabei wird das Biegeelement durch subtraktive Fertigung aus wenigstens einer flächigen Schicht gebildet und anschließend freigestellt. Diese, das Biegeelement ausbildende Schicht bzw. das diese Schicht enthaltende Schichtsystem wird durch insgesamt zwei Waferbond-Schritte mit dem ersten Decksubstrat und dem zweiten Decksubstrat verbunden. Unter der "subtraktiven Fertigung" des Biegeelements soll verstanden werden, dass innerhalb der flächigen Schicht in einem Bereich um das Biegeelement herum Material entfernt wird, so dass das Biegeelement innerhalb seiner Schicht nach Art einer Insel oder zumindest nach Art einer Halbinsel stehenbleibt. Damit wird das Biegeelement sozusagen vom "Festland" (also den umgebenden Bereichen derselben Schicht) so weit abgetrennt, dass es prinzipiell unabhängig von diesen Bereichen ausgelenkt werden kann. Es verbleibt höchstens noch eine Art Steg im Fußbereich des Biegeelement, durch den es mit den übrigen Bereichen derselben Schicht verbunden sein kann.
  • Unter dem anschließenden "Freistellen" des Biegeelements soll verstanden werden, dass zumindest auf einem überwiegenden Teil der Längsausdehnung des Biegeelements die möglicherweise hier angrenzenden mechanisch tragenden flächigen Schichten auf beiden Hauptflächen (soweit noch vorhanden) entfernt werden, so dass das Biegeelement nach Art einer geraden Blattfeder senkrecht zur Schichtfläche nach oben und unten ausgelenkt werden kann. Typischerweise wird das Biegeelement in diesem Schritt schon zu einer seiner Hauptflächen hin freiliegen, so dass nur noch auf einer Rückseite eine mechanisch tragende benachbarte Schicht entfernt werden muss, um die benötigte Beweglichkeit zu ermöglichen.
  • Insgesamt wird in jedem Fall die Schicht, bzw. das Schichtsystem, welche(s) das Biegeelement enthält, durch insgesamt zwei Waferbond-Schritte mit dem ersten Decksubstrat und dem zweiten Decksubstrat verbunden. Dabei kann optional ein zusätzliches Trägersubstrat zum Einsatz kommen, welches beispielsweise das Schichtsystem des Biegeelements zunächst trägt, bevor dieses auf seiner freien Seite mit dem ersten Decksubstrat verbunden wird. Nach anschließender Entfernung dieses Trägersubstrats kann auch die gegenüberliegende Seite des Schichtsystems (die dann frei liegt), in ähnlicher Weise über einen Waferbond-Schritt mit dem zweiten Decksubstrat verbunden werden. Auf diese Weise wird ein Gesamtaufbau erreicht, bei dem das Schichtsystem, das das Biegeelement enthält, sandwichartig zwischen den beiden Decksubstrate eingeschlossen ist. Zweckmäßig wird in den beiden Decksubstraten vor dem jeweiligen Waferbond-Schritt in dem Bereich eine Ausnehmung geschaffen, in dem nach dem Bond-Schritt das Biegeelement angeordnet ist. Durch diese beiden Ausnehmungen wird der Hohlraum gebildet, in dem das Biegeelement im fertigen Zustand auslenkbar angeordnet ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1, 11 und 14 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Schaltelements, der Vorrichtung und des Herstellungsverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden. So kann insbesondere die erste Auslenkungsrichtung des Biegeelements einer Biegung in Richtung des ersten Decksubstrats entsprechen, und die zweite Auslenkungsrichtung kann einer Biegung in Richtung des zweiten Decksubstrats entsprechen. Mit anderen Worten kann das Biegeelement bei horizontaler Ausrichtung des insgesamt flächig geformten Bauteils nach "oben" und "unten" auslenkbar sein. Eine solche Beweglichkeit aus der Schichtebene des Biegeelements heraus ist mit einem blattfederartig geformten Biegeelement besonders einfach zu realisieren.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Biegeelement durch eine Spannungsbeaufschlagung der Steuerelektrode des ersten Decksubstrats in Richtung des ersten Decksubstrats auslenkbar, und sie ist durch eine Spannungsbeaufschlagung der Steuerelektrode des zweiten Decksubstrats in Richtung dieses zweiten Decksubstrats auslenkbar. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass jede der beiden Steuerelektroden zur Auslenkung des Biegeelements in die betreffenden Richtung temporär mit einer Schaltspannung beaufschlagt wird, durch welche eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen dem Biegeelement und dem zugeordneten Decksubstrat bewirkt wird. Alternativ kann die jeweilige Steuerelektrode aber grundsätzlich auch mit einer Schaltspannung beaufschlagt werden, die in einer abstoßenden elektrostatischen Kraft zwischen dem Biegeelement und dem zugeordneten Decksubstrat resultiert. Wesentlich ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vor allem, dass durch das Vorhandensein von zwei Steuerelektroden eine Bewegung des Biegeelements in beide Auslenkungsrichtungen separat aktuiert werden kann. Durch gleichzeitige Spannungsbeaufschlagung beider Steuerelektroden kann insbesondere allgemein eine besonders präzise Bewegungsführung nach einer vordefinierten Kennlinie erreicht werden.
  • Allgemein vorteilhaft kann das Biegeelement im Wesentlichen aus einem Halbleitermaterial gebildet sein. Dies ist besonders günstig, weil es für Einhaltung von definierten Schalteigenschaften vorteilhaft ist, wenn die mechanischen Eigenschaften des Biegeelements bei einem definierten Herstellungsprozess erstens von Bauteil zu Bauteil präzise reproduziert werden können und wenn sie zweitens für ein gegebenes Bauteil auch über eine längere Betriebsdauer hinweg stabil bleiben. Dies ist mit bekannten Halbleiter-Schichtsystemen gut zu erreichen, da die Prozessierung solcher Halbleiter gut beherrschbar ist und einen weit fortgeschrittenen Entwicklungsstand erreicht hat. Außerdem ist sie vergleichsweise kostengünstig. Besonders geeignet ist daher beispielsweise Silizium als Halbleitermaterial. Insbesondere monokristallines Silizium ist in seinen mechanischen und elektrischen Eigenschaften sehr reproduzierbar zu prozessieren und langzeitstabil.
  • Alternativ kann das Biegeelement aber auch im Wesentlichen aus einem Metall und/oder einem oder mehreren Dielektrika gebildet sein. "Im Wesentlichen" soll hier allgemein bedeuten, dass die genannten Materialien den Hauptbestandteil bilden, wobei andere zusätzliche Materialien z.B. in Form von Beschichtungen des Biegeelements nicht ausgeschlossen sein sollen. Insbesondere kann das Biegeelement ein oder mehrere Kontaktelemente tragen, welche in Form von strukturierten Metallisierungen auf das Biegeelement aufgebracht sein können. Wenn das Biegeelement im Wesentlichen aus einem dielektrischen Material gebildet ist, kann es zweckmäßig auf seiner Ober- und Unterseite jeweils eine Steuerelektrode tragen, welche im fertigen Schaltelement gegenüberliegend zur jeweiligen Steuerelektrode des Decksubstrats angeordnet ist. Bei einer Ausgestaltung des Biegeelements aus einem halbleitenden oder metallischen Material kann dagegen das Biegeelement selbst die Gegenelektrode zu diesen beiden Steuerelektroden der Decksubstrate ausbilden.
  • Allgemein vorteilhaft kann wenigstens eines der Decksubstrate und insbesondere sogar beide Decksubstrate als isolierendes Decksubstrat ausgebildet sein. Insbesondere können sie im Wesentlichen aus Glas gebildet sein. Auch hier soll dies so verstanden werden, dass das Glas oder ein anderes isolierendes Material den Hauptbestandteil des jeweiligen Substrats bildet und zusätzliche Elemente, insbesondere in Form von lokalen Beschichtungen, dabei nicht ausgeschlossen sein sollen. So können insbesondere die genannten Steuerelektroden sowie zusätzliche Kontaktelemente als weitere Elemente auf der Oberfläche der Decksubstrate aufgebracht sein. Insbesondere können Steuerelektroden und Kontaktelemente auf der dem Biegeelement zugewandten Seite der Decksubstrate angeordnet sein. Es können jedoch auch auf der Außenseite der Decksubstrate z.B. Metallisierungen in Form von Leitungselementen und/oder Kontaktelementen und/oder anderen Bauelementen vorhanden sein. Zwischen den beiden Hauptflächen des jeweiligen Decksubstrats können elektrische Durchführungen vorgesehen sein, insbesondere in Form von sogenannten Vias, welche sich senkrecht zur Substratoberfläche durch das Substrat hindurch erstrecken, um Elemente auf Ober- und Unterseite elektrisch zu verbinden. Alternativ können jedoch auch leitfähige Substrate auf der dem Biegeelement zugewandten Seite mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet sein, so dass rein funktional ein elektrisch isolierendes Decksubstrat gebildet ist. Eine solche elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise eine Siliziumdioxid-Schicht oder auch eine Polymerschicht sein.
  • Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann der Hohlraum für das Biegeelement durch Ausnehmungen in den beiden Decksubstraten gebildet sein. Insbesondere können diese Ausnehmungen in den beiden Decksubstraten einander gegenüberliegend angeordnet sein und in ihrem Grundriss einander entsprechen, so dass durch ihr Zusammenwirken ein gemeinsamer Hohlraum gebildet ist. In diesem gemeinsamen Hohlraum kann das Biegeelement entsprechend nach oben und unten ausgelenkt werden. Vorteilhaft sind die Metallisierungen der beiden Steuerelektroden im Bereich der Ausnehmungen der jeweiligen Decksubstrate angeordnet. Auf diese Weise kann die jeweilige Steuerelektrode in elektrostatische Wechselwirkung mit dem innerhalb des Hohlraums angeordneten Biegeelement treten.
  • Allgemein vorteilhaft kann das Schaltelement im Bereich zwischen den beiden Decksubstraten ein Silicon-on-Insulator-Schichtsystem oder einen Teil eines solchen Schichtsystems aufweisen. Ein Silicon-on-Insulator (abgekürzt: SOI) Schichtsystem umfasst insbesondere eine Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge. Vorteilhaft kann es sich bei einer der beiden Silizium-Schichten und besonders bevorzugt bei beiden Silizium-Schichten um monokristallines Silizium handeln. Die Isolator-Schicht kann bevorzugt im Wesentlichen durch eine Siliziumdioxid-Schicht (SiO2) gebildet sein. Sie kann insbesondere als sogenannte vergrabene Oxidschicht (englisch: "buried oxide" oder kurz BOX-Schicht) realisiert sein. Die an sich bekannte SOI-Technologie ermöglicht eine besonders präzise Definition der Schichtdicken und der sonstigen Materialeigenschaften der einzelnen Schichten. So kann insbesondere das Biegeelement oder zumindest ein mechanisch tragender Teil des Biegeelements im Wesentlichen durch eine dieser Silizium-Schichten realisiert sein. Dabei kann eine subtraktive Fertigung des Biegebalkens beispielsweise durch Wegätzen von umgebenden Bereichen des Siliziums erfolgen. Die Schicht des Biegebalkens ist insbesondere die dünnere der beiden Silizium-Schichten eines typischen SOI-Substrats. Die mechanische Anbindung des Biegeelements an die übrigen Bereiche des Bauteils kann insbesondere über eine Isolator-Schicht des SOI-Substrats vermittelt sein. Mit anderen Worten kann das Biegeelement in seinem Fußbereich über die Isolatorschicht an einen mechanisch tragenden Teil des Schaltelements angekoppelt sein. Diese und weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsvarianten des SOI-Schichtsystems und seiner Prozessierung werden ausführlicher in der DE102017215236A1 beschrieben, welche daher in ihrer Gesamtheit in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung mit einbezogen sein soll.
  • Beim fertigen erfindungsgemäßen Bauteil muss das beschriebene SOI-Schichtsystem allerdings nicht mehr vollständig erhalten sein. Insbesondere kann die ursprünglich dickere der beiden Silizium-Schichten nach Fertigstellung des Bauteils vollständig entfernt sein. Auch die Isolatorschicht kann vollständig oder zumindest in Teilbereichen entfernt sein. Wesentlich bei dieser Ausführungsform ist, dass zumindest der Biegebalken aus einer Teilschicht des SOI-Schichtsystems hergestellt worden ist.
  • Allgemein ist es zweckmäßig, wenn das erste Decksubstrat einen ersten Gegenkontakt trägt, welcher in einer ersten Auslenkungsstellung des Biegeelements mit einem ersten Schaltkontakt des Biegeelements elektrisch kontaktierbar ist. Es soll also, wenn das Biegeelement zum ersten Decksubstrat hin ausgelenkt ist und in seinem Endbereich mit diesem in Berührung ist, ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Schaltkontakt des Biegeelement und einem auf dem ersten Decksubstrat gegenüberliegend angeordneten ersten Gegenkontakt vermittelt werden. Besonders bevorzugt trägt das erste Decksubstrat sogar ein Paar von ersten Gegenkontakten, welche beide mit dem ersten Schaltkontakt des Biegeelements kontaktiert werden können. Auf diese Weise wird also in der ersten Auslenkungsstellung das Paar von ersten Gegenkontakten elektrisch miteinander verbunden. Diese beiden ersten Gegenkontakte können als sogenannte Lastkontakte eines ersten Last-Schaltkreises ausgebildet sein. So kann mittels des ersten Schaltkontakts der erste Last-Schaltkreis geschlossen werden. Bezüglich des ersten Last-Schaltkreises handelt es sich dann also um eine "ON"-Position des Schaltelements.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann außerdem das zweite Decksubstrat einen zweiten Gegenkontakt tragen, welcher in einer zweiten Auslenkungsstellung des Biegeelements mit einem zweiten Schaltkontakt des Biegeelements kontaktierbar ist. Die Funktionsweise des zweiten Schaltkontakts im Zusammenspiel mit dem zweiten Gegenkontakt ist analog wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Schaltkontakt und ersten Gegenkontakt beschrieben. So kann auch hier, auf dem zweiten Decksubstrat, insbesondere ein Paar von zweiten Gegenkontakten vorliegen, welche mittels des zweiten Schaltkontakts elektrisch miteinander verbunden werden können. Auf diese Weise kann insbesondere ein zweiter Last-Stromkreis gebildet sein, welcher in der zweiten Auslenkungsstellung des Biegeelements geschlossen ist. Mit anderen Worten kann dann mit dem Biegeelement zwischen einer "ON"-Position für den ersten Last-Schaltkreis und einer "ON"-Position für den zweiten Last-Schaltkreis umgeschaltet werden. Prinzipiell ist auch die Einnahme einer zentralen Grundstellung des Biegebalkens möglich, bei der das Schaltelement bezüglich beider Last-Schaltkreise auf "OFF" geschaltet ist.
  • Das Biegeelement kann so ausgelegt sein, dass diese zentrale Grundstellung in einem spannungslosen Zustand der beiden Steuerelektroden eingenommen wird. Alternativ kann das Biegeelement aber auch durch die Art der Prozessierung in die erste oder zweite Auslenkungsrichtung mechanisch vorgespannt sein, so dass die "ON"-Stellung des ersten Last-Schaltkreises oder die "ON"-Stellung des zweiten Last-Schaltkreises die Grundstellung des Schaltelements bildet. Eine solche Vorspannung kann beispielsweise so erreicht werden, wie es in der noch nicht offengelegten europäischen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 20182568.4 beschrieben ist. Auch diese Anmeldung soll daher in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung einbezogen sein.
  • Die Ausgestaltung mit einem zweiten Schaltkontakt und einem zweiten Gegenkontakt ist besonders vorteilhaft, da mit ihr ein Wechselschalter ausgebildet werden kann. Ein solcher Wechselschalter wird auch als Wechslerrelais bezeichnet und ermöglicht ein Umschalten zwischen zwei Last-Schaltkreisen. Eine Eingangsleitung kann somit wahlweise mit einer ersten oder einer zweiten Ausgangsleitung verbunden werden. Dies kann z.B. dadurch realisiert werden, dass ein Einzelkontakt des obenliegenden Kontaktpaars über ein Via mit einem Einzelkontakt des untenliegenden Kontaktpaars elektrisch verbunden wird, so dass die beiden Einzelkontakte zusammen mit der Eingangsleitung verbunden sind. Die Realisierung eines Wechselschalters ist beispielsweise für Anwendungen in der Telekommunikation besonders vorteilhaft oder für alle Arten von Logikschaltungen, bei denen ein Umschalten zwischen zwei oder mehr Ausgängen wünschenswert ist. Durch eine Kombination von mehreren solchen Schaltelementen, insbesondere in Serienschaltung, kann auch ein Umschalten zwischen mehr als zwei Ausgängen erfolgen.
  • Allgemein und unabhängig von der genauen Ausgestaltung des einzelnen Schaltelements kann die übergeordnete Vorrichtung ein Array von mehreren erfindungsgemäßen Schaltelementen aufweisen. Ein solches Array kann eine Parallelschaltung und/oder eine Serienschaltung von mehreren solchen Schaltelementen sein. Eine Parallelschaltung mehrerer Schaltelemente kann insbesondere dazu dienen, die Stromtragfähigkeit der gesamten Vorrichtung im Vergleich zu einem einzelnen Schaltelement zu erhöhen. Eine Serienschaltung mehrerer Schaltelemente kann insbesondere dazu dienen, die Spannungsfestigkeit im Vergleich zu einem einzelnen Schaltelement zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Verwendung eines Arrays dazu beitragen, dass die Vorrichtung die Spezifikationen eines Leistungsschalters einer elektrischen Energieverteilerleitung - insbesondere in einem Niederspannungs- oder Mittelspannungsnetz - erfüllt. Die Anzahl der einzelnen Schaltelemente in dem Array kann dabei an den jeweiligen Spezifikationen ausgerichtet werden. Sie kann beispielsweise bei einigen 10 bis einigen 1000 Schaltelementen liegen und für höhere Leistungsbereiche sogar mehrere hunderttausend betragen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung kann diese neben dem wenigstens einen Schaltelement ein oder mehrere dazu elektrisch in Serie oder parallel geschaltete Halbleiterelemente umfassen. Dabei kann es sich beispielsweise um Transistoren oder andere Halbleiterschaltelemente handeln, wie in der WO2018028947A1 beschrieben. Die zusätzlichen Halbleiterelemente können dabei grundsätzlich auf demselben Substrat wie das Biegeelement gefertigt sein, also monolithisch integriert sein, oder sie können prinzipiell auch auf einem anderen Substrat gefertigt und erst nachträglich mit dem Schaltelement verbunden sein.
  • Die übergeordnete Vorrichtung kann für den Einsatz in ganz unterschiedlichen Anwendungen ausgelegt sein. So kann sie beispielsweise als Schaltgerät bzw. Schaltschütz, als Umrichter bzw. als Inverter, als Logikschaltung und/oder als logisches Gatter ausgebildet sein. Bei dem Schaltgerät oder Schaltschütz kann es sich insbesondere um ein Gerät für ein Niederspannungs- oder Mittelspannungsnetz handeln. Die Vorrichtung kann allgemein auch eine speicherprogrammierbare Steuerung, insbesondere eine Steuerung für eine industrielle Anlage sein. Erfindungsgemäße Schaltelemente können dabei beispielsweise in einer Eingangsstufe, einer Ausgangsstufe und/oder in einem Sicherheitsrelais einer solchen Anlagensteuerung zum Einsatz kommen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Herstellungsverfahrens kann das Biegeelement durch subtraktive Fertigung aus einem Silicon-on-Insulator-Schichtsystem erhalten werden, wie bereits weiter oben für die entsprechende Ausführungsform des Schaltelements beschrieben wurde. Insbesondere kann das Biegeelement durch Freistellung eines Teils einer Siliziumschicht des SOI-Schichtsystems gebildet sein. Das Herstellungsverfahren kann eine Vielzahl von weiteren optionalen Fertigungsschritten umfassen, welche insbesondere aus der MEMS- und Halbleiter-Prozessierung grundsätzlich bekannt sind. So können beispielsweise zusätzliche Metallisierungsschritte, z.B. in Form einer Beschichtung durch Aufdampfen, Sputtern oder galvanische Abscheidung vorgesehen sein. Die metallischen Schichten für die Elektroden und/oder Kontaktelemente können beispielsweise Gold, Chrom oder Silber oder andere in der Halbleiterfertigung gängige Metalle umfassen. Die (vollständige oder teilweise) Entfernung von einzelnen Schichten kann beispielsweise durch Ätzen und/oder mechanisch/chemisches Polieren und/oder durch einen Lift-off-Prozess erfolgen. Vor allem Ätzprozesse wie chemisches Ätzen mit Flusssäure, reaktives Ionenätzen (RIE für englisch "reactive ion etching" oder DRIE für "deep reactive ion etching") können zur definierten Entfernung von (Teil-)Schichten zum Einsatz kommen. Eine präzise Strukturierung kann dabei durch übliche lithographische Strukturierungsmethoden erreicht werden.
  • Grundsätzlich kann bei der Herstellung die Handhabung der jeweiligen Substrate durch Greifen und Positionieren einzelner "funktioneller Substrate" des Bauteils, also z.B. der SOI- und Decksubstrate erfolgen. Alternativ kann ein solches funktionelles Substrat aber auch bei der Prozessierung von einem zusätzlichen Trägersubstrat gehalten werden und von diesem sozusagen huckepack durch den Prozess geführt werden. Die Entfernung eines solchen zusätzlichen Trägersubstrats ist beispielsweise durch einen sogenannten Tilt-Release-Schritt auf einfache Weise möglich, ohne dass die funktionellen Substrate dabei beschädigt werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • Figur 1
    eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schaltelements nach dem Stand der Technik zeigt,
    Figur 2
    eine perspektivische Ausschnittsdarstellung eines weiteren bekannten Schaltelements zeigt,
    Figur 3
    eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Schaltelements zeigt,
    Figuren 4 bis 9
    mehrere Prozessstadien bei der Herstellung des Schaltelements der Figur 3 zeigen,
    Figuren 10 bis 12
    schematische Aufsichten auf Teilbereiche eines erfindungsgemäßen Schaltelements zeigen und
    Figur 13
    eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schaltelements nach einem weiteren Beispiel der Erfindung zeigt.
  • In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Figur 1 zeigt ein mikroelektromechanisches Schaltelement 1, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dieses Schaltelement ist insgesamt ähnlich aufgebaut wie in der DE102017215236A1 beschrieben, es ist hier jedoch der Übersicht halber etwas vereinfacht dargestellt. Das Schaltelement weist ein Silicon-on-Insulator-Schichtsystem 50 auf, welches hier eine erste Siliziumschicht 51, darauffolgend eine erste Oxidschicht 52 und darauffolgend eine zweite Siliziumschicht 53 umfasst. Auf die Schicht 53 kann auch zusätzlich noch eine zweite Oxidschicht als Teil des SOI-Schichtsystems 50 folgen oder zumindest während der Herstellung hier vorgelegen haben. Durch subtraktive Fertigung ist aus diesem SOI-Schichtsystem 50 und insbesondere aus deren zweiter Siliziumschicht 53 ein Biegeelement 10 definiert und anschließend freigestellt worden. Die Herstellung des Biegeelements umfasst dabei die Entfernung der umgebenden Bereiche der Siliziumschicht 53 und die lokale Entfernung der an das Biegeelement 10 angrenzenden Teile der Schichten 51 und 52. So wurde hier ein in der Dickenrichtung d auslenkbares Biegeelement 10 erzeugt, ähnlich wie in der DE102017215236A1 beschrieben. Auch die übrigen Fertigungsschritte können analog zu der DE102017215236A1 durchgeführt werden. Der Fußbereich 10a des Biegeelements, in dem dieses mechanisch mit den übrigen Teilen des SOI-Schichtsystems verbunden ist, ist hier etwas vereinfacht gestaltet bzw. gezeigt. Alternativ zu dieser einfacheren Realisierung kann der Fußbereich 10a aber auch analog zur DE102017215236A1 oder auch der noch nicht veröffentlichten europäischen Patentanmeldung 20182568.4 ausgestaltet sein.
  • Nach oben hin ist das Bauteil durch ein Decksubstrat 100 abgedeckt, welches beispielsweise aus Glas gebildet sein kann. Dieses Decksubstrat 100 kann beispielsweise durch einen Waferbond-Schritt mit den verbleibenden Schichten des SOI-Schichtsystems 50 verbunden worden sein. Im Bereich des Biegebalkens weist das Decksubstrat eine Ausnehmung auf, so dass zusammen mit den entfernten Teilen der Schichten 51 und 52 ein Hohlraum gebildet wird, in dem das Biegeelement 10 ausgelenkt werden kann. Um diese Auslenkung zu bewirken, ist auf dem Decksubstrat 100 im Bereich oberhalb des Biegeelements 10 eine Steuerelektrode 110 vorgesehen. Durch eine Spannungsbeaufschlagung der Steuerelektrode 110 kann eine Auslenkung des Biegeelements elektrostatisch aktuiert werden. Wenn das Biegeelement 10 in Richtung d nach oben ausgelenkt wird, kann es in seinem Endbereich so weit in Kontakt mit dem Decksubstrat gebracht werden, dass ein auf dem Biegeelement 10 aufgebrachter Schaltkontakt 11 und ein in der Ausnehmung des Decksubstrats 100 aufgebrachter Gegenkontakt 120 elektrisch in Verbindung treten. Auf diese Weise kann das Schaltelement auf "ON" geschaltet werden, und ein zugehöriger Last-Stromkreis kann mit dem Schaltelement 1 geschlossen werden.
  • Das gezeigte Schaltelement 1 kann als Teil einer übergeordneten Vorrichtung vorliegen, welche insbesondere ein Array von untereinander ähnlichen Schaltelementen aufweisen kann. Ein solches MEMS-Array kann monolithisch aus denselben Substraten aufgebaut sein. In diesem Fall ist der in Figur 1 gezeigte Bereich als Ausschnitt aus einem größeren Bauelement zu verstehen, wobei sich die lateralen Schichten noch weiter nach rechts und links (und natürlich auch senkrecht zur Papierebene) erstrecken und in diesen Raumrichtungen noch weitere ähnlich aufgebaute Schaltelemente umfassen können.
  • Figur 2 zeigt eine perspektivische Ausschnittsdarstellung eines solchen konventionellen Schaltelements, welches bezüglich seiner Schichtfolge insbesondere ähnlich wie das Schaltelement der Figur 1 aufgebaut sein kann. Die räumliche Orientierung ist jedoch umgekehrt zur Figur 1 gewählt, so dass die Richtung d hier nach unten weist und das Decksubstrat 100 unterhalb des Biegeelements 10 liegt. Im Fußbereich 10a des Biegeelements ist dieses an die übrigen Schichten des SOI-Schichtsystems 50 angebunden und über die flächige Wafer-Verbindung mit dem Decksubstrat 100 verbunden. Im mittleren Bereich ist das Biegeelement relativ breit und tritt elektrostatisch mit der Steuerelektrode 110 auf dem Decksubstrat in Wechselwirkung, insbesondere wenn diese über den skizzierten Steuer-Schaltkreis mit einer Spannung beaufschlagt wird. Im Endbereich 10c ist das Biegeelement ebenfalls relativ breit und trägt einen hier nicht sichtbaren Schaltkontakt. Gegenüberliegend findet sich in diesem Beispiel ein Paar von nebeneinanderliegenden Gegenkontakten 120 auf dem Decksubstrat (also ein Eingangskontakt 121 und ein Ausgangskontakt 122). Bei Auslenkung des Biegeelements werden diese beiden Kontakte 121 und 122 mit dem Schaltkontakt des Biegeelements und durch diesen auch miteinander elektrisch verbunden. Die dargestellten "Taillierungen" - also die verringerte Breite des Biegeelements 10 sowohl zwischen Fußbereich 10a und mittlerem Bereich 10b als auch zwischen mittlerem Bereich 10b und Endbereich 10c dient jeweils dazu, auch bei einer eventuell vorliegenden Torsion des Biegeelements eine Korrektur dieser Verdrehung zu ermöglichen, so dass ein möglichst flächige Kontakt bzw. eine flächige Wechselwirkung der einander gegenüberliegenden Bereiche des Biegeelements 10 und des Decksubstrats 100 zustande kommen kann.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schaltelements 1 nach einem ersten Beispiel der Erfindung. Die grundlegende Funktionalität ist analog zu der Funktionalität des herkömmlichen Schaltelements 1 der Figuren 1 und 2, soweit es im Folgenden nicht abweichend beschrieben ist. Insbesondere ist diese Funktionalität wie im Folgenden beschrieben erweitert.
  • So weist auch das erfindungsgemäße Schaltelement 1 der Figur 3 ein Biegeelement 10 auf, welches senkrecht zur Substratebene auslenkbar ist. Auch hier ist das Biegeelement aus einem Silizium-on-Insulator-Schichtsystem subtraktiv gefertigt, beispielsweise aus einer Siliziumschicht 53 eines solchen Schichtsystems. Ähnlich wie in Figur 1 ist das Bauteil nach oben hin durch ein erstes Decksubstrat 100 abgedeckt, welches im Bereich des Biegeelements eine Ausnehmung aufweist und dort eine erste Steuerelektrode 110 und einen ersten Gegenkontakt 120 (oder ein Paar solcher Gegenkontakte) trägt. Das Biegeelement 1 weist einen ersten Schaltkontakt 11 auf, welcher bei Auslenkung nach oben mit dem wenigstens einen Gegenkontakt in Verbindung gebracht werden kann. Die Auslenkung kann auch hier durch eine Spannungsbeaufschlagung der Steuerelektrode 110 bewirkt werden.
  • Im Unterschied zum Schaltelement der Figur 1 sind hier allerdings die erste Siliziumschicht und die erste Oxidschicht des SOI-Schichtsystems von der Unterseite des Bauteils entfernt worden. Das Bauteil ist hier stattdessen durch ein zweites Decksubstrat 200 abgedeckt, welches analog zum ersten Decksubstrat 100 ausgebildet und also ebenfalls im Wesentlichen aus Glas sein kann. Dieses zweite Decksubstrat ist in einem Waferbond-Schritt durch flächige Verbindung mit den verbleibenden Schichten des SOI-Schichtsystems (hier der Siliziumschicht 53) verbunden worden. Durch diese flächige Verbindung ergibt sich auch eine Kapselung des Bauteils nach unten hin. Die flächige Verbindung ist im gezeigten Ausschnitt lediglich in der unmittelbaren Umgebung des Biegeelements 10 unterbrochen, da hier das zweite Decksubstrat 200 eine Ausnehmung aufweist, welche zusammen mit der entsprechenden Ausnehmung des ersten Decksubstrats einen übergeordneten Hohlraum 300 bildet, in dem das Biegeelement 10 bewegt werden kann.
  • Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass auch das zweite Decksubstrat 200 im Bereich des Biegeelements 10 eine Steuerelektrode aufweist. Diese zweite Steuerelektrode ist hier mit 210 bezeichnet. So kann durch Spannungsbeaufschlagung der beiden Steuerelektroden 110 und 210 (entweder gleichzeitig oder auch im Wechsel) eine Bewegung des Biegeelements in zwei gegenüberliegende Auslenkungsrichtungen r1 und r2 bewirkt werden. Diese Bewegung kann dabei wesentlich präziser gemäß einer gewünschten Kennlinie gesteuert werden als dies mit nur einer Steuerelektrode beim herkömmlichen Schaltelement möglich ist.
  • Zusätzlich zu den bisher beschriebenen Elementen und Funktionalitäten kann das Schaltelement der Figur 3 weitere Merkmale aufweisen, welche jedoch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als optional anzusehen sind und diese nur besonders vorteilhaft weiterbilden: So kann das Biegeelement auf seiner Unterseite (also gegenüberliegend zum ersten Schaltkontakt) einen zweiten Schaltkontakt 21 aufweisen. Außerdem kann das zweite Decksubstrat 200 im entsprechenden Bereich ein oder mehrere zweite Gegenkontakte 220 aufweisen, welche bei einer Auslenkung des Biegeelements nach unten mit dem zweiten Schaltkontakt 21 in elektrisch leitende Verbindung gebracht werden können. Bei dieser Ausführungsvariante ist durch das Schaltelement ein Wechselschalter gebildet, welcher zwischen einem ersten Last-Schaltkreis und einem zweiten Last-Schaltkreis umschalten kann. Der erste Last-Schaltkreis ist geschlossen, wenn der erste Schaltkontakt 11 mit dem wenigstens einen ersten Gegenkontakt 120 in Verbindung ist, und er zweite Last-Schaltkreis ist geschlossen, wenn der zweite Schaltkontakt 21 mit dem wenigstens einen zweiten Gegenkontakt 220 in Verbindung ist.
  • Die Wahl der Materialien für die einzelnen Schichten und Elemente kann beispielsweise analog zur bereits zitierten DE102017215236A1 ausgestaltet sein. Auch die Schichtdicken und übrigen Eigenschaften können analog zu den dortigen Ausführungsformen ausgebildet sein. Ebenso kann die Ausgestaltung des Fußbereichs des Biegeelements abweichend von der hier dargestellten vereinfachten Form analog, wie in der DE102017215236A1 oder auch der noch unveröffentlichten europäischen Anmeldung 20182568.4 realisiert sein.
  • Auch für das Herstellungsverfahren für das erfindungsgemäße Schaltelement wird auf die beiden im vorigen Absatz zitierten Patentanmeldungen Bezug genommen. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erfolgt zunächst analog zu den dort beschriebenen Verfahrensschritten und weicht erst nach der Verbindung des ersten Decksubstrats 100 mit dem SOI-Schichtsystem 50 von dem dortigen Herstellungsverfahren ab. Figuren 4 bis 9 zeigen eine Abfolge von ausgewählten Prozessstadien für ein beispielhaftes Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. So zeigt Figur 4 ein Zwischenstadium bei der Herstellung des Schaltelements der Figur 3, welches weitgehend in analoger Prozessführung wie bei den Figuren 1 bis 13 der DE102017215236A1 hergestellt wurde. Ein wesentlicher Unterschied zum dortigen Verfahren besteht lediglich darin, dass die beiden untenliegenden Schichten 51 und 52 des SOI-Schichtsystems 50 hier noch vollflächig erhalten sind und nicht wie in der dortigen Figur 13 im Bereich des Biegebalkens geöffnet wurden. Dieser vom Bauteil der dortigen Figur 13 abweichende Zustand kann dadurch erreicht werden, dass das SOI-Schichtsystem in einem früheren Prozessstadium, welches der dortigen Figur 5 entspricht, mit dem bis zum Stadium der dortigen Figur 12 prozessierten Decksubstrat (entspricht dem dortigen Deckelwafer 200) in einem ersten Waferbond-Schritt flächig verbunden wird. Das Biegeelement 10 ist in diesem Prozessstadium also bereits innerhalb der Schicht 53 subtraktiv gefertigt, aber noch nicht von seiner flächigen Anbindung an die benachbarten Schichten 51 und 52 freigestellt.
  • Weitere, eher unwesentliche Unterschiede zwischen dem Prozessstadium der hier gezeigten Figur 4 und dem Bauteil der dortigen Figur 13 bestehen in dem dort etwas komplexer ausgeführten Fußbereich des Biegeelements und in weiteren optionalen zusätzlichen Elementen wie z.B. der dortigen Schicht 240. Diese alternativen Ausgestaltungen und Detail-Merkmale können jedoch analog auch bei dem Schaltelement der vorliegenden Erfindung realisiert werden.
  • Ausgehend vom Prozessstadium der Figur 4 werden nun die weiteren Prozessschritte nach einem Beispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens beschrieben. Beispielhaft dafür sind in den Figuren 5 bis 9 einige weitere ausgewählte Stadien gezeigt. So ist in Figur 5 die untere Siliziumschicht 51 zumindest weitgehend entfernt worden. Diese Entfernung kann beispielsweise durch chemisch-mechanisches Polieren oder durch ein Ätzverfahren oder eine Kombination dieser Methoden realisiert werden. Dabei verbleibt die dünne erste Oxidschicht 52 jedoch noch weitgehend als Restschicht im Bauteil. Auch das eventuelle Verbleiben einer dünnen Restschicht der Siliziumschicht 51 soll dabei nicht ausgeschlossen sein. In dem zwischen Figur 5 und Figur 6 liegenden Schritt wird dann diese Restschicht im Endbereich des Biegeelements lokal geöffnet, so dass eine Ausnehmung 52a in der ersten Oxidschicht 52 entsteht. Diese lokale Öffnung kann beispielsweise durch lithographische Strukturierung und einen Ätzprozess erfolgen. Im Bereich dieser Öffnung 52a kann anschließend die Abscheidung einer metallischen Schicht erfolgen, wodurch hier der zweite Schaltkontakt 21 gebildet wird. Dies entspricht dem Stadium der Figur 7. Anschließend kann die Restschicht 52 entfernt werden (beispielsweise wiederum durch einen Ätzschritt), wodurch das in Figur 8 gezeigte Stadium erreicht wird. Schließlich wird in einem nachfolgenden Schritt das so heruntergedünnte Bauteil in einem zweiten Waferbond-Schritt mit dem zweiten Decksubstrat 200 flächig verbunden. Zuvor wurde dieses zweite Decksubstrat analog zum ersten Decksubstrat 100 mit zumindest einer Ausnehmung 205 versehen und dort mit der Steuerelektrode 210 und dem optionalen zweiten Gegenkontakt (oder einem entsprechenden Paar von Gegenkontakten) versehen, analog zur Prozessierung des ersten Decksubstrats 100 und somit zum "Glaswafer" der DE102017215236A1 . Allerdings ist die Strukturierung bzw. Erzeugung des zweiten Schaltkontakts entsprechend den Figuren 6 und 7 im Rahmen der vorliegenden Erfindung als optional anzusehen. Wesentlich ist dagegen die beidseitige Abdeckung des Bauelements durch zwei Decksubstrate 100, 200 mit ihren entsprechenden Ausnehmungen 105 und 205 sowie die Tatsache, dass in jedem dieser beiden Decksubstrate 100 und 200 eine zugeordnete Steuerelektrode 110 bzw. 210 gebildet ist.
  • In den Figuren 10 bis 12 sind schematische Aufsichten für eine beispielhafte Realisierung einer Kontakt-Topologie gezeigt, mit welcher insbesondere die Funktionalität eines Wechselschalters erreicht werden kann. Die Figuren zeigen dabei jeweils einen Blick entlang der Dickenrichtung d, wobei jeweils derselbe Ausschnitt, aber unterschiedliche Teilebenen (teilweise überlagert) dargestellt sind. So zeigt Figur 10 das Biegeelement 10 in seinem Endbereich zusammen mit dem darauf angeordneten ersten Schaltkontakt 11. Außerdem zeigt diese Figur die im Bereich des ersten Decksubstrats, also darüberliegend angeordneten ersten Gegenkontakte. In diesem Beispiel liegt ein Paar von ersten Gegenkontakten vor, nämlich ein erster Eingangskontakt 121 und ein erster Ausgangskontakt 122. Diese beiden Kontakte 121 und 122 werden bei einer entsprechenden Auslenkung des Biegebalkens zum ersten Decksubstrat hin elektrisch leitend mit dem ersten Schaltkontakt 11 und somit auch miteinander verbunden.
  • Figur 11 zeigt dasselbe Biegeelement 10 zusammen mit dem zweiten Schaltkontakt 21, welcher auf der dem zweiten Decksubstrat 200 zugewandten Oberfläche des Biegeelements angeordnet ist. Außerdem zeigt diese Figur die im Bereich des zweiten Decksubstrats, also darunterliegend angeordneten zweiten Gegenkontakte. Auch hier liegt ein Paar von zweiten Gegenkontakten vor, nämlich ein zweiter Eingangskontakt 221 und ein zweiter Ausgangskontakt 222. Die Figuren 10 und 11 zeigen außerdem ein Via 400, durch welches die beiden Eingangskontakte 121 und 221 über die Bauteil-Ebenen hinweg zu einem übergeordneten Eingang verbunden sind. Abhängig von der Auslenkungsposition des Biegeelements kann also der Eingang alternativ entweder mit einem ersten Ausgang oder mit einem zweiten Ausgang verbunden werden. In der zentralen Stellung des Biegeelements ist der Eingang dagegen mit keinem der beiden Ausgänge verbunden. Somit ist ein Wechselschalter realisiert, welcher wahlweise auf den ersten Ausgang, den zweiten Ausgang oder auf "OFF" geschaltet werden kann. Figur 12 zeigt schließlich eine Überlagerung der in den Figuren 10 und 11 bereits dargestellten Elemente, durch welche dieses Umschalten von einem gemeinsamen Eingang (die miteinander verbundenen Kontakte 121 und 221) auf zwei alternative Ausgänge (122 oder 222) verdeutlicht wird.
  • Figur 13 zeigt schließlich eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schaltelements 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung. Der Bereich um das Biegeelement 10 mit seinen umgebenden Steuerelektroden und Kontakten ist analog zum Beispiel der Figur 3 ausgestaltet. Das Beispiel der Figur 13 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch, dass die beiden Steuerelektroden 110 und 120 hier durch zwei durch die beiden Decksubstrate 100 und 200 hindurchgeführte Vias 400 mit an der Oberfläche dieser Decksubstrate liegenden Kontaktpunkten verbunden sind. Auch der zweite Gegenkontakt 220 ist hier durch ein solches Via 400 mit einem Kontaktpunkt im Bereich des gegenüberliegenden Decksubstrats 100 verbunden. In ähnlicher Weise können auch der erste Gegenkontakt bzw. optional vorliegende, hier nicht dargestellte weitere Kontakte (z.B. 121,122,221,222 wie beim Beispiel der Figur 12) durch ein entsprechendes Via mit einem außenliegenden Kontaktpunkt verbunden sein. Prinzipiell ist es zur Kontaktierung der einzelnen Kontakte und Elektroden auch ausreichend, wenn solche Vias nur durch eines der beiden Decksubstrate an die außenliegende Oberfläche geführt sind.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    MEMS-Schaltelement
    10
    Biegeelement
    10a
    Fußbereich
    10b
    mittlerer Bereich
    10c
    freies Ende
    11
    erster Schaltkontakt
    21
    zweiter Schaltkontakt
    50
    SOI-Schichtsystem
    51
    erste Siliziumschicht
    52
    erste Oxidschicht
    52a
    Öffnung der ersten Oxidschicht
    53
    zweite Siliziumschicht
    100
    erstes Decksubstrat
    105
    Ausnehmung des ersten Decksubstrats
    110
    erste Steuerelektrode
    120
    erste Gegenkontakte (erstes Paar von Lastkontakten)
    121
    erster Eingangskontakt
    122
    erster Ausgangskontakt
    200
    zweites Decksubstrat
    205
    Ausnehmung des zweiten Decksubstrats
    210
    zweite Steuerelektrode
    220
    zweite Gegenkontakte (zweites Paar von Lastkontakten)
    221
    zweiter Eingangskontakt
    222
    zweiter Ausgangskontakt
    300
    übergeordneter Hohlraum
    400
    Via
    d
    Dickenrichtung
    p0
    zentrale Stellung
    r1
    erste Auslenkungsrichtung
    r2
    zweite Auslenkungsrichtung

Claims (15)

  1. Mikroelektromechanisches Schaltelement (1), umfassend
    - ein Biegeelement (10) mit wenigstens einem an dem Biegeelement angeordneten ersten Schaltkontakt (11),
    wobei das Biegeelement (10) aus einer zentralen Stellung (p0) heraus in zwei gegenüberliegende Auslenkungsrichtungen (r1,r2) auslenkbar ist,
    - sowie ein erstes Decksubstrat (100) und ein zweites Decksubstrat (200),
    - wobei die beiden Decksubstrate (100, 200) so ausgebildet sind, dass das Biegeelement (10) in einem Hohlraum (300) zwischen den beiden Decksubstraten (100, 200) angeordnet ist,
    - und wobei jedes der beiden Decksubstrate (100, 200) im Bereich des Biegeelements (10) eine Steuerelektrode (110,210) aufweist, mit welcher eine Auslenkung des Biegeelements (10) beeinflusst werden kann.
  2. Schaltelement (1) nach Anspruch 1, bei welchem die erste Auslenkungsrichtung (r1) des Biegeelements (10) einer Biegung in Richtung des ersten Decksubstrats (100) entspricht und die zweite Auslenkungsrichtung (r2) einer Biegung in Richtung des zweiten Decksubstrats (200) entspricht.
  3. Schaltelement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das Biegeelement (10)
    - durch eine Spannungsbeaufschlagung der Steuerelektrode (110) des ersten Decksubstrats (100) in Richtung des ersten Decksubstrats (r1) auslenkbar ist
    - und durch eine Spannungsbeaufschlagung der Steuerelektrode (210) des zweiten Decksubstrats (200) in Richtung des zweiten Decksubstrats (r2) auslenkbar ist.
  4. Schaltelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Biegeelement (10) im Wesentlichen aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, und/oder einem Metall und/oder einem oder mehreren Dielektrika gebildet ist.
  5. Schaltelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Decksubstrate (100, 200) funktional als elektrisch isolierende Decksubstrate ausgebildet sind und insbesondere im Wesentlichen aus Glas gebildet sind.
  6. Schaltelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Hohlraum (300) für das Biegeelement (10) durch Ausnehmungen (105,205) in beiden Decksubstraten (100, 200) gebildet ist.
  7. Schaltelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches im Bereich zwischen den beiden Decksubstraten (100,200) ein Silicon-on-Insulator-Schichtsystem (50) oder ein Teil (53) eines solchen Schichtsystems aufweist.
  8. Schaltelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das erste Decksubstrat (100) einen ersten Gegenkontakt trägt (120), welcher in einer ersten Auslenkungsstellung des Biegeelements (10) mit einem ersten Schaltkontakt (11) des Biegeelement (10) kontaktierbar ist.
  9. Schaltelement (1) nach Anspruch 8, bei welchem außerdem das zweite Decksubstrat (200) einen zweiten Gegenkontakt (220) trägt, welcher in einer zweiten Auslenkungsstellung des Biegeelements (10) mit einem zweiten Schaltkontakt (21) des Biegeelements (10) kontaktierbar ist.
  10. Schaltelement (1) nach Anspruch 9, welches als Wechselschalter ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung mit einem mikroelektromechanischen Schaltelement (1) oder einem Array von mehreren mikroelektromechanischen Schaltelementen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, welche neben dem wenigstens einen mikroelektromechanischen Schaltelement (10) ein oder mehrere dazu elektrisch in Serie oder parallel geschaltete Halbleiterelemente aufweist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, welche als Schaltgerät, als Umrichter bzw. Inverter, als Logikschaltung und/oder als logisches Gatter ausgebildet ist.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Schaltelements (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
    - das Biegeelement (10) durch subtraktive Fertigung aus wenigstens einer flächigen Schicht (53) gebildet und anschließend freigestellt wird
    - und diese, das Biegeelement (10) ausbildende Schicht (53) bzw. ein diese Schicht (53) enthaltendes Schichtsystem durch insgesamt zwei Waferbond-Schritte mit dem ersten Decksubstrat (100) und dem zweiten Decksubstrat (200) verbunden wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das Biegeelement (10) durch subtraktive Fertigung aus einem Silicon-on-Insulator-Schichtsystem (50) erhalten wird.
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