WO2000044012A1 - Mikroschaltkontakt - Google Patents

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WO2000044012A1
WO2000044012A1 PCT/EP2000/000552 EP0000552W WO0044012A1 WO 2000044012 A1 WO2000044012 A1 WO 2000044012A1 EP 0000552 W EP0000552 W EP 0000552W WO 0044012 A1 WO0044012 A1 WO 0044012A1
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WO
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contact
base plate
bending beam
contact according
micro
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PCT/EP2000/000552
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Inventor
Mario Adamschik
Erhard Kohn
Stefan Ertl
Philipp Schmid
Original Assignee
GFD-Gesellschaft für Diamantprodukte mbH
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Priority to AT00902631T priority patent/ATE239974T1/de
Priority to AU24400/00A priority patent/AU2440000A/en
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    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics

Definitions

  • the present invention relates to a mechanically closing electrical micro switch contact.
  • Switch contacts of this type are required wherever large electrical currents are to be switched in a confined space, for example in sensors, actuators and high-performance / high-temperature applications, for example in the Power electronics, automotive electronics or in chemically aggressive environments.
  • micromechanical switches are fast, shock-resistant and require very little control power for electrostatic drives and, on top of that, usually have negligible control leakage currents. Miniaturization also allows implementation in microwave Circuits where high power pulse operation is required.
  • Microswitches and micro-relays can be based on the electrostatic (capacitive), magnetic or inductive principle or can also be switched by changing the temperature.
  • the structures of such microswitches are generally based on silicon or metal or ceramic micromechanical concepts.
  • silicon coated with silicon dioxide usually serves as an electrically insulating substrate, while the contacts consist of different multilayer material systems. A complex material system and a correspondingly complex procedure are therefore required for the production.
  • micro switch contact according to claim 1 and by the manufacturing method for such a micro switch contact according to claim 28.
  • the micro switch contact according to the invention has two electrically conductive contact elements which, in the closed state, touch in the region of two electrically conductive contact surfaces. At least one of the two contact surfaces consists of highly doped, conductive and therefore quasi-metallic diamond, silicon carbide (SiC), galium nitride (GaN), boron nitride (BN), aluminum nitride (A1N) and / or aluminum gallium nitride (AlGaN). Diamond in particular is characterized by a high debye temperature and is therefore elastic up to high temperatures and has a high temperature conductivity. Furthermore, these materials have the property that their electrical properties can be changed by doping between insulating, semiconducting and quasi-metallic.
  • Diamond also has a high wear resistance and mechanical stability, which leads to a long service life of the switch contact.
  • the microswitch according to the invention can be used at very high temperatures, for example up to 800 ° C., and switch a high current density (with high power dissipation), for example of 1 ⁇ 10 6 A / cm 2 at ⁇ 600 ° C. operating temperature. These properties are achieved through a single base material enables. Because there is no plastic deformation, even at high temperatures in diamond, no change in the threshold voltage is to be expected at temperatures even above T> 600 ° C.
  • Threshold voltage is understood to mean the minimum required switching voltage and switching limit frequency is the maximum switching frequency that can be stably generated.
  • micro switch contact it is possible to produce very small free-standing layer structures, for example bending beams with a thickness between usually 0.5 to 10 ⁇ m. This reduces the inertia of the moving element and thus increases the switching dynamics.
  • Such small layer thicknesses with high bending stiffness and breaking strength are currently not feasible with ceramic and hybrid structures.
  • one or preferably both contact surfaces of the contact elements can consist of diamond, SiC, AIN, BN, GaN and / or AlGaN.
  • one of the two contact surfaces can also consist at least partially of metal (Al, Au, Cu, Ni), a carbide-forming metal and / or a highly temperature-stable metallization.
  • the high-temperature stable metallization can W: Si and / or Ta: Si hold .
  • One of the two contact surfaces is advantageously arranged on a base plate and / or a bending beam.
  • the bending beam is preferably fixed in a self-supporting manner via an anchor arranged at one of its ends or another mechanical connection.
  • Both the base plate and the anchor or the bending beam can consist of one of the above-mentioned materials diamond, SiC, GaN, AIN, BN and / or AlGaN. Cubic boron nitride is advantageously used as the BN for all layers and elements of the micro switch contact according to the invention.
  • a control electrode can be attached to the base plate below the bending beam which can be moved in the direction of the base plate by means of the electrostatic principle of the bending beams.
  • Metallization as external contacts for applying the control voltage are also arranged laterally on this control electrode outside the area covered by the bending beam.
  • the contacting of the contact elements and the control electrode can also take place via the so-called via-hole technique, in which corresponding holes m the base plate are etched in at the back, so that the corresponding components to be contacted are exposed on the back and can be coated with a metallization as an external contact.
  • the entire component can now be constructed from a single material, for example diamond.
  • a single material for example diamond.
  • the contact elements, the control electrode and the bending beam are electrically conductive, for example by heavy doping, for example with boron, nitrogen, sulfur or phosphorus.
  • the base plate can consist of insulating diamond deposited using a CVD process, as can the anchor.
  • the entire component can be arranged on a carrier layer, for example made of silicon. This can also be present during the manufacture of the component and subsequently removed again.
  • a further insulating layer for example, can be placed between the base plate and the support layer. be made of SiO x to prevent any leakage currents through the carrier material.
  • an anchored switch contact can be produced by first placing the base plate, the armature and the first contact element and, if appropriate, the control electrode on a silicon carrier, for example using CVD processes, preferably plasma CVD but also using arc jet CVD or hot - Filament CVD are deposited. A sacrificial layer is then applied, onto which the bending beam is then deposited. The bending beam is connected to the anchor and thus the base plate, so that the sacrificial layer can then be removed and the bending beam remains as a self-supporting mechanical component.
  • CVD processes preferably plasma CVD but also using arc jet CVD or hot - Filament CVD are deposited.
  • a sacrificial layer is then applied, onto which the bending beam is then deposited.
  • the bending beam is connected to the anchor and thus the base plate, so that the sacrificial layer can then be removed and the bending beam remains as a self-supporting mechanical component.
  • Figure 1 shows a micro switch contact according to the invention
  • FIG. 2 shows the temperature dependence of the threshold voltage of the switching contact from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the simulation of the temperature distribution in the vacuum of the microswitch contact from FIG. 1;
  • Switch contact and two shields as well Figure 5 shows a switching contact with a switched signal contact and two switched shields.
  • FIG. 1 shows a micro switch contact 1 according to the invention.
  • a base plate 3 made of undoped and thus non-conductive diamond deposited using a CVD method is located on a carrier layer 2 made of silicon.
  • a further non-conductive diamond layer is applied as an anchor 4 to one end of the base plate.
  • a contact element 7 made of diamond heavily doped with boron and therefore quasi-metallic.
  • a bending beam 5 made of diamond, which is also quasi-metallic conductive via strong boron doping.
  • the height of the armature 4 determines the distance of the bending beam 5 from the base plate 3.
  • This bending beam 5 extends cantilevered over the first contact element 7, where a second contact element 8 made of electrically conductive diamond is arranged on its underside.
  • the two contact elements 7 and 8 are at a predetermined distance from one another in the non-switched state.
  • control electrode 9 made of electrically conductive diamond.
  • Both the control electrode 9 and the first one Contact element 7 have metallizations made of W-Si or Au 11 or 10, which serve as external contacts for applying voltages and currents to the control electrode 9 or the first contact element 7. These metallizations 11 and 10 are applied outside the area covered by the bending beam 5. This prevents contact between the bending beam 5 and the metallizations 11 and 10 when the bending beam bends in the direction of arrow A.
  • the second contact element 8 is electrically connected via the bending beam 5 to a metallization 6, which is attached to this bending beam and serves as an external contact. Voltage can be applied to the second contact element 8 at this metallization 6.
  • the elastic properties of the bending beam 5 can be changed via the thickness and the dimensioning, so that, for example, the threshold voltage or the switching limit frequency can be set individually.
  • the base plate 3 of the micro switch contact can also consist of SiC, GaN, AIN, AlGaN or BN instead of diamond.
  • the carrier 2 advantageously consists of (100) -oriented silicon.
  • the base plate 3 can be highly oriented and have a high surface planarity.
  • the second contact 8 can alternatively also consist of a high-temperature stable metallization such as W: Si or Ta: Si.
  • the second contact element 8 made of diamond and the first contact element 7 consist of such a high-temperature stable metallization.
  • the metallization can be carried out even on a diamond substrate (“metal-coated diamond”), using the good mechanical properties of the diamond.
  • Such high-temperature stable metallizations are known, for example, from high-temperature stable Schottky diode materials.
  • the switch contact 1 shown in FIG. 1 is switched capacitively (electrostatically) here.
  • the bending beam 5 serves as the upper capacitor plate and the control electrode 9 serves as the lower electrode.
  • the switching voltage can be set between a few volts and a few 10 volts.
  • the bending beam 5 has a thickness between 0.5 and 10 ⁇ m.
  • FIG. 2 shows the measured temperature dependency of the threshold voltage of the micro switch contact 1 shown in FIG. 1. It is not difficult to see that switching up to temperatures well above 600 ° C. is possible without changing the threshold voltage
  • FIG. 3 shows the simulated temperature distribution in a vacuum of the micro switch contact 1 shown in FIG. 1 at a current density of 1 ⁇ 10 ⁇ A / cm 2 .
  • the high thermal conductivity of diamond means that high power losses can be dissipated.
  • the switch contact tolerates high temperatures.
  • FIG. 4 shows a further example of a micro switch contact according to the invention, in which shields for HF frequencies are provided.
  • corresponding elements are provided with corresponding reference symbols as in FIG. 1 and are therefore not explained further.
  • a bending beam 5 is now attached to the armature 4 and has three different metallizations 6a, 6b and 6c that are electrically separated from one another.
  • the bending beam itself is made of electrically insulating diamond, while the metallization 6a, 6b, 6c are each connected to contact elements 8a, 8b and 8c.
  • the metallizations 6a, 6b and 6c are connected to further metallizations 12a, 12b and 12c on the side of the armature 4.
  • the bending beam 5 thus carries a total of 3 shift fingers, the middle shift finger with the metallization 6b being used for signal transmission, while the other two
  • Shift fingers with the metallizations 6a and 6c are shielded to ground. If the bending beam 5 is now bent by applying a corresponding voltage to the control electrode 9, the contact elements 6a, 6b and 6c are connected to the corresponding contact elements 7a, 7b and 7c on the diamond substrate 3. Consequently, electrical contact is made between the metallizations 12a, 12b and 12c with the metallizations 10a, 10b and 10c, respectively. This means that not only the signal but also the corresponding ground shielding is switched through.
  • FIG. 4B shows a cross section through each of the individual shift fingers, it being noted that all the shift fingers are arranged on the same bending beam 5.
  • the indices a, b and c have been omitted here because each of these shift fingers has the same structure.
  • Switch contact which also has three fingers, but only the middle signal contact is switched.
  • FIG. 5 like in FIG. 4, corresponding elements are also provided with corresponding reference symbols as in FIG. 1, so that their description is dispensed with.
  • FIG. 5B shows a cross section through a mass-leading switch contact, in which a metallization 14 is applied to the common bending beam 5. Furthermore, a metallization 13 is applied between the insulating diamond layer 3 and the armature 4. ordered, which extends over the entire length of the switching finger and connects to each other as a mass shield on both sides of the switching contact.
  • the metallization 14 on the B ⁇ egebal en 5 serves as a control electrode. Both the metallization 13 and the metallization 14 can, for example, consist of W-Si, W: Si: N, Ti, Au, possibly also with P + -Diamond layer underneath.
  • the bending beam 5 is designed semi-insulating in this example.
  • FIG. 5A shows a top view of the entire switching contact, wherein it can be seen here that only the middle switching finger makes electrical contact between the two contact elements 7 and 8 when the bending beam 5 bends.
  • the beam 5 is deflected electrostatically by applying a voltage between the beam contact 14 and the substrate ground plane 13.
  • the diamond contact is closed via the contact elements 7, 8 and a signal current can flow via the metallization 12, 6, via the contact elements 8, 7 and the metallization 10.
  • the beam metallizations 14 for the control voltage are from the substrate mass metallization 13 lying below and next to it via the insulating armature 4 electrically isolated.
  • the two signal metallizations 6 are connected to the substrate signal metallization 12, wherein the two metallizations 12 and 13 and the two metallizations 10 and 13 are each spatially and thus electrically separated from one another.
  • micro switch contact makes it possible to switch very high currents at very high temperatures. It is particularly exploited that diamond, depending on its doping, has very variable electrical properties and can be used as a multifunctional material. Diamond has high thermal conductivity and high heat resistance.
  • the microswitch according to the invention is chemically inert, has a long service life, high impact resistance, high switching dynamics and minimal material complexity and is lent to microwaves.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mechanisch schließenden elektrischen Mikroschalterkontakt (1) mit zwei elektrisch leitenden Kontaktelementen (7, 8), die zur Kontaktierung mit jeweilingen Kontaktflächen miteinander in Berührung treten. Erfindungsgemäß besteht nun mindestens eine der Kontaktflächen zumindest teilweise aus hochdotiertem leitfähigem Diamant, Siliziumcarbid, Galiumnitrid, Bornitrid, Aluminium-Galiumnitrid und/oder Aluminiumnitrid.

Description

Mikroschaltkontakt
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mechanisch schließenden elektrischen Mikroschaltkon- takt. Derartige Schaltkontakte werden überall dort benötigt, wo große elektrische Ströme auf engstem Raum geschaltet werden sollen, so beispielsweise in Sensoren, Aktoren und Hochleistungs-/Hochtemperatur- applikationen, wie beispielsweise in der Leistungs- elektronik, Kfz-Elektronik oder in chemisch aggressiven Umgebungen.
Mikromechanische Schalter sind im Vergleich zu konventionellen Relais schnell, schockresistent und be- nötigen sehr wenig Steuerleistung bei elektrostatischem Antrieb und besitzen obendrein gewöhnlich vernachlässigbare Steuerleckströme. Die Miniaturisierung erlaubt ferner die Implementierung in Mikrowellen- Schaltungen, wo Pulsbetrieb hoher Leistung erforderlich ist. Mikroschalter und Mikrorelais können dabei auf dem elektrostatischen (kapazitiven), magnetischen oder induktiven Prinzip beruhen oder auch über Tempe- raturanderung schaltbar sein. Die Strukturen derartiger Mikroschalter basieren im allgemeinen auf Silizium- oder Metall- oder Keramik-Mikromechanikkonzepten. Hierbei dient üblicherweise mit Siliziumdioxid beschichtetes Silizium als elektrisch isolierendes Sub- strat, wahrend die Kontakte aus unterschiedlichen Mehrschichtmaterialsystemen bestehen. Für die Herstellung ist daher ein komplexes Materialsyste und eine entsprechend komplexe Vorgehensweise erforderlich.
Die zu schaltenden Strome sind dabei jedoch bei metallischen oder siliziumbasierten Mikroschaltern beschrankt, da bei hohen Stromdichten durch die Verlustwarme des Schalters oft sehr hohe Temperaturen entstehen, die mit diesen Materialien nicht mehr handhabbar sind. Alternativ existieren Hybridaufbauten oder Schalter aus Keramik. Bei diesen ist jedoch die jeweilige Materialdicke, beispielsweise eines Biegebalkens, nach unten beschrankt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen mechanisch schließenden, elektrischen Mi- kroschaltkontakt zur Verfugung zu stellen, der chemisch inert ist, eine hohe Lebensdauer, hohe Schlag- festigkeit, hohe Schaltdynamik, minimale Materialkom- plexitat aufweist, der mikrowellentauglich ist, bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden und eine hohe Stromdichte schalten kann.
Diese Aufgabe wird durch den Mikroschaltkontakt nach Anspruch 1 sowie durch das Herstellungsverfahren für einen derartigen Mikroschaltkontakt gemäß Anspruch 28 gelost. Vorteilhafte Weiterbildungen werden m den abhangigen Ansprüchen gegeben.
Der erfmdungsgemaße Mikroschaltkontakt besitzt zwei elektrisch leitende Kontaktelemente, die im geschlossenen Zustand sich im Bereich zweier elektrisch leitender Kontaktflachen berühren. Dabei besteht mindestens eine der beiden Kontaktflachen aus hochdotiertem, leitfahigem und mithin quasi metallischem Dia- ant, Siliziumcarbid (SiC) , Galiumnitrid (GaN) , Bornitrid (BN) , Aluminiumnitrid (A1N) und/oder Alumini- umgaliumnitrid (AlGaN) . Besonders Diamant zeichnet sich durch eine hohe Debyetemperatur aus und ist daher bis zu hohen Temperaturen elastisch und hat eine hohe Temperaturleitfahigkeit . Weiterhin besitzen diese Materialien die Eigenschaft, daß ihre elektrischen Eigenschaften durch Dotierung zwischen isolierend, halbleitend und quasi-metallisch geändert werden können. Weiterhin besitzt Diamant eine hohe Verschleiß- festigkeit und mechanische Stabilität, was zu einer hohen Lebensdauer des Schaltkontaktes fuhrt. Darüber hinaus kann der erfmdungsgemaße Mikroschalter bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise bis 800 °C, eingesetzt werden und eine hohe Stromdichte (mit ho- her Verlustleistung) beispielsweise von 1 x 106 A/cm2 bei < 600 °C Betriebstemperatur, schalten. Diese Eigenschaften werden durch ein einziges Grundmaterial ermöglicht. Dadurch, daß keine plastische Verformung, selbst bei hohen Temperaturen in Diamant auftritt, ist auch keine Veränderung der Schwellspannung bei Temperaturen selbst über T > 600 °C zu erwarten.
Unter Schwellspannung wird die minimale erforderliche Schaltspannung und unter Schaltgrenzfrequenz die maximale, stabil erzeugbare Schaltfrequenz verstanden.
Eine derart hohe Temperatur-Stabilität ist mit metallischen oder siliziumbasierten Mikroschaltern nicht realisierbar .
Weiterhin ist es mit dem erfindungsgemäßen Mikroschaltkontakt möglich, sehr kleine freistehende Schichtstrukturen herzustellen, beispielsweise Biegebalken mit einer Dicke zwischen üblicherweise 0,5 bis 10 μm. Dies reduziert die Trägheit der bewegten Ele- ente und erhöht damit die Schaltdynamik. Derartig kleine Schichtdicken mit hoher Biegesteifigkeit und Bruchfestigkeit sind mit Keramik- und Hybridaufbau derzeit nicht realisierbar.
Erfindungsgemäß können eine oder vorzugsweise beide Kontaktflächen der Kontaktelemente aus Diamant, SiC, AIN, BN, GaN und/oder AlGaN bestehen. Alternativ kann jedoch auch eine der beiden Kontaktflächen zumindest teilweise aus Metall (AI, Au, Cu, Ni) , einem carbid- bildenden Metall und/oder einer hochte peraturstabi- len Metallisierung bestehen. Die hochtemperaturstabi- le Metallisierung kann dabei W:Si und/oder Ta:Si ent- halten .
Vorteilhafterweise ist je eine der beiden Kontaktflächen auf einer Bodenplatte und/oder einem Biegebalken angeordnet. Dabei ist der Biegebalken vorzugsweise freitragend über einen an einem seiner Enden angeordneten Anker oder einer anderen mechanischen Verbindung fixiert. Sowohl die Bodenplatte als auch der Anker oder der Biegebalken können aus einem der oben genannten Materialien Diamant, SiC, GaN, AIN, BN und/oder AlGaN bestehen. Vorteilhafterweise wird als BN für sämtliche Schichten und Elemente des erfin- dungsgemäßen Mikroschaltkontaktes kubisches Bornitrid verwendet.
Bei Verwendung von Diamant ergibt sich ein hervorragendes mechanisches Federungsverhalten und damit eine hohe Schaltgrenzfrequenz des Biegebalkens, da Diamant ein sehr hohes Elastizitätsmodul aufweist. Der Biege- balken kann nunmehr aufgrund des elektrostatischen, induktiven, hydraulischen, pneumatischen, mechanischen und/oder thermomechanischen Prinzips in Richtung der Bodenplatte bewegt werden, so daß sich die einander gegenüber angeordneten Kontaktelemente be- rühren und einen elektrischen Kontakt erzeugen. Die
Ströme zu den beiden Kontaktelementen können über jeweilige Außenkontakte, die beispielsweise auf dem ersten Kontaktelement bzw. auf dem Biegebalken als Metallisierung aufgebracht sind, zugeführt werden.
Weiterhin kann auf der Bodenplatte unterhalb des Biegebalkens eine Steuerelektrode angebracht sein, über die mittels des elektrostatischen Prinzips der Biege- balken m Richtung der Bodenplatte bewegt werden kann. Auch an dieser Steuerelektrode sind seitlich außerhalb des von dem Biegebalken berdeckten Berei- ches Metallisierungen als Außenkontakte zum Anlegen der Steuerspannung angeordnet.
Die Kontaktierung der Kontaktelemente und der Steuerelektrode kann auch über die sogenannte via-hole- Technik erfolgen, bei der entsprechende Locher m die Bodenplatte rückseitig eingeatzt sind, so daß rückseitig die entsprechenden zu kontaktierenden Bestandteile freiliegen und mit einer Metallisierung als Außenkontakt überzogen werden können.
Erfmdungsgemaß kann nun das gesamte Bauelement (Mikroschaltkontakt) aus einem einzigen Material aufgebaut werden, beispielsweise Diamant. Dabei wird mittels geeigneter Dotierung erreicht, daß beispielswei- se die Kontaktelemente, die Steuerelektrode und der Biegebalken elektrisch leitend sind, beispielsweise durch starke Dotierung beispielsweise mit Bor, Stickstoff, Schwefel oder Phosphor. Andererseits kann die Bodenplatte aus isolierendem, über ein CVD-Verfahren abgeschiedenem Diamant bestehen, ebenso der Anker.
Das gesamte Bauelement kann auf einer Tragerschicht, beispielsweise aus Silizium, angeordnet sein. Diese kann auch noch wahrend der Fertigung des Bauelements vorhanden und nachtraglich wieder entfernt werden. Zwischen der Bodenplatte und der Tragerschicht kann dabei eine weitere isolierende Schicht, beispielswei- se aus SiOx angeordnet werden, um jegliche Leckströme durch das Trägermaterial zu unterbinden.
Erfindungsgemäß kann die Herstellung eines veranker- ten Schaltkontaktes erfolgen , indem zuerst die Bodenplatte, der Anker und das erste Kontaktelement sowie gegebenenfalls die Steuerelektrode auf einen Siliziumträger, beispielsweise über CVD-Verfahren, vorzugsweise Plasma-CVD aber auch über Arc-Jet-CVD oder Hot- Filament-CVD abgeschieden werden. Daraufhin wird eine Opfer-Schicht aufgebracht, auf die anschließend der Biegebalken abgeschieden wird. Der Biegebalken wird dabei mit dem Anker und damit der Bodenplatte verbunden, so daß anschließend die Opfer-Schicht entfernt werden kann und der Biegebalken als freitragendes mechanisches Bauelement verbleibt.
Im folgenden wird ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikroschaltkontaktes gegeben. Es zeigen
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Mikroschaltkontakt;
Figur 2 die Temperaturabhängigkeit der Schwellspannung des Schaltkontaktes aus Figur 1;
Figur 3 die Simulation der Temperaturverteilung im Vakuum des Mikroschaltkontaktes aus Figur 1;
Figur 4 einen Schaltkontakt mit einem geschalteten
Schaltkontakt und zwei Abschirmungen sowie Figur 5 einen Schaltkontakt mit geschaltetem Signalkontakt und zwei geschalteten Abschirmungen.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Mikroschaltkontakt 1. Bei dem Mikroschaltkontakt 1 befindet sich auf einer Trägerschicht 2 aus Silizium eine Bodenplatte 3 aus nichtdotiertem und damit nichtleitendem, über ein CVD-Verfahren abgeschiedenen Diamant. An ei- nem Ende der Bodenplatte ist eine weitere nichtleitende Diamantschicht als Anker 4 aufgebracht. Am anderen Ende der Bodenplatte 3 ist ein Kontaktelement 7 aus stark mit Bor dotiertem und mithin quasi-metal- lisch leitendem Diamant angeordnet.
Oberhalb des Ankers 4 und mit diesem verbunden, jedoch in Richtung der Bodenplatte 3 diesen überragend, befindet sich ein Biegebalken 5 aus ebenfalls über eine starke Bor-Dotierung quasi-metallisch leitendem Diamant. Die Höhe des Ankers 4 bestimmt dabei den Abstand des Biegebalkens 5 von der Bodenplatte 3. Dieser Biegebalken 5 erstreckt sich freitragend bis über das erste Kontaktelement 7, wo an seiner Unterseite ein zweites Kontaktelement 8 aus elektrisch leitendem Diamant angeordnet ist. Die beiden Kontaktelemente 7 und 8 weisen im nichtgeschalteten Zustand einen vorbestimmten Abstand voneinander auf.
Unterhalb des Biegebalkens im Zwischenraum zwischen dem Biegebalken 5 und der Bodenplatte 3 befindet sich eine Steuerelektrode 9 aus elektrisch leitendem Diamant. Sowohl die Steuerelektrode 9 als auch das erste Kontaktelement 7 weisen Metallisierungen aus W-Si oder Au 11 bzw. 10 auf, die als Außenkontakte zum Anlegen von Spannungen und Strömen an die Steuerelektrode 9 bzw. das erste Kontaktelement 7 dienen. Diese Metallisierungen 11 und 10 sind außerhalb des Bereiches angebracht, der von dem Biegebalken 5 überdeckt wird. Dadurch wird eine Kontaktierung zwischen dem Biegebalken 5 und den Metallisierungen 11 und 10 vermieden, wenn sich der Biegebalken in Richtung des Pfeiles A durchbiegt.
Das zweite Kontaktelement 8 ist über den Biegebalken 5 mit einer auf diesem Biegebalken angebrachten, als Außenkontakt dienenden Metallisierung 6 elektrisch verbunden. An diese Metallisierung 6 kann Spannung an das zweite Kontaktelement 8 angelegt werden.
Über die Dicke und die Dimensionierung des Biegebalkens 5 können dessen elastische Eigenschaften verän- dert werden, so daß beispielsweise die Schwellspannung oder auch die Schaltgrenzfrequenz individuell eingestellt werden können.
In alternativen Ausführungen kann die Bodenplatte 3 des Mikroschaltkontaktes statt aus Diamant auch aus SiC, GaN, AIN, AlGaN oder BN bestehen. Der Träger 2 besteht vorteilhafterweise aus (100) -orientiertem Silizium. In diesem Falle kann die Bodenplatte 3 hoch orientiert sein und eine hohe Oberflächenplanarität besitzen. Der zweite Kontakt 8 kann alternativ auch aus einer hochtemperaturstabilen Metallisierung wie W:Si oder Ta:Si bestehen. Alternativ kann jedoch auch das zweite Kontaktelement 8 aus Diamant und das erste Kontaktelement 7 aus einer derartigen hocntemperatur- stabilen Metallisierung bestehen. Die Metallisierung kann selbst auf einem Diamantsubstrat erfolgen ("me- talluberzogener Diamant"), wobei αie guten meachni- schen Eigenschaften des Diamants genutzt werden. Derartige hochtemperaturstabile Metallisierungen sind beispielsweise von hochtemperaturstabilen Schottky- Diodenmateπalien her bekannt.
Der m Figur 1 gezeigte Schaltkontakt 1 wird hier kapazitiv (elektrostatisch) geschaltet. Als obere Kondensatorplatte dient dabei der Biegebalken 5 und als untere Elektrode die Steuerelektrode 9. Abhangig von der geometrischen Dimensionierung des Biegebalkens 5 und der Steuerelektrode 9 kann dabei die Schaltspannung zwischen einigen Volt und einigen 10 Volt eingestellt werden. Im vorhergehenden Beispiel besitzt der Biegebalken 5 eine Dicke zwischen 0,5 und 10 um. Die- se geringen Schichtdicken fuhren eoenso wie das hohe Elastizitätsmodul von Diamant zu einer geringen Trägheit und damit hohen Schaltgrenzfrequenz. Derartig kleine Schichtdicken für Biegebalken sind mit einem Keramik- oder Hybridaufbau nicht realisierbar.
Figur 2 zeigt die gemessene Temperaturabhangigkeit der Schwellspannung des m Figur 1 dargestellten Mikroschaltkontaktes 1. Es ist unschwer zu erkennen, daß bis zu Temperaturen weit über 600 °C ein Schalten ohne eine Veränderung der Schwellspannung möglich Figur 3 zeigt die simulierte Temperaturverteilung im Vakuum des in Figur 1 dargestellten Mikroschaltkontaktes 1 bei einer Stromdichte von 1 x 10δ A/cm2.
Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamant lassen sich hohe Verlustleistungen abführen.
Durch die hohe Temperaturstabilität des Materials toleriert der Schaltkontakt hohe Temperaturen.
Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikroschaltkontaktes, bei dem Abschirmungen für HF-Frequenzen vorgesehen sind. Bei dieser Figur sind entsprechende Elemente mit entsprechenden Be- zugszeichen wie in Figur 1 versehen und werden daher nicht weiter erläutert.
Im Unterschied zu Figur 1 ist nunmehr an dem Anker 4 ein Biegebalken 5 befestigt, der drei verschiedene, voneinander elektrisch getrennte Metallisierungen 6a, 6b und 6c aufweist. Der Biegebalken selbst ist aus elektrisch isolierendem Diamant, während die Metallisierung 6a, 6b, 6c jeweils mit Kontaktelementen 8a, 8b und 8c verbunden sind. Dies ist in Figur 4A darge- stellt. Die Metallisierungen 6a, 6b und 6c sind auf der Seite des Ankers 4 mit weiteren Metallisierungen 12a, 12b und 12c verbunden. Damit trägt der Biegebalken 5 insgesamt 3 Schaltfinger, wobei der mittlere Schaltfinger mit der Metallisierung 6b zur Signallei- tung verwendet wird, während die beiden anderen
Schaltfinger mit den Metallisierungen 6a und 6c zur Abschirmung auf Masse gelegt sind. Wird der Biegebalken 5 nun durchgebogen, indem an die Steuerelektrode 9 eine entsprechende Spannung angelegt wird, so werden die Kontaktelemente 6a, 6b und 6c mit den entsprechenden Kontaktelementen 7a, 7b und 7c auf dem Diamantsubstrat 3 verbunden. Folglich wird ein elektrischer Kontakt zwischen den Metallisierungen 12a, 12b und 12c mit den Metallisierungen 10a, 10b bzw. 10c hergestellt. Damit ist nicht nur das Signal, sondern auch die entsprechende Massenabschirmung durchgeschaltet.
Figur 4B zeigt einen Querschnitt durch jeden der einzelnen Schaltfinger, wobei zu beachten ist, daß sämt- liehe Schaltfinger auf demselben Biegebalken 5 angeordnet sind. Die Indizes a, b und c wurden hier weggelassen, da jeder dieser Schaltfinger gleich aufgebaut ist.
Figur 5 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen
Schaltkontakt, der ebenfalls drei Finger aufweist, wobei jedoch nur der mittlere Signalkontakt geschaltet wird. In Figur 5 sind ebenfalls, wie in Figur 4, entsprechende Elemente mit entsprechenden Bezugszei- chen wie in Figur 1 versehen, so daß auf ihre Beschreibung verzichtet wird.
Figur 5B zeigt einen Querschnitt durch einen masseführenden Schaltkontakt, bei dem auf dem gemeinsamen Biegebalken 5 eine Metallisierung 14 aufgebracht ist. Weiterhin ist zwischen der isolierenden Diamantschicht 3 und dem Anker 4 eine Metallisierung 13 an- geordnet, die sich über die gesamte Lange des Schaltfingers erstreckt und als Masseabscnirmung beiαe Seiten des Schaltkontaktes miteinander verbindet. Die Metallisierung 14 auf dem Bιegebal en 5 dient als Steuerelektrode. Sowohl die Metallisierung 13 als auch die Metallisierung 14 können oeispielsweise aus W-Si, W:Sι:N, Ti, Au, eventuell aucn mit darunter liegender P+-Dιamantschιcht bestehen. Der Biegebalken 5 ist m diesem Beispiel semi-isolierend ausgeführt.
In Figur 5C ist der mittlere Schaltfinger dargestellt, der als Signalleitung fungiert. Dieser Schaltkontakt ist m gleicher Weise ausgeführt wie der Schaltkontakt, der m Figur 4B dargestellt ist, und wird an dieser Stelle daher nicht weiter beschrieben.
In Figur 5A ist eine Aufsicht auf den gesamten Schaltkontakt dargestellt, wobei hier zu erkennen ist, daß lediglich der mittlere Schaltfinger bei einer Durchbiegung des Biegebalkens 5 einen elektrischen Kontakt zwischen den beiden Kontaktelementen 7 und 8 herstellt. Der Balken 5 wird dabei elektrostatisch durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Bal- kenkontakt 14 und der Substratmasseflache 13 ausgelenkt. Dadurch wird der Diamantkontakt über die Kontaktelemente 7, 8 geschlossen und es kann ein Signalstrom über die Metallisierung 12, 6, über die Kontaktelemente 8, 7 und die Metallisierung 10 fließen. Die Balkenmetallisierungen 14 für αie Steuerspannung sind von der darunter und daneben liegenden Substrat- massemetallisierung 13 über den isolierenden Anker 4 elektrisch getrennt. Die beiden Signalmetallisierungen 6 sind mit der Substratsignalmetallisierug 12 verbunden, wobei die beiden Metallisierungen 12 und 13 sowie die beiden Metallisierungen 10 und 13 je- weils räumlich und damit auch elektrisch voneinander getrennt sind.
Insgesamt ergibt sich folglich, daß mit dem erfindungsgemäßen Mikroschaltkontakt es möglich wird, sehr hohe Ströme bei sehr hohen Temperaturen zu schalten. Dabei wird insbesondere ausgenutzt, daß Diamant, abhängig von seiner Dotierung, sehr variable elektrische Eigenschaften besitzt und als multifunktionelles Material eingesetzt werden kann. Diamant besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Hitzebeständigkeit. Der erfindungsgemäße Mikroschalter ist chemisch inert, weist eine hohe Lebensdauer, hohe Schlagfestigkeit, hohe Schaltdynamik sowie eine minimale Materialkomplexität auf und ist mikrowellentaug- lieh.

Claims

Patentansprüche
1. Mechanisch schließender, elektrischer Mikroschaltkontakt mit einem ersten und einem zweiten elektrisch leitenden Kontaktelement mit einer ersten bzw. einer zweiten elektrisch leitenden Kontaktfläche, wobei die beiden Kontaktelemente im offenen Zustand des Mikroschaltkontakts einen vorbestimmten Abstand voneinander aufweisen und im geschlossenen Zustand einander in einem Kontaktbereich im Bereich der ersten und zweiten Kontaktflächen berühren, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die erste Kontaktfläche und/oder die zweite Kontaktfläche zumindest teilweise aus hochdotier- tem, leitfähigem Diamant, Siliziumcarbid (SiC) ,
Galiumnitrid (GaN) , Bornitrid (BN) , Aluminium- Galiumnitrid (AlGaN) und/oder Aluminiumnitrid (AIN) besteht.
2. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Kontaktflächen zumindest teilweise aus Metall, einem karbidbildenden Metall und/oder einer hochtemperaturstabilen Metallisierung be- steht.
3. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch eir- peraturstabile Metallisierung W:Si und/oder Ta:Si enthält.
4. Mikroschaltkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bodenplatte, wobei auf der Oberseite der Bodenplatte das erste Kontaktelement derart an- geordnet ist, daß seine Kontaktfläche der Bodenplatte gegenüber liegt, einen Anker, der auf der Oberseite der Bodenplatte in einem vorbestimmten Abstand zu dem ersten Kontaktelement angeordnet ist, sowie einen Biegebalken, der auf der der Bodenplatte abgewandten Seite des Ankers befestigt ist und von diesem in einem vorbestimmten Abstand zur Bodenplatte gehalten wird, wobei der Biegebalken sich freitragend von dem Anker bis mindestens über das erste Kontaktelement erstreckt und wobei das zweite Kontaktelement auf der dem ersten Kontaktelement zugewandten Seite des Biegebalkens angeordnet ist, derart, daß die Kontakt- fläche des zweiten Kontaktelementes der Kontaktfläche des ersten Kontaktelementes gegenüber liegt .
5. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenαen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte zumindest teilweise aus einer elektrisch isolierenden Diamantschicht, SiC, GaN, AlGaN, BN und/oder AIN besteht.
6. Mikroschaltkontakt nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker zumindest teilweise aus elektrisch isolierendem Diamant, SiC, GaN, AlGaN, BN und/oder AIN besteht derart, daß er die Bodenplatte und den Biegebalken voneinander elektrisch isoliert.
7. Mikroschaltkontakt nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken zumindest teilweise aus elektrisch leitend dotiertem Diamant, SiC, GaN, AlGaN, BN und/oder AIN besteht.
8. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebal¬ ken m Richtung senkrecht zur Oberflache der Bodenplatte eine Dicke zwischen 0,5 und 10 um auf- weist.
9. Mikroschaltkontakt nach einem der Anspr che 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte auf einem Substrat als Trager angeordnet
Figure imgf000019_0001
10. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat zumindest teilweise aus Silizium besteht.
11. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat zumindest teilweise aus (100) -orientiertem Sili- zium besteht .
12. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er elektrostatisch, induktiv, mechanisch und/oder ther- modynamisch schaltbar ist.
13. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Bodenplatte zwischen der Bodenplatte und dem Bie- gebalken eine Steuerelektrode angeordnet ist.
14. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode zumindest teilweise aus elektrisch lei- tend dotiertem Diamant besteht.
15. Mikroschaltkontakt nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode elektrische Außenkontakte zur Spannungsversorgung der Steuerelektrode aufweist .
16. Mikroschaltkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem ersten und/oder zweiten Kontaktelement außerhalb des Kontaktbereichs elektrische Außenkontakte zur Spannungs- und Stromversorgung des Kontaktelementes angeordnet sind.
17. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Kontaktelement außerhalb des Kontaktbereichs mit Oberflachenmetallisierungen zur Bildung der elektrischen Außenkontakte versehen sind.
18. Mikroschaltkontakt nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode mit Ober- flachenmetallisierungen zur Bildung der elektrischen Außenkontakte versehen ist.
19. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfla- ehe des Biegebalkens zumindest teilweise Oberflachenmetallisierungen aufweist .
20. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die dem An- ker entgegengesetzte Oberfläche des Biegebalker-s zumindest teilweise Oberflächen etallisierunger- aufweist .
21. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflachenmetallisierung ein Edelmetall, ein Nichte- delmetall oder eine Metalllegierung aufweist.
22. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenmetallisierung durch Aufdampfen, Zerstäuber. oder galvanische Abscheidung auf die Kontaktelemente, den Biegebalken und/oder die Steuerelek- trode aufgebracht ist.
23. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte und ggf. der Träger im Bereich des erste: Kontaktelementes und gegebenenfalls im Bereich der Steuerelektrode auf der von diesen abgewanc- ten Seite Öffnungen aufweisen, über die das erste Kontaktelement und gegebenenfalls die Steuerelektrode elektrisch kontaktierbar sind.
24. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Träger und der Bodenplatte eine Zwischenschicht aus Siliziu (di) oxid (SiOx) , Siliziumnitrid, Me- tall, einer Legierung und/oder einem Dielektri- kum angeordnet ist.
25. Mikroschaltkontakt nach einem der Ansprüche 4 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Boden- platte, der Anker und/oder der Biegebalken durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) von Diamant hergestellt ist.
26. Mikroschaltkontakt nach dem vorhergehenden An- spruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamant durch Plasma-CVD, Arc-Jet-CVD, und/oder Hot- Filament-CVD abgeschieden ist.
27. Mikroschaltkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Diamantschichten der Kontaktelemente, des Biegebalkens und/oder der Steuerelektrode zumindest teilweise aus Diamantschichten bestehen, der mit Bor, Stickstoff, Schwefel und/oder Phosphor dotiert sind.
28. Verfahren zur Herstellung eines Mikroschaltkontaktes nach einem der Ansprüche 4 bis 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß auf einem Trager eine Bodenplatte, ein Anker und das erste Kontaktelement aufgebracht, auf die Bodenplatte bis zur Höhe des Ankers eine Opferschicht aufgebracht, auf den Anker und die Opferschicht der Biegebai- ken und das mit dem Biegebalken verbundene zweite Kontaktelement aufgebracht wird, und abschließend die Opferschicht entfernt wird.
29. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine Opferschicht aus Metall, einem Dielektrikum, Siliziumdioxid, SiOx, Si3N<ι und/oder SiOxNy aufgebracht wird.
30. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Opferschicht durch Ätzen entfernt wird.
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