WO2022189056A1 - Electrically actuatable mems switch - Google Patents
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Definitions
- the ADGM1304 MEMS switch produced in a wafer process by Analog Devices is also known.
- This relay is capacitive driven.
- the material from which the lever element is made must have good mechanical properties as well as good electrical conductivity.
- the gold used is one of the few materials that are suitable. However, gold is expensive and complex to process.
- the material for the lever element must be able to be processed selectively with respect to the underlying sacrificial layer. Gold over an oxide layer etched with HF is one of the few systems that has been able to do this. If a high force is to be generated in order, for example, to enable low contact resistances, the area of the electrode and the corresponding lever element must be enlarged. However, this also increases the size of the component and thus its costs.
- the electrical potential of the lever element is also a connection of the switching line at the same time. In this arrangement, there is therefore no galvanic isolation between the switching lines and the control line.
- the search is for a method and an arrangement that, based on a wafer process, allows an electrically actuated MEMS switch to be built without expensive Lever structure made of gold and with which one can build up high contact forces, especially capacitively driven.
- the invention relates to an electrically actuable MEMS switch with a substrate on which a first insulation layer, a silicon layer, a second insulation layer and a metal layer are arranged one above the other, the silicon layer, the second insulation layer and the metal layer forming a micromechanical functional layer in which a fixed part and an electrically actuable, deflectable switching element are formed, wherein the switching element is designed to rest on the fixed part in an operating state of the switch and thus to form a mechanical and electrical contact between the switching element and the fixed part.
- a core idea of the invention is to carry out a functional separation in the MEMS element.
- the relatively poorly conducting silicon layer has very good mechanical properties and is very well suited to form a capacitive drive.
- this layer can be made relatively thick, so that it characterizes the mechanical properties of the relay.
- This layer is supplemented by a metal layer applied vertically above an insulating layer, which has very good conductivity and whose task is to create good electrical contact.
- the electrostatic force that can be generated by a capacitive structure can be adjusted with the height of the silicon layer and to a certain extent also with the aspect ratio (trench width to trench depth) with which trenches can be created in the silicon layer.
- a further advantage of the invention lies in the fact that, by separating the two functions, it is also possible to implement MEMS switches that are switched capacitively, there being complete galvanic isolation between the switching lines and the control line.
- the invention also relates to a method for manufacturing an electrically actuable MEMS switch. The process enables MEMS relays to be manufactured at low cost. It enables the production of relays with low electrical resistance. In addition, it enables the production of very compact relays with a low control voltage and with galvanic isolation between the switched lines on the one hand and the control line on the other.
- FIG. 1 schematically shows an electrically actuable MEMS switch in the prior art.
- FIGS. 2a to h show a method according to the invention for producing an electrically actuable MEMS switch in individual stages of the device.
- FIG. 3a shows an electrically actuable MEMS switch according to the invention.
- FIG. 3b shows the electrically actuable MEMS switch according to the invention in a switched operating state.
- FIG. 4 schematically shows the method according to the invention for producing an electrically actuable MEMS switch.
- FIG. 1 schematically shows an electrically actuable MEMS switch in the prior art.
- a first electrode 2 and a first contact area 3 are provided on a substrate 1 .
- Lever structure 4 is arranged above both structures, separated by a distance. If a voltage is applied between the lever and the first electrode, there is a movement out of the substrate plane. The cantilever is deflected perpendicularly to the substrate and contact is created between the cantilever and the contact surface. This arrangement can be made by looking at the electrode and the contact area first a sacrificial layer 5 is applied, then a gold layer is applied and structured, and then the sacrificial layer is removed.
- FIGS. 2a to h show a method according to the invention for producing an electrically actuable MEMS switch.
- an SOI substrate 13 is first provided (FIG. 2a).
- the SOI substrate consists of a substrate 1, a first insulation layer 100 and a silicon layer 110.
- a second insulation layer 14 is deposited and patterned on the silicon layer 110 of the SOI substrate 13 (FIG. 2b).
- a silicon-rich nitride layer is preferably deposited.
- a further silicon or germanium layer 15 is then deposited and polished back up to the level of the second insulation layer (FIG. 2c). This is particularly advantageous when using relatively thick insulation layers (>300 nm).
- a metal layer 16 is then deposited and structured (FIG. 2d).
- the metal layer covers the opening in the insulation layer.
- the coverage is preferably more than 20 nm and less than 20% of the thickness of the silicon layer.
- a metal layer that passivates itself such as Al or W, can be used for the metal layer.
- insulation layers or also metal layers or also auxiliary bonding layers 17 can be deposited and structured (FIGS. 3a, b).
- a trenching process is carried out, in which trenches are advanced through the silicon layer 110 to the insulating layer 100 .
- the trench process is carried out in such a way that the connection between the metal layer and the silicon layer is interrupted in partial areas, in particular in the contact area, and the metal edge completely protrudes beyond the silicon edge in the horizontal direction.
- the first insulation layer 100 here the oxide layer of the SOI wafer, is locally removed using an etching process 20 (FIG. 2g).
- An etching process with gaseous HF is preferably used.
- Tempering can optionally be carried out in a further step.
- annealing in hydrogen or in a hydrogen-containing atmosphere at a temperature above 850°C.
- Metal oxides 21, which have formed on the surface of the metal 16 and can lead to poor contacts, are thus reduced.
- This also results in a smoothing of the silicon trenches.
- the silicon trenches have a slightly rough surface with the so-called etched grooves 22. Due to the high temperature and the reducing effect of the hydrogen, the surface can be restructured and become smooth (FIG. 2h).
- the surface of the metal layer can be activated via an etching step.
- metallic oxide compounds that have formed on the surface of the metal layer, preferably during oxide etching, in particular in the contact area, can be removed using a back-sputtering method.
- the insulating layer can optionally be removed in partial areas (26) (FIG. 3a).
- the movable relay structure can be protected with a cap wafer (23) that is applied using a bonding process (24) (FIG. 3a).
- a eutectic bonding method such as AlGe or CuSn or a seal-glass bonding method can preferably be used.
- an oxide layer 27 is first deposited on a silicon substrate 1 .
- the oxide layer can optionally be structured in order to define contact areas that make it possible to apply a defined electrical potential to the substrate later in the process.
- polysilicon layers 28 and further oxide layers can now be deposited and structured.
- buried conductor tracks can be produced, which make it possible to provide individual electrodes that are produced in the polysilicon functional layer with a defined electrical potential.
- the polysilicon layers can also be used as a very small but electrically isolated suspension for the movable relay structures or for the fixed drive electrodes (see Figures 3a and 3b).
- a silicon layer 110 is deposited, in particular as epitaxial polysilicon. As a result, an SOI substrate 13 is created again and the further course of the process is the same as in the first variant of the method.
- the silicon layer it is possible to implement favorable design parameters for a relay and to optimize them in a wide range.
- the electrically actuable MEMS switch it is advantageous for the silicon layer to be at least three times thicker than the metal layer.
- the mechanical properties are essentially shaped by the silicon layer. It is also advantageous to remove the metal layer in partial areas of the movable structure. It is favorable to remove at least half of the area of the metal layer on the movable structure.
- the insulation layer in partial areas of the movable structure. It is favorable to remove at least half of the area of the insulating layer on the movable structure.
- FIG. 3a shows an electrically actuable MEMS switch according to the invention with a substrate 1 on which a first insulation layer 100, a silicon layer 110, a second insulation layer 14 and a metal layer 16 are arranged one above the other.
- the silicon layer, the second insulation layer and the metal layer together form a micromechanical functional layer 120 in which a fixed part 121 and an electrically actuable, deflectable switching element 122 are formed.
- a first contact area 1210 is formed in the metal layer 16 of the fixed part 121
- a second contact area 1220 is formed in the metal layer 16 of the switching element 122 .
- the switching element can be deflected in at least a first direction 7 parallel to a main plane of extension of the substrate.
- the first and the second contact area can come into mechanical contact with one another and thus close an electrical contact.
- the first contact region and the second contact region protrude in the first direction 7 with a projection 12 in relation to the underlying silicon layer 110 .
- FIG. 3b shows the electrically actuable MEMS switch according to the invention in a switched operating state.
- a voltage is present between stationary electrodes 10 and opposite electrodes of switching element 122, which causes a capacitive force.
- the movable switching element 122 is deflected in the first direction 7 towards the fixed part 121 in such a way that the second contact area 1220 bears against the first contact area 1210 . The contact is thus closed.
- FIG. 4 schematically shows the method according to the invention for producing an electrically actuable MEMS switch.
- the procedure has the following essential steps:
- Step A providing an SOI substrate (13) with a substrate wafer (1), a first insulation layer (100) and a silicon layer (110);
- Step B depositing and patterning a second insulating layer (14) on the silicon layer (110);
- Step C depositing and patterning a metal layer (16) over the second insulating layer (14);
- Step D structuring of the silicon layer (110) by anisotropic etching up to the first insulating layer (100), whereby in the silicon layer (110), the second insulating layer (14) and the metal layer (16) a fixed part (121) and a switching element (122 ) be formed;
- Step E etching the first insulating layer (100) thereby at least partially exposing the switching element (122) and making it movable.
Abstract
The invention relates to an electrically actuatable MEMS switch, comprising a substrate (1) on which a first insulation layer (100), a silicon layer (110), a second insulation layer (14) and a metal layer (16) are arranged one on top of the other, wherein the silicon layer, the second insulation layer and the metal layer form a micromechanical functional layer (120) in which there is a fixed part (121) and an electrically actuatable, deflectable switch element (122), wherein the switch element is designed to abut the fixed part in an operating state of the switch and thus form a mechanical and electrical contact between the switch element and the fixed part. The invention also relates to a method for producing an electrically actuatable MEMS switch.
Description
Titel title
Elektrisch betätigbarer MEMS-Schalter Electrically operable MEMS switch
Stand der Technik State of the art
Bekannt sind unterschiedlichste Sorten von elektrisch betätigbaren Schaltern. Die meisten Relais werden elektromagnetisch angetrieben und benötigen zum Betrieb eine Magnetspule. Damit können große Kräfte erzeugt werden, derartige Relais können aber aufgrund der benötigten gewickelten Spule nicht miniaturisiert werden. Sie können auch nicht in einem günstigen Waferprozess hergestellt werden. Weiter haben sie einen sehr hohen Stromverbrauch. A wide variety of types of electrically actuated switches are known. Most relays are electromagnetically driven and require a solenoid coil to operate. Large forces can thus be generated, but such relays cannot be miniaturized because of the wound coil required. Nor can they be manufactured in a cheap wafer process. They also have a very high power consumption.
Bekannt ist auch der in einem Waferprozess hergestellter MEMS Schalter ADGM1304 der Firma Analog Devices (Fig. 1). Dieses Relais ist kapazitiv angetrieben. In dieser Anordnung muss das Material, aus dem das Hebelelement hergestellt wird, sowohl gute mechanische Eigenschaften aufweisen also auch eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Das verwendete Gold ist eins der wenigen Materialien, die geeignet sind. Gold ist jedoch teuer und aufwendig in der Verarbeitung. Daneben muss das Material für das Hebelelement selektiv zur darunterliegenden Opferschicht zu bearbeiten sein. Gold über einer Oxidschicht, die mit HF geätzt wird ist eins der wenigen Systeme, mit dem das bisher möglich ist. Soll eine hohe Kraft erzeugt werden, um beispielsweise geringe Kontaktwiderstände zu ermöglichen, so muss die Fläche der Elektrode und des korrespondierenden Hebelelements vergrößert werden. Damit wird aber auch das Bauteil vergrößert und damit dessen Kosten. Das elektrische Potential des Hebelelements ist gleichzeitig auch ein Anschluss der Schaltleitung. In dieser Anordnung besteht daher keine galvanische Trennung zwischen der Schaltleitungen und der Ansteuerleitung. The ADGM1304 MEMS switch produced in a wafer process by Analog Devices (FIG. 1) is also known. This relay is capacitive driven. In this arrangement, the material from which the lever element is made must have good mechanical properties as well as good electrical conductivity. The gold used is one of the few materials that are suitable. However, gold is expensive and complex to process. In addition, the material for the lever element must be able to be processed selectively with respect to the underlying sacrificial layer. Gold over an oxide layer etched with HF is one of the few systems that has been able to do this. If a high force is to be generated in order, for example, to enable low contact resistances, the area of the electrode and the corresponding lever element must be enlarged. However, this also increases the size of the component and thus its costs. The electrical potential of the lever element is also a connection of the switching line at the same time. In this arrangement, there is therefore no galvanic isolation between the switching lines and the control line.
Aufgabe der Erfindung object of the invention
Gesucht ist ein Verfahren und eine Anordnung, die es erlaubt, basierend auf einem Waferprozess, einen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter zu bauen, welcher ohne teure
Hebelstruktur aus Gold auskommt und mit dem man, insbesondere kapazitiv angetrieben, hohe Kontaktkräfte aufbauen kann. The search is for a method and an arrangement that, based on a wafer process, allows an electrically actuated MEMS switch to be built without expensive Lever structure made of gold and with which one can build up high contact forces, especially capacitively driven.
Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
Die Erfindung betrifft einen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter mit einem Substrat, auf dem übereinander eine erste Isolationsschicht, eine Siliziumschicht, eine zweite Isolationsschicht und eine Metallschicht angeordnet sind, wobei die Siliziumschicht, die zweite Isolationsschicht und die Metallschicht eine mikromechanische Funktionsschicht bilden, in der ein fester Teil und ein elektrisch betätigbares, auslenkbares Schaltelement ausgebildet sind, wobei das Schaltelement dazu ausgebildet ist, in einem Betriebszustand des Schalters an dem festen Teil anzuliegen und derart einen mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen dem Schaltelement und dem festen Teil zu bilden. The invention relates to an electrically actuable MEMS switch with a substrate on which a first insulation layer, a silicon layer, a second insulation layer and a metal layer are arranged one above the other, the silicon layer, the second insulation layer and the metal layer forming a micromechanical functional layer in which a fixed part and an electrically actuable, deflectable switching element are formed, wherein the switching element is designed to rest on the fixed part in an operating state of the switch and thus to form a mechanical and electrical contact between the switching element and the fixed part.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Advantageous configurations of the invention can be found in the dependent claims.
Eine Kernidee der Erfindung ist es, eine Funktionstrennung im MEMS-Element vorzunehmen. Die relativ schlecht leitende Siliziumschicht hat sehr gut mechanische Eigenschaften und ist sehr gut geeignet um einen kapazitiven Antrieb zu bilden. Diese Schicht kann dazu relativ dick ausgeführt werden, so dass sie die mechanischen Eigenschaften des Relais prägt. Ergänzt wird diese Schicht um eine in vertikaler Richtung über einer Isolationsschicht aufgebrachte Metallschicht, die eine sehr gute Leitfähigkeit hat und deren Aufgabe darin besteht einen guten elektrischen Kontakt zu erzeugen. A core idea of the invention is to carry out a functional separation in the MEMS element. The relatively poorly conducting silicon layer has very good mechanical properties and is very well suited to form a capacitive drive. For this purpose, this layer can be made relatively thick, so that it characterizes the mechanical properties of the relay. This layer is supplemented by a metal layer applied vertically above an insulating layer, which has very good conductivity and whose task is to create good electrical contact.
Durch die Trennung der beiden Funktionen und den speziellen Überhang der Metallschicht ist es daneben möglich, über eine In-Plane-Bewegung einen elektrischen Kontakt zu erzeugen. Die elektrostatische Kraft, die durch eine kapazitive Struktur erzeugt werden kann, lässt sich mit der Höhe der Siliziumschicht und in gewissem Maß auch mit dem Aspektverhältnis (Grabenbreite zu Grabentiefe) mit dem Gräben in der Siliziumschicht erzeugt werde können, einstellen. Due to the separation of the two functions and the special overhang of the metal layer, it is also possible to create an electrical contact via an in-plane movement. The electrostatic force that can be generated by a capacitive structure can be adjusted with the height of the silicon layer and to a certain extent also with the aspect ratio (trench width to trench depth) with which trenches can be created in the silicon layer.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die Trennung der beiden Funktionen auch MEMS-Schalter realisierbar sind, die kapazitiv geschaltet werden, wobei eine vollständige galvanische Trennung zwischen den Schaltleitungen und der Ansteuerleitung besteht.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters. Das Verfahren ermöglicht eine kostengünstige Herstellung von MEMS Relais. Es ermöglicht dabei die Herstellung von Relais mit geringem elektrischen Widerstand. Außerdem ermöglicht es die Herstellung von sehr kleinbauenden Relais mit geringer Ansteuerspannung sowie mit galvanischer Trennung zwischen den geschalteten Leitungen einerseits und der Ansteuerleitung andererseits. A further advantage of the invention lies in the fact that, by separating the two functions, it is also possible to implement MEMS switches that are switched capacitively, there being complete galvanic isolation between the switching lines and the control line. The invention also relates to a method for manufacturing an electrically actuable MEMS switch. The process enables MEMS relays to be manufactured at low cost. It enables the production of relays with low electrical resistance. In addition, it enables the production of very compact relays with a low control voltage and with galvanic isolation between the switched lines on the one hand and the control line on the other.
Zeichnung drawing
Figur 1 zeigt schematisch einen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter im Stand der Technik. FIG. 1 schematically shows an electrically actuable MEMS switch in the prior art.
Die Figuren 2 a bis h zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters in einzelnen Stadien der Vorrichtung. FIGS. 2a to h show a method according to the invention for producing an electrically actuable MEMS switch in individual stages of the device.
Figur 3 a zeigt einen erfindungsgemäßen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter. FIG. 3a shows an electrically actuable MEMS switch according to the invention.
Figur 3 b zeigt den erfindungsgemäßen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter in einem geschalteten Betriebszustand. FIG. 3b shows the electrically actuable MEMS switch according to the invention in a switched operating state.
Figur 4 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters. FIG. 4 schematically shows the method according to the invention for producing an electrically actuable MEMS switch.
Beschreibung description
Figur 1 zeigt schematisch einen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter im Stand der Technik. Auf einem Substrat 1 werden eine erste Elektrode 2 und eine erste Kontaktfläche 3 vorgesehen. Über beiden Strukturen wird durch einen Abstand getrennt Hebel-Struktur 4 angeordnet. Wird eine Spannung zwischen dem Hebel und erster Elektrode angelegt kommt es zu einer Bewegung aus der Substratebene hinaus. Der Hebel wird senkrecht zum Substrat ausgelenkt, und ein Kontakt zwischen Hebel und Kontaktfläche wird erzeugt. Diese Anordnung kann hergestellt werden, indem auf die Elektrode und die Kontaktfläche zunächst
eine Opferschicht 5 aufgebracht wird, dann eine Goldschicht aufgebracht und strukturiert wird und dann die Opferschicht entfernt wird. FIG. 1 schematically shows an electrically actuable MEMS switch in the prior art. A first electrode 2 and a first contact area 3 are provided on a substrate 1 . Lever structure 4 is arranged above both structures, separated by a distance. If a voltage is applied between the lever and the first electrode, there is a movement out of the substrate plane. The cantilever is deflected perpendicularly to the substrate and contact is created between the cantilever and the contact surface. This arrangement can be made by looking at the electrode and the contact area first a sacrificial layer 5 is applied, then a gold layer is applied and structured, and then the sacrificial layer is removed.
Die Figuren 2 a bis h zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters. FIGS. 2a to h show a method according to the invention for producing an electrically actuable MEMS switch.
In einer ersten Variante des Verfahrens wird zunächst ein SOI Substrat 13 bereitgestellt (Figur 2a). Das SOI Substrat besteht aus einem Substrat 1, einer ersten Isolationsschicht 100 und einer Siliziumschicht 110. In a first variant of the method, an SOI substrate 13 is first provided (FIG. 2a). The SOI substrate consists of a substrate 1, a first insulation layer 100 and a silicon layer 110.
Auf der Siliziumschicht 110 des SOI-Substrats 13 wird eine zweite Isolationsschicht 14 abgeschieden und strukturiert (Figur 2b). Bevorzugt wird eine siliziumreiche Nitridschicht abgeschieden. A second insulation layer 14 is deposited and patterned on the silicon layer 110 of the SOI substrate 13 (FIG. 2b). A silicon-rich nitride layer is preferably deposited.
Optional wird danach eine weitere Silizium- oder Germaniumschicht 15 abgeschieden und bis auf die Höhe der zweiten Isolationsschicht rückpoliert (Figur 2c). Dies ist besonders bei der Nutzung relativ dicker Isolationsschichten vorteilhaft (>300 nm). Optionally, a further silicon or germanium layer 15 is then deposited and polished back up to the level of the second insulation layer (FIG. 2c). This is particularly advantageous when using relatively thick insulation layers (>300 nm).
Danach wird eine Metallschicht 16 abgeschieden und strukturiert (Figur 2d). In ersten und zweiten Kontaktbereichen 1210, 1220, also in dem Bereich in dem später durch die Bewegung eines Schaltelements der elektrische Kontakt hergestellt wird, überdeckt die Metallschicht dabei die Öffnung in der Isolationsschicht. Bevorzugt beträgt die Überdeckung jeweils mehr als 20 nm und weniger als 20% der Dicke der Siliziumschicht. Bei der Metallschicht kann insbesondere eine Metallschicht verwendet werden, die sich selbst passiviert, wie zum Beispiele AI oder W. A metal layer 16 is then deposited and structured (FIG. 2d). In the first and second contact areas 1210, 1220, that is to say in the area in which the electrical contact is later established by the movement of a switching element, the metal layer covers the opening in the insulation layer. The coverage is preferably more than 20 nm and less than 20% of the thickness of the silicon layer. In particular, a metal layer that passivates itself, such as Al or W, can be used for the metal layer.
Optional können weitere Isolationsschichten oder auch Metallschichten oder auch Bondhilfsschichten 17 abgeschieden und strukturiert werden (Figur 3a, b). Optionally, further insulation layers or also metal layers or also auxiliary bonding layers 17 can be deposited and structured (FIGS. 3a, b).
Ein Trenchprozess wird ausgeführt, bei dem durch die Siliziumschicht 110 Gräben bis zur Isolationsschicht 100 vorangetrieben werden. Insbesondere wird der Trenchprozess derart ausgeführt, dass in Teilbereichen insbesondere im Kontaktbereich die Verbindung zwischen der Metallschichte und der Siliziumschicht unterbrochen wird und die Metallkante in horizontaler Richtung die Siliziumkante vollständig überragt. Günstig ist es nach einem ersten Prozessschritt mit einer isotrope SF6-Ätzung 18 (Figur 2e) einen Trenchprozess zu
nutzen, der eine horizontale Unterätzung der Metallschicht 16 von mindestens 50nm erzeugt (Figur 2f). A trenching process is carried out, in which trenches are advanced through the silicon layer 110 to the insulating layer 100 . In particular, the trench process is carried out in such a way that the connection between the metal layer and the silicon layer is interrupted in partial areas, in particular in the contact area, and the metal edge completely protrudes beyond the silicon edge in the horizontal direction. After a first process step with isotropic SF6 etching 18 (FIG. 2e), it is favorable to carry out a trench process use, which produces a horizontal undercutting of the metal layer 16 of at least 50 nm (Figure 2f).
In einem letzten Prozessschritt wird die erste Isolationsschicht 100, hier die Oxidschicht des SOI-Wafers, mit einem Ätzverfahren 20 lokal entfernt (Figur 2g). Bevorzugt wird ein Ätzverfahren mit gasförmigen HF genutzt. In a final process step, the first insulation layer 100, here the oxide layer of the SOI wafer, is locally removed using an etching process 20 (FIG. 2g). An etching process with gaseous HF is preferably used.
Optional kann in einem weiteren Schritt ein Tempern erfolgen. Insbesondere ein Tempern in Wasserstoff oder in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur über 850°C. Es werden damit Metalloxide 21, die sich an der Oberfläche des Metalls 16 gebildet haben und zu schlechten Kontakten führen können reduziert. Auch erfolgt damit eine Glättung der Siliziumgräben. Die Siliziumgräben haben, verursacht durch den Trenchprozess, eine leicht raue Oberfläche mit den sogenannten Ätzrillen 22. Durch die hohe Temperatur und die reduzierende Wirkung des Wasserstoffes kann sich die Oberfläche umstrukturieren und sich selbst glätten (Figur 2h). Tempering can optionally be carried out in a further step. In particular, annealing in hydrogen or in a hydrogen-containing atmosphere at a temperature above 850°C. Metal oxides 21, which have formed on the surface of the metal 16 and can lead to poor contacts, are thus reduced. This also results in a smoothing of the silicon trenches. Caused by the trenching process, the silicon trenches have a slightly rough surface with the so-called etched grooves 22. Due to the high temperature and the reducing effect of the hydrogen, the surface can be restructured and become smooth (FIG. 2h).
Optional kann über einen Ätzschritt die Oberfläche der Metallschicht aktiviert werden. Insbesondere kann über ein Rück-Sputter-Verfahren metallische Oxidverbindungen, die sich an der Oberfläche des Metallschicht bevorzugt bei Oxidätzung gebildet haben, insbesondere im Kontaktbereich, entfernt werden. Optional kann die Isolationsschicht in Teilbereichen (26) entfernt werden (Figur 3a). Optional kann die bewegliche Relais-Struktur mit einem Kappenwafer (23), der über ein Bondverfahren (24) aufgebracht wird, geschützt werden (Figur 3a). Bevorzugt kann ein eutektisches Bondverfahren wie AIGe oder CuSn oder eine Seal-Glas-Bondverfahren genutzt werden. Optionally, the surface of the metal layer can be activated via an etching step. In particular, metallic oxide compounds that have formed on the surface of the metal layer, preferably during oxide etching, in particular in the contact area, can be removed using a back-sputtering method. The insulating layer can optionally be removed in partial areas (26) (FIG. 3a). Optionally, the movable relay structure can be protected with a cap wafer (23) that is applied using a bonding process (24) (FIG. 3a). A eutectic bonding method such as AlGe or CuSn or a seal-glass bonding method can preferably be used.
In einer zweiten Variante des Verfahrens wird zunächst auf einem Siliziumsubstrat 1 eine Oxidschicht 27 abgeschieden. Die Oxidschicht kann optional strukturiert werden, um Kontaktbereiche zu definieren, die es im späteren Prozessverlauf ermöglichen, das Substrat auf ein definiertes elektrisches Potential zu legen. In a second variant of the method, an oxide layer 27 is first deposited on a silicon substrate 1 . The oxide layer can optionally be structured in order to define contact areas that make it possible to apply a defined electrical potential to the substrate later in the process.
Optional können nun Polysiliziumschichten 28 und weitere Oxidschichten abgeschieden und strukturiert werden. Damit können vergrabene Leiterbahnen erzeugt werden, die es ermöglichen einzelne Elektroden, die in der Polysilizium-Funktionsschicht erzeugt werden mit einem definierten elektrischen Potential zu versehen. Weiter können die Polysiliziumschichten auch als sehr kleine aber elektrisch isolierte Aufhängung für die beweglichen Relais-Strukturen oder für die feststehenden Antriebselektroden genutzt
werden (siehe Fig. 3a und 3b). Schließlich wird eine Siliziumschicht 110, insbesondere als epitaktisches Polysilizium abgeschieden. Im Ergebnis ist wieder ein SOI Substrat 13 geschaffen und der weitere Prozessablauf ist wie bei der ersten Variante des Verfahrens. Optionally, polysilicon layers 28 and further oxide layers can now be deposited and structured. In this way, buried conductor tracks can be produced, which make it possible to provide individual electrodes that are produced in the polysilicon functional layer with a defined electrical potential. Furthermore, the polysilicon layers can also be used as a very small but electrically isolated suspension for the movable relay structures or for the fixed drive electrodes (see Figures 3a and 3b). Finally, a silicon layer 110 is deposited, in particular as epitaxial polysilicon. As a result, an SOI substrate 13 is created again and the further course of the process is the same as in the first variant of the method.
Mit dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren ist es möglich, für ein Relais günstige Designparameter zu realisieren und in einem breiten Bad zu optimieren. Für den herzustellenden elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter ist es vorteilhaft, die Siliziumschicht mindesten drei Mal dicker als die Metallschicht auszuführen. Damit werden die mechanischen Eigenschaften im Wesentlichen durch die Siliziumschicht geprägt. Auch ist es vorteilhaft, in Teilbereichen der beweglichen Struktur die Metallschicht zu entfernen. Günstig ist es mindesten die Hälfte der Fläche der Metallschicht auf der beweglichen Struktur zu entfernen. With the manufacturing method described above, it is possible to implement favorable design parameters for a relay and to optimize them in a wide range. For the electrically actuable MEMS switch to be produced, it is advantageous for the silicon layer to be at least three times thicker than the metal layer. The mechanical properties are essentially shaped by the silicon layer. It is also advantageous to remove the metal layer in partial areas of the movable structure. It is favorable to remove at least half of the area of the metal layer on the movable structure.
Je nach Isolationsschicht, insbesondere bei Isolationsschicht die auf Silizium einen hohen intrinsischen Stress erzeugen, kann es auch günstig sein in Teilbereichen der beweglichen Struktur die Isolationsschicht zu entfernen. Günstig ist es mindesten die Hälfte der Fläche die Isolationsschicht auf der beweglichen Struktur zu entfernen. Depending on the insulation layer, particularly in the case of insulation layers that generate high intrinsic stress on silicon, it can also be advantageous to remove the insulation layer in partial areas of the movable structure. It is favorable to remove at least half of the area of the insulating layer on the movable structure.
Günstig ist es dicke Siliziumschichten zu verwenden und in Teilbereichen sehr schmale Gräben in die Siliziumschicht zu ätzen, um hohe Kapazitive zu erreichen. Insbesondere ist es günstig in Teilbereichen Gräben zu erzeugen die schmaler sind als 15% der Siliziumdicke. It is favorable to use thick silicon layers and to etch very narrow trenches into the silicon layer in some areas in order to achieve high capacitances. In particular, it is favorable to produce trenches in partial areas that are narrower than 15% of the silicon thickness.
Figur 3 a zeigt einen erfindungsgemäßen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter mit einem Substrat 1, auf dem übereinander eine erste Isolationsschicht 100, eine Siliziumschicht 110, eine zweite Isolationsschicht 14 und eine Metallschicht 16 angeordnet sind. Die Siliziumschicht, die zweite Isolationsschicht und die Metallschicht bilden zusammen eine mikromechanische Funktionsschicht 120, in der ein fester Teil 121 und ein elektrisch betätigbares, auslenkbares Schaltelement 122 ausgebildet sind. FIG. 3a shows an electrically actuable MEMS switch according to the invention with a substrate 1 on which a first insulation layer 100, a silicon layer 110, a second insulation layer 14 and a metal layer 16 are arranged one above the other. The silicon layer, the second insulation layer and the metal layer together form a micromechanical functional layer 120 in which a fixed part 121 and an electrically actuable, deflectable switching element 122 are formed.
In der Metallschicht 16 des festen Teils 121 ist ein erster Kontaktbereich 1210 ausgebildet, und in der Metallschicht 16 des Schaltelements 122 ist ein zweiter Kontaktbereich 1220 ausgebildet. Das Schaltelement ist in wenigstens einer ersten Richtung 7 parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats auslenkbar. Hierdurch können der erste und der zweite Kontaktbereich in mechanischen Kontakt miteinander treten und somit einen elektrischen Kontakt schließen. Der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich ragen dazu in der ersten Richtung 7 mit einem Überstand 12 gegenüber der darunterliegenden Siliziumschicht 110 hervor.
Figur 3 b zeigt den erfindungsgemäßen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter in einem geschalteten Betriebszustand. Zwischen feststehenden Elektroden 10 und gegenüberliegenden Elektroden des Schaltelements 122 liegt eine Spannung an, die eine kapazitive Kraft bewirkt. Das bewegliche Schaltelement 122 wird in der ersten Richtung 7 zum festen Teil 121 hin ausgelenkt, derart, dass der zweite Kontaktbereich 1220 am ersten Kontaktbereich 1210 anliegt. Der Kontakt ist somit geschlossen. A first contact area 1210 is formed in the metal layer 16 of the fixed part 121 , and a second contact area 1220 is formed in the metal layer 16 of the switching element 122 . The switching element can be deflected in at least a first direction 7 parallel to a main plane of extension of the substrate. As a result, the first and the second contact area can come into mechanical contact with one another and thus close an electrical contact. For this purpose, the first contact region and the second contact region protrude in the first direction 7 with a projection 12 in relation to the underlying silicon layer 110 . FIG. 3b shows the electrically actuable MEMS switch according to the invention in a switched operating state. A voltage is present between stationary electrodes 10 and opposite electrodes of switching element 122, which causes a capacitive force. The movable switching element 122 is deflected in the first direction 7 towards the fixed part 121 in such a way that the second contact area 1220 bears against the first contact area 1210 . The contact is thus closed.
Figur 4 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters. FIG. 4 schematically shows the method according to the invention for producing an electrically actuable MEMS switch.
Das Verfahren weist folgende wesentliche Schritte auf: The procedure has the following essential steps:
Schritt A - Bereitstellen eines SOI Substrats (13) mit einem Substratwafer (1), einer ersten Isolationsschicht (100) und einer Siliziumschicht (110); Step A - providing an SOI substrate (13) with a substrate wafer (1), a first insulation layer (100) and a silicon layer (110);
Schritt B - Abscheiden und Strukturieren einer zweiten Isolationsschicht (14) auf der Siliziumschicht (110); Step B - depositing and patterning a second insulating layer (14) on the silicon layer (110);
Schritt C - Abscheiden und Strukturieren einer Metallschicht (16) über der zweiten Isolationsschicht (14); Step C - depositing and patterning a metal layer (16) over the second insulating layer (14);
Schritt D - Strukturieren der Siliziumschicht (110) durch Anisotropes Ätzen bis zur ersten Isolationsschicht (100) wodurch in der Siliziumschicht (110), der zweiten Isolationsschicht (14) und der Metallschicht (16) ein fester Teil (121) und ein Schaltelement (122) ausgebildet werden; Step D - structuring of the silicon layer (110) by anisotropic etching up to the first insulating layer (100), whereby in the silicon layer (110), the second insulating layer (14) and the metal layer (16) a fixed part (121) and a switching element (122 ) be formed;
Schritt E - Ätzen der ersten Isolationsschicht (100) wodurch das Schaltelement (122) wenigstens teilweise freigestellt und beweglich gemacht wird.
Step E - etching the first insulating layer (100) thereby at least partially exposing the switching element (122) and making it movable.
Bezugszeichenliste Reference List
1 Substrat 1 substrate
2 erste Elektrode 2 first electrode
3 erste Kontaktfläche 3 first contact surface
4 Hebelstruktur 4 lever structure
5 Opferschicht 5 sacrificial layer
7 erste Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats7 first direction parallel to the main extension plane of the substrate
10 feststehende Elektroden 10 fixed electrodes
12 Überstand der Metallschicht 12 Overhang of the metal layer
13 SOI Wafer 13 SOI wafers
14 zweite Isolationsschicht 14 second insulation layer
15 weitere Silizium oder Germaniumschicht 15 more silicon or germanium layer
16 Metallschicht 16 metal layer
17 Bondhilfsschichten 17 bonding auxiliary layers
18 isotrope SF6 - Ätzung 18 isotropic SF6 etching
20 lokales Ätzen (HF, Gasphase) 20 local etching (HF, gas phase)
21 Metalloxid 21 metal oxide
22 Ätzrillen 22 etched grooves
23 Kappenwafer 23 cap wafers
24 Bondmaterial 24 bonding material
26 entfernte Teilbereiche der Isolationsschicht 26 removed sections of the insulation layer
27 Oxidschicht 27 oxide layer
28 Polysiliziumschicht 28 polysilicon layer
100 erste Isolationsschicht 100 first insulation layer
110 Siliziumschicht 110 silicon layer
120 mikromechanische Funktionsschicht 120 micromechanical functional layer
121 fester Teil 121 fixed part
122 elektrisch betätigbares, auslenkbares Schaltelement 122 electrically actuable, deflectable switching element
1210 erster Kontaktbereich 1210 first contact area
1220 zweiter Kontaktbereich
1220 second contact area
Claims
1. Elektrisch betätigbarer MEMS-Schalter mit einem Substrat (1), auf dem übereinander eine erste Isolationsschicht (100), eine Siliziumschicht (110), eine zweite Isolationsschicht (14) und eine Metallschicht (16) angeordnet sind, wobei die Siliziumschicht, die zweite Isolationsschicht und die Metallschicht eine mikromechanische Funktionsschicht (120) bilden, in der ein fester Teil (121) und ein elektrisch betätigbares, auslenkbares Schaltelement (122) ausgebildet sind, wobei das Schaltelement dazu ausgebildet ist, in einem Betriebszustand des Schalters an dem festen Teil anzuliegen und derart einen mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen dem Schaltelement und dem festen Teil zu bilden. 1. Electrically actuatable MEMS switch having a substrate (1) on which a first insulating layer (100), a silicon layer (110), a second insulating layer (14) and a metal layer (16) are arranged one above the other, the silicon layer, the second insulation layer and the metal layer form a micromechanical functional layer (120), in which a fixed part (121) and an electrically actuable, deflectable switching element (122) are formed, the switching element being designed to be on the fixed part when the switch is in an operating state abut and form such a mechanical and electrical contact between the switching element and the fixed part.
2. Elektrisch betätigbarer MEMS-Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Betriebszustand der Kontakt zwischen einem ersten Kontaktbereich (1210) der Metallschicht (16) des festen Teils (121) und einem zweiten Kontaktbereich (1220) der Metallschicht (16) des Schaltelements (122) gebildet ist. 2. Electrically actuable MEMS switch according to claim 1, characterized in that in the operating state the contact between a first contact area (1210) of the metal layer (16) of the fixed part (121) and a second contact area (1220) of the metal layer (16) of the switching element (122) is formed.
3. Elektrisch betätigbarer MEMS-Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement in wenigstens einer ersten Richtung (7) parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats (1) auslenkbar ist. 3. Electrically actuable MEMS switch according to claim 1 or 2, characterized in that the switching element can be deflected in at least a first direction (7) parallel to a main plane of extension of the substrate (1).
4. Elektrisch betätigbarer MEMS-Schalter nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontaktbereich (1210) und/oder der zweite Kontaktbereich (1220) in der ersten Richtung (7) mit einem Überstand (12) gegenüber der Siliziumschicht (110) hervorragt. 4. Electrically actuable MEMS switch according to claim 2 and 3, characterized in that the first contact area (1210) and/or the second contact area (1220) in the first direction (7) has a projection (12) in relation to the silicon layer (110 ) protrudes.
5. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters mit den Schritten: 5. Method for manufacturing an electrically actuable MEMS switch with the steps:
A - Bereitstellen eines SOI Substrats (13) mit einem Substratwafer (1), einer ersten Isolationsschicht (100) und einer Siliziumschicht (110); A - providing an SOI substrate (13) with a substrate wafer (1), a first insulation layer (100) and a silicon layer (110);
B - Abscheiden und Strukturieren einer zweiten Isolationsschicht (14) auf der SiliziumschichtB - depositing and structuring a second insulation layer (14) on the silicon layer
(HO); (HO);
C - Abscheiden und Strukturieren einer Metallschicht (16) über der zweiten Isolationsschicht (14);
D - Strukturieren der Siliziumschicht (110) durch Anisotropes Ätzen bis zur ersten Isolationsschicht (100) wodurch in der Siliziumschicht (110), der zweiten Isolationsschicht (14) und der Metallschicht (16) ein fester Teil (121) und ein Schaltelement (122) ausgebildet werden; C - depositing and patterning a metal layer (16) over the second insulating layer (14); D - structuring of the silicon layer (110) by anisotropic etching up to the first insulating layer (100), whereby in the silicon layer (110), the second insulating layer (14) and the metal layer (16) a fixed part (121) and a switching element (122) be formed;
E - Ätzen der ersten Isolationsschicht (100) wodurch das Schaltelement (122) wenigstens teilweise freigestellt und beweglich gemacht wird. E - Etching the first insulating layer (100) thereby at least partially exposing the switching element (122) and making it movable.
6. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt B und vor dem Schritt C eine weitere Silizium- oder Germaniumschicht (15) abgeschieden und bis auf die Höhe der zweiten Isolationsschicht rückpoliert wird. 6. The method for producing an electrically actuable MEMS switch according to claim 5, characterized in that after step B and before step C, a further silicon or germanium layer (15) is deposited and polished back to the level of the second insulation layer.
7. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters nach Anspruch7. A method for manufacturing an electrically actuable MEMS switch according to claim
5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt C und vor dem Schritt D eine oder mehrere weitere Isolationsschichten und/oder Metallschichten und/oder Bondhilfsschichten (17) abgeschieden und strukturiert werden und hierdurch ein Bondrahmen geschaffen wird. 5 or 6, characterized in that after step C and before step D one or more further insulating layers and/or metal layers and/or auxiliary bonding layers (17) are deposited and structured, thereby creating a bonding frame.
8. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kappe auf den Bondrahmen aufgebracht wird.
8. A method for producing an electrically actuable MEMS switch according to claim 7, characterized in that a cap is applied to the bonding frame.
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