Elektrisch betätigbarer MEMS-Schalter

Stand der Technik

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.

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.

Aufgabe der Erfindung

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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.

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.

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.

Zeichnung

Figur 1 zeigt schematisch einen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter im Stand der Technik.

Die Figuren 2 a bis h zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters in einzelnen Stadien der Vorrichtung.

Figur 3 a zeigt einen erfindungsgemäßen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter.

Figur 3 b zeigt den erfindungsgemäßen elektrisch betätigbaren MEMS-Schalter in einem geschalteten Betriebszustand.

Figur 4 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters.

Beschreibung

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.

Die Figuren 2 a bis h zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters.

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.

Auf der Siliziumschicht 110 des SOI-Substrats 13 wird eine zweite Isolationsschicht 14 abgeschieden und strukturiert (Figur 2b). Bevorzugt wird eine siliziumreiche Nitridschicht abgeschieden.

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).

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.

Optional können weitere Isolationsschichten oder auch Metallschichten oder auch Bondhilfsschichten 17 abgeschieden und strukturiert werden (Figur 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).

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Figur 4 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigbaren MEMS-Schalters.

Das Verfahren weist folgende wesentliche Schritte auf:

Schritt A - Bereitstellen eines SOI Substrats (13) mit einem Substratwafer (1), einer ersten Isolationsschicht (100) und einer Siliziumschicht (110);

Schritt B - Abscheiden und Strukturieren einer zweiten Isolationsschicht (14) auf der Siliziumschicht (110);

Schritt C - Abscheiden und Strukturieren einer Metallschicht (16) über der zweiten Isolationsschicht (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;

Schritt E - Ätzen der ersten Isolationsschicht (100) wodurch das Schaltelement (122) wenigstens teilweise freigestellt und beweglich gemacht wird.

Bezugszeichenliste

1 Substrat

2 erste Elektrode

3 erste Kontaktfläche

4 Hebelstruktur

5 Opferschicht

7 erste Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats

10 feststehende Elektroden

12 Überstand der Metallschicht

13 SOI Wafer

14 zweite Isolationsschicht

15 weitere Silizium oder Germaniumschicht

16 Metallschicht

17 Bondhilfsschichten

18 isotrope SF6 - Ätzung

20 lokales Ätzen (HF, Gasphase)

21 Metalloxid

22 Ätzrillen

23 Kappenwafer

24 Bondmaterial

26 entfernte Teilbereiche der Isolationsschicht

27 Oxidschicht

28 Polysiliziumschicht

100 erste Isolationsschicht

110 Siliziumschicht

120 mikromechanische Funktionsschicht

121 fester Teil

122 elektrisch betätigbares, auslenkbares Schaltelement

1210 erster Kontaktbereich

1220 zweiter Kontaktbereich