DE19950964A1

DE19950964A1 - Mikromechanisches Relais und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE19950964A1
Application number: DE19950964A
Authority: DE
Inventors: Ignaz Schiele; Robert Faul; Andreas Drost
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1999-10-22
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2019-10-23
Also published as: DE19950964B4; DE19950373A1; DE19950373B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Relais sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. DOLLAR A Das mikromechanische Relais weist eine auf einem Substrat angeordnete Bodenelektrode, ein über ein Verbindungselement mit dem Substrat verbundenes bewegliches Element, das eine Gegenelektrode bildet und einen elektrisch leitenden Kontaktbügel trägt, sowie zwei über einen Spalt voneinander beabstandete Kontaktflächen auf. Das bewegliche Element und der Kontaktbügel sind so angeordnet, dass das bewegliche Element mit dem Kontaktbügel bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Boden- und Gegenelektrode in Richtung der Bodenelektrode bewegt wird, wodurch der Kontaktbügel auf die Kontaktflächen gedrückt wird und so eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen herstellt. Der Kontaktbügel weist im Kontaktbereich mit den Kontaktflächen eine nach unten gewölbte Form auf. Die Kontaktflächen sind durch elastische, reversibel verformbare Materialbereiche gebildet und stehen derart unter Vorspannung, dass sie sich in kontaktlosem Zustand nach oben und bei Aufdrücken des Kontaktbügels nach unten wölben. Auf diese Weise bildet sich bei Aufdrücken des Kontaktbügels auf die Kontaktflächen eine große Berührungsfläche aus, die den Kontaktwiderstand erniedrigt. Gleichzeitig wird die Kontaktsicherheit erhöht.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikromechanisches Relais mit einer auf einem Substrat angeordneten Bodenelektrode, einem über ein Verbin dungselement mit dem Substrat verbundenen beweglichen Element, das eine Gegenelektrode bildet und einen elektrisch leitenden Kontaktbügel trägt, und zwei über einen Spalt voneinander beabstandeten Kontaktflächen, wobei das bewegliche Element und der Kontaktbügel so angeordnet sind, dass das bewegliche Element mit dem Kontaktbügel bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Boden- und Gegenelektrode in Richtung der Bodenelektrode bewegt wird, wodurch der Kontaktbügel auf die Kontaktflächen gedrückt wird und so eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen herstellt, und wobei der Kontaktbügel im Kontaktbereich mit den Kontaktflächen eine nach unten gewölbte Form aufweist. Die Erfindung gibt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Mikrorelais an.

Mikromechanische Relais zum Schalten von elektrischen Strömen gewinnen auf vielen technischen Anwendungsfeldern zunehmend an Bedeutung. So wurden in neuester Zeit mikromechanische Relais realisiert, deren Abmessungen im Sub-mm-Bereich liegen. Derart miniaturi sierte Relais zeigen sehr vorteilhafte Eigenschaften bezüglich der Schaltgeschwindigkeit und dem Schalt verhalten. So lassen sich Schaltzeiten im µs-Bereich und prellfreies Schaltverhalten erzielen. Diese Mikro relais arbeiten in der Regel nach dem elektrostatischen Antriebsprinzip und werden durch Anlegen einer elek trischen Spannung zwischen einer festen Boden- und einer beweglichen Gegenelektrode betätigt. Die beweg liche Gegenelektrode, die in Form einer mikromecha nischen Struktur ausgebildet ist, ändert ihre Position relativ zur festen Bodenelektrode aufgrund der ein wirkenden elektrostatischen Kraft. Über ein an der beweglichen Gegenelektrode befestigtes Kontaktelement, im folgenden als Kontaktbügel bezeichnet, kann ein Abstand zwischen zwei Kontakten elektrisch überbrückt und der Kontakt somit geschlossen werden. Auf diesem Funktionsprinzip basierende mikromechanische Relais lassen sich nahezu leistungslos schalten. Darüber hinaus liegen die Kontaktkapazitäten aufgrund der geringen Abmessungen der Elemente im fF-Bereich. Dieser äußerst geringe Wert führt zu einem ausgeprägten Isolationsvermögen des Relais bei geöffnetem Kontakt, so dass das Überkoppeln von Signalen vom Steuerkreis in den Schaltkreis oder umgekehrt auch noch bei sehr hohen Schaltfrequenzen ausreichend gedämpft wird. Mikromechanische Relais können daher auch noch im GHz-Bereich eingesetzt werden und eignen sich besonders für die Anwendung in der Hochfrequenztechnik.

Stand der Technik

Ein gattungsgemäßes mikromechanisches Relais ist beispielsweise aus der DE 196 46 667 bekannt. Bei diesem Relais wird das Schaltverhalten zusätzlich dadurch verbessert, dass der Kontaktbügel mit einer Druckspannungsschicht versehen wird. Diese Druck spannungsschicht bewirkt eine Auslenkung bzw. Aus wölbung des Kontaktbügels nach unten, d. h. zu den Kontaktflächen hin. Bei Berührung mit den Kontakt flächen durch Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung zwischen Boden- und Gegenelektrode verformt sich der Kontaktbügel im Bereich der Kontaktflächen, so dass ein besserer und zuverlässiger Kontakt hergestellt wird. Weiterhin wird durch die hierbei in dem Kontakt bügel gespeicherte Verformungsenergie das nachfolgende Öffnen des Kontaktes beschleunigt.

Bei dem Mikrorelais dieser Druckschrift kommt es aufgrund der gewölbten Form des Kontaktbügels bei Berührung mit den ebenen Kontaktflächen jedoch nur zur Ausbildung einer im wesentlichen linienförmigen Berührungsfläche. Diese relativ geringe Berührungs fläche bildet einen elektrischen Widerstand für den über die Kontakte fließenden Strom, der zu einer Temperaturerhöhung an dieser Stelle führt. Die Temperaturerhöhung kann wiederum ein Verschweißen der Kontakte zur Folge haben, so dass ein derartiges Relais unter bestimmten Betriebsbedingungen schnell ausfällt.

Eine weitere Ausfallursache für ein Mikrorelais ist das Anhaften der beweglichen Struktur mit der Gegenelektrode am Substrat. Dieses Anhaften kann durch die zwischen der festen Boden- und der beweglichen Gegenelektrode wirkenden Adhäsionskräfte verursacht werden. Zur Vermeidung dieses Problems wird in der DE 197 30 715 C1 ein Mikrorelais vorgeschlagen, bei dem die Bodenelektrode mit einer aufgerauhten oder struktu rierten Oberfläche versehen wird, die die Adhäsions kräfte deutlich verringert. Auch bei dem Mikrorelais dieser Druckschrift wird wiederum ein Kontaktbügel mit einer nach unten gewölbten Form über den ebenen Kontaktflächen eingesetzt, so dass die gleichen Probleme wie beim vorangehend beschriebenen Mikrorelais der DE 196 46 667 auftreten können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikrorelais sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben anzugeben, das die obigen Probleme vermeidet und einen zuverlässigen Schaltkontakt mit geringem Kontaktwiderstand herstellt.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem mikromechanischen Relais nach Anspruch 1 sowie mit dem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Mikrorelais sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Das erfindungsgemäße mikromechanische Relais weist in bekannter Weise eine auf einem Substrat angeordnete Bodenelektrode sowie ein über ein Verbindungselement mit dem Substrat verbundenes bewegliches Element auf, das eine Gegenelektrode bildet und einen elektrisch leitenden Kontaktbügel trägt. Das bewegliche Element und der Kontaktbügel sind so angeordnet, dass das bewegliche Element mit dem Kontaktbügel bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Boden- und Gegen elektrode in Richtung der Bodenelektrode bewegt wird, wodurch der Kontaktbügel auf zwei voneinander beabstan dete Kontaktflächen gedrückt wird und so eine elek trische Verbindung zwischen den Kontaktflächen herstellt. Der Kontaktbügel weist auch beim erfindungs gemäßen Mikrorelais im Kontaktbereich eine nach unten gewölbte Form auf, wie dies bereits aus der DE 196 46 667 bekannt ist. Im Gegensatz zu dem bekannten Stand der Technik sind die Kontaktflächen des erfindungs gemäßen Mikrorelais jedoch aus elastischen, reversibel verformbaren Materialbereichen gebildet, die derart unter Vorspannung stehen, dass sie sich in kontaktlosem Zustand nach oben, das heißt vom Substrat weg, und bei Aufdrücken des Kontaktbügels nach unten wölben.

Die Kontaktflächen des erfindungsgeinäßen Mikro relais können-sich somit beim Schließen des Kontaktes an die gewölbte Form des aufgedrückten Kontaktbügels anschmiegen, so dass eine große Berührungsfläche ausge bildet wird. Diese große Berührungsfläche führt in vorteilhafter Weise zu einem niedrigen Kontaktwider stand, so dass die in Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläuterten Nachteile vermieden werden.

Es handelt sich bei dem mit dem Mikrorelais hergestellten Kontakt somit um einen federnden Kontakt. Beim Schließen dieses Kontaktes wird durch die vorge spannten elastischen Kontaktflächen ein Weg, der sogenannte Kontaktmitgang, zurückgelegt. Die Kontakt flächen weisen hierzu in der Ausgangs- bzw. Ruhelage zumindest eine leichte Verformung nach oben auf und sind so elastisch, dass sie durch die über den Kontakt bügel einwirkende Kontaktkraft deformiert werden können.

Die Oberfläche der Kontaktflächen kann dabei beispielsweise als Zylinderfläche oder auch kuppel förmig ausgebildet sein. Beim Schließen verformt sich diese Kontaktfläche und schmiegt sich an den Kontakt bügel an. Hierbei sollte der Kontaktbügel im Bereich der Kontaktflächen eine größere Steifheit aufweisen als die Kontaktflächen selbst. Durch diese Ausgestaltung des Mikrorelais werden ein höherer Kontaktdruck und eine größere Kontaktfläche erreicht. Damit wird die Kontaktsicherheit verbessert und der Kontaktwiderstand vorteilhaft erniedrigt.

Ein weiterer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Mikrorelais besteht in der Spei cherung der Verformungsenergie in den Kontaktflächen. Neben der Rückstellkraft des vorzugsweise in Form eines oder mehrerer Biegebalken ausgebildeten beweglichen Elementes wirkt bei einer derartigen Ausgestaltung auch die elastisch deformierte Kontaktfläche als rückstel lendes Element. Nach Unterbrechung der elektrischen Betätigungsspannung des Mikrorelais wird auf diese Weise ein sicheres und schnelles Öffnen der Kontakte bewirkt.

Das erfindungsgemäße Mikrorelais ist in Verbindung mit Mikrostreifenleitern, die zu den Kontaktflächen führen, zum Schalten von sehr hohen Frequenzen im GHz-Bereich hervorragend geeignet. Aufgrund der geringen Abmessungen, mit der ein erfindungsgemäßes Mikrorelais herstellbar ist, lassen sich sehr hohe Frequenzen übertragen, da die Bauteilgröße sehr klein gegenüber der Wellenlänge ist. Der Kontaktbügel des Mikrorelais wird dabei schmäler oder ebenso breit wie der Mikro streifenleiter bzw. die mit diesem verbundene Kontakt fläche ausgebildet.

Die gewölbte Form des Kontaktbügels wird vorzugs weise dadurch erzeugt, dass dieser mit einer Eigenzug spannung hergestellt wird. Diese Eigenzugspannung kann durch einen schichtweisen Aufbau mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien erreicht werden. Vorzugsweise ist weiterhin außerhalb des mit den Kontaktflächen in Berührung kommenden Bereiches des Kontaktbügels eine Eigendruckspannungsschicht zur teil weisen Kompensation der Eigenzugspannung aufgebracht. Hierdurch wird erreicht, dass sich der Kontaktbügel im wesentlichen nur im Kontaktierungsbereich nach unten verwölbt.

Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Mikrorelais als Mikrowellenschalter wird vorzugsweise die Isolation des geöffneten Kontaktes durch eine Vergrößerung des Koppelspaltes, das heißt zu überbrückenden des Abstan des zwischen den Kontaktflächen, verbessert. Das Über brücken eines derart vergrößerten Koppelspaltes durch den Kontaktbügel erfordert jedoch eine Ausgestaltung des Mikrorelais, bei der sowohl der Kontaktbügel als auch das bewegliche Element, vorzugsweise eine Biege balkenstruktur, verbreitert sind. Eine zumindest teil weise Kompensation der Eigenzugspannung des Kontakt bügels durch eine Eigendruckspannungsschicht, wie vorangehend erläutert, kann jedoch bei einem Kontakt bügel einer Länge von mehr als 300 µm nicht mehr problemlos erreicht werden. Dies würde aufgrund der beim Schalten einwirkenden Kräfte zu einer Schicht ablösung dieser Kompensationsschicht führen. Weiterhin kann auch eine starke Verwölbung des gesamten beweg lichen Elements auftreten, die die Funktion des Mikrorelais stark beeinträchtigen würde. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird daher die Eigen druckspannungsschicht im Verlauf längs des Kontakt bügels zumindest einmal, vorzugsweise mehrmals, örtlich unterbrochen. Damit kann an den unterbrochenen Stellen der Kompensationsschicht eine Rückverformung des Kontaktbügels stattfinden, so dass über der gesamten Breite des beweglichen Elementes eine nahezu horizon tale Ausbildung des Kontaktbügels erreicht wird. Lediglich an den beiden Enden des Kontaktbügels - über den Kontaktflächen - findet eine gezielte Verformung zur Ausbildung der gewölbten Oberfläche statt. Durch- die Unterbrechungen in der Kompensationsschicht ist die laterale Ausdehnungsfähigkeit dieser Schicht verbessert und eine Ablösung der Schicht beim Betrieb des Mikrorelais wird verhindert.

Eine bevorzugte Ausbildungsform des mikro mechanischen Relais setzt streifenförmig angeordnete Balken als bewegliches Element ein. Durch diese Balkenstruktur wird eine Querverwölbung des beweglichen Elementes weitgehend verhindert.

Zur Vermeidung von schlagartigen Querschnitts übergängen von den Einzelbalken zum Kontaktbügel sowie von den Einzelbalken zum Verbindungselement, dem sogenannten Ankerpad, sind die Übergangsbereiche von den Balken zu den genannten Elementen vorzugsweise abgerundet ausgeführt. Durch diese Abrundung findet eine weiche Umlenkung der Spannungslinien statt, so dass keine Kerbspannungen an den Übergängen auftreten, die einen Riss und einen daraus resultierenden Bruch des beweglichen Elementes verursachen könnten. Die unvermeidliche Spannungserhöhung an den Querschnitts übergängen von den Balken zu den angrenzenden Struk turen wird im Vergleich zu scharfkantigen Übergängen durch die Abrundung stark vermindert. Ein frühzeitiger Ausfall des Mikrorelais durch während des Betriebes auftretende Risse oder Brüche wird daher vermieden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verringert sich die Fläche der Bodenelektrode und/oder der Gegenelektrode zum Kontaktbügel hin. Dies kann durch eine fingerförmige Struktur dieser Elektroden erreicht werden, wobei sich die Breite der einzelnen Finger zum Kontaktbügel hin verringert. Selbstverständ lich sind auch andere geometrische Ausgestaltungen realisierbar, die zu einer Verringerung der Fläche führen.

Auf diese Weise kann ein prellfreies Schalt verhalten des Mikrorelais auch dann erreicht werden, wenn die Masse des beweglichen Elementes einen bestimmten Wert überschreitet. Eine größere Masse des beweglichen Elementes kann beispielsweise daraus resul tieren, dass das bewegliche Element zur Überbrückung eines breiten Koppelspaltes gegenüber herkömmlichen Ausführungsformen breiter ausgeführt werden muss.

Durch eine erfindungsgemäß strukturierte Boden- und/oder Gegenelektrode, die am Einspannpunkt des beweglichen Elementes eine Vollfläche aufweist, die sich zum freien Ende bzw. Kontaktbügel hin verringert, wird das dynamische Verhalten des Mikrorelais beein flusst. Bei dieser Ausgestaltung ist die elektro statische Kraft am Einspannpunkt groß und am freien Ende gering. Beim Schließvorgang wird die Wucht des Aufpralls auf die Kontaktflächen verringert, da die elektrostatische Kraft beim Abrollen des beweglichen Elementes auf der Bodenelektrode zum Kontaktbügel hin geringer wird. Die kinetische Energie kann vollständig absorbiert werden und das Prellen wird vermieden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrorelais weisen die Boden- und/oder die Gegenelektrode bzw. darauf aufgebrachte Schichten eine gegenüber einer zwangsläufig - bei Her stellung dieser Elektroden bzw. Schichten - auftreten den Topographie des Schichtensystems zusätzlich ein gebrachte Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Ver tiefungen auf. Durch diese zusätzliche Oberflächen struktur kann ein gegenseitiges Anhaften der beiden Elektroden bei Berührung verhindert werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Relais wird zunächst ein Substrat mit der Bodenelektrode bereitgestellt. Verfahren zur Herstellung dieser Bodenelektrode auf dem Substrat sind dem Fachmann bekannt. Auf dieses Substrat werden zunächst eine Abstandsschicht und anschließend eine Druckspannungsschicht sowie eine leitfähige Schicht aufgebracht. Druckspannungsschicht und leitfähige Schicht werden derart strukturiert, dass die Kontakt flächen aus der leitfähigen Schicht gebildet werden und auf der Druckspannungsschicht liegen. Anschließend wird eine Hilfsschicht aufgebracht, die zur Definition der Bereiche des Kontaktbügels strukturiert wird. Es folgt das Aufbringen und Strukturieren der für den Kontakt bügel erforderlichen Schichten. Nach diesem Schritt wird die Hilfsschicht entfernt und die Abstandsschicht mittels Ätzen zur Freilegung des beweglichen Elementes und zur Erzeugung eines Hohlraumes unter dem zentralen Bereich der Kontaktflächen teilweise entfernt.

Auf diese Weise ist ein Mikrorelais entstanden, bei dem unter den Kontaktflächen ein Hohlraum vorliegt, der eine Verformung dieser Kontaktflächen bei Einwir kung des Kontaktbügels ermöglicht. Die Kontaktflächen stehen aufgrund der Druckspannungsschicht unter Vor spannung und sind leicht nach oben, d. h. zum Kontakt bügel hin, gewölbt.

Es versteht sich von selbst, dass weitere Schichten, wie beispielsweise Haftschichten bei diesem Prozess zusätzlich vorgesehen sein können. Die genaue Materialwahl und Schichtdicken sind von den gewünschten Spezifikationen des Mikrorelais abhängig. Es bereitet dem Fachmann keine Probleme, geeignete Materialien und Schichtdicken für vorgegebene Spezifikationen aufzu finden und mit bekannten Techniken zur Aufbringung und Strukturierung der Schichten beim erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Aufbringen und Strukturierung der Druckspannungsschicht und der leitfähigen Schicht die Oberfläche der Ab standsschicht im für die Gegenelektrode vorgesehenen Bereich angeätzt oder strukturiert um zusätzliche Erhebungen und Vertiefungen zu bilden. Weiterhin kann auch die Bodenelektrode vor dem Aufbringen der Abstandsschicht entsprechend angeätzt oder strukturiert werden.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals beispielhaft erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1a-d ein Beispiel für Verfahrensschritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Mikro relais;

Fig. 2 schematisch ein Beispiel für eine Aus führungsform eines erfindungsgemäßen Mikrorelais;

Fig. 3 schematisch eine Detailansicht des Kontaktbereiches einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrorelais in offenem Zustand;

Fig. 4 die Detailaussicht aus Fig. 3 bei geschlossenem Zustand des Mikrorelais;

Fig. 5 ein Beispiel für die Ausgestaltung eines beweglichen Elementes mit dem Kontaktbügel;

Fig. 6 ein Beispiel für die Ausgestaltung einer Bodenelektrode des erfindungsgemäßen Mikro relais; und

Fig. 7 eine Draufsicht auf ein bewegliches Element über der Bodenelektrode gemäß den Ausführungsformen der Fig. 5 und 6.

Fig. 1a-d zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Mikrorelais. Hierbei wird zunächst auf einem Al₂O₃-Keramiksubstrat 1 eine NiCr-Schicht 2, die als Haftschicht dienen kann, abgeschieden. Anschließend wird eine weitere Haft schicht 3 aus TiW sowie eine elektrisch leitfähige Schicht 4, beispielsweise aus Gold aufgetragen. Diese drei Schichten werden mit einem geeigneten, beispiels weise photolithographischen Verfahren zur Bildung der Bodenelektrode und der Steuerleitungen strukturiert. Die Verbindung zwischen der Bodenelektrode und der am linken Rand erkennbaren Schichtstruktur der Steuer leitung ist in dieser Figur nicht erkennbar. Die Goldschicht 4 wird hierbei durch galvanische Abschei dung aufgebracht und nachfolgend angeätzt, um deren Oberfläche aufzurauhen. Daraufhin werden diese Schichten in definierten Bereichen entfernt, um die Gebiete für die Bodenelektrode 10 und die Steuer leitungen festzulegen, wie dies aus Fig. 1a ersichtlich ist.

Im nächsten Technologieschritt wird eine Schicht 5 aus Polyimid aufgeschleudert, die als Distanzschicht zwischen Bodenelektrode und beweglicher Elektrode dient. In dieser auch als Opfer- oder Hilfsschicht dienenden Polyimidschicht können im Bereich der späteren Gegenelektrode Vertiefungen (mit dem Bezugszeichen 6 angedeutet) eingeätzt werden, die in Fig. 1a jedoch nicht dargestellt sind. Diese Vertiefungen können eine Tiefe aufweisen, die in der Größenordnung der halben Dicke des späteren beweglichen Elementes liegt, und werden durch die nachfolgende Siliziumoxidabscheidung (Siliziumoxidschicht 7) gefüllt. Es folgen die Abscheidung einer Haftschicht 8 aus NiCr und einer Goldschicht 9. Diese Schichten werden auf der Polyimidschicht 5 zur Bildung der Bereiche 11 für die Gegenelektrode und 12 für die Kontaktflächen strukturiert. Auf den Bereich 11 für die Gegenelektrode werden schließlich noch eine NiCr- Schicht 13 sowie eine Siliziumoxidschicht 14 abge schieden. Diese Schritte sind aus Fig. 1b ersichtlich. Die beiden Siliziumdioxidschichten 7 und 14 dienen als Druckspannungsschichten zur Verformung der späteren balkenförmigen Struktur des beweglichen Elementes. Der Aufbau bzw. die Strukturierung dieses Elementes erfolgt beispielsweise wie dies aus der DE 196 46 667 bekannt ist. Allerdings wird die untere Druckspannungsschicht 7 im vorliegenden Fall mit einer größeren Dicke abge schieden als die obere Druckspannungsschicht 14. Hierdurch weist die untere Druckspannungsschicht ein größeres Volumen auf als die obere, so dass die resul tierende Kraft der unteren Druckspannungsschicht 7 größer ist. Dies führt beim fertigen beweglichen Element zu einer Deformation der balkenförmigen Struktur nach oben, d. h. vom Substrat 1 weg.

Fig. 1c zeigt schließlich den Aufbau des Kontakt bügels. Nach dem Strukturieren der beweglichen Balken struktur wird hierfür eine zweite Polyimidschicht 15 aufgebracht. Diese Polyimidschicht wird sowohl an dem freien Ende der beweglichen Balkenstruktur als auch im Bereich 12 der späteren Kontaktflächen gefenstert bzw. geöffnet. Weiterhin werden am Einspannpunkt, das heißt in dem Bereich, in dem das Verbindungselement 18 zwischen dem Substrat und dem beweglichen Element gebildet werden soll, die beiden Polyimidschichten 5 und 15 örtlich entfernt (vgl. Fig. 1c). Anschließend erfolgen Schichtabscheidungen zur Kombination einer TiW-Haftschicht 16 und einer galvanischen Goldschicht 17. Durch diese Metallabscheidung wird nicht nur der Kontaktbügel aufgebaut, sondern auch die Leiterbahnen zu den Kontaktflächen - als Bestandteil des Schalt kreises -, die galvanisch verstärkt werden. Dies führt zu einem geringeren Leiterbahnwiderstand und somit zu einem verbesserten Durchgangswiderstand im Bereich der Kontaktflächen. Bei dieser Metallabscheidung wird auch eine Metallverbindung vom festen Ende des beweglichen Balkens zu einer Steuerleitung auf dem Substrat 1 hergestellt. Die bewegliche Elektrode wird dadurch an die Steuerleitung angeschlossen.

Weiterhin wird durch diese Metallabscheidung das Verbindungselement 18 zwischen dem beweglichen Element und dem Substrat 1 hergestellt. Die Strukturierung der einzelnen Metallschichten wird durch übliche Verfahren erreicht, die dem Fachmann bekannt sind. Auf der abgeschiedenen Goldschicht 17 für den Kontaktbügel wird zusätzlich eine weitere Haftschicht 19 aus TiW aufge bracht (vgl. Fig. 1c).

Auf der Rückseite des Al₂O₃-Substrates 1 werden eine Haftschicht 20, beispielsweise aus TiW, sowie eine Goldschicht 21 abgeschieden. Diese Rückseitenmetalli sierung ist für die Realisierung der in Fig. 2 gezeigten Mikrostreifenleitung erforderlich, da sie die planar gestaltete Elektrode mit Massekontakt darstellt, während die Streifenleitung der Fig. 2 als streifen förmige Elektrode dient.

Nach Aufbau dieser gesamten Struktur und Entfernen der Opferschichten 5 und 15 entsteht das bewegliche Element 22 in Form eines oder mehrerer Balken (vgl. Fig. 1d), die gegebenenfalls durch Erhebungen und Vertiefungen an der Balkenunterseite strukturiert sind.

Dieses nun vorliegende Mikrorelais mit verformten beweglichen Balken 22 und einem spannungskompensierten Kontaktbügel 23 zeigt die gewünschten Eigenschaften. Der Abstand des beweglichen Balkens 22 vom Substrat 1 beträgt am Einspannpunkt zwischen 0,1 µm und 5 µm, am freien Ende zwischen 0,1 µm und 100 µm. Die Balkenlänge liegt zwischen 1 µm und 10 000 µm.

Die kuppelförmige oder auch zylinderförmige federnde Kontaktfläche 24 wird durch die örtliche Entfernung von Polyimid unterhalb der Kontaktfläche 24 erreicht. Die unter der Goldschicht 9 vorliegende Siliziumdioxidschicht 7 drückt den zweilagigen Metall verbund nach oben. Dabei ist der federnde Kontakt 24 über Polyimidstützen 25 auf dem Substrat 1 verankert. Bleiben die Polyimidstützen 25 nur auf zwei Seiten stehen, kommt es zur Ausbildung einer Zylinderfläche als Kontaktfläche 24. Der federnde Kontakt ist dabei wie eine Brücke nur an zwei Seiten verankert. Wird dagegen die Kontaktfläche 24 an allen vier Seiten eingespannt, entsteht eine kuppelförmige Kontaktfläche. Mit beiden Ausführungsformen wird der erfindungsgemäße federnde Kontakt erreicht.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Mikrorelais in Draufsicht. Mit dem Relais wird ein Mikrostreifenleiter 27 mit Koppelspalt überbrückt. Der Kontaktbügel 23 des Mikrorelais ist dabei in einer geringeren Breite ausgeführt als der Streifenleiter 27. Das in Form paralleler Biegebalken 22 ausgeführte bewegliche Element ist über ein Ankerpad 18 als Verbindungselement mit dem Substrat 1 fest verbunden. Die am beweglichen Element angeordnete Gegenelektrode sowie die darunter befindliche Boden elektrode werden über entsprechende Steuerleitungen 26 angesteuert. An einem Ende jeder dieser Steuerleitungen 26 ist ein Bondpad 31 als Anschlussfläche vorgesehen.

Fig. 3 zeigt eine Detailansicht des Kontakt bereiches des erfindungsgemäßen Mikrorelais in einer vorteilhaften Ausführungsform. Hierbei ist die nach unten gewölbte Form des Kontaktbügels 23 deutlich zu erkennen. Die Figur zeigt das Relais im geöffneten Zustand, bei dem der Kontaktbügel 23 keinen Kontakt zur Kontaktfläche 24 hat. Die Kontaktfläche 24 steht unter Vorspannung, so dass sie leicht nach oben gewölbt ist. Die elastische Verformbarkeit dieser Kontaktfläche 24 wird durch den darunter befindlichen Hohlraum zwischen den Polyimidstützen 25 in Verbindung mit einem nicht spröden Material für die Kontaktfläche ermöglicht.

Der geschlossene Zustand des erfindungsgemäßen Mikrorelais ist in Fig. 4 beispielhaft dargestellt. Diese Figur zeigt die gleiche Detailansicht der Fig. 3 bei geschlossenem Zustand des Mikrorelais. Hierbei ist die Verformung der Kontaktfläche 24 durch das Auf drücken des Kontaktbügels 23 mit seiner nach unten gewölbten Form gut zu erkennen. In diesem geschlossenem Zustand schmiegt sich die Kontaktfläche 24 an die gewölbte Form des Kontaktbügels 23 an. Hierdurch entsteht eine große Berührungsfläche, die einen geringen Kontaktwiderstand beim Schließen des Kontaktes bewirkt.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für ein bewegliches Element des erfindungsgemäßen Mikrorelais in Drauf sicht. Das bewegliche Element setzt sich in diesem Fall aus parallel zueinander verlaufenden Biegebalken 22 zusammen, die die Verbindung zwischen dem Ankerpad 18 und dem Kontaktbügel 23 herstellen. Zur Vermeidung von Kerbspannungen an den Übergängen der Biegebalken 22 zum Ankerpad bzw. zum Kontaktbügel sind diese Übergänge im vorliegenden Beispiel abgerundet, wie dies in der Figur mit den Bezugszeichen 29 angedeutet ist. Hierdurch werden mögliche Kerbspannungen abgeschwächt, so dass eine Rissbildung an den Übergangsstellen vermieden wird. Die Figur zeigt ein relativ breites bewegliches Element 22, wie es beispielsweise für Schaltvorgänge im Mikrowellenbereich erforderlich ist. Auf dem Kontakt bügel 23 ist im vorliegenden Fall eine Druckspannungs schicht 28 aufgebracht, die entlang des Kontaktbügels 23 mehrfach unterbrochen ist. Diese Unterbrechung vermeidet ein Ablösen der Druckspannungsschicht 28 beim Betrieb des Mikrorelais. Durch die Unterbrechung kann an den unterbrochenen Stellen der zur Kompensation der Eigenspannung des Kontaktbügels dienenden Druck spannungsschicht eine Rückverformung des Kontaktbügels stattfinden, so dass über der gesamten Breite des beweglichen Elementes 22 eine nahezu horizontale Form des Kontaktbügels 23 aufrecht erhalten werden kann. Lediglich an den beiden Enden des Kontaktbügels fehlt diese Druckspannungsschicht vollständig, so dass es dort zur gewünschten Verwölbung des Kontaktbügels kommen kann.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für die Ausbildung der Bodenelektrode 30 des erfindungsgemäßen Mikrorelais. Die Bodenelektrode hat in diesem Beispiel eine vom Einspannungspunkt bzw. Verbindungselement zum Kontakt bügel hin abnehmende Fläche. Sie ist fingerförmig ausgebildet, wobei sie am Einspannungspunkt voll flächig beginnt (30a) und zum Kontaktbügel in Fingerform spitz zuläuft (30b).

Fig. 7 zeigt die Ausführungsformen des beweg lichen Elementes 22 mit dem Kontaktbügel 23 und der Bodenelektrode 30 der Fig. 5 und 6 übereinander liegend in Draufsicht. Durch eine derartige Ausge staltung ist die elektrostatische Kraft am Ankerpad 18 groß und am freien, den Kontaktbügel 23 tragenden Ende des beweglichen Elementes 22 gering. Hierdurch wird die elektrostatische Kraft beim Abrollen des beweglichen Elementes 22 auf der Bodenelektrode 30 zum freien Balkenende hin geringer, so dass ein Prellen beim Schaltvorgang verhindert werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Substrat

2

NiCr-Schicht

3

Haftschicht (z. B. TiW)

4

elektrisch leitfähige Schicht (z. B. Au)

5

Abstandsschicht (z. B. Polyimid)

6

Vertiefungen

7

Druckspannungsschicht (z. B. SiO₂

)

8

Haftschicht (z. B. NiCr)

9

leitfähige Schicht (z. B. Au)

10

Bereich der Bodenelektrode

11

Bereich der Gegenelektrode

12

Bereich der Kontaktflächen

13

NiCr-Schicht

14

SiO₂

-Schicht

15

Hilfsschicht

16

Haftschicht (z. B. TiW)

17

galvanische Metallschicht (z. B. Au)

18

Verbindungselement

19

Haftschicht (z. B. TiW)

20

rückseitige Haftschicht

21

rückseitige Metallschicht (z. B. Au)

22

bewegliches Element

23

Kontaktbügel

24

Kontaktflächen

25

Stützen

26

Steuerleitungen

27

Mikrostreifenleiter

28

Druckspannungsschicht

29

abgerundete Übergangsbereiche

30

Bodenelektrode

30

a Bodenelektrode

30

b Bodenelektrode

31

Bondpad

Claims

1. Mikromechanisches Relais mit einer auf einem Substrat (1) angeordneten Bodenelektrode (30),
einem über ein Verbindungselement (18) mit dem Substrat (1) verbundenen beweglichen Element (22), das eine Gegenelektrode bildet und einen elektrisch leitenden Kontaktbügel (23) trägt, und
zwei über einen Spalt voneinander beabstandeten Kontaktflächen (24),
wobei das bewegliche Element (22) und der Kontaktbügel (23) so angeordnet sind, daß das bewegliche Element mit dem Kontaktbügel bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Boden- und Gegenelektrode in Richtung der Bodenelektrode (30) bewegt wird, wodurch der Kontaktbügel (23) auf die Kontaktflächen (24) gedrückt wird und so eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen herstellt, und wobei der Kontaktbügel (23) im Kontaktbereich mit den Kontaktflächen (24) eine nach unten gewölbte Form aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kontaktflächen (24) durch elastische, reversibel verformbare Materialbereiche gebildet sind und derart unter Vorspannung stehen, daß sie sich in kontaktlosem Zustand nach oben und bei Aufdrücken des Kontaktbügels (23) nach unten wölben.

2. Mikromechanisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktbügel (23) unter einer Eigenzugspannung steht, durch die er im Kontaktbereich mit den Kontaktflächen (24) die nach unten gewölbte Form erhält.

3. Mikromechanisches Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktbügel (23) mit einer Eigendruck spannungsschicht zur zumindest teilweisen Kompensation der Eigenzugspannung außerhalb des Kontaktbereiches versehen ist.

4. Mikromechanisches Relais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigendruckspannungsschicht über eine Länge des Kontaktbügels (23) zumindest einmal örtlich unterbrochen ist, um eine Verwölbung des Kontaktbügels in Bereichen zwischen den Kontaktflächen zu verhindern.

5. Mikromechanisches Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (22) aus parallel ange ordneten Balken aufgebaut ist, die senkrecht zum Kontaktbügel (23) verlaufen.

6. Mikromechanisches Relais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Übergangsbereiche der Balken zu dem Kontaktbügel (23) und/oder dem Verbindungselement (18) abgerundet sind.

7. Mikromechanisches Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenelektrode und/oder die Gegenelektrode eine zum Kontaktbügel (23) hin abnehmende Fläche aufweist.

8. Mikromechanisches Relais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenelektrode und/oder die Gegenelektrode eine in Richtung des Kontaktbügels (23) gerichtete fingerförmige Struktur aufweist, wobei die Breite der einzelnen Finger zum Kontaktbügel (23) hin abnimmt.

9. Mikromechanisches Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Boden- und/oder die Gegenelektrode bzw. darauf aufgebrachte Schichten eine gegenüber einer bei der Herstellung zwangsläufig auftretenden Topographie zusätzlich eingebrachte Oberflächen struktur mit Erhebungen und Vertiefungen aufweisen, die-ein gegenseitiges Anhaften der beiden Elektroden bei Berührung verhindert.

10. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Relais nach einem der vorangehenden Ansprüche mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines Substrates (1) mit der Bodenelektrode;
- Aufbringen einer Abstandsschicht (5);
- Aufbringen und Strukturieren einer Druck spannungsschicht (7) und einer leitfähigen Schicht (9) zur Erzeugung der Gegenelektrode und der Kontaktflächen (24) derart, daß die Kontaktflächen auf der Druckspannungsschicht (7) liegen;
- Aufbringen einer Hilfsschicht (15);
- Strukturieren der Hilfsschicht (15) zur Definition der Bereiche des Kontaktbügels (23); - Aufbringen und Strukturieren der für den Kontaktbügel (23) erforderlichen Schichten;
- Entfernen der Hilfsschicht (15) und teilweises Entfernen der Abstandsschicht (5) mittels Ätzen zur Freilegung des beweglichen Elementes (22) und zur Erzeugung eines Hohlraumes unter einem zentralen Bereich der Kontaktflächen (24).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen der Abstandsschicht (5) unter den Kontaktflächen zur Erzeugung des Hohlraums derart erfolgt, daß die Kontaktflächen (24) durch zwei oder vier aus der Abstandsschicht gebildeten Stützen (25) getragen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen und Strukturieren der Druckspannungsschicht (7) und der leitfähigen Schicht (9) die Oberfläche der Abstandsschicht (5) im für die Gegenelektrode vorgesehenen Bereich (11) angeätzt oder strukturiert wird, um Erhebungen und Vertiefungen zu bilden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenelektrode vor dem Aufbringen der Abstandsschicht (5) angeätzt oder strukturiert wird, um Erhebungen und Vertiefungen zu bilden.