EP3929960A1 - Mems-schalter, verfahren zur herstellung eines mems-schalters und vorrichtung - Google Patents

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EP3929960A1
EP3929960A1 EP20182568.4A EP20182568A EP3929960A1 EP 3929960 A1 EP3929960 A1 EP 3929960A1 EP 20182568 A EP20182568 A EP 20182568A EP 3929960 A1 EP3929960 A1 EP 3929960A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mems switch
bending element
bending
layer
silicon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20182568.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Raab
Markus Schwarz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP20182568.4A priority Critical patent/EP3929960A1/de
Publication of EP3929960A1 publication Critical patent/EP3929960A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezoelectric relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0084—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] with perpendicular movement of the movable contact relative to the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00—Thermally-actuated switches
    • H01H2037/008—Micromechanical switches operated thermally
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezoelectric relays
    • H01H2057/006—Micromechanical piezoelectric relay

Definitions

  • the invention relates to a MEMS switch and a method for producing a MEMS switch and a device.
  • MEMS Microelectromechanical Systems
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • MEMS switches have strengths in other areas of application.
  • the object of the invention to create an improved MEMS switch which, in particular, allows improved operation.
  • Another object of the invention is to create a device with a plurality of such MEMS switches.
  • the MEMS switch according to the invention has a switching contact and a bending element and a mating contact arranged opposite the bending element.
  • the bending element can assume a contact position in which the mating contact is in contact with the switching contact.
  • the bending element is mechanically preloaded into the contact position.
  • CMOS switch By means of the MEMS switch according to the invention, as a result of the bias in the contact position, a circuit can be implemented in which the MEMS switch provides a switching contact in its permanent state in which it is not subjected to an electrical voltage. This means that the MEMS switch switches through when there is no electrical voltage applied and only interrupts the switching contact in the event of voltage application.
  • CMOS technology Such a property of producing a switching contact in the normal state without the application of voltage has so far been a unique selling point of CMOS technology.
  • this advantageous property is now also available for MEMS switches. In this way, there is no need to make a choice between switches implemented in CMOS technology, which have precisely such properties, and MEMS switches, which conventionally do not have these properties.
  • the advantages known from CMOS technology and the advantages of MEMS technology can consequently be used at the same time by means of the MEMS switch according to the invention.
  • MEMS switches are implemented with a metallic and / or silicon-based bending element, in particular a bending beam, which is deflected, for example, by an electrical voltage and then brings the switching contact and the mating contact together and short-circuits. A current can then flow through this short circuit.
  • a current flow is possible in the normal state, that is to say in the steady state without applying an electrical voltage to the MEMS switch.
  • the flexural element cannot be manufactured in a contact position, since current manufacturing technologies do not allow the flexural element to be manufactured in the deflected state and to ensure contact between the switching contact and the mating contact.
  • the bending element is advantageously a bending beam.
  • MEMS switches with bending elements in the form of bending bar points represent an established and proven type of MEMS switch, so that the MEMS switch according to the invention is compatible with known MEMS switches can be formed and - for example by means of the same wafers - can be produced jointly or as an alternative to these.
  • the bending element is formed with, in particular from, semiconductor material, in particular silicon, and / or with or from metal, and / or with or from dielectrics.
  • semiconductor material in particular silicon
  • metal in particular aluminum
  • dielectrics in particular silicon
  • the MEMS switch can be manufactured with materials which are known, tested and compatible with semiconductor electronics.
  • the MEMS switch according to the invention can thus be operated jointly with conventional MEMS switches or can be operated with the same operating parameters as conventional MEMS switches.
  • the bending element can expediently be brought out of the contact position by applying voltage to the MEMS switch.
  • the switching contact and mating contact can be spaced apart from one another.
  • the MEMS switch according to the invention can advantageously be used in order to implement a MEMS relay without permanent application of an electrical voltage.
  • logic circuits and / or micromechanical logic gates can be implemented by means of this development of the MEMS switch according to the invention.
  • a MEMS switch according to the invention can preferably be used for measuring short circuits in a PLC assembly or for discharging a capacitive load after a supply voltage has been switched off
  • the MEMS switch suitably has a prestressing element which is designed and arranged to mechanically prestress the bending element.
  • the prestressing element is advantageously arranged on the bending element. In this way, the mechanical pre-tensioning can be easily applied to the bending element by means of the pre-tensioning element.
  • the prestressing element is preferably formed with a layer resting against the bending element.
  • the layer is preferably formed with a stringing material, that is to say a material that has tensile stress.
  • a layer that is under tensile stress can mechanically pretension the bending element on which the layer is arranged and thus deflect it when there is otherwise no force acting on the bending element.
  • the layer arranged on the bending element can have a compressive stress. In this way, too, the layer under compressive stress can preload the bending element and deflect it when there is otherwise no force acting on the bending element.
  • the prestressing element is preferably formed with a material which has a coefficient of thermal expansion which differs from that of the material of the bending element by more than 20-10 -6 / K.
  • a coefficient of thermal expansion in the context of the present invention is suitable to be understood as a coefficient of linear expansion.
  • the prestressing element in particular the layer, and the bending element are arranged next to one another, then a tensile or compressive stress of the prestressing element that exists as a result of the different shrinkage can bring about a mechanical prestressing of the bending element.
  • the biasing element is preferably made with a silicon nitride and / or with a silicon oxynitride and / or a silicon oxide, preferably silicon dioxide, and / or metal, in particular gold, and / or with a piezoelectric Material and / or a polymer and / or a, in particular partial, doping and / or an electrical insulator, in particular aluminum oxide and / or gallium oxide.
  • Silicon oxynitride and / or silicon oxide and / or silicon dioxide and / or gold advantageously form a stringent material if this is arranged on the bending element at an elevated temperature.
  • the aforementioned materials develop tensile stresses or compressive stresses, which pretension the bending element.
  • the bending element can be prestressed by means of piezoelectric material.
  • the piezoelectric material is expediently arranged in particular in layers on the bending element.
  • the piezoelectric material particularly preferably forms a piezoelectric layer sequence as is known from piezo stacks.
  • the bending element is mechanically preloaded into the contact position.
  • the bending element is preferably initially held in its position by means of a fixation during production, then the bending element is mechanically pretensioned and the fixation is subsequently canceled.
  • the bending element can be pretensioned particularly easily.
  • a fixation can be realized in such a way that the bending element is manufactured subtractively and, before the bending element is manufactured subtractively, that is to say released, is pretensioned. Then the bending element is held in position, ie fixed, until its production is complete, as a result of its connection to parts from which it has yet to be separated.
  • the bending element in particular with a silicon-on-insulator substrate, is preferably manufactured subtractively.
  • the bending element can be fixed during its manufacture in such a way that the bending element is pretensioned before it is released, i.e. before the subtractive production of the bending element is completed from a volume material, i.e. a material from which the bending element is subtractively produced. In this way, the bending element is fixed until it is finally released so that it can be easily pretensioned and processed.
  • the silicon-on-insulator substrate also advantageously has a layer of an insulator.
  • This insulator preferably silicon dioxide, can now advantageously serve as a prestressing element on the bending element, which prestresses it.
  • an additional provision of a prestressing element is advantageously not necessary in order to prestress the bending element.
  • the bending element can be manufactured by means of a silicon layer of the silicon-on-insulator substrate, while the prestressing element is manufactured by means of an insulator of the silicon-on-insulator substrate.
  • the insulator is particularly preferably left on the bending element, so that the prestressing element does not have to be arranged specifically on the bending element. Due to the manufacturing process, the insulator of the silicon-on-insulator substrate is regularly under compressive stress, so that the insulator can serve as a prestressing element. If the bending element is not separated from the insulator during its subtractive production from the silicon-on-insulator substrate, then the insulator can preload the bending element. If the subtractive production of the bending element is completed, the bending element is released and the bending element can move due to the prestress due to the insulator deflect.
  • the bending element is preferably prestressed before it is manufactured subtractively. In this way, the bending element is fixed before it is released, i.e. before the subtractive manufacturing of the bending element is completed.
  • a prestressing element is expediently arranged as a layer on the bending element.
  • the prestress of a layer arranged on the bending element as a prestressing element can easily deflect the bending element as described above.
  • the prestressing element is suitably arranged on the bending element or the material of the bending element at a temperature which exceeds the operating temperature of the MEMS switch and / or the temperature of at least 293 Kelvin by at least 40 Kelvin, preferably at least 60 Kelvin and in particular at least 80 Kelvin, exceeds.
  • the pretensioning element in particular a layer, can be arranged on the bending element in the heated state, so that when the bending element and the pretensioning element cool, different shrinkages of the material of the pretensioning element and bending element occur due to a preferably different coefficient of thermal expansion.
  • the prestressing element, in particular the layer, and the bending element are arranged next to one another, then a tensile or compressive stress of the prestressing element that exists as a result of the different shrinkage can easily bring about a prestressing of the bending element.
  • the device according to the invention is preferably a logic circuit and / or a micromechanical logic gate and / or an analog circuit or has a logic circuit and / or a micromechanical logic gate and / or an analog circuit.
  • the device according to the invention has such a MEMS switch as described above and / or produced by a method as described above.
  • the production according to the invention of the MEMS switch 1 according to the invention is based on the production of a conventional one MEMS switch as in DE102017215236A1 disclosed.
  • the MEMS switch according to the invention is manufactured as in the aforementioned publication, unless otherwise described here.
  • the MEMS switch 1 comprises a bending element in the form of a bending beam which is formed with a semiconductor material, silicon in the illustrated case.
  • the mode of operation of a biasing of a semiconductor material is first of all illustrated in FIG Fig. 1
  • the arrangement 2 illustrated here explains:
  • the arrangement 2 comprises a semiconductor layer 3 formed with silicon, on which a biasing element in the form of a layer 4 is arranged.
  • the layer 4 is applied over the entire surface of the semiconductor layer 3.
  • the layer 4 has a high internal tensile stress, which prestresses the semiconductor layer 3.
  • the tensile stress of the layer 4 is realized by means of thermal expansion during the application or internal stresses of the layer 4 resulting from the process:
  • the layer 4 is formed with gold, which is at least 40 degrees, in further embodiments at least 100 degrees, above the operating temperature of the MEMS -Switch is applied to the semiconductor layer 3. As a result of the cooling of the layer 4, this layer 3 contracts in directions parallel to the interface between layer 4 and semiconductor layer 3.
  • the layer 4 formed with gold exerts a prestress on the semiconductor layer 3 formed with silicon, which bends as a result of the contraction and bends around the layer 4 formed with it.
  • a layer formed with another material for example with silicon oxynitride or with metal, can also serve as a pretensioning element.
  • a material under compressive stress for example silicon dioxide, can be provided on a side of the semiconductor layer 3 which is remote from the view.
  • An SOI substrate 10 ( “silicon-on-insulator” substrate) is known, which has a silicon-insulator-silicon layer sequence 20 which is arranged on an insulation layer 30 formed with glass.
  • the insulation layer 30 and a layer-like insulator 40 of the silicon-insulator-silicon layer sequence 20 of the SOI substrate 10 are each formed from glass, ie silicon dioxide.
  • the SOI substrate 10 thus has a layer sequence which comprises a homogeneous glass layer 30 (in Fig. 2 shown at the bottom), based on it a 300 micrometer thick homogeneous silicon layer 70, then the one micrometer thick insulator 40 formed as a glass layer and finally a 10 micrometer thick outer silicon layer 80.
  • a metallization 110 is first applied to the SOI substrate 10 and is introduced into a trough-shaped recess in the silicon layer 80.
  • the trough-shaped depression forms a shallow trench extending perpendicular to the plane of the drawing.
  • the metallization 110 ends with the silicon layer 80.
  • the metallization 110 is embodied as a 300 nanometer thick gold layer.
  • the metallization 110 differs in the geometric details from the metallization 110 in FIG Figs. 2 to 4 MEMS switch shown from that of the publication DE 102017215236 A1 , in which, instead of a metallization 110 located in a trough-shaped trench, a metallization is located in two mutually parallel strips and on an intermediate area. Otherwise corresponds to that in block letters DE 102017215236 A1 MEMS switch shown here corresponds to the MEMS switch shown here.
  • a region of the silicon layer 80 that is remote from the metallization 110 is also provided on its upwardly facing surface by means of a glass layer 90 and metallized by means of a 300 nanometer thick gold layer 120.
  • the gold layer 120 is applied, as is known per se, by means of lithography and a subsequent etching step. In the case of the MEMS switch, the two gold layers 110, 120 will form a connection (gold layer 110) and a free end (gold layer 120) of the bending beam.
  • the SIO substrate 10 lies as in FIG Fig. 2
  • gaps 130, 140 extending perpendicular to the direction of the drawing are introduced into the outer silicon layer 80 adjacent to the gold layers 110, 120 on their side remote from the respective other gold layer 110, 120 and adjoining the insulator 40 in the thickness direction d protrude into the SIO substrate 10.
  • the gaps run to the trough-shaped depression and the metallization 110 lying therein parallel and perpendicular to the plane of the drawing.
  • Fig. 3 shown the isolation layer 30 and the silicon layer 70 and the insulator 40 removed by means of lithography and successive execution of the RIE method, the DRIE method and the RIE method in that area of the SIO substrate 10 which is at the gap on the gold layer 120 140 as well as to the gold layer 120 and the area of the outer silicon layer 80 lying between the gold layer 110 and the gold layer 120.
  • the bending beam 150 is formed, the free end of which is formed with the gold layer 120 and which is connected to the SIO substrate by means of the insulator 40 near the gold layer 110.
  • This last step of forming the bending beam 150 is also referred to below as "releasing" the bending beam.
  • the bending beam is mechanically decoupled from the remaining regions of the outer silicon layer 80.
  • the gold layer 120 forms a first contact of the bending beam 150 of the MEMS switch.
  • the mating contact corresponding to the first contact of the bending beam 150 is formed according to the invention with a glass wafer 200:
  • a glass wafer 200 For this purpose, a 700 micrometer thick glass wafer 200 is used, in which two trough-shaped trenches 210, 220 are introduced, which run parallel to one another and perpendicular to the plane of the drawing.
  • the trench 220 is several times as wide as the trench 210.
  • the area of the glass wafer 200 located between the two trenches 210, 220 is provided with a metallization 255.
  • an edge region of a bottom of the wider trench 220, which is further away from the narrower trench 210, is also provided with a metallization 250, which forms a mating contact for the contact of the bending beam 150.
  • a gate metallization 260 which, after completion of the MEMS switch, is used to deflect the bending beam 150 by means of supplying control signals.
  • the MEMS switch 1 according to the invention is now basically produced using the same manufacturing method as the conventional one MEMS switch manufactured. However, there are a few differences in manufacturing, as explained below: Before the bending beam 150 is exposed as described above, the bending beam is as in FIG Fig. 5 shown provided with the layer 4 as a prestressing element. As in Fig. 1 shown consists of the layer 4 of gold. This layer 4 is as in Fig. 1 explained in the heated state, in the illustrated embodiment, heated by 40 degrees compared to the operating temperature of the MEMS switch 1, applied to the silicon layer 80 of the bending beam 150. The layer 4 has a thickness in the thickness direction d of 1.5 micrometers.
  • the layer can also have a different thickness, for example of one micrometer or of 2 micrometers.
  • the layer 4 can also be formed with silicon nitride and / or silicon oxynitride or other materials. In the case of silicon nitride, the layer 4 is provided with a bias voltage as a result of the deposition.
  • the layer 4 cools down after being applied to the silicon layer 80 of the bending beam 150. Since in the in Fig. 5 If the bending beam 150 shown here is not yet released, the layer 4 cannot yet deflect the bending beam.
  • the glass wafer 200 is connected to the metallization 250 forming the mating contact. In this way, the contact formed with the gold layer 120 can come to rest with the mating contact formed with the metallization 250 after the flexural beam 150 has been exposed.
  • the insulation layer 30 and the silicon layer 70 and the insulator 40 are made by means of lithography and successive execution of the RIE method, the DRIE method and of the RIE process in that area of the SIO substrate 10 which is adjacent to the gap 140 located on the gold layer 120 as well as to the gold layer 120 and the area of the outer silicon layer 80 located between the gold layer 110 and the gold layer 120.
  • the bending beam 150 As a result of the layer 4 is shown in accordance with FIG. Fig. 7 bent upwards so that the contact 120 comes to rest with the mating contact formed with de r metallization 250. Without the layer 4, the bending beam 150 would be the same as in the conventional MEMS switch Figures 2 to 4 remain in a preload-free rest position, ie in an alignment of the bending beam 150 with its longitudinal center axis in the horizontal direction.
  • the glass of the insulator 40 is placed between the silicon layers 70, 80 with a high compressive stress, so that the insulator 40 forms a prestressing element with a significant compressive stress when it is used to manufacture a MEMS switch 1, as described above .
  • the insulator 40 exerts a prestress on the bending beam 150, by means of which the gold layer 120 of the bending beam with the metallization 250 of the glass wafer 200 comes to rest.
  • the bending beam 150 of the MEMS switches 1, 300 according to the invention is different from FIG Figures 2 to 10 shown - electrically conductive.
  • the bending beam 150 is not only provided with a metallization 120 at the free end of the bending beam 150, but rather the bending beam 150 is along its entire longitudinal extent (ie along its entire extent in the direction of the two-dimensional extent of the layers of the silicon-insulator-silicon layer sequence 20 , that is, metallized perpendicular to the thickness direction d).

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Abstract

MEMS-Schalter (1) mit einem Biegeelement (150) und einem an dem Biegeelement angeordneten Schaltkontakt (120) sowie mit einem Gegenkontakt (250), wobei vom Biegeelement (150) eine Anlagestellung einnehmbar ist, in welcher der Schaltkontakt (120) am Gegenkontakt (250) in Anlage ist, wobei das Biegeelement (150) in die Anlagestellung vorgespannt ist.Bei dem Verfahren zur Herstellung eines solchen MEMS-Schalters (1, 300) wird das Biegeelement (150) in die Anlagestellung vorgespannt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen MEMS-Schalter sowie ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Schalters und eine Vorrichtung.
  • Es ist bekannt, in logischen Schaltungen, Gattern oder I/O-Baugruppen für SPS-Geräte sogenannte MEMS-Schalter einzusetzen. Solche MEMS-Schalter (MEMS = engl. "Microelectromechanical Systems") sind mikro- oder nanometergroße mechanische Festkörper-Schaltelemente, welche mittels elektrischer Spannung geschaltet werden können.
  • Für die oben genannten Einsatzzwecke, insbesondere zur Realisation von Baugruppen für SPS-Geräte mit integrierter Kurzschlussprüfung, wäre es vorteilhaft, eine zur CMOS-Technologie komplementäre topologische Ausgestaltung mikromechanischer Schalterbauteile anzustreben. Allerdings können mittels CMOS-Technologie Schaltelemente eingesetzt werden, welche im Normalzustand durchschalten und welche im bestromten Zustand einen Schaltkontakt unterbrechen. MEMS-Schalter hingegen besitzen Stärken in anderen Anwendungsbereichen.
  • Vor diesem Hintergrund ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten MEMS-Schalter zu schaffen, welcher insbesondere einen verbesserten Betrieb erlaubt. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen MEMS-Schalters anzugeben. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung mit einer Mehrzahl solcher MEMS-Schalter zu schaffen.
  • Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem MEMS-Schalter mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen und mit einer Vorrichtung mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbindungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
  • Der erfindungsgemäße MEMS-Schalter weist einen Schaltkontakt und ein Biegeelement und einen gegenüber dem Biegeelement angeordneten Gegenkontakt auf. Dabei ist bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter vom Biegeelement, eine Anlagestellung einnehmbar, in welcher der Gegenkontakt am Schaltkontakt in Anlage ist. Bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter ist das Biegeelement mechanisch in die Anlagestellung vorgespannt.
  • Mittels des erfindungsgemäßen MEMS-Schalters lässt sich infolge der Vorspannung in die Anlagestellung eine Schaltung realisieren, in welcher der MEMS-Schalter in seinem Dauerzustand, in welchem er nicht mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt ist, einen Schaltkontakt bereitstellt. D.h. der MEMS-Schalter schaltet im nicht mit einer elektrischen Spannung beaufschlagten Dauerzustand durch und unterbricht den Schaltkontakt nur im Falle einer Spannungsbeaufschlagung. Eine solche Eigenschaft, im Normalzustand ohne Spannungsbeaufschlagung einen Schaltkontakt herzustellen, ist bislang ein Alleinstellungsmerkmal der CMOS-Technologie. Erfindungsgemäß steht diese vorteilhafte Eigenschaft nunmehr auch für MEMS-Schalter zur Verfügung. Auf diese Weise muss keine Wahl getroffen werden zwischen in CMOS-Technologie realisierten Schaltern, welche genau solche Eigenschaften aufweisen, und MEMS-Schaltern, welche diese Eigenschaften herkömmlich nicht aufweisen. Es können folglich mittels des erfindungsgemäßen MEMS-Schalters die aus der CMOS-Technologie bekannten Vorteile und die Vorteile der MEMS-Technologie zugleich genutzt werden.
  • Im Gegensatz dazu sind herkömmliche MEMS-Schalter mit einem metallischen und/oder Silizium-basierten Biegeelement, insbesondere einem Biegebalken, realisiert, welcher beispielsweise durch eine elektrische Spannung ausgelenkt wird und dann Schaltkontakt und Gegenkontakt zusammenbringt und kurzschließt. Durch diesen Kurzschluss kann dann ein Strom fließen. Bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter hingegen ist es nicht erforderlich, eine elektrische Spannung anzulegen, um einen Stromfluss zu bewerkstelligen. Vielmehr ist bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter ein Stromfluss im Normalzustand, also im Dauerzustand ohne Anlegen einer elektrischen Spannung an den MEMS-Schalter, möglich.
  • Bei herkömmlichen MEMS-Schaltern lässt sich eine Fertigung des Biegeelements in einer Anlagestellung nicht bewerkstelligen, da es gegenwärtige Fertigungstechnologien nicht erlauben, das Biegeelement im ausgelenkten Zustand zu fertigen und eine Anlage von Schaltkontakt und Gegenkontakt zu gewährleisten. Zudem ist es gegenwärtig nicht möglich, nichtausgelenkte Biegeelemente zu fertigen, welche Schaltkontakte aufweisen, welche beim Abschluss der Fertigung reversibel trennbar an einem Gegenkontakt anliegen.
  • Denn zum einen werden gegenwärtig in einem letzten Prozessschritt bei der Fertigung von MEMS-Schaltern Wafer, welche Schaltkontakt und Gegenkontakt tragen, mittels hoher Temperaturen zusammengefügt. Sind Schaltkontakt und Gegenkontakt bereits im Kontakt, so würden diese bei dem letzten Prozessschritt aneinander haftenbleiben oder sogar zusammenlegieren, sodass der herkömmliche MEMS-Schalter überhaupt nicht schaltbar wäre. Schaltkontakt und Gegenkontakt wären dann nicht ohne Weiteres reversibel trennbar ausgebildet.
  • Auch sonstige bekannte Fertigungsverfahren gingen mit einer Anhaftung des Biegeelements oder von Schaltkontakt und Gegenkontakt aneinander einher, sodass auch solche alternativen Fertigungsverfahren ausscheiden.
  • Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter das Biegeelement ein Biegebalken. MEMS-Schalter mit Biegeelementen in Form von Biegebalkenstellen eine etablierte und erprobte Bauart von MEMS-Schaltern dar, sodass der erfindungsgemäße MEMS-Schalter mit bekannten MEMS-Schaltern kompatibel ausbildbar ist und - etwa mittels derselben Wafer - gemeinsam oder alternativ zu diesen herstellbar ist.
  • Bei dem MEMS-Schalter gemäß der Erfindung ist das Biegeelement mit, insbesondere aus, Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, und/oder mit oder aus Metall, und/oder mit oder aus Dielektrika gebildet. Mittels der vorgenannten Materialien ist der MEMS-Schalter mit Materialien fertigbar, welche in der Halbleiterelektronik bekannten, erprobten und mit diesen kompatibel sind. Somit ist der erfindungsgemäße MEMS-Schalter gemeinsam mit konventionellen MEMS-Schaltern betreibbar oder mit denselben Betriebsparametern betreibbar ist wie konventionelle MEMS-Schalter.
  • Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter das Biegeelement mittels einer Spannungsbeaufschlagung des MEMS-Schalters aus der Anlagestellung bringbar. Vorzugsweise sind dabei Schaltkontakt und Gegenkontakt voneinander beabstandbar.
  • Vorteilhaft kann in dieser Weiterbildung der Erfindung der erfindungsgemäße MEMS-Schalter herangezogen werden, um ein MEMS-Relais ohne dauerhafte Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung zu realisieren. Insbesondere können mittels dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen MEMS-Schalters Logikschaltungen und/oder mikromechanische logische Gatter realisiert werden. Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßer MEMS-Schalter in dieser Weiterbildung zur Kurzschlussmessung in einer SPS-Baugruppe oder zur Entladung einer kapazitiven Last nach Ausschalten einer Versorgungsspannung nutzbar
  • Geeigneterweise weist der MEMS-Schalter ein Vorspannelement auf, das ausgebildet und angeordnet ist, das Biegeelement mechanisch vorzuspannen. Vorteilhafter Weise ist das Vorspannelement an dem Biegeelement angeordnet. Auf diese Art lässt sich die mechanische Vorspannung mittels des Vorspannelements einfach auf das Biegeelement anwenden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter ist das Vorspannelement bevorzugt mit einer an dem Biegeelement anliegenden Schicht gebildet. Vorzugsweise ist die Schicht mit einem stringierenden Material gebildet, also einem Material, das eine Zugspannung aufweist. Auf diese Weise kann eine unter Zugspannung stehende Schicht das Biegeelement, an welchem die Schicht angeordnet ist, mechanisch vorspannen und somit dieses bei ansonsten fehlenden Krafteinwirkungen auf das Biegeelement auslenken. Alternativ oder zusätzlich kann die an dem Biegeelement angeordnete Schicht eine Druckspannung aufweisen. Auch auf diese Weise kann die unter Druckspannung stehende Schicht das Biegeelement vorspannen und dieses bei ansonsten fehlender Krafteinwirkung auf das Biegeelement auslenken.
  • Bei dem MEMS-Schalter gemäß der Erfindung ist das Vorspannelement bevorzugt mit einem Material gebildet, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich von demjenigen des Materials des Biegeelements um mehr als 20-10-6/K unterscheidet. Unter einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Sinne der vorliegenden Erfindung ist geeignet ein Längenausdehnungskoeffizient zu verstehen. Auf diese Weise lässt sich das Vorspannelement, insbesondere eine Schicht, in erwärmten Zustand an dem Biegeelement anordnen, sodass bei Abkühlung von Biegeelement und Vorspannelement aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schicht und Biegeelement unterschiedliche Schrumpfungen des Materials von Vorspannelement und Biegeelement erfolgen. Sind Vorspannelement, insbesondere die Schicht, und das Biegeelement aneinander angeordnet, so kann eine infolge der unterschiedlichen Schrumpfung bestehende Zug- oder Druckspannung des Vorspannelements eine mechanische Vorspannung des Biegeelements bewerkstelligen.
  • Vorzugsweise ist bei dem MEMS-Schalter das Vorspannelement mit einem Siliziumnitrid und/oder mit einem Silizium-Oxynitrid und/oder einem Siliziumoxid, vorzugsweise Siliziumdioxid, und/oder Metall, insbesondere Gold, und/oder mit piezoelektrischem Material und/oder einem Polymer und/oder einer, insbesondere partiellen, Dotierung und/oder einem elektrischen Isolator, insbesondere Aluminiumoxid und/oder Galliumoxid gebildet.
  • Vorteilhaft bilden Silizium-Oxynitrid und/oder Siliziumoxid und/oder Siliziumdioxid und/oder Gold ein stringierendes Material, wenn dieses bei erhöhter Temperatur an dem Biegeelement angeordnet wird. Bei Abkühlung bilden die vorgenannten Materialien Zugspannungen oder Druckspannung aus, welche das Biegeelement vorspannen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Biegeelement mittels piezoelektrischen Materials vorgespannt werden. Dazu wird zweckmäßig das piezoelektrische Material insbesondere schichtartig an dem Biegeelement angeordnet. Besonders bevorzugt bildet das piezoelektrische Material eine piezoelektrische Schichtfolge wie sie von Piezostapeln bekannt ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Schalters nach einem der vorhergehenden Ansprüche wird das Biegeelement in die Anlagestellung mechanisch vorgespannt.
  • Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Biegeelement während der Fertigung zunächst mittels einer Fixierung in seiner Position gehalten, danach das Biegeelement mechanisch vorgespannt und nachfolgend die Fixierung aufgehoben. Auf diese Weise kann die Vorspannung des Biegeelements besonders leicht erfolgen. Insbesondere kann eine Fixierung derart realisiert werden, dass das Biegeelement subtraktiv gefertigt wird und, bevor das Biegeelement, vorzugsweise abschließend, subtraktiv gefertigt wird, d.h. freigestellt wird, vorgespannt wird. Dann wird das Biegeelement bis dessen Fertigung abgeschlossen ist, infolge dessen Anbindung an Teile, von welchen es erst noch getrennt werden muss, in Position gehalten, d.h. fixiert.
  • Vorzugsweise wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung das Biegeelement, insbesondere mit einem Silicon-on-Insulator-Substrat, subtraktiv gefertigt.
  • Auf diese Weise kann das Biegeelement bei seiner Fertigung insbesondere derart fixiert werden, dass das Biegeelement noch vor seiner Freistellung, d.h. vor dem Abschluss der subtraktiven Fertigung des Biegeelements aus einem Volumenmaterial, d.h. einem Material, aus welchem das Biegeelement subtraktiv gefertigt wird, vorgespannt wird. Auf diese Weise ist das Biegeelement bis zu seiner endgültigen Freistellung fixiert, sodass es sich leicht vorspannen und prozessieren lässt.
  • Weiterhin vorteilhaft weist das Silicon-on-Insulator-Substrat eine Schicht eines Isolators auf. Dieser Isolator, vorzugsweise Siliziumdioxid, kann nun vorteilhaft als Vorspannelement an dem Biegeelement dienen, welches dieses vorspannt. Vorteilhaft ist in dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein zusätzliches Vorsehen eines Vorspannelements nicht erforderlich, um das Biegeelement vorzuspannen. Vielmehr kann das Biegeelement mittels einer Siliziumschicht des Silicon-on-Insulator-Substrates gefertigt werden, während das Vorspannelement mittels eines Isolators des Silicon-on-Insulator-Substrats gefertigt wird.
  • Besonders bevorzugt wird bei der subtraktiven Fertigung des Biegeelements der Isolator an dem Biegeelement belassen, sodass das Vorspannelement nicht eigens an dem Biegeelement angeordnet werden muss. Der Isolator des Silicon-on-Insulator-Substrats steht herstellungsbedingt regelmäßig unter-Druckspannung, sodass der Isolator als Vorspannelement dienen kann. Wird das Biegeelement also bei dessen subtraktiver Fertigung aus dem Silicon-on-Insulator-Substrat nicht vom Isolator getrennt, so kann der Isolator das Biegeelement vorspannen. Wird die subtraktive Fertigung des Biegeelements abgeschlossen, so wird das Biegeelement freigestellt und das Biegeelement kann sich aufgrund der Vorspannung infolge des Isolators auslenken. Weiterhin ist es denkbar vor Freistellung des Balkens auf der rückwärtig angeordneten Seite, als Ersatz oder Ergänzung des Silicon-on-Insulator Isolators, ein alternatives Material aufzubringen, welches unter Spannung steht und in Folge dessen nach der Freistellung des Biegeelements eine Auslenkung des Balkens bewirkt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Biegeelement bevorzugt, bevor es subtraktiv gefertigt wird, vorgespannt. Auf diese Weise ist das Biegeelement, bevor es freigestellt ist, d.h. bevor die subtraktive Fertigung des Biegeelements abgeschlossen ist, fixiert.
  • Zweckmäßig wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ein Vorspannelement als Schicht an dem Biegeelement angeordnet. Auf diese Weise kann die Vorspannung einer an dem Biegeelement als Vorspannelement angeordneten Schicht das Biegeelement wie oben beschrieben leicht auslenken.
  • Geeigneterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Vorspannelement bei einer Temperatur an dem Biegeelement oder dem Material des Biegeelements angeordnet, welche die Betriebstemperatur des MEMS-Schalters und/oder die Temperatur von zumindest 293 Kelvin um mindestens 40 Kelvin, vorzugsweise mindestens 60 Kelvin und insbesondere mindestens 80 Kelvin, überschreitet. Auf diese Weise lässt sich das Vorspannelement, insbesondere eine Schicht, in erwärmten Zustand an dem Biegeelement anordnen, sodass bei Abkühlung von Biegeelement und Vorspannelement aufgrund eines vorzugsweise unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedliche Schrumpfungen des Materials von Vorspannelement und Biegeelement erfolgen. Sind Vorspannelement, insbesondere die Schicht, und das Biegeelement aneinander angeordnet, so kann eine infolge der unterschiedlichen Schrumpfung bestehende Zug- oder Druckspannung des Vorspannelements eine Vorspannung des Biegeelements leicht bewerkstelligen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise eine Logikschaltung und/oder ein mikromechanisches logisches Gatter und/oder eine analoge Schaltung oder weist eine Logikschaltung und/oder ein mikromechanisches logisches Gatter und/oder eine analoge Schaltung auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen solchen MEMS-Schalter wie zuvor beschrieben und/oder hergestellt nach einem Verfahren wie zuvor beschrieben auf.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Ausbildung eines Vorspannelements an einem Halbleitermaterial zur Fertigung eines erfindungsgemäßen MEMS-Schalters schematisch im Längsschnitt,
    Fig. 2 bis 4
    eine konventionelle Herstellung eines konventionellen MEMS-Schalters in aufeinanderfolgenden Prozessstadien schematisch im Längsschnitt,
    Fig. 5 bis 7
    ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Herstellung eines erfindungsgemäßen MEMS-Schalters mit einem Vorspannelement gem. Fig. 1 in aufeinanderfolgenden Prozessstadien schematisch in Längsschnitt sowie
    Fig. 8 bis 10
    ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Herstellung eines erfindungsgemäßen MEMS-Schalters mit einem Vorspannelement gem. Fig. 1 in aufeinanderfolgenden Prozessstadien schematisch in Längsschnitt.
  • Die erfindungsgemäße Fertigung des erfindungsgemäßen MEMS-Schalters 1 basiert auf der Fertigung eines konventionellen MEMS-Schalters wie in DE102017215236A1 offenbart. Der erfindungsgemäße MEMS-Schalter wird wie in der vorbezeichneten Druckschrift gefertigt, soweit es hier nicht abweichend beschrieben ist.
  • Der erfindungsgemäße MEMS-Schalter 1 umfasst ein Biegeelement in Gestalt eines Biegebalkens, welcher mit einem Halbleitermaterial, im dargestellten Fall Silizium, gebildet ist. Die Funktionsweise einer Vorspannung eines Halbleitermaterials wird zunächst anhand der in Fig. 1 dargestellten Anordnung 2 erläutert: Die Anordnung 2 umfasst eine mit Silizium gebildete Halbleiterschicht 3, an welcher ein Vorspannelement in Gestalt einer Schicht 4 angeordnet ist. Die Schicht 4 ist auf der Halbleiterschicht 3 vollflächig aufgetragen.
  • Dabei weist die Schicht 4 eine hohe innere Zugspannung auf, welche die Halbleiterschicht 3 vorspannt. Die Zugspannung der Schicht 4 ist mittels thermischer Ausdehnung beim Auftragen oder durch den Prozess entstehende innere Spannungen der Schicht 4 realisiert: Die Schicht 4 ist mit Gold gebildet, welche bei mindestens 40 Grad, in weiteren Ausführungsbeispielen bei mindestens 100 Grad, oberhalb der Betriebstemperatur des MEMS-Schalters auf die Halbleiterschicht 3 aufgebracht ist. Infolge der Abkühlung der Schicht 4 zieht sich diese Schicht 3 in Richtungen parallel zur Grenzfläche zwischen Schicht 4 und Halbleiterschicht 3 zusammen.
  • Infolge des Zusammenziehens übt die mit Gold gebildete Schicht 4 eine Vorspannung auf die mit Silizium gebildete Halbleiterschicht 3 aus, welche sich infolge des Zusammenziehens verbiegt und um die mit gebildete Schicht 4 krümmt.
  • Anstelle einer mit Gold gebildeten Schicht 4 kann auch eine mit anderem Material, beispielsweise mit Silizium-Oxynitrid oder mit Metall gebildete Schicht, als Vorspannelement dienen.
  • Auch kann in weiteren Ausführungsbeispielen anstatt eines Materials mit Zugspannung ein Material unter Druckspannung, z.B. Siliziumdioxid, auf einer abgewandten Seite der Halbleiterschicht 3 vorgesehen sein.
  • Wie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt wird zur Herstellung von MEMS-Schaltern wie sie aus DE102017215236A1 bekannt sind ein SOI-Substrat 10 ("Silicon-On-Insulator"-Substrat) herangezogen, welches eine Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge 20 aufweist, die auf einer mit Glas gebildeten Isolationsschicht 30 angeordnet ist. Die Isolationsschicht 30 und ein schichtartiger Isolator 40 der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge 20 des SOI-Substrats 10 sind jeweils aus Glas, d.h. Siliziumdioxid, gebildet. Somit weist das SOI-Substrat 10 eine Schichtfolge auf, die eine homogene Glasschicht 30 (in Fig. 2 zuunterst dargestellt), darauf aufbauend eine 300 Mikrometer dicke homogene Siliziumschicht 70, darauffolgend den als Glasschicht ausgebildeten einen Mikrometer dicken Isolator 40 sowie abschließend eine 10 Mikrometer dicke, äußere Siliziumschicht 80 aufweist.
  • Zur Fertigung von Biegebalken der MEMS-Schalter wird auf das SOI-Substrat 10 zunächst eine Metallisierung 110 aufgebracht, welche in eine wannenförmige Vertiefung in der Siliziumschicht 80 eingebracht wird. Die wannenförmige Vertiefung bildet einen flachen, sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden Graben. Die Metallisierung 110 schließt mit der Siliziumschicht 80 ab. Die Metallisierung 110 ist als 300 Nanometer dicke Goldschicht ausgebildet. Die Metallisierung 110 unterscheidet sich in den geometrischen Details von der Metallisierung 110 der in den Fig. 2 bis 4 dargestellte MEMS-Schalter von jenem der Druckschrift DE 102017215236 A1 , in welcher anstelle einer in einem wannenförmigen Graben befindlichen Metallisierung 110 eine Metallisierung in zwei zueinander parallelen Streifen und auf einem zwischenliegenden Bereich befindlich ist. Im Übrigen entspricht der in Druckschrift DE 102017215236 A1 dargestellte MEMS-Schalter dem hier gezeigten MEMS-Schalter.
  • Zusätzlich ist auch ein von der Metallisierung 110 entfernt liegender Bereich der Siliziumschicht 80 an seiner nach oben gewandten Oberfläche mittels einer Glasschicht 90 versehen und mittels einer 300 Nanometer dicken Goldschicht 120 metallisiert. Die Goldschicht 120 wird wie an sich bekannt mittels Lithographie und einem nachfolgenden Ätzschritt aufgetragen. Die beiden Goldschichten 110, 120 werden bei dem MEMS-Schalter eine Anbindung (Goldschicht 110) und ein freies Ende (Goldschicht 120) des Biegebalkens bilden.
  • Zudem liegt das SIO-Substrat 10 wie in Fig. 2 dargestellt räumlich strukturiert vor: Dazu sind angrenzend an die Goldschichten 110, 120 an ihrer der jeweils anderen Goldschicht 110, 120 fernen Seite sich senkrecht zur Zeichenrichtung erstreckende Spalte 130, 140 in äußere Siliziumschicht 80 eingebracht, welche in Dickenrichtung d bis an den Isolator 40 angrenzend in das SIO-Substrat 10 einragen. Die Spalte verlaufen zur wannenförmige Vertiefung und der darin liegenden Metallisierung 110 parallel und senkrecht zur Zeichenebene.
  • Dazu ist die äußere Siliziumschicht 80 mittels des DRIE-Verfahrens (DRIE = engl.: "Deep reacive-ion-etching") zur Bildung der Spalte 130, 140 zuvor entfernt worden.
  • Nachfolgend wird wie in Fig. 3 dargestellt die Isolationsschicht 30 und die Siliziumschicht 70 und der Isolator 40 mittels Lithographie und aufeinanderfolgender Ausführung des RIE-Verfahrens, des DRIE-Verfahrens und des RIE-Verfahrens in demjenigen Bereich des SIO-Substrats 10 entfernt, welcher an dem an der Goldschicht 120 liegenden Spalt 140 sowie an der Goldschicht 120 und dem zwischen Goldschicht 110 und Goldschicht 120 liegenden Bereich der äußeren Siliziumschicht 80 angrenzt.
  • Folglich ist mittels der die Goldschichten 110 und 120 tragenden äußeren Siliziumschicht 80 der Biegebalken 150 ausgebildet, dessen freies Ende mit der Goldschicht 120 gebildet ist und welcher mittels des Isolators 40 nah der Goldschicht 110 an dem SIO-Substrat angebunden ist. Dieser letzte Schritt des Ausbildens des Biegebalkens 150 wird nachfolgend auch als "Freistellen" des Biegebalkens bezeichnet.
  • Infolge des Spalts 130 ist der Biegebalken von übrigen Bereichen der äußeren Siliziumschicht 80 mechanisch entkoppelt.
  • An die äußere Siliziumschicht 80 können nun wie in Fig. 4 dargestellt in einem nachfolgenden Fertigungsschritt weitere Teile des MEMS-Schalters angebunden werden können.
  • Bei dem Biegebalken 150 bildet die Goldschicht 120 einen ersten Kontakt des Biegebalkens 150 des MEMS-Schalters. Der zum ersten Kontakt des Biegebalkens 150 korrespondierende Gegenkontakt wird erfindungsgemäß mit einem Glaswafer 200 gebildet:
    Dazu wird ein 700 Mikrometer dicker Glaswafer 200 herangezogen, in welchen zwei wannenförmige Gräben 210, 220 eingebracht werden, welche zueinander parallel und senkrecht zur Zeichenebene verlaufen. Der Graben 220 ist dabei um ein Mehrfaches so breit wie der Graben 210. Der zwischen den beiden Gräben 210, 220 befindliche Bereich des Glaswafers 200 ist mit einer Metallisierung 255 versehen. Zusätzlich wird auch ein dem schmaleren Graben 210 ferner Randbereich eines Bodens des breiteren Grabens 220 mit einer Metallisierung 250 versehen, welche einen Gegenkontakt für den Kontakt des Biegebalkens 150 bildet. Beabstandet von der Metallisierung 250 ist der dem schmaleren Graben 210 nähere Bereich des Bodens des breiteren Grabens 220 mit einer Gate-Metallisierung 260 versehen, welche nach Fertigstellung des MEMS-Schalters der Auslenkung des Biegebalkens 150 mittels Speisung mit Steuersignalen dient.
  • Der erfindungsgemäße MEMS-Schalter 1 wird nun grundsätzlich mittels derselben Fertigungsverfahren wie der herkömmliche MEMS-Schalter hergestellt. Allerdings bestehen einige wenige Unterschiede bei der Herstellung wie nachfolgend erläutert:
    Bevor der Biegebalken 150 wie oben beschrieben freigestellt wird, wird der Biegebalken wie in Fig. 5 dargestellt mit der Schicht 4 als Vorspannelement versehen. Wie in Fig. 1 dargestellt besteht die Schicht 4 aus Gold. Diese Schicht 4 wird wie in Fig. 1 erläutert im erwärmten Zustand, im dargestellten Ausführungsbeispiel um 40 Grad gegenüber der Betriebstemperatur des MEMS-Schalters 1 erwärmt, auf der Siliziumschicht 80 des Biegebalkens 150 aufgetragen. Die Schicht 4 weist dabei eine Dicke in Dickenrichtung d von 1.5 Mikrometern auf. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Schicht auch eine abweichende Dicke, etwa von einem Mikrometer oder von 2 Mikrometern, aufweisen. Die Schicht 4 kann in weiteren Ausführungsbeispielen zudem mit Siliziumnitrid und/oder Silizium-Oxynitrid oder weiteren Materialien gebildet werden. Im Falle von Siliziumnitrid wird die Schicht 4 infolge der Abscheidung mit einer Vorspannung versehen.
  • Die Schicht 4 kühlt sich nach dem Auftragen auf die Siliziumschicht 80 des Biegebalkens 150 ab. Da in dem in Fig. 5 dargestellten Fertigungsschritt der Biegebalken 150 noch gar nicht freigestellt ist, kann die Schicht 4 den Biegebalken noch gar nicht auslenken.
  • Nachfolgend wird vor dem Freistellen des Biegebalkens 150 der Glaswafer 200 mit der den Gegenkontakt bildenden Metallisierung 250 angebunden. Auf diese Weise kann der mit der Goldschicht 120 gebildete Kontakt nach der Freistellung des Biegebalkens 150 mit dem mit der Metallisierung 250 gebildeten Gegenkontakt zur Anlage kommen.
  • Nach der Anbindung des Glaswafers 200 wird nun der Biegebalken wie anhand von Fig. 3 gezeigt freigestellt. Dazu wird wie zuvor beschrieben die Isolationsschicht 30 und die Siliziumschicht 70 und der Isolator 40 mittels Lithographie und aufeinanderfolgender Ausführung des RIE-Verfahrens, des DRIE-Verfahrens und des RIE-Verfahrens in demjenigen Bereich des SIO-Substrats 10 entfernt, welcher an dem an der Goldschicht 120 liegenden Spalt 140 sowie an der Goldschicht 120 und dem zwischen Goldschicht 110 und Goldschicht 120 liegenden Bereich der äußeren Siliziumschicht 80 angrenzt.
  • Nach dem Freistellen des Biegebalkens 150 wird der Biegebalken 150 infolge der Schicht 4 derart in der Darstellung gem. Fig. 7 nach oben gebogen, dass der Kontakt 120 mit dem mit de r Metallisierung 250 gebildeten Gegenkontakt zur Anlage kommt. Ohne die Schicht 4 würde sich der Biegebalken 150 wie beim herkömmlichen MEMS-Schalter der Figuren 2 bis 4 in einer vorspannungsfreien Ruhelage verbleiben, d.h. in ein einer Ausrichtung des Biegebalkens 150 mit seiner Längsmittelachse in horizontaler Richtung.
  • In einem weiteren in den Figuren 8 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen MEMS-Schalters 300 wird keine zusätzliche Schicht 4 oberseitig auf den Biegebalken 150 aufgetragen. Stattdessen wird der ohnehin bereits durch das Fertigungsverfahren bedingt an der Siliziumschicht 80 des Biegebalkens 150 angeordnete Isolator 40 genutzt: Anders als im anhand der Figuren 5 bis 7 erläuterten Ausführungsbeispiel wird dazu der schichtartige Isolator 40 der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge 20 des SOI-Substrats 10 beim Freistellen des Biegebalkens 150 nicht entfernt. Stattdessen bleibt der Isolator 40 wie in Fig. 10 dargestellt beim Freistellen des Biegebalkens 150 erhalten.
  • Bei der Fertigung des SOI-Substrats 10 wird das Glas des Isolators 40 mit einer hohen Druckspannung zwischen die Siliziumschichten 70, 80 eingebracht, sodass der Isolator 40 bei seiner Verwendung zur Fertigung eines MEMS-Schalters 1 wie oben beschrieben ein Vorspannelement mit einer deutlichen Druckspannung bildet. Nach dem Freistellen des Biegebalkens 150 mit dem Isolator 40 übt der Isolator 40 auf den Biegebalken 150 eine Vorspannung aus, mittels welcher die Goldschicht 120 des Biegebalkens mit der Metallisierung 250 des Glaswafers 200 zur Anlage kommt.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Biegebalken 150 der erfindungsgemäßen MEMS-Schalter 1, 300 - anders als in Fig. 2 bis 10 dargestellt - stromleitend ausgebildet. Dazu ist der Biegebalken 150 nicht lediglich mit einer Metallisierung 120 am freien Ende des Biegebalkens 150 versehen, sondern der Biegebalken 150 ist entlang seiner gesamten Längserstreckung (d.h. entlang seiner gesamten Erstreckung in Richtung der flächigen Erstreckungen der Schichten der Silizium-Isolator-Silizium-Schichtfolge 20, also senkrecht zur Dickenrichtung d) metallisiert.
  • Nicht explizit in der Zeichnung dargestellt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Gestalt einer Logikschaltung, welche mikromechanische logische Gatter aufweist, die mit erfindungsgemäß hergestellten erfindungsgemäßen MEMS-Schaltern (1, 300) wie vorhergehend beschrieben aufgebaut sind.

Claims (14)

1. MEMS-Schalter (1) mit einem Biegeelement (150) und einem an dem Biegeelement angeordneten Schaltkontakt (120), wobei vom Biegeelement (150) eine Anlagestellung einnehmbar ist, in welcher der Schaltkontakt (120) am Gegenkontakt (250) in Anlage ist, wobei das Biegeelement (150) in die Anlagestellung vorgespannt ist.
2. MEMS-Schalter nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem das Biegeelement (150) ein Biegebalken ist.
3. MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Biegeelement (150) mit, insbesondere aus, Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, und/oder Metall und/oder einem oder mehreren Dielektrika gebildet ist.
4. MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Biegeelement (150) mittels Spannungsbeaufschlagung des MEMS-Schalters (1, 300) aus der Anlagestellung bringbar ist und insbesondere Schaltkontakt (120) und Gegenkontakt (150) voneinander beabstandbar sind.
5. MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ein Vorspannelement (4) aufweist, das ausgebildet und angeordnet ist, das Biegeelement (150) vorzuspannen.
6. MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Vorspannelement (4) mit einer an dem Biegeelement (150) anliegenden Schicht gebildet ist.
7. MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Vorspannelement (4) mit einem Material gebildet ist, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher sich von demjenigen des Materials des Biegeelements (150) um mehr als 20·10-6/K unterscheidet.
8. MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Vorspannelement (4) mit einem Siliziumnitrid und/oder einem Silizium-Oxynitrid und/oder Siliziumoxid und/oder piezoelektrischem Material und/oder einem Polymer und/oder einer, insbesondere partiellen, Dotierung und/oder einem oder mehreren elektrischen Isolatoren, insbesondere Aluminiumoxid und/oder Galliumoxid, gebildet ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Schalters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Biegeelement (150) in die Anlagestellung vorgespannt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Biegeelement (150), insbesondere mit einem Silicon-on-Insulator-Substrat (10), subtraktiv gefertigt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Biegeelement (150), bevor es subtraktiv gefertigt wird, mit dem Vorspannelement (4) versehen wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Vorspannelement (4) als Schicht an dem Biegeelement (150) angeordnet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Vorspannelement (4) bei einer Temperatur an dem Biegeelement (150) oder dem Material des Biegeelements (150) angeordnet wird, welche die Betriebstemperatur des MEMS-Schalters (1) und/oder die Temperatur von zumindest 293 Kelvin um mindestens 40 Kelvin, vorzugsweise mindestens 60 Kelvin und insbesondere mindestens 80 Kelvin, überschreitet.
13. Vorrichtung, vorzugsweise eine Logikschaltung und/oder ein mikromechanisches logisches Gatter und/oder analoge Schaltung oder umfassend eine Logikschaltung und/oder ein mikromechanisches logisches Gatter und/oder analoge Schaltung, mit einem MEMS-Schalter (1, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und/oder hergestellt nach einem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche.
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