DE19736674C1 - Mikromechanisches elektrostatisches Relais und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches elektrostati­ sches Relais mit

• - einem Basissubstrat mit einer Basiselektrode und mit minde­ stens einem Festkontakt,

einer Anker-Federzunge, die einseitig an einer mit dem Basis­ substrat verbundenen Trägerschicht angebunden ist, eine der Basiselektrode gegenüberliegende Ankerelektrode besitzt, im Ruhezustand unter Bildung eines keilförmigen Luftspaltes ela­ stisch von dem Basissubstrat weggekrümmt ist und an ihrem freien Ende mindestens einen, dem Festkontakt gegenüberlie­ genden beweglichen Kontakt trägt. Außerdem betrifft die Er­ findung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Re­ lais.

Ein derartiges mikromechanisches Relais und ein entsprechen­ des Herstellungsverfahren sind bereits grundsätzlich aus der DE 42 05 029 C1 bekannt. Wesentlich ist dabei, daß die aus einem Substrat freigelegte Anker-Federzunge eine Krümmung derart besitzt, daß die Ankerelektrode mit der gegenüberlie­ genden Basiselektrode einen keilförmigen Luftspalt bildet, der beim Anlegen einer Spannung zwischen die beiden Elektro­ den eine schnelle Anzugsbewegung nach dem sog. Wanderkeil- Prinzip bewirkt. Verfeinerungen dieses Prinzips sind bei­ spielsweise in der DE 44 37 259 C1 und DE 44 37 261 C1 ge­ zeigt.

Bei all diesen bekannten Relais mit mikromechanischem Aufbau ist ein relativ hoher fertigungstechnischer Aufwand insofern erforderlich, als zwei Substrate, nämlich einerseits ein Ba­ sissubstrat mit der Basiselektrode und dem Festkontakt und andererseits ein Ankersubstrat mit der Anker-Federzunge, der Ankerelektrode und dem beweglichen Kontakt getrennt bearbei­ tet und miteinander verbunden werden müssen. Neben den er­ wähnten Hauptfunktionselementen der beiden Substrate sind weitere Beschichtungs- und Ätzvorgänge erforderlich, bei­ spielsweise für Isolierschichten, Zuleitungen und derglei­ chen. Beide Substrate müssen also jeweils für sich all den erforderlichen aufwendigen Prozessen unterworfen werden, be­ vor sie mit ihren Hauptfunktionsschichten einander zugewandt verbunden werden können. Da die Schaltelemente auch vor Um­ welteinflüssen geschützt werden sollen, ist in der Regel ein zusätzliches Deckelteil als Abschlußelement erforderlich, oh­ ne daß hierauf näher eingegangen werden muß.

Wünschenswert wäre es zur Vereinfachung der Herstellung, wenn alle Funktionselemente des Relais auf einem Substrat von ei­ ner Seite her gebildet werden könnten. Dabei ist es grund­ sätzlich denkbar, eine Federzunge mit einem beweglichen Kon­ takt und ein Festkontaktelement auf ein und demselben Substrat auszubilden, wobei etwa der Festkontakt und der be­ wegliche Kontakt übereinanderliegend hergestellt werden kön­ nen und wobei durch Wegätzen einer sog. Opferschicht der Kon­ taktabstand gebildet werden kann. Grundsätzlich ist eine sol­ che Anordnung aus der US-4 570 139 bekannt. Bei dem dortigen mikromechanischen Schalter ist allerdings unterhalb der An­ ker-Federzunge ein nicht genau definierter Hohlraum geschaf­ fen, der für die Bildung eines elektrostatischen Antriebs nicht geeignet ist. Bei dem dortigen Schalter ist deshalb vorgesehen, sowohl die Anker-Federzunge als auch den Festkon­ takt mit jeweils einer magnetischen Schicht zu versehen und den Schalter über ein von außen angelegtes Magnetfeld zu be­ tätigen. Mit einem solchen Magnetfeld kann auch bei dem rela­ tiv geringen Kontaktabstand, der mit der Opferschichttechnik zwischen dem beweglichen Kontakt und dem starren Festkontakt erreicht werden kann, die nötige Kontaktkraft erzeugt werden. Allerdings ist dazu eine zusätzliche Einrichtung zur Erzeu­ gung des Magnetfeldes, beispielsweise eine Spule, erforder­ lich, die erheblich mehr Platz benötigt, als man für bestimm­ te Anwendungsfälle für ein mikromechanisches Relais zur Ver­ fügung hat.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikromechanisches Relais der eingangs genannten Art konstruktiv so weiterzubil­ den, daß auch mit dem elektrostatischen Antrieb größere Kon­ taktkräfte erzeugt werden können, wobei aber die Funktions­ elemente des Relais auf dem Basissubstrat durch Bearbeitung von einer Seite geschaffen werden können.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß der mindestens eine Festkontakt auf einer Festkontakt-Federzunge angeordnet ist, die der Anker-Federzunge gegenüberstehend wie diese einseitig an einer Trägerschicht angebunden und im Ru­ hezustand elastisch von dem Basissubstrat weggekrümmt ist, und daß der mindestens eine bewegliche Kontakt an dem freien Ende der Anker-Federzunge über dieses vorkragend und den Festkontakt überlappend ausgebildet ist.

Bei der Erfindung wird also im Unterschied zu den bisherigen Vorschlägen für mikromechanische Relais und Schalter auch der Festkontakt nicht mehr starr auf dem Basissubstrat angeord­ net, sondern er sitzt wie der bewegliche Kontakt auf einer gekrümmten Federzunge, wodurch sich ein zusätzlicher Schalt­ weg erzielen läßt. Der bewegliche Kontakt sitzt auf der An­ ker-Federzunge und überlappt den Festkontakt. Durch die Vor­ krümmung der beiden einander gegenüberstehenden Federzungen läßt sich so beim Schalten vom Beginn der Kontaktgabe bis zur Endposition des Ankers ein ausreichender Überhub zur Erzeu­ gung der gewünschten Kontaktkraft erzielen. Dieser Effekt wird erzielt, auch wenn bei der Ausbildung der Anker- Federzunge auf einem Basissubstrat über die Opferschichttech­ nik unterhalb des Ankers nur ein relativ geringer Freiraum geschaffen werden kann, durch den der Anker über seine ge­ streckte Position hinaus beim Anzug an die Gegenelektrode nur einen geringen eigenen Überhub erfährt.

Besonders günstig ist die Herstellung dann, wenn sowohl die Anker-Federzunge als auch die Festkontakt-Federzunge aus der gleichen Trägerschicht gebildet sind und somit in ein und demselben Ätzvorgang hergestellt werden können. Die mit ihren freien Enden einander gegenüberstehenden Federzungen können in vorteilhafter Weise zahnartig ineinandergreifen, so daß der vorspringende bewegliche Kontakt nicht nur an seinem hin­ teren Ende, sondern zumindest auch noch an einer Seite mit der Oberfläche der Anker-Federzunge verbunden werden kann. Die spezielle Gestaltung hängt davon ab, ob ein Schließer- Kontakt oder ein Brückenkontakt geschaffen werden soll.

Als Basissubstrat kommt vorzugsweise Silizium in Betracht, wobei die Trägerschicht für die Federzungen als Silizium­ schicht unter Zwischenfügung der jeweils erforderlichen Funk­ tions- und Isolierschichten abgeschieden oder aufgebondet und in den entsprechenden Arbeitsgängen freigeätzt ist. Das Ba­ sissubstrat kann aber auch aus Glas oder aus Keramik beste­ hen; diese Materialien sind wesentlich kostengünstiger als Silizium. Kermaik erfordert aber eine zusätzliche Oberflä­ chenbehandlung, um die für die Relaisstrukturen erforderliche glatte Oberfläche zu erhalten. Die die Federzungen bildende Trägerschicht kann beispielsweise aus abgeschiedenem Polysi­ lizium oder Polysilizium mit Rekristallisation bestehen oder als freigelegte dotierte Silizium-Schicht eines aufgebondeten Silizium-Wafers vorliegen. Diese Schicht kann durch Epitaxie oder Diffusion in einem Silizium-Wafer hergestellt werden. Neben dieser Siliziumstruktur kann aber auch eine abgeschie­ dene Schicht eines Federmetalls, wie Nickel, einer Nickel- Eisenlegierung oder von Nickel mit sonstigen Zusätzen verwen­ det werden. Auch andere Metalle können in Betracht kommen; wichtig ist, daß das Material gute Federeigenschaften und ei­ ne geringe Ermüdung zeigt.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines erfindungs­ gemäßen Relais weist die folgenden Schritte auf:

• - auf einem mit einer metallischen Schicht als Basiselektrode versehenen Basissubstrat wird unter Zwischenfügung einer Isolierschicht und eines Zwischenraums eine Trägerschicht aus Metall aufgebracht,
• - in der Trägerschicht werden zwei einseitig angebundene, einander mit ihren freien Enden gegenüberstehende Federzun­ gen ausgebildet,
• - die Federzungen werden an ihrer Oberseite zumindest ab­ schnittsweise mit einer Zugspannungsschicht versehen,
• - eine - vorzugsweise kürzere - Federzunge wird an ihrem freien Ende mit mindestens einem Festkontakt versehen,
• - die - vorzugsweise längere - Federzunge wird mit mindestens einem beweglichen Kontakt versehen, der unter Zwischenfü­ gung einer Opferschicht den Festkontakt überlappt, und
• - durch Freiätzung der Federzungen voneinander und von dem Substrat wird deren Krümmung vom Substrat weg nach oben er­ reicht.

Weitere Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens sind in den Ansprüchen 14 bis 16 genannt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Aufbau der wesentlichen Funktionsschichten eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Relais in einer Schnitt­ darstellung,

Fig. 2 das mikromechanische Relais von Fig. 1 im Endzustand (ohne Gehäuse) in Ruheposition,

Fig. 3 das Relais von Fig. 2 in Arbeitsposition,

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Relais von Fig. 3, welches einen Arbeitskontakt bildet,

Fig. 5 die gleiche Ansicht wie Fig. 4, jedoch mit einer Ausführungsform, welche einen Brückenkontakt bildet,

Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform einer Brückenkon­ takt-Anordnung,

Fig. 7 eine Darstellung entsprechend Fig. 1, jedoch mit ei­ ner Zugspannungsschicht über einem Teilabschnitt der Anker- Federzunge,

Fig. 8 eine Ansicht entsprechend Fig. 2 mit Federzungenab­ schnitten unterschiedlicher Krümmung,

Fig. 9 einen gegenüber Fig. 1 etwas abgewandelten Schicht­ aufbau eines Basissubstrats bis zum Aufbau einer Träger­ schicht aus Polysilizium für die Federzungen,

Fig. 10 einen gegenüber Fig. 9 abgewandelten Schichtaufbau mit einer Trägerschicht aus Metall für die Federzungen,

Fig. 11 einen gegenüber Fig. 9 und 10 abgewandelten Schichtaufbau mit einer auf das Basissubstrat aufgebondeten Lost-Wafer-Schicht zur Bildung der Trägerschicht für die Fe­ derzungen und

Fig. 12 einen abgewandelten Schichtaufbau unter Verwendung eines SOI-Wafer-Halbzeugs.

Zunächst sei darauf hingewiesen, daß alle Schichtdarstellun­ gen lediglich schematisch die Schichtfolge und nicht die Dic­ kenverhältnisse der Schichten zeigen.

In den Fig. 1 bis 3 ist der Funktionssschichtaufbau eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Relais auf Siliziumbasis gezeigt. Das Basissubstrat 1 besteht in diesem Fall aus Sili­ zium. Dieses Basissubstrat dient zugleich als Basiselektrode; nach Bedarf kann aber auch eine entsprechende Elektroden­ schicht durch geeignete Dotierung ausgebildet werden. Über dem Basissubstrat ist eine Isolierschicht 2, beispielsweise aus Silizium-Nitrit ausgebildet. Auf dieser wiederum liegt eine erste Opferschicht 3, die später herausgeätzt wird. Sie besteht beispielsweise aus Silizium-Dioxid und besitzt eine Dicke d₁ von vorzugsweise weniger als 0,5 µm. Über der Opfer­ schicht 3 liegt eine Trägerschicht 4 zur Bildung von Feder­ zungen. Diese Schicht ist elektrisch leitend und besteht bei­ spielsweise aus Polysilizium mit einer Dicke von 5 bis 10 µm. Aus dieser Trägerschicht 4 werden später eine Anker- Federzunge 41 und eine Festkontakt-Federzunge 42 freigeätzt.

Beim Schichtaufbau sind sie zunächst durch eine zweite Opfer­ schicht 5 voneinander getrennt. Auf den beiden Federzungen 41 und 42 ist eine isolierende Zugspannungsschicht 6 angeordnet, die nach dem Freiätzen der Federzungen aufgrund ihrer Zug­ spannung eine Krümmung der Federzungen vom Basissubstrat weg nach oben bewirkt. Dieser Zustand ist in Fig. 2 gezeigt.

Auf der Festkontakt-Federzunge 42 wird durch entsprechende Beschichtungsverfahren ein Festkontakt 7 abgelagert, während auf dem freien Ende der Anker-Federzunge 41 ein beweglicher Kontakt 8 derart ausgebildet wird, daß er unter Zwischenfü­ gung der zweiten Opferschicht 5 den Festkontakt 7 überlappt. Die Höhe der Schaltkontakte ist beliebig wählbar, typischer­ weise beträgt sie zwischen 2 und 10 µm. Je nach Erfordernis können die Dicken bzw. die Materialzusammensetzungen der Schaltkontakte auch asymmetrisch sein. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, greifen die beiden Federzungen 41 und 42 zahnartig in­ einander, so daß ein mittiger Vorsprung 44 der Federzunge 42 von zwei seitlichen Vorsprüngen 43 der Anker-Federzunge 41 zangenförmig umfaßt wird. Auf diese Weise liegt der bewegli­ che Kontakt 8 mit drei Seitenabschnitten auf der Anker- Federzunge auf. Er bildet in dieser Ausgestaltung einen ein­ fachen Schließerkontakt mit dem Festkontakt 7. Im übrigen ist erkennbar, daß der bewegliche Kontakt 8 einen S-förmigen oder Z-förmigen Querschnitt aufweist, um die Überlappung mit dem Festkontakt 7 sicherzustellen. Die zwischenliegende Opfer­ schicht 2 besitzt typischerweise eine Dicke d₂ von weniger als 0,5 µm.

In bekannter Weise werden die übrigen erforderlichen Schich­ ten ausgebildet, beispielsweise eine Zuleitung 71 zum Fest­ kontakt 7, eine Zuleitung 81 zum beweglichen Kontakt 8 sowie eine weitere Isolierschicht 9 zur Passivierung der Oberseite der Anker-Federzunge.

In Fig. 2 ist die fertige Anordnung nach der Freilegung der Federzungen durch Herausätzen der beiden Opferschichten 3 und 5 gezeigt, wobei unterhalb der Anker-Federzunge 41 ein Frei­ raum 31 entsteht. Wie erwähnt, krümmen sich die beiden Feder­ zungen 41 und 42 aufgrund der Zugspannungsschicht 6 nach oben, so daß die Anordnung gemäß Fig. 2 mit geöffnetem Kon­ takt entsteht. Die Anker-Federzunge krümmt sich aufgrund der Vorspannung zu einer lichten Öffnung x₁ am Federende. In gleicher Weise krümmt sich die Festkontakt-Federzunge 42 nach der Freilegung um die lichte Öffnung x₂ nach oben. Somit er­ gibt sich der lichte Kontaktabstand
x_K = x₁ - x₂ + d₂ und näherungsweise
X_K = X₁ - X₂.

Dieser lichte Kontaktabstand x_K ist durch die Geometrie der Anker-Federzunge und der Festkontakt-Federzunge sowie die durch die Schicht 6 hervorgerufene Zugspannung in der Feder frei einstellbar.

Den geschlossenen Schaltzustand des Relais zeigt Fig. 3. Da­ bei liegt die Anker-Federzunge 41 direkt an der Gegenelektro­ de an, d. h., sie berührt die Isolationsschicht 2 der Gegene­ lektrode bzw. des Basissubstrats. Somit ist die Anker- Federzunge um die Dicke der ersten Opferschicht 3, nämlich d₁, nach unten gebogen. Es ergibt sich dabei ein Überhub zu
x_u = x₂ - d₂ + d₁, also näherungsweise
x_u = x₂.

Dieser Überhub ist von den Fertigungstoleranzen der Kontakt­ höhen unabhängig.

Wie erwähnt, zeigt Fig. 4 eine Draufsicht auf die Federzun­ gen 41 und 42 gemäß den Fig. 1 bis 3. Dabei ist die Form und Anordnung der Kontakte zu sehen, nämlich des Festkontak­ tes 7 auf dem Vorsprung 44 der Federzunge 42 sowie des beweg­ lichen Kontaktes 8 mit dreiseitiger Aufhängung auf den Vor­ sprüngen 43 der Federzunge 41. Außerdem ist andeutungsweise ein Lochraster 10 zum Freiätzen der ersten Opferschicht 3 ge­ zeigt.

In Fig. 5 ist eine gegenüber Fig. 4 abgewandelte Ausfüh­ rungsform mit einem Brückenkontakt gezeigt. In diesem Fall besitzt die Federzunge 42 zwei getrennte Festkontakte 7 mit entsprechenden Anschlußbahnen auf zwei äußeren Vorsprüngen 46, während die Federzunge 41 einen mittigen Vorsprung 47 bildet, auf dem der bewegliche Kontakt 8 liegt. Ein Schlitz 42a in der Festkontakt-Federzunge 42 sorgt für eine hohe Tor­ sions-Nachgiebigkeit, damit bei ungleichem Abbrand beide Kon­ takte sicher schließen. Dieser dient bei diesem Beispiel als Brückenkontakt, indem er beiderseits die Festkontakte 7 über­ lappt.

Die gleiche Wirkung kann man auch mit einer Struktur gemäß Fig. 6 erzielen. Dort ist eine Anker-Federzunge 141 mit ei­ nem mittigen Vorsprung 147 versehen, auf dem ein beiderseits überstehender beweglicher Brücken-Kontakt 148 liegt. Dieser arbeitet mit zwei Festkontakten 144 und 145 zusammen, welche auf zwei getrennten Festkontakt-Federzungen 142 und 143 sit­ zen. Diese Festkontakt-Federzungen 142 und 143 stehen quer zur Anker-Federzunge 141, d. h., ihre Einspann-Linien 142a und 143a stehen senkrecht zur Einspann-Linie 141a der Anker- Federzunge.

Für die Optimierung der Schaltkennlinie ist es zweckmäßig, die Anker-Federzunge nur abschnittsweise zu krümmen, wie dies in den Dokumenten DE 44 37 260 C1 und DE 44 37 261 C1 aus­ führlich gezeigt ist. In den Fig. 7 und 8 ist schematisch eine Ausgestaltung während der Herstellung und im fertigen Zustand gezeigt, bei der die Anker-Federzunge nur teilweise gekrümmt ausgebildet ist. Im Vergleich zu den Fig. 1 und 2 besteht der wesentliche Unterschied darin, daß in den Fig. 7 und 8 eine Zugspannungsschicht 61 sich nur über einen Teil der Anker-Federzunge 41 erstreckt, so daß sich eine gekrümmte Zone 62 der Anker-Federzunge auf den Bereich der Einspann­ stelle begrenzt, während eine Zone 63 zum Federende hin gera­ de bzw. mit geringerer Krümmung verläuft. Bei der Darstel­ lung in den Fig. 7 und 8 ist auf der Silizium- Trägerschicht 4 eine eigenspannungsfreie Isolationsschicht 64 dargestellt, welche die galvanische Trennung des Lastkreises mit der Zuleitung 81 von der Federzunge bildet. Darüber liegt die bereits erwähnte Zugspannungsschicht 61.

Zur Realisierung der beschriebenen und dargestellten Schicht­ anordnung sind verschiedene, an sich bekannte Verfahren an­ wendbar. So zeigt Fig. 9 den grundsätzlichen Schichtaufbau auf dem Basissubstrat 1, wie er nach der sog. Additiv-Technik erfolgt. Bei diesem Verfahren werden die beweglichen Feder­ zungen bzw. deren Trägerschicht aus einem Material gewonnen, das während der Herstellung erst auf dem Substrat abgeschie­ den wird. Als Substrat dient in dem gezeigten Beispiel von Fig. 9 ein Wafer aus p-Silizium. Auf diesem wird zunächst eine Steuer-Basiselektrode 11 n-durch Diffusion (beispielsweise mit Phosphor) erzeugt; zwischen dem n- Silizium der Elektrode und dem p-Silizium des Basissubstrats bildet sich eine Sperrschicht 12. Über der Elektrode wird die Isolationsschicht 2 und darüber die Opferschicht 3 aufge­ bracht und strukturiert. Darüber wird die Trägerschicht 4 mit einer Dicke von z. B. 5 bis 10 µm abgeschieden. Sie besteht aus Poly-Silizium oder aus Poly-Silizium mit Rekristallisati­ on. Mit üblicher Maskentechnik wird die Struktur der Feder­ zungen hergestellt. Der weitere Aufbau erfolgt gemäß Fig. 1. So werden die verschiedenen Funktionsschichten, nämlich eine Isolationsschicht zwischen Lastkreis und beweglicher An­ triebselektrode, gegebenenfalls eine zusätzliche Zugspan­ nungsschicht und die erforderlichen Lastkreisleiterbahnen ab­ geschieden. Außerdem werden die beschriebenen Kontakte mit der zwischenliegenden zweiten Opferschicht sowie eventuell erforderliche Passivierungsisolationen für die Leiterbahnen erzeugt.

Wie bereits eingangs erwähnt, können auch andere Materialien Verwendung finden. So ist in Fig. 10 schematisch eine Schichtanordnung gezeigt, wobei das Substrat aus Glas be­ steht. Es könnte aber auch aus Silizium-Substrat mit einer Isolationsschicht oder aus Keramik mit entsprechender Ober­ flächenbehandlung bestehen. Über diesem Substrat wird eine Basiselektrode 11 in Form einer Metallschicht erzeugt. Darauf liegt dann eine Isolierschicht 2 und über dieser die Opfer­ schicht 3. Als Trägerschicht dient in diesem Beispiel eine galvanisch aufgebrachte Metallschicht, die aus Nickel oder einer Nickel-Legierung (z. B. Nickel-Eisen) oder auch einer anderen Metallegierung besteht. Wichtig ist die Federeigen­ schaft mit geringer Ermüdung dieses Metalls. Durch eine ent­ sprechende Stromführung beim Galvanikprozeß können inhomogene Nickelschichten erzeugt werden, die eine spätere Krümmung der strukturierten Federzungen erzeugen. Der weitere Aufbau er­ folgt analog zu Fig. 9 bzw. Fig. 1.

Eine weitere Möglichkeit für die Erzeugung der Funktions­ schichten des Relais ist die sog. Lost-Wafer-Technik. Diese soll anhand von Fig. 11 kurz geschildert werden. In diesem Fall werden zwei Ursprungs-Substrate verwendet, die jedoch eine Schichtbearbeitung von einer Oberfläche aus erfahren. Auf ein Basissubstrat 1, das wiederum aus Silizium oder aus Glas besteht, wird zunächst eine Basiselektrode 11 aufge­ bracht, die in diesem Beispiel in einer Ätzgrube versenkt ist. Darüber liegt die Isolationsschicht 2. Danach wird ein zweiter Silizium-Wafer 20 mit einer n-dotierten Silizium- Schicht 21, die entweder durch Epitaxie aufgebracht oder durch Diffusion hergestellt wird, anodisch auf das bereits strukturierte Basissubstrat 1 gebondet. Von der Oberseite er­ folgt danach ein Rückätzen des Wafers 20 mit elektrochemi­ schem Ätzstop, so daß nur die Epitaxie-Schicht 21 stehen bleibt, die als Trägerschicht für die beweglichen Federzungen dient. Der Fügeschritt des Lost-Wafers auf dem Basissubstrat kann auch ohne die erste Opferschicht 3 (siehe Fig. 1) er­ folgen, wenn sich ein Freiraum 31 bilden läßt, ohne daß die Isolationsschicht 2 an der dotierten Silizium-Schicht 21 festbondet.

Schließlich erfolgt auch bei diesem Beispiel die Strukturie­ rung der Lastkreiselemente analog zur Additiv-Technik, wie anhand von Fig. 1 bzw. Fig. 6 bereits beschrieben. Es wer­ den also zum Beispiel eine Isolationsschicht 64 zur Isolie­ rung zwischen Lastkreis und der durch die Federzunge 41 ge­ bildeten Antriebselektrode, soweit erforderlich, eine zusätz­ liche Zugspannungsschicht 61, die Lastkreisleiterbahnen 71 und 81, der feststehende Kontakt 7, die zweite Opferschicht 5 und der bewegliche Kontakt 8 nacheinander aufgebracht und strukturiert. Soweit zusätzliche Schichten zur Passivie­ rungsisolation erforderlich sind, geschieht dies nach dem Er­ fahrungswissen des Fachmanns.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Struktur besteht im Einsatz eines sog. SOI-Wafers (silicon­ on-insulator). In Fig. 12 ist ein solcher SOI-Wafer als Halbzeug dargestellt. Der Unterschied zum Aufbau gemäß Fig. 9 besteht darin, daß die einzelnen Schichten in diesem Fall nicht nachträglich auf dem Substrat abgelagert werden, son­ dern daß vielmehr ein solcher SOI-Wafer als Halbzeug einen vorgefertigten Schichtaufbau besitzt, wobei auf dem Silizium­ substrat 1 eine Isolationsschicht 2, zum Beispiel aus Silizi­ um-Nitrit, eine erste Opferschicht 3, zum Beispiel aus Sili­ zium Dioxid, sowie eine kristalline Silizium-Epitaxie-Schicht als Trägerschicht 4 mit einer Dicke von zum Beispiel 5 bis 10 µm angeordnet sind. Auf diesem Halbzeug erfolgt dann die Strukturierung der Lastkreiselemente analog zur oben be­ schriebenen Additiv-Technik, wobei als Funktionsschichten die Isolationsschicht 64, die zusätzliche Zugspannungsschicht 61, die Lastkreisleiterbahnen 71 und 81, der feststehende Kontakt 7, die zweite Opferschicht 5 (gegebenenfalls auch als Passi­ vierungs-Isolation für die Leiterbahnen) und der bewegliche Kontakt 8 strukturiert werden.

Die Funktion des Relais ergibt sich ohne weiteres aus dem be­ schriebenen Aufbau. Über entsprechende Anschlußelemente wird zur Betätigung des Relais eine Steuerspannung U_S an die Elek­ troden angelegt, also gemäß Fig. 2 an das Basissubstrat 1, das zugleich als Basiselektrode dient, oder an die vom Basis­ substrat elektrisch isolierte Basiselektrode gemäß den Aus­ führungsformen in den Fig. 9 bis 11 und an die Anker- Federzunge 41, die zugleich als Ankerelektrode dient. Durch die elektrostatische Aufladung wird die Anker-Federzunge 41 an die Basiselektrode angezogen, wodurch die Kontakte schlie­ ßen.

Für den Fachmann ist es auch klar, daß die in der Zeichnung dargestellte Struktur in geeigneter Weise in ein Gehäuse ein­ gebaut wird, so daß die Kontakte gegen Umwelteinflüsse ge­ schützt sind. Auch sei noch erwähnt, daß mehrere dargestellte Schalteinheiten auf ein und demselben Substrat nebeneinander und in einem gemeinsamen Gehäuse zur Bildung eines Vielfach- Relais angeordnet werden können.

Claims (17)

1. Mikromechanisches elektrostatisches Relais mit

• - einem Basissubstrat (1) mit einer Basiselektrode (1, 11) und mit mindestens einem Festkontakt (7),

einer Anker-Federzunge (41), die einseitig an einer mit dem Basissubstrat (1) verbundenen Trägerschicht (4) angebunden ist, eine der Basiselektrode (1, 11) gegenüberliegende Ankere­ lektrode (41) besitzt, im Ruhezustand unter Bildung eines keilförmigen Luftspaltes elastisch von dem Basissubstrat (1) weggekrümmt ist und an ihrem freien Ende mindestens einen, dem Festkontakt (7) gegenüberliegenden beweglichen Kontakt (8) trägt,
dadurch gekennzeichnet, daß der minde­ stens eine Festkontakt (7) auf einer Festkontakt-Federzunge (42) angeordnet ist, die der Anker-Federzunge (41) gegenüber­ stehend wie diese einseitig an einer Trägerschicht (4) ange­ bunden und im Ruhezustand elastisch von dem Basissubstrat (1) weggekrümmt ist, und
daß der mindestens eine bewegliche Kontakt (8) an dem freien Ende der Anker-Federzunge (41) über dieses vorkragend und den Festkontakt (7) überlappend ausgebildet ist.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker- Federzunge (41) und die Festkontakt-Federzunge (42) aus der gleichen Trägerschicht (4) gebildet sind.

3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der minde­ stens eine bewegliche Kontakt (8) einen annähernd Z-förmigen Querschnitt aufweist, wobei ein Endschenkel auf der Anker- Federzunge (41) liegt und ein dazu annähernd paralleler End­ schenkel den Festkontakt (7) überlappt.

4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Anker-Federzunge (41) und der Festkontakt- Federzunge (42) zahnförmig ineinandergreifen, wobei jeweils ein Vorsprung (44; 47) der einen Federzunge (42; 41) in eine Ausnehmung der anderen Federzunge (41; 42) eingreift, und daß der mindestens eine Festkontakt (7) auf einem Vorsprung (44; 46) der Festkontakt-Federzunge (42) liegt, während der mindestens eine bewegliche Kontakt (8) sich über eine Ausneh­ mung der anderen Federzunge (41) erstreckt.

5. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker- Federzunge (41) in gestrecktem Zustand mit ihrem zangenförmig ausgebildeten Endabschnitt (43) einen mittigen, den Festkon­ takt (7) tragenden Vorsprung (44) der Festkontakt-Federzunge (42) umschließt und daß sich ein beidseitig aufliegender be­ weglicher Kontakt (8) frei über diesen Festkontakt (7) er­ streckt.

6. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit­ tiger Vorsprung (47) der Anker-Federzunge (41) in gestrecktem Zustand zwischen zwei mit Festkontakten (7) versehene Vor­ sprünge (46) der Festkontakt-Federzunge (42) eingreift und daß ein beweglicher Brückenkontakt (8) auf dem mittigen Vor­ sprung (47) befestigt ist und sich beiderseits frei über die Festkontakte (7) erstreckt.

7. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein mitti­ ger Vorsprung (147) der Anker-Federzunge (141) einen beider­ seits überstehenden Brückenkontakt (148) trägt und daß zwei Festkontakt-Federzungen (142, 143) je einen mit dem Brücken­ kontakt (148) zusammenwirkenden Festkontakt (144, 145) tragen.

8. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trä­ gerschicht (4) der Federzungen eine unter Zwischenfügung ei­ ner teilweise weggeätzten Opferschicht (3) auf dem Basis­ substrat (1) abgeschiedene Schicht ist.

9. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Basis­ substrat (1) und die Trägerschicht (4) aus Silizium bestehen und daß die beiden Elektrodenschichten im Basissubstrat und in der Anker-Federzunge durch eigenleitendes oder dotiertes Silizium gebildet sind.

10. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder­ zungen (41, 42) jeweils auf ihrer dem Basissubstrat abgewand­ ten Seite zumindest über einen Teil ihrer Länge eine eine Zugspannung erzeugende Schicht (6; 61) aufweisen.

11. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Federzungen (41; 42) bildende Trägerschicht aus abgeschiedenem Polysilizium oder Polysilizium mit Rekristallisation besteht.

12. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Federzungen (41, 42) bildende Trägerschicht (4) aus einer gal­ vanisch abgeschiedenen Metallschicht, insbesondere Nickel, Nickel-Eisen oder einer sonstigen Nickellegierung gebildet ist.

13. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Basis­ substrat (1) aus Silizium oder Glas besteht und daß die die Federzungen (41, 42) bildende Federschicht (4) durch eine auf das Basissubstrat gebondete und freigelegte Silizium-Schicht (21) eines Silizium-Wafers (20) gebildet ist.

14. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen elek­ trostatischen Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• 1. auf einem mit einer elektrisch leitenden Schicht als Basi­ selektrode versehenen Basissubstrat (1) wird unter Zwi­ schenfügung einer Isolierschicht (2) und eines Zwischen­ raums (31) eine elektrisch leitende Trägerschicht (4; 21) aufgebracht,
• 2. in der Trägerschicht (4; 21) werden zwei einseitig angebun­ dene, einander mit ihren freien Enden gegenüberstehende Fe­ derzungen (41, 42) ausgebildet,
• 3. die Federzungen (41, 42) werden an ihrer Oberseite zumindest abschnittsweise mit einer Zugspannungsschicht (6; 61) verse­ hen,
• 4. eine - vorzugsweise kürzere - Federzunge (42) wird an ihrem freien Ende mit mindestens einem Festkontakt (7) versehen,
• 5. die - vorzugsweise längere - Federzunge (41) wird mit min­ destens einem beweglichen Kontakt (8) versehen, der unter Zwischenfügung einer Opferschicht (5) den Festkontakt (7) überlappt, und
• 6. durch Freiätzung der Federzungen (41, 42) voneinander und von dem Substrat (1) wird deren Krümmung vom Substrat weg nach oben erreicht.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei auf dem aus Silizium bestehenden Basissubstrat (1) unter Zwischenfügung einer er­ sten Opferschicht (3) die elektrisch leitende Federzungen­ schicht (4) aus Polysilizium oder Polysilizium mit Rekristal­ lisation mit der Struktur der beiden Federzungen (41, 42) ab­ geschieden wird, wobei die Konturen der Federzungen und die Kontakte durch eine zweite Opferschicht (5) voneinander ge­ trennt werden, und wobei nach dem Aufbringen der Kontakte die beiden Opferschichten (3, 5) herausgeätzt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei auf dem Basissubstrat (1) aus Glas, Keramik oder Silizium unter Zwischenfügung ei­ ner ersten Opferschicht (3) die Struktur der Federzungen (41, 42) aus Nickel oder einer Nickel-Legierung, insbesondere Nickel-Eisen, galvanisch abgeschieden wird, wobei auf einer der Federzungen (42) mindestens ein Festkontakt (7) und nach Aufbringen einer zweiten Opferschicht (5) auf der anderen Fe­ derzunge (41) ein dem Festkontakt (7) überlappender bewegli­ cher Kontakt (8) aufgebracht wird und wobei schließlich nach dem Aufbringen der Kontakte die beiden Opferschichten (3, 5) herausgeätzt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei

• 1. auf dem Basissubstrat (1) aus Silizium oder Glas die Ge­ genelektrode (11) und darüber eine Isolierschicht (2) abge­ schieden werden,
• 2. dann ein Silizium-Wafer (20) mit einer dotierten Silizium- Schicht (21), insbesondere einer Epitaxie-Schicht oder ei­ ner diffundierten Schicht, als Federzungenschicht auf das Basissubstrat (1) gebondet wird,
• 3. danach der Wafer (20) rückgeätzt wird, bis nur die dotierte Silizium-Schicht (21) stehenbleibt, dann aus dieser Silizi­ um-Schicht die Strukturen der beiden Federzungen (41, 42) herausgeätzt werden,
• 4. dann auf der einen Federzunge (42) mindestens ein Festkon­ takt aufgebracht wird,
• 5. dann unter Zwischenfügung einer Opferschicht (5) auf der anderen Federzunge (41) mindestens ein den Festkontakt (7) überlappender beweglicher Kontakt (8) aufgebracht wird und
• 6. schließlich die Opferschicht (5) herausgeätzt wird.