Mikromechanischer Aktuator

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Aktuator als Mikro-Elektro- Mechanisches-System (MEMS) und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Aktuators als elektrischer Schalter, der auf einem Substrat, z. B. aus Silizium, angeordnet ist. Ein solcher Schalter wird nachfolgend als Mikroschalter bezeichnet.

Ein MEMS kann sehr kleine Abmessungen bis zu einigen 100 μm aufweisen. Die beweglichen mechanischen Strukturen bzw. Konstruktionselemente werden sehr wirtschaftlich mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen der Halbleiterindustrie hergestellt. Hierzu gehören insbesondere die fotolithografi- sehen Prozesse sowie das Sputtern, Bedampfen, ätzen aller Art, Strippen, Bedrucken und Galvanisieren. Weitere Anwendungen eines MEMS sind z. B. Sensoren, Getriebe und Ventile.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel von thermisch aktuierten elektri- sehen Mikroschaltern mittels zweier Aktuatoren, die als MEMS ausgeführt sind, beschrieben. Sie eignet sich jedoch für alle weiteren Anwendungen von MEMS, die ein mechanisches Federelement als bewegliches Konstruktionselement aufweisen. Die Aktuierung der beweglichen Elemente kann neben der thermischen Ausdehnung z. B. auch durch eine magnetische, piezoelektrische, magnetostriktive oder elektrostatische Kraft erfolgen.

Die Druckschrift US 7,036,312 B2 beschreibt ein typisches MEMS, das auf einem Substrat partiell befestigt ist. Zwei langgestreckte Aktuatoren bilden eine

Anordnung als Mikroschalter. Jeder Aktuator besteht aus einem so bezeichneten heißen Arm und einem kalten Arm. Das jeweilige Ende der beiden Arme ist auf einer elektrisch isolierenden Schicht mit dem Substrat fest verankert. Am anderen beweglichen Ende sind die beiden Arme mittels eines Isolierwerkstof- fes fest miteinander verbunden. Auf dem heißen Arm befindet sich eine metallische Heizschleife, bestehend aus einem Hinleiter und einem davon elektrisch isolierten Rückleiter, ausgehend vom Ankerpunkt und rückführend zum anderen Ankerpunkt. Die Heizschleife dient zur thermischen Aktuierung des Aktuators. Hierzu wird kurzzeitig eine elektrische Spannung oder konstan- ter Strom an den beiden Ankerpunkten, an dort befindlichen Anschlussflächen oder an so genannten Pads der Heizschleife angelegt bzw. eingeprägt. Die durch den elektrischen Strom erzeugte Joulsche Wärme führt zur mechanischen Längenzunahme des heißen Armes. Die dabei auftretende Differenz der Längen des heißen und des kalten Armes führt zu einer ausweichenden Bewegung der beiden am Ende fest verbundenen Arme in diesem Bereich und zwar in Richtung vom heißen Arm zum kalten Arm. Der Weg des Ausweichens auf einer angenäherten Kreisbahn ist ein Mehrfaches der Längenänderung des heißen Arms, bzw. der Differenz der Längenänderungen der beiden Arme. Dieses Ausweichen ist dann maximal, wenn sich im Bereich des Ankerpunktes des kalten Armes ein Lager als Drehpunkt befinden würde. Allerdings würde dann bei ausgeschalteter Aktuierung am kalten Arm keine Rückstellkraft wirksam sein. Deshalb ist der kalte Arm in der Nähe seines Ankerpunktes im Querschnitt, d. h. in seiner Breite, wesentlich verjüngt ausgeführt. Dies lässt sich im Vergleich zu einem Lager auch ohne zusätzliche Verfahrensschritte herstellen. Mit den Abmessungen des Querschnittes der Verjüngung und ihrer Länge wird zugleich die jeweils wirksame Flexibilität und Rückstellkraft des kalten Armes dimensioniert. Diese flexible Verjüngung wird nachfolgend auch als Flexer bezeichnet.

Zwei derartige Aktuatoren sind so angeordnet, dass sie einen elektrischen Mikroschalter bilden, wobei der zu schaltende Signalstrom über die kalten Arme der Aktuatoren fließt. Die kalten Arme bestehen deshalb aus Metall. Die beiden Aktuatoren und ihre am beweglichen Ende befindlichen Schaltkontakte sind so

angeordnet und gestaltet, dass für den Wechsel der Schaltzustände EIN und AUS des Mikroschalters je Aktuator nur ein aktuierender Schaltimpuls in der zeitlichen Größenordnung von ca. 10 Millisekunden erforderlich ist. Wegen der geringen thermischen Kapazität der Heizschleife erfolgt sowohl das Erwärmen als auch das Abkühlen sehr schnell. Im Schaltzustand EIN sind die beiden Schaltkontakte miteinander verhakt, wobei die Aktuierung, d. h. die thermische Erregung ausgeschaltet ist. Von daher erfordert ein Mikroschalter auf Basis eines derartigen MEMS insgesamt nur eine sehr kleine Erregerenergie.

Zur Erzielung eines sicheren elektrischen Kontaktes ist eine bestimmte Mindestkontaktkraft erforderlich. Diese wird von der Rückstellkraft mindestens von einem der beiden Aktuatoren aufgebracht. Die Rückstellkraft wird nahezu ausschließlich von den Materialeigenschaften des Flexers und dessen Abmessungen bestimmt. Der kalte Arm und damit auch der Flexer besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. Nickel.

Bekannt ist, dass Metalle, die unter einer mechanischen Spannung stehen, zum so genannten Kriechen neigen, d. h. sie verformen sich plastisch. Bei einem Mikroschalter mit einem Aktuator gemäß US 7,036,312 B2, der sich längere Zeit im Schaltzustand EIN befindet, nimmt daher die wirksame Kontaktkraft kontinuierlich ab. Besonders bei MEMS als Mikroschalter wird dieser nachteilige Effekt bereits in kurzer Zeit, z. B. nach wenigen Schaltvorgängen oder im dauerhaften Schaltzustand EIN nach wenigen Monaten beobachtet.

Zur Vermeidung der plastischen Deformation bzw. des Kriechens der verwendeten Metalle, insbesondere Nickel, unter der mechanischen Spannung kann eine Legierung oder Mischung aus Nickel mit sehr kleinen Anteilen von Mangan, Eisen, oder Kobalt zur galvanischen Herstellung der Arme und damit des Flexers zum Einsatz kommen. Mit solchen Legierungen oder Mischungen soll im Vergleich zu reinem Nickel eine Stabilisierung des Korngefüges insbesondere unter höheren Temperaturen und eine geringere Neigung zur plastischen Verformung erzielt werden. Nachteilig sind jedoch die Abhängigkeit

von den zu verwendenden Metallen und ihren genauen Legierungsanteilen. Die Eigenschaften bei einer Langzeitbelastung sind nicht bekannt.

Die mechanische Kopplung der Heizschleife mit dem kalten Arm erfolgt mit elektrisch isolierenden Haltern. Die Halter sind dann in Längsrichtung der Aktuatoren an einigen Stellen angeordnet und am heißen und am kalten Arm befestigt. Die Halter ermöglichen die maximale Ausnutzung der Längenänderung zur übertragung auf den kalten Arm, indem eine ausweichende Dehnung senkrecht zur Längenausdehnung der Heizschleife verhindert wird. Zur Erzielung der maximal möglichen Längenausdehnung der Heizschleife kann diese auch verschiebbar in den Haltern angeordnet werden. Dadurch greift die thermisch aktuierende Kraft nur am beweglichen Ende des Aktuators an dem kalten Arm an. Das oben beschriebene Problem der plastischen Verformung von Metallen und damit die abnehmende Rückstellkraft der Federwirkung des Flexers kann aber auch bei einer solchen Anordnung nicht gelöst werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen mikromechanischen Aktuator vorzuschlagen, der mindestens ein Federelement aufweist, das unter dauerhafter mechanischer Spannung stehen kann und dabei langzeitstabile mechanische Eigenschaften besitzt, wobei unterschiedliche Materialien, insbesondere Metalle für ein elektrisch leitfähiges Konstruktionselement verwendbar sind. Ferner soll der Aktuator durch bekannte Verfahren herstellbar sein.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen mikromechanischen Aktuator gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Patentanspruch 19. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Aktuator nutzt die langzeitstabilen mechanischen Eigenschaften eines Silizium aufweisenden Werkstoffes für das zweite Federelement am kalten Arm, welcher als erstes Federelement bezeichnet ist. Um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, weist das erste Federelement, Metall auf, wenn dieses erste Federelement auch zur Leitung eines

Signalstromes verwendet wird. Andernfalls kann das erste Federelement des Aktuators teilweise oder vollständig Silizium oder ein anderes Material mit ähnlichen Werkstoffeigenschaften aufweisen, z. B. Glas, Keramik, Kunststoff.

Erfindungsgemäß weist das zweite Federelement Silizium auf, welches polykristallines oder einkristallines Silizium sein kann. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann in einem Abstand zum zweiten Federelement ein metallisches Element angeordnet sein, welches mit dem ersten Federelement verbunden ist, so dass durch das metallische Element ein elektrischer Strom von einem Ankerpunkt zu einem anderen am ersten Federelement angeordneten Ankerpunkt transportierbar ist. Der Strom kann somit durch einen derart gebildeten Bypass zum ersten Federelement gelangen und muss nicht das Silizium aufweisende zweite Federelement passieren, welches einen höheren elektrischen Widerstand als Metall aufweist. Das Silizium im zweiten Federele- ment trägt hingegen dazu bei, dass das zweite Federelement im Hinblick auf sein mechanisches Verhalten langzeitstabile Eigenschaften besitzt. Das metallische Element ist besonders vorteilhaft, wenn ein Signalstrom über das erste Federelement zu einer daran angeordneten elektrischen Kontaktstelle, welche zum mechanischen Schalten eines Kontaktes vorgesehen ist, geleitet werden soll.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der schematischen und nicht maßstäblichen Figuren 1 bis 8 detailliert beschrieben, in welchen zeigen:

Fig. 1A eine Seitenansicht eines mikromechanischen Aktuators mit thermischer Aktuierung gemäß dem Stand der Technik; Fig. 1B eine Draufsicht eines mikromechanischen Aktuators mit thermischer

Aktuierung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2A eine Seitenansicht eines mikromechanischen Aktuators mit thermi- scher Aktuierung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2B eine Draufsicht eines mikromechanischen Aktuators mit thermischer Aktuierung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3A eine Seitenansicht eines mikromechanischen Aktuators mit thermischer Aktuierung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3B eine Draufsicht eines mikromechanischen Aktuators mit thermischer Aktuierung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4A zwei Aktuatoren gemäß der ersten Ausführungsform, die zusammen als Mikroschalter angeordnet sind und die sich im Schaltzustand AUS befinden;

Fig. 4B zwei Aktuatoren gemäß der ersten Ausführungsform, die zusammen als Mikroschalter angeordnet sind und sich im Schaltzustand EIN befinden;

Fig 5A bis 5D einzelne Schritte eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung des Aktuators;

Fig. 6A bis 6D einzelne Schritte des Verfahrens gemäß einer zweiten Ausfüh- rungsform der Erfindung zur Herstellung des Aktuators;

Fig. 7A bis 7D einzelne Schritte des Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung des Aktuators;

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Aktuators gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 9A bis 9D jeweils eine Draufsicht von weiteren Ausführungsformen eines Aktuators gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1A und 1 B zeigen einen mikroelektrischen Aktuator mit thermischer Aktuierung nach dem Stand der Technik. Dieser Aktuator 1 wird in einer einzigen Ebene außerhalb bzw. oberhalb eines Substrates 11 erzeugt. In der Regel handelt es sich bei dem Substrat 11 um einen Wafer aus Silizium. In diesem Falle kann die Herstellung zusammen mit der Herstellung der weiteren Strukturen, z. B. von elektrischen Leitern und Halbleiterbauelementen auf dem Substrat erfolgen. Der Aktuator 1 besteht im Wesentlichen aus einem metalli- sehen sogenannten kalten Arm 2 und einem sogenannten heißen Arm 3, der von einer Heizschleife 4 aus Metall gebildet wird. Die beiden Arme 2, 3 sowie die beiden elektrischen Leiter der Heizschleife 4 sind voneinander elektrisch isoliert angeordnet und mittels Halter 5 mechanisch miteinander verbunden. Die

Halter 5 bestehen aus einem Isoliermaterial, z. B. aus einem strukturierten und ausgehärteten Fotoresist. In diesen Haltern 5 kann die Heizschleife 4 unverrückbar gefasst oder längs verschiebbar geführt sein. Durch die Verschiebbarkeit wirkt sich die bei der thermischen Aktuierung auftretende Längenausdeh- nung vollständig am Wendepunkt 6 der Heizschleife 4 aus, wodurch eine maximale Auslenkung 7 des Aktuators 1 in Pfeilrichtung erzielt wird. Hierzu ist das Ende der Heizschleife 4 an dessen Wendepunkt 6 fest mit dem Ende des kalten Armes 2 mittels eines weiteren Halters verbunden, der nachfolgend als Endhalter 8 bezeichnet wird. Der Endhalter 8 besteht ebenfalls aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. aus demselben Material wie die anderen Halter 5. Aus Gründen der übersichtlichen Darstellung ist dieser Endhalter 8 in allen Figuren transparent dargestellt. Der Hin- und Rückleiter der Heizschleife 4, sowie der kalte Arm 2 sind im schraffiert dargestellten Ankerbereich 9 an individuellen Ankerpunkten 10 fest mit dem Substrat 11 verbunden. Außerhalb des Ankerbereiches 9 sind der kalte Arm 2 und der heiße Arm 3 parallel zur Oberfläche des Substrates 11 frei beweglich und damit in diesem Bereich auch vom Substrat 11 elektrisch isoliert. Dies zeigt die in der Fig. 1A dargestellte Seitenansicht.

Der kalte Arm 2 ist in der Nähe seines Ankerpunktes 26 durch eine Verjüngung elastisch ausgeführt. Dies ergibt die erwünschte große Auslenkung 7 des Aktuators 1 , die ein Mehrfaches der Längenausdehnung der Heizschleife 4 beträgt. Allerdings wird dieser kleine, in Fig. 1A und 1B mit einer +45°-Schraffur dargestellte Bereich des Flexers 12 einer besonders großen mechanischen Spannung ausgesetzt, wenn der Aktuator 1 thermisch aktuiert ist. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Biegespannung. Bei ausgeschalteter Aktuierung muss die Biegespannung so groß sein, dass der Aktuator 1 in seine Ausgangslage zurückkommt oder dass bei einer elektrischen Kontaktierung in einem Mikroschalter die erforderliche Kontaktkraft aufgebracht wird. Bei der betriebli- chen Nutzung des Aktuators 1 wirkt der Bereich der Verjüngung 12 demnach als ein mechanisches Federelement.

Bei Abkühlung der Heizschleife 4 geht diese auf ihre Ausgangslänge und damit in die Ausgangslage zurück. Weil sie durch den Endhalter 8 mit dem kalten Arm 2 fest verbunden ist, unterstützt die Heizschleife 4 durch ihre Zugkraft die Rückbewegung des Aktuators 1 , wenn die Aktuierung ausgeschaltet ist. Beim Schaltzustand EIN des Mikroschalters geht mindestens einer der beiden Aktuatoren 1 nicht in die Ausgangslage zurück. Die Federkraft des Flexers 12 und die unterstützende Zugkraft der Heizschleife 4 bringen die Kontaktkraft des Mikroschalters auf, wodurch beide Konstruktionselemente einer permanenten mechanischen Spannung ausgesetzt sind. Dies hat die störende plastische Verformung der verwendeten Metalle zur Folge.

Die elektrischen Anschlüsse sind in der Figur 1 symbolisch als Leiter 13, 14 und 15 dargestellt. Diese Leiter sind meist als integrierte Leiterzüge auf dem Wafer ausgeführt. Hierzu, wie auch für die gesamte Herstellung des MEMS bzw. des Aktuators 1 werden die bekannten Mittel und Methoden der Halbleitertechnik angewendet. Die Leiter 13 und 14 dienen zur Einspeisung des aktuierenden Stromes in den Hin- und Rückleiter der Heizschleife 4. Der Leiter 15 führt ein zu schaltendes elektrisches Signal des Mikroschalters. Vorzugsweise befindet sich am anderen Ende des kalten Armes 2 ein elektrischer Schaltkontakt 16. Mit einem ähnlich geformten Gegenkontakt an einem weiteren Aktuator wird ein Kontaktpaar für einen Mikroschalter gebildet.

Die metallischen Konstruktionselemente des Aktuators werden in der Regel galvanisch erzeugt, z. B. aus Nickel. Aus diesem Material bestehen damit auch der Flexer 12, der übrige Bereich des kalten Armes 2 und die Heizschleife 4. Allgemein tritt bei Metallen, insbesondere bei galvanisch erzeugten Elementen, unter einer dauerhaften mechanischen Belastung in Form einer Biege-, Zug-, oder Druckspannung das beschriebene Kriechen des Metalls auf. Dies wirkt sich als plastische Verformung aus, wodurch die Elastizität abnimmt. Bei einem Mikroschalter bedeutet dies eine kontinuierlich abnehmende Kontaktkraft, wodurch die Zuverlässigkeit in nachteiliger Weise beeinträchtigt wird. Diese plastische Verformung betrifft besonders den Flexer 12, der auf einer kleinen Länge und mit einem kleinen Querschnitt die größte Biegespannung aufneh-

men muss. Von daher sind besonders oder ausschließlich die mechanischen Eigenschaften des Flexers 12 entscheidend für die Langzeitstabilität z. B. eines mit Aktuatoren gebildeten Mikroschalters.

Die Fig. 2A und 2B zeigen eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators 1, der die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. Zur Herstellung des Aktuators 1 werden ebenfalls die bekannten Verfahren der Halbleitertechnologie angewendet, z. B. Resistauftrag, fotolitho- grafische Prozesse, Belichten, Strippen, ätzen, Sputtern und Galvanisieren. Diese weit verbreiteten Prozesse werden daher zur Erläuterung der Erfindung nicht detailliert beschrieben. Die Beschreibung und die Patentansprüche beschränken sich auf die Abfolge der besonderen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte.

Der Aktuator 1 besteht im Wesentlichen aus einem ersten Federelement 2 und einem zweiten Federelement 12, wobei das zweite Federelement 12 als Flexer bezeichnet wird. Die Federelemente 2 und 12 werden vorzugsweise durch ein drittes Federelement 3 ausgelenkt. Das dritte Federelement 3 ist bei der in Fig. 2A und 2B dargestellten Ausführungsform als Heizschleife 4 aus Metall gebildet, wie es beim Stand der Technik gemäß Figur 1 beschrieben wurde. Das erste Federelement 2 weist Metall und/oder Silizium auf. Die beiden Federelemente 2, 12, sind von den beiden elektrischen Leitern der Heizschleife 4 im dritten Federelement 3 voneinander elektrisch isoliert angeordnet und mittels Halter 5 mechanisch miteinander verbunden. Die Halter 5 bestehen aus einem Isoliermaterial, z. B. aus einem strukturierten und ausgehärteten Fotoresist, Epoxid wie beispielsweise SU8 oder Polymer wie beispielsweise Polyimid.

Die Aktuierung erfolgt durch mindestens eine Heizschleife 4 zur thermischen Ausdehnung mindestens eines Teiles des Federelementes 3 und durch unterschiedlich große thermische Ausdehnung mindestens eines Teiles der Federelemente 2, 12 gegenüber mindestens einem Teil des Federelementes 3.

Es wurde festgestellt, dass sich als Material für den Flexer 12 sehr gut Silizium eignet. Es weist auch unter einer mechanischen Spannung die erforderliche Langzeitstabilität auf. Silizium neigt nicht wie Metalle zu mechanischem Kriechen unter Last, sondern behält die elastischen Eigenschaften bis zur Bruchgrenze bei. Insbesondere einkristallines Silizium kann bevorzugt werden, da hier zusätzlich keine Kornveränderungen stattfinden kann und das Material aufgrund der ungestörten Gitteranordnung nicht unter mechanischer Spannung steht. Weil Silizium in der Halbleitertechnologie breite Anwendung findet, sind zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Aktuatoren keine neuen Prozesse und Substrate erforderlich. Von daher lassen sich die Aktuatoren auch sehr kostengünstig produzieren. Hierzu werden bevorzugt SOI-Wafer (Silicon On Insulator) als Ausgangsmaterial verwendet. Eine einkristalline Siliziumschicht, im weiteren SOI-Schicht, befindet sich haftfest auf einer thermisch erzeugten Oxidschicht eines Wafers aus Silizium. Es ist bekannt, dass durch Unterätzung des vergrabenen Oxides bestimmte Bereiche der SOI-Schicht freigelegt und von der darunter liegenden Schicht beabstandet werden können, so dass bewegliche Strukturen entstehen. Diese Substrate und Prozesse werden zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Flexers 12 verwendet und angewendet. Daher wird die Erfindung an Beispielen mit SOI-Wafern beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch mittels anderer Substrate und hiervon abweichender Prozesse realisiert werden. Es kommen dabei andere Kompositsubstrate in Betracht, die geeignete Materialkombinationen liefern, bei denen eine Zwischenschicht nach Strukturierung der darüber liegenden Schicht selektiv entfernt werden kann, um mittels Unterätzung bewegliche Bereiche zu erzeu- gen. Gemäß der Erfindung ist die Zwischenschicht aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass in der obersten Schicht Elemente durch Strukturierung elektrisch getrennt werden können.

Der erfindungsgemäße Aktuator 1 ist gemäß einer ersten Ausführungsform in zwei Ebenen 17, 18 aufgebaut. Die erste Ebene 17 ist ein Teil des Kompositsubstrates, und die zweite Ebene 18 befindet sich außerhalb des Kompositsubstrates. Der Flexer 12 ist in der ersten Ebene 17 in der SOI-Schicht 21 angeordnet. Er weist Silizium auf, das auch bei SOI-Wafern unter einer

dauerhaften mechanischen Spannung nicht zum Kriechen, d. h. nicht zu einer plastischen Verformung neigt.

Die Fig. 2A und 2B zeigen den SOI-Wafer 19, der aus dem Substrat 11, der Oxidschicht 20 und der darauf befindlichen SOI-Schicht 21 besteht. Das Substrat 11 weist Silizium auf. Die Oxidschicht 20 weist zum Beispiel Siliziumoxid auf, wobei auch ein Nitrid oder ein Kunststoff, Polymer, Epoxid oder Lack als Zwischenschicht für Kompositsubstrate möglich sind. Alle Schichten sind fest miteinander verbunden. Derartige SOI-Wafer sind bekannt und handelsüb- lieh verfügbar.

Durch ätzen von schmalen Gräben 22 in der SOI-Schicht 21 werden die Umrisse des Flexers 12 in dieser Schicht bestimmt. Die dreiseitigen Gräben 22 sind in der Draufsicht in Fig. 2B mit einer Schraffur dargestellt. Nach Unterät- zung des vergrabenen Oxides 20 ist der Flexer 12 bis auf den Ankerbereich freigelegt und kann ausgelenkt werden, er ist vorzugsweise schwenkbar. Vor oder nach diesen Prozessschritten zur Bildung des Flexers 12 werden mit den bekannten Verfahren, bevorzugt galvanisch, die Heizschleife 4, das erste Federelement 2, ein Schaltkontakt 16 und die elektrischen Leiter 13, 14, 15 in der zweiten Ebene 18 erzeugt. Das erste Federelement 2 ist an einer ersten Stelle 10 angebracht, wobei es an einer anderen, zum Beispiel gegenüberliegenden Stelle, frei bewegbar ist. Das zweite Federelement 12 ist mit dem ersten Federelement 2 an der Stelle 10 verbunden. Durch teilweises ätzen des elektrisch isolierenden Materials 20 bildet sich ein Abstand zum Substrat 11 , so dass das zweie Federelement 12 gegenüber dem Substrat 11 bewegbar ist. Die elektrisch isolierenden Halter 5 und der Endhalter 8 werden z. B. mittels Fotoresist, Epoxid, Polymer, oxid- oder nitridhaltigen Materialien hergestellt. Die erfindungsgemäß wesentlichen Details der Herstellungsverfahren werden weiter unten beschrieben.

Das erste Federelement 2 weist Metall auf, wenn das zu schaltende elektrische Signal über den elektrischen Leiter 15 zum Schaltkontakt 16 geleitet werden

soll. Andernfalls kann das erste Federelement 2 auch aus einem Halbleiter oder einem Nichtleiter bestehen.

Der symbolisch dargestellte elektrische Leiter 15 verbindet das erste Federele- ment 2 mit einem elektrischen Leiter auf der starren Oberfläche der SOI-Schicht

21. Dieser Leiter 15 wird z. B. auf einer den Graben 22 überbrückenden

Opferschicht galvanisch erzeugt. Zur Erzielung einer Beweglichkeit kann der

Leiter 15 mindestens im Bereich der überbrückung mäanderförmig ausgeführt sein. Die elektrischen Leiter 13 und 14 befinden sich an der dritten Ankerstelle 26 der Heizschleife 4 auf einer elektrisch isolierenden Schicht. Weil diese

Ankerpunkte Fixpunkte sind, ist hierfür kein beweglicher elektrischer Leiter erforderlich.

Bei der thermischen Aktuierung wird der Aktuator in Richtung des Auslen- kungspfeiles 7 ausgelenkt. Das erste Federelement 2, das sich in der zweiten Ebene 18 befindet, ist bei dieser Ausführungsform so breit dimensioniert, dass eine Verbiegung parallel zur Oberfläche des Substrates in erster Näherung ausgeschlossen werden kann. Die Federkonstante des ersten Federelementes 2 ist dadurch größer als die Federkonstante des zweiten Federelementes 12.

Nahezu die gesamte Verbiegung erfolgt im Bereich des zweiten Federelementes bzw. Flexers 12, der aus dem Material der ersten Ebene 17 besteht, die von der Schicht 21 gebildet wird. Dieses Material ist bei einem Substrat als SOI- Wafer das langzeitstabile Silizium. Daher eignet sich dieser Aktuator ausge- zeichnet zur Herstellung von thermisch aktuierten Mikroschaltern.

Die Fig. 3A und 3B zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators. Das Ausgangsmaterial für die Herstellung dieses Aktuators ist wieder ein SOI-Wafer. Der Flexer 12 und die anderen Federelemente des Aktuators werden ebenso, wie am Beispiel der Fig. 2A und 2B beschrieben, hergestellt. Auch die Funktionen sind vergleichbar. Im Unterschied zum oben beschriebenen Aktuator 1 besteht der Flexer 12 überwiegend aus Silizium und zu einem kleinen Teil aus Metall. Dadurch kann der Anschlusspunkt des

elektrischen Leiters 15 in den Bereich der dritten Ankerstelle 26 verlagert werden, wodurch dieser Leiter 15 bei der Aktuierung keine Bewegung aufnehmen muss. Der Querschnitt dieser Metallisierung des Flexers 12 wird an die elektrischen Erfordernisse des zu leitenden Signalstromes 24 angepasst. Dies erfordert in der Regel nur einen sehr kleinen Leiterquerschnitt. Daher werden die Eigenschaften dieses Flexers 12 im Wesentlichen auch nur vom Material der ersten Ebene 17, d. h. vom Silizium der SOI-Schicht bestimmt.

Die Strukturen der Konstruktionselemente sind in allen Figuren nicht maßstäb- lieh dargestellt. Ein Flexer 12 aus Silizium hat z. B. eine Höhe von mindestens

10 μm und eine Breite an der engsten Stelle von maximal 15 μm. Vorzugsweise werden beim zweiten Federelement 12, insbesondere bei Verwendung von monokristallinem Silizium, Kanten des Federelementes nicht entlang von

Hauptachsen der Kristallstruktur strukturiert, um die Bruchanfälligkeit zu reduzieren.

Die Heizschleife kann eine Breite von 4 μm bis 8 μm, vorzugsweise 5 μm, und eine Dicke von 10 μm bis 15 μm, vorzugsweise 12,5 μm, aufweisen. Dieselbe Dicke des Metalls kann auch das erste Federelement 2 aufweisen, insbesonde- re in dem Fall, wenn das Metall von Federelement 2 im gleichen Verfahrensschritt wie das Metall von Federelement 3 hergestellt wird. Der Abstand der Federelemente 2, 3 von der Oberfläche der SOI-Schicht kann z. B. 1 μm betragen. Hinsichtlich elektrischer Isolierung, Reduzierung von kapazitiven Streueffekten oder Bereitstellung von ausreichendem Raum für vertikale Verbiegungen wird ein größerer Abstand bevorzugt von beispielsweise 3 μm bis 8 μm, vorzugsweise 4 μm. Denselben Abstand können die elektrischen Konstruktionselemente des Aktuators zur gegenseitigen elektrischen Isolierung aufweisen. Die Dicke der Oxidschicht 20 des SOI-Wafers unterliegt den gleichen Rahmenbedingungen wie die Dicke der Opferschicht für das erste Federelement. Hier kommen Schichtdicken von 1 bis 5 μm in Betracht, vorzugsweise 3 μm. Nach dem Unterätzen ist dies dann der Abstand des Flexers 12 von der darunter liegenden Oberfläche des Substrates 11. Die erfindungsgemäßen Aktuatoren können auch mit Abmessungen hergestellt

werden, die wesentlich von den oben genannten typischen Dimensionen abweichen. Das erste Federelement 2 kann auch beidseitig eingespannt sein, so dass nur im mittleren Bereich eine Auslenkung erreicht wird, siehe Fig. 8.

In den Figuren sind die Flexer 12 in der Draufsicht rechteckig dargestellt. Zur Vermeidung von Bruchstellen kann der Querschnittsübergang nicht stufenförmig, sondern bevorzugt gleitend ausgeführt sein. Das erste Federelement 2 kann anstatt eines sich längs erstreckenden Armes in Form eines Balkens, wie dies in Fig. 2A und 2B dargestellt ist, auch in Form eines Kamms, siehe Fig. 9A, einer Platte mit oder ohne Ausnehmung, siehe Fig. 9B, oder einer Spirale, siehe Fig. 9D ₁ ausgebildet sein. Auch eine Mäanderform, siehe Fig. 9C ist möglich. Es handelt sich hierbei nur um Beispiele, welche verdeutlichen sollen, dass je nach Anwendungsfall des Aktuators unterschiedliche Geometrien für die einzelnen Federelemente vorgesehen werden können.

Die Fig. 4A zeigt einen Mikroschalter 23, der von einem vertikal dargestellten Aktuator 1 und einem horizontal dargestellten Aktuator 1 gebildet ist, wobei sich beide Aktuatoren im elektrischen Schaltzustand AUS befinden. Im Bereich der Schaltkontakte 16 erfolgt keine kontaktierende Berührung. Die Aktuierung ist ausgeschaltet. Die Aktuatoren 1 sind gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, siehe Fig. 2A und 2B, ausgeführt.

In der Fig. 4B befinden sich die beiden Aktuatoren 1 bzw. der Mikroschalter 23 im Schaltzustand EIN. Die Aktuierung ist ebenfalls ausgeschaltet. Die übergän- ge von AUS nach EIN und zurück erfolgen schrittweise, wobei die Schritte in wenigen Millisekunden ablaufen. Die Schrittfolge ist nachfolgend angegeben.

Schalten von AUS nach EIN:

Schritt 1 Aktuierung des vertikal dargestellten Aktuators. Schritt 2 Aktuierung des horizontal dargestellten Aktuators.

Schritt 3 Deaktuierung des vertikal dargestellten Aktuators. Die Auslenkung wird durch die mechanische Biegespannung vollständig zurückgeführt.

Schritt 4 Deaktuierung des horizontal dargestellten Aktuators.

Die Auslenkung wird nur zum Teil aufgehoben. Die Schaltkontakte 16 der beiden Aktuatoren 1 bleiben verhakt, so wie es in Figur 4B dargestellt ist. Der horizontal dargestellte Flexer 12 hält die me- chanische Spannung, die zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der Kontaktkraft an den Schaltkontakten 16 erforderlich ist. In beiden Schaltzuständen ist die thermische Aktuierung nicht aktiv. Das aktive Element im Schaltzustand EIN ist der Flexer 12, der mit seinen Eigenschaften die erforderliche Kontaktkraft und damit die Kontaktsicherheit auch über eine sehr lange Einschaltzeit sicherstellt.

Schalten von EIN nach AUS:

Schritt 5 Aktuierung des horizontal dargestellten Aktuators. Schritt 6 Aktuierung des vertikal dargestellten Aktuators.

Schritt 7 Deaktuierung des horizontal dargestellten Aktuators. Die Auslenkung wird vollständig zurückgeführt.

Schritt 8 Deaktuierung des vertikal dargestellten Aktuators. Die Auslenkung wird vollständig zurückgeführt.

In Fig. 5A bis 5D sind jeweils ein SOI-Wafer in der Seitenansicht und die wesentlichen Prozessschritte zur Herstellung eines Aktuators gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei ein drittes Federelement 3 in Form einer Heizschleife nicht abgebildet ist. Ebenfalls nicht dargestellt sind die erforderlichen und bekannten Prozessschritte wie z. B. Abscheiden von Startschichten, fotolithografisches Strukturieren mittels Fotoresist, Belichten und Strippen sowie das Spülen und Trocknen zwischen den Prozessschritten.

In den handelsüblich verfügbaren SOI-Wafer 19 werden im ersten Prozess- schritt, siehe Fig. 5A, in die SOI-Schicht 21 die Umrisse des Flexers 12 als Ausnehmungen oder Gräben 22 an bevorzugt drei Seiten, d. h. ausschließlich der Anschlussseite zum Ankerbereich gebildet. Die Bildung der Umrisse kann z. B. durch ein DRIE-ätzen erfolgen (Deep Reactive Ion Etching). Diese Gräben

22 werden dann mit einem Füllstoff gefüllt, vorzugsweise mit einem Siliziumwerkstoff oder Oxidwerkstoff 20, wobei auf das Füllen ein Planarisieren der Oberfläche mit anschließender Abscheidung einer Opferschicht 25 aus Metall, vorzugsweise durch strukturierte galvanische Abscheidung, auf der ersten Ebene 17 oberhalb der Gräben 22 folgt. Als Füllmaterial kommen auch Metalle, wie z.B. Kupfer oder Polymere in Betracht. Entscheidend ist, dass sich das Füllmaterial wie die Opferschicht 25 oder die Zwischenschicht 20 zur Freilegung der bewegbaren Elemente selektiv zu den übrigen Funktionsschichten entfernen lassen. Das Füllen und Planarisieren bietet den Vorteil, dass nach der Definition der Geometrie des Flexers 12 wieder eine geschlossene und planare Oberfläche für Folgeprozesse zur Verfügung steht.

Es besteht auch die Möglichkeit, zunächst nur eine der beim Gebrauch des Aktuators beweglichen Seiten des Flexers 12 von dem nicht beweglichen Bereich der SOI-Schicht 21 durch ätzen abzugrenzen und zu füllen. In diesem Falle erfolgt die weitere Abgrenzung in einem späteren zusätzlichen ätzschritt, wobei dann bei diesen Gräben das Füllen mit Oxid entfällt.

Im zweiten Prozessschritt, siehe Fig. 5B, wird nach einer Strukturierung ein Metall z. B. galvanisch abgeschieden, das als Opferschicht 25 dient. Geeignet ist hierfür unter anderem Kupfer. Auf der Opferschicht 25 werden im dritten Prozessschritt, siehe Fig. 5C, mit entsprechenden Strukturierungen die metallischen Konstruktionselemente des Aktuators galvanisch abgeschieden, insbesondere die nicht dargestellte Heizschleife 4 und das erste Federelement 2. Zuvor oder danach können auch die elektrischen Leiter 13, 14 und 15 sowie der Schaltkontakt 16 galvanisch abgeschieden werden, wenn diese aus einem anderen Material als die Heizschleife und das erste Federelement 2 bestehen. Dies ist in der Regel der Fall. Der Schaltkontakt 16 und die elektrischen Leiter bestehen bevorzugt aus Gold oder Goldlegierungen wie Gold-Palladium, GoId- Nickel, Rhodium, Ruthenium, Palladium, Silber oder aus überzügen solcher Materialien. Um ein Kontaktverschweißen bei Verwendung von Gold zu verhindern, können durch Mitabscheidung von Nanopartikeln im Gold Oxide eingebaut werden. Solche Nanopartikel können aus TiO ₂ , AI ₂ O ₃ , Ceroxid,

Siliziumoxid oder aus jedem anderen Material bestehen, das sich in Nanoparti- kelgröße im Elektrolyten einbringen lässt und in der Schicht einbauen lässt. Für die Heizschleife und für das erste Federelement 2 werden bevorzugt Nickel oder Nickellegierungen verwendet, z. B. Nickelmangan, Nickeleisen oder Nickelkobalt.

Im vierten Prozessschritt, siehe Fig. 5D, werden nacheinander die Opferschicht 25, das Oxid aus den Gräben 22, sowie die vergrabene Oxidschicht unterhalb des Flexers 12 entfernt. Bevorzugt erfolgt dies durch ätzen bzw. Unterätzung des Flexers 12. Damit sind der Flexer 12 bis auf den Ankerpunkt und das erste Federelement 2 sowie die hier nicht dargestellte Heizschleife frei bewegbar. Der Flexer 12 ist das mikromechanische zweite Federelement, das in diesem Ausführungsbeispiel vollständig aus Silizium besteht.

Die Fig. 5A bis 5D zeigen die wichtigsten Verfahrensschritte für die Herstellung eines Aktuators gemäß Fig. 2A und 2B. Die beschriebenen Verfahrensschritte sind gleichermaßen anwendbar zur Erzeugung des Aktuators gemäß Fig. 3A und 3B. Entsprechendes gilt für die Beschreibung der Verfahrensschritte gemäß Fig. 6A bis 6D, die als Beispiel die Herstellung des Aktuators gemäß Fig. 3A und 3B zeigen. In den Fig. 5A bis 5D und 6A bis 6 D ist die Bildung des dritten Federelementes 3 nicht dargestellt.

Um den Widerstand für den Stromfluss durch den Flexer zu reduzieren, kann vorzugsweise zusätzlich zum Siliziumelement ein Bypass aus Metall ange- bracht werden. Es ist möglich, direkt auf dem Siliziumflexer eine Metallstruktur aufzubringen, so dass der Stromfluss durch das Metall anstatt durch das Silizium erfolgen kann. Die wesentliche Geometrie des Flexers 12 muss dabei nicht geändert werden. Um jedoch den mechanischen Einfluss der zusätzlichen Metallschicht auf den Flexer zu reduzieren, kann die Opferschicht 25 über dem Silizium-Flexer angeordnet und der Metallbypass auf der Opferschicht über dem Siliziumflexer aufgebracht werden, wobei dieser so verankert wird, dass durch seine Länge keine mechanischen Rückwirkungen auf das eigentliche mechanische Flexer-Federelement entsteht. Der Metallbypass befindet sich so

mit dem Abstand der Opferschichtdicke räumlich über dem Siliziumflexer, wirkt jedoch nicht negativ auf die Federfunktion durch mechanischen Kriechen ein.

In Fig. 6A bis 6D sind Verfahrensschritte zur Herstellung eines Aktuators gemäß Fig. 3 dargestellt. Durch z. B. ätzen werden die Umrisse des Flexers 12 dreiseitig als Gräben 22 bis auf den Ankerbereich freigelegt, siehe Fig. 6A. Diese Gräben 22 werden nicht gefüllt, wodurch gegenüber den Verfahrensschritten gemäß Fig. 5A bis 5D der Füllprozess und Planarisierungsschritt eingespart wird. Im zweiten Verfahrensschritt, siehe Fig. 6B ₁ wird die Opfer- Schicht 25 galvanisch abgeschieden. Dabei werden die Gräben 22 oder Teile hiervon, die z. B. zwischen 2 μm bis 5 μm, bevorzugt 3 μm, breit sind, überbrückt und somit oberflächlich verschlossen. Im dritten Verfahrensschritt, siehe Fig. 6C, werden die Konstruktionselemente des Aktuators, die aus Metall bestehen, galvanisch erzeugt. Bei unterschiedlichen Metallen geschieht dies nacheinander mit den entsprechenden Elektrolyten. Das Freilegen der Heizschleife sowie des Flexers 12 mit dem daran befestigten ersten Federelement 2 erfolgt im vierten Verfahrensschritt, siehe Fig. 6D, bevorzugt durch ätzprozesse. Damit sind diese Elemente des Aktuators bis auf ihre Ankerpunkte frei beweglich, wobei der Flexer 12 das mikromechanische zweite Federelement bildet, das bei dieser Ausführungsform überwiegend aus Silizium und aus darauf befindlichem Metall besteht.

In Fig. 7A bis 7D sind einige Verfahrensschritte zur Herstellung einer dritten Ausführungsform eines Aktuators dargestellt. Nach dem in einem ersten Verfahrensschritt hergestellten Graben 22, siehe Fig. 7A, wird in einem zweiten Verfahrensschritt eine Opferschicht 25 auf eine SOI-Schicht 21 galvanisch abgeschieden, siehe Fig. 7B. Im Unterschied zu dem in Fig. 6B dargestellten zweiten Verfahrensschritt ist die Opferschicht 25 bei dem Schritt gemäß Fig. 7B zusätzlich auch im linken Bereich des Wafers 19 vorhanden, wobei diese Schicht mit der im rechten Bereich des Wafers aufgebrachten Schicht 25 nicht verbunden ist. Dieser Freiraum, in Fig. 7B mit Bezugszeichen 27 versehen, wird in einem dritten Verfahrensschritt mit einem Metall gefüllt, siehe Fig. 7C, welches vorzugsweise auch auf die Opferschicht 25 zum Herstellen eines

Konstruktionselementes für den Aktuator oder der Kontaktstelle aufgebracht wird.

Bei der in Fig. 7B dargestellten Anordnung reicht die Opferschicht 25 nicht bis zum äußeren linken Rand des Wafers 19. Dieser mit Bezugszeichen 28 versehene Bereich wird im dritten Verfahrensschritt ebenfalls mit Metall aufgefüllt, so dass die Opferschicht im linken Bereich des Wafers an beiden Rändern der Opferschicht und auf der Oberseite der Opferschicht mit Metall beschichtet ist. Nach dem Entfernen der Opferschicht 25 in einem vierten Verfahrensschritt, siehe Fig. 7D, wird somit im linken Bereich des Wafers eine in Form eines umgedrehten U hergestellte Metallschicht ausgebildet. Sie stellt einen Bypass 29 dar, der nur an seinen Rändern mit der darunter angeordneten SOI-Schicht 21 , welche das zweite Federelement 12 bildet, verbunden ist. Durch den Abstand zum zweiten Federelement 12 ist die mechanische Rückwirkung des Bypass 29 auf das zweite Federelement 12 geringer als bei einer vollflächig abgeschiedenen Metallschicht. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Geometrie des Bypass derart gestaltet ist, dass seine Federkonstante geringer ist als die des Federelementes 12. Im einfachsten Fall weist der Bypass im Wesentlichen die gleiche Geometrie des Federelementes 12 auf, wobei ein Unterschied nur darin besteht, dass der verjüngte Balken länger ausgestaltet ist und in einer Verlängerung zum Ankerpunkt 26 in dem einen Ankerpunkt bildenden Bereich 28 mit der SOI-Schicht verbunden wird. Der Bypass kann in beliebiger anderer Geometrie gestaltet sein, zum Beispiel als Balkenelement oder in einer Mäander- oder Spiralform. Der Vorteil des nicht vorhandenen Kriechens beim zweiten Federelement 12 bleibt somit trotz des Metallbypass 29 im Wesentlichen erhalten.

Soll durch das erste Federelement 2 ein Strom fließen, kann dieser an einem Anschluss 15 zugeführt werden, wobei sich dieser Anschluss bei der in Fig. 7D dargestellten Anordnung am linken äußeren Rand des Bypass 29 befindet. Der Strom passiert diesen Bypass 29 und gelangt an einer Verbindungsstelle 30 in das erste Federelement 2. Von diesem Federelement kann der Strom zum Beispiel über ein Kontaktelement weitergeleitet werden.

Bezugszeichenliste

I Aktuator 2 kalter Arm; erstes Federelement

3 heißer Arm; drittes Federelement

4 Heizschleife

5 Halter

6 Wendepunkt 7 Auslenkung, Auslenkungspfeil

8 Endhalter

9 erste Ankerstelle

10 zweite Ankerstelle

I 1 Substrat 12 Flexer, Verjüngung; zweites Federelement

13 elektrischer Leiter für die Aktuierung

14 elektrischer Leiter für die Aktuierung

15 elektrischer Leiter für das zu schaltende Signal

16 Schaltkontakt 17 erste Ebene

18 zweite Ebene

19 SOI-Wafer

20 Oxidschicht, Zwischenschicht

21 SOI-Schicht 22 Graben, Ausnehmung

23 Mikroschalter

24 Signalstrom I

25 Opferschicht

26 dritte Ankerstelle 27 Freiraum in Opferschicht für Ankerstelle auf Flexer 12

28 Freiraum in Opferschicht für Ankerstelle auf SOI-Schicht 21

29 Bypass

30 Verbindungsstelle