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  • 法律状态
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    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches HF-Schaltelement, bei dem ein freistehendes bewegliches Element so über einer metallischen Fläche auf einem Substrat angeordnet ist, dass es durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der metallischen Fläche und dem beweglichen Element zur metallischen Fläche gezogen wird, auf der eine dielektrische Schicht aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung derartiger mikromechanischer HF-Schaltelemente, bei dem die dielektrische Schicht auf der metallischen Fläche abgeschieden wird. Das vorliegende Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass als dielektrische Schicht eine piezoelektrische AlN-Schicht mit einer kolumnaren, polykristallinen Struktur und einer Textur auf der metallischen Fläche abgeschieden wird. Mit dem vorliegenden Verfahren sowie dem damit hergestellten HF-Schaltelement werden ein deutlich verringertes Charging des Dielektrikums und eine erhöhte Langzeitstabilität des Schaltelements erreicht.
    公开号:DE102004026654A1
    申请号:DE200410026654
    申请日:2004-06-01
    公开日:2005-12-29
    发明作者:Christoph Huth；Thomas Dr. Lisec
    申请人:Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV；
    IPC主号:H01P1-12
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches HF-Schaltelement,bei dem ein freistehendes bewegliches Element so über einermetallischen Flächeauf einem Substrat angeordnet ist, dass es durch Anlegen einer elektrischenSpannung zwischen der metallischen Fläche und dem beweglichen Elementzur metallischen Flächegezogen wird, auf der eine dielektrische Schicht aufgebracht ist.Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung derartigermikromechanischer HF-Schaltelemente, bei dem die dielektrische Schichtauf der metallischen Flächeabgeschieden wird.
    [0002] Hochfrequenztechnikauf Basis oberflächenmikromechanischerBauelemente findet zunehmend größere Verbreitung.Es ist unumstritten, dass MEMS-Schalter (MEMS: mikroelektromechanische Systeme) über eineReihe entscheidender Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen haben, die Pin-Diodenoder FET-Schalter auf Silizium- oder Galliumarsenid-Substraten einsetzen.Insbesondere bei höherenFrequenzen von über20 GHz ist die Dämpfungbei MEMS-Bauelementen viel geringer bzw. die Isolation viel höher alsbspw. bei Galliumarsenid-Bauelementen.Weiterhin zeigen MEMS-Schalter in der Regel eine sehr geringe Leistungsaufnahme undein nahezu ideales lineares Verhalten.
    [0003] Nebendem Mangel an preiswerten Packaging-Konzepten auf Waferebene stellt diemangelnde Langzeitstabilitätvieler HF-MEMS-Schalter ein zentrales Problem dar. MEMS-Schaltersind sehr komplexe Bauelemente. Analog zu Beschleunigungs- oderDrehratensensoren beruhen sie auf freistehenden beweglichen Strukturen,deren mechanische und elektrische Eigenschaften ausreichend gut undderen Maßhaltigkeitausreichend hoch sein müssen.Weiterhin kommen in MEMS-Schalternfunktionsbedingt Oberflächenwiederholt in Kontakt miteinander, so dass auch Adhäsion undReibung sowie durch starke elektrische Felder induzierte Effekte einewesentliche Rolle spielen. Da die Signalfrequenzen im GHz-Bereichliegen, ist der elektrische Widerstand von Polysilizium, des bevorzugtenMaterials für Beschleunigungs-oder Drehratensensoren, für HF-MEMS-Schalter vielzu hoch. Fürdie freistehenden Strukturen von HF-MEMS-Schaltern werden daherMetalle verwendet, überwiegendAu, Al oder Al-Legierungen. Das schränkt die Möglichkeiten der Herstellungderartiger Schalter sehr stark ein, da die Prozesstemperaturen aufgrundder geringen thermischen Stabilität dieser Materialien auf unter400°C beschränkt bleibenmüssen.
    [0004] Imeinfachsten Fall besteht ein HF-MEMS-Schalter aus einer freistehendenmetallischen Membran, die durch beliebig geformte metallische Aufhängungen über einermetallischen Signalleitung auf einem Substrat gehalten wird. Aufder Signalleitung befindet sich unterhalb der Membran eine dünne dielektrischeSchicht. Der Abstand zwischen der Membran und der Signalleitungist sehr gering, kann im Ruhezustand bspw. 2–3 μm betragen. In diesem Zustandist die Kapazitätsehr gering und über dieSignalleitung laufende HF-Signale können den Schalter nahezu unbeeinflusstpassieren. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Membranund Signalleitung kann die Membran zur Signalleitung gezogen werden.Ist die dadurch induzierte Kapazitätsänderung groß genug, wird die Signalleitungblockiert und die HF-Signale werden nahezu vollständig reflektiert.Der wichtigste Parameter des Schalters ist das Verhältnis derKapazitätenim On- bzw. Off-Zustand, der sog. On-Off-Ratio. Für den Mobilfunkbereich(0,8–2,4GHz) muss er mindestens 100 betragen, um die Signalverluste im On-Zustand geringzu halten. Bei Übertragungsfrequenzenab etwa 10 GHz ist zumeist ein On-Off-Ratio von 30–40 ausreichend. Bestimmt wirdder On-Off-Ratio vor allem durch die Dicke und die Dielektrizitätskonstante εr derdielektrischen Schicht sowie die Rauhigkeit der in Kontakt kommendenFlächen,d. h. der Oberseite der dielektrischen Schicht und der Unterseiteder Membran. Je dünnerdas Dielektrikum und je höher dessen εr ist,umso größer istder On-Off-Ratio.
    [0005] Dadie Signalleitung aus einem Metall besteht, kann nicht jede in derIC-Technologie verfügbaredielektrische Schicht darauf aufgebracht werden. Wie bereits ausgeführt, istdie Abscheidetemperatur des Dielektrikums auf maximal 400°C begrenzt.In vielen Fällenwird der unmittelbar unter der Membran befindliche Teil der Signalleitungaus einem nicht besonders gut leitenden jedoch hoch schmelzenden Metall,wie bspw. W, Ti, Ta oder Pt, gefertigt und beidseitig des Schaltbereichsanschließendmit einem hochleitenden Metall fortgesetzt. Im Temperaturbereichbis 400°C stehenin der IC-Technologie standardmäßig Niedertemperatur-LPCVD-Prozessefür dotierteund undotierte SiO2-Schichten wie LTO oder PSGund PECVD-Prozesse fürSiO2, Si3N4 oder dotierte Oxide wie PSG und BPSG zurVerfügung.Auch Sputtern ist zur Abscheidung dielektrischer Schichten geeignet,hat sich jedoch fürdie genannten Materialien nicht etabliert. Desweiteren können dieunterschiedlichsten Schichten auch durch Sol-Gel-Verfahren, laserinduzierteAbscheidung und andere Prozesse hergestellt werden.
    [0006] Dasderzeit am häufigsteneingesetzte Dielektrikum fürkapazitive HF-MEMS-Schalter ist das PECVD-Si3N4. Es ist in jeder IC-Fertigung standardmäßig verfügbar, kannin hoher Qualitätin Schichtdicken ab 100 nm hergestellt werden, hat ein εr von6–7 undzeichnet sich durch eine relativ hohe chemische Beständigkeitaus. Ein Beispiel füreinen kapazitiven HF-MEMS-Schalter sowie das Verfahren zu dessen Herstellungkann der Veröffentlichungvon Z. J. Yao et al., „Micromachinedlow-loss microwave switches", IEEEJournal of Microelectromech. Sys., Vol. 8, No. 2, 1999, Seiten 129– 134, entnommenwerden.
    [0007] Beidieser Wahl des Dielektrikums tritt jedoch das sog. Charging auf,die Injektion von Ladungsträgernunter dem Einfluss hoher elektrischer Felder bzw. deren dauerhaftesTrapping im Volumen der dielektrischen Schicht. Die Ladungen verursachen zumeinen eine Drift der zum Schalten erforderlichen Spannung und führen zumanderen nach einer gewissen Zeit zum Ankleben (Sticking) der Membran amDielektrikum, d. h. zum Ausfall des Schalters. Die Rekombinationder Ladungen kann Tage dauern. Ein Umpolen der Schaltspannung beijedem Schaltvorgang verringert das Charging zwar beträchtlich,unterdrücktes jedoch nicht vollständig,da Injektions- und Rekombinationsmechanismen nicht gleichwertig sind.Früheroder späterkommt es daher dennoch zum Ausfall des Schalters.
    [0008] Nebendem PECVD-Si3N4 wurdenbisher auch PECVD-SiO2 sowie Ta2O5 als dielektrische Schichten in HF-MEMS-Schaltern eingesetzt,wobei letzteres elektrochemisch aufgebracht wurde. Weiterhin sindder Anmelderin HF-MEMS-Schaltermit PECVD-Al2O3 undBST, das mittels Laserdeposition aufgebracht wurde, als dielektrischeSchichten bekannt. Zu diesen dielektrischen Schichten existieren jedochbisher entweder keine Untersuchungen zum Charging und zur Langzeitstabilität oder diedielektrischen Schichten müssenmit sehr geringer Schichtdicke aufgebracht werden, um das erforderliche On-Off-Ratiozu erreichen wie im Falle von PECVD-SiO2.Bei elektrochemisch hergestelltem Ta2O5 wurde ein erhebliches Charging festgestellt.
    [0009] DieAufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahrenzur Herstellung mikromechanischer HF-Schaltelemente sowie ein mitdem Verfahren herstellbares mikromechanisches HF-Schaltelement anzugeben,bei denen die dielektrische Schicht eine hohe Langzeitstabilität und ein geringesCharging aufweist.
    [0010] DieAufgabe wird mit dem Verfahren und dem mikromechanischen HF-Schaltelementgemäß den Patent ansprüchen 1 und6 gelöst.Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Schaltelementssind Gegenstand der Unteransprücheoder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielenentnehmen.
    [0011] Daserfindungsgemäße Verfahrenberuht auf der Verwendung einer speziell abgeschiedenen, piezoelektrischenAlN-Schicht als Dielektrikum auf der metallischen Fläche, bspw.einer Signalleitung, des Substrats. Das AlN wird hierbei derartabgeschieden, dass sich eine Schicht mit einer kolumnaren, polykristallinenStruktur sowie einer Textur auf der metallischen Fläche ausbildet.Vorzugsweise wird die dielektrische Schicht zu diesem Zweck aufgesputtert. DieSchichtdicke dieser speziell abgeschiedenen dielektrischen AlN-Schichtliegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 und 500 nm.
    [0012] Miteiner derartig aufgebauten bzw. abgeschiedenen dielektrischen Schichtlassen sich ein gegenüberPECVD-Si3N4 deutlich verringertesCharging sowie eine erheblich höhereLangzeitstabilität erreichen.Hierbei wurde erkannt, dass das Vorhandensein einer gewissen Kristallordnungim dielektrischen Material eine wesentliche Rolle für die Verringerungdes Charging-Effektes spielt. Typische Merkmale einer derartigenKristallordnung sind fürdünne Schichteneine kolumnare, polykristalline Struktur sowie das Vorhandenseineiner Textur, d. h. einer bevorzugten Ausrichtung der Kristalle.Allerdings wird diese Schichtstruktur in der Regel nur mit Materialien erreicht,die bei höheren,mit mikromechanischen HF-Schaltern inkompatiblen Temperaturen abgeschiedenwerden, wie bspw. Poly silizium. Die Erfinder des vorliegenden Verfahrenssowie des zugehörigenHF-MEMS-Schaltelements haben jedoch mit AlN ein Material gefunden,das sich auch bei tieferen Prozesstemperaturen mit einer derartigen Schichtstrukturauf einer metallischen Flächeabscheiden lässt.So werden bereits auf einem anderen technischen Gebiet zur Herstellungvon BAW-Resonatoren (BAW: Bulk Acoustic Wave) Prozesse zur Herstellungqualitativ hochwertiger piezoelektrischer AlN-Schichten beschrieben(siehe z.B. R. Jakkaraju et al., „ Electrode and AlN depositionsof bulk acoustic wave (BAW) devices" Proc. MEMSWAVE 2003, Toulouse, France,Seiten E-13 ff.), die sich auch für die vorliegende Anwendungeinsetzen lassen. Die hierbei erhaltenen dünnen AlN-Schichten weisen zudemeine hohe Homogenitätder Eigenschaften, der Schichtdicke und der intrinsischen Spannungenauf.
    [0013] Beider Herstellung von mikromechanischen HF-Schaltelementen mit den auf diese Weiseerzeugten piezoelektrischen AlN-Schichten wurden besonders guteErgebnisse bei einer Abscheidung auf metallischen Flächen ausPlatin erzielt. Bei dieser bevorzugten Kombination ergibt eine besondersglatte Oberflächeder dielektrischen Schicht, die ebenfalls zur Erhöhung derLangzeitstabilitätdes Schaltelements beiträgt.
    [0014] Dasvorliegende mikromechanische HF-Schaltelement weist in bekannterWeise ein freistehendes bewegliches Element auf, bspw. eine Membranoder eine Biegebalkenanordnung, das an geeigneten Aufhängungen über einermetallischen Flächeauf einem Substrat befestigt ist. Die Dimensionen und das Materialder Aufhängungensowie des beweglichen Elementes sind dabei so gewählt, dass diesesElement durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der metallischenFlächeund dem beweglichen Element durch elektrostatische Anziehung zurmetallischen Flächegezogen wird. Auf der metallischen Fläche ist beim vorliegenden HF-Schaltelementeine piezoelektrische AlN-Schicht mit einer kolumnaren, polykristallinenStruktur sowie einer Textur als dielektrische Schicht aufgebracht. Diemetallische Flächeselbst ist dabei je nach Funktion des Schaltelementes Bestandteileiner HF-Signalleitung oder kann auch lediglich mit einer Steuerleitungzur gesteuerten Bewegung des freistehenden Elementes verbunden sein.Grundsätzlichlässt sich dasvorliegende Schaltelement als kapazitiver HF-Schalter oder auchals anderer elektrostatisch betätigterHF-Schalter ausgestalten, wie sie aus dem Stand der Technik bekanntsind.
    [0015] Dasvorliegende HF-Schaltelement wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispielsin Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbeizeigen:
    [0016] 1 eineschematische Darstellung eines kapazitiven HF-Schaltelements inperspektivischer Ansicht sowie
    [0017] 2 eineschematische Darstellung eines kapazitiven HF-Schaltelements inDraufsicht.
    [0018] Inder schematischen Darstellung eines kapazitiven HF-MEMS-Schaltersder 1 ist das Substrat 1 zu erkennen, aufdem eine Signalleitung 2 für die Übermittlung der HF-Signaleals metallische Schicht aufgebracht ist. Beidseitig dieser Signalleitung 2 sindAufhängungen 4 aufdem Substrat 1 aufgebaut, die eine metallische Membran 5 alsfreistehendes bewegliches Element des Schalters in einem Abstand über derSubstratoberflächehalten. Die metallischen Aufhängungen 4 sindso dimensioniert, dass die Membran 5 nur wenige μm über derSignalleitung 2 schwebt. Unterhalb der Membran 5 istein Dielektrikum 3 auf der Signalleitung 2 aufgebracht, diegemäß dem vorliegendenVerfahren erzeugt wurde. Dieses Dielektrikum ist somit eine vorzugsweise aufgesputterte,piezoelektrische AlN-Schicht,die eine kolumnare, polykristalline Struktur mit einer Textur aufweist.
    [0019] DurchAnlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Signalleitung 2 undder Membran 5 wird die Membran 5 auf das Dielektrikum 3 heruntergezogen,wodurch auf der Signalleitung 2 übertragene HF-Signale an dieserStelle reflektiert und somit blockiert werden. Bei Abschalten derSpannung löstsich die Membran 5 aufgrund der mechanischen Eigenspannungwieder vom Dielektrikum, so dass die HF-Signale wieder passierenkönnen.Zur Unterstützungdes Schaltvorganges könnenzusätzlichSchaltelektroden 6 auf dem Substrat 1 unter derMembran 5 ausgebildet sein, die ebenfalls mit einer dielektrischenSchicht versehen sind.
    [0020] 2 zeigtein Beispiel fürdie Ausgestaltung eines HF-MEMS-Schalters gemäß der vorliegenden Erfindungin Draufsicht. Die Membran 5 ist in diesem Beispiel ausNickel gebildet und hat eine Dicke von ca. 1 μm. Auch die federartigen Aufhängungen 4 bestehenaus Nickel. Sie weisen eine Dicke von etwa 15 μm auf und halten die Membran 5 ineinem Abstand von ca. 3 μm über derSubstratoberfläche.Die metallischen Zuleitungen sind aus Gold als CPW (Coplanar WaveGuide) ausgeführt,d. h. sie setzen sich aus der zentralen Signalleitung und den sog. GroundLines 7 rechts und links der Signalleitung 2 zusammen.Auf diesen Ground Lines 7 sind auch die Aufhängungen 4 verankert.Im Bereich unterhalb der Membran 5 ist die piezoelektrischeAlN-Schicht mit einerkolumnaren, polykristallinen Struktur und einer Textur als Dielektrikum 3,im vorliegenden Beispiel mit einer Schichtdicke von 200 nm, aufdie Signalleitung 2 aufgebracht.
    [0021] Unterhalbder Membran 5 befinden sich zwei Schaltelektroden 6,die zum Herunterschalten der Membran 5 eingesetzt werdenund überAnschlusspads 8 kontaktierbar sind. Die Schaltelektroden 6 sindebenfalls mit einem Dielektrikum versehen, das sich aus der dielektrischenAlN-Schicht und einem zusätzlichen250 nm dicken PECVD-Nitrid zusammensetzt. Durch den Einsatz derSchaltelektroden 6 müssenzwischen der Signalleitung 2 und der Membran 5 keinehohen Schaltspannungen sondern nur noch vergleichsweise geringeHaltespannungen angelegt werden.
    [0022] DerSchaltvorgang erfolgt in der folgenden Weise. Zunächst wirddie Haltespannung an die Signalleitung 2 angelegt. DieseHaltespannung kann eine Gleichspannung, eine Wechselspannung oder eineKombination beider Spannungen sein. Die Membran 5 des Schaltersbleibt dabei noch in der oberen Position (Up-Position). Durch einenkurzen Gleichspannungsimpuls an den Schaltelektroden 6 wirddie Membran 5 nach unten gezogen (Down-Position). Sie verbleibtin dieser Down-Position, bis die Haltespannung abgeschaltet wird.Danach kehrt sie wieder nach in die Up-Position zurück.
    [0023] Beieinem Vergleich eines derartigen HF-Schalters mit der vorliegendvorgeschlagenen AlN-Schicht mit einem identisch aufgebauten HF-Schaltermit einer 110 nm dicken PECVD Si3N4-Schicht als Dielektrikum konnte ein deutlich besseresSchaltverhalten sowie ein erheblich geringeres Charging des vorliegendenSchalters nachgewiesen werden. Insbesondere muss im Unterschied zudem PE-Nitrid bei dem vorliegend gewählten Dielektrikum die Polarität des Gleichspannungsanteils derHaltespannung nicht bei jedem Schaltvorgang gewechselt werden. BeimHalten der Membran bleibt ein Kapazitätsabfall aus. Die Membran bleibtunten, solange die Haltespannung anliegt. Nach Abschalten der Haltespannungspringt die Membran sofort nach oben zurück, auch nach einer Haltezeitvon über1 Stunde. Im Gegensatz dazu löstsich die Membran bei Einsatz eines Dielektrikums aus PE-Nitrid bereits nachwenigen Sekunden selbsttätigwieder ab. Dieses Verhalten geht auf das erhebliche Charging des PE-Nitrids zurück.
    1 Substrat 2 Signalleitung 3 Dielektrikum 4 Aufhängung 5 Membran 6 Schaltelektroden 7 Ground-Lines 8 Anschlussfür Schaltelektroden
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Verfahren zur Herstellung mikromechanischer HF-Schaltelemente, dieein kapazitives und/oder elektrostatisches Wirkprinzip zwischeneinem beweglichen Element (5) und einer metallischen Fläche (2)auf einem Substrat (1) nutzen, bei dem eine dielektrischeSchicht (3) auf der metallischen Fläche (2) abgeschiedenwird, dadurch gekennzeichnet, dass als dielektrische Schicht(3) eine piezoelektrische AlN-Schicht mit einer kolumnaren,polykristallinen Struktur und einer Textur auf der metallischenFläche (2)abgeschieden wird.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die dielektrische Schicht (3) mit einer Schichtdickezwischen 100 und 500 nm abgeschieden wird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass die dielektrische Schicht (3) aufgesputtert wird.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass die dielektrische Schicht (3) auf eine metallischeFläche(2) aus Platin abgeschieden wird.
    [5] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellungvon kapazitiven HF-Schaltern.
    [6] Mikromechanisches HF-Schaltelement, bei dem ein freistehendesbewegliches Element (5) so über einer metallischen Fläche (2)auf einem Substrat (1) angeordnet ist, dass es durch Anlegeneiner elektrischen Spannung zwischen der metallischen Fläche (2)und dem beweglichen Element (5) zur metallischen Fläche gezogenwerden kann, auf der eine dielektrische Schicht (3) aufgebrachtist, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3)eine piezoelektrische AlN-Schicht mit einer kolumnaren, polykristallinenStruktur und einer Textur ist.
    [7] Mikromechanisches HF-Schaltelement nach Anspruch6, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3)eine Schichtdicke zwischen 100 und 500 nm aufweist.
    [8] Mikromechanisches HF-Schaltelement nach Anspruch6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Fläche (2)aus Platin gebildet ist.
    [9] Mikromechanisches HF-Schaltelement nach einem derAnsprüche6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Fläche (2)ein Abschnitt einer HF-Signalleitung ist.
    [10] Mikromechanisches HF-Schaltelement nach einem derAnsprüche6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (5)eine an federartigen Aufhängungen(4) überder metallischen Fläche(2) befestigte metallische oder metallisch beschichteteMembran ist.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-12-29| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2010-01-07| 8364| No opposition during term of opposition|
    2017-01-03| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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