EP1031161A1 - Mikrorelais - Google Patents

Mikrorelais

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EP1031161A1
EP1031161A1 EP98965580A EP98965580A EP1031161A1 EP 1031161 A1 EP1031161 A1 EP 1031161A1 EP 98965580 A EP98965580 A EP 98965580A EP 98965580 A EP98965580 A EP 98965580A EP 1031161 A1 EP1031161 A1 EP 1031161A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
substrate
contact elements
microrelay
trench
Prior art date
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Application number
EP98965580A
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English (en)
French (fr)
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EP1031161B1 (de
Inventor
Ralf Dipl.-Phys. Schnupp
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP1031161A1 publication Critical patent/EP1031161A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1031161B1 publication Critical patent/EP1031161B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/005—Details of electromagnetic relays using micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/50—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/44—Magnetic coils or windings

Definitions

  • the present invention relates to a microsystem-manufactured micro relay and a method for its production. Particularly in the areas of telecommunications, medical technology, data processing, measurement technology and in the automotive sector, there is a great need for miniaturized relays.
  • Microrelay consists of one or more conventional small electromagnets, over which a flat contact spring is moved. Hosaka examined in particular the influence of the contact force on the contact resistance, the dependence of the size of the
  • microrelay enables high switching speeds (around 1 kHz) to be achieved.
  • this microrelay cannot be manufactured using semiconductor technology.
  • Micro-relays manufactured using microsystems technology are also known. These consist of a planar coil for generating the magnetic field and separate contact arms of the working circuit, which were generated by suitable etching techniques.
  • planar coils have a number of disadvantages. Planar coils are very susceptible to magnetic fields (see e.g. H. Meinke et al., Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer-Verlag Berlin (1968), p. 19). The magnetic field generated with planar coils is also very inhomogeneous and the maximum field strength density is limited. The latter is due in particular to the small line cross section
  • the force acting on the contact arms is relatively small, so that the contact pressure of the spring contacts on the contact surfaces, for example in the event of vibrations, is not sufficient. This results in wear of the contact points and the life of the component is shortened. Furthermore, the maximum adjustable distance of the contact arms and thus also the maximum switchable voltage in the working circuit are limited.
  • the object of the present invention is to provide a microrelay and a method for producing the same, which has a longer service life and less wear than known microrelays with a planar coil, and is simple to produce by means of semiconductor technology.
  • the microrelay according to the invention like the known microrelays, consists of an excitation coil for generating a magnetic field and one or more contact elements.
  • the contact elements can be, for example, free-standing contact arms or contact springs clamped on one side. Elastic contact bridges clamped on two sides or comparable contact elements clamped on several sides are also suitable. These contact elements are made by
  • the microrelay has a coil with a conical shape.
  • This conical arrangement of the coil turns induces a much more homogeneous magnetic field than in the case of planar coils. Due to this more homogeneous magnetic field, a higher contact pressure of the contact elements on the contact surfaces is generated, so that a higher wear resistance and longer life of the electromagnetic relay can be achieved. Switching times are also shortened.
  • a larger conductor cross section of the excitation coils, which due to the smaller area requirement of the conical coil can be generated allows the use of higher currents and thus the generation of stronger magnetic fields. This makes it possible to maintain larger distances between the contact arms, so that the switchable voltage in the working circuit can be increased.
  • a further increase in the field strength can be achieved in a simple manner by filling the interior of the conical coil with ferromagnetic material. Filling the interior completely is an advantage.
  • Procedure is carried out.
  • the method also has the advantage that all components of the microrelay can be produced together on one semiconductor wafer in one process run.
  • the semiconductor compatibility of the microrelay is particularly advantageous.
  • the electromagnetic microrelay is composed of two parts produced by microsystem technology, a component with the excitation coil and a component with contact elements.
  • the component with the excitation coil consists of a trench etched anisotropically in a silicon wafer, the bottom surface of which is electrically connected to the opposite side of the wafer (hereinafter referred to as the front side) via a highly doped diffusion region.
  • the front side the opposite side of the wafer
  • a metal layer is deposited on the trench walls.
  • the intended coil structure is produced by lithography of a galvanic photoresist applied thereon.
  • the contact surfaces and the lead-out of a coil connection are formed on the rear of the pane.
  • the second coil connection is led through the via (the highly doped diffusion region) to the front of the disk.
  • the contact elements are also produced by anisotropically etching a trench in a silicon substrate using the etching stop on highly doped layers. In this way, free-standing cantilevers or tongues (as contact arms) are formed, onto which a ferromagnetic and the contact metal have been previously deposited and structured. By applying a system of layers braced against one another, the bend and thus the distance between the tongues and the contact surfaces on the coil unit can also be adjusted. These are layers with different coefficients of thermal expansion. In the last manufacturing step, the two components are placed on top of each other, whereby different bonding techniques can be used. Furthermore, the connections to the housing are made.
  • FIG. 1 shows an example of the design of the
  • Fig. 2 shows an example of the unit with the
  • Fig. 1 shows a coil unit of a microrelay according to the invention with contacts for a two-pole relay.
  • the side of the coil unit visible in FIG. 1 is referred to as the rear side.
  • the coil unit is formed from a silicon substrate 4 which has an anisotropically etched trench 6.
  • the coil turns of the excitation coil 1 are located on the trench walls.
  • One coil end is connected in an electrically conductive manner to the coil contact 10 on the front side of the substrate 4 via the highly doped silicon region 7 at the bottom of the trench 6.
  • the coil contact 10 is separated from the silicon substrate 4 by an insulation layer 13 (Si0 2 ).
  • the coil turns of the coil 1 and the further connection surfaces on the back of the substrate are insulated from it by a layer 22.
  • the input poles 3a and the output poles 3b forming the contact surfaces are also arranged on the back of the substrate 4.
  • a working circuit is closed.
  • the coil contact 11 and solder contacts 9 are located on the back of the substrate.
  • FIG. 2 shows a unit with spring contacts 2 which, together with the coil unit from FIG. 1, form a microrelay according to the invention.
  • the visible surface of this unit is referred to below as the front.
  • the unit with the spring contacts consists of a silicon substrate 5 with an anisotropically etched trench 8, through which the spring contacts are exposed.
  • the spring contacts 2 themselves consist of a layer sequence of highly doped n ++ silicon, Si0 2 / Si 3 N 4 , chromium , Nickel and gold.
  • FIGS. 1 and 2 A preferred manufacturing process for the relay according to FIGS. 1 and 2 will now be described with reference to FIGS. 3 to 11.
  • the cleaning steps customary in semiconductor technology are not listed, although they are of course carried out.
  • the front side of the silicon substrates corresponds to the top side in the following figures. to
  • the coil unit with the coil component and the unit with the spring contacts with the spring contact component are named.
  • p-doped silicon wafers are used as the starting material for the manufacture of the micro relay.
  • Typical slice thicknesses are between 300 ⁇ m and 700 ⁇ m.
  • Disc diameters of 100 mm or 150 mm are currently customary, on which a large number of micro-relays according to the invention can be produced.
  • the microrelay consists of two micromechanically made parts made of silicon (coil component and spring contact component), which at the end of the
  • Manufacturing process are put on top of each other. Unless otherwise described, the following manufacturing steps relate to both sub-elements. Different process steps are identified by separate figures.
  • a scatter oxide 13 is first thermally grown on the silicon wafer 4, 5 for the subsequent implantation step (see FIG. 3).
  • the typical thickness of the scatter oxide layer 13 here is in the range of 20 nm.
  • the oxide grows on both sides of the pane.
  • Areas are selected in the case of the excitation coil so that the implanted area forms the bottom of the trench 6 which is subsequently etched (cf. FIG. 1). It represents the through contact to the front of the substrate 4.
  • the area to be implanted corresponds to the shape and area of the spring contacts (cf. FIG. 2).
  • n ++ implantation follows to produce highly doped n regions 7, 16.
  • Typical elements for n ++ implantation are phosphorus and arsenic.
  • the scatter oxide 13 is then removed by wet chemistry at the exposed locations on the front side and on the entire rear side.
  • the lacquer layer 15 is then removed.
  • a thermal diffusion step at temperatures around 1000 ° C., a relatively homogeneously distributed n "layer 7, 16 forms in the p-doped silicon substrate 4, 5 (see FIG. 4).
  • This highly doped region is necessary for the electrochemical etching stop during the following anisotropic etching step, and as an electrical contact area 7 for the excitation coil 7. Furthermore, these highly doped areas are not attacked by the anisotropic etching solution, so that free-standing cantilevers or tongues 2 are formed for the spring contacts ⁇ m.
  • Silicon nitride 18 is deposited on the back of the substrate 4, 5 as a mask for the anisotropic etching by means of cathode sputtering (see FIG. 4).
  • Silicon nitride layer 18 removed at the free locations on the back. This defines the later etchable area of the silicon substrate.
  • the areas to be etched are selected so that the disk component cannot be completely etched through in the coil component, ie the etching process stops at the highly doped n-region 7 (see FIGS. 5A and 1).
  • the exposed area of the spring contact component extends beyond the n-regions 16 in such a way that the etching solution penetrates to the front of the pane and free-standing arms are formed (see FIGS. 5B and 2). Then the lacquer 17, 19 is peeled off on both sides.
  • a combination of silicon oxide and silicon nitride is deposited on the spring contact component in order to produce spring contacts bent downwards.
  • 5B shows this layer 14.
  • Silicon oxide has a lower coefficient of thermal expansion than silicon, silicon nitride a higher one.
  • the front is now lacquered and photolithographically structured.
  • a negative varnish 20 with thicknesses between 2 and 5 ⁇ m should be selected.
  • Nickel is ferromagnetic and therefore also serves as a magnet for attracting or repelling the spring contact arms. The thicker the layer, the better the switching behavior of the relay.
  • the etching process is brought to a standstill about 5 ⁇ m before reaching the n-region 7 by applying a suitable voltage to the highly doped via 7 of the excitation coil (electrochemical etching stop, see FIG. 6A).
  • a suitable voltage to the highly doped via 7 of the excitation coil (electrochemical etching stop, see FIG. 6A).
  • the spring contact component use is made of the fact that potassium hydroxide attacks highly doped regions, oxides and nitrides only very slightly, so that the structure of the component shown in FIG. 6B is produced.
  • the rear silicon nitride 18 is then removed by dry etching on both components. Furthermore, the exposed combination layer of oxide 13 and nitride 14 is etched on the spring contact component, so that free-standing spring contacts clamped on one side are produced (see FIG. 7). With the exception of the galvanic gold plating of the metal areas, this component has now been completed and will therefore not be included in the next steps.
  • the coil component is then coated on the front (not shown in the figures) in order to protect the surface from the subsequent processes.
  • a low-temperature oxide 22 is deposited on the etched rear side (e.g. with sputtering), which serves as an electrical insulator to the silicon substrate. Subsequently, a thin, preferably reflection-free metal layer 23 (for example titanium with a layer thickness of 50 nm) is deposited on the back (see FIG. 8).
  • a thin, preferably reflection-free metal layer 23 for example titanium with a layer thickness of 50 nm
  • Electrochemical varnish 24 with a thickness of 5 to 25 ⁇ m is deposited on this metal layer (for example electroplating varnish PEPR 2400, Shipley) and structured photolithographically so that the area above the via 7 is exposed (see FIG. 8). Then the titanium layer 23 and the oxide layer 22 are removed there by wet chemistry (see FIG. 9). In the next step, the galvanic lacquer 24 is removed.
  • This layer combination 25 is shown in FIG. 9. It serves as the basis for the subsequent galvanic gold plating.
  • Electrochemical lacquer 26 with a thickness of 5 to 25 ⁇ m is deposited on this layer (electroplated lacquer PEPR 2400) and structured photolithographically, so that the Coil geometry and the conductor tracks of the
  • Rear of the pane can be defined (see FIGS. 9 and 1).
  • the solder contacts 9 provided on the spring contact component to increase the mechanical stability of the microrelay can also be found mirror-inverted (see FIG. 1).
  • the titanium / nickel layer 25 is removed wet-chemically at the open positions.
  • the titanium / titanium / nickel layer is shown in Figure 10 as a layer.
  • the electroplating lacquer 26 is removed.
  • the metal areas on both components are now electroplated (see Fig. 10, layer 27).
  • the components produced on the semiconductor wafer are then separated by sawing.
  • the two components are connected using a reflow soldering process.
  • a fusible solder 28 is applied to the points to be joined and the second component is attached.
  • a firm, conductive connection is achieved by tempering the parts.
  • 11 shows the assembled components which form the microrelay according to the invention.
  • 1 and 2 show a two-pole relay, which has open contacts in the idle state.
  • the above method can also be used to produce one or more poles relays which can have a contact which is open in the idle state or a contact which is closed in the idle state.
  • bimetals on the spring contact arms is advantageous, since this allows the production of bimetallic relays, the states of which can be changed by short current pulses.
  • the spring contact component is placed with its front on the rear of the coil component.
  • the conductor tracks, contact surfaces and solder contacts it is also possible to connect both components on the front.
  • a different construction of the two components is permitted, as is the case, for example, in FIGS.
  • the contact arms 2 are arranged on the rear side of the spring contact component, the trench, as with the coil component, only reaching up to a highly doped region 16 as the bottom of the trench. Also in this example are the
  • Input poles 3a and 3b output poles arranged on different components.
  • the microrelay according to the invention is for the Particularly suitable for use in the field of power electronics.
  • Characteristic of the relay are the small size and the low power requirement of the electromagnet as well as an ideal conductor path separation.

Landscapes

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  • Micromachines (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Description

Mikrorelais
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrosystemtechnisch gefertigtes Mikrorelais sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Vor allem in den Bereichen der Telekommunikation, medizinischen Technik, Datenverarbeitung, Meßtechnik und im Kfz -Bereich besteht ein großer Bedarf an miniaturisierten Relais.
Bisher wurden für eine Vielzahl von Anwendungen überwiegend elektrostatische Relais eingesetzt. Diese Relais benötigen jedoch hohe Spannungen (typischerweise im Bereich von 100 V) , so daß speziell entworfene Kontrolleinrichtungen und Isoliervorkehrungen zum Betrieb notwendig sind. Dies erhöht jedoch die Systemkosten.
In H. Hosaka, et al . , Sensors and Actuators A, 40 (1994), S. 41-47 wird daher auf die Vorteile elektromagnetischer Mikrorelais eingegangen. Das dort vorgestellte
Mikrorelais besteht aus einem oder mehreren herkömmlichen kleinen Elektromagneten, über die eine flache Kontaktfeder bewegt wird. Hosaka untersuchte dabei insbesondere den Einfluß der Kontaktkraft auf den Kontaktwiderstand, die Abhängigkeit der Größe der
Durchbruchspannung von der Breite des Elektrodenspaltes sowie das Verhalten unterschiedlicher
Kontaktfedergeometrien. Mit dem Mikrorelais von Hosaka lassen sich hohe Schaltgeschwindigkeiten (um 1 kHz) realisieren. Allerdings kann dieses Mikrorelais nicht mit Mitteln der Halbleitertechnologie hergestellt werden. Weiterhin sind mikrosystemtechnisch gefertigte Mikrorelais bekannt. Diese bestehen aus einer planaren Spule zur Erzeugung des magnetischen Feldes und f eistehenden Kontaktarmen des Arbeitsstromkreises, die durch geeignete Ätztechniken erzeugt wurden.
Der Einsatz planarer Spulen bringt jedoch eine Reihe von Nachteilen mit sich. Planare Spulen sind sehr störanfällig auf magnetische Felder (siehe z.B. H. Meinke et al., Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer- Verlag Berlin (1968), S. 19) . Das mit planaren Spulen erzeugte magnetische Feld ist zudem sehr inhomogen, und die maximale Feldstärkedichte ist begrenzt. Letzteres liegt insbesondere an dem kleinen Leitungsquerschnitt
(mit der Folge eines geringen Stromflusses) , der sich aus der notwendigen Begrenzung des großen Flächenbedarfs planarer Spulen ergibt .
Aus diesen Gründen ist die auf die Kontaktarme (Federkontakte) wirkende Kraft relativ klein, so daß der Anpreßdruck der Federkontakte auf die Kontaktflächen, beispielsweise bei Erschütterungen, nicht ausreichend ist. Dadurch ergibt sich ein Verschleiß der Kontaktpunkte und die Lebensdauer des Bauteils wird verkürzt. Weiterhin sind der maximal einstellbare Abstand der Kontaktarme und damit auch die maximal schaltbare Spannung im Arbeitsstromkreis begrenzt.
In Y. Watanabe et al . , Sensors and Actuators A 54 (1996), S. 733-738, wird ein Herstellungsverfahren für eine Planarspule beschrieben, die mit höheren Stromdichten arbeiten und daher höhere Feldstärken erzeugen kann. Auch bei dieser Spule treten jedoch die obigen Probleme aufgrund der Inhomogenität des magnetischen Feldes auf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mikrorelais und ein Verfahren zur Herstellung desselben anzugeben, das eine höhere Lebensdauer und einen kleineren Verschleiß als bekannte Mikrorelais mit planarer Spule aufweist, und einfach mit Mitteln der Halbleitertechnologie herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der geltenden Ansprüche 1 bzw. 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Mikrorelais besteht, wie die bekannten Mikrorelais, aus einer Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und einem oder mehreren Kontaktelementen. Die Kontaktelemente können hierbei beispielsweise einseitig eingespannte, freistehende Kontaktarme oder Kontaktfedern sein. Auch zweiseitig eingespannte elastiche Kontaktbrücken oder vergleichbare mehrseitig eingespannte Kontaktelemente sind geeignet. Diese Kontaktelemente werden durch
Einwirkung des magnetischen Feldes der Spule an eine Kontaktfläche gepreßt oder von dieser gelöst, so daß dadurch ein Kontakt in einem Arbeitsstromkreis geschlossen oder geöffnet wird. Erfindungsgemäß weist das Mikrorelais eine Spule mit einer konischen Form auf.
Diese konische Anordnung der Spulenwindungen induziert ein wesentlich homogeneres magnetisches Feld als im Fall planarer Spulen. Aufgrund dieses homogeneren magnetischen Feldes wird ein höherer Anpreßdruck der Kontaktelemente auf die Kontaktflächen erzeugt, so daß eine höhere Verschleißfestigkeit und längere Lebensdauer des elektromagnetischen Relais erzielt werden. Ebenso verkürzen sich die Schaltzeiten. Ein größerer Leiterquerschnitt der Erregerspulen, der aufgrund des geringeren flächigen Platzbedarfs der konischen Spule erzeugt werden kann, ermöglicht die Verwendung höherer Ströme und damit die Erzeugung stärkerer magnetischer Felder. Damit ist die Einhaltung größerer Abstände der Kontaktarme möglich, so daß die schaltbare Spannung im Arbeitsstromkreis erhöht werden kann .
Eine weitere Erhöhung der Feldstärke kann auf einfache Weise durch Auffüllung des Innenraums der konischen Spule mit ferromagnetischem Material erreicht werden. Ein vollständiges Auffüllen des Innenraums ist hierbei von Vorteil.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Mikrorelais ist die einfache Integrierbarkeit in ein
Halbleitersubstrat , wie dies beim erfindungsgemäßen
Verfahren durchgeführt wird. Das Verfahren hat weiterhin den Vorteil, daß sämtliche Bauteile des Mikrorelais in einem Prozeßdurchlauf gemeinsam auf einer Halbleiterscheibe herstellbar sind. Die halbleiterkompatible Herstellbarkeit des Mikrorelais ist von besonderem Vorteil.
In einer besonderen Ausführungsform ist das elektromagnetische Mikrorelais aus zwei mikrosystemtechnisch hergestellten Teilen, einem Bauteil mit der Erregerspule und einem Bauteil mit Kontaktelementen, zusammengesetzt .
Das Bauteil mit der Erregerspule besteht aus einem anisotrop in eine Siliziumscheibe geätzten Graben, dessen Bodenfläche über ein hochdotiertes Diffusionsgebiet mit der gegenüberliegenden Scheibenseite (im folgenden willkürlich als Vorderseite bezeichnet) elektrisch verbunden ist. Auf eine Isolationsschicht auf den
Grabenwänden wird eine Metallschicht abgeschieden. Durch Lithographie eines darauf aufgebrachten galvanischen Photolackes wird die vorgesehene Spulenstruktur erzeugt . Im selben Prozeßschritt werden die Kontaktflächen sowie die Herausführung eines Spulenanschlusses auf der Scheibenrückseite ausgebildet. Der zweite Spulenanschluß wird durch den Durchkontakt (das hochdotierte Diffusionsgebiet) auf die Vorderseite der Scheibe geführ .
Anschließend werden bei dieser Ausführungsform die
Leiterbahnquerschnitte durch galvanische Metallisierung erhöht. Schließlich wird der Spuleninnenraum nach Abscheidung einer Isolationsschicht mit einem ferromagnetischen Material gefüllt.
Die Kontaktelemente werden ebenfalls durch anisotropes Ätzen eines Grabens in ein Siliziumsubstrat unter Verwendung des Ätzstopps an hochdotierten Schichten hergestellt. Hierdurch werden freistehende Ausleger bzw. Zungen (als Kontaktarme) gebildet, auf die vorher ein ferromagnetisches sowie das Kontaktmetall abgeschieden und strukturiert wurden. Durch Aufbringen eines Systems gegeneinander verspannter Schichten ist zudem die Biegung und damit der Abstand der Zungen zu den Kontaktflächen auf der Spuleneinheit einstellbar. Es handelt sich hierbei um Schichten mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Im letzten Herstellungsschritt werden die beiden Bauteile aufeinandergesetzt , wobei unterschiedliche Bondtechniken zum Einsatz kommen können. Weiterhin werden die Anschlüsse zur Gehäusung geführt.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für ein erfindungsgemäßes Mikrorelais beschrieben. Hierbei zeigen: Fig. 1 ein Beispiel für die Ausgestaltung der
Spuleneinheit des erfindungsgemäßen Mikrorelais ;
Fig. 2 ein Beispiel für die Einheit mit den
Kontaktelementen des erfindungsgemäßen Mikrorelais ;
Fig. 3 bis 11 verschiedene Herstellungsschritte der Einheiten des erfindungsgemäßen
Mikrorelais gemäß den Fig. 1 und 2; und
Fig. 12 und 13 eine weitere Ausgestaltung der
Spuleneinheit und der Einheit mit den Kontaktelementen eines erfindungsgemäßen
Mikrorelais .
Fig. 1 zeigt eine Spuleneinheit eines erfindungsgemäßen Mikrorelais mit Kontakten für ein zweipoliges Relais. Im folgenden wird die in Fig. 1 sichtbare Seite der Spuleneinheit als Rückseite bezeichnet. Die Spuleneinheit ist aus einem Siliziumsubstrat 4 gebildet, das einen anisotrop geätzten Graben 6 aufweist. An den Grabenwänden befinden sich die Spulenwindungen der Erregerspule 1. Ein Spulenende ist über das hochdotierte Siliziumgebiet 7 am Boden des Grabens 6 elektrisch leitend mit dem Spulenkontakt 10 auf der Vorderseite des Substrates 4 verbunden. Der Spulenkontakt 10 ist von dem Siliziumsubstrat 4 durch eine Isolationsschicht 13 (Si02) getrennt. Ebenso sind die Spulenwindungen der Spule 1 und die weiteren Anschlußflächen auf der Rückseite des Substrates von diesem durch eine Schicht 22 isoliert. Auf der Rückseite des Substrates 4 sind weiterhin die Eingangspole 3a und die die Kontaktflächen bildenden Ausgangspole 3b angeordnet. Durch Verbinden der Ein- mit den Ausgangspolen über die Kontaktfedern des weiteren Bauteils (Fig. 2) wird ein Arbeitsstromkreis geschlossen. Weiterhin befinden sich der Spulenkontakt 11 sowie Lötkontakte 9 auf der Rückseite des Substrates.
Fig. 2 zeigt eine Einheit mit Federkontakten 2 , die zusammen mit der Spuleneinheit aus Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Mikrorelais bilden. Die sichtbare Oberfläche dieser Einheit wird im folgenden als Vorderseite bezeichnet . Die Einheit mit den Federkontakten besteht aus einem Siliziumsubstrat 5 mit einem anisotrop geätzten Graben 8, durch den die Federkontakte freigelegt werden. Auf der Vorderseite des Substrates 5 befinden sich Lötkontakte 9 innerhalb einer Si02/Si3N4-Schicht 13, 14. Die Federkontakte 2 selbst bestehen aus einer Schichtfolge aus hochdotiertem n++- Silizium, Si02/Si3N4, Chrom, Nickel und Gold.
Im folgenden wird nun anhand der Fig. 3 bis 11 ein bevorzugter Herstellungsprozeß für das Relais gemäß den Fig. 1 und 2 beschrieben. Bei der Darstellung der einzelnen Prozeßschritte werden die in der Halbleitertechnik üblichen Reinigungsschritte nicht aufgeführt, obwohl sie natürlich durchgeführt werden. Die Vorderseite der Siliziumsubstrate entspricht in den folgenden Figuren der obenliegenden Seite. Zur
Vereinfachung werden die Spuleneinheit mit Spulenbauteil und die Einheit mit den Federkontakten mit Federkontaktbauteil benannt .
Als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Mikrorelais werden niederohmige, p-dotierte Siliziumscheiben verwendet. Typische Scheibendicken liegen hierbei zwischen 300 μm und 700 μm. Derzeit sind Scheibendurchmesser von 100 mm oder 150 mm üblich, auf denen eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Mikrorelais gefertigt werden können. Das Mikrorelais besteht aus zwei mikromechanisch aus Silizium gefertigten Teilen (Spulenbauteil und Federkontaktbauteil) , die am Ende des
Herstellungsprozesses aufeinandergesetzt werden. Soweit nicht anders beschrieben, beziehen sich die folgenden Fertigungsschritte auf beide Teilelemente. Abweichende Prozeßschritte sind durch getrennte Figuren gekennzeichnet .
Auf die Siliziumscheibe 4, 5 wird zunächst thermisch ein Streuoxid 13 für den anschließenden Implantationsschritt aufgewachsen (siehe Fig. 3) . Die typische Dicke der Streuoxidschicht 13 liegt hier im Bereich von 20 nm. Das Oxid wächst auf beiden Seiten der Scheibe auf .
Anschließend wird eine etwa 500 bis 1500 nm dicke Photolackschicht 15 aufgebracht und an den zu implantierenden Stellen photolithographisch entfernt (vgl. Fig. 3) . Die Dimensionierung und Anordnung dieser
Bereiche wird im Falle der Erregerspule so gewählt, daß der implantierte Bereich den Boden des später geätzten Grabens 6 bildet (vgl. Fig. 1) . Er stellt den Durchkontakt zur Vorderseite des Substrates 4 dar. Im Falle des Federkontaktbauteils entspricht der zu implantierende Bereich der Form und Fläche der Federkontakte (vgl. Fig. 2) .
Es folgt die Ionenimplantation mit hoher Dosis, um hochdotierte n Gebiete 7, 16 zu erzeugen. Typische Elemente für die n++- Implantation sind Phosphor und Arsen .
Anschließend wird das Streuoxid 13 an den freiliegenden Stellen der Vorderseite sowie auf der gesamten Rückseite naßchemisch entfernt. Danach wird die Lackschicht 15 abgezogen . Nach einem thermischen Diffusionsschritt bei Temperaturen um 1000°C bildet sich eine relativ homogen verteilte n"- Schicht 7, 16 im p-dotierten Siliziumsubstrat 4, 5 (siehe Fig. 4) . Dieser hochdotierte Bereich ist notwendig für den elektrochemischen Ätzstopp beim noch folgenden anisotropen Ätzschritt, und als elektrisches Kontaktgebiet 7 für die Erregerspule. Ferner werden diese hochdotierten Gebiete nicht durch die anisotrope Ätzlösung angegriffen, so daß freistehende Ausleger bzw. Zungen 2 für die Federkontakte entstehen. Die Tiefe des n-Gebiets 7, 16 beträgt bis zu 10 μm.
Um die Scheibenvorderseite vor dem Verkratzen bei der nachfolgenden Nitridabscheidung und im Trockenätzprozeß zu schützen, wird sie ganzflächig mit einer Lackschicht 17 versehen (siehe Fig. 4) . Mittels Kathodenzerstäubung wird Siliziumnitrid 18 als Maskierung für das anisotrope Ätzen auf die Rückseite des Substrates 4, 5 abgeschieden (siehe Fig. 4) .
Es folgt eine Belackung 19 der Rückseite und die photolithographische Freilegung des anisotrop zu ätzenden Bereichs (vgl. Fig. 4) .
Durch Trockenätzen im Plasma wird die
Siliziumnitridschicht 18 an den freien Stellen auf der Rückseite abgetragen. Dadurch wird der spätere ätzbare Bereich des Siliziumsubstrates definiert. Die zu ätzenden Flächen werden so gewählt, daß beim Spulenbauteil kein vollständiges Durchätzen der Scheibe möglich ist, d.h. daß der Ätzvorgang an dem hochdotierten n-Gebiet 7 stoppt (siehe Fig. 5A und 1) . Der freiliegende Bereich des Federkontaktbauteils dagegen erstreckt sich derart über die n-Gebiete 16 hinaus, daß die Ätzlösung bis zur Scheibenvorderseite dringt und freistehende Arme entstehen (siehe Fig. 5B und 2) . Anschließend wird der Lack 17, 19 beidseitig abgezogen.
Zur Erzeugung nach unten gebogener Federkontakte wird auf das Federkontaktbauteil eine Kombination aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid abgeschieden. Fig. 5B zeigt diese Schicht 14. Siliziumoxid besitzt einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Silizium, Siliziumnitrid einen höheren. Beim Abkühlen der Scheiben nach den Depositionsprozessen wirkt somit je nach Dicke der beiden Schichten eine Zug- oder Druckspannung auf die Kontaktarme. Sobald die Kontaktarme freistehen, biegen sie sich folglich nach oben oder unten (vgl. Fig. 2) . Auf diese Weise ist die Herstellung von Relais möglich, deren Arbeitsstromkreis im Ruhezustand offen bzw. geschlossen ist. Dieser Prozeßschritt entfällt für das Spulenbauteil.
Für die Festlegung der Leiterbahnen und Kontaktgebiete beider Bauelemente im Schichtabhebeverfahren wird nun die Vorderseite belackt und photolithographisch strukturiert . Hierbei ist ein Negativlack 20 mit Dicken zwischen 2 und 5 μm zu wählen.
Als nächstes wird eine dünne (20 bis 50 nm sind ausreichend) Chromschicht zur Haftvermittlung und eine zwischen 1 und 3 μm dicke Nickelschicht als Basis für die galvanische Vergoldung der Leiterbahnen aufgebracht.
Diese Schichtkombination 21 ist in den Fig. 5A und 5B zu erkennen. Nickel ist ferromagnetisch und dient daher auch als Magnet zum Anziehen bzw. Abstoßen der Federkontaktarme. Je dicker die Schicht ausgeführt werden kann, desto besser ist das Schaltverhalten des Relais.
Mit dem Ablösen des Lacks werden auch die auf den belackten Bereichen abgeschiedenen Metalle entfernt, so daß das gewünschte Leiterbahnbild auf der Vorderseite entsteht (siehe Fig. 6A, 6B und 2) . Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Mikrorelais werden an mehreren Stellen des Federkontaktbauteils kleine Lötkontak flächen 9 angebracht (vgl. Fig. 2) .
Mittels anisotropem Ätzen in alkalischer Lösung (z.B. Kaliumhydroxid) werden nun die Federkontakte sowie der konische Spulenraum freigelegt. Die Scheibenvorderseite ist dabei durch einen geeigneten Halter vor der Lösung zu schützen. Aufgrund unterschiedlicher Abtragegeschwindigkeiten von Kaliumhydroxid in verschiedenen Kristallrichtungen des Silizium sind die Seitenwände stets um 54,74° gegenüber der Scheibenoberfläche geneigt (siehe Fig. 6A, 6B, 1 und 2 ; nicht winkelgetreu dargestellt) . In beiden Bauteilen werden unterschiedliche Effekte für den automatischen
Stopp des Ätzprozesses ausgenutzt. Im Spulenbauteil wird durch Anlegen einer geeigneten Spannung an den hochdotierten Durchkontakt 7 der Erregerspule der Ätzvorgang etwa 5 μm vor Erreichen des n-Gebietes 7 zum Erliegen gebracht (elektrochemischer Ätzstopp, siehe Fig. 6A) . Beim Federkontaktbauteil wird ausgenutzt, daß Kaliumhydroxid hochdotierte Gebiete, Oxide und Nitride nur sehr gering angreift, so daß die in Fig. 6B gezeigte Struktur des Bauelements entsteht.
Mittels Trockenätzen wird nun an beiden Bauteilen das rückseitige Siliziumnitrid 18 abgetragen. Ferner wird am Federkontaktbauteil die freiliegende Kombinationsschicht aus Oxid 13 und Nitrid 14 geätzt, so daß freistehende, einseitig eingespannte Federkontakte entstehen (siehe Fig. 7) . Dieses Bauteil ist nun mit Ausnahme der galvanischen Vergoldung der Metallbereiche fertiggestellt und wird deshalb in die nächsten Schritte nicht mit einbezogen . Das Spulenbauteil wird anschließend vorderseitig belackt (in den Figuren nicht gezeigt), um die Oberfläche vor den nachfolgenden Prozessen zu schützen.
In einem isotropen Ätzschritt (z.B. in verdünnter
Flußsäure) werden die beim anisotropen Ätzen entstandenen Kanten mit ca. 3 bis 5 μm Überhang (vgl. Fig. 6A, 6B und 7) verrundet. Das Ergebnis ist in Fig. 8 zu sehen.
Auf die geätzte Rückseite wird ein Niedertemperaturoxid 22 abgeschieden (z.B. mit Kathodenzerstäubung), das als elektrischer Isolator zum Siliziumsubstrat dient. Anschließend wird rückseitig eine dünne, möglichst reflexionsfreie Metallschicht 23 (beispielsweise Titan mit einer Schichtdicke von 50 nm) abgeschieden (siehe Fig. 8) .
Auf diese Metallschicht wird nun elektrochemisch Lack 24 mit 5 bis 25 μm Dicke abgeschieden (beispielsweise Galvaniklack PEPR 2400, Firma Shipley) und photolithographisch strukturiert, so daß die Fläche über dem Durchkontakt 7 freiliegt (siehe Fig. 8) . Anschließend werden dort die Titan- 23 sowie die Oxidschicht 22 naßchemisch abgetragen (siehe Fig. 9). Im nächsten Schritt wird der Galvaniklack 24 entfernt.
Es folgt die Abscheidung einer Titanschicht mit einigen 100 nm Dicke, die mit einer hauchdünnen Nickelschicht von wenigen Nanometer Dicke überzogen wird. Diese Schichtkombination 25 ist in Fig. 9 gezeigt. Sie dient als Grundlage für die noch folgende galvanische Leiterbahnvergoldung .
Auf dieser Schicht wird elektrochemisch Lack 26 mit 5 bis 25 μm Dicke abgeschieden (Galvaniklack PEPR 2400) und photolithographisch strukturiert, so daß die Spulengeometrie und die Leiterbahnen der
Scheibenrückseite definiert werden (siehe Fig. 9 und 1) . Hier finden sich auch spiegelverkehrt die auf dem Federkontaktbauteil vorgesehenen Lötkontakte 9 zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Mikrorelais (siehe Fig . 1) .
Nun wird die Titan/Nickelschicht 25 an den offenen Stellen naßchemisch entfernt. Die Titan/Titan/Nickel- Schicht ist in Abbildung 10 als eine Lage gezeichnet. Der Galvaniklack 26 wird abgezogen.
Zur Erhöhung der Leiterbahnquerschnitte (Dicken von 1 bis 20 μm) werden nun an beiden Bauteilen die Metallbereiche galvanisch vergoldet (siehe Fig. 10, Schicht 27) . Anschließend werden die auf der Halbleiterscheibe hergestellten Bauteile durch Sägen vereinzelt.
Am Schluß des Herstellungsprozesses werden die beiden Bauteile mit einem Aufschmelz -Lötverfahren verbunden. Hierzu wird an den zusammenzufügenden Punkten ein schmelzbares Lot 28 aufgebracht und das zweite Bauteil aufgesetzt. Durch Tempern der Teile wird eine feste, leitfähige Verbindung erzielt. Fig. 11 zeigt die zusammengesetzten Bauteile, die das erfindungsgemäße Mikrorelais bilden.
Zur Steigerung des magnetischen Feldes und der damit verbundenen Vorteile, d.h. Verkürzung der Schaltzeiten, Erhöhung der schaltbaren Spannungen und Ströme,
Erschütterungsfestigkeit, geringerer Kontaktwiderstand und folglich geringere Kontaktbelastung, usw. ist der Einbau eines Ferritkernes in den Spulenraum möglich. Zu diesem Zweck wird auf die Spulenbahnen eine Isolationsschicht aufgebracht (beispielsweise Lacke mit hoher Viskosität oder Oxid) . Danach wird eine ferromagnetische Schicht, eine Ferritmasse oder ein Ferritkern eingebracht. Als Materialien haben sich hierbei Legierungen aus Eisen und Nickel bewährt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein zweipoliges Relais, das im Ruhezustand geöffnete Kontakte aufweist. Es lassen sich jedoch mit dem obigen Verfahren auch ein oder mehrpolige Relais herstellen, die einen im Ruhezustand offenen oder einen im Ruhezustand geschlossenen Kontakt aufweisen können.
Weiterhin ist die Verwendung von Bimetallen auf den Federkontaktarmen vorteilhaft, da diese die Herstellung von Bimetallrelais erlaubt, deren Zustände durch kurze Stromimpulse gewechselt werden können.
In der obigen Beschreibung der Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrorelais wird das Federkontaktbauteil mit dessen Vorderseite auf die Rückseite des Spulenbauteils gesetzt. Bei geeigneter Anordnung der Leiterbahnen, Kontaktflächen und Lötkontakte ist es jedoch auch möglich beide Bauteile vorderseitig zu verbinden. Des weiteren ist selbstverständlich auch ein abweichender Aufbau der beiden Bauteile erlaubt, wie er beispielsweise in den
Fig. 12 und 13 gezeigt ist. Hier sind beispielsweise die Kontaktarme 2 auf der Rückseite des Federkontaktbauteils angeordnet, wobei der Graben wie beim Spulenbauteil nur bis zu einem hochdotierten Gebiet 16 als Boden des Grabens reicht. Ebenso sind in diesem Beispiel die
Eingangspole 3a und Ausgangspole 3b auf unterschiedlichen Bauteilen angeordnet.
Aufgrund der Möglichkeit zur Schaltung hoher Spannungen und bei entsprechend großen Leiterbahnquerschnitten auch hoher Ströme ist das erfindungsgemäße Mikrorelais für den Einsatz im Bereich der Leistungselektronik besonders geeignet. Kennzeichnend für das Relais sind die geringe Baugröße und der geringe Leistungsbedarf des Elektromagneten sowie eine ideale Leiterbahntrennung.
Aufgrund der großen Erschütterungsfestigkeit bietet sich eine Anwendung im Bereich der Kfz -Elektronik an.

Claims

Patentansprüche
1. Mikrorelais bestehend aus einer Erregerspule (1) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, und einem oder mehreren Kontaktelementen (2) , die durch Einwirkung des magnetischen Feldes der Spule einen Kontakt (3) öffnen oder schließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) eine konische Form aufweist.
2. Mikrorelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule in ein Halbleitersubstrat (4) integriert ist .
3. Mikrorelais nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , daß der von der Spule umschlossene Innenraum mit einem ferromagnetischen Material befüllt ist.
4. Mikrorelais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichne , daß im von der Spule umschlossenen Innenraum ein Ferritkern angeordnet ist .
5. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der/die Kontaktelemente in Form von freistehenden Kontaktarmen ausgeführt sind.
6. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der/die Kontaktelemente in Form von Federkontakten ausgeführt sind.
7. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Relais aus zwei mikromechanisch gefertigten Teilen zusammengesetzt ist, einer Spuleneinheit (4) und einer Einheit (5) mit einem oder mehreren Kontaktelementen .
8. Mikrorelais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spuleneinheit aus einem Siliziumsubstrat (4) mit einem darin anisotrop geätzten Graben (6) besteht, an dessen Seitenwänden die Spulenwicklungen liegen.
9. Mikrorelais nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche des Grabens ein Ende der Spule über ein hochdotiertes Diffusionsgebiet (7) mit der gegenüberliegenden Seite des Substrates elektrisch leitend verbindet .
10. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Einheit mit den Kontaktelementen aus einem Siliziumsubstrat (5) mit einem darin geätzten Graben (8) besteht, über dem, ausgehend von einem Rand des Grabens, ein oder mehrere freistehende Zungen als Kontaktelemente angeordnet sind.
11. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kontaktelemente aus gegeneinander verspannten Schichten aufgebaut sind.
12. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kontaktelemente eine Bimetallschicht aufweisen.
13. Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten :
- anisotropes Ätzen eines Grabens (6) in ein erstes Siliziumsubstrat (4) auf einer Rückseite des Substrates;
- Abscheiden einer Isolationsschicht (22) in dem Graben;
- Abscheiden einer Schicht (23, 25) eines Spulenmaterials auf die Isolationsschicht;
- Abscheiden eines galvanischen Photolackes (26) auf die Schicht des Spulenmaterials;
- photolithographisches Strukturieren des Photolackes entsprechend einer an den Seitenwänden des Grabens zu erzeugenden Spulenstruktur;
- Entfernen des Spulenmaterials (23, 25) aus den freiliegenden Bereichen;
- Entfernen des Photolackes (26);
- Herstellen von Kontaktflächen (3a, 3b) und von Anschlußflächen (10, 11) für die Spulenwindungen auf Vorder- und Rückseite des ersten Substrates (4);
- Bereitstellen eines zweiten Siliziumsubstrates (5) mit einem oder mehreren, mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichteten Kontaktelementen (2) ;
- Verbinden der beiden Substrate, so daß die Kontaktelemente des zweiten Substrates (5) bei Bewegung aufgrund des magnetischen Feldes der Spule entsprechende Kontakte zu Kontak flächen (3b) im anderen Substrat (4) öffnen oder schließen.
14. Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ätzen des Grabens (6) im ersten Substrat auf der Vorderseite des Substrates (4) durch Ionenimplantation ein hochdotiertes Diffusionsgebiet (7) erzeugt wird, das die Bodenfläche des Grabens (6) bildet und die elektrische Verbindung eines Spulenendes zur Vorderseite des Substrates herstellt.
15. Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente (2) des zweiten Siliziumsubstrates (5) durch folgende Verfahrensschritte erzeugt werden:
- Erzeugen eines hochdotierten Diffusionsgebietes (16) , das die lateralen Abmessungen der Kontaktelemente (2) aufweist, auf einer freistehenden Kontaktarmen Vorderseite des zweiten Substrates (5) durch Ionenimplantation;
- Abscheiden einer elektrisch leitfähigen Schicht (21) auf diesem Gebiet;
- anisotropes Ätzen einer Durchführung (8) oder eines Grabens in das zweite Siliziumsubstrat von dessen Rückseite her, so daß freistehende Ausleger als Kontaktelemente freigelegt werden.
16. Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß auf die Kontaktelemente vor dem Ätzschritt ein System gegeneinander verspannter Schichten (14) aufgebracht wird, durch die eine gewünschte spätere Biegung der Kontaktelemente festgelegt wird.
17. Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnitte der Spulenwindungen durch galvanische Metallisierung (27) erhöht werden.
18. Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß die Spulenwindungen mit einer Isolationsschicht bedeckt und der Graben des ersten Substrates mit ferromagnetischem Material befüllt werden;
19. Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß erstes (4) und zweites Substrat (5) auf einer gemeinsamen Halbleiterscheibe vorliegen und gleichzeitig bearbeitet werden.
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