EP1031161B1

EP1031161B1 - Mikrorelais

Info

Publication number: EP1031161B1
Application number: EP98965580A
Authority: EP
Inventors: Ralf Dipl.-Phys. Schnupp
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2002-02-20
Anticipated expiration: 2018-11-13
Also published as: DE59803149D1; DE19750559C1; ATE213565T1; EP1031161A1; WO1999026264A1

Description

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 freistehenden 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 geführt.

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 (SiO₂) 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 SiO₂/Si₃N₄-Schicht 13, 14. Die Federkontakte 2 selbst bestehen aus einer Schichtfolge aus hochdotiertem n⁺⁺-Silizium, SiO₂/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 Lötkontaktflächen 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

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.
Mikrorelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule in ein Halbleitersubstrat (4) integriert ist.
Mikrorelais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Spule umschlossene Innenraum mit einem ferromagnetischen Material befüllt ist.
Mikrorelais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im von der Spule umschlossenen Innenraum ein Ferritkern angeordnet ist.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kontaktelemente in Form von freistehenden Kontaktarmen ausgeführt sind.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kontaktelemente in Form von Federkontakten ausgeführt sind.
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.
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.
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.
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.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kontaktelemente aus gegeneinander verspannten Schichten aufgebaut sind.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kontaktelemente eine Bimetallschicht aufweisen.
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 Kontaktflächen (3b) im anderen Substrat (4) öffnen oder schließen.
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.
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.
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.
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.
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;
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.