DE10159415B4

DE10159415B4 - Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule und Mikrospule

Info

Publication number: DE10159415B4
Application number: DE10159415A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schmidt Oliver G.; Dipl.-Ing. Deneke Christoph
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: US20050118733A1; WO2003048032A1; DE10159415A1; US7707714B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule, das die Verfahrensschritte aufweist: a. Aufbringen einer Opferschicht (2) auf ein Substrat (1), b. Aufbringen einer Hilfsschicht (3), die eine innere Verspannung aufweist, auf die Opferschicht (2), c. Aufbringen einer Leiterbahn (4) auf die Hilfsschicht (3), d. Ablösen der Hilfsschicht (3) von dem Substrat (1) durch selektives Entfernen der Opferschicht (2), wobei die Hilfsschicht (3) und die auf die Hilfsschicht (3) aufgebrachte Leiterbahn (4) eingerollt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (4) derart auf die Hilfsschicht (3) aufgebracht wird, dass sie sich in einem derartigen Winkel zur Richtung der Rollbewegung erstreckt, dass die Leiterbahn (4) beim Aufrollen schraubenförmig gewickelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Mikro- und Nanotechnologie und der Herstellung integrierter elektrischer Bauelemente, nämlich Mikrospulen, Mikrotransformatoren und Mikrokondensatoren auf einem Substrat. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein spezielles Herstellungsverfahren einer mikroskopischen Spule, welches auf einem Halbleitersubstrat angewendet werden kann.
Für Hochfrequenzanwendungen ist es notwendig, dass Spulen geeigneter Induktivität und Kondensatoren geeigneter Kapazität auf dem Schaltkreis integriert werden. Der allgemeine Trend zur Miniaturisierung erfordert es, dass diese Bauteile als dreidimensionale Mikrospulen oder -transformatoren direkt auf Oberflächen von fertigprozessierten elektronischen Bauelementen hergestellt werden können. Die bislang bekannten Verfahren führen jedoch im Bereich der Spulen zu relativ platzraubenden Spiralen, die zudem nur in relativ aufwendigen Verfahren herstellbar sind.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 40 676 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von Mikrospulen und -transformatoren bekannt, bei welchem auf eine leitende Startschicht eine strukturierbare Schicht aufgebracht und zur Bildung einer Form für eine Spulenwicklung strukturiert wird und anschließend Spulenwicklungsmaterial in die Form abgeschieden wird. Nach dem Auffüllen der Form wird die strukturierbare Schicht entfernt und eine Isolationsschicht, die aus einer mit einer Klebeschicht versehenen Kunststofffolie besteht, wird in planarisierender Weise durch Druck und Wärme aufgebracht. Entsprechend der Zahl der übereinander angeordneten Spulenwicklungen werden diese Schritte wiederholt. Die solchermaßen hergestellten Mikrospulen weisen typischerweise Durchmesser von einigen μm auf. Eine wesentliche Verkleinerung erscheint mit diesem bekannten Verfahren nur schwer realisierbar. Zudem ist dieses Verfahren mit seinen einzelnen Verfahrensschritten äußerst aufwendig.
Die Druckschrift WO 2001/088612 A1 beschreibt eine Mikrospule und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die 32 zeigt einen Film 104, welcher zwischen zwei Goldschichten 102 und 106 angeordnet ist und welcher eine intrinsische Spannung aufweist. Die untere Goldschicht 106 ist auf einer Freigabeschicht 108 angeordnet. Die Freigabeschicht 108 besteht aus einem Material, welches durch eine trockene oder nasse Hinterätzung schnell entfernt werden kann. Die 33 zeigt eine gerollte Struktur mit durchgehenden Schichten 106 und 104, die sich nach Entfernen der Freigabeschicht 108 ergibt.
Die Druckschrift US 6,245,444 B1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule, welches im Wesentlichen darauf beruht, dass zwei übereinander angeordnete Schichten unterschiedliche thermische Expansionskoeffizienten aufweisen, sodass beim Erhitzen ein Zusammenrollen der Schichtstruktur herbeigeführt werden kann. In den 8 und 9 ist zu sehen, wie die beiden Schichten auf ein Substrat mit einer dazwischenliegenden Freigabe- oder Opferschicht angeordnet werden und in einem ersten Schritt ein vorgegebener Abschnitt der Opferschicht entfernt wird und in einem zweiten Schritt die Schichtstruktur erhitzt wird, sodass sie sich zu einer Mikrospule mit einem gewünschten Durchmesser aufrollt.
Auch im Bereich der Kondensatoren ist kein Verfahren bekannt, mit welchem Kondensatoren mit nanoskopischen Dimensionen mit vertretbarem Aufwand gefertigt werden können.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Mikrospulen anzugeben, das mit einer relativ geringen Anzahl von Verfahrensschritten auskommt. Insbesondere soll es mit dem Verfahren ermöglicht werden, Spulen mit einem Spulendurchmesser unterhalb von 1 μm herzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem an sich bekannten Aufrollen von im folgenden auch als Hilfsschichten bezeichnete Festkörperschichten bei deren Ablösung von einem Substrat, wie es in den Publikationen „Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays” von V. Y. Prinz et al. in Physika E, Vol. 6 (2000), 828–831, und „Thin solid films roll up into nanotubes” von O. G. Schmidt et al. in Nature 410, 168 (2001) beschrieben worden ist.
In der erstgenannten Publikation besteht die Festkörperschicht aus einem Schichtenpaar der binären Halbleitermaterialien InAs/GaAs, welche in dieser Reihenfolge mit einer Schichtdicke von wenigen Monolagen auf einem InP-Substrat mit einer dazwischen liegenden AlAs-Opferschicht abgeschieden wurde. Nach der Ablösung des Schichtenpaars durch selektives Ätzen der AlAs-Opferschicht tendiert die aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen InAs und GaAs zusammengedrückte InAs-Schicht dazu, sich auszudehnen, während die auseinander gezogene GaAs-Schicht dazu neigt, sich zusammenzuziehen. Diese beiden Kräfte führen dazu, dass sich die zusammengesetzte Schicht in einer vom Substrat abgewandten Richtung zusammenrollt. Durch Verwendung solcher in sich verspannter Festkörperschichten werden Hohlzylinder, sogenannte Nanoröhren, hergestellt, deren Durchmesser je nach Dicke der abgeschiedenen Schichten zwischen 3 nm und mehreren μm einstellbar ist.
In der zweitgenannten Publikation wird gezeigt, dass dieses Verfahren erfolgreich auf das SiGe-Materialsystem angewandt werden kann. Auf einem Si-Substrat wird zunächst eine Ge-Opferschicht abgeschieden. Auf dieser werden dann zwei Schichten nacheinander abgeschieden, von denen die zuerst abgeschiedene eine größere Gitterkonstante als die nachfolgend abgeschiedene aufweist. Beide Schichten können aus einem Si-Ge-Mischkristall aufgebaut sein, wobei die untere einen relativen Ge-Überschuss und die obere einen relativen Si-Überschuss aufweist. Es wird ferner gezeigt, dass durch entsprechend lange Ätzzeiten der Opferschicht erreicht werden kann, dass sich die Schicht in mehreren Windungen zusammenrollt und somit einen spiralförmig gewundenen Hohlzylinder bildet. Außerdem wird u. a. vorgeschlagen, in diesen Nanoröhren Metall einzurollen, um damit elektrische Kabel herzustellen.
Es wird außerdem in der zweitgenannten Publikation erwähnt, dass das Verfahren auch mit einer einzelnen Schicht („Methode I”) durchgeführt werden kann, die ebenfalls eine innere Verspannung aufweisen kann, wobei dies jedoch im Unterschied zu der Zweifachschicht der Methode II nicht notwendigerweise der Fall sein muss. In diesem Fall findet lediglich ein Umklappen der Schicht nach deren Ablösung von dem Substrat statt, sodass keine besonderen Anforderungen an die Hilfsschicht zu stellen sind. Es kann im Prinzip jede beliebige Hilfsschicht verwendet werden, wenn man eine Opferschicht findet, die durch ein geeignetes selektives Ätzmedium unterhalb der Hilfsschicht selektiv geätzt werden kann.
Das Verfahren der Verwendung einer einzelnen Festkörperschicht als Hilfsschicht soll im folgenden als Methode I und das Verfahren der Verwendung einer Zweifachschicht als Hilfsschicht soll im folgenden als Methode II bezeichnet werden.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der Erfindung liegt die wesentliche gedankliche Weiterung zugrunde, demgemäß ein Abschnitt einer auf einem Substrat aufgebrachten Hilfsschicht auf geeignete Weise von dem Substrat abgelöst und dabei eine zuvor auf die Hilfsschicht aufgebrachte Leiterbahn eingerollt und auf solche Weise eine elektrische Spule hergestellt werden kann.
Der große Vorteil gegenüber den im Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren für elektrische Spulen besteht darin, dass der Wicklungsvorgang nicht etwa durch aufwendiges Mehrfachabscheiden verschiedener Spulenwindungen, sondern gleichsam wie von selbst durch Zurückbiegen der Hilfsschicht und gleichzeitig der auf ihr aufgebrachten Leiterbahn durchgeführt werden kann. Das Zurückbiegen tritt nach dem Ablösen der Hilfsschicht von dem Substrat in der bereits beschriebenen und an sich bekannten Weise auf. Mit der weitergehenden Ablösung immer weiterer Schichtabschnitte der Hilfsschicht von dem Substrat werden auch diese zurückgebogen und bereits abgelöste Schichtabschnitte werden weiterbewegt. Schließlich kommt es zu der Situation, dass die zuerst abgelöste Kante der Hilfsschicht auf sich selbst zurückgebogen wird.
Wie in der zweitgenannten Publikation gezeigt wurde, kann erreicht werden, dass die vordere, zuerst abgelöste Kante der Hilfsschicht in den Hohlzylinder geschoben wird, sodass damit nicht nur eine Wicklung vollendet werden kann, sondern durch fortgesetztes Ablösen der Hilfsschicht von dem Substrat das Aufrollen entsprechend fortgesetzt werden kann und somit mehrere Wicklungen erzeugt werden können. Der Spulendurchmesser kann wiederum durch Wahl der Schichtdicke der Hilfsschicht bestimmt werden, die gegebenenfalls durch ein Mehrfach-Schichtsystem gebildet sein kann. Es können somit wahlweise sogenannte Nanospulen mit Durchmessern von wenigen Nanometern oder Mikrospulen mit Durchmessern von wenigen Mikrometern hergestellt werden.
Das Ablösen der Hilfsschicht von dem Substrat kann wie an sich bekannt und bereits beschrieben dadurch bewirkt werden, dass vor der Abscheidung der Hilfsschicht eine Opferschicht auf das Substrat abgeschieden wird und die Opferschicht selektiv, etwa durch einen selektiven Ätzvorgang entfernt wird.
Die Hilfsschicht kann zum einen in der an sich bekannten Art durch ein Zwei- oder Mehrschichtensystem gebildet sein, bei welchem eine innere Verspannung dadurch hervorgerufen wird, dass die Gitterkonstante der untersten Schicht am größten ist und bei jeder weiteren abgeschiedenen Schicht immer kleiner wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Hilfsschicht kein definiertes Mehrschichtensystem, sondern eine aus einem Material homogen aufgebaute Hilfsschicht ist.
Es ist wünschenswert und vorteilhaft, wenn der Umklapp- oder Aufrollprozess infolge der Beschaffenheit der Hilfsschicht, d. h. ihrer Materialzusammensetzung und/oder Dicke nach einer bestimmten Zeit selbsttätig endet, sodass ein bestimmter Abschnitt der Hilfsschicht von dem Substrat abgelöst wird. Der Aufrollprozess setzt stets an einer sogenannten Startkante ein. Es existiert somit auch stets eine Stopkante, an der der Aufrollprozess selbsttätig endet und der durch die Anordnung vorher festgelegt werden kann. Auf diese Weise muss der Aufrollprozess nicht unbedingt durch Beendigung des selektiven Ätzens in Verfahrensschritt d. gestoppt werden.
Die abzulösende Hilfsschicht weist vorzugsweise in der Draufsicht eine rechteckige Form auf, bei der eine der Seitenkanten als Startkante festgelegt wird und die ihr gegenüberliegende Kante als Stopkante. Der Ablösevorgang beginnt somit an der Startkante, indem das darunter liegende Material der Opferschicht selektiv weggeätzt wird. Der Ätzvorgang kann isotrop, also etwa durch Nassätzung, erfolgen, da eine, auf eine gerade Kante einwirkende Ätzung in jedem Fall zu einem gleichmäßigen Ätzabtrag führt.
Auf einer derart geformten Hilfsschicht ist eine Leiterbahn durch Sputtern oder dergleichen derart aufzubringen, dass sie sich auf mindestens einem Abschnitt, vorzugsweise der gesamten Länge der Hilfsschicht von der Start- bis zur Stopkante derart erstreckt, dass sie überall eine Komponente in Richtung der Rollbewegung der Hilfsschicht Schicht aufweist. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leiterbahn bereits mit einem Winkel zur Rollbewegungsrichtung auf die Hilfsschicht aufgebracht wird. Beim Aufrollen wird in diesem Fall die Leiterbahn schraubenförmig gewickelt, sodass aufeinanderfolgende Windungen nicht in einer Ebene liegen und es nicht zu Kurzschlüssen und dergleichen kommen kann.
Die Leiterbahn kann an der Startkante der Hilfsschicht an einem Punkt beginnen und sich in einer geraden Linie von dort unter einem bestimmten Winkel bis zu der Stopkante der Hilfsschicht erstrecken. Der Winkel zwischen Leiterbahnrichtung und Rollbewegungsrichtung, die im allgemeinen senkrecht zur Start- bzw. Stopkante orientiert ist, kann auf den erwarteten Durchmesser der Nanoröhre abgestimmt werden.
Nach ihrer Herstellung muss die Spule elektrisch kontaktiert werden. Um dies zu erleichtern, können bereits bei der Präparation der entsprechenden Schichten geeignete Maßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann die Leiterbahn so auf die Hilfsschicht aufgebracht werden, dass über die Stopkante hinaus ein endseitiger Kontaktabschnitt erzeugt wird, der bei dem späteren Aufrollvorgang nicht mit eingerollt wird. Das eine Ende der Spule kann somit leicht durch konventionelles Bonden oder dergleichen elektrisch kontaktiert werden. Das andere Ende der Leiterbahn liegt im allgemeinen nach dem Aufrollvorgang im Inneren der Spule und ist somit nicht so leicht zugänglich. Die elektrische Kontaktierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass auf ein stirnseitiges Ende der Nanoröhre ein Tropfen leitendes Material gegeben wird, welches durch die Kapillarwirkung der Nanoröhre in diese hineingezogen wird und somit den elektrischen Kontakt nach außen herstellt. Dies kann zusätzlich dadurch erleichtert werden, indem an der Startkante, an der die Leiterbahn beginnt, eine entlang der Startkante verlaufende Kontaktleiterbahn erzeugt wird. Nach dem Aufrollvorgang ist somit die Kontaktleiterbahn bis zu beiden stirnseitigen Enden der Nanoröhre geführt und es kann leicht durch flüssiges leitfähiges Material ein elektrischer Kontakt zwischen der Kontaktleiterbahn und einem äußeren Anschluss hergestellt werden.
Die Kontaktleiterbahn kann gleichzeitig als ferromagnetische Spulenfüllung dienen. Gewünschtenfalls kann jedoch zusätzlich oder stattdessen das gesamte Spuleninnere mit einem ferromagnetischen und elektrisch leitfähigen Material ausgefüllt werden.
Beim Herstellungsprozess können die Spulen sowohl von innen nach außen, d. h. aufeinander zu als auch von außen nach innen, d. h. voneinander weg gerollt werden.
Wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert, kann die Hilfsschicht aus einer Mehrzahl von Schichten, insbesondere aus zwei Schichten aufgebaut sein, welche von innen nach außen abnehmende Gitterkonstanten aufweisen. Es kann sich bei der Hilfsschicht jedoch auch um eine einzelne in sich homogene Materialschicht handeln.
Wie ebenfalls im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurde, kann die Leiterbahn innerhalb der Mikrospule zu einer in einer Ebene liegenden Spirale oder zu einer schraubenförmigen Spirale aufgewickelt sein. Durch letztere Ausführungsform wird die Gefahr von Kurzschlüssen oder Durchbrüchen zwischen benachbarten Spulenwindungen vermindert.
Im Spuleninneren weist die Hilfsschicht eine Stirnkante auf, welche der bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens definierten Startkante entspricht. Die Leiterbahn beginnt vorzugsweise an dieser Stirnkante und verläuft dann spiralförmig in der beschriebenen Weise zusammen mit der Hilfsschicht, auf der sie aufgebracht ist. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Leiterbahn an der Stirnkante mit einer Kontaktleiterbahn verbunden ist, welche parallel zur Stirnkante an eine oder beide Spulenenden geführt ist, um dort mit einem äußeren elektrischen Kontakt verbunden zu werden.
Das Spuleninnere kann noch zusätzlich zu dieser Kontaktleiterbahn aus Gründen der Steigerung des magnetischen Flusses mit einem ferromagnetischen Material gefüllt sein.
Der Mikrokondensator kann auch als Zylinderkondensator ausgebildet sein, indem die Hilfsschicht in mehreren Windungen zusammengerollt ist und auf ihrem innen liegenden Ende eine erste Leiterschicht aufgebracht ist und ihr außen liegendes Ende mit einer zweiten Leiterschicht verbunden ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a–c die einzelnen nicht zur Erfindung gehörigen Stadien beim Ablösen und Zusammenrollen einer verspannten Schicht von einem Substrat;
2 eine Ansicht der nicht zur Erfindung gehörigen fertiggestellten Spule;
3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer verspannten Schicht und einer auf ihr abgeschiedenen Leiterbahn vor dem Ablösen;
4a eine nicht zur Erfindung gehörige erste Ausführungsart der Herstellung eines Mikrotransformators;
4b eine nicht zur Erfindung gehörige zweite Ausführungsart der Herstellung eines Mikrotransformators.
5a Hilfsschicht mit aufgebrachten Leiterschichten für die Herstellung eines nicht zur Erfindung gehörigen Mikrokondensators (Plattenkondensator) nach Methode I;
5b eine Seitenansicht des gemäß 5a fertiggestellten Mikrokondensators;
6a, b Seitenansichten von nicht zur Erfindung gehörigen nach Methode II hergestellten Mikrokondensatoren;
7a Hilfsschicht mit aufgebrachten Leiterschichten für die Herstellung eines nicht zur Erfindung gehörigen Mikrokondensators (Zylinderkondensator) nach Methode II;
7b eine Seitenansicht des gemäß 5a fertiggestellten Mikrokondensators;
8 Seitenansicht eines weiteren nicht zur Erfindung gehörigen nach Methode II hergestellten Mikrokondensators (Zylinderkondensator).
Gemäß 1a wird entsprechend der bereits einleitend erläuterten Methode II auf einem Si-Substrat 1 zunächst eine Ge-Opferschicht 2 aufgebracht. Auf diese erfolgt dann die Abscheidung einer Doppelschicht 3 aus einer unteren Schicht 3a und einer oberen Schicht 3b, wobei die untere Schicht 3a eine größere Gitterkonstante als die obere Schicht 3b aufweist. Die untere Schicht 3a kann eine SiGe-Schicht mit einem relativen Überschuss an Ge sein, während die obere Schicht 3b eine ebensolche SiGe-Schicht mit einem relativen Überschuss an Si sein kann.
Auf der oberen Schicht 3b der Doppelschicht 3 ist eine metallische Leiterbahn 4 aufgebracht, die beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer hergestellt sein kann und durch einen lithographischen Prozess und Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht sein kann. Die Leiterbahn 4 erstreckt sich in dieser Ausführungsform parallel zu den Seitenkanten der Doppelschicht 3 und somit parallel zur Rollbewegungsrichtung der abzulösenden Doppelschicht 3. An der Startkante der Doppelschicht 3 ist zusätzlich eine Kontaktierungsbahn 4a geformt, die mit der Leiterbahn 4 verbunden ist und die dazu dient, nach Fertigstellung der Mikrospule einen elektrischen Kontakt mit dem inneren Ende der Leiterbahn 4 herzustellen.
Das selektive Ätzen der Ge-Opferschicht führt dazu, dass die Doppelschicht 3 abgelöst wird und sich wie beschrieben aufgrund ihrer internen Gitterfehlanpassung und der daraus resultierenden Kräfte vom Substrat 1 weggerichtet verbiegt (1b).
In 1c ist der Moment erreicht, in dem die zurückgebogene Doppelschicht 3 auf sich selbst zurückgebogen wird und infolge des Ablösens weiterer Schichtabschnitte in den von ihr selbst bereits gebildeten Hohlzylinder geschoben wird. Die Doppelschicht 3 wird somit mit der auf ihr aufgebrachten Leiterbahn 4 zusammengerollt. Eine Fortsetzung des Ablöseprozesses führt zu einem weiteren Zusammenrollen und somit zur Erzeugung weiterer Windungen der Doppelschicht 3 und der Leiterbahn 4 in dem Hohlzylinder, wenn die Länge der abgeschiedenen Leiterbahn 4 ausreicht und/oder der Durchmesser der Mikrospule klein genug ist. Letzteres kann durch Wahl der Schichtdicke der Doppelschicht 3 und durch die Stärke der Gitterfehlanpassung und somit die Stärke der Verspannung der Doppelschicht 3 erreicht werden.
Das Aufrollen wird beendet bis ein äußerer Kontaktabschnitt 4b der Leiterbahn 4 erreicht ist. Dieser dient der späteren elektrischen Kontaktierung der Mikrospule und wird nicht eingerollt.
In der 2 ist die fertiggestellte Mikrospule nochmals aus einer anderen Perspektive dargestellt. Im Hintergrund ist die Startkante 13a der Doppelschicht 3 dargestellt. Am linksseitigen Ende der Mikrospule ist ein Ende der Kontaktleiterbahn 4a zu sehen, welches durch flüssiges Leitermaterial nach außen kontaktiert werden kann. Rechts unten ist der Kontaktabschnitt 4b zu sehen, der durch konventionelles Bonden kontaktiert werden kann.
Bezugnehmend auf 3 wird eine erfindungsgemäße Ausführungsart der Herstellung einer Mikrospule beschrieben. In 3 ist eine auf einem Substrat 1 abgeschiedene verspannte und aufzurollende Schicht 3 in einer Draufsicht dargestellt. Die Schicht 3 wird in Form eines Rechtecks auf das Substrat 1 aufgebracht und weist eine Startkante 13a und eine Stopkante 13b auf. Auf der Schicht 3 wird die Leiterbahn 4 abgeschieden, die mit einer an der Startkante 3a verlaufenden Kontaktleiterbahn 4a verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich die Leiterbahn 4 nicht senkrecht zur Startkante 3a, sondern mit einem Winkel φ.
In 4a, b sind schließlich noch zwei verschiedene Ausführungsformen von nicht zur Erfindung gehörige hergestellten Mikrotransformatoren dargestellt. Diese bestehen jeweils aus zwei gegenüberliegenden Mikrospulen, die in zwei gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Rollprozessen aufgerollt werden.
Gemäß 4a werden ausgehend von einer gemeinsamen Startkante 13a zwei Spulen 10, 20 durch zwei Rollprozesse erzeugt, bei denen das Aufrollen der Spulen voneinander weg gerichtet ist. Anschließend werden die Spulen 10, 20 jeweils mit einem ferromagnetischen Material 15, 25 gefüllt. Anders als bei konventionellen Transformatoren kann der ferromagnetische Kern nicht durchgängig geformt sein, da er im vorliegenden Fall gleichzeitig den inneren elektrischen Kontakt der Spulen 10, 20 darstellt oder zumindest mit den inneren Enden der Spulen 10, 20 elektrisch verbunden ist. Wenn es nicht gelingt, die durch die ferromagnetischen Materialien gebildeten Spulenkerne beider Spulen von den jeweiligen Leiterbahnen elektrisch zu isolieren, so müssen die ferromagnetischen Materialien 15, 25 der Spulen 10, 20 daher elektrisch voneinander isoliert sein. In den 4a, b ist dies durch Spalte zwischen den ferromagnetischen Materialien 15 und 25 dargestellt.
Gemäß 4b wird der Mikrotransformator dadurch hergestellt, dass die Spulen 10, 20 ausgehend von jeweils eigenen Startkanten 13a, 23a aufeinander zu gerollt werden.
Alternativ zu dem bezüglich der beschriebenen Ausführungsbeispiele genannten Materialsystem, kann auch ein auf GaAs basierendes Materialsystem zum Einsatz kommen. Hierbei kann das Substrat durch GaAs gebildet sein. Die Opferschicht kann aus AlAs hergestellt werden. Die verspannte Schicht kann eine Doppelschicht sein, in der die zwei Einzelschichten jeweils durch InGaAs gebildet sind, wobei die untere Schicht einen relativen Überschuss der zusammengesetzten Komponente InAs aufweist und die obere Schicht einen relativen Überschuss der zusammengesetzten Komponente GaAs aufweist. Dadurch wird auch in diesem Ausführungsbeispiel sichergestellt, dass die untere Schicht eine höhere Gitterkonstante als die obere Schicht aufweist.
Gemäß 5a, b wird nach der einleitend bereits erläuterten Methode I ein Mikrokondensator hergestellt. In 5a ist zunächst die auf einem Substrat und einer Opferschicht aufgebrachte Hilfsschicht 3 in einer Draufsicht gezeigt. Auf diese Hilfsschicht 3 werden Leiterschichten 14a und 14b aufgebracht, die die späteren Kondensatorelektroden bilden sollen. Am linken Rand der Hilfsschicht 3 in 5a befindet sich die Startkante 13a. Die Anordnung der Leiterschichten, insbesondere deren Abstand voneinander und der Abstand der Leiterschicht 14a von der Startkante 13a, ist derart, dass nur die Leiterschicht 14a von der sich ablösenden Hilfsschicht 3 mitgeführt wird, nicht jedoch die Leiterschicht 14b. Zwischen beiden befindet sich die Knickkante 13c.
Der Ablösevorgang wird solange durchgeführt, bis die Hilfsschicht 3 umgeklappt ist, wie in 5b dargestellt ist. In diesem Endzustand sind die Leiterschichten 14a und 14b gegenüberliegend angeordnet und können somit die Elektroden eines Plattenkondensators darstellen.
Die Kontaktierung des solchermaßen hergestellten Mikrokondensators kann so erfolgen, dass die stationäre Leiterschicht 14b mit Kontaktabschnitten 14c versehen wird, die bereits vor dem Umklappprozess in einem Arbeitsschritt zusammen mit der Leiterschicht 14b aufgebracht werden, wie in 5a dargestellt ist. Diese Kontaktabschnitte 14b befinden sich vorzugsweise außerhalb der Hilfsschicht 3 und können durch konventionelles Bonden elektrisch kontaktiert werden. Die andere Leiterschicht 14b kann dagegen durch eine auf die umgeklappte Hilfsschicht 3 aufgebrachte Kontaktierungsschicht 14d elektrisch kontaktiert werden, die mit der Leiterschicht 14b einen elektrischen Tunnelkontakt durch die extrem dünne Hilfsschicht 3 hindurch bildet.
Der Mikrokondensator kann vor oder nach dem elektrischen Kontaktieren mit einem Dielektrikum gefüllt werden und mittels Drücken auf die Kondensatorenden verschlossen werden. Die aufeinandergedrückten Schichten bonden dann automatisch zusammen.
In 6a, b sind zweifertiggestellte Mikrokondensatoren in einer Seiten- bzw. Querschnittsansicht dargestellt, die durch Methode II hergestellt wurden. Die Dicke der in diesem Fall durch eine Zweifachschicht gebildeten Hilfsschicht 3 und die relative Anordnung der Leiterschichten sind in beiden Fällen derart unterschiedlich gewählt, dass im Fall der 6a die Leiterschicht 14b beim Herstellungsprozess stationär bleibt, während sie im Fall der 6b wie die Leiterschicht 14a mit der sich aufrollenden Hilfsschicht 3 mitgeführt wird. Die elektrische Kontaktierung kann auch hier bei den sich auf einem Umfangsabschnitt der aufgerollten Hilfsschicht 3 befindenden Leiterschichten durch von außen aufgebrachte metallische Kontaktierungsschichten erbracht werden.
Gemäß 7a, b wird nach der Methode II ein Mikrokondensator in der Form eines Zylinderkondensators hergestellt. In 7a ist zunächst die auf einem Substrat und einer Opferschicht aufgebrachte Hilfsschicht 3 in einer Draufsicht gezeigt. Auf diese Hilfsschicht 3 werden Leiterschichten 14a und 14b aufgebracht, die die späteren Kondensatorelektroden bilden sollen. Am linken Rand der Hilfsschicht 3 in 7a befindet sich die Startkante 13a. Der Aufrollvorgang beginnt bei der Leiterschicht 14a und diese wird eingerollt und von mehreren Lagen der Hilfsschicht 3 umwickelt, bis schließlich die Leiterschicht 14b erreicht wird, die bis auf einen äußeren Kontaktabschnitt 14c ebenfalls eingerollt wird. Der Zylinderkondensator wird somit zwischen der auf einer äußeren Zylinderfläche liegenden Leiterschicht 14b und der auf einer inneren liegenden Zylinderfläche liegenden Leiterschicht 14a gebildet und das Dielektrikum wird durch zusammengerolltes Material der Hilfsschicht 3 gebildet.
Die elektrische Kontaktierung der inneren Leiterschicht 14a kann durch das bereits im Zusammenhang mit der Herstellung von Mikrospulen beschriebene Kapillarverfahren herbeigeführt werden, während die äußere Leiterschicht 14b an ihrem Kontaktierungsabschnitt durch konventionelles Bonden kontaktiert werden kann.
In der 8 ist schließlich noch ein weiterer durch ein nicht zur Erfindung gehöriges Verfahren hergestellter Zylinderkondensator dargestellt. Dieser wird dadurch hergestellt, dass auf die Hilfsschicht anfänglich nur eine Leiterschicht 14a nahe einer Startkante aufgebracht wird und diese Leiterschicht durch Methode II eingerollt und von mehreren Lagen der Hilfsschicht umwickelt wird. Diese Leiterschicht bildet die innere Elektrode des herzustellenden Zylinderkondensators und kann wie bereits erwähnt durch das Kapillarverfahren elektrisch kontaktiert werden. Nach dem Aufrollvorgang wird dann eine äußere Leiterschicht 14b auf die aufgerollte Hilfsschicht 3 beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht, die die zweite Kondensatorelektrode bildet und durch konventionelles Bonden elektrisch kontaktiert werden kann.
Bezüglich des Aufbaus der Hilfsschicht, der Opferschicht und des Substrats und anderer den Umklapp- oder Aufrollprozess betreffender Merkmale gelten für Mikrokondensatoren dieselben Ausführungen und Merkmale wie für die weiter oben behandelten Mikrospulen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule, das die Verfahrensschritte aufweist: a. Aufbringen einer Opferschicht (2) auf ein Substrat (1), b. Aufbringen einer Hilfsschicht (3), die eine innere Verspannung aufweist, auf die Opferschicht (2), c. Aufbringen einer Leiterbahn (4) auf die Hilfsschicht (3), d. Ablösen der Hilfsschicht (3) von dem Substrat (1) durch selektives Entfernen der Opferschicht (2), wobei die Hilfsschicht (3) und die auf die Hilfsschicht (3) aufgebrachte Leiterbahn (4) eingerollt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (4) derart auf die Hilfsschicht (3) aufgebracht wird, dass sie sich in einem derartigen Winkel zur Richtung der Rollbewegung erstreckt, dass die Leiterbahn (4) beim Aufrollen schraubenförmig gewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – im Verfahrensschritt b. die Hilfsschicht (3) in Form einer Mehrzahl von Schichten, insbesondere zwei Schichten (3a, 3b), auf die Opferschicht (2) aufgebracht wird, deren Gitterkonstante in der Reihenfolge der Abscheidung abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – im Verfahrensschritt b. eine einzige homogene Hilfsschicht auf die Opferschicht (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Hilfsschicht (3) derart auf die Opferschicht (2) aufgebracht wird, dass sie eine Startkante (13a) und eine gegenüberliegende Stopkante (13b) aufweist, und – im Verfahrensschritt d. das selektive Ätzen der Opferschicht (2) derart durchgeführt wird, dass es an dem unterhalb der Startkante (13a) der Hilfsschicht (3) liegenden Abschnitt der Opferschicht (2) einsetzt, und – der Ablöseprozess an der Stopkante (13b) infolge der Beschaffenheit der Hilfsschicht (3), insbesondere ihrer Materialzusammensetzung und/oder Dicke und/oder Abstand zwischen Startkante (13a) und Stopkante (13b) endet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Leiterbahn (4) derart auf die Hilfsschicht (3) aufgebracht wird, dass sie sich im wesentlichen bis zu einem Seitenrand der Hilfsschicht (3), insbesondere bis zu einem die Start- und die Stopkante (13a, 13b) miteinander verbindenden Seitenrand der Hilfsschicht (3) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Leiterbahn (4) im Verfahrensschritt d. bis auf einen endseitigen Kontaktabschnitt (4b) infolge des selektiven Ätzens eingerollt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – nach dem Verfahrensschritt d. die Mikrospule dadurch elektrisch kontaktiert wird, dass – ein elektrischer Kontakt zwischen dem innen liegenden Ende der aufgerollten Leiterbahn (4) und einem äußeren Kontakt durch Einbringen von leitfähigem, insbesondere flüssigem Material hergestellt wird, und – der endseitige Kontaktabschnitt (4b) kontaktiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – in das Innere der Mikrospule nach ihrer Herstellung ein ferromagnetisches Material (15, 25) eingeführt oder während der Herstellung mit eingerollt wird.
Mikrospule mit einem zylindrischen Körper, welcher dadurch gebildet ist, dass eine Hilfsschicht (3) mit einer darauf abgeschiedenen Leiterbahn (4) spiralförmig in einer oder mehreren Windungen zusammengerollt ist, wobei die Leiterbahn in einem derartigen Winkel gegenüber der Rollrichtung auf der Hilfsschicht (3) aufgebracht ist, dass sie eine schraubenförmige Spirale bildet.
Mikrospule nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschicht (3) aus einer Mehrzahl von Schichten, insbesondere zwei Schichten (3a, 3b), aufgebaut ist, welche von innen nach außen abnehmende Gitterkonstante aufweisen.
Mikrospule nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (4) an der spuleninnenseitigen Kante der Hilfsschicht (3) an eine der Stirnflächen der Spule geführt ist.
Mikrospule nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (4) einen außerhalb des zylindrischen Körpers liegenden endseitigen Kontaktabschnitt (4b) aufweist.
Mikrospule nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass – in das Spuleninnere ein ferromagnetisches Material (15, 25) eingefüllt ist.
Mikrospule nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass – der zylindrische Körper einen Durchmesser von weniger als 1 μm, insbesondere weniger als 500 nm, insbesondere zwischen 50 und 250 nm aufweist.