DE60203021T2

DE60203021T2 - Mikroeinstellbarer kondensator (mems) mit weitem variationsbereich und niedriger betätigungsspannung

Info

Publication number: DE60203021T2
Application number: DE60203021T
Authority: DE
Inventors: Philippe Robert
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: FR2831705B1; EP1438728A2; DE60203021D1; EP1438728B1; WO2003036668A3; US20040257745A1; WO2003036668A2; FR2831705A1; US7031137B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen variablen Mikrokondensator mit einem großen Bereich zwischen Maximal- und Minimalkapazität und einer niedrigen Betätigungsspannung.
Die Erfindung betrifft also das Gebiet der passiven Mikrobauteile, der MEMS (für Micro-Electro-Mechanical-Systems) und der Hochfrequenz.
STAND DER TECHNIK
Die variablen Mikrokondensatoren, die in der Mobiltelephonie benutzt werden, müssen den folgenden Charakteristiken entsprechen:

– Kapazitätsänderungsbereich: Idealerweise von 0,5 bis 5 pF, also ein Maximal/Minimalkapazitätsverhältnis von wenigstens 10;
– Versorgungsspannung unter 5 V;
– Qualitätsfaktor: Q = 1/RCω über 30;
– Abmessungen unter 0,05 mm²;
– möglichst lineare Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von der Steuerspannung.

Auf dem Gebiet der Mikroelektronik sind die konventionellen variablen Mikrokondensatoren aus Silicium oder aus AsGa, wobei entweder pn-Übergangsstrukturen oder Schottky-Barriere-Übergänge benutzt werden. Diese Bauteile haben den Nachteil, einen Variationsbereich unter 30% (Verhältnis von Maximalkapazität zu Minimalkapazität gleich 1,3), hohe resistive Verluste und folglich einen geringen Qualitätsfaktor (typisch unter 10) zu haben.
Die variablen Mikrokondensatoren des Typs MEMS haben aufgrund ihrer Konzeption und ihres Funktionsprinzips einen höheren Qualitätsfaktor als die konventionellen Mikrokondensatoren, typisch höher als 30. Man kann sie in zwei Kategorien einteilen: die, bei denen die Kapazitätsveränderung auf einer Spaltänderung beruht, und die, bei denen die Kapazitätsveränderung auf einer Oberflächenänderung beruht.
Die variablen MEMS-Mikrokondensatoren des Spaltänderungstyps werden beschrieben in dem Artikel "A Micromachine-Based Low Phase-Noise GHz Voltage-Controlled Oscillator for Wireless Communications" von Darrin J. Young et al., erschienen in Transducers'99, 7.–10. Juni 1999, Sendai, Japan, Seiten 1386–1389. Dies sind die meistbenutzten MEMS. Ein solches System umfasst eine auf einem Substrat angeordnete unbewegliche Elektrode und eine durch Träger bzw. Balken getragene Elektrode, die eine Feder bildet und der unbeweglichen Elektrode gegenübersteht. Die Verschiebung der beweglichen Elektrode erfolgt in der Richtung des Spalts. Der Spalt zwischen den beiden Elektroden kann angepasst werden durch die Anwendung einer Potentialdifferenz, was eine Kapazitätsveränderung bewirkt. Dieses System ermöglicht, für eine Kapazität, die zwischen 2,11 pF bei einer Potentialdifferenz null zwischen den Elektroden und 2,46 pF bei einer Potentialdiferenz von 5,5 V zwischen den Elektroden variiert, Abmessungen von 200 × 200 μm (also 0,04 mm²) zu erzielen.
Die Mikrokondensatoren mit Spaltänderung haben die in der Folge beschriebenen Nachteile. Aufgrund der Nicht-Linearität der elektrostatischen Kräfte muss die Spaltänderung auf ein Drittel des ursprünglichen bzw. anfänglichen Spalts begrenzt werden, um zu vermeiden, dass die bewegliche Elektrode auf der unbeweglichen Elektrode festklebt. Daraus resultiert nun theoretisch eine auf 50% beschränkte Kapazitätsveränderung. Um dieses Problem zu beseitigen und dabei dasselbe Funktionsprinzip aufrechtzuerhalten, kann eine thermische Wirkungsweise (fonctionnement thermique) vorgesehen werden, wie vorgeschlagen in dem Artikel "The realisation and design considerations of a flip-chip integrated MEMS tunable capacitot" von Kevin F. Harsh et al., erschienen in Sensors and Actuators 80 (2000), Seiten 108–118. Dieser Betätigungstyp führt jedoch in der Mehrzahl der Anwendungen zu einem exzessiven Verbrauch. Ein weiterer Nachteil dieser Mikrokondensatoren mit Spaltänderung besteht darin, dass die Kapazitätsveränderung nicht linear ist in Bezug auf die Steuerspannung. Zudem ist diese Art von Bauteil empfindlich gegenüber Beschleunigungen (unstabile Kapazität in Abhängigkeit von den Beschleunigungen).
Die variablen MEMS-Mikrokondensatoren des Oberflächenänderungstyps basieren auf der Benutzung eines Mikro-Betätigungselements mit verzahnten Kämmen. Das elektrostatische Betätigungselement wird benutzt, um eine kammförmige Struktur zu verschieben und so die Flächenüberdeckung jedes der Zähne des Mikrokondensators zu modifizieren.
Dieser Mirokondensator hat die in der Folge beschriebenen Nachteile. Er arbeitet klassisch zwischen 80 und 200 V. Zu diesem Thema konsultiere man den Artikel "RF MEMS from a device perspective" von J. Jason Yao, erschienen in Micromech. Microeng. 10 (2000) R9–R38. Die Oberfläche des Bauteils ist groß, typisch um 1 mm². Die Kapazitätswerte sind klein (ungefähr 30 bis 100 fF). Außerdem sind diese Bauteile auch empfindlich gegenüber Beschleunigungen und Stößen.
Die Dokumente US-A-6034 414 und EP-A-O 725 408 beschreiben variable Mikrokondensatoren des Typs MEMS, wo die Kapazitätsveränderung durch Veränderung des Abstands zwischen den Elektroden realisiert wird.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der variable MEMS-Kondensator nach der Erfindung ermöglicht, die Nachteile der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Die vorgeschlagene Struktur ist mit den Spaltänderungskondenstoren vergleichbar (Membran oder Träger bzw. Balken, aufgehängt über einer festen Elektrode), unterscheidet sich davon aber deutlich aufgrund ihrer Wirkungsweise. Während man nämlich bei den Kondensatoren nach dem Stand der Technik das Festkleben der verformbaren Elektrode auf der festen Elektrode verhindert, provoziert man im Falle der Erfindung ein lokalisiertes Kleben, wobei sich zwischen den beiden Elektroden eine dielektrische Schicht aus einem festen dielektrischen Material befindet, dieses Material aber eventuell in bestimmten Zonen fehlt. Es ist dann die Klebefläche, die in Abhängigkeit von der Steuerspannung die Kapazitätsveränderung bestimmt.
Die Erfindung hat also einen variablen MEMS-Mikrokondensator des Spaltänderungstyps zum Gegenstand, umfassend:

– wenigstens eine feste Elektrode, angeordnet auf einer Fläche eines Substrats,
– wenigstens eine verformbare Elektrode, der festen Elektrode gegenüberstehend,
– Einrichtungen die eine feste dielektrische Schicht bilden, eingefügt zwischen der festen und der verformbaren Elektrode,
– biegsame Einrichtungen, bezogen auf die genannte Fläche des Substrats, die genannte verformbare Elektrode umfassend und vorgesehen, die die dielektrische Schicht bildenden Einrichtungen einzuschließen zwischen der verformbaren Elektrode und der festen Elektrode, so dass man eine in Abhängigkeit von der angewendeten Biegekraft variable Oberfläche der die eingeschlossene dielektrische Schicht bildenden Einrichtungen erhält,
– Einrichtungen zur Anwendung einer Biegekraft auf die genannten biegsamen Einrichtungen, dazu bestimmt, die verformbare Elektrode in Bezug auf die feste Elektrode zu verschieben, um zwischen diesen Elektroden eine Kapazität zu erhalten, die in Abhängigkeit von der angewendeten Biegekraft variabel ist,

Die biegsamen Einrichtungen können ausgewählt werden zwischen einer Membran, einem mit einem seiner Enden befestigten Balken oder einem mit seinen beiden Enden befestigten Balken.
Die die dielektrische Schicht bildenden Einrichtungen werden ausgewählt unter einer kontinuierlichen Schicht aus festem dielektrischem Material, einer Schicht aus festem dielektrischem Material, die Löcher aufweist, und einer Gruppe von Elementen, die voneinander beabstandet sind. Diese Elemente können Klötzchen und/oder Streifen umfassen.
Die die feste dielektrische Schicht bildenden Einrichtungen können mit der festen Elektrode und/oder der verformbaren Elektrode verbunden sein.
Vorteilhafterweise ist das Substrat eine mit einer Siliciumoxidschicht überzogene Siliciumplatte. Die die dielektrische Schicht bildenden Einrichtungen können aus Si₃N₄ oder aus SiO₂ oder aus TaON sein.
Die biegsamen Einrichtungen können auch vorgesehen sein, um durch Kontakt einen Teil der die feste dielektrische Schicht bildenden Mittel zwischen der verformbaren Elektrode und der festen Elektrode vor der Anwendung einer Biegekraft einzuschließen.
Die Einrichtungen zur Anwendung einer Biegekraft können ausgewählt werden unter elektrostatischen Einrichtungen, elektromagnetischen Einrichtungen, thermischen Einrichtungen und piezoelektrischen Einrichtungen oder einer Kombination dieser Einrichtungen. Die Einrichtung zur Anwendung einer Biegkraft können thermische Einrichtungen umfassen, die den Bimetalleffekt nutzen. Diese thermischen Einrichtungen können wenigstens einen auf den biegsamen Einrichtungen angebrachten Heizwiderstand umfassen.
Die verformbare Elektrode kann die Biegeeinrichtungen bilden.
Wenn die Einrichtungen zur Anwendung einer Biegekraft elektrostatische Einrichtungen umfassen, können die ersten Einrichtungen zur Erlangung einer einem ersten Kapazitätswert entsprechenden Kontaktfläche der die dielektrische Schicht bildenden Einrichtungen durch die Elektroden zur Anwendung eines elektrischen Feldes gebildet werden, wobei die zweiten Einrichtungen zur Erlangung einer einem zweiten Kapazitätswert entsprechenden Kontaktfläche der die eingeschlossene feste dielektrische Schicht bildenden Einrichtungen durch Elektroden zur Anwendung eines elektrischen Feldes gebildet werden.
Vorteilhafterweise weist die genannte feste Elektrode und/oder die genannte verformbare Elektrode eine Ausbildung auf, die eine lineare Kapazitätsveränderung in Abhängigkeit von den Biegekraftanwendungseinrichtungen ermöglicht. Die genannte Ausbildung kann darin bestehen, einer Elektrode, gewählt zwischen der festen Elektrode und der verformbaren Elektrode, eine Breite zu verleihen, die an der Stelle eingeschränkt ist, wo die feste Elektrode und die verformbare Elektrode sich zunächst am nächsten sind, wobei die Breite dieser Elektrode in dem Maße zunimmt, wie sie sich von dieser Stelle entfernt, wobei die jeweils andere Elektrode eine konstante Breite aufweist. Wenn die Biegekraftanwendungseinrichtungen elektrostatische Einrichtungen umfassen, können diese elektrostatischen Einrichtungen wenigstens eine Elektrode umfassen, die sich an einer Stelle befindet, die aufgrund der genannten Ausbildung der Elektrode frei gelassen worden ist.
Die Biegeeinrichtungen können vom Multischicht-Typ sind.
Die Erfindung hat auch ein Verfahren zur Realisierung einer variablen Kapazität zwischen einer festen Elektrode und einer dieser festen Elektrode gegenüberstehenden verformbaren Elektrode zum Gegenstand, wobei eine feste dielektrische Schicht bildende Einrichtungen eingefügt sind zwischen der festen Elektrode und der verformbaren Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

– Einschließen einer ersten Fläche der die feste dielektrische Schicht bildenden Mittel durch Kontakt zwischen der festen Elektrode und der verformbaren Elektrode durch Verformung der verformbaren Elektrode, um einen ersten Kapazitätswert zu erhalten,
– Einschließen einer zweiten Fläche der die feste dielektrische Schicht bildenden Einrichtungen zwischen der festen Elektrode und der verformbaren Elektrode durch Verformung der verformbaren Elektrode, um einen zweiten Kapazitätswert zu erhalten.

Vorteilhafterweise realisiert man die Verformung der verformbaren Elektrode durch einen Effekt, der ausgewählt wird unter dem elektrostatischen Effekt, dem elektromagnetischen Effekt, dem thermischen Effekt, dem piezoelektrischen Effekt oder einer Kombination dieser Effekte.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung und andere Vorteile und Besonderheiten gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Beispiele hervor, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht:
die 1A ist eine schematische Draufsicht einer ersten Variante eines efindungsgemäßen Mikrokondensators,
die 1B ist eine Längsschnittansicht gemäß der Achse BB des variablen Mikrokondensators der 1A,
die 2 ist eine schematische Draufsicht einer zweiten Variante des efindungsgemäßen variablen Mikrokondensators,
die 3A und 3B sind Längsschnittansichten, welche die Wirkungsweise eines efindungsgemäßen variablen Mikrokondensators zeigen,
die 4 ist eine schematische Draufsicht einer dritten Variante des erfindungsgemäßen variablen Mikrokondensators,
die 5 ist eine schematische Draufsicht einer vierten Variante des erfindungsgemäßen variablen Mikrokondensators,
die 6A und 6B sind Längsschnittansichten, welche die Realisierung eines erfindungsgemäßen variablen Mikrokondensators, ausgehend von einem Siliciumsubstrat, zeigen,
die 7 ist ein Längsschnitt eines anderen erfindungsgemäßen variablen Mikrokondensators,
die 8 ist ein Längsschnitt von nochmals einem anderen erfindungsgemäßen variablen Mikrokondensators.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON REALSIERUNGSARTEN DER ERFINDUNG
Eine erste Variante eines erfindungsgemäßen variablen Mikrokondensators ist dargestellt in den 1A (Draufsicht) und 1B (Längsschnittansicht). Der Mikrokondensator auf einer isolierenden Fläche eines Substrats 1 hergestellt, in einer Vertiefung 2 dieses Substrats. Er umfasst eine feste oder untere Elektrode 3, angeordnet auf dem Boden der Vertiefung. Eine Schicht aus dielektrischem Material 4 ist auf der festen Elektrode 3 abgeschieden. Darüber und mit einem gewissen Abstand von der Schicht 4 aus dielektrischem Material ist eine verformbare oder obere Elektrode 5 abgeschieden, die mit ihren beiden Enden an dem Substrat 1 befestigt ist. Die Elektrode 5 umfasst einen Mittelteil, welcher der festen Elektrode 3 gegenübersteht, und beiderseits dieses Mittelteils zwei Seitenteile. Die Schicht aus dielektrischem Material 4 ermöglicht, jeden Kurzschluss zwischen der verformbaren Elektrode 5 und der festen Elektrode 3 zu vermeiden. Sie sichert dem Mikrokondensator eine kapazitive Funktion.
Zwei weitere Elektroden, mit 6 und 7 bezeichnet, sind beiderseits der festen Elektrode 3 auf dem Boden der Vertiefung 2 angeordnet. Jede der Elektroden 6 und 7 steht einem der Seitenteile der verformbaren Elektrode 5 gegenüber. Die Elektroden 6 und 7 und die Seitenteile der verformbaren Elektrode 5 dienen dazu, eine elektrostatische Anziehungskraft zu erzeugen, die dazu bestimmt ist, den Mittelteil der Elektrode 5 der festen Elektrode 3 anzunähern, bis zum Anschlag auf der Schicht 4 aus dielektrischem Material.
Die 2 zeigt in der Draufsicht eine zweite Variante eines efindungsgemäßen Mikrokondensators. Diese Variante ermöglicht, auf Elektroden oder Elektrodenteile zu verzichten, die seitlich überstehen. Die verformbare Elektrode 11 ist wie vorhergehend mit ihren beiden Enden an dem Substrat 10 befestigt. Sie wird durch einen einfachen Steifen gebildet. Auf dem Boden der Vertiefung und der verformbaren Elektrode 11 gegenüberstehend sind drei fluchtende Elektroden angeordnet, die Elektroden 12, 13 und 14. Die Elektrode 13 befindet sich in zentraler Position und erzeugt zusammen mit der verformbaren Elektrode 11 eine elektrostatische Anziehungskraft, die dazu bestimmt ist, den zentralen Teil der Elektrode 11 dem Boden der Vertiefung zu nähern. Man erhält variable Mikrokondensatoren einerseits zwischen einem Teil der verformbaren Elektrode 11 und der festen Elektrode 12 und andererseits zwischen der verformbaren Elektrode 11 und der festen Elektrode 14. Man kann einen einzigen variablen Mikrokondensator realisieren, indem man die Elektroden 12 und 14 miteinander verbindet.
Zwischen der verformbaren Elektrode 11 und den festen Elektroden 12, 13 und 14 befindet sich eine Schicht aus dielektrischem Material (in der 2 nicht dargestellt). Diese Schicht aus dielektrischem Material kann auf den festen Elektroden und/oder der verformbaren Elektrode angebracht werden.
Als Variante kann die untere Elektrode durch einen einfachen Streifen gebildet werden und die drei fluchtenden Elektroden können der unteren Elektrode gegenüberstehen. In diesem Fall sind diese drei Elektroden zum Beispiel auf der Unterseite eines Balkens oder einer Membran angeordnet.
Die 3A und 3B zeigen die Wirkungsweise eines efindungsgemäßen variablen Mikrokondensators, zum Beispiel des in den 1A und 1B dargestellten.
Bei Fehlen von Potentialdifferenz zwischen den Elektroden befindet sich der Mikrokondensator in der Stellung der 1B. Im Betrieb wird zwischen den Elektroden 6 und 7 einerseits und 5 andererseits eine entsprechende Gleichspannung V₁ erzeugt (s. 1A). Daraus resultiert eine elektrostatische Anziehungskraft, die den zentralen Teil der verformbaren Elektrode 5 auf die Schicht aus dielektrischem Material 4 drückt. Man erhält dann zwischen der verformbaren Elektrode 5 und der festen Elektrode 3 eine Anfangskapazität Co (s. 3A).
Das Erzeugen einer entsprechenden Gleichspannung V₂ zwischen der verformbaren Elektrode 5 und der festen Elektrode 3 erhöht die elektrostatische Anziehungskraft und drückt die verformbare Elektrode 5 noch mehr auf die Schicht aus dielektrischem Material 4. Man erhält dann zwischen der verformbaren Elektrode 5 und der festen Elektrode 3 eine Kapazität C > C₀.
Es gibt eine Relation, welche die Kapazität C mit der Spannung V₂ verknüpft. Diese Relation wird durch das Profil und die Verteilung der Elektroden des Mikrokondensators bestimmt.
Das Anschlagen der verformbaren Elektrode auf der Schicht 4 zur Herstellung einer Anfangskapazität kann auch anders als durch elektrostatische Kräfte erfolgen, nämlich durch elektromagnetische Kräfte, thermische Kräfte (mittels Bimetall) oder piezoelektrische Kräfte.
Die 4 zeigt eine weitere Variante des variablen Mikrokondensators, wo die Anfangskapazität aus der Wirkung eines Thermobimetalls, unterstützt von elektrostatischen Kräften, resultiert. In dieser Draufsicht bezeichnet das Bezugszeichen 20 das Substrat, das Bezugszeichen 21 bezeichnet die verformbare Elektrode in Form eines mit seinen Enden befestigten Trägers bzw. Balkens und das Bezugszeichen 21 bezeichnet die auf dem Boden der Vertiefung vorgesehene feste Elektrode. Die Schicht aus dielektrischem Material ist nicht dargestellt.
Die Heizwiderstände 23 sind auf der verformbaren Elektrode 21 in der Nähe ihrer Enden angeordnet. Das Fließen eines Stroms in den Heizwiderständen 23 bewirkt eine lokale Temperaturerhöhung, und einen Bimetalleffekt, der die Verformung der verformbaren Elektrode 21 bewirkt, um sie mit der dielektrischen Schicht 4 in Kontakt zu bringen. Sobald die verformbare Elektrode Kontakt hat, kann ihr Verformungszustand allein durch elektrostatische Kräfte aufrechterhalten werden, durch die Elektroden 21 und 22. Dies ermöglicht, einen exzessiven Stromverbrauch zu vermeiden. Diese elektrostatische Kraft kann eventuell während der Verformungs- und Kontaktherstellungsphase den Bimetalleffekt unterstützen.
Die Erfindung kombiniert mehrere interessante spezielle Vorteile. Ein erster Vorteil ist die Größe des Variationsbereichs der Kapazität. Dieser Bereich ist sehr groß, typisch von 0,5 bis 5 pF. Dieses Resultat erklärt sich aus der Tatsache, dass im Falle eines Balkens mit partiellem Kontakt eine sehr kleine Veränderung der Kontaktfläche genügt, um die Kapazität des Mikrokondensators wesentlich zu verändern. Tatsächlich hat die Kapazität folgenden Ausdruck: C = ε0·εr·S/dmit ε₀ als elektrischer Permittivität bzw. Dielektrizitätskonstanten des Vakuums, ε_r als Dielektrizitätskonstanten des Isolators, S als Kontaktfläche und d als Dicke des Isolators.
Im Falle der MEMS-Mikrokondensatoren nach dem Stand der Technik, ist Luft der Isolator (ε_r ist also 1) und d ist generell zwischen 0,5 und 2 μm enthalten. Im Falle eines erfindungsgemäßen Mikrokondensators wird die Kapazität hauptsächlich durch die Kontaktzone definiert, das heißt die Zone, wo im Falle von Siliciumnitrid ε_r = 7,5 ist und d ungefähr 0,15 μm beträgt. Es ist daher klar, dass die Auswirkung einer Vergrößerung der Kontaktfläche auf die Kapazität verstärkt wird durch den hohen Wert von ε_r und den niedrigen Wert von d.
Ein zweiter Vorteil resultiert aus dem niedrigen Wert der Betätigungsspannung der Vorrichtung (unter oder gleich 3 V). Man kann zu diesem Thema anmerken, dass der Kontakt bzw. das "Festkleben" der verformbaren Elektrode ermöglicht, die Haltespannung des verformten Balkens sehr stark zu reduzieren. Die Berechnungen zeigen zum Beispiel, dass im Falle eines Balkens, wo zur Kontaktherstellung also zur Verformung der verformbaren Elektrode ungefähr 10 V notwendig sind, anschließend weniger als 2 V genügen, um die verformte Elektrode in diesem Verformungszustand zu halten.
Ein dritter Vorteil resultiert aus der großen Stabilität der erhaltenen Kapazität. Der Wert der Kapazität wird nämlich im Wesentlichen durch den Kontakt zwischen der verformbaren Elektrode und dem Isolator definiert. In dieser Zone ist der Spalt fest und unabhängig von äußeren Störungen (Vibrationen, Stößen, Temperatur ...), was die Kapazität als Funktion der Zeit vollkommen stabil macht.
Ein vierter Vorteil besteht dann, dass die Realisierung des Mikrokondensators kompatibel ist mit den Herstellungsverfahren der Integrierten Schaltungen.
Ein fünfter Vorteil sind die kleinen Abmessungen des hergestellten Bauteils, typisch 350 μm × 50 μm, also weniger als 0,02 mm².
Ein sechster Vorteil besteht darin, dass das Gesetz der Veränderung der Kapazität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung durch eine einfache Neudefinition der Elektroden modfiziert werden kann. Dies kann anhand der in der 5 dargestellten Struktur erläutert werden.
Die 5 zeigt einen auf einem Substrat 30 basierenden Mikrokondensator. Das Substrat 30 trägt – über einer Vertiefung – die Enden einer balkenförmigen verformbaren Elektrode 31. Die verformbare Elektrode 31 umfasst – wie die Vorrichtung der 1A – einen Mittelteil und zwei Seitenteile. Auf dem Boden der Vertiefung sind fünf feste Elektroden angeordnet: die Elektroden 32 und 33, jede einem Seitenteil der Elektrode 31 gegenüberstehend, und die der verformbaren Elektrode 31 gegenüberstehenden Elektroden 34, 35 und 36. Eine nicht dargestellte Schicht aus dielektrischem Material befindet sich zwischen der verformbaren Elektrode 31 und den Elektroden 32 bis 36. Diese Schicht aus dielektrischem Material ist zum Beispiel auf den Elektroden 32 bis 36 abgeschieden. Die Elektroden 32 und 33 dienen der Kontaktherstellung zwischen der verformbaren Elektrode 31 und der dielektrischen Schicht, um einen Anfangskapazitätswert zu erhalten. Die Elektroden 35 und 36 dienen der Betätigung der verformbaren Elektrode 31 hinsichtlich der Erlangung eines erwünschten Kapazitätswerts. Die Elektrode 34 dient auch der Betätigung der verformbaren Elektrode 31. Sie dient außerdem der Definition der Nutzkapazität des Mikrokondensators.
Die der festen Elektrode 34 verliehene Kurvenform, deren Breite in der Mitte der Vorrichtung minimal ist, und das Vorhandensein der Betätigungselektroden 35 und 36 in der durch die Einschnürung der Elektrode 34 freigelassenen Zone, ermöglichen, die Kapazitätsveränderung in Abhängigkeit von der Nutzkapazitäts-Steuerspannung zu "linearisieren".
Die 6A bis 6E zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Mikrokondensators.
Die 6A zeigt ein Siliciumsubstrat 40, auf dem man durch thermische Oxidation eine Siliciumoxidschicht 41 mit 3 μm Dicke aufwachsen lässt.
Durch Lithographie und Ätzung wird in der Oxidschicht 41 eine Vertiefung 42 von 2 μm Tiefe hergestellt (s. 6B).
Auf dem Boden der Vertiefung 42 scheidet man eine Goldschicht 43 mit 1 μm Dicke ab (s. 6C). Durch Lithographie und Ätzung wird (werden) aufgrund bzw. in dieser Schicht 43 die feste(n) Elektrode(n) definiert. Eine Siliciumnitridschicht 44 mit 150 nm Dicke wird auf der festen Elektrode oder den festen Elektroden abgeschieden.
Die 6D zeigt, dass die Vertiefung ausgefüllt wurde mit einer Polymer-Opferschicht 45, zum Beispiel 1,5 μm dick. Die Opferschicht 45 wird planarisiert und auf der planarisierten Opferschicht 45 wird eine Aluminiumschicht 46 mit 2 μm Dicke abgeschieden. Durch Lithographie und Ätzung bestimmt man der verformbaren Elektrode zu verleihende balkenartige Form. Anschließend wird die Aluminiumschicht 46 geätzt, um die gewünschte Elektrode zu erhalten.
Anschließend wird die Opferschicht eliminiert, wie dargestellt in der 6E, und der in der Aluminiumschicht 46 realisierte Balken (das heißt die verformbare Elektrode) frei gemacht.
Die 7 ist eine Längsschnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen variablen Mikrokondensators im Ruhezustand. Der Mikrokondensator ist auf einer isolierenden Fläche eines Substrats 51 realisiert, in einer Vertiefung 52 dieses Substrats. Er umfasst eine feste oder untere Elektrode 53, angeordnet auf dem Boden der Vertiefung. Eine verformbare oder obere Elektrode 55 ist mit ihren beiden Enden an dem Substrat 51 befestigt. Die verformbare Elektrode 55 trägt auf ihrer der Innenseite der Struktur zugewandten Seite eine Schicht aus dielektrischem Material 54.
Der verformbare Teil des Mikrokondensators kann auch durch eine Multischicht gebildet werden, z. B. umfassend eine der Innenseite der Struktur zugewandte dielektrische Schicht (zum Beispiel aus Si₃N₄), die das Dielektrikum des Mikrokondensators bildet, eine leitende Schicht (zum Beispiel aus Gold), welche die verformbare Elektrode bildet, und eine der Außenseite der Struktur zugewandte Überzugsschicht (zum Beispiel aus SiO₂).
Die 8 ist wieder eine Längsschnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen variablen Mikrokondensators im Ruhezustand. Er ist auf einer isolierenden Fläche eines Substrats realisiert, in einer Vertiefung 62 dieses Substrats. Er umfasst eine feste oder untere Elektrode 63, angeordnet auf dem Boden der Vertiefung. Eine verformbare oder obere Elektrode 65 ist durch ihre beiden Enden an dem Substrat 61 befestigt. Die feste Elektrode 63 trägt eine bestimmte Anzahl Elemente 64 aus dielektrischem Material, zum Beispiel aus Si₃N₄. Diese Elemente 64 können Klötzchen von unterschiedlichster Form sein oder Streifen, ebenfalls von unterschiedlichster Form. Sie dienen insbesondere der Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Elektroden 63 und 65. Sie bilden zusammen mit dem sie umgebenden Gas (zum Beispiel Luft) das Dielektrikum des variablen Mikrokondensators. Sie können hergestellt werden, indem man zunächst eine kontinuierliche Schicht aus dielektrischem Material abscheidet und dann diese Schicht maskiert und ätzt.
Wie bei dem Mikrokondensator der 7 können die Elemente aus dielektrischem Material auf der der Innenseite der Struktur zugewandten Seite der verformbaren Elektrode befestigt werden.
Das Vorhandensein von dielektrischen Elementen anstatt einer durchgehenden Schicht hat den Vorteil, die Gefahr des Festklebens der verformbaren Elektrode auf dem Boden der Vertiefung zu begrenzen, wobei dieses Festkleben durch ein Phänomen des Einfangens von Ladungen bzw. Ladungsträgern durch das dielektrische Material oder durch Oberflächeneffekte verursacht werden kann.
Die erfindungsgemäßen variablen Mikrokondensatoren finden Anwendungen bei allen Komponenten mit variabler Kapazität. Man kann die Filter des Typs RLC, die rausch- bzw. geräuscharmen parametrischen Verstärker, die Oberschwingungsfrequenz-Generatoren, die Frequenzkontrollgeräte nennen.

Claims

Mikrokondensator des Typs MEMS mit durch Spaltveränderung variabler Kapazität, umfassend: – wenigstens eine feststehende Elektrode (3, 12, 14, 22, 34), angeordnet auf einer Fläche eines Substrats (1, 10, 20, 30), – wenigstens eine verformbare Elektrode (5, 11, 21, 31), der feststehenden Elektrode gegenüberstehend, – Mittel zur Bildung einer festen dielektrischen Schicht (4), eingefügt zwischen der feststehenden und der verformbaren Elektrode, – biegsame Einrichtungen, bezogen auf die genannte Fläche des Substrats, die genannte verformbare Elektrode umfassend und vorgesehen, die die dielektrische Schicht (4) bildenden Mittel einzuschließen zwischen der verformbaren Elektrode und der feststehenden Elektrode, so dass man eine in Abhängigkeit von der angewendeten Biegekraft variable Oberfläche der die eingeschlossene dielektrische Schicht bildenden Mittel erhält, – Einrichtungen zur Anwendung einer Biegekraft auf die genannten biegsamen Einrichtungen, dazu bestimmt, die verformbare Elektrode in Bezug auf die feststehende Elektrode zu verschieben, um zwischen diesen Elektroden eine Kapazität zu erhalten, die in Abhängigkeit von der angewendeten Biegekraft variabel ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Anwendung einer Biegkraft erste Einrichtungen umfassen, um eine Kontaktfläche der die eingeschlossene feste dielektrische Schicht (4) bildenden Mittel herzustellen, die einem ersten Kapazitätswert entspricht, sowie zweite Einrichtungen, um eine Kontaktfläche der die eingeschlossene feste dielektrische Schicht (4) bildenden Mittel herzustellen, die einem zweiten Kapazitätswert entspricht.
Mikrokondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die biegsamen Einrichtungen ausgewählt werden zwischen einer Membran, einem mit einem seiner Enden befestigten Balken oder einem mit seinen beiden Enden befestigten Balken.
Mikrokondensator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die dielektrische Schicht bildenden Mittel ausgewählt werden unter einer kontinuierlichen Schicht aus festem dielektrischem Material (4, 44, 54), einer Schicht aus festem dielektrischem Material, die Löcher aufweist, und einer Gruppe von Elementen (64), die voneinander getrennt sind.
Mikrokondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (64) Klötzchen und/oder Streifen umfassen.
Mikrokondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die feste dielektrische Schicht bildenden Mittel mit der feststehenden Elektroden und/oder der verformbaren Elektrode verbunden sind.
Mikrokondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine mit einer Siliciumoxidschicht (41) überzogene Siliciumplatte (40) ist.
Mikrokondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die dielektrische Schicht bildenden Mittel aus Si₃N₄ oder aus SiO₂ oder aus TaON sind.
Mikrokondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die biegsamen Einrichtungen vorgesehen sind, um durch Kontakt einen Teil der die feste dielektrische Schicht bildenden Mittel zwischen der verformbaren Elektrode und der feststehenden Elektrode vor der Anwendung einer Biegekraft einzuschließen.
Mikrokondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Anwendung einer Biegekraft ausgewählt werden unter elektrostatischen Einrichtungen, elektromagnetischen Einrichtungen, thermischen Einrichtungen und piezoelektrischen Einrichtungen oder einer Kombination dieser Einrichtungen.
Mikrokondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verformbare Elektrode (5) die biegsamen Einrichtungen bildet.
Mikrokondensator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Anwendung einer Biegkraft thermische Einrichtungen umfassen, die den Bimetalleffekt nutzen.
Mikrokondensator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Einrichtungen wenigstens einen auf den biegsamen Einrichtungen (21) angebrachten Heizwiderstand (23) umfassen.
Mikrokondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet – wobei die Einrichtungen zur Anwendung einer Biegekraft elektrostatische Einrichtungen umfassen -, dass die ersten Einrichtungen zur Erlangung einer einem ersten Kapazitätswert entsprechenden Kontaktfläche der die eingeschlossene feste dielektrische Schicht bildenden Mittel durch Elektroden (5, 6, 7) zur Anwendung eines elektrischen Feldes gebildet werden, und die zweiten Einrichtungen zur Erlangung einer einem zweiten Kapazitätswert entsprechenden Kontaktfläche der die eingeschlossene feste dielektrische Schicht bildenden Mittel durch Elektroden (3, 5) zur Anwendung eines elektrischen Feldes gebildet werden.
Mikrokondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte feststehende Elektrode (31) und/oder die genannte verformbare Elektrode (34) eine Ausbildung aufweisen, die eine lineare Kapazitätsveränderung in Abhängigkeit von den Biegekraftanwendungseinrichtungen ermöglicht.
Mikrokondensator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Ausbildung dann besteht, einer Elektrode (34), ausgewählt zwischen der feststehenden Elektrode und der verformbaren Elektrode, eine Breite zu verleihen, die an der Stelle eingeschränkt ist, wo die feststehende Elektrode und die verformbare Elektrode sich zunächst am nächsten sind, wobei die Breite dieser Elektrode (34) in dem Maße zunimmt, wie sie sich von dieser Stelle entfernt, wobei die jeweils andere Elektrode eine konstante Breite aufweist.
Mikrokondensator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegekraftanwendungseinrichtungen elektrostatische Einrichtungen umfassen, wobei diese elektrostatischen Einrichtungen wenigstens eine Elektrode (35, 36) umfassen, die sich an einer Stelle befindet, die durch die genannte Ausbildung der Elektrode (34) frei gelassen wird.
Mikrokondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeeinrichtungen vom Multischicht-Typ sind.
Verfahren zur Herstellung einer variablen Kapazität zwischen einer feststehenden Elektrode (3, 34, 43, 53, 63) und einer der feststehenden Elektrode gegenüberstehenden verformbaren Elektrode (5, 31, 46, 55, 65), wobei eine feste dielektrische Schicht (4, 44, 54, 64) bildende Mittel eingefügt sind zwischen der feststehenden Elektrode und der verformbaren Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Einschließen einer ersten Fläche der die feste dielektrische Schicht bildenden Mittel durch Kontakt zwischen der feststehenden Elektrode und der verformbaren Elektrode durch Verformung der verformbaren Elektrode, um einen ersten Kapazitätswert zu erhalten, – Einschließen einer zweiten Fläche der die feste dielektrische Schicht bildenden Mittel zwischen der feststehenden Elektrode und der verformbaren Elektrode durch Verformung der verformbaren Elektrode, um einen zweiten Kapazitätswert zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass man die Verformung der verformbaren Elektrode (5, 31, 46, 55, 56) durch einen Effekt bewirkt, der ausgewählt wird unter dem elektrostatischen Effekt, dem elektromagnetischen Effekt, dem thermischen Effekt, dem piezoelektrischen Effekt oder einer Kombination dieser Effekte.