CN116982134A - 封装的mems开关元件、设备和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电开关元件(1)，包括：多层的载体衬底(100)，该载体衬底具有用作载体层的第一层(110)、电绝缘的第二层(120)和被设计为半导体层的第三层(130)；能够偏转的弯曲元件(135)，该弯曲元件由半导体层(130)的暴露的部分区域形成；以及与载体衬底(100)连接的平面的盖衬底(200)，其中，载体衬底(100)并且特别是其载体层(110)在弯曲元件(135)的区域中具有凹空部(150)，并且其中，盖衬底(200)在弯曲元件(135)的区域中还具有凹空部(250)和/或围绕的间隔层(260)，使得整体上形成上级空腔(350)，在该上级空腔中，弯曲元件(135)能够偏转地布置，其中，上级空腔(350)被载体层(110)和盖衬底(200)限制为，使得上级空腔相对于外部环境密封地封装。此外，还涉及一种具有这种开关元件(1)的设备和一种用于制造这种开关元件(1)的方法。

Description

封装的MEMS开关元件、设备和制造方法

技术领域

本发明涉及一种微机电开关元件，其包括多层的载体衬底，该载体衬底具有用作载体层的第一层、电绝缘的第二层和被设计为半导体层的第三层。开关元件具有可偏转的弯曲元件，其由半导体层的暴露(freigestellt)的部分区域形成。此外，本发明涉及一种具有这种开关元件的设备以及一种用于制造这种开关元件的方法。

背景技术

现有技术中微机电开关元件原则上是已知的并且在本技术领域中也被称为MEMS开关元件。在此是机械固态开关元件，其在微米到纳米范围内构造，并包括静电驱动的弯曲元件，使得其可以通过改变电压来进行开关。多个这样的单独的MEMS开关通常被布置成阵列，特别是为了实现足够大的载流能力和/或介电强度。例如，在DE 10 2017 215 236 A1和WO 2018 028947A1中描述了这种MEMS开关和搭建在该MEMS开关上的开关设备。DE102017215236A1的主题是构造在绝缘体上硅衬底(Silicon-on-Insulator-Substrat，SOI衬底)上的MEMS开关。利用这种制造技术，由于成熟且可重复的制造过程，可以特别精确地设置预给定的开关时间。在此，弯曲元件借助减材制造暴露，其中，SOI衬底在两侧(顶部和底部)经过处理。在此，SOI衬底的载体层在弯曲梁的区域中从衬底的背侧完全去除，使得实现弯曲梁在垂直方向上的偏转。盖衬底通常布置在SOI衬底的前侧(具有弯曲元件的侧)上，其在弯曲梁的区域中也具有凹空部。用于开关过程的控制电极和一个或多个配合触头可以布置在盖衬底的该区域中。

这些已知的SOI-MEMS开关的缺点是，由于SOI衬底的处理，在制造期间从两侧相对容易发生有源硅层的损坏。另一个缺点是，由于暴露的背侧，弯曲元件最初没有受到保护以免于化学和机械环境影响。虽然原则上可以将这样的SOI-MEMS开关封装在上级壳体中。然而，为此需要进一步的制造步骤，并且制造相对较大的部件，这需要上级设备中的相应大的安装空间。

由现有技术还已知其他类型的MEMS开关元件，例如具有金属弯曲梁的MEMS开关元件。然而，通常，在该技术的情况下可以精确度更低地设置期望的预定开关特性。在此，通常也需要利用单独的壳体进行封装，以防止外部环境影响，这也导致相对较大的尺寸。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种克服上述缺点的开关元件。尤其应提供一种能够鲁棒地抵抗外部环境影响并且同时能够被设计得尽可能紧凑的开关元件。在此，尤其还应该能够尽可能精确地设置预给定的开关特性。另外的要解决的技术问题是，说明一种具有这种开关元件的设备以及一种用于制造这种开关元件的方法。

上述技术问题通过权利要求1所述的开关元件、权利要求8所述的设备以及权利要求12所述的制造方法来解决。

根据本发明的微机电开关元件包括多层的载体衬底，其具有用作载体层的第一层、电绝缘的第二层和被设计为半导体层的第三层。开关元件具有弯曲元件，其由半导体层(即第三层)的暴露的部分区域形成。此外，开关元件包括与多层的载体衬底连接的平面的盖衬底。在此，载体衬底、尤其载体衬底的载体层在弯曲元件的区域中具有凹空部。此外，盖衬底在弯曲元件的区域中还具有凹空部和/或围绕弯曲元件区域的间隔层，使得通过两个凹空部的共同作用或通过一个凹空部和该围绕的间隔层的共同作用整体上形成上级空腔，在该上级空腔中，弯曲元件可偏转地布置。该上级空腔被载体层和盖衬底限制为，使得该上级空腔相对于外部环境密封地封装。

在此，微机电开关元件应理解为利用微系统技术手段制造的开关元件。在此，术语“微系统技术”通常被理解为能够制造微小的机械有效部件的技术，该微小的机械有效部件能够执行运动，例如是开关或齿轮。从更广泛的意义上讲，术语“微系统技术”在此还应包括纳米系统技术，其能够实现亚微米到纳米范围内的相应结构。一般来说，在此通常采用由半导体制造原则上已知的技术。这种MEMS开关可以在玻璃、蓝宝石和/或半导体衬底(所谓的晶圆)上例如由硅或砷化镓制成。在此，MEMS开关元件的长度小于1mm，优选地小于500μm。在此，单个MEMS开关元件的最大结构元件通常是弯曲元件。该弯曲元件合适地以细长方式成形，以便以直板簧的方式实现所定义的反弹偏转。因此，在专业领域中，弯曲元件通常也被称为弯曲梁或开关舌。然而，原则上，其他形状和比例也是可能的。

通过将弯曲元件制造为(在层系统的顶部的)半导体层的暴露的部分区域实现，可以特别精确地设置弯曲元件的开关特性，类似于传统的SOI-MEMS开关元件的情况。

弯曲元件位于构件的上级空腔中，该上级空腔由两片平面的衬底组成，即多层载体衬底和盖衬底。在水平对齐的情况下，该空腔向“上”(在半导体层的侧上，即在载体衬底的第三层上)被盖衬底限制。空腔在顶部被盖衬底的外表面相对于环境密封地封装。类似地，空腔向“下”(到相对置的侧)被载体层相对于外部环境封装。为此，载体层被设计为在其下面的外侧上尤其全表面地连续并且至少在空腔的区域中不具有通向外部环境的通孔。此外，多层载体衬底和盖衬底彼此连接，使得在此在空腔周围也实现空腔向外的密封封装。

尤其通过以下方式实现弯曲元件在载体衬底的侧上的运动，即载体层在弯曲元件的区域中具有凹空部。重要的是，该凹空部不是贯穿的(即不穿透整个载体层)，而仅代表部分空穴。因此，该部分空穴是一种扁平盲孔，而不是向外贯穿的孔。换句话说，载体层仅被设计为在空腔区域中比围绕区域中薄，并且在外侧上仍然是全表面的。

与传统的SOI-MEMS开关元件相比，这里整体上通过仅两个衬底(即多层载体衬底和盖衬底)的连接来实现开关元件的有源区域的密封封装。本发明的主要优点在于，对于这种密封封装不需要附加的壳体或其他的(第三)衬底，而是封装已经通过在晶圆级上平面地连接的两个衬底实现。由此，整个结构可以以特别紧凑的方式实现。

根据本发明的设备具有根据本发明的开关元件或者多个作为子元件的这种根据本发明的开关元件的阵列。无论该设备的具体应用目的如何，其优点与根据本发明的开关元件的上述优点类似，特别是在保护免受环境影响、紧凑设计和/或对期望的开关特性的精确设置方面。

根据本发明的方法用于制造根据本发明的开关元件。在此，

a)在载体层中提供具有预制空穴的预制的多层载体衬底，

b)通过减材制造从该预制的载体衬底中暴露弯曲元件，和

c)在晶圆接合步骤中将盖衬底与载体衬底永久地连接，由此上级空腔被密封地封装。

所描述的弯曲元件的“暴露(Freistellen)”应被理解为至少在弯曲元件的纵向延伸的主要部分上去除在此邻接的半导体层的区域。

如上所述，第一载体层中的预制空穴应该是部分空穴，即不穿透到相对置的侧的孔。在预制的载体衬底中，平面地连续的半导体层尤其布置在该预制空穴之上。然后使弯曲元件从该平面地连续的半导体层中暴露，其中，整体上必须仅从顶侧(半导体层的侧)而不是从背侧处理多层载体衬底。这种具有埋入载体层中的部分空穴的预制载体衬底在现有技术中是已知的。作为SOI衬底的特殊变体，许多制造商以C-SOI衬底(用于腔绝缘体上硅衬底(Cavity-Silicon-on-Insulator-Substrate))的名称提供这些变体。相应地，具有多个这种空穴的C-SOI衬底也可以用于具有多个MEMS开关元件的阵列的制造，其中，然后尤其将每个空穴与至少一个暴露的弯曲元件相关联。

由于预制空穴，弯曲元件在步骤b)之前已经暴露于底侧，因为该空穴已经形成偏转所需的上级空腔的一部分。然后在步骤c)中通过借助晶圆接合步骤将载体衬底与盖衬底连接来实现作为整体形成的上级空腔的密封封装。因此，根据本发明的方法使得能够特别简单地制造根据本发明的开关元件，其中，在封装和紧凑设计方面实现已经描述的优点。在可选的进一步的步骤中(例如，在步骤b之前或之后)，还可以应用具有表面微机械技术的另外的元件并且在必要时进行结构化。

本发明的有利的设计方案和扩展方案由从属于权利要求1、8和12的权利要求以及以下描述显现。在此，所描述的开关元件、设备和制造方法的设计方案通常可以有利地彼此组合。

因此，弯曲元件的偏转方向可以有利地定向为基本上垂直于多层载体衬底的层平面。换句话说，在整体上平面地成形的构件的水平取向情况下，弯曲元件可以“向上”和“向下”偏转。利用板簧状地成形的弯曲元件，特别容易实现弯曲元件从层平面中向外的这种运动性。然后，弯曲元件的偏转可以在载体层中的凹空部的方向上进行，或者相反地在盖衬底中的凹空部的方向上或由围绕的间隔层形成的空穴的方向上进行。

根据本发明，多层载体衬底是绝缘体上硅层系统(Silicon-on-Insulator-Schichtsystem)或者包括这样的层系统。绝缘体上硅(缩写：SOI)层系统尤其包括硅-绝缘体-硅层序列，其中，载体层(层系统的第一层)由下硅层形成，第二层由绝缘体形成，第三层由上硅层形成。有利地，两个硅层之一并且特别优选两个硅层可以是单晶硅。优选地，绝缘体层基本上可以由二氧化硅层(SiO₂)形成。该绝缘体层尤其可以作为所谓的埋氧化层(“buried oxide”或简称BOX层)实现。本身已知的SOI技术使得能够特别精确地定义各个层的层厚度和其他材料特性。弯曲元件从其中暴露的半导体层尤其是典型SOI衬底的两个硅层中较薄的一层。弯曲元件与构件的其他区域的机械连接尤其可以通过SOI衬底的绝缘体层来获得。换句话说，弯曲元件可以在其脚部区域中通过绝缘体层耦接到开关元件的机械支撑部分。SOI层系统及其处理的这些和其他有利的特征和设计变型在DE102017215236A1中更详细地描述，因此其应整体包括在本申请的公开内容中。

然而，替换于上述SOI层序列，载体层也可以例如由蓝宝石层形成。

根据SOI-MEMS开关元件的特别优选的实施方式，载体衬底的凹空部包括载体层中的凹空部，并且该凹空部由SOI层系统中的预制空穴形成。换句话说，开关元件构造在空穴SOI晶圆(简称：C-SOI晶圆)上。根据该预制凹空部的第一替代方案，涉及下硅层中的部分空穴，并且埋氧化层在该区域中也中断。然而，根据第二替代方案，也可以涉及下硅层中的部分空穴，其在底部区域中衬有相应的氧化层。两种类型的C-SOI衬底都适合以相对较少的处理开销来提供弯曲元件运动所需的上级空腔，并且尽管如此仍然在晶圆层系统内实现向下的密封封装。

然而，使用具有预制空穴的C-SOI衬底不一定是必需的。因此，替换地，部分空穴也可以在开关元件的制造过程期间才在载体衬底中产生。在这种情况下，空穴尤其可以限于绝缘的第二层，并且载体层可以在整个厚度上得以保留。例如，可以通过氟化氢蚀刻来形成第二层(即埋氧化层)中的这种孔。用于弯曲元件的运动的空穴则相应地限于氧化层的厚度，并且可能深度更小。然而，这也足以满足开关过程中所需的垂直移动，特别是当盖衬底的区域中的相对置的空腔被设计为相对较深时。

通常有利的是，上级空腔在横向方向上的密封封装可以通过多层载体衬底和盖衬底之间的永久的、液密的、平面的连接来实现。换句话说，这两个衬底可以通过所谓的“晶圆接合”来连接。该永久连接尤其可以围绕上级空腔地实现，使得该空腔整体上向外密封地封装。从现有技术中已知多种用于这种晶圆接合步骤的方法。例如，可以使用金-硅接合或锗-铝接合或另外的类型的共晶接合。替换地，平面连接也可以通过玻璃料、通过阳极接合、通过热压接合、通过粘性接合和/或通过熔合接合来实现。

根据另一种通常有利的实施方式，盖衬底可以功能性地设计为电绝缘的盖衬底，并且尤其基本上由玻璃或硅形成。这应该理解为，玻璃或硅形成盖衬底的主要组成部分，并且在此不应排除附加的元件、特别是以局部涂层形式的附加元件。控制电极和附加接触元件尤其可以作为另外的元件施加在盖衬底的表面上。控制电极和/或接触元件尤其可以布置在盖衬底的面向弯曲元件的侧上。然而，在盖衬底的外侧上也可以存在例如以线路元件和/或接触元件和/或其他部件的形式的金属化。在盖衬底的两个主表面之间可以设置有电气贯通，特别是以所谓的通孔(Vias)的形式，其垂直于衬底表面地延伸穿过衬底，以便将顶侧和底侧上的元件电连接。然而，替换地，也可以使用由导电材料制成的盖衬底，其在面向弯曲元件的侧上涂覆有电绝缘层，使得纯功能性地形成电绝缘的盖衬底。这种电绝缘层例如可以是二氧化硅层或者聚合物层。

通常有利的是，在弯曲元件上可以布置有开关触头。该开关触头例如可以通过弯曲元件上的结构化的金属化来形成。可选地，弯曲元件还可以承载其他功能元件，因此其不必仅由所提及的半导体层组成。

此外，盖衬底可以承载第一配合触头，该第一配合触头可以依据弯曲元件的偏转而与弯曲元件的开关触头接触。当弯曲元件朝向盖衬底偏转并且在其端部区域中与该盖衬底接触时，可以在弯曲元件的开关触头和相对置地布置在盖衬底上的配合触头之间获得电接触。特别优选地，盖衬底甚至承载配合触头对，两个配合触头都可以与弯曲元件的开关触头接触。以这种方式，该配合触头对在朝向盖衬底偏转的位置中彼此电连接。这两个配合触头可以被设计为第一负载电路的所谓的负载触头。因此，负载电路可以借助开关触头闭合，并且开关元件在此处于“ON”位置。当开关触头和配合触头未连接时，开关元件处于“OFF”位置。

根据另一种通常有利的实施方式，盖衬底可以具有控制电极，利用该控制电极可以影响弯曲元件的偏转。该控制电极合适地放置在弯曲元件对面，并且可以在运行中向该控制电极施加开关电压。这种控制电极在现有技术中有时也称为栅电极。弯曲元件可以通过控制电极和弯曲元件之间的静电相互作用而偏转。例如，弯曲元件可以由于静电引力而在盖衬底的方向上运动，使得该弯曲元件在该偏转中导致在弯曲梁的接触元件和盖衬底的接触元件之间形成电接触。

一般而言，无论各个开关元件的具体设计如何，上级设备都可以具有根据本发明的多个开关元件的阵列。这样的阵列可以是多个这样的开关元件的并联连接和/或串联连接。与单个开关元件相比，多个开关元件的并联连接尤其可以用于提高整个设备的载流能力。与单个开关元件相比，多个开关元件的串联连接尤其可以用于提高介电强度。以这种方式，使用阵列可以有助于设备满足配电线路的断路器的规格，特别是在低压或中压网络中。阵列中的单个开关元件的数量在此可以与相应的规格一致。例如可以是几十到几千个开关元件，对于更高的功率范围甚至可以是几十万个开关元件。

根据该设备的另一种有利的实施方式，除了至少一个开关元件之外，该设备还可以包括与其电串联连接或电并联连接的一个或多个半导体元件。在此例如可以涉及晶体管或其他半导体开关元件，如在WO2018028947A1中描述的那样。在此，原则上，附加的半导体元件可以制造在与弯曲元件相同的衬底上，即单片集成，或者该附加的半导体元件原则上也可以制造在另外的衬底上并且事后才与开关元件连接。

上级设备可以被设计为用于非常不同的应用。因此，该上级设备例如可以被设计为开关设备或接触器、转换器或逆变器、逻辑电路和/或逻辑门。开关设备或接触器尤其可以是用于低压或中压网络的设备。一般而言，该设备还可以是可编程逻辑控制器，特别是用于工业装置的控制器。根据本发明的开关元件在此例如可以在这样的装置控制器的输入级、输出级和/或安全继电器中使用。

通常有利的是，该设备可以被设计为可表面安装的构件。换句话说，可以是SMD或SMT部件(SMD代表“表面贴装器件(Surface-mounted device)”，SMT代表“表面贴装技术(Surface-mounting technology)”)。为此，该设备可以在其至少一个衬底外侧的区域中设有可焊接的平面SMD接触点。

如果盖衬底和/或载体衬底具有用于电接触至少一个开关元件的一个或多个贯通，则与该实施变型结合是特别有利的。换句话说，可以设置所谓的“通孔”，其垂直于衬底表面地延伸穿过相应的衬底，以便将顶侧和底侧上的元件电连接。这样的通孔尤其被设计为，使得上级空腔的密封封装不会被该通孔破坏。从现有技术中已知不同的方法，利用这些方法可以在保持密封封装的情况下将这种通孔引导穿过例如玻璃或半导体衬底。

根据制造方法的一种有利的扩展方案，弯曲元件可以通过从绝缘体上硅层系统中进行减材制造来获得，如上面已经针对开关元件的相应实施方式进一步描述的那样。弯曲元件尤其可以通过SOI层系统的硅层的一部分的暴露来形成。该制造方法可以包括多个另外的可选的制造步骤，这些制造步骤尤其从MEMS和半导体处理中原则上是已知的。因此，例如可以设置附加的金属化步骤，例如以通过汽相渗镀、溅射或电沉积的涂层的形式。用于电极和/或接触元件的金属层例如可以包括金、铬或银或半导体制造中常见的其他金属，以及在那里相当不常见的金属和尤其贵金属。各个层的(完全的或部分的)去除例如可以通过蚀刻和/或机械/化学抛光和/或通过剥离工艺来进行。特别是蚀刻工艺，如氢氟酸化学蚀刻、反应离子蚀刻(RIE，“reactive ionetching”)或DRIE(“深度反应离子蚀刻(deep reactiveion etching)”)可以用于(部分)层的定义的去除。在此，可以通过常规的光刻结构化方法来实现精确的结构化。

根据该方法的一种特别优选的实施方式，步骤b)中的弯曲元件的减材制造通过仅在一侧上处理多层载体衬底来进行。特别优选地，仅进行预制载体衬底的一侧的处理。换句话说，此处避免了在背侧区域中的处理。这实现优点，即可以避免在上方半导体层(即多层载体衬底的第三层)的区域中的损坏。尤其通过使用预制的C-SOI衬底实现这种仅一侧的处理，因为借此可以实现用于弯曲元件的运动的足够大的空穴，而无需背侧的蚀刻。

附图说明

下面参考附图根据一些优选的实施例来描述本发明，在附图中：

图1示出了根据现有技术的开关元件的示意性截面图，

图2示出了另一种已知的开关元件的示意性俯视图，

图3示出了具有壳体的传统开关元件的示意性剖视图，

图4至图6示出了根据本发明的开关元件的制造中的多个过程阶段，

图7示出了用于制造根据本发明的开关元件的预制的载体衬底，和

图8示出了根据本发明的另一种示例的开关元件。

在附图中，相同或功能相同的元件设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了现有技术中已知的微机电开关元件1。该开关元件整体上类似于如在DE10 2017 215 236 A1中描述的那样地构造，但是为了清楚起见，在此以稍微简化的方式示出。开关元件具有绝缘体上硅层系统100，其在此包括第一硅层110、接着是埋氧化层120、接着是另外的硅层130。作为SOI层系统100的一部分的第二氧化层还可以附加地跟随层130或者至少在制造期间已经存在于此处。通过减材制造已经从上方的半导体层130中定义和暴露了弯曲元件135。弯曲元件的制造在此包括去除硅层130的围绕区域以及局部地去除邻接到弯曲元件135的层110和120的部分。因此，在此可以产生在厚度方向d上可偏转的弯曲元件135，类似于如在DE 10 2017 215 236A1中描述的那样。其他制造步骤也可以类似于DE10 2017 215 236 A1地执行。这里以稍微简化的方式设计或示出弯曲元件的脚部区域135a，其中，弯曲元件与SOI层系统的其余部分机械地连接。然而，替换于这种更简单的实现方式，脚部区域135a也可以类似于DE 10 2017 215 236 A1或尚未公开的欧洲专利申请20182568.4地设计。

该构件向上被盖衬底200覆盖，该盖衬底可以由例如玻璃形成。该盖衬底200例如可以通过晶圆接合步骤与SOI层系统100连接。在弯曲梁的区域中，盖衬底具有凹空部250，从而与层110和120中的开口150一起形成上级空腔350，弯曲元件135可以在该上级空腔中偏转。载体层110在此已经在开口150的区域中从衬底底侧中完全蚀刻掉，使得弯曲元件在此可以从下方示出的侧自由地够着。

为了引起弯曲元件的偏转，在盖衬底200上在弯曲元件135上方的区域中设置控制电极210。通过对控制电极210的电压施加，可以以静电的方式驱动弯曲元件的偏转。如果弯曲元件135在方向d上向上偏转，则其可以在其端部区域中与盖衬底接触到这样的程度，使得施加在弯曲元件135上的开关触头140和施加在弯曲元件135的凹空部中的配合触头240电连接。以这种方式，开关元件可以切换到“ON”并且相关联的负载电路可以利用开关元件1闭合。

所示的开关元件1可以作为上级设备的一部分存在，该上级设备尤其可以具有彼此类似的开关元件的阵列。这种MEMS阵列可以由相同的SOI衬底单片地构造。在这种情况下，图1中所示的区域应被理解为来自较大部件的截面，其中，横向层仍进一步向右和向左(并且当然也垂直于纸平面)延伸并且在这些空间方向上还可以包括其他类似地构造的开关元件。

图2示出了这种传统开关元件的示意性俯视图，该传统开关元件可以在其层顺序方面尤其以与图1的开关元件类似的方式构造。然而，在此，偏转方向r垂直于附图平面，并且SOI衬底100的元件和盖衬底200的元件被示出为一个在另一个之上。控制电极210和两个配合触头240的布置在盖衬底200上的金属化在此部分地覆盖下面的层。

在弯曲元件的脚部区域135a中，弯曲元件连接到SOI层系统100的其他层并且通过平面的晶圆连接与盖衬底200连接。在中心区域中，弯曲元件与盖衬底上的位于上面的控制电极210静电地相互作用，特别是当对该控制电极施加开关电压时。在端部区域中，弯曲元件承载开关触头140。在该示例中，在盖衬底上相对置地存在一对彼此相邻的配合触头240。当弯曲元件偏转时，这两个触头240与弯曲元件的开关触头140电连接并且还通过该开关触头彼此电连接，开关元件则处于接通位置(ON位置)。相反地，图1所示的基本位置(弯曲元件未偏转)对应于开关元件的关断位置(OFF位置)。

图3示出了类似的传统开关元件，然而，与图1的开关元件相比，该开关元件被壳体密封地封装，由此尤其开关元件135的区域被保护免于外部环境影响。内部结构整体上类似于图1，但是其中，盖衬底200在横向方向上比SOI衬底大并且相应地横向突出超过该SOI衬底。在该边缘区域中，盖衬底200通过围绕的连接310与帽状壳体盖300连接，该帽状壳体盖300例如被设计为玻璃盖。该围绕的连接310例如可以是密封地紧密的钎焊连接或焊接连接。在该示例中，弯曲元件在其中运动的上级空腔350相对于外部环境在整体上密封地封装，更确切地向上被盖衬底200密封并且向下被壳体盖300密封。因此，开关元件1整体上被保护免于由外部环境影响造成的损坏。然而，由于较宽的围绕边缘，具有两个衬底100、200和壳体盖300的结构在厚度方向和横向上都相对较大。在边缘区域中，在壳体盖旁边可以设置用于接合线195的接触点190，其也占据了进一步的空间。在此仅示例性地示出这样的接合盘190。该接合盘可以通过这里未详细示出的连接线路与开关元件(例如210、240)的电极之一连接。

在图4至图6中示出了根据本发明的开关元件1的制造中的多个工艺阶段。图6示出了基本上完成地制造的开关元件1或具有多个这种开关元件的相应设备的横向剖面图。在图4中示出了用于制造该开关元件的预制的多层的载体衬底100。在此，该预制的载体衬底100也是SOI衬底，其具有由硅制成的载体层110、由埋氧化硅制成的电绝缘层120以及位于上方的第三层130，该第三层也是硅层。在该层结构内部存在预制空穴150，其代表氧化层120中以及载体层110的一部分中的凹空部。然而，该空穴150仅是部分空穴，其尤其相对于载体衬底的底侧100b不开放，而是载体层110仍然在底侧100b上形成连续的平面层。相反地，该空穴150在顶侧100a上由位于上方的半导体层130限制。这因此导致封闭的内腔。这种具有埋入的空穴的预制SOI衬底在现有技术中是广泛已知的，并且被许多制造商以名称C-SOI提供。多个这样的埋入的空穴也可以在横向方向上彼此相邻地存在，特别是当应制造由多个相似开关元件组成的阵列时。每个空穴150然后有助于形成对于相应弯曲元件的运动而言必要的上级空腔。

在图5中示出了进一步发展的过程阶段，其中，载体衬底100已经经历了多个工艺步骤。各个工艺步骤的执行可以被详细地例如类似于已经引用的DE102017215236A1地设计。例如，各个层和其他元件的材料和厚度也可以类似地选择。结合本发明，重要的是，有利地仅从顶侧100a进行处理，即无需在底侧100b上执行光刻或蚀刻步骤，并且在处理时仅需相应地从底侧100b保持载体衬底100。由此，与双侧过程相比，有利地保护顶侧100a免受机械损坏。

在图5的处理阶段中，金属开关触头140已经以结构化的方式施加在弯曲元件135的端部区域中。此外，上半导体层130已经在区域130a和130b中开口。这两个开口130a、130b尤其实际上可以是层130中的环形地围绕弯曲元件的单个开口。但是替换地，层130也可以仅在弯曲元件的中心区域和端部区域中进行去除(对应于开口130a)，而可以省去弯曲元件的脚部区域中的开口130b，使得脚部区域中的弯曲元件也可以类似于图1地通过层130与其余的层堆叠保持连接。对于脚部区域的设计和机械耦合，可以想到整体上不同的实施方式。唯一重要的是，弯曲元件135通过减材制造从层系统100中暴露到其可以垂直于层平面偏转的程度。在载体层的方向上，通过已经存在于预制的层系统100中的空穴150实现该偏转。

在图6中示出了基本上完全加工的开关元件1。与图5相反，在此，围绕弯曲元件的区域120a和120b中的氧化层120也被去除。衬底顶侧100a上的层系统随后通过围绕的、平面的晶圆接合连接270与盖衬底200连接，类似于图1的常规开关元件。盖衬底200整体上类似于图1地构造，并且在此还具有凹空部250，其与已经描述的空穴150一起形成用于弯曲元件135的运动的上级空腔350。与图1的传统开关元件的主要区别在于，上级空腔350不向衬底底侧100b开放，而是封闭。以这种方式，通过载体衬底100和盖衬底200之间的永久的平面连接实现了空腔350的密封封装，而为此不需要附加的壳体盖(如图3中)。根据本发明的该实施方式的主要优点在于，可以以简单的方式实现非常紧凑的构件，然而该构件相对于外部环境影响是鲁棒的，因为弯曲元件的区域向外密封地封装。

图6的开关元件与图3的传统构件的另一个区别在于，电接触在此不是通过引线接合进行，而是通过盖衬底中的通孔400和可焊接的相应接触点410进行。换句话说，可以涉及SMD构件。然而，这种附加的差异是可选的，并且原则上也可以实现类似于图3中的通过接合线进行的接触。根据另一种可能的实施方式，贯通400也可以替换地引导通过载体衬底100到达底侧100b，或者相应的通孔和接触点可以布置在顶侧和底侧上。在图6中仅示例性地示出了用于接触弯曲元件(用于其电接地)的通孔400和用于接触配合触头240之一的另外的通孔400。应当理解，还可以以相应的方式接触其他元件、例如控制电极210和此处不可见的第二配合触头。

在图7中示出了用于制造根据本发明的开关元件的另一种预制的载体衬底100。与图4的载体衬底不同，该载体衬底不仅具有一个空穴，而且具有多个彼此相邻的埋空穴150的阵列。换句话说，可以由此制造具有由多个开关元件组成的阵列的设备。另一个区别是，各个空穴在底部区域中衬有氧化层。换句话说，氧化层120在此不被中断，而是仅局部地移位到各个空穴150的底部中。C-SOI衬底的这种变体也可以在不同的制造商处以商业形式获得，并且可以以与图4的衬底类似的方式使用以制造根据本发明的开关元件。

在图8中示出了根据本发明的另一种示例的开关元件1。该开关元件1整体上以与图6的示例类似的方式构造。然而，区别在于，盖衬底在其基础材料中(例如在玻璃中)不具有穴状凹空部，而是相应的空腔在此由围绕弯曲元件的区域的间隔层260形成。然而，通过该围绕的间隔层260内的开放区域又有效地形成盖衬底的凹空部250，该凹空部与载体衬底的相对置的凹空部一起形成用于弯曲元件的上级空腔350。在其他方面，图8的开关元件例如类似于图6地构造，并且也可以有利地以类似的方式利用预制的C-SOI衬底制造。

附图标记列表

1 MEMS开关元件

100 多层的载体衬底(SOI衬底)

100a 衬底顶侧(前侧)

100b 衬底底侧(背侧)

110 第一层(载体层)

120 第二层(埋氧化物)

120a 第二层的开口

120b 第二层的开口

130 第三层(半导体层)

130a 第三层的开口

130b 第三层的开口

135 弯曲元件

135a 脚部区域

140 开关触点

150 凹空部(空穴)或开口

190 接触点

195 接合线

200 盖衬底

210 控制电极

240 配合触头

250 凹空部

260 围绕的间隔层

270 连接(晶圆接合)

300 壳体盖

310 连接

350 上级空腔

400 贯穿(通孔)

410 接触点

d 厚度方向

r 偏转方向

Claims (13)

1.一种微机电开关元件(1)，包括

-多层的载体衬底(100)，所述载体衬底具有用作载体层的第一层(110)、电绝缘的第二层(120)和被设计为半导体层的第三层(130)，

-能够偏转的弯曲元件(135)，所述弯曲元件由所述半导体层(130)的暴露的部分区域形成，以及

-与所述载体衬底(100)连接的平面的盖衬底(200)，

-其中，所述载体衬底(100)并且尤其所述载体衬底的载体层(110)在所述弯曲元件(135)的区域中具有凹空部(150)，并且

-其中，所述盖衬底(200)在所述弯曲元件(135)的区域中还具有凹空部(250)和/或围绕的间隔层(260)，

使得整体上形成上级空腔(350)，在所述上级空腔中，所述弯曲元件(135)能够偏转地布置，

-其中，所述上级空腔(350)被所述载体层(110)和所述盖衬底(200)限制为，使得所述上级空腔相对于外部环境密封地封装，其中，所述多层的载体衬底(100)是绝缘体上硅层系统。

2.根据权利要求1所述的开关元件(1)，其中，所述弯曲元件(135)的偏转方向(r)定向为基本上垂直于所述多层的载体衬底(100)的层平面。

3.根据权利要求1或2所述的开关元件(1)，其中，所述载体层(110)中的凹空部(150)通过所述绝缘体上硅层系统(100)中的预制空穴形成。

4.根据上述权利要求中任一项所述的开关元件(1)，其中，所述上级空腔(350)的密封封装通过所述多层的载体衬底(100)和所述盖衬底(200)之间的永久的、液密的、平面的连接(270)来实现。

5.根据上述权利要求中任一项所述的开关元件(1)，其中，所述盖衬底(200)功能性地设计为电绝缘的盖衬底，并且尤其基本上由玻璃或硅形成。

6.根据上述权利要求中任一项所述的开关元件(1)，其中，在所述弯曲元件(135)上布置有开关触头(140)，并且其中，所述盖衬底(200)承载至少一个配合触头(240)，所述至少一个配合触头能够依据所述弯曲元件(135)的偏转而与所述弯曲元件(135)的开关触头(140)接触。

7.根据上述权利要求中任一项所述的开关元件(1)，其中，所述盖衬底(200)具有控制电极(210)，利用所述控制电极能够影响所述弯曲元件(135)的偏转。

8.一种设备，所述设备具有根据上述权利要求中任一项所述的微机电开关元件(1)或多个根据上述权利要求中任一项所述的微机电开关元件(1)的阵列。

9.根据权利要求8所述的设备，所述设备被设计为开关设备、被设计为转换器或逆变器、被设计为逻辑电路和/或被设计为逻辑门。

10.根据权利要求8或9所述的设备，所述设备被设计为能够表面安装的构件。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的设备，其中，所述盖衬底(200)和/或所述载体衬底(100)具有用于电接触至少一个开关元件(1)的一个或多个贯通(400)。

12.一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的开关元件(1)的方法，其中，

a)在第一载体层(110)中使用具有预制空穴(150)的预制的多层的载体衬底(100)，

b)通过减材制造从所述预制的载体衬底(100)中暴露弯曲元件(135)，并且

c)在晶圆接合步骤中将所述盖衬底(200)与所述载体衬底(100)永久地连接，由此上级空腔(350)被密封地封装，其中，所述多层的载体衬底(100)是绝缘体上硅层系统。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤b)中的减材制造通过仅在一侧上处理所述多层的载体衬底(100)来进行。