Entwicklung von siliziumbasierten Mikro-Schaltern zur Realisierung von reproduzierbaren Array-Verschaltungen : development of silicon-based micro-switches for the realization of reproducible array interconnections

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden skalierbare Mikroschalter auf MEMS-Basis entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf der Ausarbeitung eines reproduzierbaren Waferbasierten Prozessablaufs, der es ermöglicht, sowohl Einzelschalter als auch vernetzte Schalter, sogenannte Arrays, zu fertigen. Array-Chips mit parallel vernetzten Einzelschaltern können eine deutlich höhere Stromtragfähigkeit als Einzelschalter-Chips aufweisen. Wesentliche Voraussetzung hierfür ist deren synchrones Schalten. Durch die Entwicklung eines Zwei-Wafer-Prozesses mit hochpräzisem Glasätzverfahren sowie einem Fügeverfahren für den abschließenden Waferbond konnten MEMSSchalter mit nahezu identischen Schaltcharakteristiken realisiert werden. Die Abweichungen beim Glasätzverfahren bewegen sich auch bei steigenden Ätztiefen über den Wafer hinweg bei maximal 2,7 %. Die hergestellten Bauteile werden hinsichtlich Balkengeometrie, Kontaktmaterial und Schaltverhalten charakterisiert sowie die Ergebnisse mit vorangegangenen analytischen und numerischen Berechnungen verglichen. Je nach Design liegen die Pull-in-Spannungen der MEMS-Schalter im Bereich von 12 V–55 V und die Schaltzeiten variieren zwischen 2 µs–40 µs. Die Güte des Herstellungsprozesses erlaubt eine Vorhersage der Schaltcharakteristika, basierend auf der Biegebalkengeometrie. Die Funktionsfähigkeit der Array-Verschaltungen wird demonstriert und ein Ausblick auf zukünftige Verbesserungsmöglichkeiten gegeben.

In this work, scalable MEMS-based microswitches are developed. The thesis focuses on the development of a reproducible wafer-based process flow, which enables the fabrication of single switches as well as of interconnected switches in an array configuration. Array chips with parallel-connected single switches exhibit a significantly higher current carrying capacity as compared to single-switch chips. A major requirement to be functional is their synchronous switching. By developing a twowafer process with a high-precision glass etching process and a fusion process for the final wafer bond, MEMS switches with almost identical switching characteristics have been realised. The depth tolerance in the glass etching process does not exceed 2,7 % over the whole wafer, even with increasing etching depths. The manufactured components are characterized with respect to beam geometry, contact material and switching characteristics. The results are compared with previous analytical and numerical calculations. Depending on the design, the pull-in voltages of the MEMS switches range from 12 V–55 V and the switching times vary between 2 µs–40 µs. The quality of the fabrication process allows the prediction of the switching characteristics based on the bending beam geometry. The operability of the array circuits is demonstrated and an outlook for further developments is given.