DE602004011637T2

DE602004011637T2 - Mikrokomponente mit abgedichtetem hohlraum, der einen pfropfen umfasst und verfahren zur herstellung solch einer mikrokomponente

Info

Publication number: DE602004011637T2
Application number: DE602004011637T
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: 2003-12-19
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: EP1708958B1; DE602004011637D1; US7635901B2; FR2864341A1; JP2007514557A; EP1708958A1; US20070126068A1; FR2864341B1; WO2005061375A1; JP5095218B2

Description

Technischer Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Mikrobauteil mit einer hermetisch verschlossenen Mikrokavität, die von einer Kappe begrenzt wird, in der mindestens eine Öffnung ausgebildet ist, sowie einer Verschlussschicht auf der Kappe, welche die Mikrokavität hermetisch verschließt.
Nach der Erfindung wird dieses Ziel durch die anhängenden Ansprüche erreicht.
Stand der Technik
Es gibt zahlreiche Gründe, weshalb elektromechanische Mikrosysteme hermetisch verkapselt sein sollten. Insbesondere können Staub und Feuchtigkeit die Funktion der beweglichen Teile beeinträchtigen, und die Elektrokontakte können durch den Sauerstoff der Luft beschädigt werden.
In der Regel sind elektromechanische Mikrosysteme hermetisch in einer Mikrokavität eingeschlossen, die von einer Kappe begrenzt wird. Ein bekanntes Herstellungsverfahren für eine hermetisch abschließende Kappe ist in den 1 und 2 dargestellt. Elektromechanische Mikrosysteme 1 sind im Allgemeinen auf einem Substrat 2 angeordnet. Wie in 1 dargestellt, wird die Kappe auf dem Substrat 2 und auf einer auf dem Substrat 2 und den Mikrosystemen 1 gebildeten Opferschicht 3 von einer festen Schicht 4 gebildet, in der eine Öffnung 5 oder gegebenenfalls mehrere Öffnungen 5 ausgebildet ist/sind. Anschließend wird die Opferschicht 3 durch die Öffnung 5 entfernt, sodass eine Mikrokavität 6 entsteht, wie in 2 dargestellt. Anschließend wird eine Verschlussschicht 7 auf die feste Schicht 4 aufgebracht, die die Kappe bildet, sodass die Mikrokavität 6 hermetisch verschlossen wird.
Bei der Herstellung mittels einer Opferschicht 3 ergeben sich unter anderem zwei Probleme, nämlich eine ungenügende Dichtheit und eine lange Dauer der Schrumpfungsphase der Opferschicht 3, insbesondere bei besonders großen Kappen 4.
Um nämlich die hermetische Dichtheit der Kappe 4 zu gewährleisten, sind die Öffnungen 5 in der Regel klein und in Bereichen der Opferschicht 3 und somit der Mikrokavität 6 mit geringer Dicke angeordnet, wie in 1 dargestellt. In der Regel beträgt die Dicke der Opferschicht 3 im Bereich der Öffnung 5 in einem Umfangsbereich der Mikrokavität 6 etwa 0,3 Mikron, während die Dicke der Opferschicht 3, welche die elektromechanischen Mikrosysteme 1 bedeckt, in der Größenordnung von 10 Mikron liegt. Das Zurückätzen der Opferschicht 3 ist in dem Falle langwierig und aufwändig. Dies ist umso nachteiliger, als die Dicke der Opferschicht 3 im Bereich der Öffnung 5 verringert ist, manchmal auf unter 0,2 Mikron, um einen perfekten Verschluss zu gewährleisten.
Das Dokument DE10005555 beschreibt ein Mikrobauteil mit einer hermetisch durch eine Kappe verschlossenen Kavität. Die Kappe besteht aus einer unteren und einer oberen Schicht, die jeweils zueinander versetzte Öffnungen aufweisen. Die Öffnungen der oberen Schicht sind durch Verschlussschichten verschlossen, die vorzugsweise aus Aluminium bestehen und auf der unteren Schicht unter den Öffnungen angeordnet sind. So dient die untere Schicht als feste, durchgehende Auflage für die Verschlussschichten. Wenn die Verschlussschichten aus Aluminium bestehen, werden sie mit einer Temperatur von 660°C beaufschlagt, wodurch das Schmelzen der Verschlussschichten erreicht werden soll. Die Verschlussschichten sind komplett unter der oberen Schicht angeordnet. Die Öffnungen der oberen Schicht werden anschließend mit einer zusätzlichen Verschlussschicht verfüllt, welche die obere Schicht bedeckt.
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung will diesen Nachteilen abhelfen und insbesondere den hermetischen Verschluss einer Mikrokavität sicherstellen, dabei jedoch die Dauer des Verfahrens zur Herstellung der Mikrokavität verkürzen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen der Erfindung hervor, die beispielhaft und nicht erschöpfend gegeben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
die 1 und 2 zwei Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils nach dem Stand der Technik darstellen;
die 3 bis 6 im Schnitt vier aufeinander folgende Schritte einer besonderen Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für ein Mikrobauteil nach der Erfindung darstellen;
die 7 und 8 jeweils in Draufsicht und im Schnitt entlang der Achse A-A den Schritt darstellen, der dem Aufbringen der Verschlussschicht einer weiteren besonderen Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil nach der Erfindung vorausgeht;
9 einen Pumpschritt einer besonderen Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für ein Mikrobauteil nach der Erfindung darstellt.
Beschreibung besonderer Ausführungsformen
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist die in die Kappe 4 geätzte Öffnung 5, die zur Opferschicht 3 hin mündet, vorzugsweise auf einem oberen Bereich der Mikrokavität 6 angeordnet, d. h. in einem Bereich, in dem die Opferschicht 3 eine maximale Dicke hat, und zwar beispielsweise von etwa 8 bis 10 Mikron. So wird die spätere Phase der Herstellung der Mikrokavität 6 durch Zurückätzen der Opferschicht 3 durch die Öffnung 5 hindurch, wie in 4 gezeigt, bezüglich dem Stand der Technik wesentlich verkürzt.
In 5 wurde nach Entfernen der Opferschicht 3 und vor dem Aufbringen der Verschlussschicht 9 ein Verschluss 8 aufgebracht, sodass die Öffnung 5 und ein Teil der Kappe 4 am Umfang der Öffnung 5 bedeckt sind. Das Material, aus dem der Verschluss 8 besteht, ist ein Material, das geeignet ist, sich durch Kriechen zu verformen. Das Material, das geeignet ist, sich durch Kriechen zu verformen, ist ein polymerisiertes Material, das insbesondere aus Fotoresisten und Polyimid ausgewählt ist. Diese Materialien erlauben ein Verschließen der Öffnung 5, ohne dass sie in die Mikrokavität 6 eindringen. Außerdem halten diese Materialien die Bedingungen zum Aufbringen der Verschlussschicht 9, welche die Mikrokavität 6 hermetisch verschließen soll, wie in 6 dargestellt, aus. Die Dicke des Verschlusses 8 beträgt vorzugsweise 2 bis 6 Mikrometer.
Der Verschluss kann durch Aufbringen einer viskosen Polymerlösung hergestellt werden, welche die Kappe 4 bedeckt, gefolgt von einem Zurückätzen der so erhaltenen Schicht, um den Verschluss 8 seitlich zu begrenzen.
Bekanntlich dürfen bei Polymeren die während des Verfahrens angewandten Temperaturen 450°C nicht überschreiten. Die Verwendung von Polymeren ist dann insbesondere angebracht, wenn man Niedrigtemperaturverfahren erhalten will, d. h. Verfahren, bei denen die Höchsttempertur beispielsweise bei 300 bis 450°C oder sogar darunter liegt.
Wie in den 5 und 6 dargestellt, kann der Verschluss 8 geneigte Seitenflächen 10 aufweisen, wodurch die Haftung der auf den Verschluss 8 aufgebrachten Verschlussschicht 9 verbessert wird und so ein hermetischer Verschluss ohne die Gefahr von Spalten sichergestellt ist.
Um ein Ablagern des Materials, aus dem der Verschluss 8 besteht, innerhalb der Mikrokavität 6 zu verhindern, hat die Öffnung 5 vorzugsweise Abmessungen von unter 5 Mikrometer. Die Öffnung 5 kann beispielsweise einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt von 3 auf 5 μm haben. Da das Zurückätzen der Opferschicht 3 durch die geringere Größe der Öffnung 5 verlangsamt wird, umfasst das Mikrobauteil vorzugsweise mehrere Öffnungen 5, insbesondere im Falle einer Kappe 4 mit großen Abmessungen. In den 7 und 8 sind beispielsweise sechs Öffnungen 5 in zwei Reihen angeordnet, die jeweils drei Öffnungen 5 umfassen. Jede der Öffnungen 5 ist mit einem zugehörigen Verschluss 8 verschlossen, der die entsprechende Öffnung 5 und einen Teil der Kappe 4 am Umfang der Öffnung 5 bedeckt, beispielsweise auf einer Fläche von 20 auf 15 μm.
Der Verschluss 8 muss nicht zwingend hermetisch abdichtend sein. Insbesondere kann der Verschluss aus einem porösen Material bestehen, beispielsweise aus einem porösen Polymer. Das poröse Material ist beispielsweise ein auf einer Temperatur von über 300°C geglühter Fotoresist. Wie in 9 dargestellt, ermöglicht ein poröser Verschluss 8 das Abpumpen von in der Mikrokavität 6 enthaltenem Gas durch das poröse Material hindurch vor dem Aufbringen der Verschlussschicht 9. Dies ermöglicht während des Verschlussvorgangs eine Kontrolle des Drucks und der Art des Gases innerhalb der Mikrokavität.
Das Material der Opferschicht 3 kann ein Polymer sein, beispielsweise Polyimid oder ein Fotoresist, der ein Schnellätzen, beispielsweise ein Trockenätzen, zulässt, oder ein Material, das mittels eines Sol-Gel-Verfahrens erhalten wurde. Die Kappe 4 und die Verschlussschicht 9 können aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder aus Metall bestehen. Die Kappe 4 kann beispielsweise durch Aufbringen von Siliziumdioxid in beispielsweise einer Dicke von 1,5 Mikron hergestellt werden. Die Verschlussschicht 9 ist vorzugsweise durch Aufbringen von Siliziumnitrid in beispielsweise einer Dicke von 2 Mikron hergestellt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten besonderen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere kann die Anzahl Öffnungen 5 beliebig sein. Eventuell kann auch eine einzige Schicht, die mehrere Verschlüsse 8 bildet, mehreren Öffnungen 5 zugeordnet sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer hermetisch verschlossenen Mikrokavität (6) eines Mikrobauteils, das nacheinander umfasst: – das Aufbringen einer Opferschicht (3) auf ein Substrat (2), – das Aufbringen einer Schicht, die eine Kappe (4) bildet, auf das Substrat (2) und die Opferschicht (3), – das Ätzen mindestens einer zur Opferschicht (3) hin mündenden Öffnung (5) in die Kappe (4), – das Entfernen der Opferschicht (3) durch die Öffnung (5) hindurch, um die Mikrokavität (6) zu schaffen, – das Aufbringen einer Verschlussschicht (9, 13), um die Mikrokavität (6) hermetisch abzudichten, Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es nach Entfernen der Opferschicht (3) und vor dem Aufbringen der Verschlussschicht (9) das Aufbringen eines Verschlusses (8) aus polymerem Material umfasst, der die Öffnung (5) und einen Teil der Kappe (4) am Umfang der Öffnung (5) bedeckt, wobei das Verschließen bei einer Temperatur unter 450°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss (8) aus einem porösen Material besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein Fotoresist ist und das Verfahren einen Glühschritt auf hoher Temperatur umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Abpumpens des in der Mikrokavität (6) enthaltenem Gases durch das poröse Material vor dem Aufbringen der Verschlussschicht (9) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das polymerisierte Material aus Fotoresisten und Polyimid ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (5) Abmessungen von unter 5 Mikrometer hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (5) auf einem oberen Bereich der Mikrokavität (6) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es das Ätzen einer Mehrzahl von Öffnungen (5) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Verschlusses (8) 2 bis 6 Mikrometer beträgt.
Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss (8) geneigte Seitenflächen (10) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss (8) nicht hermetisch abdichtet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Verschlussschicht (9) aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Metallen ausgewählt ist.