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Die vorliegende Erfindung betrifft das Verschließen einer
Umhüllung, die einen Teil aus Silizium umfaßt, der mit einer
Glasplatte verschlossen ist. Strukturen dieser Art findet man
zur Zeit in vielen Meßvorrichtungen, in denen man von der bei
der Ätzung und der Behandlung von Silizium zur Herstellung von
Mikromeßgeräten, wie Mikromagnetometern,
Mikrobeschleunigungsmeßgeräten, Mikrodruckmeßgeräten etc. gewonnenen Erfahrung
profitiert.
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Figur 1 dient dazu, die Aufgabe darzustellen, die mit der
Erfindung gelöst werden soll. Diese Figur stellt einen fiktive
Mikrokomponente dar, die eine obere Glasplatte 1 umfaßt, die
dazu bestimmt ist, anodisch auf eine Siliziumplatte 2
geschweißt zu werden, die allein oder zusammen mit einer oder
mehreren anderen Platten, wie der dargestellten Glasplatte 3
den unteren Teil der Komponente ausmacht. Z.B. und ohne daß es
eine Beschränkung darstellt, wurde in schematischer Weise
gezeigt, daß die Siliziumplatte 2 einen überstehenden inneren
Teil 5 aufweist, wobei das Mikromeßgerät z.B. dazu dient,
Bewegungen dieses dünnen Blättchens 5 als Folge des Anlegens von
Druck, Beschleunigung oder eines magnetischen Feldes zu
entdekken. In allen diesen Fällen muß der innere Hohlraum 7 der
Komponente unter kontrollierter Atmosphäre, z.B. unter Vakuum
stehen.
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Das Verschließen des Hohlraumes wird dadurch erreicht, daß der
untere Umfang 8 der Glasplatte 1 durch anodisches Schweißen an
den oberen Umfang 9 der Siliziumplatte 2 geschweißt wird. Dazu
muß man zunächst die Platte 1 gemäß einer geeigneten und
genauen Positionierung auf die Platte 2 aufbringen. Die
fraglichen Komponenten weisen in der Tat häufig in Draufsicht
Außendimensionen in der Größenordnung von Millimetern auf.
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Während man in Figur 1 eine schematische, individuelle
Komponente dargestellt hat, werden derartige Komponenten außerdem im
allgemeinen satzweise, ausgehend von einen Durchmesser von 10
bis 15 cm aufweisenden Siliziumscheiben hergestellt, von denen
jede die Struktur von jeder elementaren Komponente in sich
wiederholender Weise aufweist, und die Platten werden danach
zusammengefügt, verschweißt und dann in Einzelkomponenten
geschnitten. Man stellt fest, daß die Platten gut polierte
Oberund Unterseiten aufweisen, insbesondere auf der Höhe des
Umfangs der Komponenten, die zusammengefügt werden müssen. Daraus
geht hervor, daß selbst vor dem Verschweißen direkt beim
Zusammenfügen eine optische Verklebung auftritt. Es ist daher selbst
vor dem Verschweißen schwierig, in jedem der Hohlräume der
verschiedenen Komponenten ein Vakuum zu erzeugen, sobald die
Platten zusammengefügt sind. So muß man die Platten üblicherweise
in einer unter Vakuum stehenden Umhüllung zusammenfügen, was
dieses Verfahren in erheblichem Maße kompliziert. Ein anderes
herkömmliches Mittel besteht darin, eine Öffnung in der oberen
Glasplatte vorzusehen und diese Öffnung nach Durchführung des
anodischen Verschweißens in einer unter Vakuum stehenden
Umhüllung zu verschließen. Dieses zweite Verfahren impliziert in
gleicher Weise komplexe Handhabungen einer unter Vakuum
stehenden Umhüllung.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren und ein Gefüge von Komponenten bereitzustellen, die es
ermöglichen, die verschiedenen Platten, aus denen die
Komponente oder ein Satz identischer Komponenten besteht, bei
normaler Atmosphäre zusammenzufügen, z.B. in einem Reinraum, während
man mit einem Binokular beobachtet, sodann Einbringen der
Komponente oder des Satzes von Komponenten in eine unter Vakuum
stehende Umhüllung, wo man ohne zusätzliche Handhabung
gleichzeitig das anodische Verschweißen und das Verschließen der
Hohlräume durchführt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe, stellt die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zum Verschließen unter Vakuum eines geschlossenen
Hohlraums durch anodisches Verschweißen des unteren Umfangs
einer Glasplatte mit dem oberen Umfang einer Siliziumplatte
bereit, das die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen einer
Öffnung in der Glasplatte gegenüber dem erwähnten Hohlraum;
Bereitstellen eines gegenüber der Öffnung in der Siliziumplatte
angebrachten Ankers, wobei der Anker mit mindestens einem Teil
der Siliziumplatte über mindestens eine zum Biegsamsein
ausreichend dünne Siliziumlamelle einstückig vorliegt; Aufbringen der
Glasplatte auf die Siliziumplatte unter Normaldruck; Einbringen
des vormontierten Aufbaus in eine unter Vakuum stehende
Umhüllung; Anlegen einer anodischen Schweißspannung zwischen der
Glasplatte und der Siliziumplatte, wodurch bewirkt wird, daß
der Anker gegen die Unterseite der Glasplatte in Höhe der
Öffnung gedrückt wird und anodisch an den Umfang der Öffnung
geschweißt wird, während die Platten verschweißt werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls eine
Verschlußvorrichtung zum Verschließen eines geschlossenen Hohlraums unter
Vakuum durch anodisches Verschweißen des unteren Umfangs einer
Glasplatte mit dem oberen Umfang einer Siliziumplatte bereit,
wobei die Glasplatte gegenüber dem Hohlraum eine sie
durchdringende Öffnung aufweist und die Siliziumplatte einen gegenüber
der Öffnung angeordneten Anker aufweist, wobei dieser Anker
über mindestens eine zum Biegsamsein ausreichend dünne
Siliziumlamelle mit mindestens einem Teil der Siliziumplatte
einstükkig vorliegt.
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden in der im Hinblick auf die beigefügten
Figuren erstellten, nachfolgenden Beschreibung spezieller
Ausführungsformen in größerem Detail dargelegt, wobei:
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Figur 1, die zur Darstellung der gestellten Aufgabe bestimmt
ist, vorstehend beschrieben worden ist;
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Figur 2 eine Schnittansicht einer Mikrokomponente darstellt,
die die erf indungsgemäße Struktur im nichtverschlossenen
Zustand umfaßt;
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Figur 3 eine Teilansicht der Mikrokomponente gemäß Figur 2 im
verschlossenen Zustand darstellt; und
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Figur 4 eine schematische Draufsicht des Verschlußelements der
Figuren 2 und 3 darstellt.
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Figur 2 stellt in sehr schematischer Form ein
Mikrodruckmeßgerät dar. Dieses ist im dargestellten Beispiel aus einer oberen
Glasplatte 11, einer ersten Siliziumplatte 12, einer zweiten
Siliziumplatte 13 und einer unteren Glasplatte 14 aufgebaut. In
der zweiten Siliziumplatte 13 ist eine Membran 15 ausgebildet,
die zusammen mit der unteren Glasplatte 14 eine Umhüllung zum
Messen von Druck 16 definiert, die mit der Außenseite über eine
Öffnung 17 verbunden ist. Außerdem definieren die erste und
zweite Siliziumplatte 12 und 13 zusammen einen Teil 18, von dem
sich zum Umfang der ersten Siliziumplatte ein Blättchen 19
erstreckt, das von der Bewegung des Teils 18 abhängigen
Spannungen unterworfen ist. Ein System aus Elektroden ermöglicht es,
z.B. die Resonanzfrequenz des Blättchens 19 und damit den auf
die Membran wirkenden Druck zu bestimmen. Damit das System
funktioniert, muß der Hohlraum 20, in dem sich das Blättchen 19
befindet, unter eine kontrollierte Atmosphäre, vorzugsweise
einen Unterdruck, gesetzt werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in der Platte 11 eine
Öffnung 21 und in der ersten Siliziumplatte 12 ein Anker 22
bereitgestellt, der mit dem Rahmen der Platte 12 oder mit einem
mit diesem Rahmen einstückig ausgebildeten Zwischenstück über
eine Siliziumlamelle 23 verbunden ist, wodurch es ermöglicht
wird, die Umhüllung unter Unterdruck zu setzen.
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Figur 2 stellt eine Mikrokomponente dar, wobei die
verschiedenen Platten, aus denen sie besteht, präzise, z.B. mit einem
Binokular, angeordnet worden sind.
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Danach wird die Komponente in eine unter Vakuum stehende
Umhüllung gebracht, die mit Mitteln ausgerüstet ist, um ein
anodisches Verschließen zu gewährleisten, d.h., z.B. mit Mitteln, um
die Komponente oder den Satz von Komponenten (die auf Stücken
großer Abmessungen gebildet worden sind, die nach dem
Verschweißen zerschnitten werden sollen) auf eine Temperatur von
400-500ºC zu bringen, und Mitteln, um zwischen der
Siliziumplatte 12 und der Glasplatte 11 eine Potentialdifferenz von
einigen 100 Volt anzulegen.
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So wird der Hohlraum 20 in einem ersten Schritt evakuiert und
dann, sobald man die Spannung zum anodischen Verschweißen
anlegt, der Siliziumanker 22 durch elektrostatische Kräfte gegen
die Unterseite der Glasplatte 11 gedrückt, wodurch die Öffnung
21 verschlossen wird und ein anodisches Verschweißen erfolgt,
wobei gleichzeitig die einander gegenüberliegenden Oberflächen
des Umfangs der Platten 11 und 12 miteinander verschweißt
werden. Figur 3 stellt eine erfindungsgemäße Struktur nach
durchgeführtem Verschließen dar.
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Die Art, wie der Anker 22 und die biegsame Lamelle 23
hergestellt wird, wird hier nicht im Detail beschrieben, weil die
Verfahren zur Herstellung einer derartigen Struktur auf dem
Gebiet des Ätzens von Silizium wohlbekannt und die gleichen
Verfahren wie diejenigen sind, die zur Herstellung des Restes der
Siliziumplatte 12 verwendet werden. A priori wird in einer
Struktur, die, wie in Figur 2 dargestellt, ein dünnes Blättchen
19 enthält, die Lamelle 23 in exakt gleicher Weise wie das
dünne Blättchen 19 hergestellt.
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Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auf
verschiedene Weise variiert werden, insbesondere was die Form der
Lamelle 23 betrifft, die anstatt, wie in Figur 4 dargestellt,
grade zu sein, gekrümmt sein kann, um ihre Biegsamkeit zu
verbessern, und die Form des Ankers 22, der z.B. kreisförmig sein
kann. Es können außerdem verschiedene Verbindungslamellen
zwischen dem Anker 22 und verschiedenen Teilen der Struktur der
Siliziumplatte 12 vorgesehen werden.