DE69933380T2

DE69933380T2 - Verfahren zum hermetischen Einkapseln von Mikrosystemen vor Ort

Info

Publication number: DE69933380T2
Application number: DE69933380T
Authority: DE
Inventors: Francois Gueissaz
Original assignee: Asulab AG
Current assignee: Asulab AG
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2019-12-16
Also published as: JP4777510B2; ATE340761T1; DE69933380D1; KR20010077941A; CN1262468C; US20010004085A1; CN1305944A; EP1108677A1; KR100658264B1; EP1108677B1; US6454160B2; JP2001237334A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hermetischen Einkapseln von Mikrosystemen vor Ort. Mindestens ein Mikrosystem, das auf einem Substrat montiert ist, wird unter einer vor Ort hergestellten metallischen Kapsel eingekapselt. Unter Montage wird entweder die Anordnung des vorher hergestellten Mikrosystems auf dem Substrat oder die Herstellung des Mikrosystems vor Ort auf dem Substrat verstanden. Vorzugsweise werden mehrere Mikrosysteme gemeinsam auf demselben Substrat in Mikrometerabmessungen hergestellt. Die Einkapselung, die das Mikrosystem einschließt, muss hermetisch sein und dem Mikrosystem Bewegungen im Inneren der Kapsel frei gewähren.
Unter Mikrosystemen werden dreidimensionale Strukturen verstanden, d. h. mikro-optoelektromechanische (MOEMS) Vorrichtungen oder mikroelektromechanische (MEMS) Vorrichtungen wie Reed-Schalter, Beschleunigungsmesser, Mikromotoren, Sensoren mit Mikrometergröße, wo es erforderlich ist, ihnen nach der Einkapselung Bewegungen frei zu gewähren. Die Konstruktion der Mikrosysteme kann auf einem isolierenden Substrat oder auf einem Substrat, dessen integrierte Schaltungen vorher hergestellt wurden, erfolgen. In diesem letzten Fall ist es möglich, die metallischen Kontaktbereiche der integrierten Schaltung zu nehmen, um die Ablagerung der metallischen Schichten zu beginnen, die teilweise das Mikrosystem bilden müssen, und um es zu ermöglichen, es mit der Schaltung elektrisch zu verbinden.
Im Patent CH 688213 desselben Anmelders ist ein "Reed"-Schalter oder ein Lamellenschalter mit Mikrometergröße und sein Herstellungsverfahren beschrieben, bei dem Metalllamellen, die im Ruhezustand voneinander entfernt sind, auf elektrolytischem Wege in mehreren Schritten hergestellt werden und mit einer Basisebene fest verbunden sind. Die Lamellen bestehen aus einer Eisen- und Nickellegierung, die durch ein elektrolytisches Verfahren abgelagert wird und die die Eigenschaft aufweist, dass sie ferromagnetisch ist, um miteinander in Kontakt gebracht zu werden, wenn ein Magnetfeld, das sie durchquert, eine Anziehungskraft zwischen ihnen erzeugt. Dieser Schalter ist unter einem hohlen Deckel eingekapselt, der beispielsweise mit Hilfe eines Epoxidklebstoffs auf der Basisebene befestigt ist, die ein Glassubstrat oder eine Isolationsschicht sein kann, die durch Oxidation der Oberfläche eines Siliciumsubstrats erhalten wird. Der Deckel besteht aus einer Glasplatte, in der durch chemisches Ätzen Hohlräume gebildet werden. Diese Platte ermöglicht es, jeden Schalter in jedem der erzeugten Hohlräume einzuschließen. Sie kann auf die Basisebene geklebt werden oder durch ein eutektisches oder anodisches Lötmittel gelötet werden. In einer Endoperation werden die mehreren so hergestellten und zugeschmolzenen Schalter durch Sägen getrennt.
Bei dieser Art von Herstellung ist es erforderlich, die Glasplatte separat vom Substrat, auf dem die Schalter hergestellt werden, zu bearbeiten, was ein Nachteil ist. Außerdem muss die Platte mit Genauigkeit mit Hilfe von Epoxid auf die Basisebene geklebt werden und das Zuschmelzen ist nicht auf lange Dauer hermetisch, da das Epoxid Wasser absorbiert und Substanzen entgast, die die Funktion des Schalters stören können. In anderen Ausführungsformen kann die Wärmebehandlung zerstörend sein.
Bei der Herstellung eines Schalters, der unter einer Glasglocke eingekapselt ist, wie in diesem Dokument CH 688213 beschrieben, ist noch zu beachten, dass bei Messungen von Kontaktwiderständen zwischen den Metalllamellen vor der Einkapselung des Schalters der Mittelwert der Kontaktwiderstände aller auf ein und demselben Substrat hergestellten Schalter gut um 10 Ohm zentriert war, während nach der Einkapselung gemessen wurde, dass dieser Mittelwert der Kontaktwiderstände sich von 10 auf 60 Ohm erhöht hat.
Im Dokument EP 302165 ist spezifiziert, dass durch Prägen eine Zinnfolie gebildet wird, um als Metallglocke für eine integrierte Schaltung zu dienen, dass dieses Prägeteil auf eine Basisplatte geklebt wird, wo die integrierte Schaltung angeordnet ist, um die Schaltung unter der Glocke einzuschließen, und dass das Ganze mit einer Polyethylenschicht bedeckt wird. Der Klebstoff, wie oben erläutert, kann eine Verunreinigung des Mikrosystems verursachen und ermöglicht es deshalb nicht, eine hermetische Einkapselung zu garantieren. Außerdem ist es nicht möglich, die Glocke durch Prägen vor Ort zu entwerfen. Außerdem macht die Herstellung dieser Prägeteile, die einzeln auf jedem Mikrosystem angeordnet werden müssen, die Verwirklichung einer Einkapselung von mehreren Mikrosystemen, die auf ein und demselben Substrat montiert sind, kompliziert.
Auf dem Gebiet, das mikromechanische und elektronische Vorrichtungen kombiniert, ist die Verwendung von Opferschichten bereits bekannt, insbesondere in dem Fall, in dem es beispielsweise erwünscht ist, eine Metallbrücke zwischen einer integrierten Schaltung und einem Sensor herzustellen, aber nicht im Fall der Verwirklichung einer hermetischen metallischen Einkapselung von Mikrosystemen.
Das Dokument US 5798283 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer mikroelektromechanischen Vorrichtung mit einer elektronischen Schaltung. Ein Hohlraum wird in das Substrat beispielsweise aus Silicium geätzt, um dort die mikromechanische Vorrichtung aufzunehmen. Diese letztere wird mit Hilfe verschiedener Polysiliciumschichten konstruiert, um Elemente zu erhalten, die zu Bewegungen frei sein können. Die Vorrichtung muss mit Hilfe von Siliciumoxid- oder Siliciumnitridschichten geschützt werden, um die späteren Herstellungsschritte der integrierten Schaltung ausführen zu können. Dieser Schutz der mikromechanischen Vorrichtung ist gegen Diffusionstemperaturen von Dotierungsmitteln (beispielsweise Bor, Phosphor) erforderlich, die sich auf über 700°C erhöhen, was die Elemente der mikromechanischen Vorrichtung, die mit gewissen Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt entworfen sind, teilweise zerstören kann, und es auch vermeiden kann, die Elemente zu dotieren, wenn es sich um Polysilicium handelt.
Sobald die Operationen der integrierten Schaltung beendet sind, ermöglichen es zwei Öffnungen auf einer Schutzschicht über den Schichten aus SiO2 oder Si3N4, durch chemisches Ätzen die Schichten aus SiO2 oder Si3N4 teilweise zu entfernen, um die mikromechanische Vorrichtung freizulegen und ihr Bewegungen frei zu gewähren. Bei dieser Entfernung müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um eine zu große seitliche Ätzung zu vermeiden, da die integrierte Schaltung neben der mikromechanischen Vorrichtung konstruiert ist.
Es hätte sich vorgestellt werden können, anstatt zwei Öffnungen in der Schutzschicht auszubilden, nur eine Schicht aus porösem Polysilicium zu verwenden, um die Schichten aus SiO2 oder Si3N4 durch chemischen Angriff, insbesondere mit Fluorwasserstoffsäure, durch das Polysilicium zu entfernen und anschließend mit desionisiertem Wasser zu spülen.
Aus diesem Dokument wird die Lehre gezogen, dass die Einkapselung mit Hilfe von anderen als metallischen Schichten erfolgt, dass ein Hohlraum im Voraus im Substrat, um dort das Mikrosystem aufzunehmen, durch Ätzverfahren ähnlich zu jenen, die auf dem Gebiet der Mikroelektronik verwendet werden, bearbeitet wird, und dass es vor allem erforderlich ist, das Mikrosystem während der Herstellung der entsprechenden integrierten Schaltung mit Schichten zu schützen, die erhöhte Temperaturen aushalten. Deshalb ist es ausgeschlossen, metallische Schichten insbesondere auf elektrolytischem Wege auf der mikromechanischen Vorrichtung für die Erzeugung einer hermetischen metallischen Einkapselung abzulagern.
Im Dokument EP 435530 ist ein elektronisches System beschrieben, das durch Metallschichten hermetisch zugeschmolzen ist, von denen eine auf elektrolytischem Wege abgelagert wird. Das elektronische System ist eine Vereinigung von verschiedenen integrierten Schaltungen, deren Verbindung miteinander eine hohe Dichte (HDI) aufweist und die in einem mikrobearbeiteten Hohlraum in einem Glas- oder Keramiksubstrat festgeklebt und aufgenommen sind. Eine erste Metallschicht, insbesondere aus Chrom oder Titan, wird auf einer Schicht aus Dielektrikum zerstäubt, die die für die verschiedenen Schaltungen hergestellten Verbindungen überlagert, um die ganze Struktur zu umhüllen und mit sogar der Oberfläche des Substrats in Kontakt zu kommen. Später wird auf elektrolytischem Weg eine zweite Metallschicht über der ersten Schicht abgelagert, um eine dickere Schutzschicht gegen verschiedene Verunreinigungen, die die Schaltungen stören können, zu erzeugen.
Das Dokument EP 435530 bringt keine Lehre für die Verwirklichung einer Einkapselung von Mikrosystemen wie "Reed"-Schaltern, da keine Polymere gewollt sind, die den Nachteil haben, dass sie Gase erzeugen, d. h. entgasen, und folglich Defekte erzeugen, die bei der guten Funktion des Schalters wahrnehmbar sind. Außerdem ist zu beachten, dass nicht in Erwägung gezogen wird, eine Metallkapsel über eine metallische Opferschicht zu erzeugen, die nach der Ablagerung einer nachfolgenden Metallschicht, die die Kapsel bildet, entfernt wird.
Ein Ziel, dessen Lösung sich die Erfindung vornimmt, besteht darin, eine hermetische Einkapselung von Mikrosystemen vor Ort zu verwirklichen, indem die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Metallkapsel durch Elektroablagerung von Metallschichten für die Einkapselung von Mikrosystemen bei Temperaturen unterhalb 350°C maximal verwirklichen zu können, was sich von Verfahrensschritten zur Herstellung von integrierten Schaltungen unterscheidet, bei denen insbesondere die Diffusion von Phosphor oder Bor bei Temperaturen erfolgt, die 700°C überschreiten und sogar 1300°C erreichen können, was gut über der vorstehend angegebenen Temperatur liegt.
Ein weiteres Ziel, dessen Lösung sich das Verfahren, das Gegenstand der Erfindung ist, vornimmt, besteht darin, es zu vermeiden, eine so große Streuung der Kontaktwiderstandswerte nach der hermetischen Einkapselung in dem Fall, in dem das Mikrosystem ein Schalter ist, zu haben und das Mikrosystem in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre zu belassen.
Diese Ziele sowie weitere werden durch das Verfahren zum hermetischen Einkapseln von Mikrosystemen vor Ort erreicht, bei dem in einer ersten Phase auf ein gemeinsames Substrat mehrere Mikrosysteme montiert werden, die von einer auf dem Substrat abgelagerten metallischen Brückenbildungsschicht umgeben sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass in einer zweiten Phase in einer gemeinsamen Ablagerungsoperation eine erste metallische Schicht auf jedem Mikrosystem und auf einer Ringzone der jedes Mikrosystem umgebenden Brückenbildungsschicht abgelagert wird, derart, dass jedes Mikrosystem durch Überlappung vollständig abgedeckt ist, dass eine zweite metallische Schicht auf elektrolytischem Weg auf der ersten metallischen Schicht und auf der Brückenbildungsschicht abgelagert wird, derart, dass die erste Schicht auf einem Hauptteil ihrer Oberfläche abgedeckt ist, indem wenigstens ein Durchlass pro Mikrosystem in der zweiten Schicht freigelassen wird, um einen Zugang zu der ersten Schicht zu schaffen, wobei das Metall der ersten Schicht von den Metallen der Brückenbildungsschicht, der zweiten Schicht und des Mikrosystems verschieden ist, dass durch selektive chemische Ätzung die erste Schicht durch jeden Durchlass der zweiten Schicht entfernt wird und dass jeder Durchlass der zweiten Schicht verschlossen wird, um metallische Kapseln zu erhalten, die jedes Mikrosystem hermetisch einschließen.
Ein Vorteil des Verfahrens der Erfindung besteht darin, eine hermetische metallische Einkapselung durch Mittel zu verwirklichen, die es ermöglichen, gleichzeitig Substrate zu bearbeiten, auf denen mehrere Mikrostrukturen hergestellt oder montiert wurden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens der Erfindung liegt darin, dass das Halten der metallischen Kapsel, die auf dem Substrat hergestellt ist und das Mikrosystem einschließt, ohne Hilfe von Klebstoffen erhalten wird, die Polymere enthalten können, die im Inneren der Metallkapsel Verunreinigungen entgasen können, was riskiert, das Mikrosystem zu stören.
Dafür wurde sich vorgestellt, eine metallische Einkapselung von Mikrosystemen mit Hilfe von Ablagerungen von Metallen zu erzeugen, von denen eine der Metallschichten als Opferschicht dient, und von denen zumindest die endgültige Metallschicht auf elektrolytischem Weg auf einer metallischen Brückenbildungs schicht mit einer guten Haftung an der isolierenden Oberfläche des Substrats abgelagert wird.
Für die Herstellung dieser Kapsel wird eine erste Metallschicht, die Opferschicht genannt wird, vorzugsweise auf elektrolytischem Weg auf der Gesamtheit der Mikrosysteme und auf Ringzonen der Brückenbildungsschicht, die jedes Mikrosystem umgibt, abgelagert, um jedes Mikrosystem durch Überlappung vollständig zu bedecken. Nach der Ablagerung dieser ersten Metallschicht besitzen die bedeckten Mikrosysteme ein kuppelförmiges Aussehen. Eine zweite Metallschicht wird anschließend auf elektrolytischem Weg auf der ersten Schicht mit Durchlässen abgelagert, die einen Zugang zur ersten Schicht schaffen.
Die erste Metallschicht besteht aus einem Metall, das von den Metallen, die die zweite Schicht, die Brückenbildungsschicht bilden, und auch vom Mikrosystem verschieden ist, um als Opferschicht dienen zu können und selektiv durch chemisches Ätzen durch mindestens einen Durchlass entfernt werden zu können, welcher in der zweiten Metallschicht ausgebildet ist, um die Metallkapsel herzustellen. In einem Endschritt der Einkapselung ist es erforderlich, den oder die Durchlässe, die in der zweiten Schicht ausgebildet sind, zu verschließen, um die Kapsel hermetisch zuzuschmelzen, indem das Mikrosystem in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre im Inneren der Kapsel gehalten wird.
Unter einem Metall werden auch alle Metalllegierungen verstanden, die von einem speziellen Metall abhängen.
Dieses Verfahren der Elektroablagerung ermöglicht es, eine Einkapselung mit hoher Qualität und mit geringen Kosten für die Mikrosysteme zu haben.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens der Erfindung besteht darin, dass es ermöglicht zu vermeiden, das Mikrosystem für die nachfolgende Herstellung der integrierten Schaltung neben ihm schützen zu müssen, wie im Dokument US 5798283 beschrieben. Im Fall beispielsweise eines Mikroschalters erfolgen diese Einkapselungsschritte sogar bei Umgebungstemperatur.
In einer Vorphase des Verfahrens können beispielsweise auf einem Substrat, von dem zumindest die Oberfläche isolierend ist, Leiterstreifen für die elektrische Verbindung des Mikrosystems mit der Außenseite hergestellt werden, wobei eine Isolation des Mittelteils der Streifen und eine Oberflächenmetallisierung ein Ende der Streifen verbinden und auch über der Isolation der Streifen verlaufen. In dieser ersten Phase des Verfahrens wird das einzukapselnde Mikrosystem auch am Substrat montiert. In einer zweiten Phase wird die Metallkapsel mit dem Verschließen ihrer Öffnungen gebildet. Das Zerschneiden des Substrats kann später ausgeführt werden, um mehrere eingekapselte Mikrosysteme zu erhalten.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen besser verstanden, die nicht begrenzende Ausführungsbeispiele des Verfahrens, das Gegenstand der Erfindung ist, zeigen und in denen:
1a eine erste Phase des Verfahrens gemäß der Erfindung mit einem Teil eines Substrats zeigt, auf dem Leiterstreifen mit Isolation, eine Brückenbildungsschicht und ein Mikrosystem hergestellt wurden,
1b die erste Phase des Verfahrens gemäß der Erfindung mit einem Teil eines Substrats zeigt, auf dem Leiterstreifen mit Isolation, eine Brückenbildungsschicht mit Lötmittelhöckern und ein Mikrosystem hergestellt wurden,
2a und 2b in einer Draufsicht und einem Schnitt entlang II-II die Ablagerung einer Opfermetallschicht auf dem Mikrosystem und auf der Brückenbildungsschicht gemäß einer ersten Ausführungsform zeigen,
3a und 3b in einer Draufsicht und einem Schnitt entlang III-III die Ablagerung einer zweiten Metallschicht über der Opferschicht, die aus einem anderen Metall besteht, gemäß einer ersten Ausführungsform zeigen,
4a und 4b in einer Draufsicht und einem Schnitt entlang IV-IV die Entfernung der Opferschicht durch chemisches Ätzen durch die Durchlässe der so hergestellten Kapsel gemäß einer ersten Ausführungsform zeigen,
5a, 5b und 5c in einer Draufsicht und einem Schnitt entlang V-V das Verschließen der Durchlässe der Metallkapsel, um das Mikrosystem hermetisch einzukapseln, gemäß einer ersten Ausführungsform zeigen,
6a und 6b in einer Draufsicht und einem Schnitt entlang VI-VI die Ablagerung einer Opferschicht auf dem Mikrosystem und auf der Brückenbildungsschicht, die Lötmittelhöcker umfasst, gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigen,
7a, 7b und 7c in einer Draufsicht und einem Schnitt entlang VII-VII und VIII-VIII die Ablagerung einer zweiten Metallschicht über der Opferschicht, die aus einem anderen Metall besteht, gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigen,
8 einen Schnitt entlang VII-VII von 7a nach der Entfernung der Opferschicht durch chemisches Ätzen durch die Durchlässe der zweiten Schicht gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt,
9 einen Schnitt entlang VII-VII von 7a des Verschließens der Durchlässe der Metallkapsel des Mikrosystems gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt,
10 in einem vertikalen Schnitt die Ablagerung einer Opferschicht auf dem Mikrosystem und auf der Brückenbildungsschicht gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt,
11 in einem vertikalen Schnitt die Ablagerungen einer zweiten und einer dritten Metallschicht auf der Opferschicht gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt,
12 in einem vertikalen Schnitt die Ablagerung einer vierten Metallschicht aus demselben Metall wie die zweite Schicht auf der dritten Metallschicht gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt,
13 in einem vertikalen Schnitt die Entfernung der Opferschicht durch chemisches Ätzen durch die Durchlässe der zweiten Schicht gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt,
14 in einem vertikalen Schnitt das Aufbringen von Lötmitteltropfen auf die Durchlässe der zweiten Schicht für das Verschließen der Metallkapsel gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt,
15 in einem vertikalen Schnitt das Verschließen der Metallkapsel mit den verfestigten Lötmitteltropfen gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt,
16a, 16b und 16c in einer Draufsicht und einem Schnitt entlang XVI-XVI und XVII-XVII die Ablagerung einer Opfermetallschicht auf dem Mikrosystem und auf der Brückenbildungsschicht, die um Lötmittelhöcker der Brückenbildungsschicht verläuft, gemäß einer vierten Ausführungsform zeigen,
17 in einem Schnitt entlang XVI-XVI von 16a die Ablagerung einer zweiten Metallschicht auf der Opferschicht und auf den Lötmittelhöckern der Brückenbildungsschicht gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt,
18 in einem Schnitt entlang XVI-XVI von 16a die Entfernung der Opferschicht durch die Durchlässe der zweiten Schicht zwischen den Lötmittelhöckern gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt,
19 in einem Schnitt entlang XVI-XVI von 16a das Verschließen der Metallkapsel durch Erhitzen der Lötmittelhöcker gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt,
20a und 20b in einer Draufsicht und einem Schnitt entlang XX-XX die Entfernung der Opferschicht durch mehrere Durchlässe in der zweiten Schicht gemäß einer fünften Ausführungsform zeigen, und
21 in einem Schnitt entlang XX-XX von 20a das Verschließen der Metallkapsel durch einen Lötmittelfluidschwall gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt.
Die 1 bis 5 zeigen die verschiedenen Schritte der hermetischen Einkapselung von Mikrosystemen vor Ort gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung. Zur Vereinfachung ist in den Fig. ein einziges Mikrosystem dargestellt, während in der Realität mehrere Mikrosysteme auf einem gemeinsamen Substrat montiert sind, um gleichzeitig eingekapselt zu werden.
In den 1a und 1b ist ein Teil eines Substrats 1 zu beobachten, das vollständig isolierend sein kann, wie eine Glas- oder Keramikplatte, oder ein Substrat beispielsweise aus Silicium, dessen Oberfläche oxidiert ist, damit sie isolierend ist. Die Abmessungen des Substrats können jene eines Siliciumsubstrats sein, auf dem integrierte Schaltungen, beispielsweise von 6 Inch (152,4 mm), entworfen werden. Dieser Teil des Substrats, der in 1a und 1b sichtbar ist, entspricht den Abmessungen für eines der gemeinsam auf demselben Substrat hergestellten Mikrosysteme.
In einer ersten Phase des Verfahrens, die in 1a und 1b zu sehen ist, wird eine leitende Schicht zuallererst auf der isolierenden Oberfläche des Substrats 1 abgelagert und wird strukturiert, um Leiterstreifen 2 zu bilden. Eine Isolationsschicht 3 wird anschließend nur auf dem Mittelteil der Leiterstreifen 2 abgelagert, um so elektrisch isolierte Durchlässe zu bilden. Schließlich wird eine metallische Brückenbildungsschicht 4 auf dem Substrat im Durchlauf auf der Isolationsschicht 3 abgelagert, um eine Oberflächenmetallisierung zu geben, die elektrische Anschlüsse 5 definieren kann, die nur mit einem der Enden der Leiterstreifen für die elektrische Verbindung des Mikrosystems nach dem Zersägen des Substrats verbunden sind. Diese Brückenbildungsschicht kann die Konstruktion des Mikrosystems und der Kapsel abstützen. Sie bildet schließlich eine leitende Ebene für die Schritte der elektrolytischen Ablagerung, die es ermöglichen, Metallschichten mit großer Dicke zu erhalten.
Die leitende Schicht, die die Leiterstreifen 2 bildet, muss eine gute Haftung am Substrat haben und eine gute Haftung der nachfolgenden Isolationsschicht 3 ermöglichen. Sie muss auch mit der metallischen Brückenbildungsschicht 4 kompatibel sein und einen geringen elektrischen Widerstand an der Grenzfläche besitzen. Es ist wichtig, dass die Vorderkanten keine negative Steigung besitzen oder kein Gesims bilden, und zwar damit die Isolationsschicht sie vollkommen bedeckt. Die Leiterstreifen 2 können aus einem Material wie Aluminium, Gold, Titan, Kupfer, Chrom, Wolfram oder Titan-Wolfram-Legierung bestehen. Diese Streifen sind für die äußere elektrische Verbindung des Mikrosystems nach seiner Einkapselung nützlich.
Die Isolationsschicht muss eine gute Haftung am isolierenden Substrat 1 und an den Leiterstreifen 2 beispielsweise wie eine Schicht aus Siliciumoxid oder Nitrid Si3N4 aufweisen. Außerdem muss sie wenig innere Spannungen enthalten, einen Ausdehnungskoeffizienten nahe jenem des Substrats besitzen und die Vorderkanten der Leiterstreifen vollkommen bedecken.
Die metallische Brückenbildungsschicht 4 muss gut am Substrat 1 und an der Isolationsschicht 3 haften. Sie kann hergestellt werden, wie es das Dokument CH 688213 spezifiziert, d. h., indem zuerst eine Titan- oder Chromablagerung hergestellt wird, die anschließend mit Gold bedeckt wird, das als Oxidationsschutz dient. Diese zweite Metallschicht dient als metallische Basisoberfläche für die Ablagerung der nachfolgenden Metallschichten auf galvanischem Weg. Die Produkte der chemischen Ätzung zum Strukturieren dieser ersten Metallschichten sind bekannt und werden deshalb nicht explizit angegeben. Eine Ringzone 7a ist gestrichelt in den 1a und 1b gezeigt, um den Ort der Ablagerung einer nachfolgenden Metallschicht zu zeigen.
In dem Fall, in dem Lötmittel auf der Brückenbildungsschicht verwendet wird, ist es erforderlich, eine Basisschicht der Brückenbildungsschicht vorzusehen, die aus drei metallischen Ebenen hergestellt wird. Die erste metallische Ebene besteht aus Titan oder Chrom und ermöglicht das Anhängen an das Substrat. Die zweite metallische Ebene besteht aus Nickel oder Palladium oder Rhodium oder Ruthenium oder Platin oder Molybdän oder einem anderen Material, um als Diffusionssperre zu dienen, wenn Lötmittel vorhanden ist. Schließlich besteht die dritte metallische Ebene aus Gold, um als Oxidationsschutz, insbesondere der ersten metallischen Ebene, zu dienen.
In 1b können Lötmittelhöcker 13 aus einer Gold- oder Zinnlegierung (Au-Sn) oder aus einer Zinn- und Bleilegierung (Sn-Pb) auch an der Brückenbildungsschicht an bestimmten Orten teilnehmen, um für ein besseres Verschließen der in der Metallkapsel ausgebildeten Durchlässe bei der Wärmekompression von Teilen der Kapsel an den Höckern zu dienen, wie später zu sehen sein wird. Die Gold- und Zinnlegierung besteht aus 20 Massen-% Zinn und 80 Massen-% Gold, während die Zinn- und Bleilegierung aus 60 Massen-% Zinn und 40 Massen-% Blei besteht.
In Ausführungsformen, die in den Fig. nicht dargestellt sind, könnten anstelle der Leiterstreifen 2 leitende Löcher, die die isolierenden Teile des Substrats oder das Substrat, wenn es vollständig isolierend ist, wie eine Glas- oder Keramikplatte, durchqueren, oder leitende Löcher, die in einem leitenden Substrat isoliert sind, hergestellt werden. Auf einer Seite des Substrats verbinden diese Löscher das Mikrosystem 6 und auf der anderen Seite sind sie mit metallischen Bereichen elektrisch verbunden, die es ermöglichen, das Mikrosystem mit der Außenseite zu verbinden, sobald es eingekapselt ist.
Es ist klar, dass der Schritt der Isolation 3 der Leiterstreifen 2 keine Rolle spielt, wenn leitende Löcher durch das Substrat wie in der vorstehend angegebenen Ausführungsform ausgebildet wurden.
In dem Fall, in dem die Leiterstreifen 2 durch die leitenden Löcher, insbesondere metallisierte Löcher ersetzt sind, wird die Brückenbildungsschicht nicht mehr strukturiert, um metallische Bahnen mit metallischen Bereichen zur elektrischen Verbindung des Mikrosystems zu definieren, da diese Bereiche auf der Rückseite des Substrats hergestellt werden. Es genügt, dass diese Brückenbildungsschicht jedes Mikrosystem für die Ablagerung der Metallschichten zur Herstellung der Kapsel auf elektrolytischem Weg umgibt.
In dem Fall, in dem ein Siliciumsubstrat als Träger für die Mikrosysteme verwendet wird, können die auf dem Substrat abgelagerten Leiterstreifen durch leitende Durchlässe im Silicium ersetzt sind. Diese Durchlässe werden durch einen Diffusionsschritt mit einem Dotierungsmittel des Typs p in einem Substrat des Typs n oder mit einem Dotierungsmittel des Typs n in einem Substrat des Typs p hergestellt. Die metallische Verbindung jedes Endes der leitenden Durchlässe wird durch Fenster verwirklicht, die auf einer Siliciumoxidisolation ausgebildet sind. Ein Vorteil dieser Verwirklichung besteht darin, dass sie einen elektrostatischen Schutz sicherstellt.
Das Mikrosystem 6, das beispielsweise ein "Reed"-Schalter sein kann, wird ohne Beschädigung der bereits abgelagerten vorangehenden Schichten konstruiert oder montiert. Für die Konstruktion eines Schalters mit diesen Metalllamellen werden auch Verfahren der elektrolytischen Ablagerung verwendet, beispielsweise indem die metallischen Ebenen in mehreren Schritten mit Hilfe von Photoresist und Masken, um sie zu belichten, strukturiert werden, wie im Dokument CH 688213 beschrieben. Das so hergestellte Mikrosystem wird mit einem Ende der Leiterstreifen 2 oder mit leitenden Löchern verbunden.
Anstelle einer Herstellung der Mikrosysteme vor Ort kann vorgesehen werden, sie teilweise herzustellen und sie anschließend jeweils auf ein und demselben Substrat durch elektrische Verbindung mit einem Ende der Leiterstreifen oder der leitenden Löcher, die dazu vorgesehen sind, zu befestigen.
In den 2a und 2b wird eine erste metallische Opferumhüllungsschicht 7, insbesondere aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, insbesondere auf elektrolytischem Weg auf den Mikrosystemen so abgelagert, dass sie in Ringzonen 7a, die in 1a und 1b sichtbar sind, um jedes Mikrosystem hervorragt, damit die erste Schicht jedes Mikrosystem vollständig umhüllt. In Anbetracht der Tatsache, dass die metallische Brückenbildungsschicht nicht von einem Mikrosystem zum anderen aufgespalten ist, kann sie für die elektrolytische Ablagerung verschiedener Teile der ersten Schicht, die alle Mikrosysteme umhüllt, verwendet werden, indem sie an einem Ort des Substrats mit einem Pol einer Versorgungsquelle verbunden wird. Bei dieser Ausführung werden auch ein oder zwei Öffnungen 8 in jeder Ringzone vorgesehen, die einen Zugang zur Brückenbildungsschicht 4 gewähren, um für die Bildung von einer oder zwei metallischen Haltestützen bei der Ablagerung der folgenden Metallschicht zu dienen.
Diese erste Opferschicht 7 besteht aus einem Metall wie Kupfer oder einer Kupferlegierung, das in Bezug auf die anderen Metallschichten, die aus anderen Metallen bestehen, selektiv aufgelöst werden kann. Sie darf wenig interne Spannungen enthalten und muss eine gute Nivellierungseigenschaft aufweisen.
Für die elektrolytische Ablagerung dieser Opferschicht werden zuallererst die Mikrosysteme und die Brückenbildungsschicht mit einer Photoresistschicht überzogen. Der Photoresist wird durch eine Maske hindurch belichtet und die Teile des Photoresists, die belichtet wurden oder nicht belichtet wurden, werden gemäß der Art von Photoresist durch Entwicklung entfernt, um jedes Mikrosystem sowie eine Ringzone der Brückenbildungsschicht um jedes Mikrosystem freilegen zu können, um die erste Metallschicht abzulagern. Später wird der Rest des Photoresists entfernt, um zur Brückenbildungsschicht um die Umhüllung jedes Mikrosystems und durch die in der ersten Schicht ausgebildeten Öffnungen Zugang zu haben. Ein Teil der Ringzone der Brückenbildungsschicht liegt über der Isolation 3 der Leiterstreifen, so dass die Ablagerung der Opfermetallschicht nur die Enden der Streifen, die die Mikrosysteme verbinden, kurzschließt.
Für die Erzeugung dieser Metallkuppeln, die jedes Mikrosystem umhüllen, kann vorgesehen werden, die Metallschicht durch ein anderes Verfahren als den elektrolytischen Weg abzulagern, beispielsweise durch thermische Verdampfung oder durch Katodenzerstäubung, ohne die Temperaturgrenze von 350°C überschreiten zu müssen, aber diese anderen Verfahren sind länger und folglich kostspieliger.
Die Öffnungen 8 der ersten Metallschicht, die in 2a und 2b sichtbar sind, sind vollständig von der ersten Schicht umgeben, aber es ist selbstverständlich, dass sie so entworfen werden können, dass sie an einem Rand der ersten Schicht entstehen, um in der Draufsicht gesehen das Aussehen einer U-förmigen Öffnung zu geben. Der Fachmann kann jede Form von Öffnungen finden, die die Erzeugung von Stützen oder Verstärkungen bei der Ablagerung der zweiten Metallschicht ermöglichen.
In den 3a und 3b wird die Metallkapsel durch Ablagern einer zweiten Metallschicht 9 auf der ersten Opfermetallschicht 7 und auf der Brückenbildungsschicht 4 oder auf Ringzonen der Brückenbildungsschicht, die die erste Schicht umgibt, auf elektrolytischem Weg hergestellt, wobei die zweite Schicht 9 aus einem anderen Metall, wie vorzugsweise Gold oder einer Goldlegierung oder eventuell aus Chrom oder einer Chromlegierung, besteht. Ein oder zwei entgegengesetzte Durchlässe 10 werden in der zweiten Schicht 4 vorgesehen, um einen Zugang zur ersten Opferschicht 7 zu gewähren, um sie in Bezug auf die anderen Metallschichten selektiv aufzulösen. Die Durchlässe 10 sind in länglicher Form gezeigt, es ist jedoch durchaus klar, dass sie auch eine kreisförmige oder viereckige Form haben könnten.
Jede Haltestütze 14 oder Halteverstärkung, die durch die Ablagerung dieser zweiten Schicht 9 hergestellt wird, ist zwischen einem der Durchlässe 10 und dem entsprechenden Mikrosystem 6 angeordnet. Diese Kapsel weist deshalb einen hermetischen Verschluss auf ihrem Umfang mit Ausnahme der zwei Durchlässe 10 sowie die zwei Haltestützen 14 auf, um jegliche Verformung in Schranken halten zu können, die beim endgültigen Verschließen der Durchlässe der Kapsel hervorgerufen werden könnte. Das Metall der Kapsel muss außerdem geschmeidig sein und wenig interne Spannungen enthalten und eine gute Bedeckungseigenschaft sowie eine sehr geringe Porosität aufweisen.
Die Haltestützen 14 sind von der ersten Opferschicht 7 umgeben, um die Entfernung dieser Schicht durch eine chemische Ätzflüssigkeit zu ermöglichen, wie mit den folgenden 4a und 4b erläutert, indem sie neben den Stützen 14 vorbeiläuft. Es genügt natürlich, dass die erste Schicht auf mindestens einer Seite jeder Stütze oder Verstärkung verläuft, wie vorstehend für die Herstellung der Öffnungen erläutert, um diese Schicht beim chemischen Ätzen entfernen zu können.
Obwohl ein einziger Durchlass 10 und eine einzige Haltestütze 14 für die Herstellung der Kapsel in Erwägung gezogen werden können, ist es bevorzugt, zwei oder mehrere Durchlässe für die Entfernung der Opferschicht 7 zu haben; wenn beispielsweise zwei entgegengesetzte Durchlässe 10 vorhanden sind, erleichtert dies die Entfernung der Opferschicht und die Reinigung des Inneren der Kapsel durch Zirkulation von Behandlungslösungen.
Wie mit Bezug auf 2a und 2b hinsichtlich der Ablagerung der ersten Metallschicht 7 erläutert, wird auch eine Photoresistschicht, die nicht dargestellt ist, verwendet, die durch eine Maske hindurch belichtet wird, um Teile des Photoresists entfernen zu können, um einen Zugang zur ersten Schicht und zu Ringzonen der Brückenbildungsschicht um jeden Teil der ersten Schicht zu haben. Die Ringzonen liegen über der Isolation 3 und sind ohne Kontakt mit dem Ende der Leiterstreifen 2 für die äußere elektrische Verbindung der Mikrosysteme 6.
Wenn leitende Löcher durch das Substrat 1 für die äußere Verbindung der Mikrosysteme 6 verwendet werden, kann die Ablagerung der zweiten Metallschicht 9 natürlich jenseits der Ringzonen auf der ganzen Oberfläche des Substrats erfolgen, während die Verwirklichung der Durchlässe 10, um zur Opferschicht 7 einen Zugang zu gewähren, bewahrt wird.
In den 4a und 4b wird die Opferumhüllungsschicht 7 durch chemisches Ätzen durch die zwei Durchlässe 10 in selektiver Weise aufgelöst, ohne die Metalle des Mikrosystems 6, beispielsweise Eisen und Nickel, zu treffen. Das Auflösungsbad darf keine Beschädigung am Mikrosystem 6 oder an der Metallkapsel verursachen, ob durch chemisches Ätzen oder durch heftige Reaktion mit der Opferumhüllungsschicht 7. Außerdem darf kein Rückstand im Inneren der Metallkapsel mit dem Risiko einer Entgasung nach dem endgültigen Verschließen dieser verbleiben.
In den 5a und 5b sind die eingekapselten Mikrosysteme 6 noch mit dem Substrat fest verbunden. In diesem Schritt müssen die Durchlässe 10 der Metallkapsel in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre verschlossen werden. Es wird ein geeignetes Werkzeug 12 angenähert, das das Innere der Kapsel 9 mit einem Schutzgas spült. Sobald die Kapsel von ihrer Ursprungsatmosphäre gereinigt ist, führt das Werkzeug eine Kompression der Teile 11 um jeden Durchlass 10 und anschließend eine Lötoperation der Teile 11 auf der Basisschicht der Brückenbildungsschicht 4 durch Wärmekompression oder durch Ultraschall durch, um die Metallkapsel in dichter Weise verschließen zu können. Die Haltestützen 14 dienen in dieser Operation zum Verhindern, dass sich die Verformung in der Richtung des Mikrosystems 6 ausbreitet. Die Metallkapsel 9 bildet folglich einen hermetischen Schutz über dem Mikrosystem 6.
In 5c sind zum Verringern der für das Verschließen der Kapsel erforderlichen Energie Lötmittelhöcker 13 vorgesehen, die einen Teil der Brückenbildungsschicht bilden, wie vorstehend beschrieben. Die Wärmekompression der Teile 11 um die Durchlässe 10 der Metallschicht 9 auf den Lötmittelhöckern gewährleistet das Schmelzen der Höcker und das dichte Verschließen der Durchlässe 10.
Der Endschritt, der in den Fig. nicht dargestellt ist, besteht darin, durch Zerschneiden des Substrats die mehreren eingekapselten Mikrosysteme zu trennen, um sie beispielsweise in gewöhnlichen Umgebungsbedingungen verwenden zu können, oder es kann auch vorgesehen werden, vor oder nach dem Zerschneiden jedes Mikrosystem mit einer Harzschicht zu umhüllen, um einen besseren mechanischen Schutz zu gewährleisten.
Wenn die endgültige Metallschicht 9 aus Chrom besteht, könnte es vermieden werden, Haltestützen zu erzeugen, da in Anbetracht dessen, dass Chrom nicht geschmeidig ist, es vermieden werden muss, es beim Verschließen der Durchlässe 10 zu verformen. In diesem Fall wäre es möglich, jede Metallkapsel in dichter Weise zu verschließen, indem ein Lötmitteltropfen auf jedem Durchlass abgelagert wird, der sich verfestigen soll. Trotzdem eignet sich Gold oder die Goldlegierung besser für die Herstellung der Kapsel, da es geschmeidig ist und verschiedenen chemischen Ätzflüssigkeiten standhält.
Das Mikrosystem 6, das auf der Platte oder dem isolierenden Substrat konstruiert ist, das eine Siliciumoxidschicht sein kann, die auf einer Siliciumplatte hergestellt ist, besitzt eine Gesamthöhe in der Größenordnung von 50 μm vor seiner endgültigen Einkapselung. Die Gesamthöhe, wenn die Metallkapsel auf dem Mikrosystem beendet ist, liegt in der Größenordnung von 100 μm, sogar max. 150 μm, mit einer Metalldicke der Kapsel in der Größenordnung von 15 bis 20 μm. Folglich werden kompakte Komponenten durch das Verfahren, das Gegenstand der Erfindung ist, verwirklicht.
Im Fall eines Entwurfs aller Schritte des Verfahrens auf einer einzigen Fläche kann sich auch vorgestellt werden, nach der Herstellung der Einkapselung die Dicke des Substrats durch chemisches Ätzen der Rückseite des Substrats und vor seinem Zerschneiden zu verringern. Dafür müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, die sich vornehmen, die Seite des Substrats, die die eingekapselten Mikrosysteme trägt, nicht zu beschädigen. Wenn das Substrat von Beginn an dünn ist, vermeidet dies jedoch, seine Dicke am Ende des Einkapselungsverfahrens verringern zu müssen.
Durch das Verfahren der Ablagerung auf elektrolytischem Weg können Schichten aus Metallen mit größerer Dicke abgelagert werden, was durch thermische Verdampfung oder durch Katodenzerstäubung schwierig realisierbar ist. Dieses Verfahren der Elektroablagerung ermöglicht eine weniger teure und schnellere Herstellung für derartige Dicken, selbst wenn Gold für die Herstellung der Kapsel verwendet wird, da der Entwurf einer vom Substrat unabhängigen Glasplatte gemäß dem Stand der Technik, in der Aussparungen ausgebildet werden, um dort die Mikrosysteme anzuordnen oder zu konstruieren, dann einzuschließen, mehr Zeit und Kosten verursacht.
Die 6 bis 9 zeigen Schritte der hermetischen Einkapselung von Mikrosystemen vor Ort gemäß einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung. Es ist zu beachten, dass die Elemente dieser Fig., die jenen der 1 bis 5 entsprechen, identische Bezugszeichen tragen.
In den 6a und 6b, in denen die Leiterstreifen und die Isolationsschicht nicht gezeigt sind, wird eine erste Opfermetallschicht 7, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, insbesondere auf elektrolytischem Weg auf einer Ringzone der Brückenbildungsschicht 4 und auf dem Mikrosystem 6 abgelagert, um es vollständig zu umhüllen. Zwei Verlängerungen 15 der Opferschicht 7 mit einer Breite, die geringer ist als jene, die das Mikrosystem 6 umhüllt, verlaufen über Lötmittelhöcker 13 der Brückenbildungsschicht 4. Diese zwei Verlängerungen 15, die für die Erzeugung der Durchlässe der vorstehend erläuterten zweiten Metallschicht dienen, sind ebenso wie die zwei Lötmittelhöcker 13 auf zwei entgegengesetzten Seiten der Opferschicht 7 angeordnet.
In den 7a und 7b wird eine zweite Metallschicht 9, insbesondere aus Gold oder einer Goldlegierung, auf elektrolytischem Weg auf der Opferschicht 7 und auf Teilen der Brückenbildungsschicht abgelagert. Diese Schicht 9 definiert in der Draufsicht eine rechteckige Form, die auf der Höhe des Endes jeder Verlängerung 15 anhält, um sie nicht vollständig zu bedecken und somit Durchlässe 10 durch die Verlängerungen 15 zu erzeugen, die aus der zweiten Schicht 9 austreten.
In 7c ist im Schnitt entlang der Linie VIII-VIII der 7a die Überlagerung der verschiedenen Schichten zu sehen. Auf dem isolierenden Substrat 1 umfasst die metallische Brückenbildungsschicht 4 die Lötmittelhöcker 13, die insbesondere aus einer Gold- oder Zinnlegierung bestehen. Über dem Lötmittelhöcker 13 verläuft die Verlängerung 15 der Opferschicht. Die zweite Metallschicht 9 verläuft über der Opferschicht und ist auch auf jeder Seite der Verlängerung 15 mit dem Lötmittelhöcker 13 verbunden.
8 zeigt die Entfernung der Opferschicht mit Hilfe einer chemischen Ätzflüssigkeit durch die Durchlässe 10, die durch die Verlängerungen der Opferschicht erhalten werden, die über die zweite Schicht hervorstehen. Nach dieser Entfernung ist das Mikrosystem 6 im Inneren der Metallkapsel 9 frei.
9 zeigt das Verschließen der Kapsel 9 mit Hilfe eines Werkzeugs 12, das Teile der zweiten Schicht 9 presst, die sich auf den Lötmittelhöckern 13 befinden. Bei der Kompression dieser Teile werden die Lötmittelhöcker 13 erhitzt, damit sie verschmolzen werden und somit die Durchlässe 13 verschließen. In Anbetracht der Tatsache, dass die Durchlässe auf zwei Seiten, die mit der zweiten Schicht 9 verstärkt sind, eine verringerte Größe besitzen, ist es nicht mehr erforderlich, Verstärkungsstützen wie für die erste Ausführungsform vorzusehen, da die Kompression der Teile, die die Durchlässe 10 begrenzen, das Mikrosystem 6 nicht beschädigt.
10 bis 15 zeigen Schritte der hermetischen Einkapselung von Mikrosystemen vor Ort gemäß einer dritten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung. Es ist zu beachten, dass die Elemente dieser Fig., die jenen der 1 bis 5 entsprechen, identische Bezugszeichen tragen.
10 zeigt die Ablagerung einer Opfermetallschicht 7, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, insbesondere auf elektrolytischem Weg auf einer Ringzone der metallischen Brückenbildungsschicht 4, die das Mikrosystem 6 umgibt, und auf dem Mikrosystem, um es vollständig zu umhüllen. Obwohl sie elektrisch verbunden ist, grenzt die auf dem Mikrosystem 6 abgelagerte Opferschicht 7 nicht an die Opferschicht eines benachbarten Mikrosystems auf demselben Substrat 1 an, da sie nur auf einer Ringzone um das jeweilige Mikrosystem abgelagert wird.
11 zeigt die aufeinander folgenden Ablagerungen einer zweiten Metallschicht 9, insbesondere aus Gold oder einer Goldlegierung, und einer dritten Metallschicht 16, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung wie die Opferschicht, auf elektrolytischem Weg über der Opferschicht 7 und auf einer Ringzone, die die Opferschicht 7 umgibt. Zwei Durchlässe 10 werden in den zwei Schichten 9 und 16 ausgebildet, um einen Zugang zur Opferschicht 7 zu gewähren. Die Form der Durchlässe könnte länglich oder kreisförmig oder viereckig sein.
Eine gleiche Schicht aus Photoresist wird für die zwei aufeinander folgenden Ablagerungen von Metallen verwendet. Die zweite Metallschicht 9 besitzt eine geringe Dicke in der Größenordnung von 0,5 μm, während die dritte Metallschicht 16 eine Dicke in der Größenordnung von 20 μm besitzt, damit die endgültige Metallkapsel mechanischen Spannungen standhält. Dies ermöglicht es, eine ausreichend dicke Kapsel herzustellen und Einsparungen zu machen, in Anbetracht der Tatsache, dass die zweite Schicht vorzugsweise aus Gold oder einer Goldlegierung besteht.
Da die dritte Schicht 16 vorzugsweise aus einem gleichen Metall wie die Opferschicht hergestellt wird, um dieselben Elektrolytbäder zu verwenden, ist es erforderlich, sie vor einer chemischen Ätzflüssigkeit zu schützen. Dafür wird, wie in 12 gezeigt, eine vierte Metallschicht 17 aus einem Metall, das zur zweiten Schicht identisch ist, auf der dritten Schicht und auf einer Ringzone, die sie umgibt, abgelagert und verbindet sich mit der zweiten Schicht, während die Durchlässe 10 frei gelassen werden. Die dritte Schicht ist deshalb vollständig zwischen die zweite und die vierte Metallschicht eingefügt und ist somit vor jeglicher chemischer Ätzflüssigkeit für die Entfernung der Opferschicht 7 geschützt. Die Dicke der vierten Schicht liegt in der Größenordnung von 0,5 μm.
13 zeigt die Entfernung der Opferschicht 7 durch eine chemische Ätzflüssigkeit, die durch die Durchlässe 10 läuft, wo die dritte Schicht durch die zweite und die vierte Schicht geschützt wurde.
In den 14 und 15 werden nach der Entfernung der Opferschicht dem Mikrosystem 6 Bewegungen in der Kapsel frei gewährt, beispielsweise im Fall von Metalllamellen eines Schalters. Lötmitteltropfen 18 werden dann durch ein Werkzeug, das nicht dargestellt ist, auf jeden Durchlass 10 in der Richtung des Pfeils f aufgebracht und werden verfestigt, um die Durchlässe zu verschließen und die Kapsel hermetisch zu verschließen.
Die 16 bis 19 zeigen Schritte der hermetischen Einkapselung von Mikrosystemen vor Ort gemäß einer vierten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung. Es ist zu beachten, dass die Elemente dieser Fig., die jenen der 1 bis 5 entsprechen, identische Bezugszeichen tragen.
In den 16a, 16b und 16c wurde eine Reihe von Lötmittelhöckern 13 der Brückenbildungsschicht 4 um das Mikrosystem 6 in einem vorangehenden Schritt des Verfahrens hergestellt, ebenso wie Führungselemente 20, die in der Richtung der Ecken des Mikrosystems und im Inneren der Reihe von Lötmittelhöckern angeordnet sind. Diese Führungselemente 20 bestehen aus einem Metall, das von den Lötmittelhöckern 13 und der Opferschicht 7 verschieden ist, um insbesondere höhere Temperaturen als die Lötmittelhöcker 13 auszuhalten. Sie werden für die Führung der zweiten Schicht 9 beim Verschließen der Kapsel verwendet, wie später erörtert.
Die Höcker können auf dem ganzen Umfang des Mikrosystems regelmäßig beabstandet sein, ohne mit dem Mikrosystem 6 in direktem Kontakt zu stehen. Eine Opferschicht 7 wird auf elektrolytischem Weg auf dem Mikrosystem 6 und auf einer Ringzone der Brückenbildungsschicht 4 abgelagert, durch eine Maskierung mit Photoresist, ohne über die Lötmittelhöcker 13 zu verlaufen. Dagegen werden Teile 19 der Opferschicht in den Räumen zwischen den Lötmittelhöckern angeordnet, um Durchlässe in der zweiten Metallschicht erzeugen zu können, wie in 16c gut zu bemerken ist, die ein Schnitt entlang der Linie XVII-XVII der 16a ist.
In 17 wird eine zweite Metallschicht 9 auf elektrolytischem Weg auf der Opferschicht 7 und auf den Lötmittehöckern 13 abgelagert. Die zweite Schicht kommt nicht mit der Basisschicht der Brückenbildungsschicht 4 in Kontakt, da sie sich nicht jenseits des Umfangs der Opferschicht 7 erstreckt. Sie lässt deshalb die Teile 19 der Opferschicht aus der zweiten Metallschicht 9 hervortreten, um Durchlässe 10, die in 18 sichtbar sind, in den Räumen zwischen den Lötmittelhöckern 13 definieren zu können.
In 18 wurde die Opferschicht 7 mit Hilfe einer chemischen Ätzflüssigkeit durch die Teile 19, d. h. durch die Durchlässe 10 der zweiten Schicht 9, entfernt. Diese zweite Schicht 9 erscheint nach der Entfernung der Opferschicht wie ein Dach, das sich auf der Reihe von Lötmittelhöckern 13 abstützt und das Mikrosystem 6 schützt.
Das hermetische Verschließen der Metallkapsel ist in 19 gezeigt. Das Substrat 1 mit allen Mikrosystemen unter ihrer Kapsel wird in einen Ofen gestellt, um eine Wärmefront 21 zu den Lötmittelhöckern 13 zu bringen, um sie schmelzen zu lassen. Sobald die Lötmittelhöcker 13 schmelzen, senkt sich die Kapsel 9 in der Richtung v durch ihr Eigengewicht und durch Kapillarität ab, um das Mikrosystem hermetisch einzuschließen, indem alle Durchlässe verschlossen werden. Da beim Schmelzen der Lötmittelhöcker 13 die Kapsel keinen festen Stützpunkt mehr hat, kann es sein, dass sie sich in einer horizontalen Richtung verlagert und mit dem Mikrosystem in Kontakt kommt. Die Führungselemente 20, die in einer Anzahl von vier in den 16 bis 19 gezeigt sind, sind folglich vorgesehen, um zu verhindern, dass sich die Kapsel zu weit in der horizontalen Richtung verlagert und sich auf der Brückenbildungsschicht mit Hilfe der Lötmittelhöcker 13 an einem Ort befestigt, was die gute Funktion des Mikrosystems 6 stören kann.
Die Stabform, die zur Erläuterung in den 16 bis 19 für die Führungselemente 20 angegeben ist, ist nicht begrenzend, da diese Elemente andere Formen annehmen könnten. Beispielsweise können nur zwei Führungselemente 20 verwendet werden, die nahe zwei entgegengesetzten Ecken des Mikrosystems 6 angeordnet sind. Die Form dieser zwei Elemente kann zylindrisch oder L-förmig sein. Die Verwendung dieser Führungselemente ist natürlich nicht obligatorisch, wenn es gelingt sicherzustellen, dass die Absenkung der zweiten Schicht 9 ausschließlich in vertikaler Weise erfolgt.
Da die Lötmittelhöcker 13 aus einer Gold- und Zinnlegierung oder einer Zinn- und Bleilegierung bestehen und die zweite Schicht 9, die auf den Höckern zur Anlage kommt, aus Gold oder einer Goldlegierung besteht, besteht ein Risiko einer Diffusion der Legierung der Höcker in die zweite Schicht bei ihrem Schmelzen durch die Wärmefront 21. Deshalb birgt dies das Risiko, dass durch eine zu große Menge an geschmolzenem Material nicht mehr ein ausreichender Raum für das Mikrosystem garantiert wird. Um diese Diffusion zu verhindern, ist dem Fachmann bekannt, eine Diffusionssperre zwischen den Lötmittelhöckern 13 und der zweiten Schicht 9 anzuordnen.
Die 20 und 21 zeigen zwei letzte Schritte der hermetischen Einkapselung von Mikrosystemen vor Ort gemäß einer fünften Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung. Es ist zu beachten, dass die Elemente dieser Fig., die jenen der 1 bis 5 entsprechen, identische Bezugszeichen tragen.
In den 20a und 20b ist die Metallkapsel zu beobachten, die aus der zweiten Metallschicht 9 insbesondere aus Gold oder einer Goldlegierung besteht, wobei die mehreren Durchlässe 10 auf ihrem Scheitelbereich ausgebildet sind, durch welche die Opferschicht mit Hilfe einer selektiven chemischen Ätzflüssigkeit entfernt wurde. Diese Kapsel wurde auf einer Ringzone der Brückenbildungsschicht 4 um das Mikrosystem abgelagert und schließt ohne Kontakt das Mikrosystem 6 ein.
Die Durchlässe 10 weisen eine ausreichend kleine Größe auf, um im Scheitelbereich der Kapsel angeordnet werden zu können und zu ermöglichen, sie mit einem flüssigen Lötmittelschwall 23, der durch ein zylindrisches Drehwerkzeug 22 geliefert wird und sich in einer Richtung h über dem Substrat 1 verlagert, wie in 21 zu sehen ist, oder mit einer kontinuierlichen Lötmittelwelle zu verschließen. Durch die Kapillarwirkung verschließt das flüssige Lötmittel 23 die Durchlässe 10 ohne Risiko, mit dem Mikrosystem 6 in Kontakt zu kommen.
Das zylindrische Werkzeug 22 umfasst im Inneren eine oder mehrere Leitungen zum Zuführen der Lötmittelflüssigkeit 23, die in 21 nicht sichtbar sind und die in benachbarten Öffnungen münden, die auf dem Umfang des Zylinders ausgebildet sind, um einen flüssigen Lötmittelschwall 23 zu erzeugen. Die Breite des Werkzeugs ist derart, dass sie in einem einzigen Durchgang über das Substrat es ermöglicht, alle Durchlässe 10, die in der zweiten Schicht ausgebildet sind, aller eingekapselten Mikrosysteme zu verschließen. Es ist zu beachten, dass die Ebenheit der Scheitelbereiche der zweiten Schicht in der Größenordnung von plus oder minus 10 μm liegt, so dass das Werkzeug ohne zu große Schwierigkeit alle Durchlässe auf einmal verschließen kann.
Anstelle des Drehwerkzeugs 22 zum Verschließen der Durchlässe könnte das Substrat 1, das alle mit der zweiten Schicht 9 eingekapselten Mikrosysteme 6 trägt, über ein Lötmittelbad gebracht werden, während garantiert wird, dass die Kontaktbereiche, die mit den Leiterstreifen verbunden sind, die in 1 bis 5 erläutert wurden, nicht bedeckt werden. Für diese Operation ist es möglich, den für die Bildung der zweiten Schicht verwendeten Photoresist zu belassen, der die Bereiche sowie das Ende der Leiterstreifen schützt.
In dieser fünften Ausführungsform sind die Durchlässe 10 wie ein Gitter im Scheitelbereich der zweiten Schicht 9 angeordnet, so wie es in Kenntnis des Fachmanns mit einer Schicht aus porösem Polysilicium verwirklicht werden könnte. Als Referenz kann auf den Artikel der 12. IEEE conférence internationale MEMS '99 vom 17. bis 21. Januar 1999 mit dem Titel "Micro Electro Mechanical Systems" auf den Seiten 470 bis 475 Bezug genommen werden. Diese Polysiliciumschicht wird in bestimmten Ausführungen von Einkapselungen von Mikrosystemen für die Entfernung einer Opferschicht durch eine chemische Ätzflüssigkeit, die durch das poröse Polysilicium strömt, verwendet.
Das Verfahren zur Einkapselung, das gerade beschrieben wurde, hätte auch für die Einkapselung eines einzigen Mikrosystems, das auf einem Substrat montiert ist, gelten können, aber im Hinblick auf die maximale Verringerung der Herstellungskosten auf diesem Gebiet der Mikrometervorrichtungen ist es rentabler, mehrere Mikrosysteme auf einem gemeinsamen Substrat gleichzeitig einzukapseln.
Weitere Ausführungsvarianten oder Kombinationen von vorangehenden Ausführungsformen für eine hermetische metallische Einkapselung von Mikrosystemen, die vorstehend nicht erläutert sind, aber im Bereich des Fachmanns liegen, können auch vorgestellt werden, ohne vom Rahmen der Erfindung, der durch die Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum hermetischen Einkapseln von Mikrosystemen vor Ort, bei dem in einer ersten Phase auf ein gemeinsames Substrat (1) mehrere Mikrosysteme (6) montiert werden, die von einer auf dem Substrat abgelagerten metallischen Brückenbildungsschicht (4) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Phase in einer gemeinsamen Ablagerungsoperation eine erste metallische Schicht (7) auf jedem Mikrosystem (6) und auf einer Ringzone (7a) der jedes Mikrosystem (6) umgebenden Brückenbildungsschicht (4) abgelagert wird, derart, dass jedes Mikrosystem durch Überlappung vollständig abgedeckt ist, dass eine zweite metallische Schicht (9) auf elektrolytischem Weg auf der ersten metallischen Schicht (7) und auf der Brückenbildungsschicht (4) abgelagert wird, derart, dass die erste Schicht (7) auf einem Hauptteil ihrer Oberfläche abgedeckt ist, indem wenigstens ein Durchgang (10) pro Mikrosystem (6) in der zweiten Schicht (9) freigelassen wird, um einen Zugang zu der ersten Schicht (7) zu schaffen, wobei das Metall der ersten Schicht von den Metallen der Brückenbildungsschicht, der zweiten Schicht und des Mikrosystems verschieden ist, dass durch selektive chemische Ätzung die erste Schicht (7) durch jeden Durchlass (10) der zweiten Schicht (9) entfernt wird und dass anschließend die Durchlässe (10) verschlossen werden, um metallische Kapseln zu erhalten, die jedes Mikrosystem hermetisch einschließen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (7) auf elektrolytischem Weg abgelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (7), die jedes Mikrosystem umhüllt, wenigstens zwei Öffnungen (8) aufweist, die jeweils zwischen dem Mikrosystem (6) und dem der zweiten Schicht (9) entsprechenden Durchlass angeordnet sind, und dass sich die zweite Schicht (9) in jede der Öffnungen (8) bis zu der Brückenbildungsschicht (4) erstreckt, derart, dass zwischen jedem Durchlass (10) und dem entsprechenden Mikrosystem (6) eine Haltestütze (14) der zweiten Schicht (9) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlässe (10) mittels zweier Verlängerungen (15) gegenüber der ersten Schicht (7) für jedes Mikrosystem (6) gebildet sind, wobei die Verlängerungen (15) aus der zweiten Schicht (9) hervorstehen, deren Breite sich zwischen den Verlängerungen (15) nicht ändert, derart, dass auf Höhe der Durchlässe (10) eine Verstärkung geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) in der Weise abgelagert wird, dass sie die erste Schicht (7) mit Ausnahme mehrerer Durchlässe (10) mit verringerter Abmessung, die auf den Scheitelbereichen der zweiten Schicht (9) über jedem Mikrosystem angeordnet sind, umhüllt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschließen der auf den Scheitelbereichen der zweiten Schicht angeordneten Durchlässe (10) dadurch erfolgt, dass ein Lötmitteltropfen (18), der sich verfestigen soll, auf jedem Durchlass abgelagert wird oder dass ein Lötmittelfluidschwall (23), der sich verfestigen soll, darüber geschickt wird, um alle Durchlässe (10) zu verschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschließen der Durchlässe (10) dadurch erfolgt, dass Teile (11) der zweiten Schicht (9) um jeden Durchlass (10) erwärmt und komprimiert werden und dass sie auf die Brückenbildungsschicht (4) gelötet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenbildungsschicht (4) Höcker aus einem Lötmetall (13) umfasst, die auf einer metallischen Basisschicht der Brückenbildungsschicht (4) und an den Stellen der Durchlässe (10) der zweiten Schicht angeordnet sind, derart, dass die Durchlässe (10) verschlossen werden, wenn die Teile (11) der zweiten Schicht einer Wärmekompression unterworfen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Schicht auf den Lötmetall-Höckern (13) der Brückenbildungsschicht (4), die am Umfang jeder das entsprechende Mikrosystem (6) umgebenden Ringzone verteilt sind, abstützt und dass ein Teil der ersten Schicht (7) zwischen benachbarten Lötmetall-Höckern (13) angeordnet ist, um von der zweiten Schicht (9) vorzustehen und um mehrere Durchlässe (10) der zweiten Schicht (9) pro Mikrosystem (6) zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschließen der Durchlässe (10) für jedes Mikrosystem dadurch erfolgt, dass die Lötmetall-Höcker (13) erhitzt werden, um die zweite Schicht (9) auf die Höhe einer Basisschicht der Brückenbildungsschicht (4) abzusenken und um die Kapseln auf den Mikrosystemen (6) hermetisch zuzuschmelzen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Brückenbildungsschicht (4) Führungselemente (20) der Kapseln befestigt werden, bevor sie durch die erste Schicht (7) umhüllt werden, wobei diese Elemente nach dem Entfernen der ersten Schicht zurückbleiben und der vertikalen Führung der Kapseln beim Absenken der zweiten Schicht (9) zum Verschließen der Durchlässe (10) dienen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der ersten Schicht (7) Kupfer oder eine Kupferlegierung ist und dass das Metall der zweiten Schicht (9) Gold oder eine Goldlegierung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Basisschicht der Brückenbildungsschicht (4) aus einer ersten metallischen Brückenbildungsebene auf dem Substrat aus Titan oder Chrom, aus einer zweiten metallischen Ebene aus Nickel oder aus Palladium oder aus Rhodium oder aus Ruthenium oder aus Molybdän oder aus Platin, die als Diffusionssperre für das Lötmittel dient, und aus einer dritten metallischen Ebene aus Gold, die als Oxidationsschutz dient, hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Schicht (9) eine dritte metallische Schicht (16) abgelagert wird, ohne die Durchlässe (10) der zweiten Schicht zu verschließen, dass auf der dritten Schicht (16) eine vierte metallische Schicht (17) abgelagert wird, um die dritte Schicht (16) zwischen der zweiten Schicht (9) und der vierten Schicht (17) vollständig zu umgeben, ohne die Durchlässe (10) der zweiten Schicht zu verschließen, wobei das Metall der zweiten Schicht (9) gleich dem Metall der vierten Schicht (17) ist, und dass durch selektive chemische Ätzung die erste Schicht (7) durch jeden Durchlass (10) hindurch entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Montage der Mikrosysteme Leiterstreifen (2) für die äußere elektrische Verbindung jedes Mikrosystems (6) auf dem Substrat verwirklicht werden, dass auf dem Mittelteil in Längsrichtung der Streifen (2) eine Isolierschicht (3) abgelagert wird, wobei deren Enden für einen elektrischen Anschluss freigelassen werden, und dass die Brückenbildungsschicht (4) anschließend in der Weise abgelagert wird, dass sie zur Isolation der Streifen gelangt und so strukturiert ist, dass metallische Bahnen definiert werden, die mit einem der Enden der Leiterstreifen (2) verbunden sind, während das andere Ende der Streifen mit dem entsprechenden Mikrosystem (6) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Montage der Mikrosysteme (6) zahlreiche leitende Löcher durch einen isolierenden Teil des Substrats (1) für die äußere elektrische Verbindung jedes Mikrosystems (6) verwirklicht werden und dass mit den leitenden Löchern auf der Oberfläche des Substrats gegenüber den Mikrosystemen (6) metallische Bereiche verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapseln nach ihrem Verschließen mit einer Schutzharzschicht überzogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verschließen der metallischen Kapseln das Substrat zerschnitten wird, um jedes eingekapselte Mikrosystem (6), das metallische Kontaktbereiche (5) besitzt, die von außen zugänglich sind, abzutrennen.