SE537584C2 - Tunnfilmskapsling - Google Patents

Abstract

SAMMANDRAG: Foreliggande uppfinning avser metoder fOr forsegling av kaviteter i anordningar innefattande mikroelektroniska/mekaniska system (MEMS) for att tillhandahalla en kontrollerad atmosfar inuti den forseglade kaviteten. Metoden innefattar tillhandahallande av ett halvledarsubstrat, pa vilket det finns en mall pa ett lokaliserat omrade pa substratet, som definierar kavitetens inre form. Hal Ors for att mojliggora ventilering av kaviteten sâ att en kontrollerad atmosfar kan ombesorjas inuti kaviteten. Slutligen anordnas ett forseglingsmaterial i halet f8r att forsegla kaviteten. F8rseglingen kan eras genom komprimering och/eller smaltning av forseglingsmaterialet.

Description

TUNNFILMSKAPSLING Foreliggande uppfinning avser metoder for att forsegla kaviteter i mikroelektroniska/-mekaniska (MEMS) anordningar for att tillhandahalla en 5 kontrollerad atmosfar inuti den forseglade kaviteten.

Uppfinningens bakgrund I MEMS-teknologi enligt teknikens standpunkt som avser tillhandahallande av 10 forseglade kaviteter som inrymmer funktionella komponenter sdsom mekaniska strukturer (till exempel troghetssensorer, accelerometrar, tidsstyrningsanordningar sasom oscillatorer for att bara namna nagrahar det tidigare varit svart eller till och med ornajligt att kontrollera atmosfaren i kaviteterna. Forsegling av eventuella ventileringshal eller andra oppningar i strukturen har med nodvandighet utforts med anvandning av processer ddr atmosfdren varit villkorad av processen. Detta innebdr att forseglingen ager rum antingen i vakuum, varvid kaviteten har forseglats med ett vakuum thdande dari, eller i flagon annan atmosfar som kravs av processen som anvants (till exempel syre), och saledes kan kavitetsatmosfaren inte kontrolleras godtyckligt.

Emellertid ãr det ofta Onskvart eller till och med absolut nodvdndigt att kontrollera atmosfaren i termer av tryck och/eller gaskomposition, och i sadana omstandigheter klarar inte de kanda metoderna detta. Ett exempel pa det senare är en mekanisk h6gprestandastruktur som kraver dampning av ndgot slag, foretradesvis gasdampning med ett kontrollerat tryck for att undvika ringning eller sjdlvoscillation.

En losning pa detta problem har anvisats av Stemme et al, publicerad i den internationella patentansokan WO 2011/073393A2. Uppfinnarna tillhandahaller dari ett material med en storre dimension an ett hM i ett substrat som skall forseglas. Ett verktyg anvands for att pressa material in i halet for att forsegla detta. Valfritt smalls materialet varvid pressning blir ldttare. Denna beskrivning avser processning av plana ytor som inte uppvisar nagon topologi. 1 I US-4,744,863 (Guckel) beskrivs forseglade kavitetsstrukturer lampliga att anvandas i tryckomvandlare formade pa en enda yta av ett halvledarsubstrat (20) exempelvis genom deponering av ett polykristallint kiselskikt. En kavitetstruktur innefattande kanaler tillverkas. Kanalerna stracker sig fran kommunikation med atmosfaren till kaviteten. Kaviteten kan forseglas gentemot den yttre atmosfaren medelst en andra angdeponering av polykisel eller kiselnitrid, som fyller upp och forseglar kanalerna, eller genom att exponera substratet och strukturen darpa for en oxiderande omgivning vilket resulterar i tillvaxt av kiseldioxid i kanalerna tillrackligt for att forsegla kanalerna.

Sammanfattning av uppfinningen I ljuset av bristerna hos metoderna enligt teknikens standpunkt som diskuterats ovan har uppfinnarna anvisat en ny process for att majliggora kontrollerad ventilering och mojliggora total kontroll av atmosfaren inuti kaviteterna i MEMS-strukturer, pa ett satt som ar effektivt fran ett produktionsperspektiv, och som tillater anvandning av standardutrustning, varigenom tillverkningskostnaden reduceras.

Den nya metoden definieras i krav 1, och Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen beskrivs nedan i anslutning till ritningsfigurerna i vilka olika aspekter av uppfinningen visas, och i vilka Figur 1 illustrerar en utforingsforma av en forseglad kavitet med en kontrollerad atmosfar; Figur 2 visar ett forsta steg i en utforingsform av metoden; Figur 3 visar ett forsta steg i en utforingsform av metoden; Figur 4 visar ett forsta steg i en utforingsform av metoden; Figur visar ett forsta steg i en utforingsform av metoden; Figur 6a-g illustrerar en processekvens f6r en generell aspekt av metoden; Figur 7 visar ett forsta stadium av en process; Figur 8 visar ett f6rsta stadium av en process; Figur 9 visar ett andra stadium av en process; 2 Figur visar ett tredje stadium av en process; Figur 11 visar ett fjarde stadium av en process; Figur 12 visar ett femte stadium av en process; Figur 13 visar ett sjdtte stadium av en process; Figur 14 visar ett sjunde stadium av en process; Figur visar ett attonde stadium av en process; och Figur 16 visar ett nionde stadium av en process.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen I sin mest generella aspekt tillhandahaller uppfinningen en metod for att tillverka en halvledaranordning med en stangd kavitet. Den innefattar tillhandahallande av ett halvledarsubstrat, och att anordna en mall pa en lokaliserad yta pa substratet som definierar kavitetens inre form. Det ár lampligen ett offermaterial som kan etsas bort, och mallen stracker sig ovanfor substratytan, men kan ocksa stracka sig ner in i substratet, sa att kaviteten antingen kan formas helt och hallet pa substratet, eller formas genom en kombination av en f8rdjupning i ytan och ett utrymme ovanfor substratplanet. Nar mallen ijorts är nasta steg att deponera en film Over hela substratet, och att era atminstone ett hal genom filmen ner till mallen. Darefter utfors selektiv etsning genom halet/halen fOr att avldgsna mallen varvid kaviteten tillhandahalles. Forseglingsmaterial deponeras i halet och/eller intill halet utan att blockera halet, och en onskad atmosfar tillas komma in i kaviteten genom halet. Slutligen utsdtts forseglingsmaterialet for valda betingelser sa att materialet bringas att komma in i halet for att forsegla kaviteten.

En forsta utforingsform av foreliggande uppfinninge kommer nu att beskrivas med hanvisning till Figurerna 1-5.

Det problem som skall losas dr saledes att tillhandahalla en struktur lik den som visas i Fig. 1, vilken visar en delsnittvy i perspektiv, namligen en kavitet 12 anordnad pa ett substrat 10 dar kaviteten definieras av en tunnvaggig struktur 14, som skjuter ut uppdt fran substratytan, sa att substratet ddrigenom uppvisar en topologi, och kaviteten 12 uppvisar en kontrollerad atmosfar, utan 3 att den tunnvaggiga strukturen asamkas skada i processen att fOrsegla kaviteten.

Uppenbarligen kan metoden enligt dokumentet enligt teknikens standpunkt, WO 2011/073393, som diskuterats i bakgrundsavsnittet inte anvandas sâ som beskrivs i WO 2011/073393, eftersom det skulle forstora strukturen om det platta verktyget som anvands ddri anbringas over hela ytan. Det kan noteras att Stemme et al explicit definierar en kavitet sasom foreliggande "i ett substrat", i motsatt till foreliggande uppfinninge dar kaviteten snarare ãr anordnad "pa 10 substratet".

For att kunna Astadkomma en forseglingsverkan for en kavitet anordna pa ett substrat, och i vilken en onskad och kontrollerad atmosgr har inforts, och vilken kavitet innefattar sk8ra strukturer som bildar kavitetens vaggar och tak som skjuter upp fran ett substrat pa vilket d anordnade, har uppfinnarna anvisat en ny metod och anordning som uppnar detta syfte.

I sin mest generella form innefatta saledes uppfinningen tillhandahallande av ett substrat 10 som har kaviteter 12 pa sin yta, dâr varje kavitet 12 har mycket 20 tunna vaggar 14.

Fig. 2 visar en utforingsform i vilken ett substrat 10 har forsetts med en kavitet 12 som definieras av en struktur 14 innefattande en tunnfilmskapsling. En kanal 16 stracker sig lateralt till en punkt lateralt forskjutet fran kaviteten under substratytan dar det foreligger en kanaloppning i form av en oppning 18 eller ett hal i substratytan som stracker sig ner till kanalen.

Det är inte strikt nodvandigt att tillhandahalla en kanal, amen om det kan vara praktiskt fran tillverkningssynvinkel. Istallet kan det racka att helt enkelt 5stadkomma en oppning intill kaviteten (ej visat), for att tillhandahalla mer eller mindre direkt atkomst till kaviteten &An utsidan.

Vidare har forseglingsmaterial 22 deponerats runt om halet i en torusliknande form. Det an inte strikt nodvandigt att tillhandahalla en torusform, och forseglingsmaterialet kan deponeras som ett eller flera omthden av material sA. 4 lange som mangden är tillracklig for att astadkomma en forseglingsplugg i halet/ kanalen.

Genom att salunda tillhandahalla enflodeskommunikationsvag 16 till kaviteten 5 12 pa detta satt ar det mojligt att ventilera kaviteten genom kanalen genom att spola den, lampligen ett antal ganger med en lamplig gas eller gasblandning for att pa sa satt slutligen astadkomma en onskad atmosfar inuti kaviteten. pa ett satt som inte pa'verkar Nar val den onskade atmosfaren har uppnatts inuti kaviteten kan oppningen i substratet foresglas pa ett satt som inte paverkar kompositionen av atmosfaren inuti kaviteten. Emellertid maste man ta i beaktande den allman.na gaslagen i det att forsegling vid en forhojd temperatur kommer att innebara att trycket inuti den forseglade kaviteten kommer att reduceras nar temperaturen atergar till den normala. Om det salunda erfordras ett tryck om 1 atm i kaviteten vid rumstemperatur och forseglingen sker vid ungefar 300 °C, bor trycket under forseglingen vara ungefar 2 atm. Som exempel kan namnas accelerometrar eller RF-omkopplare for vilka det ar onskvart med dampning vid ett kavitetstryck om 0,1 - 0,5 atm.

Forseglingen uppnas genom att deponera ett deformerbart material 22 nar/intill kanaloppningen 18, lampligen med nagon av PVD, CVD, platering, sputtring, inklusive litografi-/etsningsprocedurer, vilket är en icke-uttommande lista av mojliga metoder. Mangden material la& vara tillrackligt stor f8r att halet efter forseglingen har utforts skall fyllas i vasentlig omfattning, vilket betyder att det foretradesvis bor ná ner till botten av halet, det viii saga till kanalens 16 "golV'. Det ãr annu mer foredraget att materialet f8rskjuts i viss man in i och langs med kanalen. Det ar av yttersta vikt att forseglingen kommer att vara lackagetat sa att ingen gas vare sig kan komma ut ur kaviteten eller komma in i kaviteten efter forsegling. Speciellt ar detta av vikt om det foreligger en tryckskillnad mellan kavitetens inre och omgivningen.

For att bringa materialet in i halet och mojligen ocksa in i kanalen kan forseglingsmaterialet utsattas for olika betingelser som far detta att hand& I den forsta utforingsformen, som illustreras i Fig. 2-3, varms materialet till smdltpunkten for att fa det att stromma in i halet och vidare in i kanalen. I Fig. 3 visas hur forseglingsmaterialet (22 i Fig. 2) har deformerats genom smdltning och kommit in i 6ppningen 18, och bildar en plugg 23, varigenom det effektivt forseglar kaviteten. I uppfinningen or Au och AuSn f6redragna material, men uppfinningen ãr inte begransad till anvandning av dessa material. Andra majliga material som kan namnas ãr AuSi, AgSn, CuSn, PbSn. I syfte att forsaka detta flode ãr det nodvandigt att avsatta ett flodesforbattrande material i halet. Sadana material kan vara av typen vdtande material, till exempel metaller, da forseglingsmaterialet ãr till exempel AuSn. Mojliga metaller for att uppna den onskade vatningen dr Au, Al, Ag, Cu, Ti, Cr, Ru, Pt. For ett fall da Au anvands som det deponerade materialet for forsegling, dr det ldmpligt att tillhandahalla ett material som bildar ett eutektikum med det deponerade materialet, vilket skulle kunna vara polykisel f6r Au som det deponerade materialet. Om Al anvands som en komponent skulle polygermanium kunna anvandas for att forma eutektikat. Valfritt kan aven det flodesforbattrande materialet deponeras i kanalen.

Ett annat alternativ skulle kunna vara att tillhandahalla ett icke-vdtande material pa substratet utanfor det omrade ddr forseglingsmaterialet deponeras. Ddrigenom skulle forseglingsmaterialet inte kunna fiyta ut pa substratet cla det smdlts och kommer att tvingas att stromma ner i halet.

Den infdllda bilden i Fig. 2 i cirkeln ãr en detalj av halet som visar ett tunt lager av ett flodesforbattrande material 21 som stracker sig nerfOr vaggarna i hdlet 18 och ocksa ytterligare in i kanalen 12. Om inget sadant material anordnas kan det smalta materialets ytspanning hindra det fran att fiyta in i halet. Som antytts ovan kan detta material vara i form av en metall, eller polykisel fOr bildning av ett eutektikum och kan deponeras medelst ldmpliga metoder sasom, men ej begransat till, ALD, LPCVD, PVD, CVD, evaporering etc. Faktum dr att vad som kommer att handa i det fall da p-Si anvands ãr att Au kommer att strava efter att bilda en eutektisk komposition med p-Si och saledes kommer det smdlta Au att "reagera" med p-Si och sugas in i halet. 6 Fig. 3 illustrerar hur en plugg 23 har bildats i halet efter smaltning av forseglingsmaterialet.

En alternative metod är att utsatta det deponerade forseglingsmaterialet for enpressverkan med anvandning av ett verktyg. Detta verktyg maste vara utformat i enlighet med uppfinningen sa att det endast paverkar det deponerade forseglingsmaterialet under pressningsmomentet, och kommer inte att fororsaka skada pa den skora kavitetsstrukturen som skjuter ut uppat fran substratytan.

I Figurerna 4 och 5 visas pressningsmomentet med anvdndning av verktyget enligt uppfinningen.

Fig. 4 visar ett substrat 10 som har forsetts med en kavitet 12 som definieras av en inkapslande filmstruktur 14. En kanal 16 som har en oppning 18 i 15 substratytan 20 firms ocksa anordnad.

Vidare har fOrseglingsmaterial 22 deponerats runt om halet i en torusliknande form. Det ãr inte strikt nodvandigt att tillhandhalla en torusform, och forseglingsmaterialet kan deponeras som ett eller flera omranen av material sa. ldnge som mdngden är tillrdcklig for att astadkomma en forseglande plugg i halet/kanalen.

Verktyget for att utflira pressforseglingsmomentet innefattar en plan platta 26 pa vilken det finns anordnat en uppsdttning stdrnpelelement 28, ett for varje forseglingspunkt. Stamplingselementen har en hojd Hi som overstiger hOjden H2 for kavitetsholjena, det viii saga att H2 > H2. Det minsta mellanrummet mellan kavitetens toppyta och verktygsplattan 26 bor i faredragna utforingsformer vara > 5 gm for att sdkerstalla att inget skrap i form av partiklar eller liknande som skulle kunna foreligga pa toppen av kaviteterna kommer att komma i spel och fororsaka skador under pressningsmomentet. Emellertid är mellanrummet i foredragna utforingsformer storre, eftersom det mycket val kan handa att skrdppartiklar kan ha en storlek om mer an 5 gm. I foredragna utforingsformer âr saledes mellanrummet > 20 gm, mer foredraget > 40 gm och annu mer foredraget > 80 gm. 7 Darigenom kommer det alltid att foreligga ett visst fritt avstand mellan kaviteterna och verktygsplattan 26 nar pressverkan ar fullbordad.

Vidare bar starnplingselementens minsta dimension (det viii saga vidd or diameter beroende pa form) vara ston-e an storleken av den deponerade forseglingsmaterialtorusen eller --dynorna, sa att deformeringen vid pressningsmomentet blir fullstandig och effektiv. Overdimensionering av stamplingselementen 28 forenklar ocksa upplinjeringen av verktyget i pressningsmomentet.

Sidfarhallandet maste ocksa beaktas. Lampligen ãr det aminstone 1:1 (hajd/bredd), mer faredraget 2:1, aven om det kan vara stone. Om stamplingselementen 28 emellertid gars alltfar langa i forhallande till vidden kan de latt brytas sonder under pressningsmomentet.

Stamplingselementen 28 laggs ut i ett monster som matchar monstret av halen som skall fOrseglas. Foretradesvis foreligger en 1:1-motsvarighet mellan stamplingselementen och forseglingsstallena, aven om detta naturligtvis inte ãr strikt nodvandigt. Ett viktigt sardrag är att det forsths inte far finnas nagra stamplingselement anordnade pa stallen dar det finns kaviteter, eftersom i sadant fall skulle kaviteterna skadas.

Ofta foreligger strukturerna ifraga, det viii saga kaviteter med en kontrollerad atmosfar, i stora antal pa ett substrat (eller skiva). Det kan vara sa manga som 100,000 &Adana strukturer anordnade, var och en forsedd med ett hal som skall forseglas. For att underlatta produktion simile det farstas var bekvamt och forstas foredraget om alla hal kunde tatas i ett moment.

I en faredragen utforingsform av uppfinningen innefattar saledes verktyget 24 en plan supportplatta 26 med enstorlek som motsvarar hela substratet. Pa supportplattan 26 finns anordnat stamplingselement 28 sá att forseglingsmomentet kan utforas i ett pressteg. Detta kraver ett stamplingselement 28 for varje hal som skall forseglas. 8 Materialet i stampfingselementen är av betydelse. Det far forstas inte reagera med forseglingsmaterialet, i vilket fall det inte skulle vara mOjligt att avldgsna stdmpeln efter forsegling utan att skada forseglingen. En aspekt att beakta dr dad& att anvanda en materialkomposition som inte kan bilda bindningar med forseglingen i forseglingsmomentet. Alternativt kan denna effekt astadkomma genom att anordna en belaggning av ett ldmpligt material pa ytan av stamplingselementen. Sadana material kan vara av typen SiO eller SiN, Awn om liknande andra material naturligtvis ocksà kan anvandas.

For att ytterligare reducera eller till och med eliminera risken att stdmplingselementen fastnar pa forseglingsmaterialet, kan elementens yta ruggas upp, det vill saga att de kan uppvisa en grad av ytgrovhet. Emellertid far ytgrovheten (uttryckt i gm) inte overstiga det deponerade forseglingsmaterialets tjocklek, eftersom i sadant fall skulle forseglingsmaterialet helt enkelt kunna bli deformerat och inte faktiskt tvingas in i Met. Saledes bor ytgrovheten foretrddesvis vara atminstone 25% mindre an forseglingsmaterialets tjocklek.

Upplinjering av stamplingsverktyget med forseglingsstrukturen är forstas nodvandigt. Eftersom uppfinningen kan implementeras in skivbondmaskin, kch 20 upplinjeringsprocedurer ãr inbyggda i sadan utrustning, kommer emellertid inte detta att utg8ra nagot problem f6r en fackman.

Det är fOrstas mojligt att tillhandahalla mindre verktyg, det vill saga plattor som tacker endast en del av ett substrat, och armed endast en del av }Alen, i vilket 25 fall metoden skulle involvera ett upprepat pressningsmoment, vilket skulle krava extra processteg, och salunda oonskade produktionsfordrojningar.

Det finns specifika tillampningar sasom ndr tva olika komponenter kraver olika atmosfarer inuti en kavitet r onskvarda. Som ett exempel kan namnas troghetssensorer. Sadan sensorer innefattar gyron (krdver hogvakuum) i kombination med accelerometrar som krdver gasdampning (16.gvakuum), det vill saga fallet dâ en accelerometer och ett gyro anordnas tillsammans pa ett chip. Totalt ger detta sex frihetsgrader. I sadana fall utfors forseglingsprocessen lampligen i tvâ steg, det vill saga ett forsta steg att infora en f6rsta atmosfar i 9 vissa kaviteter foljt av en forsegling, och ett andra steg att infora en annan atmosfar i aterstaende kaviteter foljt av en forsegling.

Det finns flera mojliga kombinationer av procedur inom ramen for 5 uppfinningstanken.

En forsta variant är att tillhandahalla forseglingsmaterial med en hog smaltpunkt for en forsta uppsattning hal som skall forseglas, fora in en iinskad atmosfar och smalta materialet for att forsegla. Darefter tillhandahalles ett andra forseglingsmaterial med en lagre smaltpunkt till resterande hal, aven har infOrs en anskad atmosfar, som skiljer sig fran den forsta atmosfaren, i kaviteterna och forsegling utfors vi den lagre smaltpunkten varvid de forsta forseglingarna kommer att vara opaverkade pa grund av den hogre smaltpunkten. Pa detta satt kan olika atmosfarer erhallas i olika kaviteter.

Det är ocksâ mojligt att utfora forseglingen genom stampling i tva pa varandra faljande moment. I fallet med stampling skulle det forstas inte kravas olika forseglingsmaterial. Istallet skulle man anvanda olika och komplementara stamplingsverktyg, sá att en forsta stampel farseglar en forsta uppsattning hal, och ett andra verktyg forseglar en andra uppsattning hal.

Naturligtvis skulle man kunna kombinera de tva procedurerna sá att en forsta uppsattning hal forseglas genom smaltning och en andra medelst stampling, eller tvartom.

Det ligger naturligtvis aven inom uppfinningstanken att upprepa forsegling tier an tva ganger, och i princip finns ingen grans annat an praktiska ekonomiska begransningar pa hur manga ganger den upprepas. I sadana fall skulle man behova anvanda flera olika verktyg med komplementar lay-out pa stampelelementmonstren, eller flera olika material med olika smaltpunkter, eller en kombination av dessa metoder.

ExempeMs vid biochip och optochip skulle det kunna vara av varde att tillhandahalla kaviteter dar flera olika gaser med olika spektroskopiska egenskaper inryms. Aven de termiska egenskaperna hos de instangda gaserna 10 skulle kunna fas att variera Over ett intervall av varden, exempelvis olika vdrmeledningsformaga.

Metoden innefattar darefter att placera substratet med kavitetsstrukturerna pa 5 ett lamplig underlag (ej visat), positionera verktyget upplinjerat med skivan sa att stdmplingselementen 28 dr lokaliserad ovanfor ett respektive hl som skall forseglas. Verktyget sanks darefter for att bringas i kontakt med skivan och en kraft appliceras f8r att bringa forseglingsmaterialet att pressas samman och deformeras, varvid det flyter plastiskt ner i halet och vidare in i kanalen om 10 tillrackligt med forseglingsmaterial anordnats, sâ som visas i Fig. 5. Som framgar finns ett mellanrum AH mellan kavitetstrukturen 14 och den faktiska verktygsstodplattan 26 vilket hindrar att kaviteten krossas.

Hela processen kan implementeras i en skivfogningsmaskin av standardtyp (till 15 exempel fran EVG, Siiss), och kraver endast enkla modifieringar, vilka skulle kunna implementeras av fackmannen utan uppfinnararbete.

I Fig. 6a-g illustreras uppfinningen i en annan form. Saledes tillhandahalles ett substrat 60 pa vilket det formas en mall 62 far slutstrukturen, vilken slutstruktur innefattar en kavitet, se Fig. la. Mallen 62 formas ldmpligen av ett etsbart material, till exempel resist amen om vilket etsbart material som helst som kan anbringas pa substratet dr mojligt.

Mallen 62 definierar inte enbart kavitetens form och dimensioner, utan tillhandahaller valfritt dven mallen for en kanal 62a som skall stâ i fladesforbindelse med kaviteten. Mallen tillverkas lampligen genom maskning och deponering av det etsbara materialet i enlighet med maskmOnstret, och darefter avldgsnas masken. Litografiska standardtekniker kan anvdndas, aven om vilken annan metod som heist som kan tillhandahalla en mall enligt onskemal naturligtvis är anvandbar.

Som tidigare namnts bor mallen tillverkas for att definiera inte endast en kavitet pa substratytan utan kan ocksa innefatta en fordjupning som strdcker sig ned i substratet. Detta illustreras med streckade linjer i figurerna 6e-g. Ldmpligen 35 tillverkas mallen med denna utformning i tva steg, det vill saga ett forsta steg 11 som tillhandahaller en fordjupning och ett andra steg dar denna fylls med ett offermaterial, innan mallen for den del som strdcker sig upp ovanfor ytan tillverkas. Emellertid är det mojligt att tillverka hela mallen, det viii saga bade fordjupningsdelen och den del som stracker sig uppdt samtidigt, men detta kraver mer utstuderad litografi, det viii saga maskning och etsning Nar mallen 62 har tillverkats, belaggs ldmpligen hela skivan med ett skikt 64 av ett material som kommer att bilda den slutliga strukturen, det viii saga kavitetens vaggar. I Fig. lb visas hur mallen tacks med streckade linjer 62' eftersom den inte langre syns.

For att tillverka kaviteten maste uppenbarligen mallens etsbara material avldgsnas fan under skiktet 64. Dart& gars ett hal 66 i skiktet 64 som stracker sig ner till mallen, i Fig. 6c har det gjorts genom den del n62a av mallen som definierar kanalen. Skdlet till att tillhandahalla halet 66 i denna sarskilda position och inte ovanfor kaviteten ãr att forseglingsprocessen skulle kunna f8rorsaka skada pa den tamligen sproda struktur som bildar kavitetens tak. Dessutom skulle den faktiska forseglingsprocessen kunna kontaminera kaviteten.

Emellertid kan halet i princip eras vid vilken annan position som heist, och uppfinningen skall inte anses begransad till att era halet vid den dela av mallen 62a som bildar kanalen. I en alternativ utforingsform skulle ett hl 66' kunna tillverkas i "taket" pa den kavitet som skall goras, sa som antyds med en cirkel av streckade linjer.

Nâr halet 66 (eller 66') har oppnats upp appliceras ett etsmedel genom halet varvid mallmaterialet etsas bort. F6r att kunna t8mma kaviteten som salunda Astadkommes utf8rs skaljning och kaviteten torkas awn exempelvis genom att 30 exponera strukturen for forhojd temperatur.

For att tillhandahdlla en onskad atmosfar inuti kaviteten placeras hela strukturen i ett rum som har en sadan atrnosfar. Detta skulle kunna vara en utvald gas sasom kvave, syre, CO2, eller ndgon annan onskad gas. Trycket kan 35 ocksa kontrolleras genom att lata gasen av intresse uppvisa trycket i frdga. 12 Nar kaviteten fyllts med den onskade gasen vid det onskade trycket maste den forseglas hermetiskt. Detta kan eras pa foljande satt enligt uppfinningen.

Ett deformerbart material deponeras i en position intill halet, larnpligen langs omkretsen runt halet 66, aven om detta inte ar strikt nodvandigt. Materialet skulle kunna appliceras som en enda prick eller som en uppsattning prickar runt om halet men mycket nara halet. I Fig. 6d visas materialet som en cirkular avsattning 67 runt om halet. Fig. 6e illustrerar samma tillstand som Fig. 6d men i tvarsnitt.

Med "deformerbar" menas att materialet dâ det utsatts f8r lampliga betingelser kommer att bringas att komma in i halet for att pa sa satt forsegla det. Det kan antingen deformeras genom att smalta det eller ocksa kan det deformeras genom att anvanda ett verktyg fOr att pressa pa det och darigenom fysiskt (plastiskt) deformera det sâ att det tvingas ned i halet och forseglar det.

Ett lampligt och foredraget material for forseglingen ar ett lod baserat pa guld och ten (AuSn) vilket är mjukt och har en rimlig smaltpunkt (284 °C). Emellertid 20 ar andra material mojliga sasom andra tennbaserade legeringar till exempel PbSn, CuSn, AgSn, AuCuSn etc.

For utforingsformerna som anvander kompression är det som forseglingsmaterial lampligt med rena metaller som är tillrackligt mjuka for att 25 latt kunna deformeras mekaniskt, bland andra rent Au eller Al, Ag, Cu, Ti, Cr, Ru, Pt.

Utforingsformen dar deformationen utfors med ett verktyg 68 for att plastiskt deformera forseglings materialet illustreras i Fig. 6f, och utforingsformen dar 30 materialet smalts illustreras i Fig. 6g.

I den foljande beskrivningen med hanvisning till Fig. 7-16 kommer en utf5ringsforma att beskrivas som innefattar en mekanisk komponent med et frihangande element som avbojs i drift och som ãr innesluten i en kavitet med 35 kontollerad atmosfar. Exempel pa sadana mekaniska komponenter som kan 13 namnas ãr omkopplare, resonatorer, gyron, accelerometrar och troghetssensorer eller liknande.

Fig. 7 visar en halvledarskiva 70, ldmpligen kisel, pa vilken ett coddskikt 72 Worts. I coddskiktet har ett spar 74 gjorts medelst ldmpliga litografiska eller andra metoder, vilka ligger inom fackmannens kompetens, och dad& kommer detaljer avseende den litografi som utfors i processen inte att beskrivas hari. Detta spar kommer att bilda ventileringskanalen enligt uppfinningen i den fardiga strukturen. For att kanalen skall bevaras under den fortsatta processningen fylls den med ett ldmpligt offermaterial 74' som enkelt kan avlagsnas selektivt i slutet av processen for att ddrigenom oppna upp kanalen for ventilering.

For att tillverka den mekaniska komponenten deponeras ett ft:11-sta offermaterial 76 pa ett lokalt omrade Al for att bilda ett underlag for deponering av ytterligare material som sedermera skall bilda den mekaniska komponenten. Formen av detta lokala omrade Al definieras ldrnpligen medelst litografiska metoder, det viii saga formning av en mask och deponering av materialet och darefter avlagsnande av masken.

SA som visas i Fig. 8 deponeras salunda, efter lamplig maskning, materialet 78 till den mekaniska komponenten pa det forsta offermaterialet 76. Som framgar, for denna speciella utforingsform, deponeras materialet ovanpa offerskiktet 76 och endast vid en kant stracker sig materialet ned till oxiden 72. Detta kommer att tillhandahalla en pelare eller stod 82 som bar upp en fribdrande struktur 84 pa ett avstand ovanfor oxidytan 72.

Darefter, som ocksa visas i Fig. 9, utfors en andra deponering av offermaterial 80 for att pa detta sat tacka hela den mekaniska komponentstrukturen 82, 84, och darigenom definiera en volym som sedan, som kommer att beskrivas nedan, kommer att bilda en kavitet som omger den mekaniska komponenten 82, 84. Det an ocksà viktigt att det andra offermaterialet bar en utstrackning sá att det atminstone delvis tacker eller Overlappar sparet 74 i substratet, sà att det kommer att foreligga flodesforbindelse mellan kaviteten och kanalen som sedan skall tillverkas. 14 Som ett nasta steg, visat i Fig. 10, deponeras en film 86 over hela strukturen. En tjocklek om 1 - 5 pm är lamplig. Denna film kommer att bilda "taket" och "vaggarna” i kaviteten i slutprodukten.

For att skapa kaviteten maste uppenbarligen offermaterialet 76, 80 avldgsnas fran under filmen 86. Detta astadkommes med en etsningsprocedur som kraver atkomst till materialet. For detta andamal g6rs hal 88, som visas i Fig. 11, genom filmen sa att de stracker sig ned till offermaterialet for att ett etsmedel skall kunna attackera det och losa upp det. I en utforingsform kan ytterligare ett hal 88' eras samtidigt som etshalen 88. Detta ytterligare hal 88' gars genom filmen86 i ldget ovanfor sparet 74, och anvands i ett senare steg som kommer att beskrivas. Emellertid kan halet 88' ocksa g8ras separat i ett senare stadium, och det antas nedan att halet 88' inte gars samtidigt som halen 88.

Nat- salunda halen 88 gjorts appliceras en ets genom halen, lampligen en vat KOH-ets, dven ommandra metoder är lika majliga, far att lasa upp offermaterialet 76, 80. Ddrigenom kommer det fribarande elementet 84 att frietsas och kommer att ha mojlighet att rora sig inuti kaviteten som pa detta sat formas, sá som visas i Fig. 12.

Nu ndr kaviteten gjorts ãr det anskvart att tillhandahalla en kontrollerad atmosfar inuti kaviteten. Emellertid maste etshalen forseglas, och det enda majliga sattet att forsegla dem är att deponera material i vakuum, och som en 25 konsekvens är vakuum den enda majliga atmosfdren man kan uppna.

Darfor ombesorjs for ventilering av kaviteten genom en kanal vilken kan forseglas vid onskad atmosfdr. Emellertid maste under alla omstandigheter etshalen 88 forst forseglas, vilket da utfors som vanligt i vakuum, genom att deponera material Over hela strukturen varvid halen, i ljuset av sin storlek (ungefar 1-5 gm i diameter), mycket snabbt ”satts igen". Vanligen at sidforhallandet (vidd/djup) far dessa hal 1:1. Detta stadium av processen visas i Fig. 13. Naturligtvis kommer oundvikligen nagot material att komma in genom appningarna och in i kaviteten, och som en konsekvens av detta maste halen vara lokaliserade sá att det deponerade materialet inte traffar pa den fribdrande strukturen 84 (eller vilken struktur det nu är som foreligger inuti kaviteten), i vilket fall dess funktion är i fara.

Nu nar kaviteten är forseglad kan det vara onskvart att ombesorja 6kad stabilitet genom att deponera ett mekaniskt skikt 90 over hela substratet. Detta dr dock inte strikt nodvandigt for uppfinningen, och ãr saledes endast en foredragen utfOringsform, och dad& visas detta skikt endast med streckade linjer i Fig. 13. Om ett mekaniskt skikt 90 anordnas sâ skulle halet 88' inte behova eras samtidigt med etshalet 88, eftersom det skulle forslutas igen av 10 materialet i det mekaniska skiktet 90.

Nedan antas att det mekaniska skiktet finns anordnat, men visas inte.

Darfor ãr det nodvdndigt att oppna upp ett hal 88' genom det mekaniska skiktet 15 90 och det tunna skiktet 86 ner till sparet 74 med offermaterialet 74' dari, sa som visas i Fig. 14.

Hanvisning gos nu till Fig. 15 och anyo, som tidigare gjorts for att tillverka kaviteten, appliceras en vat KOH-ets genom halet 88' for att losa upp offermaterialet 74' i sparet 74, och ddrigenom tillhandahalla en kanal 91. Pa grund av det lilla Overlappet av offermaterialet 76, 80 som definierar kaviteten 89, och sparet 74, foreligger nu en flodesforbindelse till kaviteten fran halet 88', via kanalen 91, sa som antyds med pilen.

Tack vare kanalen 91 som kommunicerar med kaviteten 89 genom halet 88' är det nu mOjligt att exponera hela strukturen for vilken onskad atmosfar som heist for att tillhandahalla en sadan atmosfar inuti kaviteten 89.

Nu behover inte halet 88' forseglas genom vakuumdeponering, utan i stdllet kan 30 forseglingen utforas i radande atmosfar med en metod som nu kommer att beskrivas.

Eftersom halet 88' an beldget pa ett omrade utanfor det omrade ddr kaviteten ãr lokaliserad behover man inte ta i beaktande den mycket skora och spr6da struktur som bildar kaviteten. Uppfinnarna har saledes anvisat en metod som 16 baseras pa anvandningen av ett deformerbart material som da det utsatt for vissa betingelser deformeras och kommer in i halet 88', varvid det forseglas.

Som redan diskuterats i anslutning till Fig. 7 fOredras lampligen ett lod baserat 5 pa guld (Au). Detta lod deponeras med lampliga metoder sasom ALD, PVD, CVD, platering, evaporering etc., mycket nara intill halet 88', i exemplet som visas sasom tva lodelement 92 i form av kuddar/kulor/pelare belagna mittemot varandra alldeles pa kanten av halet 88', sa som visas i Fig. 15. Varmning av denna struktur till smaltpunkten kommer att fa. lodelementen 92 att flyta, 10 mojligen hjalpta av kapillarkrafter, ner i halet 88' dar det effektivt bildar en forseglingsplugg 92'. Detta visas i Fig. 16, dar kulorna/kuddarna 92 har fallit samman till en plugg 92' som effektivt forseglar halet och damned kaviteten 89.

Naturligtvis ar det lika mojligt att anvanda den tidigare beskrivna 15 stamplingsproceduren ocksa i denna utforingsform. 17

Claims (12)

PATENTKRAV:

1. En metod fOr att tillverka en halvledaranordning med en sluten kavitet med kontrollerad atmosfar, innefattande att ett halvledarsubstrat tillhandahalles; att en mall tillhandahalles pa ett lokaliserat omrade pa substratet, vilken mall definierar den inre formen av kaviteten (12; 89) och formen av en kanal (16; 91) som stracker sig lateralt till en punkt lateralt fOrskjuten fran kaviteten; att ett materialskikt avsatts Over hela substratet; att atminstone ett hl (18; 88') tas upp genom materialskiktet ner till mallpartiet for fliidesvagen; att en selektiv etsning utfOrs genom ha.let for att avlagsna mallen varvid kaviteten (12; 89) och kanalen (16; 91) formas; att fOrseglingsmaterial avsatts i halet oda/eller intill ha.let utan att blockera detsamma; att en Onskad atmosfar tints komma in i kaviteten genom halet; och att forseglingsmaterialet utsatts for valda betingelser sà att materialet bringas att komma in i ha.let och pa sâ satt fOrsluta kaviteten.

2. Metod enligt krav 1, innefattande att ytterligare ett hal (88) tas upp genom materialskiktet (86) ner till mallpartiet (76, 80) for kaviteten (89), och att den selektiva etsningen utfors genom bagge halen varvid kaviteten och kanalen (91) tillhandahalles.

3. Metod enligt krav 1, innefattande att ytterligare ett hal (88) tas upp genom materialskiktet (86) ner till mallpartiet (76, 80) for kaviteten (89), innan det forsta ha.let tas upp och att den selektiva etsningen genom det ytterligare ha.let utfOrs forst varvid kaviteten (89) tillhandahalles, och att etsning darefter utfOrs genom det fOrsta ha.let for att skapa kanalen (91); och innefattande att det ytterligare halet forsluts innan en kontrollerad atmosfar tilláts komma in i kaviteten. 18

4. Metod enligt nagot av fOregaende krav, dar forseglingsmaterialet ãr deformerbart.

5. Metod enligt krav 4, dar det deformerbara forseglingsmaterialet ãr en metall, foretradesvis vald ur den grupp som bestar av Au, Al, Ag, Cu, Ti, Cr, Ru, Pt.

6. Metod enligt krav 5, dar det deformerbara fOrseglingsmaterialet ãr valt bland AuSn, CuSn, PbSn, AgSn, AgCuSn.

7. Metod enligt krav 5, innefattande att fOrseglingsmaterialet utsatts for varme sâ att det smaller, varvid forseglingsmaterialet flyter in i halet.

8. Metod enligt krav 7, dar ett lager av flOdesfOrbattrande material fOr forseglingsmaterialet avsatts atminstone pa halets vaggar.

9. Metod enligt krav 8, dar det flOdesforbattrande materialet ãr valt bland polykisel och polygermanium.

10. Metod enligt krav 9, dar det flOdesfOrbattrande materialet ar en metall vald bland Au, Al, Ag, Cu, Ti, Cr, Ru, Pt.

11. Metod enligt krav 1, dar forseglingsmaterialet punktvis utsatts Mr en pressverkan medelst ett verktyg sà att materialet bringas att komma in i halet och pa sâ satt forsluta kaviteten, vilket verktyg innefattar en platta forsedd med en uppsattning tryckelement i ett monster som motsvarar monstret av de hal som skall forslutas.

12. Metod enligt krav 11, dar tryckelementen ãr nagot storre an den stOrsta dimensionen hos det avsatta fOrseglingsmaterialet, och har en hOjd som ar stone an hOjden av kaviteterna pa substratet. 19 1/17 %-1 o CV N C" \I N-- M 6/17 60 62 62a ) a b) 62' 66 66'