专利名称：在现场气密封装微系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种在现场气密封装微系统的方法。安装在基板上的至少一个微系统封装在现场制成的金属壳下面。“安装的”表示或者是将提前制成的微系统放置在基板上，或者是在基板上在现场制造微系统。最好是，测微尺寸的几个微系统一同制造在同一个基板上。密封该微系统的封装必须进行与外界隔绝的密封，并保留微系统内在外壳中的自由运动。
“微系统”代表三维结构，即，微光电子机械装置(MOEMS)或微电子机械装置(MEMS)，例如簧片接触器、加速计、微型马达、测微尺寸的传感器等，需要封装之后保持自由运动。可以在绝缘基板上或者包括提前制成的集成电路的基板上制造所说微系统的结构。在后一种情况中，能够利用集成电路的金属接触垫片来开始沉积金属层，后者将构成微系统的一部分并允许其与所说电路电连接。
在属于同一申请人的瑞士专利No.688213中，公开了一种簧片接触器或带有测微尺寸条的接触器及其制造方法。该接触器包含处于静止状态中彼此相距一定距离的金属条，它们通过电解方法以几个步骤制成并贴附到基底平面上。金属条由铁-镍合金制成，通过电解方法沉积。该合金具有铁磁体的属性，使得当穿过它们的磁场在它们之间产生吸引力时，金属条能够变成彼此接触。该接触器封装在例如利用环氧粘性材料安装到基底平面上的中空盖子的下面。其中的基底平面可以是玻璃平板或者通过氧化硅基底的表面得到的绝缘层。盖子由玻璃基板形成，其中的空腔通过化学蚀刻形成。该平板允许每个接触器装入在一个蚀刻后的空腔中。该平板可以粘接或通过低熔点或阳极焊料焊接到基底平面上。在最后的操作中，通过切割或切成小方块操作将由此制成和密封的多个接触器分开。
在这种类型的实施例中，需要与其上制造有接触器的基板分开加工玻璃平板。这就形成一个缺点。此外，必须利用环氧粘性材料将平板精确地粘接到基底平面上。由于环氧树脂吸收能够干扰接触器工作的水和消磁物质，该密封不能保证长时间与外界隔绝。在其它实施例中，用于封装接触器的热处理是破坏性的。
在瑞士专利No.688213中，还应当注意到在封装接触器之前进行的金属条之间的接触阻抗的测量过程中，同一基板上制成的所有接触器的平均接触阻抗是10ohm左右。所说封装之后，测量到的该接触阻抗的平均值增大到10至60ohm。
欧洲专利No.0 302 165公开了一种通过冲压制成的锡薄片，用来作为集成电路的金属圆顶。然后冲压形成的薄片粘接到放有集成电路的基底平板上，从而将所说电路封闭在圆顶下面。接下来利用聚乙烯层涂覆整个组件。如上所述的粘性材料可以导致微系统受到污染。因此它不能保证与外界隔绝的封装。它还不可能通过在现场冲压将圆顶设计。此外，制造这些需要单独地放置在每个微系统上的冲压平板，使得安装在同一个基板上的几个微系统的封装复杂化。
在结合了微机械和电子装置的领域中，牺牲层的使用是众所周知的。人们可以参考这样一种情况，其中例如希望形成集成电路和传感器之间的金属桥。另一方面在制造微系统的与外界隔绝的金属封装中，不知道牺牲层的使用。
美国专利No.5798283公开了一种用来制造带有电子电路的至少一个微电子机械装置的方法。为了封装在微机械装置中，在例如由硅制成的基板中蚀刻一个空腔。为了得到能够自由运动的元件，利用不同的多晶硅层构造成该微机械。需要利用硅氧化物层或硅氮化物层来保护该装置，使得接下来的制造集成电路的步骤可以实现。为了保护它不受掺杂剂(例如硼、磷)可能高于700℃的扩散温度，微机械装置需要这种保护。这种高温可能部分损坏利用低熔点的特定金属制成的所说微机械装置的元件。这种保护层还允许避免为所说元件上涂料，如果多晶硅是准备避免的。
一旦集成电路的操作完成，设置在位于SiO2或Si3N4层上面的保护层中的两个开口允许通过化学蚀刻部分地除掉所说SiO2或Si3N4层。因此这允许释放微机械装置和使得它保持自由运动。在这种去除的过程中，必须采用一定的防范措施来防止过度的横向蚀刻，因为集成电路构建在微机械装置的旁边。
除了在保护层中形成两个开口，已经发现可以只使用一层多孔的多晶硅，来通过化学蚀刻除去SiO2或Si3N4层，具体利用氟氢酸，穿过多晶硅，然后利用去离子水进行漂洗。
可以指出来自该文献的所说方法的几个缺点。首先，利用非金属层形成封装。另外，必须通过与在微电子领域中使用的相似的蚀刻技术，提前在基板中设置空腔来封闭在微系统中。虽然相应的集成电路由能够承受高温的层制成，该微系统仍然需要保护。因此，不可能具体利用电解装置在所说微机械装置上沉积金属层，来形成与外界隔绝的金属封装。
欧洲专利No.0 435 530公开了一种通过利用电解装置沉积的金属层得到的电子系统与外界隔绝的密封。该电子系统是不同集成电路的组合，具有高密度的内部连接(HDI)。利用微加工在玻璃或陶瓷基板中的空腔中的聚合体封闭和粘接这些电路。第一金属层，具体由铬或钛制成，喷溅到悬于用于不同电路的内部连接上的介电层上。该第一层允许涂覆整个结构和形成与基板表面的接触。接下来，第二金属层通过电解装置沉积到第一层上，从而形成较厚的保护层，防止能够干扰电路的各种导致污染的成分。
欧洲专利No.0 435 530没有提供为微系统例如簧片型接触器进行封装的教导。一个缺点在于用来粘接电路的聚合体产生气体，即放气。因此考虑到接触器的正确运行它将产生值得注意的缺陷。另外，应当注意到不能设想通过构成外壳的后一个金属层沉积之后取走的牺牲金属层来形成金属外壳。
所说发明的一个目的在于提供一种微系统的在现场密封封装，其能够克服前面提到的现有技术的缺点。
本发明的另一个目的在于能够通过金属层的电沉积制成一个金属外壳，用以在低于350℃的最高温度下封装微系统。这克服了现有技术方法中的缺点，具体地用于集成电路的磷或硼的扩散在超过700℃的温度下发生并且甚至能达到1300℃。
本发明的另一个目的在于避免与外界隔绝的封装之后接触阻抗值的较大偏差。该微系统可以是接触器，其必须处于惰性或还原气体中。
作为用来将微系统与外界隔绝地在现场封装的方法的结果，可以实现这些和其它目的，其中，在第一阶段中，几个微系统安装在同一个基板上，所说微系统受到沉积在基板上的金属粘附层的包围，该方法的特征在于，在第二阶段中，以同样的沉积操作，第一金属层沉积在每个微系统上和包围每个微系统的粘附层的环形区域上，使得通过重叠完全覆盖每个微系统，第二金属层通过电解装置沉积在第一层上和粘附层上，使得覆盖第一层上的大部分表面，同时在第二层中为每个微系统保留至少一个通道，以提供通向第一层的通路，第一层的金属不同于粘附层、第二层和微系统中的金属，通过位于第二层中的每个通道有选择地进行化学蚀刻，除掉第一层，并且其中第二层中的每个通道是闭合的或密封的，以得到与外界隔绝地封装每个微系统的金属外壳。
本发明方法的一个优点在于，利用允许同时处理其上已经安装有几个微结构的基板的方法，来进行与外界隔绝的金属封装。这些微结构例如在现场制成在该基板上。但是，它们可以提前制成然后放置在基板上。
本发明方法的另一个优点表现在这样的事实，不需要利用粘接材料来保持该形成在基板上并封装微系统的金属外壳。所说粘接材料可以包含能够排气污染金属外壳内部的元件、能够干扰微系统的聚合体。
因此已经得到利用金属层的沉积提供的微系统的金属封装的创造物。一个金属层用来作为牺牲层。另外，至少最后一个金属层通过电解装置沉积在金属粘接层上，后者很好地粘接到基板的绝缘表面上。
为了制造这种外壳，称之为牺牲层的第一金属层最好通过电解装置，沉积到整个微系统上和包围每个微系统的粘附层的环形区域上。该第一层允许通过重叠完全覆盖每个微系统。在第一金属层已经沉积之后，覆盖后的微系统具有圆顶形状的外观。然后第二金属层通过电解装置沉积到第一层上，所说第二层具有提供通向第一层的通路的通道。
第一金属层由与形成第二层、粘附层以及微系统的各种金属不同的金属形成。第一层能够用来作为牺牲层，通过在第二金属层中制成的至少一个通道利用化学蚀刻有选择地除掉，从而制成该金属外壳。在最后的封装步骤中，需要闭合或密封在第二层中形成的一个或几个通道，从而与外界隔绝地密封该外壳，同时保持在外壳内的微系统处于惰性或还原气体中。
“金属”还可以包括取决于具体金属的全部金属合金。
该电沉积技术允许以低成本大批量地封装微系统。
本发明方法的另一个优点在于，其避免了如在美国专利No.5,798,283中描述的，为了接下来的集成电路的后续制造必须保护该微系统。在例如微接触器的情况中，甚至在周围环境温度下进行这些封装步骤。
在该方法的预备阶段中，例如在至少一个绝缘表面上形成一些导电条，用于微系统与外部的电连接。然后使得这些条的中间区域绝缘。另外，表面金属化与条的一端连接并且还在条的绝缘端上经过。同样在该方法的第一阶段中，待封装的微系统安装在基板上。在第二阶段中，利用封闭它的口形成该金属外壳。随后可以切割基板来得到多个封装后的微系统。
从下面参照附图，对本发明方法的非限定实施例进行的说明中，可以更好地理解本发明。
图1a表示根据本发明方法的第一步骤，其上形成有带绝缘的导电条的部分基板，其中粘附层和微系统已经形成；图1b表示根据本发明方法的第一步骤，其上形成有带绝缘的导电条的部分基板，其中带有焊料凸起的粘附层和微系统已经形成；图2a和2b表示根据第一个实施例在微系统和粘附层上沉积了牺牲金属层之后的顶视图和沿图2a的Ⅱ-Ⅱ的剖面图；图3a和3b表示根据第一个实施例在由不同金属形成的牺牲金属层上沉积第二金属层之后的顶视图和沿图3a的Ⅲ-Ⅲ的剖面图；图4a和4b表示根据第一个实施例穿过由此形成的外壳的通道利用化学蚀刻除掉牺牲层之后的顶视图和沿图4a的Ⅳ-Ⅳ的剖面图；图5a,5b和5c表示根据第一个实施例封闭金属外壳的通道从而与外界隔绝地封装微系统之后的顶视图和沿图5a的Ⅴ-Ⅴ的剖面图；图6a和6b表示根据第二个实施例在微系统和带有焊料凸起的粘附层上沉积了牺牲金属层之后的顶视图和沿图6a的Ⅵ-Ⅵ的剖面图；图7a,7b和7c表示根据第二个实施例在由不同金属形成的牺牲金属层上沉积第二金属层之后的顶视图和沿图7a的Ⅶ-Ⅶ和Ⅷ-Ⅷ的剖面图8表示根据第二个实施例穿过第二层的通道利用化学蚀刻除掉牺牲层之后的沿图7a的Ⅶ-Ⅶ的剖面图；图9表示根据第二个实施例封闭微系统的金属外壳的通道之后的沿图7a的Ⅶ-Ⅶ的剖面图；图10表示根据第三个实施例在微系统和粘附层上沉积了牺牲金属层之后的垂直剖面图；图11表示根据第三个实施例在牺牲层上沉积第二和第三金属层之后的垂直剖面图；图12表示根据第三个实施例在第三金属层上沉积与第二金属层相同金属的第四金属层之后的垂直剖面图；图13表示根据第三个实施例穿过第二层中的通道利用化学蚀刻除掉牺牲层之后的垂直剖面图；图14表示根据第三个实施例在第二层的通道上另外滴落焊料来封闭金属外壳之前的垂直剖面图；图15表示根据第三个实施例利用固化的滴落焊料封闭金属外壳之后的垂直剖面图；图16a,16b和16c表示根据第四个实施例在微系统和粘附层上沉积牺牲金属层并穿过粘附层周围的焊料突起之后的顶视图和沿着图16a的ⅩⅥ-ⅩⅥ和ⅩⅦ-ⅩⅦ的剖面图；图17表示根据第四个实施例在牺牲层和粘附层的焊料凸起上沉积第二金属层之后沿着图16a的ⅩⅥ-ⅩⅥ的剖面图；图18表示根据第四个实施例穿过位于焊料凸起之间的第二层中的通道除掉牺牲层之后沿着图16a的ⅩⅥ-ⅩⅥ的剖面图；图19表示根据第四个实施例通过加热焊料凸起封闭金属外壳之后沿着图16a的ⅩⅥ-ⅩⅥ的剖面图；图20a和20b表示根据第五个实施例穿过第二层中的多个通道除掉牺牲层之后的顶视图和沿着图20a的ⅩⅩ-ⅩⅩ的剖面图；和图21表示根据第五个实施例通过波浪形的液体焊料封闭金属外壳之后沿着图20a的ⅩⅩ-ⅩⅩ的剖面图。
图1至5表示根据本发明方法的第一个实施例，将微系统在现场与外界隔绝地封装的几个步骤。为了简化，在所给图中表示的是单个微系统，但是在实际中，为了同时进行封装，几个微系统安装在同一个基板上。
图1a和1b表示基板1的一部分，其可以是整体绝缘的例如玻璃或陶瓷板，或者例如由硅制成的基板，其表面经过氧化变成绝缘。基板的尺寸可以是其上制成有集成电路的硅基板的尺寸，例如6英寸(152.4毫米)。图1a和1b中可以看到的部分基板对应于同时在同一个基板上形成的多个微系统中的一个的尺寸。
在图1a和1b所示的方法的第一阶段中，导电层首先沉积在基板1的绝缘表面上并形成结构，从而构成导电条2。然后绝缘层3仅仅沉积在导电条2的中间部分上，从而形成绝缘的电通道。最后，金属粘附层4沉积在基板上覆盖绝缘层3。该粘附层带来表面金属化，能够限定电终端5只与导电条的一个端部连接，实现锯掉或切割基板之后微系统的电连接。该粘附层能够经受住微系统和外壳的结构。其最终为电解沉积步骤形成一个导电平面，电解沉积允许获得确切厚度的金属层。
形成导电条2的导电层必须很好地粘接到基板上，并允许后面的绝缘层3很好地粘接。该导电层还必须与金属粘附层4相一致，在两个金属层连接的内表面处具有较低的电阻。重要的一点在于前沿不具有负斜面或形成檐口，使得绝缘层能够完好地覆盖它们。导电条2可以由例如铝、金、钛、铜、铬、钨或钛-钨合金制成。这些条对于封装之后微系统与外部的电连接有益处。
绝缘层必须很好地粘接到绝缘基板1和导电条2，例如硅或氮化硅Si3N4层上。另外，它必须包含小的内部压力，具有接近基板的热膨胀系数和完好地覆盖导电条的导沿。
金属粘附层4必须很好地粘接到基板1和绝缘层3上。可以通过瑞士专利No.688213中指定的方法制成，即，通过首先沉积钛或铬，然后用金覆盖用来作为抗氧化的保护层。该第二金属层用来作为后续金属层沉积的金属基础表面。用来形成这些第一金属层结构的化学蚀刻产品是已知的，因此不再解释。环形区域7a在图1a和1b中用虚线表示，表示后续金属层的沉积位置。
在粘附层上使用焊接的情况中，需要提供粘附层的基层，所说基层由三个金属面组成。第一金属面由钛或铬形成并使得它安装到基板上。第二金属面由镍或钯或铑或钌或铂或钼或其他材料形成，从而如果存在焊料用来作为扩散势垒区。最后第三金属面由金形成，用来作为防止氧化的保护层，具体用于第一金属面。
在图1b中，金-锡(Au-Sn)合金或者锡-铅(Sn-Pb)合金的焊料凸起13还可以在特定的位置形成部分粘附层。在将部分外壳热压封到所说凸起的过程中，可以使用这些焊料凸起来更好地封闭形成在金属外壳中的通道，如后面将会看到。金-锡合金由重量比为20％的锡和80％的金构成，而锡-铅合金由重量比为60％的锡和40％的铅构成。
在图中没有表示的实施例中，取代导电条2，可以制成穿过基板的绝缘部分、或者如果全部是绝缘的则穿过基板的导电孔，或者穿过导电基板中的绝缘导电孔。绝缘基板可以是玻璃或陶瓷板。在基板的一个面上这些孔与微系统6连接，而在另一个面上它们与金属焊点电连接，一旦完成封装允许微系统与外部的连接。
很清楚如在上面给出的实施例中，如果已经穿过基板形成了导电孔，则不考虑导电条2的绝缘台阶3。
如果用导电孔具体是金属化的孔代替导电条2，粘附层不构造成利用微系统的金属电连接焊点限定金属通道。在这种情况中这些焊点形成在基板的背面。该粘附层只需要包围用于沉积的每个微系统，通过金属层的电解方法来制成外壳。
在使用硅基板作为微系统的支撑的情况中，可以用硅中的导电通道代替沉积在基板上的导电条。通过n型基板中的p型掺杂物或p型基板中的n型掺杂物的扩散步骤形成这些通道。通过在硅氧化物制成的绝缘层中形成的窗口实现所说导电通道的每个末端的金属连接。该实施例的一个优点在于它保证了静电保护。
构造和安装微系统6，例如可以是簧片接触器，而没有损坏前面已经沉积的层。对于带有金属条的接触器的结构，还可以使用电沉积技术，例如利用光致抗蚀剂和使得它们曝光的模具在几个步骤中构造金属面，如在瑞士专利No.688213中描述的。由此形成的微系统与导电条2的一个端部或导电孔连接。
除了在现场形成所说微系统，它们可以单独形成，然后安装在同一基板上的每个与用于该目的的导电条的一个端部或导电孔形成电连接。
在图2a和2b中，第一牺牲金属覆盖层7具体通过电解装置沉积在微系统和环形区域7a上，在图1a和1b中可以看到，包围每个微系统。在该方式中，具体由铜或铜合金制成的第一金属层完全覆盖每个微系统。
金属粘附层使得每个微系统不与另一个分离。因此可以利用它来电沉积覆盖全部微系统的第一层的各个部分。这样基板上粘附层的一个位置与电源的终端连接。在该实施例中，在每个环形区域内部还设置位于第一层的每个部分中的一个或两个开口8。所说开口设置到粘附层4的通道，在沉积下一个金属层的过程中用来形成一个或两个金属支撑棒。
该第一牺牲层7由例如铜或铜合金等金属形成，它可以相对于由不同金属形成的其他金属层有选择地溶解。它必须包含小的内部压力和具有良好的平面度属性。
为了该牺牲层的电沉积，首先利用光致抗蚀剂覆盖这些微系统和粘附层。为了除掉取决于光致抗蚀剂的种类而已经曝光或没有曝光的部分光致抗蚀剂，通过模具使得光致抗蚀剂曝光。除掉部分光致抗蚀剂的目的在于使得每个微系统和包围每个微系统的粘附层的环形区域自由。因此第一金属层可以沉积到每个微系统和包围它的环形区域上。接下来，除掉剩余的光致抗蚀剂来通过开口8形成与粘附层的通道，其中开口8形成在第一层中并包围每个被覆盖的的微系统。粘附层的环形区域的一部分位于导电条的绝缘部分3上面。因此，牺牲金属层的沉积仅仅使得连接微系统的这些条的端部短路。
为了形成覆盖每个微系统的这些金属圆顶，可以通过与电解装置不同的方法沉积金属层。例如，可以通过不超过350℃的温度极限的热蒸发或阴极溅射沉积所说金属层。但是这些其他方法费时并因此更昂贵。
在图2a和2b中可以看到的第一金属层的开口8完全由第一层包围。但是，当然可以理解它们已经设计成从所说第一层的一个边缘开始，来给出具有U形开口的平面外观。本领域的普通技术人员会知道如何得到允许在沉积第二金属层的过程中形成支撑棒或强化零件的各种形状的开口。
在图3a和3b中，通过电解方式在第一牺牲金属层7上和粘附层4上或包围部分第一层的粘附层的环形区域上，沉积第二金属层9制成金属外壳。所说第二层9由其他金属，例如最好是金或金合金，或者可以是铬或铬合金构成。在所说第二层4中提供一个或两个正对的通道10，来提供与第一牺牲层7的通道，从而相对于其他金属层有选择地溶解它。所说通道10表示为具有椭圆形状，但很清楚它们还可以是圆形或矩形的。
通过沉积所说第二层9形成的每个条14或强化部分位于一个通道10与相应的微系统6之间。因此该外壳在它的边缘处与其余两个通道10具有相隔绝的密封。另外，外壳的两个支撑棒14能够承受任何变形，这些变形可以是在外壳通道的最终密封步骤中引起的。外壳的所说金属必须还可以是可延展的和包括几乎很小的内部压力，具有良好的涂覆属性和非常低的多孔性。
如下面根据图4a和4b所解释的，可以通过化学蚀刻剂除掉包围每个支撑棒14的第一牺牲层7。为了溶解第一层，化学蚀刻剂穿过每个外壳的通道10和围绕所说条14。当然，只有第一层7需要穿过至少每个条或强化部分的一面，如后面所要解释的，从而在化学蚀刻步骤中能够除掉该层。
应当承认尽管只有一个通道10和单个支撑棒14能够形成外壳，其最好具有两个或更多个通道来除掉牺牲层7；通过例如形成两个正对的通道10，通过处理溶液的流动，它便于除掉牺牲层和清洗外壳的内部。
如参照图2a和2b考虑第一金属层7的沉积所解释的，还使用了光致抗蚀剂层(没有显示)。为了得到通向第一层和通向包围每个部分第一层的粘附层的环形区域的通道，通过模具曝光该光致抗蚀剂从而能够除掉一部分光致抗蚀剂。这些环形区域位于绝缘层3上面，并且与用于微系统6的外部电连接的导电条2的末端不接触。
当然，如果采用穿过基板1的导电孔作为微系统6的外部连接，第二金属层9的沉积可以超出环形区域覆盖基板的整个表面。但是，必须保持通道10来提供通向牺牲层7的通道。
在图4a和4b中，穿过两个通道10有选择地进行化学蚀刻，而不蚀刻微系统6的金属，例如铁和镍，来溶解牺牲覆盖层7。无论通过化学蚀刻或通过与牺牲覆盖层7的剧烈反应，化学蚀刻剂必须对微系统6或金属外壳9不引起任何损坏。金属外壳内部还必须不能有任何残渣，最终封闭之后可以排气。
在图5a和5b中，封装后的微系统6仍然安装到基板上。在该步骤中，金属外壳的通道10必须封闭在惰性或还原气体中。利用保护气体喷溅所说外壳9内部的适当的工具12放在附近。一旦外壳已经远离了它的原始气体，工具挤压包围每个通道10的部分11。然后该工具通过热压或超声波将部分11粘接到粘附层4的基层上。该操作之后，以密封的方式密封该金属外壳。在该步骤中，使用支撑棒14来防止在微系统6的方向中传播的变形。因此金属外壳9在微系统6上形成与外界隔绝的保护。
在图5c中，为了减小封闭外壳所需要的能量，提供焊料凸起13，形成如上所述的粘附层的一部分。将部分11包围所说焊料凸起上的金属层9的通道10进行热压，保证所说凸起的熔化和通道10的严实的密封。
最终的步骤，图中没有表示，包括通过切割或切成方块来将多个封装后的微系统从基板上分开。因此例如可以在通常周围环境的条件中使用该封装后的微系统。甚至能够在切割之前或之后用树脂层涂裹每个微系统，从而保证较好的机械保护。
如果最终的金属层9由铬制成，可以避免制造支撑棒。由于铬不是易延展的，当正在封闭通道10时必须避免使其变形。在这种情况中，通过在每个通道上沉积一滴待固化的焊料，能够以密封的方式封闭每个金属外壳。但是，金或金合金更适合于用来制造该外壳，因为它易延展和抵抗多种化学蚀刻剂。
构造在平板或绝缘基板上的微系统6在其最后封装之前具有50μm量级的总高度，其中板可以是形成在硅晶片上的一层硅氧化物。当完成金属外壳时，该总高度是100μm量级或者甚至150μm的最大值，其中外壳的金属的厚度是15至20μm量级。因此通过根据本发明的方法制造紧密的元件。
如果该方法的所有步骤在一个表面上进行，还可以发现在封装之后和切割或将基板切成方块之前，通过对基板的背面进行化学蚀刻来减少基板的厚度。为了这样做，必须采取必要的预防措施，从而避免损坏承受封装后的微系统的极板的侧面。但是，如果基板从一开始就是薄的，能够避免在封装方法结束时必须减小它的厚度。
作为电沉积技术的一个结果，可以沉积具有较大厚度的金属层，这是利用热蒸发或阴极溅射很难实现的。这种电沉积技术使得对于这种厚度成本较低和制造快捷，即使使用金来制造外壳也是如此。与之相对比，根据现有技术，独立于基板的玻璃板的设计更耗时和昂贵，其中形成通道来放置或构建微系统然后封闭它们。
图6至9表示根据本发明方法的第二个实施例，将微系统与外界隔绝地在现场封装的步骤。注意到这些图中的元件与图1至5中的相对应，采用同样的附图标记。
在图6a和6b中，没有表示导电条和绝缘层，具体由铜或铜合金制成的第一牺牲金属层7，具体通过电解方法沉积在粘附层4的环形区域和微系统6上，来完全覆盖它。具有小于所覆盖的微系统6的宽度的牺牲层7的两个伸出端15在粘附层4的焊料凸起13上面经过。在牺牲层7的两个正对的侧面上沉积这两个伸出端15以及两个焊料凸起13，伸出端15用来形成后面将要讨论的第二金属层的通道。
在图7a和7b中，具体由金或金合金制成的第二金属层9，通过电解方式沉积在牺牲层7和粘附层的一部分上。为了避免将它们完全覆盖，该层9在顶视图中限定一个停止在每个伸出端15端部的矩形。作为所说伸出端15从第二层9脱离出来的结果，因此形成通道10。
图7c是沿图7a中直线Ⅶ-Ⅶ的剖面图，表示各个层的重叠情况。在绝缘基板1上，金属粘附层4包括具体由金-锡合金形成的焊料凸起13。牺牲层的伸出端15在焊料凸起13上经过。第二金属层9在牺牲层上经过，并且在伸出端15的每一侧上与焊料凸起13连接。
图8表示利用化学蚀刻剂穿过通道10除掉牺牲层。通过由第二层产生的牺牲层的伸出端得到所说通道。这样除掉之后，微系统6在金属外壳9里面是自由的。
图9表示利用工具12压实位于焊料凸起13上的第二层9的一部分来封闭外壳9。在挤压这些部分的过程中，将焊料凸起13加热到熔化并因此密封通道10。已经给出较小尺寸的通道位于第二层9的两个强化的侧面上，不再需要象第一实施例一样提供增强条。限定通道10的部分的压实不会损坏微系统6。
图10至15表示根据本发明方法的第三个实施例，将微系统与外界隔绝地在现场封装的步骤。注意到这些图中的元件与图1至5中的相对应，采用同样的附图标记。
图10表示具体由铜或铜合金制成的牺牲金属层7，具体通过电解方法沉积在包围微系统6的粘附层4的环形区域上和所说微系统上，来完全覆盖它。尽管进行了电连接，沉积在微系统6上的牺牲层7与同一基板1上的相邻微系统的牺牲层不邻接，因为它仅仅沉积在包围相应微系统的有限的环形区域上。
图11表示具体由金或金合金制成的第二金属层9，和与牺牲层相似具体由铜或铜合金制成的第三金属层16，通过电解方法进行沉积。这些层沉积在牺牲层7上和包围牺牲层7的圆形区域上。在两个层9和10中形成两个通道10，来提供通向牺牲层7的通道。通道的形状可以是椭圆的或圆形的或正方形的。
使用同样的光致抗蚀剂层用于两个连续的金属沉积。第二金属层9具有0.5μm量级的较小的厚度，而第三金属层16具有20μm量级的厚度，使得最终的金属外壳抗机械压力。这允许制成足够厚度的外壳以及实现了节省，第二层最好由金或金合金制成。
由于为了使用同样的电解池，第三层16最好由与牺牲层一样的金属制成，需要保护它不受任何化学蚀刻剂的侵蚀。为了实现这一点，如图12中所示，由与第二层相同的金属制成的第四金属层17沉积在第三层上和包围它的环形区域上。该第四金属层与第二层连接，同时保证通道10畅通。然后第三层全部插入到第二和第四金属层之间，并因此远离用于除掉牺牲层7的任何化学蚀刻剂。第四层的厚度是0.5μm量级。
图13表示利用化学蚀刻剂穿过通道10除掉牺牲层7，通过第二和第四层保护第三层。
图14和15表示除掉牺牲层之后的结构，微系统6在外壳中自由运动。例如在接触器的情况中，它们的金属条可以自由运动。然后通过工具(没有表示)沿着箭头f的方向将焊料滴18放到每个通道10上并固化，从而密封通道和与外界隔绝地封闭该外壳。
图16至19表示根据本发明方法的第四个实施例，将微系统与外界隔绝地在现场封装的步骤。注意到这些图中的元件与图1至5中的相对应，采用同样的附图标记。
在图16a、16b和16c中，在该方法的前面步骤中，围绕微系统6形成一组粘附层4的焊料凸起13，以及引导元件20放置在微系统的角落的方向中和这组焊料凸起里面。这些引导元件20由与焊料凸起13和牺牲层7不同的金属构成，来特别忍受比焊料凸起13高的温度。当如后面所述封闭该外壳时，使用它们来引导第二层9。
所说凸起可以在微系统的整个边缘上规则地间隔开，而不直接与所说微系统6接触。牺牲层7通过电解方法沉积在微系统6上和粘附层4的环形区域上，而没有经过所说焊料凸起13的上面。由于这一点，已经预先提供了一个光致抗蚀剂模具。但是，为了能够在第二金属层中形成通道，在焊料凸起之间的空间中沉积牺牲层的部分19。可以在沿着图16a中直线ⅩⅦ-ⅩⅦ的剖面图16c中看到所说通道。
在图17中，第二金属层9通过电解方法沉积在牺牲层7上和焊料凸起13上。第二层不与粘附层4的基层形成接触，因为它不伸展超出牺牲层7的边缘。因此，在图18中可以看到，为了能够将通道10限定在焊料凸起13之间的空间中，使得牺牲层的一部分1从第二金属层9出现。
在图18中，已经利用化学蚀刻剂穿过部分19，即，穿过第二层9的通道10除掉牺牲层7。除掉牺牲层之后，第二层9看起来象是停留在这组焊料凸起13上并且屏蔽微系统6的顶。
图19中表示金属外壳的与外界隔绝的密封。带有位于它们外壳下面的全部微系统的基板1放置在烤箱中，来向焊料凸起13产生热波21使得它们熔化。只要焊料凸起13一融化，外壳9在其自身重力和毛细管的作用下在方向v中降低，从而通过密封全部通道来将微系统与外界隔绝地封闭。由于当焊料凸起13熔化时，外壳不再有安装的支撑点，它可以在水平方向中移动并且与微系统形成接触。因此提供引导元件20，在图16至19中表示为4个，来防止外壳在水平方向中移动得太远，并且利用位于一个能够干扰微系统6的正常操作的位置处的焊料13变成安装到粘附层。
在图16至19中通过示例方式给出的引导元件20的棍状形状不是限定性的，因为这些元件可以采用其它形式。例如，可以仅仅使用设置成紧邻微系统6的两个正对角落的两个引导元件20。这两个元件可以是圆棒形的或L形的。当然，这些引导元件的使用不是必须的，倘若能保证第二层9的下降只以垂直方式发生。
由于焊料凸起13由金-锡合金或锡-铅合金制成，而残留在所说凸起上的第二层9由金或金合金制成，当受到热波21熔化时，存在第二层中的凸起合金扩散的危险。因此，太大数量的熔化后的材料可能不再保证微系统有足够的空间。为了避免这种扩散，本领域普通技术人员知道如何将扩散势垒区放置在焊料凸起13和第二层9之间。
图20和21表示根据本发明方法的第五个实施例，将微系统与外界隔绝地在现场封装的两个最终步骤。注意到这些图中的元件与图1至5中的相对应，采用同样的附图标记。
图20a和20b表示由第二金属层9形成的金属外壳，具体由金或金合金制成，具有在其顶部形成的多个通道10。已经利用选择性化学蚀刻剂通过通道10除掉了牺牲层。该外壳已经放置在包围微系统的粘附层4的环形区域上并且封闭，没有接触所说微系统6。
通道10具有足够小的尺寸，能够放置在外壳的顶部上，并允许它们由液体焊料波23的密封。通过旋转圆棒形工具22在基板1上h方向中运动，在图21中可以看到，或者通过连续的焊料波得到所说焊料波。作为毛细管作用的结果，液体焊料23将密封所说通道10而没有与微系统6接触的危险。
圆棒形工具22内部包括一个或多个液体焊料23的运送通道，图21中看不到。液体焊料通过封闭与为了形成液体焊料23的曲线在圆棒的边缘上形成的开口一同展开。使得工具的宽度位于基板上的单个通道中，其允许全部通道10形成在全部待封装的微系统的第二层中，来进行封闭。应当注意到第二层的顶部的表面平面度是大于或小于10μm量级，使得该工具可以没有太大困难地一次密封全部通道。
除了旋转工具22来密封通道10，支撑由第二层9封装的全部微系统6的基板1可以放在焊料池上面。由此，与在图1至5中表示的导电条连接的接触垫片必须不被覆盖。对于该操作，能够留下用来形成保护所说焊点以及导电条末端的光致抗蚀剂。
在该第五个实施例中，以本领域普通技术人员的知识范围利用多孔多晶硅层可以实现的同样方式，通道10象格子一样设置在第二层9的顶部上。通过引用的方式，可以参考1999年1月17日至21日的第12届IEEE国际会议MEMS99，第470至475页上的题目为“微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems)”的文章。该多晶硅层在特定的微系统封装中使用，来通过穿过所说多孔多晶硅的化学蚀刻剂除掉牺牲层。
已经描述的封装方法还可以应用到安装在一个基板上的单个微系统的封装中。但是，为了尽可能地降低在测微装置领域中的生产成本，这种方法对于在同一基板上同时封装几个微系统更经济。
还应当看到上面没有进行解释的，但在本领域普通技术人员的掌握之中的微系统的热压金属封装的前述实施例的其它变形或组合，同样没有超出本发明的范围。
权利要求
1．一种用来在现场将微系统与外界隔绝地封装的方法，其中，在第一阶段中，几个微系统(6)安装在同一个基板(1)上，所说微系统受到沉积在基板上的金属粘附层(4)包围，该方法的特征在于，在第二阶段中，以同样的沉积操作，第一金属层(7)沉积在每个微系统(6)上和包围每个微系统(6)的粘附层(4)的环形区域(7a)上，使得通过重叠完全覆盖每个微系统，第二金属层(9)通过电解装置沉积在第一金属层(7)上和粘附层(4)上，使得覆盖第一层(7)上的大部分表面，同时在第二层(9)中为每个微系统(6)保留至少一个通道(10)，以提供通向第一层(7)的通路，第一层的金属不同于粘附层、第二层和微系统中的金属，通过第二层(9)中的每个通道(10)有选择地进行化学蚀刻，除掉第一层(7)，然后闭合所说通道，以得到与外界隔绝地封装每个微系统的金属外壳。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过电解方法沉积第一层(7)。
3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，涂裹每个微系统的第一层(7)包括至少两个开口(8)，每个设置在微系统(6)与第二层(9)的相对应的通道(10)之间，并且第二层(9)延伸到每个开口(8)直到粘附层(4)，从而为每个通道(10)与相应的微系统(6)之间的第二层(9)建立支撑棒(14)。
4．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过面对第一层(7)的两个伸出端(15)形成用于每个微系统(6)的所说通道(10)，所说伸出端(15)超出第二层(9)的外面，所说伸出端(15)之间的宽度不改变，从而在通道(10)上形成强化部分。
5．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二层(9)沉积成覆盖第一层(7)，除了位于每个微系统上的第二层(9)的顶部上的减小尺寸的多个通道(10)。
6．根据权利要求3或5所述的方法，其特征在于，通过沉积一滴待固化到每个通道上的焊料(18)，闭合设置在第二层的顶部上的通道(10)，或者通过形成待固化的液体焊料(23)的曲线来封闭全部所说通道(10)。
7．根据权利要求1至4中任何一个所述的方法，其特征在于，通过加热和压实包围每个通道(10)的第二层(9)的部分(11)，并通过将它们焊接到粘附层(4)上来闭合通道(10)。
8．根据权利要求7所述的方法，其特征在于，粘附层(4)包括设置在所说粘附层(4)的金属基层上和位于第二层的通道(10)处的焊接金属(13)的凸起，使得当热压第二层的部分(11)时闭合所说通道(10)。
9．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二层保留在粘附层(4)的正在焊接的金属凸起(13)上，其中粘附层(4)分布在包围相应的微系统(6)的每个环形区域的边界上，并且第一层(7)的一部分设置在相邻的金属凸起(13)之间，以露出在第二层(9)之外和为每个微系统(6)限定几个第二层(9)中的通道(10)。
10．根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过加热熔化的金属凸起(13)封闭每个微系统(6)的通道(10)，使得第二层(9)下降到粘附层(4)的基层上和与外界隔绝地将外壳密封到微系统(6)上。
11．根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在用第一层(7)涂裹之前，将外壳的引导元件(12)安装到粘附层(4)上，除掉第一层之后所说元件保留，并且当第二层(9)降低来封闭通道(10)时使用所说元件来垂直地引导外壳。
12．根据前序任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，第一层(7)的金属是铜或铜合金，而第二层(9)的金属是金或金合金。
13．根据前序任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，粘附层(4)的金属基层由钛或铬制成的基板上的第一金属安装层形成，第二金属层由镍或钯或铑或钌或铂或钼形成，用来作为焊料的扩散阻挡层，和第三金属层由金形成，用来作为防止氧化的保护层。
14．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三金属层(16)沉积在第二层(9)上，而没有封闭第二层的通道(10)；第四金属层(17)沉积在第三层(16)上，从而将第三层(16)完全封闭在第二层(9)和第四层(17)之间，封闭和阻碍第二层的通道(10)，第二层(9)的金属与第四层(17)的金属相同，通过每个通道(10)利用选择性化学蚀刻除掉第一层(7)。
15．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在安装微系统(6)之前，用于每个微系统(6)的外部电连接的导电条(2)形成在基板上，绝缘层(3)沉积在条(2)的长度上的中间部分上，使得它们的端部留出用于电连接，然后沉积粘附层(4)从而经过各条的绝缘部分，并形成它的结构从而限定与导电条(2)的每个端部连接的金属通道，这些条的另一端与相应的微系统(6)连接。
16．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在安装微系统(6)之前，穿过基板(1)的绝缘部分形成用于每个微系统(6)的外部电连接的一组导电孔，而金属垫片与位于正对微系统(6)的基板的表面上的导电孔连接。
17．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，封闭外壳之后，利用树脂保护层覆盖它们。
18．根据前述任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，封闭金属外壳之后，切割基板或将其切成方块，从而使得有可以伸出到外部的金属接触垫片(5)的每个封装后的外壳分开。
全文摘要
一种用来在现场将微系统与外界隔绝地封装的方法,其包括:第一阶段,将微系统(6)安装在一基板(1)上,由沉积在基板上的金属粘附层(4)包围。第二阶段,将第一层(7)通过电解方法沉积在微系统上和包围其的粘附层的环形区域(7a)上,,使得通过重叠完全覆盖微系统。第二层(9)通过电解方法沉积在第一层和粘附层上,得到通道(10),通过其进行化学蚀刻,除掉第一层,然后闭合通道,以得到与外界隔绝地封装微系统的金属外壳。
文档编号H01L21/50GK1305944SQ0013567
公开日2001年8月1日 申请日期2000年12月15日 优先权日1999年12月15日
发明者F·盖萨兹 申请人:阿苏拉布股份有限公司