DE60220022T2 - Verfahren zur herstellung elektrisch leitender kontaktstrukturen - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Kontaktelemente für elektrische Vorrichtungen und insbesondere auf mikroelektronische Federkontakte in lithographischer Größenordnung mit verbesserten Profilen.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Neuere technologische Fortschritte, wie in US Patent Nr. 5,917,707 von Khandros et al. beschrieben, haben kleine flexible und elastische mikroelektronische Federkontakte zum direkten Anbringen an Substraten wie Halbleiterchips vorgesehen. Das '707 Patent offenbart mikroelektronische Federkontakte, die unter Verwendung eines Wirebonding-Prozesses hergestellt werden, der das Bonden eines sehr feinen Drahts an ein Substrat und ein nachfolgendes Metallisieren des Drahts einschließt, um ein elastisches Element auszubilden. Diese mikroelektronischen Kontakte haben wesentliche Vorteile bei Anwendungen ergeben, wie der Waferverarbeitung in der Endphase und insbesondere bei der Verwendung als Kontaktstrukturen für Prüfkarten, bei der sie feine Wolframdrähte ersetzt haben. Es ist weiter anerkannt, wie z.B. in US Patent Nr. 6,032,446 und 5,983,493 von Eldridge et al. beschrieben, dass solche Substrat-befestigten, mikroelektronischen Federkontakte wesentliche Vorteile bieten können beim Ausbilden elektrischer Verbindungen zwischen Halbleitereinrichtungen im Allgemeinen und insbesondere für den Zweck auf Waferebene Prüf- und Einbrennprozesse auszuführen. Tatsächlich bieten fein gerasterte Federkontakte mögliche Vorteile für jede Anwendung bei der Anordnungen von verlässlichen elektronischen Verbindern benötigt werden, einschließlich zur Herstellung von sowohl vorübergehenden als auch permanenten elektrischen Verbindungen, bei nahezu jeder Art von elektronischer Einrichtung.
  • In der Praxis haben jedoch die Kosten der Herstellung von fein gerasterten Federkontakten ihren Bereich der Anwendbarkeit auf weniger kostensensible Anwendungen begrenzt. Ein Großteil der Anfertigungskosten ist mit der Herstellungsausrüstung und der Prozesszeit verbunden. Kontakte, wie in den zuvor genannten Patenten beschrieben, werden in einem seriellen Prozess (d.h. einer nach dem anderen) angefertigt, der nicht leicht in einen parallelen simultanen Massen-Prozess umgewandelt werden kann. Daher wurden neue Arten von Kontaktstrukturen, hierin bezeichnet als mikroelektronische Feder- (oder Kontakt-, oder Federkontakt-)Strukturen in lithographischer Größenordnung entwickelt unter Verwendung von lithografischen Herstellungsprozessen, die gut geeignet sind, um mehrere Federstrukturen parallel anzufertigen, wobei die mit jedem Kontakt verbundenen Kosten deutlich reduziert sind. Beispielhafte Federkontakte in lithographischer Größenordnung und Prozesse, um sie herzustellen, werden beschrieben in der parallelen US Patentanmeldung "LITHOGRAPHICALLY DEFINED MICROELECTRONIC CONTACT STRUCTURES", Seriennr. 09/032,473, angemeldet am 26. Februar 1998 von Pedersen und Khandros (entspricht WO 98/052 224 A1 ) und "MICROELECTRONIC CONTACT STRUCTURES", US 2004/0121627 A1 (Seriennr. 60/073,679), am 4. Februar 1998 von Pedersen und Khandros, vom gleichen Anmelder angemeldet.
  • Im Allgemeinen ermöglichen lithographische Prozesse eine große Vielseitigkeit bei der Ausgestaltung von Federkontakten, welche wiederum eine Vielzahl von Verbesserungen gegenüber den Ausgestaltungen des Standes der Technik ermöglichen. Obwohl z.B. lithografisch ausgebildete Strukturen gemäß dem Stand der Technik im Allgemeinen typischerweise im Wesentlichen flache rechteckige Querschnitte haben, sind profilierte nicht-rechteckige Querschnitte für viele Federkontaktanwendungen wünschenswert. Bei einer vorgegebenen Dicke eines elastischen Materials kann ein Federkontakt in lithographischer Ausführung durch das Vorsehen eines geeignet profilierten nicht-rechteckigen Querschnitts steifer und stärker gemacht werden. Andere Ausführungsvorteile können durch die Verwendung verschiedener anderer komplexerer Formen realisiert werden. Jedoch sind die Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik ungeeignet zur Herstellung von Federkontakten in lithographischer Ausführung mit derart geeignet profilierten, nicht-rechteckigen Querschnitten und anderer Ausführungen mit komplexeren Formen. Zusätzlich fertigen frühere Verfahren, z.B. offenbart in den oben genannten US Patentanmeldungen 09/032,473 und 60/073,679 , die Federstrukturen unter Verwendung einer Reihe von lithographischen Schritten an, und bilden dabei eine z-Komponenten-Ausdehnung aus (d.h. Ausdehnung der Federspitze weg von der Substratfläche) mit mehreren lithografischen Schichten. Jedoch fügt die Verwendung von mehreren Schichten dem Herstellungsprozess unerwünschte Kosten und Komplexität zu. Geschichtete Strukturen unterliegen auch unterwünschten Spannungskonzentrationen und dem Reißen aufgrund von Spannungskorrosion wegen der Unstetigkeiten (d.h. gestufte Strukturen), die aus dem Schichtungsprozess resultieren.
  • Es besteht daher ein Bedarf mikroelektronische Federstrukturen durch das Beseitigen von Prozess-Schichtungsschritten und den zugehörigen Kosten schneller und einfacher herzustellen, während Federn mit verbesserten Eigenschaften, wie verbesserte Stärke, verbesserte Steifheit, verbesserter Widerstand gegen ein Reißen aufgrund Spannungskonzentration und einem verbesserten Elastizitätsbereich, vorgesehen werden. Zusätzlich besteht ein Bedarf für ein Verfahren zur Herstellung von lithografisch ausgebildeten, mikroelektronischen Federstrukturen mit festgelegten Profilflächen und komplexeren Formen.
  • Die US-A-5,688,699 schlägt einen verbesserten Typ eines Strahlungsmessers vor. Der Infrarot-Strahlungsmesser ist auf eine stark thermisch isolierende Weise auf einem Substrat angebracht. Das IR-strahlungsempfindliche Material wird auf thermisch isolierenden Beinen, die aus thermisch isolierendem Silikonnitrit hergestellt sind, mechanisch unterstützt, welches zur gleichen Zeit die mechanische Eigenschaft zur Unterstützung des Strahlungsmessers vorsieht. Über diesen Silikonnitrit-Beinen ist ein elektrisch leitfähiges Material zur elektrischen Verbindung mit dem IR-empfindliche Material vorgesehen. Das Entfernen einer Opferschicht wird ausgeführt nachdem der Strahlungsmesser die zwei Enden der Beine überbrückt.
  • Die US 6,184,053 B1 offenbart das Ausbilden von elastischen Kontaktelementen auf einer elektronischen Komponente. Mehrere Opfermaskenschichten werden aufgebracht und strukturiert, um eine strukturierte Vertiefung in den Maskenschichten auszubilden. Ein leitendes Material wird in die Vertiefung aufgebracht und danach werden die Opfermaskenschichten entfernt, so dass ein elastisches Kontaktelement auf der Oberfläche der elektronischen Komponente verbleibt.
  • Die WO 01/09952 A1 offenbart die allgemeine Anwendung eines Presswerkzeugs. Auf einer elektronischen Komponente ist eine Opferschicht aufgebracht und eine Vertiefung wird innerhalb der Opferschicht unter Verwendung des Presswerkzeugs mit einem strukturierten Vorsprung ausgebildet. Eine Metallschicht wird aufgebracht und strukturiert, um ein elastisches Kontaktelement auszubilden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Verfahren zur Ausbildung einer Vielzahl von leitenden Kontaktstrukturen mit einem hohen Grad an relativer Ausrichtung vorzusehen.
  • Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
  • Besondere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen festgelegt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Ausbildung mikroelektronischer Federstrukturen und Verfahren vor, die die vorangehenden Bedürfnisse angehen, während eine angemessene z-Ausdehnung erreicht wird, ohne dass mehreren gestufte lithographische Schichten benötigt werden.
  • Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zur Anfertigung geformter mikroelektronischer Federstrukturen und Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher Strukturen, unter Verwendung einer geformten Vorstufenform. Bei einer Ausgestaltung ist ein Verfahren zur Herstellung von elastischen Kontaktstrukturen vorgesehen. Zuerst wird eine Schicht Opfermaterial über einem Substrat ausgebildet. Dann wird eine profilierte Fläche im Opfermaterial ausgebildet, bevorzugt durch das Formen des Opfermaterials mittels einer Form oder eines Stempels. Die profilierte Fläche sieht eine Form für wenigstens eine Federform vor, und bevorzugt für eine Anordnung von Federformen vor. Falls nötig wird die Opferschicht dann ausgeheilt oder gehärtet. Eine Schicht des elastischen Materials wird auf der profilierten Fläche des Opfermaterials aufgebracht und strukturiert, um wenigstens eine Federform festzulegen, und bevorzugt eine Anordnung von Federformen. Das Opfermaterial wird dann zumindest teilweise unter der Federform entfernt, um zumindest eine freistehende Federstruktur offenzulegen. Wahlweise ist eine leitende Spitze an jeder der resultierenden Federstrukturen befestigt und jede Struktur wird, je nach Wunsch, optional mit einer zusätzlichen Materialschicht oder -schichten beschichtet oder bedeckt.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist leicht anpaßbar für eine Verwendung bei zurzeit erhältlichen Lithographie-Herstellungsausrüstungen und -prozessen, um große Mengen von mikroelektronischen Federstrukturen parallel herzustellen. Das Verfahren ist insbesondere geeignet zur Herstellung lithografisch ausgebildeter, mikroelektronischer Federkontaktstrukturen, die einen Querschnitt mit einem kleinen Rechtecks-Seitenverhältnis und eine z-Komponenten-Ausdehnung entlang einer linearen oder gekrümmten Neigung haben. Das Verfahren sieht auch ein Formen von Federn in Draufsicht vor, z.B. durch das Vorsehen von Federn mit sich verjüngenden dreieckigen Formen. Insbesondere ist das Verfahren geeignet, Federstrukturen auf einem geformten Substrat auszubilden, die im Wesentlichen in einem einzigen Prozessschritt ausgebildet werden, wodurch die Anzahl der Prozessschritte reduziert wird, die benötigt werden, um Federn mit den gewünschten Formen auszubilden. Das Verfahren sieht zusätzlich profilierte Formsubstrate zur Ausbildung von Federn mit einer Vielzahl von Ergebnis-Verbesserungen vor. Zum Beispiel kann das Verfahren verwendet werden, um Strukturen mit einem U-förmigen Querschnitt, einem V-förmigen Querschnitt und/oder einer Rippe, die entlang einer Länge der Feder verläuft, leicht auszubilden.
  • Ein vollständigeres Verständnis des Verfahrens zur Ausbildung mikroelektronischer Federstrukturen, ebenso wie eine Erkenntnis der zusätzlichen Vorteile und Aufgaben davon, wird den Fachleuten durch eine Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung ermöglicht. Es wird Bezug genommen auf die anhängenden Zeichnungen, welche zunächst kurz beschrieben werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Flußdiagramm, das beispielhafte Schritte eines Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt.
  • 2A-2H sind Querschnittsansichten eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während beispielhafter Schritte eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
  • 3A ist eine perspektivische Ansicht eines Substrates mit darauf eingedrückten Abdruckflächen, wie während eines beispielhaften Schrittes eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
  • 3B ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines beispielhaften Presswerkzeugs zur Verwendung bei einem Verfahren gemäß der Erfindung.
  • 3C-3G sind perspektivische Ansichten von beispielhaften Zähnen zur Verwendung an einem Presswerkzeug bei einem Verfahren gemäß der Erfindung.
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte zur Herstellung einer Abdruckfläche gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt, die insbesondere geeignet zur Ausbildung von Federstrukturen auf unebenen Substraten sind.
  • 5A-5G sind Querschnittsansichten eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während beispielhafter Schritte einer Ausgestaltung der Erfindung, die insbesondere geeignet sind Federstrukturen auf unebenen Substraten auszubilden.
  • 6 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte zur Ausbildung einer Abdruckfläche gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt, die auch geeignet zur Ausbildung von Federstrukturen auf unebenen Substraten sind.
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte zur Ausbildung einer Abdruckfläche gemäß einer Ausgestaltung zeigt, die nicht Teil der beanspruchten Erfindung sind, die eine Flüssigkeit zum Formen einer Abdruckfläche in der Form eines Fluidmeniskus verwenden.
  • 8A ist eine Draufsicht eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während einem der beispielhaften, in 7 gezeigten Schritte.
  • 8B-8F sind Querschnittsansichten eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während der in 7 gezeigten beispielhaften Schritte.
  • 8G ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Federstruktur, die unter Verwendung der beispielhaften Schritte von 7 ausgebildet wurde.
  • 9 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte zur Ausbildung einer Federstruktur gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt, die geeignet sind für eine Verwendung bei PVD- und CVD-Materialabscheidetechniken.
  • 10A-10D sind Querschnittsansichten eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während der beispielhaften in 9 gezeigten Schritte.
  • 11A ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines beispielhaften Presswerkzeugs mit einer einspringenden Zahnform zum Bilden einer Eindruck-Vertiefung mit einer überhängenden Lippe.
  • 11B ist eine Querschnittansicht eines typischen Eindrucks, ausbildet durch das in 11A gezeigte Presswerkzeug.
  • 12A ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften progressiven Presswerkzeugs zur Bildung einer Eindruck-Vertiefung mit einer überhängenden Lippe.
  • 12B ist eine Querschnittsansicht eines Bereichs des in 12A gezeigten Presswerkzeugs.
  • 12C-12D sind Querschnittsansichten von typischen Eindrücken, die durch die in 12A-12B gezeigten Presswerkzeuge während aufeinanderfolgender Schritte eines progressiven Pressprozesses ausbildet werden.
  • 12E-12F sind Draufsichten von beispielhaften Eindrücken, nach der Vervollständigung eines progressiven Pressprozesses, ausgebildet durch die in 12A-12B gezeigten Presswerkzeuge.
  • 13 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte zur Ausbildung einer Federstruktur gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt, die einen Maskierungsschritt durch das Ausbilden einer Abdruckvertiefung mit einer überhängenden Lippe vermeidet.
  • 14A-14C sind Querschnittsansichten eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während der beispielhaften, in 13 gezeigten Schritte.
  • 14D ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Federstruktur, die durch ein Verfahren, wie in 13 gezeigt, ausgebildet ist.
  • 15 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte zur Ausbildung einer Federstruktur gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt, die Maskierungsschritte durch Verwendung einer teilweise einkreisenden, überhängenden Lippe vermeidet.
  • 16A ist eine Draufsicht einer beispielhaften Abdruckvertiefung mit darauf geschichteten Materialien während eines der beispielhaften, in 15 gezeigten Schritte.
  • 16B-16D sind Querschnittsansichten eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während der beispielhaften, in 15 gezeigten Schritte.
  • 17 ist ein Flussdiagramm das beispielhafte Schritte zur Ausbildung einer Federstruktur gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt, die das Strahlungsaushärtbare Substrat verwendet.
  • 18A-18E sind Querschnittsansichten eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während der beispielhaften, in 17 gezeigten Schritte.
  • 18F ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Abdruckfläche, die durch ein wie in 17 gezeigtes Verfahren ausgebildet wird.
  • 19 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte zur Ausbildung einer Federstruktur gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung unter Verwendung eines gerichteten Abscheideverfahrens zur Strukturierung des elastischen Materials zeigt.
  • 20A ist eine perspektivische Ansicht eines Substrates und geformten Materials während eines beispielhaften Schrittes des in 19 gezeigten Verfahrens.
  • 20B-20E sind Querschnittsansichten eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während der beispielhaften, in 19 gezeigten Schritte.
  • 21A-21C sind Querschnittsansichten eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während beispielhafter Schritte des in 19 gezeigten Verfahrens, wobei der Galvanisierungsschritt weggelassen ist; und zeigt weiterhin eine Ausgestaltung der Erfindung zur Ausbildung einer Federstruktur mit einer integrierten Umverteilungsbahn.
  • 21D ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Federstruktur mit einer integrierten Umverteilungsbahn mit erhöhten Brücken.
  • 22 ist eine perspektivische Ansicht einer Vielzahl von Federstrukturen mit integrierten Umverteilungsbahnen, die eine beispielhafte Anordnung davon zeigt.
  • 23A-23C sind perspektivische Ansichten, genommen bei schrittweise höheren Vergrößerungsgraden einer beispielhaften Federstruktur und Stopp-Struktur, die durch ein Verfahren gemäß der Erfindung ausgebildet wurden, wobei das Substrat einen Wafer aufweist.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung
  • Die vorliegende Erfindung befriedigt den Bedarf nach einem Verfahren zur Ausbildung mikroelektronischer Federstrukturen, das die Beschränkungen früherer Ausbildungsverfahren überwindet. Bei der folgenden detaillierten Beschreibung werden Bezugszeichen gleicher Elemente zur Bezeichnung gleicher Elemente verwendet, die in einer oder mehreren Figuren dargestellt sind.
  • Verschiedene Begriffe und Abkürzungen werden überall in der detaillierten Beschreibung verwendet, einschließlich der folgenden:
    "Mikroelektronisch" meint betreffend die Branche der Elektronik, die sich mit Komponenten in Miniaturgröße befasst, wie integrierte Schaltkreise. Eine "mikroelektronische Feder" ist nicht auf Federn begrenzt, die als elektrische Kontakte verwendet werden, sondern schließt auch Federn ein, die als elektromechanische Vorrichtungen und als reine mechanische Federn verwendet werden.
    "Opferschicht", "Schicht aus Opfermaterial" und "Opfermaterialschicht" meint eine Schicht aus Photolack oder ähnlichem Material, das auf einem Substrat während der Ausbildung einer gewünschten Komponente oder Struktur aufgebracht wird, wie eine mikroelektronische Federkomponente, und später vom Substrat entfernt wird.
    "Opfersubstrat" meint ein Substrat, das zur Ausbildung einer gewünschten Komponente oder Struktur, wie eine mikroelektronische Federkomponente, verwendet wird und später von der Komponente oder Struktur entfernt wird.
    "Substrat" meint ein Material mit einer tragenden Fläche zum Unterstützen einer gewünschten Struktur oder Komponente. Geeignete Substrate auf welchen mikroelektronische Federkontakte gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden können, schließen ein – sind aber nicht begrenzt auf – Halbleitermaterialien, wie Halbleiter-Wafer und -Plättchen (mit oder ohne integriertem Schaltkreis), Metalle, Keramiken und Plastiken; jedes der vorangegangenen Materialien kann in verschiedenen geometrischen Anordnungen sein und für verschiedene Anwendungen sein.
  • Die vorangegangenen Definitionen sollen den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht begrenzen, sondern eher Begriffe klären, die von Personen mit gewöhnlicher Fachkenntnis gut verstanden werden, und Begriffe einführen, die zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung hilfreich sind. Es sollte anerkannt werden, dass die festgelegten Begriffe auch andere Bedeutungen für Personen mit gewöhnlicher Fachkenntnis haben können. Diese und andere Begriffe werden unten in der detaillierten Beschreibung verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung sieht Verfahren zur Ausbildung mikroelektronischer Federn auf einem Substrat unter Verwendung von Lithographie-Techniken vor, die leicht von den Herstellern von Halbleiter-Elektronikeinrichtungen anwendbar sind. Die mikroelektronischen Federstrukturen sind vorzugsweise wie bezogen auf den obigen ERSTEN STAMMANMELDUNGS-FALL beschrieben aufgebaut, obwohl verschiedene andere Gestaltungen unter Verwendung der hier beschriebenen Verfahren ausgebildet werden können. Verschiedene beispielhafte Verfahren sind hier offenbart und es sollte offensichtlich sein, dass die Wahl eines bevorzugten Verfahrens abhängt von Faktoren wie der Art der verfügbaren Herstellungsausrüstung, den Eigenschaften des Substrates, den gewünschten Eigenschaften der Federn usw., die sich in Abhängigkeit der Umstände verändern werden. In einigen Fällen können zwei oder mehrere Verfahren gleich bevorzugt sein. Zusätzlich können ausgewählte Schritte der beispielhaften Verfahren auf verschiedene Weise kombiniert werden, und optionale Schritte können weggelassen werden, abhängig von diesen und ähnlichen veränderlichen Faktoren.
  • 1 zeigt beispielhafte Schritte eines allgemein anwendbaren Verfahrens gemäß der Erfindung und 2A-2H zeigen Ansichten eines Substrates 32 und darauf geschichteter Materialien während der Schritte des in 1 gezeigten Verfahrens. Beim Schritt 102 wird eine Schicht Opfermaterial 30 auf einer Fläche eines Substrates 32 aufgebracht, wie auf eine Oberfläche einer Halbleiter-Einrichtung, eines Chips, eines Plättchens oder eines Wafers. Das Substrat 32 ist typischerweise ein Halbleitersubstrat für einen integrierten Schaltkreis mit einer Vielzahl von elektrischen Anschlussstellen von denen eine als die Kontaktfläche 46 in 2A gezeigt ist. Kontaktflächen wie die Kontaktfläche 46 werden typischerweise durch leitende Bahnen, wie die Bahn 44, an innere Schaltungen innerhalb des integrierten Schaltkreises gekoppelt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Verwendung mit einer bestimmten Art oder Anordnung des Substrates begrenzt. In einigen Ausgestaltungen der Erfindung ist die Kontaktfläche 46 elektrisch und mechanisch an eine leitende Zwischenschicht (nicht gezeigt) gekoppelt, die über ihr aufgebracht ist. Wenn vorhanden, ist die Zwischenschicht typischerweise ein Herstellungsprodukt einer Kurzschlussschicht, die während eines Galvanisierungsschrittes eines Prozesses zur Ausbildung der mikroelektronischen Federstrukur verwendet wird. Das Verfahren 100 kann verwendet werden, um eine Federstruktur zur Leitung elektrischer Signale und/oder Strom zwischen einem gepaarten Substrat und der Kontaktfläche 46 auszubilden.
  • Wie in der Halbleitertechnik bekannt, weist das Substrat 32 typischerweise eine Vielzahl von Schichten auf, wie isolierende Schichten, die zwischen leitenden und halbleitenden Schichten eingefügt sind, und eine passivierende Schicht (nicht gezeigt), die optional auf einer Oberseite des Substrates 32 vorgesehen ist. Die passivierende Schicht kann eine isolierende Schicht, eine Polysiliziumschicht oder eine andere der in der Technik bekannten Schichten sein und ist üblicherweise auf Halbleitereinrichtungen vorhanden. Wenn eine passivierende Schicht vorhanden ist, ist die Kontaktfläche 46 vorzugsweise durch eine Öffnung in der passivierenden Schicht freigelegt. Vor dem Aufbringen nachfolgender Schichten kann eine passivierende Schicht (falls eine vorhanden ist) zunächst aufgerauht werden, wie durch das Aussetzen mit einem Sauerstoffplasma, um die Haftung der ersten nachfolgenden Schicht zu erhöhen. Die Wahl von Aufrauhungstechniken und -materialien, die zum Aufbringen auf passivierende Schichten geeignet sind, sind in der Technik bekannt.
  • In Bezug auf 1 und 2A wird in einem Vorbereitungsschritt 102 eines Verfahrens zur Herstellung einer profilierten Feder ein Substrat 32, das optional mit einer Kontaktfläche 46 zum Verbinden mit einem integrierten Schaltkreis versehen ist, mit einer formbaren Opferschicht 30 beschichtet. Die Opferschicht 30 kann jede Materialanzahl haben, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), welches auf ein Substrat bis zu der gewünschten Dicke geschichtet werden kann, welche sich verformt, wenn sie mit einer Form oder einem Stempel gepresst wird, welche das darauf aufzubringende elastische Material aufnimmt, und welche dann leicht entfernt werden kann, ohne die darauf ausgebildeten Federstrukturen zu beschädigen. Zusätzliche mögliche Materialien für die Schicht 30 umfassen Acrylpolymere, Polycarbonate, Polyurethane, ABS-Kunststoff, verschiedene Photolackharze, wie Phenol-Formaldehyd-Novolac-Harze, Epoxide und Wachse. Die Opferschicht 30 hat bevorzugt eine gleichförmige Dicke, die leicht größer ist als die gewünschte Höhe der Kontaktspitzen der fertigen Federstruktur über dem Substrat 32. Falls zum Beispiel die gewünschte Höhe 50 Mikrometer (etwa 2 mils) ist, kann die Schicht 30 eine Dicke von 55 Mikrometern (2,2 mils) haben. Verschiedene in der Technik bekannte Verfahren, z.B. Rotationsbeschichtung, können verwendet werden, um die Schicht 30 auf das Substrat 32 aufzubringen.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Schicht 30 mehrere Schichten auf, z.B. ist ein weiches Material, das in Kontakt mit dem Substrat 32 ist, auf der Oberseite mit einem harten oder spröden Material bedeckt, das sauber getrennt oder geschnitten wird, wenn es durch das Formwerkzeug 34 eingedrückt wird. Diese Art von Bi-Schicht könnte ausgebildet werden durch aufeinanderfolgendes Hinzufügen und Aushärten von nassen Materialien, durch Rotationsbeschichten oder Gießen, durch aufeinanderfolgendes Laminieren von trockenen Polymer-Filmen, oder durch Laminieren eines trockenen Films, der aus mehreren Schichten besteht. Die oben erwähnte spröde Schicht könnte auch eine metallische Schicht sein, die sich trennen lassen würde und den Metallschicht-Aufbringschritt beseitigen würde, der benötigt wird, um eine wie beim Schritt 106 in 1 gezeigte, leitende Fläche auszubilden. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung weist die Schicht 30 wenigstens eine Schicht eines photostrukturierbaren Materials und wenigstens eine Schicht eines formbaren Materials auf, das nicht photostrukturierbar ist. Dies würde z.B. die Fähigkeit vorsehen, einige Bereiche lithographisch zu strukturieren und dann dem Photostrukturierungsschritt einen Abdruck-Schritt folgen zu lassen, oder umgekehrt.
  • Auch wird ein Presswerkzeug 34 mit einer Abdruckvorderseite, bei der verschiedene Abdruckbereiche 36, 38 und 42 vorgesehen sind, zum Formen der Opferschicht 30 vorgesehen. Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um das Werkzeug 34 bereitzustellen. Zum Beispiel kann das Presswerkzeug 34 aus einem relativ harten Material ausgebildet werden unter Verwendung eines computergesteuerten ultraviolett ("UV") Laser-Ablationsprozesses, unter Verwendung eines Excimer-Lasers oder eines gepulsten NdYag-Lasers, wie sie erhältlich sind von Lambda Physik, Inc., ansässig in Fort Lauderdale, Florida, oder von Heidelberg Instruments Mikrotechnik GmbH, ansässig in Heidelberg, Deutschland. Alternativ kann ein mikrochemischer Laser-Prozess, auch laserunterstütztes Ätzen genannt, erhältlich von Revise, Inc., ansässig in Burlington, Massachusetts, verwendet werden, um das Presswerkzeug auszubilden. Noch eine andere Alternative ist das Verwenden einer Graustufen-Photolitografie-Maske, wie von Canyon Materials, Inc., aus San Diego, Kalifornien, erhältlich, um eine Struktur mit einem Oberflächenprofil in einem photostrukturierbaren Glas oder einer Schicht Photolack auszubilden (welche als Form für das Presswerkzeug verwendet werden kann). Das letztere Verfahren – das Verwenden einer Graustufen-Maske, um eine Photolackschicht zu strukturieren – kann auch verwendet werden, um die Opferschicht 30 direkt auszubilden, aber dies ist weniger bevorzugt, da es im Allgemeinen langsamer als die Verwendung eines Presswerkzeugs ist. Alle die vorangegangenen Verfahren zur Ausbildung eines Presswerkzeugs sind geeignet, Merkmale in Submikrometer-Auflösung festzulegen, und können daher zur Ausbildung von Federstrukturen mit einer Größe der geformten Merkmale bis etwa 0,1 Mikrometer verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Federstruktur mit einem freitragenden Ausleger, so schmal wie etwa 0,1 Mikrometer, unter Verwendung des Verfahrens 100 hergestellt werden. Maximal hervorstehende Abdruckbereiche oder "Zähne" 36 des Werkzeugs 34 werden zum Verformen der Opferschicht 30 im Bereich der Kontaktflächen 46 verwendet, wo die Basen der Kontaktstrukturen ausgebildet werden. Profilierte Abdruckbereiche 38 werden verwendet, um die Schicht 30 in einem Auslegerbereich der auszubildenden Kontaktstrukturen zu verformen. Maximal vertiefte Abdruckbereiche 42 werden verwendet, um überschüssiges Material aufzunehmen, d.h. den "Grat", der von den Zähnen 36 beiseite geschoben wird. Die Abdruckbereiche 42 legen auch den Abstand zwischen benachbarten Federstrukturen auf dem Substrat 32 fest. In Abhängigkeit von der Wahl der Materialien für die Opferschicht 30 und das Presswerkzeug 34 ist optional eine Schicht eines Form-Loslösungsmaterials (nicht gezeigt) auf der Abdruckvorderseite des Werkzeugs 34 vorgesehen. Es sollte erkannt werden, dass weitere Schichten und Materialien auf dem Substrat 32 vorhanden sein können, ohne von dem hierin beschriebenen Verfahren abzuweichen. Zum Beispiel ist optional eine metallische Kurzschlussschicht (nicht gezeigt) zwischen der Schicht 30 und dem Substrat 32 vorgesehen, um jegliche integrierte Schaltkreise, die im Substrat eingebettet sind, während der Prozessabläufe zu schützen. In einer Anfangsphase des Ausbildungs- und Aushärtungsschrittes 104 wird das Presswerkzeug 34 mit ausreichendem Druck gegen das Substrat 32 angewendet, um die Zähne 36 nahezu an die Oberfläche des Substrates 32 zu bringen, und um die Schicht 30 in allen profilierten Abdruckbereichen 48 voll auszuformen, wie in 2B gezeigt. Um das Beschädigen des Substrates 32 zu vermeiden, und insbesondere da die Fläche des Substrates 32 typischerweise nicht perfekt planar ist, werden die Zähne 36 bevorzugt nicht in Kontakt mit dem Substrat 32 gebracht. Werkzeugdrücke sind bevorzugt relativ niedrig, wie weniger als etwa 7 mega-Pascal ("MPa", etwa 1000 Pfund/Quadratzoll ("PSI")), und weiter bevorzugt weniger als etwa 0,7 MPa (etwa 100 PSI).
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung, wenn die Zähne 36 in eine gewünschte Tiefe der Schicht 30 eingesunken sind, füllt im Wesentlichen der Grat die maximal vertieften Bereiche 42 und bildet eine Fläche, die ausreichend gleichförmig ist, um ein späteres Aufbringen einer Schicht von Maskenmaterial zwischen den Federstrukturen zu ermöglichen, nachdem das Presswerkzeug 34 von der Schicht 30 entfernt wurde. Das Presswerkzeug 34 kann erhitzt werden, um die Verformung der Schicht 30 zu unterstützen, und dann abgekühlt werden, um die Schicht 30 an ihrem Platz zu härten. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die Schicht 30 aus einem Material ausgewählt, dass ausreichend verformbar ist, um ohne die Anwendung von Wärme unter Druck zu fließen, und ausreichend zäh, um seine Form nach der Entfernung des Werkzeugs 30 beizubehalten. Bei noch einer weiteren, alternativen Ausgestaltung werden Hitze, UV-Licht oder chemische Katalysatoren verwendet, um die Opferschicht zu härten während sie unter dem Presswerkzeug 34 ist, und dann wird das Werkzeug 34 entfernt. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung wird Ultraschallenergie durch das Werkzeug 34 angewendet, um die Schicht 30 zum Formen weich zu machen. Gleich welche Abdrucktechnik verwendet wird sind die Taktzeiten bevorzugt relativ kurz, um einen höheren Herstellungsdurchsatz zu ermöglichen.
  • 2C zeigt die Form der Opferschicht 30 nach dem Entfernen des Presswerkzeugs 34 bei einer nachfolgenden Phase des Abdruck- und Aushärtungsschritts 104. Eine dünne Schicht eines Rückstands 51 ist über dem Bereich jeder Kontaktfläche 46 gezeigt; jedoch ist bei einigen alternativen Ausgestaltungen die Kontaktfläche 46 nach der Entfernung des Presswerkzeugs im Wesentlichen frei von Rückständen. Negative Abdruckflächen 48 sind auch vorhanden, von denen jede einen negativen Eindruck des gewünschten Profils für die darauf auszubildenden profilierten Ausleger trägt. Falls vorhanden, ist es nötig den Rückstand 51 zu entfernen, um das Substrat 32 in den Bereichen 50 freizulegen, in denen die Basen der Kontaktstrukturen ausgebildet werden sollen. Um den Rückstand 51 zu entfernen, kann das ganze Substrat mit seiner geformten Schicht 30 isotrop geätzt werden durch das Eintauchen in ein Bad nasser Ätzmittel, durch ein Sauerstoffplasma oder andere in der Technik bekannter Verfahren. Das Isotropie Ätzen ist für relativ flache Substrate geeignet, bei denen der Rückstand 51 eine relativ gleichförmige Dicke in allen Bereichen 50 auf dem Substrat 32 hat. Bevorzugt wird das isotrope Ätzen ausgeführt, um den Rückstand 51 zu entfernen, während gleichzeitig die Dicke der Schicht 30 reduziert wird, um sie an die gewünschte Höhe der auszubildenden Federstrukturen anzugleichen. Alternativ kann ein anisotropes Ätzverfahren verwendet werden, das schneller in eine Richtung senkrecht zum Substrat 32 ätzt, wie reaktives Ionenätzen. Ein anisotropes Ätzen wird bevorzugt in Fällen verwendet, bei denen das Substrat relativ uneben ist und dadurch eine Ungleichmäßigkeit in der Dicke des Rückstands 51 verursacht, oder in Fällen, bei denen die seitlichen Dimensionen in engen Toleranzgrenzen gehalten werden müssen.
  • In 2D ist das Aussehen der geformten Opferschicht 30 nach dem Ätzen zu einem späteren Zeitpunkt während des Form- und Teilungsschritts 104 gezeigt. Die Kontaktflächen 46 sind bevorzugt freigelegt, zusammen mit einem umgebenden Bereich des Substrats 50, der ausreicht, um eine Adhäsion der Basis der auszubildenden Federstruktur vorzusehen. Bei typischen Halbleiteranwendungen ist ein freigelegter Bereich des Substrates 32 vorgesehen, der zwischen etwa 10.000 und etwa 40.000 Quadratmikrometern liegt, besonders bevorzugt mehr als etwa 30.000 Quadratmikrometer vorsieht. Nach dem Ätzen nehmen die Abdruckflächen 48 bevorzugt die gewünschte profilierte Form an und die entfernt vom Substrat 32 liegenden Enden aller Abdruckflächen 48 liegen bevorzugt innerhalb in der im Wesentlichen gleichen Ebene.
  • Beim Schritt 106 wird eine Keimschicht über die Fläche der Opferschicht 30 und die freigelegten Basisbereiche 50 gesputtert. Die Keimschicht ist typischerweise eine relativ dünne Schicht von gleichförmiger Dicke, wie etwa 4.500 Å (Angstroms; oder etwa 0,45 Mikrometer) dick, aus gesputterten Metall, das zur Galvanisierung des elastischen Federmaterials verwendet wird. Geeignete Metalle für die Operschicht 52 umfassen Kupfer, Gold oder Palladium; oder möglicherweise Titan-Wolfram (Ti-W). Weniger bevorzugt können Oberflächenveränderungen der Schicht 30 und der Basisbereiche 50, z.B. eine Plasmabehandlung, verwendet werden, um sie leitend zu machen und dabei eine Keimschicht in einer Oberflächenschicht der Materialien zu erzeugen.
  • Bei einer alternativen Ausgestaltung wird ein elektrisch leitendes Abdruckmaterial, wie ein leitendes Polymer, ein leitendes Verbundmaterial oder eine Metalllegierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt, verwendet, um die geformte Schicht 30 auszubilden, wodurch die Notwendigkeit der Abscheidung einer Keimschicht zur Vorbereitung einer Beschichtung beseitigt wird. Bei einer solchen Ausgestaltung kann das elastische Federmaterial direkt auf das leitende Formmaterial abgeschieden werden. Zusätzlich ist das Substrat optional mit einer schützenden Kurzschlussschicht bedeckt, wie in der Technik bekannt, bevor die Schicht des leitenden Abdruckmaterials auf das Substrat angewendet wird. Falls vorhanden, schützt die Kurzschlussschicht alle integrierten Schaltkreiselemente im Substrat und trägt den Beschichtungsstrom.
  • Beim Schritt 108 wird eine strukturierte Schicht eines Maskenmaterials, wie eine Photolackschicht 54, aufgebracht, um Bereiche der Keimschicht abzudecken, in denen kein elastisches Material aufgebracht werden soll. Die Photolackschicht 54 kann aus verschiedenen kommerziell erhältlichen Photolackmaterialien ausgewählt werden, einschließlich nasser oder trockener positiver oder negativer Photolacke, oder nasser positiver oder negativer elektrophoretischer Photolacksysteme. Die Photolackschicht kann unter Verwendung irgendeines angemessenen Verfahrens strukturiert werden, zum Beispiel indem sie UV-Licht durch eine Maske ausgesetzt wird, ausgenommen dort wo die Federstrukturen ausgebildet werden sollen, wodurch er in den freigelegten Bereichen aushärtet (im Fall eines negativ wirkenden Photolacks). 2E zeigt das Substrat 32 nach dem Applizieren einer Keimschicht 52 und einer Photolackschicht 54. Bei 2E bis 2H ist die relative Dicke der Keimschicht 52 übertrieben dagestellt. Die ungehärteten Teile der Photolackschicht 54 werden dann durch ein geeignetes Lösungsmittel weggelöst, wie in der Technik bekannt.
  • Das Maskenmaterial 54 ist bevorzugt in der Umgebung der nachfolgenden Aufbringverfahren stabil. Zum Beispiel enthält ein typisches Photolack-Maskenmaterial Lösungsmittel- oder Monomer-Rückstände, die unter den Hochvakuumbedingungen während der Sputter-Vorgänge ausgasen können. Ähnliche Schwierigkeiten können auftreten, wenn auf eine Schicht eines Opfermaterials gesputtert wird, das typischerweise ein organisches Material ist, welches auch Lösungsmittelrückstände oder andere Bestandteile mit niedrigen molekularem Gewicht beinhalten kann. Bei der Vorbereitung eines nachfolgenden Aufbringschritts wird das Masken- oder Opfermaterial bevorzugt vorbehandelt, zum Beispiel durch Backen oder durch das Aussetzen mit Licht, um Lösungsmittelrückstände oder vernetzte Monomerrückstände je nach Fall zu entfernen, oder um das Material auf andere Weise zu stabilisieren. Ein Nachteil der Vorbehandlung ist, dass das Masken- oder Opfermaterial dadurch später im Prozess schwieriger zu entfernen sein kann. Ein geeignetes Opfermaterial und ein Aufbringverfahren können durch einen Fachmann ausgewählt werden.
  • Nachdem die ungehärteten Bereiche der Photolackschicht 54 weggelöst sind, sind die belichteten Bereiche 56 der Keimschicht 52 freigelegt, wie in 2F gezeigt. Die belichteten Bereiche 56 haben in Draufsicht die Projektionsform der gewünschten mikroelektronischen Federstruktur. Wenn z.B. ein dreieckiger Ausleger gewünscht ist, hat der belichtete Bereich in Draufsicht eine im Wesentlichen dreieckige Form. Beim Schritt 110 werden dann eine oder mehrere Schichten eines elastischen Materials 58 auf die Keimschicht bei den belichteten Bereichen 56 aufgebracht, unter Verwendung verschiedener in der Technik bekannter Verfahren, wie Galvanisierung. Dort wo die Keimschicht von der Photolackschicht 54 bedeckt ist, tritt keine Galvanisierung auf. Alternativ kann eine Schicht eines elastischen Materials aufgebaut werden unter Verwendung eines Prozesses wie CVD oder PVD, die wahlweise auf Bereiche 56 durch eine Maske (wie eine Schattenmaske) angewendet werden, was die Notwendigkeit des Schritts 106 zum Aufbringen einer Keimschicht beseitigt. Unter Verwendung jedweder der verschiedenen Aufbringverfahren wird eine Federstruktur 60, die eine einteilig ausgebildete Basis und einen Ausleger aufweist, auf den belichteten Bereichen 56 ausgebildet, wie in 2G gezeigt. Beim Schritt 112 werden die Schichten des Opfermaterials 30 und des Maskenmaterials 54 entfernt unter Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels, wie Aceton, das nicht das Substrat 32 oder das elastische Material 58 angreift, wie in der Technik bekannt. Das Ergebnis sind freistehende Federstrukturen 60, wie in 2H gezeigt.
  • Geeignete Materialien für das elastische Material schließen ein, sind aber nicht begrenzt auf: Nickel, und seine Legierungen; Kupfer, Kobalt, Eisen und ihre Legierungen; Gold (speziell Hartgold) und Silber, von denen beide ausgezeichnete Stromleitungsfähigkeiten und gute Kontaktwiderstandseigenschaften aufweisen; Elemente der Platingruppe; Edelmetalle; halbedle Metalle und ihre Legierungen, insbesondere Elemente der Palladiumgruppe und ihre Legierungen; und Wolfram-Molybdän und andere hitzebeständige Metalle und ihre Legierungen. Die Verwendung von Nickel und Nickellegierungen ist besonders bevorzugt. In Fällen, bei denen eine Lot-ähnliche Oberfläche gewünscht ist, können auch Zinn, Blei, Bismuth, Indium, Gallium und ihre Legierungen verwendet werden. Das elastische Material kann weiterhin mehr als eine Schicht aufweisen. Zum Beispiel kann das elastische Material zwei Metallschichten aufweisen, wobei eine erste Metallschicht, wie Nickel oder eine seiner Legierungen, wegen seiner Elastizitätseigenschaften ausgewählt wird, und eine zweite Metallschicht, wie Gold, wegen seiner elektrischen Leitfähigkeitseigenschaft ausgewählt wird. Zusätzlich können Schichten aus leitenden und isolierenden Materialien aufgebracht werden, um Übertragungsleitungs-artige Strukturen auszubilden.
  • Nach der Ausbildung der Federstrukturen 60 ist das Substrat 32 optional mit einer strukturierten Schicht beschichtet mit einem isolierendem, Kapselungs-Material auf seiner Oberfläche, wie weiter in dem oben genannten ZWEITEN STAMM FALL beschrieben. Die Kapselungs-Schicht (nicht gezeigt) bedeckt bevorzugt die Basisbereiche 50 der Kontaktstrukturen und verstärkt dabei mechanisch die Befestigung der elastischen Kontaktstrukturen auf der Oberfläche des Substrates. Zusätzlich sind die Federstrukturen 60 optional mit separaten Spitzenstrukturen versehen. Separate Spitzenstrukturen können auf einem Opfersubstrat ausgebildet werden und auf die Struktur 60 übertragen werden, um nahe an ihrer freien Spitze verbunden zu sein.
  • Es sollte offensichtlich sein, dass das Verfahren 100, und Variationen davon, verwendet werden kann, um leicht eine Vielzahl von profilierten Federstrukturen auf einem Substrat während eines einzigen Produktionszyklus auszubilden. Zum Beispiel kann das Verfahren 100 verwendet werden, um Zehntausende profilierte Federstrukturen auf einem Wafer mit mehreren Plättchen zu produzieren. Zusätzlich wird jede der derart ausgebildeten Zehntausenden von Strukturen eine präzise Größe, Form und Position haben, wie dies während des Präge- und lithographischen Herstellungsprozesses festgelegt wurde. Im Allgemeinen werden Maßfehler erwartet, die in der Größenordnung von 10 Mikrometer oder weniger liegen. Weil so viele Strukturen zur gleichen Zeit ausgebildet werden können, werden die Kosten zur Ausbildung jeder Struktur relativ niedrig sein.
  • Weiterhin wird dem Fachmann eine Vielzahl von Variationen der oben beschriebenen Reihenfolge von Schritten zur Herstellung integral ausgeformter Federstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung offensichtlich werden. Zum Beispiel kann eine Federkontaktstruktur in einem Bereich des Substrates hergestellt werden, der von einer Kontaktfläche entfernt ist, mit der er elektrisch verbunden ist. Im Allgemeinen kann die Federkontaktstruktur auf einer leitenden Linie (nicht gezeigt) angebracht werden, die von einer Kontaktfläche des Substrates zu einer entfernten Position erstreckt. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Federkontaktstrukturen auf dem Substrat angebracht werden, so dass ihre Spitzen in einer Struktur und in Positionen angebracht sind, die nicht auf die Struktur der Kontaktflächen auf dem Substrat begrenzt ist. Zusätzlich werden bei einer Ausgestaltung der Erfindung sowohl Formen für die gewünschten Federstrukturen als auch die Umverteilungsschicht gleichzeitig durch das Eindrücken eines geeignet geformten Presswerkzeugs in die verformbaren Substrate ausgebildet. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung werden Formen für Federkontakte auf gegenüberliegenden oder benachbarten Flächen des Substrates ausgebildet, was nützlich ist z.B. zur Ausbildung von Zwischen- oder Abstandsübertragungskomponenten. Solche Formen können mit geeignetem Werkzeug entweder nacheinander oder gleichzeitig ausgebildet werden.
  • Als weiteres Beispiel kann das Verfahren 100 weiter angepasst werden, um es dem elastischen Material zu erlauben, permanent in Bereichen des Substrates aufgebracht zu sein, die nicht speziell zum Ausbilden von Zwischenverbindungen vorgesehen sind. Im Allgemeinen wird jeder Bereich auf dem Substrat, der nicht maskiert ist, beschichtet. Dies kann nützlich sein z.B. für das Aufbauen von mechanischen Elementen auf der Vorderseite des Rohchips als Abstandhalter. Zum Beispiel könnten die Kanten des Substrates beschichtet werden, um Abstandhalter oder Stoppstrukturen für die Federstrukturen 60 vorzusehen. Alternativ kann die gegenüberliegende Seite des Substrates mit einer Abschirm- oder Kurzschlussschicht beschichtet werden. Variationen, wie die vorangegangenen, können in jeder der hierin offenbarten alternativen Verfahren auf ähnliche Weise gemacht werden.
  • Obwohl verschiedene Anpassungen an dem hierin offenbarten Verfahren gemacht werden können, ist im Allgemeinen ein Abdruck- oder anderer Formungsprozess unter Verwendung einer relativ dicken Schicht eines Opfermaterials, wie Schicht 30, bevorzugt, um eine angemessene Höhe der Federstruktur vorzusehen, ohne dass das Aufbauen von mehreren Photolackschichten benötigt wird. Zusätzlich erleichtert die Verwendung einer umformbaren (verformbaren) Opfermaterialschicht die Vervielfältigung und Massenproduktion relativ komplexer, profilierter Auslegerformen.
  • Entsprechend ist bei den bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens die gesamte Federstruktur (mit der Ausnahme von optionalen Merkmalen wie separaten Spitzen) in einer Materialschicht festlegbar, die auf der Fläche einer Abdruckform abgeschieden ist (wie durch Galvanisierung, CVD oder PVD). Die sich ergebenden Federstrukturen weisen daher eine integrale Lage auf, die eine einzelne Schicht oder eine Vielzahl von flächengleichen Schichten aus elastischem-, leitendem- und/oder Widerstands-Material aufweisen kann. Die einteilige Platte kann gefaltet und profiliert sein und ist bevorzugt im Wesentlichen frei von überlappenden Bereichen in der Richtung, in der die Materialien aufgebracht werden (typischerweise von oberhalb der Struktur in Richtung des Substrates), so dass sie durch das Aufbringen einer Schicht oder Schichten eines Materials auf einer geformten Schicht des Opfermaterials leichter ausgebildet werden kann, gemäß der hierin beschriebenen Verfahren. Jedoch kann eine wesentliche Überlappung durch Verwendung einiger Abscheidungsverfahren erreicht werden, wie Galvanisierung in Verbindung mit einem "Robber", um elektrisch geladenes Material unter einen Überstand zu treiben.
  • Es sollte offensichtlich sein, dass das offene Formverfahren 100 gemäß der vorliegenden Erfindung angepasst werden kann, um profilierte Ausleger für Federstrukturen in einer großen Vielfalt von Formen und Größen auszubilden. Für die Verwendung von mikroelektronischen Federkontaktstrukturen sind bestimmte Größen und strukturelle Eigenschaften bevorzugt, wie weiter im oben erwähnten ERSTEN STAMM FALL beschrieben. Jedoch ist das Verfahren 100 geeignet, Strukturen auszubilden, die sowohl kleiner als auch größer sind als die bevorzugten Bereiche. Derzeit verfügbare Techniken zur Ausbildung von Presswerkzeugen setzen eine untere Grenze der Strukturgröße bei etwa 0,1 Mikrometer. Während es keine klar definierte obere Grenze der Strukturgröße über einer bestimmten Strukturgröße gibt, z.B.
  • Strukturen, die das Ausbilden der Opferschicht 30 mit Dicken benötigen, die größer als etwa 10.000 Mikrometer (etwa 1 cm oder 400 mils) sind, sind Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik, wie die Blechverarbeitung, wahrscheinlich ökonomischer ausführbar.
  • Eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften durch ein Presswerkzeug ausgebildeten Eindrucks ist in 3A gezeigt. Eine ähnliche Ansicht eines beispielhaften Bereichs eines Presswerkzeugs, das zur Herstellung des Eindrucks verwendet wurde, ist in 3B gezeigt. Es sollte jedoch verstanden werden, dass der Eindruck nicht die Draufsichtsform der gewünschten Federstruktur festlegt oder ihr entspricht, da die gewünschte Draufsichtsform unter Verwendung einer Strukturmaske festgelegt werden kann. Der Eindruck muss nur das gewünschte Profil in z-Richtung für die auszubildende Federstruktur festlegen. Bei alternativen Ausgestaltungen der Erfindung kann die Draufsichtsform des Eindrucks – z.B. eine in dem formbaren Substrat ausgebildete Vertiefung – verwendet werden, um die Federform festzulegen. Beispiele dieser Ausgestaltungen sind später detaillierter in der Beschreibung beschrieben.
  • Wie in 3B gezeigt, sind eine Vielzahl von Zähnen 36 auf einer Vorderseite 35 des Presswerkzeugs 34 angeordnet, wobei jeder eine identisch profilierte Oberfläche 38 aufweist, die einer in der Schicht 30 auf dem Substrat 32 ausgebildeten Abdruckfläche 48 entspricht. Die Zähne 36 können in einer rechteckigen Anordnung oder in einem jedweden auf der Vorderseite 35 gewünschten Muster angeordnet sein. Die Zähne 36 können im Wesentlichen identisch zueinander gefertigt sein, oder können verschiedene unterschiedliche Formen auf dem gleichen Presswerkzeug 34 aufweisen, abhängig von den gewünschten, auszubildenden Federstrukturen. Beispielhafte Zahnformen schließen ein: einen Zahn 36 mit einer gerippten Fläche zur Ausbildung eines gerippten Auslegers einer Federstruktur, wie in 3C gezeigt; einen Zahn 36 mit einer geriffelten Fläche 64, wie in 3D gezeigt, zur Ausbildung eines geriffelten Auslegers; und einen Zahn 36 mit einer V-förmigen Fläche 66, wie in 3E gezeigt, zur Ausbildung eines V-förmigen Auslegers. Zähne können zusätzlich unterschiedlich geformt sein, um Federstrukturen auszubilden mit verschiedenen Formen in Draufsicht. Zum Beispiel zeigt 3C einen Zahn zur Ausbildung einer Federstruktur mit einem Ausleger und einer Basis, die in Draufsicht beide rechteckig sind; 3D zeigt einen Zahn zur Ausbildung eines rechteckigen Auslegers und einer halb-elliptischen Basis; und 3E zeigt einen Zahn zur Ausbildung eines dreieckigen Auslegers und einer halb-elliptischen Basis. Ein beispielhafter Zahn 36 zur Ausbildung einer Struktur mit einem Ausleger der in Draufsicht U-förmig ist, ist in 3F gezeigt; und ein beispielhafter Zahn 36 zur Ausbildung eines gegabelten Auslegers mit parallelen Armen ist in 3G gezeigt. Vorteile und Eigenschaften von verschieden profilierten Federstrukturen sind im oben erwähnten ERSTEN STAMM FALL beschrieben. Es wird offensichtlich sein, dass die gewünschte Form des Zahns 36 durch das Formgegenstück der gewünschten Federstrukturform festgelegt wird.
  • Weiterhin sollte es offensichtlich sein, dass, obwohl eine spezielle Gestaltung des Presswerkzeugs 34 in 3D gezeigt ist, das Werkzeug 34 (und daher der durch das Werkzeug hergestellte Abdruck) in verschiedenen Ausgestaltungen vorgesehen sein kann, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann das Werkzeug 34 nur einen einzelnen Prägezahn aufweisen. Alternativ kann das Werkzeug 34 eine Vielzahl von Prägezähnen 36 aufweisen, die in einem Muster angeordnet sind. In einem solchen Fall können die prägenden Zähne zur Ausbildung von Abdrücken auf einer gesamten Fläche eines Substrates oder auf einem ausgewählten Bereich einer Substratfläche positioniert werden. Bei einem Werkzeug 34 mit einer Vielzahl von Prägezähnen 36 können alle Zähne die gleiche Größe und Form haben. Alternativ können Zähne auf dem gleichen Werkzeug verschiedene, unterschiedliche Größen und Formen haben, in Abhängigkeit der Anwendungsanforderungen. Die Prägezähne 26 können in der gleichen Ebene angeordnet sein, oder in verschiedenen Ebenen angeordnet sein oder auf einer gekrümmten Fläche wie einem Zylinder angeordnet sein. Zum Beispiel kann ein zylindrisches Presswerkzeug verwendet werden, um durch das Rollen über ein Substrat Abdruckflächen auszubilden, was z.B. bei der Ausbildung von Federstrukturen auf durchgehenden Materialbahnen nützlich sein kann.
  • In vielen Fällen wird die obere Fläche des Siliziumsubstrates wesentliche Unregelmäßigkeiten (Unebenheiten) haben, die sich auf die obere Fläche einer gleichförmigen Schicht eines Opfermaterials, wie einer rotationsbeschichteten Schicht, übertragen. Die Spitzen der Federstrukturen, die durch das vorangegangene Formverfahren ausgebildet wurden, werden dementsprechend nicht im Wesentlichen in der gleichen Ebene liegen. Falls die Unregelmäßigkeiten größer als etwa 10% der Spitzenhöhe der Federstrukturen über dem Substrat sind, wird eine Anordnung von Federstrukturen auf dem Substrat für das Herbeiführen eines Kontakts mit einem anderen planaren Substrat ungeeignet sein. Auch weil die gepaarten Substrate auch unebene Flächen haben werden, ist es erwünscht, die Unebenheiten bei den Spitzen der Federstrukturen zu reduzieren, um Fehler aufgrund sich addierender Toleranzen zu vermeiden. Entsprechend sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren 400 vor zur Herstellung von Federstrukturen mit Spitzen, die relativ zu Oberflächenunregelmäßigkeiten eines Substrates im Wesentlichen in der gleichen Ebene liegen.
  • Beispielhafte Schritte des Verfahrens 400 sind in 4 gezeigt und Querschnittsansichten eines Substrates und geschichteter Materialien während der Schritte des Verfahrens sind in 5A-5G vorgesehen. Bei einem ersten Schritt 402 wird ein Substrat 42 mit einer unregelmäßigen Oberfläche 33 in einer Form 71 montiert, die eine Abdeckplatte 68, Abstandhalter 70, eine Befestigungsfläche 74 und einen Einspritzanschluss 72 aufweist. Eine Innenfläche 77 der Abdeckplatte 68 wird mit der gewünschten Toleranz eingeebnet und für das gewünschte Oberflächenfinish poliert. Das Substrat 32 wird auf der Montagefläche 74 montiert, z.B. einer Wafer-Einspannvorrichtung, so dass die obere Fläche 33 des Substrates 32 im Wesentlichen parallel zur Innenfläche 77 ist. Die Tiefe der in der Form 71 auszubildenden Opferschicht 30 wird durch die Dicke der Abstandhalter 70 kontrolliert.
  • Beim Schritt 404 wird ein formbares Material (zur Ausbildung der Opferschicht 30) durch den Anschluss 72 eingespitzt, um das Innere der Form 71 zu füllen. Das verformbare Material kann jedes geeignete verformbare Material sein, einschließlich der zuvor beschriebenen Materialien zur Ausbildung einer beschichteten Opferschicht. Beim Schritt 406 wird das Material bis zur gewünschten Härte gekühlt oder ausgehärtet. Beim Schritt 408 wird die Abdeckplatte 68 vom Substrat 32 mit der anhaftenden Schicht 30 entfernt, wie in 5C gezeigt. Nach dem Formprozess ist die obere Fläche 78 der Schicht 30 relativ zu der unregelmäßigen oberen Fläche 33 des Substrates 32 im Wesentlichen planar. Beim Schritt 410 werden profilierte Abdruckflächen in der Opferschicht 30 unter Verwendung eines Presswerkzeugs 34 ausgebildet, wie in 5D gezeigt. Einzelheiten des Schritts 410 sind im Wesentlichen die Gleichen wie beim Schritt 104 des oben beschriebenen Verfahrens 100. Alternativ können Strukturen zur Ausbildung der profilierten geformten Fläche 48 direkt in die Innenfläche 77 der Abdeckplatte 68 eingearbeitet werden und Schritt 410 kann weggelassen werden. Das Aussehen der geformten Opferschicht nach der Ausbildung der geformten Fläche 48 ist in 5E gezeigt. Die obere Fläche des Rückstands 51 auf den Basisbereichen 50 ist in einer gleichförmigen Tiefe h von der durch die Innenfläche 77 der Abdeckplatte 68 festgelegten Bezugsebene angeordnet. Die Bezugsebene selbst ist in einem Abstand d1 von der Montageebene 82 des Substrates 32 angeordnet, wobei d1 größer ist als h.
  • Beim Schritt 412 ist das Substrat bei den Basisbereichen 50 freigelegt, bevorzugt durch das Ätzen der Opferschicht 30 unter Verwendung eines wie zuvor beschriebenen anisotropischen Ätzens 76. Das Ätzen 76 wird fortgesetzt, bis alle Substratbereiche freigelegt sind, wie durch die gestrichelten Linien in 5E gezeigt. Gewöhnliche Endpunktermittlungs-Techniken können verwendet werden, um den Endpunkt des Ätzprozesses zu bestimmen. Nach dem Ätzen sind die Basisbereiche 50 auf der unregelmäßigen oberen Fläche 33 angeordnet und sind daher nicht länger in einer gleichmäßigen Tiefe von der Referenzfläche angeordnet. Jedoch ist die obere Fläche der Schicht 30 immer noch innerhalb in der im Wesentlichen gleichen Ebene in einem Abstand d2 von der Montageebene 82 des Substrates 32 angeordnet, wobei d2 kleiner als d1 ist. Eine Schicht elastischen Materials wird dann auf die Opferschicht aufgebracht und strukturiert und die Opferschicht wird von dem Substrat 32 entfernt, wie zuvor in Verbindung mit dem Verfahren 100 beschrieben. Die daraus resultierenden Federstrukturen 60 haben ihre Spitzen 80 in der im Wesentlichen gleichen Ebene angeordnet, in einem Abstand d2 von der Montageebene 82 des Substrates 32 gelegen. Der Abstand d2 ist vorzugsweise konstant, kann aber auf eine regelmäßige Weise über jeden geraden Abschnitt des Substrates (d.h. die Ebene der Federstrukturspitzen muss nicht exakt parallel zu der Montageebene des Substrates 32 sein) variieren, innerhalb von Grenzen von etwa 20% der durchschnittlichen Spitzenhöhe der Federstrukturen 60 über dem Substrat 32.
  • Ähnliche Ergebnisse können unter Verwendung eines alternativen Verfahrens 600 erhalten werden, von dem beispielhafte Schritte in 6 gezeigt sind. Beim Schritt 602 wird eine Opferschicht auf das Substrat aufgebracht, wie zuvor in Verbindung mit dem Schritt 102 des Verfahrens 100 beschrieben. Beim Schritt 604 wird eine Abdruckfläche in der Opfermaterialschicht ausgebildet, wie zuvor in Verbindung mit Schritt 104 beschrieben. Dann wird beim Schritt 606 die obere Fläche der Opfermaterialschicht eingeebnet, unter Verwendung eines in der Technik bekannten Prozesses, wie chemisch-mechanisches Polieren. Wie zuvor in Verbindung mit dem Verfahren 400 beschrieben, wird daher die obere Fläche der Opferschicht innerhalb einer Ebene aufgebracht, die im Wesentlichen parallel oder leicht geneigt ist zu der Montageebene des Substrates 32. Die übrigen Schritte des Verfahrens 600 sind im Wesentlichen die gleichen, wie zuvor in Verbindung mit den Schritten 106-112 des Verfahrens 100 beschrieben.
  • Unter bestimmten Umständen kann es vorteilhaft sein, das Ausbilden der Abdruckflächen auf einer Opferschicht mittels eines Verfahrens, das ein Presswerkzeug und zusätzliche Ausrüstung benötigt, zu vermeiden. Ein Verfahren 700 ist vorgesehen, um profilierte, geformte Flächen in einer Opferschicht ohne die Notwendigkeit eines Presswerkzeugs auszubilden. Beispielhafte Schritte des Verfahrens 700 sind in 7 gezeigt. Entsprechende Ansichten eines Substrates mit geschichteten Materialien während der Schritte des Verfahrens 700 und eine Ansicht einer beispielhaften, daraus resultierenden Federstruktur sind in 8A-8G gezeigt. Bei einem ersten Schritt 702 wird eine Schicht Opfermaterial 30 auf ein Substrat aufgebracht. Die Opferschicht 30 wird bevorzugt mit einer Schicht mit gleichförmiger Dicke aufgebracht, unter Verwendung irgendeines der zuvor beschriebenen Verfahren. Beim Schritt 704 wird die Schicht des Opfermaterials strukturiert, um eine oder mehrere Vertiefungen 86 auszubilden, wie in 8B gezeigt, wobei sich wenigstens einen Teil der Vertiefung 86 zur Fläche des Substrates 32 erstreckt. Verschiedene in der Technik bekannte Verfahren, wie Photostrukturieren, können verwendet werden, um die Vertiefung 86 auszubilden. In Draufsicht wie in 8A gezeigt hat die Vertiefung 86 die Form der auszubildenden Federstruktur, welche jede der zuvor beschriebenen Formen sein kann, oder jede andere geeignete Form. Zum Beispiel ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung die Auslegerform in Draufsicht dreieckig und die Basisfläche ist rechteckig, wie in 8A gezeigt.
  • Beim Schritt 706 sind bevorzugt die Flächen der Vertiefung 86 und insbesondere die Seitenwände behandelt, um ihre Benetzungseigenschaften wie gewünscht zu verändern. Die Benetzungseigenschaften können durch verschiedene, in der Technik bekannte Techniken verändert werden, wie durch Silanisierung. Als weiteres Beispiel kann das Aussetzen mit Plasmen aus Sauerstoff, Stickstoff/Wasserstoff und anderen Gasen die Oberflächenbenetzungseigenschaften verändern. Des Weiteren wird eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit im Allgemeinen die Benetzbarkeit der Fläche erhöhen. Die Seitenwände der Vertiefung 86 werden behandelt, um die Oberflächenenergie zu verändern, welche die Benetzbarkeit relativ zum gewählten Benetzungsfluid bestimmt. Falls ein konkaver Meniskus gewünscht ist, wird die Oberflächenenergie der Seitenwände derart verringert (falls nötig), dass das ausgewählte Benetzungsfluid an den Seitenwänden haftet und einen konkaven Meniskus in der Vertiefung 86 ausbildet. Umgekehrt, falls ein konvexer Meniskus gewünscht ist, werden die Seitenwände behandelt, um die Benetzungsflüssigkeit abzustoßen, was bewirkt, dass die Flüssigkeit einen Tropfen mit einem konvexen Meniskus bildet. Bei der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden das Opfermaterial, die Benetzungsflüssigkeit und die Vertiefungsform derart ausgewählt, dass keine Oberflächenbehandlung der Vertiefung 86 benötigt wird, um die gewünschte Meniskusform zu erreichen. Im Allgemeinen wird es bevorzugt, dass die Fläche der Vertiefung leicht benetzt wird, um Schwierigkeiten beim Füllen von mehreren Vertiefungen mit einer gleichmäßigen Menge an Flüssigkeit zu vermeiden.
  • Beim Schritt 708 wird die Vertiefung 86 teilweise mit einem geeigneten Benetzungsfluid 84 gefüllt. Eine geeignetes Fluid ist eines mit einer ausreichend geringen Viskosität und Oberflächenspannung, um die Vertiefung 86 zu benetzen, welches verfestigt werden kann ohne ein erhebliches Schrumpfen oder ein anderweitiges Verzerren der gewünschten Meniskusform, und welches später von dem Substrat 32 entfernt werden kann, aufgelöst zusammen mit Schicht 30. Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Fluid 84 ein photostrukturierbares Material, wie ein Photolack (z.B. SU8-25 oder SU-8-2). Mehrere Verfahren können verwendet werden, um ein spezifisches Volumen des Fluids 84 in die Vertiefung 86 zu bekommen. Im Allgemeinen sind die Vertiefungen 86 klein, z.B. etwa 250 Mikrometer breit, 250 Mikrometer tief und 1000 Mikrometer lang. Das Volumen einer "Manhattan" (rechteckigen) Vertiefung mit diesen Abmessungen ist 62,5 Nanoliter, und spezielle Techniken müssen verwendet werden, um ein festgelegtes Flüssigkeitsvolumen genau einzubringen, welches Vorzugsweise geringer als das Volumen der Vertiefung ist. Bei einer Ausgestaltung wird ein Substrat mit Vertiefungen 86 mit einem Volumen, das kleiner als etwa 100 Nanoliter ist, mit einem Fluid 84 rotationsbeschichtet. Der Rotationsbeschichtungsprozess hinterlässt eine kleine Menge des Fluids 84 in jeder Vertiefung, dessen Volumen abhängig ist von der Fluidviskosität, den Oberflächenbenetzungseigenschaften des Fluid 84 und der Vertiefung 86, der Form der Vertiefung 86 und den Rotationsprozessparametern, wie die Rotationsgeschwindigkeit und Beschleunigung, und dem radialen Abstand von der Rotationsachse. Das Fluid 84 kann durch das Richten (wie beim Sprayen) eines Fluidnebels auf ein rotierendes Substrat oder durch Tauchen appliziert werden. Ein Teil des Fluids 84 wird auch durch den Rotationsbeschichtungsprozess aus der Vertiefung 86 entfernt, so dass das Fluid 84 nur teilweise die Vertiefung 86 füllt, wie im Querschnitt in 8C gezeigt.
  • Die relativen Oberflächenenergien des Fluids 84 und der Seitenwände der Vertiefung 86 sind derart, dass das Fluid 84 einen Meniskus mit einer ersten profilierten Form 88 in der Längsrichtung der Vertiefung 86 hat, wie in 8C gezeigt, und eine zweite profilierte Form 89 in Richtung der Breite hat, wie in 8D gezeigt. Wenn die Vertiefung 86 enger ist, wie in Richtung des Punkts des in 8A gezeigten Dreiecks, verursacht die Oberflächenspannung des Fluids 84 bevorzugt einen Anstieg der Fläche 88, wie in 8C gezeigt. Über die Breite der Vertiefung 86 zieht die Oberflächenspannung die Fläche 89 in eine konkave U-Form.
  • Nachdem das Fluid 84 teilweise die Vertiefung 89 füllt, wird beim Schritt 710 das Fluid verfestigt, z.B. durch das Aushärten mit einem chemischen Katalysator oder UV-Licht, durch Erhitzen, um Lösungsmittel auszutreiben, oder durch das Abkühlen unterhalb seines Schmelzpunktes. Das verfestigte Fluid 92 kann dann weiter strukturiert werden, um eine Form für die Federstruktur festzulegen. Zum Beispiel kann, wie in 8E gezeigt, ein Teil des verfestigten Fluids 92 aus einem Basisbereich 50 entfernt werden, indem das verfestigte Fluid 92 einem anisotropischen Ätzen 76 durch eine Maske 90 ausgesetzt wird. Das verbleibende, verfestigte Fluid 92 legt eine profilierte Abdruckfläche 48 und einen freigelegten Basisbereich 50 fest, wie in 8F gezeigt, auf welchen ein geeignetes elastisches Material aufgebracht werden kann, gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren 100 oder einem anderen geeigneten Verfahren. Die sich ergebende Federstruktur hat einen Ausleger mit einem über seiner Breite U-förmigen Profil, wie in 8G gezeigt.
  • Jedes der vorangegangenen Herstellungsverfahren kann verwendet werden, um eine Federstruktur mit einer festgelegten, profilierten Form festzulegen. Im Allgemeinen ist einer der Vorteile des Profilierens des Auslegers einer Federstruktur, dass ein Profil verwendet werden kann, um die Dicke des Materials zu reduzieren, die benötigt wird, um einen Ausleger mit einer ausreichenden Festigkeit für die Verwendung als mikroelektronischer Federkontakt zu erhalten. Entsprechend können alternative Aufbringtechniken wie Abscheiden aus der Dampfphase ("PVD") oder die Gasphasenabscheidung ("CVD") verwendet werden, um das elastische Federmaterial auf der geformten Fläche aufzubringen. Zum Beispiel sind PVD und CVD zum Aufbringen von Schichten mit mehr als 5 Mikrometern, was ein geeigneter Dickenbereich für profilierte Federn ist, im Allgemeinen weniger geeignet als Galvanisieren. Entsprechend sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren 900 zur Ausbildung einer mikroelektronischen Federstruktur unter Verwendung einer alternativen Materialaufbring-Technik vor, wie in 9 gezeigt. Ansichten eines Substrates und darauf geschichteter Materialien während beispielhafter Schritte des Verfahrens 900 sind in 10A-10D gezeigt.
  • Schritte 902 und 904 des Verfahrens 900 zum Aufbringen einer Opferschicht 30 auf dem Substrat 32 und zur Ausbildung der Abdruckflächen sind im Wesentlichen die gleichen, wie die entsprechenden Schritte 102 und 104 des zuvor beschriebenen Verfahrens 100. Andere Verfahren, wie das hierin auch beschriebene Verfahren 400, können auch verwendet werden, um eine Formfläche in dem Opfermaterial auszubilden. Beim Schritt 906 wird die Fläche der Opferschicht 30 beschichtet mit einer Schicht eines elastischen Materials 58 unter Verwendung eines Prozesses wie CVD oder PVD bis zu einer gleichförmigen Dicke von zumindest etwa 1 Mikrometer und bevorzugt etwa 5 Mikrometern. Um eine Dicke größer als etwa 5 Mikrometer zu erreichen, ist es bevorzugt, das elastische Material 58 durch Galvanisieren aufzubringen, nachdem zuerst eine Keimschicht aufgebracht wird, wie in Verbindung mit Verfahren 100 beschrieben. Ein Querschnitt des Substrats nach dem Prozess des Aufbringens ist in 10A gezeigt. Beim Schritt 908 wird eine strukturierte Schicht eines Maskenmaterials, wie eine Photolackschicht 54, angewendet, um das elastische Material in Bereichen abzudecken, in denen Federstrukturen ausgebildet werden sollen, wie in 10B gezeigt. Beim Schritt 901 wird das überschüssige (unmaskierte) elastische Material unter Verwendung eines wie zuvor beschriebenen Ätzprozesses entfernt, was die in 10C gezeigten geschichteten Materialien ergibt. Beim Schritt 912 werden die Opferschicht 30 und die Maskenschicht 54 in einem geeignetem Lösungsmittel entfernt, was die Federstruktur 60, die aus dem elastischen Material 58 besteht, an dem Substrat 32 haftend hinterlässt. Die Federstruktur 60 wird dann typischerweise nachbehandelt, z.B. durch das Beschichten mit Gold und/oder durch das Befestigen einer separaten Spitzenstruktur (nicht gezeigt), wie weiter hierin und in Bezug auf die hierin genannten parallelen Anmeldungen beschrieben.
  • Die benötigten Schritte, um die Schichten des elastischen Materials und/oder die Keimschichten zu strukturieren, können verringert oder beseitigt werden durch das Vorsehen von wenigstens einem Bereich der Abdruckflächen und der Basisbereiche mit einer überhängenden Lippe. Solche Techniken können im Allgemeinen auf die zuvor beschriebenen Verfahren angewendet werden, um Herstellungskosten zu verringern. Eine überhängende Lippe kann durch die Verwendung eines Formzahns in einer geeigneten Form vorgesehen werden, wie der einspringende Zahn 98, der am Werkzeug 34 vorgesehen und in 11A gezeigt ist. Wenn der einspringende Zahn 98 in eine Schicht des Opfermaterials eingepresst wird, ist die dadurch ausgebildete Vertiefung mit einer überhängenden Lippe 96 versehen. Es sollte offensichtlich sein, dass es zur Entfernung des Zahns 98 von der Schicht 30 nachdem er ohne Beschädigung der Lippe 96 darin ganz hineingepresst ist hilfreich ist, wenn die Opfermaterialschicht 30 ein visko-elastisches Material ist. Ein visko-elastisches Material wird sich ausreichend verformen, um eine Entfernung des Zahns 98 ohne Beschädigung der Lippe 96 zu erlauben, aber es wird seine Form wiedererlangen nachdem der Zahn entfernt ist. Ähnliche Vorteile können erzielt werden, wenn die Schicht 30 aus einem weichen, elastischen Material ausgebildet ist, das nicht an dem Werkzeug 34 anhaftet. Im Allgemeinen sollte die Schicht 30 ein festes Material mit einem niedrigen Schermodul aufweisen, d.h. ein Gel. Das Gel kann eine viskose Komponente haben, die es viskoelastisch macht, oder es kann rein elastisch sein, z.B. ein weich-elastisches Material.
  • Als Alternative zur Verwendung eines einspringenden Zahns können stufenweise Presswerkzeuge zur Ausbildung einer überhängenden Lippe verwendet werden. 12A zeigt ein beispielhaftes stufenweises Presswerkzeug mit einem primären Zahn 36 und einem sekundären Zahn 37. Der primäre Zahn 36 ist wie zuvor beschrieben geformt. Der sekundäre Zahn 37 ist als relativ flacher Ring geformt, der teilweise oder voll den Umfang der durch den Zahn 36 ausgebildeten Vertiefung umschließt. Eine Querschnittsansicht des primären Zahns 36 und ein repräsentativer Bereich des sekundären Zahns 37 sind in 12B gezeigt. Die primären und sekundären Zähne sind ausgestaltet, um aufeinanderfolgend in das Substrat 30 gepresst zu werden, indem zuerst der primäre Zahn 36 eingepresst wird, das Werkzeug 34 vom Opfermaterial 30 angehoben wird, das Presswerkzeug 34 verschoben wird, so dass der sekundäre Zahn 37 über der von dem primären Zahn ausgebildeten Vertiefung positioniert ist, und das Werkzeugs zum zweiten Mal eingepresst wird. Alternativ können die primären und sekundäre Zähne auf separaten Presswerkzeugen vorgesehen sein (nicht gezeigt), welche dann aufeinanderfolgend auf die Opferschicht 30 angewendet werden. Es sollte offensichtlich sein, dass das stufenweise Pressen nicht auf die Verwendung von zwei stufenweisen Werkzeugen begrenzt ist und jede Anzahl von aufeinanderfolgenden Einpresswerkzeugen verwendet werden kann, ohne sich vom Geltungsbereich der Erfindung zu entfernen.
  • Die sich ergebenden Eindrücke, die durch das aufeinanderfolgende Eindrücken der primären und sekundären Zähne ausgebildet werden, sind in 12C-12F gezeigt. 12C zeigt einen Querschnittsbereich einer beispielhaften Schicht eines Opfermaterials 30 nachdem sie mit dem primären Zahn 36 eingedrückt wurde. 12D zeigt die gleiche beispielhafte Materialschicht 30 nachdem das schrittweise Presswerkzeug 34 um eine Strecke verschoben und wieder in das Material eingepresst wurde, wobei eine überhängende Lippe 96 um den Umfang der Formfläche 48 und des Basisbereichs 50 ausbildet wird. Die Abfolge kann wiederholt werden, um die nächste Vertiefung, die durch den primären Zahn 36 ausgebildet wurde, mit einer überhängenden Lippe vorzusehen usw., während das Werkzeug 34 über die Fläche der Materialschicht 30 fortschreitet. Eine Draufsicht einer beispielhaften dreieckigen/rechteckigen Vertiefung 86 mit einer überhängenden Lippe ist in 12E gezeigt und eine ähnliche rechteckige Vertiefung 86 ist in 12F gezeigt.
  • Eine voll umschließende, überhängende Lippe, wie in 12E und 12F gezeigt, kann verwendet werden, um eine Schicht eines elastischen Materials gemäß dem in 13 gezeigten Verfahren 1300 zu strukturieren. Querschnittsansichten des Substrates und der geschichteten Materialien während der Schritte des Verfahrens 1300 sind in den 14A bis 14C gezeigt. Bei einem ersten Schritt 1302 wird eine Schicht eines leitenden Materials 53 gemäß den in der Technik bekannten Verfahren auf ein Substrat 32 aufgebracht, um als Kurzschlussschicht zu dienen. Die leitende Schicht 53 kann eine Titan-Wolfram (Ti-W) Legierung, eine Chrom-Gold (Cr-Au) Doppelschicht oder jede andere angemessene leitende Präkursorschicht sein, die typischerweise durch Sputtern bis zu einer Dicke zwischen etwa 300 und 10.000 Å aufgebracht wird. Die Kurzschlusssicht 53 passt sich im Wesentlichen an das Substrat an und bedeckt angrenzend die Fläche des Substrates 32 und jede Kontaktfläche oder andere Strukturen, die auf dem Substrat vorhanden sein können. Alternativ (aber weniger bevorzugt für die Zwecke des Verfahrens 1300) kann die Kurzschlussschicht 53 in einem Muster aus mehreren, nicht-aneinandergrenzenden Bereichen aufgebracht werden. Die Strukturierung der Kurzschlussschicht 53 dient im Allgemeinen für den Zweck des Festlegen einer Umverteilungsschicht zwischen den Kontaktflächen auf dem Substrat 32 und den auszubildenden Federstrukturen.
  • Beim Schritt 1304 wird die Opfermaterialschicht 30 gemäß einem zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Beim Schritt 1306 wird eine Abdruckfläche 48 mit einer überhängenden Lippe 96 in der Schicht des Opfermaterials ausgebildet, bevorzugt unter Verwendung eines wie zuvor beschriebenen einspringenden Zahns oder eines stufenweisen Presswerkzeugs. Beim Schritt 1308 wird eine Keimschicht 52 und 55 auf der Fläche der Opferschicht aufgebracht unter Verwendung eines Prozesses wie Sputtern (insbesondere ionisierte physikalische Dampfabscheidung (I-PVD)) oder einem ähnlichen gerichteten Abscheidungsprozess. Es ist offensichtlich, dass die überhängende Lippe 96 den Umfang der Formfläche gegen das Aufbringen der Keimschicht schützt, woraus sich ein erster Bereich 52 der Keimschicht, der auf der Formfläche 48 und dem Basisbereich in der Vertiefung 86 aufgebracht ist, und ein zweiter Bereich 55 der Keimschicht auf dem umgebenden Bereich der Opfermaterialschicht ergibt, wie in 14A gezeigt. Es ist weiterhin offensichtlich, dass, solange die überhängende Lippe 96 die Vertiefung 86 voll umschließt, der erste Bereich 52 der Keimschicht mit der Kurzschlussschicht 53 verbunden ist und der zweite Bereich 55 von der Kurzschlussschicht 53 und vom ersten Bereich 52 isoliert ist.
  • Beim Schritt 1310 wird dann das Substrat unter Verwendung der Kurzschlussschicht 53 mit einem elastischen Material galvanisiert, um ein Galvanisierungspotential auf den ersten Bereich 52 anzuwenden. Das elastische Material wird daher selektiv auf den ersten Bereich 52 der Keimschicht aufgebracht und bedeckt nicht den zweiten Bereich 55. Beim Schritt 1312 wird dann die Opfermaterialschicht und der zweite Bereich 55 der Keimschicht, wie zuvor beschrieben, durch Auflösen des Opfermaterials in einem geeigneten Lösungsmittel entfernt. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass sogar falls das elastische Material 58 zufällig auf den zweiten Bereich 55 geschichtet wird, dieses unerwünschte Beschichtungsmaterial später leicht wieder entfernt werden kann, ohne die gewünschten Federstrukturen zu beeinträchtigen, solange es nicht durchgängig zu dem auf den ersten Bereich 52 abgeschiedenen, elastischen Material 58 ist. In beiden Fällen ergibt sich aus der Anwendung des Verfahrens 1300 eine separate freistehende Federstruktur, von der eine beispielhafte in 14D gezeigt ist, ohne die Notwendigkeit irgendeines separaten Strukturierungsschritts.
  • Ein ähnlicher Prozess kann verwendet werden, indem eine teilweise umschließenden überhängenden Lippe verwendet wird, gemäß des in 15 gezeigten Verfahrens 1500. Für das Verfahren 1500 wird keine Kurzschlussschicht benötigt, jedoch wird ein zusätzlicher Schritt benötigt, um das elastische Material der Federstrukturen vom umgebenden Material zu trennen. Eine Draufsicht des Substrates während eines Schrittes des Verfahrens ist in 16A gezeigt und Querschnittsansichten des Substrates und der darauf geschichteten Materialien sind in 16B-16D während der Schritte des Verfahrens gezeigt. Beim Schritt 1502 wird eine Schicht eines Opfermaterials gemäß einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Beim Schritt 1504 wird eine wie oben beschriebene Abdruckfläche ausgebildet, mit der Ausnahme, dass die überhängende Lippe 96 die Abdruckfläche innerhalb der Vertiefung 86 nicht komplett umschließt. Wie in 16A gezeigt, ist die überhängende Lippe 96 ausgebildet, um die Vertiefung 86 auf drei Seiten zu umschließen, und auf der Seite, die neben der Oberseite der Opferschicht liegt und die Spitze der Federstruktur ausgebildet wird, ist keine Lippe ausgebildet. Beim Schritt 1506 ist eine Keimschicht 52 auf der Fläche der Opferschicht 30 unter Verwendung eines wie zuvor beschriebenen gerichteten Verfahrens aufgebracht. Da die Vertiefung 86 nicht komplett durch die überhängende Lippe umschlossen ist, ist die Keimschicht 52 mit der ansonsten überall auf der Fläche der Schicht 30 aufgebrachten Keimschicht elektrisch verbunden, wie in 16A gezeigt. Die Keimschicht 52 kann daher zur Galvanisierung des elastischen Materials 58 verwendet werden, und es wird keine Kurzschlussschicht für diesen Zweck benötigt (obwohl für andere Zwecke eine optional vorhanden sein kann).
  • Das Aussehen des Substrates nach dem Aufbringen der elastischen Materialschicht ist in 16B gezeigt. Wie auch aus 16A klar wird, wird die Schicht des elastischen Materials 58 auf allen Seiten der Vertiefung 86 geteilt sein, an denen keine Keimschicht aufgebracht war, ausgenommen in der Nähe der Oberfläche der Schicht 30, wo sie mit einer allgemeiner ausgebreiteten Schicht verbunden ist. Es ist daher nötig, das überschüssige elastische Material zu entfernen, was in Schritt 1510 gemacht wird, mittels irgendeines geeigneten Präzisionsbearbeitungsverfahrens, wie durch chemisch/mechanisches Polieren. Zur gleichen Zeit wird die Oberfläche der Schicht 30 bevorzugt geebnet, so dass die Spitzen der Federstrukturen aus den zuvor diskutierten Gründen in der gleichen Ebene angeordnet sind. Ein Querschnitt des Substrats nach dem Schritt 1510 ist in 16C gezeigt. Im nächsten Schritt wird der übriggebliebene Teil der Opferschicht 30 unter Verwendung irgendeines hierin beschriebenen Verfahrens entfernt, um die freistehende Federstruktur 60 zurückzulassen, wie in 16D gezeigt.
  • In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine Vielzahl von mikroelektronischen Federkontakten durch die wiederholte Verwendung eines einzelnen Formzahns (oder einer relativ kleinen Gruppe von Zähnen) auszubilden, anstelle der Verwendung eines Press- oder Formwerkzeuges mit einer Vielzahl von Zähnen, die einen relativ großen Bereich bedecken, wie den Bereich eines Plättchens oder Wafers. Die vorliegende Erfindung sieht ein "Eins-vor"-Verfahren 1700 vor, von dem für solche Fälle beispielhafte Schritte in 17 gezeigt sind. Zum Beispiel kann das Verfahren 1700 vorteilhaft für kleine Produktionsabläufe sein oder Abläufe, die ein atypisches "Kundenspezifisches" Positionieren der Federstrukturen einschließen, da es die Notwendigkeit eines komplexen Presswerkzeugs mit vielen Zähnen vermeidet. 18A-18E zeigen Querschnittansichten eines Substrates und geschichteter Materialien während der Schritte des Verfahrens 1700. 18F zeigt eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Formfläche 48, die unter Verwendung des Verfahrens 1700 ausgebildet werden kann, zum Formen von Federstrukturen oder zur Verwendung als Presswerkzeug mit vielen Zähnen. Bei einem ersten Schritt 1702 wird eine Schicht Opfermaterial 30 auf das Substrat 32 aufgebracht. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schicht 30 ein Material, das durch eine Strahlen-Belichtung, wie dem Belichten mit UV-Licht oder mittels eines Elektronenstrahls, ausgehärtet (gehärtet) werden kann. 18A zeigt die Opferschicht nach dem Aufbringen während des Schrittes 1702. Es ist auch ein beispielhaftes Einzelzahn-Presswerkzeug 34 mit einem Zahn 36 gezeigt. Der Zahn 36 ist wie zuvor beschrieben; jedoch ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung der Zahn 36 zusätzlich mit einem strahlungstransparenten Bereich 39 und einem undurchsichtigen Bereich 41 versehen.
  • Eine Prozessschleife wird dann ausgeführt, die die Schritte 1704 bis 1708 aufweist. Bei einem ersten Zyklus der Schleife wird beim Schritt 1704 eine einzelne profilierte Abdruckfläche unter Verwendung des Zahns 36 ausgebildet. 18B zeigt das Substrat 32, die Schicht 30 und den Zahn 36 während des Schrittes 1704, bei dem der Zahn 36 voll in das Substrat 30 eingedrückt ist. Auf jeder Seite des Zahns 36 wird ein Grat 49 offensichtlich. Beim Schritt 1706, während der Zahn 36 positioniert ist, wird die Abdruckfläche 48, welche unter dem transparenten Bereich 39 des Zahns 36 liegt, vorzugsweise selektiv ausgehärtet. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird UV-Licht durch den Zahn 36 gestrahlt, um den Bereich 31 zu härten. Der undurchsichtige Bereich 41 verhindert vorzugsweise, dass die Opferschicht 30 im Bereich der Basis ausgehärtet wird, so dass das Substrat dort leichter einer Schicht des elastischen Materials ausgesetzt werden kann. Die Schritte 1704 und 1706 werden wiederholt, bis die gewünschte Anzahl der Abdruckflächen 48 festgelegt wurde, wie durch den Entscheidungsschritt 1708 angezeigt. Das Aussehen des Substrats während eines zweiten Zyklus der Prozessschleife ist in 18C gezeigt und das Aussehen des Substrats nach dem zweiten Zyklus ist in 18D gezeigt. Zwei gehärtete Bereiche 31, umgeben von ungehärteten Bereichen des Grates 49, sind gezeigt. Diese ungehärteten Bereiche werden beim Schritt 1710 durch das Lösen in einem geeigneten Lösungsmittel leicht entfernt, wobei sie nur die Abdruckflächen 48, die die ausgehärteten Bereiche 31 aufweisen, hinterlassen. Die Abdruckflächen können verwendet werden, um wie zuvor beschriebene Federstrukturen herzustellen. Alternativ können die Abdruckflächen 48 als Zähne eines Presswerkzeugs verwendet werden. Es sollte offensichtlich sein, dass Pressverfahren, die einen transparenten Zahn verwenden, wie beim Verfahren 1700, leicht an Verfahren angepasst werden können, die Werkzeuge mit einer Vielzahl von transparenten Zähnen verwenden, die durch undurchsichtige Bereiche getrennt sind, welche z.B. verwendet werden können, um eine Vielzahl von parallelen Federstrukturen in Einzelplättchen-, Mehrplättchen- und Wafer-Größenordnungen auszubilden.
  • Ein ähnliches "Eins-vor"-Verfahren kann verwendet werden, um Abdruckflächen für Federkontakte unter Verwendung von Tauch-EDM auszubilden. Gemäß einem Tauch-EDM Verfahren ist ein geeignetes Tauch-EDM Werkzeug geformt wie der oben in Bezug auf das Verfahren 1700 diskutierte transparente Presszahn 36 und ersetzt diesen. Anstatt ein verformbares Substrat einzuprägen, wird das Tauch-EDM Werkzeug verwendet, um Abdruckflächen in einem im Wesentlichen nicht verformbaren, elektrisch leitfähigen Substrat auszubilden. Kandidaten für Abdruckflächen umfassen Metalle und Polymere, die mit leitenden Partikeln oder Fasern gefüllt sind. Die so ausgebildete Fläche kann als Form zur Ausbildung von Federkontakten verwendet werden oder als Mehrfachzahn-Ausbildungswerkzeug, abhängig von den Eigenschaften des leitenden Substrates und dem gewünschten Ziel.
  • Bei noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Federstruktur auf einem geformten Substrat unter Verwendung der Eigenschaften einer gerichteten Materialabscheidungstechnik wie Sputtern oder Aufdampfen ausgebildet, um so bestimmte Prozessschritte zu beseitigen. Beispielhafte Schritte eines Verfahrens 1900, das eine gerichtete Abscheidungstechnik benutzt, sind in 19 gezeigt. Beispielhafte Ansichten eines Substrats und von geschichteten Materialien während des Verfahrens 1900 sind in 20A-20E gezeigt. Beim Schritt 1902 ist ein Substrat 32 vorgesehen, das typischerweise wenigstens eine freigelegte Kontaktfläche 46 hat. Beim Schritt 1904 ist die dielektrische Schicht 43 optional aufgebracht und strukturiert, wie in der Technik bekannt. Bei dem optionalen Schritt 1906 wird eine Kurzschluss- oder Adhäsionsschicht 53, wie eine Schicht aus Titan, Titan-Wolfram oder Chrom, auf der Schicht 43 und der Kontaktfläche 46 aufgebracht, wie in der Technik bekannt. Der Zweck der Schicht 53 ist es, den nachfolgenden optionalen Beschichtungsschritt 1916 zu erleichtern. Falls Schritt 1916 weggelassen werden soll, wird der Schritt 1906 bevorzugt ebenfalls weggelassen. Beim Schritt 1908 wird eine Opferschicht eines verformbaren Materials 30 auf das Substrat 32 aufgebracht und geformt, wie durch das Einprägen mit einem Presswerkzeug, um eine Form für eine mikroelektronische Feder vorzusehen. Jedes hierin beschriebene geeignete, verformbare Material kann verwendet werden. Beim Schritt 1910 wird jeder Rückstand des verformbaren Materials 30, das die Kontaktfläche 46 bedeckt, entfernt, wie z.B. durch die Verwendung eines geeigneten anisotropen Ätzprozesses. Eine Schicht eines metallischen Materials 52 wird dann auf die verformbare Schicht 32 unter Verwendung eines gerichteten Prozesses wie Sputtern oder Aufdampfen beim Schritt 1912 aufgebracht.
  • Beispielhafte Ansichten eines Substrates und geschichteter Materialien nach der Vervollständigung des Schrittes 1912 sind in 20A und 20B gezeigt. Eine Vertiefung 86 mit vertikalen oder relativ steilen Seitenwänden 87 wurde in Schicht 30 vorgesehen, wie z.B. durch ein Presswerkzeug mit einem geeignet geformten einprägenden Zahn. Für den Zweck des Verfahrens 1900 bedeutet "steil" weniger als etwa 45° zur Vertikalen und bevorzugt weniger als etwa 30° zu der Vertikalen geneigt (positiv oder negativ). Besonders bevorzugt sind die Seitenwände 87 zwischen etwa 0° bis 5° zur Vertikalen geneigt. Eine Bodenfläche der Vertiefung 86 weist eine Abdruckfläche 48 zum Festlegen der Form einer mikroelektronischen Federstruktur auf. Die Abdruckfläche 48 ist von der Oberseite 57 der formbaren Schicht 30 durch die Seitenwände 87, welche bevorzugt den gesamten Umfang der Vertiefung 86 umgeben, isoliert und trennt dabei die Abdruckfläche 48 von der oberen Fläche 57 der Schicht 30. Wie in 20C gezeigt, ist wegen der Eigenschaften des gerichteten Aufbringens die Dicke "t1" der Schicht 52 auf der Formfläche 48 der Schicht 30 wesentlich größer als die Dicke "t2" auf den Seitenwänden 87. Falls insbesondere die Seitenwände 87 im Wesentlichen vertikal sind oder über die Abdruckfläche 48 überhängen (d.h., sie sind in Bezug auf die Richtung des Aufbringen des gerichteten Aufbringverfahrens so geneigt, dass sie keine Stirnfläche zur Abscheidung von Material darauf anbieten), wird kein Material auf die Seitenwände aufgebracht. Obwohl die obere Fläche 57 der Schicht 30 als im Wesentlichen horizontal und eben gezeigt wird, ist die Form und Neigung der Fläche 57 nicht kritisch und kann eine Vielzahl von verschiedenen Formen haben, solange die Seitenwände 87 vorhanden sind und so geneigt sind, dass die Fläche 57 von der geformten Fläche 48 isoliert ist.
  • Beim Schritt 1914, falls auf den Seitenwänden 87 vorhanden, wird die Schicht 52 isotrop geätzt, um die ganze an den Seitenwänden 87 anhaftende Schicht 52 zu entfernen, während sie auf der Formfläche 48 und der oberen Fläche 57 im Wesentlichen intakt bleibt. Das bedeutet, der Ätzschritt 1914 wird bevorzugt angehalten, sobald die Seitenwände 87 frei von aufgebrachtem metallischen Material sind, wobei zu diesem Zeitpunkt die Schicht 52 auf der Abdruckfläche 48 vorzugsweise eine gewünschte Dicke hat. Nach dem Schritt 1914 wird die Schicht 52 auf der Abdruckfläche 48 mit der Kurzschlussschicht 53 elektrisch verbunden bleiben. Ein isolierter Bereich 55 der Schicht 52 auf der oberen Fläche 57 der Schicht 30 wird physikalisch von der Schicht 52 auf der Abdruckfläche 48 isoliert, und vorzugsweise auch elektrisch isoliert von der Kurzschlussschicht 53. Die Schicht 52 wird dann strukturiert, um eine Federstruktur festzulegen, indem die Abdruckfläche 48 von der oberen Fläche 57 durch die Seitenwände 87 getrennt wird und das metallische (oder elastische) Material von den Seitenwänden entfernt wird. Es sollte offensichtlich sein, dass, falls keine metallische Schicht 52 auf den Seitenwänden 87 nach dem Abscheidungsschritt 1912 vorliegt (falls z.B. die Seitenwände 87 vertikal oder überhängend sind), der Schritt 1914 unnötig sein wird und weggelassen werden kann.
  • Bei dem optionalen Schritt 1916 wird eine Schicht eines elastischen Materials 58 auf den Bereich der Schicht 52 auf der Abdruckfläche 48 aufgalvanisiert. Bevorzugt wird kein zusätzliches Material auf den isolierten Bereich 55 aufgebracht, weil er bevorzugt nicht mit der Kurzschlussschicht 53 verbunden ist, durch welche der Galvanisierungsstrom fließt. Eine Ansicht des Substrats und der geschichteten Materialien nach der Vervollständigung des Schritts 1916 ist in 20D gezeigt. Es wird bemerkt, dass die elastische Schicht 58 nicht den isolierten Bereich 55 berührt. Daher wird der isolierte Bereich 55 und die verformbare Opferschicht 30 leicht beim Schritt 1918 entfernt, wie durch die Auflösung in einem Ätzmittel, ohne das auf der Abdruckfläche 48 aufgebrachte elastische Material 58 zu verletzen. Es sollte weiterhin offensichtlich sein, dass, falls die metallische Schicht 52 ausreichend dick ist, um die gewünschte Stärke und Steifheit vorzusehen, der Beschichtungsschritt 1916 weggelassen werden kann. Insbesondere, wenn die Federstruktur mit versteifenden Strukturen versehen ist, wie z.B. ein profilierter oder gerippter Auslegerbereich, ist es weniger wahrscheinlich, dass die aufgalvanisierte Schicht 58 (welche verwendet werden kann, um Stärke und Steifheit vorzusehen) nötigt ist. 20E zeigt eine Querschnittsansicht der sich ergebenden Federstruktur 60 nach der Entfernung der verformbaren Opferschicht 30 beim Schritt 1918. Der isolierte Bereich 55 und die freigelegten Bereiche der Kurzschlussschicht 53 werden ebenfalls beim Schritt 1918 entfernt. Eine Vielzahl von mikroelektronischen Federstrukturen, wie die Struktur 60, können daher parallel unter Verwendung des Verfahrens 1900 ausgebildet werden, ohne die Notwendigkeit irgendeines Struktur-Maskierungsschrittes.
  • Andere Strukturen können auf der Fläche eines Substrats zur gleichen Zeit und unter Verwendung der gleichen Prozesse wie bei der Ausbildung einer mikroelektronischen Feder ausgebildet werden. Insbesondere können Umverteilungsbahnen, Brücken und Kontakte mit einer Federstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden. 21A-21D zeigen ein Substrat und geschichtete Materialien während beispielhafter Schritte eines Verfahrens zur Ausbildung einer Umverteilungsbahn 45 und von Brücken 59 mit einer Federstruktur 60. Obwohl das Verfahren 1900 für diesen Zweck angepasst ist, um eine Anwendung davon darzustellen, bei der die Galvanisierungsschritte weggelassen ist, kann jedes andere hierin beschriebene, geeignete Verfahren auch verwendet werden, um Strukturen parallel zu einer Federstruktur auszubilden. 21A zeigt ein Substrat mit einer Kontaktfläche, einer dielektrischen Schicht und einer verformbaren Schicht 30, wie oben in Verbindung mit dem Verfahren 1900 beschrieben. Nach der Vorbereitung einer verformbaren Schicht 30 wird ein Presswerkzeug 34 verwendet, um eine Abdruckfläche 48, einen Bahnfestlegenden Bereich 63 zum Ausbilden einer Umverteilungsbahn und Erhebungen 61 festzulegen.
  • 21B zeigt das Substrat mit dem Presswerkzeug 34, das voll in die verformbare Schicht 30 eingepresst ist. Erhebungen 61 können jede geeignete Form haben und haben eine geringere Höhe als die Spitzenhöhe der auszubildenden Federstruktur. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung haben die Erhebungen 61 eine Höhe und Form, die geeignet ist für eine Verwendung als Stopp-Strukturen, d.h. Strukturen die geeignet sind eine Über-Komprimierung ihrer begleitenden Federstrukturen zu verhindern. Zum Beispiel schließen geeignete Formen diese mit gebogenen, halbkreisförmigen, dreieckigen oder rechteckigen Querschnitten ein, mit einer Höhe über dem Substrat, die ausreichend ist, um ein übermäßiges Zusammendrücken der Federstruktur zu verhindern. Die Erhebungen 61 können so ausgebildet werden, dass sie mit dem Bahnfestlegenden Bereich 63 verbunden sind oder von ihm isoliert sind.
  • Typischerweise ist ein Rückstand 51 auf dem Substrat 32 vorhanden nachdem das Werkzeug 34 entfernt wurde. Ein solcher Rückstand wird entfernt, um die Kontaktfläche 46 und die dielektrische Schicht 43 am Boden der Vertiefung 86 im Bereich der Umverteilungsbahn und der Basis für die Federstruktur freizulegen. Durch eine geeignete Ausgestaltung des Werkzeugs 34 ist die Vertiefung 86 durch steile Seitenwände 87 umgeben, welche die Abdruckfläche 48 und den Boden der Vertiefung 86 von der oberen Fläche 57 der verformbaren Schicht 30 trennen, wie zuvor hierin beschrieben. Eine Schicht eines elastischen Materials wird Allgemein auf das Substrat aufgebracht, einschließlich auf dem Boden der Vertiefung 86 und auf der Abdruckfläche 48, unter Verwendung einer gerichteten Aufbringtechnik. 21C zeigt das geformte elastische Material 52 nach dem Aufbringen der elastischen Schicht 58. Bei diesem Beispiel ist die Schicht 58 ausreichend dick, so dass keine zusätzliche elastische Schicht benötigt wird.
  • Die verformbare Schicht 30 wird dann entfernt, was eine Federstruktur 60 mit einer einteiligen Umverteilungstrasse freilegt, wie in 21D gezeigt. Bei diesem Beispiel hat die Federstruktur 60 einen profilierten Ausleger für eine erhöhte Steifheit. Die Brücken 59 entsprechen den durch das Werkzeug 34 ausgebildeten Erhebungen 61. Die Brücken 59 können dazu dienen, eine Druckentlastung für die Bahn 45 vorzusehen, insbesondere falls die Bahn 45 relativ lang ist. Die Brücken 59 können auch als Anschlag-Strukturen für die Federstruktur 60 dienen. Zusätzliche Brücken (nicht gezeigt) können zusätzlich vorgesehen sein, die von jedem Kontaktelement elektrisch isoliert sind und daher eine rein mechanische Funktion erfüllen, wie z.B. einen mechanischen Anschlag. Daher kann ein komplettes Kontaktsystem, einschließlich einer Vielzahl von Federkontakten, zugehöriger Umverteilungsbahnen und Anschlag-Strukturen unter Verwendung relativ weniger Prozessschritte hergestellt werden. Um weiter eine Anwendung des Verfahrens darzustellen, zeigt 22 beispielhaft zwei von vielen Kontaktstrukturen mit integralen Umverteilungsbahnen, um eine Abstandsspreizungsfunktion von einem relativen kleinen Abstand "p1" an den Kontaktflächen zu einem größeren Abstand "p2" an den Spitzen der Federelemente auszuführen. Eine große Variation von geometrischen Ausgestaltungen zur Abstandsspreizung und anderer Umverteilungszwecke ist möglich, ohne sich vom Schutzbereich der Erfindung zu entfernen.
  • Bei einer alternativen Ausgestaltung wird eine separat ausgebildete Anschlag-Struktur vorgesehen, wie weiter in der parallelen Anmeldung Seriennr. 09/364,855, angemeldet am 30. Juli 1999, Titel "INTERCONNECT ASSEMBLIES AND METHODS" von Eldridge and Mathieu beschrieben, welche hiermit hierin durch Bezug eingeschlossen ist,, um ein übermäßiges Zusammendrücken der mikroelektronischen Federstrukturen bei der Anwendung einer Kontaktkraft zu vermeiden, gemäß den hierin beschriebenen Verfahren. Perspektivische Ansichten eines Substrats 32 mit einer Anordnung von profilierten, mikroelektronischen Federkontakten 60 und versehen mit Anschlag-Strukturen 47, sind in 23A bis 23C gezeigt. Das Substrat ist in 23C auf Wafer-Ebene gezeigt. Eine Ansicht eines einzelnen Plättchens 97 auf dem Wafer, die eine Anordnung von Federstrukturen 60 auf dem Plättchen zeigt, ist in 23B gezeigt. Eine detaillierte Ansicht einer einzelnen, profilierten Federstruktur 60 und einer umgebenden Anschlag-Struktur 47 ist in 23C gezeigt. Es sollte offensichtlich sein, dass die Federstrukturen in jeglichem gewünschten Muster auf dem Substrat aufgebracht sein können. Insbesondere können Federstrukturen an Stellen des Substrates aufgebracht werden, die entfernt von den unterliegenden Kontaktflächen und Durchführungen liegen durch das Erzeugen einer Zwischen-Umverteilungsschicht zwischen den Kontaktflächen oder den Durchführungen und den Federstrukturen, wie weiter beschrieben in der oben genannten parallelen Anmeldung Seriennr. 09/364,855.
  • Es sollte offensichtlich sein, dass die hierin beschriebenen profilierten mikroelektronischen Federstrukturen, wie die in 23A bis 23C gezeigten, auch für andere Arten von Verbindungsanordnungen verwendet werden können, wie z.B. Prüfkartenanordnungen, Zwischenelemente und andere Verbindungssysteme, bei denen ein elektrischer Kontakt zu oder durch ein Substrat gewünscht ist. Insbesondere können solche Federstrukturen verwendet werden sowohl zur Herstellung von temporären Verbindungen bei hohen Temperaturen während eines Einbrennprozesses auf Wafer- oder Chipebene, als auch nachfolgend zur Herstellung von permanenteren Verbindungen bei Zimmertemperatur zwischen dem Substrat und einer elektronischen Komponente, wie einer gedruckten Leiterplatte. Es wird angenommen, dass die niedrigen Kosten und die Vielseitigkeit der Federstrukturen die Kosten, die mit Hochtemperatur-Testen verbunden sind, durch das Ermöglichen des Testens bei höheren Temperaturen erheblich reduzieren werden und daher einen höheren Durchsatz erreichen als bei der Verwendung von Verfahren gemäß dem Stand der Technik möglich ist.
  • Die Verfahren der vorliegenden Erfindung werden weiter durch das folgende Beispiel erläutert:
  • Beispiel
  • Ein Silizium-Wafer mit einer 0,5 Mikrometer Oberflächenoxidschicht wurde als Prototyp-Substrat ausgewählt. Eine Schicht Chrom wurde auf eine Fläche des Substrats aufgesputtert, gefolgt von einer Schicht Gold, um eine Kurzschlussschicht vorzusehen. Eine 4,0 mil (100 Mikrometer) dicke Schicht eines negativen Trockenfilm-Photolacks wurde auf die gesputterte Goldschicht unter Verwendung eines Vakuumbeschichters aufgebracht. Eine zweite, 3,0 mil (75 Mikrometer) dicke Schicht der gleichen Art von Photolack wurde auf die erste Schicht aufgebracht. Das Substrat wurde auf einer heißen Platte plaziert und erhitzt bis der Photolack weich war. Ein Einprägewerkzeug mit vorstehenden dreieckigen Zähnen, die zur Herstellung der gewünschten Federform profiliert sind, wurde in die Photolackbeschichtung gepresst, während die Beschichtung weich war. Das Substrat wurde gekühlt und das Einprägewerkzeug wurde entfernt. Eine Photolithographie-Maske und UV-Licht wurden verwendet, um die Photolackschicht überall, mit Ausnahme des Bereichs der Federbasiskontakte, zu belichten (und daher zu vernetzen). Der Photolack wurde unter Verwendung eines Spray-Entwicklers mit einer Standard-Natriumcarbonat-Entwicklerlösung entwickelt, welche den nicht entwickelten Photolack von den Federbasiskontakten entfernte. Die Federbasiskontakte wurden dann unter Verwendung eines Sauerstoffplasma-Deskum für 10 Minuten gereinigt. Eine Keimschicht aus Metall (Palladium/Gold) für einen nachfolgenden Galvanisierungsschritt wurde auf die gesamte Fläche der Photolackbeschichtung und die freiliegenden Basisbereiche gesputtert. Eine 4,0 mil Schicht eines Trockenfilm-Photolacks wurde auf die gesputterte Schicht unter Verwendung eines Vakuumbeschichters bei 80°C aufgebracht. Der Photolack wurde unter Verwendung einer Photolithographie-Maske dem UV-Licht ausgesetzt, um den Lack über der Abdruckfläche, in der die Federn auszubilden waren, abzuschirmen. Der Photolack wurde dann entwickelt, um in dem Bereich der Abdruckfläche entfernt zu werden, und dann wurde ein Plasma-Deskum verwendet, um die Abdruckfläche wie zuvor zu reinigen. Ein elastisches Federmetall (Nickel) wurde in die Abdruckform durch Galvanisieren für 20 Minuten bei etwa 50 ASF Stromdichte aufgebracht. Das Substrat wurde aus der Galvanisierungslösung entfernt und in eine Lösung von RD87 Negativ-Photolackentferner getaucht, um alle Schichten des Photolacks zu entfernen. Eine freistehende Federstruktur verblieb auf dem Substrat mit einer Dicke von 12 Mikrometern (etwa 0,5 mil), ein in Draufsicht dreieckiger freitragender Ausleger, der sich etwa 180 Mikrometer (7 mils) von der Oberfläche des Substrats weg erstreckte.
  • Mit der hierin beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung eines Verfahrens zur Ausbildung mikroelektronischer Federstrukturen sollte es dem Fachmann offensichtlich sein, dass bestimmte Vorteile der Erfindung erreicht wurden. Es sollte auch offensichtlich sein, dass innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung verschiedene Veränderungen, Anpassungen und alternative Ausgestaltungen davon gemacht werden können. Zum Beispiel wurde ein Verfahren zur Ausbildung mikroelektronischer Federkontaktstrukturen erläutert, aber es sollte offensichtlich sein, dass die oben beschriebenen erfinderischen Konzepte ebenso anwendbar wären, um ähnliche Strukturen für andere Zwecke auszubilden. Zum Beispiel könnten elektromechanische Federkontakte, wie Relais oder reine mechanische Federn, auf einer Vielzahl von Substraten für verschiedene Anwendungen unter Verwendung der hierin beschriebenen Verfahren ausgebildet werden. Zusätzlich können andere lithografische Arten von Strukturen, die offene profilierte Materiallagen aufweisen, wie Kanäle, Trichter und Klingen, durch ein geeignetes Anpassen der hier genannten Verfahren in mikroskopischer Größenordnung hergestellt werden. Die Erfindung ist weiter durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Ausbildung einer Vielzahl von elektrisch leitenden Kontaktstrukturen (60) auf einem elektronischen Bauelement (32), das eine Vielzahl von elektrisch leitenden Kontaktelementen (44, 46) aufweist, wobei jede Kontaktstruktur (60) eine Basis, die mit einem der Kontaktelemente (44, 46) verbunden ist, und einen Ausleger aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Aufbringen (102) einer Schicht (30) aus verformbarem Material auf das elektronische Bauteil (32); Bereitstellen eines Presswerkzeugs (34), das eine Vielzahl von Zähnen aufweist, wobei jeder der Zähne einen vorspringenden Bereich (36), einen profilierten Bereich (38), und einen vertieften Bereich (42) aufweist, wobei jeder vorspringende Bereich (36) eine Basis (50) für eine der Kontaktstrukturen (60) festlegt und zu einem der Kontaktelemente (44, 46) auf dem elektronischen Bauelement (32) korrespondiert, wobei jeder profilierte Bereich (38) zwischen dem vorspringenden Bereich (36) und dem vertieften Bereich (42) verläuft und einen Ausleger einer der Kontaktstrukturen (60) festlegt, und wobei jeder vertiefte Bereich (42) eine Abtrennung zwischen den angrenzenden Kontaktstrukturen (60) festlegt; Ausrichten der vorspringenden Bereiche des Presswerkzeugs (34) zu den Kontaktelementen (44, 46) des elektronischen Bauelements (32); Pressen des Presswerkzeugs (34) in das verformbare Material (30), wobei die Vielzahl der vorspringenden Bereiche (36) Abdrücke von Basen (50) der Kontaktstrukturen (60) in das verformbare Material einformt und die Vielzahl der profilierten Bereiche (38) Auslegerabdrücke von Ausleger der Kontaktstrukturen (60) in das verformbare Material einformt; Entfernen des Presswerkzeugs (34); Aufbringen (106) einer Keimschicht (52) aus leitendem Material auf dem verformbaren Material; Strukturieren (108) einer Maskenmaterialschicht (54) auf der Keimschicht (52), wobei Strukturen im Maskenmaterial mit Paaren der Ausleger- und Basenabdrücke übereinstimmen; Aufbringen (110) eines Kontaktstrukturmaterials (58) in den Abdrücken durch Aufbringen des Kontaktstrukturmaterials auf die Keimschicht (52) durch die Strukturen im Maskenmaterial (54); und Entfernen (112) des Maskenmaterials (54) und des verformbaren Materials (30); gekennzeichnet dadurch, dass der profilierte Bereich (38) ein Profil über die Breite des festgelegten Auslegers ausbildet und eine gekrümmte Neigung aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufbringen (102) einer Schicht von verformbarem Material (30) auf ein elektronisches Bauelement (32) aufweist: Platzieren (402) des elektronischen Bauelements (32) in eine Form (71); und Einspritzen (404) des verformbaren Materials (30) in die Form (71).
  3. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner eine Planarisierung der Schicht aus verformbarem Material (30), das auf das elektrische Bauelement aufgebracht wurde, aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner während dem Schritt des Pressens des Presswerkzeugs in das verformbare Material (30), ein Erhitzen des Presswerkzeugs (34) aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, das ferner nach dem Erhitzen des Presswerkzeugs (34) ein Abkühlen des Presswerkzeugs, während das Presswerkzeug in das verformbare Material (30) gepresst wird, aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter ein Abkühlen des Presswerkzeugs, während das Presswerkzeug (34) in das verformbare Material gepresst wird, aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der profilierten Bereiche (38) eine gerippte Oberfläche (62, 66) oder eine geriffelte Oberfläche (64) aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der profilierten Bereiche (38) aus einer Gruppe bestehend aus einer V-Form, einer U-Form oder einer Verzweigung ausgewählt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Profil eine Kurve aufweist, die aus der Gruppe bestehend aus einer U-Kurve, einer V-Kurve (66), einer S-Kurve und einer gefalteten Linie ausgewählt wird, um wenigsten eine vorspringende Rippe (62) bereitzustellen.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das verformbare Material (30) elastisch ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufbringen (110) von Kontaktstrukturmaterial (58) das Aufbringen des Kontaktstrukturmaterials unter Verwendung eines elektronenfreien Aufdampfprozesses aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektronische Bauelement (32) eine Vielzahl von Plättchen aufweist, die einen ungeteilten Halbleiter-Wafer bilden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Kontaktelemente (44, 46) die Anschlussstellen der Plättchen sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das verformbare Material (30) aus einer Gruppe bestehend aus Polymethylmethacrylaten, Polycarbonaten, Polyurethanen, ABS-Kunststoffen, Photolacken, Novolac-Harzen, Epoxies und Wachsen ausgewählt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das verformbare Material (30) aus einer Gruppe bestehend aus Polymethylmethacrylaten, Photopolymeren, Novolac-Harzen und Epoxies ausgewählt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das verformbare Material (30) ein thermoplastisches Material aufweist.
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