DE60212906T2 - Feder mit leitfähiger Beschichtung - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf mit Spannung versehene Metallfilme, und insbesondere auf mittels Fotolithographie gemusterte Mikrofeder-Strukturen, gebildet aus mit Spannung versehenen Metallfilmen.
  • Fotolithografisch gemusterte Federstrukturen (manchmal bezeichnet als „Mikrofedern") sind entwickelt worden, um, zum Beispiel, kostengünstige Fühlerplatinen (probe cards) herzustellen und um elektrische Verbindungen zwischen integrierten Schaltungen zu bilden. Eine typische Mikrofeder umfasst einen Federmetallfinger, der einen Ankerbereich besitzt, der an einem Substrat befestigt ist, und einen freien (frei aufgehängten) Bereich, der sich von dem verankerten Bereich über das Substrat erstreckt. Der Federmetallfinger ist aus einem mit Spannung versehenen Metallfilm gebildet, (d.h. einem Metallfilm, der so hergestellt ist, dass seine unteren Bereiche eine höhere, innere Druckspannung als seine oberen Bereiche besitzen), der zumindest teilweise aus einer Löse- bzw. Freigabematerial-Schicht gebildet ist. Der freie Bereich des Federmetallfingers biegt sich von dem Substrat weg, wenn das Freigabematerial, angeordnet unter dem freien Bereich, weggeätzt wird. Der innere Spannungsgradient wird in dem Federmetall durch Schichten unterschiedlicher Metalle erzeugt, die die erwünschten Spannungscharakteristika haben, oder unter Verwendung eines Einzelmetalls durch Verändern der Herstellungsparameter. Solche Federmetallstrukturen können in Messfühlerplatinen (probe cards) zum elektrischen Verbinden integrierter Schaltungen durch Schaltungsleiterplatten und Elektrodenfelder, und zum Herstellen anderer Vorrichtungen, wie beispielsweise Induktoren, variabler Kondensatoren und betätigter Spiegel, verwendet werden. Zum Beispiel wird die Spitze des freien Bereichs, wenn sie in einer Anordnung einer Fühlerplatine verwendet wird, in Kontakt mit einem Kontaktfeld, gebildet auf einer integrierten Schaltung, gebracht, und Signale werden zwischen der integrierten Schaltung und dem Testgerät über die Sondenplatine geführt (d.h. unter Verwendung der Federmetallstruktur als ein Leiter). Andere Beispiele dieser Federstrukturen sind in der US-A-3,842,189 offenbart. Ein Beispiel einer Federstruktur, die einen frei aufgehängten Bereich besitzt, der sich nicht von dem Substrat unter einer Freigabe weg biegt, ist in der WO00/33089 offenbart.
  • Die vorliegenden Erfinder haben beobachtet, dass herkömmliche Federstrukturen Kontaktwiderstände entwickeln, die entgegengesetzt zu Signalübertragungen sind, wenn Federstrukturen als Leiter verwendet werden. Das Federmetall (z.B. Mo, MoCr, NiZr) wird typischerweise wegen dessen Fähigkeit ausgewählt, große innere Spannungen aufzunehmen. Diese Materialien oxidieren typischerweise in Luft, ein Phänomen, das deren Fähigkeit entgegenstehen kann, einen elektrischen Kontakt, zum Beispiel mit der Kontaktfläche einer integrierten Schaltung, vorzunehmen, wenn sie in einer Fühlerplatine verwendet wird. Die Federmetallmaterialien können auch die Kontaktfläche, die typischerweise Aluminium ist, durchscheuern. Wenn einmal das gescheuerte Aluminium oxidiert, steigt der Kontaktwiderstand zwischen der Kontaktfläche und der Federmetallstruktur an. Eine vorgeschlagene Maßnahme, um einen Kontaktwiderstand zu verringern, ist diejenige, das Federmetall vor einem Ätzen und einer Freigabe zu passivieren. Allerdings tendiert das passivierende Material dazu, einer Biegung des Federmetallfingers nach einer Freigabe zu widerstehen, und liefert nur eine minimale Abdeckung entlang der vorderen Kante an der Spitze, um dadurch einen direkten Kontakt mit dem Federmetall zu ermöglichen, was zu einem erhöhten Kontaktwiderstand führt.
  • Dasjenige, was benötigt wird, ist eine Federmetallstruktur, die einem erhöhten Kontaktwiderstand durch Vermeiden einer Oxidation des Federmetalls und/oder einem Durchscheuern einer Kontaktfläche, gegen die die Federmetallstruktur gedrückt wird, widersteht.
  • Die US 5613861 und die WO01/48870 offenbaren Verfahren zum Herstellen von Federstrukturen, mit denen eine leitfähige Beschichtung auf den Federmetallfinger nach seiner Freigabe von dem Substrat aufgebracht wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf effiziente Verfahren zum Herstellen von Mikrofeder-Strukturen gerichtet, in denen eine leitfähige Beschichtung auf der Spitze des freien (d.h. frei tragenden) Bereichs des Federmetallfingers unter Verwendung eines direktionalen Niederschlagsvorgangs nach Freigabe von einem unterlegenen Substrat niedergeschlagen wird. Durch Richten des Federbeschichtungsniederschlags auf die Federmetallfingerspitze nach einer Freigabe (d.h. nachdem dem Finger ermöglicht wird, sich nach oben von dem Substrat aufgrund einer inneren Spannung zu biegen), wird die leitfähige Beschichtung zuverlässig auf der vorderen Kante und der oberen Fläche der Federmetallfingerspitze gebildet, ohne den Biegevorgang zu beeinträchtigen, wodurch eine kostengünstige Federstruktur mit einem verringerten Kontaktwiderstand hergestellt wird, wenn mit nicht beschichteten Federstrukturen, oder mit Federstrukturen, die vor einer Freigabe beschichtet sind, verglichen wird.
  • Gemäß dem offenbarten Verfahren wird eine leitfähige Freigabeschicht auf einem Substrat niedergeschlagen, und dann wird ein mit Spannung versehener (Feder) Metallfilm auf der Freigabematerial-Schicht gebildet. Eine erste Maske wird dann verwendet, um eine langgestreckte Federmetallinsel von dem Metallfilm zu ätzen, allerdings wird das Ätzen gestoppt, bevor die Freigabeschicht vollständig entfernt ist, um ein Hinterschneiden zu verhindern, das eine vorzeitige Freigabe der Federmetallinsel verursachen kann. Eine Freigabe-(zweite)-Maske wird dann niedergeschlagen, die ein Freigabefenster definiert, das einen Bereich der Federmetallinsel und die Freigabematerial-Schicht, die diesen freigelegten Bereich umgibt, freilegt. Gemäß einem Aspekt des offenbarten Verfahrens ist das Freigabefenster mit einem Überhang gebildet, der dabei hilft, ein Überlappen des Beschichtungsmaterials zu verhindern, um dadurch ein Abheben der restlichen Beschichtung, gebildet auf der Freigabemaske, zu erleichtern. Ein darauf folgendes Entfernen des Freigabematerials, das durch die Freigabemaske freigelegt ist, bewirkt, dass sich der freigelegte Bereich der Federmetallinsel von dem Substrat weg aufgrund seiner inneren Spannung biegt, um dadurch der freie Bereich eines Federmetallfingers zu werden (ein verankerter Bereich des Federmetallfingers verbleibt durch die Freigabemaske abgedeckt). Die Freigabemaske wird dann als eine Maske während des Niederschlagens der leitfähigen Beschichtung (z.B. ein Feuerfest-Edelmetall, wie beispielsweise Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Rhenium (Re), Platin (Pt) und Palladium (Pd)) auf der Spitze und anderen freigelegten Bereichen des Federmetallfingers verwendet. Die überhängende Freigabemaskenstruktur verhindert ein Überlappen des Beschichtungsmaterials, um ein Abheben der restlichen Beschichtungsbereiche während des darauffolgenden Entfernens der Freigabemaske zu erleichtern.
  • In einer anderen Ausführungsform ist die Freigabemaske, die auch während des Niederschlagvorgangs verwendet wird, mit einem Kanal versehen, der sich über den verankerten (d.h. nicht freigegeben) Bereich des Federmetallfingers erstreckt, um dadurch die Bildung der leitfähigen Beschichtungsbereiche auf dem Verankerungsbereich des Federmetallfingers zu erleichtern, um die Leitfähigkeit zu verbessern.
  • Die vorliegende Erfindung ist durch den beigefügten Anspruch 1 definiert.
  • Besondere Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 zeigt eine Draufsicht, die eine Federstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 zeigt eine Querschnittsseitenansicht der Federstruktur, vorgenommen entlang einer Schnittlinie 2-2 der 1, und der Federstruktur, die eine separate, integrierte Schaltung kontaktiert;
  • 3 zeigt eine aufgeschnittene, perspektivische Ansicht der Federstruktur, dargestellt in 1;
  • 4(A) bis 4(J) zeigen Querschnittsseitenansichten, die Herstellungsschritte darstellen, die der Herstellung der Federstruktur, gezeigt in 1, zugeordnet sind;
  • 5(A) und 5(B) zeigen Draufsichten, die die Federstruktur der 1 während ausgewählter Herstellungsschritte darstellen;
  • 6 zeigt eine aufgeschnittene, perspektivische Ansicht, die eine Federstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 7 zeigt eine Draufsicht, die eine Freigabemaske darstellt, die für die Herstellung der Federstruktur, dargestellt in 6, verwendet wird.
  • Die 1, 2 und 3 stellen eine Federstruktur 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. 1 zeigt eine Draufsicht der Federstruktur 100, 2 zeigt eine Querschnittsseitenansicht, vorgenommen entlang einer Schnittlinie 2-2 der 1, und 3 zeigt eine perspektivische Ansicht mit einem aufgeschnittenen Abschnitt, der durch eine Schnittlinie 3-3 in 1 angegeben ist.
  • Die Federstruktur 100 umfasst allgemein ein Substrat 101, einen Freigabematerialbereich 110 und einen Federmetallfinger 120. Das Substrat 101 (z.B. Glas) umfasst einen optionalen Leiter 105, der mehrere Formen annehmen kann (d.h. eine Metallspur, niedergeschlagen auf dem Substrat, wie dies dargestellt ist, oder einen eingelassenen Leiter, auf den über eine Öffnung in einer Passivierungsschicht (nicht dargestellt) zugegriffen werden kann. Der Leiter 105 kann, wenn er vorhanden ist, eine elektrische Verbindung zwischen elektronischen Bauteilen einer integrierten Schaltung und einer Federstruktur 100 bilden.
  • Alternativ kann, wenn das Substrat 101 eine gedruckte Schaltungsleiterplatte, eine gedruckte Verdichtungsleiterplatte, eine Siliziumvorrichtung oder ein Zwischenfügungsteil ist, dann der Leiter 105 ein freigelegter Bereich aus leitendem Material sein, der elektrisch mit Umverteilungsbahnen, über Substratkontaktlöcher, Lötmittelerhebungen, Lötmittelkugeln, befestigten, elektrischen Bauteilen, integrierten, passiven Bauteilen, oder Verbindungsflächen, verbunden ist. Der Freigabematerialbereich 110 ist auf einer oberen Fläche des Substrats 101 so gebildet, dass er den Leiter 105 (falls vorhanden) kontaktiert. Der Federmetallfinger 120 umfasst einen Verankerungsbereich 122 und einen freien (d.h. frei aufgehängten) Bereich 125. Der Verankerungsbereich 122 ist an dem Freigabematerialbereich 110 befestigt (d.h. so, dass der Freigabematerialbereich 110 zwischen dem Verankerungsbereich 122 und dem Substrat 101 angeordnet ist). Der freie Bereich 125, der eine Spitze 125-T umfasst, erstreckt sich von dem Verankerungsbereich 122 über das Substrat 101 und umfasst eine obere (erste) Oberfläche 126 und eine gegenüberliegende untere (zweite) Oberfläche 127, die eine Dicke T1 in dem Bereich von 0,1 und 10 Mikron (siehe 2) definiert. Es ist anzumerken, dass sich die Kanten 128 des freien Bereichs 125 zwischen der oberen Fläche 126 und der unteren Fläche 127 erstrecken.
  • Ähnlich zu den Federstrukturen nach dem Stand der Technik ist der Federmetallfinger 120 von einem mit Spannung versehenen Metallfilm geätzt, der durch ein DC-Magnetronsputtern von einem oder mehreren Metall(en) unter Verwendung von Gas-(z.B. Argon)-Druckvariationen in der Sputterumgebung während eines Filmwachstums entsprechend zu bekannten Techniken gebildet ist. Durch ein sorgfältiges Auswählen der Metalle und/oder der Verarbeitungsparameter können gesputterte Metallfilme verwendet werden, um eng gekrümmte Federmetallfinger, oder sehr steife Federmetallfinger, allerdings nicht beide gleichzeitig, zu bilden, da eine Zunahme der Filmdicke (die notwendig ist, um die Steifigkeit zu erhöhen) auch den Radius des sich ergebenden Federmetallfingers erhöht. Weiterhin kann die innere Spannung des mit Spannung versehenen Metallfilms nicht wahlweise aufgrund der Materialbeschränkungen erhöht werden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrisch leitfähige Beschichtung 130 gebildet, um einen Kontaktwiderstand zwischen dem Federmetallfinger 120 und der Kontaktstruktur zu minimieren (z.B. eine Kontaktfläche 152, gebildet auf einer separaten, integrierten Schaltung 150, wie dies in 2 dargestellt ist). In einer Ausführungsform umfasst die leitfähige Beschichtung 130 ein oder mehrere Feuerfest- Edelmetalle (z.B. Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Rhenium (Re), Platin (Pt) und Palladium (Pd)), die eine Dicke T2 in dem Bereich von 0,1 und 3 Mikron haben (siehe 2). Um einen Kontaktwiderstand zu minimieren, wird eine leitfähige Beschichtung 130 auf einem freien Bereich 125 des Federmetallfingers 120 niedergeschlagen, nachdem der freie Bereich 125 freigegeben ist (d.h. nachdem das Freigabematerial, angeordnet unter dem freien Bereich 125, entfernt ist, um dadurch eine innere Spannung zu ermöglichen, um den freien Bereich 125 von dem Substrat 101 weg zu biegen). Da die leitfähige Beschichtung 130 gebildet wird, nachdem der freie Bereich 125 freigegeben ist, wird die leitfähige Beschichtung 130 auf der oberen Fläche 126 und Kanten 128 des freien Bereichs 125, und insbesondere auf der vorderen Kante 128-T, angeordnet an der Spitze 128, niedergeschlagen. Dementsprechend berührt, wie in 2 dargestellt ist, die Federstruktur 100 die externe Schaltung 150 über die leitfähige Beschichtung 130, wodurch ein erhöhter Kontaktwiderstand aufgrund einer Oxidation des Federmetallfingers 120 oder eines Abriebs der Kontakte 152 verhindert wird. Mehrere, zusätzliche Vorteile, die durch die leitfähige Beschichtung 130 erzielt werden, werden in den nachfolgenden Absätzen beschrieben.
  • Als erstes ermöglicht ein Bilden einer leitfähigen Beschichtung 130 nach einer Freigabe, dass die Federstruktur 100 relativ dick wird (und deshalb steif), wodurch die Federkraftkonstante der Federstruktur 100 unter niedrigeren Kosten als nicht beschichtete Federstrukturen oder Federstrukturen, die eine leitfähige Beschichtung, gebildet nur auf einer Seite haben, erhöht wird. Wie in 2 gezeigt ist, erhöht der Niederschlagsvorgang die gesamte Dicke des freien Bereichs 125 mit der Dicke T2 der leitfähigen Beschichtung 130. Wie nachfolgend beschrieben ist, wird die leitfähige Beschichtung 130 unter sehr geringen Kosten gebildet, da der Basis-Zwei-Masken-Prozess, der zum Herstellen von nicht beschichteten Federstrukturen verwendet wird, nicht missachtet wird (d.h. keine zusätzlichen Masken werden verwendet, um den Beschichtungsniederschlagsvorgang durchzuführen).
  • Als zweites ermöglicht das Bilden der leitfähigen Beschichtung 130 nach einer Freigabe, dass die Federstruktur 100 sowohl eng gekrümmt als auch relativ dick (und deshalb steif) unter niedrigeren Kosten als nicht beschichtete Federstrukturen, oder Federstrukturen, die eine leitfähige Beschichtung nur auf einer Seite gebildet haben, ist. Wie in 2 gezeigt ist, und vorstehend diskutiert ist, wird die Krümmung R des freien Bereichs 125 teilweise durch die Dicke T1 des mit Spannung versehenen Metallfilms, von dem er geätzt ist, bestimmt. Um eine eng gekrümmte Federstruktur zu erzeugen, ist ein relativ dünner Metallfilm erforderlich. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Federstruktur 100 sowohl eng gekrümmt als auch relativ dick durch Bilden eines Federmetallfingers 120 aus einem dünnen mit Spannung versehenen Metallfilm, und dann Bilden einer relativ dicken, leitfähigen Beschichtung 130, gebildet werden.
  • Als drittes passiviert die leitfähige Beschichtung 130 den Federmetallfinger 120, was wichtig ist, da die meisten federnden Metalle, wie beispielsweise ein mit Spannung versehener Metallfilm, Oberflächenoxide bilden. Eine leitfähige Beschichtung 130 erhöht auch eine Abnutzungsbeständigkeit und Schmierfähigkeit und widersteht dadurch dem Abrieb einer zugeordneten Kontaktstruktur (z.B. Kontaktfläche 152, die in 2 dargestellt ist). Die leitfähige Beschichtung 130 kann auch einen Kompressionsanschlag schaffen, um eine Federkompression zu begrenzen. Weiterhin kann die leitfähige Beschichtung dazu beitragen, die Federstruktur 100 durch Hinzufügen einer Duktilität zu verfestigen. Schließlich kann die leitfähige Beschichtung 130 hinzugefügt werden, um die Radii von Prozessmerkmalen und Defekten, die auf dem Federmetallfinger 120 entstehen können, abzustumpfen. Die vorstehend erwähnten Vorteile sind nicht dazu vorgesehen, dass sie erschöpfend sind. Es ist anzumerken, dass ein optionaler Leiter 105 vorhanden sein kann, um eine elektrische Verbindung der Federstruktur 100 mit einem externen elektrischen System vorzunehmen (nicht dargestellt). Es ist auch anzumerken, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Federmetallfinger 120 und dem Leiter 105 die Verwendung eines elektrisch leitenden Freigabematerials erfordert, um einen Freigabematerialbereich 110 zu bilden. Allerdings kann die elektrische Verbindung auch direkt mit dem Federmetallfinger 120 durch andere Strukturen geschaffen werden (z.B. Drahtverbindung, oder Vormustern der Freigabeschicht), um dadurch die Verwendung von nicht leitendem Freigabematerialien zu ermöglichen. Weiterhin können die Kosten-zu-Dicke-(Steifigkeits)-Charakteristika, die vorstehend diskutiert sind, auch vorteilhaft in Anwendungen genutzt werden, in denen ein Metallfinger 120 nicht dazu verwendet wird, elektrische Signale zu leiten.
  • Die 4(A) bis 4(J) und die 5(A) und 5(B) stellen ein Verfahren zum Herstellen einer Federstruktur 100 (beschrieben vorstehend) dar.
  • Wie 4(A) zeigt, beginnt das Herstellungsverfahren mit der Bildung einer leitenden Freigabematerial-Schicht 210 über einem Glas-(Silizium)-Substrat 101. In einer Ausführungsform ist die Freigabematerial-Schicht 210 aus einem elektrisch leitenden Material gebildet und ein Bereich 210A der Freigabematerial-Schicht 210 berührt einen Leiter 105, der auf der oberen Fläche des Substrats 101 freigelegt ist. In einer Ausführungsform ist die Freigabematerial-Schicht 210 Titan (Ti), das mittels Sputtern auf dem Substrat 101 bis zu einer Dicke von 0,2 Mikron oder größer niedergeschlagen wird. Titan liefert die erwünschte Charakteristika als leitfähige Freigabematerial-Schicht aufgrund seiner Plastizität (d.h. sein Widerstand gegen Reißen) und seiner starken Adhäsion. Andere Freigabematerialien, die die vorteilhaften, plastischen Charakteristika von Titan haben, können auch verwendet werden. In anderen Ausführungsformen umfasst die Freigabematerial-Schicht 210 ein anderes Metall, wie beispielsweise Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Nickel (Ni), Zirkon (Zr) oder Kobalt (Co). Die Freigabematerial-Schicht 210 kann auch unter Verwendung von stark dotiertem Silizium (Si) gebildet werden. Weiterhin können zwei oder mehrere Freigabematerial-Schichten aufeinanderfolgend niedergeschlagen werden, um eine Mehrschichtstruktur zu bilden. In einer noch anderen möglichen Ausführungsform kann irgendeine der vorstehend erwähnten Freigabematerial-Schichten zwischen zwei Nicht-Freigabematerial-Schichten (d.h. Materialien, die nicht während des Federmetalllösevorgangs, was nachfolgend beschrieben ist, freigegeben werden) zwischengefügt sein. Alternativ kann, wenn es nicht notwendig ist, eine elektrische Leitung zwischen der darauf folgenden niedergeschlagenen Edelmetallschicht und der Kontaktfläche (wie beispielsweise Leiter 105) vorzusehen, die Freigabematerial-Schicht 210 ein nicht leitendes Material, wie beispielsweise Siliziumnitrid (SiN), sein.
  • 4(B) stellt einen mit Spannung versehenen Metallfilm 220, gebildet auf der Freigabematerial-Schicht 110, unter Verwendung von bekannten Verarbeitungstechniken, dar, so dass sie innere Spannungsvariationen in der Wachstumsrichtung umfasst. Zum Beispiel wird, in einer Ausführungsform, ein mit Spannung versehender Metallfilm 220 so gebildet, dass seine untersten Bereiche (d.h. benachbart zu der Freigabematerial-Schicht 210) eine höhere, innere Druckspannung an seinen oberen Bereichen besitzt, wodurch erreicht wird, dass der mit Spannung versehende Metallfilm 220 innere Spannungsvariationen besitzt, die bewirken, dass sich ein Federmetallfinger nach oben weg von dem Substrat 101 biegt (diskutiert nachfolgend). Verfahren zum Erzeugen solcher inneren Spannungsvariationen in einem mit Spannung versehenen Metallfilm 220 werden, zum Beispiel, in der US-A-3,842,189 (Niederschlagen von zwei Metallen, die unterschiedliche innere Spannungen haben) und der US-A-5,613,861 (z.B. einzelnes Metall, das gesputtert wird, während Prozessparameter variiert werden) gelehrt. In einer Ausführungsform, die eine Ti-Freigabematerial-Schicht mit 0,2 Mikron verwendet, umfasst der mit Spannung versehene Metallfilm 220 Sputtermaterial aus Molybdän und Chrom (MoCr), niedergeschlagen bis zu einer Dicke von 1 Mikron. In anderen Ausführungsformen kann eine Mo-Federmetallschicht auf SiN-Freigabematerial-Schichten gebildet werden.
  • Es ist anzumerken, dass dann, wenn das leitfähige Freigabematerial verwendet wird, der mit Spannung versehene Metallfilm 220 von dem Leiter 105 durch einen Bereich 210a der Freigabematerial-Schicht 210 getrennt wird. Dementsprechend ist ein gesonderter Maskierungsschritt, der in herkömmlichen Herstellungsverfahren verwendet wird, um eine Öffnung in dem Freigabematerial zu bilden, nicht erforderlich, wodurch Herstellungskosten verringert werden. Anstelle davon verwendet, wie nachfolgend diskutiert ist, die vorliegende Ausführungsform die Leitfähigkeit der Freigabematerial-Schicht 210, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Leiter 105 und dem mit Spannung versehenden Metallfilm 220 zu erzielen.
  • Wie die 4(C) und 5(A) zeigen, werden die Federmetall-(ersten)-Masken 230 (z.B. Photoresist) dann über einen ausgewählten Bereich des mit Spannung versehenden Metallfilms 220 gemustert. Es ist anzumerken, dass sich jede Federmetallmaske 230 über einen zugeordneten Leiter 105 (falls vorhanden) erstreckt, wie dies in 5(A) dargestellt ist.
  • Als Nächstes werden, wie in 4(D) gezeigt ist, freigelegte Bereiche des mit Spannung versehenen Metallfilms 220, der die Federmetallmaske 230 umgibt, unter Verwendung von einem oder mehreren Ätzmittel(n) 240 geätzt, um eine Federmetallinsel 220-1 zu bilden. Es ist anzumerken, dass dieser Ätzvorgang so durchgeführt wird, dass ein begrenztes Ätzen in Bereichen 210B der Freigabeschicht 210 durchgeführt wird, die die Federmetallinsel 220-1 so umgibt, dass mindestens eine Teildicke der Freigabematerial-Schicht 210B auf dem Substrat 101 nach diesem Ätzschritt verbleibt. In einer Ausführungsform kann der Ätzschritt unter Verwendung, zum Beispiel, eines Nassätzvorgangs durchgeführt werden, um freigelegte Bereiche des mit Spannung ausgestatteten Metallfilms 220 zu entfernen. Diese Ausführungsform wurde erfolgreich unter Verwendung einer Cerammoniumnitrat-Lösung durchgeführt, um eine MoCr-Federmetallschicht zu entfernen. In einer anderen Ausführungsform wird ein anisotropes Trockenätzen verwendet, um so wohl den mit Spannung versehenen Metallfilm 220 als auch die obere Oberfläche des Freigabeschichtbereichs 210B zu ätzen. Diese Ausführungsform kann, zum Beispiel, mit einem Mo-Federmetall und Si- oder Ti-Freigabeschichten durchgeführt werden. Mo, Si und Ti ätzen alle in reaktiven Fluorplasmen. Ein Vorteil eines Trockenätzens des Federmetallfilms ist derjenige, dass er feinere Merkmale und schärfere, mit Spitze versehene Federmetallfinger erleichtert. Materialien, die nicht in reaktiven Plasmen ätzen, können noch anisotrop durch physikalische Ionenätzverfahren geätzt werden, wie beispielsweise Argon-Ionen-Schleifen. In einer noch anderen möglichen Ausführungsform kann der Ätzschritt unter Verwendung des elektrochemischen Ätzvorgangs, der in IBM J. Res. Dev. Vol. 42, No. 5, Seite 655 (5. September 1998) beschrieben ist, durchgeführt werden. Viele zusätzliche Prozessvariationen und Materialsubstitutionen sind deshalb möglich und die Beispiele, die angegeben sind, sind nicht einschränkend.
  • 4(E) stellt eine Federmetallinsel 220-1 und Freigabematerial 210 dar, nachdem die Federmetallmaske 230 (4(D)) entfernt ist. Es ist wiederum anzumerken, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Leiter 105 und der Federmetallinsel 220-1 durch einen Bereich 210A einer Freigabematerial-Schicht 210 vorgesehen ist.
  • Wie 4(F) zeigt, wird die Freigabe-(zweite)-Maske 250 (z.B. Photoresist) dann auf einem ersten Bereich 220-1A der Federmetallinsel 220-1 gebildet. Die Freigabemaske 250 definiert ein Freigabefenster RW, das einen zweiten Bereich 220-1B der Federmetallinsel 220-1 und umgebender Bereiche 210B der Freigabematerial-Schicht 210 freilegt. In einer Ausführungsform ist die Freigabemaske 250 absichtlich mit einer negativ schräg verlaufenden Seitenwand ausgebildet (z.B. unter Verwendung eines negativen Resist oder Bildumkehrtechniken), um das Abheben der leitfähigen Beschichtung, die darauf niedergeschlagen ist, zu erleichtern, wie nachfolgend diskutiert ist.
  • Anhand der 5(B) ist festzustellen, dass die Freigabemaske 250 so gebildet ist, dass jede Federmetallinsel 230(1) bis 230(3), gebildet auf dem Substrat 101, über ein separates Freigabefenster RW1 bis RW3, jeweils, freigelegt ist. Die separaten Freigabefenster sind für jede Federstruktur vorgesehen, da das Freigabefenster auch das Muster der darauffolgend niedergeschlagenen, leitfähigen Beschichtung definieren wird. Das bedeutet, dass dann, wenn zwei oder mehr Federstrukturen über dasselbe Fenster freigelegt werden, dann die leitfähige Beschichtung auf dem Substrat 101 niedergeschlagen werden würde, das die zwei Federstrukturen separiert, die eine zusätzliche Ätzmaske erfordern würden, um die restliche Beschichtung zu entfernen. Dementsprechend wird, durch Vorsehen separater Freigabefenster für jede Federstruktur, die gesamte Anzahl erforderlicher Masken minimiert. Es ist allerdings anzumerken, dass separate Freigabefenster zu einer größeren Beabstandung zwischen Federstrukturen führt, um die Bildung der Freigabemaskenwand, die die Freigabefenster separiert, zu erleichtern. Das bedeutet, dass ein Vorsehen eines Raums für diese Freigabemaskenwände im Prinzip mit sich bringt, dass die Federstrukturen weiter voneinander entfernt sein müssen.
  • 5(B) zeigt auch eine optionale Unterteilungslinie DL, die sich entlang der Resistmaskenwände, angeordnet zwischen der Federmetallinsel 230(3) und einer angrenzenden Gruppe von Federstrukturen (nicht dargestellt), erstreckt. Typischerweise ist das Substrat 101 zwischen der Bildung des Freigabefenster 250 und der Abhebung der Federn (diskutiert nachfolgend) unterteilt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein chargenweises Verarbeiten von Federstrukturen dadurch erleichtert, dass die gesamte Maskierung vor einem Unterteilen vorgenommen wird (d.h. da keine Masken erforderlich sind, um die leitfähige Beschichtung niederzuschlagen und/oder zu ätzen), um dadurch eine wesentliche Verringerung der gesamten Herstellungskosten im Vergleich zu Herstellungsprozessen zu ermöglichen, in denen, zum Beispiel, die abgehobenen und beschichteten Federmetallfinger in ein Maskierungsmaterial eingetaucht werden.
  • Wie 4(G) zeigt, wird ein Freigabeätzmittel 260 (z.B. ein gepuffertes Oxidätzen) dann verwendet, um selektiv einen Bereich der Freigabematerial-Schicht von unterhalb des freigelegten Bereichs der Federmetallinsel zu entfernen, um einen Federmetallfinger 120 (diskutiert vorstehend unter Bezugnahme auf die 1–3) zu entfernen. Genauer gesagt bewirkt ein Entfernen des freigelegten Freigabematerials, dass sich der freie Bereich 125 von dem Substrat 101 weg aufgrund der inneren Spannungsvariationen, eingerichtet während der Bildung des Federmetallfilms (auch diskutiert vorstehend), biegt. Es ist anzumerken, dass der Verankerungsbereich 122 an dem Substrat 101 durch einen Freigabematerialbereich 110 befestigt verbleibt, der durch die Freigabemaske 250 geschützt ist. Es ist auch anzumerken, dass dann, wenn der Freigabematerialbereich 110 aus einem leitfähigen Freigabematerial gebildet ist, die sich ergebende Federstruktur elektrisch mit dem Leiter 105 verbunden ist.
  • 4(H) zeigt einen optionalen Schritt für ein in-situ-Schleifen oder Rücksputtern 270, der die Metallflächen des freien Bereichs 125 für eine optimale Haftung der darauffol gend aufgebrachten Beschichtung, unter Verwendung von bekannten Techniken, präpariert.
  • 4(I) stellt das Niederschlagen einer leitfähigen Beschichtung 130 auf einem freien Bereich 125 nach einer Freigabe dar. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird dieser Niederschlagsschritt unter Verwendung einer direktionalen Niederschlagsquelle durchgeführt (z.B. unter Verwendung eines Materialflusses in Sichtlinie von einer kleinen Flächenquelle, wie beispielsweise Elektronenstrahlverdampfung oder Sputterniederschlag, unter Verwendung eines Materialkollimators). Es ist anzumerken, dass unter Durchführung des Niederschlagens einer leitfähigen Beschichtung 130, nachdem der freie Bereich 125 abgehoben ist, die obere Fläche 126 und die vordere Kante 128-T, angeordnet an der Spitze 125-T des freien Bereichs 125, zu dem Niederschlag hinweisen, um eine gleichförmige Beschichtung zu erleichtern. Weiterhin wird, da der richtungsmäßige Niederschlag die Bildung der leitfähigen Beschichtung 130 auf der vorderen Kante 128-T des freien Bereichs 125 erleichtert, nachdem er abgehoben ist, eine bessere Abdeckung der Spitze 125-T als dann erreicht, wenn der Niederschlag vor einer Freigabe durchgeführt wird. Weiterhin bringt ein Niederschlag einer leitfähigen Beschichtung 130, bevor der Freigabevorgang läuft, das Risiko mit sich, dass die niedergeschlagene Beschichtung die Freigabeschicht überlegen wird und den Fluss eines Freigabeätzmittels 160 unter den freien Bereich 125 (siehe 4(G) als Referenz) der Federstruktur verhindert oder beeinträchtigt.
  • 4(I) stellt den Niederschlag von restlichen Beschichtungsbereichen 130-R1 auf der Freigabemaske 250 und den Niederschlag der restlichen Beschichtungsbereiche 130-R2 auf Bereichen des Substrats 101, die über das Freigabefenster freigelegt sind (d.h. benachbart zu dem freigegebenen freien Bereich), dar. Unter Bezugnahme wiederum auf 3 ist anzumerken, dass die restlichen Beschichtungsbereiche 130-R2, die nicht durch das darauffolgende Entfernen der Freigabemaske 250 entfernt sind, nicht auf den Bereichen 101-S des Substrats 101, die durch den Federmetallfinger 125 abgeschattet sind, niedergeschlagen werden. Es ist anzumerken, dass die mit negativer Schräge versehene Seitenwand der Freigabemaske 250 eine freigelegte Kante 250-E zwischen dem Beschichtungsbereich 130 und dem restlichen Beschichtungsbereich 130-R1 erzeugt, der einen Zugang eines Lösungsmittels während eines Freigabemaskenätzens (diskutiert nachfolgend) ermöglicht, um ein Abheben des restlichen Beschichtungsbereichs 130-R1 zu erleichtern.
  • Schließlich stellt 4(J) eine Federstruktur 100 während des Entfernens der Freigabemaske 250 und der restlichen Beschichtungsbereiche 130-R1 (siehe 4(I)) dar. Anhand von 4(I) ist festzustellen, dass die mit negativer Schräge versehene Seitenwand der Freigabemaske 250 eine freigelegte Kante 250-E zwischen dem Beschichtungsbereich 130 und dem restlichen Beschichtungsbereich 130-R1 erzeugt. Wie wiederum 4(J) zeigt, ermöglicht diese freigelegte Kante einen Zugang eines Lösungsmittels 170, das die Freigabemaske unter Verwendung von bekannten Techniken auflöst. Zum Beispiel kann, wenn die Freigabemaske ein Bildumkehr-Photoresist ist, Azeton als Lösungsmittel 270 verwendet werden. Wenn die Freigabemaske aufgelöst ist, werden die restlichen Beschichtungsbereiche, die darauf gebildet sind, abgehoben. Falls notwendig, kann eine Agitation verwendet werden, um den Abhebungsvorgang zu beschleunigen. Da diese restlichen Beschichtungsbereiche während einer Maskenentfernung abgehoben werden, ist kein Erfordernis vorhanden, ein selektives Ätzen für das Beschichtungsmaterial zu identifizieren, das typischerweise schwierig chemisch zu ätzen ist. Es ist allerdings anzumerken, dass die restlichen Beschichtungsbereiche 130-R2 auf dem Substrat 101 (siehe 3) verbleiben. Allerdings verbleiben, da jede Federstruktur 100 in einem separaten Freigabefenster (wie dies in 5(B) dargestellt ist) gebildet ist, diese restlichen Beschichtungsbereiche von benachbarten, leitfähigen Strukturen isoliert.
  • 6 stellte eine Federstruktur 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Ähnlich zu der Federstruktur 100 (diskutiert vorstehend) umfasst die Federstruktur 300 einen Freigabeschichtbereich 110, der auf einem Leiter 105 gebildet ist, einen Federmetallfinger 120, der auf dem Freigabeschichtbereich gebildet ist, und eine leitfähige Beschichtung 330, die auf dem Federmetallfinger 120 gebildet ist. Allerdings unterscheidet sich die Federstruktur 300 von der Federstruktur 100 dahingehend, dass die leitfähige Beschichtung 330 auf sowohl dem freien Bereich 125 als auch dem verankerten Bereich 122 des Federmetallfingers 120 gebildet ist (siehe 3, wo die leitfähige Beschichtung 130 nur den freien Bereich 125 abdeckt). Genauer gesagt ist die leitfähige Beschichtung 330 auf einer oberen Oberfläche eines verankerten Bereichs 122 gebildet. Wie vorstehend erwähnt ist, ist es ausreichend bekannt, dass elastisch federnde Metalle, wie beispielsweise MoCr, einen relativ hohen Widerstand im Vergleich zu vielen Formen einer leitfähigen Beschichtung zeigen, wie beispielsweise Ni, Au und Cu. Dementsprechend werden, durch Verlängern der leitfähigen Beschichtung 330 über den verankerten Bereich 122, Ströme, die zwischen dem freien Bereich 125 und dem Leiter 105 hindurchführen, einem geringeren Widerstand als in der Federstruktur 100, aufgrund des Vorhandenseins der leitfähigen Beschichtung 330 auf dem Verankerungsbereich 122, unterworfen.
  • 7 zeigt eine Draufsicht, die eine Freigabemaske 450, verwendet bei der Herstellung einer Federstruktur 300 (6), darstellt. Die Freigabemaske 450 ist ähnlich zu der Freigabemaske 250 (dargestellt in 5(B)), mit der Ausnahme, dass das Freigabefenster, definiert durch die Freigabemaske 450, einen Teil des verankerten Bereichs jeder Federmetallinsel 220(1) bis 220(3) freilegt. Zum Beispiel umfasst, in Bezug auf die Federmetallinsel 220(1), das Freigabefenster 450 einen Kanal 455, der sich über den verankerten Bereich 222 erstreckt. Es ist anzumerken, dass der Kanal 455 die äußere Kante 229 des Verankerungsbereichs 222 mit einer Überlappungsbreite OL von 1 bis 10 Mikron überlappt, um ein unbeabsichtigtes Lösen des Verankerungsbereichs 222 zu verhindern. Wie wiederum 6 zeigt, erzeugt diese Überlappung eine Stufenstrukturschulter 325, die sich entlang der Kante des Verankerungsbereichs 122, nach einer Freigabe, einem Niederschlagen und einem Entfernen der Freigabemaske erstreckt.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Federstruktur auf einem Substrat (101), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bilden einer Federmetallinsel (120) auf einer Schicht eines Freigabematerials (110), wobei die Federmetallinsel (120) einen inneren Spannungsgradienten in der Wachstumsrichtung besitzt; und selektives Entfernen eines ersten Bereichs der Freigabematerial-Schicht von unterhalb eines ersten Bereichs (125) der Federmetallinsel (120) unter Verwendung einer Freigabemaske, die einen zweiten Bereich (122) der Federmetallinsel (120) und einen zweiten Bereich der Freigabematerial-Schicht (110) abdeckt und die den ersten Bereich (125) der Federmetallinsel (120) und den ersten Bereich der Freigabematerial-Schicht durch ein Fenster, gebildet in der Freigabemaske, freilegt, wodurch, unter Entfernen des ersten Bereichs der Freigabematerial-Schicht (110), die inneren Spannungsvariationen bewirken, dass sich der erste Bereich (125) der Federmetallinsel (120) nach oben relativ zu dem Substrat (101) biegt, um dadurch einen Federmetallfinger zu bilden, der einen Ankerbereich (122) und einen freien Bereich (125) besitzt, Niederschlagen einer leitfähigen Beschichtung (130) direkt auf nur einer vorderen, freien Kante und einer oberen Fläche des freigelegten, freien Bereichs (125) des Federmetallfingers durch einen direktionalen Niederschlagsprozess, wobei nur die Bereiche des freigelegten, freien Bereichs (125), die beschichtet werden sollen, in die Richtung hinweisen, von der der Niederschlag ausgeht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt eines Bildens der Federmetallinsel (120) aufweist: Bilden der Freigabematerial-Schicht (110) aus einem elektrisch leitenden Material; Bilden eines Metallfilms auf der Freigabematerial-Schicht und Spannungsbearbeitung des Metallfilms, um den inneren Spannungsgradienten darin zu bilden; Bilden einer ersten Maske über einen langgestreckten Bereich des spannungsbearbeiteten Metallfilms; und Ätzen freigelegter Bereiche des spannungsbearbeiteten Metallfilms.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die leitfähige Beschichtung (130) auf dem freien Bereich (125) des Federmetallfingers gebildet wird, bevor die Freigabemaske entfernt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin zumindest ein Durchführen eines mindestens in-situ Ion-Milling oder eines Back-Sputtering auf dem freien Bereich (125) des Federmetallfingers vor einem Niederschlagen der leitfähigen Beschichtung (130) aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitfähige Beschichtung (130) mindestens eines von Rh, Ir, Re, Pt und Pd aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Federmetallfinger mindestens eines von Molybdän (Mo), Chrom (Cr) und Nickel-Zirkon (NiZr) aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Freigabemaske mit einem Kanal versehen ist, der sich über den zweiten Bereich (122) der Federmetallinsel (120) erstreckt, wodurch, während des Schritts eines Niederschlagens der leitfähigen Beschichtung (130) unter Verwendung des direktionalen Niederschlagsprozesses, der Ankerbereich (122) des Federmetallfingers, freigelegt durch den Kanal, auch mit der leitfähigen Beschichtung (130) beschichtet wird, um eine Leitfähigkeit zu verbessern.
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