WO1996008749A2 - Method of producing a three-dimensional component or group of components - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a three-dimensional component or a component group, in particular on surfaces of already processed semiconductor chips.
- micromechanical or microelectronic components such as three-dimensional micro-coils or transformers directly on surfaces of fully processed electronic components enables, in addition to further miniaturization of the overall structure, the production of previously unrealizable systems while at the same time reducing production costs.
- the basic structures of known RF-ID systems consist of two hardware components, an information data carrier and one Base station and two physical interfaces between the components.
- the data exchange takes place via a magnetic or electromagnetic high-frequency field. Frequencies around 125 kHz and a few MHz are common.
- Systems that work in the information carrier without internal energy supply are particularly interested. These can be made much smaller and also have a longer service life.
- the design of the communication interface is of particular interest for the future development of these RF-ID systems, i.e. the design of the transmitting and receiving antennas.
- the information carrier obtains the energy via transformer coupling, i.e. it has a coil as the receiving antenna.
- the voltage transmission grows with the transmission frequency and the maximum achievable resonant circuit quality. Since high power consumption lowers the quality, future systems must have low energy consumption and the highest possible carrier frequencies. Modern CMOS technology creates the conditions for this.
- the development is moving towards an increasingly greater miniaturization and ultimately towards a complete integration of the information carrier on a silicon chip, whereby all previously used assembly technologies are superfluous.
- capacitors and coils With integrated manufacturing, about 1000 RF-ID systems could be produced on a 6 inch Si wafer at the same time and the unit price could be greatly reduced.
- planar coils on the Chip surface ⁇ can be realized with the help of conventional CMOS metallization. Since the metallization is normally used for the electrical wiring of the circuit elements on the chip, no active components can be accommodated in the coil areas.
- Another disadvantage is the limited low resistance of the conductor tracks. With the usual specific material resistance, ohmic resistances of a few k ⁇ result on a 4 mm chip with 50 turns. This high resistance causes a poor quality of the input resonance circuit and leads to low-pass attenuation at high carrier frequencies when parasitic capacitances occur in the chip structure.
- Kawahito et al., Sensors and Materials 5 (1994) 241-251 presents a method for producing a three-dimensional coil with a core on a silicon chip, which has the disadvantage of a planar structure, ie in particular the limited number of coil windings per surface element, eliminated.
- the coil axis runs parallel to the surface of the chip.
- the core is embedded by electrodeposition in a polyimide layer, which serves as insulation from the coil windings.
- the coil windings are produced by means of splintering and subsequent structuring on the chip surface (lower coil area) or on the polyimide layer (upper and lateral coil areas).
- the methods mentioned use only thick photoresist and intermediate electroplating layers for the formation of the three-dimensional structures.
- the construction of more complicated structures is therefore only possible with increased effort.
- the lacquers which can be used are not sufficiently physically, chemically and thermally stable.
- the varnish becomes vacuum in the vacuum, for example, when an electroplating start layer splinters, or gas bubbles are generated by escaping solvent, so that no flat surfaces over larger areas (mm range) are available for subsequent layer build-ups.
- the splintered galvanic start layer seals the underlying lacquer layers. With further outgassing, deformations and destruction of the electroplating starter layers above can occur. Different thermal expansion coefficients also support the formation of cracks in the overall structure. The reliable manufacture of complicated multi-layer structures is therefore not possible.
- the method according to the invention also uses the molding with metallic auxiliary layers (sacrificial layers) to be removed later for the three-dimensional structures.
- these metallic auxiliary layers lying in the lacquer layers are simultaneously used as electroplating start layers for further levels to be built up.
- the method is suitable for all microelectronic or micromechanical components which have individual regions which can be produced by galvanic layer deposition, that is to say are electrically conductive.
- the three-dimensional components or component groups are built up in layers on a surface, for example the surface of a chip.
- the first area is first applied to the surface or to those already applied Layers or component areas are galvanically deposited. This requires an electroplating start layer that can be sputtered on beforehand. It is of course not necessary to apply the starting layer if an electrically conductive layer is already present as a base.
- a structurable layer eg photoresist
- the structure must expose a part of the electroplating start layer which is adjacent or below, depending on the component geometry, so that the desired shape of the first region can be produced in the structure by the subsequent electrodeposition.
- the shape of the first region is determined by the shape of the structure and the thickness of the deposited layer. Adjacent to the first area already applied, a metallic sacrificial layer is now electrodeposited, which defines the space between the already applied (first) and the area or areas to be applied (second). For example, the distance between the two plates of a capacitor is determined by the thickness of the metallic sacrificial layer that is deposited on one of the plates.
- the already applied electrically conductive (first) area serves as the electroplating start layer for the deposition of the metallic sacrificial layer.
- the shape of the metallic sacrificial layer is also predetermined by the fact that the deposition takes place in a correspondingly structured layer (for example photoresist, see above).
- the second region of the component is electrodeposited onto the metallic sacrificial layer, the shaping again being carried out by means of a structurable layer analogous to the deposition of the first region.
- a structurable layer analogous to the deposition of the first region.
- the metallic sacrificial layer so that no additional electroplating layer has to be applied.
- a further metallic sacrificial layer can now be applied to the second layer in the same way and the method can be continued accordingly.
- the repeated use of the method steps shown enables the production of complex component structures.
- the structurable layers and the metallic sacrificial layers are selectively removed at the latest after completion of all areas of the component or the component group. After completion of the method, a component is thus available which has electrically conductive areas which are spaced apart from one another by precisely defined free spaces.
- the method described here provides, for example, coils and transformers for integration on chip surfaces that were previously not possible in this form. With an increased range of variations in inductance, it enables completely new ways of carrying out information carriers.
- An advantage of the method according to the invention is, in particular, that the metallic auxiliary layers, which have the double function of a sacrificial layer and an electroplating start layer, have a very high stability, so that smooth stable surfaces are provided, on which further levels can be built up without problems.
- Electroplated layer surfaces can be greatly changed in their properties, such as roughness and reflectivity, by varying the deposition parameters (current strength, pulse duration, temperature). This can be used to achieve more uniform exposures of the photoresist with different varnish thicknesses (claim 12). Strongly structured surfaces, such as those which arise in the build-up electroplating process, have the consequence that varnish thickness fluctuations have to be dealt with in a plane to be exposed. The reduction in the reflection under thin layers of lacquer on rougher surfaces leads to a lower exposure effect, whereas highly reflective ones smooth surfaces favor the exposure of thick layers of paint. This enables large differences in lacquer thickness to be equalized.
- the roughness of the electroplating surfaces can also be increased by chemical intermediate treatments, such as immersion baths in acids. In addition to the changed reflectivity of the surfaces, increased roughness also improves paint adhesion.
- process steps can also be saved compared to the previously known methods, since no additional electroplating start layers are required for each further level.
- the method makes it possible to generate minimal distances between different areas of the component or the component group with high accuracy.
- the method can advantageously be carried out directly on finished chip surfaces that were previously provided with a chemically resistant insulation layer (chip-on technology), and thus enables the integration of electrical components such as e.g. Coils, transformers or capacitors without using bonding techniques.
- electrical components such as e.g. Coils, transformers or capacitors without using bonding techniques.
- contact holes are opened in the insulation layer of the chip and the component is electrically contacted via these contact holes with the components of the chip, for example via galvanically separated supply lines (claim 3).
- 2 shows a side view of a three-dimensional coil with a core produced by the method according to the invention, integrated on a finished chip surface
- 3 ar shows an example of the production according to the invention of a rectangular cylinder with a piston
- 4 a-b show an example of the use of roughness differences on electroplating surfaces to adjust the exposure effect in the case of widely differing coating thicknesses.
- a three-dimensional coil with a core is integrated on a chip surface.
- Preliminary work that is necessary for such structures on chips is due to the stacked construction and the materials used. These preparations must be taken into account when designing the microsystem and can be carried out during CMOS production.
- So z. B. a barrier layer between the CMOS structure and the overlying system structure, which prevent the diffusion of harmful metal ions (z. B. gold) in the underlying chip.
- a sufficiently thick (a few 100 nm to 1 ⁇ m), chemically sealed electrical insulation layer (e.g. silicon nitride layer) between the chip structure and the metallic layers of the overlying components is necessary.
- the three-dimensional coils or transformers according to the invention as can be used in the interfaces for contactless identification and communication systems, are produced according to the following method:
- the passivating and insulating protective layer on the chips 1 is opened at the electrical contact points to the chip (not shown in FIG. 1).
- An electroplating start layer 2 which is applied by sputtering and, depending on the structure of the chip, can consist of one layer of silicon nitride / gold, titanium / nickel or only of platinum, is deposited over the entire surface of the chip surface (FIG. 1a).
- a layer of highly viscous, UV-structurable photoresist 3 is applied to the galva Matekt Anlagenicht 2 applied and dried (Fig. 1b).
- the drying process must be carried out in such a way that the lacquer dries well, but no cracks occur when it cools down.
- the first photoresist layer 3 is structured by exposure to a UV exposure device and subsequent development in an immersion process. or spraying method (Fig. 1c).
- the supply lines (not shown in FIG. 1) to the open contact points and the lower coil level 5 are formed by electrodeposition in the lacquer structures 4.
- the thickness of the lower lacquer layer 3 is determined by the desired thickness of the lower coil level determined (Fig. 1d).
- the galvanized wafers are rinsed well and dried at room temperature.
- a further approximately 10 ⁇ m thick photoresist layer 6 is then applied to the lower layer (FIG. 1e). It should be noted that the entire process is designed in such a way that unintentional UV exposure (daylight, microscope) is excluded. This is followed by exposure of a central region 7 along the axis of the coil to be produced over the entire coil length (FIG. 1f).
- the lower coil windings 5 and between them the underlying electroplating start layer 2 are thus exposed in the exposed area.
- a less noble sacrificial metal 8 is deposited into these lacquer structures 7 than that used for the coil structure (FIG. 1g). Copper is a suitable sacrificial material for gold coils.
- the lacquer 3, 6 is completely removed and a new 40-60 ⁇ m thick photoresist layer 9 is applied (FIG. 1h).
- a further lithography step 10 which is likewise along the coil axis, but longer and narrower than the sacrificial layer, exposes the anchors for the coil core and defines the structure of the coil core itself (FIG. 1i).
- a NiFe alloy (permalloy) 11 of the desired thickness (for example 10-100 ⁇ m) is deposited in the now exposed areas (FIG. 1j). This layer is connected to the electroplating start layer 2 and thus to the chip 1 itself outside of the coil windings and is separated from the coil turns 5 below by the sacrificial layer 8 previously applied within the coil. After electroplating, cleaning and drying take place.
- the same lacquer layer 9 is structured 12 in such a way that the side walls of the core 11 are exposed and the core is completely covered with a sacrificial layer 8, 13 by a new galvanic molding (FIGS. 1j and 1k).
- a further lacquer layer 14 of appropriate thickness is applied in order to structure 15 of the still missing top and side areas of the coils (bridges) (FIG. 11).
- the subsequent galvanic impression with 10 - 20 ⁇ m coil metal (gold, copper) forms the upper and the lateral coil areas 16 (FIG. 1 m).
- the entire sacrificial layer 8, 13 is then removed using a suitable selective etchant which does not attack the chip structure, for example ammonia with a small addition of hydrogen peroxide in the case of copper as the sacrificial layer material and a gold coil with a Ni / Fe core (FIG. 10).
- a suitable selective etchant which does not attack the chip structure, for example ammonia with a small addition of hydrogen peroxide in the case of copper as the sacrificial layer material and a gold coil with a Ni / Fe core (FIG. 10).
- the metal portions of the electroplating start layer 2 in the entire wafer area must finally be removed (FIG. 1p). Since this must also take place between the windings, only a wet chemical etching step is again possible. For a silicon nitride / gold starting layer, this can be done by etching with suitable etching solutions (e.g. KJ / J) without having to accept appreciable thickness losses in the gold windings 5, 16 or in the NiFe core 11.
- suitable etching solutions e.g. KJ / J
- FIG. 2 A side view of a three-dimensional coil with core 17 integrated in this way on a chip surface with CMOS components 1 is shown in FIG. 2.
- a rectangular cylinder with a piston is produced on a wafer surface using the following method steps:
- a nickel layer 19 is applied to the surface of the wafer 18 as a galvanic start layer (FIG. 3a).
- a suitable method e.g. B. in the centrifugal process, an approximately 50-60 ⁇ m high layer of UV-structurable photoresist 20 (e.g. highly viscous novolac) is applied to the electroplating start layer 19 and dried.
- the first photoresist layer is structured according to the shape of the bulb (bulb width and bulb length) by exposure to a UV exposure unit and subsequent development in the immersion or spray process (Fig. 3b).
- a metallic auxiliary layer 22 (here: copper) is first electroplated into the structure 21 thus formed up to a defined height (FIG. 3c; in plan view: FIG. 3d).
- the height of the auxiliary layer 22 defines the distance between the piston and the wafer surface.
- piston material 23 here: Fe / Ni alloy
- the piston material 23 is galvanized to a thickness of approximately 40 ⁇ m over the auxiliary layer 22 in the same lacquer structure 21 (FIG. 3e).
- the lacquer 20 is then completely removed.
- a new, approximately 60 ⁇ m thick photoresist layer 24 is then applied.
- This is followed by a further lithography step, which exposes an area 25 which is longer and wider than the piston 23 (cf. FIG. 3f; in plan view: FIG. 3g).
- a further metallic auxiliary layer 26 is deposited on the piston 23 and in the exposed areas between the piston 23 and the photoresist 24 in a thickness which defines the distance between the piston 23 and the cylinder wall.
- the piston is after this Complete step (approx. 5-10 ⁇ m thick) with sacrificial metal 22, 26 (metallic
- the lacquer 24 is completely removed, after which a new approx.
- the entire metallic sacrificial layer 22, 26 is then removed using a suitable selective etchant.
- the result is shown in FIGS. 3p in cross section, 3q in side view and 3r in top view.
- the lower cylinder wall forms the wafer 18 with the electroplating start layer 19.
- the sacrificial metal 22, 26 defines the distance between the piston 23 and the cylinder walls 29, distances of a few micrometers can be achieved.
- the piston for example, holes could be etched into the lower wall of the cylinder from the back of the wafer and the piston could then be moved with pressure. If the piston arrangement is designed such that two of the cylinders described are realized, the piston can be moved pneumatically and the mechanical force can be used in microsystems.
- FIGS. 4a and 4b An example of the use of roughness differences on electroplating surfaces to adjust the exposure effect in the case of paints with widely differing paint thicknesses is shown schematically in FIGS. 4a and 4b.
- 4a shows electroplating structures 30 with different structure heights, to which a photoresist layer 31 has been applied.
- a smooth surface 32 of the low electroplating structure and a rough surface 33 (in FIG. highlighted) the high electroplating structure used in the exposure of the photoresist layer 31.
- the reduction in the reflection on the rough surface 33 leads to a lower exposure effect of the thin lacquer layer above it, whereas the highly reflective smooth surfaces 32 promote the through-exposure of the thick lacquer layer above it.
- the exposure dose is matched to the different coating thicknesses.
- the different roughnesses can already be generated in the galvanic deposition by varying the deposition parameters (current strength, pulse duration, temperature) or after the deposition by chemical intermediate treatments, such as immersion baths in acids.
- the exemplary embodiments presented naturally only show a small section of the large number of components that can be produced using the method according to the invention.
- the method can be used for the production of many other microelectronic (e.g. capacitors) and / or micromechanical (e.g. cooling channels, waveguides, gear wheels on axles, etc.) components with spaced areas.
- microelectronic e.g. capacitors
- micromechanical e.g. cooling channels, waveguides, gear wheels on axles, etc.
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Abstract
Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES DREIDIMENSIONALEN BAUTEILS ODER EINER BAUTEILGRUPPEMETHOD FOR PRODUCING A THREE-DIMENSIONAL COMPONENT OR GROUP OF COMPONENTS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils oder einer Bauteilgruppe, insbesondere auf Oberflächen von bereits prozessierten Halbleiter-Chips.The invention relates to a method for producing a three-dimensional component or a component group, in particular on surfaces of already processed semiconductor chips.
Mikromechanische oder mikroelektronische Bauteile wie beispielsweise drei¬ dimensionale Mikrospulen oder -transformatoren direkt auf Oberflächen von fertigprozessierten elektronischen Bauelementen herstellen zu können, ermög¬ licht neben einer weiteren Miniaturisierung des Gesamtaufbaus die Herstellung bisher nicht realisierbarer Systeme bei gleichzeitiger Kostensenkung in der Fertigung.To be able to manufacture micromechanical or microelectronic components such as three-dimensional micro-coils or transformers directly on surfaces of fully processed electronic components enables, in addition to further miniaturization of the overall structure, the production of previously unrealizable systems while at the same time reducing production costs.
Durch die Anwendung modernster Technologien bei der Herstellung elektroni¬ scher Datenträger und Informationssysteme kommt es zu beschleunigter Ex¬ pansion dieses zukunftsträchtigen Marktes. Um den technischen Fortschritt bei der Computertechnik umsetzten zu können, ist eine rasche Entwicklung bei automatischen Kommunikationsschnittstellen erforderlich. Die dafür verwende¬ ten Radio Frequency ID-Systeme (RF-ID) arbeiten auf Hochfrequenzbasis und wandeln sich zunehmend zu komplexen Informationssystemen mit bidirektiona¬ lem Datenaustausch. Die Grundstrukturen bekannter RF-ID-Systeme bestehen aus zwei Hardwarekomponenten, einem Informationsdatenträger und einer Basisstation, sowie zwei physikalischen Schnittstellen zwischen den Kompo¬ nenten. Der Datenaustausch erfolgt über ein magnetisches bzw. elektro¬ magnetisches Hochfrequenzfeld. Üblich sind Frequenzen um 125 kHz und einigen MHz. Großes Interesse finden hierbei vor allem Systeme, die ohne interne Energieversorgung im Informationsträger arbeiten. Diese können wesentlich kleiner ausgeführt werden und haben zusätzlich eine höhere Lebensdauer. Die notwendige Energie zur Funktion erhalten diese Systeme ebenfalls über das Hochfrequenzfeld. Die Datenübertragung erfolgt über ver¬ schiedene Modulationsverfahren. Passive Systeme zeichnen sich gegenüber aktiven duch einen erweiterten Temperaturbereich aus. Die zu ihrer Funktion notwendigen Übertragungsenergien liegen im Bereich von einigen μW (bis 100 μ W) bei lose gekoppelten Systemen für größere Reichweiten und bei mehr als 1 mW für Systeme mit fester Kopplung.The use of the latest technologies in the production of electronic data carriers and information systems leads to an accelerated expansion of this promising market. In order to be able to implement the technical progress in computer technology, rapid development in automatic communication interfaces is required. The radio frequency ID systems (RF-ID) used for this work on a radio frequency basis and are increasingly being transformed into complex information systems with bidirectional data exchange. The basic structures of known RF-ID systems consist of two hardware components, an information data carrier and one Base station and two physical interfaces between the components. The data exchange takes place via a magnetic or electromagnetic high-frequency field. Frequencies around 125 kHz and a few MHz are common. Systems that work in the information carrier without internal energy supply are particularly interested. These can be made much smaller and also have a longer service life. These systems also receive the necessary energy to function via the high-frequency field. The data transmission takes place via different modulation methods. Passive systems are characterized by an extended temperature range compared to active systems. The transmission energies required for their function are in the range of a few μW (up to 100 μW) for loosely coupled systems for longer ranges and more than 1 mW for systems with a fixed coupling.
Besonderes Interesse für die zukünftige Entwicklung dieser RF-ID-Systeme kommt der Gestaltung der Kommunikationsschnittstelle zu, d.h. der Gestaltung der Sende- und Empfangsantennen. Bei kanalgetrenntem Aufbau sind mehrere abgestimmte Kreise pro Schnittstelle notwendig. Die Energie gewinnt der Informationsträger über transformatorische Auskopplung, d.h. er besitzt als Empfangsantenne eine Spule. Die Spannungsübertragung wächst dabei mit der Übertragungsfrequenz und der maximal realisierbaren Schwingkreisgüte. Da hoher Leistungsverbrauch die Güte erniedrigt, müssen zukünftige Systeme geringen Energieverbrauch und möglichst hohe Trägerfrequenzen aufweisen. Voraussetzungen dafür schafft die moderne CMOS-Technologie. Die Entwicklung geht in Richtung einer zunehmend stärkeren Miniaturisierung und letztlich zu einer vollständigen Integration des Informationsträgers auf einem Siliziumchip, wobei sämtliche bisher genutzte Montagetechnologien überflüssig werden. Dabei besteht jedoch die Notwendigkeit, neben den bereits im Chip vorhandenen elektronischen Bauelementen auch Kapazitäten und Spulen zu integrieren. Bei integrierter Fertigung könnten so auf einem 6 Zoll Si-Wafer ca. 1000 RF-ID-Systeme gleichzeitig hergestellt und dabei der Stückpreis stark reduziert werden.The design of the communication interface is of particular interest for the future development of these RF-ID systems, i.e. the design of the transmitting and receiving antennas. In the case of a channel-separated structure, several coordinated circles per interface are necessary. The information carrier obtains the energy via transformer coupling, i.e. it has a coil as the receiving antenna. The voltage transmission grows with the transmission frequency and the maximum achievable resonant circuit quality. Since high power consumption lowers the quality, future systems must have low energy consumption and the highest possible carrier frequencies. Modern CMOS technology creates the conditions for this. The development is moving towards an increasingly greater miniaturization and ultimately towards a complete integration of the information carrier on a silicon chip, whereby all previously used assembly technologies are superfluous. However, in addition to the electronic components already present in the chip, there is also the need to integrate capacitors and coils. With integrated manufacturing, about 1000 RF-ID systems could be produced on a 6 inch Si wafer at the same time and the unit price could be greatly reduced.
Bei bekannten Systemen wird die vollständige monolithische Integration des Informationsträgers dadurch erreicht, daß planar ausgebildete Spulen auf den Chipoberflächeπ mit Hilfe der konventionellen CMOS-Metallisierung realisiert werden. Da die Metallisierung normalerweise für die elektrische Verdrahtung der Schaltungselemente auf dem Chip genutzt wird, können in den Spulenbereichen keine aktiven Bauelemente untergebracht werden. Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Niederohmigkert der Leiterbahnen. Bei dem üblichen spezifischen Materialwiderstand ergeben sich auf einem 4 mm-Chip bei 50 Windungen ohmsche Widerstände von einigen kΩ. Dieser hohe Widerstand bedingt eine schlechte Güte des Eingangsresonanzkreises und führt bei im Chipaufbau auftretenden parasitären Kapazitäten zu Tiefpaßdämpfungen bei hohen Trägerfrequenzen.In known systems, the complete monolithic integration of the information carrier is achieved in that planar coils on the Chip surfaceπ can be realized with the help of conventional CMOS metallization. Since the metallization is normally used for the electrical wiring of the circuit elements on the chip, no active components can be accommodated in the coil areas. Another disadvantage is the limited low resistance of the conductor tracks. With the usual specific material resistance, ohmic resistances of a few kΩ result on a 4 mm chip with 50 turns. This high resistance causes a poor quality of the input resonance circuit and leads to low-pass attenuation at high carrier frequencies when parasitic capacitances occur in the chip structure.
Ein aus der Aufbau- und Verbindungstechnik entwickeltes Verfahren, das hier Abhilfe schafft, realisiert den Spulenaufbau mit anderen Metallen, vor allem Gold und Kupfer. Die Spulen werden dabei jedoch stets in planarer Ausbildung und ohne die Induktivität verbessernde Spulenkerne gefertigt (R. Jurisch, Elektronik 9 (1993) 86-92).A process developed from the assembly and connection technology, which provides a remedy here, realizes the coil construction with other metals, especially gold and copper. However, the coils are always made in a planar design and without inductance-improving coil cores (R. Jurisch, Elektronik 9 (1993) 86-92).
Basis für weiterhin bekannte dreidimensionale Aufbauten auf Chipoberflächen bildet die Strukturierung dicker Photolacke und die anschließende galvanische Abformung dieser Lackstrukturen. Einfache Strukturen, die mit dieser Basis¬ methode hergestellt wurden, sind z.B. in B. Löchel et al., Microelectr. Enginee¬ ring 21 (1993) 463-466, dargestellt. In G. Engelmann et al., Proc. MEMS 92, Travemύnde, (1992) 93-98, wird dieses Verfahren zur Herstellung von planaren Spulen eingesetzt.The basis for well-known three-dimensional structures on chip surfaces is the structuring of thick photoresists and the subsequent galvanic molding of these lacquer structures. Simple structures that were produced with this basic method are e.g. in B. Löchel et al., Microelectr. Engineering ring 21 (1993) 463-466. In G. Engelmann et al., Proc. MEMS 92, Travemύnde, (1992) 93-98, this method is used for the production of planar coils.
Aus C.H. Ahn et al., J. Micromech. Microeng. 3 (1993) 37-44, ist bekannt, eine planar ausgebildete dreidimensionale Spule mit einem Kern zu fertigen, wobei die Spulenwicklungen in zwei übereinanderiiegenden Ebenen angeordnet und vom Kernmaterial umschlossen sind. Der Spulenkern erhöht die Induktivität der Spule in vorteilhafter Weise. Die unterschiedlichen Ebenen des Spulenaufbaus werden hierbei durch wiederholtes Aufbringen und Strukturieren dicker Photo¬ lacke und anschließende galvanische Abformung dieser Lackstrukturen erzeugt, wobei vor der galvanischen Abscheidung jeder Ebene eine Galvanikstartschicht aufgesplittert werden muß. S. Kawahito et al., Sensors and Materials 5 (1994) 241-251, stellt ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Spule mit Kern auf einem Siliziumchip vor, das den Nachteil eines planaren Aufbaus, d.h. insbesondere die beschränkte Anzahl der Spulenwicklungen pro Oberflächenelement, beseitigt. Die Spulenachse verläuft hier parallel zur Oberfläche des Chips. Bei dem Ver¬ fahren wird der Kern durch galvanische Abscheidung in eine Polyimidschicht eingebettet, die der Isolation gegenüber den Spulenwicklungen dient. Die Spu¬ lenwicklungen werden mittels Splittern und nachfolgender Strukturierung auf die Chipoberfläche (unterer Spulenbereich) bzw. auf die Polyimidschicht (oberer und seitliche Spulenbereiche) erzeugt.From CH Ahn et al., J. Micromech. Microeng. 3 (1993) 37-44, it is known to produce a planar three-dimensional coil with a core, the coil windings being arranged in two superimposed planes and enclosed by the core material. The coil core advantageously increases the inductance of the coil. The different levels of the coil structure are produced by repeated application and structuring of thick photoresists and subsequent galvanic molding of these resist structures, with an electroplating start layer having to be split up before the galvanic deposition of each level. S. Kawahito et al., Sensors and Materials 5 (1994) 241-251, presents a method for producing a three-dimensional coil with a core on a silicon chip, which has the disadvantage of a planar structure, ie in particular the limited number of coil windings per surface element, eliminated. The coil axis runs parallel to the surface of the chip. In the process, the core is embedded by electrodeposition in a polyimide layer, which serves as insulation from the coil windings. The coil windings are produced by means of splintering and subsequent structuring on the chip surface (lower coil area) or on the polyimide layer (upper and lateral coil areas).
Das Aufsplittern der Spulenwicklungen bewirkt jedoch nur geringe Strukturhö¬ hen der Wicklungen von 1-2 μm, so daß die damit realisierbaren Güten und nutzbaren Stromstärken entsprechend niedrig sind und damit die Anwen¬ dungsbreite beschränken.The splitting of the coil windings, however, only results in small structural heights of the windings of 1-2 μm, so that the qualities and usable current strengths that can be achieved with them are correspondingly low and thus limit the range of use.
In B. Löchel et al., Microelectr. Engineering 23 (1994) 455 - 459, ist ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Spule auf Chipoberflächen beschrieben, dessen Basis ebenfalls die Strukturierung dicker Photolacke (10-60 μm Strukturhöhe) und die anschließende galvanische Abformung dieser Lackstrukturen bildet. Die unterschiedlichen Ebenen des Spulenaufbaus werden hier durch wiederholtes Aufbringen und Strukturieren der Photolacke und galvanische Abformung erzeugt, wobei vor der Abscheidung jeder Ebene eine Galvanikstartschicht aufgesputtert werden muß, wenn diese nicht durch eine untere Galvanikschicht ersetzt werden kann.In B. Löchel et al., Microelectr. Engineering 23 (1994) 455-459 describes a process for producing a three-dimensional coil on chip surfaces, the basis of which also forms the structuring of thick photoresists (10-60 μm structure height) and the subsequent galvanic molding of these lacquer structures. The different levels of the coil structure are produced here by repeated application and structuring of the photoresists and galvanic molding, with an electroplating start layer having to be sputtered on before the deposition of each level if this cannot be replaced by a lower electroplating layer.
Beispiele für eine Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung anderer mikromechanischer Bauteile sind in B. Löchel et al., Proc. ACTUATOR 94, Bremen, (1994) 109 - 113, oder in G. Engelmann et al., SPIE 2045 (1994) 306- 313, ausgeführt.Examples of an application of this method for producing other micromechanical components are described in B. Löchel et al., Proc. ACTUATOR 94, Bremen, (1994) 109-113, or in G. Engelmann et al., SPIE 2045 (1994) 306-313.
Die genannten Verfahren verwenden jedoch lediglich dicken Photolack und zwischenliegende Galvanikstartschichten für die Ausbildung der dreidimensio¬ nalen Aufbauten. Der Aufbau komplizierterer Strukturen ist damit nur mit erhöh¬ tem Aufwand möglich. Dies liegt insbesondere daran, daß die einsetzbaren Lacke nicht genügend physikalisch, chemisch und thermisch stabil sind. So wird z.B. der Lack im Vakuum, d.h. beispielsweise beim Aufsplittern einer Galvanikstartschicht brüchig oder es entstehen Gasblasen durch austretendes Lösungsmittel, so daß keine planen Oberflächen über größere Bereiche (mm-Bereich) für nachfolgende Schichtaufbauten mehr zur Verfügung stehen. Die aufgesplitterte Gal¬ vanikstartschicht versiegelt darunterliegende Lackschichten. Bei weiterem Aus¬ gasen kann es zu Deformationen und Zerstörungen der darüberliegenden Gal¬ vanikstartschichten kommen. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffi¬ zienten unterstützen zudem die Bildung von Rissen im Gesamtaufbau. Die zu¬ verlässige Herstellung komplizierter mehrlagiger Stukturen ist damit nicht mög¬ lich.However, the methods mentioned use only thick photoresist and intermediate electroplating layers for the formation of the three-dimensional structures. The construction of more complicated structures is therefore only possible with increased effort. This is due in particular to the fact that the lacquers which can be used are not sufficiently physically, chemically and thermally stable. For example, the varnish becomes vacuum in the vacuum, for example, when an electroplating start layer splinters, or gas bubbles are generated by escaping solvent, so that no flat surfaces over larger areas (mm range) are available for subsequent layer build-ups. The splintered galvanic start layer seals the underlying lacquer layers. With further outgassing, deformations and destruction of the electroplating starter layers above can occur. Different thermal expansion coefficients also support the formation of cracks in the overall structure. The reliable manufacture of complicated multi-layer structures is therefore not possible.
Das Problem wird insbesondere durch das notwendige Aufbringen neuer Gal¬ vanikstartschichten für jede Bauteilebene auf die darunterliegenden Lack¬ schichten verstärkt, was zudem zu einer Erhöhung der Zahl der Verfahrens¬ schritte führt.The problem is exacerbated in particular by the need to apply new electroplating starter layers for each component level to the underlying lacquer layers, which also leads to an increase in the number of process steps.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils oder einer Bauteilgruppe anzugeben, mit dem komplizierte Strukturen auf einfache und zuverlässige Weise aufgebaut und auf Chipoberflächen integriert werden können.It is therefore an object of the present invention to provide a method for producing a three-dimensional component or a component group, with which complicated structures can be built up in a simple and reliable manner and integrated on chip surfaces.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Verfahrens nach Anspruch 1 gelöst. Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteran¬ sprüche.The object is achieved with the features of the method according to claim 1. Particular embodiments of the method are the subject of the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt für die dreidimensionalen Aufbauten neben der galvanischen Abformung von beispielsweise UV-strukturierten Photolackschichten mit aufbauenden Metallschichten auch die Abformung mit später wieder zu entfernenden metallischen Hilfsschichten (Opferschichten). Diese in den Lackschichten liegenden metallischen Hilfsschichten werden bei Mehrlagenaufbauten gleichzeitig als Galvanikstartschichten für weitere aufzu¬ bauende Ebenen genutzt. Das Verfahren ist für alle mikroelektronischen oder mikromechanischen Bauteile geeignet, die einzelne Bereiche aufweisen, welche durch galvanische Schichtabscheidung herstellbar, also elektrisch leitfähig sind. Die dreidimensionalen Bauteile oder Bauteilgruppen werden beim erfindungs¬ gemäßen Verfahren auf einer Oberfläche, z.B. der Oberfläche eines Chips, schichtweise aufgebaut. Zur Herstellung von elektrisch leitfähigen Bereichen zwischen denen im fertigen Bauteil ein definierter freibleibender (d.h. ohne feste Materie) Zwischenraum liegen soll, beispielsweise zwischen zwei Platten eines Kondensators oder zwischen zwei gegenüberliegenden Wänden eines Kühlkanals, wird der erste Bereich zunächst auf die Oberfläche oder auf bereits aufgebrachte Schichten oder Bauteilbereiche galvanisch abgeschieden. Hierzu ist eine Galvanikstartschicht notwendig, die vorher aufgesputtert werden kann. Das Aufbringen der Startschicht ist selbstverständlich nicht notwendig, wenn bereits eine elektrisch leitfähige Schicht als Unterlage vorhanden ist. Auf diese Galvanikstartschicht wird dann eine strukturierbare Schicht (z.B. Photolack) aufgebracht und entsprechend der Form des ersten Bereichs strukturiert. Die Struktur muß einen Teil der je nach Bauteilgeometrie seitlich oder unterhalb angrenzenden Galvanikstartschicht freilegen, so daß die gewünschte Form des ersten Bereichs durch die nachfolgende galvanische Abscheidung in der Struktur erzeugt werden kann. Die Form des ersten Bereiches wird durch die Form der Struktur und die Dicke der abgeschiedenen Schicht bestimmt. Angrenzend an den bereits aufgebrachten ersten Bereich wird nun eine metal¬ lische Opferschicht galvanisch abgeschieden, die den Zwischenraum zwischen dem bereits aufgebrachten (ersten) und dem oder den aufzubringenden (zweiten) Bereichen festlegt. So wird z.B. der Abstand der beiden Platten eines Kondensators durch die Dicke der metallischen Opferschicht bestimmt, die auf eine der Platten abgeschieden wird. Als Galvanikstartschicht für Abscheidung der metallischen Opferschicht dient der bereits aufgebrachte elektrisch leitfähige (erste) Bereich. Die Form der metallischen Opferschicht wird ebenfalls dadurch vorgegeben, daß die Abscheidung in eine entsprechend strukturierte Schicht (z.B. Photolack, vgl. oben) erfolgt. Auf die metallische Opferschicht wird schließlich der zweite Bereich des Bauteils galvanisch abgeschieden, wobei wiederum die Formgebung mittels einer strukturierbaren Schicht analog zur Abscheidung des ersten Bereiches erfolgt. Als galvanische Startschicht dient hier jedoch die metallische Opferschicht, so daß keine zusätzliche Galva¬ nikstartschicht aufgebracht werden muß. Für die Herstellung weiterer, diesmal vom zweiten elektrisch leitfähigen Bereich beabstandeter Bereiche kann nun in gleicher Weise eine weitere metallische Opferschicht auf die zweite Schicht aufgebracht und das Verfahren entsprechend fortgesetzt werden. Durch wie¬ derholte Anwendung der aufgezeigten Verfahrensschritte wird die Herstellung von komplexen Bauteilstrukturen ermöglicht.In addition to the galvanic molding of, for example, UV-structured photoresist layers with metal layers that build up, the method according to the invention also uses the molding with metallic auxiliary layers (sacrificial layers) to be removed later for the three-dimensional structures. In the case of multilayer structures, these metallic auxiliary layers lying in the lacquer layers are simultaneously used as electroplating start layers for further levels to be built up. The method is suitable for all microelectronic or micromechanical components which have individual regions which can be produced by galvanic layer deposition, that is to say are electrically conductive. In the method according to the invention, the three-dimensional components or component groups are built up in layers on a surface, for example the surface of a chip. To produce electrically conductive areas between which there should be a defined free space (i.e. without solid matter) in the finished component, for example between two plates of a condenser or between two opposite walls of a cooling channel, the first area is first applied to the surface or to those already applied Layers or component areas are galvanically deposited. This requires an electroplating start layer that can be sputtered on beforehand. It is of course not necessary to apply the starting layer if an electrically conductive layer is already present as a base. A structurable layer (eg photoresist) is then applied to this electroplating start layer and structured in accordance with the shape of the first region. The structure must expose a part of the electroplating start layer which is adjacent or below, depending on the component geometry, so that the desired shape of the first region can be produced in the structure by the subsequent electrodeposition. The shape of the first region is determined by the shape of the structure and the thickness of the deposited layer. Adjacent to the first area already applied, a metallic sacrificial layer is now electrodeposited, which defines the space between the already applied (first) and the area or areas to be applied (second). For example, the distance between the two plates of a capacitor is determined by the thickness of the metallic sacrificial layer that is deposited on one of the plates. The already applied electrically conductive (first) area serves as the electroplating start layer for the deposition of the metallic sacrificial layer. The shape of the metallic sacrificial layer is also predetermined by the fact that the deposition takes place in a correspondingly structured layer (for example photoresist, see above). Finally, the second region of the component is electrodeposited onto the metallic sacrificial layer, the shaping again being carried out by means of a structurable layer analogous to the deposition of the first region. Serves as galvanic starting layer here, however, the metallic sacrificial layer, so that no additional electroplating layer has to be applied. For the production of further areas, this time spaced from the second electrically conductive area, a further metallic sacrificial layer can now be applied to the second layer in the same way and the method can be continued accordingly. The repeated use of the method steps shown enables the production of complex component structures.
Die strukturierbaren Schichten und die metallischen Opferschichten werden spätestens nach Fertigstellung aller Bereiche des Bauteils oder der Bauteil- gruppe selektiv entfernt. Nach Abschluß des Verfahrens steht somit ein Bauteil zur Verfügung, das elektrisch leitfähige Bereiche aufweist, die durch exakt definierte freibleibendene Zwischenräume voneinander beabstandet sind.The structurable layers and the metallic sacrificial layers are selectively removed at the latest after completion of all areas of the component or the component group. After completion of the method, a component is thus available which has electrically conductive areas which are spaced apart from one another by precisely defined free spaces.
Das hier beschriebene Verfahren stellt mit den dreidimensionalen Aufbauten beispielsweise Spulen und Transformatoren zur Integration auf Chipoberflächen bereit, die bislang in dieser Form nicht realisierbar waren. Es ermöglicht damit durch eine erhöhte Variationsbreite bei der Induktivität völlig neue Wege bei der Ausführung von Informationsträgern.With the three-dimensional structures, the method described here provides, for example, coils and transformers for integration on chip surfaces that were previously not possible in this form. With an increased range of variations in inductance, it enables completely new ways of carrying out information carriers.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere darin, daß die metallischen Hilfsschichten, die die doppelte Funktion einer Opferschicht und einer Galvanikstartschicht haben, eine sehr hohe Stabilität aufweisen, so daß damit glatte stabile Oberflächen bereitgestellt werden, auf denen weitere Ebenen problemlos aufgebaut werden können.An advantage of the method according to the invention is, in particular, that the metallic auxiliary layers, which have the double function of a sacrificial layer and an electroplating start layer, have a very high stability, so that smooth stable surfaces are provided, on which further levels can be built up without problems.
Galvanisch erzeugte Schichtoberflächen (wie z.B. die Oberflächen der metalli¬ schen Opferschichten) können durch Variation der Abscheideparameter (Stromstärke, Pulsdauer, Temperatur) in ihren Eigenschaften, wie Rauhigkeit und Reflektivität, stark verändert werden. Dies kann dazu genutzt werden, um gleichmäßigere Belichtungen des Photolacks bei unterschiedlichen Lackdicken zu erzielen (Anspruch 12). Stark strukturierte Oberflächen, wie sie bei dem auf¬ bauenden Galvanikprozeß entstehen, haben zur Folge, daß Lackdicken¬ schwankungen in einer zu belichtenden Ebene bewältigt werden müssen. Die Verminderung der Reflexion unter dünnen Lackschichten bei rauheren Oberflä¬ chen führt zu einer geringeren Belichtungswirkung, wogegen stark reflektierende glatte Oberflächen die Durchbelichtung dicker Lackschichten begünstigen. Dadurch wird eine Angleichung großer Lackdickenunterschiede erreicht. Die Rauhigkeit der Galvanikoberflächen kann auch durch chemische Zwischenbe¬ handlungen, wie Tauchbäder in Säuren, erhöht werden. Neben der veränderten Reflektivttät der Oberflächen bedingt eine erhöhte Rauhigkeit eine Verbesserung der Lackhaftung.Electroplated layer surfaces (such as the surfaces of the metallic sacrificial layers) can be greatly changed in their properties, such as roughness and reflectivity, by varying the deposition parameters (current strength, pulse duration, temperature). This can be used to achieve more uniform exposures of the photoresist with different varnish thicknesses (claim 12). Strongly structured surfaces, such as those which arise in the build-up electroplating process, have the consequence that varnish thickness fluctuations have to be dealt with in a plane to be exposed. The reduction in the reflection under thin layers of lacquer on rougher surfaces leads to a lower exposure effect, whereas highly reflective ones smooth surfaces favor the exposure of thick layers of paint. This enables large differences in lacquer thickness to be equalized. The roughness of the electroplating surfaces can also be increased by chemical intermediate treatments, such as immersion baths in acids. In addition to the changed reflectivity of the surfaces, increased roughness also improves paint adhesion.
Mit dem Verfahren lassen sich zudem gegenüber den bisher bekannten Ver¬ fahren Prozeßschritte einsparen, da keine zusätzlichen Galvanikstartschichten für jede weitere Ebene benötigt werden.With the method, process steps can also be saved compared to the previously known methods, since no additional electroplating start layers are required for each further level.
Weiterhin ist es mit dem Verfahren möglich, minimale Abstände zwischen un¬ terschiedlichen Bereichen des Bauteils oder der Bauteilgruppe mit hoher Ge¬ nauigkeit zu erzeugen.Furthermore, the method makes it possible to generate minimal distances between different areas of the component or the component group with high accuracy.
Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise direkt auf fertigprozessierten Chip¬ oberflächen, die vorher mit einer chemisch resistenten Isolationsschicht verse¬ hen wurden, durchgeführt werden (Chip-On-Technik), und ermöglicht somit die Integration elektrischer Bauteile wie z.B. Spulen, Transformatoren oder Kon¬ densatoren ohne Anwendung von Bonding-Techniken.The method can advantageously be carried out directly on finished chip surfaces that were previously provided with a chemically resistant insulation layer (chip-on technology), and thus enables the integration of electrical components such as e.g. Coils, transformers or capacitors without using bonding techniques.
Hierzu werden in der Isolationschicht des Chips Kontaktlöcher geöffnet und über diese Kontaktlöcher das Bauteil mit den Bauelementen des Chips beispielsweise über galvanisch abgeschiedene Zuführungsleitungen elektrisch kontaktiert (Anspruch 3).For this purpose, contact holes are opened in the insulation layer of the chip and the component is electrically contacted via these contact holes with the components of the chip, for example via galvanically separated supply lines (claim 3).
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Ausführungs¬ beispiele und der Zeichnungen näher erläutert.The method according to the invention is explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiments and the drawings.
Dabei zeigen:Show:
Fig. 1 a-p ein Beispiel für die Herstellung einer dreidimensionalen Spule mit einem Kern mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,1 a-p an example of the production of a three-dimensional coil with a core using the method according to the invention,
Fig. 2 eine Seitenansicht einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten dreidimensionalen Spule mit einem Kern, integriert auf einer fertigprozessierten Chipoberfläche, Fig. 3 a-r ein Beispiel für die erfindungsgemäße Herstellung eines recht¬ eckigen Zylinders mit Kolben, und2 shows a side view of a three-dimensional coil with a core produced by the method according to the invention, integrated on a finished chip surface, 3 ar shows an example of the production according to the invention of a rectangular cylinder with a piston, and
Fig. 4 a-b ein Beispiel für die Nutzung von Rauhigkeitsunterschieden auf Galvanikoberflächen zum Angleichen der Belichtungswirkung bei stark unterschiedlichen Lackdicken.4 a-b show an example of the use of roughness differences on electroplating surfaces to adjust the exposure effect in the case of widely differing coating thicknesses.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine dreidimensionale Spule mit einem Kern auf eine Chipoberfläche integriert. Vorarbeiten, die für solche Aufbauten auf Chips notwendig sind, werden durch die Stapelbauweise und die verwendeten Materialien bedingt. Diese Vorbereitungen müssen bei der Konzeption des Mikrosystems berücksichtigt werden und können bei der CMOS-Fertigung durchgeführt werden. So muß z. B. eine Sperrschicht zwischen CMOS-Aufbau und darüberliegendem Systemaufbau eingebracht werden, die die Eindiffusion von schädigenden Metallionen (z. B. Gold) in den darunterliegenden Chip verhindern. Außerdem ist eine genügend dicke (einige 100 nm bis 1 μm), chemisch dichte elektrische Isolationsschicht (z.B. Siliziumnitrid-Schicht) zwischen dem Chipaufbau und den metallischen Schichten der darüberliegen- den Bauteile notwendig.In a first exemplary embodiment, a three-dimensional coil with a core is integrated on a chip surface. Preliminary work that is necessary for such structures on chips is due to the stacked construction and the materials used. These preparations must be taken into account when designing the microsystem and can be carried out during CMOS production. So z. B. a barrier layer between the CMOS structure and the overlying system structure, which prevent the diffusion of harmful metal ions (z. B. gold) in the underlying chip. In addition, a sufficiently thick (a few 100 nm to 1 μm), chemically sealed electrical insulation layer (e.g. silicon nitride layer) between the chip structure and the metallic layers of the overlying components is necessary.
Die erfindungsgemäßen dreidimensionalen Spulen bzw. Transformatoren, wie sie in den Schnittstellen für kontaktlose Identifikations- und Kommunikations¬ systeme verwendet werden können, werden nach folgendem Verfahren her¬ gestellt:The three-dimensional coils or transformers according to the invention, as can be used in the interfaces for contactless identification and communication systems, are produced according to the following method:
Die passivierende und isolierende Schutzschicht auf den Chips 1 wird an den elektrischen Kontaktstellen zum Chip geöffnet (in Fig. 1 nicht darge¬ stellt).The passivating and insulating protective layer on the chips 1 is opened at the electrical contact points to the chip (not shown in FIG. 1).
Eine Galvanikstartschicht 2, die durch Sputtern aufgebracht und abhängig vom Aufbau des Chips aus je einer Lage Siliziumnitrid/Gold, Titan/Nickel oder nur aus Platin bestehen kann, wird ganzflächig auf die Chipoberfläche abgeschieden (Fig. 1a).An electroplating start layer 2, which is applied by sputtering and, depending on the structure of the chip, can consist of one layer of silicon nitride / gold, titanium / nickel or only of platinum, is deposited over the entire surface of the chip surface (FIG. 1a).
Mit einem geeigneten Verfahren, z. B. im Schleuderverfahren, wird eine Schicht hochviskosen, UV-strukturierbaren Photolacks 3 auf die Galva- nikstartschicht 2 aufgetragen und getrocknet (Fig. 1b). Der Trockenprozeß muß, abhängig vom verwendeten Photolack, so betrieben werden, daß der Lack gut durchtrocknet, jedoch keine Risse beim Abkühlen entstehen. Nach einer eventuell notwendigen Lacknachbehandlung (für Novolack- systeme eine lichtgeschützte Lagerung bei Raumtemperatur und norma¬ lem Reinraumklima über mehrere Stunden bis Tage) erfolgt die Strukturie- rung der ersten Photolackschicht 3 durch Exposition an einem UV-Belich¬ ter und anschließender Entwicklung im Tauch- oder Sprühverfahren (Fig. 1c).With a suitable method, e.g. B. in the centrifugal process, a layer of highly viscous, UV-structurable photoresist 3 is applied to the galva Niciktschichticht 2 applied and dried (Fig. 1b). Depending on the photoresist used, the drying process must be carried out in such a way that the lacquer dries well, but no cracks occur when it cools down. After a possibly necessary paint aftertreatment (for novolak systems, light-protected storage at room temperature and normal clean room climate for several hours to days), the first photoresist layer 3 is structured by exposure to a UV exposure device and subsequent development in an immersion process. or spraying method (Fig. 1c).
Nach Trocknung bei Raumtemperatur erfolgt die Ausbildung der Zufüh¬ rungsleitungen (in Fig. 1 nicht dargestellt) zu den geöffneten Kontaktstellen und der unteren Spulenebene 5 durch galvanische Schichtabscheidung in die Lackstrukturen 4. Die Dicke der unteren Lackschicht 3 wird durch die erwünschte Dicke der unteren Spulenebene bestimmt (Fig. 1d). Die galvanisierten Wafer werden gut gespült und bei Raumtemperatur getrocknet. Anschließend wird eine weitere ca. 10 μm dicke Photolack¬ schicht 6 auf die untere Schicht aufgebracht (Fig. 1e). Dabei ist zu beach¬ ten, daß die gesamte Prozeßführung so gestaltet ist, daß eine unbeab¬ sichtigte UV-Belichtung (Tageslicht, Mikroskop) ausgeschlossen wird. Es folgt die Belichtung eines Mittenbereiches 7 längs der Achse der herzu¬ stellenden Spule über die gesamte Spulenlänge (Fig. 1f). Im belichteten Bereich liegen somit die unteren Spulenwicklungen 5 und zwischen diesen die darunterliegende Galvanikstartschicht 2 frei. In diese Lackstrukturen 7 wird ein unedleres Opfermetall 8 abgeschieden, als das für den Spulenaufbau genutzte (Fig. 1g). Für Goldspulen bietet sich Kupfer als Opfermaterial an, für Kupferspulen z. B. Zink. Eine zusätzliche Galva¬ nikstartschicht ist an dieser Stelle nicht notwendig. Nach der ersten Opfermetallabscheidung wird der Lack 3, 6 vollständig entfernt und eine neue 40 - 60 μm dicke Photolackschicht 9 aufgetragen (Fig. 1h). Danach erfolgt ein weiterer Lithographieschritt 10, der ebenfalls längs der Spulenachse, jedoch länger und schmaler als die Opferschicht ist, die Verankerungen für den Spulenkern freilegt und die Struktur des Spulenkerns selbst definiert (Fig. 1i). Im nachfolgenden Galvanikschritt wird in die jetzt freiliegenden Bereiche eine NiFe-Legierung (Permalloy) 11 in gewünschter Dicke (z.B 10 - 100 μ m) abgeschieden (Fig. 1j). Diese Schicht ist außerhalb der Spulenwick¬ lungen mit der Galvanikstartschicht 2 und damit mit dem Chip 1 selbst verbunden und innerhalb der Spule durch die vorher aufgebrachte Opfer¬ schicht 8 von den darunterliegenden Spulenwindungen 5 getrennt. Nach der Galvanik erfolgt eine Reinigung und Trocknung. Im nächsten Schritt wird dieselbe Lackschicht 9 so strukturiert 12, daß die Seitenwände des Kerns 11 freiliegen und durch eine neue galvanische Abformung der Kern vollständig mit einer Opferschicht 8, 13 ummantelt ist (Fig. 1j und 1k).After drying at room temperature, the supply lines (not shown in FIG. 1) to the open contact points and the lower coil level 5 are formed by electrodeposition in the lacquer structures 4. The thickness of the lower lacquer layer 3 is determined by the desired thickness of the lower coil level determined (Fig. 1d). The galvanized wafers are rinsed well and dried at room temperature. A further approximately 10 μm thick photoresist layer 6 is then applied to the lower layer (FIG. 1e). It should be noted that the entire process is designed in such a way that unintentional UV exposure (daylight, microscope) is excluded. This is followed by exposure of a central region 7 along the axis of the coil to be produced over the entire coil length (FIG. 1f). The lower coil windings 5 and between them the underlying electroplating start layer 2 are thus exposed in the exposed area. A less noble sacrificial metal 8 is deposited into these lacquer structures 7 than that used for the coil structure (FIG. 1g). Copper is a suitable sacrificial material for gold coils. B. Zinc. An additional electroplating layer is not necessary at this point. After the first sacrificial metal deposition, the lacquer 3, 6 is completely removed and a new 40-60 μm thick photoresist layer 9 is applied (FIG. 1h). This is followed by a further lithography step 10, which is likewise along the coil axis, but longer and narrower than the sacrificial layer, exposes the anchors for the coil core and defines the structure of the coil core itself (FIG. 1i). In the subsequent electroplating step, a NiFe alloy (permalloy) 11 of the desired thickness (for example 10-100 μm) is deposited in the now exposed areas (FIG. 1j). This layer is connected to the electroplating start layer 2 and thus to the chip 1 itself outside of the coil windings and is separated from the coil turns 5 below by the sacrificial layer 8 previously applied within the coil. After electroplating, cleaning and drying take place. In the next step, the same lacquer layer 9 is structured 12 in such a way that the side walls of the core 11 are exposed and the core is completely covered with a sacrificial layer 8, 13 by a new galvanic molding (FIGS. 1j and 1k).
Nach einer vollständigen Entlackung wird eine weitere Lackschicht 14 entsprechender Dicke aufgetragen, um die noch fehlenden oberen und seitlichen Bereiche der Spulen (Brücken) zu strukturieren 15 (Fig. 11). Die anschließende galvanische Abformung mit 10 - 20 μm Spulenmetall (Gold, Kupfer) bildet den oberen und die seitlichen Spulenbereiche 16 aus (Fig. 1m).After complete stripping, a further lacquer layer 14 of appropriate thickness is applied in order to structure 15 of the still missing top and side areas of the coils (bridges) (FIG. 11). The subsequent galvanic impression with 10 - 20 μm coil metal (gold, copper) forms the upper and the lateral coil areas 16 (FIG. 1 m).
Im nächsten Schritt wird der gesamte Lackaufbau 9 mit Lösungsmitteln (Aceton) entfernt (Fig. 1n).In the next step, the entire paint structure 9 is removed with solvents (acetone) (FIG. 1n).
Anschließend wird mit einem geeigneten selektiven Ätzmittel, das den Chipaufbau nicht angreift, beispielsweise Ammoniak mit einem geringen Zusatz von Wasserstoffperoxid bei Kupfer als Opferschichtmaterial und einer Goldspule mit Ni/Fe-Kern, die gesamte Opferschicht 8, 13 entfernt (Fig. 1o).The entire sacrificial layer 8, 13 is then removed using a suitable selective etchant which does not attack the chip structure, for example ammonia with a small addition of hydrogen peroxide in the case of copper as the sacrificial layer material and a gold coil with a Ni / Fe core (FIG. 10).
Um die Spule funktional betreiben zu können, müssen abschließend noch die Metallanteile der Galvanikstartschicht 2 im gesamten Waferbereich entfernt werden (Fig. 1p). Da dies auch zwischen den Wicklungen erfolgen muß, kommt dafür wieder nur ein naßchemischer Ätzschritt in Frage. Für eine Siliziumnitrid/Gold Startschicht kann dies durch Ätzung mit geeigneten Ätzlösungen (z.B. KJ/J) erfolgen, ohne daß merkliche Dickenverluste bei den Goldwicklungen 5, 16 oder beim NiFe-Kern 11 hingenommen werden müssen.In order to be able to operate the coil functionally, the metal portions of the electroplating start layer 2 in the entire wafer area must finally be removed (FIG. 1p). Since this must also take place between the windings, only a wet chemical etching step is again possible. For a silicon nitride / gold starting layer, this can be done by etching with suitable etching solutions (e.g. KJ / J) without having to accept appreciable thickness losses in the gold windings 5, 16 or in the NiFe core 11.
Nach einer abschließenden Reinigung ist die auf der Oberfläche befindliche Spule 17 funktional an den Chip 1 kontaktiert und einsatzfähig. Eine Seitenansicht einer auf diese Weise auf einer Chipoberfläche mit CMOS Bauteilen 1 integrierten dreidimensionalen Spule mit Kern 17 bietet Fig. 2.After a final cleaning, the coil 17 on the surface is functionally contacted to the chip 1 and ready for use. A side view of a three-dimensional coil with core 17 integrated in this way on a chip surface with CMOS components 1 is shown in FIG. 2.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein rechteckiger Zylinder mit einem Kolben auf einer Waferoberflläche mit folgenden Verfahrensschritten hergestellt:In a second exemplary embodiment, a rectangular cylinder with a piston is produced on a wafer surface using the following method steps:
Auf die Oberfläche des Wafers 18 wird eine Nickel-Schicht 19 als Galva¬ nikstartschicht aufgebracht (Fig. 3a). Mit einem geeigneten Verfahren, z. B. im Schleuderverfahren, wird eine ca. 50-60 μm hohe Schicht UV- strukturierbaren Photolacks 20 (z.B. hochviskoser Novolack) auf die Gal¬ vanikstartschicht 19 aufgetragen und getrocknet. Nach einer eventuell notwendigen Lacknachbehandlung (für Novolacksysteme eine lichtge¬ schützte Lagerung bei Raumtemperatur und normalem Reinraumklima über mehrere Stunden bis Tage) erfolgt die Strukturierung der ersten Photolackschicht entsprechend der Form des Kolbens (Kolbenbreite und Kolbenlänge) durch Exposition an einem UV-Belichter und anschließender Entwicklung im Tauch- oder Sprühverfahren (Fig. 3b). In die so entstan¬ dene Struktur 21 wird zunächst eine metallische Hilfsschicht 22 (hier: Kupfer) bis zu einer definierten Höhe galvanisch abgeschieden (Fig. 3c; in Draufsicht: Fig. 3d). Die Höhe der Hilfsschicht 22 legt den Abstand des Kolbens zur Waferoberfläche fest.A nickel layer 19 is applied to the surface of the wafer 18 as a galvanic start layer (FIG. 3a). With a suitable method, e.g. B. in the centrifugal process, an approximately 50-60 μm high layer of UV-structurable photoresist 20 (e.g. highly viscous novolac) is applied to the electroplating start layer 19 and dried. After a possibly necessary paint aftertreatment (for novolak systems, light-protected storage at room temperature and normal clean room climate for several hours to days), the first photoresist layer is structured according to the shape of the bulb (bulb width and bulb length) by exposure to a UV exposure unit and subsequent development in the immersion or spray process (Fig. 3b). A metallic auxiliary layer 22 (here: copper) is first electroplated into the structure 21 thus formed up to a defined height (FIG. 3c; in plan view: FIG. 3d). The height of the auxiliary layer 22 defines the distance between the piston and the wafer surface.
Anschließend wird über der Hilfsschicht 22 in diesselbe Lackstruktur 21 das Kolbenmaterial 23 (hier: Fe/Ni-Legierung) bis zu einer Dicke von ca. 40 μm galvanisiert (Fig. 3e).Then the piston material 23 (here: Fe / Ni alloy) is galvanized to a thickness of approximately 40 μm over the auxiliary layer 22 in the same lacquer structure 21 (FIG. 3e).
Es folgt das vollständige Entfernen des Lackes 20. Danach wird eine neue ca. 60 μm dicke Photolackschicht 24 aufgetragen. Danach erfolgt ein weiterer Lithographieschritt, der einen Bereich 25 freilegt, der länger und breiter als der Kolben 23 ist (vgl. Fig. 3f; in Draufsicht: Fig. 3g). Im nachfolgenden Galvanikschritt wird auf den Kolben 23 und in die frei¬ liegenden Bereiche zwischen Kolben 23 und Photolack 24 eine weitere metallische Hilfsschicht 26 in einer Dicke abgeschieden, die den Abstand des Kolbens 23 zur Zylinderwand festlegt. Der Kolben ist nach diesem Schritt vollständig (ca. 5-10 μm dick) mit Opfermetall 22, 26 (metallischeThe lacquer 20 is then completely removed. A new, approximately 60 μm thick photoresist layer 24 is then applied. This is followed by a further lithography step, which exposes an area 25 which is longer and wider than the piston 23 (cf. FIG. 3f; in plan view: FIG. 3g). In the subsequent electroplating step, a further metallic auxiliary layer 26 is deposited on the piston 23 and in the exposed areas between the piston 23 and the photoresist 24 in a thickness which defines the distance between the piston 23 and the cylinder wall. The piston is after this Complete step (approx. 5-10 μm thick) with sacrificial metal 22, 26 (metallic
Hilfsschicht) ummantelt (Fig. 3h; in Draufsicht: Fig. 3i).Auxiliary layer) sheathed (Fig. 3h; in plan view: Fig. 3i).
Es folgt das vollständige Entfernen des Lackes 24, wonach eine neue ca.The lacquer 24 is completely removed, after which a new approx.
60 μm dicke Photolackschicht 27 aufgetragen wird. Danach erfolgt ein weiterer Lithographieschritt, der einen Bereich 28 freilegt, der breiter als die vorhergehende Struktur 25, jedoch kürzer als der Kolben 23 ist, so daß dieser auf einer Seite von dem Lack 27 überdeckt wird (vgl. Fig. 3j; in60 μm thick photoresist layer 27 is applied. This is followed by a further lithography step, which exposes an area 28 which is wider than the previous structure 25, but shorter than the piston 23, so that it is covered on one side by the lacquer 27 (cf. FIG. 3j; in
Draufsicht Fig. 3k).Top view Fig. 3k).
Im nachfolgenden Galvanikschritt wird in die jetzt freiliegenden Bereiche 28 eine NiFe-Legierung (Permalloy) in gewünschter Dicke der ZylinderwändeIn the subsequent electroplating step, a NiFe alloy (permalloy) in the desired thickness of the cylinder walls is placed in the now exposed areas 28
29 abgeschieden (Fig. 31; in Draufsicht Fig. 3m).29 deposited (Fig. 31; in plan view Fig. 3m).
Im nächsten Schritt wird der gesamte Lackaufbau 27 mit LösungsmittelnIn the next step, the entire paint structure 27 with solvents
(Aceton) entfernt (Fig. 3n; in Draufsicht Fig. 3o)).(Acetone) removed (Fig. 3n; in plan view Fig. 3o)).
Anschließend wird mit einem geeigneten selektiven Ätzmittel die gesamte metallische Opferschicht 22, 26 entfernt. Das Ergebnis ist in den Figuren 3p im Querschnitt, 3q in Seitenansicht und 3r in Draufsicht dargestellt. Die untere Zylinderwand wird den Wafer 18 mit der Galvanikstartschicht 19 gebildet.The entire metallic sacrificial layer 22, 26 is then removed using a suitable selective etchant. The result is shown in FIGS. 3p in cross section, 3q in side view and 3r in top view. The lower cylinder wall forms the wafer 18 with the electroplating start layer 19.
Da das Opfermetall 22, 26 den Abstand zwischen Kolben 23 und Zylinderwän¬ den 29 festlegt, sind Abstände von wenigen Mikrometern realisierbar. Für die Bewegung des Kolbens könnten beispielsweise von der Rückseite des Wafers Löcher in die untere Wand des Zylinders geätzt und der Kolben dann mit Druck bewegt werden. Bildet man die Kolbenanordnung so aus, daß zwei der beschriebenen Zylinder realisiert werden, kann der Kolben pneumatisch bewegt und die mechanische Kraft in Mikrosystemen genutzt werden.Since the sacrificial metal 22, 26 defines the distance between the piston 23 and the cylinder walls 29, distances of a few micrometers can be achieved. For the movement of the piston, for example, holes could be etched into the lower wall of the cylinder from the back of the wafer and the piston could then be moved with pressure. If the piston arrangement is designed such that two of the cylinders described are realized, the piston can be moved pneumatically and the mechanical force can be used in microsystems.
Ein Beispiel für die Nutzung von Rauhigkeitsunterschieden auf Galvanikober¬ flächen zum Angleichen der Belichtungswirkung bei Lacken mit stark unter¬ schiedlichen Lackdicken ist in den Figuren 4a und 4b schematisch dargestellt. Fig. 4a zeigt Galvanikstrukturen 30 mit unterschiedlichen Strukturhöhen, auf die eine Photolackschicht 31 aufgebracht wurde. Zur Erzeugung einer Lackstruktur, wie sie in Fig. 4b dargestellt ist, wird eine glatte Oberfläche 32 der niedrigen Galvanikstruktur und eine rauhe Oberfläche 33 (in Fig. 4b besonders her- vorgehoben) der hohen Galvanikstruktur bei der Belichtung der Photolack¬ schicht 31 genutzt. Die Verminderung der Reflexion an der rauhen Oberfläche 33 führt zu einer geringeren Belichtungswirkung der daruberiiegenden dünnen Lackschicht, wogegen die stark reflektierenden glatten Oberflächen 32 die Durchbelichtung der dicken daruberiiegenden Lackschicht begünstigen. Da¬ durch wird eine Angleichung der Belichtungsdosis an die unterschiedlichen Lackdicken erreicht. Die unterschiedlichen Rauhigkeiten können bereits bei der galvanischen Abscheidung durch Variation der Abscheideparameter (Stromstärke, Pulsdauer, Temperatur) oder nach der Abscheidung durch che¬ mische Zwischenbehandlungen, wie Tauchbäder in Säuren, erzeugt werden.An example of the use of roughness differences on electroplating surfaces to adjust the exposure effect in the case of paints with widely differing paint thicknesses is shown schematically in FIGS. 4a and 4b. 4a shows electroplating structures 30 with different structure heights, to which a photoresist layer 31 has been applied. To produce a lacquer structure, as is shown in FIG. 4b, a smooth surface 32 of the low electroplating structure and a rough surface 33 (in FIG. highlighted) the high electroplating structure used in the exposure of the photoresist layer 31. The reduction in the reflection on the rough surface 33 leads to a lower exposure effect of the thin lacquer layer above it, whereas the highly reflective smooth surfaces 32 promote the through-exposure of the thick lacquer layer above it. As a result, the exposure dose is matched to the different coating thicknesses. The different roughnesses can already be generated in the galvanic deposition by varying the deposition parameters (current strength, pulse duration, temperature) or after the deposition by chemical intermediate treatments, such as immersion baths in acids.
Die vorgestellten Ausführungsbeispiele zeigen selbstverständlich nur einen kleinen Ausschnitt aus der Vielzahl der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Bauteile. Das Verfahren ist für die Herstellung vieler weiterer mikroelektronischer (z.B. Kondensatoren) und/oder mikromechanischer (z.B. Kühlkanäle, Hohlleiter, Zahnräder auf Achsen, u.s.w.) Bauteile mit voneinander beabstandeten Bereichen anwendbar.The exemplary embodiments presented naturally only show a small section of the large number of components that can be produced using the method according to the invention. The method can be used for the production of many other microelectronic (e.g. capacitors) and / or micromechanical (e.g. cooling channels, waveguides, gear wheels on axles, etc.) components with spaced areas.
Es ermöglicht außerdem die Realisierung einer Mehrebenenverdrahtung in einer Ebene, wobei Kreuzungen von Leiterbahnen dadurch verhindert werden, daß an diesen Stellen Luftbrücken die Verdrahtungsebenen gegeneinander isolieren. Das gesamte aus den Bauteilen entstandene Mikrosystem kann bei Bedarf nach der Fertigstellung durch Einbettung in Kunststoff verkapselt und damit mechanisch und elektrisch stabilisiert und Umwelteinflüssen weitgehend entzo¬ gen werden. It also enables multi-level wiring to be implemented in one level, with crossings of conductor tracks being prevented by air bridges isolating the wiring levels from one another at these locations. If necessary, the entire microsystem resulting from the components can be encapsulated by embedding in plastic after completion and thus mechanically and electrically stabilized and environmental influences largely removed.
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