DE60203431T2

DE60203431T2 - Verfahren zur Herstellung von suspendierten Mikrostrukturen

Info

Publication number: DE60203431T2
Application number: DE60203431T
Authority: DE
Inventors: David Horsley
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2022-04-27
Also published as: EP1253108B1; DE60203431D1; JP2003039395A; US6465355B1; US20020160611A1; CN1384042A; EP1253108A3; EP1253108A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Herstellen einer Schwebeplattform auf einem Verbundsubstrat. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer schwebenden Mikrostruktur, das das Erfordernis eliminiert, Durchgangslöcher in der schwebenden Mikrostruktur zu bilden, die eine nutzbare Oberflächenausdehnung der schwebenden Mikrostruktur verringern.
Schwebeplattformen sind bei Anwendungen sinnvoll, bei denen die Vorteile mikroelektronischer Herstellungstechniken verwendet werden können, um Mikrostrukturen wie z.B. Beschleunigungsmesser, Drucksensoren, Betätigungsglieder, fluidische Bauelemente, biochemische Bauelemente und Miniaturmaschinen zu bilden. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind ein Beispiel eines Systems, das eine Schwebeplattform beinhalten kann.
Beispielsweise können MEMS mikromechanische Elemente und elektronische Elemente auf einem gemeinsamen Substratmaterial wie z.B. einem Siliziumwafer integrieren. Zum Herstellen der elektronischen Elemente wie z.B. CMOS-Schaltungen können mikroelektronische Herstellungstechniken eingesetzt werden. Dagegen können die mikromechanischen Elemente unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden, die Schichten von Materialien aufbringen, um mechanische und elektromechanische Bauelemente zu bilden, oder die selektiv eine oder mehrere Materialschichten, z.B. eine Siliziumschicht oder eine Schicht aus Siliziumoxid, ätzen, um mechanische und elektromechanische Bauelemente zu bilden.
Ein bekanntes Verfahren zum Herstellen einer Schwebestruktur aus Einkristall-Silizium (Si) ist in den 1a mit 1d veranschaulicht. 1a veranschaulicht eine bekannte Struktur 100, die einen oberen Wafer 108 umfasst, der eine Plattform 102 aufweist, die mittels Biegungen 104 schwebend angeordnet ist. Die Plattform 102 umfasst mehrere Löcher 114, die sich durch die gesamte Plattform 102 hindurch erstrecken. Das heißt, dass die Löcher 114 die Plattform 102 durchlöchern bzw. perforieren.
1b mit 1d sind Querschnittsansichten, die entlang der Linie AA der 1a genommen sind und die einen Prozess zum Herstellen der bekannten Struktur 100 veranschaulichen. Der Prozess beginnt mit einem verbundenen Silizium-Auf-Isolator-Wafer 106, der den oberen Wafer 108 umfasst, der mittels einer dünnen Schicht 112 aus Siliziumoxid (SiO₂) (d.h. eine Schicht aus einem dielektrischen Material) chemisch an einen unteren Wafer 110 gebunden ist. Der Prozess zum Bilden des gebundenen Silizium-Auf-Isolator-Wafers 106 ist auf dem Gebiet der Mikroelektronik hinreichend bekannt.
Als Nächstes wird unter Verwendung herkömmlicher Photolithographietechniken eine obere Oberfläche 124 des oberen Wafers 108 strukturiert, und anschließend wird der obere Wafer 108 geätzt, um Gräben 103 zu bilden, die die Biegungen 104 und die Plattform 102 sowie ein regelmäßig beabstandetes Array der Löcher 114 definieren, wie in 1c veranschaulicht ist. Die Gräben 103 erstrecken sich durch den oberen Wafer 108.
Die Löcher 114 sind Durchgangslöcher (d.h. sie erstrecken sich durch die gesamte Plattform 102), und sie müssen ermöglichen, dass die Schicht 112 aus Siliziumoxid (SiO₂) in einem nachfolgenden Ätzschritt von unterhalb der Plattform 108 entfernt wird.
Bei 1d wird der gebundene Silizium-Auf-Isolator-Wafer 106 mit einem selektiven Ätzmaterial wie z.B. Fluorwasserstoffsäure (HF) in Berührung gebracht. Das Ätzmaterial fließt durch die Löcher 114 und löst die Siliziumoxid schicht 112, die sich unterhalb der Plattform 102 befindet, auf, wodurch die Plattform 102 von der Siliziumoxidschicht 112 befreit wird. Die Löcher 114 sind erforderlich, um die Strecke, die eine Ätzfront des Ätzmaterials zurücklegen muss, um die Plattform 102 zu befreien, zu verringern. Die die Plattform 112 umgebende Siliziumoxidschicht 112 wird um eine Strecke 122, die ungefähr die Hälfte einer Beabstandung 120 von Loch zu Loch beträgt (d.h. des Raums zwischen den Löchern 114, siehe 1a), unterätzt.
Ein Hauptnachteil der bekannten Struktur 100 besteht darin, dass die Löcher 114 die auf der Plattform 102 verfügbare Oberfläche verringern. Bei Datenspeicheranwendungen mit ultrahoher Dichte kann die Plattform 102 als veränderbaren Zustand des Speichermediums beispielsweise eine oder mehrere Schichten eines Speichermediums, das Daten speichert, umfassen. Optische oder Elektronenemissionseinrichtungen (d.h. ein Laser- oder ein Elektronenstrahl) können verwendet werden, um Daten aus dem Speichermedium zu lesen und/oder in dasselbe zu schreiben. Es ist nicht wünschenswert, dass die Plattform 102 mit den Löchern 104 perforiert wird, da die Löcher 114 die für das Speichermedium zur Verfügung stehende Oberfläche der Plattform 102 verringern. Überdies muss ein Adressierungsschema zum Lesen von Daten aus dem oder zum Schreiben von Daten in das Speichermedium die Positionen der Löcher 114 berücksichtigen, um zu verhindern, dass aus einem Bereich gelesen oder in einen Bereich geschrieben wird, in dem das Speichermedium nicht vorhanden ist. Da die Löcher 114 lediglich dazu dienen, die Beseitigung der Siliziumoxidschicht 112 von unterhalb der Plattform 102 zu erleichtern, sind sie ein nichtfunktionelles Merkmal der Plattform 102. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Löcher 114 zu beseitigen, da sie keinen sinnvollen Zweck erfüllen, nachdem die Plattform 102 gebildet wurde.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Herstellen einer Schwebestruktur aus Einkristall-Silizium (Si) ist in den 2a mit 2c veranschaulicht. 2a veranschaulicht eine bekannte Struktur 200, die einen oberen Wafer 208 umfasst, der eine Plattform 202 aufweist, die anhand von Biegungen 204 schwebend angeordnet ist.
2b mit 2c sind Querschnittsansichten, die entlang der Linie AA der 2a genommen sind und die einen Prozess zum Herstellen der bekannten Struktur 200 veranschaulichen. Der Prozess beginnt mit einem gebundenen Silizium-Auf-Isolator-Wafer 206, der den oberen Wafer 208 umfasst, der mittels einer dünnen Schicht 212 aus Siliziumoxid (SiO₂) chemisch an einen unteren Wafer 210 gebunden ist. Bei 2b wird die dünne Siliziumoxidschicht 212 strukturiert und anschließend geätzt, um eine Mulde zu bilden, bevor der obere Wafer 208 an den unteren Wafer 210 gebunden wird. Die Mulde wird zu einem abgedichteten Hohlraum 216, nachdem der obere und der untere Wafer (206, 208) miteinander verbunden wurden.
Als Nächstes wird bei 2c eine obere Oberfläche 220 des oberen Wafers 208 strukturiert und anschließend geätzt, um Gräben 203 zu bilden, die die Biegungen 204 und die Plattform 202 definieren. Die Gräben 203 erstrecken sich durch den oberen Wafer 208 zu dem abgedichteten Hohlraum 216. Infolge des Ätzens wird eine obere Oberfläche 222 des unteren Wafers 210 mit dem Ätzmaterial in Berührung gebracht und wird anschließend geätzt, um flache Gruben 218 zu bilden, die sich innerhalb der oberen Oberfläche 222 erstrecken, wie in 2c veranschaulicht ist.
Folglich besteht ein Nachteil des Verfahrens zum Herstellen der bekannten Struktur 200 darin, dass die Herstellung zu einer Beschädigung der oberen Oberfläche 222 des unteren Wafers 210 führt. bei manchen Anwendungen kann der untere Wafer 210 vergrabene Komponenten wie z.B. Elektroden, Verbindungsstrukturen, Schaltungsanordnungen oder so manches andere Element, das für das Funktionieren der Struktur 200 wesentlich ist, enthalten. Somit ist es wünschenswert, die se Komponenten während des Herstellungsprozesses zu schützen. Umgekehrt kann das Verfahren zum Herstellen der bekannten Struktur 200 zu einer Beschädigung dieser Komponenten führen, da die obere Oberfläche 222 während des Herstellungsprozesses nicht vor dem Ätzmaterial geschützt ist.
In 3 des Dokuments JP-08-032090 wird ein Herstellungsprozess für einen Mikrobeschleunigungsmesser beschrieben, der darin besteht, ein Basissubstrat und ein Plattformsubstrat einer Schmelzverbindung zu unterziehen, wo das Bauelement geätzt werden soll. Auf dem Plattformsubstrat ist eine dielektrische Schicht aufgebracht, und eine Mulde ist in demselben gebildet, wodurch eine dünne Schicht hinterlassen wird, die das Substrat bedeckt. Diese Schicht trägt das Substrat während des Ätzens des Bauelements in demselben.
Dementsprechend besteht ein Erfordernis eines Verfahrens zum Herstellen einer schwebenden Mikrostruktur, die keine Ätzlöcher erfordert, um eine Materialschicht von unterhalb der schwebenden Mikrostruktur zu entfernen.
Ferner besteht ein Erfordernis eines Verfahrens zum Herstellen von schwebenden Mikrostrukturen, das eine obere Oberfläche eines unteren Wafers während des Herstellungsprozesses vor Ätzmaterialien schützt (d.h. nicht beschädigt), so dass Komponenten, die in dem unteren Wafer vergraben sind, nicht durch die Ätzmaterialien beschädigt werden.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Schwebeplattform gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung erfüllt die zuvor erwähnten Erfordernisse. Das Verfahren zum Herstellen einer Schwebeplattform gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert keine Ätzlöcher in der Schwebeplattform, um eine Materialschicht unter der Schwebeplattform zu entfernen. Folglich ist die Schwebeplattform nicht perforiert, und im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Schwebeplattform steht zur Nutzung zur Verfügung.
Überdies verhindert das Verfahren zum Herstellen einer Schwebeplattform gemäß der vorliegenden Erfindung eine Grubenbildung in einer oberen Oberfläche eines unteren Wafers, indem die obere Oberfläche mit einer dünnen Schicht aus einem Material bedeckt ist, das die obere Oberfläche während des Ätzens schützt.
Allgemein ist die vorliegende Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen einer Schwebeplattform auf einem Verbundsubstrat verkörpert. Das Verbundsubstrat umfasst ein Plattformsubstrat, das mit einem Basissubstrat verbunden ist. Das Verfahren umfasst ein Bilden einer dielektrischen Schicht auf einer Trägeroberfläche des Basissubstrats und ein anschließendes Strukturieren und Ätzen einer Grenzflächenoberfläche der dielektrischen Schicht, um eine Mulde zu bilden, die sich innerhalb der Grenzflächenoberfläche erstreckt. Die Mulde weist eine vorausgewählte Tiefe auf, die eine dünne Schicht der dielektrischen Schicht hinterlässt, die die Trägeroberfläche abdeckt. Das Basis- und das Plattformsubstrat werden anschließend miteinander verbunden, um das Verbundsubstrat zu bilden, indem die Grenzflächenoberfläche in einen Kontakt mit einer Anbringoberfläche des Plattformsubstrats gepresst wird und indem das Basis- und das Plattformsubstrat getempert werden, um die Grenzflächenoberfläche mit der Anbringoberfläche einer Schmelzverbindung zu unterziehen. Nachdem sie verbunden wurden, bilden die Mulde und die Anbringoberfläche einen abgedichteten Hohlraum. Das Plattformsubstrat wird verdünnt, um über dem abgedichteten Hohlraum eine dünne Membran (oder ein Plattformsubstratmaterial) zu bilden. Die Membran wird strukturiert, um ein Plattformmerkmal und ein Biegungsmerkmal zu definieren. Anschließend wird die Membran geätzt, um Gräben zu bilden, die sich durch die gesamte Membran zu dem abgedichteten Hohlraum hin erstrecken. Die Gräben definieren eine Plattform (die auch als Mikrostruktur bezeichnet wird) und eine oder mehrere Biegungen, die die Plattform mit dem Plattformsubstrat verbinden. Schließlich wird das die lektrische Material unter der Plattform durch Aufbringen eines selektiven Ätzmaterials entfernt. Das selektive Ätzmaterial entfernt im Wesentlichen das gesamte dielektrische Material von unterhalb der Plattform, ohne eine Grenzfläche zwischen der Grenzflächenschicht und der Anbringoberfläche wesentlich zu unterätzen, so dass die chemische Bindung zwischen dem Basissubstrat und dem Plattformsubstrat nicht durch das selektive Ätzmaterial beschädigt wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die dünne Schicht des dielektrischen Materials die Trägeroberfläche vor einer Grubenbildung schützt, die sich aus dem Ätzen der Membran, um die Gräben zu bilden, die die Plattform und die Biegungen definieren, ergibt. Somit werden die Probleme, die mit der Grubenbildung der bekannten Verfahren zum Herstellen einer Schwebestruktur verbunden sind, durch die vorliegende Erfindung gelöst.
Zusätzlich eliminiert die vorliegende Erfindung das Erfordernis, die Plattform zu perforieren, um einen Pfad bereitzustellen, damit das Ätzmaterial zu der dielektrischen Schicht unter der Plattform gelangen kann. Die Gräben liefern den notwendigen Pfad, damit das Ätzmaterial zu der dielektrischen Schicht gelangen kann. Folglich ist die Plattform der vorliegenden Erfindung frei von Löchern, Perforationen oder dergleichen, die die Oberfläche der Plattform verringern.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird, bevor die Mulde gebildet wird, die dielektrische Schicht planarisiert, um eine im Wesentlichen planare Grenzflächenoberfläche zu bilden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die dielektrische Schicht Siliziumoxid.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Dicke des Basissubstrats verringert, in dem eine rückwärtige Oberfläche des Basissubstrats zurückverdünnt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das selektive Ätzmaterial Fluorwasserstoffsäure.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu lesen ist und die auf beispielhafte Weise eine Anzahl bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
1a ist eine Draufsicht, die eine bekannte Struktur veranschaulicht, die Löcher umfasst, welche eine Plattform perforieren.
1b mit 1d sind Querschnittsansichten, die entlang der Linie AA der 1a genommen sind und die einen Prozess zum Herstellen der bekannten Struktur der 1a veranschaulichen.
2a ist eine Draufsicht, die eine bekannte Struktur veranschaulicht, die eine Grubenbildung bei einer oberen Oberfläche eines unteren Wafers umfasst.
2b mit 2c sind Querschnittsansichten, die entlang der Linie AA der 2a genommen sind und die einen Prozess zum Herstellen der bekannten Struktur der 2a veranschaulichen.
3a ist eine Draufsicht, die eine nicht perforierte Schwebeplattform gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3b ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie BB der 3a genommen ist und eine Schwebeplattform, Biegungen und eine Trägeroberfläche eines Basissubstrats veranschaulicht, das frei von Grubenbildung ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
4a mit 4g sind Querschnittsansichten, die einen Prozess zum Herstellen einer Schwebeplattform gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung und in den mehreren Figuren der Zeichnungen sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen benannt.
Wie in den Zeichnungen zu Veranschaulichungszwecken gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen einer Schwebeplattform auf einem Verbundsubstrat verkörpert, das ein Plattformsubstrat umfasst, das mit einem Basissubstrat verbunden ist. Das Verfahren zum Herstellen der Schwebeplattform führt zu einer Schwebeplattform, die nicht perforiert ist. Das heißt, dass die Schwebeplattform keine Löcher oder dergleichen umfasst, die die Oberfläche der Schwebeplattform verringern. Überdies schützt das Verfahren zum Herstellen der Schwebeplattform eine Trägeroberfläche des Basissubstrats, so dass die Trägeroberfläche keiner Grubenbildung auf Grund von Ätzprozessen, die zum Bilden der Schwebeplattform notwendig sind, unterworfen ist.
Das Verfahren zum Herstellen einer Schwebeplattform auf einem Verbundsubstrat umfasst ein Plattformsubstrat, das mit einem Basissubstrat verbunden ist. Eine dielektrische Schicht wird auf einer Trägeroberfläche des Basissubstrats gebildet, und anschließend wird eine Grenzflächenoberfläche der dielektrischen Schicht strukturiert und geätzt, um eine Mulde zu bilden, die sich innerhalb der Grenzflächenoberfläche erstreckt. Die Mulde weist eine vorausgewählte Tiefe auf, die eine dünne Schicht der dielektrischen Schicht hinterlässt, die die Trägeroberfläche abdeckt. Das Basis- und das Plattformsubstrat werden anschließend chemisch mitein ander verbunden, um das Verbundsubstrat zu bilden. Die Grenzflächenoberfläche und eine Anbringoberfläche des Plattformsubstrats werden in einen Kontakt miteinander gepresst, und anschließend werden das Basis- und das Plattformsubstrat getempert, um die Grenzflächenoberfläche mit der Anbringoberfläche einer Schmelzverbindung zu unterziehen.
Nachdem sie verbunden wurden, bilden die Mulde und die Anbringoberfläche zwischen denselben einen abgedichteten Hohlraum. Das Plattformsubstrat wird verdünnt, so dass das Material, aus dem das Plattformsubstrat hergestellt ist, über dem abgedichteten Hohlraum eine dünne Membran bildet. Anschließend wird die Membran strukturiert, um ein Plattformmerkmal und ein Biegungsmerkmal zu definieren. Als Nächstes wird die Membran geätzt, um tiefe Gräben zu bilden, die sich durch die gesamte Membran bis zu dem abgedichteten Hohlraum erstrecken. Die Gräben definieren eine Schwebeplattform (auch als Mikrostruktur bezeichnet) und eine oder mehrere Biegungen, die die Schwebeplattform mit dem Plattformsubstrat verbinden. Schließlich wird das dielektrische Material unter der Schwebeplattform und den Biegungen entfernt, indem ein selektives Ätzmaterial aufgebracht wird. Das selektive Ätzmaterial entfernt im Wesentlichen das gesamte dielektrische Material von unterhalb der Schwebeplattform und den Biegungen, ohne eine Grenzfläche zwischen der Grenzflächenschicht und der Anbringoberfläche wesentlich zu unterätzen, so dass die chemische Bindung zwischen dem Basissubstrat und dem Plattformsubstrat nicht durch das selektive Ätzmaterial beschädigt wird. Ferner befreit das selektive Ätzmaterial die Schwebeplattform und die Biegungen von der dielektrischen Schicht.
Bei 3a umfasst ein System 10 ein Plattformsubstrat 11, das in demselben gebildete Gräben 13 aufweist, um zumindest eine Biegung 15 (vier sind gezeigt) und eine Schwebeplattform 17, die anhand der Biegungen 15 mit dem Plattformsubstrat 11 verbunden ist, zu definieren. Die Gräben 13 erstrecken sich durch das Plattformsubstrat 11 zu einem (nicht gezeigten) Hohlraum, der unter dem Plattformsubstrat 11 positioniert ist. Der Hohlraum kann eine Fläche 19 (gestrichelte Linien) aufweisen, die größer als die oder gleich der kombinierten Fläche der Schwebeplattform 17 und der Biegungen 15 ist.
Im Gegensatz zu bekannten Schwebestrukturen ist die Schwebeplattform 17 der vorliegenden Erfindung nicht perforiert. Das heißt, dass die Schwebeplattform 17 frei von Durchgangslöchern, Perforierungen oder dergleichen ist, die sich durch die Schwebeplattform 17 zu dem darunter liegenden Hohlraum erstrecken. Dementsprechend steht im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Schwebeplattform 17 zur Verwendung bei Anwendungen zur Verfügung, die eine Schwebeplattform benötigen, die frei von Oberflächenanomalien wie z.B. Perforierungen ist. Wenn die Schwebeplattform 17 beispielsweise zur Datenspeicherung verwendet wird, ist es wünschenswert, so viel von der Oberfläche der Schwebeplattform 17 wie möglich zum Speichern von Daten zur Verfügung zu haben. Dagegen verringern Perforierungen oder dergleichen die zur Datenspeicherung zur Verfügung stehende Oberfläche. Wenn die Schwebeplattform 17 beispielsweise mit einem Phasenänderungsmedium zum Speichern von Daten beschichtet ist, stellen die Perforierungen eine Fläche dar, die das Phasenänderungsmedium nicht tragen kann.
Bei 3b ist das System 10 in einer Querschnittsansicht veranschaulicht, die entlang der Linie BB der 3a genommen ist. Unter der Schwebeplattform 17 und den Biegungen 15 ist ein Hohlraum 37 positioniert. Wie durch den gestrichelten Pfeil 19 gezeigt ist, kann sich der Hohlraum 37 über die Fläche der Schwebeplattform 17 und der Biegungen 15 hinaus erstrecken, so dass der Hohlraum 37 eine Fläche aufweist, die größer als die oder gleich der kombinierten Fläche der Schwebeplattform 17 und der Biegungen 15 sein kann. Der Hohlraum 37 ist durch eine Trägeroberfläche 22 des Basissubstrats 21 und eine Anbringoberfläche 24 des Platt formsubstrats 11 definiert. Das System 10 umfasst ein Basissubstrat 21 und eine dielektrische Schicht 23, die das Basissubstrat 21 und das Plattformsubstrat 11 chemisch aneinander bindet, um ein Verbundsubstrat 25 zu bilden.
Im Gegensatz zu bekannten Schwebestrukturen führt die Herstellung der Schwebeplattform 17 und der Biegungen 15 der vorliegenden Erfindung nicht zu einer Grubenbildung in der Trägeroberfläche 22, da die Trägeroberfläche 22 durch eine dünne Schicht des dielektrischen Materials 23 geschützt wird, wie nachfolgend erörtert wird.
4a mit 4g veranschaulichen ein Verfahren zum Herstellen einer Schwebeplattform auf einem Verbundsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei 4a kann das Verbundsubstrat 25, wie es in 3b veranschaulicht ist, gebildet werden, indem eine dünne dielektrische Schicht 23 auf eine Trägeroberfläche 22 eines Basissubstrats 21 aufgebracht wird. Die dielektrische Schicht 23 ist ein elektrisch isolierendes Material, vorzugsweise Siliziumoxid (SiO₂). Die dielektrische Schicht 23 kann eine Dicke D₁ aufweisen, die zwischen etwa 0,5 μm und etwa 2,0 μm liegt.
Durch Strukturieren und anschließendes Ätzen der dielektrischen Schicht 23 wird eine Mulde 31 in der dielektrischen Schicht 23 gebildet. Beispielsweise kann eine Photoresiststruktur 29 verwendet werden, um die Mulde 31 zu definieren, und ein unbedeckter Teil der dielektrischen Schicht 23 kann mit einem Ätzmittel in Berührung gebracht werden, das den unbedeckten Teil der dielektrischen Schicht 23 auflöst, um die Mulde 31 zu bilden. Zum Ätzen der Mulde 31 kann ein Ätzmittel wie z.B. Fluorwasserstoffsäure (HF) verwendet werden. Wenn die dielektrische Schicht 23 SiO₂ ist, so ist HF ein bevorzugtes Ätzmittel. Jedoch ist das verwendete Ätzmittel nicht auf HF beschränkt, und es können auch andere Ätzmittel wie z.B. CHF₃ oder andere Plasmaätzmittel auf Fluorbasis verwendet werden.
Bevor die Mulde 31 gebildet wird, mag es wünschenswert sein, die dielektrische Schicht 23 zu planarisieren, so dass die dielektrische Schicht 23 eine im Wesentlichen planare Grenzflächenoberfläche 27 aufweist, auf der ein (nicht gezeigtes) Plattformsubstrat angebracht wird, wie nachfolgend erörtert wird. Infolge der Planarisierung weist die dielektrische Schicht 23 eine Dicke D₂ (siehe 4b) auf, die geringer ist als die aufgebrachte Dicke D₁. Prozesse, die auf dem Gebiet der Mikroelektronik-Herstellung bekannt sind, können zum Planarisieren der dielektrischen Schicht 23 verwendet werden. Beispielsweise können Schleifen, Polieren, Läppen und eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) verwendet werden. Vorzugsweise wird CMP verwendet, um die im Wesentlichen planare Grenzflächenoberfläche 27 (hiernach Grenzflächenoberfläche 27) zu bilden. Nach der Planarisierung kann die dielektrische Schicht 23 eine Dicke D₂ aufweisen, die zwischen etwa 0,5 μm und etwa 2,0 μm liegt.
Bei 4b wird die Mulde 31 geätzt, bis sie eine vorausgewählte Tiefe D_W aufweist, die eine dünne Schutzschicht 32 der dielektrischen Schicht 23 hinterlässt, die die Trägeroberfläche 22 abdeckt. Die dünne Schutzschicht 32 sollte eine Dicke t_P aufweisen, die ausgewählt ist, um die Trägeroberfläche 22 davor zu schützen, durch einen anschließenden Ätzprozess einer Grubenbildung unterworfen zu werden, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 4f und 4g beschrieben wird. Die vorausgewählte Tiefe D_W variiert auf der Basis des Typs des Materials für die dielektrische Schicht 23, des zum Ätzen der Mulde 31 verwendeten Ätzmaterials und der Prozessparameter, z.B. der Ätzzeit.
Wenn die dielektrische Schicht 23 beispielsweise eine Dicke (D₁ oder D₂) aufweist, die zwischen etwa 0,5 μm und etwa 2,0 μm liegt, kann die vorausgewählte Tiefe D_W zwischen etwa 0,4 μm und etwa 1,9 μm liegen.
Wenn, als weiteres Beispiel, die dielektrische Schicht 23 eine Dicke (D₁ oder D₂) aufweist, die 1,8 μm beträgt, kann die vorausgewählte Tiefe D_W 1,6 μm betragen, und die dünne Schutzschicht 32 kann eine Dicke t_P aufweisen, die etwa 0,20 μm oder weniger beträgt. Die vorausgewählte Tiefe D_W sollte so gewählt werden, dass die Dicke t_P ausreichend ist, um die Trägeroberfläche 22 vor einer Grubenbildung oder einer Beschädigung zu schützen, die sich aus einem anschließenden Ätzschritt ergibt, der die dielektrische Schicht 23 vollständig entfernt, wie nachfolgend erörtert wird. Im Allgemeinen ist die Dicke t_P etwa gleich (D₁ – D_W) oder (D₂ – D_W).
Bei 4c wird das Basissubstrat 21 mit einem Plattformsubstrat 11 verbunden, um das Verbundsubstrat 25 (siehe 3b) zu bilden, indem die Grenzflächenoberfläche 27 in einen Kontakt mit einer Anbringoberfläche 24 des Plattformsubstrats 11 gepresst wird. Das Basis- und das Plattformsubstrat (11, 21) werden anschließend erhitzt (d.h. getempert), um die Grenzflächenoberfläche 27 mit der Anbringoberfläche 24 einer Schmelzverbindung zu unterziehen. Das Basis- und das Plattformsubstrat (11, 21) können unter Verwendung von Substratverbindungsprozessen, die auf dem Gebiet der Mikroelektronik hinreichend bekannt sind, miteinander verbunden werden. Wenn das Basis- und das Plattformsubstrat (11, 21) beispielsweise aus einem Einkristall-Silizium-Material hergestellt sind und die dielektrische Schicht 23 SiO₂ ist, so können das Basis- und das Plattformsubstrat (11, 21) in einer inerten Umgebung bei einer Temperatur zwischen etwa 700 Grad Celsius und etwa 900 Grad Celsius getempert werden, um zwischen dem Basis- und dem Plattformsubstrat (11, 21) eine SiO₂-Schmelzschicht zu bilden, die dieselben chemisch miteinander verbindet.
Infolge des Miteinanderverbindens des Basis- und des Plattformsubstrats (11, 21) wird ein abgedichteter Hohlraum 33 gebildet, der durch die Mulde 31 und die Grenzflächenoberfläche 27 definiert ist.
Bei 4d wird das Plattformsubstrat 11 von einer anfänglichen Dicke T₁ (siehe 4c) auf eine verringerte Dicke T₃ verdünnt, um über dem abgedichteten Hohlraum 33 eine dünne Membran des Plattformsubstrats 11 zu bilden (hiernach werden die Membran und das Plattformsubstrat durch das Bezugszeichen 11 bezeichnet). Bei manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Dicke des Basissubstrats 21 zu verringern, indem eine rückwärtige Oberfläche 30 des Basissubstrats 21 von einer Dicke T₂ (siehe 4c) auf eine Dicke T₄ zurückverdünnt wird. Je nach den Strukturtypen, die auf dem Plattformsubstrat 11 gebildet werden sollen, kann es wünschenswert sein, das Basissubstrat 21 zu verdünnen, bevor diese Strukturen auf dem Plattformsubstrat 11 definiert und gebildet werden, um diese Strukturen infolge des Zurückverdünnungsprozesses nicht zu beschädigen. Vorzugsweise liegt die Dicke T₃ der Membran 11 zwischen etwa 10,0 μm und etwa 200,0 μm. Sicherlich sind andere Dicken möglich, und die Dicke T₃ der Membran 11 ist nicht auf den oben dargelegten Bereich beschränkt. Wenn die Membran 11 zu dünn ist (d.h. < 10,0 μm), so besteht die Möglichkeit, dass die Membran 11 anfällig für Beschädigungen ist. Wenn die Membran 11 dagegen zu dick ist (d.h. > 200 μm), so wird es immer schwieriger, eine Struktur in die Membran 11 hineinzuätzen.
Ein Verdünnen des Plattformsubstrats 11 und ein Zurückverdünnen des Basissubstrats 21 kann unter Verwendung eines Prozesses wie z.B. Schleifen, Polieren, Läppen und chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) bewerkstelligt werden. Vorzugsweise wird zum Verdünnen des Plattformsubstrats 11 und zum Zurückverdünnen des Basissubstrats 21 CMP verwendet.
Die Dicke T₄ des Basissubstrats 21 kann zwischen etwa 200,0 μm und etwa 600,0 μm liegen. Üblicherweise wird als Basissubstrat 21 ein Einkristall-Silizium-Wafer (Si-Wafer) verwendet. Wafer, die dünner als etwa 300,0 μm sind, können zerbrechlich und schwierig zu handhaben sein. Somit kann die tatsächliche Dicke für das Basissubstrat 21 anhand der Art des Materials für das Basissubstrat 21 und anhand von Handhabungs- und Bruchüberlegungen bestimmt werden. Überdies kann als Plattformsubstrat 11 ein Einkristall-Silizium-Wafer (Si-Wafer) verwendet werden. Es gibt keine bevorzugte kristalline Orientierung für das Einkristall-Silizium-Wafermaterial (Si-Wafermaterial), das als Basissubstrat 21 oder als Plattformsubstrat 11 verwendet wird. Beispielsweise können Einkristall-Silizium-Wafer (Si-Wafer) mit einer kristallinen Ausrichtung von (100) oder (111) verwendet werden.
Bei 4e wird ein Teil der Membran 11 strukturiert, um ein Biegungsmerkmal und ein Plattformmerkmal zu definieren. Beispielsweise kann eine Photoresiststruktur 41 verwendet werden, um das Biegungs- und das Plattformmerkmal zu definieren.
Bei 4f werden das Biegungs- und das Plattformmerkmal anschließend geätzt (siehe gestrichelte Pfeile 49), um Gräben 13 zu bilden, die sich durch die Membran 11 zu dem abgedichteten Hohlraum 33 erstrecken, wodurch ein offener Hohlraum 35 gebildet wird. Die dünne Schutzschicht 32 schützt die Trägeroberfläche 22 vor dem zum Ätzen der Gräben 13 verwendeten Material. Wie oben erwähnt wurde, besteht einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung darin, dass die Trägeroberfläche 22 durch den obigen Ätzvorgang nicht beschädigt wird, so dass die Trägeroberfläche 22 frei von Gruben oder dergleichen ist, die Komponenten, die durch das Basissubstrat getragen werden oder in demselben vergraben sind, beschädigen könnten. Die Gräben 13 definieren ferner eine Schwebeplattform 17 und eine Biegung 15.
Bei 4g wird jeglicher Teil der dielektrischen Schicht 23, der unter der Schwebeplattform 17 und der Biegung 15 (d.h. in dem offenen Hohlraum 35) verbleibt, entfernt, indem ein selektives Ätzmaterial auf das Verbundsubstrat 25 aufgebracht wird. Das selektive Ätzmaterial tritt über die Gräben 13 in den offenen Hohlraum 35 ein. Das selektive Ätzmaterial weist eine unterschiedliche Ätzrate auf, die ausgewählt ist, um die dielektrische Schicht 23 unter der Schwebeplattform 17 und der Biegung 15 bei einer beträchtlich schnelleren Ätzrate zu ätzen als die dielektrische Schicht 23 an einer Grenzfläche I zwischen der Grenzflächenoberfläche 27 und der Anbringoberfläche 24. Dementsprechend erfolgt die Ätzung über denjenigen Teil des offenen Hohlraums 35, der unter der Schwebeplattform 17 und der Biegung 15 liegt, wie durch den Pfeil X_P gezeigt ist, wesentlich schneller, so dass die dielektrische Schicht von unterhalb der Schwebeplattform 17 und der Biegung 15 vollständig entfernt wird. Im Gegensatz dazu erfolgt die Ätzung an der Grenzfläche I wesentlich langsamer, so dass die dielektrische Schicht 23 an der Grenzfläche I um eine minimale Strecke unterschnitten 39 wird, wie durch Pfeile X_I gezeigt ist.
Vorzugsweise wird als selektives Ätzmaterial ein Nassätzmaterial wie z.B. Fluorwasserstoffsäure (HF) verwendet. Fluorwasserstoffsäure (HF) ist ein isotropes Ätzmittel, das über den offenen Hohlraum 35 eine unterschiedliche Ätzrate aufweist (siehe Pfeil X_P), die etwa 10X (etwa das Zehnfache) der unterschiedlichen Ätzrate an der Grenzfläche I (siehe Pfeile X_I) beträgt. Wenn beispielsweise Siliziumoxid (SiO₂) für die dielektrische Schicht 23 verwendet wird, ermöglicht die unterschiedliche Ätzrate (wenn ein HF-Ätzmittel verwendet wird), dass die dielektrische Schicht 23 unter einer 2,0 mm aufweisenden Schwebeplattform 17 vollständig entfernt wird, während etwa 100 μm (d.h. X_I 100,0 μm) der dielektrischen Schicht 23 von der Grenzfläche I nur unterätzt werden. Infolge des Unterätzens ist die Fläche 19 des Hohlraums 35 größer als die Fläche der Schwebeplattform 17.
Demgemäß funktioniert HF gut, da es ein isotropes Ätzmittel ist, und das HF fließt unter die Schwebeplattform 17 und die Biegung 15 und entfernt die dielektrische Schicht 23. Vorzugsweise ist die dielektrische Schicht 23 aus Siliziumoxid (SiO₂) hergestellt. HF ist ferner in Bezug auf Silizium (Si) äußerst selektiv, so dass es nicht zu einer Grubenbildung in der Trägeroberfläche 22 führt. Es können auch andere isotrope SiO₂-Ätzmittel verwendet werden. Beispielsweise kann ein Dampfphasen-HF-Ätzmittel (statt eines Ätzmittels einer herkömmlichen wässrigen HF-Lösung) verwendet werden.
Obwohl mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart und veranschaulicht wurden, ist die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen von auf diese Weise beschriebenen und veranschaulichten Teilen beschränkt. Die Erfindung wird lediglich durch die Patentansprüche eingeschränkt.

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen einer Schwebeplattform (17) auf einem Verbundsubstrat (25), das ein Plattformsubstrat (11) umfasst, das mit einem Basissubstrat (21) verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bilden einer dielektrischen Schicht (23) auf einer Trägeroberfläche (22) des Basissubstrats (21); Strukturieren einer Grenzflächenoberfläche (27) der dielektrischen Schicht (23), um ein Muldenmerkmal auf derselben zu definieren; Ätzen des Muldenmerkmals, bis eine Mulde (31) gebildet wird, die eine vorausgewählte Tiefe (Dw) aufweist, die eine Schutzschicht (32) der dielektrischen Schicht (23) hinterlässt, die die Trägeroberfläche (22) abdeckt; Miteinanderverbinden des Basis- und des Plattformsubstrats (21, 11), indem die Grenzflächenoberfläche (27) in einen Kontakt mit einer Anbringoberfläche (24) des Plattformsubstrats (11) gepresst wird und indem das Basis- und das Plattformsubstrat (21, 11) getempert werden, um die Grenzflächenoberfläche (27) mit der Anbringoberfläche (24) einer Schmelzverbindung zu unterziehen und einen abgedichteten Hohlraum (33) zu bilden, der durch die Mulde (31) und die Grenzflächenoberfläche (27) definiert ist; Strukturieren des Plattformsubstrats (11), um ein Biegungsmerkmal und ein Plattformmerkmal zu definieren; Ätzen des Biegungs- und des Plattformmerkmals, um eine Mehrzahl von Gräben (13) zu bilden, die sich durch das Plattformsubstrat (11) zu dem abgedichteten Hohlraum (33) erstrecken und eine Schwebeplattform (17) und eine Biegung (15) definieren; und Aufbringen eines selektiven Ätzmaterials, um die dielektrische Schicht (23) von unterhalb der Schwebeplattform (17) und der Biegung (15) zu entfernen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat vor dem Strukturieren des Plattformsubstrats (11) verdünnt wird, um über einem abgedichteten Hohlraum (11), der durch die Mulde (31) und die Anbringoberfläche (24) definiert ist, eine Membran (11) zu bilden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die dielektrische Schicht (23) vor der Strukturierung der Grenzflächenoberfläche (27) planarisiert wird, um eine im wesentlichen planare Grenzflächenoberfläche (27) zu bilden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die dielektrische Schicht (23) eine Dicke von etwa 0,50 μm bis etwa 2,0 μm aufweist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem die Planarisierung durch Schleifen, Polieren oder eine chemisch-mechanische Planarisierung bewerkstelligt wird.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das Verdünnen des Plattformsubstrats (11) durch Schleifen, Polieren, Läppen oder durch eine chemisch-mechanische Planarisierung bewerkstelligt wird.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dielektrische Schicht (23) Silizium oxid ist und das Plattformsubstrat (11) durch eine Siliziumoxidschmelzverbindung chemisch mit dem Basissubstrat (21) verbunden ist.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner ein Zurückverdünnen einer rückwärtigen Oberfläche (30) des Basissubstrats (21) umfasst, um eine Dicke (T₂) des Basissubstrats (21) zu verringern.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem das Zurückverdünnen durch Läppen, Polieren, Schleifen oder eine chemisch-mechanische Planarisierung bewerkstelligt wird.
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das selektive Ätzmaterial eine unterschiedliche Ätzrate aufweist und die dielektrische Schicht (23) unter der Schwebeplattform (17) und der Biegung (15) bei einer beträchtlich schnelleren Ätzrate geätzt wird als die dielektrische Schicht (23) an einer Grenzfläche zwischen der Grenzflächenoberfläche (27) und der Anbringoberfläche (24).
Ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Plattformsubstrat (11) oder das Basissubstrat (21) oder beide aus Einkristall-Silizium hergestellt sind.