專(zhuān)利名稱(chēng)：用于制造分離地設(shè)置在硅基底上的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的方法和由此制造的結(jié)構(gòu)部件的制作方法
用于制造分離地設(shè)置在硅基底上的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的方法 和由此制造的結(jié)構(gòu)部件現(xiàn)有技術(shù)
本發(fā)明涉及一種用于制造分離地設(shè)置在硅基底上的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的方法。此外 本發(fā)明還涉及一種通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法制造出來(lái)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。
在制造具有不同功能特性的薄膜結(jié)構(gòu)的微機(jī)械傳感器時(shí)借助鋸對(duì)已加工完畢的 結(jié)構(gòu)部件的芯片分離是一種本身已公開(kāi)的方法。特別是可為麥克風(fēng)和壓力傳感器在背面產(chǎn) 生洞穴空間。在封閉的薄膜中一這種薄膜具有從前面到背面的密封功能，并且也具有比較 高的穩(wěn)定性一可采用常規(guī)的晶片鋸開(kāi)方法，并且損傷薄膜的風(fēng)險(xiǎn)不是特別的高。在封閉的 薄膜中在從晶片的前面鋸開(kāi)時(shí)由于在鋸開(kāi)時(shí)采用由于去除鋸末漿的流體介質(zhì)所以薄膜和 其下置層的不可逆轉(zhuǎn)的粘接沒(méi)有大的風(fēng)險(xiǎn)。
然而在結(jié)構(gòu)化的薄膜中情況卻不一樣。這些薄膜不再是完全封閉的，因?yàn)樗鼈兝?如有穿孔。這樣結(jié)構(gòu)化的薄膜例如可用于應(yīng)力去耦，因?yàn)橥ㄟ^(guò)合適的薄膜幾何形狀通過(guò)設(shè) 計(jì)可達(dá)到靈敏度與內(nèi)在的層的應(yīng)力參數(shù)不相關(guān)。為了和難于控制的層參數(shù)，如內(nèi)在的應(yīng)力 無(wú)關(guān)，這些通過(guò)設(shè)計(jì)形成的措施對(duì)于制造具有高的可重復(fù)性的麥克風(fēng)和生產(chǎn)率起著重要的 作用。然而，在這樣一些薄膜中沒(méi)有了朝晶片背面方向的密封功能，這使得在使用流體介質(zhì) 的情況下的鋸開(kāi)復(fù)雜化，并且由于流體和臟物滲入到電容的容納結(jié)構(gòu)中給結(jié)構(gòu)部件帶來(lái)風(fēng) 險(xiǎn)。
除了這種經(jīng)典的晶片鋸開(kāi)法外還有一個(gè)所謂的“暗中切割(Stealth Dicing) ”，它 也以“馬合切割”(Mahoh Dicing)概念而有名，它是芯片分離的替代方法。其中借助激光對(duì) 晶片材料進(jìn)行非晶形化，這么一來(lái)在晶片內(nèi)感應(yīng)出機(jī)械應(yīng)力。如此產(chǎn)生的額定斷裂部位當(dāng) 晶片在薄膜上膨脹時(shí)引起芯片的分開(kāi)。在這個(gè)方法中有效地沒(méi)有材料分離下來(lái)，這樣就沒(méi) 有必要在隔開(kāi)工序過(guò)程期間為了運(yùn)走多余的材料而需要流體介質(zhì)了。然而這個(gè)方法的缺點(diǎn) 是按照晶片的厚度需要多個(gè)，或者甚至大量的激光掃描。這樣又降低了晶片的生產(chǎn)能力，并 且提高了該方法的成本。
DE 197 30 028 C2公開(kāi)了一種使用受激原子激光用于邊緣精確地分割和加工在 半導(dǎo)體基底上聯(lián)合制造的，且由AIII-BV-連接半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體芯片的方法。受激原子 激光工作的脈沖持續(xù)時(shí)間的范圍為彡lOOfs，其波長(zhǎng)為彡250nm。在這個(gè)方法中，通過(guò)激光 束擊中表面的位移在基底邊緣上產(chǎn)生一個(gè)與切割線(xiàn)的總長(zhǎng)度相比要短的初始斷面。這個(gè)初 始斷面沿著所希望的，在斷開(kāi)面一此斷開(kāi)面相當(dāng)于半導(dǎo)體基底的晶化方向一中所設(shè)置的分 割線(xiàn)，在一個(gè)應(yīng)加工的基底表面的分割線(xiàn)方向上對(duì)齊。這個(gè)初始斷面作為刻槽是如此產(chǎn)生 的，即它導(dǎo)致自動(dòng)的斷開(kāi)過(guò)程，并且因此在分離線(xiàn)方向出現(xiàn)半導(dǎo)體芯片的分離。這種方法的 缺陷是，根據(jù)所述，為了產(chǎn)生初始斷面需要高的功率密度在5 X IO13和2X 1014W/cm2之間。發(fā)明內(nèi)容
因此根據(jù)本發(fā)明建議一種用于制造分離的設(shè)置在硅基底上的微機(jī)械部件的方法。 這種制造方法包括下述步驟
a)通過(guò)各向異性等離子深腐蝕方法在基底上制作分離溝；
b)用激光對(duì)硅基底的區(qū)域進(jìn)行照射，所述的區(qū)域形成分離溝的底部，其中，通過(guò)在 這個(gè)區(qū)域中的照射使硅基底從一種結(jié)晶狀態(tài)轉(zhuǎn)變成至少部分地非晶質(zhì)狀態(tài)；
C)在基底中感應(yīng)出機(jī)械應(yīng)力。
本發(fā)明意義上的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件特別是這樣的結(jié)構(gòu)部件，即它們的結(jié)構(gòu)具有 彡Ιμπι至< 2000μπι的范圍的尺寸。作為制造的細(xì)節(jié)的結(jié)果是它們通常由一個(gè)硅基底支 承，或者至少部分地由一種結(jié)構(gòu)化的基底構(gòu)成。硅基底可以是一種硅晶片，優(yōu)選地是一種多 晶的或者單晶的晶片。將這些結(jié)構(gòu)部件分離開(kāi)的意思是將原先支承多個(gè)結(jié)構(gòu)部件的基底如 此地進(jìn)行分割，即形成單個(gè)的或者形成更小的結(jié)構(gòu)部件組。
根據(jù)本發(fā)明的方法既可作為對(duì)已在硅基底上制造的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行分離的方法，也 可作為一種分離方法和用于這些結(jié)構(gòu)部件的制造方法的步驟的組合執(zhí)行。
在本方法中首先在步驟a)中蝕刻分離溝，然后應(yīng)沿著這條分離溝將基底分開(kāi)，為 此使用一種各向異性等離子深蝕刻方法。這樣一種方法叫做蝕刻方法。這種方法例如可在 硅基底上提供其深度為彡100 μ m至彡800 μ m或者彡400 μ m 700 μ m的溝。例如可稱(chēng) 為深反應(yīng)離子蝕刻(de印reactive ion etching-DRIE)方法。
該方法的步驟b)包括用激光照射一個(gè)或者多個(gè)分離溝的底部。在這種情況中，激 光可從基底的設(shè)置有分離溝的一側(cè)射入。但是也可從基底的背面照射底部。由于激光照射 被照射的區(qū)域非晶質(zhì)化。隨之出現(xiàn)的是機(jī)械強(qiáng)度的下降。通過(guò)吸收激光一這個(gè)激光例如可 以是其波長(zhǎng)為1064nm的紅外線(xiàn)一在這個(gè)部位加熱材料。加熱區(qū)域可以具有彡4 μ m的尺寸。 通過(guò)這種加熱使材料發(fā)生變化。與此相聯(lián)系的是在這個(gè)部位上體積增加了。其結(jié)果是在晶 片中出現(xiàn)額定斷裂部位，在膨脹時(shí)芯片會(huì)在這個(gè)額定斷裂部位處被分離開(kāi)。
結(jié)構(gòu)部件的最后的分離是在步驟C)中進(jìn)行。機(jī)械應(yīng)力例如可能是拉伸應(yīng)力或者 彎曲應(yīng)力。為了感應(yīng)出應(yīng)力一種辦法是通過(guò)將基底粘貼到一個(gè)薄膜上，并且緊接著水平地 展開(kāi)該薄膜。其最終結(jié)果是通過(guò)機(jī)械應(yīng)力在通過(guò)分離溝的非晶形化的區(qū)域所規(guī)定的部位上 將晶片分開(kāi)。
根據(jù)本發(fā)明的方法有下述優(yōu)點(diǎn)，即基本上防止出現(xiàn)應(yīng)去除的殘留物。各向異性等 離子深蝕刻方法使用的是氣態(tài)的腐蝕劑，并且形成氣態(tài)的反應(yīng)產(chǎn)物。硅基底的非晶質(zhì)化與 隨后通過(guò)機(jī)械應(yīng)力出現(xiàn)的分開(kāi)也沒(méi)有出現(xiàn)材料的去除。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施形式中在步驟a)中的蝕刻方法是一種通過(guò)分別 替換地依次單個(gè)地執(zhí)行彼此可獨(dú)立控制的蝕刻步驟和聚合作用步驟的用于在硅基底中各 向異性地等離子蝕刻用蝕刻掩膜規(guī)定的結(jié)構(gòu)的一種方法，
其中，硅基底設(shè)置在反應(yīng)器中的一個(gè)基底電極上。
其中，在聚合作用步驟期間將一種聚合物涂覆到通過(guò)蝕刻掩膜規(guī)定的結(jié)構(gòu)上，這 個(gè)聚合物在隨后的蝕刻步驟中又部分地剝蝕下來(lái)，并且其中，在等離子體中進(jìn)行無(wú)聚合物 形成物的蝕刻步驟，
其中，對(duì)于聚合作用步驟使用氟和碳的原子比例在> 1 3到彡3 1范圍中的 氟碳?xì)浠衔铮?br> 其中，用氟-碳聚合物覆蓋通過(guò)前述蝕刻步驟顯露出來(lái)的表面，
其中，使用為蝕刻步驟提供氟的蝕刻氣體，4
其中，在蝕刻步驟期間給基底電極提供低功率的高頻。
這種蝕刻方法的方案也以博世(Bosch)方法而聞名。采用這樣一種蝕刻方法可 蝕刻出具有幾乎垂直壁的溝。溝壁與垂直線(xiàn)的誤差通常不大于士2°。例如可將C4F8或者 CHF3和氬的混合物用作形成聚合物的物質(zhì)。優(yōu)選地形成氟-碳-聚合物是無(wú)氯的。可將 SFf^n氬的混合物用于蝕刻步驟。在蝕刻步驟期間離子能量可在> IeV至< 50eV，優(yōu)選地 在彡5eV至< 30eV的范圍中。在聚合作用步驟期間離子能量可在彡IeV至< 10eV，優(yōu)選 地在彡4eV至彡6eV的范圍中?？山o基底電極優(yōu)選地提供功率為彡IOOff至彡1500W，或者 彡300W至彡1200W的微波輻射。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實(shí)施形式中，在步驟b)中的激光具有>0.7W至 (1. 2W的功率。激光功率也可在彡0. 8W至彡1. Iff的范圍中。此外，根據(jù)本發(fā)明還包括在 運(yùn)行期間激光功率的變化為士0.02W。采用這樣一些激光功率可將基底材料的非晶質(zhì)化限 制在分離溝中。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實(shí)施形式中在步驟a)的蝕刻分離溝期間同時(shí)也將洞 穴作為微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的一部分蝕刻到硅基底中。麥克風(fēng)或者壓力傳感器就是具有洞穴或 者空腔室的結(jié)構(gòu)部件的實(shí)例。其中，通過(guò)選擇分離溝的側(cè)面尺寸在等離子蝕刻期間通過(guò)以 前為相應(yīng)的蝕刻方案確定的RIE滯后(lag)系數(shù)可確定所希望的蝕刻深度。這個(gè)反應(yīng)的離 子蝕刻滯后系數(shù)是表示在這些蝕刻方法中在溝寬度較小時(shí)的溝的蝕刻速度比溝寬較大時(shí) 的蝕刻速度要小。在這種情況中是如此地設(shè)計(jì)分離溝的尺寸，即分離溝比洞穴窄。
因此，分離溝也可以蝕刻得比洞穴淺一些。在已公開(kāi)的，并且事前已特性化的RIE 滯后效應(yīng)中通過(guò)選擇相對(duì)于洞穴寬度的溝寬也可以預(yù)先確定在設(shè)置洞穴時(shí)同時(shí)地將分離 溝多深地蝕刻到硅片中。優(yōu)選地如此地調(diào)節(jié)分離溝的深度，即在蝕刻步驟之后在其它的制 造過(guò)程中還能穩(wěn)定地，且無(wú)折斷危險(xiǎn)地處理硅基底。
在這個(gè)實(shí)施形式中特別有利的是可在一個(gè)本來(lái)就為洞穴的結(jié)構(gòu)化應(yīng)進(jìn)行的方法 步驟中設(shè)置分離溝。也就是說(shuō)不需另外的蝕刻步驟。在分離溝范圍中硅基底變得如此的薄， 即為了達(dá)到足夠的非晶質(zhì)化最好只必須用激光照射一次。由于激光加工的切割深度減小， 所以在這個(gè)部位的加工時(shí)間和加工成本明顯地減小。由于能夠在洞穴的蝕刻工序期間，并 且同時(shí)用這個(gè)蝕刻工序通過(guò)掩膜的幾何形狀，特別是在分離溝的寬度上、通過(guò)RIE滯后效 應(yīng)規(guī)定分離溝的深度和寬度，所以幾乎任意的芯片尺寸和蝕刻深度都是可以的。通過(guò)這一 措施就有了高度的設(shè)計(jì)自由，并且分離工序和費(fèi)錢(qián)的設(shè)備變化無(wú)關(guān)，例如在更換具有不同 切割寬度的常規(guī)的晶片鋸的鋸條所必需的。
此外，這些洞穴還可以至少部分地被薄膜覆蓋。這個(gè)薄膜例如可以是麥克風(fēng)薄膜 或者是壓力傳感器薄膜。薄膜可以是結(jié)構(gòu)化的，也就是說(shuō)也可以具有中斷，例如孔。根據(jù)本 發(fā)明的方法特別適用于具有薄膜的結(jié)構(gòu)部件，因?yàn)檫@些敏感的薄膜區(qū)域在分離工序期間通 過(guò)機(jī)械的作用不會(huì)受到損害，并且可以放棄防止流體和物質(zhì)淤積的保護(hù)罩。洞穴有利地可 以具有彡50 μ m至；^ 2000 μ m，或者彡400 μ m至；^ 1000 μ m的寬度。分離溝可以具有彡1 μ m 至彡IOOym或者彡IOym至彡30 μ m的寬度。此外，洞穴的寬度和分離溝的寬度之比可以 為彡5 1至<50 1，或者彡10 1至<30 1。在這些相對(duì)的寬度比中在商業(yè)上通 行的硅晶片中可有利地調(diào)節(jié)洞穴和分離溝的深度比。因此，通過(guò)側(cè)面尺寸的比例可控制不 同的蝕刻深度。
此外，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法制造出來(lái)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件也是本發(fā)明的主題。
在微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的一個(gè)實(shí)施形式中這個(gè)結(jié)構(gòu)部件包括一個(gè)薄膜。這個(gè)薄膜或者 功能的薄膜層的材料例如可以包括非晶的、單晶的或者多晶的硅、硅-鍺(SiGe)、金屬，特 別是鋁以及金屬氧化物或者金屬氮化物。
在微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的另一實(shí)施形式中這個(gè)結(jié)構(gòu)部件是從下述組中挑選出來(lái)的，該 組包括麥克風(fēng)、壓力傳感器、微鏡(Mikrospiegel)和/或具有多孔的薄膜區(qū)域的生物化學(xué) 傳感器。
借助下面附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的說(shuō)明。這些附圖是


圖1 結(jié)構(gòu)化的硅晶片。
圖2 激光切割期間的圖1的硅晶片。
圖1示出了各向異性等離子深蝕刻步驟后的結(jié)構(gòu)化的硅基底1。這個(gè)硅基底1是 如此蝕刻的，即形成洞穴2、穿過(guò)基底1的穿孔3以及在基底1和薄膜5之間形成空腔4。此 外，在蝕刻洞穴2的同時(shí)也形成分離溝6。通過(guò)各向異性蝕刻工序可以產(chǎn)生原則上具有垂 直側(cè)壁的洞穴2和分離溝6。在此，在利用RIE滯后效應(yīng)的情況下產(chǎn)生其蝕刻深度比洞穴2 小的分離溝6。在基底1的背向薄膜的一側(cè)還有屏蔽層7的剩余部分。基底1的薄膜一側(cè) 的表面在沒(méi)有薄膜4的部位上部分地被另一屏蔽層8覆蓋。然而這個(gè)屏蔽層8通過(guò)一個(gè)未 被屏蔽的區(qū)域9中斷。這個(gè)未被屏蔽的區(qū)域9位于分離溝6的延長(zhǎng)部，并且最終也形成它 的底部。由于分離溝6的深度不包括整個(gè)晶片的橫截面，所以為了繼續(xù)處理晶片就不必需 薄膜或者支承基底3形成的真正的晶片容納部。這種做法又有下述優(yōu)點(diǎn)，即與從前側(cè)事后 除去薄膜5的可能的保護(hù)層或者其它的支承區(qū)域的不同之處是不會(huì)損壞薄膜5周?chē)哪切?區(qū)域。
圖2示出激光切割期間的圖1的硅晶片。與圖1不同之處是拿掉了屏蔽層7，并且 硅晶片在它的背面設(shè)置了為以后單個(gè)地容納芯片的薄膜10。通過(guò)這一措施和平常一樣，并 且用已有的設(shè)備可通過(guò)所有其它的包裝站。現(xiàn)在用激光束11照射薄膜側(cè)的晶片表面的未 被屏蔽的區(qū)域9?，F(xiàn)在在這個(gè)區(qū)域9中的硅基底和位于下面的物質(zhì)12通過(guò)激光束11的作 用被非晶形化。因?yàn)樵诠璨牧系姆蔷位倪^(guò)程中從晶片的前面直到深處一背面設(shè)置的分 離溝6在此深處結(jié)束一都沒(méi)有材料被剝蝕，所以就不需要用于運(yùn)走材料或者用于晶片冷卻 的流體介質(zhì)。然后在薄膜10膨脹后這些結(jié)構(gòu)部件就以分離開(kāi)的形式存在，其中，分割線(xiàn)沿 著事前設(shè)置的分離溝6延伸。
權(quán)利要求
1.用于制造在硅基底(1)上分離設(shè)置的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的方法，具有下述步驟a)通過(guò)各向異性等離子深蝕刻方法在基底上制作分離溝(6)；b)用激光(11)對(duì)硅基底(1)的形成分離溝(6)的底部的區(qū)域(9、12)進(jìn)行照射，其 中，通過(guò)在這個(gè)區(qū)域(9、12)中的照射使硅基底(1)從結(jié)晶狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹辽俨糠值胤蔷з|(zhì)狀 態(tài)；c)在基底(1)中感應(yīng)機(jī)械應(yīng)力。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟a)中的蝕刻方法是一種通過(guò)分別交替地 依次單個(gè)執(zhí)行彼此可獨(dú)立控制的蝕刻步驟和聚合作用步驟用于在硅基底(1)中各向異性 地等離子蝕刻用蝕刻掩膜規(guī)定的結(jié)構(gòu)的方法，其中，硅基底(1)設(shè)置在反應(yīng)器中的基底電極上，其中，在聚合作用步驟期間將聚合物涂覆到通過(guò)蝕刻掩膜規(guī)定的結(jié)構(gòu)上，所述聚合物 在接下來(lái)的蝕刻步驟中又部分地被剝離下來(lái)，并且其中，在等離子體中執(zhí)行無(wú)聚合物成份 的蝕刻步驟，其中，在聚合作用步驟時(shí)使用具有在> 1 3至<3 1范圍中的氟對(duì)碳的原子比例 的氟碳?xì)浠衔?，其中，用?碳聚合物覆蓋通過(guò)前面的蝕刻步驟顯露出來(lái)的表面， 其中，為蝕刻步驟使用提供氟的蝕刻氣體， 其中，在蝕刻步驟期間給基底電極加載低功率的高頻率。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，在步驟b)中激光具有彡0.7W至彡1.2W的功率。
4.按照權(quán)利要求1至3的任一項(xiàng)所述的方法，其中，在步驟a)中的蝕刻分離溝(6)期 間同時(shí)將洞穴(2)作為微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的部分蝕刻到硅基底(1)中。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中，洞穴(2)至少部分地被薄膜(5)覆蓋。
6.按照權(quán)利要求4或5所述的方法，其中，洞穴(2)具有彡5(^!11至<2000 μ m的寬度。
7.按照權(quán)利要求4到6的任一項(xiàng)所述的方法，其中，洞穴(2)的寬度和分離溝(6)的寬 度的比例為彡5 1至彡50 1。
8.通過(guò)按照權(quán)利要求1至7的任一項(xiàng)所述的方法制造的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。
9.按照權(quán)利要求8所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，其中，結(jié)構(gòu)部件包括薄膜(5)。
10.按照權(quán)利要求8或9所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，其中，從下列組中選擇結(jié)構(gòu)部件，該組 包括麥克風(fēng)、壓力傳感器、微鏡，和/或具有多孔的薄膜區(qū)域的生物化學(xué)傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造在硅基底(1)上分離設(shè)置的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的方法，它具有下述步驟a)通過(guò)各向異性等離子深蝕刻方法在基底上制作分離溝(7)；b)用激光(11)對(duì)硅基底(1)的形成分離溝(6)的底部的區(qū)域(9、12)進(jìn)行照射，其中，通過(guò)在這個(gè)區(qū)域(9、12)中的照射使硅基底(1)從一種結(jié)晶狀態(tài)至少部分地轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷з|(zhì)狀態(tài)；c)在基底(1)中感應(yīng)機(jī)械應(yīng)力。在一種實(shí)施形式中同時(shí)用蝕刻蝕刻分離溝(6)和洞穴(2)。可通過(guò)RIF滯后效應(yīng)對(duì)蝕刻深度進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102036907SQ200980118616
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者C·萊嫩巴赫, F·拉爾默, K·特費(fèi)倫 申請(qǐng)人:羅伯特.博世有限公司