DE102015117141B4

DE102015117141B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Reduzieren von prozessinterner und verwendungsinterner Haftreibung für MEMS-Vorrichtungen

Info

Publication number: DE102015117141B4
Application number: DE102015117141.4A
Authority: DE
Inventors: Lee-Chuan Tseng; Chang-Ming Wu; Shih-Chang Liu; Yuan-Chih Hsieh
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2035-10-09
Also published as: CN107055460A; CN107055460B; US9878899B2; US20180134542A1; TW201713590A; KR101823211B1; TWI605011B; KR20170040064A; US20190241425A1; US10870574B2; US10273143B2; US20170096328A1; DE102015117141A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung, umfassend:
Bilden einer Schicht (80) auf einer ersten Seite (60) eines ersten Substrates (50), wobei die Schicht (80) mehrere in Richtung einer zweiten Seite (65) des ersten Substrats (50) vorstehende Segmente (90) umfasst, die im ersten Substrat (50) eingebettet sind, wobei sich die zweite Seite (65) der ersten Seite (60) gegenüber befindet und die vorstehenden Segmente (90) in einer ersten Richtung in einer Draufsicht mit Abstand zueinander angeordnet werden;
Bonden des ersten Substrates (50) an ein zweites Substrat (100), das einen Hohlraum (110) enthält, wobei die Schicht (80) nach dem Bonden zwischen dem ersten Substrat (50) und dem zweiten Substrat (100) und über dem Hohlraum (110) angeordnet ist; und
Ätzen der zweiten Seite (65) des ersten Substrates (50), um mehrere bewegliche Komponenten (150) einer MEMS-Vorrichtung zu bilden, und wobei die beweglichen Komponenten (150) der MEMS-Vorrichtung an der Schicht (80) befestigt sind,wobei die beweglichen Komponenten (150) der MEMS-Vorrichtung in einer zweiten Richtung in der Draufsicht mit Abstand zueinander angeordnet werden, wobei die zweite Richtung sich von der ersten Richtung unterscheidet.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Industrie für integrierte Schaltungen (IC) ist rapide gewachsen. Technische Fortschritte bei den IC-Materialien und dem IC-Design haben Generationen von ICs hervorgebracht, wobei jede Generation kleinere und komplexere Schaltungen aufweist als die vorherige Generation. Diese Fortschritte haben jedoch die Komplexität der Verarbeitung und Herstellung von ICs erhöht, und damit diese Fortschritte realisiert werden können, werden ähnliche Entwicklungen bei der IC-Verarbeitung und -Herstellung benötigt. Im Zuge der Entwicklung von integrierten Schaltungen hat die Funktionsdichte (d. h. die Anzahl der miteinander verbundenen Bauelemente pro Chipfläche) allgemein zugenommen, während die geometrische Größe (d. h. die kleinste Komponente (oder Leitung), die sich mit einem Herstellungsprozess erreichen lässt) abgenommen hat. Dieser Abwärtsskalierungsprozess bietet allgemein Vorteile durch Steigerung der Produktionseffizienz und Senkung der zugehörigen Kosten.
Während sich die Halbleitertechnologie entwickelt, können mikroelektromechanische (Micro-Electro-Mechanical oder Micro-Electrical-Mechanical) System (MEMS) -Vorrichtungen unter Verwendung von Standardhalbleitertechniken und -einrichtungen hergestellt werden. Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von MEMS-Vorrichtungen können jedoch unter Problemen aufgrund von Haftreibung (statische Reibung oder Ruhe-Reibung) leiden, welche die Leistung der MEMS-Vorrichtung verschlechtern oder diese in einigen Situationen sogar unbrauchbar machen können.
Während die konventionelle Herstellung von MEMS-Vorrichtungen für ihre Verwendungszwecke generell geeignet gewesen ist, war sie dennoch nicht in jedem Aspekt vollständig zufriedenstellend.
Die DE 10 2013 211 872 A1 beschreibt einen mikroelektromechanischen Reflektor mit einem Elektrodensubstrat mit einer Vielzahl von Aussparungen, wobei durch die Aussparungen zwei Elektroden und zwei mit je einer der Elektroden gekoppelte Kammstrukturen gebildet werden.
Die DE 10 2013 213 065 A1 betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einer in einer Kavität befindlichen Membran, wobei die Kavität an einer Seite von einer Schicht begrenzt wird, in der eine Vielzahl von Gräben angeordnet sind.
Die DE 10 2005 055 083 A1 offenbart einen thermoelektrischen Sensor mit einem Hohlraum zwischen zwei Substraten, wobei in dem Hohlraum zwei leitfähige Strukturen angeordnet sind und der Hohlraum eine Öffnung aufweist.
In der DE 195 30 510 A1 wird ein Halbleitersensor beschrieben, der ein bewegliches Teil mit einer Gateelektrode umfasst, wobei auf einer Oberfläche des beweglichen Teils vorspringende Teile angeordnet sind, um eine Bewegung des beweglichen Teils zu beschränken.
Die DE 103 24 421 A1 offenbart ein Verfahren zum Aufbringen einer Metallisierungsschicht auf einem Halbleiterbauelement, bei dem eine Abdeckung auf einen Halbleitersubstrat mit einem beweglichen Element angebracht wird, wobei die Abdeckung einen Durchbruch aufweist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung am besten verstanden, wenn sie mit den begleitenden Figuren gelesen werden. Es wird betont, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstäblich gezeichnet sind. Tatsächlich können die Dimensionen der verschiedenen Merkmale zur Übersichtlichkeit der Erörterung willkürlich vergrößert oder reduziert sein.

Die 1A bis 7A sind diagrammatische Draufsichten einer Halbleitervorrichtung, die eine MEMS-Vorrichtung umfasst, bei verschiedenen Stufen der Herstellung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die 1B bis 7B sind diagrammatische Querschnittsseitenansichten der Halbleitervorrichtung, die eine MEMS-Vorrichtung umfasst, bei verschiedenen Stufen der Herstellung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die 5C bis 7C sind unterschiedliche diagrammatische Querschnittsseitenansichten der Halbleitervorrichtung, die eine MEMS-Vorrichtung umfasst, bei verschiedenen Stufen der Herstellung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
8 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung stellt viele unterschiedliche Ausführungsformen oder Beispiele bereit, um unterschiedliche Merkmale des bereitgestellten Gegenstandes zu implementieren. Es werden nachfolgend spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht begrenzen. Beispielsweise kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen die ersten und zweiten Merkmale in direktem Kontakt gebildet sind, und auch Ausführungsformen, bei denen zusätzliche Funktionen zwischen den ersten und zweiten Merkmalen gebildet sein können, sodass die ersten und zweiten Merkmale nicht in direktem Kontakt sein können. Außerdem kann die vorliegende Offenbarung Bezugsnummern und/oder -zeichen in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient zum Zweck der Einfachheit und Übersichtlichkeit und diktiert nicht an sich eine Beziehung zwischen den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
Weiter können räumlich relative Begriffe, wie „darunter“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen zur Erleichterung der Erörterung hierin verwendet sein, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem bzw. zu anderen Elementen oder Merkmalen wie veranschaulicht in den Figuren zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der Ausrichtung, die in den Figuren gezeigt ist, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung bei der Verwendung oder beim Betrieb der Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlichen relativen Beschreiber können desgleichen dementsprechend interpretiert werden.
Während sich Halbleiterherstellungstechnologien weiterhin entwickeln, können mikroelektromechanische (Micro-Electro-Mechanical oder Micro-Electrical-Mechanical) System- (MEMS) - Vorrichtungen unter Verwendung von Standardhalbleitertechniken und -ausrüstung hergestellt werden. MEMS-Vorrichtungen umfassen elektrische/mechanische Vorrichtungen, die auf einem Miniaturmaßstab gebildet sind, wie Sensoren, Betätigungseinrichtungen, Spiegel, Gyroskope, Beschleunigungsmesser oder andere kleine Maschinen. Als ein Beispiel können diese winzigen MEMS-Vorrichtungen mindestens teilweise durch Strukturieren geeigneter Abschnitte eines Wafers (z. B. eines Siliziumwafers) gebildet werden. Eine MEMS-Vorrichtung kann auch einen oder mehrere Prozessoren oder Steuerungen aufweisen, die mit den Mechanikkomponenten kommunizieren und/oder diese steuern. Die MEMS-Vorrichtungen können Vorrichtungsdimensionen im Bereich von ungefähr 1 Mikrometer bis 1000 Mikrometern aufweisen und können MEMS-Vorrichtungskomponenten aufweisen, die Größen im Bereich von ungefähr 0,1 Mikrometer bis 100 Mikrometer aufweisen.
Als Miniaturmaschinen können die MEMS-Vorrichtungen kleine Mechanikkomponenten aufweisen, die beweglich sind (z. B. nach oben oder nach unten, links oder rechts, nach vorne oder hinten). Diese beweglichen Komponenten können in unmittelbare Nähe innerhalb voneinander (oder mit anderen in der Nähe befindlichen Flächen) kommen und aufgrund von verschiedenen Kräften, wie Kapillarkräfte, molekulare Van-Der-Waals-Kräfte oder elektrostatische Kräfte usw. aneinander haften. Sobald die beweglichen Komponenten in Kontakt miteinander sind, müssen sie die statische Reibung (als Haftreibung bezeichnet) überwinden, um wieder getrennt zu werden. Haftreibungsprobleme können sich während der Herstellung der MEMS-Vorrichtung ergeben (was auch als prozessinterne Haftreibung bezeichnet wird) oder während der tatsächlichen Verwendung der MEMS-Vorrichtung (was auch als In-Verwendung-Haftreibung bezeichnet wird). Wenn Haftreibungsprobleme nicht überwunden werden können, kann die Leistung der MEMS-Vorrichtung verschlechtert werden oder selbst ein Vorrichtungsversagen auftreten.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich an eine MEMS-Vorrichtung und ein Herstellungsverfahren davon, das prozessinterne Haftreibungs- oder In-Verwendung-Haftreibungsprobleme wie nachfolgend ausführlicher beschrieben unter Bezugnahme auf die 1A bis 7A, 1B bis 7B, 5C bis 7C und 8 reduziert. Die 1A bis 7A sind diagrammatische Draufsichten eines Abschnitts eines MEMS-Wafers 50 bei verschiedenen Herstellungsstufen und die 1B bis 7B sind diagrammatische Querschnittsseitenansichten des Abschnitts des MEMS-Wafers 50 (oder eines MEMS-Substrats) bei verschiedenen Herstellungsstufen und die 5C bis 7C sind diagrammatische Querschnittsseitenansichten (von einer unterschiedlichen Perspektive) von dem Abschnitt des MEMS-Wafers 50 bei verschiedenen Herstellungsstufen.
Unter Bezugnahme auf die 1A bis 1B ist der MEMS-Wafer 50 ein Wafer, aus dem eine oder mehrere MEMS-Vorrichtungen hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen enthält der MEMS-Wafer 50 Silizium oder kann als ein Siliziumwafer oder als ein Siliziumsubstrat bezeichnet werden. Der MEMS-Wafer 50 weist eine Seite 60 auf (gezeigt als die Unterseite in 1B) und eine gegenüberliegende Oberseite 65 (gezeigt als die Oberseite in 1B). Es ist zu verstehen, dass die Draufsicht in 1A durch „Herabsehen“ von der Oberseite 65 erlangt ist.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 2A bis 2B werden mehrere Gräben oder Öffnungen 70 im MEMS-Wafer 50 von der Seite 60 gebildet. Die Gräben 70 können durch einen Ätzprozess wie beispielsweise einen Trockenätzprozess oder einen Nassätzprozess gebildet werden. In der Draufsicht von 2B sind die Gräben 70 als gestrichelte oder unterbrochene Linien veranschaulicht, wenn sie auch nicht direkt in der Draufsicht sichtbar sein würden (da der Rest des MEMS-Wafers 50 die Ansicht der Gräben 70 verdecken würde).
Unter jetziger Bezugnahme auf die 3A bis 3B wird eine Schicht 80 über der Seite 60 des MEMS-Wafers 50 gebildet. Die Schicht 80 kann durch einen geeigneten aus dem Stand der Technik bekannten Abscheidungsprozess gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Schicht 80 ein Dielektrikum wie beispielsweise Siliziumoxid. Bei anderen Ausführungsformen kann die Schicht 80 Fotolack umfassen. Die Schicht 80 füllt die Gräben 70. Segmente der Schicht 80, welche die Gräben 70 füllen, sind als Segmente 90 in 3B bezeichnet, die als in den MEMS-Wafer 50 „eingebettet“ erscheinen. Anders ausgedrückt stehen die Segmente 90 der Schicht 80 zur Seite 65 des MEMS-Wafers 50 vor. Wenn auch die Segmente 90 der Schicht 80 in der Draufsicht von 3A nicht direkt sichtbar sind, sind sie in 3A zum Zwecke der Übersichtlichkeit als gestrichelte oder unterbrochene Linien veranschaulicht.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 4A bis 4B wird ein Wafer 100 an den MEMS-Wafer 50 durch die Seite 60 gebondet. Bei einigen Ausführungsformen kann das Bonden ein optischer Bondprozess oder ein Fusionsbondingprozess sein. Der Wafer 100 kann ein Halbleiterwafer sein oder ein Halbleitersubstrat umfassen und kann verschiedene passive und aktive Mikroelektronikbauelemente wie Widerstände, Kondensatoren, Induktoren, Dioden, Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), komplementäre Metalloxidhalbleiter- (CMOS)-Transistoren, Bipolartransistoren (BJT), seitlich diffundierte MOS- (LDMOS) -Transistoren, Hochleistungs-MOS-Transistoren oder andere Arten von Transistoren enthalten. Der Wafer 100 kann auch als ein Siliziumwafer oder ein CMOS-Wafer bezeichnet werden.
Der Wafer 100 enthält einen Hohlraum 110, der aus Gründen der Einfachheit in der Schnittdarstellung von 4B gezeigt, aber nicht speziell in der Draufsicht von 4A veranschaulicht ist. Das Bonden zwischen dem MEMS-Wafer 50 und dem Wafer 100 wird derart ausgeführt, dass die Schicht 80 zwischen den Wafern 50 und 100 gebondet wird, und dass sich die Schicht 80 nach dem Bonden über dem Hohlraum 110 befindet.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 5A, 5B und 5C werden mehrere bewegliche MEMS-Komponenten 150 durch Strukturieren (z. B. Ätzen) des MEMS-Wafers 50 von der Seite 65 gebildet. Die Schicht 80 kann während des Strukturierens des MEMS-Wafers 50 als eine Ätzstoppschicht dienen, um die beweglichen MEMS-Komponenten 150 zu bilden. Die beweglichen MEMS-Komponenten 150 sind konzipiert, sich zu bewegen (beispielsweise vertikal oder seitlich), wenn die MEMS-Vorrichtung hergestellt und in Verwendung ist, es ist aber nicht wünschenswert, dass die beweglichen MEMS-Komponenten 150 sich während der Herstellung der MEMS-Vorrichtung viel bewegen, da das zu Haftreibungsproblemen führen kann. Hier schränkt die Schicht 80 die Bewegung der beweglichen Komponenten 150 während der Herstellungsprozesse ein, wodurch Haftreibungsprobleme reduziert werden.
Ausführlicher ist 5A eine diagrammatische fragmentarische Draufsicht des MEMS-Wafers 50, der an den Wafer 100 gebondet ist. 5B ist eine diagrammatische Querschnittsseitenansicht des MEMS-Wafers 50 und des Wafers 100 entlang einer X-Richtung oder X-Achse (gezeigt als von X-X' in den 5A bis 5B). 5C ist eine diagrammatische Querschnittsseitenansicht des MEMS-Wafers 50 und des Wafers 100 entlang einer Y-Richtung oder Y-Achse (gezeigt als von Y-Y' in den 5A und 5C). In der veranschaulichten Ausführungsform sind die X-Achse und die Y-Achse zueinander senkrecht und definieren gemeinsam eine Horizontalebene (oder X-Y-Ebene). Eine Z-Richtung oder Z-Achse ist senkrecht (oder orthogonal) zur X-Richtung/Achse und der Y-Richtung/Achse. Während die X-Achse und die Y-Achse gemeinsam eine Horizontalebene definieren, ist die Z-Richtung/Achse mit anderen Worten eine vertikale Richtung/Achse. Der MEMS-Wafer 50 und der Wafer 100 sind in der Z-Richtung/Achse aneinander gebondet. Die Draufsicht von 5A ist ebenfalls durch „Herabsehen“ auf den MEMS-Wafer 50 und den Wafer 100 entlang der Z-Achse erlangt.
Bei der gezeigten Ausführungsform in der Draufsicht in 5A weisen die beweglichen MEMS-Komponenten 150 jeweils eine längliche Form auf und erstrecken sich in der X-Richtung oder entlang der X-Achse und die Segmente 90 der Schicht 80 weisen jeweils eine längliche Form auf und erstrecken sich in der Y-Richtung oder entlang der Y-Achse. Die längliche Form der Segmente 80 ist in 5A aufgrund dessen, dass die Segmente durch die beweglichen MEMS-Komponenten 150 abgedeckt sind, nicht so ersichtlich, aber ihre länglichen Formen sind ohne weiteres in 4A ersichtlich. Es kann sein, dass für jede bewegliche MEMS-Komponente 150 mehrere der Segmente 90 darin von der Seite 60 zur Seite 65 eingebettet sind. Außerdem ist aus den 5A bis 5C ersichtlich, dass die Segmente 90 voneinander in der X-Richtung oder entlang der X-Achse getrennt sind und die beweglichen MEMS-Komponenten 150 voneinander in der Y-Richtung oder entlang der Y-Achse getrennt sind.
Die Bildung (oder das Vorhandensein) der Schicht 80 reduziert die Wahrscheinlichkeit von Haftreibungsproblemen während der Herstellung der beweglichen MEMS-Komponenten 150. Wenn beispielsweise eine oder mehrere von den beweglichen Komponenten 150 sich zu einer anderen der beweglichen Komponenten 150 bewegen, können sie aneinander haften bleiben, wodurch das vorstehend erörterte Haftreibungsproblem verursacht wird. Gemäß den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung „blockiert“ die Schicht 80 jedoch die MEMS-Komponenten 150 effektiv an Ort und Stelle und verhindert deren Bewegung in entweder der X-Richtung oder in der Y-Richtung. Zum Beispiel bedeuten die Bondingkräfte zwischen der Schicht 80 und den beweglichen MEMS-Komponenten 150, dass die beweglichen MEMS-Komponenten 150 an der Schicht 80 befestigt oder durch diese gesichert sind. Da die Schicht 80 während der Herstellungsprozesse hierin stationär ist oder sich nicht bewegt (beispielsweise während des Ätzens des MEMS-Wafers 50, um die beweglichen MEMS-Komponenten 150 zu bilden), werden die beweglichen MEMS-Komponenten 150 effektiv an der stationären Schicht 80 „blockiert“ und bewegen sich daher nicht zueinander oder zu anderen Vorrichtungsflächen. Außerdem stehen die Segmente 90 (von der Seite 60 zur Seite 65) in die Unterseite von jeder der beweglichen MEMS-Komponenten 150 vor. Dies verhindert weiter, dass sich die beweglichen MEMS-Komponenten 150 in der X-Richtung oder entlang der X-Achse bewegen. Daher kommen die beweglichen MEMS-Komponenten 150 mit geringerer Wahrscheinlichkeit in Kontakt miteinander oder mit anderen Teilen des MEMS-Wafers oder des Wafers 100. Daher treten prozessinterne Haftreibungsprobleme mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 6A bis 6C wird ein Trockenlöseprozess angewandt, um die Flächen der beweglichen MEMS-Komponenten 150 zu reinigen sowie einen Abschnitt der Schicht 80 in (oder über) dem Hohlraum 110 zu entfernen. Das Reinigen wird ausgeführt, um Restpartikel oder andere Schmutzpartikel, die (z. B. durch den Ätzprozess) als ein Teil der Bildung der beweglichen MEMS-Komponenten erzeugt werden, zu entfernen. Der Abschnitt der Schicht 80 unter den beweglichen MEMS-Komponenten 150 wird entfernt, sodass die beweglichen MEMS-Komponenten 150 sich frei bewegen können, da die beweglichen MEMS-Komponenten nicht mehr durch die Schicht 80 beschränkt werden, die sie sonst an Ort und Stelle blockieren würde. Daher kann man sagen, dass die Schicht 80 von den beweglichen MEMS-Komponenten 150 „gelöst“ wird, oder, dass die beweglichen MEMS-Komponenten 150 von der Schicht 80 „gelöst“ werden.
Wie der Name impliziert, wird der Trockenlöseprozess ohne Verwendung von Flüssigkeit (oder nassen) Chemikalien ausgeführt. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Trockenlöseprozess das Anwenden einer Dampfhydrofluor- (vHF) -Säure (Fluorwasserstoffsäure in Dampfform). Das Verwenden von nicht flüssigen Chemikalien, um die Schicht 80 zu entfernen, ist für Haftreibungszwecke vorteilhaft. Ausführlicher kann als ein Teil der konventionellen MEMS-Vorrichtungsherstellung ein Feuchtreinigungsprozess ausgeführt werden, um die Flächen der MEMS-Komponenten oder von anderen Flächen zu reinigen. Ein solcher Feuchtreinigungsprozess entfernt die Restpartikel oder andere Schmutzpartikel als ein Teil des Ätzprozesses, um die beweglichen MEMS-Komponenten zu bilden. Der Feuchtreinigungsprozess führt jedoch zu nassen Flächen der MEMS-Komponenten, die es wahrscheinlicher machen, dass die MEMS-Komponenten aneinander haften und auch schwerer zu trennen sind, sobald sie aneinander haften. Mit anderen Worten können die in konventionellen Feuchtreinigungsprozessen verwendeten flüssigen Chemikalien Haftreibungsprobleme für MEMS-Vorrichtungen verschärfen.
Im Vergleich bezieht der Trockenlöseprozess keine flüssigen Chemikalien ein, was bedeutet, dass die Flächen der beweglichen MEMS-Komponenten 150 (und Flächen anderer Vorrichtungen) im Wesentlichen trockener sind, als sie es gewesen wären, wenn ein Feuchtreinigungsprozess verwendet worden wäre. Die trockeneren Flächen hierin reduzieren die Wahrscheinlichkeit, dass die beweglichen MEMS-Komponenten 150 aneinander oder an anderen Flächen haften, wie beispielsweise an Flächen des MEMS-Wafers 50 oder an Flächen des Wafers 100. Selbst wenn die beweglichen MEMS-Komponenten 150 irgendwie einen physischen Kontakt miteinander oder mit anderen Flächen herstellen, reduzieren die trockeneren Flächen hierin die Flächenanziehung, sodass die Komponenten in physischem Kontakt noch leichter voneinander getrennt werden können. Als solches treten prozessinterne Haftreibungsprobleme mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf und können leicht gelöst werden, selbst wenn sie auftreten.
Gemäß den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden In-Verwendung-Haftreibungsprobleme ebenfalls verbessert. Wie ersichtlich in 6B werden nach dem Entfernen der Schicht 80 unter den beweglichen MEMS-Komponenten 150 mehrere Höcker 200 an der Unterseite (d. h., der Seite 60) von jeder der beweglichen MEMS-Komponenten 150 gebildet. Infolge der vorstehend erörterten Herstellungsprozesse sind die Höcker 200 mit den beweglichen MEMS-Komponenten 150 „selbstausrichtend“.
Diese Höcker 200 sind voneinander in der X-Richtung (oder entlang der X-Achse) durch mehrere Spalten oder Gräben 210 getrennt, die von den vorstehend unter Bezugnahme auf 2B erörterten Gräben 70 abgeleitet sind. Die Höcker 200 sind in der Draufsicht von 6A nicht direkt sichtbar, sie sind aber der Eindeutigkeit halber als gestrichelte oder unterbrochene Linien in 6A veranschaulicht.
Die beweglichen MEMS-Komponenten 150, die eine solche Struktur wie veranschaulicht in den 6A bis 6B aufweisen (d. h., mit den Höckern 200 getrennt durch die Spalten 210 als deren Unterseite) bieten verbesserte In-Verwendung-Haftreibung. Ausführlicher verweist In-Verwendung-Haftreibung auf Situationen, bei denen die beweglichen MEMS-Komponenten 150 aneinander oder an anderen Flächen, wie beispielsweise der unteren Fläche des Hohlraums 110, haften, während die MEMS-Vorrichtung tatsächlich in einer realen Anwendung (nach der Herstellung) verwendet wird. Haftreibung steht mit einem Betrag an Flächenbereich in Beziehung. Generell gilt, je größer der Flächenbereich, desto wahrscheinlicher können sich Haftreibungsprobleme ergeben und desto schwerer können die Haftreibungsprobleme auch überwunden werden.
Gemäß den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung weisen die beweglichen MEMS-Komponenten 150 einen reduzierten Flächenbereich auf. Dies ist mindestens teilweise aufgrund der Spalten oder Gräben 210 der Fall. Mit anderen Worten weist der untere Abschnitt von jeder der beweglichen MEMS-Komponenten 150 mehrere hohle Segmente auf (d. h., die Spalten oder Gräben 210), die keinen Flächenbereich aufweisen. Als Resultat sind sowohl der der untere Flächenbereich als auch der Seitenflächenbereich der beweglichen MEMS-Komponenten 150 reduziert. Der reduzierte untere Flächenbereich und der reduzierte Seitenflächenbereich schwächen daher In-Verwendung-Haftreibungsprobleme ab.
Wie in 6B gezeigt, weisen die Höcker 200 eine Tiefe (oder Höhe) 250 auf. Die Tiefe 250 ist in der Z-Richtung gemessen und ist auch im Wesentlichen gleich der Tiefe der Gräben 210. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Tiefe 250 in einem Bereich von ungefähr 0,2 nm bis zu ungefähr 2 nm. Die Höcker 200 weisen auch eine kritische Abmessung 260 auf. Die kritische Abmessung 260 wird in der X-Richtung gemessen und kann auch als die Teilung bezeichnet werden. Mit anderen Worten ist die kritische Abmessung 260 die Summe der Querabmessung von einem der Höcker 200 und der Querabmessung von einer der Spalten/einem der Gräben 210. Bei einigen Ausführungsformen liegt die kritische Abmessung 260 in einem Bereich von ungefähr 0,2 Mikrometer bis zu ungefähr 10 Mikrometer.
Diese Bereiche von Abmessungen für die Tiefe 250 und der kritischen Abmessung 260 sind nicht zufällig ausgewählt, sondern tatsächlich derart konfiguriert, dass die Gräben 210 und die Höcker 200 nicht zu schwierig zu bilden wären, während zur gleichen Zeit sichergestellt wird, dass: 1. Die Segmente 90 (gezeigt in 5B und entsprechend den Gräben 210 in 6B) ausreichend groß sind, um dabei zu unterstützen, die MEMS-Komponenten 150 während der Herstellung an Ort und Stelle zu „blockieren“; und 2. Es eine ausreichende Flächenbereichsreduzierung für die beweglichen MEMS-Komponenten 150 gibt, um potenzielle In-Verwendung-Haftreibungsprobleme abzuschwächen.
Die 6B bis 6C veranschaulichen auch visuell eine einzigartige physikalische Eigenschaft der MEMS-Vorrichtung, die hierin hergestellt wird, infolge des Trockenlöseprozesses - der Abschnitt der Schicht 80, die zwischen dem MEMS-Wafer 50 und dem Wafer 100 gebondet ist, weist eine ausgesparte (oder nach innen gebogene) Seitenfläche 280 auf, nachdem der Trockenlöseprozess ausgeführt ist. Mit anderen Worten entfernt der Trockenlöseprozess nicht nur den Abschnitt der Schicht 80 direkt unter den beweglichen MEMS-Komponenten 150, sondern er ätzt auch einen Abschnitt der Schicht 80 weg, der zwischen dem MEMS-Wafer 50 und dem Wafer 100 gebondet ist. Bei einigen Ausführungsformen krümmt sich die ausgesparte Seitenfläche 280 um ungefähr 0,2 Mikrometer bis zu ungefähr 10 Mikrometer nach innen. Im Vergleich dazu weist bei der konventionellen MEMS-Herstellung die Verbundschicht, die zwischen einem MEMS-Wafer und einem anderen Wafer gebondet ist, keine ausgesparte oder gekrümmte Seitenfläche auf. Sondern eine solche Verbundschicht kann eine im Wesentlichen gerade Seitenfläche aufweisen. Daher weisen MEMS-Vorrichtungen, die unter Verwendung des vorstehend erörterten Verfahrens hergestellt sind wahrscheinlich eine ausgesparte Seitenwandfläche für die Verbundschicht ähnlich der hier beschriebenen ausgesparten Seitenfläche 280, die in den 6B bis 6C gezeigt ist, auf.
7A ist eine diagrammatische fragmentarische Draufsicht einer MEMS-Vorrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und die 7B bis 7C sind unterschiedliche diagrammatische fragmentarische Querschnittsseitenansichten der MEMS-Vorrichtung gemäß der alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Aus Gründen der Durchgängigkeit und Übersichtlichkeit sind ähnliche Elemente zwischen den 6A bis 6C und den 7A bis 7C hierin gleich bezeichnet.
Bei der gezeigten Ausführungsform in den 7A bis 7C werden die gleichen Herstellungsprozesse, die in Verbindung mit den 1A bis 6A, 1B bis 6B und 5C bis 6C vorstehend erörtert wurden, ausgeführt. Das heißt, eine Schicht 80 wird auf der Unterseite 60 des MEMS-Wafers 50 gebildet, wobei die Schicht 80 mehrere Segmente aufweist, die in den MEMS-Wafer 50 zur Oberseite 65 vorstehen. Diese Schicht 80 blockiert die beweglichen MEMS-Komponenten 150 während der Herstellung an Ort und Stelle, wodurch „prozessinterne“ Haftreibungsprobleme reduziert werden. Diese Schicht 80 wird auch unter Verwendung eines Trockenlöseprozesses entfernt, wodurch weiter „prozessinterne“ Haftreibungsprobleme reduziert werden. Die resultierenden Höckerstrukturen 200 getrennt durch die Spalten 210 an der Unterseite von den beweglichen MEMS-Komponenten 150 führen zu einer Flächenbereichsreduzierung, wodurch „In-Verwendung“-Haftreibungsprobleme reduziert werden. Zusätzlich zu diesen Prozessen bildet jedoch, die Ausführungsform, die in den 7A bis 7C gezeigt ist, auch eine Verbundschicht 300 zwischen dem MEMS-Wafer 50 und dem Wafer 100. Diese Schicht 300 kann bei einigen Ausführungsformen ein Dielektrikum wie beispielsweise Siliziumoxid enthalten. Unter anderem kann die Schicht 300 das Bonden zwischen dem MEMS-Wafer 50 und dem Wafer 100 erleichtern. Abschnitte der Verbundschicht 300 können immer noch in dem Hohlraum 110 im endgültigen MEMS-Vorrichtungsprodukt verbleiben.
8 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 510 des Bildens mehrerer Öffnungen in einer ersten Seite eines ersten Substrates. Bei einigen Ausführungsformen ist das erste Substrat ein MEMS-Substrat oder ein Abschnitt eines MEMS-Wafers und kann ein Halbleitermaterial wie Silizium enthalten.
Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 520 des Bildens einer Dielektrikumschicht über der ersten Seite des Substrates. Mehrere Segmente der Dielektrikumschicht füllen die Öffnungen. Bei einigen Ausführungsformen enthält die Dielektrikumschicht Siliziumoxid.
Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 530 des Bondens der ersten Seite des ersten Substrates an ein zweites Substrat, das einen Hohlraum enthält. Das Bonden wird derart ausgeführt, dass die Segmente der Dielektrikumschicht über dem Hohlraum angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsformen ist das zweite Substrat ein Abschnitt eines Siliziumwafers oder eines CMOS-Wafers.
Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 540 des Umformens eines Abschnitts des ersten Substrates, das über dem Hohlraum angeordnet ist, in mehrere bewegliche Komponenten einer MEMS-Vorrichtung. Die beweglichen Komponenten sind in physischem Kontakt mit der Dielektrikumschicht. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Umformen das Ausführen eines Ätzprozesses von einer zweiten Seite des ersten Substrates gegenüber der ersten Seite, sodass ein Abschnitt des ersten Substrates in die mehreren beweglichen Komponenten der MEMS-Vorrichtung geätzt wird. Die Dielektrikumschicht kann als eine Ätzstoppschicht für den Ätzprozess dienen.
Bei einigen Ausführungsformen sind die Segmente der Dielektrikumschicht voneinander entlang einer ersten Achse in einer Horizontalebene beabstandet und die beweglichen Komponenten der MEMS-Vorrichtung sind voneinander entlang einer zweiten Achse in der Horizontalebene beabstandet. Die zweite Achse ist zur ersten Achse senkrecht. Bei einigen Ausführungsformen erstrecken sich die Segmente der Dielektrikumschicht jeweils entlang der zweiten Achse und die beweglichen Komponenten der MEMS-Vorrichtung erstrecken sich jeweils entlang der ersten Achse.
Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 550 des Entfernens eines Abschnitts der Dielektrikumschicht ohne Verwendung von flüssigen Chemikalien, der auch als Trockenlöseprozess bekannt ist. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Entfernungsschritt das Anwenden einer Dampffluorwasserstoffsäure (vHF), um den Abschnitt der Dielektrikumschicht zu entfernen.
Es versteht sich jedoch, dass zusätzliche Prozesse vor, während oder nach den Schritten 510 bis 550 des Verfahrens 500 ausgeführt werden können, um die Herstellung der Halbleitervorrichtung abzuschließen. Beispielsweise können die beweglichen MEMS-Komponenten mit einem Material beschichtet werden, um Haftreibung weiter zu vermeiden, und die Wafer hierin können vereinzelt und in individuelle MEMS-ICs gepackt werden. Aus Gründen der Einfachheit werden andere zusätzliche Herstellungsschritte hierin im Detail nicht beschrieben.
Basierend auf den vorstehenden Erörterungen, ist zu sehen, dass die vorliegende Offenbarung Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von MEMS-Vorrichtungen anbietet. Es versteht sich jedoch, dass andere Ausführungsformen zusätzliche Vorteile anbieten können und nicht alle Vorteile zwangsläufig hier offenbart sind, und dass kein spezieller Vorteil für alle Ausführungsformen erforderlich ist. Ein Vorteil besteht darin, dass prozessinterne Haftreibungsprobleme im Wesentlichen abgeschwächt werden. Beispielsweise stellt die Materialschicht, die an der Unterseite des MEMS-Wafers gebildet wird, effektiv einen Blockierungsmechanismus für die beweglichen MEMS-Komponenten bereit, wodurch verhindert wird, dass diese MEMS-Komponenten sich während der Herstellung bewegen (und daher an anderen Flächen anhaften). Außerdem bezieht der Trockenlöseprozess, der verwendet wird, um die Flächen der verschiedenen Komponenten zu reinigen und die vorstehend beschriebene „Blockier“-Schicht zu entfernen, keine flüssigen Chemikalien ein und als solches ist es weniger wahrscheinlich, dass die MEMS-Komponenten an anderen Vorrichtungen anhaften. Im Vergleich dazu setzt die konventionelle MEMS-Herstellung üblicherweise einen Feuchtreinigungsprozess ein, der bewirken kann, dass MEMS-Vorrichtungskomponenten in Kontakt mit anderen Vorrichtungen kommen und an diesen anhaften.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die In-Verwendung-Haftreibungsprobleme ebenfalls abgeschwächt werden. Generell kann Haftreibung eine Funktion des Flächenbereichs sein, d. h., je größer der Flächenbereich, desto wahrscheinlicher ist es, dass Haftreibung auftritt, und desto schwerer ist die Haftreibung zu überwinden. Gemäß den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung resultieren die hierin beschrieben Prozesse in einer MEMS-Vorrichtung (wenn in Verwendung), bei der die beweglichen Komponenten untere Abschnitte aufweisen, die mehrere durch Spalten getrennte Höcker aufweisen. Die Spalten entsprechen einer Reduzierung im Flächenbereich für die beweglichen MEMS-Vorrichtungskomponenten. Daher schwächt der kleinere Flächenbereich die In-Verwendung-Haftreibungsprobleme ab.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die vorliegende Offenbarung keine signifikanten Änderungen an den existierenden Verfahren der MEMS-Herstellung erfordert. Als solches erhöht sie die Herstellungskosten nicht erheblich, wenn überhaupt.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung. Eine Schicht wird auf einer ersten Seite eines ersten Substrates gebildet. Die Schicht umfasst mehrere vorstehende Segmente, die in das erste Substrat eingebettet sind. Das erste Substrat wird an ein zweites Substrat gebondet, das einen Hohlraum enthält. Die Schicht wird nach dem Bonden zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat und über dem Hohlraum angeordnet. Eine zweite Seite des ersten Substrates wird geätzt, um mehrere bewegliche Komponenten einer MEMS-Vorrichtung zu bilden. Die zweite Seite liegt der ersten Seite gegenüber. Die beweglichen Komponenten der MEMS-Vorrichtung sind an der Schicht befestigt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung. Mehrere Öffnungen werden in einer ersten Seite eines ersten Substrates gebildet. Eine Dielektrikumschicht wird über der ersten Seite des Substrates gebildet. Mehrere Segmente der Dielektrikumschicht füllen die Öffnungen. Die erste Seite des ersten Substrates wird an ein zweites Substrat gebondet, das einen Hohlraum enthält. Das Bonden wird derart ausgeführt, dass die Segmente der Dielektrikumschicht über dem Hohlraum angeordnet sind. Ein Abschnitt des ersten Substrates, der über dem Hohlraum angeordnet ist, wird in mehrere bewegliche Komponenten einer MEMS-Vorrichtung umgeformt. Die beweglichen Komponenten sind in physischem Kontakt mit der Dielektrikumschicht. Danach wird ein Abschnitt der Dielektrikumschicht ohne das Verwenden von flüssigen Chemikalien entfernt.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Vorrichtung, die eine MEMS-Vorrichtung umfasst. Die MEMS-Vorrichtung umfasst ein erstes Substrat. Das erste Substrat umfasst einen Hohlraum. Die MEMS-Vorrichtung umfasst auch ein zweites Substrat, das an das erste Substrat gebondet ist. Das zweite Substrat umfasst mehrere bewegliche Komponenten, die über dem Hohlraum angeordnet sind. Die beweglichen Komponenten enthalten jeweils mehrere Höcker, die zu dem Hohlraum vorstehen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung, umfassend: Bilden einer Schicht (80) auf einer ersten Seite (60) eines ersten Substrates (50), wobei die Schicht (80) mehrere in Richtung einer zweiten Seite (65) des ersten Substrats (50) vorstehende Segmente (90) umfasst, die im ersten Substrat (50) eingebettet sind, wobei sich die zweite Seite (65) der ersten Seite (60) gegenüber befindet und die vorstehenden Segmente (90) in einer ersten Richtung in einer Draufsicht mit Abstand zueinander angeordnet werden; Bonden des ersten Substrates (50) an ein zweites Substrat (100), das einen Hohlraum (110) enthält, wobei die Schicht (80) nach dem Bonden zwischen dem ersten Substrat (50) und dem zweiten Substrat (100) und über dem Hohlraum (110) angeordnet ist; und Ätzen der zweiten Seite (65) des ersten Substrates (50), um mehrere bewegliche Komponenten (150) einer MEMS-Vorrichtung zu bilden, und wobei die beweglichen Komponenten (150) der MEMS-Vorrichtung an der Schicht (80) befestigt sind,wobei die beweglichen Komponenten (150) der MEMS-Vorrichtung in einer zweiten Richtung in der Draufsicht mit Abstand zueinander angeordnet werden, wobei die zweite Richtung sich von der ersten Richtung unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: nachdem die beweglichen Komponenten (150) der MEMS-Vorrichtung gebildet sind, das Entfernen von mindestens einem Abschnitt der Schicht (80) unter Verwendung eines Trockenlöseprozesses.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Trockenlöseprozess unter Verwendung einer Dampffluorwasserstoffsäure (vHF) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schicht (80) Siliziumoxid enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die vorstehenden Segmente (90) jeweils eine längliche Form in der Draufsicht aufweisen und jedes sich in der zweiten Richtung erstreckt; und die beweglichen Komponenten (150) der MEMS-Vorrichtung jeweils eine längliche Form in der Draufsicht aufweisen und jede sich in der ersten Richtung erstreckt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Richtung zur zweiten Richtung senkrecht ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bilden der Schicht umfasst: Ätzen mehrerer Gräben (70) in der ersten Seite (60) des ersten Substrates (50); und Abscheiden der Schicht (80) über der ersten Seite (60) des Substrates (50), wobei Abschnitte der Schicht (80), welche die Gräben (70) füllen, die mehreren vorstehenden Segmente (90) bilden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend: vor dem Bonden, das Bilden einer Siliziumoxidschicht (300) über dem zweiten Substrat (100), wobei das Bonden derart ausgeführt wird, dass die Siliziumoxidschicht (300) zwischen dem ersten Substrat (50) und dem zweiten Substrat (100) gebondet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schicht (80) als eine Ätzstoppschicht für das Ätzen der zweiten Seite (65) des ersten Substrats (50) dient.
Vorrichtung, umfassend: eine MEMS-Vorrichtung, wobei die MEMS-Vorrichtung umfasst: ein erstes Substrat (100), wobei das erste Substrat (100) einen Hohlraum (110) umfasst; und ein zweites Substrat (50), das an das erste Substrat (100) gebondet ist, wobei das zweite Substrat (50) mehrere bewegliche Komponenten (150) umfasst, die über dem Hohlraum (110) angeordnet sind, wobei die beweglichen Komponenten (150) jeweils mehrere Höcker (200) aufweisen, die in Richtung des Hohlraums (110) vorstehen; wobei die Höcker (200) entlang einer ersten Richtung in einer Draufsicht mit Abstand zueinander angeordnet sind; und die beweglichen Komponenten (150) entlang einer zweiten Richtung in der Draufsicht mit Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die zweite Richtung die erste Richtung schneidet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die beweglichen Komponenten (150) jeweils eine längliche Form in der Draufsicht aufweisen und sich jede entlang der ersten Richtung erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die erste Richtung zur zweiten Richtung senkrecht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, weiter umfassend eine Dielektrikumschicht (80), die zwischen dem ersten Substrat (100) und dem zweiten Substrat (50) angeordnet ist, wobei die Dielektrikumschicht (80) eine ausgesparte Fläche aufweist, die dem Hohlraum (110) gegenübersteht.