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Hintergrund der Erfindung
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Ein MEMS-Bauelement (MEMS: microelectromechanical system; mikroelektromechanisches System) ist ein Bauelement in Mikrogröße, das normalerweise eine Größe in dem Bereich von weniger als 1 Mikrometer bis mehreren Millimetern hat. Das MEMS-Bauelement umfasst mechanische Elemente (stationäre Elemente und/oder bewegliche Elemente), die über einem Substrat (z. B. einem Wafer) hergestellt sind, zum Erfassen von physikalischen Bedingungen, wie etwa Kraft, Beschleunigung, Druck, Temperatur oder Schwingung, und elektronische Elemente zum Verarbeiten von elektrischen Signalen. Die MEMS-Bauelemente finden breite Anwendung in Einsatzgebieten wie akustischen Systemen, Fahrzeugsystemen, Trägheitslenkungssystemen, Haushaltgeräten, Schutzsystemen für viele verschiedene Geräte und vielen anderen Industrie-, wissenschaftlichen und technischen Systemen.
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Wenn sich die Technologien weiterentwickeln, werden Designs für MEMS-Bauelemente und Halbleiter-Bauelemente in Anbetracht ihrer geringeren Größe und Dicke komplizierter. In einem solchen kleinen und dünnen Bauelement sind zahlreiche Herstellungsschritte implementiert. Die Herstellung von MEMS- und Halbleiter-Bauelementen in einem miniaturisierten Maßstab wird komplizierter, und die zunehmende Komplexität der Herstellung kann zu Mängeln führen, wie etwa hohem Ausbeuteverlust, Waferrissen und anderen Problemen.
DE 39 18 769 A1 offenbart einen Halbleiterdrucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung und insbesondere das in-Kontakt-Bringen zweier Halbleitersubstrate durch eine Isolierschicht, das Dünnen einer Hauptoberfläche eines ersten Substrats und das Bilden einer Vertiefung in dem zweiten Substrat.
DE 10 2005 004 878 A1 offenbart ein mikromechanisches Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren, welches das Bilden einer elastisch auslenkbaren und zumindest bereichsweise leitfähigen Membran, die von dem Substrat elektrisch isoliert ist, umfasst.
DE 10 2009 029 201 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines ein mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement umfassendes Bauteils, welches mithilfe einer Umhüllmasse von einem Substrat abgelöst werden kann.
DE 42 24 349 A1 offenbart einen Raumlichtmodulator aus Silizium, welcher eine dünne Membran aus dotiertem Silizium oberhalb einer Rückwand aufweist, wobei die Rückwand zusätzliche Entlüftungsöffnungen aufweist.
DE 602 01 408 T2 offenbart ein Verfahren zum Verstärken einer mechanischen Mikrostruktur, deren kennzeichnendes Merkmal ein Anschlaghöcker in einem Abstand von einer ersten verformbaren Schicht ist.
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Figurenliste
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Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Klarheit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
- 1 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Teil eines Verfahrens zum Herstellen einer Struktur gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung zeigt.
- Die 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H, 21 und 2J sind Schnittansichten bei einem von mehreren verschiedenen Schritten bei der Herstellung einer Struktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
- Die 3A, 3B und 3C sind Schnittansichten bei einem von mehreren verschiedenen Schritten bei der Herstellung einer Struktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
- Die 4A und 4B sind Schnittansichten bei einem von mehreren verschiedenen Schritten bei der Herstellung einer Struktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die Oben beschriebenen technischen Probleme, die mit der Miniaturisierung des Maßstabes der MEMS- und Halbleiter-Bauelemente einhergehen, wie etwa ein erhöhter Ausbeuteverlust oder Waferrissen, werden durch die Erfindung in Form der Herstellungsverfahren nach den Ansprüchen 1 und 14 gelöst. Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Elemente und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt ausgebildet werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so ausgebildet werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
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Darüber hinaus können hier zur Vereinfachung der Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Element(en) oder Struktur(en), die in den Figuren dargestellt sind, räumlich relative Begriffe verwendet werden, wie etwa „darunter“ ... „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „über“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des Bauelements bei Gebrauch oder bei Betrieb abdecken. Die Vorrichtung kann anders orientiert werden (um 90 Grad gedreht oder in anderen Orientierungen), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können entsprechend ähnlich interpretiert werden.
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Hier verwendete Begriffe, wie etwa „erste(r) / erstes“, „zweite(r) / zweites“, „dritte(r) / drittes“ und „vierte(r) / viertes“, beschreiben verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Teile, aber diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Teile sollen nicht durch diese Begriffe beschränkt werden. Diese Begriffe dienen lediglich zum Unterscheiden eines Elements, einer Komponente, eines Bereichs, einer Schicht oder eines Teils von einem anderen. Die Begriffe, wie etwa „erste(r) / erstes“, „zweite(r) / zweites“, „dritte(r) / drittes“ und „vierte(r) / viertes“, die hier verwendet werden, implizieren keine Abfolge oder Reihenfolge, wenn es nicht vom Kontext eindeutig anders angegeben wird.
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Der hier verwendete Begriff „Bauelementsubstrat“ umfasst einen Wafer oder ein Substrat, der/das aus einem Halbleitermaterial oder anderen Materialien besteht und über dem Bauelemente, wie etwa Halbleiter-Bauelemente, MEMS-Bauelemente oder andere Bauelemente, hergestellt werden.
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Der hier verwendete Begriff „Trägersubstrat“ umfasst einen Wafer oder ein Substrat, der/das aus einem Halbleitermaterial oder anderen Materialien besteht und als ein Träger zum Abstützen des Bauelementsubstrats bei der Lieferung oder Herstellung verwendet wird. Die Abmessungen, das Material oder die Eigenschaften des Trägersubstrats können die Gleichen wie die des Bauelementsubstrats sein oder von ihnen verschieden sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Trägersubstrat wiederverwendbar sein.
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Der hier verwendete Begriff „Befestigen“ bedeutet das Vereinigen eines Objekts mit einem anderen Objekt entweder in einem direkten Kontakt oder durch indirektes Verbinden. Bei einem direkten Kontakt sind die Objekte miteinander in physischem Kontakt. Beim indirekten Verbinden kann eine Zwischenschicht zum Vereinigen der Objekte verwendet werden.
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In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur zur Verfügung gestellt. Ein Bauelementsubstrat wird auf einem Trägersubstrat befestigt, und dann wird das Bauelementsubstrat auf eine festgelegte Dicke gedünnt. Auf dem gedünnten Bauelementsubstrat werden dann Bauelemente, wie etwa MEMS- und Halbleiter-Bauelemente, hergestellt. Das gedünnte Bauelementsubstrat wird von dem Trägersubstrat gestützt und ist daher mit den üblichen Halbleiter-Prozessen und -Vorrichtungen kompatibel.
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1 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Teil eines Verfahrens zum Herstellen einer Struktur gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Verfahren 100 beginnt mit dem Schritt 110, in dem ein Bauelementsubstrat erhalten wird, das eine erste Fläche und eine zweite Fläche hat, die einander gegenüberliegen. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 120 weiter, in dem ein Trägersubstrat erhalten wird, das eine dritte Fläche und eine vierte Fläche hat, die einander gegenüberliegen. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 130 weiter, in dem eine Zwischenschicht zwischen der dritten Fläche des Trägersubstrats und der zweiten Fläche des Bauelementsubstrats hergestellt wird. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 140 weiter, in dem die zweite Fläche des Bauelementsubstrats auf der dritten Fläche des Trägersubstrats befestigt wird. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 150 weiter, in dem das Bauelementsubstrat von der ersten Fläche her gedünnt wird. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 160 weiter, in dem ein Bauelement über der ersten Fläche des Bauelementsubstrats hergestellt wird. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 170 weiter, in dem das Trägersubstrat und das Bauelementsubstrat von der vierten Fläche her so strukturiert werden, dass eine Vertiefung in dem Trägersubstrat, der Zwischenschicht und dem Bauelementsubstrat entsteht.
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Das Verfahren 100 ist lediglich ein Beispiel und soll die vorliegende Erfindung nicht über das hinaus beschränken, was ausdrücklich in den Ansprüchen dargelegt ist. Weitere Schritte können vor, während und nach dem Verfahren 100 vorgesehen werden, und einige beschriebene Schritte können bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens ersetzt, weggelassen oder umgestellt werden.
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Die 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H, 2I und 2J sind Schnittansichten bei einem von mehreren verschiedenen Schritten bei der Herstellung einer Struktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 2A und im Schritt 110 von 1 gezeigt ist, wird ein Bauelementsubstrat 10 erhalten, das eine erste Fläche 101 und eine zweite Fläche 102 hat, die einander gegenüberliegen. Das Bauelementsubstrat 10 ist ein Wafer oder ein Substrat, über dem Bauelemente, wie etwa Halbleiter-Bauelemente, MEMS-Bauelemente oder andere Bauelemente, hergestellt werden sollen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Bauelementsubstrat 10 ein Halbleitersubstrat, wie etwa ein Volumenhalbleitersubstrat. Das Volumenhalbleitersubstrat umfasst einen elementaren Halbleiter, wie etwa Silicium oder Germanium; einen Verbindungshalbleiter, wie etwa Siliciumgermanium, Siliciumcarbid, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Indiumphosphid oder Indiumarsenid; oder eine Kombination davon. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat ein Mehrschichtsubstrat, wie etwa ein SOI-Substrat (SOI: silicon on insulator; Silicium auf Isolator), das eine untere Halbleiterschicht, eine BOX-Schicht (BOX: buried oxide; vergrabenes Oxid) und eine obere Halbleiterschicht aufweist. Bei weiteren Ausführungsformen ist das Substrat ein isolierendes Substrat, ein leitendes Substrat oder ein anderes geeignetes Substrat.
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Bei einigen Ausführungsformen ist das Bauelementsubstrat 10 ein Wafer mit einem üblichen Durchmesser und einer üblichen Dicke. Das Bauelementsubstrat 10 ist zum Beispiel ein Acht-Zoll-Wafer, ein Zwölf-Zoll-Wafer oder ein Wafer mit einer anderen Größe. Die Dicke des Bauelementsubstrats 10 beträgt zum Beispiel etwa 725 Mikrometer, ist aber nicht hierauf beschränkt.
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Das Bauelementsubstrat 10 wird von der zweiten Fläche 102 her strukturiert, um eine Einkerbung 102H herzustellen. Die Einkerbung 102H ist eine Vertiefung, ein Graben oder eine durchgehende Kerbe in der zweiten Fläche 102 und geht nicht durch das Bauelementsubstrat 10. Bei einigen Ausführungsformen befindet sich die Einkerbung 102H in einem vorgegebenen Ritzgraben, entlang dem das Bauelementsubstrat 10 zertrennt werden soll. Die Einkerbung 102H ist so konfiguriert, das gewährleistet ist, dass das Bauelementsubstrat 10 im Wesentlichen entlang der Einkerbung 102H zertrennt wird, ohne dass es beim Zertrennen (das auch als Vereinzeln bezeichnet wird) entlang einer anderen Richtung zerbricht.
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Wie in 2B und dem Schritt 120 von 1 gezeigt ist, wird ein Trägersubstrat 20 erhalten, das eine dritte Fläche 203 und eine vierte Fläche 204 hat, die einander gegenüberliegen. Das Trägersubstrat 20 ist ein Wafer oder ein Substrat, der/das als ein Träger zum Stützen oder Handhaben des Bauelementsubstrats 10 bei der Lieferung oder Herstellung verwendet wird. Die Abmessungen, das Material oder die Eigenschaften des Trägersubstrats 20 und die des Bauelementsubstrats 10 können gleich oder verschieden sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Trägersubstrat 20 wiederverwendbar sein.
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Bei einigen Ausführungsformen kann des Trägersubstrat 20 optional von der vierten Fläche 204 her strukturiert werden, um eine Einkerbung 204H herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen wird die Einkerbung 204H entsprechend der Einkerbung 102H hergestellt und hat die gleiche Funktionalität wie die Einkerbung 102H.
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Wie in 2C und in dem Schritt 130 von 1 gezeigt ist, wird eine Zwischenschicht 22 zwischen der dritten Fläche 203 des Trägersubstrats 20 und der zweiten Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen wird die Zwischenschicht 22 über der dritten Fläche 203 des Trägersubstrats 20 hergestellt, bevor die zweite Fläche 102 des Trägersubstrats 10 auf der dritten Fläche 203 des Trägersubstrats 20 befestigt wird. Bei einigen Ausführungsformen wird die Zwischenschicht 22 über der zweiten Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 hergestellt, bevor die zweite Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 auf der dritten Fläche 203 des Trägersubstrats 20 befestigt wird. Bei einigen Ausführungsformen ist die Zwischenschicht 22 eine strukturierte Zwischenschicht, die eine Öffnung 22H hat, die einen Teil der dritten Fläche 203 des Trägersubstrats 20 freilegt. Bei einigen alternativen Ausführungsformen wird die Zwischenschicht 22 nicht strukturiert und bedeckt im Wesentlichen die gesamte dritte Fläche 203 des Trägersubstrats 20 und die zweite Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10.
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Wie in 2D und in dem Schritt 140 von 1 gezeigt ist, wird die zweite Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 auf der dritten Fläche 203 des Trägersubstrats 20 befestigt. Das Bauelementsubstrat 10 und das Trägersubstrat 20 können z. B. durch Schmelzbonden oder mit einem anderen geeigneten direkten oder indirekten Bondverfahren gebondet werden. Bei einigen Ausführungsformen ist die Zwischenschicht 22 haftend, und das Bauelementsubstrat 10 und das Trägersubstrat 20 werden durch die Zwischenschicht 22 verbunden. Die Zwischenschicht 22 ist zwischen dem Bauelementsubstrat 10 und dem Trägersubstrat 20 angeordnet und ist als eine Opferfreigabeschicht zwischen dem Trägersubstrat 20 und dem Bauelementsubstrat 10 konfiguriert. Die Opferfreigabeschicht wird provisorisch zwischen das Trägersubstrat 20 und das Bauelementsubstrat 10 geklebt, sodass das Bauelementsubstrat 10 durch das Trägersubstrat 20 gestützt werden kann und auf eine festgelegte Dicke gedünnt werden kann, um die Anforderungen an das herzustellende Bauelement zu erfüllen. Nachdem das Bauelementsubstrat 10 gedünnt worden ist und das Bauelement über dem Bauelementsubstrat 10 hergestellt worden ist, wird die Opferfreigabeschicht von dem Trägersubstrat 20 und/oder dem Bauelementsubstrat 10 abgelöst. Bei einigen Ausführungsformen ist die Zwischenschicht 22 ein dielektrisches Material, wie etwa Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumoxidnitrid oder ein anderes geeignetes Material. Bei einigen Ausführungsformen haben das Material der Zwischenschicht 22 und die Materialien des Trägersubstrats 20 und des Bauelementsubstrats 10 verschiedene Ätzselektivitäten.
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Wie in 2E und in dem Schritt 150 von 1 gezeigt ist, wird das Bauelementsubstrat 10 von der ersten Fläche 101 her gedünnt. Bei einigen Ausführungsformen wird das Bauelementsubstrat 10 auf eine festgelegte Dicke gedünnt, um die Anforderungen an das herzustellende Bauelement, wie etwa ein MEMS-Bauelement, zu erfüllen. Bei einigen Ausführungsformen liegt die festgelegte Dicke des gedünnten Bauelementsubstrats 10 im Wesentlichen in dem Bereich von etwa 50 µm bis etwa 400 µm. Ohne das Trägersubstrat 20 ist es schwierig, das Bauelementsubstrat 10 mit einer solchen geringen Dicke in einer normalen Halbleiter-Vorrichtung zu bearbeiten, da die Gefahr hoch ist, dass der Wafer zerbricht. Da jedoch das Bauelementsubstrat 10 von dem Trägersubstrat 20 gestützt wird, ist es mit der üblichen Halbleiter-Vorrichtung und -Herstellung kompatibel. Das Bauelementsubstrat 10 kann mit einem mechanischen und/oder chemischen Dünnungsverfahren, wie etwa Schleifen, Polieren oder Ätzen, gedünnt werden.
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Wie in 2F und in dem Schritt 160 von 1 gezeigt ist, werden ein oder mehrere Bauelemente 30 über der ersten Fläche 101 des Bauelementsubstrats 10 hergestellt. Das Bauelement 30 kann ein MEMS-Bauelement, ein Halbleiter-Bauelement, ein elektronisches Bauelement, ein mechanisches Bauelement, ein aktives Bauelement, ein passives Bauelement, eine Kombination davon oder ein anderes Bauelement sein. Bei einigen Ausführungsformen ist das Bauelement 30 ein MEMS-Bauelement, wie etwa ein akustisches Bauelement. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Bauelement 30 ein MEMS-Bauelement, wie etwa ein akustisches Bauelement, und ein aktives Bauelement, wie etwa ein CMOS-Bauelement, das so konfiguriert ist, dass es Signale verarbeitet, die von dem MEMS-Bauelement erzeugt werden. Das akustische Bauelement ist zum Beispiel ein Mikrofon-Bauelement oder ein Ultraschall-Bauelement, das so konfiguriert ist, dass es Schallwellen erfasst und in elektrische Signale umwandelt.
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Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Herstellen des Bauelements 30 über der ersten Fläche 101 des Bauelementsubstrats 10 das Herstellen eines Schichtstapels mit einer Vielzahl von dielektrischen Schichten 31 und leitenden Schichten 32. Die dielektrischen Schichten 31 und die leitenden Schichten 32 können abwechselnd hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen umfassen die leitenden Schichten 32 mindestens eine Platte und eine Membran, die durch mindestens eine der dielektrischen Schichten 31 voneinander beabstandet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfassen die leitenden Schichten 32 eine erste Platte 41, eine Membran 42 und eine zweite Platte 43, wobei die Membran 42 zwischen die erste Platte 41 und die zweite Platte 43 geschichtet ist. Die erste Platte 41 und die zweite Platte 43 sind als Elektroden konfiguriert. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste Platte 41 oder die zweite Platte 43 weggelassen werden.
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Bei einigen Ausführungsformen ist die Membran 42 leitend oder halbleitend. Die Membran 42 wird zum Beispiel aus einem Halbleitermaterial, wie etwa polykristallinem Silicium oder einem anderen geeigneten Halbleitermaterial, hergestellt und mit p-Dotanden, n-Dotanden oder dergleichen dotiert, um leitend zu sein. Bei einigen Ausführungsformen wird die Membran 42 aus einem dielektrischen Material oder einem Halbleitermaterial hergestellt, das mit einem leitenden Material bedeckt wird. Bei einigen Ausführungsformen weist die Membran 42 ein Loch 42H auf, um die Resonanzform der Membran 42 anzupassen und/oder zu vermeiden, dass die Membran 42 durch zu hohen Druck zerbricht.
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Die erste Platte 41 und die zweite Platte 43 sind leitend oder halbleitend. Bei einigen Ausführungsformen wird die erste Platte 41 oder die zweite Platte 43 aus einem Halbleitermaterial, wie etwa polykristallinem Silicium, hergestellt und mit p-Dotanden, n-Dotanden oder dergleichen dotiert, um leitend zu sein. Bei einigen Ausführungsformen wird die erste Platte 41 oder die zweite Platte 43 aus einem dielektrischen Material oder einem Halbleitermaterial hergestellt, das mit einem leitenden Material bedeckt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste Platte 41 oder die zweite Platte 43 eine Einschichtstruktur sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste Platte 41 oder die zweite Platte 43 eine Mehrschichtstruktur mit einer Schicht aus einem leitenden Material und mindestens einer Isolierschicht sein. Die Mehrschichtstruktur ist zum Beispiel ein Schichtstapel mit einer Siliciumnitridschicht und einer Siliciumschicht (SiN/Si) oder ein Schichtstapel mit einer Siliciumnitridschicht, einer Siliciumschicht und einer weiteren Siliciumnitridschicht (SiN/Si/SiN).
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Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Platte 41 Lüftungslöcher 41H auf, und/oder die zweite Platte 43 weist Lüftungslöcher 43H auf. Die Lüftungslöcher 41H und 43H sind so konfiguriert, dass sie die Resonanzform der Membran 42 anpassen und/oder vermeiden, dass die Membran 42 durch zu hohen Druck zerbricht.
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Die dielektrischen Schichten 31 sind als Opferstrukturschichten konfiguriert. Die Opferstrukturschichten werden hergestellt, um die leitenden Schichten 32, die die Membran 42 und die Platten, wie etwa die erste und die zweite Platte 41 und 43, umfassen, abzustützen oder einzukapseln. Die Opferstrukturschicht wird provisorisch so zwischen den leitenden Schichten 32 hergestellt, dass die leitenden Schichten 32 bei der Fertigung abgestützt werden können. Ein Teil jeder der Opferstrukturschichten wird dann entfernt, sodass zwischen der Membran 42 und jeder der ersten und zweiten Platten 41 und 43 ein Luftspalt entsteht. Zu den Materialien für die dielektrische Schicht 31 gehören Halbleiter-Oxide (z. B. Siliciumoxid), Halbleiter-Nitride (z. B. Siliciumnitrid), Halbleiter-Oxidnitride (Siliciumoxidnitrid) und andere geeignete dielektrische Materialien. Bei einigen Ausführungsformen haben das Material für die dielektrische Schicht 31 und die Materialien für das Trägersubstrat 20 und das Bauelementsubstrat 10 verschiedene Ätzselektivitäten. Bei einigen Ausführungsformen können die dielektrische Schicht 31 und die Zwischenschicht 22 das gleiche dielektrische Material haben.
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Bei einigen Ausführungsformen wird eine Vielzahl von Bondinseln 34 und Ätzstoppschichten 36 über dem Schichtstapel hergestellt. Die Bondinsel 34 ist als eine Verbindungsstruktur außerhalb oder innerhalb des Bauelements 30 konfiguriert. Bei einigen Ausführungsformen sind die Bondinseln 34 mit der ersten Platte 41 bzw. der zweiten Platte 43 elektrisch verbunden. Die Bondinsel 34 kann auch mit einer anderen Struktur, wie etwa einem Schutzring, elektrisch verbunden werden. Zu den Materialien für die Bondinsel 34 können Metalle, wie etwa Gold (Au), Legierungen, wie etwa Aluminiumkupfer (AlCu), oder andere leitende Materialien gehören. Die Ätzstoppschicht 36 ist so konfiguriert, dass sie die Bondinsel 34 davor schützt, geätzt oder beschädigt zu werden, wenn die dielektrische Schicht 31 geätzt wird. Bei einigen Ausführungsformen bedecken die Ätzstoppschichten 36 Seitenflächen der Bondinseln 34 entsprechend.
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Wie in 2G und in dem Schritt 170 von 1 gezeigt ist, werden das Trägersubstrat 20 und das Bauelementsubstrat 10 von der vierten Fläche 204 her so strukturiert, dass eine Vertiefung 10C (die auch als rückseitige Kammer bezeichnet wird) in dem Trägersubstrat 20, der Zwischenschicht 22 und dem Bauelementsubstrat 10 entsteht. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Bauelement 30 ein kapazitives Mikrofon-Bauelement oder ein kapazitives Ultraschall-Bauelement, und die Vertiefung 10C ist als ein Hohlraumresonator konfiguriert. Die Form, die Abmessungen und die Tiefe können auf Grund von verschiedenen Überlegungen modifiziert werden, wie etwa Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis, Frequenzgang und anderen Faktoren. Bei einigen Ausführungsformen ist die Seitenwand im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10, d. h. die Vertiefung 10C in dem Trägersubstrat 20 und die Vertiefung 10C in dem Bauelementsubstrat 10 haben die gleiche Größe. Bei einigen alternativen Ausführungsformen ist die Seitenwand der Vertiefung 10C zu der zweiten Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 geneigt. Zum Beispiel ist die Größe der Vertiefung 10C in dem Bauelementsubstrat 10 geringer als die Größe der Vertiefung 10C in dem Trägersubstrat 20. Die Vertiefung 10C kann durch Ätzen, z. B. Trockenätzen und/oder Nassätzen, hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen wird die Zwischenschicht 22, die von der Vertiefung 10C freigelegt wird, in demselben Ätzschritt abgeätzt.
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Das Verfahren 100 kann mit den folgenden Schritten fortgesetzt werden. Wie in 2H gezeigt ist, wird ein Teil jeder der dielektrischen Schichten 31 durch die Vertiefung 10C und durch die Oberseite (die Seite gegenüber der Vertiefung 10C) des Bauelements 30 geätzt, um die Membran 42 schwebend zu halten. Nachdem ein Teil der dielektrischen Schichten 31 entfernt worden ist, entsteht ein Luftspalt zwischen der Membran 42 und der ersten Platte 41 und zwischen der Membran 42 und der zweiten Platte 43. Dadurch ist die Membran 42 von der ersten Platte 41 und der zweiten Platte 43 beabstandet, und es kann sich somit in Bezug auf die erste Platte 41 und/oder die zweite Platte 43 bewegen. Daher kann die Membran 42 durch Schalldruck in Resonanz gebracht werden. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Teil der Zwischenschicht 22 gleichzeitig mit einem Teil jeder der dielektrischen Schichten 31 abgeätzt. In diesem Fall wird die Kontaktfläche zwischen der Zwischenschicht 22 und dem Trägersubstrat 20 verkleinert, und somit kann das Bauelementsubstrat 10 problemlos von dem Trägersubstrat 20 aufgenommen werden.
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Wie in 21 gezeigt ist, wird die vierte Fläche 204 des Trägersubstrats 20 an einer Schicht 26 befestigt. Bei einigen Ausführungsformen ist die Schicht 26 eine Haftschicht, wie etwa ein Klebeband, die an das Trägersubstrat 20 angeklebt werden kann. Bei einigen Ausführungsformen ist die Schicht 26 im Wesentlichen auf gleicher Höhe mit der vierten Fläche 204 des Trägersubstrats 20. Dann wird ein Zersägungsschritt ausgeführt, um das Bauelementsubstrat 10 entlang von Ritzgräben zu zerschneiden, sodass das Bauelementsubstrat 10 in Teile zerteilt wird, wobei jeder Teil des Bauelementsubstrats 10 noch immer an dem Trägersubstrat 20 befestigt ist, ohne abzufallen.
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Bei einigen Ausführungsformen wird das Trägersubstrat 20 nicht zusammen mit dem Bauelementsubstrat 10 zerschnitten. Bei einigen alternativen Ausführungsformen wird das Trägersubstrat 20 zusammen mit dem Bauelementsubstrat 10 zerschnitten, sodass das Trägersubstrat 20 in Teile zerteilt wird. Jeder Teil des Trägersubstrats 20 haftet noch immer an der Schicht 26, ohne abzufallen. Bei einigen Ausführungsformen wird das Zerschneiden des Bauelementsubstrats 10 und des Trägersubstrats 20 durch Laserschneiden oder ein anderes geeignetes Schneidverfahren realisiert. Die Einkerbung 102H des Bauelementsubstrats 10 und die Einkerbung 204H des Trägersubstrats 20 sind so konfiguriert, dass sie vermeiden, dass das Bauelementsubstrat 10 und das Trägersubstrat 20 entlang anderer seitlicher Richtungen beim Zersägen zerbrechen.
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Wie in 2J gezeigt ist, werden das Bauelement 30 und die entsprechenden Teile des Bauelementsubstrats 10 aufgenommen und von dem Trägersubstrat 20 getrennt. Dadurch wird eine Bauelementstruktur 50, wie etwa eine MEMS-Struktur, hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen verbleibt die Zwischenschicht 22 oder ein Teil der Zwischenschicht 22 auf der zweiten Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 und bildet somit einen Kontakthügel 24 auf der zweiten Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10. Die Struktur des Kontakthügels 24 kann regelmäßig oder unregelmäßig verteilt sein.
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Das Verfahren zum Herstellen einer Struktur der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt und kann andere Ausführungsformen haben. Zur Vereinfachung der Beschreibung und zum bequemeren Vergleich zwischen den einzelnen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind identische Komponenten in den einzelnen nachstehenden Ausführungsformen mit identischen Bezugssymbolen bezeichnet. Um die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen leichter herausarbeiten und die Ausführungsformen leichter miteinander vergleichen zu können, werden in der nachstehenden Beschreibung die Unterschiedlichkeiten zwischen verschiedenen Ausführungsformen näher beschrieben, während die identischen Merkmale nicht redundanterweise beschrieben werden.
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Die 3A, 3B und 3C sind Schnittansichten bei einem von mehreren verschiedenen Schritten bei der Herstellung einer Struktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 3A gezeigt ist, wird anders als bei den Ausführungsformen der 2A bis 2J die Zwischenschicht 22 so strukturiert, dass Aussparungen 22T entstehen, bevor die zweite Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 auf der dritten Fläche 203 des Trägersubstrats 20 befestigt wird. Die Aussparung 22T ist so konfiguriert, dass sie im Voraus die Kontaktfläche zwischen der Zwischenschicht 22 und dem Trägersubstrat 20 anpasst.
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Wie in 3B gezeigt ist, wird auf Grund der Aussparung 22T (nicht dargestellt) die Kontaktfläche zwischen der Zwischenschicht 22 und dem Trägersubstrat 20 beim Ätzen der dielektrischen Schichten 31 auf einen gewünschten Wert verkleinert. Dadurch wird die Haftung zwischen der Zwischenschicht 22 und dem Trägersubstrat 20 für die nachfolgenden Ablösungsschritte auf einen gewünschten Wert verringert. Danach wird das Bauelement 30 auf dem Bauelementsubstrat 10 hergestellt.
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Wie in 3C gezeigt ist, wird die vierte Fläche 204 des Trägersubstrats 20 auf der Schicht 26 befestigt. Dann wird ein Zersägungsschritt ausgeführt, um das Bauelementsubstrat 10 zu zerschneiden, sodass das Bauelementsubstrat 10 in Teile zerteilt wird, wobei jeder Teil des Bauelementsubstrats 10 noch immer an dem Trägersubstrat 20 befestigt ist, ohne abzufallen. Das Bauelement 30 und der entsprechende Teil des Bauelementsubstrats 10 werden aufgenommen und von dem Trägersubstrat 20 getrennt. Dadurch wird eine Bauelementstruktur 60 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen verbleibt die Zwischenschicht 22 oder ein Teil der Zwischenschicht 22 auf der zweiten Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 und bildet somit einen Kontakthügel 24 auf der zweiten Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10. Die Struktur des Kontakthügels 24 kann regelmäßig oder unregelmäßig verteilt sein.
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Die 4A und 4B sind Schnittansichten bei einem von mehreren verschiedenen Schritten bei der Herstellung einer Struktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 4A gezeigt ist, wird anders als bei den Ausführungsformen der 2A bis 2J das Trägersubstrat 20 so strukturiert, dass ein Graben 20A entsteht, und das Bauelementsubstrat 10 wird so strukturiert, dass eine Durchkontaktierungsöffnung 10A entsteht. Der Graben 20A und die Durchkontaktierungsöffnung 10A bilden zusammen die Vertiefung 10C, wobei der Graben 20A größer als die Durchkontaktierungsöffnung 10A ist. Bei einigen Ausführungsformen werden der Graben 20A und die Durchkontaktierungsöffnung 10A durch mehrstufiges Ätzen hergestellt, und die Ätzstufen können jeweils Nass- oder Trockenätzen umfassen. Die Seitenwand des Grabens 20A kann im Wesentlichen senkrecht zu der vierten Fläche 204 des Trägersubstrats 20 sein oder kann in Bezug auf die vierte Fläche 204 des Trägersubstrats 20 geneigt sein. Die Seitenwand der Durchkontaktierungsöffnung 10A kann im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 sein oder kann in Bezug auf die zweite Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 geneigt sein.
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Das Trägersubstrat 20 wird dann auf der Schicht 26 befestigt. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Teil der Schicht 26 auf der vierten Fläche 204 des Trägersubstrats 20 befestigt und ein anderer Teil der Schicht 26 wird auf der zweiten Fläche 102 des Bauelementsubstrats 10 befestigt.
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Wie in 4B gezeigt ist, wird ein Zersägungsschritt ausgeführt, um das Bauelementsubstrat 10 zu zerschneiden, sodass das Bauelementsubstrat 10 in Teile zerteilt wird, wobei jeder Teil des Bauelementsubstrats 10 noch immer auf dem Trägersubstrat 20 befestigt ist, ohne abzufallen. Das Bauelement 30 und der entsprechende Teil des Bauelementsubstrats 10 werden aufgenommen und von dem Trägersubstrat 20 getrennt. Dadurch wird eine Bauelementstruktur 70 hergestellt.
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Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das Bauelementsubstrat durch das Trägersubstrat abgestützt und kann dadurch auf eine festgelegte Dicke gedünnt werden, die die Anforderungen an einige Bauelemente, wie etwa ein MEMS-Bauelement und/oder Halbleiter-Bauelemente, erfüllt. Das gedünnte Bauelementsubstrat, das durch das Trägersubstrat gestützt wird, ist mit den üblichen Halbleiter-Prozessen und -Vorrichtungen kompatibel, ohne dass die Gefahr des Zerbrechens steigt.
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Bei einem beispielhaften Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf. Es wird ein Bauelementsubstrat erhalten, das eine erste Fläche und eine zweite Fläche hat, die einander gegenüberliegen. Das Bauelementsubstrat wird von der zweiten Fläche her strukturiert, um eine Einkerbung in dem Bauelementsubstrat herzustellen, welche so konfiguriert ist, dass gewährleistet ist, dass das Bauelementsubstrat im Wesentlichen beim Zertrennen entlang der Einkerbung zertrennt wird. Es wird ein Trägersubstrat erhalten, das eine dritte Fläche und eine vierte Fläche hat, die einander gegenüberliegen. Zwischen der dritten Fläche des Trägersubstrats und der zweiten Fläche des Bauelementsubstrats wird eine Zwischenschicht hergestellt. Die zweite Fläche des Bauelementsubstrats wird auf der dritten Fläche des Trägersubstrats befestigt. Das Bauelementsubstrat wird von der ersten Fläche her gedünnt. Über der ersten Fläche des Bauelementsubstrats wird ein Bauelement hergestellt. Das Trägersubstrat und das Bauelementsubstrat werden von der vierten Fläche her so strukturiert, dass eine Vertiefung in dem Trägersubstrat, der Zwischenschicht und dem Bauelementsubstrat entsteht. Die vierte Fläche des Trägersubstrats wird auf einer Schicht befestigt. Das Bauelementsubstrat wird zerschnitten. Das Bauelement und das Bauelementsubstrat werden von dem Trägersubstrat aufgenommen.
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Bei einem weiteren beispielhaften Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Struktur zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf. Es wird ein Substrat bereitgestellt, das das ein Bauelementsubstrat mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche, die einander gegenüberliegen, ein Trägersubstrat mit einer dritten Fläche und einer vierten Fläche, die einander gegenüberliegen, und eine Zwischenschicht zwischen der dritten Fläche des Trägersubstrats und der zweiten Fläche des Bauelementsubstrats aufweist. Die Zwischenschicht hat eine Vielzahl von Aussparungen. Das Bauelementsubstrat weist in der zweiten Fläche eine Einkerbung auf, welche so konfiguriert ist, dass gewährleistet ist, dass das Bauelementsubstrat im Wesentlichen beim Zertrennen entlang der Einkerbung zertrennt wird. Das Bauelementsubstrat wird gedünnt. Über dem Bauelementsubstrat wird ein MEMS-Bauelement hergestellt, das eine Membran, eine als Elektrode konfigurierte Platte, die die Membran überlappt, und mindestens eine dielektrische Schicht aufweist, die die Membran und die Platte umgibt. Das Substrat wird so geätzt, dass eine Vertiefung entsteht, die die dielektrische Schicht freilegt. Ein Teil der dielektrischen Schicht wird geätzt, um die Membran und die Platte freizulegen, und gleichzeitig wird ein Teil der Zwischenschicht geätzt. Das Trägersubstrat wird auf einer Schicht befestigt. Das Substrat wird zerschnitten. Das Bauelementsubstrat und das MEMS-Bauelement werden von dem Trägersubstrat aufgenommen.