用于制造薄层结构的方法

专利名称：用于制造薄层结构的方法
技术领域：
本发明涉及 一 种用于制造薄层结构的方法。
技术背景现在，在许多技术应用中需要薄的自支承层(窗口 )。为了产 生这种非常薄(例如在亚微米范围内)的自支承层，需要具有非常小开口 (数量级10pm)但具有较高的孔隙率的支承结构。至今，X射线窗口由具有很小的Z (原子的核电荷数)的材料 如铍构成，或者例如通过将有机薄膜放置到，即涂覆到(如由硅构 成的)支承结构上而构成。然而，铍尤其具有显著的缺点，即其产 生特殊垃圾并因此很不方便清除。在[1 ]中描述了用于产生X射线窗口的另一种方法。在[1 ]中描述的方法以此为基础，即在第一区i或101 (参照图 1)中，向硅片100内蚀刻出多个未完全贯穿硅片100延伸的孔103 并利用薄膜104来涂敷孔的壁。随后通过蚀刻使孔103从硅片100 的背面这样地打开，即保留薄膜104。如图1所示，在第二区域102 中设置有向娃片100内延伸但没有完全贯穿该石圭片的孑L 103,从而 在第二区i或102中的孑L 103的下面存在^圭片100的4十底才才泮+,该4于 底材料提高了被穿孔的工件的稳固性，即提高了被加工的硅片100 的稳固性。 此外，如图2a中所示，由[2] 7〉开了 X射线光学组件，该组 件具有半导体晶圓200,在射线方向延伸的平行的微孔201被蚀刻 到该半导体晶圓中，该孩i孔具有从0.1 |im至100 |am的直径，优选 为0.5 jam至20 jam。在微孔201中置入薄层202，该薄层加固半导 体晶圓200的孔壁和孔底部。在下一步骤中，参照图2b，在半导体晶圆200的衬底材料的背 面上将其磨蚀，直至置入微孔201中的薄层202在半导体晶圓200 的背面的方向上暴露出来。上述方法的缺点在于，必须在具有非常大的纵一黄比的孔中沉积 窗口材料。由此，不能利用这种技术来制造通过溅射、蒸镀或通过 等离子CVD而生成的薄膜，这是因为其在孔洞中只具有很小的透 深。至今只有Si02薄膜和Si3N4薄膜可以成功地沉积到孔中，并因 此可以由这种材津牛通过已描述的方法来产生窗口 。然而，上述的层(Si02薄力莫和Si3N4薄力莫)尤其在用于X射线 窗口时具有缺点，这是因为硅是相对较重的元素(核电荷数Z〉10) 并因此可以明显p及收X射线光。在这种情况下，金刚石窗口可能有显著的优点，原因在于金刚 石的核电荷数Z-6。然而，特别是作为庞大的窗口来说，金刚石窗 口过于昂贵。由[3]中7>开了一种玻璃衬底，也4皮称为孩i通道一反，其由两 种不同类型的玻璃构成，可相对选4奪性地蚀刻这两种不同类型的玻璃。由[4]公开了一种用于由薄的平面部件或薄膜制造自支承的 微结构的方法，以及使用根据该方法制造的微结构作为在用于测量 弱气流的装置中的电阻网格。根据所述的方法，首先制造托架，其开口由辅助层在一侧齐平地将覆盖。在辅助层和4乇架的共同的平面上制造出所希望的结构之后，例如通过蚀刻去除该辅助层。 发明内容本发明的目的在于提出一种低成本的、简单的、尽管如此还可 靠的方法，用于制造自身具有孔结构的高纵横比的薄层结构。本发明^提出一种用于制造薄层结构的方法，在该方法中，在具 有大量没有贯穿衬底层的整个厚度的孔的、大孔的支岸义结构坤于底 中，在支承结构衬底的孔壁的表面和孔底部的表面涂覆牺牲层。接 下来，在背面部分地去除支承结构衬底，从而在支7 义结构衬底的背 面上暴露出牺牲层的区域。在支承结构衬底的背侧面上以及在牺牲 层#皮暴露出来的区域上涂覆薄层，以及相对于薄层来选才奪性地去除 孔中的牺4生层，,人而由薄层构成孔底部。本方法的优点在于，任何所希望材料的薄膜都可以通过溅射、 蒸镀或通过等离子法涂敷，这在根据现有技术的方法中是不能达到 的，原因在于，除材料SiCb和SisN4之外，对于在孔中完全涂覆薄层来说，上述根据现有技术的方法在孔洞中有很小的透深。明显》也可以这才羊看到本发明的 一 个方面，即在制造薄层结构的 方法中，牺4生层^皮置入孔中或涂覆到孔的侧壁和孔底部上，其中牺 牲层可以由不同于待制造的薄层结构的其它材料构成。在这种情况下，牺牲层被理解为一种例如在待制造的薄层结构 中不再存在的层，这就是说，特别是在薄层结构制成之前将其完全 或部分去除。牺牲层明显是用作暂时的承载体，在其上能够以简单 的方式涂覆构成薄层结构的层，而该薄层结构本身不必沉积到孔
中，这是因为该牺牲层至少部分地从支承结构凸出。从而，现在也 可以使用在现有技术中由于进入到孔中的过小的透深而不能使用 以构成薄层结构的材料，原因在于，现在将这种材料涂覆到更大的面上。/人而，甚至可以将金刚石用于这种薄层结构，这在x射线窗 口中提供了很大的如上所述的优点。根据本发明的一个方面明显的是，根据现有技术描述的、在孔 中涂覆的薄层被用作其它沉积过程的衬底(即牺牲层)。本发明的优选i殳计方案由相从属4又利要求4是出。本发明的 一个设计方案提出，使用 一种用于涂覆牺牲层的方 法，在该方法中，通过热氧化孔壁和孔底部而构成该牺牲层。该方法特别适合于使用硅作为衬底材料以构成牺牲层时，甚至 当孔具有4艮高的纵横比时。根据本发明的另 一设计方案，通过化学气相沉积法将牺牲层涂 覆到支承结构衬底的孔壁和孔底部上。以这种方式也可以使用其它的用于覆盖孔壁和孔底部的材料， 这就使在牺牲层的材料的选择上有较大的弹性。还才艮据本发明的另 一实施例，通过原子层外延法将牺牲层涂覆 到支承结构衬底的孔壁和孔底部上。该可选方案具有完美的边缘覆盖的优点，并且该完美合适的沉 积可以被用于具有任意纵;f黄比的孔。在本发明的另一实施例中，由石圭材#+制成该支7 义结构^)"底，由 此可以非常廉价地制造该支承结构。
可以涂覆二氧化硅层作为牺牲层，特别是通过热氧化将其涂覆 到支承结构村底的孔壁和孔底部上。可选的是，可以涂覆氮化硅作为牺牲层，例如通过CVD方法 将其涂覆到支承结构村底的孔壁和孔底部上。在本发明的另一实施例中，该支承结构衬底也由铝材料(Al) 制成。在另一实施例中，牺牲层是氧化铝层，通过ALD方法将其涂 覆到支承结构衬底的孔壁和孔底部上。在另 一优选实施例中，通过使用回蚀法在背面部分地去除支承 结构衬底。取决于要待蚀刻的材料的要达到的选择性可以使用任何 蚀刻法，例如干蚀刻法、湿蚀刻法或等离子蚀刻方法。在本发明的另一实施例中，通过溅射法或蒸镀法或CVD法涂 覆该薄层。可以涂覆金刚石薄层作为薄层。选择性地可以涂覆金属薄层作 为薄层。在另 一可选i殳计方案中，可以涂覆具有4艮多部分薄层的层序列 (Schichtenfolge )作为薄层。可以通过々i刻选4奪'l"生i也去除牺4生层。在4吏用才艮据[1]中公开的薄层窗口 (例如那里描述的氧化物 窗口或氮化物窗口 )作为衬底时，换句话说作为牺牲层时，本发明 的 一 个方面可以用于其它沉积过禾呈。


在附图中示出了本发明的实施例，并在4妄下来对其进4亍详细"i兌 明。图中示出图1是根据现有技术的大孔的半导体支承结构村底，其具有带 有贯穿孔的第一区域和带有非贯穿孔的第二区域，其中孔壁设置有 薄膜；有在支承结构衬底的大孔的内侧上的稳固层，图2a是在部分去除 衬底之前，图2b是在部分去除衬底之后；图3a至图3e是才艮据本发明的实施例，用于在支承结构衬底上 制造薄层结构的过程示意图；以及图4a至4f是根据本发明的另一实施例，用于在樣么通道板支承 结构衬底上制造薄层结构的过程示意图。
具体实施方式
在根据本发明的第 一 个实施例的用于制造薄层结构的方法中， 如图3a中所示，制造由硅构成的支承结构衬底300,其具有多个典 型的10nm正方形的孔301和多个位于这些孔之间的、厚度为d= 1 Hm的壁302。这意味着，在衬底中的这些孔301以规律的图案，以 头巨P车的形式，分另'J以1 pm的间3巨d(由两个才目冷卩的孑L301的才目互直 接相邻的侧壁计算得出)设置。料以及化合物半导体材料(例如in - V化合物半导体材料或II - VI化合物半导体材料)，例如砷化一溶、^畴化铟等。 才艮据本发明的实施例，通过在氢氟酸(HF )中对支承结构坤于底 300进行电化学蚀刻来制成多个孔301。如在图3b中所示，在支承结构衬底300的多个孑L301中(例 如通过热氧化或通过CVD等离子法)制成大约100 nm厚的均匀的 牺4生层303 (在热氧4b的情况下是Si02层或在CVD等离子法的情 况下是Si3N4层)。此外，在支承结构衬底300的背面形成附加的二 氧化硅层304。如在图3c中所示，去除附加的二氧化硅层304,并在(例如利 用HF)去除附加的二氧化硅层304之后，在背面上(例如利用氲 氧化钾(KOH))对支7 义结构衬底300进行回蚀刻，直至在孔底部 区域305中的牺牲层303在支承结构衬底300的背面露出。根据本 发明的实施例，基本上暴露出牺牲层303的半3求形的部分，直至到 达牺牲层303的柱形部分。如在图3d中所示，接着，所希望的薄膜306以所希望的厚度 (例如以150 nm的厚度通过溅射、蒸镀或通过等离子CVD )涂覆 在^皮回蚀刻的支7 义结构衬底300的背侧表面上和暴露的孔底部区域 305的表面上。在这种情况下要注意，在暴露的衬底表面之间，也 就是在被回蚀刻的支承结构衬底300的背面的表面和薄膜材料之间 (例如通过在沉积之前的短暂的HF -浸泡)应该产生4艮好的粘附。如在图3e中所示，最后，(例如通过在氢氟酸中蚀刻)去除牺 牲层303 (例如氧化硅层)，由此产生仅仅由被回蚀刻的支承结构衬 底300岸义载的薄力莫306,此外，该薄膜是自立式的。在本发明的另一实施例中，多孔的支承结构衬底300由铝材料 制成。接下来使用ALD方法将氧化铝层作为牺牲层涂覆到支承结 构4十底的孔壁和孔底部上。 4妄下来，在背面上去除支岸义结构衬底的的氧化铝层之后，选择 性地在背面回蚀刻支承结构衬底，直至在孔底部的氧化铝层在背面 露出。在下一步骤中，所希望的薄膜以所希望的厚度(例如以150 nm 的厚度通过溅射、蒸镀或通过等离子CVD )涂覆在支承结构衬底的 背面上。在此要注意，在暴露的衬底表面和薄膜材冲+之间(例如通 过在沉积之前的短暂的HF -浸泡)应该产生4艮好的粘附。如在图4a中所示，在本发明的另一实施例中，如在[3]中描 述的那样，使用由第一种玻璃类型形成的玻璃衬底400 (也称为凝: 通道板)作为支承结构衬底，并且该玻璃衬底具有大量贯穿的微通 道401。如在图4b中所示，通过在^皮璃^3"底400的背面上涂覆由第二 种玻璃类型形成的玻璃层402来封闭微通道401，可相对于玻璃衬 底400的第一种玻璃类型选择性地蚀刻该第二种玻璃类型。接着，如在图4c中所示，将薄层403作为牺牲层涂覆到微通 道壁和微通道底部上。在随后的步艰《中，如在图4d中所示，在^皮璃^]"底400的背面 上去除玻璃层402,从而在微通道401中的牺牲层403在玻璃衬底 400的背面露出。接着，如在图4e中所示，例如通过CVD方法将由铍、氮化硼 或金刚石形成的所希望的薄膜404涂覆到玻璃衬底400的背面上。最后，如在图4f中所示，通过选4奪性蚀刻将孔中的牺牲层403 去除，从而在支承结构衬底400的背面上产生自支承的薄膜结构。
金刚石层404例如只有几十pm厚并且如氮化硼层或4皮层一样 (氮化硼层或铍层当然是有毒的)由于低核电荷数很适合使用作为 X射线窗口。在另一个实施例中，涂覆干涉结构(多层)作为薄膜。该层序 列具有多层由不同材冲十形成的部分层。通常情况下，4艮据上述本发明的实施例的过程示意图的优点 是，通过使用在孔中的牺牲层制成衬底，该衬底作为初始基础用于 以任何希望的方法在支承结构衬底的背面上涂覆薄膜。由此，与根 据现有纟支术在支7 义结构衬底的孔中产生薄膜的方法相反，该方法与 在孔洞中待涂覆的薄膜材料的透深无关，并因此也可以使用如金刚 石或氮化硼的薄膜材料，例如，由于碳、硼和氮的低的核电荷数， 该薄膜材料基本上比才艮据现有技术的方法而用于X射线窗口的材 料(氧化硅或氮化石圭)更加适合4吏用作为X射线窗口 。在本文献中引用了下述7>开文献[1] DE 198 20 756 C1;[2] DE 198 52 955 Al;[3 ] MicroChannel Plate, Principle of Operationhttp: 〃hea-www. Harvard. edu/HRC/ mcp/mcp. html ， 在2005年2月15日进4亍的4企索；[4 ] WO 00/59824。参考标识100珪片101 -圭片的第一区域 102石圭片的第二区域 103孑L200半导体晶圆 201樣吏孑L 202薄层300支承结构衬底 301正方形孑L 302壁 303牺牲层 304 二氧4匕石圭层 305孑L底部区i或 306薄膜 400 3皮璃^M 401微通道 402玻璃层 403薄层 404薄月莫
权利要求
1.一种用于制造薄层结构的方法，其中，在具有大量没有贯穿衬底层的整个厚度的孔(301)的、大孔的支承结构衬底(300)中，在所述支承结构衬底(300)的孔壁(302)的表面和孔底部(305)的表面涂覆牺牲层(303)，其中，接下来，在背面部分地去除所述支承结构衬底(300)，从而在所述支承结构衬底(300)的所述背面上暴露出所述牺牲层(303)的区域，其中，在所述支承结构衬底(300)的所述背侧面上以及在所述牺牲层(303)被暴露出来的所述区域上涂覆薄层(306)，其中，相对于所述薄层(306)选择性地将所述孔中的所述牺牲层(303)去除，从而由所述薄层(306)构成所述孔底部(305)。
5. 才艮据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，由硅材料制成所述支承结构村底(300)。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，可以涂覆二氧化石圭层作为所述牺牲层(303 )，特 别是通过热氧化将所述牺牲层涂覆到所述支承结构衬底(300 ) 的所述孔壁(302)和所述孔底部(305 )上。
7. 一艮据纟又利要求5所述的方法，其中，可以涂覆氮化石圭层作为所述牺4生层(303 )，特别 是通过CVD方法将所述牺牲层涂覆到所述支承结构衬底 (300)的所述孔壁(302 )和所述孔底部(305 )上。
8. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，由铝材料制成所述支承结构衬底(300)。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述牺牲层(303 )是氧化铝层，通过ALD方法 将所述氧化铝层涂覆到所述支承结构衬底(300)的所述孔壁 (302)和所述孔底部(305 )上。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，通过使用回蚀法在背面部分地去除所述支承结构 衬底(300 )。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，通过溅射法或蒸镀法或等离子CVD法涂覆所述薄 层(306)。
12. 4艮据4又利要求11所述的方法，其中，涂覆金刚石薄层作为所述薄层(306)。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中，涂覆金属薄层作为所述薄层(306)。
14. 根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，涂覆具有很多部分薄层的层序列作为所述薄层 (306)。
15. 才艮据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，通过蚀刻选择性地去除所述牺牲层(303 )。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造薄层结构的方法。在大孔的支承结构衬底中涂覆牺牲层。接着，在背面部分地去除支承结构衬底，从而在支承结构衬底的背面上暴露出牺牲层的区域。在支承结构衬底的背侧面上以及在牺牲层被暴露出来的区域上涂覆一个薄层，以及相对于薄层选择性地将在孔中的牺牲层，从而由薄层构成孔底部。
文档编号B81C1/00GK101133461SQ200680006541
公开日2008年2月27日 申请日期2006年2月13日 优先权日2005年3月3日
发明者福尔克尔·莱曼 申请人:奇梦达股份公司