专利名称：用于制造分离地设置在硅基底上的微机械结构部件的方法和由此制造的结构部件的制作方法
用于制造分离地设置在硅基底上的微机械结构部件的方法 和由此制造的结构部件现有技术
本发明涉及一种用于制造分离地设置在硅基底上的微机械结构部件的方法。此外 本发明还涉及一种通过根据本发明的方法制造出来的微机械结构部件。
在制造具有不同功能特性的薄膜结构的微机械传感器时借助锯对已加工完毕的 结构部件的芯片分离是一种本身已公开的方法。特别是可为麦克风和压力传感器在背面产 生洞穴空间。在封闭的薄膜中一这种薄膜具有从前面到背面的密封功能，并且也具有比较 高的稳定性一可采用常规的晶片锯开方法，并且损伤薄膜的风险不是特别的高。在封闭的 薄膜中在从晶片的前面锯开时由于在锯开时采用由于去除锯末浆的流体介质所以薄膜和 其下置层的不可逆转的粘接没有大的风险。
然而在结构化的薄膜中情况却不一样。这些薄膜不再是完全封闭的，因为它们例 如有穿孔。这样结构化的薄膜例如可用于应力去耦，因为通过合适的薄膜几何形状通过设 计可达到灵敏度与内在的层的应力参数不相关。为了和难于控制的层参数，如内在的应力 无关，这些通过设计形成的措施对于制造具有高的可重复性的麦克风和生产率起着重要的 作用。然而，在这样一些薄膜中没有了朝晶片背面方向的密封功能，这使得在使用流体介质 的情况下的锯开复杂化，并且由于流体和脏物渗入到电容的容纳结构中给结构部件带来风 险。
除了这种经典的晶片锯开法外还有一个所谓的“暗中切割(Stealth Dicing) ”，它 也以“马合切割”(Mahoh Dicing)概念而有名，它是芯片分离的替代方法。其中借助激光对 晶片材料进行非晶形化，这么一来在晶片内感应出机械应力。如此产生的额定断裂部位当 晶片在薄膜上膨胀时引起芯片的分开。在这个方法中有效地没有材料分离下来，这样就没 有必要在隔开工序过程期间为了运走多余的材料而需要流体介质了。然而这个方法的缺点 是按照晶片的厚度需要多个，或者甚至大量的激光扫描。这样又降低了晶片的生产能力，并 且提高了该方法的成本。
DE 197 30 028 C2公开了一种使用受激原子激光用于边缘精确地分割和加工在 半导体基底上联合制造的，且由AIII-BV-连接半导体构成的半导体芯片的方法。受激原子 激光工作的脉冲持续时间的范围为彡lOOfs，其波长为彡250nm。在这个方法中，通过激光 束击中表面的位移在基底边缘上产生一个与切割线的总长度相比要短的初始断面。这个初 始断面沿着所希望的，在断开面一此断开面相当于半导体基底的晶化方向一中所设置的分 割线，在一个应加工的基底表面的分割线方向上对齐。这个初始断面作为刻槽是如此产生 的，即它导致自动的断开过程，并且因此在分离线方向出现半导体芯片的分离。这种方法的 缺陷是，根据所述，为了产生初始断面需要高的功率密度在5 X IO13和2X 1014W/cm2之间。发明内容
因此根据本发明建议一种用于制造分离的设置在硅基底上的微机械部件的方法。 这种制造方法包括下述步骤
a)通过各向异性等离子深腐蚀方法在基底上制作分离沟；
b)用激光对硅基底的区域进行照射，所述的区域形成分离沟的底部，其中，通过在 这个区域中的照射使硅基底从一种结晶状态转变成至少部分地非晶质状态；
C)在基底中感应出机械应力。
本发明意义上的微机械结构部件特别是这样的结构部件，即它们的结构具有 彡Ιμπι至< 2000μπι的范围的尺寸。作为制造的细节的结果是它们通常由一个硅基底支 承，或者至少部分地由一种结构化的基底构成。硅基底可以是一种硅晶片，优选地是一种多 晶的或者单晶的晶片。将这些结构部件分离开的意思是将原先支承多个结构部件的基底如 此地进行分割，即形成单个的或者形成更小的结构部件组。
根据本发明的方法既可作为对已在硅基底上制造的结构部件进行分离的方法，也 可作为一种分离方法和用于这些结构部件的制造方法的步骤的组合执行。
在本方法中首先在步骤a)中蚀刻分离沟，然后应沿着这条分离沟将基底分开，为 此使用一种各向异性等离子深蚀刻方法。这样一种方法叫做蚀刻方法。这种方法例如可在 硅基底上提供其深度为彡100 μ m至彡800 μ m或者彡400 μ m 700 μ m的沟。例如可称 为深反应离子蚀刻(de印reactive ion etching-DRIE)方法。
该方法的步骤b)包括用激光照射一个或者多个分离沟的底部。在这种情况中，激 光可从基底的设置有分离沟的一侧射入。但是也可从基底的背面照射底部。由于激光照射 被照射的区域非晶质化。随之出现的是机械强度的下降。通过吸收激光一这个激光例如可 以是其波长为1064nm的红外线一在这个部位加热材料。加热区域可以具有彡4 μ m的尺寸。 通过这种加热使材料发生变化。与此相联系的是在这个部位上体积增加了。其结果是在晶 片中出现额定断裂部位，在膨胀时芯片会在这个额定断裂部位处被分离开。
结构部件的最后的分离是在步骤C)中进行。机械应力例如可能是拉伸应力或者 弯曲应力。为了感应出应力一种办法是通过将基底粘贴到一个薄膜上，并且紧接着水平地 展开该薄膜。其最终结果是通过机械应力在通过分离沟的非晶形化的区域所规定的部位上 将晶片分开。
根据本发明的方法有下述优点，即基本上防止出现应去除的残留物。各向异性等 离子深蚀刻方法使用的是气态的腐蚀剂，并且形成气态的反应产物。硅基底的非晶质化与 随后通过机械应力出现的分开也没有出现材料的去除。
在根据本发明的方法的一个实施形式中在步骤a)中的蚀刻方法是一种通过分别 替换地依次单个地执行彼此可独立控制的蚀刻步骤和聚合作用步骤的用于在硅基底中各 向异性地等离子蚀刻用蚀刻掩膜规定的结构的一种方法，
其中，硅基底设置在反应器中的一个基底电极上。
其中，在聚合作用步骤期间将一种聚合物涂覆到通过蚀刻掩膜规定的结构上，这 个聚合物在随后的蚀刻步骤中又部分地剥蚀下来，并且其中，在等离子体中进行无聚合物 形成物的蚀刻步骤，
其中，对于聚合作用步骤使用氟和碳的原子比例在> 1 3到彡3 1范围中的 氟碳氢化合物，
其中，用氟-碳聚合物覆盖通过前述蚀刻步骤显露出来的表面，
其中，使用为蚀刻步骤提供氟的蚀刻气体，4
其中，在蚀刻步骤期间给基底电极提供低功率的高频。
这种蚀刻方法的方案也以博世(Bosch)方法而闻名。采用这样一种蚀刻方法可 蚀刻出具有几乎垂直壁的沟。沟壁与垂直线的误差通常不大于士2°。例如可将C4F8或者 CHF3和氩的混合物用作形成聚合物的物质。优选地形成氟-碳-聚合物是无氯的。可将 SFf^n氩的混合物用于蚀刻步骤。在蚀刻步骤期间离子能量可在> IeV至< 50eV，优选地 在彡5eV至< 30eV的范围中。在聚合作用步骤期间离子能量可在彡IeV至< 10eV，优选 地在彡4eV至彡6eV的范围中。可给基底电极优选地提供功率为彡IOOff至彡1500W，或者 彡300W至彡1200W的微波辐射。
在根据本发明的方法的另一实施形式中，在步骤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的范围中。此外，根据本发明还包括在 运行期间激光功率的变化为士0.02W。采用这样一些激光功率可将基底材料的非晶质化限 制在分离沟中。
在根据本发明的方法的另一实施形式中在步骤a)的蚀刻分离沟期间同时也将洞 穴作为微机械结构部件的一部分蚀刻到硅基底中。麦克风或者压力传感器就是具有洞穴或 者空腔室的结构部件的实例。其中，通过选择分离沟的侧面尺寸在等离子蚀刻期间通过以 前为相应的蚀刻方案确定的RIE滞后(lag)系数可确定所希望的蚀刻深度。这个反应的离 子蚀刻滞后系数是表示在这些蚀刻方法中在沟宽度较小时的沟的蚀刻速度比沟宽较大时 的蚀刻速度要小。在这种情况中是如此地设计分离沟的尺寸，即分离沟比洞穴窄。
因此，分离沟也可以蚀刻得比洞穴浅一些。在已公开的，并且事前已特性化的RIE 滞后效应中通过选择相对于洞穴宽度的沟宽也可以预先确定在设置洞穴时同时地将分离 沟多深地蚀刻到硅片中。优选地如此地调节分离沟的深度，即在蚀刻步骤之后在其它的制 造过程中还能稳定地，且无折断危险地处理硅基底。
在这个实施形式中特别有利的是可在一个本来就为洞穴的结构化应进行的方法 步骤中设置分离沟。也就是说不需另外的蚀刻步骤。在分离沟范围中硅基底变得如此的薄， 即为了达到足够的非晶质化最好只必须用激光照射一次。由于激光加工的切割深度减小， 所以在这个部位的加工时间和加工成本明显地减小。由于能够在洞穴的蚀刻工序期间，并 且同时用这个蚀刻工序通过掩膜的几何形状，特别是在分离沟的宽度上、通过RIE滞后效 应规定分离沟的深度和宽度，所以几乎任意的芯片尺寸和蚀刻深度都是可以的。通过这一 措施就有了高度的设计自由，并且分离工序和费钱的设备变化无关，例如在更换具有不同 切割宽度的常规的晶片锯的锯条所必需的。
此外，这些洞穴还可以至少部分地被薄膜覆盖。这个薄膜例如可以是麦克风薄膜 或者是压力传感器薄膜。薄膜可以是结构化的，也就是说也可以具有中断，例如孔。根据本 发明的方法特别适用于具有薄膜的结构部件，因为这些敏感的薄膜区域在分离工序期间通 过机械的作用不会受到损害，并且可以放弃防止流体和物质淤积的保护罩。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的宽度。分离沟可以具有彡1 μ m 至彡IOOym或者彡IOym至彡30 μ m的宽度。此外，洞穴的宽度和分离沟的宽度之比可以 为彡5 1至<50 1，或者彡10 1至<30 1。在这些相对的宽度比中在商业上通 行的硅晶片中可有利地调节洞穴和分离沟的深度比。因此，通过侧面尺寸的比例可控制不 同的蚀刻深度。
此外，通过根据本发明的方法制造出来的微机械结构部件也是本发明的主题。
在微机械结构部件的一个实施形式中这个结构部件包括一个薄膜。这个薄膜或者 功能的薄膜层的材料例如可以包括非晶的、单晶的或者多晶的硅、硅-锗(SiGe)、金属，特 别是铝以及金属氧化物或者金属氮化物。
在微机械结构部件的另一实施形式中这个结构部件是从下述组中挑选出来的，该 组包括麦克风、压力传感器、微镜(Mikrospiegel)和/或具有多孔的薄膜区域的生物化学 传感器。
借助下面附图对本发明进行更加详细的说明。这些附图是
图1 结构化的硅晶片。
图2 激光切割期间的图1的硅晶片。
图1示出了各向异性等离子深蚀刻步骤后的结构化的硅基底1。这个硅基底1是 如此蚀刻的，即形成洞穴2、穿过基底1的穿孔3以及在基底1和薄膜5之间形成空腔4。此 外，在蚀刻洞穴2的同时也形成分离沟6。通过各向异性蚀刻工序可以产生原则上具有垂 直侧壁的洞穴2和分离沟6。在此，在利用RIE滞后效应的情况下产生其蚀刻深度比洞穴2 小的分离沟6。在基底1的背向薄膜的一侧还有屏蔽层7的剩余部分。基底1的薄膜一侧 的表面在没有薄膜4的部位上部分地被另一屏蔽层8覆盖。然而这个屏蔽层8通过一个未 被屏蔽的区域9中断。这个未被屏蔽的区域9位于分离沟6的延长部，并且最终也形成它 的底部。由于分离沟6的深度不包括整个晶片的横截面，所以为了继续处理晶片就不必需 薄膜或者支承基底3形成的真正的晶片容纳部。这种做法又有下述优点，即与从前侧事后 除去薄膜5的可能的保护层或者其它的支承区域的不同之处是不会损坏薄膜5周围的那些 区域。
图2示出激光切割期间的图1的硅晶片。与图1不同之处是拿掉了屏蔽层7，并且 硅晶片在它的背面设置了为以后单个地容纳芯片的薄膜10。通过这一措施和平常一样，并 且用已有的设备可通过所有其它的包装站。现在用激光束11照射薄膜侧的晶片表面的未 被屏蔽的区域9。现在在这个区域9中的硅基底和位于下面的物质12通过激光束11的作 用被非晶形化。因为在硅材料的非晶形化的过程中从晶片的前面直到深处一背面设置的分 离沟6在此深处结束一都没有材料被剥蚀，所以就不需要用于运走材料或者用于晶片冷却 的流体介质。然后在薄膜10膨胀后这些结构部件就以分离开的形式存在，其中，分割线沿 着事前设置的分离沟6延伸。
权利要求
1.用于制造在硅基底(1)上分离设置的微机械结构部件的方法，具有下述步骤a)通过各向异性等离子深蚀刻方法在基底上制作分离沟(6)；b)用激光(11)对硅基底(1)的形成分离沟(6)的底部的区域(9、12)进行照射，其 中，通过在这个区域(9、12)中的照射使硅基底(1)从结晶状态转变为至少部分地非晶质状 态；c)在基底(1)中感应机械应力。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)中的蚀刻方法是一种通过分别交替地 依次单个执行彼此可独立控制的蚀刻步骤和聚合作用步骤用于在硅基底(1)中各向异性 地等离子蚀刻用蚀刻掩膜规定的结构的方法，其中，硅基底(1)设置在反应器中的基底电极上，其中，在聚合作用步骤期间将聚合物涂覆到通过蚀刻掩膜规定的结构上，所述聚合物 在接下来的蚀刻步骤中又部分地被剥离下来，并且其中，在等离子体中执行无聚合物成份 的蚀刻步骤，其中，在聚合作用步骤时使用具有在> 1 3至<3 1范围中的氟对碳的原子比例 的氟碳氢化合物，其中，用氟-碳聚合物覆盖通过前面的蚀刻步骤显露出来的表面， 其中，为蚀刻步骤使用提供氟的蚀刻气体， 其中，在蚀刻步骤期间给基底电极加载低功率的高频率。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤b)中激光具有彡0.7W至彡1.2W的功率。
4.按照权利要求1至3的任一项所述的方法，其中，在步骤a)中的蚀刻分离沟(6)期 间同时将洞穴(2)作为微机械结构部件的部分蚀刻到硅基底(1)中。
5.按照权利要求4所述的方法，其中，洞穴(2)至少部分地被薄膜(5)覆盖。
6.按照权利要求4或5所述的方法，其中，洞穴(2)具有彡5(^!11至<2000 μ m的宽度。
7.按照权利要求4到6的任一项所述的方法，其中，洞穴(2)的宽度和分离沟(6)的宽 度的比例为彡5 1至彡50 1。
8.通过按照权利要求1至7的任一项所述的方法制造的微机械结构部件。
9.按照权利要求8所述的微机械结构部件，其中，结构部件包括薄膜(5)。
10.按照权利要求8或9所述的微机械结构部件，其中，从下列组中选择结构部件，该组 包括麦克风、压力传感器、微镜，和/或具有多孔的薄膜区域的生物化学传感器。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造在硅基底(1)上分离设置的微机械结构部件的方法，它具有下述步骤a)通过各向异性等离子深蚀刻方法在基底上制作分离沟(7)；b)用激光(11)对硅基底(1)的形成分离沟(6)的底部的区域(9、12)进行照射，其中，通过在这个区域(9、12)中的照射使硅基底(1)从一种结晶状态至少部分地转变为非晶质状态；c)在基底(1)中感应机械应力。在一种实施形式中同时用蚀刻蚀刻分离沟(6)和洞穴(2)。可通过RIF滞后效应对蚀刻深度进行控制。
文档编号B81C1/00GK102036907SQ200980118616
公开日2011年4月27日 申请日期2009年4月3日 优先权日2008年5月23日
发明者C·莱嫩巴赫, F·拉尔默, K·特费伦 申请人:罗伯特.博世有限公司