用于在应用基于氧化硅的材料的情况下构件的结构化的方法和装置

摘要

本发明涉及用于在应用基于氧化硅、特别是硅酸盐玻璃、玻璃陶瓷或石英地材料的情况下对构件进行结构化的方法和装置，其中，根据本方法在构件的至少一个第一表面处通过等离子体蚀刻而部分地进行材料的剥蚀和至少在待蚀刻表面处在等离子体蚀刻期间衬底温度是可调节的，该温度基本上大于90℃，但是小于材料的软化温度。所述装置还设置有用来产生衬底温度的加热器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在应用基于氧化硅，特别是硅酸盐玻璃、玻 璃陶瓷或石英的材料的情况下构件的结构化的方法和装置。

背景技术

硅晶片和玻璃晶片属于在显微技术中最常用的材料。在此玻璃对 于不同的MEMS-应用(微电子机械体系)中具有越来越重要的意义。 这除了涉及作为用于封装敏感传感器的复合体的经典使用外，还首先 用于生物分析的微流体化应用。然而也由此也提出了用于不同组成的 不同硅酸盐玻璃的结构化的必要性。分别根据应用，需要在玻璃中有 不同的结构：具有高纵横比或用于通孔敷镀的特定倾斜角的孔、用于 通道和薄膜制备的槽或用于高频结构元件的特殊形状。

对于硅的结构化过程，不仅有高精度的而且有有效的等离子体蚀 刻法(高速率蚀刻)，采用等离子体技术以大的蚀刻深度(超过10 μm)迄今只能较差地进行玻璃的结构化。因此目前仍优选采用基于 激光、超声、喷砂、湿法蚀刻工艺过程或还有锯的技术。等离子蚀刻 法迄今实际只允许远小于1μm/min的蚀刻速率(X.H.Li，T.Abe，和 M.Esashi，“Deep reactive ion etching of Pyrex glass，”见 Proc.13th IEEE MEMS 2000 Technical Digest，1/23-27/00卷， Miyazaki，日本，2000，pp.271-276；J.H.Park et al.，“Deep dry etching of borosilicate glass using SF6/Ar...”Microelectronic Engineering 82(2005)119-128)和蚀刻型式的非 常有限的可控制性。因此只有借助于经特殊剪裁的掩模(Masken-) 尺寸而实现坡面角的削平(如直至约70°)。在现有工艺中昂贵的掩 模技术也是必需的。因此，蚀刻深度达到约50μm例如是以4μm的 稳定的镍掩模(X.H.Li，T.Abe，和M.Esashi，“Deep reactive ion etching of Pyrex glass using SF6plasma”Sensors and Actua tors A 87(2001) 139-145)或9μm的镍掩模(J.H.Park et al.“Deep dry etching of borosilicate glass using SF6/Ar...”，Microelectronic Engineering 82(2005)119-128)为前提的。采用电化学方法制备 这样的镍掩模关系到附加的费用，因为为此需要特殊的中间层，其同 样必须被结构化。此外由上述的出版物可知，镍导致机械应力的显著 的增加。

对于蚀刻速率提高的可能性迄今(X.H.Li，T.Abe，和M.Esashi， Deep reactive ion etching of Pyrex glass using SF6 plasma， Sensors and Actuators A 87(2001)139-145)只有通过使用高 的离子加速电压(与电偏压成比例，也就是所谓的偏置电压)和较小 的工作压而实现。在此，通过二个参数而提高了的离子轰击因此特别 起到了提高蚀刻速率的作用，因为通常所使用的玻璃也大都含有 Al₂O₃-和Na₂O-成分，这些成分与所使用的氟基等离子体相关地不形成 挥发的反应产物。虽然在0.8Pa时观察到蚀刻速率随着温度(然而 根据作者的陈述温度是可忽略的)有较小的增加，但是它的最大值总 是低于在低压(0.2Pa)下的蚀刻速率。因此，根据作者的陈述很清 楚地，物理学上特定的溅射蚀刻是占主导的。这也是用于等离子体蚀 刻玻璃衬底的所有其他已知工艺的基础。

发明描述

本发明的目的在于，研发出一种用于基于氧化硅，特别是硅酸盐 玻璃，玻璃陶瓷或石英的构件的结构化的方法和装置，其使得在高速 度下蚀刻和在此保证对于掩模材料的良好选择性以及对于蚀刻型式 的较大可变性成为可能。

该目的采用权利要求1和28的特征部分而实现。

根据本发明，在用于在应用基于氧化硅，特别是硅酸盐玻璃，玻 璃陶瓷或石英的材料的情况下对构件进行结构化的方法中，在构件的 至少一个第一表面处通过等离子体蚀刻而部分地进行材料的剥蚀，在 此，至少在待蚀刻的表面处在等离子体蚀刻时衬底温度是可调节的， 该温度基本上是大于90℃，然而小于材料的软化温度。通过这种高的 衬底温度可令人惊奇地达到高的蚀刻速率。

优选地，本方法采用至少一个能量源在含氟的气体混合物中实 施，在此在材料表面上施加上掩模，其留出要剥蚀的 材料区域。在此，采用以高频-或低频-等离子体源的形式的第一能量 源来产生具有改变离子能量的可能性的等离子体，和/或采用第二能 量源生成高密度的等离子体(高密度等离子体-HDP)。通过选择或联 合用以生成等离子体的能量源，使得基于氧化硅的构件的非常宽的加 工处理范围是可能的。

所要加工的构件的衬底温度优选为100-700℃。然而试验检测已 经显示的是，在300-500℃之间的衬底温度下可调节得到最好的结果。

另外可能的是，等离子体蚀刻用恒定的离子能量来实施。然而附 加的优点为提供了变动的离子能量，在此在等离子体蚀刻期间使高的 离子能量与减少的离子能量交替更换。在此，离子能量在由于形成不 挥发的反应产物而引起玻璃蚀刻速率下降时，随着蚀刻时间而短时间 地提高和随后又减小。这优选地交替地进行，并且在各30秒至90秒 后改变离子能量。不挥发的反应产物通过经提高的离子能量和由此而 引起的蚀刻基底的溅射过程而消除/去除，从而离子能量又下降且蚀 刻过程随着减小的离子能量和(由于经去除的不挥发的反应产物)又 有可能提高的蚀刻速率而继续进行。

优选的方式是所要生成的蚀刻型式可根据离子能量和/或离子密 度和/或气体混合物的组成和/或衬底温度而调节。

例如蚀刻型式可通过离子能量、离子密度和钝化气体作为一方对 衬底温度作为另一方的比例而受到影响。在此，蚀刻型式是可特别如 下受到影响的：

-通过提高的离子密度——增加的蚀刻坡面的陡度，

-通过提高的在气体混合物中的氟含量——减小的蚀刻坡面的陡 度，

-通过提高的温度——减小的蚀刻坡度的陡度。

在蚀刻工艺之前施加到所要蚀刻的材料表面上的掩模，优选由具 有阻抗能力的金属(如铬、镍、铝或它们的 合金)或由耐温的有机材料(如聚酰胺(Polymide)或环氧树脂)组 成。

等离子体蚀刻特别地在1-40Pa的工艺压力和不超过300V的偏 置电压下进行，其中验证到随着增加着的衬底温度蚀刻速率也增加。

可能的是，在对置于第一表面的第二表面处也实施构件的结构 化。这同样也可以通过等离子体蚀刻进行，但是激光加工或机械加工， 如抛光、喷砂或磨削也是可行的。通过第二表面的加工可以进行它的 结构化和/或变薄(Abdünnen)过程。从而可以生成复杂的结构。另 外可能的是，将所要结构化的基于氧化硅的材料施加到衬底上，该衬 底优选由硅组成并且其用于晶片的结构化。

由此可以有效的方式制备氧化硅-硅-晶片复合体。

根据本发明的用于在应用基于氧化硅，特别是硅酸盐玻璃，玻璃 陶瓷或石英的材料的情况下结构化构件的装置，其中在构件的至少一 个第一表面处通过等离子体蚀刻而部分地进行材料的剥蚀，该装置上 构造有加热器(Heizung)用来生成衬底温度(构件温度)——大于 90℃，但是小于构件材料的软化温度。

此外该装置具有至少一个用来生成等离子体的能量源，以及含氟 的气体混合物。材料的表面是用掩模涂层的，其留出材料的所要剥蚀 的区域。

优选的方式是在装置侧整合入以高频-或低频-等离子体源形式 的能量源用来生成等离子体，该等离子体具有调节/改变离子能量的 可能性(在蚀刻之前或在此期间)和/或整合入用来生成高密度等离 子体(高密度等离子体-HDP)的第二能量源。

采用加热器至少在所要加工的衬底表面上产生100℃-700℃，优 选为300℃-500℃的衬底温度。

该装置基本上由用于等离子体蚀刻的真空室构成，在该真空室中 主要是含氟的气氛和在其中设置用于所述构件的容纳器(Aufnahme)， 其中所述容纳器优选是用于容纳晶片的衬底载体(卡盘)。所述加热 器或者与容纳器联接(gekoppelt)将其设置在容纳器上方并且构造 为是辐射加热器。在此，第一能量源与衬底载体联接，第二能量源与 在衬底载体上方的线圈机构连接。除了应用用于第二能量源的线圈机 构来产生高密度的等离子体外还可以使用作为第二能量源的微波源。

第一能量源的激发频率优选为10kHz-27MHz，第二能量源的激 发频率优选＞2MHz。

根据本发明的令人惊奇的高蚀刻速率显而易见地这样达到，即， 玻璃至少在所要蚀刻的表面处具有高的温度。所以由此发现，尽管在 硅酸盐玻璃中掺混入例如Al₂O₃和Na₂O，然而本身在比较高的工艺压 力(35Pa)和较小的偏置电压(22V)下，当玻璃温度是足够高时(如 400℃)，蚀刻速度可以高达4μm/min。在此，堪比于现有技术的电 能输入(eingekoppelt)等离子体源中(电感耦合等离子体-ICP)。 这只能理解为存在令人惊奇的主导的化学效应。因此，基于用于蚀刻 PYREX-玻璃的玻璃蚀刻速率的温度依赖性，例如也可测得活化能为 13.2kJ/mol。

以下根据实施例和附图来更清楚地解释本发明。附图为：

图1：在应用高频-等离子体源形式的第一能量源以产生等离子和 调节离子能量的情况下等离子体蚀刻室的原理示意图，所述能量源与 衬底载体联接。

图1a：根据图1的等离子体蚀刻室的原理示意图，其中附加地采 用第二能量源而可产生高密度的等离子体(高密度等离子体-HDP)。

图2：由玻璃衬底构成的构件的横截面，该玻璃衬底设置有经结 构化的掩模层，

图3：在蚀刻和去除具有平的蚀刻坡面的掩模后由玻璃衬底构成 的构件的横截面，

图4：在蚀刻和去除具有几乎垂直的蚀刻坡面的掩模后由玻璃衬 底构成的构件的横截面，

图5：在蚀刻和去除具有通孔的掩模后由玻璃衬底构成的构件的 横截面，

图6：由具有经连结的(aufgebondetem)和经结构化的玻璃衬 底的硅晶片构成的构件，

图7：由具有经连结的和经结构化的玻璃衬底的硅晶片构成的构 件，且通过该玻璃衬底使得接触导致施加在硅晶片上的金属化过程，

图8：在由玻璃衬底组成的构件中经蚀刻的倾斜的蚀刻侧壁，通 过该蚀刻侧壁金属化过程可以借助于溅射工艺而进行，

图9：由玻璃衬底构成的构件，它的上侧通过等离子体蚀刻而结 构化和它的下侧通过机械结构化而部分地变薄，

图10：由玻璃衬底构成的构件，它的上侧通过等离子体蚀刻而结 构化和它的下侧通过机械结构化而部分地变薄，由此在玻璃衬底中产 生通孔。

图1示出的是在应用高频-等离子体源形式的第一能量源1.1来 产生具有改变离子能量可能性的等离子体的情况下的、根据本发明的 装置的原理示意图，其中所述离子能量与衬底载体2形式的容纳器相 联接。衬底载体2可借助于设置在衬底载体2上的加热器3加热，以 达到所需的衬底温度。第一能量源1.1和可加热的衬底载体2在此设 置在真空室4中(或根据一个未图示出的实施例设置在真空室附近)， 在该真空室4中在等离子体蚀刻过程中充斥着合适的氟-气体混合物 的气体气氛。在真空室4中，借助于未图示出的泵体系而保持所期望 的负压。强制必需的是，使用第一能量源1.1来以电方式产生等离子 体，其也用来产生偏置电压(影响离子能量)。

例如由玻璃衬底5.1组成并且在它的第一待蚀刻的表面5a处具 有掩模7的待蚀刻的构件5，根据图1由衬底载体2容纳，通过所述 衬底载体2的加热器3而产生所需的衬底温度且其能够负责构成特定 的电势比例。

根据图1a，除了与衬底载体2联接的第一能量源1.1之外，还使 用可不依赖于其控制的第二能量源1.2。在此，第二(上部的)能量 源1.2负责位于真空室4内的气体的离解度，这样采用第二能量源1.2 而可产生高密度的等离子体(高密度等离子体-HDP)。

上部的第二能量源1.2的能量输入，如在图1a中所示出的那样， 可以感应的方式借助于线圈系统6进行，但是也可借助于其他的未图 示出的配置(ECR、微波、以磁场支持，VHF等)进行。从而有利地产 生高密度的等离子体(HDP)。待蚀刻的构件5(如玻璃衬底5.1)也 根据图1a所示地同样位于合适的衬底载体2上，然而在此该衬底载 体2没有设置加热器。相应于本发明对于玻璃的高速蚀刻所需的经提 高的表面温度，在此借助于加热器3以辐射加热器的形式而获得，且 该辐射加热器通过构件5设置在真空室4中。根据未图示出的实施例， 加热器也可以整合在衬底载体中。

图2示出了由玻璃衬底构成的构件5的横截面，该构件5在其第 一表面5a处用经结构化的掩模层/掩模7覆盖。作为用于掩模7的材 料，已经证实各种不同的金属以及还有耐温的有机材料(如聚酰胺和 环氧树脂)是合适的。优选地例如是薄的铝层，且其特别地根据所期 望的蚀刻深度可为100nm至数μm——例如对于直至50μm的蚀刻深 度可以为1μm。其可以以简单的方式湿化学法地或借助于等离子体蚀 刻方法而结构化。

以下的图3、4和5示出的是由以硼硅酸盐玻璃的形式的玻璃衬 底5.1构成的构件5的横截面，该构件5以不同的参数相应于根据本 发明的方法由第一表面5a的方向出发而进行结构化，且这在去除掩 模材料/掩模之后进行。因此，当采用400℃的衬底温度，采用SF6 和CF4作为蚀刻气体混合物，以35Pa的工作压力，从第一能量源 1.1(等离子体源)输入的40W的功率和在第二能量源1.2(用来产 生高密度等离子体的等离子体源)上输入的1000W的功率而工作时， 从第一表面5a的方向出发在构件5(玻璃衬底5.1)中得到具有根据 图3的具有平的蚀刻坡面8.1的蚀刻型式8。在此，所获得的硼硅酸 盐玻璃(Borofloat)的蚀刻速率比迄今所能获得的值都高，大约为 3700nm/min。这样所得到的且具有相对较平的蚀刻坡面8.1的蚀刻 型式8在当垂直的蚀刻侧壁干扰后续时，对例如以后的使用能够具有 优点。然而在以大的深度(如：100μm)蚀刻时显示出，蚀刻速率通 过在蚀刻基底处的不挥发反应产物的积聚而渐渐地减小。

为了抵制这一点，可以用变化的离子能量实施蚀刻工艺。为此， 例如在每一分钟之后调整交替改变的参数。在这个时间中采用1Pa的 工作压力和采用借助于第一能量源1.1(第一等离子体源)输入的300 W的功率工作。通过该具有显著提高的离子能量的中间过程，而产生 在蚀刻型式8的蚀刻基底上的净化效应(溅射)，由此可去除不挥发 的反应产物。已知地，它们随后也会部分地沉积到结构侧壁上，在那 里它们能够具有钝化作用。若各向同性的蚀刻阶段对各 向异性的蚀刻阶段的比例进一步向着各向异性的蚀刻工艺的方向移 动，方式是例如对于二个蚀刻阶段的蚀刻时间为一分钟，则能实现具 有几乎垂直的蚀刻坡面8.1的蚀刻型式8，如其在图4中所示出的那 样。若应用足够稳定的掩模7，如6μm的铝，那么也可以相应于图5 在构件5的例如200μm厚的玻璃衬底5.1内蚀刻出通孔9。随后， 具有优点的是，为了减少平面消耗，通过最佳经控制的离子能量以及 相连的额外的侧壁钝化而获得尽可能各向异性的蚀刻型式。在特殊的 参数时通过添加其他合适气体而进行这一过程。这种效应例如在混入 具有高碳份额的气体，如CH₄的情况下是可证实的，但是并非是与之 相联系的。

在图6中示出了另一个实施例，在该实施例中构件5由玻璃衬底 5.1构成，该玻璃衬底5连结到硅晶片5.2上并从它的第一表面5a 的方向出发借助于通孔9而结构化。当在用玻璃衬底5.1所覆盖的硅 晶片5.2上必须从上部接触特定的接头(Anschlüsse)时，这是令人 感兴趣的。图7示出了一种这样的配置。在此示出了这种情况，在该 情况中在玻璃衬底5.1上具有用于较大开孔的足够位置。于是可行的 是，贯穿通过玻璃衬底5.1(通过该很大的开孔/通孔9)到达存在在 硅晶片5.2上的向外借助于导线连接(Drahtbonden)11连接的电接 头10。对于开孔不可能构造得足够大或者或对于其他的接触方法需要 在玻璃衬底5.1上侧5a上的金属接触面(缓冲(Bumping))的这种 情况，可以借助于第一金属层12引出(gezogen)在玻璃衬底5.1的 表面上的电接头10。在此，如在图8示意性地图示出的那样，通过采 用根据本发明的方法在玻璃衬底5.1中蚀刻出的通孔9的平的蚀刻侧 壁8.1，有利地用低成本的溅射工艺施加上第一金属层12。在玻璃衬 底5.1和硅晶片5.2之间同样可以设置第二金属层12.1，该金属层 具有第一金属层12所通向的接触/接头10。

在图9中所示的是由玻璃衬底5.1构成的构件5，它的第一表面 5a通过等离子体蚀刻而具有蚀刻型式8并且它的对置的第二表面5b 通过采用型式13的机械结构化而部分地变薄。

图10示出了类似的实施变化方案，但是玻璃衬底5.1从它的下 侧(第二表面5b)出发如此程度地通过采用型式13的机械结构化而 变薄，使得在构件5的玻璃衬底5.1中构成通孔9。

采用根据本发明的方案而首次使得，对基于氧化硅、特别是硅酸 盐玻璃、玻璃陶瓷或石英的构件通过等离子体蚀刻以高蚀刻速率进行 结构化成为可能。

可以对不同的玻璃种类，如硅酸盐玻璃或玻璃陶瓷进行结构化并 制备或加工基于此的构件。

通过与由硅构成的晶片的结合，可以首次地有效地制备结构化了 的硅-玻璃-晶片复合体形式的电子/微电子的构件。

同样可行的是，对用于许多其他的技术应用的玻璃陶瓷进行结构 化并因此掺入例如标签或标识。