CN102530838A - 用于在衬底中制造斜面的方法和具有斜面的晶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在衬底中制造斜面的方法，包括在衬底的两个主表面上构造凹槽，分别直至其总和大于衬底的厚度的深度，即直至凹槽如此深以至于衬底被两个凹槽穿透。在此，在第一面积区域中从第一主表面起制造一个凹槽，以及在第二面积区域中从第二主表面起制造另一个凹槽，使得第一面积和第二面积沿着衬底的主表面的面法线不重合。然后在主表面上在凹槽上方分别施加柔性膜片。如果随后在凹槽内相对于外部压强建立低压，则柔性膜片分别朝着凹槽的方向拱起，直至其朝向衬底的表面基本上在凹槽的中间彼此接触。

Description

用于在衬底中制造斜面的方法和具有斜面的晶片

技术领域

本发明涉及一种尤其是借助用于半导体工艺的平面加工技术在衬底中制造斜面的方法，以及一种具有集成在衬底中、尤其是用于遮盖微机械元件的斜面的晶片。

背景技术

在半导体工艺中，可以通过层的沉积以及其随后的结构化或者通过体材料(Bulk-Material)的蚀刻工艺，在衬底上或者在衬底中制造平面的结构元件。所述技术称作平面技术。

平面技术中的一个方面涉及制造非平面的结构，例如斜面或曲面。在现有技术中已知了用于解决这一问题的不同方法。

在US 5,174,587中说明了一种倾斜蚀刻工艺，其中，在预给定的高温下使光刻胶层流动，以便构造倾斜的光刻胶边，然后在随后的蚀刻步骤中将其与位于其下方的衬底一起蚀刻成倾斜的平面。

US 2005/0257709A1公开了一种方法，在所述方法中，衬底上的光学的或衍射的元件由待结构化的层遮盖，以及通过掩膜层曝光光学元件上的待结构化的层。光学元件反射曝光，并且将光以一角度投射到待结构化的层的其他区域之中，从而构造倾斜的曝光区域。

US 2002/0135717A1公开了一些方法，借助于这些方法可以通过在待结构化的衬底元件上沉积有机层来构造斜面。

此外还公开了一些光刻方法，例如灰色调或半色调光刻法，其可以用于在衬底中制造经不同程度结构化的区域。在此，掩膜层相对较薄，并且可以如此选择掩膜材料，使得在蚀刻时仅仅出现很少的剥蚀量，例如通过掩膜材料相对于待蚀刻的衬底的高蚀刻选择性。

尤其是当具有微镜的微机电系统由窗口遮盖时，往往需要斜面，以便使光源的散射光和不期望的反射远离微镜或者投影图像。

迄今由文献US 2006/1076539A1和US 2007/0024549A1公开了一种方法，在所述方法中将具有斜面的、预成型的遮盖物置于微镜阵列上。

DE 10 2008 012 384A1公开了一种用制造具有斜面的玻璃晶片的方法，所述玻璃晶片可以作为微镜的遮盖物。

然而，对于在平面技术领域中实现适于斜面和/或曲面的大批量制造的方法，期望提供更加高效且成本低廉的方法。

发明内容

因此，在权利要求1中限定的本发明的基本构思是说明一种用于在衬底中制造斜面的方法，借助所述方法可精确地并且在尺寸方面——例如倾斜度、高度或曲率方面可变地并且灵活地制造斜面或曲面。另一构思涉及在权利要求7限定的晶片，其具有集成在衬底中的斜面，所述斜面可以按照根据本发明的方法制造，以便提供用于微机械元件的遮盖晶片。

根据一种实施方式，用于在衬底中制造斜面的方法包括在衬底的两个主表面上构造凹槽，分别直至其总和大于衬底的厚度的深度，即直至凹槽如此深以至于衬底被两个凹槽穿透。在此，在第一面积区域中从第一主表面起制造一个凹槽，以及在第二面积区域中从第二主表面起制造另一个凹槽，使得第一面积和第二面积沿着衬底的主表面的面法线不重合，即两个面在横向上彼此相对偏移。通过所述方式有利地在凹槽的相互对置的侧面上形成阶梯状(terrassenartig)的衬底凸起。然后在主表面上在凹槽上方分别施加柔性膜片。如果随后在凹槽内相对于外部压强建立低压，则柔性膜片分别朝着凹槽的方向拱起，直至其朝向衬底的表面基本上在凹槽的中间彼此接触。本方法的优点在于，通过低压使柔性膜片在凹槽的边缘区域内紧贴到衬底的外棱边上，尤其是紧贴在衬底凸起上，这些衬底凸起对于彼此接触的膜片表面的构成的面在凹槽内形成紧固点。由此可以有利地实现：构成的面相对于衬底的主表面倾斜。

根据本发明的方法的另一优点在于，可以简单地通过确定在衬底中开设的凹槽的尺寸来调节凹槽内的斜面的倾斜度、延伸和高度。此外可以有利地借助平面技术来制造凹槽，从而根据本发明的用于制造斜面的方法与平面技术工艺兼容。由此，本方法适于大批量制造、高效且成本低廉。

在根据本发明的方法中，同样有利的是，可以在基本上不改变制造工艺的情况下构造多个倾斜的几何结构，对于斜面可以使用很多不同于衬底材料的材料，并且可以非常精确并且平整地构造斜面。

根据一种实施方式，在凹槽内建立低压，其方式是，在真空中将柔性膜片施加到衬底上，然后将具有严密地封闭的凹槽的衬底置于常压环境中，从而已经由制造决定地在凹槽内形成低压。由此可以有利地实现：斜面自已布置和稳定。

根据本发明的另一实施方式，提供具有衬底的晶片，所述衬底具有第一主表面、第二主表面和厚度，所述第二主表面与所述第一主表面相互对置，其中，所述衬底具有延伸穿过衬底厚度的空隙，所述空隙具有第一横向限界边和第二横向限界边，所述第二横向限界边与所述第一横向限界边相互对置。在此，所述晶片包括第一衬底凸起和第二衬底凸起，所述第一衬底凸起在第一主表面的高度上从第一横向限界边起伸到空隙中，所述第二衬底凸起在第二主表面的高度上从第二横向限界边起伸到空隙中。第一和第二衬底凸起构成膜片元件的紧固点，所述膜片元件从第一衬底凸起延伸至第二衬底凸起并且在空隙区域内定义一表面，所述表面与第一主表面成一角度，即相对于第一主表面倾斜。

在此特别有利的是，衬底是硅衬底，并且膜片元件包括在光学范围内透明的硼硅酸盐玻璃。由此可以实现：晶片具有透光的、倾斜的窗口，所述窗口适于遮盖微机械元件、尤其是微镜，因为其可以有效地禁止干扰性的散射辐射和反射辐射。

在从属权利要求中说明了其他实施方式和改进方案。

只要合理，可以任意组合以上构型和改进方案。本发明的其他可能构型、改进方案和实现也包括没有明确提到的、以上或以下参照实施例描述的本发明特征的组合。

附图说明

以下借助在附图中示出的实施例详细地阐述本发明。

图1a-1f示出根据本发明的一种实施方式的方法过程的示意图；

图2a示出根据本发明的另一实施方式的衬底的表面结构的示意图；

图2b-2d示出在附图2a中示出的衬底的表面结构的截面图；

图3以俯视图示出借助于根据本发明的另一实施方式的方法制造的斜面的示意图；

图3a以横截面视图示出借助本发明的另一实施方式的方法制造的斜面的示意图；

图4示出借助于根据本发明的另一实施方式的方法制造的晶片的示图。

只要没有另作说明，在附图中相同的和功能相同的元件、特征和组件分别设有相同的附图标记。可以理解，出于简明易懂的原因，在附图中不一定按照比例反映组件和元件。

具体实施方式

在图1a-1f中示意性地示出了根据本发明的一种实施方式的方法过程。

图1a示出衬底11，其具有第一主表面12和第二主表面13，所述第二主表面13与所述第一主表面12彼此对置地设置。衬底11具有厚度14。在衬底11中，在第一主表面12一侧开设第一凹槽102以及在第二主表面13一侧开设第二凹槽103。在此，凹槽102、103可以(在此示例性示出地)具有矩形的横截面，其中，其他任意横截面形状同样是可能的。

衬底11可以例如由硅制成或者含有硅。然而，对于衬底11也可以使用其他任意衬底材料。例如可以在平面技术中通过沟槽蚀刻或者借助氢氧化钾(KOH)的蚀刻开设凹槽102、103。在此得到方形的凹槽102、103。

第二主表面13上的第二个凹槽103的区域在其横截面的横向延展方面相对于第一凹槽102的区域横向错开。换句话说，衬底11中的方形凹槽103中的侧边相对于衬底11中的方形凹槽102的侧边横向错开。但在此也可以规定，第二凹槽103的区域具有与第一凹槽102的区域相同的形状和尺寸，例如边长分别相同的矩形形状。

附图1b示出在构造凹槽102和103之后的衬底11。在此，已经在衬底11中构造了直至深度104的第一凹槽102以及在衬底11中构造了直至深度105的第二凹槽103。在此，例如可以通过蚀刻工艺的持续时间来控制深度104和105。在此规定，深度104和105的深度延伸(Tiefenerstreckung)的总和大于或等于衬底的厚度14，由此确保了凹槽102和103的底部在衬底11的中间彼此相碰并且在此在凹槽102和103的区域中产生穿透衬底的穿孔。

附图1c示出在继续蚀刻凹槽102和103之后的衬底11。在衬底11中构造穿孔之后，可以继续蚀刻凹槽102和103，从而可以构造衬底凸起107和108。通过构造从衬底11的第一主表面12直至小于衬底11的厚度14的深度104的第一凹槽102产生第一衬底凸起107。第一衬底凸起107的厚度等于厚度14减去深度104。通过构造从衬底11的第二主表面12直至小于衬底11的厚度14的深度105的第二凹槽103产生第二衬底凸起108。第二衬底凸起108的厚度等于厚度14减去深度105，并且第二衬底凸起108在对角线方向上越过穿孔的延伸和两个凹槽102和103的横截面的重叠区域的延伸与第一衬底凸起107相互对置。

附图1d示出在根据本发明的一种实施方式的另一方法步骤之后的衬底11。在第一凹槽102上方在第一主表面12上施加第一柔性膜片元件118以及在第二凹槽102上方在第二主表面12上施加第二柔性膜片元件117。柔性膜片元件117、118例如可以是塑料薄膜。但对于柔性膜片元件117、118也可以使用硅硼酸盐玻璃，例如Pyrex或者Borofloat33。当然，原则上其他任意材料均适于构造柔性膜片元件117、118。柔性膜片元件117、118的厚度优选约为10～200μm，尤其是例如在使用硅硼酸盐玻璃MEMPAX时约为30μm，或者在使用其他可商业获得的硅硼酸盐玻璃时为100μm。

柔性膜片元件117、118分别具有比凹槽102和103的第一和第二区域更大的表面。尤其是，柔性膜片元件117、118如此施加在衬底11的主表面12、13上，使得虚线表示的穿过衬底11的通孔区域完全覆盖，并且使得衬底11的主表面12、13上在凹槽102、103的第一和第二区域之外的区域117a、118a同样由柔性膜片元件117、118覆盖。这些区域117a、118a作为柔性膜片元件的支撑区域。

通过在主表面12、13上施加柔性膜片元件117、118得到空隙109，所述空隙109在横向上由凹槽102、103的侧边限界并且沿着衬底11的厚度14由柔性膜片元件117、118限界。所述空隙109相对于外部空间是封闭的，尤其在此可以规定，空隙109相对于外部空间是严密地封闭的。这可以通过在衬底11上例如通过粘接、钎焊、阳极键合等等相应地施加柔性膜片元件117、118来确保。可以有利地规定，柔性膜片元件117、118在区域117a、118a中固定地安置在衬底11上。区域117a、118a尤其可以沿着主表面12、13与凹槽102、103的侧边具有一间距，使得柔性膜片元件117、118具有位于凹槽102、103上方的面，所述面大于凹槽102、103的面并且没有与衬底11刚性连接。

这样有利于膜片在随后的方法步骤中的横向延展，这在附图1e和1f中进一步进行阐述。

例如可以在真空环境下施加柔性膜片元件117、118，从而在空隙109内通过严密地密封形成一个真空空间。但也可以在常压下将柔性膜片元件117、118施加在衬底11上。

如在图1e中示出的那样，空隙109中的压强为pi。如果现在在外部空间与空隙109之间建立压差，则柔性膜片元件117、118由于在区域110或111中产生的压力开始变形。如果外部空间中的压强例如是pa而内部空间中的压强是pi且pa＞pi，则产生在图1e中通过箭头表示的压力。然后柔性膜片元件117、118的区域110和111被从相应主表面12或13的一侧压入到空隙109中，从而形成膜片元件117、118的拱起

拱起的形状和尺寸根据膜片元件材料、膜片元件117、118的厚度和尺寸、空隙109的尺寸、压差pa-pi、环境温度以及拱起过程的持续时间。在外部参数合适的情况下，柔性膜片元件117、118如此程度地拱起，使得柔性膜片元件117、118在区域110或111中接触。在此，柔性膜片元件117、118在区域110、111中经历横向延展。通过将膜片元件117、118安置在沿着衬底11的主表面12、13与空隙109的侧边间隔开的区域117a、118a中，有利地在空隙的侧边的区域中形成柔性膜片元件117、118的一些没有通过粘接、熔焊连接、钎焊连接或者类似连接与衬底11刚性连接的部分。这些部分可以有利于柔性元件117、118在区域110、111中的横向延展。

如在图1f中进一步示出的那样，在图1e中的拱起过程结束之后，在空隙109内在虚线内得到一个区域113，在所述区域113内柔性膜片元件117、118以其朝向衬底11的表面完全接触。接触区域113的构造取决于空隙的几何形状。在当前示例中，衬底凸起107、108用作通过彼此接触的柔性膜片元件117、118展开的面112的锚定点。

在当前示例中，面112的延伸方向115与第二(或第一)主表面13(或12)的延伸方向114形成角116，所述角116相应于斜面112的倾斜角。在此显而易见的是，在图1f中示出的构型仅仅是空隙109内的斜面112的构型的示例。可以通过凹槽102、103的第一和第二区域在衬底11的主表面12、13上的横向错位结合凹槽102、103的尺寸——即边长、蚀刻深度等等来可变地调节斜面的倾斜度。

图1f中的斜面112由于柔性膜片元件117、118中的机械应力是特别光滑和平整的。在使用玻璃元件作为膜片元件117或118来构造面112的方法中，在此可以将衬底11与柔性膜片元件117、118加热到合适高的温度上，以便能够使玻璃流动。在此可以规定，柔性膜片元件117、118在冷却时保持其形状。但也可以规定，将柔性膜片元件117、118在其表面接触的区域113中彼此粘接、熔焊或钎焊在一起，或者在空隙109的侧边的区域中与衬底11粘接、熔焊或钎焊在一起，尤其当空隙109内具有常压并且为了构造面112从外部施加了高压的时候。当外部压强松弛(Relaxation)时外部压强与空隙109中的内部压强之间的压差重新下降，如果柔性膜片元件117、118没有相应地接合，则它们可能重新松弛回到其原来的位置中。

图2a以俯视图示出衬底11，在所述衬底11中已从上主表面开设了凹槽202。凹槽202的形状在此例如是矩形。从背向观察平面的主表面起在衬底11中开设了凹槽203，其形状例如具有平行四边形的形状，如通过图2a中的虚线示出的那样。凹槽202在此可以相对于凹槽203如此错开，使得沿着剖切线A-A′在x方向上出现大的错位，沿着剖切线B-B′在x方向上不出现错位，并且沿着剖切线C-C′在负x方向上出现大的错位。通过所述方式沿着凹槽202的侧边在y方向上产生在x方向上线性增大的错位。因此在使用在图1a-1f中阐述的方法在凹槽202、203内构造斜面时沿着图2a中的y方向产生波浪形的表面。

这通过衬底凸起207和208沿着y方向的变化说明，如参考图2b-2d详细阐述的那样。图2b示出衬底11在剖切线A-A′处的横截面视图，图2c示出衬底11在剖切线B-B′处的横截面视图，图2d示出衬底11在剖切线C-C′处的横截面视图。在图2b中，衬底11的底侧上的第一个衬底凸起207在x方向上与衬底11顶侧上的第二个衬底凸起208相互对置。这些衬底凸起207、208在x方向上的长度在朝着剖切线B-B′的方向上一直减小，直至如在图2c中示出的那样在剖切线B-B′处不再存在衬底凸起207至208。相反，衬底凸起207、208的长度在朝着剖切线C-C′的方向上重新增大，但是在衬底11的分别另一主表面上。如在图2d中示出的那样，在剖切线C-C′处衬底11的顶侧上的第一个衬底凸起207在x方向上与衬底11的底侧上的第二个衬底凸起208相互对置。

对于本领域技术人员而言显而易见，除了在图1a-1f和2a中示出的构型之外，衬底中的凹槽也可以具有多种几何尺寸，以便实施根据本发明的方法，以及实现衬底中的凹槽内的多个斜面和/或者曲面。在图3中为此示出了可以施加在衬底11中的凹槽中的斜面的表面结构的其他可能性。

附图标记31表示如图在图1f中示出的那样的斜面。附图标记32表示圆形凹槽内的倾斜度恒定的斜面。附图标记33表示三角形凹槽内的倾斜度恒定的斜面。附图标记34表示半圆形凹槽内的径向弯曲面。附图标记35表示矩形凹槽内的具有两个倾斜度相反的斜面区域的曲面。附图标记36表示圆形凹槽内的具有两个倾斜度相反的斜面区域的曲面。附图标记37表示圆形凹槽内的径向弯曲面。附图标记38表示三角形凹槽内的具有三个斜面区域的曲面。

在图3a中示例性地示出了一种装置的构型，所述装置具有衬底11以及根据图3中具有附图标记35、36或37的实施方式中的一种实施方式的斜面112和312。衬底11在此可以相当于图1a或者2a中的衬底11。在此可以按照根据图1a-1f的方法制造第一和第二凹槽102、103。此外，也可以在衬底11中以镜像方式并且相对于第一和第二凹槽102、103横向错开地构造第三和第四凹槽302和303。在此优选地可以在相同的工序中与第一和第二凹槽102、103的制造类似地制造第三和第四凹槽302和303。

此外设有柔性膜片元件307、308，其可以具有与图1d-1f中的柔性膜片元件117、118类似的特性。在此，如此确定柔性膜片元件307、308的尺寸，使得其不仅完全覆盖第一和第二凹槽102、103而且也完全覆盖第三和第四凹槽302和303。通过在通过柔性膜片元件307、308严密地密封的第一和第二凹槽102、103和第三和第四凹槽302和303中建立低压，可以与参考图1e-1f描述的类似地构造斜面112和312。

图4示出借助于本发明的另一实施方式的方法制造的晶片的示图。具有斜面112的衬底11以主表面13朝向第二个衬底411，所述斜面112可以是以上在图1a-1f、2a-2d、3或3a中提到的斜面中的一个。衬底411在斜面112下方的空出的区域中可以具有微机电元件412，尤其是微镜或者微执行机构。在衬底11和衬底411之间可以施加间距保持单元420，尤其是间距保持晶片420，以便在两个衬底11和411之间形成一个距离。在此可以如此选择间距保持单元420的厚度，使得斜面112不妨碍微机械元件412的运动。

斜面112在此尤其可以由硼硅酸盐玻璃构成，并且衬底11在此尤其可以包括硅。斜面112在这种情形中可以用作微镜412上方的光学窗口，用于使散射辐射和反射辐射远离微镜或投影图像。此外斜面112还可以用作微镜412的保护遮盖物。

Claims (9)

1.用于在衬底(11)中制造斜面(112)的方法，所述方法包括：

提供一衬底(11)，所述衬底具有第一主表面(12)、第二主表面(13)和厚度(14)，所述第二主表面与所述第一主表面(12)相互对置；

在所述衬底(11)中在所述第一主表面(12)上在第一面积区域中构造第一凹槽(102)直至第一深度(104)；

在所述衬底(11)中在所述第二主表面(13)的第二面积区域中构造第二凹槽(103)直至第二深度(105)，其中，所述第二面积在横向上相对于所述第一面积偏移，其中，所述第一深度(104)和所述第二深度(105)的总和大于所述衬底(11)的所述厚度(14)；

在所述第一主表面(12)上在所述第一凹槽(102)的上方施加第一柔性膜片(117)；

在所述第二主表面(13)上在所述第二凹槽(103)的上方施加第二柔性膜片(118)；

在所述第一凹槽和所述第二凹槽(102；103)内建立低压，直至所述第一柔性膜片(117)和所述第二柔性膜片(118)以其分别朝向所述衬底(11)的表面彼此接触。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

在所述衬底(11)中在所述第一主表面(12)上在第三面积区域中构造第三凹槽(302)直至第三深度；

在所述衬底(11)中在所述第二主表面(13)的第四面积区域中构造第四凹槽(303)直至第四深度，其中，所述第四面积在横向上相对于所述第三面积偏移，其中，所述第三深度和所述第四深度的总和大于所述衬底(11)的所述厚度；

在所述第一主表面(12)上在所述第一凹槽和所述第三凹槽(102；302)的上方施加第一柔性膜片(307)；

在所述第二主表面(13)上在所述第二凹槽和所述第四凹槽(103；303)的上方施加第二柔性膜片(308)；

在所述第三凹槽和所述第四凹槽(302；303)内建立低压。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述柔性膜片(117；118)包括塑料薄膜。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述柔性膜片(117；118)包括由玻璃、陶瓷、金属或者半导体材料制成的晶片。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在真空中将所述柔性膜片(117；118)施加到所述衬底(11)的主表面(12；13)上。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，将彼此接触的膜片(117；118)在接触区域(112)中粘接、熔焊或者钎焊在一起或者在所述凹槽(102，103)的侧边的区域中与所述衬底(11)粘接、熔焊或者钎焊在一起。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述主表面(12；13)上的所述第一柔性膜片和所述第二柔性膜片(117；118)在沿着所述主表面(12；13)与所述第一凹槽和所述第二凹槽(102；103)的侧边间隔开的连接区域(117a；118a)中与所述衬底(11)粘接、熔焊或者钎焊在一起。

8.用于遮盖微机械元件的晶片，所述晶片包括：

衬底(11)，所述衬底具有第一主表面(12)、第二主表面(13)和厚度(14)，所述第二主表面与所述第一主表面(12)相互对置，其中，所述衬底具有延伸穿过所述衬底(11)的所述厚度(14)的空隙(109)，所述空隙具有第一横向限界边和第二横向限界边，所述第二横向限界边与所述第一横向限界边相互对置；

第一衬底凸起(108)，所述第一衬底凸起在所述第一主表面(12)的高度从所述第一横向限界边起伸到所述空隙(109)中；

第二衬底凸起(107)，所述第二衬底凸起在所述第二主表面(13)的高度从所述第二横向限界边起伸到所述空隙(109)中；以及

膜片元件(117；118)，所述膜片元件从所述第一衬底凸起(108)延伸到所述第二衬底凸起(107)以及在所述空隙(109)的区域中定义一表面(112)，所述表面与所述第一主表面(12)成一角度(112)。

9.根据权利要求8所述的晶片，其中，所述衬底(11)包括硅衬底，并且所述膜片元件(117；118)包括光学透明的玻璃、陶瓷材料、金属或者塑料材料。

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