CN107968070A - 制造半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造半导体器件的方法。该方法包括：在半导体衬底的台面部中形成半导体元件，其中半导体元件是晶体管，二极管，场效应管，IGBT，逻辑电路，激励电路，处理器电路和存储电路中之一；在半导体衬底的工作表面中形成腔体；使得半导体衬底接触玻璃片，玻璃片由玻璃材料制成并且具有突出物，其中，玻璃片和半导体衬底设置成使得所述突出物延伸进入所述腔体；和将玻璃片结合到所述半导体衬底。在玻璃片上，能够形成突出物和腔体，其倾斜角小于80度，具有不同倾斜角，不同深度和10微米或更宽的宽度。

Description

制造半导体器件的方法
本申请是2013年3月7日提交的申请号为201310073477.8、名称为“玻璃片及其制造方法、制造含玻璃片的半导体器件的方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及玻璃片和制造玻璃片的方法及制造微型射流系统的方法、制造集成光学装置的方法、制造具有玻璃片的半导体器件的方法。
背景技术
例如，玻璃压缩模制使用适当塑模形成诸如透镜的光学部件。干蚀刻、湿蚀刻、机械加工过程或者激光烧蚀用于在玻璃衬底中形成腔体。
需要提供形成具有图案表面的玻璃片的新方法。
发明内容
根据制造玻璃片的方法的实施例，基于玻璃的源材料设置成与塑模衬底(moldsubstrate)的工作表面接触。该塑模衬底由单晶材料制成。在塑模衬底的工作表面中形成腔体。该源材料和塑模衬底压在彼此上。控制源材料的温度和源材料上施加的压力，使得流体化源材料流入塑模衬底中的腔体中。
根据制造玻璃片的另一个方法，基于玻璃的源材料设置成与由单晶材料制成的塑模衬底的工作表面接触。该工作表面具备至少一个突出物。该源材料和塑模衬底压在彼此上，其中，控制源材料的温度和在源材料上施加的力，使得流体化源材料包裹该突出物。
根据玻璃片的实施例，玻璃片包括这样的图案表面，在其上形成至少一个腔体，该腔体相对于图案表面具有小于80度的倾斜角。
本领域技术人员根据阅读下列详细说明和依据参照附图，会认识到额外特点和优点。
附图说明
包括附图，提供本发明的进一步理解，并且附图并入并构成该说明书的一部分。附图示出本发明的实施例，并且与该说明书一起用来解释本发明的原理。因为通过参考下列详细说明本发明的其他实施例和预计的优点变得更加理解，所以会容易理解它们。附图的元件不必须相互之间按比例。类似的附图标记指示相应的类似部分。
图1A是包括塑模衬底、基于玻璃的源材料和用于在源材料上施加力的板的布置的示意性横截面示图，其用于示出根据使用塑模衬底的实施例的玻璃片的制造，其中，腔体具有90度的倾斜角。
图1B是在流体化源材料已经填充矩形腔体之后的图1A的布置的横截面示图。
图1C是在去除板和塑模衬底之后的从图1B的过程产生的玻璃片的横截面示图。
图2A是包括塑模衬底、基于玻璃的源材料和用于在源材料上施加力的板的布置的示意性横截面示图，其用于示出根据使用塑模衬底的实施例的玻璃片的制造，其中，腔体具有不同的尺寸和倾斜角。
图2B是在流体化源材料已经填充腔体之后的图2A的布置的横截面示图。
图2C是在去除板和塑模衬底之后的从图2B的过程产生的玻璃片的横截面示图。
图3A示出从根据实施例的制造玻璃片的方法产生的玻璃片的平面图的图像视图。
图3B是根据进一步实施例的布置的抛光横截面图像，其中，玻璃片结合到单晶硅塑模衬底。
图3C示出从根据进一步实施例的制造玻璃片的方法产生的玻璃片的扫描电子显微镜图像。
图4A是根据进一步实施例的光学集成装置的部分的示意性透视图。
图4B是根据实施例的微型射流装置的示意性平面图。
图5A示出根据另一个实施例的预图案化玻璃片和半导体衬底的示意性横截面示图，以示出关于半导体器件的制造的实施例的细节。
图5B是在粘结结合之后的图5A的玻璃片和半导体衬底的简化横截面示图。
图6是根据实施例的制造玻璃片的方法的简化流程图。
具体实施方式
在后面的详细说明中，参考形成说明书一部分的附图，并且附图中，以示例方式示出了可实施本发明的具体实施例。应当理解，可以利用其他实施例，并且可以做出结构或逻辑上的变化，而不偏离本发明的保护范围。例如，作为一个实施例的一部分而说明或者示出的特征能够结合其他实施例一起使用，以产生另外的实施例。意图是，本发明包括这些修改和变化。使用专用语言描述该实例，这些实例不应该被看作限制所附权利要求的保护范围。附图没有按比例并且只用于说明性的目的。为了清楚起见，如果没有另外陈述，在不同附图中，相同的元件或者制造过程已经由相同附图标记表示。
图1A示出由单晶材料制成的塑模衬底100，例如，由半导体单晶材料制成。根据实施例，该单晶材料是单晶硅。在塑模衬底100的工作表面101中形成一个或更多腔体102，并且腔体从工作表面101延伸到塑模衬底100中。该腔体102可以通过各向同性蚀刻过程、各向异性蚀刻过程，通过使用激光束的方法或者通过机械加工过程形成。例如，单晶材料的不同晶体表面能够以不同速度蚀刻，使得腔体的倾斜角能够被准确地调节到例如45度。
提供源材料200a，其与塑模衬底100的工作表面101接触。该源材料200a是基于玻璃的。根据实施例，该源材料200a显示出玻璃转变，并且当源材料200a的温度超出玻璃转变温度时其流体化。该源材料200a可以是钠钙玻璃、未掺杂硅石、或者用至少一种掺杂剂掺杂的硅石，该掺杂剂是从包括硼B、钠Na、钙Ca、钾K、和铝Al的组中选择的。其他实施例提供的源材料200a是聚合物，例如，聚降冰片烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、或者苯并环丁烯、或者金属或金属合金。
该源材料200a可以作为粉末提供、作为玻璃粉提供、或者可以包括玻璃团粒(pellet)。根据另一个实施例，该源材料200a是平坦片(flat piece)，例如，盘状物，其平坦的工作表面201设置成与塑模衬底100接触。根据实施例，源材料200a是平玻璃盘状物。
该源材料200a和塑模衬底100压在彼此上。例如，在塑模衬底100的工作表面101上提供源材料200a，并且源材料200a压在工作表面101上。控制源材料200a的温度和源材料200a上施加的压力，使得源材料200a的沿着与塑模衬底100的界面的至少一部分流体化。该源材料可以在按压之前或期间流体化。板900可以设置成将源材料200a朝向塑模衬底100按压。
例如，该源材料200a显示出玻璃转变，并且控制施加在源材料200a上的力905和源材料200a的温度，从而在按压的过程中超出其玻璃转变温度。根据另一个实施例，在源材料200a上施加力905之前，该源材料200a受热升温超过玻璃转变温度。通过施加力905，该流体化的源材料200a流入腔体102，并且可以至少填充塑模衬底100中形成的腔体102的上部。根据实施例，控制按压过程，使得流体化的源材料200a完全地填充腔体102。然后，控制施加在源材料200a上的力905和源材料200a的温度，其方式使得流体化的源材料200a再固化。
图1B示出形成具有完全填充塑模衬底100中的腔体102的突出物202的玻璃片的再固化源材料。根据实施例，在按压或者再固化的过程中，玻璃片200可以原位地结合到塑模衬底100，使得在源材料200a再固化之后，玻璃片200和塑模衬底100形成叠层或者粘结复合体。
该板900可以是单晶材料，例如，单晶半导体材料。根据实施例，该板900是由单晶硅制成。在按压期间或者之后，板900可以被结合到玻璃片200，以形成具有玻璃片200和塑模衬底100的叠层或者粘结复合材料。根据另一个实施例，提供另一按压媒介，代替板900。根据其他实施例，板900由无粘性材料制成，例如，不同于源材料的玻璃材料或者陶瓷。
例如，使用像化学机械抛光(CMP)的抛光方法和干燥或湿润侵蚀法的组合，去除塑模衬底100，其中，侵蚀法去除塑模衬底100的材料，其具有根据玻璃片200的材料的高选择性。同时，激光烧蚀可用于去除塑模衬底100。根据另一个实施例，在使源材料200a接触塑模衬底100的工作表面101之前，塑模衬底100或者源材料200a具备无粘性层。然后，在源材料200a再固化之后，可以以非破坏性方式使得塑模衬底100和玻璃片200彼此分离。
塑模衬底100的至少一个腔体102的宽度可以是10微米或更多并且2毫米或者更少，使得可以形成具有宽度从10微米到2毫米的突出物202的玻璃片200。突出物202的高度可以在同一范围。
图1C示出在去除板900和塑模衬底100之后的玻璃片200。玻璃片200的表面上的不均匀和杂质能够通过机械和/或化学方法去除。该方法提供具有3D图案化表面的玻璃片，并且示出用于制造半导体器件的塑模衬底中的图案没有缩短(shrink)，使得玻璃片提供高机械、化学和温度稳定性、绝缘强度和介电强度。玻璃片200可以在其他过程中用作模板或者形态(form)。
根据另一个实施例，在塑模衬底100的工作表面101中形成一个或更多突出物，并且突出物从工作表面101向外延伸，其中，源材料200s和塑模衬底100压在彼此上，同时，控制源材料200a的温度和在源材料200a上施加的力，使得流体化的源材料包裹突出物。
图2A示出具有形状和尺寸可以不同的多个腔体101、103、105、107的塑模衬底100。例如，塑模衬底100可以由单晶硅构成，其中，使用不同的蚀刻工艺来蚀刻腔体101、103、105、107。例如，可以使用湿蚀刻工艺来蚀刻腔体101、103，其以不同蚀刻速率来蚀刻特定的结晶表面，使得腔体101、103相对于工作表面101具有特定倾斜角。该倾斜角可以是80度或更少，并且可以多于10度，例如，在30度至60度之间。根据实施例，倾斜角大约45度。可以使用对于结晶表面较少选择的蚀刻方式，例如，反应离子蚀刻，来形成其他腔体105、107，使得能够蚀刻具有大于80度的大锥度倾斜角的腔体，例如接近90度。进一步地，通过用辅助层填充腔体105的下区段并且在腔体105的上区段沉积衣领状的掩膜，去除辅助层并进一步控制各向同性蚀刻过程，可以产生瓶子形状的腔体105。
通过针对塑模衬底100的不同区段使用不同的蚀刻方式/侵蚀时间，可以在塑模衬底100中形成不同深度的腔体101、103、105、107。
在板900上施加力905，其中，板900设置成将源材料200a压在塑模衬底100的工作表面101上。控制该力905和源材料200a的温度，使得至少一些源材料200a流体化，并且流体化的源材料200a流入并填充塑模衬底100的腔体101、103、105、107。在填充腔体101、103、105、107之后，源材料200a再固化。
图2B示出再固化的源材料200a，其形成具有由塑模衬底100的腔体101、103、105、107限定的突出物201、203、205、207的玻璃片200。玻璃片200与塑模衬底100原位地粘结，并且如果板900由可粘结材料制成，那么其也可以与板900原位地粘结。相对于玻璃片200的材料，选择性地去除塑模衬底100的单晶硅。
图2C示出得到的玻璃片200。玻璃片200包括图案化表面201，其中，形成至少一个突出物，其相对于图案化表面201具有小于80度的倾斜角，例如，在40和50度之间。根据实施例，该突出物相对于图案化表面201具有45度的倾斜角。因此，该方案可以被应用到塑模衬底100上的突出物。
根据实施例，在工作表面201上，形成至少第一突出物203和第二突出物207，其中，第一和第二突出物203、207的倾斜角彼此相差至少5度。根据另一个实施例，玻璃片200具有第一突出物203和第三突出物201，其中，在工作表面201上的第一和第三突出物203、201的高度差至少是较低一个的高度的20％。该至少一个突出物203的高度可以是10微米或更多。根据实例，该至少一个突出物203的高度是5mm或者更少。该至少一个突出物203的宽度可以是10微米或更多。根据进一步的实施例，除腔体102之外，塑模衬底100也可以包括突出物，使得除突出物202之外，在玻璃片200中也可以形成腔体。该实施例提供了简单和可靠的方法，用于获得图案宽度小于1毫米的3D图案化玻璃表面。
图3A示出从上述方法产生的玻璃片200的显微镜图像。该左侧图像集中在突出物202的基底而右侧上的图像集中在突出物202的顶部边缘。该突出物202是十字形的，其中，十字的分支的宽度在基底处大约是250微米并且在顶部处是大约30微米。突出物的高度是125微米并且倾斜角大约45度。
图3B示出塑模衬底100的横截面视图，其原位结合到玻璃片200，并且其腔体102相对于工作表面101具有大约45度的倾斜角。玻璃片200的再固化玻璃材料完全填充腔体102，并且延伸进入腔体102的玻璃片200的突出物202示出界线分明的侧壁和相应于腔体102的倾斜角。
图3C示出从根据进一步实施例制造玻璃片的方法产生的玻璃片的扫描电子显微镜图像。不同形状的突出物在玻璃片的工作表面上形成3D图案。
图4A涉及关于制造集成光学装置的实施例。塑模衬底的工作表面形成用于玻璃片200的工作表面上的图案的三维模板。通过将基于玻璃的源材料设置在塑模衬底的工作表面上，制造玻璃片200，其中，塑模衬底由单晶材料制成。塑模衬底包括多个腔体。该源材料被压在塑模衬底的工作表面上。按压期间，控制源材料的温度和源材料上施加的压力，从而使至少部分源材料流体化。流体化的源材料流入该腔体。源材料被控制，从而再固化，其中，再固化源材料形成具有突出物202a、202b的玻璃片200。该突出物202a、202b可以形成光波导，并且进一步在玻璃片200的工作表面201上形成光学部件。通过物理汽相沉积，可以在玻璃片200上沉积用于集成光学应用的镜像元件的适合金属。
图4A示出具有玻璃片200的集成光学装置的实例。在玻璃片200的工作表面201上，突出物形成光波导202a和光学滤波器202b。玻璃片200可以设置在载体910上。
图4B涉及关于制造微型射流装置的实施例。基于玻璃的源材料设置在塑模衬底的工作表面上。塑模衬底由单晶材料制成，例如，单晶硅。在工作表面上形成包括突出物和/或腔体的3D图案。该源材料被压在塑模衬底的工作表面上。在按压期间，控制源材料的温度和在源材料上施加的力，使得至少一部分源材料流体化并且流体化的源材料流入腔体并填充该3D图案。流体化的源材料再固化，从而形成具有3D图案的玻璃片200，它是由塑模衬底的工作表面上的3D图案形成的模板的对应部分。玻璃片形成微型射流装置的一部分。可以在玻璃片200的3D图案上提供覆盖衬底，从而由3D图案的凹槽形成通道。该通道适合于传递流体。
图4B示出包括通道202c和储层(reservoir)202d的微型射流装置的顶视图。
图5A涉及制造半导体器件的方法。根据图1A到1C和2A到2C中所述的方法制造玻璃片200。在半导体衬底300的工作表面301中，形成一个或更多腔体302。在腔体302外侧，在半导体衬底300的台面部305中形成半导体元件，例如，二极管、晶体管、场效应晶体管、或者IGBT。使得该半导体衬底300与玻璃片200接触。玻璃片200具有一个或更多突出物202，其形成为与腔体302匹配并适配于腔体302。设置玻璃片200和半导体衬底300，使得突出物202延伸进入腔体302。然后，玻璃片200被结合到半导体衬底300。
根据实施例，在实行结合之前，在半导体衬底300和玻璃片200之间提供粘合剂400a。玻璃片200通过粘合剂材料400a粘着结合到半导体衬底300。该粘合剂材料400a可以是聚合物。根据其他实施例，该粘合剂材料400a是无机材料，例如BPSG(硼-磷-硅玻璃)、玻璃焊剂、金属或者金属合金。该粘合剂材料400a可以应用到半导体衬底300、玻璃片200或者两者。例如，该粘合剂材料400a可以被应用，以覆盖腔体302的底部或者台面部305的顶部，或者两者。
图5B示出由固化粘合剂材料400a形成的粘合层400，其粘着结合玻璃片200和半导体衬底300。根据另一个实施例，通过将玻璃片200压在半导体衬底300上，玻璃片200被原位粘结到半导体衬底300，其中，在按压期间，控制玻璃片200的温度和在玻璃片200上施加的力，从而使玻璃材料流体化。控制力和温度，使得流体化的玻璃材料再固化。在再固化之后，玻璃片200被结合到半导体衬底300，并且突出物202完全填充半导体衬底300中的腔体302。
根据实施例，半导体衬底300形成为，在半导体衬底300的工作表面301中具有腔体302，其中，腔体302的宽度至少10微米或者倾斜角小于80度，例如，相对于半导体衬底300的工作表面301具有45度。例如，该突出物202可以形成用于集成电路的边缘隔离件，例如，电源MOSFET、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、二极管、晶体管、逻辑电路、激励电路、处理器电路或者存储电路。
根据另一个实施例，在半导体衬底300的工作表面301中形成了形成网格的腔体。该腔体沿着切口区域(kerf area)并在其内部延伸，其中，腔体的宽度比切口区域的宽度宽。玻璃片200包括突出物202，其形成网格并且与由腔体302形成的网格相匹配。在沿着切口区域粘结之后，切开或者锯开半导体衬底300，从而从半导体衬底300获得多个半导体晶圆(晶片，die)。每个半导体晶圆都包括从玻璃片生成的玻璃框架。
图6涉及制造玻璃片的方法。基于玻璃的源材料设置成与具有腔体的单晶塑模衬底接触(步骤602)。该源材料被压在塑模衬底上，其中，源材料流体化并且填充腔体(步骤604)。该再固化源材料形成玻璃片，其可以原位结合到塑模衬底。
诸如“在下面”、“下面”、“下部”，“在上面”，“上部”等等的空间相对术语有利于描述，以解释一个元件相对于第二个元件的定位。这些术语用于涵盖除了图中所示的这些以外的定向的装置的不同定向。进一步地，例如“第一”、“第二”等等的术语也用于描述各种元件、区域、区段等等，并且也不是意图限制。贯穿整个说明书，类似的标号(term)涉及类似的元件。
如这里所使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等等开放术语，其指示现有的元件或特征的存在，但不排除额外的元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”意图用于包括复数以及单数，除非文中清楚地另外指示。
应当理解，这里所述的各种实施例的特征可以彼此合并，除非另外具体提出。
尽管这里已经说明并描述具体的实施例，但是本领域技术人员应当理解，许多替代和/或同等的实施过程可以替代所示和所述的具体实施例，而不偏离本发明的保护范围。本申请意图覆盖这里讨论的这些具体实施例的任何改编或者变化。因此，本发明应该仅仅由所附权利要求及其等同物限制。

Claims (7)

1.一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：
在半导体衬底的台面部中形成半导体元件，其中所述半导体元件是晶体管，二极管，场效应管，IGBT，逻辑电路，激励电路，处理器电路和存储电路中之一；
在所述半导体衬底的工作表面中形成腔体；
使得所述半导体衬底接触玻璃片，所述玻璃片由玻璃材料制成并且具有突出物，其中，所述玻璃片和所述半导体衬底设置成使得所述突出物延伸进入所述腔体；和
将所述玻璃片结合到所述半导体衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在结合之前，在所述半导体衬底与所述玻璃片之间提供粘合剂，其中，所述玻璃片通过所述粘合剂材料被粘着结合到所述半导体衬底。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将所述玻璃片按压在所述半导体衬底上，所述玻璃片原位地结合到所述半导体衬底，其中，在按压期间，控制所述玻璃片的温度和在所述玻璃片上施加的力，以使所述玻璃材料流体化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半导体衬底的所述工作表面中的所述腔体的倾斜角在10度至80度之间，并且所述玻璃片包括与倾斜角在10度至80度之间的所述突出物相匹配的突出物。
5.根据权利要求3所述的方法，其中：
所述半导体衬底的所述工作表面中的腔体形成网格，所述腔体沿着切口区域并且在所述切口区域内延伸，其中，所述腔体比所述切口区域宽；
所述玻璃片包括突出物，所述突出物形成网格并且与由所述腔体形成的所述网格相匹配，所述方法进一步包括：
在所述结合之后，将沿着所述切口区域并且位于其中的所述半导体衬底分开，以从所述半导体衬底获得多个半导体晶圆，每个半导体晶圆包括从所述玻璃片的所述突出物产生的玻璃框架。
6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括，在所述结合之后，使得所述半导体衬底从与由所述工作表面限定的正面相反的背面而变薄。
7.根据权利要求1所述的方法，其中形成玻璃片包括：
形成单晶材料制成的塑模衬底，其中在该塑模衬底的工作表面中蚀刻有锐角腔体；
使基于玻璃的源材料接触具有所述锐角腔体的所述工作表面，其中所述源材料为粉末、玻璃粉，包括团粒，或者是具有平坦的工作表面的盘状物；和
将所述源材料和所述塑模衬底压在彼此上，其中如果所述源材料是盘状物，就将该盘状物以所述平坦的工作表面压在所述塑模衬底的工作表面上，其中，控制所述源材料的温度和在所述源材料上施加的力，使得所述源材料流体化并流入所述锐角腔体中，
其中所述锐角腔体的锐角设置在所述工作表面的下面。
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