DE102010062009A1

DE102010062009A1 - Verfahren zum Herstellen von Schrägflächen in einem Substrat und Wafer mit Schrägfläche

Info

Publication number: DE102010062009A1
Application number: DE102010062009A
Authority: DE
Inventors: Stefan Pinter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-11-27
Also published as: US8648433B2; DE102010062009B4; US20120133004A1; CN102530838A; CN102530838B; ITMI20112129A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Schrägflächen in einem Substrat, umfassend ein Ausbilden von Ausnehmungen auf beiden Hauptoberflächen des Substrats jeweils bis zu einer Tiefe, deren Summe größer als die Dicke des Substrats ist, also bis die Ausnehmungen so tief sind, dass das Substrat durch die beiden Ausnehmungen durchdrungen wird. Dabei wird eine Ausnehmung von einer ersten Hauptoberfläche her im Bereich einer ersten Fläche hergestellt und die andere Ausnehmung von der zweiten Hauptoberfläche her im Bereich einer zweiten Fläche, so dass die ersten Fläche und die zweite Fläche entlang einer Flächennormalen der Hauptoberflächen des Substrats nicht deckungsgleich sind. Danach werden auf den Hauptoberflächen jeweils flexible Membranen über den Ausnehmungen aufgebracht. Wenn daraufhin ein Unterdruck innerhalb der Ausnehmungen gegenüber dem Außendruck aufgebaut wird, wölben sich die flexiblen Membranen jeweils in Richtung der Ausnehmungen, bis ihre dem Substrat zugewandten Oberflächen sich im Wesentlichen in der Mitte der Ausnehmungen berühren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Schrägflächen in einem Substrat, insbesondere in der Planartechnik für die Halbleiterprozessierung, sowie einen Wafer mit einer in einem Substrat integrierten Schrägfläche, insbesondere zum Abdecken eines mikromechanischen Elementes.
Stand der Technik
In der Prozessierung von Halbleitern können durch Abscheidung von Schichten und ihrer anschließenden Strukturierung oder durch Ätzprozesse des Bulk-Materials plane Strukturelemente auf bzw. in Substraten hergestellt werden. Diese Technik ist als Planartechnik bekannt.
Ein Aspekt in der Planartechnik betrifft die Herstellung nicht planarer Strukturen, wie beispielsweise schräger oder gekrümmter Flächen. Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur Lösung dieses Problems bekannt.
In der US 5,174,587 wird ein Schrägenätzprozess angegeben, bei dem eine Photoresistschicht unter vorgegebener hoher Temperatur zum Fließen gebracht wird, um schräge Photoresistkanten auszubilden, die dann in einem nachfolgenden Ätzschritt gemeinsam mit dem darunter liegenden Substrat zu schrägen Ebenen geätzt wird.
Aus der US 2005/0257709 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem optische oder diffraktive Elemente auf einem Substrat von einer zu strukturierenden Schicht bedeckt werden und durch eine Maskenschicht ein Bereich der zu strukturierenden Schicht über den optischen Elementen belichtet wird. Die optischen Elemente reflektieren die Belichtung und werfen das Licht unter einem Winkel in weitere Bereich der zu strukturierenden Schicht, so dass schräge belichtete Bereiche ausgebildet werden.
In der US 2002/0135717 A1 werden Verfahren gelehrt, mit Hilfe derer über die Abscheidung organischer Schichten über strukturierten Substratelementen schräge Flächen ausgebildet werden können.
Weiterhin sind lithographische Verfahren bekannt, beispielsweise die Grauton- oder Halbtonlithographie, welche dazu eingesetzt werden kann, verschieden stark strukturierte Bereiche in einem Substrat herzustellen. Die Maskenschichten sind dabei relativ dünn und das Maskenmaterial kann so gewählt werden, dass bei der Ätzung nur ein geringfügiger Abtrag auftritt, beispielsweise über eine hohe Ätzselektivität des Maskenmaterials gegenüber dem zu ätzenden Substrat.
Insbesondere für die Abdeckung von mikroelektromechanischen Systemen mit Mikrospiegeln durch ein Fenster werden häufig schräge Flächen benötigt, um Streulicht und ungewünschte Reflexionen der Lichtquelle von dem Mikrospiegel oder dem projizierten Bild fernzuhalten.
Bisher sind aus den Schriften US 2006/1076539 A1 und US 2007/0024549 A1 Verfahren bekannt, bei denen vorgeformte Abdeckungen mit schrägen Flächen über Mikrospiegelarrays aufgesetzt werden.
Aus der DE 10 2008 012 384 A1 sind Verfahren zur Herstellung eines Glaswafers mit abgeschrägten Flächen bekannt, welches als Abdeckungen für Mikrospiegel dienen können.
Für die Umsetzung eines großserientauglichen Herstellungsverfahrens für schräge und/oder gekrümmte Flächen in einem planartechnischen Umfeld jedoch ist es wünschenswert, effizientere und kostengünstige Verfahren bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Eine grundlegende Idee der vorliegenden in Anspruch 1 definierten Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen von Schrägflächen in einem Substrat anzugeben, mit welchem schräge oder gekrümmte Flächen präzise und in den Abmessungen, wie beispielsweise in Neigung, Höhe oder Krümmung, variabel und flexibel gefertigt werden können. Eine weitere Idee betrifft einen in Anspruch 7 definierten Wafer mit einer in einem Substrat integrierten Schrägfläche, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann, um einen Abdeckwafer für ein mikromechanisches Element bereitzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen von schrägen Flächen in einem Substrat ein Ausbilden von Ausnehmungen auf beiden Hauptoberflächen des Substrats jeweils bis zu einer Tiefe, deren Summe größer als die Dicke des Substrats ist, also bis die Ausnehmungen so tief sind, dass das Substrat durch die beiden Ausnehmungen durchdrungen wird. Dabei wird eine Ausnehmung von einer ersten Hauptoberfläche her im Bereich einer ersten Fläche hergestellt und die andere Ausnehmung von der zweiten Hauptoberfläche her im Bereich einer zweiten Fläche, so dass die ersten Fläche und die zweite Fläche entlang einer Flächennormalen der Hauptoberflächen des Substrats nicht deckungsgleich sind, d. h. dass die beiden Flächen lateral gegeneinander verschoben sind. Auf diese Weise entstehen vorteilhafterweise terrassenartige Substratvorsprünge auf gegenüberliegenden Seiten der Ausnehmungen. Danach werden auf den Hauptoberflächen jeweils flexible Membranen über den Ausnehmungen aufgebracht. Wenn daraufhin ein Unterdruck innerhalb der Ausnehmungen gegenüber dem Außendruck aufgebaut wird, wölben sich die flexiblen Membranen jeweils in Richtung der Ausnehmungen, bis ihre dem Substrat zugewandten Oberflächen sich im Wesentlichen in der Mitte der Ausnehmungen berühren. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass sich durch den Unterdruck die flexiblen Membranen an die Außenkanten des Substrats im Randbereich der Ausnehmungen anschmiegen, insbesondere an die Substratvorsprünge, die für eine sich ausbildende Fläche von den sich berührenden Membranoberflächen Aufspannpunkte innerhalb der Ausnehmungen bilden. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die sich ausbildende Fläche im Bezug auf die Hauptoberflächen des Substrats schräg steht.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass in einfacher Weise die Neigung, Erstreckung und Höhe der schrägen Flächen innerhalb der Ausnehmungen durch die Dimensionierung der in das Substrat eingebrachten Ausnehmungen eingestellt werden kann. Zudem können die Ausnehmungen vorteilhafterweise in Planartechnik hergestellt werden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Schrägflächen mit planartechnischen Prozessen kompatibel ist. Dadurch ist das Verfahren großeserientauglich, effizient und kostengünstig.
Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch, dass eine Vielzahl geometrischer schräger Strukturen ohne wesentliche Änderungen des Herstellungsprozesses ausgebildet werden können, dass für die Schrägflächen viele andere vom Substratmaterial abweichende Materialien eingesetzt werden können und dass sich die Schrägflächen sehr präzise und eben ausbilden lassen.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Unterdruck innerhalb der Ausnehmungen hergestellt, indem die flexiblen Membranen im Vakuum auf das Substrat aufgebracht werden und das Substrat mit den hermetisch abgeschlossenen Ausnehmungen in Normaldruckatmosphäre verbracht werden, so dass bereits fertigungsbedingt ein Unterdruck innerhalb der Ausnehmungen besteht. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass sich die Schrägflächen selbst organisieren und stabilisieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Wafer mit einem Substrat mit einer ersten Hauptoberfläche, einer zweiten der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche und einer Dicke bereitgestellt, wobei das Substrat eine sich durch die Dicke des Substrats erstreckende Aussparung mit einer ersten lateralen Begrenzungskante und einer zweiten lateralen Begrenzungskante gegenüber der ersten lateralen Begrenzungskante aufweist. Dabei umfasst der Wafer einen ersten Substratvorsprung, welcher auf der Höhe der ersten Hauptoberfläche von der ersten lateralen Begrenzungskante aus in die Aussparung hineinragt, und einen zweiten Substratvorsprung, welcher auf der Höhe der zweiten Hauptoberfläche von der zweiten lateralen Begrenzungskante aus in die Aussparung hineinragt. Der erste und zweite Substratvorsprung bilden Aufspannpunkte für ein Membranelement, welches sich von dem ersten Substratvorsprung zum zweiten Substratvorsprung erstreckt und im Bereich der Aussparung eine Oberfläche definiert, welche gegenüber der ersten Hauptoberfläche in einem Winkel, das heißt schräg steht.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Substrat ein Siliziumsubstrat ist und das Membranelement Borsilikat-Glas umfasst, welches im optischen Bereich transparent ist. Dadurch kann erreicht werden, dass der Wafer ein lichtdurchlässiges schräges Fenster aufweist, welches sich zum Abdecken eines mikromechanischen Elementes, insbesondere eines Mikrospiegels eignet, da es störende Streu- und Reflexionsstrahlung effektiv unterbindet.
Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1a–1f schematische Darstellungen eines Verfahrensablaufs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2a ein schematisches Schaubild einer Oberflächenstruktur eines Substrates gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
2b–2d Schnittansichten der in 2a dargestellten Oberflächenstruktur eines Substrates;
3 eine schematische Darstellung von mittels eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellter Schrägflächen in Draufsicht;
3a eine schematische Darstellung einer mittels eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellter Schrägfläche in Querschnittansicht; und
4 ein Schaubild eines mittels eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellten Wafers.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit und Verständlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander wiedergegeben sind.
In den 1a–1f ist ein Verfahrensablauf gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt.
1a zeigt ein Substrat 11 mit einer ersten Hauptoberfläche 12 und einer zweiten, der ersten Hauptoberfläche 12 gegenüberliegend angeordneten Hauptoberfläche 13. Das Substrat 11 besitzt eine Dicke 14. In das Substrat 11 werden auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 12 eine erste Ausnehmung 102 und auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 13 eine zweite Ausnehmung 103 eingebracht. Die Ausnehmungen 102, 103 können dabei, hier beispielhaft gezeigt, eine rechteckige Querschnittsfläche aufweisen, wobei jede andere Querschnittsform jedoch ebenso möglich ist.
Das Substrat 11 kann beispielsweise aus Silizium bestehen oder Silizium enthalten. Für das Substrat 11 kann jedoch auch jedes andere Substratmaterial verwendet werden. Die Ausnehmungen 102, 103 können beispielsweise in Planartechnik über Trenchätzen oder Ätzen mit Kaliumhydroxid (KOH) eingebracht werden. Dabei ergeben sich quaderförmige Ausnehmungen 102, 103.
Der Bereich der zweiten Ausnehmung 103 auf der zweiten Hauptoberfläche 13 ist dabei in Bezug auf die laterale Ausdehnung seiner Querschnittsfläche gegenüber dem Bereich der ersten Ausnehmung 102 lateral versetzt. Mit anderen Worten, die Seitenkanten im der quaderförmigen Ausnehmung 103 im Substrat 11 sind gegenüber den Seitenkanten der quaderförmigen Ausnehmung 102 im Substrat 11 lateral versetzt. Dabei kann jedoch vorgesehen sein, dass der Bereich der zweiten Ausnehmung 103 die gleiche Form und Dimensionierung wie der Bereich der ersten Ausnehmung 102 hat, beispielsweise eine rechteckige Form jeweils gleicher Seitenlängen.
1b zeigt das Substrat 11 nach dem Ausbilden der Ausnehmungen 102 und 103. Dabei ist die erste Ausnehmung 102 bis einer Tiefe 104 in dem Substrat 11 und die zweite Ausnehmung 103 bis zu einer Tiefe 105 in dem Substrat 11 ausgebildet worden. Die Tiefen 104 und 105 können dabei beispielsweise über die Dauer eines Ätzprozesses gesteuert werden. Es ist dabei vorgesehen, dass die Summe der Tiefenerstreckungen der Tiefen 104 und 105 größer oder gleich der Dicke 14 des Substrats ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Böden der Ausnehmungen 102 und 103 in der Mitte des Substrats 11 aufeinanderstoßen und dabei einen Durchbruch durch das Substrat im Bereich der Ausnehmungen 102 und 103 erzeugen.
1c zeigt das Substrat 11 nach einem weiteren Ätzen der Ausnehmungen 102 und 103. Die Ausnehmungen 102 und 103 können nach dem Ausbilden des Durchbruchs in dem Substrat 11 noch weiter geätzt werden, so dass Substratvorsprünge 107 und 108 ausgebildet werden können. Ein erster Substratvorsprung 107 entsteht durch das Ausbilden der ersten Ausnehmung 102 von der ersten Hauptoberfläche 12 des Substrats 11 bis zu einer Tiefe 104, die geringer als die Dicke 14 des Substrats 11 ist. Der erste Substratvorsprung 107 besitzt dann eine Dicke, die der Dicke 14 abzüglich der Tiefe 104 entspricht. Ein zweiter Substratvorsprung 108 entsteht durch das Ausbilden der zweiten Ausnehmung 103 von der zweiten Hauptoberfläche 12 des Substrats 11 bis zu einer Tiefe 105, die geringer als die Dicke 14 des Substrats 11 ist. Der zweite Substratvorsprung 108 besitzt dann eine Dicke, die der Dicke 14 abzüglich der Tiefe 105 entspricht, und dem ersten Substratvorsprung 107 diagonal über die Erstreckung des Durchbruchs und die Erstreckung des überlappenden Bereichs der Querschnittsflächen der beiden Ausnehmungen 102 und 103 hinweg gegenüberliegt.
1d zeigt das Substrat 11 nach einem weiteren Verfahrensschritt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Über der ersten Ausnehmung 102 wird ein erstes flexibles Membranelement 118 auf der ersten Hauptoberfläche 12 aufgebracht, und über der zweiten Ausnehmung 102 wird ein zweites flexibles Membranelement 117 auf der zweiten Hauptoberfläche 12 aufgebracht. Die flexiblen Membranelemente 117, 118 können beispielsweise Kunststofffolien sein. Es ist jedoch auch möglich, für die flexiblen Membranelemente 117, 118 Borsilikat-Gläser, wie zum Beispiel Pyrex oder Borofloat 33 zu verwenden. Es ist selbstverständlich, dass prinzipiell auch jedes andere Material geeignet ist, um die flexiblen Membranelemente 117, 118 auszubilden. Die Dicke der flexiblen Membranelemente 117, 118 beträgt vorzugsweise etwa 10 bis 200 μm, insbesondere etwa 30 μm, wie beispielsweise bei der Borsilikat-Glasfolie MEMPAX, oder 100 μm bei anderen kommerziell erhältlichen Borsilikat-Gläsern.
Die flexiblen Membranelemente 117, 118 weisen jeweils eine Oberfläche auf, die größer als die ersten und zweiten Bereiche der Ausnehmungen 102 und 103 ist. Insbesondere sind die flexiblen Membranelemente 117, 118 derart auf den Hauptoberflächen 12, 13 des Substrats 11 aufgebracht, dass ein gestrichelter angedeuteter Durchgangsbereich durch das Substrat 11 komplett überdeckt ist und dass Bereiche 117a, 118a auf den Hauptoberflächen 12, 13 des Substrats 11 außerhalb der ersten und zweiten Bereiche der Ausnehmungen 102, 103 ebenfalls von den flexiblen Membranelementen 117, 118 überdeckt sind. Diese Bereiche 117a, 118a dienen als Stützbereiche für die flexiblen Membranelemente.
Durch das Aufbringen der flexiblen Membranelemente 117, 118 auf die Hauptoberflächen 12, 13 wird eine Aussparung 109 geschaffen, die lateral von den Seitenkanten der Ausnehmungen 102, 103 und entlang der Dicke 14 des Substrats 11 von den flexiblen Membranelementen 117, 118 begrenzt wird. Diese Aussparung 109 ist gegenüber dem Außenraum abgeschlossen, insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Aussparung 109 gegenüber dem Außenraum hermetisch abgeschlossen ist. Dies kann durch entsprechende Anbringung der flexiblen Membranelemente 117, 118 auf dem Substrat 11 beispielsweise durch Kleben, Löten, anodisches Bonden oder dergleichen gewährleistet werden. Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die flexiblen Membranelemente 117, 118 in den Bereichen 117a, 118a auf dem Substrat 11 fest angebracht sind. Insbesondere können die Bereiche 117a, 118a entlang der Hauptoberflächen 12, 13 einen Abstand zu den Seitenkanten der Ausnehmungen 102, 103 aufweisen, so dass die flexiblen Membranelemente 117, 118 eine über den Ausnehmungen 102, 103 liegende Fläche aufweisen, welche größer als die Fläche der Ausnehmungen 102, 103 ist und welche nicht starr mit dem Substrat 11 verbunden ist.
Dies erleichtert die laterale Ausdehnung der Membran in den nachfolgenden Verfahrensschritten, welche in 1e und 1f weiter unten erläutert werden.
Das Aufbringen der flexiblen Membranelemente 117, 118 kann beispielsweise unter Vakuumatmosphäre geschehen, so dass innerhalb der Aussparung 109 durch die hermetische Versiegelung ein evakuierter Raum entsteht. Es kann jedoch auch möglich sein, die flexiblen Membranelemente 117, 118 unter Normaldruck auf dem Substrat 11 aufzubringen.
Wie in 1e gezeigt, herrscht in der Aussparung 109 ein Druck p_i. Legt man nun eine Druckdifferenz zwischen dem Außenraum und der Aussparung 109 an, so beginnen sich die flexiblen Membranelemente 117, 118 aufgrund der entstehenden Druckkraft in den Bereichen 110 bzw. 111 zu verformen. Beträgt der Druck im Außenraum beispielsweise p_a und der Druck im Innenraum p_i, und gilt weiterhin p_a > p_i, so entstehen Druckkräfte, die in 1e durch die Pfeile angedeutet werden. Die Bereiche 110 und 111 der flexiblen Membranelemente 117, 118 werden demnach von der Seite der jeweiligen Hauptoberfläche 12 bzw. 13 in die Aussparung 109 hineingedrückt, so dass Auswölbungen der flexiblen Membranelemente 117, 118 entstehen. Form und Ausmaß der Auswölbung bestimmen sich dabei in Abhängigkeit vom Membranelementmaterial, Dicke und Dimension der Membranelemente 117, 118, Dimensionen der Aussparung 109, Druckdifferenz p_a – p_i, Umgebungstemperatur und Dauer des Wölbungsprozesses. Bei geeigneten äußeren Parametern erfolgt die Wölbung der flexiblen Membranelemente 117, 118 so weit, dass sich die flexiblen Membranelemente 117, 118 in den Bereichen 110 bzw. 111 berühren. Dabei erfahren die flexiblen Membranelemente 117, 118 in den Bereichen 110, 111 eine laterale Ausdehnung. Durch die Anbringung der Membranelemente 117, 118 in Bereichen 117a, 118a, welche von den Seitenkanten der Aussparung 109 entlang der Hauptoberflächen 12, 13 des Substrats 11 beabstandet sind, entstehen im Bereich der Seitenkanten der Aussparung vorteilhafterweise Teile der flexiblen Membranelemente 117, 118, welche nicht starr mit dem Substrat 11 durch eine Klebe-, Schweiß-, Lot- oder ähnliche Verbindung verbunden sind. Diese Teile können die laterale Ausdehnung der flexiblen Membranelemente 117, 118 in den Bereichen 110, 111 erleichtern.
Wie in 1f weiter gezeigt, ergibt sich nach Abschluss des Wölbungsprozesses in 1e ein Bereich 113 innerhalb der gestrichelten Linien innerhalb der Aussparung 109, innerhalb dessen sich die flexiblen Membranelemente 117, 118 vollständig mit ihren dem Substrat 11 zugewandten Oberflächen berühren. Die Ausbildung des Berührungsbereiches 113 hängt unter anderem von der Geometrie der Aussparung ab. Im vorliegenden Beispiel dienen die Substratvorsprünge 107, 108 als Ankerpunkte für die Fläche 112, die durch die sich berührenden flexiblen Membranelemente 117, 118 aufgespannt wird.
Im vorliegenden Beispiel bildet der Erstreckungsrichtung 115 der Fläche 112 mit der Erstreckungsrichtung 114 der zweiten (bzw. ersten) Hauptoberfläche 13 (bzw. 12) eine Winkel 116, der dem Neigungswinkel der schrägen Fläche 112 entspricht. Es ist dabei selbstverständlich, dass die in 1f gezeigte Ausgestaltung nur beispielhaft für die Ausgestaltung einer schrägen Fläche 112 innerhalb der Aussparung 109 ist. Die Neigung einer schrägen Fläche kann durch den lateralen Versatz der ersten und zweiten Bereiche der Ausnehmungen 102, 103 auf den Hauptoberflächen 12, 13 des Substrats 11 in Kombination mit den Ausmaßen, also Seitenlänge, Ätztiefe und dergleichen, der Ausnehmungen 102, 103 variabel eingestellt werden.
Die schräge Fläche 112 in 1f ist aufgrund der mechanischen Spannungen in den flexiblen Membranelementen 117, 118 äußerst glatt und eben. In dem Verfahren mit einem Glaselement als Membranelement 117 oder 118 zur Ausbildung der Fläche 112 kann dabei das Substrat 11 mit den flexiblen Membranelementen 117, 118 auf eine geeignet hohe Temperatur gebracht werden, um ein Fließen des Glases zu ermöglichen. Es kann dabei vorgesehen sein, dass bei einem Abkühlen die flexiblen Membranelemente 117, 118 ihre Form beibehalten. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die flexiblen Membranelemente 117, 118 im Bereich 113 ihrer Oberflächenberührung miteinander oder im Bereich der Seitenkanten der Aussparung 109 mit dem Substrat 11 verklebt, verschweißt oder verlötet werden, insbesondere dann, wenn innerhalb der Aussparung 109 Normaldruck herrscht und zur Ausbildung der Fläche 112 von außen ein hoher Druck angelegt worden ist. Bei Relaxation dieses äußeren Druckes fällt die Druckdifferenz zwischen dem Außendruck und dem Innendruck in der Aussparung 109 wieder ab, und die flexiblen Membranelemente 117, 118 könnten wieder in ihre ursprüngliche Position zurück relaxieren, wenn sie nicht entsprechend gefügt worden sind.
2a zeigt ein Substrat 11 in Draufsicht, in welches von der oberen Hauptoberfläche eine Ausnehmung 202 eingebracht worden ist. Die Form der Ausnehmung 202 ist dabei beispielsweise rechteckig Von der der Betrachtungsebene abgewandten Hauptoberfläche aus ist eine Ausnehmung 203 in das Substrat 11 eingebracht worden, deren Form beispielsweise die Form eines Parallelogramms hat, wie durch die gestrichelte Linie in 2a angedeutet ist. Die Ausnehmung 202 kann dabei gegenüber der Ausnehmung 203 derart versetzt sein, dass entlang einer Schnittlinie A-A' ein hoher Versatz in x-Richtung auftritt, entlang einer Schnittlinie B-B' kein Versatz in x-Richtung auftritt, und entlang einer Schnittlinie C-C' ein hoher Versatz in negativer x-Richtung auftritt. Auf diese Weise ergibt sich entlang der Seitenkante der Ausnehmung 202 in y-Richtung ein linear ansteigender Versatz in x-Richtung. Damit ergibt sich bei Anwendung des in 1a–1f erläuterten Verfahrens zur Ausbildung einer schrägen Fläche innerhalb der Ausnehmungen 202, 203 eine wellenartige Oberfläche entlang der y-Richtung in 2a.
Dies erklärt sich durch den Verlauf der Substratvorsprünge 207 und 208 entlang der y-Richtung, wie in Bezug auf die 2b–2d näher erläutert wird. 2b zeigt eine Querschnittsansicht durch das Substrat 11 bei der Schnittlinie A-A', 2c zeigt eine Querschnittsansicht durch das Substrat 11 bei der Schnittlinie B-B', und 2d zeigt eine Querschnittsansicht durch das Substrat 11 bei der Schnittlinie C-C'. In 2b liegt ein erster Substratvorsprung 207 an der Unterseite des Substrats 11 in x-Richtung gegenüber einem zweiten Substratvorsprung 208 an der Oberseite des Substrats 11. Die Länge dieser Substratvorsprünge 207, 208 in x-Richtung nimmt in Richtung der Schnittlinie B-B' immer weiter ab, bis wie in 2c gezeigt an der Schnittlinie B-B' keine Substratvorsprünge 207 bis 208 mehr vorhanden sind. Umgekehrt jedoch wächst in Richtung der Schnittlinie C-C' die Länge der Substratvorsprünge 207, 208 wieder an, allerdings an der jeweils anderen Hauptoberfläche des Substrats 11. Wie in 2d gezeigt, findet sich bei der Schnittlinie C-C' ein erster Substratvorsprung 207 an der Oberseite des Substrats 11 in x-Richtung gegenüber einem zweiten Substratvorsprung 208 an der Unterseite des Substrats 11.
Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass neben den gezeigten Ausgestaltungen in 1a–1f und 2a eine Vielzahl von geometrischen Bemaßungen von Ausnehmungen in einem Substrat möglich ist, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen und zu einer Vielzahl von schrägen und/oder gekrümmten Flächen innerhalb einer Aussparung in einem Substrat zu gelangen. In 3 sind hierzu weitere Möglichkeiten für Oberflächenstrukturen von Schrägflächen gezeigt, die in einer Aussparung in einem Substrat 11 eingebracht werden können.
Bezugszeichen 31 bezeichnet eine schräge Fläche wie in 1f dargestellt. Bezugszeichen 32 bezeichnet eine schräge Fläche konstanter Neigung innerhalb einer kreisförmigen Aussparung. Bezugszeichen 33 bezeichnet eine schräge Fläche konstanter Neigung innerhalb einer dreiecksförmigen Aussparung. Bezugszeichen 34 bezeichnet eine radial gekrümmte Fläche innerhalb einer halbkreisförmigen Aussparung. Bezugszeichen 35 bezeichnet eine gekrümmte Fläche mit zwei Schrägflächenbereichen entgegengesetzter Neigung innerhalb rechteckiger Aussparungen. Bezugszeichen 36 bezeichnet eine gekrümmte Fläche mit zwei Schrägflächenbereichen entgegengesetzter Neigung innerhalb kreisförmiger Aussparungen. Bezugszeichen 37 bezeichnet eine radial gekrümmte Fläche innerhalb einer kreisförmigen Aussparung. Bezugszeichen 38 bezeichnet eine gekrümmte Fläche mit drei Schrägflächenbereichen innerhalb einer dreiecksförmigen Aussparung.
In 3a ist eine Ausgestaltung einer Vorrichtung mit einem Substrat 11 und Schrägflächen 112 und 312 gemäß einer der Ausführungsformen mit den Bezugszeichen 35, 36 oder 37 in 3 beispielhaft gezeigt. Das Substrat 11 kann hierbei dem Substrat 11 in 1a oder 2a entsprechen. Die ersten und zweiten Ausnehmungen 102, 103 können dabei gemäß dem Verfahren nach den 1a–1f hergestellt werden. Daneben werden jedoch in spiegelbildlicher Weise und lateral gegenüber den ersten und zweiten Ausnehmungen 102, 103 versetzt dritte und vierte Ausnehmungen 302 und 303 in dem Substrat 11 ausgebildet werden. Die Herstellung der dritten und vierten Ausnehmungen 302 und 303 kann dabei vorzugsweise ähnlich der Herstellung der ersten und zweiten Ausnehmungen 102, 103 in einem gleichen Arbeitsgang durchgeführt werden.
Weiterhin sind flexible Membranelemente 307, 308 vorgesehen, welche ähnliche Eigenschaften wie die flexiblen Membranelementen 117, 118 in 1d–1f aufweisen können. Dabei sind die flexiblen Membranelemente 307, 308 jedoch derart dimensioniert, dass sie sowohl die ersten und zweiten Ausnehmungen 102, 103 als auch die dritten und vierten Ausnehmungen 302 und 303 komplett überdecken. Durch Herstellen eines Unterdrucks in den durch die flexiblen Membranelemente 307, 308 hermetisch versiegelten ersten und zweiten Ausnehmungen 102, 103 und dritten und vierten Ausnehmungen 302 und 303 können die Schrägflächen 112 und 312 ähnlich wie in Bezug auf 1e–1f beschrieben ausgebildet werden.
4 zeigt ein Schaubild eines mittels eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellten Wafers. Ein Substrat 11 mit einer Schrägfläche 112, welches eine der vorstehend bezeichneten Schrägflächen in 1a–1f, 2a–2d, 3 oder 3a sein kann wird mit einer Hauptoberfläche 13 einem zweiten Substrat 411 zugewandt. Das Substrat 411 kann in einem ausgesparten Bereich unterhalb der Schrägfläche 112 ein mikroelektromechanisches Element 412, insbesondere einen Mikrospiegel oder Mikroaktuator aufweisen. Zwischen dem Substrat 11 und dem Substrat 411 können Abstandshalter 420, insbesondere ein Spacerwafer 420 angebracht werden, um einen Abstand zwischen den beiden Substraten 11 und 411 herzustellen. Die Dicke der Abstandhalter 420 kann dabei so gewählt werden, dass eine Bewegung des mikromechanischen Elementes 412 durch die Schrägfläche 112 nicht beeinträchtigt wird.
Die Schrägfläche 112 kann dabei insbesondere aus Borsilikat-Glas bestehen und das Substrat 11 kann dabei insbesondere Silizium umfassen. Die Schrägfläche 112 kann in diesem Fall als optisches Fenster über einem Mikrospiegel 412 dienen, um Streu- und Reflexionsstrahlung von dem Mikrospiegel oder dem projizierten Bild fernzuhalten. Weiterhin kann die Schrägfläche 112 als Schutzabdeckung für den Mikrospiegel 412 dienen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5174587 [0004]
US 2005/0257709 A1 [0005]
US 2002/0135717 A1 [0006]
US 2006/1076539 A1 [0009]
US 2007/0024549 A1 [0009]
DE 102008012384 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Herstellen von schrägen Flächen (112) in einem Substrat (11), umfassend: Bereitstellen eines Substrats (11) mit einer ersten Hauptoberfläche (12), einer der ersten Hauptoberfläche (12) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (13) und einer Dicke (14); Ausbilden einer ersten Ausnehmung (102) im Bereich einer ersten Fläche auf der ersten Hauptoberfläche (12) bis zu einer ersten Tiefe (104) in dem Substrat (11); Ausbilden einer zweiten Ausnehmung (103) im Bereich einer zweiten Fläche der zweiten Hauptoberfläche (13) bis zu einer zweiten Tiefe (105) in dem Substrat (11), wobei die zweite Fläche lateral gegenüber der ersten Fläche verschoben ist und wobei die Summe der ersten Tiefe (104) und der zweiten Tiefe (105) größer als die Dicke (14) des Substrats (11) ist; Aufbringen einer ersten flexiblen Membran (117) auf der ersten Hauptoberfläche (12) über der ersten Ausnehmung (102); Aufbringen einer zweiten flexiblen Membran (118) auf der zweiten Hauptoberfläche (13) über der zweiten Ausnehmung (103); und Herstellen eines Unterdrucks innerhalb der ersten und zweiten Ausnehmung (102; 103), bis die erste flexible Membran (117) und die zweite flexible Membran (118) sich mit ihren jeweils dem Substrat (11) zugewandten Oberflächen berühren.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Ausbilden einer dritten Ausnehmung (302) im Bereich einer dritten Fläche auf der ersten Hauptoberfläche (12) bis zu einer dritten Tiefe in dem Substrat (11); Ausbilden einer zweiten Ausnehmung (303) im Bereich einer vierten Fläche der zweiten Hauptoberfläche (13) bis zu einer vierten Tiefe in dem Substrat (11), wobei die vierte Fläche lateral gegenüber der dritten Fläche verschoben ist und wobei die Summe der dritten Tiefe und der vierten Tiefe größer als die Dicke des Substrats (11) ist; Aufbringen der ersten flexiblen Membran (307) auf der ersten Hauptoberfläche (12) über der ersten und der dritten Ausnehmung (102; 302); Aufbringen der zweiten flexiblen Membran (308) auf der zweiten Hauptoberfläche (13) über der zweiten und der vierten Ausnehmung (103; 303); und Herstellen des Unterdrucks innerhalb der dritten und vierten Ausnehmung (302; 303).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die flexiblen Membranen (117; 118) Kunststofffolie umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die flexiblen Membranen (117; 118) Wafer aus Glas, Keramik, Metall oder Halbleitermaterial umfassen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Aufbringen der flexiblen Membranen (117; 118) auf den Hauptoberflächen (12; 13) des Substrats (11) im Vakuum erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die sich berührenden Membranen (117; 118) im Bereich der Berührung (112) oder im Bereich der Seitenkanten der Ausnehmungen (102, 103) mit dem Substrat 11 verklebt, verschweißt oder verlötet werden.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die erste und zweite flexible Membran (117; 118) auf den Hauptoberflächen (12; 13) in Verbindungsbereichen (117a; 118a), die entlang den Hauptoberflächen (12; 13) von den Seitenkanten der ersten und zweiten Ausnehmung (102; 103) beabstandet sind, mit dem Substrat (11) verklebt, verschweißt oder verlötet werden.
Wafer zum Abdecken eines mikromechanischen Elementes, umfassend: ein Substrat (11) mit einer ersten Hauptoberfläche (12), einer der ersten Hauptoberfläche (12) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (13) und einer Dicke (14), wobei das Substrat (11) eine sich durch die Dicke (14) des Substrats (11) erstreckende Aussparung (109) mit einer ersten lateralen Begrenzungskante und einer zweiten lateralen Begrenzungskante gegenüber der ersten lateralen Begrenzungskante aufweist; ein erster Substratvorsprung (108), welcher auf der Höhe der ersten Hauptoberfläche (12) von der ersten lateralen Begrenzungskante aus in die Aussparung (109) hineinragt; ein zweiter Substratvorsprung (107), welcher auf der Höhe der zweiten Hauptoberfläche (13) von der zweiten lateralen Begrenzungskante aus in die Aussparung (109) hineinragt; und ein Membranelement (117; 118), welches sich von dem ersten Substratvorsprung (108) zu dem zweiten Substratvorsprung (107) erstreckt und im Bereich der Aussparung (109) eine Oberfläche (112) definiert, welche gegenüber der ersten Hauptoberfläche (12) in einem Winkel (116) steht.
Wafer nach Anspruch 8, wobei das Substrat (11) ein Siliziumsubstrat umfasst und das Membranelement (117; 118) ein optisch transparentes Glas, Keramikmaterial, Metall oder Kunststoffmaterial umfasst.