DE19705304B4

DE19705304B4 - Halbleiter-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer solchen

Info

Publication number: DE19705304B4
Application number: DE19705304A
Authority: DE
Inventors: Heinz Gerhard Dipl.-Phys. Graf; Michael Dipl.-Phys. Graf; Bernd Prof. Dr. Höfflinger
Original assignee: STUTTGART MIKROELEKTRONIK; Institut fuer Mikroelectronik Stuttgart
Current assignee: Retina Implant AG
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: DE19705304A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Anordnung mit einem flexiblen Trägermaterial (19; 39; 53; 61; 71; 86; 101; 105), das mit einer Vielzahl von voneinander getrennten Schaltungskomponenten (11; 33; 45; 60; 70; 84) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (19; 39; 53; 61; 71; 86; 101; 105) durch Dünnen eines Ausgangsmaterials (10; 34; 46; 86) größerer Dicke (D + d) hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Anordnung mit einem flexiblen Trägermaterial, das mit einer Vielzahl von voneinander getrennten Schaltungskomponenten versehen wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Halbleiter-Anordnung zum Erzeugen von Stimuli für Zellen eines die Zellen enthaltenden Gewebes mit einem flexiblen Trägermaterial, das mit einer Vielzahl von voneinander getrennten Schaltungskomponenten versehen ist.

Ein Verfahren und eine Anordnung der vorstehend genannten Art, bei denen die Halbleiterbauelemente als Mikrophotodioden ausgebildet sind, sind aus der US 5,556,423 A bekannt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des Beispiels von Mikrophotodioden beschrieben wird. Statt Mikrophotodioden können z.B. auch Transistoren oder andere Bauelemente oder Schaltungen angesprochen sein.

Unter "Mikrophotodioden-Anordnungen" oder "Mikrophotodioden-Arrays" (MPDAs) versteht man Anordnungen, bei denen auf einem Trägermaterial mikroskopisch kleine Photodioden angeordnet sind. Derartige Anordnungen werden z.B. in der medizinischen und biologischen Forschung eingesetzt, um lichtgesteuert Stimu li für Zellen eines Gewebes zu erzeugen, das elektrisch stimulierbare Zellen enthält.

Aus der eingangs erwähnten US 5,556,423 A ist ein Retina-Implantat bekannt, d.h. ein MPDA, das in bestimmte Schichten einer Netzhaut eines Auges eingepflanzt werden soll, um die auf die Netzhaut auftreffenden Lichtsignale in elektrische Stimuli umzuwandeln. Mit Hilfe dieser Stimuli sollen Zellen in der Netzhaut stimuliert werden, um einem Patienten ein künstlich unterstütztes Sehen zu ermöglichen.

Das bekannte MPDA wird aus einem N-dotierten Silizium-Wafer hergestellt, der als Ausgangsmaterial einen Durchmesser von 3 Zoll (76, 2 mm) sowie eine Dicke von 21 mil (533 μm) aufweist. Dieses Ausgangsmaterial wird nun verschiedenen Bearbeitungsschritten (mechanisches Läppen, chemisches Ätzen, Ionenimplantation, Beschichtung) unterworfen, bis schließlich eine endgültige Struktur entsteht, die 25 Micron (25 μm) dick ist und eine 7 Micron dicke P-Schicht, eine 11 Micron dicke I-Schicht sowie eine 7 Micron dicke N-Schicht umfaßt.

Dieses Gebilde wird nun auf eine keramische Platte laminiert und dort mittels eines Lasers zunächst in Streifen einer Richtung und dann in einer dazu senkrechten Richtung geschnitten, wodurch schlußendlich Mikrowürfel entstehen, deren Kantenlänge ungefähr 25 Micron beträgt. Diese Mikrowürfel werden von der keramischen Scheibe entfernt und zwischen zwei Glasplatten geläppt, bis entsprechende Mikrokugeln entstehen.

Diese Mikrokugeln stellen Mikrophotodioden dar. Die Mikrokugeln können nun gemäß einem ersten beschriebenen Verfahren in einer Lösung aufgeschwemmt und in die Netzhaut injiziert werden, und zwar unterhalb der sogenannten Bruch'schen Membran. Da die Mikrokugeln bzw. Mikrophotodioden in diesem Zustand ungeordnet sind, soll nach dem bekannten Verfahren eine Ausrichtung der Mikrophotodioden mit Hilfe eines extern angelegten magnetischen Feldes vorgenommen werden.

Gemäß einem anderen beschriebenen Ausführungsbeispiel sollen die Mikrophotodioden in eine Substratfolie eingebettet werden, wobei diese Folie vorzugsweise für Nährstoffe und Sauerstoff permeabel sein soll. Als Trägermaterial wird dabei auch ein zweidimensionales Gewebe vorgeschlagen, das aus einem inerten Material, beispielsweise Nylon oder Polypropylen, besteht. Auf diese Weise soll zusätzlich eine gleichförmige Beabstandung zwischen den Mikrophotodioden erreicht werden.

Schließlich wird noch vorgeschlagen, die Mikrophotodioden auf einer dünnen Schicht eines löslichen Materials anzuordnen, beispielsweise auf Agar oder Collagen. Auf diese Weise soll es möglich sein, die Mikrophotodioden in vorbestimmter Beabstandung und Ausrichtung auf der dünnen Schicht anzuordnen, die sich dann in der Netzhaut auflösen soll.

Diese bekannte Vorgehensweise ist mit mehreren Nachteilen verbunden.

Soweit das Injizieren von einzelnen Mikrophotodioden in Gestalt von Mikrokugeln vorgeschlagen wird, besteht der Nachteil darin, dass, wie bereits erkannt, die Ausrichtung dieser Mikrophotodioden statistisch verteilt ist und durchaus nicht sichergestellt werden kann, dass die einmal injizierten Mikrophotodioden tatsächlich durch ein externes magnetisches Feld gleichförmig ausgerichtet werden können, und wenn ja, welche Störungen sich nach der Implantation durch beliebige externe Magnetfelder ergeben würden. Darüber hinaus sind einmal injizierte Mikrokugeln aus der Netzhaut nachträglich nicht mehr entfernbar, so dass eine solche Vorgehensweise in zahlreichen Ländern bereits wegen bestehender gesetzlicher Vorschriften nicht zulässig wäre, die vorsehen, dass jedwedes Implantat aus dem Körper eines Patienten wieder entnehmbar sein muss.

Soweit vorgeschlagen wird, die Mikrokugeln auf einem Gewebe oder einer löslichen Folie unterzubringen, ist kaum nachvollziehbar, wie eine Vielzahl von Mikrophotodioden (Mikrokugeln) in geordneter und ausgerichteter Form auf einem solchen Trägermaterial angeordnet werden soll. Wenn die Mikrokugeln einen Durchmesser von 25 μm aufweisen, so ist nicht ersichtlich, wie diese Mikrokugeln mechanisch gehandhabt werden sollen, um sie entlang eines gleichmäßigen Rasters anzuordnen und überdies gemäß einer bestimmten Richtung auszurichten. Hinzu kommt, dass es den Kugeln äußerlich kaum ansehbar ist, in welche Richtung sie in einer bestimmten Position ausgerichtet sind.

Aus der US 4,501,690 A ist es für eine Chipkarte, Kreditkarte oder dergleichen bekannt, einen Halbleiterchip in einer Aussparung einer dünnen Schicht, die die Karte bildet, anzuordnen. Die Dicke der Karte entspricht dabei näherungsweise der Dicke des Mikrochips zzgl. der für die Anschlussleitungen benötigten Freiräume.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzu bilden, dass eine Vielzahl von Mikrophotodioden im Rahmen einer gemeinsamen Anordnung (MPDA) vorgesehen werden kann, wobei sowohl die räumliche Anordnung wie auch die Ausrichtung der Mikrophotodioden exakt vorgebbar und im Rahmen beherrschbarer Herstellungsprozesse einhaltbar ist. Auf diese Weise soll es möglich sein, derartige Anordnungen für medizinische und biologische Zwecke zur Verfügung zu stellen, um in an sich bekannter Weise elektrische Stimuli für stimulierbare Zellen eines Gewebes zu erzeugen.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Trägermaterial durch Dünnen eines Ausgangsmaterials größerer Dicke hergestellt wird.

Bei einer Anordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anordnung eine Dicke aufweist, die im wesentlichen der Dicke der Schaltungskomponenten entspricht, wobei das Trägermaterial Verbindungsstege zwischen den Schaltungskomponenten ausbildet.

Wie bereits erwähnt, sind die Schaltungskomponenten vorzugsweise Mikrophotodioden, können aber auch andere Bauelemente, z.B. Transistoren oder dergleichen, sein.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Die Erfindung löst sich nämlich grundsätzlich von der beschriebenen bekannten Vorgehensweise, bei der die Mikrophotodioden zwar zunächst gesamthaft mit aus der Halbleitertechnologie bekannten Herstellungsverfahren erzeugt, dann jedoch vereinzelt werden. Erfindungsgemäß werden vielmehr Verfahren und Anordnungen möglich, bei denen die Anordnung im Rahmen des Herstellungsverfahrens als gemeinsame Anordnung verbleibt, so dass die in der Anordnung vorgesehenen Mikrophotodioden sowohl hinsichtlich ihrer Lage innerhalb der Anordnung wie auch hinsichtlich ihrer Ausrichtung unverändert bleiben. Die gewünschten Abmessungen und die gewünschte Flexibilität der Anordnung wird dabei durch geeignete Herstellungsverfahren gewährleistet.

Im Gegensatz zum beschriebenen Stand der Technik entfallen daher alle Probleme, die damit verbunden sind, dass vereinzelte Mikrophotodioden nachträglich wieder entlang eines bestimmten Rasters angeordnet und in ihrer jeweiligen Position ausgerichtet werden müssen.

Dadurch, dass eine mechanisch stabile und gesamthaft handhabbare Anordnung entsteht, ist es auch ohne weiteres möglich, eine erfindungsgemäße Anordnung nach einer Implantation im Bedarfsfalle wieder zu explantieren, so dass auch den in vielen Ländern einschlägigen gesetzlichen Vorschriften Genüge getan ist.

Bei Ausführungsformen der Erfindung besteht das Ausgangsmaterial aus einem starren Material.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass einfache Ausgangsmaterialien sowie einfach beherrschbare und herkömmliche Herstellungsprozesse eingesetzt werden können.

In diesem Falle ist bevorzugt, wenn das Ausgangsmaterial an einer ersten Oberfläche mit den z.B. Mikrophotodioden versehen wird und das starre Material von einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche her so weit gedünnt wird, dass die Dicke der gedünnten Anordnung im wesentlichen der Dicke der Mikrophotodioden entspricht.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Anordnung aus einem einzigen Ausgangsmaterial hergestellt werden kann, wobei die notwendige Flexibilität durch die äußerst geringe Dicke des gedünnten starren Materials erreicht wird, die z.B. in der Größenordnung zwischen 5 und 10 μm liegt. Damit ist die Anordnung um etwa einen Faktor 5 dünner als die weiter oben beschriebene Anordnung, deren Dicke 25 Micron (25 μm) beträgt. Es ist somit erst im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt worden, dass das Dünnen eines Ausgangsmaterials nicht nur dazu dient, Bauteile (Mikrophotodioden) mit entsprechend kleinen Abmessungen erzeugen zu können, sondern dass ein noch um eine halbe Größenordnung intensiveres Dünnen dazu führt, dass die gesamte Struktur, nämlich das gedünnte Substrat, hinreichend flexibel wird, auch wenn das Ausgangsmaterial (Silizium) starr ist.

Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht das Ausgangsmaterial hingegen aus einem elastischen Material.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Elastizität oder Flexibilität entsprechend höher eingestellt werden kann.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels werden die z.B. Mikrophotodioden in einer außenliegenden Lage eines sogenannten Substrats ausgebildet, wobei das elastische Material auf die Mikrophotodioden aufgetragen und die außenliegende Lage dann von dem übrigen Substrat abgetrennt wird.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass während des Herstellungsprozesses zunächst eine mechanisch in jedem Falle ausreichende Stabilität dadurch erreicht wird, dass ein verhältnismäßig dickes und mechanisch stabiles Substrat verwendet wird, das jedoch in einem der letzten Arbeitsschritte abgetrennt wird, so dass nur noch die extrem dünne Lage übrig bleibt, die mit den Mikrophotodioden versehen ist.

Das abgetrennte Substrat kann dabei an sich starr sein.

Zum Abtrennen der außenliegenden Lage von dem übrigen Substrat können unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden.

Bei einer ersten Verfahrensvariante wird die außenliegende Lage durch Dünnen des übrigen Substrats abgetrennt.

Eine besonders gute Wirkung wird jedoch dann erzielt, wenn als Substrat ein sogenannter SOI-Wafer mit einer außenliegenden Siliziumschicht, einer darunter liegenden Oxidschicht und einer noch darunter liegenden Silizium-Substratschicht verwendet wird, wobei die z.B. Mikrophotodioden in der Siliziumschicht ausgebildet sind und deren Dicke wesentlich kleiner ist als die Dicke der Silizium-Substratschicht. Typischerweise hat die außenliegende Siliziumschicht dabei eine Dicke zwischen 5 und 10 μm, die in der Mitte liegende Oxidschicht eine Dicke von 1 bis 2 μm, die untere Silizium-Substratschicht jedoch eine Dicke von etwa 700 μm, wodurch sie etwa zwei Größenordnungen dicker als die beiden übrigen Schichten ist.

Bevorzugt ist dabei, wenn die Siliziumschicht durch Ausätzen der darunter liegenden Oxidschicht von der Silizium-Substratschicht abgetrennt wird.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass ein aufwendiges mechanisches Abtragen einer relativ dicken Silizium-Substratschicht entfällt, da diese durch einen einfachen chemischen Prozeß abgetrennt wird, indem die zwischenliegende Oxidschicht durch Ätzen herausgelöst wird.

Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsbeispielen werden die z.B. Mikrophotodioden stofflich in das Trägermaterial integriert, d.h. in dem Trägermaterial ausgebildet.

Bei einer zweiten Gruppe von Ausführungsbeispielen werden die z.B. Mikrophotodioden hingegen mechanisch in das Trägermaterial integriert, also mit dem Trägermaterial verbunden.

In diesem Falle ist z.B. bevorzugt, wenn zwischen den Mikrophotodioden Gräben im Substrat ausgebildet und diese Gräben mit dem elastischen Material gefüllt werden, derart, dass zwischen den Mikrophotodioden flexible Verbindungsstege als Trägermaterial entstehen.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass ein hochflexibles Gebilde entsteht, dass je nach rasterartiger Anordnung der Mikrophotodioden in einer oder mehreren Koordinatenrichtungen flexibel ist. Die Flexibilität wird dabei im wesentlichen durch die Flexibilität der Verbindungsstege bestimmt, so dass die Mikrophotodioden als "Inseln" eine wesentlich geringere Flexibilität aufweisen können. Es können daher als Basismaterial für die Mikrophotodioden auch starre und spröde Materialien eingesetzt werden.

Bei einer dritten Gruppe von Ausführungsbeispielen werden die z.B. Mikrophotodioden auf dem Trägermaterial angeordnet, wie dies an sich aus dem eingangs erläuterten Stand der Technik bekannt ist.

Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, wenn in an sich bekannter Weise in dem Trägermaterial Aussparungen angebracht werden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß dann, wenn die Anordnungen für medizinische und biologische Anwendungen eingesetzt werden, diejenige Gewebeschicht, auf der die Anordnungen aufliegen, mit Nährstoffen versorgt werden kann, beispielsweise mit flüssigen Nährstoffen oder mit Sauerstoff . Diese Nährstoffe können durch die Aussparungen hindurch zu der entsprechenden Gewebeschicht gelangen.

Die Aussparungen haben jedoch auch während der Herstellung der Anordnung technologische Vorteile.

So ist bei Ausführungsformen der Erfindung, bei denen SOI-Wafer als Substrat eingesetzt werden, bevorzugt, wenn die Oxidschicht durch die Aussparungen hindurch ausgeätzt wird.

Insbesondere kann dabei oberhalb des Trägermaterials zunächst eine Maske aus einem Photolack aufgetragen werden, ferner Öffnungen in der Maske angebracht werden und die Aussparungen dann durch die Öffnungen hindurch ausgeätzt werden, wobei die Öffnungen vorzugsweise kleiner als die Aussparungen bemessen sind.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß mit Hilfe herkömmlicher und beherrschbarer Verfahren aus dem Bereich der mikroelektronischen Schaltungen Strukturen der hier gewünschten Art hergestellt werden können. Wenn die Öffnungen kleiner als die Aussparungen bemessen werden, so kann der Tatsache Rechnung getragen werden, daß Ätzlösungen im allgemeinen isotrop ausätzen, also auch unterhalb einer durchbrochenen Lackschicht eine Unterätzung bewirken. Man kann daher durch geeignete Dimensionierung der Öffnungen bewirken, daß die Aussparungen bei entsprechender Einstellung der Ätzdauer auf ein vorbestimmtes Maß ausgeätzt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Trägermaterial zeilen- und spaltenweise entlang eines kartesischen Koordinatensystems mit den z.B. Mikrophotodioden versehen werden. In diesem Falle ist besonders bevorzugt, wenn die Aussparungen kreuzförmig an Kreuzungspunkten von Zeilen und Spalten angebracht werden.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß großflächige Anordnungen mit hoher Flexibilität in den beiden Koordinatenrichtungen erzielt werden können.

Alternativ ist jedoch auch möglich, das Trägermaterial mindestens näherungsweise kreisförmig auszubilden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß in Anwendungsfällen, in denen die Anordnung nicht nur entlang einer Koordinatenrichtung gebogen werden soll, optimale Konfigurationen gefunden werden können. wenn die Anordnung z.B. am Einsatzort gewölbt werden soll, wie dies in einer Netzhaut der Fall ist, die näherungsweise kugelkappenförmig ausgebildet ist, so kann eine näherungsweise kreisförmige Ausbildung des Trägermaterials diesen besonderen Gegebenheiten Rechnung tragen.

Dies kann in einer Weiterbildung z.B. dadurch geschehen, daß das Trägermaterial als eine Mehrzahl von konzentrischen Ringen mit im wesentlichen radial verlaufenden Verbindungsstegen ausgebildet wird. Alternativ kann das Trägermaterial aber auch als spiraliger Streifen ausgebildet werden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Anordnung am Einsatzort in eine kugelkappenförmige Gestalt umgeformt werden bzw. sich einer solchen Formgebung anpassen kann.

Zur Verbesserung der Handhabbarkeit kann die Anordnung mit Haltern versehen werden, die vorzugsweise beim Dünnen, insbesondere beim Ätzen, des Ausgangsmaterials stehen gelassen werden. Die Anordnung ist mit den Haltern über Stege oder entsprechend geschwächte Abschnitte verbunden, so dass die Anordnung leicht manuell von den Haltern getrennt, insbesondere abgebrochen, werden kann. Auf diese Weise kann z.B. ein Implantat während der Operation zunächst einfach gehandhabt werden und wird erst unmittelbar vor dem Implantieren von dem Halter bzw. den Haltern entfernt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 bis 3in schematisierter Schnittdarstellung die Herstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikrophotodioden-Anordnung in drei verschiedenen Verfahrensschritten;
4 eine Draufsicht auf die fertige Anordnung gemäß 3;
5 bis 7 eine Darstellung, ähnlich den 1 bis 3, jedoch für ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 bis 10 eine Darstellung, ähnlich den 1 bis 3, jedoch für ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11, 12 und 13 Draufsichten, ähnlich 2, jedoch für weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung;
14 und 15 Schnittdarstellungen entlang der Linie XIV-XIV bzw. XV-XV von 13;
16 bis 18 Darstellungen ähnlich den 1 bis 3, jedoch für ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
19 und 20 zwei weitere Draufsichten auf noch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
In 1 bezeichnet 10 ein Substrat, vorzugsweise aus Silizium, wie es für übliche Halbleiteranwendungen eingesetzt wird. Das Substrat 10 hat eine Dicke von D in der Größenordnung von 500 bis 1.000 μm.
In 2 ist dargestellt, dass Mikrophotodioden (MPD) 11, wie mit Pfeilen 12 angedeutet, in einer Oberseite 13 des Substrats 10 eingebracht werden können. Diese Technik ist an sich bekannt und braucht daher im vorliegenden Zusammenhang nicht näher erläutert zu werden.
Wenn die Mikrophotodioden 11 in der Oberseite 13 des Substrats 10 mit Abstand zueinander eingebracht worden sind, wird das Substrat 10 von seiner Unterseite 14 her gedünnt, wie mit Pfeilen 15 angedeutet. Das Substrat 10 wird dabei so weit gedünnt, bis ein Niveau 16 erreicht ist, das in etwa der Dicke d der Mikrophotodioden 11 entspricht. Die Dicke d liegt im Bereich zwischen beispielsweise 1 und 15 μm, vorzugsweise zwischen 5 und 10 μm.
Wie 3 zeigt, entsteht auf diese Weise eine Mikrophotodioden-Anordnung oder ein Mikrophotodioden-Array (MPDA) 18 von extrem kleiner Dicke d mit den erwähnten Abmessungen.
Wie man zusätzlich aus der Draufsicht gemäß 4 erkennen kann, wird auf diese Weise z.B. eine kartesische Anordnung 18 erzeugt, bei der die Mikrophotodioden 11 entlang von Zeilen 20 und Spalten 21 mit äquidistantem Abstand zueinander angeordnet sind.
Die Verbindungsstege 19 bewirken dabei nicht nur einen mechanischen Zusammenhalt zwischen den Mikrophotodioden 11, sie stellen darüber hinaus auch eine elektrische Isolierung zwischen den Mikrophotodioden 11 dar. Die Isolierung kann im Bedarfsfall weiter dadurch verbessert werden, dass ein P-N-Übergang 23 in die Verbindungsstege 19 integriert wird.
Es versteht sich dabei, dass die Anordnung gemäß 4 mit Zeilen 20 und Spalten 21 nur beispielhaft zu verstehen ist. Durch geeignete lithographische Verfahren können vielmehr beliebige Raster von Mikrophotodioden erzeugt werden, wie dies weiter unten z.B. anhand der 19 und 20 noch erläutert werden wird.
Ferner bleibt insoweit festzuhalten, dass die Verbindungsstege 19, die aus demselben Basismaterial bestehen wie die Mikrophotodioden 11, diese stofflich miteinander verbinden. Die Elastizität bzw. Flexibilität der Anordnung 18 wird in diesem Falle also überwiegend durch die Dicke d bestimmt, da das Ausgangsmaterial (Silizium) des Substrats 10 bekanntlich starr ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, das in den 5 bis 7 dargestellt ist, wird zunächst in eine außenliegende Lage 29 der Dicke d eines Substrats 30 eine Vielzahl von Gräben 31 eingebracht, wozu beispielsweise bekannte photolithographische Verfahren eingesetzt werden können.
In den stehengebliebenen Bereichen zwischen den Gräben 31 werden nun, wie mit Pfeilen 32 angedeutet, Mikrophotodioden 33 erzeugt. Die Gräben 31 werden, wie in 6 dargestellt, mit einem flexiblen Füllmaterial 34, beispielsweise einem Photolack, ausgefüllt.
Anschließend kann das flexible Füllmaterial 34, wie mit Pfeilen 35 angedeutet, von oben herabgedünnt werden, während gleichzeitig oder danach das Substrat 30 von unten (Pfeile 36) gedünnt wird, wie bereits oben zu 2 beschrieben.
Am Ende verbleibt die in 7 dargestellte Mikrophotodioden-Anordnung 38. Bei dieser sind die Mikrophotodioden 33 über elastische Verbindungsstege 39 miteinander verbunden, die aus dem flexiblen Füllmaterial 34 bestehen. Würde man die Anordnung 38 in Draufsicht betrachten, so wäre die Ansicht ähnlich derjenigen gemäß 4, wobei sich jedoch die Verbindungsstege 39 von den Mikrophotodioden 33 abheben würden, da die Mikrophotodioden 33 mechanisch in das Trägermaterial, nämlich die Verbindungsstege 39, integriert sind.
In den 8 bis 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem als Substrat ein sogenannter SOI-Wafer 40 eingesetzt wird, der als Ausgangsmaterial für verschiedene Halbleiter-Herstellungsprozesse bekannt ist. Ein SOI-Wafer 40 besteht aus einer obenliegenden Siliziumschicht 41, einer darunter liegenden Oxidschicht 42 sowie einer unteren Silizium-Substratschicht 43. Während die Siliziumschicht 41 eine Dicke d von z.B. 5 bis 10 μm aufweist und die Oxidschicht 42 typischerweise nur 1 bis 2 μm dick ist, ist die Silizium-Substratschicht 43 um mindestens zwei Größenordnungen dicker; ihre Dicke D beträgt typischerweise etwa 700 μm.
Zum Erzeugen einer erfindungsgemäßen Mikrophotodioden-Anordnung werden zunächst in der oberen Siliziumschicht 41 Mikrophotodioden 45 eingebracht, wie z.B. bereits zu 6 erläutert. Nach dem Einbringen von Gräben 47 zwischen den Mikrophotodioden 45 werden diese wiederum mit einem flexiblen Füllmaterial 46 ausgefüllt. Nachdem dieses von oben her bis auf die Oberfläche der Mikrophotodioden 45 herabgedünnt wurde, wird die so bearbeitete Siliziumschicht 41 von der unteren Silizium-Substratschicht 43 abgetrennt, indem mittels eines Ätzvorganges 49 die zwischenliegende Oxidschicht 42 herausgeätzt bzw. herausgelöst wird, wie in 9 mit Pfeilen 49 angedeutet.
Sobald die Oxidschicht 42 herausgelöst ist, kann die dicke Silizium-Substratschicht 43 entfernt werden, wie in 9 mit einem Pfeil 50 angedeutet.
Es verbleibt dann die in 10 dargestellte Mikrophotodioden-Anordnung 52, bei der die Mikrophotodioden 45 wiederum nur noch über elastische Verbindungsstege 53 miteinander verbunden sind. Insoweit entspricht die Anordnung 52 gemäß 10 der Anordnung 38 gemäß 7, wobei die Unterschiede im Herstellungsverfahren liegen.
In den 11 bis 15 sind weitere Aspekte der Erfindung dargestellt.
Bei der Darstellung gemäß 11 ist eine Mikrophotodioden-Anordnung 58 gezeigt, die vom Prinzip her der Anordnung 18 gemäß 4 entspricht. Mikrophotodioden 60 sind wiederum in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei zwischen den Mikrophotodioden 6U Verbindungsstege 61 verlaufen.
An den Kreuzungspunkten zwischen Spalten und Reihen sind jedoch kreuzförmige Durchbrüche 62 vorhanden. Diese Durchbrüche 62 gehen durch die gesamte Dicke d der Anordnung 58 durch. Es kann somit ein Materialaustausch zwischen Oberseite und Unterseite der Anordnung 58 bewirkt werden. Bei medizinischen und biologischen Anwendungen kann dadurch das Gewebe, auf dem die Anordnung 58 aufliegt, durch die Durchbrüche 62 hindurch mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt werden.
Die Durchbrüche 52 können jedoch bei Ausführungsbeispielen der Erfindung eingesetzt werden, um darunter liegende Schichten auszuätzen oder herauszulösen. So können auf diese Weise die Gräben 31 ( 6) oder 47 (8) von oben herausgeätzt werden, indem auf eine entsprechend aufgebrachte Maske aus Photolack entsprechende Durchbrüche angebracht werden.
In 12 ist hierzu veranschaulicht, dass in eine Lackschicht 64, die von oben auf der Anordnung 58a aufliegt, kreuzförmige Aussparungen 65 eingebracht werden können. Diese Aussparungen 65 sind etwas kleiner bemessen, wie links in 12 mit b und B angedeutet. Wenn nämlich über die Aussparungen 65 ein Ätz- oder Lösungsmittel nach unten in die darunter liegende Schicht gelangt, so findet eine sogenannte Unterätzung statt, wie mit Pfeilen 66 angedeutet. Da die Ätzwirkung isotrop ist, wird unterhalb der Aussparung 65 in alle Richtungen geätzt, also auch in einer Horizontalrichtung. Wenn man daher die Breite b der Flügel der Aussparungen 65 im Verhältnis zur Breite B der Gräben zusammen mit der Zeitdauer des Ätzvorganges entsprechend einstellt, so kann bei entsprechend schmalen Aussparungen 65 eine gewünschte Endabmessung der darunter liegenden, herausgeätzten Bereiche erreicht werden.
Wenn die Aussparungen unterhalb der Lackschicht 64 bereits durch die Siliziumschicht 41 (8) durchgehen, so können diese Durchgänge auch dazu eingesetzt werden, um die zwischenliegende Oxidschicht 42 herauszulösen.
Man erkennt, dass auf diese Weise zahlreiche Varianten möglich sind, bei denen mit einer Lackschicht (als flexibles Füllmaterial 34 oder 46) oder mit zwei Lackschichten übereinander bzw. nacheinander gearbeitet wird.
In den 13 bis 15 ist hierzu noch ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine Mikrophotodioden-Anordnung 68 mit Mikrophotodioden 70 versehen ist, die wiederum in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Verbindungsstege 71 aus einem elastischen Material verbinden die Mikrophotodioden 70 jeweils nur über einen Abschnitt der jeweiligen Breitseiten, weil kreuzförmige Durchbrüche 72 an den Kreuzungspunkten der Spalten und Zeilen vorgesehen sind.
Es liegt auf der Hand, daß auf diese Weise eine extrem flexible Bauweise der Anordnung 68 erreicht wird.
Während bei den bisher geschilderten Ausführungsbeispielen die Mikrophotodioden-Anordnungen stofflich (1 bis 4) bzw. mechanisch (6 bis 15) in das Trägermaterial integriert waren, zeigen die 16 bis 18 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Mikrophotodioden auf dem Trägermaterial angeordnet sind.
Als Ausgangsmaterial wird in 16 wiederum ein SOI-Wafer 80 von bereits geschilderter Bauweise verwendet, der eine Siliziumschicht 81, eine Oxidschicht 82 sowie eine Silizium-Substratschicht 83 umfaßt.
Mikrophotodioden 84 mit dazwischenliegenden Gräben 85 werden in bereits beschriebener Weise in der Siliziumschicht 81 ausgebildet.
Ein flexibles Füllmaterial 86 wird in diesem Falle jedoch im wesentlichen nur oberhalb der Mikrophotodioden 84 angebracht. Dies kann dadurch bewirkt bzw. gefördert werden, daß die Gräben 85 nur sehr schmal ausgebildet werden, so daß das flexible Füllmaterial 86 nicht oder nur in ganz geringfügigen Bereichen 87 in den Bereich dieser Gräben 85 eindringt.
Das flexible Füllmaterial wird nun, wie mit Pfeilen 88 in 16 angedeutet, von oben abgetragen, bis nur noch eine dünne Schicht der Dicke x des Füllmaterials 86 oberhalb der Mikrophotodioden 84 verbleibt.
Diese Schicht kann direkt strukturiert werden, wie mit 89 in 17 angedeutet. Zum Strukturieren kann aber auch zunächst eine Lackschicht 90 aufgetragen und diese zur Strukturierung eingesetzt werden, wie mit 91 angedeutet. Infolge dieser Strukturierung können z.B. Aussparungen in der dünnen Schicht aus Füllmaterial 86 angebracht werden, die den Aussparungen 72 in 13 entsprechen.
Wenn nun die zwischenliegende Oxidschicht 82 herausgeätzt wird, wie mit Pfeilen 93 in 17 angedeutet, so kann die Silizium-Substratschicht 83 wiederum abgetrennt werden. Wenn man dann die bearbeitete Siliziumschicht 81 mit der daran haftenden Trägerschicht aus Füllmaterial 86 um 180° dreht (Pfeil 94), so entsteht die in 18 dargestellte Mikrophotodioden-Anordnung 96, bei der die dünne Schicht aus flexiblem Füllmaterial ein flexibles Substrat 97 bildet.
In 17 ist mit 99 angedeutet, daß aus der Silizium-Substratschicht 83 ein Halter 99 herausgeformt werden kann, z.B. durch Atzen. Der Halter 99 ist mit der Anordnung 96 über einen dünnen Steg 98 verbunden, der z.B. in der Oxidschicht 82 belassen werden kann. Die extrem dünne Anordnung kann auf diese Weise mechanisch stabilisiert werden, wenn z.B. der Halter 99 als umlaufender Rahmen ausgebildet ist. Ferner wird die Anordnung leichter handhabbar, z.B. während einer Operation, wenn die Anordnung 96 in eine Netzhaut implantiert werden soll. Der Operateur kann dann die Anordnung 96 zunächst am Halter 99 ergreifen, z.B. mit einer Pinzette, und die Anordnung dann erst unmittelbar vor dem Einsetzen in die Netzhaut vom Halter 99 lösen, indem er sie im Bereich des Steges 98 abbricht. Statt eines Steges 98 kann dabei natürlich auch eine entsprechende Schwächung (Kerblinie, Perforation und dergleichen) vorgesehen sein. Der Begriff "Steg" steht damit für jedwede geeignete Sollbruchstelle.
Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, sind neben den vorstehend beschriebenen Anordnungen mit Mikrophotodioden, die zeilen- und spaltenweise angeordnet sind, auch anders strukturierte Anordnungen möglich.
19 zeigt eine Mikrophotodioden-Anordnung 100, von der der Übersichtlichkeit halber nur das Trägermaterial bzw. Substrat 101 dargestellt ist. Dieses Substrat besteht aus einer Mehrzahl konzentrischer Ringe 101a, 101b, 101c, 101d, die mit Abstand zueinander angeordnet sind. Mechanisch sind diese Ringe 101a bis 101d mittels radialer bzw. spiralig angeordneter Stege 102 verbunden, die vorzugsweise aus einem elastischen, d.h, flexiblen Material bestehen.
Eine ähnliche Anordnung ist in 20 dargestellt, wo eine Mikrophotodioden-Anordnung 104 im wesentlichen aus einem spiraligen Substrat bzw. Trägermaterial 105 besteht, wobei die verschiedenen Gänge des Substrates 105 durch eine ebenfalls spiralige Aussparung 106 voneinander getrennt sind.
Durch die Anordnungen gemäß den 19 und 20 können Anordnungen 140, 104 dargestellt werden, die mechanisch so verformbar sind, daß sie sich einer Kugeloberfläche optimal anpassen können. Auf diese Weise können sich die Anordnungen 100, 104 z.B. der natürlichen Formgebung in einer Netzhaut eines Auges anpassen.
Während die Ausführungsbeispiele vorstehend anhand des Anwendungsbeispieles als Retina-Implantat, vorzugsweise subretinales Implantat, erläutert wurden, versteht sich, daß auch andere Anwendungsfälle denkbar sind, beispielsweise als kardiales Implantat, als Blasenimplantat oder überall sonst dort, wo elektrisch stimulierbare Zellen von Gewebe mittels elektrischer Impulse oder Signale stimuliert werden sollen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Anordnung mit einem flexiblen Trägermaterial (19; 39; 53; 61; 71; 86; 101; 105), das mit einer Vielzahl von voneinander getrennten Schaltungskomponenten (11; 33; 45; 60; 70; 84) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (19; 39; 53; 61; 71; 86; 101; 105) durch Dünnen eines Ausgangsmaterials (10; 34; 46; 86) größerer Dicke (D + d) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltungskomponenten (11; 33; 45; 60; 70; 84) Mikrophotodioden ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial ein starres Material (10) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das starre Material (10) an einer ersten Oberfläche (13) mit den Schaltungskomponenten (11) versehen wird und dass das starre Material (10) von einer der ersten Oberfläche (13) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (14) her so weit gedünnt wird, dass die Dicke der gedünnten Anordnung im wesentlichen der Dicke (d) der Schaltungskomponenten (11) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial ein elastisches Material (34; 46; 86) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungskomponenten (33; 45; 70; 84) in einer außenliegenden Lage (29; 41; 81) eines Substrats (30; 40; 80) ausgebildet werden, dass das Ausgangsmaterial (34; 46; 86) auf die Schaltungskomponenten (33; 45; 70; 84) aufgetragen wird, und dass die außenliegende Lage (29; 41; 81) dann von dem übrigen Substrat (30; 40; 80) abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein starres Substrat (30) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegende Lage (29) durch Dünnen des übrigen Substrats (30) von diesem abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat ein SOI-Wafer (40; 80) mit einer außenliegenden Siliziumschicht (41; 81), einer darunter liegenden Oxidschicht (42; 82) und einer noch darunter liegenden Silizium-Substratschicht (43; 83) verwendet wird, wobei die Schaltungskomponenten (45; 70; 84) in der Siliziumschicht (41; 81) ausgebildet werden und wobei die Dicke (d) der Siliziumschicht (41; 81) wesentlich kleiner ist als die Dicke (D) der Silizium-Substratschicht (43; 83).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht (41; 81) durch Ausätzen der darunter liegenden Oxidschicht (42; 82) von der übrigen Silizium-Substratschicht (43; 83) abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaltungskomponenten (33; 45; 70) Gräben (31; 47) im Substrat (30; 40) ausgebildet und die Gräben (31; 47) mit dem elastischen Material (34; 46) gefüllt werden, derart, dass zwischen den Schaltungskomponenten (33; 45; 70) flexible Verbindungsstege (39; 53; 71) als Trägermaterial entstehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungskomponenten (11) in dem Trägermaterial (19) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungskomponenten (84) auf dem Trägermaterial (86) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trägermaterial (19; 39; 53; 71) Aussparungen (62; 72; 103; 106) angebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (19; 39; 53; 61; 71; 86) zeilen- und spaltenweise (20, 21) entlang eines kartesischen Koordinatensystems mit den Schaltungskomponenten (11; 33; 45; 60; 70; 84) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Aussparungen (62; 72) kreuzförmig an Kreuzungspunkten von Zeilen (20) und Spalten (21) angebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (101; 105) mindestens näherungsweise kreisförmig ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (101) als eine Mehrzahl von konzentrischen Ringen (101a–101d) mit im wesentlichen radial verlaufenden Verbindungsstegen (102) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (105) als spiraliger Streifen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass beim Dünnen des Ausgangsmaterials (83) Halter (99) des Ausgangsmaterials (83) stehen gelassen werden.
Anordnung zum Erzeugen von Stimuli für Zellen eines die Zellen enthaltenden Gewebes, mit einem flexiblen Trägermaterial (19; 39; 53; 61; 71; 86; 101; 105), das mit einer Vielzahl von voneinander getrennten Schaltungskomponenten (11; 33; 45; 60; 70; 84) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (18; 38; 52; 58; 68; 96; 100; 104) eine Dicke (d) aufweist, die im wesentlichen der Dicke der Schaltungskomponenten (11; 33; 45; 60; 70; 84) entspricht, wobei das Trägermaterial (19; 39; 53; 61; 71; 86; 101; 105) Verbindungsstege zwischen den Schaltungskomponenten ausbildet.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungskomponenten (11; 33; 45; 60; 70; 84) Mikrophotodioden sind.
Anordnung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungskomponenten (33) in dem Trägermaterial (19) ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungskomponenten (45; 60; 70) mit dem Trägermaterial (39; 53) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (39; 53; 71) aus elastischem Material (34; 46) bestehen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trägermaterial (19; 39; 53; 71) Aussparungen (62; 72; 103; 106) angeordnet sind, durch die ein Materialaustausch, insbesondere ein Nährstofftransport, bewirkt werden kann.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (19; 39; 53; 61; 71; 86) zeilen- und spaltenweise (20; 21) entlang eines kartesischen Koordinatensystems mit den Schaltungskomponenten (11; 33; 45; 60; 70; 84) versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass Aussparungen (62; 72) kreuzförmig an Kreuzungspunkten von Zeilen (20) und Spalten (21) ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (101; 105) mindestens näherungsweise kreisförmig ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (101) als eine Mehrzahl von konzentrischen Ringen (101a–101d) mit im wesentlichen radial verlaufenden Verbindungsstegen (102) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (105) als spiraliger Streifen ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass sie (96) mit Haltern (99) versehen ist, die mit der Anordnung (96) über manuell entfernbare Stege (98) verbunden sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Retina-Implantat, vorzugsweise als subretinales Implantat, ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass sie als kardiales Implantat oder als Blasenimplantat ausgebildet ist.