WO2021089127A1 - Verfahren zur herstellung einer analysevorrichtung - Google Patents

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WO2021089127A1
WO2021089127A1 PCT/EP2019/080275 EP2019080275W WO2021089127A1 WO 2021089127 A1 WO2021089127 A1 WO 2021089127A1 EP 2019080275 W EP2019080275 W EP 2019080275W WO 2021089127 A1 WO2021089127 A1 WO 2021089127A1
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WO
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substrate
grid
detector
generated
grids
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PCT/EP2019/080275
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph FLÖTGEN
Original Assignee
Ev Group E. Thallner Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
    • H01J49/46—Static spectrometers
    • H01J49/48—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter
    • H01J49/488—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter with retarding grids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32917—Plasma diagnostics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0013—Miniaturised spectrometers, e.g. having smaller than usual scale, integrated conventional components
    • H01J49/0018—Microminiaturised spectrometers, e.g. chip-integrated devices, Micro-Electro-Mechanical Systems [MEMS]

Definitions

  • the present invention describes a method or a method for producing an analysis device, in particular a delay field analyzer.
  • the energy spectrum is understood to mean the distribution of the number of ions as a function of the energy.
  • the spectrum is usually measured by means of analysis devices, in particular so-called
  • a delay field analyzer is in particular a measuring device which in particular consists of several grids which can be set to a specific electrical potential in a targeted manner. As a result, the grids are charged positively or negatively in relation to the mass and thus act in particular as an acceleration or deceleration grid for the positive or negative ions.
  • At the end of the lattice structure there is preferably a collector with the aid of which a current and thus the number of ions that could pass through the lattice can be measured. Through a targeted control of the grid, a Spectrum are measured in which the current size or the number of particles is obtained as a function of the potential or the energy.
  • An example of a delay field analyzer can be found in the publication Baloniak et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 53 (2010). The document will hardly go into the precise mode of operation of a delay field analyzer, since this is very well known to the person skilled in the art.
  • the problem in the prior art is, among other things, that the individual, in particular very fine and thin, metal grids have to be mechanically aligned and fixed with respect to one another.
  • This mechanical alignment and fixation only results in a grid system of inferior quality, which accordingly has a negative effect on the quality of the measured spectrum.
  • the imprecise arrangement of the respective grids leads to an unfavorable signal-to-noise ratio. This restricts the usability of such measuring devices, in particular delay field analyzers, to plasma analyzes with medium to high ion densities.
  • the higher the pressure in a plasma chamber of such a measuring device the smaller the distance between the grids must be, since otherwise collisions of ions with other particles, in particular background gases within the measuring device, will falsify the measurement.
  • the production of a delay field analyzer is very expensive due to the complicated and expensive alignment and fixation of the grids.
  • the current manufacturing method limits the practically achievable dimensions of such a measuring device.
  • an analysis device in particular a delay field analyzer, at the wafer level z and to specify a method for its production.
  • the grid is produced on or in a substrate with the aid of planar techniques.
  • the substrate itself acts as a stabilizer.
  • a method is to be shown with the help of which an analysis device, in particular a delay field analyzer, can be produced which has gratings which were produced using methods of the semiconductor industry and are more precisely aligned one above the other than has been customary in the prior art. Therefore, the measurement accuracy of such analysis devices can be increased.
  • the dimensions of the resulting sensor / probe can be reduced and thus built in ever smaller units, in particular built into ever smaller components.
  • the production costs can be reduced by the advantageous high degree of automation in the semiconductor industry, since the grids must be aligned by hand with the aid of tweezers.
  • the invention relates to a method for producing an analysis device for analyzing charges, the method having at least the following steps, in particular in the following order: i. Producing at least one first grating in a first substrate and / or on a first substrate surface of the first substrate, ii. Producing at least one second grating in a second substrate and / or on a second substrate surface of the second substrate, iii. Aligning the first substrate and the second substrate to one another, iv. Bonding the first substrate and the second substrate, so that the at least first grid and the at least second grid are one above the other.
  • the invention further relates to an analysis device for analyzing charges, in particular for measuring an ion distribution, produced according to the aforementioned method for producing the analysis device.
  • at least one further substrate is aligned and bonded to the substrate stack formed from the first substrate and the second substrate, a grid also being produced in or on the at least one further substrate, the grid of the at least one further substrate lies above or below the grids of the at least one first substrate and the at least one second substrate after bonding.
  • the further substrates can also be aligned and bonded to the first and / or the second substrate in one manufacturing step. In particular, an exact alignment of the grids is of decisive importance for a high quality of the measurements which are carried out with the analysis device.
  • the substrates are wafers and / or are at least partially formed from an insulator and / or a semiconductor, in particular partially from silicon.
  • the individual steps necessary for the production of grids on a substrate are known in particular for the semiconductor industry.
  • the use of semiconductor manufacturing technologies to manufacture the analysis device is particularly inexpensive and efficient.
  • the grids generated in this way are preferably significantly smaller than in the case of analysis devices of the same type, in particular delay field analyzers.
  • the grids produced on the substrates, in particular in wafers these can be used in be positioned closer to each other. As a result, more differentiated measurements can be carried out, especially when analyzing charges.
  • the grids in particular can also be electrically isolated from one another.
  • the grids are produced from a grid material layer which is formed from a conductor and / or a semiconductor.
  • the grid can be set to an electrical potential.
  • an electric field can be generated by the flow of current.
  • the grids produced each have at least four, preferably more than eight, in particular regularly arranged passages, so that particles, in particular ions, can pass through the grids.
  • the passages are preferably formed perpendicular to the substrate surface.
  • the passages of the grids can in particular be produced and arranged extremely precisely by using semiconductor technology. When analyzing electrically charged particles, the measurement accuracy can advantageously be increased by using particularly small passages.
  • the passages are preferably arranged regularly and have a shape that is advantageous for the respective application, in particular round or angular shape.
  • a mesh size, a mesh width and / or a mesh diameter of the at least first and the at least second generated grids are between 0.1 ⁇ m.
  • the mesh size, the mesh width and / or the mesh diameter can be used to predetermine a grid structure that is advantageous in particular for the measurement quality of the analysis device.
  • the distance between two passages can advantageously be specified.
  • a grid thickness of the at least first and at least second grid between 10 ⁇ m. and 750 ⁇ m., preferably between 10 ⁇ m. and 500 ⁇ m., more preferably between 10 ⁇ m. and 250 ⁇ m., most preferably between 10 ⁇ m. and 150 ⁇ m., most preferably between 10 ⁇ m. and 50mm.
  • a smaller grid thickness can in particular also reduce the distance between two grids, which increases the measurement accuracy of the analysis device.
  • a small grid thickness allows miniaturization of the analysis device, which opens up new areas of application, in particular installation in a plasma electrode.
  • the grid thickness of the different grids in a substrate stack is in particular the same.
  • the distance between the at least one first grid and the at least one second grid, in particular between two different and mutually adjacent grids in the substrate stack is between 100 ⁇ m and 1000 ⁇ m, preferably between 100 ⁇ m and 900 ⁇ m, more preferred between 100 ⁇ m and 800 ⁇ m, most preferably between l00 ⁇ m and 700 ⁇ m, most preferably between l00 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the measuring accuracy of the analysis device can be increased, in particular the measuring accuracy of a delay field analyzer.
  • the greater the pressure in a plasma chamber the smaller the distance between two grids must be, since otherwise collisions of ions with a background gas within the analysis device will falsify a measurement.
  • the distance between two adjacent grids is preferably smaller, since in this way a controlled or more differentiated influence can be exerted on the particles.
  • At least one contact point is generated on and / or in the first substrate, the second substrate and / or the at least one further substrate, in particular per grid, or is generated together with the respective grid, so that in particular a control line can be connected, which is connected to the respective grid in an electrically conductive manner, so that the grid can be set to an electrical potential.
  • a contact point produced by means of semiconductor technology is also advantageous for miniaturizing the analysis device, since no additional components have to be attached to the respective substrate. In particular, no manual attachment is necessary. Overall, this procedure is more precise and reduces errors which can later negatively affect the measurement accuracy or the functionality of the analysis device.
  • the analysis device further comprises at least one detector, in particular a collector, the at least one detector generating in a further substrate and / or a substrate surface of the further substrate and is aligned and bonded to the at least first substrate and the at least second substrate, in particular to the substrate stack.
  • the at least one detector is provided for measuring a variable, in particular a charge and / or a change in charge, in the analysis device. Because the detector is preferably also produced on a substrate using semiconductor technology, it is small and useful for the advantageous miniaturization of the analysis device, in particular for a delay field analyzer.
  • the substrate on which the detector is generated can be aligned and bonded very precisely to the grids, which in turn increases the measurement accuracy and allows fewer sources of error during manufacture than when connecting such components by hand.
  • Another embodiment of the invention provides that at least one alignment mark is generated in and / or on the at least one first substrate, the at least one second substrate and the further substrate in which the at least one detector was generated, or with the grids or the detector is generated together, so that the grids and the detectors can be aligned with one another, in particular optically, using the at least one alignment mark prior to joining.
  • the at least one alignment mark With the help of the at least one alignment mark, a particularly precise alignment of the individual substrates with respect to one another is made possible, which has a particularly advantageous effect on the measurement accuracy of the analysis device.
  • a ratio, in particular a signal-to-noise ratio, of a number of the particles entering the analysis device to a number of the detected / measured particles can be improved, in that in particular the grids are more precisely aligned with one another.
  • the alignment marks can result in optical alignment, in particular automated alignment by means of a corresponding device, or take place more precisely.
  • connection point in particular for connecting a signal line
  • the at least one detector is generated, in each case per detector, or is generated together with the detector, which with is electrically conductively connected to the respective detector, so that the detector can measure a value, in particular a number of particles with a certain energy or a change in charge, and / or can transmit a signal, in particular via the signal line, so that it determines a distribution in particular can be.
  • the production of a connection point by means of semiconductor technology is also advantageous for miniaturization. Electronics for reading out and / or forwarding a signal can advantageously also be generated on the substrate on which the detector is generated.
  • Another embodiment of the invention provides that further circuits and / or microelectronic systems are generated on and / or in the first substrate, the second substrate and / or the further substrate in which the at least one detector is generated and / or be allied. Direct generation and / or joining ensures the functionality and measurement accuracy of the analysis device.
  • the functions of the analysis device in particular can be expanded by further circuits and / or microelectronic systems.
  • At least one first grid, the at least one second grid, the detector, the further circuits and / or the microelectronic systems with Thin-film technology preferably with a galvanic process, more preferably with a sol-gel process, particularly preferably by chemical vapor deposition or by physical vapor deposition, in which a photolithographic mask or an imprint stamp is used in particular.
  • Generating by means of such thin-film techniques is advantageous for the miniaturization of the analysis device.
  • work steps that are carried out by hand in the prior art can be replaced by automated, in particular less error-prone, method steps, which has an advantageous effect on manufacturing costs, measurement quality and susceptibility to errors in manufacture.
  • Functional structures are produced on a substrate, in particular on a wafer.
  • the substrate has first and second substrate surfaces.
  • the functional structures can be produced on one of the two substrate surfaces or on both substrate surfaces.
  • a special process flow will also be explained, with the help of which structures can be introduced into a substrate.
  • the substrate can in particular have a connecting layer which supports the bonding process.
  • the connecting layer is preferably an oxide. It is also conceivable that the connecting layer is an adhesive, in particular a bonding adhesive. In this case the connection of the substrates would constitute a temporary bond.
  • the substrates can have any shape, but are preferably i
  • the diameter of the substrates is, in particular, industrially standardized. For Wafers are the industry standard diameters, 1 ", 2", 3 “, 4", 5 “, 6", 8 “, 12", and 18 ".
  • a substrate on which the grids or other functional structures are created can have different shapes and dimensions.
  • the analysis device produced is preferably a retardation field analyzer and thus in particular a probe that has small dimensions.
  • a plurality of analysis devices are preferably produced on a substrate. In particular, several analysis devices can be generated in one bonding process. The individual analysis devices are then preferably separated from one another, in particular cut out and / or reworked. However, it is also conceivable that several grids produced on a substrate are first separated from one another and then combined to form an analysis device.
  • the functional structures are in particular the set of all elements that are produced, attached or connected on or in a substrate in order to be able to operate the analysis device.
  • the functional structures include, in particular, grids and alignment marks.
  • the functional structures are preferably either applied to a substrate surface and surrounded by a connecting layer or they are produced in a connecting layer or in the substrate. At least some functional units, in particular the grids, are preferably built into the substrate.
  • the surfaces of the functional structures are preferably below the surface that is used for bonding in the process. If the functional structures have a very small height, it would also be conceivable to apply them to a substrate and to bond another substrate directly to them.
  • the functional structures are preferably produced in an oxide that has been deposited on the substrate surface or in the substrate itself. Oxide can in particular be used for a fusion process.
  • the functional structures are in particular the following elements.
  • the alignment marks are required in particular to align a plurality of substrates according to the invention with one another, so that the grids, in particular the etched passages between the grid lines, are congruent to one another, that is, in particular, are aligned or merge seamlessly into one another.
  • These are structures in the millimeter, preferably micrometer, more preferably nanometer range.
  • a suitable grid is produced as a conductive or semiconductive structured layer on a substrate surface, preferably in the substrate.
  • the grid preferably consists of symmetrical, mutually orthogonal, intersecting grid lines.
  • the grid has a mesh width W and a mesh width B.
  • the mesh width W and the mesh width B are preferably identical. In this case, only the mesh size W is specified in the following.
  • the mesh size W is between 0.1 ⁇ m. and 10000 ⁇ m., preferably between 0.5 ⁇ m. and 1000 ⁇ m., more preferably between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m., most preferably between 5 ⁇ m. and 75 ⁇ m., most preferably between 10 ⁇ m. and 50 m.,.
  • the mesh width B is between 0.1 ⁇ m and 10000 ⁇ m, preferably between 0.5 ⁇ m and 1000 ⁇ m, more preferably between 1 ⁇ m and 100 pi most preferably between 5 ⁇ m and 75 ⁇ m, most preferably between 10 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the mesh diameter is between 0.1 ⁇ m and 10000 ⁇ m, preferably between 0.5 ⁇ m and 1000 ⁇ m, more preferably between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, most preferably between 5 ⁇ m and 75 ⁇ m, most preferably between 10 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the grid has a radially symmetrical shape.
  • the grid lines are circular.
  • the grid then has a mesh angle difference W and a mesh radius difference B.
  • the mesh angle difference W is between 20 ° and 0.001 °, preferably between 10 ° and 0.005 °, even more preferably between 5 ° and 0.01 °, most preferably between 1 ° and 0.05 °, most preferably between 0.1 ° and 0.01 °.
  • the mesh radius difference B is between 1 cm and 1 ⁇ m, preferably between 1 mm and 10 nm, more preferably between 100 ⁇ m and 100 nm, most preferably between 10 ⁇ m and 1 ⁇ m, most preferably between
  • the grid preferably has at least one contact point to which electrical means, in particular wires, clamps or pins, are attached in order to be able to set the grid to potential.
  • the contact point can also be arranged on the substrate, but is then preferably connected to the grid in an electrically conductive manner.
  • the distance between two grids on two different, mutually adjacent substrates is between 500 and 1000 ⁇ mh, preferably between 400 ⁇ m. and 900 ⁇ m., more preferably between 300 ⁇ m. and 800 ⁇ m. most preferably between 200 ⁇ m. and 700 ⁇ m., most preferably between 100 ⁇ m. and 500 ⁇ m ..
  • the thickness of a grid is between 500 ⁇ m. And 750 ⁇ m., Preferably between 250 ⁇ m. and 500 ⁇ m., more preferably between 50 ⁇ m. and 250 ⁇ m., most preferably between 25 ⁇ m. and 150 ⁇ m., most preferably between 10 ⁇ m., and 50 ⁇ m ..
  • the grid is preferably made of one of the following materials:
  • connection layer not only serves to electrically isolate individual grids, but preferably also to support the bonding process.
  • the spacer material is preferably made of one of the following materials:
  • Contact points serve to make electrical contact with the grid easier. In particular, they are connected in an electrically conductive manner to the grid.
  • ICs Integrated Circuits
  • circuits in particular microchips or memories, are produced directly on the substrate.
  • the circuits could be used, for example, for potential control or potential stabilization of the grid.
  • MEMS Microelectronic Systems
  • the grating is in particular a grating produced by planar techniques. Several methods are shown as examples to produce such a grid. The actual process flow, on the other hand, can deviate from the disclosed process flow due to a few process steps, in particular if better, faster, more efficient and, above all, cheaper methods are available for producing the grating according to the invention. The most suitable method in particular is specified last and in particular disclosed with all of the process steps that are at least necessary.
  • a grating according to the invention is produced on a substrate surface.
  • a substrate is provided.
  • a substrate is coated with a photoresist, in particular over the entire area.
  • the photoresist is exposed photolithographically with the aid of a photolithographic mask and a corresponding light source.
  • the photolithographic mask contains in particular the structures of the grating to be produced in positive or negative form. Structuring with the help of imprint technology would also be conceivable.
  • the photoresist is developed.
  • the substrate is coated in particular with a corresponding metal
  • the metal in particular is used as an etch stop and the substrate is etched.
  • the etching takes place down to the back of the substrate.
  • the corresponding holes or passages serve in particular for the ions to be able to pass through the grid.
  • the grid represents in particular a raised structure in relation to the substrate surface.
  • an oxide in particular is then deposited, which is thinned back to the level of the grating material layer.
  • a mask is then applied to the oxide, with the aid of which in particular the etching of the passages is made possible.
  • this particular mask is then used to etch the vias.
  • the etching takes place again except for the rear side of the substrate.
  • the holes or the passages serve in particular for the ions to be able to pass through the grid.
  • the grid surface and the oxide surface are in particular congruent, which simplifies the bonding process.
  • the functional units in particular the grid, are incorporated directly into the substrate.
  • the process is correspondingly more complicated and time-consuming.
  • a substrate is provided in a first process step.
  • a mask material layer is deposited on the substrate.
  • the mask material layer can in particular be deposited by any known chemical and / or physical process, preferably by chemical vapor deposition (CVD) or by physical vapor deposition (PVD) or a sol-gel process.
  • the mask material layer is structured, so that in particular an aperture is created.
  • the structuring is preferably carried out with the aid of photo and / or imprint lithography.
  • the substrate is etched, so that in particular a depression is created in the substrate.
  • the mask material layer protects the remaining part of the substrate from the etching chemical.
  • the mask material layer is in particular removed.
  • the grid material layer is deposited.
  • the grid material layer can be deposited by any known chemical and / or physical process. Preferably, however, by electrodeposition, less preferably by PVD or CVD.
  • a chemical mechanical polishing process (CMP, Chemical mechanical polishing) is carried out. The CMP process removes the grating material layer and part of the substrate surface until the grating material layer surface and the substrate surface are aligned.
  • a mask material layer is deposited.
  • the mask material layer can be deposited by any known chemical and / or physical process, preferably by PVD, CVD or a sol-gel process.
  • the mask material layer is structured.
  • the structuring is preferably carried out with the aid of photo and / or imprint lithography.
  • the structuring includes in particular the functional features or structures that are to be generated at the end of the process flow.
  • the grating material layer is etched and thus structured.
  • the substrate is in particular turned over and coated on the back with a further layer of mask material.
  • the mask material layer can be deposited by any known chemical and / or physical process, preferably by PVD, CVD or a sol-gel process.
  • the mask material layer applied to the rear is structured, so that in particular an aperture is created. The structuring is preferably carried out with the aid of photo and / or imprint lithography.
  • the substrate is, in particular, etched on the back, so that a recess on the back is created that extends as far as the grating material layer.
  • the mask material layer protects the remaining part of the substrate from the etching chemical.
  • the mask material layers are removed on the front and back.
  • the result is a single substrate with a built-in grid.
  • the substrates produced with the grids are now connected to one another in a technically meaningful sequence.
  • the substrates are aligned with one another, in particular with the aid of optical means.
  • the substrates are preferably aligned and bonded to one another in an alignment system (bonder), preferably a fusion bonder.
  • bonder preferably a fusion bonder.
  • Alignment marks have preferably already been generated with the other functional units, in particular the grid.
  • At least one substrate on which there is a detector, in particular a collector for the ions, is used for the construction of the analysis device, in particular the delay field analyzer. It can also be the case that initially different substrates with, in particular, aligned grids are connected to form a substrate stack and then a detector is bonded to the substrate stack. It is also conceivable that, in particular, only one bonding process is carried out in order to generate a corresponding analysis device.
  • a protective substrate is bonded in particular to the substrate surface of the uppermost substrate.
  • An analysis device in particular a delay field analyzer, is preferably constructed as follows.
  • a first, in particular lowermost level of the analysis device consists of a substrate which contains a detector.
  • the detector preferably already has appropriate electronics to measure the measured ion current in particular.
  • the ion current can be read out as a digital and / or analog signal via a signal line.
  • Another, in particular second, level of the delay field analyzer consists of a substrate with a grid and is preferably used to suppress secondary electrons.
  • Another, in particular third, level of the delay field analyzer consists of a substrate with a grating and is preferably used as a discriminator.
  • Another, in particular fourth, level of the delay field analyzer consists of a substrate with a grid and is preferably used to suppress plasma electrons.
  • Another, in particular fifth, preferably last, upper level of the delay field analyzer consists of a substrate with a grid and is preferably used as a potential electrode.
  • a protective layer in particular made of aluminum, can be deposited on the top level.
  • the protective layer then has to be at least partially opened by appropriate methods, in particular to allow the ions access to the grids. It is also conceivable that a protective plate is applied or a protective substrate is bonded. The protective plate or the protective substrate must then also have passages to allow the ions unimpeded access to the grids.
  • the analysis device in particular the delay field analyzer, consists of further levels consisting of different functional units, in particular grids.
  • FIG. 1 a photolithographic mask
  • FIG. 2a shows a plan view of an exemplary substrate according to the invention
  • FIG. 2b shows a side view of an exemplary substrate according to the invention
  • FIG. 3 shows an exemplary substrate stack according to the invention
  • FIG. 4a a first process step of a third method
  • FIG. 4b a second process step of the third method
  • FIG. 4c a third process step of the third method
  • FIG. 4d a fourth process step of the third method
  • FIG. 4e a fifth process step of the third Process
  • FIG. 4f a sixth process step of the third process
  • FIG. 4g a seventh process step of the third process
  • FIG. 4h an eighth process step of the third process
  • FIG. 4i a ninth process step of the third process
  • FIG. 4j a tenth process step of the third process
  • FIG. 4k one eleventh process step of the third procedure
  • FIG. 41 a twelfth process step of the third method
  • FIG. 4m shows a thirteenth process step of the third method
  • FIG. 4n shows a fourteenth process step of the third method
  • FIG. 5 shows a delay field analyzer according to the invention.
  • FIG. 1 shows a simplified illustration of an exemplary photolithographic mask 1 that can be used to produce functional structures.
  • a plurality of photolithographic masks 1 will be required, in particular for the differently complex method steps of the method that is described by FIGS. 4a-4n.
  • the functional structures are also produced by other lithographic processes, in particular by imprint lithography.
  • the photolithographic mask 1 is replaced by a corresponding imprint stamp.
  • the negatives for the functional elements of a grid 3 and the alignment marks 5 are shown in the mask 1.
  • FIG. 2 shows a plan view of a substrate 2 which has a connecting layer 7o, in particular an oxide.
  • a substrate 2 with 22 ⁇ 22 passages 6 is shown.
  • the connection layer 7 has a connection layer surface 7o, which is in particular aligned with the grid surface 3o or is formed perpendicularly.
  • the grid 3, a contact point 4 and the alignment marks 5 form the essential functional structures of the substrate.
  • the passages 6 connect the grating surface 3o or the substrate surface 2o to the substrate rear side 2r.
  • the ions preferably move through these passages 6 in the finished analysis device 8, in particular in the delay field analyzer.
  • the grid 3 is connected to the contact point 4 in an electrically conductive manner.
  • the contact point 4 serves in particular to make it easier for the grid 3 to be electrically contacted. Direct contacting of the grid 3 via electrodes, for example, would of course also be conceivable.
  • FIG. 2 shows the side view of a substrate 2.
  • the grating surface 3o of the grating 3 is preferably formed in alignment with the connecting layer surface 7o. It is also conceivable that the grating surface 3o is set back in relation to the connecting layer surface 7o.
  • the connection layer surface 7o facilitates and improves the contact to a further substrate 2 during bonding.
  • the connection layer 7 can in principle be a polymer, more preferably an oxide layer. In the first case, the bonding process between a plurality of substrates 2 would then be a temporary bond, in the second case a fusion bonding process.
  • FIG. 3 shows a side view of an analysis device 8, in particular a delay field analyzer
  • the analysis device 8 consists of several substrates 2 that are highly precisely aligned and bonded to one another with the aid of alignment marks 5 (not shown) are aligned with each other.
  • the substrates 2 act as stabilizers for the grids 3, so that the grids 3 are prevented from sagging as in the prior art. By aligning and connecting the grids, unwanted shifting within the plane and sagging of the grids out of the plane is prevented or completely prevented.
  • the analysis device 8 there is, preferably at the end, at least one detector substrate 2 'on which a Detector 9 is present, with the aid of which, in particular, the ions which were able to pass through the grids 3 in a specific analysis process can be detected.
  • the mode of operation of this detector 9 is not discussed in greater detail here, since it is of subordinate relevance for the general mode of operation of the analysis device.
  • the detector 9 is able to convert in particular the quantity of ions into a preferably proportional electrical current. The current can then be converted into a corresponding measurement signal, in particular into a value for the ion density.
  • the grids 3 can be set to potential, in particular a specific electrical potential, via corresponding electrical control lines 10.
  • the detector signal is picked up in particular via a signal line 11.
  • the analysis device 8 can be covered on an upper side by a protective layer, but in particular by a protective substrate 2 ′′ which is also connected.
  • the protective substrate 2 ′′ has particularly large passages 6 ′, which allow unimpeded access of the ions to the passages 6 below.
  • FIGS. 4a to 4n The figures of a third process of positioning the grids in the substrates are shown schematically in simplified form in FIGS. 4a to 4n.
  • the grid 3 is shown in cross section with only four passages 6 and takes up about 1/3 of the area in cross section. Furthermore, the thicknesses are not shown relatively correctly. Those skilled in the art use such flowcharts only to illustrate the essential features and process steps that are needed for understanding.
  • FIG. 4a shows a first process step for producing an analysis device 8 in which a substrate 2 is provided.
  • FIG. 4b shows a second process step in which a mask material layer 12 is deposited on the substrate 2.
  • Mask material layer 12 can be deposited by any known chemical and / or physical process, preferably by PVD, CVD or a sol-gel process.
  • FIG. 4c shows a third process step in which the mask material layer 12 is structured so that an aperture 13 is created.
  • the structuring is preferably carried out with the aid of photo and / or imprint lithography.
  • FIG. 4d shows a fourth process step in which the substrate 2 is etched so that a depression 14 is created.
  • the mask material layer 12 protects the remaining part of the substrate from the etching chemical.
  • FIG. 4e shows a fifth process step in which the mask material layer 12 (no longer shown) is removed.
  • FIG. 4f shows a sixth process step in which a grid material layer 15 is deposited.
  • the grid material layer can be deposited by any known chemical and / or physical process, but preferably by electrodeposition, less preferably by PVD, CVD.
  • FIG. 4g shows a seventh process step in which a chemical mechanical polishing process (CMP, Chemical mechanical polishing ” ) is carried out.
  • CMP chemical mechanical polishing process
  • FIG. 4h shows an eighth process step in which a mask material layer 12 is deposited again.
  • the mask material layer 12 can be deposited by any known chemical and / or physical process, preferably by PVD, CYD or a sol-gel process.
  • FIG. 4i shows a ninth process step in which the mask material layer 12 is structured.
  • the structuring is preferably carried out with the aid of photo and / or imprint lithography.
  • the structuring includes the functional features that are to be generated at the end of the process.
  • FIG. 4j shows a tenth process step in which the grating material layer 15 is etched and thus structured.
  • FIG. 4k shows an eleventh process step in which the substrate 2 is turned over and then coated with a further mask material layer 12 on the rear side.
  • the mask material layer 12 can be deposited by any known chemical and / or physical process, preferably by PVD, CVD or a sol-gel process.
  • FIG. 41 shows a twelfth process step in which the mask material layer 12 applied to the rear is structured so that an Ap 13 is created.
  • the structuring is preferably carried out with the aid of photo and / or imprint lithography.
  • FIG. 4m shows a thirteenth process step in which the substrate 2 is etched on the back, so that a recess 14 on the back is created, which extends as far as the grid material layer 15.
  • the mask material layer 12 protects the remaining part of the substrate from the etching chemical.
  • FIG. 4n shows a fourteenth process step in which the mask material layers 12 (no longer shown) are removed on the front and back.
  • the result is a single substrate with a built-in grid 3.
  • Several of these substrates 2 can now be bonded to one another via the substrate surfaces 2o. It is conceivable that a connecting layer 7 (not shown), in particular an oxide, is applied to the substrate surfaces 2o in order to improve the bonding process.
  • FIG. 5 shows an analysis device 8, in particular a delay field analyzer, which was produced using the third method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Analyse Vorrichtung zum Analysieren von Ladungen.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Methode beziehungsweise ein Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung, insbesondere eines Verzögerungsfeldanalysators.
In der Industrie ist es von großer Bedeutung, das Energiespektrum eines Ionengases, insbesondere eines Plasmas, zu analysieren. Unter dem Energiespektrum versteht man dabei die die Verteilung der Ionenanzahl als Funktion der Energie. Die Vermessung des Spektrums erfolgt meistens durch Analysevorrichtungen, insbesondere sogenannte
Verzögerungsfeldanalysatoren. Bei einem Verzögerungsfeldanalysator handelt es sich insbesondere um eine Messvorrichtung, die insbesondere aus mehreren Gittern besteht welche gezielt auf ein bestimmtes elektrisches Potential gesetzt werden können. Dadurch werden die Gitter in Bezug zur Masse positiv oder negativ geladen und wirken somit insbesondere als Beschleunigungs- oder Bremsgitter für die positiven oder negativen Ionen. Am Ende der Gitterstruktur befindet sich vorzugsweise ein Kollektor, mit dessen Hilfe ein Strom und damit die Anzahl der Ionen vermessen werden kann, die die Gitter passieren konnten. Durch eine gezielte Durchsteuerung der Gitter kann ein Spektrum vermessen werden, bei dem die Stromgröße beziehungsweise die Teilchenzahl als Funktion des Potentials beziehungsweise der Energie erhalten wird. Ein Beispiel für einen Verzögerungsfeldanalysator findet man in der Druckschrift Baloniak et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 53 (2010). Auf die genaue Funktionsweise eines Verzögerungsfeldanalysators wird in der Druckschrift kaum eingegangen werden, da diese dem Fachmann auf dem Gebiet sehr gut bekannt ist.
Das Problem im Stand der Technik besteht unter anderem darin, dass die einzelnen, insbesondere sehr feinen und dünnen, Metallgitter mechanisch zueinander ausgerichtet und fixiert werden müssen. Durch diese mechanische Ausrichtung und Fixierung erhält man nur ein Gittersystem minderer Qualität, das sich dementsprechend negativ auf die Qualität des vermessenen Spektrums auswirkt. Die ungenaue Anordnung der jeweiligen Gitter führt zu einem ungünstigen Signal-zu-Rauschen Verhältnis. Dies schränkt die Verwendbarkeit solcher Messvorrichtungen, insbesondere von Verzögerungsfeldanalysatoren, auf Plasmaanalysen mit mittleren bis hohen Ionendichten ein. Zusätzlich gilt, dass je höher der Druck in einer Plasmakammer einer solchen Messvorrichtung ist, desto kleiner muss der Abstand zwischen den Gittern sein, da sonst Stöße von Ionen mit anderen Teilchen, insbesondere Hintergrundgasen innerhalb der Messvorrichtung, die Messung verfälschen. Des Weiteren ist die Herstellung eines Verzögerungsfeldanalysators durch die komplizierte und aufwendige Ausrichtung und Fixierung der Gitter sehr teuer. Zudem beschränkt die gängige Fertigungsmethode die praktisch erreichbaren Dimensionen einer solchen Messvorrichtung.
Es ist daher ein Aspekt der Erfindung eine Analysevorrichtung, insbesom einen Verzögerungsfeldanalysator, auf Waferebene (engl.: wafer level) z konstruieren und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass mindestens ein Gitter pro Substrat durch Prozesse der Halbleiterindustrie erzeugt wird und man danach die einzelnen Substrate zueinander ausrichtet und bonded. Das Gitter wird mit Hilfe von Planartechniken auf beziehungsweise in einem Substrat erzeugt. Das Substrat selbst dient als Stabilisator.
Daher ist es nicht mehr notwendig, feine, filigrane, leicht brechbare oder verbiegbare Metallgitter herzustellen, die dann auch noch über relativ große Flächen zueinander, insbesondere von Hand, ausgerichtet werden müssen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung und eine Analysevorrichtung aufzuzeigen, welche die im Stand der Technik aufgeführten Nachteile zumindest zum Teil beseitigen, insbesondere vollständig beseitigen. Insbesondere soll ein Verfahren aufgezeigt werden mit dessen Hilfe eine Analysevorrichtung, insbesondere ein Verzögerungsfeldanalysator, hergestellt werden kann, welche Gitter aufweist, die mit Verfahren der Halbleiterindustrie hergestellt wurden und genauer übereinander ausgerichtet sind, als bisher im Stand der Technik üblich. Daher kann die Messgenauigkeit solcher Analysevorrichtungen erhöht werden. Weiterhin können die Ausmaße des entstehenden Sensors/der entstehenden Sonde verringert werden und somit in immer kleineren Einheiten gebaut werden, insbesondere in immer kleineren Bauteilen eingebaut werden. Zusätzlich können die Kosten für die Herstellung durch den vorteilhaften hohen Automatisierungsgrad der Halbleiterindustrie reduziert werden, da Ausrichtung der Gitter mit Hilfe von Pinzetten per Hand mehr notwendig ist.
Die vorliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in de Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei in der Beschreibung, in den Ansprüchen und/oder den Zeichnungen angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung zum Analysieren von Ladungen, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist, insbesondere in der folgenden Reihenfolge: i. Erzeugen mindestens eines ersten Gitters in einem ersten Substrat und/oder auf einer ersten Substratoberfläche des ersten Substrates, ii. Erzeugen mindestens eines zweiten Gitters in einem zweiten Substrat und/oder auf einer zweiten Substratoberfläche des zweiten Substrates, iii. Ausrichten des ersten Substrates und des zweiten Substrates zueinander, iv. Verbonden des ersten Substrates und des zweiten Substrates, so dass das mindestens erste Gitter und das mindestens zweite Gitter übereinander liegen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Analysevorrichtung zum Analysieren von Ladungen, insbesondere zum Vermessen einer Ionenverteilung, hergestellt nach dem zuvor genannten Verfahren zur Herstellung der Analyse Vorrichtung. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein weiteres Substrat mit dem aus dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat gebildeten Substratstapel ausgerichtet und verbondet wird, wobei in oder auf dem mindestens einen weiteren Substrat ebenfalls ein Gitter erzeugt wurde, wobei das Gitter des mindestens einen weiteren Substrates nach dem Verbonden über oder unter den Gittern des mindestens einen ersten Substrates und des mindestens einen zweiten Substrates liegt. Die weiteren Substrate können auch in einem Herstellungsschritt mit dem ersten und/oder dem zweiten Substrat ausgerichtet und verbondet werden. Dabei ist insbesondere eine exakte Ausrichtung der Gitter von maßgeblicher Bedeutung für eine hohe Qualität der Messungen, welche mit der Analysevorrichtung durchgeführt werden. Durch ein Ausrichten und ein Verbonden der Substrate kann ein Erzeugen, insbesondere der Gitter und weiterer Strukturen auf den Substraten, automatisiert, kostengünstig und effizient erfolgen. Insbesondere müssen die durch die Substrate fixierten Gitter nicht von Hand ausgerichtet werden und können daher genauer, insbesondere exakt, ausgerichtet werden. Eine hohe Messgenauigkeit ist insbesondere für das Vermessen von Teilchen mit geringer Ladung oder für eine hohe Auflösung beim Vermessen einer Ladungsverteilung vorteilhaft.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Substrate Wafer sind und/oder zumindest zum Teil aus einem Isolator und/oder einem Halbleiter, insbesondere zum Teil aus Silizium ausgebildet sind. Die für die Gitterherstellung auf einem Substrat notwendigen Einzelschritte sind insbesondere für die Halbleiterindustrie bekannt. Die Verwendung von Halbleiterfertigungstechnologien zur Herstellung der Analysevorrichtung ist insbesondere kostengünstig und effizient. Vorzugsweise sind die auf diese Weise erzeugten Gitter deutlich kleiner als bei gattungsähnlichen Analysevorrichtungen, insbesondere Verzögerungsfeldanalysatoren. Zudem können durch die Verwendung der den Substraten, insbesondere in Wafern, erzeugten Gittern diese in geringerem Abstand zueinander positioniert werden. Wodurch insbesondere bei einem Analysieren von Ladungen differenziertere Messungen durchgeführt werden können. Durch das Verwenden eines Isolators und/oder eines Halbleiters können zudem insbesondere die Gitter voneinander elektrisch isoliert werden.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gitter aus einer Gittermaterialschicht erzeugt werden, welche aus einem Leiter und/oder einem Halbleiter ausgebildet sind. Durch die Verwendung eines Gittermaterials auf Basis eines Leiters beziehungsweise eines Halbleiters können die Gitter auf ein elektrisches Potential gesetzt werden. Dabei kann durch Stromfluss insbesondere ein elektrisches Feld erzeugt werden. Bei einer Messung mit einer Analysevorrichtung, hergestellt nach dem beschriebenen Verfahren, können insbesondere Teilchen mit bestimmter elektrischer Ladung beschleunigt und/oder gebremst werden.
In einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erzeugten Gitter jeweils mindestens vier, vorzugsweise mehr als acht, insbesondere regelmäßig angeordnete Durchgänge aufweisen, so dass Teilchen, insbesondere Ionen, die Gitter passieren können. Die Durchgänge sind dabei vorzugsweise senkrecht zu der Substratoberfläche ausgebildet. Dabei können die Durchgänge der Gitter durch Verwendung der Halbleitertechnologie insbesondere äußerst genau erzeugt und angeordnet werden. Bei einer Analyse von elektrisch geladenen Teilchen kann vorteilhaft durch besonders kleine Durchgänge die Messgenauigkeit erhöht werden. Vorzugsweise sind die Durchgänge regelmäßig angeordnet und weisen eine für den jeweiligen Anwendungsfall vorteilhafte Form, insbesondere runde oder eckige Form, auf. In einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Maschenweite, eine Maschenbreite und/oder ein Maschendurchmesser des mindestens ersten und des mindestens zweiten erzeugten Gitters zwischen 0.1 μm. und 10000μm., vorzugsweise zwischen 0.5μm. und 1000μm., noch bevorzugter zwischen 1 μm. und 100 μ.m, am bevorzugtesten zwischen 5μm. und 75μm., am allerbevorzugtesten zwischen 10μm. und 50μm. liegt. Durch die Maschenweite, die Maschenbreite und/oder den Maschendurchmesser kann eine insbesondere für die Messqualität der Analysevorrichtung vorteilhafte Gitterstruktur vorgegeben werden. Dabei kann bei dem Erzeugen der Gitter vorteilhaft der Abstand zwischen zwei Durchgängen vorgegeben werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Gitterdicke des mindestens ersten und mindestens zweiten Gitters zwischen 10μm. und 750μm., vorzugsweise zwischen 10 μm. und 500μm., noch bevorzugter zwischen 10μm. und 250μm., am bevorzugteste zwischen 10 μm. und 150μm., am allerbevorzugtesten zwischen 10μm. und 50mm liegt. Durch eine geringere Gitterdicke kann insbesondere auch der Abstand zwischen zwei Gittern verringert werden, wodurch die Messgenauigkeit der Analysevorrichtung erhöht wird. Zusätzlich erlaubt eine geringe Gitterdicke eine Miniaturisierung der Analysevorrichtung, wodurch neue Einsatzgebiete, insbesondere ein Einbau in eine Plasmaelektrode, erschlossen werden. Dabei ist die Gitterdicke der unterschiedlichen Gitter in einem Substratstapel insbesondere gleich groß.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem mindestens einen ersten Gitter und dem mindestens einen zweiten Gitter, insbesondere zwischen zwei unterschiedlichen und zueinander benachbarten Gittern in dem Substratstapel, zwischen 100 μ.m 1000μm, vorzugsweise zwischen 100 μ.m und 900μm, noch bevorzugter zwischen 100μm und 800μm, am bevorzugtesten zwischen l00μm und 700μm, am allerbevorzugtesten zwischen l00μm und 500μm liegt. Durch eine Reduzierung des Abstandes zwischen zwei Gittern kann die Messgenauigkeit der Analysevorrichtung erhöht werden, insbesondere die Messgenauigkeit eines Verzögerungsfeldanalysators. Bei einer Messung von Plasma gilt, je größer der Druck in einer Plasmakammer ist, desto kleiner muss der Abstand zwischen zwei Gittern sein, da sonst Stöße von Ionen mit einem Hintergrundgas innerhalb der Analysevorrichtung eine Messung verfälschen. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Gittern kleiner, da so kontrollierter beziehungsweise differenzierterer Einfluss auf die Teilchen genommen werden kann.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass auf und/oder in dem ersten Substrat, dem zweiten Substrat und/oder dem mindestens einen weiteren Substrat, insbesondere pro Gitter, mindestens eine Kontaktstelle erzeugt wird oder mit dem jeweiligen Gitter zusammen erzeugt wird, so dass insbesondere eine Steuerleitung angeschlossen werden kann, welche mit dem jeweiligen Gitter elektrisch leitend verbunden wird, so dass die Gitter auf ein elektrisches Potential gesetzt werden können. Dabei ist eine mittels der Halbleitertechnik erzeugte Kontaktstelle ebenfalls für eine Miniaturisierung der Analysevorrichtung von Vorteil, da keine zusätzlichen Bauteile an dem jeweiligen Substrat angebracht werden müssen. Insbesondere ist keine Anbringung von Hand nötig. Insgesamt ist dieses Vorgehen genauer und reduziert Fehler, welche später die Messgenauigkeit oder die Funktionalität der Analysevorrichtung negativ beeinflussen können.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Analysevorrichtung ferner mindestens einen Detektor, insbesondere eine Kollektor, umfasst, wobei der mindestens eine Detektor in einem weitere Substrat und/oder einer Substratoberfläche des weiteren Substrates erzeu wird und mit dem mindestens ersten Substrat und dem mindestens zweiten Substrat, insbesondere mit dem Substratstapel, ausgerichtet und verbondet wird. Der mindestens eine Detektor ist für das Messen einer Größe, insbesondere einer Ladung und/oder einer Ladungsänderung, in der Analysevorrichtung vorgesehen. Dadurch dass der Detektor vorzugsweise auch durch Halbleitertechnik auf einem Substrat erzeugt wird, ist dieser klein und der vorteilhaften Miniaturisierung der Analysevorrichtung, insbesondere für einen Verzögerungsfeldanalysator, dienlich. Zusätzlich kann das Substrat, auf welchem der Detektor erzeugt wird, sehr genau zu den Gittern ausgerichtet und verbondet werden, was wiederum die Messgenauigkeit erhöht und weniger Fehlerquellen bei der Fertigung zulässt, als bei einem Verbinden solcher Bauteile von Hand.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in und/oder auf dem mindestens einen ersten Substrat, dem mindestens einen zweiten Substrat und dem weiteren Substrat, in welchem der mindestens eine Detektor erzeugt wurde, jeweils mindestens eine Ausrichtungsmarke erzeugt wird oder mit den Gittern beziehungsweise dem Detektor zusammen erzeugt wird, so dass die Gitter und die Detektoren anhand der mindestens einen Ausrichtungsmarke vor dem Verbünden, insbesondere optisch, zueinander ausgerichtet werden können. Mithilfe der mindestens einen Ausrichtungsmarke wird ein besonders genaues Ausrichten der einzelnen Substrate zueinander ermöglicht, was sich insbesondere vorteilhaft auf die Messgenauigkeit der Analysevorrichtung auswirkt. Auf diese Weise kann ein Verhältnis, insbesondere ein Signal-zu-Rauschen Verhältnis, einer Anzahl der in die Analysevorrichtung eintretenden Teilchen zu einer Anzahl der detektierten/gemessenen Teilchen verbessert werden, dadurch dass insbesondere die Gitter genauer zueinander ausgerichtet sind. Zusätzlich kann durch die Ausrichtungsmarken ein optisches Ausrichten, insbesondere automatisiertes Ausrichten durch eine entsprechende Vorrichtung, erleid werden beziehungsweise genauer erfolgen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass auf oder in dem Substrat, in welchem der mindestens eine Detektor erzeugt wird, jeweils pro Detektor mindestens eine Anschlussstelle, insbesondere zum Anschließen einer Signalleitung, erzeugt wird oder mit dem Detektor zusammen erzeugt wird, welche mit dem jeweiligen Detektor elektrisch leitend verbunden ist, so dass der Detektor einen Wert, insbesondere eine Anzahl von Teilchen mit bestimmter Energie oder eine Ladungsänderung, vermessen kann und/oder ein Signal, insbesondere über die Signalleitung, weiterleiten kann, so dass damit insbesondere eine Verteilung bestimmt werden kann. Die Herstellung einer Anschlussstelle mittels der Halbleitertechnik ist ebenfalls für die Miniaturisierung vorteilhaft. Eine Elektronik für ein Auslesen und/oder ein Weiterleiten eines Signals kann dabei vorteilhaft ebenfalls auf dem Substrat, auf welchem der Detektor erzeugt wird, erzeugt werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass weitere Schaltkreise und/oder Mikroelektronische Systeme, auf und/oder in dem ersten Substrat, dem zweiten Substrat und/oder dem weiteren Substrat, in welchem der mindestens eine Detektor erzeugt wird, erzeugt werden und/oder verbündet werden. Ein direktes Erzeugen und/oder Verbünden stellt die Funktionalität und die Messgenauigkeit der Analysevorrichtung sicher. Außerdem können durch weitere Schaltkreise und/oder Mikroelektronische Systeme insbesondere die Funktionen der Analysevorrichtung erweitert werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass daf mindestens eine erste Gitter, das mindestens eine zweite Gitter, der Dete die weiteren Schaltkreise und/oder die Mikroelektronischer Systeme mit Dünnschichttechnik, bevorzugt mit einem Galvanischen Verfahren, bevorzugter mit einem Sol-Gelverfahren, besonders bevorzugt durch chemische Gasphasenabscheidung oder durch physikalische Gasphasenabscheidung, erzeugt werden, wobei insbesondere eine photolithographische Maske oder ein Imprintstempel verwendet wird. Ein Erzeugen mittels solcher Dünnschichttechniken ist vorteilhaft für die Miniaturisierung der Analysevorrichtung. Zusätzlich können Arbeitsschritte, welche im Stand der Technik von Hand durchgeführt werden, durch automatisierte, insbesondere weniger Fehler anfällige, Verfahrensschritte ersetzt werden, was sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten, auf die Messqualität und auf eine Fehleranfälligkeit bei der Fertigung auswirkt.
Im folgenden Paragraphen werden wichtige Begriffe erläutert.
Substrat
Auf einem Substrat, insbesondere auf einem Wafer, werden funktionale Strukturen erzeugt. Das Substrat verfügt über eine erste und eine zweite Substratoberfläche. Die funktionalen Strukturen können auf einer der beiden Substratoberflächen oder auf beiden Substratoberflächen erzeugt werden. Insbesondere wird auch ein spezieller Prozessfluss erläutert werden, mit dessen Hilfe man Strukturen in ein Substrat einbringen kann. Das Substrat kann insbesondere über eine Verbindungsschicht verfügen, welche den Bondvorgang unterstützt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Verbindungsschicht um ein Oxid. Denkbar ist auch, dass es sich bei der Verbindungsschicht um einen Kleber, insbesondere ein Bondingadhäsiv handelt. In diesem Fall würde die Verbindung der Substrate einen Temporärbond darstellen.
Die Substrate können jede beliebige Form besitzen, sind aber bevorzugt i Der Durchmesser der Substrate ist insbesondere industriell genormt. Für Wafer sind die industrieüblichen Durchmesser, 1 Zoll, 2 Zoll, 3 Zoll, 4 Zoll, 5 Zoll, 6 Zoll, 8 Zoll, 12 Zoll und 18 Zoll. Grundsätzlich kann ein Substrat, auf dem die Gitter oder sonstige funktionale Strukturen erstellt werden aber unterschiedliche Formen und Maße aufweisen. Die erzeugte Analysevorrichtung ist bevorzugt ein Verzögerungsfeldanalysator und somit insbesondere eine Sonde, die kleine Maße besitzt. Vorzugsweise werden mehrere Analysevorrichtungen auf einem Substrat erzeugt. Dabei können insbesondere mehrere Analysevorrichtungen in einem Bondvorgang erzeugt werden. Vorzugsweise werden die einzelnen Analysevorrichtungen anschließend voneinander getrennt, insbesondere ausgeschnitten und/oder nachbearbeitet. Es ist jedoch auch denkbar, dass mehrere auf einem Substrat hergestellte Gitter zuerst voneinander getrennt werden und anschließend zu einer Analysevorrichtung verbündet werden.
Funktionale Strukturen
Die funktionalen Strukturen sind insbesondere die Menge aller Elemente, die auf oder in einem Substrat hergestellt, angebracht oder angeschlossen werden, um die Analysevorrichtung betreiben zu können. Zu den funktionalen Strukturen gehören insbesondere Gitter und Ausrichtungsmarken. Die funktionalen Strukturen werden vorzugsweise entweder auf einer Substratoberfläche aufgebracht und von einer Verbindungsschicht umgeben oder sie werden in eine Verbindungsschicht oder im Substrat erzeugt. Vorzugsweise werden zumindest einige funktionalen Einheiten, insbesondere die Gitter in das Substrat eingebaut. Vorzugsweise liegen die Oberflächen der funktionalen Strukturen unterhalb der Oberfläche, die im Prozess zum Bonden verwendet wird. Sollten die funktionalen Strukturen über eine sehr geringe Höhe verfügen, wäre es auch denkbar, sie auf einem Substrat aufzubringen und ein weiteres Substrat direkt mit ihnen zu verbonden. Vorzugsweise werden die funktionalen Strukturen allerdings in einem Oxid, das auf der Substratoberfläche abgeschieden wurde, oder im Substrat selbst erzeugt. Oxid kann insbesondere für einen Fusionsprozess verwendet werden. Bei den funktionalen Strukturen handelt es sich insbesondere um folgende Elemente.
Ausrichtungsmarken
Die Ausrichtungsmarken werden insbesondere benötigt um mehrere erfindungsgemäße Substrate zueinander auszurichten, sodass die Gitter, insbesondere die geätzten Durchgänge zwischen den Gitterlinien kongruent zueinander sind, das heißt insbesondere fluchten oder nahtlos ineinander übergehen. Es handelt sich um Strukturen im Millimeter, vorzugsweise Mikrometer, noch bevorzugter Nanometerbereich.
Gitter
Ein geeignetes Gitter wird als leitende oder halbleitende strukturierte Schicht auf einer Substratoberfläche, vorzugsweise im Substrat erzeugt.
In einer beispielhaften Ausführungsform besteht das Gitter vorzugsweise aus symmetrischen, zueinander orthogonalen, sich schneidenden Gitterlinien. Das Gitter verfügt über eine Maschenweite W und eine Maschenbreite B. Vorzugsweise sind die Maschenweite W und die Maschenbreite B identisch. In diesem Fall wird im Folgenden nur die Maschenweite W angegeben.
Die Maschenweite W liegt zwischen 0.1 μm. und 10000μm., vorzugsweise zwischen 0.5 μm. und 1000μm., noch bevorzugter zwischen I μm und 100 μm., am bevorzugtesten zwischen 5μm. und 75μm., am allerbevorzugtesten zwischen 10μm. und 50 m.,.
Die Maschenbreite B liegt zwischen 0.1 μm und 10000μm, vorzugsweise zwischen 0.5μm und 1000μm, noch bevorzugter zwischen 1 μm und 100pi am bevorzugtesten zwischen 5 μm und 75 μm, am allerbevorzugtesten zwischen 10μm und 50μm.
Sind die Maschen kreisförmig, kann man von einem Maschendurchmesser sprechen.
Der Maschendurchmesser liegt zwischen 0.1 μm und 10000μm, vorzugsweise zwischen 0.5μm und 1000μm, noch bevorzugter zwischen 1 μm und 100μm, am bevorzugtesten zwischen 5μm und 75μm, am allerbevorzugtesten zwischen 10μm und 50μm.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform weist das Gitter eine radialsymmetrische Gestalt auf. In diesem Fall sind die Gitterlinien kreis förmig ausgebildet. Das Gitter verfügt dann über eine Maschenwinkeldifferenz W und eine Maschenradiusdifferenz B.
Die Maschenwinkeldifferenz W liegt zwischen 20° und 0.001°, vorzugsweise zwischen 10° und 0.005°, noch bevorzugter zwischen 5° und 0.01 °, am bevorzugtesten zwischen 1 ° und 0.05°, am allerbevorzugtesten zwischen 0.1 ° und 0.01 °.
Die Maschenradiusdifferenz B liegt zwischen 1cm und lnm, vorzugsweise zwischen 1mm und l0nm, noch bevorzugter zwischen 100μm und 100nm, am bevorzugtesten zwischen l0μm und1 μm , am allerbevorzugtesten zwischen
5 μm und 1 μm. Vorzugsweise verfügt das Gitter über mindestens eine Kontaktstelle, an der elektrische Mittel, insbesondere Drähte, Klemmen oder Stifte angebracht werden um das Gitter auf Potential setzen zu können. Die Kontaktstelle kann auch auf dem Substrat angeordnet sein, ist dann aber vorzugsweise mit dem Gitter elektrisch leitend verbunden.
Der Abstand zweier Gitter auf zwei unterschiedlichen, zueinander benachbarten Substraten liegt zwischen 500 und 1000μmh, vorzugsweise zwischen 400μm. und 900μm., noch bevorzugter zwischen 300μm. und 800 μm. am bevorzugtesten zwischen 200μm. und 700μm., am allerbevorzugtesten zwischen 100μm. und 500μm..
Die Dicke eines Gitters liegt zwischen 500μm., und 750μm., vorzugsweise zwischen 250μm. und 500μm., noch bevorzugter zwischen 50μm. und 250μm., am bevorzugteste zwischen 25μm. und 150μm., am allerbevorzugtesten zwischen 10μm., und 50μm..
Das Gitter besteht vorzugsweise aus einem der folgenden Materialien:
• Metall, insbesondere o Ni, Cu, Ag, Au, Al
• Halbleiter, insbesondere o Si (n-dotiert)
• Metalllegierung
• Keramik, insbesondere o SiC (n-dotiert).
Verbindungs Schicht
Im Gegensatz zum Stand der Technik dient die Verbindungsschicht nicht nur der elektrischen Isolierung einzelner Gitter, sondern vorzugsweise auch der Unterstützung des Bondvorgangs.
Das Abstandsmaterial besteht vorzugsweise aus einem der folgenden Materialien:
• Halbleiter, insbesondere o Si
• Glas, insbesondere o Si02, insbesondere Quartz o Sapphir
• Polymer, insbesondere o BCB.
Kontaktstellen
Kontaktstellen dienen der leichteren elektrischen Kontaktierung des Gitters. Sie sind insbesondere mit dem Gitter elektrisch leitend verbunden. Integrierte Schaltkreise (ICs)
Denkbar wäre auch, dass direkt am Substrat unterschiedliche Schaltkreise, insbesondere Mikrochips oder Speicher hergestellt werden. Die Schaltkreise könnten beispielsweise für die Potentialsteuerung oder Potentialstabilisierung des Gitters dienen.
Mikroelektronische Systeme (MEMS)
Denkbar wäre auch, dass direkt am Substrat unterschiedliche MEMS, insbesondere hergestellt werden.
Verfahren zur Gitterherstellung
Bei dem Gitter handelt es sich insbesondere um ein durch Planartechniken hergestelltes Gitter. Exemplarisch werden mehrere Methoden aufgezeigt, um ein solches Gitter herzustellen. Der tatsächliche Prozessfluss kann dagegen durch einige Prozessschritte vom offenbarten Prozessfluss abweichen, insbesondere wenn bessere, schnelle, effizientere und vor allem billigere Methoden zur Verfügung stehen um das erfindungsgemäße Gitter herzustellen. Das insbesondere geeignetste Verfahren wird zuletzt angegeben und insbesondere mit allen mindestens notwendigen Prozessschritten offenbart.
Erstes Verfahren
In einem ersten beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren wird ein erfindungsgemäßes Gitter auf einer Substratoberfläche erzeugt.
In einem ersten Prozessschritt wird ein Substrat bereitgestellt. In einem zweiten Prozessschritt wird ein Substrat mit einem Fotolack, insbesondere vollflächig, beschichtet.
In einem dritten Prozessschritt wird der Fotolack mit Hilfe einer photolithographischen Maske und einer entsprechende Lichtquelle photolithographisch belichtet. Die photolithographische Maske enthält insbesondere die Strukturen des zu erzeugenden Gitters in positiver oder negativer Form. Denkbar wäre auch die Strukturierung mit Hilfe einer Imprinttechnologie.
In einem vierten Prozessschritt wird der Fotolack entwickelt.
In einem fünften Prozessschritt wird das Substrat insbesondere mit einem entsprechenden Metall beschichtet
In einem sechsten Prozessschritt wird insbesondere der Fotolack entfernt
In einem siebten Prozessschritt wird insbesondere das Metall als Ätzstopp verwendet und eine Ätzung des Substrats vorgenommen. Die Ätzung erfolgt dabei bis auf die Rückseite des Substrats. Die entsprechenden Löcher beziehungsweise Durchgänge dienen insbesondere den Ionen dazu das Gitter passieren zu können. Zu diesem Zeitpunkt stellt das Gitter insbesondere eine erhöhte Struktur in Bezug zur Substratoberfläche dar. Zweites Verfahren
In einem zweiten beispielhaften erfindungsgemäßen vorteilhaften Verfahren werden insbesondere alle Prozessschritte des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens bis inklusive dem sechsten Prozessschritt durchgeführt.
In einem siebten Prozessschritt wird dann insbesondere ein Oxid abgeschieden, das bis auf die Höhe der Gittermaterialschicht rückgedünnt wird.
In einem achten Prozessschritt wird dann auf dem Oxid eine Maske aufgebracht, mit deren Hilfe insbesondere die Ätzung der Durchgänge ermöglicht wird.
In einem neunten Prozessschritt wird dann diese insbesondere Maske zum Ätzen der Durchgänge verwendet. Die Ätzung erfolgt dabei wiederum bis auf die Rückseite des Substrats. Die Löcher beziehungsweise die Durchgänge dienen insbesondere den Ionen dazu das Gitter passieren zu können. Zu diesem Zeitpunkt sind die Gitteroberfläche und die Oxidoberfläche insbesondere kongruent, was den Bondvorgang vereinfacht.
Drittes Verfahren
In einem dritten beispielhaften erfindungsgemäßen besonders vorteilhaften Verfahren werden die funktionalen Einheiten, insbesondere das Gitter direkt in das Substrat eingebaut. Entsprechend komplizierter und aufwendiger i das Verfahren. In einem ersten Prozessschritt wird ein Substrat bereitgestellt.
In einem zweiten Prozessschritt, wird auf dem Substrat eine Maskenmaterialschicht abgeschieden. Die Maskenmaterialschicht kann insbesondere durch jeden bekannten chemischen und/oder physikalischen Prozess abgeschieden werden, vorzugsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder einen Sol-Gel Prozess.
In einem dritten Prozessschritt, wird die Maskenmaterialschicht strukturiert, sodass insbesondere eine Apertur entsteht. Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Foto- und/oder Imprintlithographie.
In einem vierten Prozessschritt, wird das Substrat geätzt, sodass insbesondere eine Vertiefung im Substrat entsteht. Die Maskenmaterialschicht schützt dabei den restlichen Teil des Substrats vor der Ätzchemikalie.
In einem fünften Prozessschritt, wird die Maskenmaterialschicht insbesondere entfernt.
In einem sechsten Prozessschritt, wird die Gittermaterialschicht abgeschieden. Die Gittermaterialschicht kann durch jeden bekannten chemischen und/oder physikalischen Prozess abgeschieden werden. Vorzugsweise aber durch Elektrodeposition, weniger bevorzugt durch PVD oder CVD. In einem siebten Prozessschritt, wird ein chemi sch- mechanischer Polierprozess (engl.: CMP, Chemical mechanical polishing) durchgeführt. Durch den CMP Prozess wird die Gittermaterialschicht, sowie ein Teil der Substratoberfläche abgetragen, bis sich die Gittermaterialschichtoberfläche und die Substratoberfläche angeglichen haben.
In einem achten Prozessschritt, wird eine Maskenmaterialschicht abgeschieden. Die Maskenmaterialschicht kann durch jeden bekannten chemischen und/oder physikalischen Prozess abgeschieden werden, vorzugsweise durch PVD, CVD oder einen Sol-Gel Prozess.
In einem neunten Prozessschritt, wird die Maskenmaterialschicht strukturiert. Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Foto- und/oder Imprintlithographie. Die Strukturierung umfasst insbesondere die funktionalen Merkmale beziehungsweise Strukturen, die am Ende des Prozessflusses erzeugt werden sollen.
In einem zehnten Prozessschritt, wird eine Ätzung der Gittermaterialschicht und damit deren Strukturierung durchgeführt.
In einem elften Prozessschritt, wird das Substrat insbesondere umgedreht und an der Rückseite mit einer weiteren Maskenmaterialschicht beschichtet. Die Maskenmaterialschicht kann durch jeden bekannten chemischen und/oder physikalischen Prozess abgeschieden werden, vorzugsweise durch PVD, CVD oder einen Sol-Gel Prozess. In einem zwölften Prozessschritt, wird die rückseitig aufgebrachte Maskenmaterialschicht strukturiert, sodass insbesondere eine Apertur entsteht. Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Foto- und/oder Imprintlithographie.
In einem dreizehnten Prozessschritt, wird das Substrat insbesondere rückseitig geätzt, sodass eine rückseitige Vertiefung entsteht, die bis zur Gittermaterialschicht reicht. Die Maskenmaterialschicht schützt dabei den restlichen Teil des Substrats vor der Ätzchemikalie.
In einem vierzehnten Prozessschritt, wird die Maskenmaterialschichten vorder- und rückseitig entfernt werden. Das Resultat ist insbesondere ein einziges Substrat, mit einem eingebauten Gitter.
Dem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass man in allen genannten Verfahren zusätzliche Prozessschritte vorsehen kann oder sogar vorsehen muss um zu den gewünschten Ergebnissen zu kommen. Denkbar wäre auch dass die Reihenfolge der Prozessschritte zur Herstellung des Gitters unterschiedlich ist.
Verfahren zum Bonden
Die erzeugten Substrate mit den Gittern werden nun in einer technisch sinnvollen Reihenfolge miteinander verbündet. Dazu erfolgt eine, insbesondere mit Hilfe optischer Mittel durchgeführte, Ausrichtung der Substrate zueinander. Vorzugsweise werden die Substrate in einer Ausrichtungsanlage (engl. : Bonder), vorzugsweise einem Fusionbonder ausgerichtet und miteinander verbondet. Die erfindungsgemäß benötigten Ausrichtungsmarken wurden vorzugsweise bereits mit den anderen funktionalen Einheiten, insbesondere dem Gitter, erzeugt.
Neben den erzeugten Substraten mit den Gittern wird mindestens noch ein Substrat, auf dem sich ein Detektor, insbesondere ein Kollektor für die Ionen, befindet für den Aufbau der Analysevorrichtung, insbesondere des Verzögerungsfeldanalysators, verwendet. Dabei kann es auch sein, dass zu nächst verschiedene Substrate mit insbesondere ausgerichteten Gittern zu einem Substratstapel verbündet werden und anschließend ein Detektor mit dem Substratstapel verbondet wird. Denkbar ist auch, dass insbesondere nur ein Bondvorgang durchgeführt wird, um eine entsprechende Analysevorrichtung zu erzeugen.
Denkbar ist auch, dass insbesondere an die Substratoberfläche des obersten Substrats ein Schutzsubstrat gebondet wird.
Analysevorrichtung
Eine Analysevorrichtung, insbesondere ein Verzögerungsfeldanalysator, ist vorzugsweise wie folgt aufgebaut.
Eine erste, insbesondere unterste Ebene der Analysevorrichtung besteht aus einem Substrat, welches einen Detektor enthält. Der Detektor verfügt vorzugsweise bereits über eine entsprechende Elektronik um insbesondere den gemessenen Ionenstrom zu vermessen. Der Ionenstrom kann als digitales und/oder analoges Signal über eine Signalleitung ausgelesen werden. Eine weitere, insbesondere zweite Ebene des Verzögerungsfeldanalysators besteht aus einem Substrat mit einem Gitter, und wird vorzugsweise zur Unterdrückung von sekundären Elektronen verwendet.
Eine weitere, insbesondere dritte Ebene des Verzögerungsfeldanalysators besteht aus einem Substrat mit einem Gitter und wird vorzugsweise als Diskriminator verwendet.
Eine weitere, insbesondere vierte Ebene des Verzögerungsfeldanalysators besteht aus einem Substrat mit einem Gitter und wird vorzugsweise zur Unterdrückung von Plasmaelektronen verwendet.
Eine weitere, insbesondere fünfte, vorzugsweise letzte obere Ebene des Verzögerungsfeldanalysators besteht aus einem Substrat mit einem Gitter und wird vorzugsweise als Potentialelektrode verwendet.
Auf der obersten Ebene kann eine Schutzschicht, insbesondere aus Aluminium abgeschieden werden. Die Schutzschicht muss dann durch entsprechende Verfahren zumindest teilweise geöffnet werden um insbesondere den Ionen den Zugang zu den Gittern zu gestatten. Denkbar ist auch, dass eine Schutzplatte aufgebracht oder ein Schutzsubstrat gebondet wird. Die Schutzplatte beziehungsweise das Schutzsubstrat müssen dann ebenfalls Durchgänge besitzen um den Ionen den ungehinderten Zugang zu den Gittern zu gestatten.
Die Analyse Vorrichtung, insbesondere der Verzögerungsfeldanalysators, über weitere Ebenen, bestehend aus unterschiedlichen funktionalen Einhe insbesondere Gittern bestehen. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die zeigen schematisch in:
Figur 1 eine photolithographische Maske,
Figur 2a eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes beispielhaftes Substrat, Figur 2b eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen beispielhaftes Substrats,
Figur 3 einen erfindungsgemäßen beispielhaften Substratstapel, Figur 4a einen ersten Prozessschritt eines dritten Verfahrens, Figur 4b einen zweiten Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4c einen dritten Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4d einen vierten Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4e einen fünften Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4f einen sechsten Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4g einen siebten Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4h einen achten Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4i einen neunten Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4j einen zehnten Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4k einen elften Prozessschritt des dritten Verfahrens,
Figur 41 einen zwölften Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4m einen dreizehnten Prozessschritt des dritten Verfahrens, Figur 4n einen vierzehnten Prozessschritt des dritten Verfahrens und Figur 5 einen erfindungsgemäßen Verzögerungsfeldanalysator.
In den Figuren sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Figur 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer beispielhaften photolithographischen Maske 1 , die zur Herstellung von funktionalen Strukturen verwendet werden kann. Im Allgemeinen wird man mehrere photolithographische Masken 1 benötigen, insbesondere für die unterschiedlich komplizierten Verfahrensschritte des Verfahrens, dass durch die Figuren 4a-4n beschrieben wird. Denkbar wäre auch, dass die funktionalen Strukturen auch durch andere lithographische Prozesse, insbesondere durch die Imprintlithographie hergestellt werden. In diesem Fall wird die photolithographische Maske 1 durch einen entsprechenden Imprintstempel ersetzt. Im vorliegenden Fall sind in der Maske 1 die Negative für die funktionalen Elemente eines Gitters 3 und den Ausrichtungsmarken 5 dargestellt.
Die Figur 2 zeigt im oberen Teil eine Aufsicht auf ein Substrat 2, das über eine Verbindungsschicht 7o, insbesondere ein Oxid, verfügt. Im vorliegenden Fall wird ein Substrat 2 mit 22 x 22 Durchgängen 6 dargestellt. Die Verbindungsschicht 7 besitzt eine Verbindungsschichtoberfläche 7o, die insbesondere mit der Gitteroberfläche 3o fluchtet beziehungsweise lotrecht ausgebildet ist. Das Gitter 3, eine Kontaktstelle 4, sowie die Ausrichtungsmarken 5 bilden die wesentlichen funktionalen Strukturen d Substrats. Die Durchgänge 6 verbinden die Gitteroberfläche 3o beziehungsweise die Substratoberfläche 2o mit der Substratrückseite 2r. Durch diese Durchgänge 6 bewegen sich in der fertigen Analysevorrichtung 8, insbesondere im Verzögerungsfeldanalysator, vorzugsweise die Ionen. Das Gitter 3 ist mit der Kontaktstelle 4 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktstelle 4 dient insbesondere dazu, dass Gitter 3 leichter elektrisch kontaktieren zu können. Denkbar wäre natürlich auch eine direkte Kontaktierung des Gitters 3 über beispielsweise Elektroden.
Der untere Teil der Figur 2 zeigt die Seitenansicht auf ein Substrat 2. Erkennbar ist, dass die Gitteroberfläche 3o des Gitters 3 vorzugsweise mit der Verbindungsschichtoberfläche 7o fluchtet ausgebildet wird. Denkbar ist auch, dass die Gitteroberfläche 3o in Bezug zur Verbindungsschichtoberfläche 7o zurückgesetzt wird. Die Verbindungsschichtoberfläche 7o erleichtert und verbessert beim Bonden die Kontaktierung zu einem weiteren Substrat 2. Bei der Verbindungsschicht 7 kann es sich grundsätzlich um ein Polymer, bevorzugter um eine Oxidschicht handeln. Im ersten Fall wäre der der Bondprozess zwischen mehreren Substraten 2 dann ein Temporärbond, im zweiten Fall ein Fusionsbondprozess.
Die Figur 3 zeigt eine Seitenansicht einer Analysevorrichtung 8, insbesondere einen Verzögerungsfeldanalysators die Analysevorrichtung 8 besteht aus mehreren, zueinander mit Hilfe der Ausrichtungsmarken 5 (nicht eingezeichnet), hochpräzise ausgerichteten und gebondeten Substraten 2. Die hohe Ausrichtungsgenauigkeit bewirkt, dass die einzelnen Durchgänge 6 sehr genau zueinander ausgerichtet sind. Des Weiteren wirken die Substrate 2 als Stabilisatoren für die Gitter 3, sodass ein Durchhängen der Gitter 3 wie im Stand der Technik verhindert wird. Durch das Ausrichten und Verbünden der Gitter wird daher eine nicht gewollte Verschiebung innerhalb der Ebene, sowie ein Durchhängen der Gitter aus der Ebene verhindert beziehungsw« gänzlich unterbunden. In der Analysevorrichtung 8 befindet sich, vorzugsweise am Ende, mindestens ein Detektor-Substrat 2‘, auf dem ein Detektor 9 vorhanden ist, mit dessen Hilfe insbesondere die Ionen, welche die Gitter 3 in einem bestimmten Analysevorgang passieren konnten, detektiert werden. Auf die Funktionsweise dieses Detektors 9 wird hier nicht näher eingegangen, da sie für die generelle Funktionsweise der Analysevorrichtung von untergeordneter Relevanz ist. Vorzugsweise ist der Detektor 9 allerdings in der Lage, insbesondere die Menge der Ionen in einen, vorzugsweise proportionalen, elektrischen Strom umzuwandeln. Der Strom kann dann in ein entsprechendes Messsignal, insbesondere in einen Wert für die Ionendichte umgewandelt werden. Die Gitter 3 können über entsprechende elektrische Steuerleitungen 10 auf Potential, insbesondere ein bestimmtes elektrisches Potential, gesetzt werden. Das Detektorsignal wird insbesondere über eine Signalleitung 1 1 abgenommen. Die Analysevorrichtung 8 kann an einer Oberseite durch eine Schutzschicht, insbesondere aber durch ein ebenfalls verbündetes Schutzsubstrat 2“ abgeschlossen bedeckt werden. Das Schutzsubstrat 2“ verfügt dabei über besonders große Durchgänge 6‘, die den ungehinderten Zugang der Ionen zu den darunterliegenden Durchgängen 6 erlauben.
Die Figuren eines dritten Fierstellprozesses der Gitter in den Substraten sind in den Figuren 4a bis 4n vereinfacht schematisch dargestellt. Dabei wird das Gitter 3 im Querschnitt nur mit vier Durchgängen 6 dargestellt und nimmt im Querschnitt ca. 1/3 der Fläche ein. Des Weiteren sind die Dicken nicht verhältnismäßig korrekt dargestellt. Der Fachmann auf dem Gebiet verwendet derartige Flussdiagramme nur um die wesentlichen Merkmale und Prozessschritte darzustellen, die man für das Verständnis benötigt.
Die Figur 4a zeigt einen ersten Prozessschritt zur Erzeugung einer Analysevorrichtung 8, bei dem ein Substrat 2 bereitgestellt wird. Die Figur 4b zeigt einen zweiten Prozessschritt, bei dem auf dem Substrat 2 eine Maskenmaterialschicht 12 abgeschieden wird. Die
Maskenmaterialschicht 12 kann durch jeden bekannten chemischen und/oder physikalischen Prozess abgeschieden werden, vorzugsweise durch PVD, CVD oder einen Sol-Gel Prozess.
Die Figur 4c zeigt einen dritten Prozessschritt, bei dem die Maskenmaterialschicht 12 strukturiert wird, sodass eine Apertur 13 entsteht. Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Foto- und/oder Imprintlithographie.
Die Figur 4d zeigt einen vierten Prozessschritt, bei dem das Substrat 2 geätzt wird, sodass eine Vertiefung 14 entsteht. Die Maskenmaterialschicht 12 schützt dabei den restlichen Teil des Substrats vor der Ätzchemikalie.
Die Figur 4e zeigt einen fünften Prozessschritt, bei dem die Maskenmaterialschicht 12 (nicht mehr eingezeichnet) entfernt wird.
Die Figur 4f zeigt einen sechsten Prozessschritt, bei dem eine Gittermaterialschicht 15 abgeschieden wird. Die Gittermaterialschicht kann durch jeden bekannten chemischen und/oder physikalischen Prozess abgeschieden werden, vorzugsweise aber durch Elektrodeposition, weniger bevorzugt durch PVD, CVD.
Die Figur 4g zeigt einen siebten Prozessschritt, bei dem ein chemisch- mechanischer Polierprozess (engl.: CMP, Chemical mechanical polishing' durchgeführt wird. Durch den CMP Prozess wird die Gittermaterialschicl sowie ein Teil der Substratoberfläche 2o abgetragen, bis sich die Gittermaterialschichtoberfläche 15o und die Substratoberfläche 2o angeglichen haben.
Die Figur 4h zeigt einen achten Prozessschritt, bei dem erneut eine Maskenmaterialschicht 12 abgeschieden wird. Die Maskenmaterialschicht 12 kann durch jeden bekannten chemischen und/oder physikalischen Prozess abgeschieden werden, vorzugsweise durch PVD, CYD oder einen Sol-Gel Prozess.
Die Figur 4i zeigt einen neunten Prozessschritt, bei dem die Maskenmaterialschicht 12 strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Foto- und/oder Imprintlithographie. Die Strukturierung umfasst die funktionalen Merkmale, die am Ende des Prozesses erzeugt werden sollen.
Die Figur 4j zeigt einen zehnten Prozessschritt, bei dem eine Ätzung der Gittermaterialschicht 15 und damit deren Strukturierung erfolgt.
Die Figur 4k zeigt einen elften Prozessschritt, bei dem das Substrat 2 umgedreht und anschließend an der Rückseite mit einer weiteren Maskenmaterialschicht 12 beschichtet wird. Die Maskenmaterialschicht 12 kann durch jeden bekannten chemischen und/oder physikalischen Prozess abgeschieden werden, vorzugsweise durch PVD, CVD oder einen Sol-Gel Prozess.
Die Figur 41 zeigt einen zwölften Prozessschritt, bei dem die rückseitig aufgebrachte Maskenmaterialschicht 12 strukturiert wird, sodass eine Ap 13 entsteht. Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Foto- und/oder Imprintlithographie.
Die Figur 4m zeigt einen dreizehnten Prozessschritt, bei dem das Substrat 2 rückseitig geätzt wird, sodass eine rückseitige Vertiefung 14 entsteht, die bis zur Gittermaterialschicht 15 reicht. Die Maskenmaterialschicht 12 schützt dabei den restlichen Teil des Substrats vor der Ätzchemikalie.
Die Figur 4n zeigt einen vierzehnten Prozessschritt, bei dem das die Maskenmaterialschichten 12 (nicht mehr eingezeichnet) vorder- und rückseitig entfernt werden. Das Resultat ist ein einziges Substrat, mit einem eingebauten Gitter 3. Mehrerer dieser Substrate 2 können nun über die Substratoberflächen 2o miteinander verbondet werden. Denkbar ist, dass auf den Substratoberflächen 2o noch eine Verbindungsschicht 7 (nicht eingezeichnet), insbesondere ein Oxid aufgebracht wird um den Bondvorgang zu verbessern.
Die Figur 5 zeigt eine Analysevorrichtung 8, insbesondere einen Verzögerungsfeldanalysator, die mit dem dritten Verfahren hergestellt wurde.
Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung
Bezugszeichenliste
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Claims

Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung (8) zum Analysieren von Ladungen, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist, insbesondere in der folgenden Reihenfolge: i. Erzeugen mindestens eines ersten Gitters (3) in einem ersten Substrat (2, 2‘ , 2“) und/oder auf einer ersten Substratoberfläche (2o) des ersten Substrates (2, 2‘ , 2“), ii. Erzeugen mindestens eines zweiten Gitters (3) in einem zweiten Substrat (2, 2‘ , 2“) und/oder auf einer zweiten Substratoberfläche (2o) des zweiten Substrates (2, 2‘ , 2“), iii. Ausrichten des ersten Substrates (2, 2‘, 2“) und des zweiten Substrates (2, 2‘ , 2“) zueinander, iv. Verbünden des ersten Substrates (2, 2‘ , 2“) und des zweiten Substrates (2, 2‘, 2“), so dass das mindestens erste Gitter (3) und das mindestens zweite Gitter (3) übereinander liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei mindestens ein weiteres Substrat (2, 2‘ , 2“) mit dem aus dem ersten Substrat (2, 2‘ , 2“) und dem zweiten Substrat (2, 2‘ , 2“) gebildeten Substratstapel ausgerichtet und verbondet wird, wobei in oder auf dem mindestens einen weiteren Substrat (2, 2‘ , 2“) ebenfalls ein Gitter (3) erzeugt wurde, wobei das Gitter (3) des mindestens einen weiteren Substrates (2, 2‘ , 2“) nach dem Verbonden über oder unter den Gittern (3) des mindestens einen ersten Substrates (2, 2‘ , 2“) und des mindestens einen zweiten Substrates (2, 2‘ , 2“) liegt.
3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Substrate (2, 2‘ , 2“) Wafer sind und/oder zumindest zum Teil aus einem Isolator und/oder einem Halbleiter, insbesondere zum Teil aus Silizium ausgebildet sind.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gitter (3) aus einer Gittermaterialschicht (15) erzeugt werden, welche aus einem Leiter und/oder einem Halbleiter ausgebildet sind.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erzeugten Gitter (3) jeweils mindestens vier, vorzugsweise mehr als acht, insbesondere regelmäßig angeordnete Durchgänge (6, 6‘) aufweisen, so dass Teilchen, insbesondere Ionen, die Gitter (3) passieren können.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Maschenweite, eine Maschenbreite und/oder ein Maschendurchmesser des mindestens ersten und des mindestens zweiten erzeugten Gitters (3) zwischen 0.1 μm und 10000μm, vorzugsweise zwischen 0.5μm und 1000μm, noch bevorzugter zwischen 1 μm und 100μm, am bevorzugtesten zwischen 5μm und 75μm, am allerbevorzugtesten zwischen 10μm und 50μm liegt.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Gitterdicke des mindestens ersten und mindestens zweiten Gitters (3) zwischen 10μm und 750μm, vorzugsweise zwischen 10μm und 500μm, noch bevorzugter zwischen 10μm und 250μm, am bevorzugteste zwischen 10μm und 150μm, am allerbevorzugtesten zwischen 10μm und 50μm liegt.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen dem mindestens ersten Gitter (3) und dem mindestens zweiten Gitter (3), zwischen 100μm und 1000μm, vorzugsweise zwischen 100μm und 900μm, noch bevorzugter zwischen 100μm und 800μm, am bevorzugtesten zwischen 100μm und 700μm, am allerbevorzugtesten zwischen 100μm und 500μm liegt.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf und/oder in dem ersten Substrat (2, 2‘, 2“), dem zweiten Substrat (2, 2‘, 2“) und/oder dem mindestens einen weiteren Substrat (2, 2‘, 2“) mindestens eine Kontaktstelle (4) erzeugt wird oder mit dem jeweiligen Gitter (3) zusammen erzeugt wird, so dass insbesondere eine Steuerleitung (10) angeschlossen werden kann, welche mit dem jeweiligen Gitter (3) elektrisch leitend verbunden wird, so dass die Gitter (3) auf ein elektrisches Potential gesetzt werden können.
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen Detektor (9), insbesondere einen Kollektor, wobei der mindestens eine Detektor (9) in einem weiteren Substrat (2, 2‘, 2“) und/oder einer Substratoberfläche (2o) des weiteren Substrates (2, 2‘, 2“) erzeugt wird und mit dem mindestens ersten Substrat und/oder dem mindestens zweiten Substrat (2, 2‘, 2“) ausgerichtet und verbündet wird.
11. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in und/oder auf dem mindestens einen ersten Substrat (2, 2‘, dem mindestens einen zweiten Substrat (2, 2‘, 2“) und dem weiter* Substrat (2, 2‘ , 2“), in welchem der mindestens eine Detektor (9) erzeugt wurde, jeweils mindestens eine Ausrichtungsmarke (5) erzeugt wird oder mit den Gittern (3) beziehungsweise dem Detektor (9) zusammen erzeugt wird, so dass die Gitter (3) und die Detektoren (9) anhand der mindestens einen Ausrichtungsmarke (5) vor dem Verbünden, insbesondere optisch, zueinander ausgerichtet werden können.
12. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf oder in dem Substrat (2, 2‘ , 2“), in welchem der mindestens eine Detektor (9) erzeugt wird, jeweils pro Detektor (9) mindestens eine Anschlussstelle, insbesondere zum Anschließen einer Signalleitung
(1 1 ), erzeugt wird oder mit dem Detektor (9) zusammen erzeugt wird, welche mit dem jeweiligen Detektor (9) elektrisch leitend verbunden ist, so dass der Detektor (9) einen Wert, insbesondere eine Anzahl von Teilchen mit bestimmter Energie oder eine Ladungsänderung, vermessen kann und/oder ein Signal, insbesondere über die Signalleitung ( 1 1), weiterleiten kann, so dass damit insbesondere eine Verteilung bestimmt werden kann.
13. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weitere Schaltkreise und/oder Mikroelektronische Systeme, auf und/oder in dem ersten Substrat (2, 2‘ , 2“), dem zweiten Substrat (2,
2‘ , 2“) und/oder dem weiteren Substrat (2, 2‘ , 2“), in welchem der mindestens eine Detektor (9) erzeugt wird, erzeugt werden und/oder verbondet werden.
14. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine erste Gitter (3), das mindestens eine zweite Gitter (3), ein Detektor (9), die weiteren Schaltkreise und/oder die Mikroelektronischer Systeme mit einer Dünnschichttechnik, bevori mit einem Galvanischen Verfahren, bevorzugter mit einem Sol- Gelverfahren, besonders bevorzugt durch chemische Gasphasenabscheidung oder durch physikalische Gasphasenabscheidung, erzeugt werden, wobei insbesondere eine photolithographische Maske (1) oder ein Imprintstempel verwendet wird.
15. Analysevorrichtung (8), hergestellt mit einem Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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