СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА И САМ КОНСТРУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
METHOD FOR MANUFACTURING STRUCTURAL ELEMENT AND STRUCTURAL ELEMENT

Изобретение относится к способу изготовления конструктивного элемента, в частности микромеханического, микроэлектромеханического (MEMS) или, предпочтительнее, микрооптоэлектромеханического (MOEMS) конструктивного элемента, а также к такому конструктивному элементу.
Для удержания по возможности на низком уровне воздействия окружающей среды, например влажности и загрязнений (например, пыли), на микроэлектромеханические (MEMS) конструктивные элементы и микрооптоэлектромеханические (MOEMS) конструктивные элементы активные структуры таких конструктивных элементов часто герметично инкапсулируют. В этой связи, в частности, подвижные структуры, оптические структуры или структуры, которые в равной степени содержат подвижные и оптические конструктивные элементы (например, подвижные зеркала), должны быть названы "активными структурами". Термин "активная область" определяет область, или точнее, объем конструктивного элемента, в котором активная структура размещена, или точнее выполняет перемещение. Герметично уплотненное инкапсулирование может дополнительно быть использовано для установления определенного внутреннего давления в области активных структур, что особенно выгодно для конструктивных элементов, функционирование которых зависит от определенного внутреннего давления, таких, например, как датчики ускорения и гироскопы (датчики скорости поворота).
Для обеспечения возможности изготовления по возможности экономически эффективных микроэлектромеханических (MEMS) и микрооптоэлектромеханических (MOEMS) конструктивных элементов их обычно изготавливают на уровне пластин. Часто проводимые процессы связывания могут быть реализованы на основе процессов непосредственного связывания, а также процессов анодного связывания.
Вывод электрических контактов из герметично уплотненной области конструктивного элемента для обеспечения контакта с определенными частями конструктивного элемента (например, для контакта с активной структурой) трудно реализовать с производственной точки зрения. Можно рассматривать различные возможности: электрические контакты могут, например, быть реализованы посредством проходящих в боковом направлении полупроводниковых слоев, имеющих низкое сопротивление слоя, выполненных, соответственно, посредством процессов имплантации и диффузии. Кроме того, возможна реализация посредством структурированных проводящих слоев, покрытых выровненным пассивирующим слоем.
В качестве альтернативы электрические контакты могут быть выведены из конструктивного элемента в форме множества вертикально размещенных сквозных соединений. Каждый из контактов может быть выполнен в виде провода, проводимого через открытие или отверстие в покрытии конструктивного элемента и соединенного с частью конструктивного элемента для обеспечения контакта. Однако, в случае больших значений соотношения сторон отверстия, то есть в случае больших значений отношения глубины отверстия к боковой поверхности отверстия, могут возникать затруднения, связанные с реализацией и долговечностью контакта. Согласно другой возможности контакт может быть создан в открытии или отверстии покрытия конструктивного элемента посредством осаждения электропроводящего слоя или электропроводящего материала, заполняющего отверстие. Это может, в частности, в случае высоких отношений сторон отверстия, приводить к затруднениям при реализации контакта, например, через отверстия в заполнении или в неравномерно осажденных слоях, и требует высокого расхода материала в связи с материалом, необходимым для заполнения, или дополнительных операций обработки.
Другое затруднение может возникнуть во время процесса соединения покрытия конструктивного элемента с другими слоями конструктивного элемента. При наличии вышеупомянутых отверстий еще до процесса связывания и отсутствии их заполнения проводящим материалом, уменьшена область связывания, которая доступна для соединения покрытия с другими слоями. Если существующие отверстия уже заполнены проводящим материалом, то из этого могут следовать ограничения для параметров процесса связывания (например, для температуры и давления). В обоих случаях качество соединения может быть уменьшено и получение герметично уплотненной области конструктивного элемента не может быть гарантировано.
Поэтому целью настоящего изобретения является создание способа изготовления конструктивного элемента, в частности микромеханического, микроэлектромеханического или микрооптоэлектромеханического конструктивного элемента, а также такого конструктивного элемента, посредством которого может быть реализован электрический контакт с частями конструктивного элемента.
Цель изобретения достигнута посредством объектов независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения могут быть обнаружены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Способ изготовления конструктивного элемента согласно настоящему изобретению включает операцию создания композита первого слоя, содержащего первую подложку, выполненную из электропроводящего материала, и по меньшей мере одну канавку, заполненную изолирующим материалом. Эта по меньшей мере одна канавка проходит во внешнем направлении от первой поверхности первой подложки и размещена таким образом, что первая область первой подложки электрически изолирована в боковом направлении от других областей первой подложки посредством по меньшей мере одной канавки на первой поверхности. Кроме того, способ изготовления конструктивного элемента включает операцию создания композита второго слоя, содержащего композит первого слоя и структурный слой. Структурный слой содержит активную структуру конструктивного элемента и выполнен электропроводящим по меньшей мере в первой области. Первая область структурного слоя примыкает к первой поверхности первой подложки в первой области первой подложки и электропроводящим образом соединена с первой областью первой подложки. Кроме того, способ изготовления конструктивного элемента включает операцию создания первой электропроводящей контактной площадки на второй поверхности первой подложки, причем вторая поверхность размещена противоположно первой поверхности и первая контактная площадка размещена в первой области первой подложки. Первая область первой подложки размещена на второй поверхности первой подложки, электрически изолированной в боковом направлении от других областей первой подложки посредством по меньшей мере одной канавки. Таким образом, электрическое соединение реализовано между первой контактной площадкой на второй поверхности первой подложки и первой областью структурного слоя посредством первой области первой подложки.
Согласно варианту реализации способа изготовления конструктивного элемента первое углубление может быть создано на первой поверхности первой подложки во время создания композита первого слоя, причем глубина первого углубления меньше толщины первой подложки. Первая область первой подложки размещена за пределами первого углубления. Внутри первого углубления может быть размещена вторая область первой подложки, которая электрически изолирована в боковом направлении от других областей первой подложки посредством по меньшей мере одной канавки на первой поверхности первой подложки. Во время создания композита второго слоя по меньшей мере часть активной структуры размещена внутри первого углубления на расстоянии от первой подложки. Кроме того, вторая электропроводящая контактная площадка размещена на второй поверхности первой подложки, причем вторая контактная площадка размещена во второй области первой подложки и вторая область первой подложки электрически изолирована в боковом направлении от других областей первой подложки посредством по меньшей мере одной канавки на второй поверхности первой подложки.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения композит первого слоя содержит по меньшей мере две канавки, заполненные изолирующим материалом, и по меньшей мере две вторые области первой подложки размещены относительно первого углубления. По меньшей мере две вторые контактные площадки созданы на второй поверхности первой подложки, причем каждая вторая контактная площадка размещена в одной из вторых областей первой подложки.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения композит первого слоя может содержать первую подложку и только по меньшей мере одну канавку, причем эта по меньшей мере одна канавка на первой подложке проходит ко второй поверхности первой подложки до создания композита второго слоя.
Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения эта по меньшей мере одна канавка в композите первого слоя первоначально проходит на глубину, меньшую толщины композита первого слоя, до создания композита второго слоя. После создания композита второго слоя и до создания первой контактной площадки, происходит уменьшение толщины композита первого слоя от первой поверхности композита первого слоя до глубины этой по меньшей мере одной канавки. Первая поверхность композита первого слоя представляет собой поверхность композита первого слоя, расположенную противоположно первой поверхности первой подложки.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения композит второго слоя может дополнительно содержать композит третьего слоя, примыкающий к слою подложки на стороне, противоположной композиту первого слоя и содержащий вторую подложку.
Если композит второго слоя содержит композит третьего слоя, то согласно первому варианту реализации настоящего изобретения может быть создан композит второго слоя, в котором первоначально структурный слой нанесен на первую поверхность первой подложки, и, после этого, структурный слой, нанесенный на композит первого слоя, соединяют с композитом третьего слоя. Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения может быть создан композит второго слоя, в котором первоначально структурный слой нанесен на композит третьего слоя, и, после этого, структурный слой, нанесенный на композит третьего слоя, соединен с композитом первого слоя.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения композит третьего слоя может содержать покрывной слой, выполненный электропроводящим по меньшей мере в одной области, который размещен на первой поверхности второй подложки. Первая поверхность второй подложки представляет собой поверхность второй подложки, обращенную к структурному слою. Второе углубление может быть создано на первой поверхности покрывного слоя, причем первая поверхность покрывного слоя представляет собой поверхность покрывного слоя, обращенную к структурному слою. Глубина второго углубления меньше толщины покрывного слоя. Во время создания композита второго слоя электропроводящая область покрывного слоя размещена с примыканием к первой области структурного слоя и второй области структурного слоя. Первая область структурного слоя размещена за пределами активной структуры, тогда как вторая область структурного слоя размещена внутри активной структуры и выполнена электропроводящей. Второе углубление и по меньшей мере одна часть активной структуры размещены так, что боковое расположение второго углубления соответствует боковому расположению по меньшей мере одной части активной структуры. Покрывной слой, таким образом, формирует мост пути тока, соединяющий вторую область структурного слоя с первой областью структурного слоя.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения структурный слой и слой композита третьего слоя, обращенный к структурному слою, могут состоять из одного и того же материала.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения первая подложка и структурный слой могут состоять из одного и того же материала.
В том случае, когда слои, подлежащие соединению друг с другом во время создания композита второго слоя, то есть первая подложка и структурный слой, и, если это применимо, слой композита третьего слоя, обращенный к структурному слою, состоят из одного и того же материала, могут быть использованы способы, особо подходящие для соединения этих слоев, например, процессы связывания. Например, слои могут состоять из полупроводникового материала, в частности кремния.
Конструктивный элемент согласно настоящему изобретению содержит композит первого слоя, содержащий первую подложку, выполненную из электропроводящего материала, и по меньшей мере одну канавку, заполненную изолирующим материалом. Эта по меньшей мере одна канавка проходит во внешнем направлении от первой поверхности первой подложки ко второй поверхности первой подложки, причем вторая поверхность первой подложки размещена противоположно первой поверхности первой подложки. Эта по меньшей мере одна канавка размещена таким образом, что первая область первой подложки электрически изолирована в боковом направлении от других областей первой подложки посредством по меньшей мере одной канавки. Конструктивный элемент дополнительно содержит структурный слой, содержащий активную структуру конструктивного элемента и выполненный электропроводящим по меньшей мере в первой области. Первая область структурного слоя примыкает к первой поверхности первой подложки в первой области первой подложки, причем первая область структурного слоя соединена с первой областью первой подложки электропроводящим образом. Конструктивный элемент дополнительно содержит первую электропроводящую контактную площадку на второй поверхности первой подложки, причем первая контактная площадка размещена в первой области первой подложки.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения первое углубление сформировано на первой поверхности первой подложки, причем его глубина меньше толщины первой подложки. Первая область первой подложки размещена за пределами первого углубления, а вторая область первой подложки может быть размещена внутри первого углубления, причем вторая область первой подложки электрически изолирована в боковом направлении от других областей первой подложки посредством по меньшей мере одной канавки. По меньшей мере часть активной структуры размещена внутри первого углубления на расстоянии от первой подложки. Конструктивный элемент дополнительно содержит вторую электропроводящую контактную площадку на второй поверхности первой подложки, причем вторая контактная площадка размещена во второй области первой подложки.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения композит первого слоя содержит по меньшей мере две канавки, заполненные изолирующим материалом. По меньшей мере две вторые области первой подложки размещены внутри первого углубления, и по меньшей мере две вторые контактные площадки размещены на второй поверхности первой подложки, причем каждая вторая контактная площадка размещена в одной из вторых областей первой подложки.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения конструктивный элемент может дополнительно содержать композит третьего слоя, примыкающий к структурному слою на стороне, противоположной композиту первого слоя, и содержащий вторую подложку. Композит первого слоя, структурный слой и композит третьего слоя могут быть соединены друг с другом так, что активная структура структурного слоя герметично закрыта уплотненным образом.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения композит третьего слоя может содержать покрывной слой, выполненный электропроводящим по меньшей мере в одной области. Покрывной слой размещен на первой поверхности второй подложки, причем первая поверхность второй подложки представляет собой поверхность второй подложки, обращенную к структурному слою. Кроме того, второе углубление может быть сформировано на первой поверхности покрывного слоя, причем первая поверхность покрывного слоя представляет собой поверхность покрывного слоя, обращенную к структурному слою, и глубина второго углубления меньше толщины покрывного слоя. Проводящая область покрывного слоя примыкает к первой области структурного слоя и второй области структурного слоя, причем первая область структурного слоя размещена за пределами активной структуры, а вторая область структурного слоя размещена внутри активной структуры и выполнена электропроводящей. Первое углубление и по меньшей мере одна часть активной структуры размещены так, что боковое положение второго углубления соответствует боковому положению по меньшей мере одной части активной структуры. Таким образом, покрывной слой формирует мост пути тока, соединяющий вторую область структурного слоя с первой областью структурного слоя.
Согласно варианту реализации настоящего изобретения структурный слой и слой композита третьего слоя, обращенный к структурному слою, могут состоять из одного и того же материала.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения первая подложка и структурный слой могут состоять из одного и того же материала.
Варианты реализации настоящего изобретения объяснены более подробно в последующем тексте со ссылками на фигуры, на которых аналогичные элементы обозначены одинаковыми позиционными обозначениями.
На фиг. 1А схематически показан конструктивный элемент согласно варианту реализации настоящего изобретения в поперечном сечении вдоль линии I-F на фиг. 1В.
На фиг. 1В схематически показаны на виде сверху два слоя конструктивного элемента согласно варианту реализации настоящего изобретения.
На фиг. 2 схематически показан конструктивный элемент согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения в поперечном сечении вдоль линии I-I'.
На фиг. 3А - 3С показаны, в поперечных сечениях, операции первого варианта реализации способа согласно настоящему изобретению.
На фиг. 4А - 4D показаны, в поперечных сечениях, операции второго варианта реализации способа согласно настоящему изобретению.
На фиг. 5А - 5С показаны, в поперечных сечениях, операции третьего варианта реализации способа согласно настоящему изобретению.
На фиг. 6А - 6D показаны, в поперечных сечениях, операции четвертого варианта реализации способа согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1А показано поперечное сечение вдоль линии I-I' через конструктивный элемент согласно настоящему изобретению согласно первому варианту реализации настоящего изобретения, а на фиг. 1В показан вид сверху двух слоев конструктивного элемента. Конструктивный элемент 1, показанный на фиг. 1А, содержит композит 10 первого слоя, структурный слой 25, композит 30 третьего слоя, а также первые контактные площадки 17а - 17с и вторую контактную площадку 18. Композит 10 первого слоя, структурный слой 25 и композит 30 третьего слоя вместе формируют композит 20 второго слоя.
Композит 10 первого слоя содержит первую подложку 11, имеющую первую поверхность 111 и вторую поверхность 112, которая размещена противоположно первой поверхности 111 первой подложки 11. В этой связи термин "подложка" описывает изделия, состоящие только из одного материала, например, кремниевую пластинку, которые, однако, могут также включать композит, выполненный из множества слоев и материалов, при условии электропроводности первой подложки 11.
Первая подложка 11 обладает по меньшей мере первой областью 113, электрически изолированной от других областей первой подложки 11 посредством канавки 15. На фиг. 1А показаны три первых области 13а, 113b и 113с. Дополнительные области первой подложки 11 могут быть размещены между определенными канавками 15, которые электрически изолируют различные первые области 113. Это показано на фиг. 1А для первых областей 113а и 113b. Однако та же самая канавка 15 может также примыкать к двум первым областям, как показано на фиг. 1А для первых областей 113b и 113с. Канавки 15 заполнены изолирующим материалом и проходят от первой поверхности 111 первой подложки 11 до второй поверхности 112 первой подложки 11. Канавки 15 размещены таким образом, что каждая канавка 15 полностью изолирует первую область 113 от других областей первой подложки 11. На виде сверху канавки 15 могут быть размещены произвольным образом, при условии, что каждая определенная канавка 15 полностью изолирует определенную первую область 113.
Определенная первая область 113, изолированная определенной канавкой 15, может иметь любую форму на виде сверху. Изолированная первая область 113 может, например, иметь круглую форму, прямоугольную форму, шестиугольную форму или любую другую форму на виде сверху. Канавки 15 могут, в поперечном сечении, проходить произвольным образом от первой поверхности 111 до второй поверхности 112. Это означает, что канавки 15 могут проходить вдоль прямой или криволинейной линии перпендикулярно к поверхностям 111 и 112 или под определенными углами к этим поверхностям, при условии их непрерывного прохождения.
На первой подложке 11 может быть сформирована первое углубление 115, проходящее во внешнем направлении от первой поверхности 111, причем глубина первого углубления 115 меньше толщины первой подложки 11. Внутри первого углубления 115 сформирована вторая область 114 первой подложки 11, которая электрически изолирована в боковом направлении от других областей первой подложки 11 посредством по меньшей мере одной из канавок 15. Вторая область 114 первой подложки 11 может также проходить в боковом направлении за пределы первого углубления 115. Это означает, что вторая область 114 может быть соединена с областями первой подложки 11 за пределами первого углубления 115 и конструктивно и электрически. В случае, показанном на фиг. 1А и 1В, вторая область 114 электрически изолирована от первых областей 113а - 113с.
Структурный слой 25 содержит первые области 251а - 251с, активную структуру 252, вторую область 253 и третью область 254. Первые области 251а - 251с размещены за пределами активной структуры 252, в то время как вторая область 253 размещена внутри активной структуры 252. Конструкция структурного слоя должна быть объяснена более подробно на основании фиг. 1В.
На фиг. 1В показан структурный слой 25 из микромеханического конструктивного элемента 1, обладающего активной структурой 252, во взятом в качестве примера варианте реализации. Активная структура 252 соединена с третьей областью 254 структурного слоя посредством пружины 255 и способна выполнять перемещение во всех направлениях в пределах подвижности пружины 255. Первые области 251а - 251с, а также вторая область 253 и третья область 254 структурного слоя 25 жестко соединены с другими слоями конструктивного элемента 1 и не могут выполнять перемещение. Активная структура 252 образует закрытый корпус, внутри которого размещена вторая область 253 структурного слоя. Через электроды 256, которые размещены на активной структуре 252 и второй области 253, может быть обнаружено перемещение активной структуры. Структурный слой 25 может состоять из проводящего материала, например легированного кремния или другого полупроводникового материала. В этом случае отдельные области структурного слоя 25 конструктивно отделены друг от друга. Однако структурный слой 25 может также состоять из материала, электропроводящего только в определенных областях. Эти области, например, могут быть легированными полупроводниковыми областями, электрически изолированными друг от друга посредством нелегированных полупроводниковых областей или изолирующих областей. Затем отдельные области структурного слоя 25 могут также быть конструктивно соединены друг с другом.
На фиг. 1В дополнительно показан покрывной слой 35, который ниже объяснен более подробно.
Как можно видеть на фиг. 1А, первые области 251а - 251с структурного слоя 25 примыкают к первой поверхности 111 первой подложки 11 в первых областях 113 первой подложки 11. Таким образом, первые области 251а - 251с структурного слоя 25 соединены с первыми областями 113 первой подложки 11 электропроводящим образом. Активная структура 252 размещена внутри первого углубления 115 первой подложки 11 на расстоянии от первой подложки 11. Она, таким образом, способна выполнять свободное перемещение в направлении, перпендикулярном первой поверхности 111 первой подложки 11, то есть в направлении по оси Z.
Конструктивный элемент 1 дополнительно содержит композит 30 третьего слоя. Композит 30 третьего слоя может содержать вторую подложку 31. Также, в этой связи, термин "подложка" описывает структуры, состоящие только из одного материала, например, кремниевую пластинку или стеклянную пластинку, которые, однако, могут также включать композит из множества слоев и материалов. Вторая подложка 31, содержащая первый слой 313 и второй слой 314, показана на фиг. 1А. Слои могут быть отличны друг от друга относительно материала и его удельной электропроводности. Например, первый слой 313 может состоять по меньшей мере частично из электропроводящего материала, например кремния, а второй слой 314, например, может быть слоем, выполненным из изолирующего материала, например, оксида кремния. Однако первый слой 313 также может быть выполнен, например, из изолирующего материала, а второй слой 314 может быть слоем, проводящим только в определенных областях, или второй слой 314 может вообще отсутствовать. Вторая подложка 31 также может состоять только из одного или большего количества электроизолирующих материалов.
Композит 30 третьего слоя может дополнительно содержать покрывной слой 35, размещенный на первой поверхности 311 второй подложки 31. Первая поверхность 311 второй подложки 31 представляет собой поверхность второй подложки 31, обращенную к структурному слою 25. Покрывной слой 35 может состоять из материала, электропроводящего по меньшей мере в одной области, и может служить для электрического соединения между различными областями структурного слоя 25. Таким образом, покрывной слой 35 может состоять из структурированного слоя, выполненного из электропроводящего материала, причем отдельные области покрывного слоя 35 конструктивно отделены друг от друга. Однако также только отдельные электропроводящие области могут быть сформированы в покрывном слое 35, которые не обязательно должны быть конструктивно отделены друг от друга. Покрывной слой 35, например, может состоять из полупроводникового материала, в частности, кремния. Первая поверхность 351 покрывного слоя 35 примыкает к структурному слою 25 по меньшей мере в определенных областях. Например, поверхность 351 покрывного слоя 35 примыкает к первым областям 251а - 251с и ко второй области 253 структурного слоя 25. Покрывной слой 35 может иметь второе углубление 352, проходящее во внешнем направлении от первой поверхности 351 покрывного слоя 35 и имеющее глубину меньше толщины покрывного слоя 35. Таким образом, при помощи покрывного слоя 35, утонченного в первом углублении 352, может быть реализован мост 353 пути тока, который, например, соединяет первую область 251а структурного слоя 25 со второй областью 253 структурного слоя 25 электропроводящим образом, причем активная структура 252 структурного слоя 25 шунтирована.
Композит 10 первого слоя, структурный слой 25 и композит 30 третьего слоя вместе формируют композит 20 второго слоя, причем выполнение отдельных частей композита 30 третьего слоя или всего композита 30 слоя не обязательно. При наличии композита 30 третьего слоя активная структура 252 может быть заключена в капсулу герметично уплотненным образом посредством соединения композита 10 первого слоя, структурного слоя 25 и композита 30 третьего слоя.
Конструктивный элемент 1 дополнительно содержит первые контактные площадки 17а - 17с, а также вторую контактную площадку 18. Контактные площадки 17а - 17с и 18 выполнены из проводящего материала, например, металла, и размещены на второй поверхности 112 первой подложки 11. Каждая первая контактная площадка 17а - 17с размещена в первой области 113а - 113с первой подложки, а вторая контактная площадка 18 размещена во второй области 114 первой подложки 11. Первые контактные площадки 17а - 17с служат для обеспечения контакта с первыми областями 251а - 251с структурного слоя 25, причем электрическое соединение реализовано через первые области 113а - 113с первой подложки 11. Вторая контактная площадка 18 служит экраном активной области конструктивного элемента 1 от внешних электрических полей и может служить для обеспечения определенного потенциала выше активной 25 структуры. В показанном в настоящем документе варианте реализации настоящего изобретения области структурного слоя 25, примыкающие к первой области 113с и второй области 114, конструктивно соединены друг с другом, как может быть видно на фиг. 1В. При соединении соответствующих областей структурного слоя 25 друг с другом электропроводящим образом, первая контактная площадка 17с может также быть сохранена.
На фиг. 2 схематически показан конструктивный элемент 1 согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения, причем этот вариант реализации отличен от варианта реализации, показанного на фиг. 1А, тем, что множество вторых областей 114а - 114d сформировано на первой подложке 11 внутри первого углубления 115. Каждая из вторых областей 114а - 114d электрически изолирована от примыкающих областей первой подложки 11 посредством канавок 15, заполненных изолирующим материалом. Канавки 15 соответствуют канавкам 15, описанным на фиг. 1А, которые электрически изолируют различные первые области 113а - 113с от других областей первой подложки 11, и могут быть сформированы такими же или отличными от них по форме и изолирующему материалу.
В каждой второй области 114а - 114d соответствующая вторая контактная площадка 18а - 18d размещена на второй поверхности 112 первой подложки 11. Поэтому возможно задать различные потенциалы различным областям 114а - 114с первой подложки 11 выше активной области. Например, определенный потенциал может быть приложен ко вторым областям 114а и 114с, размещенным выше активной 25 структуры, что ограничивает перемещение активной 25 структуры в направлении по оси Z и, таким образом, предотвращает упор активной структуры 252 в первую подложку 11. Напротив, вторые области 114b и 114d могут быть удержаны при других потенциалах, что просто служит для экранировки структурного слоя 25 от внешних электрических полей.
На фиг. 3А - 3С первый вариант реализации способа изготовления конструктивного элемента согласно настоящему изобретению описан на основании видов в поперечном сечении.
Как показано на фиг. 3А, в результате сначала происходит создание композита 10 первого слоя, содержащего первую подложку 11 и по меньшей мере одну канавку 15, заполненную изолирующим материалом. Канавки 15 могут быть созданы посредством процесса травления, например, сухого процесса травления (DRIE) или строго анизотропного влажного процесса травления с использованием маски, или посредством других процессов, а также процесса последующего заполнения полученных канавок изолирующим материалом. Канавки 15 созданы на первой поверхности 111 первой подложки 11 и могут проходить на первую поверхность 12 композита 10 первого слоя. Если композит 10 первого слоя, как показано на фиг. 3А, состоит только из первой подложки 11, то вторая поверхность 112 первой подложки 11 представляет собой первую поверхностью 12 композита 10 первого слоя. В этом случае канавки 15 могут также быть созданы начиная с первой поверхности 111 и второй поверхности 112 первой подложки 11, что может быть преимущественным, в частности, для очень толстых первых подложек 11. Изолирующий материал, заполняющий канавки 15, может, например, быть помещен в канавки 15 посредством способа химического или физического осаждения из пара. После заполнения канавок 15 изолирующим материалом излишний изолирующий материал, расположенный на первой поверхности 111 и, где это применимо, на второй поверхности 112 первой подложки 11, удаляют снова. Это может быть реализовано посредством химико-механического процесса полировки (СМР) или посредством процесса травления.
На фиг. 3А показан случай непрерывного прохождения канавок 15 от первой поверхности 111 ко второй поверхности 112 первой подложки 11. Таким образом, канавки 15 электрически изолируют первые области 113а - 113с первой подложки 11 от других областей первой подложки.
Согласно варианту реализации настоящего изобретения первое углубление 115 может быть сформировано на первой поверхности 111 первой подложки 11, причем его глубина меньше толщины первой подложки 11. Это означает, что первое углубление 115 не проходит на вторую поверхность 112 первой подложки 11. Как показано на фиг. 3А, канавки 15, заполненные изолирующим материалом, можно также сформировать внутри первого углубления 115, что электрически изолирует вторые области 114а - 114d первой подложки 11 от других областей первой подложки 11. Канавки 15 в первом углублении 115 могут быть созданы одновременно с канавками 15 за пределами первого углубления 115 или во время отдельной операции процесса. Канавки 15 могут быть созданы до создания первого углубления 115 или после этого.
Композит 10 первого слоя может первоначально состоять из первой подложки 11 и другого слоя, вспомогательного слоя, примыкающего ко второй поверхности 112 первой подложки 11. Первая подложка 11 состоит из электропроводящего материала, например, из полупроводникового материала и, в частности, кремния. Упомянутый вспомогательный слой может состоять из изолирующего материала, например, оксида кремния, который, однако, удаляют снова после формирования и заполнения канавок 15, так что в результате первой операции создания композита 10 первого слоя канавки 15 проходят от первой поверхности 111 первой подложки 11 ко второй поверхности 112 первой подложки 11, и композит 10 первого слоя имеет только первую подложку 11 и не имеет каких-либо других нанесенных на нее слоев, как показано на фиг. 3А.
Кроме того, упомянутый вспомогательный слой может также быть частью первой подложки 11. Это означает, что канавки 15 первоначально не созданы непрерывно проходящими ко второй поверхности 112 первой подложки 11, но имеют глубину, меньшую толщины первой подложки 11. Однако согласно определенному варианту реализации способа, показанному на фиг. 3А, происходит утончение первой подложки 11 от второй поверхности 112 первой подложки 11 к глубине канавок 15, так что канавки 15 примыкают ко второй поверхности 112 первой подложки 11. Таким образом, вариант реализации композита 10 первого слоя, показанный на фиг. 3А, присутствует до создания композита 20 второго слоя.
В ходе второй операции, показанной на фиг. 3В, имеет место создание композита 20 второго слоя, содержащего композит 10 первого слоя, а также структурного слоя 25, в ходе которой сформированы активная структура 252 и первые области 251. Структурный слой 25 выполнен электропроводящим по меньшей мере в первых областях 251. Композит 20 второго слоя может быть создан посредством нанесения структурного слоя 25 на композит 10 первого слоя, или посредством соединения структурного слоя 25 с композитом 10 первого слоя. Структурный слой 25 может первоначально, в качестве неструктурированного слоя, быть нанесен на первую поверхность 111 первой подложки 11 или соединен с ней и структурирован после этого для создания активной структуры 252. Это может, например, быть реализовано посредством процесса травления, в ходе которого также могут быть созданы первые области 251. Однако, первые области 251 можно также сформировать в качестве электропроводящих областей, изолированных друг от друга внутри структурного слоя 25, например, посредством процессов легирования в полупроводниковом слое, причем отдельные первые области 251 не должны быть обязательно конструктивно отделены друг от друга.
Структурный слой 25 может быть нанесен на поверхность 111 первой подложки 11 посредством процесса осаждения, например, посредством использования вспомогательного слоя, которым сначала заполняют первое углубление 115 и который выборочно удаляют снова после осаждения и структурирования структурного слоя 25. Однако структурный слой 25 может также быть соединен с поверхностью 111 первой подложки 11 как неструктурированный слой или как уже структурированный слой посредством процесса связывания, например, кремниевого прямого связывания (SDB), анодного связывания или посредством других способов. Это особенно предпочтительно при необходимости достижения герметично уплотненного заключения в капсулу активной области, упомянутой вначале. Для процесса связывания это может быть особенно преимущественно, если подлежащие соединению слои, в данном случае первая подложка 11 и структурный слой 25, состоят из одного и того же материала.
В ходе последующей операции первого варианта реализации способа согласно настоящему изобретению первые контактные площадки 17а к 17с созданы на второй поверхности 112 первой подложки 11 в первых областях 113а - 113с первой подложки 11. Кроме того, вторые контактные площадки 18а - 18d могут быть созданы на второй поверхности 112 первой подложки 11 во вторых областях 114а - 114d первой подложки 11. Первые контактные площадки 17а - 17с и вторые контактные площадки 18а - 18d могут состоять из одного и того же материала или различных электропроводящих материалов и могут быть созданы в ходе одной или нескольких операций процесса. Например, металлический слой может быть нанесен на вторую поверхность 112 первой подложки 11 и затем структурирован посредством процесса травления или процесса обратной литографии с формированием первых контактных площадок 17а - 17с и вторых контактных площадок 18а - 18d.
На фиг. 4А - 4D показаны различные операции процесса второго варианта реализации способа изготовления конструктивного элемента согласно настоящему изобретению.
15
10
Сначала в ходе первой операции процесса создают композит 10 первого слоя, содержащий первую подложку 11 и по меньшей мере одну канавку 11, сформированную на первой подложке 11 и заполненную изолирующим материалом, причем по меньшей мере одна канавка 15 проходит во внешнем направлении от первой поверхности 111 первой подложки 11. Как показано на фиг. 4А, канавка(-и) 15, однако, не проходят к первой поверхности 12 композита 10 первого слоя, которая размещена противоположно первой поверхности 111 первой подложки 11. Это означает, что глубина d канавок 15 меньше толщины d композита 10 первого слоя. Как уже описано в связи с фиг. 3А, композит 10 первого слоя, в дополнение к первой подложке 11, может содержать вспомогательный слой 13, примыкающий ко второй поверхности 112 первой подложки 11 и в котором не сформированы канавки 15. В качестве альтернативы композит 10 первого слоя может содержать только первую подложку 11, однако канавки 15 не проходят ко второй поверхности 112 первой подложки 11. Другими словами, вспомогательный слой 13, показанный на фиг. 4А, может быть частью первой подложки 11. Однако, в отличие от первого варианта реализации способа, описанного со ссылками на фиг. 3А, вспомогательный слой 13 первоначально сохранен, то есть, его не удаляют до создания композита 20 второго слоя.
Как показано на фиг. 4А, первое углубление 115 может быть сформировано на первой поверхности 111 первой подложки 11, внутри которой размещена вторая область 114 первой подложки. Кроме того, как показано на фиг. 3А, канавки 15 могут также быть сформированы в области подложки 11, примыкающей к первому углублению 115, так что создано множество вторых областей 114, как показано на фиг. 3А. В результате первой операции процесса второго варианта реализации способа получают композит 10 первого слоя, показанный на фиг. 4А.
Затем в ходе следующей операции процесса имеет место создание композита 20 второго слоя посредством нанесения структурного слоя 25 на первую поверхность 111 первой подложки 11 и соединения с первой поверхностью 111 первой подложки 11. Результат показан на фиг. 4В. Это соответствует операции процесса, описанной со ссылками на фиг. 3В, причем, однако, канавки 15 не проходят на первую поверхность 12 композита 10 первого слоя до создания композита 20 второго слоя. Этот вариант реализации способа имеет преимущество над первым вариантом реализации способа в том, что композит 10 первого слоя имеет повышенную стабильность во время создания композита 20 второго слоя, поскольку отдельные боковые области композита 10 слоя, например области 113а - 113с, все еще соединены друг с другом посредством вспомогательного слоя 13. Таким образом, параметры процесса могут быть использованы, в частности, в ходе процесса связывания для соединения структурного слоя 25 с первой поверхностью 111 первой подложки 11, что приводит к более устойчивому и более плотному соединению между структурным слоем 25 и первой подложкой 11. Примером этому являются более высокие давления в процессе связывания.
В ходе последующей операции процесса, результат которой показан на фиг. 4С, происходит удаление вспомогательного слоя 13. Это может быть выполнено посредством процесса химико-механической полировки (СМР) или процесса травления. Вспомогательный слой 13 удаляют до тех пор, пока не будут достигнуты канавки 15. В результате канавки 13 примыкают ко второй поверхности 112 первой подложки 11 и, таким образом, электрически изолируют области 113а - 113с первой подложки 11 от других областей первой подложки 11.
В ходе последующей операции процесса, показанной на фиг. 4D, созданы первые контактные площадки 17а - 17с и вторая контактная площадка 18 на второй поверхности 112 первой подложки 11. Эта операция процесса соответствует операции процесса, показанной на фиг. 3С. В результате области 251 могут контактировать через соответствующие первые области 113а - 113с первой подложки 11 и соответствующие первые контактные площадки 17а - 17с, хотя вторая контактная площадка 18 формирует электрод, экранирующий активную область конструктивного элемента 1 от внешних электрических полей. В качестве альтернативы также может быть сформировано множество контактных площадок 18 для контактирования с множеством сформированных вторых областей 114 первой подложки 11, если таковые присутствуют, как показано на фиг. 3С.
Со ссылками на фиг. 5А - 5С рассмотрен третий вариант реализации способа изготовления конструктивного элемента 1 согласно настоящему изобретению.
Сначала, как показано на фиг. 5А, композит 10 первого слоя, содержащий первую подложку 11 и по меньшей мере одну канавку 15, заполненную изолирующим материалом, соединяют со структурным слоем 25, как это было объяснено со ссылками на фиг. 3А и 3В. Однако, композит 10 первого слоя может также быть создан согласно операциям процесса, показанным на фиг. 4А и 4В или 4А - 4С. Это означает, что композит 10 первого слоя может содержать, в дополнение к первым областям 113, лишь одну вторую область 114. Кроме того, композит первого слоя может быть сформирован так, что канавки 15 проходят на первую поверхность 12 композита 10 первого слоя после соединения композита 10 первого слоя со структурным слоем 25, как показано на фиг. 3В и на фиг. 4С, соответственно. Однако канавки 15 также еще не могут проходить на первую поверхность 12 композита 10 первого слоя, что соответствует варианту реализации настоящего изобретения, показанному на фиг. 4В.
В ходе последующей операции процесса, результат которой показан на фиг. 5В, создан композит 30 третьего слоя. Композит 30 третьего слоя может быть создан независимо от операции процесса, показанной на фиг. 5А, например, хронологически до или после операции процесса, показанной на фиг. 5А. Согласно варианту реализации настоящего изобретения композит 30 третьего слоя содержит третью подложку 31, имеющую первый слой 313 и второй слой 314, а также покрывной слой 35. Покрывной слой 35 структурирован и образует направляющие пути, соединяющие различные области покрывного слоя 35 друг с другом. При выполнении этого также могут быть созданы вторые углубления 352, проходящие во внешнем направлении от первой поверхности 351 покрывного слоя 35. В этой связи термин "структурирование" может означать как создание электропроводящих областей, электрически изолированных друг от друга, но не отделенных конструктивно друг от друга, например, посредством легирования полупроводникового слоя, так и конструктивного отделения электропроводящих областей друг от друга.
В ходе последующей операции процесса, результат которой показан на фиг. 5С, создан композит 20 второго слоя посредством соединения структурного слоя 25 и композита 10 первого слоя, соединенного дополнительно с композитом 30 третьего слоя. Это может быть реализовано посредством процесса связывания, как описано выше. С этой целью, особенно преимущественно, что структурный слой 25 и слой композита 30 третьего слоя, обращенный к структурному слою 25, в этом случае покрывной слой 35, состоят из одного и того же материала. Этот материал может быть, например, кремнием. В результате первые области 251 структурного слоя 25 примыкают к поверхности 351 покрывного слоя 35. Таким образом, возможно образовать электропроводящие соединения между электропроводящими областями структурного слоя 25, изолированными друг от друга внутри структурного слоя 25, внутри покрывного слоя 35. Например, область покрывного слоя, примыкающего к первому углублению 352, может формировать мост 353 пути тока, соединяющий первую область 251 структурного слоя 25 со второй областью 253 структурного слоя, посредством шунтирования активной структуры 252.
В том случае, когда канавка(-и) 15 не проходит на первую поверхность 12 композита 10 первого слоя до создания композита 20 второго слоя, композит 10 первого слоя, после присоединения структурного слоя 25 и композита 10 первого слоя к композиту 30 третьего слоя, утончается от первой поверхности 12 до такой степени, что канавки 15 примыкают к первой поверхности 12 композита 10 первого слоя. Другими словами, в результате вторая поверхность 112 первой подложки 11 соответствует первой поверхности 12 композита 10 первого слоя.
В ходе последующей операции процесса первые контактные площадки 17а - 17с, а также вторая контактная площадка 18 или множество вторых контактных площадок 18а - 18d, если таковые присутствуют, созданы на второй поверхности 112 первой подложки 11, так что, в результате создан конструктивный элемент 1, показанный на фиг. 1А и фиг. 2, соответственно.
На фиг. 6А - 6D показаны операции процесса четвертого варианта реализации способа изготовления конструктивного элемента согласно настоящему изобретению.
Согласно этому варианту реализации настоящего изобретения, сначала будет использоваться композит 30 третьего слоя, содержащий третью подложку 31 и покрывной слой 35, выполненные проводящими по меньшей мере в одной области. Таким образом, композит 30 третьего слоя, показанный на фиг. 6А, соответствует композиту 30 третьего слоя, показанному на фиг. 5В.
В ходе последующей операции процесса структурный слой 25 создан на первой поверхности 351 покрывного слоя 35, причем структурный слой 25 может быть нанесен на поверхность 351 покрывного слоя 35 в качестве слоя или может быть соединен с поверхностью 351 покрывного слоя 35 посредством процесса связывания. Структурный слой 25 может первоначально существовать в качестве неструктурированного слоя 25, который впоследствии структурирован для создания отдельных первых областей 251, активной структуры 252 и дополнительных областей, если таковые присутствуют, например, вторых областей 253. В качестве альтернативы структурный слой 25 может уже быть нанесен в качестве структурированного слоя, на поверхность 351 покрывного слоя 35 или соединен с ним. Результат этой операции процесса показан на фиг. 6В.
В ходе последующей операции процесса, результат которой показан на фиг. 6С, создан композит 10 первого слоя, содержащий первую подложку 11, по меньшей мере одну канавку 15, заполненную изолирующим материалом, и вспомогательный слой 13. Канавка (-и) 15 проходит во внешнем направлении от первой поверхности 111 первой подложки 11 и в боковом направлении изолирует первые области 113а - 113с первой подложки 11 на первой поверхности 111 от других областей первой подложки 11. Кроме того, одно или большее количество первых углублений 115 могут быть сформированы на первой подложке 11, внутри которой размещена вторая область 114. Таким образом, композит 10 первого слоя соответствует композиту 10 первого слоя, показанному на фиг. 4А, с также примененными формулировками, имеющими отношение к изготовлению композита 10 первого слоя.
Операция процесса для создания композита 10 первого слоя может быть хронологически проведена до или после операции процесса, показанной на фиг. 6А и 6В.
В ходе последующей операции процесса, результат которой показан на фиг. 6D, композит 20 второго слоя создан посредством соединения композита 10 первого слоя со структурным слоем 25 и с композитом 30 третьего слоя. В результате первая поверхность 111 первой подложки 11 примыкает к структурному слою 25 по меньшей мере в определенных областях. Композит 20 второго слоя может, в частности, быть создан посредством процесса связывания. В этой связи преимущественно присутствие вспомогательного слоя 13 во время процесса связывания, поскольку, таким образом, могут быть использованы особенно подходящие параметры связывания, например, высокие значения давления, что приводит к хорошему и герметично уплотненному соединению между композитом 10 первого слоя и структурным слоем 25. После соединения композита 10 первого слоя со структурным слоем 25 происходит удаление вспомогательного слоя 13, как объяснено со ссылками на фиг. 4С, так что, в результате, вторая поверхность 112 первой подложки 11 легко доступна. Канавки 15 проходят на вторую поверхность 112 и, таким образом, электрически изолируют отдельные первые области 113а - 113с от других областей первой подложки 11.
В качестве альтернативы покрывной слой 13 может уже быть удален до соединения композита 10 первого слоя со структурным слоем 25.
В ходе последующей операции процесса первые контактные площадки 17а - 17с, а также одна или большее количество вторых контактных площадок 18, размещены на поверхности 112 первой подложки 11, как описано со ссылками на фиг. 3С и 4D. В результате создан конструктивный элемент 1, показанный на фиг. 1А и фиг. 2 соответственно.
В дополнение к вариантам реализации, показанным на фиг. 3А - 6D, возможны дополнительные варианты реализации композита 10 первого слоя, структурного слоя 25, композита 30 третьего слоя и композита 20 второго слоя, а также многие различные комбинации этих вариантов реализации. Например, вторые области 114а - 114d могут быть или могут не быть сформированы на первой подложке 11. То же самое имеет отношение к первому углублению 115 на первой подложке 11. Также покрывной слой 35 не обязательно присутствует и структурирован в показанной здесь форме. Могут быть свободно выбрано количество первых областей 113 первой подложки 11 и вторых областей 114 первой подложки 11, а также первых областей 251 структурного слоя 25 и первых контактных площадок 17 и вторых контактных площадок 18.
Преимущество этого способа изготовления конструктивного элемента 1 состоит в том, что поверхность 112 первой подложки 11 до создания первых контактных участков 17 и вторых контактных участков 18, если таковые присутствуют, выполнены полностью или почти плоскими, то есть, не имеют никаких или существенных различий по высоте. Это особенно преимущественно для формирования первых контактных площадок 17 и второй контактной площадки 18, а также для последующих операций процесса, например, для разделения конструктивных элементов 1, а также сборки конструктивного элемента 1 на несущем элементе и соединения контактных площадок 17 и 18 с другими элементами. При использовании процесса проводного связывания для выполнения контакта контактных площадок 17 и 18 с другими элементами системы, процесс проводного связывания упрощен, поскольку подлежащая контакту контактная площадка 17 или 18 не размещена в узком отверстии в покрытии конструктивного элемента. Кроме того, другие процессы связывания, например, связывание с перевернутым чипом или связывание посредством шариковых выводов, могут быть использованы для выполнения контакта контактных площадок 17 и 18 с другими элементами системы. Кроме того, пространственное требование для контактных площадок 17 и 18 по сравнению с проводным связыванием, реализуемым в глубоком отверстии покрытия конструктивного элемента, может быть уменьшено более чем в 100 раз. Кроме того, паразитная емкость первой контактной поверхности 17 относительно второй контактной площадки 18, служащей в качестве экранирующего электрода, имеет примерно в сорок раз меньшее значение при одинаковом значении диэлектрической проницаемости.
Кроме того, может быть обеспечено уплотнение герметического инкапсулирования активной области конструктивного элемента 1. В частности, подходящие параметры связывания могут быть выбраны во время процесса связывания для соединения структурного слоя 25 с композитом 10 первого слоя, или структурного слоя 25, уже нанесенного на композит 10 первого слоя, с композитом 30 третьего слоя.