DE102004022178B4

DE102004022178B4 - Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahn auf einem Substrat und Bauelement mit einer derart hergestellten Leiterbahn

Info

Publication number: DE102004022178B4
Application number: DE102004022178A
Authority: DE
Inventors: Mojtaba Joodaki
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 2004-05-05
Filing date: 2004-05-05
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2024-05-06
Also published as: US20050248001A1; DE102004022178A1; US7705420B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung mindestens einer Leiterbahn (3) auf einem Substrat (1) mit folgenden Verfahrensschritten:
– Bilden mindestens einer Leiterbahn (3) auf einem vorbestimmten Bereich des Substrates (1);
– Bilden einer dielektrischen Isolationsschicht (4) über der mindestens einen Leiterbahn (3); und
– vollständiges Zurückätzen eines Bereiches (9; 10, 11) des Substrates (1) unterhalb der mindestens einen Leiterbahn (3) derart, dass die mindestens eine Leiterbahn (3) durch Anhaften an die Isolationsschicht (4) über dem vollständig zurückgeätzten Bereich (9; 10, 11) des Substrats (1) frei hängend getragen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer Leiterbahn auf einem Substrat und ein Bauelement mit mindestens einer derart hergestellten Leiterbahn.
Obwohl auf beliebige Leiterbahnen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf eine Leiterbahn zur elektrischen Verbindung zweier Bauelemente, beispielsweise zweier passiver Bauelemente, erläutert, welche im Hochfrequenzbereich zum Einsatz kommen. Demnach sind Leiterbahnen auf dem Substrat erforderlich, welche den Anforderungen an eine ungestörte Übertragung im Hochfrequenzbereich gerecht werden.
Allgemein kommt es durch einen Kopplungskontakt der Leiterbahnen mit dem Substrat zu unerwünschten parasitären Störungen und elektromagnetischen Verlusten. Ferner kann es zu Störungen benachbarter Leiterbahnen aufgrund der jeweiligen Kopplungen der Leiterbahnen mit dem Substrat kommen.
Bei niedrigen Frequenzen beeinflussen die Leiterbahnen die Bauelement-Charakteristika lediglich geringfügig, jedoch können bei höheren Frequenzen, insbesondere im Hochfrequenzbereich, die elektromagnetischen Wirkungen der Leiterbahnen auf die Bauteil-Leistungsfähigkeit nicht weiter ignoriert werden. Bei jeder integrierten Schaltung sind beispielsweise aktive und passive Bauelemente über Leiterbahnen miteinander verbunden, wobei die Verlustleistungen dieser Leiterbahnen möglichst gering und die Leiterbahnen auf einfache Weise auf einem gemeinsamen Trägersubstrat integrierbar sein sollten. Die Verlustquellen lassen sich in drei Kategorien unterscheiden: ohmsche Verluste, dielektrische Verluste und Verluste aufgrund elektromagnetischer Abstrahlung. Die Entwicklung von auf einem Substrat integrierten Leiterbahnen mit geringen Verlusten ist für die Verwendung von integrierten Schaltungen im Hochfrequenzbereich auf Basis der Silizium-Technologie äußerst wichtig. Im Hochfrequenzbereich erlangen insbesondere die aufgrund der Kopplung der Leiterbahnen mit dem Substrat verursachten Verluste eine hohe Bedeutung.
Im Stand der Technik finden sich verschiedene Ansätze zur Verringerung der Störungsverluste von auf einem Substrat integrierten Leiterbahnen. Beispielsweise werden organische dielektrische Materialien auf dem Silizium-Substrat und organische oder anorganische Membrane unterhalb der Leiterbahnen verwendet, um die Kopplungsverluste zu verringern. Es ist beispielsweise bekannt, eine Leiterbahn auf einer Membran herzustellen, wobei die Membran auf der Oberfläche des Silizium-Substrates gebildet wird. Gemäß dem Artikel "Membrane-Supported CPW with Mounted Active Devices" von Wai Y. Liu, IEEE, MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, Vol. 11, No. 4, April 2001, Seiten 167 ff., wird die Herstellung einer auf einer Membran getragenen Leiterbahn beschrieben. Hierbei wird die gedruckte Schaltung mittels eines Photolithographieprozesses auf diesem Membranfilm hergestellt. Durch selektive Ätzverfahren wird eine Entkopplung der Membran von dem Trägermaterial erzeugt, um die durch eine Kopplung der Membran mit dem Substrat verursachten Störungen und Verluste zu reduzieren.
Aus der US 2001/0029060 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Beschleunigungssensors bekannt. Ein bewegliches Teil mit einer Masse und einer beweglichen Elektrode wir in einem dünnen einkristallinem Siliziumfilm ausgebildet, der auf einer isolierenden Schicht ausgebildet ist. Das bewegliche Teil soll nicht an anderen Regionen anhaften.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine geschützte Leiterbahn auf einem Substrat und ein Bauteil mit einer derart hergestellten Leiterbahn zu schaffen, welche eine möglichst einfache und möglichst kostengünstige Herstellung einer von dem Trägersubstrat möglichst entkoppelten und möglichst geschützten Leiterbahn gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und vorrichtungsseitig durch das Bauelement mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 16 gelöst.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, die Leiterbahnen in einer dielektrischen Membranschicht derart auf dem Substrat zu integrieren, dass die Leiterbahnen einerseits jeweils über vorbestimmten vollständig zurückgeätzten Bereichen des Substrates frei hängend von dem zugeordneten Membranmaterial durch Anhaftung an diesem getragen und gleichzeitig durch die zugeordnete Membranschicht gegen äußere Störeinflüsse geschützt werden. Dazu weist das Verfahren zur Herstellung der Leiterbahnen auf dem Substrat folgende Schritte auf: Bilden mindestens einer Leiterbahn auf einem vorbestimmten Bereich des Substrats; Abscheiden einer dielektrischen Isolationsschicht, welche als Membran dient, über den Leiterbahnen auf der Oberseite des Substrates; und vollständig Zurückätzen vorbestimmter Bereiche des Substrates unterhalb der jeweiligen Leiterbahnen von der Unterseite des Substrates her derart, dass die Leiterbahnen jeweils durch Anhaften an der Membran bzw. der zweiten Isolationsschicht über den jeweils vollständig zurückgeätzten Bereichen des Substrates frei hängend getragen werden.
Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass die Leiterbahnen frei über dem zurückgeätzten Bereich des Substrates hängen und eine Kopplung zwischen der Leiterbahn und dem Substrat vermieden bzw. zumindest verringert wird. Dies resultiert in niedrigen parasitären Störungen. Ferner schützt die Membranschicht durch die erfindungsgemäße Einbettung der Leiterbahn in die Membran diese. Somit kann ein Bauelement mit mindestens einer an der Membran hängenden und geschützten Leiterbahn auf einfachere Weise hergestellt werden als das Bauelement gemäß dem Stand der Technik. Dies verringert den Arbeitsaufwand und die Herstellungskosten. Zudem ist das Herstellungsverfahren kompatibel mit Silizium-Technologien für den Hochfrequenzbereich. Neben den parasitären Verlusten werden insbesondere die Substratverluste erheblich verringert. Demnach ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren gegenüber dem Herstellungsverfahren im Stand der Technik schneller, einfacher und kostengünstiger und kann ferner unter Verwendung einer vorteilhaften Standard-Aluminium-Metallisation verwirklicht werden.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Verbesserungen und Ausgestaltungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens und des im Anspruch 16 angegebenen Bauelementes.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird eine zusätzliche Schicht, insbesondere eine erste dielektrische Isolationsschicht, auf der Oberseite des Substrates vor dem Bilden der Leiterbahnen gebildet. Diese zusätzliche Schicht kann vorteilhaft einem Schutz der Leiterbahnmetallisierungen vor etwaigen Ätzmitteln dienen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das vollständige Zurückätzen eines Bereiches des Substrates unterhalb der jeweiligen Leiterbahn mittels eines einzigen nasschemischen Ätzverfahrens, beispielsweise unter Zuhilfenahme einer dritten Isolationsschicht, ausgeführt. Alternativ kann es vorteilhaft sein, das vollständige Zurückätzen des Bereiches des Substrates unterhalb der jeweiligen Leiterbahn durch zwei aufeinanderfolgende Ätzschritte auszuführen. Dabei besteht der erste Ätzschritt vorzugsweise darin, einen Bereich des Substrates unterhalb der jeweiligen Leiterbahn derart teilweise zurückzuätzen, dass eine dünne Substratschicht unterhalb der jeweiligen Leiterbahn zurückbleibt. In einem anschließenden zweiten Ätzschritt wird zum Bilden einer Stufenstruktur des zurückgeätzten Bereiches des Substrates unterhalb der jeweiligen Leiterbahn ein Abschnitt der zuvor gebildeten dünnen Substratschicht mittels beispielsweise eines weiteren nasschemischen Ätzverfahrens vollständig zurückgeätzt. Somit können auf einer geringen Oberfläche mehrere Leiterbahnen benachbart zueinander gleichzeitig durch Ausführen der beiden vorgenannten Ätzschritte hergestellt werden, wobei die nicht vollständig zurückgeätzten Abschnitte der zuvor gebildeten dünnen Substratschicht eine größere Stabilität der Substratoberfläche gewährleisten. Insbesondere kann der erste und der zweite Ätzschritt als nasschemisches Ätzverfahren ausgeführt werden. Bei dem zweiten Ätzschritt wird beispielsweise eine weitere Isolationsschicht auf der Unterseite des Substrates und der Oberfläche des teilweise zurückgeätzten Abschnitts abgeschieden, wobei die vierte Isolationsschicht durch Entwickeln eines beispielsweise aufgedampften photoresistiven Materials strukturiert wird, um die gewünschte anisotropische vollständige Zurückät zung eines Abschnitts der zuvor gebildeten dünnen Substratschicht zu gewährleisten. Als abschließende Behandlungen können beispielsweise die photoresistive Schicht mittels einer geeigneten Lösung, beispielsweise Azeton, abgewaschen und die auf der Unterseite des Substrates verbliebenen Isolationsschichten mittels beispielsweise eines nasschemischen Ätzverfahrens oder eines Trockenätzverfahrens beseitigt werden.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden mehrere Leiterbahnen koplanar oder in einem Multischicht-Aufbau auf dem Substrat vorgesehen, wobei das Substrat zum Bilden der jeweils vollständig zurückgeätzten Bereiche unterhalb der jeweiligen Leiterbahnen einem gemeinsamen Ätzschritt bzw. gemeinsamen Ätzschritten unterzogen wird.
Insbesondere ist das Substrat als Silizium-Halbleitersubstrat ausgebildet. Vorzugsweise bestehen die Leiterbahnen aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen und sind als für den Hochfrequenzbereich geeignete Leiterbahnen ausgebildet.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die dielektrischen Isolationsschichten mit Ausnahme der Membran aus einem anorganischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, Silizium mit eingeschlossenen Luftbereichen, Siliziumnitrid, oder dergleichen gebildet.
Die als Membran dienende dielektrische Isolationsschicht besteht vorteilhaft aus einem organischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem organischen Polymer-Material, wie beispielsweise Benzozyclobuthen (BCB), SiLK, SU-8, Polyimid, oder dergleichen.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
1a-1d jeweils eine schematische Querschnittsansicht eines Bauelementes zur Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a-2g jeweils eine schematische Querschnittsansicht eines Bauelementes zur Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Bauelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Bauelementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Unter Bezugnahme auf die 1a bis 1d wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer metallischen Leiterbahn 3 auf einem Substrat 1 näher erläutert. Die 1a bis 1d illustrieren eine Abfolge der wesentlichen Verfahrensschritte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1a ersichtlich ist, wird zunächst von einem Substrat 1 ausgegangen. Das Substrat 1 ist vorzugsweise als Silizium-Halbleitersubstrat ausgebildet, welches relativ kostengünstig herstellbar ist, eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist und für integrierte Schaltungen im Hochfrequenzbereich geeignet ist. Das Silizium-Substrat 1 kann als niederohmiges oder hochohmiges Substrat ausgebildet sein, wobei hochohmige Silizium-Substrate teurer sind.
Auf dem Substrat 1 wird zunächst beispielsweise eine erste dielektrische Isolationsschicht 2 auf der Oberseite des Substrates 1, welche jedoch auch unter bestimmten Umständen weggelassen werden kann, und eine weitere dielektrische Isolationsschicht 5 (im folgenden als "dritte dielektrische Isolationsschicht" bezeichnet) an der Unterseite des Substrates 1 mittels beispielsweise eines low pressure chemical vapour deposition (LPCVD)-Verfahrens oder dergleichen auf einfache und gängige Weise gebildet. Die dielektrischen Isolationsschichten 2 und 5 auf der Ober- und Unterseite des Substrates 1 bestehen vorzugsweise aus einem anorganischen Isolationsmaterial. Ein derartiges anorganisches Isolationsmaterial kann beispielsweise ein Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Silizium mit eingeschlossenen Luftbereichen, oder dergleichen sein.
Anschließend, wie ebenfalls in 1a dargestellt, wird auf der Oberseite des Substrates 1 eine metallische Leiterbahn 3 auf der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 mittels eines ebenfalls gängigen Metallisationsverfahrens gebildet. Die Hauptanforderung an metallische Materialien der Leiterbahn 3 ist ein möglichst geringer elektrischer Widerstand. Darüber hinaus sollte das Material gute haftende Eigenschaften aufweisen und möglichst bei Kontakt mit dem Trägersubstrat 1 keine unkontrollierbaren Legierungsprozesse hervorrufen. Als hochleitfähige Materialien werden daher insbesondere Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Titan, Platin, oder dergleichen verwendet. Auf grund seiner einfachen Prozessierbarkeit eignet sich Aluminium besonders vorteilhaft als Leiterbahnmaterial.
Somit wird beispielsweise eine Leiterbahn 3, bestehend aus Aluminium, auf der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2, bestehend aus Siliziumdioxid, gebildet. Eine derartige Kombination hat sich als besonders bevorzugt herausgestellt, da Aluminium und Siliziumdioxid auf einfache Weise miteinander verbunden werden können. Zudem weist Aluminium im Vergleich zu Kupfer, Silber oder Gold eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit auf.
Um die Widerstandsfestigkeit zu erhöhen, kann beispielsweise zwischen der metallischen Leiterbahn 3 und der ersten dielektrischen Isolationsschicht 4 eine dünne Schicht mit einer hohen Widerstandsfestigkeit vorgesehen werden, welche als Grenzschicht zwischen der Leiterbahn 3 und der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 oder dem Substrat 1 dient.
Unter Bezugnahme auf 1b wird anschließend in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine weitere dielektrische Isolationsschicht 4 auf der Oberseite des Substrates 2 gebildet bzw. abgeschieden, so dass diese vorteilhaft die erste dielektrische Isolationsschicht 2 und die darauf gebildete Leiterbahn 3 vollständig bedeckt. Die dielektrische Isolationsschicht 4 ist vorzugsweise als Membran ausgebildet und dient einem Tragen der an deren Unterseite anhaftenden Leiterbahn 3, wie im folgenden ausführlicher erläutert wird.
Die Membran 4 besteht vorzugsweise aus einem organischen Isolationsmaterial, wie beispielsweise einem organischen Polymer-Material, insbesondere Benzozyclobuthen (BCB), SU-8, SiLK, Polyimid, oder dergleichen. Besonders vorteilhaft haben sich BCB-Polymere, Polyimide und SU-8 für Anwendungen im Radiofrequenz- und Mikrowellenbereich herausgestellt. Diese Materialien weisen äußerst niedrige elektrische Leckströme in Oberflächen auf und bilden ausgezeichnete dielektrische Isolationsschichten, was insbesondere bei Mehrschicht-Strukturen vorteilhaft ist. Zudem besitzen diese Materialien gute mechanische Eigenschaften und Hochfrequenzeigenschaften und können ohne größere Schwierigkeiten auf den Leiterbahnen 3 und der bereits gebildeten ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 gebildet werden.
Im folgenden wird als Membranmaterial beispielhaft SU-8 verwendet, welches ein photoresistives Material mit einer sehr hohen optischen Transparenz darstellt. Beispielsweise wird die SU-8-Membranschicht 4 über der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 und der metallischen Leiterbahn 3 durch ein Schleuderverfahren aufgebracht und anschließend mittels einer Wärmebehandlung ausgehärtet werden. Dadurch wird der Isolationsfilm bzw. die Membran 4 fest auf der ersten Isolationsschicht 2 und der metallischen Leiterbahn 3 aufgebracht, wodurch eine stabile Verbindung zwischen der Membran 4 und der metallischen Leiterbahn 3 gewährleistet wird.
Zusätzlich kann auf der zweiten dielektrischen Isolationsschicht 4 eine Schutzschicht aufgebracht werden, welche vorzugsweise gegenüber in weiteren Verfahrensschritten zu verwendenden Mitteln, insbesondere Ätzmitteln, resistent ist und somit die SU-8-Schicht schützt.
Nachfolgend, wie in 1c dargestellt ist, wird in einem weiteren Verfahrensschritt die auf der Unterseite des Substrates 1 aufgebrachte dielektrische Isolationsschicht 5 mittels eines gängigen Verfahrens derart strukturiert, dass ein Bereich des Substrates 1 breiter als die Breitenausdehnung der metallischen Leiterbahn 3 mittels beispielsweise eines nasschemischen Ätzverfahrens vollständig bis zur ersten Isolationsschicht 2 zurückgeätzt wird.
Wie in 1c ferner ersichtlich ist, entsteht bei einem gängigen anisotropischen nasschemischen Ätzverfahren ein schräg zurückgeätzter Bereich 9 unterhalb der metallischen Leiterbahn 3. Die erste Isolationsschicht 2 dient dabei einem Schutz der metallischen Leiterbahn 3 vor der in dem nasschemischen Ätzverfahren verwendeten Lösung, beispielsweise einer KOH-Lösung.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass für die vorliegende Erläuterung von einer konstanten Orientierung des Trägersubstrates 1 ausgegangen wird. Allerdings wird in der Praxis für bestimmte Verfahrensschritte das Trägersubstrat 1 vorzugsweise mittels einer geeigneten Trägereinrichtung derart gedreht, dass die ursprünglich oben befindliche Oberseite nach unten gedreht wird. Somit kann eine Behandlung der ursprünglichen Unterseite des Substrates 1 auf einfachere Weise erfolgen.
In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in 1d dargestellt ist, werden abschließend die verbliebenen Abschnitte der auf der Unterseite des Substrates vorgesehenen Isolationsschicht 5 sowie der Abschnitt der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2, welcher den zurückgeätzten Bereich 9 überdeckt, mittels beispielsweise eines Trockenätzverfahrens entfernt. Somit ergibt sich die in 1d dargestellte Struktur, in welchem die metallische Leiterbahn 3 frei über dem zurückgeätzten Bereich 9 hängt, indem die metallische Leiterbahn 3 durch die Membran 4 aufgrund der Einbettung in dieselbe getragen wird.
Durch das Zurückätzen des Substrates 1 unterhalb der metallischen Leiterbahn 3 werden Substratverluste, parasitäre Verluste und Kopplungsverluste durch das Substrat 1 verhindert. Zudem wird die Leiterbahn 3 durch vollständige Einbettung in die Membran 4 vor äußeren Einflüssen geschützt. Dieser Aufbau des Bauelementes ist besonders vorteilhaft, da die metallische Leiterbahn 3 lediglich mit der Membran 4 und Luft in dem zurückge ätzten Bereich 9 in Verbindung steht, wobei Luft einen günstigen Dielektrizitätswert ε_LUFT = 1 aufweist. Somit kann ein vorteilhaftes Bauelement durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren auf einfache Weise und kostengünstig unter Verwendung einer standardisierten Alu minium-Metallisierung realisiert werden.
Unter Bezugnahme auf die 2a bis 2g wird im folgenden ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer metallischen Leiterbahn 3 auf einem Substrat 1 näher erläutert.
Die im ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1a bis 1d ausgeführten Erörterungen bezüglich der Materialwahl, geeigneter Ätzschritte oder dergleichen können auf das Ausführungsbeispiel der 2a bis 2g analog angewendet werden, und werden daher im folgenden nicht näher erläutert.
Zunächst wird in einem ersten Schritt, wie in 2a illustriert ist, analog zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel das Substrat 1 mit einer ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 auf der Oberseite und einer weiteren dielektrischen Isolationsschicht 5 auf der Unterseite des Substrats ausgebildet, wobei diese unter bestimmten Umständen auch weggelassen werden können. Ferner wird ebenfalls die gewünschte metallische Leiterbahn 3 an geeigneter Stelle auf dem ersten dielektrischen Isolationsmaterial 2 gebildet, wobei für einen Fachmann offensichtlich ist, dass mehrere Leiterbahnen an geeigneten Stellen, beispielsweise nebeneinander, angeordnet werden können.
Anschließend wird in einem nachfolgenden Schritt, wie in 2b dargestellt ist, eine Membranschicht 4, beispielsweise wiederum SU-8, auf der ersten Isolationsschicht 2 und der metallischen Leiterbahn 3 analog zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel aufgebracht.
Zusätzlich kann auf der zweiten dielektrischen Isolationsschicht 4 eine Schutzschicht aufgebracht werden, welche vorzugsweise gegenüber in weiteren Verfahrensschritten zu verwendenden Mitteln, insbesondere Ätzmitteln, resistent ist und somit die SU-8-Schicht schützt.
Im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel wird danach in einem weiteren Schritt, wie in 2c ersichtlich ist, die dielektrische Isolationsschicht 5 auf der Unterseite des Substrates 1 derart strukturiert, dass mittels beispielsweise eines nasschemischen Ätzverfahrens unter Zuhilfenahme beispielsweise einer KOH-Lösung ein Bereich unterhalb der metallischen Leiterbahn 3 lediglich teilweise anisotropisch zurückgeätzt wird. Dadurch wird ein erster zurückgeätzter Bereich 10 unterhalb der metallischen Leiterbahn gebildet, welcher vorzugsweise eine größere Breite aufweist als die metallische Leiterbahn 3 selbst.
Eine dünne Substratschicht 12 trennt folglich den ersten zurückgeätzten Bereich 10 von der ersten dielektrischen Isolationsschicht 2 und der darauf gebildeten metallischen Leiterbahn 3. Die dünne verbleibende Substratschicht 12 kann beispielsweise eine Dicke von etwa 20 bis 30 μm aufweisen.
Anschließend wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt gemäß 2d eine vierte dielektrische Isolationsschicht 6 auf den Innenbereichen des ersten zurückgeätzten Bereiches 10 gebildet. Die vierte Isolationsschicht 6 kann aus einem Material gebildet sein, welches identisch zu dem Material der dielektrischen Isolationsschichten 2 und 5 ist. Wie oben bereits erläutert, sind Siliziumdioxid und Siliziumnitrid besonders bevorzugte Materialien für die Isolationsschichten mit Ausnahme der Membran 4.
Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass die einzelnen dielektrischen Isolationsschichten 2, 5 und 6 auch aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können. Ferner kann vor einer Bildung der vierten dielektrischen Isolationsschicht 6 die auf der Unterseite des Substrates 1 verbliebene Isolationsschicht 5 durch beispielsweise ein Trockenätzverfahren vollständig entfernt werden.
Anschließend wird in einem weiteren Schritt, wie in 2e illustriert ist, vorzugsweise ein photoresistives Material 7, beispielsweise ein negatives Photoresist 7 bzw. ein negativer Photolack 7, auf der vierten Isolationsschicht 6 aufgedampft. Die photoresistive Schicht 7 dient durch Entwickeln einer strukturierten Entfernung der vierten dielektrischen Isolationsschicht 6 für ein definiertes Zurückätzen eines bestimmten Abschnitts der dünnen Substratschicht 12.
Dadurch wird, wie in 2f dargestellt ist, die dünne Substratschicht 12 zum Bilden eines vorbestimmten zweiten zurückgeätzten Bereiches 11 vollständig bis zur ersten Isolationsschicht 2 zurückgeätzt. Der zweite zurückgeätzte Bereich 11 weist vorteilhaft eine geringere Breite auf als der erste zurückgeätzte Bereich 10, so dass eine Stufenstruktur des Substrates 1 unterhalb der Leiterbahn 3 erzeugt wird.
Die erste Isolationsschicht 2 dient dabei wiederum einem Schutz der metallischen Leiterbahn 3 bei dem nasschemischen Ätzverfahren zum Zurückätzen des Substrates 1 zum Bilden des zweiten zurückgeätzten Bereichs 11. Das photoresistive Material kann beispielsweise nach dem Ätzvorgang vollständig abgewaschen werden.
Abschließend werden in einem weiteren Schritt, wie aus 2g entnommen werden kann, sowohl die vierte dielektrische Isolationsschicht 6 als auch die erste dielektrische Isolationsschicht 2, welche den zweiten zurückgeätzten Bereich 11 bedeckt, mittels beispielsweise eines Trockenätzverfahrens entfernt.
Dadurch entsteht die in 2g dargestellte Struktur eines Bauelementes, in welchem das Substrat einen stufenförmigen Aufbau derart aufweist, dass die vorgesehene metallische Leiterbahn 3 an der Membran 4 frei hängend über dem zweiten zurückgeätzten Bereich 11 für eine Entkopplung von dem Substrat 1 getragen wird.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wurde mittels zweier Ätzschritte ein Bauelement geschaffen, bei welchem die metallische Leiterbahn 3 von dem Substrat 1 entkoppelt ist und bei welchem im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel dünne Substratabschnitte 12 unterhalb der Membran 4 vorgesehen sind. Dadurch wird die mechanische Stabilität des Bauelementes im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel bei gleicher Entkopplungscharakteristik verbessert.
3 illustriert eine schematische Querschnittsansicht eines Bauelementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Für den Fall, dass zwei oder mehr Leiterbahnen 3 nahe zueinander angeordnet sind, ist es vorteilhaft, das Bauelement mittels dem Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach den 2a bis 2g herzustellen. Wie in 3 ersichtlich ist, verbleibt zwischen den beiden Leiterbahnen 3 eine dünne Substratschicht 12, welche für eine größere Stabilität des Bauelementes sorgt.
4 illustriert eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Bauelementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 ersichtlich ist, können mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren Mehrschicht-Aufbauten hergestellt werden, bei welchen mehrere Leiterbahnen 3 in verschiedenen Schichten, beispielsweise einer Membranschicht 3 und einer organischen dielektrischen Zwischenschicht 8 und/oder auf derselben hergestellt werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt somit darin, dass zunächst die Leiterbahnen in der Mehrschicht-Aufbauweise gemäß 4 auf dem Substrat gebildet und das Substrat 1 anschließend mittels eines einzigen Ätzschrittes gemäß dem Ausführungsbeispiel in den 1a bis 1d oder mittels zweier aufeinanderfolgender Ätzschritte gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den 2a bis 2g derart zurückgeätzt werden kann, dass einerseits ein stabiler Aufbau des Bauelementes und andererseits eine Entkopplung und ein Schutz der elektrischen Leiterbahnen 3 durch Freihängen oberhalb der zurückgeätzten Substratbereiche gewährleistet wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Beispielsweise können andere Materialien als die vorstehend genannten für die Isolationsschichten verwendet werden. Ferner können unterschiedliche Ätzverfahren und/oder Strukturierungs- und Entwicklungsverfahren verwendet werden. Entscheidend ist lediglich, dass die metallischen Leiterbahnen 3 derart an der Membran 4 anhaften, dass sie frei über einem zurückgeätzten Bereich des Substrates hängen und dass die metallischen Leiterbahnen 3 vollständig in der Membran eingebettet sind, wodurch eine Entkopplung der Leiterbahnen von dem Substrat 1 und ein Schutz der metallischen Leiterbahnen 3 gewährleistet wird.

1: Substrat
2: erste dielektrische Isolationsschicht
3: metallische Leiterbahn
4: zweite dielektrische Isolationsschicht/Membran
5: dritte dielektrische Isolationsschicht
6: vierte dielektrische Isolationsschicht
7: photoresistive Schicht/Photolack
8: organische dielektrische Zwischenschicht
9: zurückgeätzter Bereich
10: erster zurückgeätzter Bereich
11: zweiter zurückgeätzter Bereich
12: dünne Substratschicht

Claims

Verfahren zur Herstellung mindestens einer Leiterbahn (3) auf einem Substrat (1) mit folgenden Verfahrensschritten: – Bilden mindestens einer Leiterbahn (3) auf einem vorbestimmten Bereich des Substrates (1); – Bilden einer dielektrischen Isolationsschicht (4) über der mindestens einen Leiterbahn (3); und – vollständiges Zurückätzen eines Bereiches (9; 10, 11) des Substrates (1) unterhalb der mindestens einen Leiterbahn (3) derart, dass die mindestens eine Leiterbahn (3) durch Anhaften an die Isolationsschicht (4) über dem vollständig zurückgeätzten Bereich (9; 10, 11) des Substrats (1) frei hängend getragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Schicht (2), insbesondere eine erste dielektrische Isolationsschicht (2) auf der Oberseite des Substrates (1), vor dem Bilden der mindestens einen Leiterbahn (3) gebildet wird:
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vollständige Zurückätzen eines Bereiches (9) des Substrates (1) unterhalb der mindestens einen Leiterbahn (3) mittels eines einzigen anisotropen Ätzverfahrens ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vollständige Zurückätzen eines Bereiches (10, 11) des Substrates (1) unterhalb der mindestens einen Leiterbahn (3) durch zwei aufeinanderfolgende Ätzschritte ausgeführt wird, wobei in einem ersten Ätzschritt ein erster Bereich (10) des Substrates (1) unterhalb der mindestens einen Leiterbahn (3) teilweise zum Bilden einer dünnen Substratschicht (12) unterhalb der mindestens einen Leiterbahn (3) und in einem anschließenden zweiten Ätzschritt zum Bilden einer Stufenstruktur des zurückgeätzten Bereiches (10, 11) des Substrates (1) ein zweiter Bereich (11) der dünnen Substratschicht (12) unterhalb der mindestens einen Leiterbahn (3) vollständig zurückgeätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ätzschritt als nasschemisches Ätzverfahren ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ätzschritt ein vorheriges Abscheiden einer vierten Isolationsschicht (6) auf der Oberfläche des ersten zurückgeätzten Bereiches (10) und ein Strukturieren der vierten Isolationsschicht (6) mittels einer photoresistiven Schicht (7) und mittels eines anisotropischen vollständigen Zurückätzens des zweiten Bereichs (11) der dünnen Substratschicht (12) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die photoresistive Schicht (7) anschließend durch ein geeignetes Verfahren entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verbliebene vierte Isolationsschicht (6) mittels eines Trockenätzverfahrens entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Entfernens der ersten Isolationsschicht (2) im Bereich des vollständig zurückgeätzten Bereiches (9; 11) des Substrates (1) mittels eines Trockenätzverfahrens.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leiterbahnen (3) koplanar oder in einem Mehrschicht-Aufbau auf dem Substrat (1) vorgesehen werden, wobei das Substrat (1) zum Bilden der jeweils vollständig zurückgeätzten Bereiche (9; 11) unterhalb der jeweiligen Leiterbahnen (3) einem gemeinsamen Ätzschritt oder gemeinsamen Ätzschritten unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) als Silizium-Halbleitersubstrat ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die erste und vierte dielektrische Isolationsschicht (2, 6) jeweils aus einem anorganischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem Siliziumoxid, wie insbesondere Siliziumdioxid, einem Siliziumnitrid, einem Silizium mit eingeschlossenen Luftbereichen, oder dergleichen hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Isolationsschicht (2) als Membran, bestehend aus einem organischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem organischen Polymer-Material, wie insbesondere Benzozyclobuthen (BCB), oder einem Polyimid, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterbahn (3) aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterbahn (3) als für den Hochfrequenzbereich geeignete Leiterbahn ausgebildet wird.
Bauelement, – mit einem Substrat (1), welches einen von der Unterseite her vollständig zurückgeätzten Bereich (9; 10, 11) aufweist; und – mit einer dielektrischen Isolationsschicht (4), welche oberhalb des Substrates (1) vorgesehen ist und den vollständig zurückgeätzten Bereich (9; 10, 11) des Substrates (1) und zumindest eine Leiterbahn (3) überdeckt; – wobei die mindestens eine Leiterbahn (3) an die dielektrische Isolationsschicht (4) zum frei Hängen über dem vollständig zurückgeätzten Bereich (9; 10, 11) des Substrats (1) anhaftet.
Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dielektrischen Isolationsschicht (4) und dem Substrat (1) eine zusätzliche Schicht (2), insbesondere eine erste dielektrische Isolationsschicht (2), vorgesehen ist.
Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (1) ein Silizium enthaltendes Halbleitersubstrat, insbesondere einkristallines Silizium, vorgesehen ist.
Bauelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche dielektrische Isolationsschicht (2) aus einem anorganischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem Siliziumoxid, wie insbesondere Siliziumdioxid, einem Siliziumnitrid, einem Silizium mit eingeschlossenen Luftbereichen, oder dergleichen hergestellt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Isolationsschicht (4) als Membran, bestehend aus einem organischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem organischen Polymer-Material, wie insbesondere Benzozyclobuthen (BCB), oder einem Polyimid, hergestellt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterbahn (3) aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Titan, oder dergleichen hergestellt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterbahn (3) als für den Hochfrequenzbereich geeignete Leiterbahn ausgebildet ist.