DE4300765C1

DE4300765C1 - Verfahren zum Planarisieren grabenförmiger Strukturen

Info

Publication number: DE4300765C1
Application number: DE4300765A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr Weber; Klaus-Michael Dr Mayer; Monika Lorkowski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2013-01-15
Also published as: GB9400354D0; GB2274354B; FR2700396B1; JPH06235835A; GB2274354A; US5456797A; FR2700396A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Planarisieren grabenförmiger Strukturen, ins besondere auf Halbleitersubstraten nach dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, bei der Herstellung von optischen Polymerbauelementen auf Halbleitersubstraten oder sonstigen, integriert-optische Wellenleiter bein haltenden Bauelementen vorzugsweise v-förmige grabenförmige Strukturen vorzusehen, die eine spätere lagegenaue Ankopplung von in den v-för migen Strukturen eingelegten Lichtleitfasern an auf dem optischen Bauelement vorgesehene Licht wellenleiter ermöglichen. Dazu werden die v-för migen Positioniergräben an sich bekannt anisotrop eingeätzt, wobei zur Herstellung einer optimalen Koppelstelle zwischen den Lichtleitfasern und den Lichtwellenleitern die v-förmigen Positionier gräben verfüllt und anschließend mit einer Eximer-Laserablationstechnik derart wieder geöff net werden, daß eine senkrecht zur axialen Rich tung der Strukturen verlaufende, einen Anschlag bildende Fläche entsteht.

Insbesondere im Falle polymerer Lichtwellenleiter bietet sich die gemeinsame Laserablation von Wel lenleiterendfläche und Faserführungsstruktur an.

Zur Sicherstellung einer optimalen Faser-Chip- Kopplung ist eine Planarisierung der geschaffenen grabenförmigen Mikrostrukturen unbedingt erfor derlich. Da die vertiefte Strukturen besitzenden Halbleitersubstrate zur weiteren lithographischen Bearbeitung mit Photolacken oder anderen dünnen Schichten beschichtet werden müssen, ist in der Regel eine plane Beschichtung nur durch vor heriges mit der Substratoberfläche bündiges Auf füllen der grabenförmigen Strukturen möglich.

So ist bekannt, bei Vertiefungen im Bereich von bis etwa 10 µm, ein wiederholtes Beschichten und Rückätzen eines aufgebrachten Polyimidfilms auf der Substratoberfläche im Sauerstoffplasma anzu wenden. Hierbei wird mit jeder erneuten Polyimidbeschichtung die aus dem vorhergehenden Prozeßschritt verbliebene Abweichung von der ge wünschten planen Oberfläche ein wenig verringert. Je nach Tiefe und Form der Strukturen sind hierfür mehrere sich wiederholende Zyklen mit verhältnismäßig hohem Prozeßaufwand notwendig. Darüber hinaus ist nachteilig, daß beispielsweise bei den genannten v-förmigen Lichtleitfaser führungsstrukturen Strukturtiefen von etwa 100 µm auftreten, die nach dem bekannten Verfahren nicht zu planarisieren sind.

Aus der EP-PS 0 178 500 ist weiterhin ein Ver fahren bekannt, bei dem über den gesamten Halb leiterwafer ein photostrukturierbares Polymer aufgebracht wird, das nur lokal an den zu planarisierenden Strukturen vernetzt wird. Nicht vernetztes Polyimid wird dann wegentwickelt, so daß es nur noch an den zu planarisierenden Strukturen übersteht und anschließend mit ver ringertem Aufwand, beispielsweise einer Über schichtung mit anschließender Plasmaätzung, pla narisiert werden kann. Es ist jedoch nachteilig, daß mit diesem Verfahren zur gezielten Vernetzung des Polymers an den zu planarisierenden Struk turen eine Belichtung mit paßgenauer Photomaske erfolgen muß. Weiterhin ist das Verfahren für eine Planarisierung großflächiger Substrate, da eine äußerst gleichmäßige Polymerüberschichtung wie sie für den Erfolg des isotrop angreifenden Plasmaätzschrittes notwendig ist, wegen der un ebenen Substratoberfläche nicht geeignet. Insbe sondere im Fall sehr tiefer zu planarisierender Strukturen, beispielsweise der etwa 100 µm tiefen v-förmigen Lichtleitfaserführungsstrukturen, ist aufgrund eines erheblichen Polymerisations schrumpfens der aufgebrachten Materialien dieses Verfahren nicht einsetzbar.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Kennzei chen des Hauptanspruches bietet demgegenüber den Vorteil, daß in einfacher Art und Weise eine aus reichend ebene Planarisierung selbst verhältnis mäßig tiefer grabenförmiger Strukturen möglich ist.

Dazu ist vorgesehen, daß in die auf dem Halb leitersubstrat angeordneten grabenförmigen Struk turen selektiv ein Präpolymer eingefüllt wird, dieses Präpolymer ausgehärtet und anschließend aufgequollen wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen.

In einfacher Weise wird in die grabenförmigen Strukturen ein vorzugsweise unvernetztes oder teilvernetztes Präpolymer, zum Beispiel ein UV- aushärtbarer Epoxidkleber eingefüllt, wobei die Einfüllung in sehr vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung über ein auf dem Halbleitersubstrat separat vorgesehenes, mit den grabenförmigen Strukturen verbundenes Dosierreservoir erfolgt. Bei den hier gegebenen langen und schmalen grabenförmigen Strukturen reicht die Kapillar kraft des in das Dosierreservoir eingefüllten Polymerklebers aus, um sich gleichmäßig in den grabenförmigen Strukturen bis zur vorderen Spitze hin zu verteilen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Polymerkleber vor Einfüllen in das Dosier reservoir vorgewärmt, so daß sich seine Viskosität den gegebenen Bedingungen hinsichtlich Benetzung und Oberflächenspannung besser anpaßt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Er findung ist vorgesehen, daß der in die graben förmigen Strukturen eingefüllte Polymerkleber, je nach Art des verwendeten Polymermaterials, durch UV-Belichtung oder durch Erwärmung polymerisiert und damit ausgehärtet wird. Da mit der Poly merisation zwangsläufig ein Schrumpfungsprozeß des eingefüllten Polymerklebers einhergeht, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die sich dadurch ergebene fehlende Resttiefe der zu planarisierenden Strukturen durch ein chemisches Quellen des Polymers kompensiert beziehungsweise auch überkompensiert. Hierbei wird in sehr ein facher Weise eine auf die grabenförmigen Struk turen begrenzte bleibende (inelastische) Struk turveränderung des eingefüllten Polymers er reicht, so daß eine bleibende Volumenzunahme realisiert ist, die auch bei der späteren Bearbeitung, beispielsweise bei der Eximer- Laserablation, dauerhaften Bestand hat.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Er findung wird bei einer Überkompensation der fehlenden Resttiefe das nunmehr überstehende auf gequollene Polymer durch Polieren, beispielsweise mit gebundenem Diamantkorn, eingeebnet, so daß an der Oberfläche des Halbleitersubstrats ein bündi ges Planarisierungsresultat mit einer vom ver wendeten Poliermittel abhängigen Restrauhigkeit entsteht. Ist für besondere Anwendungsfälle eine noch glattere Substratoberfläche notwendig, kann in einfacher Weise durch eine ganzflächige Schleuder- oder Tauchbeschichtung eine Fein planarisierung in bekannter Art, beispielsweise mit einem vorvernetzten Polyimid, erfolgen.

Die Erfindung benutzt für die in eine Prozeßkette eingebettete Planarisierung der grabenförmigen Strukturen ausschließlich organische Polymer materialien, um diese später leicht wieder durch eine Eximer-Laserablationstechnik in der bereits erwähnten Art und Weise öffnen zu können. Damit ergibt sich eine wesentliche Prozeßvereinfachung bei der Strukturierung von Faserführungsstruk turen, die zusammen mit integriert optischen Lichtwellenleitern auf einem gemeinsamen Chip hergestellt werden. Weiterhin eröffnen sich Möglichkeiten der vereinfachten Herstellung dreidimensionaler Mikrostrukturen durch Kombi nation von Halbleiterätzschritten, Planarisierung mittels organischer Polymermaterialien, Photo lithographieprozesse und Laserstrukturierung, wie sie für galvanische Abformungen der Mikrostruk turen und anschließende Kunstoffabformtechniken benötigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ferner zur einfachen Planarisierung verschiedener Struk turen auf Halbleiter- oder anderen Substraten, sofern in nachfolgenden Prozeßabläufen die Zer setzungstemperaturen und die chemischen Bestän digkeiten der zur Planarisierung eingesetzten Polymerwerkstoffe beachtet werden. Hierbei kann eine chemische Beständigkeit gegen nachfolgende Beschichtungen durch dünne Metallzwischenschich ten deutlich erhöht werden. Diese Metallschichten mit Dicken «1 µm behindern eventuelle Laser ablationsverfahren nur unwesentlich.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Aus führungsbeispiel an Hand der zugehörigen Zeich nungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf Faserführungs strukturen im Substratwafer für ein Polymerbauelement;

Fig. 2 einen Querschnitt einer grabenförmigen Struktur aus Fig. 1;

Fig. 3 den Querschnitt nach einem weiteren Verfahrensschritt;

Fig. 4 den Querschnitt nach einem weiteren Verfahrensschritt und

Fig. 5 den Querschnitt nach einem weiteren Verfahrensschritt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt in der Draufsicht ein Halbleiter substrat 10. Das Halbleitersubstrat 10 besitzt in einem Bereich 12 zu planarisierende grabenförmige Strukturen 14. Im Beispiel handelt es sich um anisotrop eingeätzte v-förmige Faserführungs strukturen zum späteren lagegenauen Positionieren von einzulegenden Lichtleitfasern. Die v-förmige Struktur der grabenförmigen Strukturen 14 ist durch die gestrichelte Linie 16 angedeutet, die somit den tiefsten Punkt der grabenförmigen Strukturen 14 darstellt. An ihrem einen Ende 18 münden die grabenförmigen Strukturen 14 in ein als eine Wanne ausgebildetes sogenanntes Dosier reservoir 20. Das Dosierreservoir 20 und die grabenförmigen Strukturen 14 werden durch Auf bringen eines geeigneten Maskenlayouts gemeinsam eingeätzt, wobei auf den an sich bekannten Einätzungsschritt hier nicht weiter eingegangen werden soll.

Das Dosierreservoir 20 ist dabei in einem Bereich des Halbleitersubstrats 10 angelegt, der außer halb des für die Bauelemente benötigten Bereichs 12 des Halbleitersubstrats 10 liegt. In das Dosierreservoir 20 wird nunmehr mittels einer geeigneten Einrichtung, beispielsweise einer fei nen Pipette, einer Mikrodüse oder eines Dosier automaten ein unvernetztes oder teilvernetztes Präpolymer, beispielsweise ein UV-aushärtbarer Epoxidkleber, eingefüllt. Durch Einfüllen einer entsprechenden benötigten vorherbestimmbaren Menge des Polymerklebers wird dieser durch die auftretende Kapillarkraft in den grabenförmigen Strukturen 14 bis zum Ende des Bereichs 12 verteilt. Bei geeigneter Materialauswahl des Epoxidklebers hinsichtlich der Benetzungs fähigkeit, der Oberflächenspannung und der Viskosität kann die gleichmäßige Verteilung des Polymerklebers in den grabenförmigen Strukturen 14 optimiert werden. Insbesondere durch eine geeignete Vorwärmung auf eine Arbeitstemperatur kann die Viskosität des Polymerklebers den Gegebenheiten angepaßt werden.

Durch auftretende Oberflächenspannungen an dem Polymerkleber wird es von den Rändern der grabenförmigen Strukturen 14 in Richtung zu der Linie 16 regelmäßig zu einer von einer ebenen Fläche abweichenden Resttiefe kommen.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt einer graben förmigen Struktur 14 an der in Fig. 1 mit 22 bezeichneten Stelle gezeigt. Man erkennt deutlich die in das Halbleitersubstrat 10 eingeätzte V- förmige Nut der grabenförmigen Struktur 14. In der grabenförmigen Struktur 14 befindet sich der über das Dosierreservoir 20 eingefüllte Polymer kleber 24. Dieser ergibt aufgrund der bereits erwähnten Oberflächenspannung von der Oberfläche 26 des Halbleitersubstrats 10 in Richtung der tiefsten Stelle 16 der grabenförmigen Struktur 14 eine gewölbte Oberfläche, so daß sich die Rest tiefe R einstellt. Der in die grabenförmigen Strukturen 14 eingefüllte Polymerkleber 24 wird in einem weiteren Arbeitsschritt ausgehärtet, das heißt polymerisiert. Abhängig vom Material des Polymerklebers 24 wird dieser einer ganzflächigen UV-Belichtung unterzogen oder es wird eine Erwärmung auf eine bestimmte Polymerisations temperatur durchgeführt. Aufgrund des Polymeri sationsprozesses kommt es unvermeidlich innerhalb des Polymerklebers 24 zu einem Schrumpfungs prozeß, infolgedessen die Resttiefe R weiter zunimmt und der ausgehärtete Polymerkleber 24 in den aufgefüllten grabenförmigen Strukturen 14 nur bis auf einige µm an die Oberfläche 26 heran reicht, so daß sich für das gesamte Halbleiter substrat 10 noch keine gewünschte beziehungsweise für die nachfolgende Bearbeitung notwendige plane Oberfläche 26 ergibt.

Wie Fig. 3 zeigt, wird nunmehr in einem nächsten Verfahrensschritt der in den grabenförmigen Strukturen 14 ausgehärtete und geschrumpfte Polymerkleber 24 chemisch aufgequollen. Hierdurch wird die Resttiefe R zumindest kompensiert oder, wie dargestellt, überkompensiert, so daß sich im Bereich der grabenförmigen Strukturen 14 ein Überstand S ergibt. Mit dem Quellen des Polymerklebers 24 ist in jedem Fall eine Volumenzunahme erreicht, so daß die graben förmigen Strukturen 14 bis zur Oberfläche 26 sicher mit dem Polymerkleber 24 aufgefüllt sind.

Das chemische Aufquellen des Polymerklebers 24 kann je nach dessen Materialwahl auf unter schiedliche Weise erreicht werden. So ist bei spielsweise eine Eindiffusion von unvernetztem Präpolymer, beispielsweise von MMA in Acrylat- oder Epoxidkleber denkbar, das anschließend durch eine UV-Belichtung vernetzt wird. Weiterhin ist eine, eine bleibende Volumenzunahme realisierende Strukturveränderung des Polymerklebers 24 durch einen Angriff anorganischer Stoffe, beispiels weise Säuren oder Laugen, im Öffnungsbereich der grabenförmigen Strukturen 14 möglich. Ebenfalls ist ein chemisches Quellen des Polymerklebers 24 durch Eindiffusion organischer Lösungsmittel mög lich, die eine bleibende Volumenzunahme durch Änderungen des Polymergefüges des Polymerklebers 24 bewirken können. So kann eine inelastische Strukturveränderung des Polymerklebers 24 durch Einwirkung von niedrigsiedenden organischen Löse mitteln unter Druck in einem Autoklaven erreicht werden. Insgesamt wird dadurch erreicht, daß der Polymerkleber 24 gezielt bis über die Oberfläche 26 des Halbleitersubstrats 10 hochgequollen wird.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird, wie Fi gur 4 zeigt, der sich durch das chemische Quellen des Polymerklebers 24 ergebene Überstand S in einem einfachen Polierschritt abgetragen. Das Polieren kann dabei beispielsweise mit gebundenem Diamantkorn erfolgen. Insgesamt wird damit der Polymerkleber 24 im Bereich der grabenförmigen Strukturen 14 eingeebnet, so daß eine Rest rauhigkeit 28 verbleibt. Aufgrund der unter schiedlichen Eigenschaften zwischen Halbleiter substrat 10 und Polymerkleber 24 ist bei dem Polierschritt eine hohe Anisotropie, das heißt eine Richtungsabhängigkeit der Abtragsraten ein zuhalten. Erfolgt während des Polierschrittes ein flexibles Anpressen des Halbleitersubstrats 10 von dessen Rückseite, wird ein mit der Wafer oberfläche bündiges Planarisierungsresultat unab hängig von den unvermeidlichen Dickenschwankungen des Halbleitersubstrats 10 erreicht. Die Rest rauhigkeit 28 liegt dabei, abhängig vom verwende ten Poliermittel, im Submikrometerbereich und ist somit für normale Anwendungsfälle vernachlässig bar klein.

Sollte ein einfacher Polierschritt fertigungs technisch nicht möglich oder nicht wünschenswert sein, kann die Resttiefe R auch durch ein ein- oder mehrstufiges Verfahren aus Plasmaätzung und Polyimidbeschichtung beseitigt werden.

Ist für bestimmte Anwendungsfälle eine von der Restrauhigkeit 28 freie Substratoberfläche 26 notwendig, kann eine sogenannte Feinplanari sierung durch eine ganzflächige Schleuder- oder Tauchbeschichtung durchgeführt werden. Hierzu wird beispielsweise ein vorvernetztes Polyimid in einer Schicht 30 auf die Oberfläche 26 des Halbleitersubstrats 10 aufgebracht, so daß diese ganzflächige Schicht 30 gleichzeitig die Rest rauhigkeit 28 ausgleicht und eine absolut ebene Substratoberfläche entsteht. Sollte je nach ver wendetem Polymerkleber 24 dieser sich nicht gegen die Schicht 30 des vorvernetzten Polyimid als genügend resistent erweisen, kann vor Aufbringen der Schicht 30 auf die Oberfläche 26 und insbesondere auf die Restrauhigkeit 28 des Polymerklebers 24 eine dünne Metallisierungslage aufgebracht werden, so daß nach Aufbringen der Schicht 30 diese keine direkten Kontakt zum Polymerkleber 24 besitzt. Die in den Figuren nicht dargestellte Zwischenschicht ist dabei so ausgebildet, daß eine nachfolgende Bearbeitung des planarisierten Halbleitersubstrats 10, ins besondere bei einer nachfolgenden Eximer-Laser ablationstechnik, zum Erzeugen genau definierter Anschläge für in die grabenförmigen Strukturen 14 einzulegende Lichtleitfasern nicht negativ beein flußt wird.

Claims

1. Verfahren zum Planarisieren grabenförmiger Strukturen, insbesondere auf einem Halbleiter substrat, durch Auffüllen der grabenförmigen Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß in die grabenförmigen Strukturen (14) selektiv ein Prä polymer (24) eingefüllt wird, dieses Präpolymer (24) ausgehärtet und anschließend aufgequollen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich net, daß zum Einfüllen ein un- oder teil vernetztes Präpolymer (24) verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Präpoly mer (24) durch ganzflächige UV-Belichtung ausge härtet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Präpoly mer (24) durch thermische Behandlung ausgehärtet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ausge härtete Präpolymer (24) mit bleibender Struktur veränderung chemisch aufgequollen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das che mische Aufquellen durch Eindiffusion von unver netztem Präpolymer und anschließender Vernetzung erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vernetzung mittels einer UV- Belichtung erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das che mische Aufquellen durch Aufbringen anorganischer Stoffe, vorzugsweise von Säuren oder Laugen, erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das che mische Aufquellen durch Eindiffusion organischer Lösungsmittel erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Eindiffusion unter Druck erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aufge quollene Präpolymer (24) poliert wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halb leitersubstrat (10) während des Polierens flexibel angepreßt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Halbleitersubstrat (10) mit den planarisierten grabenförmigen Strukturen (14) feinplanarisiert wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fein planarisierung durch eine Schleuder- oder Tauchbeschichtung mit einem vernetzten Polyimid (30) erfolgt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die planari sierten grabenförmigen Strukturen (14) vor der Feinplanarisierung mit einer Metallisierungslage versehen und damit geschützt werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fein planarisierung durch eine ein- oder mehrmalige abwechselnde Polyimidbeschichtung und Plasma ätzung erfolgt.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einfül len des Präpolymers (24) in die grabenförmigen Strukturen (14) über wenigstens ein, auf dem Halbleitersubstrat (10) zusätzlich angeordnetes, mit den grabenförmigen Strukturen (14) verbunde nes Dosierreservoir (20) erfolgt.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Einfüllen verwendete Präpolymer (24) vorgewärmt wird oder durch geeignete Verdünnung oder Teilpolymerisation in seinen Viskositätseigen schaften, der Oberflächenspannung und der Be netzungsfähigkeit angepaßt wird.