ITMI20011557A1 - Supporto per la produzione di dispositivi microelettronici microoptoelettronici o micromeccanici con deposito integrato di materiale getter - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

“ SUPPORTO PER LA PRODUZIONE DI DISPOSITIVI MICROELETTRONICI. MICROOPT OELETTRONICI 0 MICROMECCANICI CON DEPOSITO INTEGRATO DI MATERIALE GETTER ”

La presente invenzione si riferisce ad un supporto per la produzione di dispositivi microelettronici, microoptoelettronici o micromeccanici con deposito integrato di materiale getter.

I dispositivi microelettronici (detti anche circuiti elettronici integrati, indicati nel settore con la sigla inglese ICs) sono alla base di tutta lindustria dell’elettronica integrata. I dispositivi microoptoelettronici comprendono per esempio i sensori di radiazione infrarossa (IR) di nuova generazione, che a differenza di quelli tradizionali non richiedono per il loro funzionamento temperature criogeniche. Questi sensori IR sono costituiti da una schiera di depositi di materiale semiconduttore, per esempio silicio, disposta in una camera evacuata. I dispositivi micromeccanici (meglio noti nel settore con la definizione inglese di “micromachines” o la sua abbreviazione MMs) sono invece in fase di sviluppo per applicazioni come sensori o attuatoli miniaturizzati: tipici esempi di micromachines sono i microaccelerometri, impiegati come sensori per l’attivazione dell’airbag delle automobili, micromotori, in cui si hanno ingranaggi e rote dentate di dimensioni di pochi micron, o gli interruttori ottici, in cui una superficie speculare di dimensioni dell’ordine delle decine di micron (μm ) può essere mossa tra due differenti posizioni, indirizzando un fascio di luce in due direzioni diverse, una delle quali corrisponde alla situazione di “acceso” e l’altra alla situazione di “spento” di un circuito ottico. Tutti questi dispositivi verranno anche riferiti nel seguito con la definizione generale di dispositivi a stato solido.

Gli ICs vengono prodotti con una tecnologia che comprende operazioni di deposito su un supporto planare di strati di materiali con diverse funzionalità elettriche (o magnetiche), alternate a rimozioni selettive di questi strati. Le stesse tecniche di depositi e rimozioni selettive vengono applicate anche alla costruzione dei dispositivi microoptoelettronici o di quelli micromeccanici. Questi sono generalmente contenuti in alloggiamenti costruiti a loro volta con le stesse tecniche. Il supporto più comunemente impiegato in queste produzioni è una “fetta” (detta nel settore “wafer”) di silicio, di spessori di circa 1 mm e con diametro fino a circa 30 cm. Su ognuna di queste fette vengono costruiti un elevatissimo numero di dispositivi; da queste fette poi, alla fine del processo di produzione, si separano per taglio meccanico o taglio laser i singoli dispositivi nel caso delle micromachines, o parti comprendenti una schiera di alcune decine di dispositivi nel caso dei sensori IR.

Le fasi di deposizione vengono effettuate con tecniche come la deposizione chimica da fase vapore, generalmente riferita come “CVD” dall’inglese Chemical Vapor Deposition, o la deposizione fisica da fase vapore o “PVD”, dall’inglese Physical Vapor Deposition, quest’ultima comunemente indicata anche con la denominazione inglese di “sputtering”. Le rimozioni selettive vengono generalmente effettuate attraverso attacchi chimici o fisici con opportune mascherature, come ben noto nel settore.

I circuiti integrati e le micromachines vengono poi generalmente incapsulati in materiali polimerici, metallici o ceramici, essenzialmente per motivi di protezione meccanica, prima di essere inseriti nell’apparato di destinazione finale (un computer, un’automobile, etc.). I sensori di radiazione IR sono invece generalmente compresi in una camera, rivolti verso una parete di questa, detta “finestra”, trasparente rispetto alla radiazione IR.

In alcuni tipi di circuiti integrati risulta importante poter controllare la diffusione di gas nei dispositivi a stato solido: è il caso per esempio delle memorie ferroelettriche, in cui l’idrogeno, diffondendo attraverso gli strati del dispositivo, può arrivare sul materiale ferroelettrico (generalmente un ossido ceramico, come il titanato zirconato di piombo, il tantalato o il titanato di stronzio e bismuto o il titanato di bismuto e lantanio) alterandone il corretto comportamento.

Ancora più importante è il controllo e l’eliminazione dei gas nei sensori IR e nelle micromachines. Nel caso dei sensori IR, i gas eventualmente presenti nella camera possono assorbire parte della radiazione oppure trasportare per convezione calore dalla finestra alla schiera di depositi in silicio, modificando la misura. Nelle micromachines, lattrito meccanico tra le molecole del gas e la parte in movimento, date le ridottissime dimensioni di quest’ultima, può portare a sensibili deviazioni dal funzionamento ideale del dispositivo; inoltre, molecole polari come per esempio l’acqua possono causare fenomeni di adesione tra la parte in movimento ed altre parti, per esempio il suo supporto, potendo portare al non funzionamento del dispositivo. Nei sensori IR a schiera di depositi in silicio o nelle micromachines è quindi fondamentale poter garantire che l’alloggiamento rimanga in vuoto per tutta la durata di vita del dispositivo.

Per minimizzare la quantità di gas in questi dispositivi, la loro produzione si effettua generalmente in camere da vuoto e ricorrendo a fasi di pompaggio prima del loro incapsulamento. In questo modo comunque il problema non è completamente risolto, perchè gli stessi materiali che compongono i dispositivi possono rilasciare gas, oppure questi possono permeare dall’esterno durante la vita del dispositivo.

Per rimuovere anche i gas che entrano nei dispositivi a stato solido durante la loro vita, è stato proposto l’impiego di un materiale getter. I materiali getter sono metalli quali zirconio, titanio, vanadio, niobio o tantalio, oppure loro leghe con altri metalli di transizione, con le Terre rare o alluminio. Questi metalli o leghe hanno una forte affinità chimica nei confronti di gas quali idrogeno, ossigeno, acqua, ossidi di carbonio e, in parte, idrocarburi inferiori; alcune leghe getter sono anche in grado di assorbire azoto. L’impiego di materiali getter per assorbire gas, in particolare idrogeno, negli ICs, è descritto per esempio nel brevetto US-A-5,760,433 e nelle domande di brevetto giapponesi pubblicate JP-11-040761 e JP-2000-40799. L’uso di materiali getter nei sensori IR è descritto per esempio nel brevetto US 5.921.461. Infine, l’uso di materiali getter nelle micromachines è descritto per esempio nell’articolo “Vacuum packaging for microsensors by glass-silicon anodic bonding” di H. Henmi et al., pubblicato sulla rivista tecnica Sensore and Actuators A, voi. 43 (1994), alle pagine 243-248.

Depositi localizzati di materiali getter possono essere ottenuti per CVD o sputtering durante le fasi produttive dei dispositivi a stato solido. Tale procedura però è poco gradita ai produttori di questi dispositivi, perchè la deposizione del getter durante la produzione dei dispositivi comporta la necessità di aggiungere al processo complessivo una fase di deposizione localizzata di materiale getter, che si effettua generalmente tramite le operazioni di deposizione di una resina, sensibilizzazione locale della resina tramite radiazioni (generalmente UV), rimozione selettiva della resina fotosensibilizzata, deposizione del materiale getter e successiva rimozione della resina e del materiale getter deposto su questa, lasciando il deposito di materiale getter nella zona da cui era stata rimossa la resina fotosensibilizzata. Inoltre, il deposito del getter nella linea _di produzione ha lo svantaggio che all’ aumentare del numero delle diverse fasi di processo e dei materiali impiegati in questo, aumenta anche il rischio di “inquinamenti” incrociati tra le diverse camere in cui si realizzano dette diverse fasi, col conseguente possibile aumento di prodotti di scarto a causa di contaminazioni.

Scopo della presente invenzione è quello di superare i problemi sopra evidenziati della tecnica, ed in particolare di semplificare la produzione dei dispositivi a stato solido.

Questo scopo viene ottenuto secondo la presente invenzione con un supporto per la produzione di dispositivi microelettronici, microoptoelettronici o micromeccanici con deposito integrato di materiale getter, costituito da una base avente funzioni di sostegno meccanico, un deposito continuo o discontinuo di un materiale getter su una superficie di detta base, ed uno strato che ricopre completamente detto deposito di materiale getter, realizzato con un materiale compatibile con la produzione di dispositivi microelettronici, microoptoelettronici o micromeccanici o loro parti

Il supporto dell’invenzione è in pratica analogo alle fette di silicio normalmente impiegate nell’industria, avendo però del materiale getter (in forma di strato continuo o di depositi discreti) “sepolto” sotto la superficie su cui, con le tecniche di deposizione e rimozione di materiali solidi prima citate, vengono costruiti i dispositivi microelettronici o micromeccanici.

L’invenzione verrà descritta nel seguito con riferimento alle Figure in cui:

- la Fig. 1 mostra in prospettiva, parzialmente in spaccato, un primo possibile supporto secondo l’invenzione;

- la Fig. 2 mostra una vista simile a quella precedente ed in scala ingrandita rispetto ad essa, parte di un secondo possibile supporto secondo l’invenzione;

- le Figg. da 3 a 11 rappresentano alcuni modi di impiego dei supporti dell’ invenzione.

Per chiarezza di descrizione, nelle figure i supporti dell’invenzione vengono rappresentati con un rapporto altezza/diametro fortemente esagerato rispetto alle dimensioni reali. Nelle figure inoltre i supporti vengono sempre rappresentati con la geometria a wafer, cioè un basso disco di materiale, perchè questa è la geometria comunemente adottata dai produttori di dispositivi a stato solido, ma tale geometria potrebbe essere anche differente, per esempio quadrata o rettangolare.

In figura 1 è mostrato parzialmente in spaccato un supporto dell’invenzione nella sua forma di realizzazione più semplice. Il supporto, 10, comprende una base, 11 ; questa ha unicamente una funzione di sostegno meccanico del supporto e dei dispositivi che se ne ricavano, e lo spessore del supporto 10 (nell’ ordine del millimetro) è dato quasi completamente dallo spessore di questa base. Sulla superficie 12 della base 11 è presente uno strato continuo 13 di materiale getter, 14, la cui superficie superiore è ricoperta da un ulteriore strato 15 di un materiale 16 compatibile con il processo di produzione di ICs o MMs, che vengono prodotti sulla superficie superiore 17 dello strato 15.

Il materiale della base 11 può essere un metallo, una ceramica, un vetro o un semiconduttore, preferibilmente silicio.

Il materiale 14 può essere un qualunque materiale getter noto. Per esempio, può essere un metallo quale Zr, Ti, Nb, Ta, V; una lega tra questi metalli o tra questi ed uno o più altri elementi, scelti tra Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Y, La e Terre Rare, come le leghe binarie Ti-V, Zr-V, Zr-Fe e Zr-Ni o leghe terare Zr-Mn-Fe o Zr-V-Fe o a più componenti. I materiali getter preferiti per questa applicazione sono il titanio, lo zirconio, la lega di composizione percentuale in peso Zr 84% - Al 16%, prodotta e venduta dalla richiedente con il nome St 101 , la lega di composizione percentuale in peso Zr 70% - V 24,6% - Fe 5,4%, prodotta e venduta dalla richiedente con il nome St 707 e la lega di composizione percentuale in peso Zr 80,8% - Co 14,2% - TR 5% (in cui TR è una Terra Rara, ittrio, lantanio o loro miscele) prodotta e venduta dalla richiedente con il nome St 787. Lo strato 13 di materiale getter può essere ottenuto con varie tecniche, come per esempio evaporazione, deposizione da precursori metallorganici, o con le tecniche note nel settore con le definizioni inglesi “laser ablation” e “e-beam deposition”; preferibilmente, questo strato viene ottenuto per sputtering. Lo strato 13 può avere spessori compresi tra circa 0,1 e 5 pm: con spessori inferiori di quelli indicati si riduce eccessivamente la capacità di assorbimento di gas dello strato 13, mentre con spessori superiori si allungano i tempi di deposizione senza avere reali vantaggi sulle proprietà di assorbimento.

Il materiale 16 è uno dei materiali che vengono normalmente impiegati come substrato nella produzione dei dispositivi a stato solido; può essere un materiale cosiddetto III-V (per esempio, GaAs o InP), o preferibilmente silicio. Lo strato 16 può essere ottenuto per sputtering, per epitassia, per CVD o con altre tecniche note nel settore. Lo spessore dello strato 16 è generalmente inferiore a 50 pm e preferibilmente compreso tra circa 1 e 20 μm. Questo strato assolve a due funzioni: protegge il materiale getter dal contatto con i gas fino al momento in cui questo viene esposto (per rimozione parziale e localizzata dello strato 16), e funge da ancoraggio per gli strati che su di esso vengono successivamente deposti per costruire ICs, dispositivi microoptoelettronici o MMs, o può addirittura essere esso stesso lo strato in cui questi dispositivi vengono costruiti (per esempio, le parti mobili di una micromachine possono essere ricavate in questo strato per rimozione di sue parti). La superficie superiore dello strato 16 può anche essere trattata modificandone la composizione chimica, per esempio con formazione di un ossido o un nitruro, in vista di successive operazioni di produzione dei dispositivi.

La figura 2 mostra una seconda possibile forma di realizzazione del supporto dell’invenzione; anche in questo caso il supporto viene rappresentato parzialmente in spaccato, ma in scala ingrandita rispetto alla figura 1, ed inoltre in questo caso vengono esagerate per chiarezza anche le dimensioni laterali dei vari depositi di materiale getter sulla base. Il supporto 20 comprende una base 21. Nelle zone 22, 22’, ... della superficie 23 di questa base vengono ottenuti depositi discreti, 24, 24’, ..., di materiale getter 25; questi vengono poi ricoperti con uno strato 26 di un materiale 27. La base 21 è dello stesso tipo e dimensioni della base 11 del supporto 10; analogamente i materiali 25 e 27 sono dello stesso tipo rispettivamente dei materiali 14 e 16 descritti con riferimento al dispositivo 10.

I depositi 24, 24’, ..., hanno gli stessi spessori dello strato 13 del supporto 10. Questi depositi sono però discreti, ed hanno dimensioni laterali generalmente inferiori a 500 μm e che possono variare entro ampi limiti in funzione del dispositivo di destinazione finale: per esempio, se l’impiego previsto è in ICs, le dimensioni laterali saranno dell’ordine di alcuni micron o inferiori, mentre nel caso di MMs queste dimensioni possono essere comprese tra qualche decina e qualche centinaio di micron.

Lo strato 26 ha uno spessore variabile, minore nelle zone soprastanti i depositi 24, 24’, ..., e maggiore nelle zone libere da tali depositi, aderendo alla superficie 23 in tali zone. Lo spessore di questo strato nelle zone soprastanti i depositi ha gli stessi valori dello strato 15 del supporto 10, mentre nelle zone libere dai depositi 24, 24’, ..., il suo spessore sarà maggiorato dello spessore di questi depositi. Per favorire l’adesione, lo strato 26 è preferibilmente realizzato con lo stesso materiale della base 21; la combinazione preferita è silicio (mono- o policristallino) per la base 21, e silicio cresciuto per epitassia per lo strato 26.

Le figure 3 e 4 mostrano una possibilità di uso del supporto 10 nella produzione di ICs. Sulla superficie superiore 17 del supporto 10, costituita dallo strato 15 per esempio in silicio, vengono prodotti circuiti microelettronici a stato solido, schematizzati come elementi 30, 30’, ..., con tecniche note. Il supporto 10 viene poi tagliato lungo le linee tratteggiate in figura 3, ottenendo singoli dispositivi di tipo ICs: uno di questi è schematizzato in figura 4, che mostra un circuito integrato 40 ottenuto su una parte del supporto 10 che integra, “sepolto” sotto la superficie 17, uno strato di materiale getter 14. Questo strato di materiale getter è in grado di assorbire gas, in particolare idrogeno, che possono diffondere attraverso i vari strati del dispositivo, impedendo o riducendo la contaminazione del circuito integrato 40.

Nel caso della produzione delle MMs, sulla superficie 17 del supporto vengono prodotte le strutture, schematizzate in figura 5 come elementi 50, 50’, ..., comprendenti le parti mobili della micromachine. A produzione ultimata delle strutture 50, 50’, ..., (compresi i contatti per il collegamento elettrico di ogni singola micromachine con l’esterno, non mostrati in figura) il supporto viene sottoposto ad una operazione di rimozione localizzata dello strato 15, in zone della superficie 17 libere da dette strutture, formando canali 51, 51, ..., che espongono il materiale getter 14; al supporto 10 così trattato viene poi sovrapposto un elemento di copertura, 60 (l’insieme tra questo e il supporto 10 è mostrato in sezione in figura 6), che sarà generalmente realizzato con gli stessi materiali della base Il e che deve poter essere fissato agevolmente alla superficie 17 (preferito è l’impiego del silicio): questo elemento 60 può presentare (caso rappresentato in figura) delle cave, 61, 61, ..., in corrispondenza delle aree in cui, sul supporto 10, sono state ricavate le strutture 50, 50’, ..., e sono state esposte porzioni dello strato 13; in particolare, ognuna di dette cave sarà tale che, quando il supporto 10 e l’elemento 60 sono fissati tra loro, si ottenga uno spazio 62 in cui è contenuta una struttura di tipo 50, 50’, ..., ed un canale 51 di accesso al materiale getter, di modo che quest’ultimo sia in contatto diretto con lo spazio 62 e possa assorbire gas eventualmente presenti o rilasciati nel tempo in detto spazio. Infine, le singole micromachines vengono ottenute tagliando l’insieme costituito dal supporto 10 e dall’elemento 60 lungo le zone di adesione tra questi.

In una variante del processo di produzione di micromachines sopra riassunto, la rimozione localizzata dello strato 15 viene effettuata prima delle fasi di produzione delle strutture 50, 50’, ...

In un’ulteriore variante del processo sopra delineato, il cui risultato finale è la micromachine 70 rappresentata in figura 7, il supporto dell’ invenzione viene impiegato come elemento 60. In questo caso, il substrato su cui si costruisce la micromachine è di tipo tradizionale, senza strato getter integrato. Il supporto 10 dell’invenzione viene sottoposto ad un trattamento di rimozione localizzata dello strato 15, formando al tempo stesso una cava 71 che costituisce lo spazio 72 per l’alloggiamento della struttura mobile 73 e il canale di accesso al materiale getter 14.

L’impiego di un supporto di tipo 20 verrà esemplificato solo in relazione all’uso come supporto sulla cui superficie viene costruita una micromachine (uso analogo a quello rappresentato nelle figure 5 e 6), ma ovviamente questo potrà essere usato anche come supporto per la produzione di ICs (come descritto con riferimento alle figure 3 e 4) o come elemento di copertura in micromachines (come descritto con riferimento alla figura 7). Il supporto 20 viene sottoposto ad un trattamento di rimozione localizzata dello strato 26 in corrispondenza ai depositi 24, 24’, ..., ottenendo sul supporto i canali 80, 80’, ..., come illustrato in sezione in figura 8, pronto per la serie di operazioni di produzione delle micromachines. Su questo supporto vengono poi costruite le strutture mobili (schematizzate come elementi 90, 90’) in figura 9; di seguito, al supporto 20, nelle zone libere dalle strutture mobili 90, 90’, ... e dai canali 80, 80’, ..., viene fissato un elemento di copertura 100 ottenendo l’assemblato 101 mostrato in sezione in figura 10; infine, tagliando l’assemblato 101 lungo linee (tratteggiate in figura) comprese nelle zone di adesione tra supporto 20 e elemento 100, si ottiene la micromachine 110 illustrata in sezione in figura 11.

Visto il modo d’impiego, un supporto di tipo 20 deve essere prodotto conoscendo l’applicazione finale. In particolare, soprattutto nel caso delle micromachines, è importante conoscere le dimensioni laterali delle strutture mobili (50, 50’, ..., 73 o 90, 90’...) così come le dimensioni laterali delle cave (61, 61’, ... o 71) da produrre in seguito, per poter determinare correttamente le dimensioni laterali e la distanza reciproca dei depositi 24, 24’, ...; in questo modo si assicura che le cave che danno accesso al materiale getter non interferiscano con la struttura mobile, ma anche che siano contenute nel perimetro dello spazio 62 o 72 in cui la micromachine è alloggiata. Questo corretto dimensionamento può essere realizzato ottenendo dai produttori dei circuiti finali i disegni, anche di massima, dei dispositivi da produrre sul supporto 20.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Supporto (10; 20) per la produzione di dispositivi microelettronici, microoptoelettronici o micromeccanici con deposito integrato di materiale getter, comprendente una base (11; 21) avente funzioni di sostegno meccanico, un deposito integrato (13, 24, 24’, ...) di un materiale getter (14; 25) su una superficie (12; 23) di detta base, ed uno strato (15; 26) che ricopre completamente detto deposito di materiale getter, realizzato con un materiale (16; 27) compatibile con la produzione di dispositivi microelettronici, microoptoelettronici o micromeccanici o loro parti.
2. 2. Supporto (10) secondo la rivendicazione 1, in cui detto deposito integrato (13) di materiale getter copre in modo continuo tutta la superficie (12) di detta base (11).
3. 3. Supporto (20) secondo la rivendicazione 1, in cui detto deposito integrato di materiale getter è discontinuo, in forma di depositi discreti (24, 24’, ..) sulla superficie (23) di detta base (21).
4. 4. Supporto secondo la rivendicazione 1 in cui il materiale con cui è realizzata detta base (11; 21) è scelto tra un metallo, una ceramica, un vetro o un semiconduttore.
5. 5. Supporto secondo la rivendicazione 4 in cui detto materiale è silicio.
6. 6. Supporto secondo la rivendicazione 1 in cui il materiale getter (14; 25) è scelto tra i metalli Zr, Ti, Nb, Ta, V, leghe tra questi metalli o leghe tra questi metalli ed uno o più altri elementi, scelti tra Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Y, La e Terre Rare.
7. 7. Supporto secondo la rivendicazione 6 in cui detto materiale getter è titanio.
8. 8. Supporto secondo la rivendicazione 6 in cui detto materiale getter è zirconio.
9. 9. Supporto secondo la rivendicazione 6 in cui detto materiale getter è una lega di composizione percentuale in peso Zr 84% - A! 16%.
10. 10. Supporto secondo la rivendicazione 6 in cui detto materiale getter è una lega di composizione percentuale in peso Zr 70% - V 24,6% - Fe 5,4%.
11. 11. Supporto secondo la rivendicazione 6 in cui detto materiale getter è una lega di composizione percentuale in peso Zr 80,8% - Co 14,2% - TR 5%, in cui TR indica una Terra Rara, ittrio, lantanio o loro miscele.
12. 12. Supporto secondo una delle rivendicazioni 2 o 3 in cui detto deposito integrato, continuo o discontinuo di materiale getter ha uno spessore compreso tra 0,1 e 5 pm.
13. 13. Supporto secondo la rivendicazione 1 in cui detto materiale (16; 27) compatibile con la produzione di dispositivi microelettronici, microoptoelettronici o micromeccanici o loro parti è un materiale semiconduttore
14. 14. Supporto secondo la rivendicazione 13 in cui detto materiale è silicio.
15. 15. Supporto secondo la rivendicazione 1 in cui detto strato di materiale compatibile con la produzione di dispositivi microelettronici, microoptoelettronici o micromeccanici o loro parti ha uno spessore compreso tra 1 e 20 pm.
16. 16. Uso del supporto (10) secondo la rivendicazione 1 come elemento di copertura (60) di dispositivi microelettronici o micromeccanici o loro parti costruiti in detto strato (15) di materiale (16) compatibile con la loro produzione, su uno strato di base dello stesso materiale della base (11) di detto supporto.