JP2002502116A - マイクロシステム及びマイクロシステムを製造する方法 - Google Patents

マイクロシステム及びマイクロシステムを製造する方法

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Abstract

(57)【要約】 マイクロシステム（１０）は、柔軟なフィルム（１２）と、その柔軟なフィルム（１２）に埋設された複数の半導体素子（１４）と、実質的に柔軟なフィルム（１２）上に配置され、少なくとも２つの半導体素子（１４）を電気的に接続するために使用される接続回線（１６）を備えている。このマイクロシステム（１０）を製造するため、まずウェーハ表面上にある半導体層に電子的構成部分を集積化する。次いで、電子的構成部分間の不要な半導体領域をエッチング除去し、続いて柔軟なフィルム（１２）を設ける。次いで、個々の半導体素子（１４）を互いに接続させるように、接続回線（１６）を柔軟なフィルム（１２）に設ける。最後に、個々の半導体素子（１４）が柔軟なフィルム（１２）だけで結合されていて最早半導体基板で機械的に結合されていないマイクロシステム（１０）を得るように、半導体を裏面からエッチング除去する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、マイクロシステム、及びマイクロシステムを製造する方法に関する
。特に本発明はほとんどどのような所望の形状にもできる柔軟なマイクロシステ
ムに関する。
【０００２】 シリコン技術の急速な進歩により、マイクロシステムをそっくりシリコンに集
積するというケースが増えてきている。こうした最新のマイクロシステムには、
センサ装置のための評価エレクトロニクスに加えてセンサ及びアクチュエータそ
のものも包含されており、これらは同様にマイクロ機械技術によって例えばシリ
コン基板に形成されている。このようなマイクロシステムは、現在のところ殆ど
の場合、単結晶シリコン基板から製造される。単結晶シリコンの電気的な特性の
おかげで、このように複雑な回路を集積化することができる。センサ素子及びア
クチュエータ素子を具体化するには、電気的な特性に加えて、材料そのものとし
てのシリコンの機械的な特性も活用される。代替として使用可能なその他の電子
材料、例えば非晶質や多結晶のシリコン及び導電性ポリマーも、単結晶シリコン
に匹敵する電気的挙動を達成するには遠く及ばない。
【０００３】 シリコンの高い機械的硬度により、既知のマイクロシステムに使用される基板
は固体シリコンでできており、したがって剛性があり、平面的である。そのウェ
ーハの厚さは数百マイクロメートルのオーダーである。このことが、平坦でない
載置面を備えた環境ではこうしたマイクロシステムチップは使用に適さないこと
の理由である。機械的な柔軟性が欠けているという欠点は、チップ面積が増える
につれていっそう目立ってきている。なお付言しておくと、集積回路の他にセン
サ及びアクチュエータそのものもウェーハに配置することを考えた場合、複雑な
マイクロシステムはかなり広いチップ面積を占める場合がある。
【０００４】 マイクロシステムの柔軟性を向上させるための１つの既知の方法が、Trieu, H
.K., Ewe, L., Mokwa, W.著の「シリコンにおける柔軟なマイクロ構造」、フラ ウンホーファーＩＭＳ年次報告書、１９９６年、１７−１９頁に記載されている
。柔軟性の問題を解決するため、機械的に柔軟性のあるMESAflex基板が提案され
ており、この基板は、幅が０，８から２ｍｍ、厚さが０，３から０，７ｍｍのシ
リコンアイランドが薄いシリコン膜（厚さ＜２０μｍ）で相互に結合されている
シリコンアイランドアレーでできている。このようなMESAflex基板は、厚さ数百
マイクロメートルのただ１つのシリコンウェーハ上に集積されている従来のマイ
クロシステムに比べてはるかに柔軟性が高いという特徴をもっている。このよう
なシリコンアイランドの配置は、主平面から９０°以上に直線的に折り曲げるこ
とを可能にする。しかしながら、シリコンアイランドを相互に結合するこうした
単結晶シリコン膜は多くの利用目的については相変わらず感度が高すぎ、脆弱す
ぎる。しかも局所的な柔軟性、つまりマイクロシステムの特定の領域での柔軟性
は、比較的大きいシリコンアイランドによって制限されている。
【０００５】 本発明の目的は、信頼性が高く、それにもかかわらず柔軟性の高いマイクロシ
ステムを提供することである。
【０００６】 この目的は請求項１に記載のマイクロシステムによって、ならびに請求項１６
に記載のマイクロシステム製造方法によって達成される。
【０００７】 本発明によるマイクロシステムは、柔軟なフィルムと、この柔軟なフィルムに
埋設された複数の半導体素子と、実質的にこの柔軟なフィルム上に配置され、少
なくとも２つの半導体素子を電気的に接続するための少なくとも１つの接続回線
とを包含している。本発明のこのようなマイクロシステムが従来技術のものと異
なる特徴は、集積回路であってよい半導体素子及びセンサやアクチュエータがも
はやウェーハやシリコン膜を介して相互に結合されるのではないという点にある
。すべての個々の半導体素子を機械的に結合してマイクロシステムを１つの剛性
のある対象物にし、又はシリコン膜を使用する場合にはマイクロシステムを比較
的脆い対象物にするウェーハの使用は、半導体素子を埋設する柔軟なフィルムを
使用することによって省略することができる。本発明によれば、個々の半導体素
子は柔軟なフィルムだけで支持される。そのため柔軟なフィルムが絶縁フィルム
である場合には、半導体素子は互いに絶縁される。そこで、本発明によれば、所
望のマイクロシステムを得るために、個々の半導体素子を相互に結びつける導体
線路及びバス回線の必要な構造を柔軟なフィルムの上に施すことができる。
【０００８】 半導体素子は、全く一般的には、何通りものやり方で柔軟なフィルムに埋設で
きる平坦な直角平行六面体であるとみなすことができる。一つには、数マイクロ
メートルからサブマイクロメートルの領域までの厚さしかもたない半導体素子を
、平坦な直角平行六面体形状を持つその半導体素子の両主表面が露出するように
柔軟なフィルムに埋設することができる。このとき接続回線は半導体素子の接続
領域に直接設けることができる。しかしながら、非常に薄い半導体素子は、その
半導体素子の裏面のみが露出するようにフィルムに埋設するのが好ましい。この
とき接続領域が配置されている半導体素子前面も柔軟なフィルムで覆われる。こ
の場合、接続回線を形成するには、半導体素子と接続し半導体素子相互を接続す
るビアホールを柔軟なフィルムに穿設することが必要であろう。
【０００９】 本発明によれば、個々の半導体素子を機械的に相互に結合しているのは、実質
的にその柔軟なフィルムである。したがってマイクロシステムの柔軟性はもはや
剛性のある半導体素子によって規定されるのではなく、柔軟なフィルムによって
実質的に規定される。マイクロシステムの柔軟性を特定の条件に合わせるための
、つまりマイクロシステムの局所的な柔軟性を調整するための、さらに別の有利
な可能性が存在する。半導体素子相互を特定の様式で配置することによって、例
えば機能ブロックごとに配置することによって、マイクロシステムを折り畳んだ
り巻いたりできるような柔軟性をマイクロシステムに付与することができる。本
発明の他の利点は、例えばｘ方向では比較的硬いマイクロシステムであるがｙ方
向には非常に柔軟なマイクロシステムであるような任意の様式で幾何学的な構造
化が可能な「補強」橋によって、柔軟なフィルムの特定領域を形成することがで
きることである。この方策により、柔軟なフィルム中での半導体素子の特定配置
と同じく、局所的な剛性の生成が可能になり、ないしは逆にマイクロシステムの
局所的な柔軟性の生成が可能になる。
【００１０】 さらに、柔軟なフィルムの特性に直接影響を与えることが可能であり、すなわ
ち使用されている柔軟なフィルムがポリマーフィルムである場合には、異なる硬
化条件によってフィルムの剛性を局所的に調整することが可能である。
【００１１】 半導体素子が柔軟なフィルムに埋設される本発明のマイクロシステムは、半導
体チップを柔軟な基板の上にはんだ付けないし接着する公知の柔軟な回路に比べ
て、マイクロシステムの屈曲によって発生する負荷を実質的に完全に柔軟なフィ
ルムで吸収して半導体素子には吸収させないという利点を備えており、それによ
って屈曲時に発生する機械的な応力が半導体素子の電気的パラメータへの圧電抵
抗的な影響につながることがない。この柔軟なマイクロシステムは全体としてほ
ぼどのような任意形状にも適合させることができ、ないしはほぼどのような任意
形状にすることも可能であるが、個々の半導体素子はそれら自体の個別的な構造
を維持しており、すなわち半導体素子が屈曲することはなく、このことは機械的
形状を「歪ませ」てはならないある種のセンサやアクチュエータでは特に重要で
ある。
【００１２】 次に、本発明の好ましい実施例について添付の図面を参照しながらさらに詳細
に説明する。 図１は本発明によるマイクロシステム１０の平面図を示す。マイクロシステム
１０は複数の半導体素子１４を埋設した柔軟なフィルム１２を備えている。半導
体素子１４は、既知の導体線路又は複雑なバス構造体として実現できる接続回線
１６により相互に接続されている。
【００１３】 半導体素子は好ましくは単結晶の半導体材料からなる小片であり、この小片は
図１に見えるように任意の配置で柔軟なフィルムに埋設することができる。半導
体素子は集積化された能動的および／または受動的な構成部分であることができ
、あるいはセンサやアクチュエータであってもよい。このようなマイクロ機械的
素子はこの技術分野では既知であり、詳しくは説明しない。柔軟なフィルム１２
は好ましくは非常に柔軟なプラスチックフィルムであり、例えばポリマーとする
ことができる。
【００１４】 本発明によるマイクロシステム１０は、半導体素子１４が柔軟なフィルム１２
に埋設されているという事実に基づいて、きわめて柔軟であるとともに任意の表
面に適合可能である。マイクロシステム１０に追加的な柔軟性を与えるには、例
えば図１の右側に示されているように個々の半導体素子１４を機能グループごと
に配置するのが有利であろう。この配列の場合、１つの機能グループの半導体素
子が右上に配置されており、別の機能グループの半導体素子は右下に配置されて
いる。このマイクロシステムは、図１の右側にある半導体素子の配置によって、
線１８に対して直角に延びる線を中心とした場合よりも、線１８を中心した場合
の方が高い柔軟性を備えている。したがってこのマイクロシステムは半導体素子
の配置だけで局所的な剛性を得ていることになる。このことは、任意の形をもつ
物体に適合させるためにマイクロシステム１０を線１８を中心として折り曲げた
い場合、ないしは巻きたい場合に特に有利であろう。
【００１５】 柔軟なフィルムに局所的な剛性と局所的な柔軟性をそれぞれ与えるさらに別の
可能性は、例えば任意形状の補強リブとして柔軟なフィルムに形成できる幾何学
的な下部構造２０を備えることである。螺旋状の幾何学的な下部構造２０は、マ
イクロシステムの符号２２で示す領域が図面の平面から出るように変形して一種
の「尖り帽子」を形成できるような、マイクロシステム１０の局所的な柔軟性を
可能にする。しかしながら、領域２２における幾何学的な下部構造２０により、
マイクロシステム１０はマイクロシステム１０の平面内の線を中心とした折り曲
げに対しては比較的硬い。簡単な形状をもつさらに別の幾何学的な下部構造を、
例えば図１に関して水平方向で、線１８に平行に延びるリブ形式に設けることも
でき、それにより、複数のこのような平行で水平なリブがある場合には、折り曲
げは線１８を中心としてしかできなくなり、線１８に対して直角に延びる線を中
心としてはできなくなるだろう。したがって、柔軟なフィルムのこのような造形
特性により、本発明のマイクロシステムを任意の下地に適合させたり、マイクロ
システムを任意の所望形状にしたりするように、任意の局所的な柔軟性を調整す
ることができる。
【００１６】 マイクロシステム１０を局所的に柔軟に構成するさらに別の可能性は、ポリマ
ー硬化の程度が局所的に異なっていることによる異方性の剛性を柔軟なフィルム
に与えることである。好ましくは、さらに例えば単結晶シリコンからなる半導体
素子１４の曲げ剛性を、柔軟なプラスチックフィルムの曲げ剛性の少なくとも２
倍、好ましくは２桁から３桁大きく設定する。それにより、屈曲時に発生する機
械的な応力は主に柔軟なプラスチックフィルムに限定され、マイクロシステム１
０の電子的に能動的な構成部分は、これらの半導体素子１４の電気的なパラメー
タへの圧電抵抗的な影響を防ぐことができるように非常に大きな程度までストレ
スなしのまま保たれる。能動的な領域をストレス作用に対して特に敏感に反応さ
せる他の用途の場合、例えば接触センサの場合には、剛性及び柔軟性をそれぞれ
調整するための前述の方法を機械的な負荷や移動に対してできるだけ高い感度が
得られるように逆に利用することができる。
【００１７】 図２は、マイクロシステム１０の好ましい実施例の断面図を示す。半導体素子
１４がどのように柔軟なフィルム１２に埋設されているか、及び接続回線１６が
どのように柔軟なフィルム１２に設けられているかが図２に明らかに示されてい
る。柔軟なフィルムが半導体素子１４の前面上を延びている場合、接続回線１６
を半導体素子１４のコンタクト領域と接触させるために、この柔軟なフィルムに
はビアホール２４が形成される。機械的安定性の向上と絶縁の目的のために、接
続回線１６上にさらに別の柔軟なフィルム２６が設けられており、それによって
接続回線１６は柔軟なフィルム１２と柔軟なフィルム２６の間にサンドイッチ状
に挟まれている。
【００１８】 次に、本発明によりマイクロシステムを製造するために使用される方法につい
て説明する。好ましくは単結晶シリコンからなり厚さが例えば数百ｎｍの薄い半
導体被覆層をもつＳＩＭＯＸウェーハである半導体ウェーハから出発すると、例
えばエピタクシーによって厚さ数マイクロメートルの単結晶シリコン層を選択的
に成長させることができる。そしてこの薄い単結晶シリコンフィルムに、マイク
ロシステムに必要となる電子的構成部分を適当な配置で集積化することができる
。極端な場合には、このような電子的構成部分がただ１つのトランジスタ、ある
いは小さなトランジスタグループだけを備えていてもよい。別の極端な場合とし
ては、このような構成部分は完全なマイクロ機械的センサ又はアクチュエータで
あってもよい。電子的構成部分の間の不要になった半導体領域をエッチング除去
することにより、好ましくは単結晶シリコンからなり、すべての面で絶縁されて
いる多数の小片であって、これまで半導体素子１４と呼んでいたものが生成され
る。しかしこれらの半導体素子１４はまだＳＩＭＯＸウェーハによって相互に機
械的に結合されている。エッチング脱離の工程では、これらの半導体素子間にあ
る不要な領域がエッチング除去されているので、個々の半導体素子１４がウェー
ハの表面から浮き出ることになる。そして半導体素子１４が浮き出ているウェー
ハの前記表面に、好ましくはポリマー膜にてなる柔軟なフィルム１２を設ける。
このフィルムの厚さは、マイクロシステムの特殊な利用分野によっても規定され
る一般的な安定性基準に応じて決める。柔軟なフィルム１２を硬化させた後、１
本の接続回線１６、又は図１に示すようなより大型のマイクロシステムの場合に
は多数の接続回線を柔軟なフィルム１２の上に設ける。すでに上述したように、
柔軟なフィルム１２の厚さが半導体素子１４の厚さよりも大きい場合にはビアホ
ールを設けることができる。安定性をさらに向上させるとともに不動態化の目的
のために、導体線路の形成後にさらに別の柔軟なフィルム２６を接続回線と第1 の柔軟なフィルム１２の上にそれぞれ直接設ける。この時点でマイクロシステム
は誘電的に絶縁されたサンドイッチ構造の形をとっており、半導体素子１４はポ
リマー中に埋設されている。必要な場合にはサンドイッチ技術の適用を繰り返し
、ビアホールをつめこむことによって多層金属化することができる。また、別の
柔軟なフィルム２６は、機械的な応力分散を調整するとともに、この方法で局所
的な柔軟性若しくは剛性を調整又はむしろ形成するために、下部構造を備えてい
てよい。最後に、ウェットケミカル的なエッチング工程で支持体ウェーハをエッ
チング脱離することにより、本発明による自立式のマイクロシステムが得られる
。この工程で、ウェーハはその裏面から完全にエッチング除去されて半導体素子
１４しか残らないようになり、これらの半導体素子１４はただ柔軟なフィルムと
、割合は少ないが接続回線とによって相互に機械的に結合されている。
【００１９】 インテリジェントな超軟質フィルムとも呼ばれる本発明のマイクロシステムは
、マイクロシステム工学の利用範囲を拡大することを可能にする。このことは、
一方では平坦でない環境でのチップの利用に該当する。また他方では、得られた
構造の機械的な柔軟性のおかげで三次元のチップ形状を構成できるようになり、
こうしたチップ形状は従来の平坦な構造では実現不可能なものであり、センサ工
学やアクチュエータ工学にとってまったく新しい可能性を提供するものである。
さらに、このような機械的に柔軟なチップは、例えば生体組織に及ぼす組織片の
外傷性作用を最低限に抑えることが必要な場合などでは、医療技術で使用するの
に全く理想的である。これに関しては移植可能なインテリジェント人工装具、つ
まり集積回路を備えた人工装具の分野で大きな需要が存在している。つまり本発
明によるマイクロシステムは、電子的システムと生物学的システムとを連結する
のに格別に適している。その他の生物学的な用途としては、例えば人工網膜、神
経刺激物質、あるいは神経接触物質としてのマイクロシステムの使用が挙げられ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるマイクロシステムを示す全体の模式図である。
【図２】 本発明の好ましい実施例に基づくマイクロシステムを示す断面図
である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年１月２４日（２０００．１．２４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１６
【補正方法】変更
【補正内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルツ・エベエ ドイツ国、Ｄ−47166 デュイスブルグ、 ハイデストラーセ２番

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 柔軟なフィルム（１２）と、 前記柔軟なフィルム（１２）に埋設された複数の半導体素子（１４）と、 実質的に前記柔軟なフィルム（１２）上に配置され、少なくとも２つの半導体
    素子（１４）を電気的に接続するために使用される少なくとも１つの接続回線（
    １６）とを備えているマイクロシステム（１０）。
  2. 【請求項２】 前記半導体素子（１４）は、このマイクロシステム（１０）
    が局所的に異なる柔軟性をもつように、前記フィルム（１２）に関して配置され
    ている請求項１に記載のマイクロシステム（１０）。
  3. 【請求項３】 前記柔軟なフィルム（１２）は、このマイクロシステム（１
    ０）が局所的に異なる柔軟性をもつように、幾何学的に下部構造（２０）を備え
    ている請求項１又は２に記載のマイクロシステム（１０）。
  4. 【請求項４】 前記柔軟なフィルムは、このマイクロシステム（１０）が局
    所的に異なる柔軟性をもつように、局所的に異方性の剛性の性質を備えている前
    記請求項のいずれか１項に記載のマイクロシステム（１０）。
  5. 【請求項５】 前記半導体素子（１４）は前記柔軟なフィルム（１２）に比
    べて剛性が少なくとも２倍大きい前記請求項のいずれか１項に記載のマイクロシ
    ステム（１０）。
  6. 【請求項６】 前記半導体素子（１４）の少なくともいくつかが単結晶シリ
    コンでできている前記請求項のいずれか１項に記載のマイクロシステム（１０）
    。
  7. 【請求項７】 前記半導体素子（１４）は実質的に平坦であり、平坦な面に
    対して垂直に数マイクロメートルからサブマイクロメートルまでの寸法を有して
    いる前記請求項のいずれか１項に記載のマイクロシステム（１０）。
  8. 【請求項８】 前記複数の半導体素子（１４）は受動的電子回路及び／又は
    能動的電子回路を有している前記請求項のいずれか１項に記載のマイクロシステ
    ム（１０）。
  9. 【請求項９】 前記複数の半導体素子（１４）は電気機械的なマイクロセン
    サ及び／又はマイクロアクチュエータを有している前記請求項のいずれか１項に
    記載のマイクロシステム（１０）。
  10. 【請求項１０】 前記接続回線（１６）は２つの半導体素子（１４）をつな
    ぐ導体線路であるか、又は複数の半導体素子をつなぐバス構造である前記請求項
    のいずれか１項に記載のマイクロシステム（１０）。
  11. 【請求項１１】 前記柔軟なフィルム（１２）は、ポリマー材料を有してい
    る前記請求項のいずれか１項に記載のマイクロシステム（１０）。
  12. 【請求項１２】 変形に対してこのマイクロシステムが局所的に応じる部分
    をもつように、近隣領域の剛性よりも小さい局部的剛性をもつ作用領域がある前
    記請求項のいずれか１項に記載のマイクロシステム（１０）。
  13. 【請求項１３】 前記半導体素子が主表面を除いて前記柔軟なフィルムで包
    囲されるように前記柔軟なフィルムの中に収容されており、前記接続回線（１６
    ）が前記フィルムの上に設けられており、前記半導体素子（１４）が前記フィル
    ムのビアホール（２４）を介して接続されている前記請求項のいずれか１項に記
    載のマイクロシステム（１０）。
  14. 【請求項１４】 前記接続回線（１６）が前記半導体素子（１４）の埋設さ
    れている前記柔軟なフィルム（１２）と別の柔軟なフィルム（２６）との間にサ
    ンドイッチ構造で配置されるように、前記接続回線（１６）の上にさらに別の柔
    軟なフィルム（２６）が設けられている請求項１３に記載のマイクロシステム（
    １０）。
  15. 【請求項１５】 複数の接続回線層がそれぞれの柔軟なフィルムによって分
    離されており、前記半導体素子（１４）と各層の接続回線はそれぞれの柔軟なフ
    ィルムのビアホールを介して互いに電気的に接続されている、多層構造をもった
    請求項１４に記載のマイクロシステム（１０）。
  16. 【請求項１６】 少なくとも２つの電子的構成部分がウェーハの空間的に異
    なる位置に配置されるように、ウェーハ表面の半導体層に電子的構成部分を集積
    化するステップ、 電子的構成部分間の領域をエッチングして電子的構成部分間を切り離し、それ
    により、前記ウェーハとつながっていてそのウェーハから浮き出た半導体素子（
    １４）を生成するステップ、 前記半導体素子（１４）が柔軟なフィルムに埋設されるように、柔軟なフィル
    ム（１２）を前記ウェーハ表面に設けるステップ、 接続回線（１６）が半導体素子（１４）のコンタクト領域と接続されるように
    、接続回線（１６）を前記柔軟なフィルム（１２）に設けるステップ、及び 前記半導体素子（１４）がもはや前記ウェーハによって機械的に互いに結合さ
    れていないように、前記ウェーハをそのウェーハ裏面からエッチング除去するス
    テップ、を備えてマイクロシステム（１０）を製造する方法。
  17. 【請求項１７】 このマイクロシステム（１０）に対し局所的に程度の異な
    った柔軟性を与えるために、電子的構成部分を機能グループごとに半導体層にエ
    ッチングにより形成する請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記フィルム（１２）に下部構造（２０）を設けるステッ
    プをさらに含み、それによってこのマイクロシステム（１０）に対し局所的に程
    度の異なった柔軟性を与える請求項１６又は１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記フィルム（１２）の局所的に程度の異なった剛性を生
    成するステップをさらに含んでいる請求項１６から１８までのいずれか１項に記
    載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記接続回線（１６）の上面に別の柔軟なフィルム（２６
    ）を設けるステップをさらに含んでいる請求項１６から１９までのいずれか１項
    に記載の方法。
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