JP2004235638A

JP2004235638A - 微細加工素子およびその製造方法

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Publication number: JP2004235638A
Application number: JP2004018550A
Authority: JP
Inventors: James C Mckinnel; ジェイムス・シー・マッキンネル; John Liebeskind; ジョン・リーベスキンド; Chien-Hua Chen; チエン−ヒュア・チェン
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2004-08-19
Also published as: US20040147056A1; TWI295275B; EP1443016A3; TW200413244A; EP1443016A2

Abstract

【課題】素子基板と外部に面した支持構造との間の熱伝導性を増大または減少させるための熱分離構造を備えた微細加工素子を提供する。
【解決手段】支持構造140と、該支持構造から距離Ｇに配置された素子基板130とを含む微細加工素子100。この微細加工素子は特性長118を持つ１以上の熱分離構造120をさらに有し、該１以上の熱分離構造が素子基板および支持構造に熱結合される。特性長118は前記距離Ｇよりも長い。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、概して微細加工素子に関し、詳しくは微細加工素子においてその素子基板と支持構造との間の熱伝導性を調節するための熱分離構造を備えた微細加工素子、およびその製造方法に関する。

過去１０年にわたり、より安価でより高性能な電気素子を求める需要は、電力消費が少なく熱効率に優れた電気素子を製造することの必要性を増大させてきた。マイクロプロセッサは、絶えず増加し続ける電力消費の需要や、熱移動をうまく扱うことの必要性に関する良い例である。現在の高性能な計算装置において、仮に何も変更が施されないままであったなら、その最大温度はマイクロプロセッサを形成する土台となるシリコンベースの素子を破壊したり、損傷させたりすることになるであろう。また、携帯型パーソナルコンピュータや携帯型情報端末（ＰＤＡ）のユーザは、電池寿命に著しい影響をほとんど又はまったく与えることなく、さらに高い機能および性能を得ることを望んでいる。

熱効率を向上させるという需要は、新たな出現分野であるＭＥＭＳ（微細加工技術：Micro Electro Mechanical System）の分野でも増大している。ＭＥＭＳは、リレー、アクチュエータ、センサー、バルブおよびその他トランスデューサなどの従来の電気機械素子に対する小型の代替システムとして開発が進められている。ＭＥＭＳ素子に組み込まれたそれらの電気機械素子は、集積回路と一体化させることができ、従来のシステムに比べて高い性能を得ることができる。真空センサ、ガス・フローセンサ、赤外線検出器およびＡＣ電源コンバータなど、ＭＥＭＳ素子に組み込まれるのトランスデューサの多くは、集積回路（ＩＣ）の他の部分から隔離され、温度差の検出に用いられる。すなわち、温度差を利用して動作する。このように回路が複雑化することにより、ある場合には熱移動を最大にし、ある場合には熱移動を最小にするというように、熱移動を改善する需要がさらに増大している。

現在、集積度が高くなった結果、複雑な素子は妥協せざるを得ない場合が多くなった。その理由は、素子のある部分では熱をできる限り迅速に放散させなければならない一方、素子の別の部分では熱または低温状態をできる限り効率的に閉じ込める必要があるからである。この問題の解決に用いられる一つの解決方法は、２つの素子を分離し、各素子をそれぞれ最適化することである。しかしながら、そのような解決方法では、集積によって得られる重要な利点、すなわちサイズの小型化と性能の向上という利点が損なわれる。ＭＥＭＳ素子のような集積度の高いシステムでは、同一素子の種々の部分が、周囲条件よりも著しく高い温度または低い温度で比較的効率的に動作する場合がある。例えば、真空センサは１００℃以上の温度において最大効率で動作する一方、真空センサの出力を処理したり、何らかの他の機能を制御したりするＣＭＯＳ回路は、室温や、−２５℃等の周囲温度よりも低い温度であっても、効率的に動作する場合がある。一般的に、そのような問題解決方法では、真空センサを加熱するため真空センサに加える電力を増大させなければならない一方、同時にＣＭＯＳ回路を低温に、通常は室温以下に維持するためＣＭＯＳ回路に加える冷却電力も増大させなければならない、といったトレードオフが生じる。その結果、電気素子の性能は妥協せざるを得ないものとなる。熱移動を制御できない結果、消費電力が著しく増加するだけでなく、最適性能に達しないということにもなりうる。

これらの問題が存続すれば、過去数十年間にわたって続いた種々の電気製品における電気素子、特にＭＥＭＳ素子の利用の拡大およびその利点は、縮小することになるであろう。消費者向け電子機器等の分野では、より安価で、より小型で、より信頼性が高く、より高性能な機器を求める需要が、複雑化し集積度の向上した素子の性能を改善し、最適化することに、常に拍車をかけている。熱性能を最適化する能力は、現時点では実際的でなかったり、費用対効果が悪かったりする様々な応用分野を開拓するであろう。

従って、本発明の目的の１つは、素子基板と外部に面した支持構造との間の熱伝導性を増大または減少させるための熱分離構造を備えた微細加工素子を提供することである。

本発明は、一実施形態において熱分離構造を備えた微細加工素子を提供する。この微細加工素子は、支持構造と、支持構造から距離Ｇに配置された素子基板と、前記支持構造および素子基板に熱結合された熱分離構造とを含む。熱分離構造は距離Ｇよりも長い熱伝導経路すなわち特性長を有する。また、本発明は、一実施形態において微細加工素子を製造する方法も提供する。

図１ａは、本発明の一実施形態による微細加工素子１００を平面図で示す。この実施形態において、熱分離構造１２０は、素子基板１３０と支持構造１４０との間の熱伝導を低減するとともに、機械的支持を与える働きを持つ。素子基板１３０は、支持構造１４０に形成された開口部１４２の中に、支持構造１４０から距離Ｇの位置に配置される。熱分離構造１２０は、結合点１２１において素子基板１３０および支持構造１４０と熱結合される。さらに、熱分離構造１２０は、結合点１２１間で測定したときに、距離Ｇよりも長い特性長すなわち熱伝導経路１１８を有する。この実施形態では、熱伝導経路１１８が距離Ｇの少なくとも２倍の長さになっている。しかしながら、代替実施形態において、この熱伝導経路１１８は、微細加工素子１００が使用される特定の応用形態に応じて、２倍よりも短くすることも長くすることもできる。熱伝導経路１１８のような蛇行経路すなわち折り曲げ構造を用いることにより、同じ断面積を有する直線のすなわち短い伝導経路を用いた場合よりも、素子基板１３０を支持構造１４０の温度とは異なる温度へ効率的に加熱または冷却することが可能になる。素子基板１３０を加熱するか冷却するかは、例えば微細加工素子１００が使用される特定の応用形態に応じて異なる場合がある。

図面は縮尺が実際の寸法通りでないことに注意して欲しい。また、種々の構成要素も実際の寸法通りに描かれてはいない。本発明を分かりやすく例示し、理解を容易にするため、一部の寸法は他の寸法に対して強調して描かれている場合がある。

さらに、本明細書に例示する実施形態の中には、２次元で図示され、種々の部位が幅と深さを持つように描かれているものもあるが、それらの部位は素子の一部だけを図示したものであり、実際には３次元構造であるものとして間違いなく理解しなければならない。したがって、それらの部位が実際の素子上に形成された場合、その部位は長さ、幅および深さを含む３つの次元を有することになる。さらに、本発明は種々の実施形態を用いて例示されているが、それらの例示に本発明の範囲または適用範囲を限定する意図はない。また、本発明の実施形態は、図示した物理的構造に限定されることを意図していない。それらの構造は、本発明の有用性および応用形態を例示するために記載している。

図１ｂの断面図に示すように、素子基板１３０、熱分離構造１２０および支持構造１４０は、実質的に平坦な構造を形成する。この実施形態では、微細加工素子１００が同一の材料から形成される。たとえば、シリコンウェーハを用いて、素子基板１３０、熱分離構造１２０および支持構造１４０を形成することができる。代替実施形態において、微細加工素子１００は、数例を挙げると、ガラス、セラミック、シリコン、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、インジウムリン、金属および種々のポリマーなどの材料から作成されたウェーハすなわち基板を用いて形成することができる。微細加工素子１００に用いられる具体的な材料は、その素子が使用される特定の応用形態、処理温度および動作温度、能動電気素子があるか否か、並びに、その素子の熱特性および機械特性など、様々な要因に応じて異なる場合がある。また、熱分離構造１２０の厚さを変更することによってその断面積１１５を変更し、熱分離構造１２０の熱伝導性をさらに調節することもできる。例えば微細加工素子１００がシリコンウェーハ上に形成される場合、等方性エッチングを用いることにより、図１ｂに示すように断面積１１５を素子基板１３０や支持構造１４０と同じ厚さにすることができる。また、図１ｃの断面図に示すように、異方性エッチングを用いて熱分離構造１２０’の厚さを減少させ、断面積１１５’を小さくすることにより、熱分離構造１２０’の熱伝導性を低下させることもできる。

次に図１ｄを参照する。図１ｄは本発明の代替実施形態による微細加工素子１００を断面図で示す。この実施形態では、微細加工素子１００が密封パッケージ１１０に収容される。密封パッケージ１１０は真空パッケージであり、素子基板１３０と周囲環境との間の対流による熱移動を低減させることにより、さらなる熱制御を行なう。しかしながら、他の代替実施形態において、例えばマイクロタービン、燃料電池、化学反応器および接触燃料分解器などの他の応用形態の場合、密封パッケージ１１０に流体フロー部を備えたエンクロージャを用いる場合もある。

支持構造１４０に対し、誘電体パッシベーション層１７４および第２の誘電体層１７６の上に素子結合構造１８０を形成する。誘電体層には電気的絶縁の働きがある。カバーすなわち蓋１８２上にカバー結合構造すなわち蓋結合構造１８４を形成し、ベースすなわちパッケージ底板１８６上にベース結合構造すなわちパッケージ底板結合構造１８８を形成する。この実施形態では、シリコンダイをセラミックパッケージまたは金属パッケージに結合させるため、素子結合構造１８０に金とシリコンの共融混合物、または比較的軟らかい低融点はんだを用いることができる。しかしながら、それらの材料は使用可能な様々な材料のうちの２つを例として挙げたものにすぎない。代替実施形態では、微細加工素子１００がガラスフリット封止を用いてカバー１８４およびベース１８６に取り付けられる場合がある。結合構造１８０、１８４および１８８に用いられる材料は、支持構造１４０、蓋１８２およびベース１８６に用いられる材料に応じて異なる場合がある。蓋１８２およびベース１８６には、様々なセラミック、ガラスまたは金属、あるいはそれらの材料の組み合わせを用いることができる。具体的な材料は、例えば、維持すべき所望の圧力、微細加工素子がさらされる温度、湿度およびその他の環境要因、パッケージング処理によって微細加工素子に加わる応力の大きさ、並びに使用される封止技術などに応じて、異なる場合がある。結合構造に用いる材料を決定する際にも、それらと同じ要因が考慮される。この実施形態において、シール１８１は様々な方法で作成することができ、例えば熱圧着やブレージングによって形成することができ、他の方法で形成することもできる。

例えば、結合構造１８０、１８４および１８８に酸化鉛や酸化ホウ素などの低融点の無機酸化物を用いることにより、シール１８１を形成することができる。さらに他の実施形態では、シリコンから作成された微細加工素子１００を、ガラスから作成されたカバーおよびベースに、あるいは、シリコンと接合するためのガラス面を備えたカバーおよびベースに、陽極接合を用いて取り付けることができる。微細加工素子のシリコン面と、カバーまたはベースのガラス面とを２つの電極の間に配置し、２つの材料の境界面に適当な極性の電圧が印加されるようにする。最初の一対の接合が終った後、残りのベースまたはカバーも同じようにして接合する。具体的な接合処理は、印加する電圧の大きさおよび時間、接合処理の際の２つの面の温度、および接合すべき面積など、種々の要因に応じて異なる場合がある。カバー１８２およびベース１８６の様々な部分に不揮発性のゲッター材１９０を付着すなわち堆積させることにより、微細加工素子１００の動作中に、密封パッケージ１１０内の残留ガスを取り除くこともできる。

図１ｅは、本発明の代替実施形態による微細加工素子１００を断面図で示す。この実施形態では、微細加工素子１００がパッケージ１１１に収容される。パッケージ１１１は、素子基板１３０とカバー１８２の間および素子基板１３０とベース１８６との間にそれぞれ配置された反射層１９３、１９５を有する。この実施形態の場合、パッケージ１１１は、素子基板１３０と周囲環境との間の熱の対流を低減させることによりさらなる熱制御を行なう真空部分を有するとともに、素子基板１３０への放射作用または素子基板１３０からの放射作用に起因した熱損失を低減させることによりさらなる熱制御を行なう放射部分を有する。

支持構造１４０に対し、誘電体パッシベーション層１７４および第２の誘電体層１７６の上に素子結合構造１８０を形成する。誘電体層には電気的絶縁の働きがある。第１の反射基板１９２および第２の反射基板１９４上に、反射体結合構造を形成する。さらに、カバーすなわち蓋１８２上にカバー結合構造すなわち蓋結合構造１８４を形成し、ベースすなわちパッケージ底板１８６上にベース結合構造すなわちパッケージ底板結合構造１８８を形成する。この実施形態において、パッケージ１１１の形成には、図１ｄに示した実施形態について上で説明したものと同じ材料および処理を用いることができる。第１の反射基板１９２および第２の反射基板１９４上に、第１の反射層１９３および第２の反射層１９５をそれぞれ堆積させる。この実施形態において、第１の反射層１９３および第２の反射層１９５は、数例挙げると、金、アルミニウム、タングステン、銀およびプラチナ等の金属から形成することができる。代替実施形態では、所望の波長領域で適当な反射率を有する任意の材料が用いられる。具体的な材料は、動作温度、酸素その他の腐食性材料の存在の有無、および微細加工素子１００が使用される特定の応用形態など、様々な要因に応じて異なる場合がある。この実施形態では、第１の反射層１９３および第２の反射層１９５が、素子基板１３０から放射される熱放射を反射する。

この実施形態では、カバーと上側の反射基板との間の反射基板空間領域１９７は、大気圧未満の圧力に維持される。真空センサのような真空を用いる応用形態の場合、素子空間領域１９８は大気圧未満の圧力に維持される場合がある。しかしながら、触媒反応器や燃料電池などの他の応用形態の場合、素子空間領域１９８は大気圧以上の圧力に維持される場合もある。さらに他の実施形態、例えば、マイクロタービン、燃料電池、熱機関、化学反応器および触媒燃料分解器などの応用形態の場合、素子空間領域１９８は、気体または液体の流体フロー部を備えたエンクロージャにする場合もある。また、カバー１８２およびベース１８６の様々な部分に不揮発性のゲッター材１９０を付着すなわち堆積させることにより、微細加工素子１００の動作中に、反射基板空間領域１９７内の残留ガスを取り除くこともできる。

図２ａは、本発明の代替実施形態による微細加工素子２００を平面図で示す。この実施形態では、素子基板２３０上に能動素子２３４および基板電気トレース２３５が配置される。図を分かりやすくするため、図２ａおよび図２ｂでは、能動素子２３４が単なる単一の層として描いてある。能動素子２３４には、例えばトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）やアモルファスシリコントランジスタを含む）、ダイオード、ロジックセル、並びに、センサ、トランスデューサ、電子放出器、ボロメータ、超伝導高ＱＲＦフィルタなどが含まれる。しかしながら、それらは本発明で使用可能な多数の能動素子のうちの数例を挙げたものにすぎず、それらは個別に使用される場合も、組み合わせて使用される場合もある。代替実施形態において、能動素子２３４はマイクロチャネル（微小流路）、反応器チャンバ、マイクロムーバおよびアクチュエータ等の種々のＭＥＭＳ素子と一体化される場合がある。ただし、それらの使用可能な多数のＭＥＭＳ素子のうちの数例を挙げたものにすぎない。例えば、微細加工素子２００は、上記素子基板２３０上にマイクロミラーが配置され、該ミラー上に反射面が設けられる場合がある。他の例としては、前記素子基板２３０上に光吸収面が設けられたボロメータその他の放射検出器がある。

素子基板２３０は、支持構造２４０に形成された開口部２４２の中に、支持構造２４０から距離Ｇの位置に配置される。図２ａに示すように、熱分離構造２２０は、結合点２２１において素子基板２３０および支持構造２４０と結合される。さらに、熱分離構造２２０は、結合点２２１間で測定したときに、素子基板２３０と支持構造２４０との間の距離Ｇとして図示されている間隙よりも長い特性長すなわち熱伝導経路２１８を有する。この実施形態において、熱分離構造２２０は、アコーディオンまたはシェブロンのような構造を形成することにより、素子基板２３０と支持構造２４０との間の熱伝導を低減するとともに、素子基板２３０を機械的に支持する働きをもつ。熱分離構造２２０は、熱分離構造２２０内の張力を最小限に抑え、素子基板２３０に加わる応力が低減されるように形成される。図２ａおよび図２ｂに示すように、熱分離構造２２０上には電気配線トレース２２４が形成され、該電気配線トレース２２４が基板電気トレース２３５と電気接続される。素子基板２３０を加熱するか冷却するかは、例えば微細加工素子２００が使用される応用形態に応じて異なる場合がある。

図３ａは、本発明の代替実施形態による微細加工素子３００を平面図で示す。この実施形態では、素子基板３３０を支持構造３４０の上方に配置し、縦形構造を形成する。図３ｂの断面図に示すように、素子基板３３０は支持構造３４０から距離Ｇだけ離してある。この実施形態では、熱分離構造３２０は、素子基板３３０の下面３３６に形成された基板取付け面３３２に取り付けられる。代替実施形態において、熱分離構造３２０は、例えば素子基板３３０の側面３３７など、他の場所に取り付けられる場合がある。さらに、熱分離構造３２０は、結合点３２１間で測定したときに、距離Ｇよりも長い特性長すなわち熱伝導経路３１８を有する。熱伝導経路３１８を長くすることにより、直線のすなわち短い熱伝導経路を用いた場合よりも効率的に、素子基板３３０を支持構造３４０の温度とは異なる温度へ加熱または冷却することが可能になる。素子基板３３０を加熱するか冷却するかは、例えば微細加工素子３００が使用される応用形態に応じて異なる場合がある。図３ｃは、熱分離構造３２０の代替実施形態を示す断面図である。この実施形態の場合、熱分離構造３２０’は、素子基板３３０と支持構造３４０の両方に複数の結合点３２１’を有する。特性長３１８’は間隙幅Ｇよりも長い。

図４ａ〜図４ｃは、本発明の代替実施形態による熱分離構造４２０ａ、４２０ｂおよび４２０ｃを平面図で示す。この実施形態において、熱分離構造４２０ａ、４２０ｂおよび４２０ｃは、第１の部分４２６と、第２の部分４２７と、少なくとも１つの折り曲げ部を備えた折り曲げ構造を形成する折り曲げ部分４２８とを含む。第１の部分４２６と第２の部分４２７は互いに実質的に平行であり、３つの部分４２６〜４２８によってＵ字構造が形成される。熱分離構造４２０ａ、４２０ｂおよび４２０ｃは、結合点４２１間で測定したときの直線距離よりも長い熱伝導経路４１８ａ、４１８ｂおよび４１８ｃをそれぞれ有する。この実施形態において、熱分離構造４２０ａ、４２０ｂおよび４２０ｃは、実質的に一様な膨張率を有し実質的に均一な組成を持つ単一の層から形成される。代替実施形態では、微細加工素子が使用される特定の応用形態に応じて、熱分離構造４２０ａ、４２０ｂおよび４２０ｃは２以上の層から形成される場合がある。さらに他の実施形態では、熱分離構造の断面積が変更される場合がある。例えば、支持構造４４０側の結合点４２１における熱分離構造の断面積は、素子基板４３０側の結合点４２１における断面積よりも大きくする場合がある。さらに他の実施形態では、熱分離構造の様々な位置でその断面積が異なるようにし、例えば折り曲げ部分４２８が第１の部分４２６や第２の部分４２７よりも細くなるようにする場合がある。

図５ａは、本発明の代替実施形態による微細加工素子５００を平面図で示す。図５ｂに示すように、この実施形態の場合、素子基板５３０と支持構造５４０が実質的に平面構造を形成するが、熱分離構造５２０はその平面構造よりも上に、すなわち外れて形成される。さらに、この実施形態の場合、熱分離構造５２０は素子基板５３０や支持構造５４０の材料とは異なる材料から形成される。例えば、素子基板５３０と支持構造５４０はシリコンウェーハから形成され、熱分離構造はシリコンウェーハ上に堆積されたシリコン酸化物または窒化物層から形成される場合がある。他の実施形態について説明したように、熱分離構造５２０は、機械的支持を与えるとともに、素子基板５３０と支持構造５４０との間の熱伝導を低減する働きをもつ。

素子基板５３０は、支持構造５４０に形成された開口部５４２の中に、支持構造５４０から距離Ｇの位置に配置される。さらに、熱分離構造５２０は、結合点５２１間で測定したときに、距離Ｇよりも長い熱伝導経路５１８を有する。この実施形態の場合、熱分離構造５２０の断面積５１５は一様であり、熱分離構造５２０は一様な膨張率と均一な組成とを有する。代替実施形態では、熱分離構造５２０の厚さを変更し、その断面積５１５を変化させることにより、熱分離構造５２０の熱伝導をさらに調節する場合がある。さらに他の実施形態では断面の組成も変更する場合があり、例えば熱伝導経路５１８に沿って、または断面積５１５にわたって、または断面５１５を通る方向に、あるいはそれらの組み合わせで、二酸化シリコンまたは窒化シリコンの化学量論を、酸素や窒素をほとんど含まない組成から酸素や窒素の含有量が多い組成へ変化させることなどにより、断面の組成を変化させる場合がある。そのような層から形成された熱分離構造は、一様でない熱膨張率と不均一な組成との両方を有することになる。この実施形態の場合、熱分離構造５２０は、金属、半導体、無機物または高分子材料あるいはそれらの材料の組み合わせなど、任意の適当な材料から形成することができる。例えば、使用できる材料を２つだけ挙げると、電気メッキまたはスパッタリング堆積による金属薄膜や、スピンコーティングまたはスクリーン印刷によるポリイミド・ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）層がある。用いられる具体的な材料は、微細加工素子５００が使用される特定の応用形態に応じて異なる場合がある。

図６ａは、本発明の代替実施形態による微細加工素子６００を平面図で示す。この実施形態では、熱分離構造６２０が素子基板６３０の周囲に環状構造を形成する。熱分離構造６２０は、機械的な支持を与えるとともに、素子基板６３０と支持構造６４０との間の熱伝導を低減する働きを持つ。素子基板６３０は、支持構造６４０に形成された開口部６４２の中に、支持構造６４０から距離Ｇの場所に配置される。さらに、熱分離構造６２０は、角部結合点６２１と素子基板６３０上の結合点６２１’との間で測定したときに、距離Ｇよりも長い熱伝導経路６１８を有する。断面図６ｂは、この実施形態の実質的に平坦な構造を示す。しかしながら、熱分離構造６２０は、図５ａおよび図５ｂの実施形態に示したように、素子基板と支持構造によって形成される実質的に平坦な構造から外れて形成される場合もある。

図７は、集積真空素子７０２を有する微細加工素子７００の例示的実施形態を示す。微細加工素子７００は、電子７６２が集束ビーム７６４に形成されるときにその作用を受けるディスプレイ画面または大容量記憶素子のような陽極表面７５０を含む。熱分離構造７２０は、機械的な支持を与えるとともに、素子基板７３０と支持構造７４０との間の熱伝導を低減させる働きを持つ。素子基板７３０は、支持構造７４０に形成された開口部７４２の中に配置される。陽極表面７５０は、第２の電子レンズ素子７５２から所定の距離に固定される。微細加工素子７００は真空パッケージ（図示せず）内に収容される。

この実施形態では集積真空素子７０２が簡略化されたブロック形態で図示されているが、集積真空素子７０２は当該技術分野でよく知られている電子放出器構造であれば任意の電子放出器構造でよく、スピント（Spindt）型先端部の放出器構造や、フラット型放出器構造にすることもできる。第２のレンズ素子７５２はグランドシールドとしての働きを持つ。真空素子７０２は素子基板７３０の少なくとも一部の上に配置される。第１の絶縁体層すなわち誘電体層７５４により、第２のレンズ素子７５２を第１のレンズ素子７５６から電気的に絶縁する。第２の絶縁層７５８により、第１のレンズ素子７５６を真空素子７０２から電気的に絶縁する。他の実施形態では、例えば、放出電子の強度を強めたり、電子ビーム７６４の集束能力を向上させたりするため、３以上のレンズ素子が用られる場合もある。レンズ素子および誘電体層は、いずれも従来の半導体処理装置を用いて形成される。

ディスプレイ画面として陽極表面上７５０上に形成される画素アレイ（図示せず）は、赤色、青色、緑色の順で配置されるのが一般的だが、この画素アレイは単色にしてもよい。素子基板７３０上に放出器アレイ（図示せず）を形成し、放出器アレイの各素子が電子放出器として機能する１以上の集積真空素子を有するようにする。第１および第２の電子レンズ７５２,７５６を含む電子レンズ構造に適当な信号を加えることにより、真空素子７０２から放出された電子７６２を集束させるのに必要な電界の勾配が形成され、陽極表面７５０上に集束ビーム７６４が生成される。

陽極表面７５０は一般に大容量記憶素子として相変化材料または記憶媒体を含み、それらは集束ビーム７６４のエネルギーの作用を受ける。相変化材料を結晶状態から非結晶状態（図示せず）へ変化させるためには、通常、高電力レベルの集束ビーム７６４を使用して、該集束ビーム７６４の電力レベルを急激に減少させる。相変化材料を非結晶状態（図示せず）から結晶状態へ変化させるためには、通常、高電力レベルの集束ビーム７６４を使用して、該電力レベルを媒体表面が結晶状態にアニールされるだけの時間をかけて徐々に減少させてゆく。この相変化を用いて陽極表面７５０上に記憶領域が形成され、該記憶領域は、使用される集束ビーム７６４の電力レベルに応じて、複数の状態のうちの１つをとる。それらの種々の状態は、その記憶領域に記憶された情報を表す。

相変化媒体の材料の例としては、テルル化ゲルマニウム（ＧｅＴｅ）およびＧｅＴｅを基にした三元合金がある。また、大容量記憶素子は陽極表面７５０を集束ビーム７６４に対して第１の方向および好ましくは第２の方向に移動させるための電子回路（図示せず）をさらに含み、陽極表面７５０上の複数の場所に対する単一の集積真空素子７０２による読み出しおよび書き込みが可能になっている。陽極表面すなわち媒体表面７５０上に記憶されたデータを読み出すためには、低エネルギーの集束ビーム７６４を媒体表面７５０に照射し、媒体基板７６０から電子を放出させ、それらの電子を読み出し回路（図示せず）で検出する。検出される電子の量は、集束ビーム７６４が照射された媒体表面の状態に応じて、すなわち非晶質状態であるか結晶状態によって異なる。

図８は、コンピュータシステム、ビデオゲーム、インターネット機器、端末、ＭＰ３プレーヤ、携帯電話、または携帯情報端末等（例として幾つか挙げているだけである）の電子装置８０８の例示的なブロック図を示す。電子装置８０８は、「ペンティアム（Ｒ）プロセッサ」という名前で販売されているインテル（Ｒ）製プロセッサやその互換プロセッサなどのマイクロプロセッサ８６６を含む。他にも多数のプロセッサが存在し、それらが用いられる場合もある。マイクロプロセッサ８６６は、プロセッサで読み出し可能なメモリを含むメモリ装置８６８に電気的に接続される。メモリ装置８６８は、マイクロプロセッサ８６６でデータまたは入出力機能を、あるいはそれら両方を処理するのに使用されるコンピュータ実行可能コマンドすなわち命令を格納する。また、メモリ装置８６８は、マイクロプロセッサ８６６で処理されるデータをさらに格納することができる。さらに、マイクロプロセッサ８６６は、記憶装置８０４または表示装置８０６に、あるいはそれら両方に電気的に接続される。マイクロプロセッサ８６６、メモリ装置８６８、記憶装置８０４および表示装置８０６はそれぞれ、熱分離構造を有する素子基板を示す先に説明した図面や文章に例示されたような本発明の一実施形態を含む場合がある。

図９は本発明の一実施形態による微細加工素子の製造方法を示すフロー図である。図１０ａ〜図１０ｈは微細加工素子の作成に用いられる各工程を示す図である。それらの図は、本発明を分かりやすく例示し、理解を容易にする目的で図示したものに過ぎない。実際の寸法通りではなく、その工程を分かりやすく示すために一部の特徴が強調してある。

基板形成工程９９０を用いて、素子基板および支持構造を形成するための土台となる基板を形成する。図１０ａの断面図に示すように、この実施形態では、ウェーハ１０７０に約２００〜８００μｍの厚さの単結晶シリコン基板を用いている。しかしながら、他の実施形態では他の材料および厚さを用いることもできる。例えば、本発明で使用可能な代替の材料を数例挙げると、ガリウムヒ素、ガラスおよびポリマー基板などがある。したがって、ウェーハ１０７０が通常のウェーハサイズに限定されることはなく、ウェーハ１０７０は、ポリマー薄板または薄膜、あるいはガラス薄板を用いて形成することができ、従来のシリコンウェーハとは異なる形状およびサイズに処理された単結晶の薄板すなわち基板を用いて形成することもできる。

図１０ｂの断面図に示すように、素子構造形成工程９９２を用いて、微細加工素子上にＭＥＭＳ構造または能動素子、あるいはそれら両方１０７２を形成する。ＭＥＭＳ構造は、微細加工素子が使用される特定の応用形態に応じて任意の構造に形成することができる。ＭＥＭＳ構造としては、例えば数例を挙げると、トランスデューサ、アクチュエータ、センサおよびバルブなどが含まれる。さらに、素子構造形成工程９９２は、例えばトランジスタ、論理回路、メモリセル等の種々の電子回路、およびキャパシタ、抵抗、インダクタ等の受動素子を形成する処理も含む。分かりやすくするため、図１０ｂでは、それらの素子を単一の層１０７２で表している。作成される具体的な素子および回路は、微細加工素子が使用される特定の応用形態に応じて異なる場合がある。通常、それらの電子回路は従来のＩＣ処理装置および処理工程を用いて製造される。ＭＥＭＳ構造はバルク・マイクロマシーニングまたはサーフェイス・マイクロマシーニング、あるいはそれら両方を用いて形成される。例えば、集積圧力センサは通常、ＩＣ処理を用いて駆動回路および分析回路を形成した後、微細加工によってウェーハの背面から振動板を形成することによって製造される。他の例としては、ＩＣ処理を用いてサーモパイルその他の回路を形成した後、微細加工によってセンシングアレイを形成することによって製造される赤外線センシングアレイや、ＣＭＯＳ技術を用いてＩＣ増幅器を作成し、微細加工によって適当な共振周波数を持つインダクタを作成することによって製造される、無線周波数領域で動作する増幅器などが挙げられる。また、素子構造形成工程９９２は、微細加工素子の種々の部分に信号および電力を供給するための電気トレースや配線パッドに関する堆積およびパターン生成の処理も含む。

熱分離構造画定工程９９４を用いて、所望の熱伝導経路および結合点など、熱分離構造の形状すなわち構造を画定する。さらに、微細加工素子が使用される特定の応用形態によっては、熱分離構造画定工程９９４を用いて、素子基板および支持構造をさらに画定する場合もある。図１０ｃの断面図に示すように、シリコン基板１０７０およびＭＥＭＳ素子または電気素子あるいはそれら両方１０７２の上に、誘電体パッシベーション層１０７４およびエッチング画定層１０７６を堆積させる。代替実施形態において、製造する特定の素子、および微細加工素子が使用される特定の応用形態によっては、素子構造形成工程で誘電体パッシベーション層１０７４およびエッチング画定層１０７６を堆積させる場合もある。プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、スパッタ堆積、化学気相成長などの堆積技術を用いて、数例を挙げると、シリコン酸化物、シリコン窒化物またはシリコン炭化物などの耐火性誘電体を堆積させることができる。代替実施形態では、スピンコーティング、カーテンコーティングまたはスクリーン印刷を用いて、わずか２例ではあるが、ポリイミドやベンゾシクロブテンなどのポリマー誘電体パッシベーション層を形成する場合もある。平坦化された誘電体層が望ましい応用形態の場合、堆積後に化学機械処理（ＣＭＰ）などの種々の平坦化工程を用いることができる。図１０ｃの断面図に示すように、エッチング画定層１０７６はシリコン基板１０７０の背面すなわち反対側に堆積される。この実施形態ではエッチング画定層１０７６がシリコン窒化物層になっているが、代替実施形態では、使用される基板材料や熱分離構造を形成するのに用いられる特定のエッチャント等の要因に応じて、シリコン酸化物やシリコン炭化物等の他の耐火性材料、あるいはフォトレジストやポリイミドなどの高分子材料を用いる場合もある。その後、従来のフォトリソグラフィ技術および処理工程を用いてエッチング画定層１０７６をパターニングし、図１０ｄの断面図に示すように開口部１０７８を形成する。開口部１０７８のサイズおよび形状も、ウェーハ１０７０をエッチングするのに用いられる特定のエッチャントや、ウェーハすなわち基板の材料等、種々のパラメータに応じて異なる場合がある。代替実施形態において、開口部１０７８は、誘電体パッシベーション層１０７４に形成される場合もあるし、エッチング画定層１０７６と誘電体パッシベーション層１０７４の両方に形成される場合もある。

熱分離構造形成工程９９６を用いて、ウェーハ１０７０を成形、すなわち一般的にはエッチングし、熱分離構造１０２０、素子基板１０３０および支持構造１０４０を形成する。例えば、垂直の側壁が望ましい場合、ドライエッチングを用いることができる。あるいは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等による異方性ウエットエッチングを用いて（１１０）方位のシリコンウェーハをエッチングすることにより、垂直側壁を形成することもできる。さらに、ＫＯＨまたは水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等による異方性ウエットエッチングを用いて（１００）方位のシリコンウェーハをエッチングした場合、（１１１）結晶面のエッチング速度が遅いことによって生じる傾斜付き側壁を有する種々の構造が形成される。さらに他の実施形態において、もっと複雑な構造が望ましい場合は、ウエットエッチングとドライエッチングを組み合わせて用いることもできる。さらに、レーザアブレーション、反応性イオンエッチング、集束イオンビームによるパターニングを含むイオンミリングなど、他の処理を用いて図１０ｅに示すような熱分離構造１０２０、素子基板１０３０および支持構造１０４０を形成することもできる。熱分離構造１０２０を形成した後、図１０ｆに示すように、誘電体パッシベーション層１０７４およびエッチング画定層１０７６の一部は除去することができる。この実施形態では、さらに別のパッケージング工程を例示するため、誘電体パッシベーション層１０７４とエッチング画定層１０７６を支持構造１０４０上に残したままにしている。しかしながら、代替実施形態において、それらの層は、微細加工素子の種々の部分における所望の熱分離特性および電気絶縁特性などの種々の要因に応じて、完全に除去される場合もあれば、選択領域に残しておく場合もある。

微細加工素子が使用される応用形態によっては、パッケージ形成工程９９８を用いて、対流による加熱または冷却を低減するための真空パッケージを形成する場合がある。図１０ｇの断面図に示すように、支持構造１０４０に対し、誘電体パッシベーション層１０７４およびエッチング画定層１０７６の上に素子結合構造１０８０を形成する。誘電体パッシベーション層１０７４およびエッチング画定層１０７６は、パッケージと支持構造１０４０との間の電気的絶縁を行なうとともに、熱伝導を低減する働きを持つ。素子結合構造１０８０の材料として使用可能な種々の材料の中から２つだけ例を挙げるとすれば、シリコンダイをセラミックパッケージまたは金属缶に接合するための金とシリコンの共融混合物と、比較的軟質で低融点のはんだが挙げられる。カバーすなわち蓋１０８２上にカバー結合構造すなわち蓋結合構造１０８４を形成し、ベースすなわちパッケージ底板１０８６上にベース底板結合構造すなわちパッケージ底板結合構造１０８８を形成する。

素子結合構造１０８０、カバー結合構造１０８４およびベース結合構造１０８８に用いられる材料は、ウェーハ１０７０、カバー１０８２およびベース１０８６に用いられる材料に応じて異なる場合がある。カバー１０８２およびベース１０８６には、種々のセラミック、ガラスまたは金属材料を用いることができる。具体的な材料は、例えば、維持すべき所望の圧力、微細加工素子がさらされる温度や湿度ならびにその他の環境要因、パッケージング処理によって微細加工素子に加わる場合がある応力の大きさ、用いられる封止技術などによって異なるものとなる。結合構造に用いる材料を決定する際にも、それらの同じ要因が考慮される。シール１０８１は、熱圧着、ブレージング、陽極結合およびその他の技術を含む種々の技術によって形成することができる。

本発明の一実施形態による微細加工素子の平面図である。本発明の一実施形態による図１ａに示した微細加工素子の断面図である。本発明の他の実施形態による図１ａに示した微細加工素子の断面図である。本発明の他の実施形態による図１ａに示した微細加工素子の断面図である。本発明の他の実施形態による図１ａに示した微細加工素子の断面図である。本発明の他の実施形態による微細加工素子の平面図である。本発明の一実施形態による図２ａに示した微細加工素子の断面図である。本発明の他の実施形態による微細加工素子の平面図である。本発明の一実施形態による図３ａに示した微細加工素子の断面図である。本発明の他の実施形態による図３ａに示した微細加工素子の断面図である。本発明の他の実施形態による熱分離構造の平面図である。本発明の他の実施形態による熱分離構造の平面図である。本発明の他の実施形態による熱分離構造の平面図である。本発明の他の実施形態による微細加工素子の平面図である。図５ａに示した微細加工素子の断面図である。本発明の他の実施形態による微細加工素子の平面図である。図６ａに示した微細加工素子の断面図である。本発明の他の実施形態による集積真空素子を有する微細加工素子の断面図である。本発明の一実施形態による電気素子のブロック図である。本発明の一実施形態による微細加工素子を形成する方法の流れ図である。本発明の実施形態を形成するのに用いられる一工程の断面図である。本発明の実施形態を形成するのに用いられる一工程の断面図である。本発明の実施形態を形成するのに用いられる一工程の断面図である。本発明の実施形態を形成するのに用いられる一工程の断面図である。本発明の実施形態を形成するのに用いられる一工程の断面図である。本発明の実施形態を形成するのに用いられる一工程の断面図である。本発明の実施形態を形成するのに用いられる一工程の断面図である。本発明の実施形態を形成するのに用いられる一工程の断面図である。

Claims

支持構造(140,140',240,340,440,540,640,740)と、
前記支持構造から距離Ｇに配置された素子基板(130,130',230,330,430,530,630,730)と、
前記素子基板および前記支持構造に熱結合された、前記距離Ｇよりも長い特性長(118,218,318,318',418a,418b,418c,518,618)を有する、少なくとも１つの熱分離構造(120,120',220,220',320,320'420a,420b,420c,520,620,720)と、
からなる微細加工素子(100,200,300,500,600,700)。
前記少なくとも１つの熱分離構造が、少なくとも１つの折り曲げ部を備えた折り曲げ構造を更に含む、請求項１の微細加工素子。
前記素子基板が前記素子基板上に設けられた少なくとも１つのマイクロチャネルを更に含む、請求項１の微細加工素子。
前記素子基板上に設けられた少なくとも１つの能動素子(234)を更に含む、請求項１の微細加工素子。
前記素子基板を収容するパッケージ(111)を更に含み、該パッケージが真空部分(197)と流体フロー部分(198)とを有し、該真空部分が大気圧未満の圧力で密閉される、請求項１の微細加工素子。
前記素子基板上に設けられた真空素子(702)を更に含み、該真空素子が電子放出器を有する、請求項１の微細加工素子。
少なくとも１つの請求項６に記載の微細加工素子と、
前記少なくとも１つの電気素子に近接配置された記憶媒体(750)であって、前記記憶媒体が複数の状態のうちの１つをとる記憶領域を有し、前記複数の状態が前記記憶領域に記憶される情報を表す、記憶媒体(750)と、
からなる記憶素子。
マイクロプロセッサ(866)と、
前記マイクロプロセッサに接続された、少なくとも１つの請求項１に記載の微細加工素子を含む電気素子と、
前記マイクロプロセッサに接続されたメモリ(868)と、
からなり、前記マイクロプロセッサが前記メモリから得た命令を実行することにより、前記メモリと前記電気素子との間でデータを転送する、コンピュータシステム。
前記マイクロプロセッサは、
支持構造(140,140',240,340,440,540,640,740)と、
前記支持構造から距離Ｇに配置された素子基板(130,130',230,330,430,530,630,730)と、
前記素子基板および前記支持構造に熱結合された、前記距離Ｇよりも長い特性長(118,218,318,318',418a,418b,418c,518,618)を有する、少なくとも１つの熱分離構造(120,120',220,220',320,320'420a,420b,420c,520,620,720)と、
を有する微細加工素子を更に含む、請求項８のコンピュータシステム。
素子基板(130,130',230,330,430,530,630,730)と、
前記素子基板を支持する手段と、
前記素子基板と前記支持構造との間の熱移動を低減する手段と、
からなる微細加工素子。
微細加工素子を製造する方法であって、
支持構造を形成するステップと、
前記支持構造から距離Ｇに配置される素子基板(784)を画定するステップと、
前記素子基板および前記支持構造に熱結合された、前記距離Ｇよりも長い特性長を有する、少なくとも１つの熱分離構造(788)を形成するステップと、
からなる方法。
前記少なくとも１つの熱分離構造を形成するステップは、少なくとも１つの折り曲げ部を備えた折り曲げ構造を形成するステップを更に含む、請求項１１の方法。
請求項１２に記載の方法により製造された微細加工素子。
前記少なくとも１つの熱分離構造を形成するステップは、前記少なくとも１つの熱分離構造の断面積が異なるように成形するステップを更に含む、請求項１１の方法。
前記素子基板を画定するステップは、前記素子基板上に少なくとも１つのマイクロチャネルを形成するステップを更に含む、請求項１１の方法。
前記支持構造を形成するステップは、前記支持構造に開口部を形成し、前記素子基板を前記の中に配置して、実質的に平面構造を形成するステップ、を更に含む、請求項１１の方法。
前記素子基板および前記少なくとも１つの熱分離構造の周りに真空部分および流体フロー部分を有するパッケージ(790)を形成し、前記真空部分を大気圧未満の圧力で密閉するステップを更に含む、請求項１１の方法。
請求項１７に記載の方法により製造された微細加工素子。
前記パッケージを形成するステップが、
カバーと前記素子基板との間に反射面を配置するステップと、
前記反射面を収容する外部真空パッケージを形成するステップと、
を更に含む、請求項１１の方法。
請求項１１の方法により製造された微細加工素子。