JP2005518657A - 外装コーテッドｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Abstract

微小部品を金属などの延性材料で外装コーテイングすることにより、シリコン製の微小部品の強度を改良する方法である。この外装コーテイングは、部分的外装コーテイングか、または全体的外装コーテイングを含むことができる。外装コーテイングした微小部品の提供は、欠けや破損を減らし、かつ同様に、欠けや破損から起きる汚染問題を減らす。

Description

本発明は、シリコン製微小部品の強度を高める方法に関する。特に、本発明は、微小部品を延性金属でコーテイングしてその強度を高めることに関する。

多くの微小電子機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−ｓｙｓｔｅｍｓ）（ＭＥＭＳ）素子およびその他の微小部品は、シリコンまたは他の脆い材料から形成される。シリコンは、きわめて脆いが、幾つかの理由で産業の標準になっている。第一に、最近のエッチング技術をもって、シリコンからエッチングにより極めて精密な微小部品を形成することができる。その結果、多くの微小部品の施設で、多くの設備と処理がシリコン関連の加工に適用されている。

加えて、ＭＥＭＳ産業は、半導体産業の影響を受け、かつ同産業に追従している。半導体産業は、その部品の製造にシリコンを使用し、その結果としてシリコン関連の加工に関する技術を完成している。更に、ＭＥＭＳ素子が電気的接続部を有するか、または他の電気部品に集積されている場合には、ＭＥＭＳ素子がシリコン製であることが好ましい。

シリコンは、比較的強い材料であるが、一方できわめて脆い材料である。シリコン製のＭＥＭＳ素子を取り扱う場合、通常、ＭＥＭＳ素子は、ピンセットのような伝統的ツール、ロボットのピックアンドプレースツールおよびピン接点に接触するであろう。シリコンＭＥＭＳ素子が、これらのツールの１つに接触する時には、いつでも、接触位置に応力集中が生ずる可能性がある。これらの位置は、増加した応力集中により、欠け、亀裂、または破損を大いに受けやすくなる。

取り扱い中に、シリコン部品が欠けた場合、欠けた少量のシリコンが付近の電気部品を汚染するかもしれない。取り扱い中に、シリコン素子に亀裂が入った場合には、素子全体が破損するおそれが増す。これは、ＭＥＭＳ素子がシリコン単結晶から形成される故である。ひとたび、単結晶に亀裂が入った場合、この亀裂は容易に発展して大きな破損につながる可能性がある。また、汚染は、亀裂と破損から生ずる可能性がある。更に、シリコンＭＥＭＳ素子に亀裂が入ったり、欠けたり、または破損したりした場合、素子は最早使用できなくなる。

それ故、この業界には、強度が増し、破損がなく、かつ欠け、亀裂または破損に起因する汚染がないような手段で、シリコン微小部品とＭＥＭＳ素子を作成するニーズがある。

（本発明の簡単な説明）
本発明は、接触界面が延性金属でコートされているシリコン微小部品またはＭＥＭＳ素子である。この外装コーテイングを有するシリコン微小部品またはＭＥＭＳ素子は、大いにより強く、破損しにくく、かつ欠けにくい。ＭＥＭＳ素子の外装コーテイングは、部分的外装コーテイング、または全体的外装コーテイングを含むことができる。全体的外装コーテイングは、素子全体を金属でコーテイングすることを含み、一方、部分的外装コーテイングは、ＭＥＭＳ素子の、ツーリング装置と最も頻繁に接触するような所望の部位だけを金属でコーテイングすることを含む。

（詳細な説明）
図１は、スライダーの試験に有用なシリコンＭＥＭＳ素子の平面図である。外側フレーム１２、数個の内部スプリング１４、２個の円形ピンホール１６、およびつまみ１８を含むＭＥＭＳ素子１０が図１に示される。ＭＥＭＳ素子１０は、試験中にスライダー２０を保持するためのクランプとして機能する。スライダー２０は、ＭＥＭＳ素子１０に一時的にクランプ可能であり、スライダー２０はデイスク上を流され、試験され、クランプを解かれ、続いてＭＥＭＳ素子１０から取り除かれてもよい。

ＭＥＭＳ素子１０上のピンホール１６が、懸架装置または取り付け装置（図１に示さず）上に素子１０を配列させ、かつ保持する。つまみ１８は、圧力がＭＥＭＳ素子１０に適用される部位に置かれる。圧力がつまみ１８に作用する時、スプリング１４が変形してクランプを開き、ＭＥＭＳ素子１０にスライダー２０を挿入または排除できるようにする。

試験のためにスライダー２０をＭＥＭＳ素子１０にクランプする方が、試験のためにスライダーを取り付け装置に接着するより好ましい。試験のためにスライダーを取り付け装置に接着する場合、スライダーは通常もはや使用できなくなる。ＭＥＭＳ素子１０のような、クランプ素子を使用することは、試験に供された後クランプからいったん排除された個々のスライダーをまた使用できるようにする。その結果として、ＭＥＭＳ素子１０は、繰り返し開閉されて、各スライダーの試験前後にスライダーの挿入と排除を可能にする。

素子１０などのＭＥＭＳ素子は、通常、ウエーハレベルプロセスを用いてシリコンから形成される。個々の素子１０がウエーハから除去された後、ＭＥＭＳ素子１０が処理されなければならない。ＭＥＭＳ素子１０を懸架装置上に設置する時のように、ＭＥＭＳ素子１０にとり、外縁１２でピンセットまたは同様なツーリング素子と接触するのが典型的である。そのように処理される時、ピンセットがＭＥＭＳ素子１０の外表面１２と接触する部位で、シリコンに欠けまたは亀裂が入ることがよくある。

加えて、懸架装置上に設置される時には、懸架装置上のピンが素子１０上のピンホール１６を通って展開するように、ＭＥＭＳ素子１０が設計されている。ＭＥＭＳ素子１０が開閉されるごとに、ピンホール１６は、ある種の応力を受ける。このようにして、シリコンがピンホール１６付近で欠けるかまたは破損するのが普通である。同様に、スライダーをＭＥＭＳ素子１０に挿入できるようにクランプを開閉する時、圧力がつまみ１８上に作用してスプリング１４を変形させる。その結果として、つまみ１８は、ＭＥＭＳ素子上で別の状態となり、繰り返しの接触を受けて、欠けたり、そうでなければ亀裂が入ったりする。

ＭＥＭＳ素子１０が欠けたりまたは亀裂が入ったりする時は常に、少量のシリコンが、ＭＥＭＳ素子１０に保持されたスライダーを汚染するか、またはＭＥＭＳ素子１０付近のデイスクまたは他の電気部品を汚染するかもしれない。更に、ＭＥＭＳ素子１０の亀裂は、より深刻な構造的欠陥または破損に発展する可能性がある。欠けおよび破損問題を克服するために、本発明は、金属などの延性材料でＭＥＭＳ素子１０をコーテイングすることを含み、欠けおよび破損を防ぎかつ減少させる。この外装コーテイングは、繰り返し接触の応力を吸収し、応力が延性材料を通してシリコン結晶に移動して、シリコンが破壊したり、破損したり、または欠けたりすることを防止するのに役立つ。

ＭＥＭＳ素子上に外装コーテイングを提供するための２つの選択、全体的外装コーテイングと部分的外装コーテイングがある。最初の選択は、ＭＥＭＳ素子の表面全体を延性金属でコートすることである。第２の選択は、素子の選択された領域を部分的にコーテイングすることを含む。外装コーテイングされたＭＥＭＳ素子の提供は、個々の部品レベル、またはより好ましくはウエーハレベルで行なうことができる。

図２Ａ〜２Ｂは、ウエーハの単純化された断面図であり、全外装コーテイングした微小部品を供給するための工程の流れを説明している。ウエーハ基板３０が図２Ａに示されている。外装コーテイングしたウエーハ３０を提供する第１ステップで、適応したコーテイングのシード（ｓｅｅｄ）層３２がウエーハ基板３０上に堆積される。タンタルなどの任意の適切なシード層材料が使用できる。シード層３２を堆積させる時、シード層３２が非常に薄いことが好ましい。典型的には、シード層３２は、スパッターで形成され、約数千オングストロームの厚さである。シード層は、延性金属が堆積できる表面を提供する。

図２Ｂは、ウエーハ３０上にシード層３２を覆って軟質金属３４を堆積させるステップを示す。銅、アルミニウムまたはニッケルコバルトなどの任意の適切な金属が使用できる。適切な金属は、延性であり、かつシリコンによく接着することが最も好ましい。シード層３２とは対照的に、外装コーテイング層３４は、より厚いことが好ましく、かつ１０ミクロンまで、または２０ミクロンの厚さでも可能である。しかし、コーテイング３４は、ＭＥＭＳ素子の形体または微小部品そのものに付着するので、外装コーテイング３４の厚みは、応力の量により制約される。金属層３４が過剰に厚く堆積した時、特に、この層３４が高い引張応力または圧縮応力を有する延性材料を含む時には、層３４は役に立たず、ウエーハ３０から剥がれたりすることがある。

ウエーハ３０上に金属外装コーテイング３４を堆積させるために、任意の適切な方法が使用できる。例えば、化学蒸着(ＣＶＤ)を用いて金属層３４の堆積が可能である。加えて、ウエーハ３０上に金属層３４をスパッターすること、または電気メッキ法を用いて金属層３４を堆積させることができる。延性材料３４でウエーハ３０をコーテイングする場合、ウエーハ３０の１つの表面をコートし、ウエーハ３０を裏返し、かつウエーハ３０の他の面をコートすることが可能になるであろう。

選択された金属のタイプ並びにウエーハ３０上にそれを堆積させる方法は、ウエーハ３０上の形体の幾何学的因子に依存するに違いない。特に、複雑なまたは精細な幾何学的形体を有するＭＥＭＳ素子にとって、ＣＶＤは最良の堆積法を提供できる。ＣＶＤ法は、コーテイング３４が、非常に小さい面積、深い窪み、および複雑な幾何学的形状に関連して見られる他の形体を均質にコートしなければならない場合に特に適している。より粗い形体を有する素子では、電気メッキまたはスパッタリングが、適しているかもしれない。

また、選択された金属のタイプは、素子として所望する摩耗特性に依存することがある。例えば、厳しいかつ反復した接触を受けるであろう表面は、ニッケルなどのより強力な金属を含む外装コーテイング３４から恩恵を受けることができる。これに反して、銅のような軟質金属の使用は、このような反復した接触を受けた時に、銅が汚れやすく、かすを残すことがある。

図３Ａ〜３Ｆは、部分的外装コーテイングを施したウエーハを提供するための工程の流れを例示するための単純化した断面図である。ある場合には、微小部品またはＭＥＭＳ素子は、空間的要件または電気機械的要件に基づいて全面的外装コーテイングを必要としない。このような場合、単に部分的外装コーテイングが適用されることがある。

図３Ａは、ウエーハ４０および外装コーテイングの適用が望ましいウエーハ４０の領域４２を示す。ウエーハ４０に部分的外装コーテイングを適用する最初のステップを図３Ｂに示す。図３Ｂは、ウエーハ４０上の全領域のウエーハ４０に、外装コートされるべき領域４０を除いて、フォトレジスト４４を適用することを例示している。次に、図３Ｃに示すように、シード層４６がウエーハ４０上に堆積される。このシード層４６は、フォトレジスト４４並びに外装コートされるべき領域４０の両方を被覆する。

再び、タンタルなどの任意の適切なシード層材料が使用できる。また、シード層４６をきわめて薄い層に堆積させることが好ましく、約数千オングストロームの厚みになる。

次のステップでは、図３Ｄに例示されるように、湿式化学剥離またはフォトレジストを除去するためのその他の適切な手段の使用などにより、フォトレジスト層４４を除去する。いったん、フォトレジスト層４４が除去されると、シード層４６は、関心領域４２のみのウエーハ４０上に残る。

いったん、シード層４６を関心領域４２のみのウエーハ上に堆積させると、更なる処理をウエーハ４０上に施すことができる。例えば、ウエーハ４０は、パターン付けとエッチングの追加的処理を受けて、任意の他の要求された形体をもつ微小部品を形成することが可能である。図３Ｅに示すように、ウエーハ４０上に施されるパターン付けとエッチング処理の一例は、深い溝の反応性イオンエッチングを用いたビーム４８の形成である。シード層４６が薄いので、シード層４６はこのような以後にしなければならないパターン付け操作を妨げない。

図３Ｆに例示された最終ステップでは、延性材料５０がウエーハ４０に適用される。シード層４６が関心領域４２にだけ残るから、延性材料５０は同様に関心領域４２にだけ堆積される。その結果として、ウエーハ４０は、関心領域４２に部分的外装コーテイングを有する。

クランピング素子に関して開示しているが、本発明は、任意の微小部品またはＭＥＭＳ素子用に適している。更に、ウエーハレベルプロセスに関して開示しているが、この方法は、同様に、個々の部品または素子に適切に実施できる。

本発明は、好ましい実施形態について説明したが、この発明の精神と範囲から逸脱することなく、形体および細部で変更が可能であることを当業者は認識するであろう。

本発明から利益を得るＭＥＭＳ素子の１例の断面図である。 図２Ａ〜図２Ｂは、ウエーハまたは部品の全体的外装コーテイングにかかわる工程の流れを単純化した断面図である。 図３Ａ〜図３Ｆは、ウエーハまたは部品の部分的外装コーテイングにかかわる工程の流れを単純化した断面図である。 図３Ａ〜図３Ｆは、ウエーハまたは部品の部分的外装コーテイングにかかわる工程の流れを単純化した断面図である。

符号の説明

１０ ＭＥＭＳ素子
１２ 外側フレーム
１４ インナースプリング
１６ ピンホール
１８ つまみ
３０ ウエーハ基板
３２ シード層
３４ 外装コーテイング層
４０ ウエーハ
４２ 関心領域
４４ フォトレジスト
４６ シード層
４８ ビーム
５０ 延性材料

Claims (20)

1. シリコン製の微小電子機械部品であって、
   機械的応力を受ける部品上の形体、と
   形体の強度を増す手段とを含む部品。
2. 形体の強度を増す手段が、形体を延性材料でコーテイングすることを含む請求項１に記載の部品。
3. 延性材料が金属を含む請求項２に記載の部品。
4. 形体の強度を増す手段が、部品を延性材料でコーテイングすることを含む請求項１に記載の部品。
5. 延性材料が金属を含む請求項４に記載の部品。
6. シリコン製の微小部品であって、
   機械的応力を受ける微小部品上の形体、と
   微小部品の強度を増すために形体をコーテイングする延性材料とを含む微小部品。
7. 延性材料が金属を含む請求項６に記載の微小部品。
8. 形体をコートするために金属の能力を助長するシード層をさらに含む請求項７に記載の微小部品。
9. 金属が約１０ミクロンの厚みをもつ請求項７に記載の微小部品。
10. 形体をコーテイングする延性材料が、機械的応力を受ける形体付近でシリコンを欠けまたは破損から護る請求項6に記載の微小部品。
11. 微小部品の全表面を実質的にコーテイングする延性材料をさらに含む請求項６に記載の微小部品。
12. 微小電子機械部品上の領域の強度を増す方法であって、
    微小電子機械部品をシリコンから形成すること、と
    機械的応力を受ける部品上の選択された領域を延性材料でコーテイングすることとを含む方法。
13. 部品をシリコンから形成することが、シリコンウエーハから複数の部品を形成することを含む請求項１２に記載の方法。
14. 部品を延性材料でコーテイングすることが、部品の予め選択された領域を金属でコーテイングすることを含む請求項１３に記載の方法。
15. 部品の予め選択された領域を金属でコーテイングすることが：
    部品にフォトレジストを塗布し金属が適用されるであろう領域を定めること；
    部品上にシード層を堆積させること；
    フォトレジストを除去して、金属が適用されるであろう領域のみにシード層が残るようにすること；及び
    シード層に金属コーテイングを適用すること；
    を含む請求項１４に記載の方法。
16. シード層に金属コーテイングを適用することが、化学蒸着法を用いることを含む請求項１５に記載の方法。
17. シード層に金属コーテイングを適用することが、電気メッキ法を用いることを含む請求項１５に記載の方法。
18. シード層に金属コーテイングを適用することが、スパッタリング法を用いることを含む請求項１５に記載の方法。
19. 金属コーテイングを適用することが、約１０ミクロンまでの厚みに金属コーテイングを適用することを含む請求項１５に記載の方法。
20. 金属コーテイングを適用することが、約２０ミクロンまでの厚みに金属コーテイングを適用することを含む請求項１５に記載の方法。
    

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