JP2009520371A - 開口を閉鎖する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、基板１を備える集積されるモジュールに関する。基板１は、機械的な構造１１を包囲する中空室１０を有する。中空室１０は、所定の組成にあり、所定の圧力下にある流体１４により充填される。機械的な構造１１の機械的な特性は、流体１４に影響される。

Description

本発明は、基板内の開口を閉鎖する方法に関する。さらに本発明は、基板を備える集積されるモジュールに関する。

電子回路の集積の他、技術的な進歩は、機械的なモジュールおよびシステムの小型化に至った。いわゆるマイクロエレクトロメカニカルシステムズ（ＭＥＭＳ）は、数ミクロン以下の領域の機械的なユニットを実現する。産業的な製造は多層構造を介して行われる。この場合、しばしば、半導体産業の材料が採用される。その際、マイクロメカニカル構造が配置され得る中空室が形成される。さらに、一般に、機械的な構造を、適切に規定された周囲が形成され得る中空室内に包囲する上側の層が設けられている。このために、開口を通して、適当な液状またはガス状の流体が、中空室に注入され、開口が閉鎖される。これにより、中空室は、外的な影響からも保護され、かつ望ましくない経時変化、例えば腐食は防止される。それゆえ、開口を閉鎖し、流体を中空室内に相応に持続的に封入する必要性が存在する。

公知の方法は、その圧力および密度がしばしば、機械的な構造の機械的な特性に実質的に影響を及ぼすことができない流体を封入する。さらに、従来慣用の方法では、閉鎖材料と、一部では攻撃性の成分も中空室内に侵入する。閉鎖材料および攻撃性の成分はそこに損傷を招きかねない。機械的な構造を中空室内に閉鎖するために、例えば、いわゆるレフィルプロセスによる開口の閉鎖が、欧州特許第１２７４６４８号明細書に記載されている。基板の残された開口はそこでは栓をされ、内部圧力もしくは内部雰囲気が中空室内に封入される。内部圧力もしくは内部雰囲気は、レフィルプロセスのプロセス条件により決定される。所定の内部雰囲気の、このプロセスから切り離された閉鎖は、不可能である。さらに、閉鎖材料、その成分または反応生成物が中空室内に侵入し得る。

それゆえ本発明の課題は、基板内の開口を閉鎖する改善された方法を提供することである。さらに本発明の課題は、機械的な構造を備える改善された集積されるモジュールを提供することである。この課題は、請求項１に記載の方法もしくは請求項１１に記載の集積されるモジュールにより解決される。すなわち、請求項１に記載の、基板内の開口を閉鎖する方法は、当該方法が以下のステップ、すなわち：
‐開口を通して接近可能である中空室を備える基板を準備し、
‐所定の組成を有するかつ／または所定の圧力下にある流体を前記中空室に注入し、
‐閉鎖材料を準備し、
‐前記閉鎖材料を開口上に被着して、前記流体を中空室内に封じ込め、前記閉鎖材料が中空室内に侵入しないようにする
というステップを有することを特徴とする。本発明の別の有利な構成は、従属請求項に記載されている。すなわち、本発明の有利な構成では、閉鎖材料の準備を、物理的かつ／または化学的な転化により閉鎖材料を形成する成分の準備により行い、開口上での閉鎖材料の形成を、前記成分が中空室内に侵入しないように行う。本発明の別の有利な構成では、前記成分の準備および前記閉鎖材料の形成を、プラズマ気相蒸着プロセスにより大気圧下で行う。本発明のさらに別の有利な構成では、前記閉鎖材料の準備をペースト、特に被着後に解消されるキャリアを有するペーストとして行う。本発明のさらに別の有利な構成では、前記閉鎖材料を液状で開口に被着し、開口上での閉鎖材料の硬化により、前記中空室を閉鎖する。本発明のさらに別の有利な構成では、付加的に、基板上に、少なくとも開口の周囲で、ぬれ層を形成するステップを行う。本発明のさらに別の有利な構成では、前記流体の圧力を、５００ミリバール〜２バールとする。本発明のさらに別の有利な構成では、開口上への閉鎖材料の被着中の温度を、１７５℃〜４００℃とする。本発明のさらに別の有利な構成では、開口上への閉鎖材料の被着前に、付着防止被覆を中空室の内壁および機械的な構造の表面上に被着する。さらに請求項１１に記載の集積されるモジュールは、上記方法により閉鎖されている中空室を有する基板を備えることを特徴とする。

本発明の第１の観点によれば、基板内の開口を閉鎖する方法が提供される。この方法は、以下のステップを有する。まず、開口を通して接近可能である中空室を備える基板を準備する。さらに、所定の組成を有するかつ所定の圧力下にある流体を前記中空室に注入する。さらに、閉鎖材料を準備し、前記閉鎖材料を開口上に被着し、前記流体を中空室内に封じ込め、前記閉鎖材料が中空室内に侵入するのを阻止する。本発明による方法は、所定の適切に規定された組成の、所定の適切に規定された圧力下にある流体を中空室内に封入するという利点を有する。その際、流体の圧力および組成は、閉鎖材料の準備および開口上への被着から切り離される。これにより、閉鎖材料の準備および被着中の不都合な周辺状況はこれにより、中空室内に封入される流体に影響を及ぼさないか、仮に及ぼしたとしてもごく僅かである。これにより、閉鎖材料も、閉鎖材料の準備および被着時に生じる別の、一部有害な成分は、中空室に侵入することはなく、中空室または場合によってはその中に含まれる構造の損傷は回避される。

本発明の実施形態では、閉鎖材料の準備が成分の準備により行われる。上記成分は、開口の場所に、物理的かつ／または化学的な転化により閉鎖材料を形成し、その際、開口の閉鎖が行われ、閉鎖材料も成分も中空室内に侵入することはない。これにより、有利には、適切に規定された流体が中空室内に封入される。この場合、閉鎖材料も、成分も、中空室内の別の反応成分も、損傷を招くことはない。

本発明の別の実施形態では、閉鎖材料の形成が、プラズマ気相蒸着プロセスにより大気圧下で行われる。気相蒸着プロセスでは、閉鎖材料がまず成分の形で析出の場所に、ちょうどそこに物理的かつ／または化学的な転化により閉鎖材料を形成するために供給される。しばしば、成分、反応生成物または閉鎖材料自体の、中空室内への侵入は、そこに設けられた構造の損傷を招く。しかし、大気圧での気相蒸着の本発明による実施は、有利には開口を通した中空室内への有害な物質の拡散を阻止する。さらに、従来慣用の蒸着法に対して高められた大気圧、実質的に１バールの範囲にある大気圧は、中空室内の機械的な構造に対して有利な影響を及ぼす。これにより、本発明による方法により、２つの利点を１つの手段で達成することができる。

本発明の別の実施形態では、閉鎖材料がペーストの形で準備される。さらに、閉鎖材料は、被着後に再び解消され得るキャリアに取り込まれていることができる。キャリアの解消により、閉鎖材料は多孔質の形状で残され、中空室は有利には依然として開口を通して接近可能である。つまり、中空室へのアクセスを必要とする別のプロセスステップを行うことができる。

本発明の別の実施形態では、閉鎖材料が液状で開口に被着され、開口上での閉鎖材料の硬化により、中空室が閉鎖される。多くの一般的な閉鎖材料の液化は、有利には、ほとんど任意の周辺条件下で行われることができる。これにより、特定の組成の適切に規定された流体の、特定の圧力下での中空室内への注入が可能となる。

本発明の別の実施形態では、少なくとも開口の周囲での基板上のぬれ層の形成が行われる。本発明によるぬれ層により、有利には開口の周りおよび開口上での閉鎖材料の集合が促進される。有利には、このために、金属環がはんだのための濡れ面として開口の周りに設けられていることができる。

本発明の別の実施形態では、封入される流体の圧力が５００ミリバール〜２バールである。この本発明による圧力は、一方では中空室内への有害な物質の拡散を阻止し、他方では中空室の構造的な特性およびその中に存在する構造の機械的な特性に対して有利な影響を及ぼすことができる。さらに、閉鎖材料の被着中の温度は、１７５℃〜４００℃であることができる。有利には、その際、閉鎖材料の信頼性の高い被着が、例えば液化により保証されている一方、温度は、基板内および基板上の成分を損傷させるには不十分である。

本発明の別の実施形態では、中空室の内壁および機械的な構造の表面に、付着防止被覆が被着される。この付着防止被覆により、機械的な構造の付着は、中空室の表面との機械的な接触時にも防止される。中空室の面における機械的な構造の付着がしばしば、集積されるモジュールの不安定な運転またはこれの全損の原因となるので、本発明による付着防止被覆を設けることは、集積されるモジュールの運転および信頼性の大幅な改善に至る。

本発明の第２の観点では、集積されるモジュールが提供される。集積されるモジュールは、中空室を備える基板を有する。この場合、中空室は機械的な構造を包囲する。さらに中空室は、所定の組成からなり、所定の圧力下にある流体で充填されている。機械的な構造の機械的な特性は、流体により大きな影響を及ぼされることができる。本発明により集積されるモジュールは、機械的な構造の機械的な特性に対して大きな影響を及ぼすことができる。これにより、有利には、例えば緩衝の調整のような、機械的なパラメータの適当な調整が可能である。同時に、集積されるモジュールが高信頼性かつ安定に閉鎖されている。さらに、所定の組成からなり、所定の圧力下にある適切に規定された流体により、本発明による集積されるモジュールの製作は大幅に簡単化されている。それというのも、製作中の、中空室内への有害な物質の侵入が阻止されるからである。これにより、機械的な構造を備える集積されるモジュールの性能および信頼性は大幅に改善され得る。

図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の第１の実施形態による集積されるモジュールの概略断面図を示す。

図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の第２の実施形態による集積されるモジュールの概略断面図を示す。

図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の第３の実施形態による集積されるモジュールの概略断面図を示す。

図１Ａは、中空室１０内に配置されている機械的な構造１１を備える基板１内の集積されるモジュールを示す。基板表面１００は、内壁１１２を備える開口１２を有する。中空室１０の内側の表面には符号１１０を、機械的な構造１１の表面には符号１１１を付した。この種の集積されるモジュールは、自体公知の一連のプロセス技術により製作される。基板１はしばしば、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素およびその他の慣用の材料を、構造化された層の形で有する。例えば、機械的な構造１１は、その下にある酸化ケイ素層の除去により露出される。基板表面１００に設けられた開口１２は、プロセスに伴う液体およびガスの供給のためにも役立つ。機械的な構造１１が中空室１０の壁と機械的に接触しても、集積されるモジュールの機能形式が損なわれないように、付着防止被覆、いわゆるアンチスティクションコーティング（ａｎｔｉ ｓｔｉｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ：ＡＳＣ）１３を、機械的な構造１１の表面１１１、中空室１０の内壁１１０、開口１２の内壁１１２および基板表面１００に、図１Ｂに示すように被着する。この付着防止被覆は、集積されるモジュールの信頼性を大幅に向上させる。しかし、付着防止被覆１３を設けることは、この実施形態にとって必須ではない。

図１Ｃに示すように、別のステップで、流体１４を開口１２を通して中空室１０内に注入する。本発明で、流体とは、有利には機械的なシステム１１と相互作用することもできるガスまたは液体を意味する。例えば、流体１４の圧力および組成は、機械的な構造１１の所定の機械的な緩衝が達成されるように選択され得る。現代の析出技術、例えば化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）は、まず、成分を析出の場所に案内する。この場所で、その後、化学的かつ／または物理的な転化により、析出すべき材料が形成される。出発成分、使用される材料または反応生成物は、機械的な構造１１、中空室１０または被覆、例えば付着防止被覆１３を損傷し得る。流体１４はこのとき、この種の有害な成分および物質の侵入も阻止する。

最後に、図１Ｄには、閉鎖層１５を備える集積されるモジュールが示されている。このモジュールは、開口１２を密に閉じ、流体１４を所定の圧力および所定の組成で中空室１０内に封じる。閉鎖層１５の被着法は、基板表面１００上の付着防止被覆１３を除去することができる。流体１４の圧力、有利には１バールの範囲の圧力は、有害な物質の侵入を阻止することができ、同時に機械的な構造１１の機械的な特性に影響を及ぼすことができる。図１Ｄに示すように、集積されるモジュールは、プラズマ化学気相蒸着プロセス（ＰＥＣＶＤ）により、実質的に１バールの大気圧に相当する圧力で、閉鎖材料または有害な物質が機械的な構造１１、付着防止被覆１３または中空室１０内のその他のコンポーネントを損傷することなく閉鎖され得ることがわかっている。有利には、ＰＥＣＶＤプロセスで、１０Ｈｚ〜２００ｋＨｚの範囲の低周波のプラズマ周波数が使用され得る。

図２Ａは、機械的な構造２１が設けられている中空室２０を備える基板２を備える別の集積されるモジュールを示す。中空室２０の表面２２０および機械的なシステム２１の表面２２１は、付着防止被覆２３により被覆されている。中空室２０は開口２２を介して内壁２２２に接近可能である。基板２の表面２００上には、部分的に、ぬれ層２６が、少なくとも開口２２の周囲に被着されている。開口２２の有利な周囲は、開口２２を包囲するリング状の領域により形成され、この場合、リングの幅は、開口直径の１倍〜１０倍の間である。本発明の意味で、この周囲は、開口２２の縁に対して最小間隔を保つか、直接開口２２まで及ぶか、または開口２２を含むことができる。

有利な実施形態の意味で、伝導性の閉鎖材料、例えばいわゆるはんだバンプが選択され得る。伝導性の閉鎖材料は、開口２２を閉鎖する他に、基板３の上方に配置される別の基板に対する電気的な接点も提供する。この別の基板は電気的な制御回路を有していてもよい。別の有利な実施形態の意味で、集積されるモジュールは、表面２００上にも付着防止被覆２３の材料が形成されるように、付着防止被覆２３により被覆される。この材料はその後、開口２２を取り巻く周囲で局所的に除去され、被覆された箇所では別の被覆を許可しないことができる。例えば、表面２００上の付着防止被覆２３の材料は、はんだレジスト（Ｌｏｔｓｔｏｐｌａｃｋ）として働く。

１つの製作ステップで、閉鎖材料２８はペーストの形で基板２の表面２００上に、図２Ｂに示すように被着される。閉鎖材料２８は、粒状の形態で存在し、キャリア２７内でペーストを形成することができる。この例は、粒状の金属もしくは粒状のシールガラスがバインダ内に存在するはんだペーストもしくはガラスフリットペーストである。キャリア２７は、本発明の意味で、必ずしも必要というわけではないが、閉鎖材料２８の被着を簡単化する。キャリア２７が設けられているとき、キャリア２７は、図２Ｃに示すように、以下の製作ステップで除去される。有機のキャリア２７は例えば灰化され得る。多孔質の閉鎖材料２８が表面２００上に残される。それゆえ、開口２２は依然として透過性であり、中空室２０は閉鎖材料２８の被着後も接近可能である。別のプロセスステップ、例えば付着防止被覆２３の被着がこの段階で実施されてもよい。

さらに図２Ｃに示すように、流体２４が基板２の中空室２０内に注入される。流体２４の組成ならびに圧力は、中空室２０内に封入された流体２４が機械的な構造２１またはその被覆を損傷せず、有利には機械的なシステム２１の機械的な特性を所望の形式で調節するように選択される。さらに、流体２４は、中空室２０内への有害な物質の拡散を阻止することができる。面的または局所的な加熱により、閉鎖材料は液化され、その結果、有利にはぬれ層２６の箇所に集合し、キャップを開口２２上に形成する。これにより、凝固した閉鎖材料２８は、図２Ｄに示すように、密な閉鎖キャップ２９を形成する。閉鎖材料２８の溶融は流体２４の圧力および組成とはほぼ無関係に可能である。それゆえ、所望の流体２４または真空を中空室２０内に密に封入することが可能である。さらに、閉鎖材料２８およびキャリア２７の被着をやめ、例えばウェーブソルダリングまたははんだ浴により行われることができるような、有利にはぬれ層２６に付着して留まる液状の閉鎖材料だけを提供することが可能である。液状の閉鎖材料は、有利には、一方では開口２２上でのキャップの形成を促し、他方では開口内への侵入を抑える表面張力を有するのが望ましい。これにより、ぬれ層２６は省略され得る。

図３Ａは、中空室３０内に配置されている機械的な構造３１を備える基板３内の別の集積されるモジュールを示す。中空室３０は内壁３３２を備える開口３２を介して接近可能である。中空室３０の表面３３０ならびに機械的な構造３１の表面３３１は、付着防止被覆３３により被覆されている。さらに、中空室３０内には流体３４が注入されている。

例えばレーザビームによる局所的な溶融により、前もって被着された閉鎖材料または基板３の上側の部分は液化され、図３Ｂに示すように、栓体３９により開口３２を閉鎖する。閉鎖材料は、この実施形態では、基板３により形成され得る。これにより、適切に規定された流体３４が、所定の圧力および所定の組成の下で中空室３０内に、別の閉鎖材料を被着する別のプロセスステップの必要なしに注入され得る。別の利点は、これまでに構造化された集積されるモジュールを傷めない処理が行われ得るという点にある。また、この方法は、例えばまず開口３２の第１の部分を閉鎖した後、中空室３０へのアクセスをなお前提とする別のプロセスステップを実施し、その後で、残りの開口３２を閉鎖することにより、開口３２の選択的な閉鎖を許可する。基板３の部分を溶融する他、局所的な加熱により、栓体３９を形成するための別個の材料、例えば溶融前に開口３２の周りの周囲に堆積される金属が使用されてもよい。択一的には、例えば金属、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂からなるシート状の材料が用意されてもよい。

すべての実施形態で、温度は、閉鎖材料の被着もしくは溶融中、有利には１７５℃〜４００℃の範囲にある。さらに、閉鎖材料として、例えばＳｉＯ_２またはＳｉ_３Ｎ_４が使用され、流体として、例えば窒素、ネオンまたはこれらの混合物、ＳＦ_６または別の不活性ガスもしくはこれらの混合物が含まれ得る。開口１２，２２，３２はさらに種々異なる大きさを有することができる。

図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の第１の実施形態による集積されるモジュールの概略断面図を示す。 図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の第２の実施形態による集積されるモジュールの概略断面図を示す。 図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の第３の実施形態による集積されるモジュールの概略断面図を示す。

Claims (10)

1. 基板（１，２，３）内の開口（１２，２２，３２）を閉鎖する方法において、当該方法が以下のステップ、すなわち：
   ‐開口（１２，２２，３２）を通して接近可能である中空室（１０，２０，３０）を備える基板（１，２，３）を準備し、
   ‐所定の組成を有するかつ／または所定の圧力下にある流体（１４，２４，３４）を前記中空室（１０，２０，３０）に注入し、
   ‐閉鎖材料（３，１５，２８）を準備し、
   ‐前記閉鎖材料（３，１５，２８）を開口（１２，２２，３２）上に被着して、前記流体（１４，２４，３４）を中空室（１０，２０，３０）内に封じ込め、前記閉鎖材料（３，１５，２８）が中空室（１０，２０，３０）内に侵入しないようにする
   というステップを有することを特徴とする、開口を閉鎖する方法。
2. 閉鎖材料（３，１５，２８）の準備を、物理的かつ／または化学的な転化により閉鎖材料（３，１５，２８）を形成する成分の準備により行い、開口（１２，２２，３２）上での閉鎖材料（３，１５，２８）の形成を、前記成分が中空室（１０，２０，３０）内に侵入しないように行う、請求項１記載の方法。
3. 前記成分の準備および前記閉鎖材料（３，１５，２８）の形成を、プラズマ気相蒸着プロセスにより大気圧下で行う、請求項２記載の方法。
4. 前記閉鎖材料（３，１５，２８）の準備をペースト、特に被着後に解消されるキャリア（２７）を有するペーストとして行う、請求項１または２記載の方法。
5. 前記閉鎖材料（３，１５，２８）を液状で開口（１２，２２，３２）に被着し、開口（１２，２２，３２）上での閉鎖材料（３，１５，２８）の硬化により、前記中空室（１０，２０，３０）を閉鎖する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 付加的に、基板（１，２，３）上に、少なくとも開口（１２，２２，３２）の周囲で、ぬれ層（２６）を形成するステップを行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記流体（１４，２４，３４）の圧力を、５００ミリバール〜２バールとする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 開口（１２，２２，３２）上への閉鎖材料（３，１５，２８）の被着中の温度を、１７５℃〜４００℃とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 開口（１２，２２，３２）上への閉鎖材料（３，１５，２８）の被着前に、付着防止被覆（１３，２３，３３）を中空室（１０，２０，３０）の内壁（１１０，２２０，３３０）および機械的な構造（１１，２１，３１）の表面（１１１，２２１，３３１）上に被着する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の方法により閉鎖されている中空室（１０，２０，３０）を有する基板（１，２，３）を備える集積されるモジュール。

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