JP2009533237A - 薄膜ｍｅｍｓ技術のための層間接合 - Google Patents

Abstract

本発明は、可撓ホイル（１０）のパターン形成したスタックによって作製したマイクロシステム内に導電層間接合を製造する方法に関する。はんだ材料、スパッタリングもしくは蒸着した材料、または可撓ホイル（１０）の絶縁層（３０）をなすプラスチック材料の炭化処理によって形成した導電層間接合（２１０，３００，４００）は、少なくとも１個の絶縁層（３０）によって分離したパターン形成導電層（４０、５０）を導電接続し、マイクロシステムにおける異なるパーツを簡単に相互接続する。

Description

本発明は、薄膜ＭＥＭＳ技術のための層間接合の作製方法に関する。

特許文献１（米国特許第５１０６４６１号）には、導電材料の第１層を基板上に塗布し、導電材料層上に誘電材料の第１層を形成し、誘電材料層の所要位置にビアのための開口を形成し、電極として導電材料の第１層を使用してビア開口内にビアポストをめっきし、誘電体およびビアポスト上に導電材料の第２層を堆積することによって、層間接合を作製する方法を開示している。この方法は複数回繰り返し、最終的に基板を除去し、導電材料の第１層もパターン形成する。この方法の欠点は、層間接合を層ごとに作製しなければならないことである。層の数次第では、この方法の労力およびコストは容認できないものとなる。
米国特許第５，１０６，４６１号明細書

本発明の目的は、簡単でコスト効率の良い、特に薄膜ＭＥＭＳ技術に適合した層間接合作製のための方法を提供することである。この薄膜ＭＥＭＳ技術は、「マイクロシステムの作成方法、マイクロシステムからなるホイル（箔）のスタック、およびマイクロシステムからなる電子デバイスおよびこの電子デバイスの使用方法」という名称で２００５年９月９日に出願された欧州特許出願第０５１０８２０．８号に詳細に記載されている。

本発明の目的は、空間を有するマイクロシステムにおいて層間接合を作製する方法によって達成され、この方法は、
互いに電気的に絶縁された少なくとも２個の可撓ホイルのセットを用意するステップであって、前記可撓ホイルは同一のホイル（箔）材料で構成し、これら少なくとも２個の可撓ホイルの少なくとも一方の側面に、電極または導体としての使用に適した導電層を存在させる該可撓ホイルセット用意ステップと、
電極または導体を形成するよう、導電層をパターン形成するステップと、
少なくとも１個の開口が形成するよう、少なくとも１個の可撓ホイルをパターン形成するステップと、
可撓ホイルのセットをス積層するステップと、
可撓ホイルを接合するステップと、
少なくとも１個の可撓ホイルの絶縁層によって分離される、少なくとも２個のパターン形成した導電層の間に導電層間接合を設けるステップと
を有する。可撓ホイルは、２個の隣接する可撓ホイルが互いに接触しているときに、２個の隣接する可撓ホイルの材料間の少なくとも１個の導電層が取り除かれた位置で可撓ホイルを接合することによって接合することができる。欧州特許出願０１０８２８０．８に記載されるように、可撓ホイルをパターン形成および積層することによって作製される、ＭＥＭＳデバイスまたはマイクロ流体デバイスの異なる機能部分間の接合、１個以上のＭＥＭＳデバイスまたはマイクロ流体デバイスの間の接合、ＭＥＭＳデバイスまたはマイクロ流体デバイス、および集積回路（ＩＣ）のような、他のデバイスとの間における接合を可能にするために、導電層間接合は絶縁層によって分離した可撓ホイルの導電層を接触させる必要がある。

本発明の一つの実施形態において、少なくとも２個の可撓ホイルを互いに接合し、第１可撓ホイルにおける１個の開口を、接点孔（コンタクトホール）をなすよう設ける。２個以上のホイルを接合する場合、接点孔は２個またはそれ以上の１列に整列した開口を設ける。接点孔は、第２可撓ホイル上にパターン形成した、またはパターン形成していない第２導電層が互いに接点孔を経てアクセスできるように配置する。さらに、接点孔を有する第１可撓ホイルまたはホイルスタック上に、少なくとも１個のパターン形成した第１導電層を設ける。このパターン形成した第１導電層の少なくとも一部分は、接点孔からアクセス可能である第２導電層と同様に、自由にアクセス可能である。パターン形成した第１導電層に対するアクセスを可能にするには複数の手法がある。１つの可能な手法は、パターン形成した第１導電層は、可撓ホイルの頂部層、または他の層またはホイルによって覆われていない可撓ホイルのスタックの頂部層とする場合である。２番目の可能な手法は、パターン形成した導電層を少なくとも１個の第３可撓ホイルによって部分的にカバーすることであり、この場合、第３可撓ホイルには、他のホイルが備える開口に整列する開口、または接点孔の一部になっている開口を設ける。接点孔（コンタクトホール）の一部にとする第３可撓ホイルに設ける開口は、他の開口または接点孔（コンタクトホール）の一部になっている開口よりも大きくする。パターン形成した第１導電層を接点孔まで延在させ、ここで第３可撓ホイルは接点孔により導電層の一部を被覆しない。パターン形成した導電層は接点孔によってアクセス可能である。３番目の可能な手法は、パターン形成した導電層を少なくとも１個の第３可撓ホイルによって部分的に被覆する場合であり、この場合、第３可撓ホイルには、接点孔の一部になっており、他の開口または接点孔の一部になっている開口部に整列する開口を設ける。パターン形成した導電層は接点孔まで延在し、ここでパターン形成した導電層の断面は、接点孔を経て、可撓ホイルによって定義される平面に垂直に自由にアクセス可能である。導電層間接合は、開口に導電材料を充填することによって開口にアクセス可能な第２導電層およびパターン形成した第１導電層の間に生ずる。後者は、例えば、開口内の第２導電層上にはんだボールを配置し、はんだが溶融し流動する温度まで昇温し、パターン形成した第１導電層に接触し、開口の近傍まで延在させることによって可能である。層間接合を設ける他の手法としては、例えば、アルミニウム、白金、銀、金、銅、インジウム、スズおよびタンタルからなるグループから選択した導電材料をスパッタリングまたは蒸着し、このスパッタリングまたは蒸着した導電層をパターン形成することであり、ここで開口およびその近傍を、第２導電層およびパターン形成した第１導電層との間に導電層間接合を生ずる導電材料によって被覆する。

本発明の他の実施形態は、可撓ホイルの絶縁層を導電層にすることによって導電層間接合を形成することである。これは、炭化処理によって行うことができ、炭化処理とは還元性雰囲気中でレーザーを使用し、この場合可撓ホイルの絶縁層のプラスチック材料を純炭素に還元する、または特定の部分、または１つまたは複数の可撓ホイルの部分を還元する。１個またはそれ以上の可撓ホイルの炭化処理部分を互いに整列させ、パターン形成した少なくとも２個の導電層を有する２個の可撓ホイルを炭化処理した部分または可撓ホイルの部分に整列させ、パターン形成した導電層が可撓ホイルの１つまたは複数の炭化処理した部分の表面に接触するようにする。炭化処理領域は、欧州特許出願０５１０８２８０．８に詳述されるように熱および圧力等により可撓ホイル相互を接合した後、異なる可撓ホイル上のパターン形成した導電層間に１個またはそれ以上の導電性層間接合を形成する。炭化処理によって導電層間接合を実現する種々の異なる可能な手法が存在する。１つの方法は、まず可撓ホイルの部分を炭化処理することであり、場合によっては欧州特許出願０５１０８２８０．８に記載の可撓ホイルのパターン形成のために使用するのと同一のレーザーを使用して可撓ホイルのパターン形成と同時に行い、整列させた可撓ホイルを積層および接合する。他の方法は、第２可撓ホイル上に第１可撓ホイルを、導電層またはパターン形成した導電トラックとともに積層し、導電層または第２可撓ホイルのパターン形成した導電トラックに接している第１可撓ホイルの一部を炭化処理し、第３可撓ホイルを第２可撓ホイルの上に積層し、第３可撓ホイルの一部を、第１可撓ホイルを炭化処理したのと同一位置で炭化処理し、もし必要ならば、導電層間接合を形成する限り、さらなる可撓ホイルを用いてこの手段を繰り返し、さらなる導電層またはパターン形成した導電層を導電層間接合上に配置することであり、ここで、パターン形成した導電層の一部は導電層間接合と電気的に接触させる。さらなる方法は、全ての可撓ホイルおよびパターン形成した導電層を積層し、ここで、少なくとも１個の可撓ホイルの少なくとも１個の絶縁層によって分離される少なくとも２個の異なる導電層の部分が、可撓ホイルの表面に対して垂直方向の領域が重なり合うように積層し、例としてレーザーを適用することによってすべての可撓ホイルのスタックを炭化処理することである。

可撓ホイルの導電層のための材料は、望ましくはアルミニウム、白金、銀、金、銅、インジウムスズ酸化物およびタンタルよりなるグループから選択する。

導電層に積層する可撓ホイルの材料は、望ましくはポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）およびポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）よりなるグループから選択する。これらの材料は、熱および圧力によりそれらを接合するのに特に適している。可撓ホイルは、望ましくは１μｍ〜５μｍの範囲における厚さとし、可撓ホイルの面に垂直な構造の分解能は、欧州特許出願０５１０８２８０．８に記載のように可撓ホイルの厚さによって決定するからである。

本発明の他の目的は、互いに積層した絶縁した少なくとも２個の可撓ホイルのセットで作製したマイクロシステムを提供することであり、このマイクロシステムにおいて、各可撓ホイルを同一ホイル（箔）材料で構成し、少なくとも２個の可撓ホイルにパターン形成した導電層を設け、これら導電層を電極として構成し、少なくとも１個のホイルに空間を設け、少なくとも１個の可撓ホイルの絶縁層によって分離される少なくとも２個の電極を、導電層間接合によって接続する。
本発明を添付図面につきより詳細に説明し、図面において同一参照符号は同様の部分を示す。

本発明を特定の実施例および特定の図面について説明するが、本発明はこれらに限定するものではなく、請求項によってのみ限定するものである。請求項中でいかなる参照符号も範囲を限定すると解釈されるものではない。記載した図面は概略図のみであり、限定的なものではない。図中で、いくつかの要素のサイズは誇張しており、図示することを目的として縮尺通りに描いたものではない。本明細書および請求項で「備えている（有する）」という言葉を使用する場合、他の要素またはステップを除外するものではない。単数名詞について言及するときに不定冠詞または定冠詞が使用される場合、例えば「a」または「an」または「the」が使用される場合、何か他に明示する場合を除いて、これは言及される名詞の複数形を含むものである。

さらに、明細書および請求項中で、第１、第２、第３などの用語は、類似した要素を区別するために使用し、必ずしも逐次的または経時的な順序を記述するものではない。このように使用される用語は、適切な状況下で相互に置き換えることができ、本明細書中に記載する本発明の実施例は、本明細書中に記載または図示したものと異なる順序であっても実施可能であることを理解されたい。

また、明細書および請求項中で、頂部、底部、第１、第２、等の用語は記述目的で使用し、必ずしも相対位置を説明するものではない。このように使用する用語は、適切な状況下で置き換えることができ、本明細書中に記載する本発明の実施例は、本明細書に記載または図示のものと異なる配置であっても実施可能であるということを理解されたい。

図１は、それぞれ２個の導電層２０間に絶縁層３０を有する可撓ホイル１０のセットＳを示す。これらの可撓ホイルは、「マイクロシステムの製造方法、このようなマイクロシステムからなるホイルのスタック、およびこのようなマイクロシステムからなる電子デバイスおよびこの電子デバイスの使用方法」という名称で２００５年９月９日に出願された欧州特許出願第０５１０８２０．８号に記載の方法で、簡単にＭＥＭＳデバイスを作製するために使用することが出来る。

図２ａおよび２ｂは、「マイクロシステムの製造方法、マイクロシステムからなるホイルのスタック、およびマイクロシステムからなる電子デバイスおよびこの電子デバイスの使用方法」という名称で２００５年９月９日に出願された欧州特許出願０５１０８２０．８に記載の、層間接合を示す。可撓ホイルのセットＳ内での接合は、２個の隣接層１０に限定されており、この隣接層で導電層２０はオーバーラップし、図２ａの拡大図である図２ｂに示すように互いに直接接触する。

図３ａおよび３ｂは、本発明の一つの実施例を示し、この場合、可撓ホイル１０のセットＳは互いに積層させる。セットＳは、３個のサブセットＳ１、Ｓ２およびＳ３を有する。第１サブセットＳ１は、セットＳの底部における２個の可撓ホイルを有し、パターン形成した第２導電層５０をサブセットＳ１の頂部に設ける。第２サブセットＳ２は、４個のパターン形成した可撓ホイル１０を有し、各可撓ホイル１０は開口を有し、４個のホイルにおける開口を互いに整列させる。第２サブセットＳ２は、第１サブセットＳ１の頂部に積層し、第１サブセットＳ１上のパターン形成した第２導電層５０はサブセットＳ２の４個のホイルの整列した開口を経てセットＳの頂面側からアクセスできるようにする。第２サブセットＳ２の整列した開口は、パターン形成した第２導電層５０に対する接点孔（コンタクトホール）を形成する。さらに、第２サブセットＳ２の頂部ホイルにパターン形成した第１導電層４０を設け、このパターン形成した第１導電層４０は第２サブセットＳ２の接点孔の近傍にまで延びて存在（延在）する。第２サブセットＳ２の頂部に積層した第３サブセットＳ３は、３個の可撓ホイル１０のパターン形成した層を有し、各可撓ホイル１０は第２サブセットＳ２が備える各ホイルの開口より大きく広がった開口を有し、３個のホイルの開口を互いに整列させる。第３サブセットＳ３の整列した開口は第２のサブセットＳ２の接点孔に整列させ、第２サブセットＳ２の頂部におけるパターン形成した第１導電層４０は、サブセットＳ２の接点孔と比較してサブセットＳ３の整列した開口はより大きく広がっているために、サブセットＳ３の整列した開口を経てセットＳの頂部からアクセスできる。図３ａで示すように、はんだボール２００を、パターン形成した第２導電層５０における接点孔内に配置する。図３ｂは積層したホイルのセットＳおよびはんだボール２００を加熱した後の状況を示す。図３ａのはんだボール２００は溶融し、パターン形成した第２導電層５０および第１導電層４０を接合する導電層間接合２１０を生ずる。

図４は発明の他の実施例を示す。図３ａおよび図３ｂで上述したのと同様に、やはり可撓ホイル１０のセットＳを互いに積層する。はんだボールの代わりに、積層した可撓ホイル１０のセットＳの頂部でスパッタリングまたは蒸着法を用いて導電層を蒸着する。以下のステップでは、例えばリソグラフィ技術を用いて導電層をパターン形成し、パターン形成した導電層間接合３００が開口を被覆し、パターン形成した第２導電層５０および第１導電層４０を導電接続する。

図５ａ、５ｂおよび５ｃは、本発明の他の実施例を示す。図５ａは、可撓ホイル１０の厚さ全体に貫通する炭化処理部４１０を有する可撓ホイル１０を含んで、可撓ホイル１０を積層したセットＳを示す。炭化処理は、例えば、還元性雰囲気中の特定の位置で可撓ホイル１０をレーザー加熱することにより行うことができる。炭化処理部４１０を有する可撓ホイル１０は、パターン形成した導電層５０を含む他の可撓ホイル１０に積層し、この場合、パターン形成した導電層５０は可撓ホイル１０の底部で炭化処理部４１０の表面に接触する。さらに、炭化処理部４１０を有する可撓ホイル１０は、図５ｂに示すように、第１可撓ホイル１０の頂部における炭化処理部４１０の表面が、第１可撓ホイル１０の頂部に積層した他の可撓ホイルの底部における炭化処理部４１０の表面と接触するように順次互いに積層する。図５ｃは、さらに、パターン形成した導電層４０を有する可撓ホイル１０を、他の可撓ホイルの炭化処理部４１０と接する炭化処理部４１０を含む可撓ホイル１０にス積層することを示し、この場合、パターン形成した導電層５０が可撓ホイル１０の炭化処理部４１０の表面にも接触することを示す。積層した可撓ホイル１０のセットＳを、例えば熱および圧力によって接合した後、導電層間接合４００が、可撓ホイル１０の炭化処理部４１０により、パターン形成した導電層４０と導電層５０との間に生ずる。

可撓ホイルのセット（Ｓ）を示す。 薄膜ＭＥＭＳおよび層間接合を示す。 図２ａに示した層間接合の拡大詳細を示す。 層間接合の実施例を示す。 層間接合の実施例を示す。 層間接合の他の実施例を示す。 層間接合のさらに他の実施例を示す。 層間接合のさらに他の実施例を示す。 層間接合のさらに他の実施例を示す。

Claims (11)

1. 空間を有するマイクロシステム中に層間接合を製造する方法において、
   互いに電気的に絶縁された少なくとも２個の可撓ホイルのセットを用意するステップであって、前記可撓ホイルは同一の箔材料で構成し、これら少なくとも２個の可撓ホイルの少なくとも一方の側面に、電極または導体としての使用に適した導電層を存在させる該可撓ホイルセット用意ステップと、
   電極または導体を形成するよう、前記導電層をパターン形成するステップと、
   少なくとも１個の開口を形成するよう、少なくとも１個の可撓ホイルをパターン形成するステップと、
   前記可撓ホイルのセットを積層するステップと、
   前記可撓ホイルを接合するステップと、
   少なくとも１個の可撓ホイルの絶縁層によって分離される、少なくとも２個のパターン形成した導電層間に導電層間接合を設けるステップと
   を有することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、さらに、
   少なくとも１個のパターン形成した第１可撓ホイルに接点孔を生ずるよう、少なくとも１個の開口を配設するステップであって、これにより、第２可撓ホイル上の第２導電層に接点孔を経てアクセス可能となり、少なくとも１個のパターン形成した第１可撓ホイル上におけるパターン形成した第２導電層が前記接点孔まで延在し、かつアクセスできるようにする、該開口配設ステップと、
   前記接点孔内に導電材料を充填することによって、接点孔を介して、パターン形成した第１導電層と第２導電層との間に導電接合を設けるステップと
   を有することを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記導電材料を、はんだ付けに使用する材料とした、ことを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、さらに、
   少なくとも１個の開口にはんだボールを配置するステップと、
   はんだ材料が流動し、導電層間接合が、パターン形成した前記第１導電層および第２導電層を導電接続するまで、少なくとも２個の可撓ホイルのスタックを加熱するステップと
   を有することを特徴とする方法。
5. 請求項２に記載の方法において、さらに、
   導電材料を蒸着またはスパッタリングするステップと、
   導電層間接合を生ずるよう、前記導電材料をパターン形成するステップと
   を有することを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法において、さらに、少なくとも１個の導電層間接合を生ずるよう、前記可撓ホイルを炭化処理するステップを有することを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、さらに、
   レーザーを用いて第１可撓ホイルの少なくとも一部分を炭化処理するステップと、
   導電層を有する第２可撓ホイル上に第１可撓ホイル（１０）を積層し、また前記第２可撓ホイルの導電層が前記第１可撓ホイルの少なくとも１個の炭化処理部における表面の少なくとも一部に延在して被覆するようにするステップと、
   さらに、パターン形成した導電層を有する第３可撓ホイルを積層し、前記第３可撓ホイルの導電層が可撓ホイルの炭化処理部における表面の少なくとも一部分に延在して被覆し、少なくとも１個の導電層間接合を生ずるようにするステップと
   を有することを特徴とする方法。
8. 請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の方法において、導電層のための材料を、アルミニウム、白金、銀、金、銅、インジウムスズ酸化物およびタンタルよりなるグループから選択したことを特徴とする方法。
9. 請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の方法において、可撓ホイルの絶縁層の材料を、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）およびポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）よりなるグループから選択したことを特徴とする方法。
10. 請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の方法において、可撓ホイルを、１μｍ〜５μｍの範囲における厚さとしたことを特徴とする方法。
11. 順次に積層した、少なくとも２個の電気的に絶縁した可撓ホイルのセットによって作製したマイクロシステムにおいて、各可撓ホイルを、同一のホイル材料で構成し、少なくとも２個の可撓ホイルにパターン形成した導電層を設け、これら導電層を電極として構成し、少なくとも１個のホイルに空間を設け、少なくとも１個の絶縁層によって分離した少なくとも２個の電極を、導電層間接合によって接続したことを特徴とするマイクロシステム。

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