JP2010287571A

JP2010287571A - 単一マスクを用いた少なくとも１つのマイクロコンポーネントの製造方法

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Publication number: JP2010287571A
Application number: JP2010130662A
Authority: JP
Inventors: Steve Martin; スティーブ、マルタン; Nicolas Dunoyer; ニコラ、デュノアイエ; Sami Oukassi; サミ、ウカシ; Raphael Salot; ラファエル、サロ
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2010-12-24
Also published as: ES2446967T3; KR20100132461A; EP2262043A1; CN101924235A; FR2946462B1; US20100310758A1; PL2262043T3; US8507031B2; EP2262043B1; FR2946462A1

Abstract

【課題】高速かつ簡単で、精度の良いマスクの位置合わせが可能なマイクロコンポーネントの製造方法を提供する。
【解決手段】例えばマイクロバッテリであるマイクロコンポーネントは、基板上に少なくとも２つの重ねられた層を持つ積層体を有し、温度の影響下で拡張可能な単一のスチールマスク６を用いて形成される。マスク６は、少なくとも１つの中心から外れた開口７を有する。マスクが第１の温度（Ｔ１）の時、マスク６ａの開口７ａを介して第１の層が堆積される。マスクが、前記第１の温度（Ｔ１）より高い第２の温度（Ｔ２）の時、マスク６ｂの開口７ｂを介して第２の層が堆積される。最後に、マスクが前記第２の温度（Ｔ２）より高い第３の温度（Ｔ３）の時、マスク６ｃの開口７ｃを介して第３の層が堆積される。
【選択図】図６

Description

本発明は、基板上に少なくとも１つの積層体（stack of layers）を備える少なくとも１つのマイクロコンポーネント（microcomponent）を製造する方法に関し、各積層体は少なくとも２つの層を有し、第１の層は第１のパターンで堆積され、第２の層は、前記第１のパターンとは異なり少なくとも一部が前記第１のパターンを覆う第２のパターンで堆積される。

通常、マイクロコンポーネントは、基板上に連続的な積層体を形成することで製造されている。層の数は、２以上である。図１は、基板２上に３つの層（３，４，５）が均一に堆積された理想的な積層体１を示す。これらの積層体１を製造するために用いられる技術はたくさんある。特に、ステンシル（stencil）技術が一般的に用いられる。この技術は、マスクを介して、例えば物理的気相成長（ＰＶＤ）などの真空蒸着技術によりマイクロコンポーネントの活性層（３，４，５）を連続的に堆積することからなる。この方法は、小型電子技術で用いられていたフォトリソグラフィ及びエッチングのような従来の微細加工方法と比較して有利である。実際に、この方法は、実施しやすく、安価である。しかし、堆積（蒸着）のためのマスクの使用は、特にマスクの厚みに起因して、堆積層（３、４及び５）の厚みの不均一性を引き起こす。一般に、これらの厚みの不均一性は、エッジ効果（edge effect）を構成し、導電層の場合にマイクロコンポーネントの短絡をもたらす。図２は、このようなエッジ効果を持つ積層体を示す。この例では、（図の左側で）層５が層３に接触し、これら２つの層に導電性がある場合、短絡を引き起こす。

例えば、これらのマイクロコンポーネントは薄膜マイクロバッテリ（microbattery）である。マイクロバッテリは、電気化学的エネルギー貯蔵素子であり、その厚さは一般に１５μｍ未満である。マイクロバッテリは、基板２上の少なくとも３つの層を有する少なくとも１つの積層体１を備え、層３はカソードを形成し、層４は電解質で形成され、層５はアノードを形成する。

米国特許５，５６１，００４はカソードとアノードとの間の短絡を防止するために、層３と層５との間のあらゆる接触を避ける構造を提案している。図３は、米国特許５，５６１，００４によるマイクロバッテリの構造を示す。電解質層４は、カソード層３を完全に覆うために、カソード層３よりサイズが大きい。電解質層４は電気的に絶縁されており、短絡が防止される。

それでもなお、この構造は複数のマスクの使用を必要とする。機械加工の不完全性及びマスクの連続的な再配置に関連した位置合わせの不確実性のために、大きな隙間（clearance）を考慮しなければならない。層３の周囲における層４の横方向の厚さに対応するこれらの隙間は、電極を構成する層３と層５との間のあらゆる直接接触を防止し、約１００μｍ以下の幅を持つことができる。これらの隙間は素子の活性面（active surface）、すなわちアノード材料とカソード材料との間のイオン交換面を低減させ、その結果、そのエネルギー貯蔵容量を低減させる。このような構成は、単純化した（すなわち、基板２又はコレクタ又は外部保護層がない）上面が図４に示される。カソード層３、電解質層４、及びアノード層５をそれぞれ形成するために使用されるマスク間の１００μｍの最大位置合わせ誤差ｄのために、１００μｍの隙間ｇを考慮に入れると、０．２５ｃｍ^２の面を有するマイクロバッテリにとって、活性面（層３〜５に共通する面）の損失が最大約１２％になる。

本発明の目的は、従来技術の欠点を改善する、少なくとも１つのマイクロコンポーネントを製造する方法を提供することである。特に、本発明の目的は、高速かつ簡単に実施でき、マスクの位置合わせに起因する問題を克服できる製造方法を提供することである。

本発明によれば、この目的は、積層体のうちの１つの、異なる層の連続的な堆積が、同じマスクの同じ開口を介して行われ、前記マスクが第１のパターンを形成するために第１の温度に加熱され、第２のパターンを形成するために、前記第１の温度とは異なる第２の温度に加熱されるという事実により達成される。

その他の利点及び特徴は、以下の本発明を限定しない例だけのための特定の実施形態の説明及び添付した図面からさらに明らかになる。

理想的な積層体の概略図である。従来技術による積層体の概略図である。従来技術によるマイクロバッテリの断面の概略図である。図３のマイクロバッテリを構成する積層体の一部の簡略化した上面図である。本発明による方法で使用できるマスクの特定の実施形態を示す図である。本発明による方法で使用できるマスクの好ましい実施形態を示す図である。図６のマスクを用いて得られる積層体の上面の概略図である。図６のマスクを用いて得られる積層体の断面の概略図である。本発明による方法で使用できるマスクの他の特定の実施形態を示す図である。本発明による方法で使用できるマスクの他の特定の実施形態を示す図である。本発明による方法で使用できるマスクの代替実施形態のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。本発明による方法で使用できるマスクの代替実施形態のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。本発明による方法で使用できるマスクの他の特定の実施形態を示す図である。図１３のマスクの開口の代替実施形態を示す図である。図１４によるマスクを用いたマイクロコンポーネントの特定の実施形態を示す図である。

マイクロコンポーネントの各積層体は少なくとも２つの層を有する。第１の層は第１のパターンで堆積され、第２の層は、第１のパターンとは異なる、すなわち形状又はサイズが異なる、第２のパターンで堆積される。第２のパターンは第１のパターンの少なくとも一部を覆う。このようなマイクロコンポーネントを得るために、マスクは基板の上方に配置され、パターンの堆積工程はマスクの開口（opening）を介して連続して行われる。シリコン基板に対して、マスクはスチール（steel）で作られることが好ましい。マスクは、使用される基板に応じて、例えばモリブデン、アルミニウム、銅、又はインバール（Imphy Alloysの３６％鉄−ニッケル合金：登録商標）で作ることができる。

図５の実施形態では、温度が上昇又は低下した場合、マスク６はそれぞれ拡張又は収縮する。マスク６は中央開口部７を有する。まず温度Ｔ１まで加熱されると、マスク６は実線（６ａ）で示され、対応する開口部７も実線（７ａ）で示される。温度Ｔ１より高い温度Ｔ２まで加熱されたとき、マスク６は拡張し（破線６ｂ）、開口部７も同様である（破線７ｂ）。同様に、温度Ｔ２より高い温度Ｔ３では、マスク６及び開口部７はさらに大きくなる（２点鎖線６ｃ及び７ｃ）。従って、参照符号６ａ、６ｂ、及び６ｃは異なる温度における同じマスク６を示す。同様に、参照符号７ａ、７ｂ、及び７ｃはこれらの異なる温度における同じ開口部７を示す。

図６の好適な実施形態では、温度Ｔ１において、マスク６ａは中心を外れた開口部７ａを有する。すでに述べたように、マスクは温度変化によって拡張又は収縮する（温度Ｔ１より高い温度Ｔ２では６ｂ及び７ｂであり、温度Ｔ２より高い温度Ｔ３では６ｃ及び７ｃ）。

マスク６における開口部（開口）７は、積層体の異なる層の連続堆積に使用される。マスク６の温度を変えることにより、開口部７のサイズが実際に変わる。従って、マスクは、第１の層を堆積し、第１のパターンを形成するために第１の温度（Ｔ１）まで加熱され、第２の層を形成して第２のパターンを形成するために第１の温度とは異なる第２の温度（Ｔ２）まで加熱される。

図７及び図８の実施形態では、パターンの異なる層３、４、及び５の堆積は、同じマスク６の同じ開口部７を介して連続して行われ、好ましくは図６のマスクを使用する。従って、マスク６が温度Ｔ１となり、マスク６ａの開口部７ａを介して層３が堆積される。そして、マスク６が温度Ｔ１より高い温度Ｔ２となり、マスク６ｂの開口部７ｂを介して層４が堆積される。最後に、マスク６が温度Ｔ２より高い温度Ｔ３となり、マスク６ｃの開口部７ｃを介して層５が堆積される。図８は、基板２に平行な方向における積層体１のパターン間のオフセットを示す。実際に、図７に示されるように、（マスクが）拡張すると、中心から外れた開口部はシフトする。

上述した方法は、連続堆積のための単一マスクを使用する。従って、マスクの取り扱い（handling）が不要になり、マスクのずれに関連した問題を避けられる。さらに、重ねられた２つのパターン間のシフトは、従来技術では１００μｍ止まりであるのに対して、マスクの熱拡張によりパターンの配置を制御することで、約１０μｍを達成することができる。特に、上述の方法は、マイクロコンポーネントの活性面の損失を低減できる。上述のように、１つの層の堆積から次の層の堆積までの手順の際に、マスクの温度が常に同じ方向（上昇又は低下）に変わるように変調される場合、層３と層５のあらゆる直接的な接触が避けられる。マイクロバッテリの場合、電極層３と電極層５の短絡が防止される。例えば、シリコン基板の端から５ｃｍの距離に位置している表面が２５ｍｍ^２のマイクロバッテリでは、シリコン基板に対するスチールのマスクの拡張は、２０℃の温度変化で１０μｍである。従来技術によって製造されたマイクロバッテリでは活性面の損失が１２％であるのに対して、２０℃の温度上昇ステップで形成される３つの層からなるバッテリの活性面の損失は約０．４％である。この方法の使用は、マイクロバッテリの活性面の最大化と、アノードとカソードの短絡の防止とを可能にする。

マスク６は、複数の積層体１を同時に形成して、この方法の収率を上げるために、均一かつ規則的（regular and ordered manner）に配置された（図９、図１０、図１３）複数の開口７を有することが好ましい。各開口７は、異なる積層体１に関連する。しかし、多くの開口を有する大規模なマスク６の拡張の制御は困難である。実際、マスク６の拡張は、マスク６の中央（中心）に対する距離で変わる。このことは、４つの開口７をもつマスク６の一部の場合について、図９に示される。同じ温度上昇で、マスク６の中央に近い開口７（７ａ１、７ｂ１）は、マスク６の端部の開口７（７ａ２、７ｂ２）より拡張が小さい。さらに、この実施形態では、異なる積層体の異なる層を覆うことを防止するために、好適には、各開口７の寸法は、最大拡張寸法とも称される拡張後の開口７の最大寸法を考慮すべきである。

大規模（大寸法）マスクでは、開口７の最大拡張寸法は１００μｍに達し、マイクロコンポーネントの活性面を低減する。さらにこの場合、マスク６の集積密度を低いままにして基板上の集積密度を低いままにする。最大拡張寸法を低減するために、マスク６は拡張接合部（joint）８によって分けられる少なくとも２つの要素部分に分割することが有利である。図１０では、例えば、マスク６が４つの接合部８により９つのサブ要素（sub-part）に分けられる。これらの拡張接合部は、例えば、ゴム、ポリウレタン、又はポリプロピレン等のポリマー材料から作られる。

上述の実施形態において、一般にマスクは、それ自身の重さにより基板に押し付けられる。温度の作用によりマスクが変形したとき、マスクは、既に堆積されている層を、例えばこすることで、傷付け得る。この問題を解決するために、マスク６は、基板に対してマスク６を上昇させるために、底部にシム（shim）を有することが有利である（図１１）。マスク６は、基板が位置する側の底面の各開口７の周囲に凹部（recess）１０を有することもできる。他の実施形態では、凹部は全ての開口に共通であり、マスク表面に連続的なシムを形成する。

上述の好適な実施形態では、マスクは複数の中心から外れた開口を有する。図１３の例では、マスク６は、１２０個の開口７を有する。各開口７は、平行四辺形の形状であり、一般的には正方形である。形成されるパターンの形状に応じて、開口には他の形状も存在する。各開口は異なる積層体の形成を可能にする。例えばマイクロバッテリタイプが異なるような、それぞれ単一のパターン積層体を有する、異なるマイクロコンポーネントを形成するために、マスク６の隣接する開口７の間の距離と異なる温度とを選択できる。実際、異なる積層体の最初の層を同時に形成するために用いられるマスクの温度と、異なる積層体の最後の層を同時に形成するために用いられるマスクの温度との差分は、最初のパターンと最後のパターンとの間の最大オフセットを決定（fix）する。このオフセットが隣接する開口の間の距離より小さい場合、独立した積層体が得られる。

例えば、図１３のマスクは、直径２００ｍｍ、厚さ約５００μｍのシリコンウェーハ上に、それぞれ積層体で形成されるマイクロバッテリを製造するために使用できる。基板は、化学気相成長により、厚さ約１００ｎｍのシリコン窒化層に覆われる。直径２００ｍｍ、厚さ約３００μｍのスチールマスクが、それ自体の重みにより、この基板に押し付けられる。このマスクには、一辺１０ｍｍの正方形の開口が形成される。それらは互いに約２．５ｍｍの距離を離されている。拡張が起きた時に層のこすり現象（scratching phenomena）を防止するために、各開口の表面（periphery）には、深さ０．１５ｍｍ、幅０．１５ｍｍの凹部が形成される。最大拡張寸法は、ウェーハの中心から最も離れているバッテリの位置から計算される。この寸法は、０．７５μｍ／℃で推定される。

アセンブリ（assembly）は、アプライドマテリアルズ社（Applied Materials company）のＥｎｄｕｒａ（登録商標）型の産業用真空蒸着装置に置かれる。このタイプの装置では、５つの蒸着チャンバが、マニュアル操作無しに、同じ装置で、バッテリの異なる活性層を連続して形成することを可能にする。厚さ約３００ｎｍのタングステンの第１の層（カソードコレクタ）が堆積され、基板及びマスクは共に、温度制御された基板保持部（substrate holder）により４０℃に保たれる。そして、基板／マスクのアセンブリは第２のチャンバへロードされ、６０℃に加熱され、厚さ約１．５μｍのチタン硫酸化物（ＴｉＯＳ）（カソード）の堆積が行われる。そして、アセンブリは第３のチャンバへロードされ、８０℃に加熱される。そして、厚さ約１μｍのＬｉＰＯＮ（電解質）の堆積が行われる。アセンブリは第４のチャンバへロードされ、１００℃に加熱される。そして、厚さ約１μｍのリチウム（アノード）の堆積が行われる。最後に、基板／マスクのアセンブリが最後の第５のチャンバにロードされ、１２０℃に加熱される。そして、厚さ約２５０ｎｍのチタン（アノードコレクタ）の堆積が行われる。

これらの堆積工程における合計温度勾配（total temperature gradient）は８０℃である。従って、最大拡張寸法は６０μｍである。隣接する開口は２．５ｍｍ離されており、最初の層と最後の層との間のオフセットを考慮に入れて、１つの積層体から他の積層体への重なりが無い。最大活性面損失は１．６％である。

他の実施形態では、それぞれが複数の積層体１を有するマイクロコンポーネントが得られる。従って、同じマイクロコンポーネントの積層体１に関連する開口７は、図１４に示すように、開口のグループ（group）１１を形成する。この場合、同一のグループ１１の、温度が異なる、隣接する２つの開口の間の距離の選択が、同じマイクロコンポーネントの２つの隣接する積層体を直列に接続することを可能にする。この特定の実施形態は図１５に示される。最初のパターン１２と最後のパターン１３との間の最大オフセットより小さい２つの開口の間の距離を選択することにより、合計温度勾配により決定され、実際に、積層体１の最後の層は、隣接する積層体１の最初の層に重なる。この構造は、特に、マイクロバッテリの場合に関心を引く。

最終的に、開口７の２つのグループ１１間の距離は、それぞれ直列に接続された複数の積層体１を有する分離されたマイクロコンポーネントを形成するために十分大きく選択される。

例えば、図１４の開口のグループ１１は、マスクに周期的に再現（reproduce）される。同じグループ１１内の２つの開口の間の距離は約８０μｍである。マスクの他のパラメータは、先行例に対して変わっていない。基板も同一である。５つの層の厚さ及び性質は変わっておらず、堆積温度のみ変わる。

タングステンの堆積はマスク温度４０℃で行われる。ＴｉＯＳの堆積は、マスク温度７０℃で行われる。ＬｉＰＯＮの堆積は、マスク温度１００℃で行われる。リチウムの堆積はマスク温度１３０℃で行われる。チタンの堆積はマスク温度１６０℃で行われる。

これらの堆積工程における合計温度勾配は１２０℃である。従って、最大拡張寸法は９０μｍである。隣接する開口の２つのグループは２．５ｍｍ離されており、１つのマイクロコンポーネントから他のマイクロコンポーネントへの重なりは無い。しかし、１つの開口のグループでは、温度勾配による開口の連続的なオフセット（合計９０μｍ）は、このグループの２つの隣接する開口に対応する２つの隣接する積層体のアノードコレクタ層とカソードコレクタ層との重なりをもたらす。そして、これらの積層体は、直列に接続される。

Claims

少なくとも１つの積層体（１）を含む少なくとも１つのマイクロコンポーネントを基板（２）上に製造する方法であって、各積層体は少なくとも２つの層を有し、第１の層は第１のパターンで堆積され、第２の層は、前記第１のパターンとは異なり、少なくとも一部が前記第１のパターンを覆う第２のパターンで堆積されるものであり、前記積層体（１）のうちの１つの異なる層の連続した堆積が同じマスク（６）の同じ開口（７）を介して行われ、前記マスクは前記第１のパターンを形成するために第１の温度（Ｔ１）に加熱され、前記第２のパターンを形成するために前記第１の温度とは異なる第２の温度（Ｔ２）に加熱されることを特徴とする方法。
前記マスク（６）はスチールで作られていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記マスク（６）の前記開口（７）は、前記第１のパターンと前記第２のパターンを互いにオフセットするために、前記基板（２）に対して平行な方向に沿って、中心から外れていることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
各開口（７）は、平行四辺形の形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
前記マスク（６）は、複数の開口（７）を有し、各開口は異なる積層体（１）に関連し、均一かつ規則的に配置され、異なる積層体は同時に製造されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
隣接する２つの開口（７）の間の距離と、異なる積層体（１）の最初の層を同時に形成するために用いられるマスク（６）の温度と各積層体の最後の層を同時に形成するために用いられる前記マスクの温度との差分とが、異なるマイクロコンポーネントに属する互いに離されて独立した積層体を形成するために選択されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
隣接する２つの開口（７）の間の距離と、異なる積層体（１）の最初の層を同時に形成するために用いられるマスク（６）の温度と各積層体の最後の層を同時に形成するために用いられる前記マスクの温度との差分とが、同じマイクロコンポーネントの２つの隣接した積層体を直列に接続するために、１つの積層体の前記最後の層が隣接する積層体の前記最初の層に重なるように選択されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記同じマイクロコンポーネントの前記積層体（１）に関連する前記マスク（６）の前記開口（７）は、開口のグループ（１１）を形成し、隣接する開口の２つのグループの間の距離は、互いに離された２つのマイクロコンポーネントを形成するために選択されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記マイクロコンポーネントはマイクロバッテリであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
前記マスク（６）は、拡張接合部（８）により分けられる少なくとも２つの要素部分に分割されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
前記マスク（６）は、前記基板（２）が位置する側の裏面の各開口（７）の周囲に凹部（１０）を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
前記マスク（６）は、シム（９）により前記基板に対して持ち上げられることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。