JP2017506835A - ゲッター構造体及び当該構造体の形成方法 - Google Patents

Abstract

ゲッター構造体及び方法において、１層の種材料がある条件下で構造体の表面の所定の領域上に付着され、該構造体の表面上に複数の核サイトを形成する。核サイトは、所定の領域の表面積上に１分子厚さ未満の平均高さを有する。引き続き、ゲッター材料が該表面上に付着されて、核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料部材を形成する。

Description

本開示は、一般に、真空パッケージされた電子デバイスのためのゲッター構造体及び当該構造体の形成方法に関する。

当技術で知られているように、例えばいわゆるデュワー組立体（Dewar assembly）などの密封された真空容器内に高程度の真空を維持するために、ゲッター（getter）が用いられてきた。ゲッターは、デュワー組立体シールを通してゆっくり漏れる、或いは容器材料から脱ガスするガス分子を捕獲（trap）するのに用いられる。広く用いられているゲッター材料には、チタニウム単体、並びにチタニウム、ジルコニア、バナジウム、鉄及び他の反応性金属の混合物が含まれ、これらは、脱ガスした真空密封デュワー組立体内で典型的に見出される酸素、水素、窒素、メタン、一酸化炭素及び二酸化炭素などの様々なガス分子を永久的に捕獲（capture）する。ゲッター材料は、これらのガスと反応して、室温で安定である酸化物、炭化物、水素化物及び窒化物を形成する。ゆえに、反応は不可逆であり、将来のガス放出の危険性をはらまない。

２種類のカテゴリーの真空ゲッターが存在する。蒸発型ゲッター及び非蒸発型ゲッターである。蒸発型ゲッターは、デュワーが密封された後、現場で内部デュワー表面上に瞬間的に蒸発される（flash evaporated）。主な例は、ガラス製のラジオ又はテレビの真空管内に見られる光沢表面である。もし引き続き空気に露出されるならば、ゲッターは再活性化され得ない。非蒸発型ゲッターは、ゲッターが機能すべきデバイスを製作するプロセス中に組み込まれ或いは付着され、短時間高温に加熱して活性化される。本発明の対象は、非蒸発型のカテゴリーである。

デュワー組立体内での残余ガスの捕獲は、在来の外部活性ゲッター（externally fired getters）により達成される。その一例が、発明者Romanoらの米国特許第5,111,049号公報に記述されている。チタニウム及びモリブデン粉末の多孔性混合物などのゲッター材料が、４２アロイ容器内部に位置づけられ、デュワー本体から突出したチューブ上に溶接される。ゲッター容器を約１０分間約８００°Ｃに加熱して、ゲッター材料を活性化させる。しかしながら、外部活性ゲッターは、大きくかさばり、デュワー本体の外部で製作しなければならない。大体0.5乃至2cm程度の寸法の典型的には長方形である現代の平坦赤外（IR）検出器アレイを収容するデュワー組立体の内部の高程度の真空を維持するために、外部活性ゲッターを使用すると、組立体の体積及び重量を著しく増大させてしまう。さらに、ゲッター材料をIR検出器アレイから離して位置しなければならず、外部冷却をデュワー本体に適用しなければならない。ゲッターから供給される熱により検出器アレイ及び他のデュワー組立体要素への熱的ダメージを防止するためである。ゲッター組立体の機械的複雑性及びIR検出器アレイのための外部冷却材の必要性によって、IR検出器のコストが増大してしまう。

真空密封デュワー組立体を製作するプロセスが米国特許第5,433,639号公報に記述されている。しかしながら、付着された薄膜ゲッターの表面積が小さいので、ゲッターで除去できるガスの量には制限がある。IR検出器は、検出の効率を上げるために、総検出器表面積に対する検出表面積の比率である充填ファクターが大きいのが好ましいことから、ゲッター材料を付着できる表面積の百分率が比較的に小さい。

当技術分野で知られているように、従来の未冷却IR検出器アレイは、平坦なIR窓を有する真空密封されたデュワー組立体内に収容されており、IR窓は通常ゲルマニウム製であり、IR透過性を高めるための表面コーティング剤で被覆されている。IR放射は、窓を通過して、アレイ内の検出器ピクセルに衝突する。未冷却IR検出器は典型的には、シリコン又はバナジウムオキサイドのマイクロボロメータ（microbolometers）であり、それは熱検出によりIR放射を検出する温度センサである。

当技術分野で知られているように、大きな光学窓を要するウェファレベル真空パッケージされた（WLVP）デバイスにゲッターを集積することには、ゲッターを位置するのに利用できる領域に非常に制限がある。ウェファレベル真空パッケージされたデバイスにおいて、ゲッターは通常、デバイスの蓋上にゲッター材料を蒸着又はスパッタリングすることにより、真空付着される。IRイメージング焦点面アレイ（Focal Plane Array (FPA)）などの光学デバイスにおいて、ゲッターを付着するのに利用できる場所の大部分を占めてしまう。

一つの技法が米国特許第5,701,008号公報に記載されている。該公報に記載されているように、ゲッターを位置すべきキャップウェファ（cap wafer）表面内にコラム状突出部（column-like protrusions）を形成するように多数のトレンチをエッチングすることにより、ゲッターの表面積の増大が達成される。ゲッターが入り組んだ表面上に共形的に（conformally）付着されるので、二次元表面積に三次元を追加することによってゲッターを位置できる表面積を増大させる。ゲッターは、平坦状水平表面と同様にコラム状突出部の壁面上にも蒸着又はスパッタリングすることにより、共形的に付着される。他の試みは、ゲッターを付着する前に表面を粗化して面積をわずかに増大させる方法を含む。

当技術分野において知られているように、ゲッターを形成するための一方法は、Zr, Ti, Fe及び他の金属を含む膜をスパッタリングして、基板上に一緒に付着させることである。

当技術分野で知られているように、付着された真空ゲッターは、真空品質を改良するために真空環境内で残余ガス原子と化学的に反応し得る材料の層を蒸着又はスパッタリングすることによって形成される構造体（通常は薄い層である）である。反応性ガスを捕獲するゲッター膜の表面積をできるだけ大きくすべきであるので、ゲッター膜の形態学は重要である。ゲッターリング（gettering）面積は幾何学的面積ではない。活性面積の多くは、粒界におけるボイド（voids）によりもたらされる。付着膜の成長が広範囲に研究された結果として、良く知られた構造ゾーンモデル（SZM モデル）（Structure Zone Models (SZMs) of Movchan and Demchishin, and Thornton）がもたらされた。詳しくはHandbook of Deposition Technologies for Thin Films and Coatings, P. M. Martin, Elsevier, 2009, ISBN 978-0-8155-2031-3という書物を参照されたい。SZMモデルは、付着材料の融解温度に対する膜成長温度の比として定義される同相温度（homologous temperature）に対する膜構造に関する。膜粒成長（film grain growth）内の重要ファクターは、基板表面上の到達原子の移動度（mobility）である。移動度は、到達エネルギー及び表面温度に強く依存する。高い移動度（高エネルギー）を有する原子が、表面上で移動して凝集し、大きな粒子を形成する。低いエネルギーを有する原子は、より速やかに停止し、より小さな粒子を形成し、結果として、大粒子を伴う膜よりも、正味のより大きなボイド空間をもたらす。こうして、大粒子を伴う膜よりも多くの小粒子を伴う膜の方が好ましく、間にボイド空間を伴う。速い付着速度もまた、間にボイド空間を伴う小粒子を促進する。付着される材料の化学的及び熱力学的特性もまた、結果としての粒子構造に影響を与える。

このことは、低い付着速度で高い移動度の場合の図１Ａ、１ＡＡ乃至１Ｃ、１ＣＣ、及び高い付着速度で低い移動度の場合の図２Ａ、２ＡＡ乃至２Ｃ、２ＣＣに示されている。図１Ａ、１ＡＡにおいて、複数の原子４が、表面３に到達して動き回りエネルギーを失って停止する、或いは粒子形成する基礎である原子のクラスター６の端部を打つ。クラスターが横方向に成長するにつれて、結果としての粒子群は大きくなり、十分な量の表面３を被覆して、より多数の到達原子４を阻止し、上方への成長を開始する。粒子群６の間のコンタクト境界が、ゲッターリング活動の責任を果たすボイド空間１を含む。図２Ｃ乃至２ＣＣにおいて、図１Ａ、１ＡＡにおいて、複数の原子４が、表面３に到達して動き回りエネルギーを失って停止する、或いは粒子形成する基礎である原子のクラスター６の端部を打つ。クラスターが横方向に成長するにつれて、結果としての粒子群は大きくなり、十分な量の表面３を被覆して、より多数の到達原子４を阻止し、上方への成長を開始する。粒子群６の間のコンタクト境界が、ゲッターリング活動の責任を果たすボイド空間１を含む。図２Ｃ乃至２ＣＣにおいて、複数の原子４が、表面３に到達して動き回りエネルギーを失って停止する、或いはクラスターの端部を打つ。原子４が積み上がるのに十分な程高速で到達するにつれてクラスターが上方への急速な成長を開始し、また表面の多くを急速に被覆して、小さな粒子（grain）とともに粒子間の粒子境界（ボイド空間）１を形成する。

当技術分野において知られているように、真空付着ゲッターの効率は、付着方法、付着条件、及び結果としての膜形態及び構造に強く依存する。WLP及び他の電子パッケージのための真空ゲッターは、粒子構造が高いコラム状構造を形成するという方法で、パッケージ内に付着された１層の金属から構成される。粒子間の垂直表面は、付着されるゲッターの幾何学的面積の何倍もあり、ゲッターリング表面の多くを構成する。

米国特許第5,111,049号公報 米国特許第5,433,639号公報 米国特許第5,701,008号公報

本開示に従って提供されるゲッター構造体は、基板と、該基板の表面上に種材料で形成されている複数の核サイトと、該核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料の部材とを有する。

一実施形態において提供されるウェファレベル真空パッケージ（WLVP）されたデバイスは、検出器のアレイを載せた第１の基板と、該第１の基板に真空ボンディングされた第２の基板であり、当該第２の基板の表面上に種材料で形成された複数の核サイトを有する第２の基板と、該核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料の部材とを含む。

一実施形態において提供される方法は、 構造体の表面上に種材料の複数の核サイトを形成する工程と、前記核サイトから外方に突出する、複数のゲッター材料部材を形成する工程とを含む。

一実施形態において提供される方法は、ゲッター構造体を提供する。該方法は、所定の条件下で構造体の表面上に１層の種材料を付着して、前記構造体の表面上に複数の核サイトを形成する工程と、引き続き前記表面上にゲッター材料を付着して、前記核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料の部材を形成する工程とを含む。

一実施形態において、前記１層の種材料が所定の表面積を有する表面の領域上に形成され、前記核サイトが所定表面上に１分子厚さ未満の平均高さを有する。

一実施形態において、種材料の付着が、瞬間蒸着又は電子ビーム付着による。

一実施形態において、当該方法が、ゲッター材料の付着に先立ち、核サイトを酸化する工程を含む。

付着が比較的に低速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す斜視図である。 付着が比較的に低速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す側面図である。 付着が比較的に低速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す斜視図である。 付着が比較的に低速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す側面図である。 付着が比較的に低速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す斜視図である。 付着が比較的に低速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す側面図である。

付着が比較的に高速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す斜視図である。 付着が比較的に高速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す側面図である。 付着が比較的に高速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す斜視図である。 付着が比較的に高速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す側面図である。 付着が比較的に高速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す斜視図である。 付着が比較的に高速な従来技術に従ったゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを示す側面図である。

本開示に従った、IR検出器アレイのためのウェファレベルパッケージされたデュワー組立体の単純化した切断斜視図である。

図３のデュワー組立体内で用いるIR検出器アレイの単純化した平面図である。

本開示に従った、ゲッターリング材料を形成するために用いるプロセスのフローチャートである。

本開示に従って、ランダムに形成した複数の核サイト上に複数のゲッターリング材料を形成するのに用いるプロセスを頂部から底部へと順を追って示す図であり、右側に斜視図を、左側に側面図を示している。

図６の数個の核サイト及びそれらのゲッター材料を例示した側面断面図である。

各図における同様な参照符号は同様な要素を指示している。
図３及び図４を参照すると、デュワー組立体が示されており、デュワー組立体は、好ましくはシリコンである半導体材料でできた読み出し集積回路（ROIC）基板２を有する。IR検出器アレイ１４が基板２上に位置づけられ、IR検出器アレイ１４は、複数の個々の、ピクセルと呼ばれる検出器素子１６を含む。図４は単一の５×６個の検出器素子１６の長方形アレイを示しているが、代表的なIR集積回路は概して数百×数百までのピクセル１６を伴う平坦IR検出器アレイを含むことを理解されたい。多くの商業的応用においては、IR検出器は、通常未冷却であり、IR放射により検出器に付加された熱からの結果としての温度上昇を検知することによりIR放射の強度を検出する。未冷却IR検出器の代表的な例として、バナジウムオキサイド（VOx）マイクロボロメータ（MB）がある。バナジウムオキサイドマイクロボロメータにおいては、複数の個々の検出器が通常は、従来の半導体製造プロセスによって、ROIC基板２上でアレイに形成される。MBアレイは、IR生成熱を検知することにより、IR放射を検出し、焦点面アレイ（FPA）又はセンサーチップ組立体（SCA）とも呼ばれる。基板２は、ボロメータにより生成された信号を処理するのに用いる集積回路である。本実施例では、ボロメータは、温度が変化すると抵抗が変化するマイクロブリッジ抵抗器である。入来する放射によって、マイクロブリッジの温度に変化が生じる。Siなどの他の半導体材料を用いることができるが、VOxが、多くの商用IR検出応用で用いられている、通常入手可能でありかつコスト効率的な材料である。

真空密封されたデュワー組立体は、IR検出器アレイを包囲し、検出器アレイを大気からシールオフする密封シール８を含む。シール８は、例えば、イリジウム、金−錫、又は他のハンダであってよく、シールの高さは、基板２又は好ましくはウェファ１０に付着する際に正確に制御される。シール８は、第２基板、キャップウェファ、本実施例ではIR透過窓１０を支持する。IR透過窓１０は、本実施例ではシリコンであり、ウェファレベルパッケージングとともに窓ウェファ１０が、やはりシリコンであるFPAと互換的な熱膨張係数を有しなければならない。ウェファ１０は、複数のコラム状ゲッターリング材料構造体２１（図６）を含む。構造体２１は、後述するように所定の表面積を有するウェファ１０の表面の所定の領域２０上に形成される。キャップウェファ（cap wafer）１０の内表面は、図１及び図２の表面３に対応する。ゲッター領域の位置は、図３において２０で概示されており、光学的に透明なIR窓を包囲している。非光学WLPパッケージに応用するときには、キャップウェファのうちより大きな部分をゲッター２１で覆うことができる。

より詳細には、ゲッター材料２１のコラムを形成するために用いるプロセスの流れ図（フローチャート）を図５に示す。端的には、かつ図６及び図６Ａを参照して、当該プロセスは以下の工程を含む。キャップウェファ１０の表面上の所定の領域上に、複数のランダムな種材料（seed material）の核サイト（nucleation sites）２４を形成する。核サイト２４から外方に突出する複数のゲッター部材２１を形成する。よい詳細には、ウェファ１０を真空蒸着チャンバーにローディングする。所定領域の表面エリア上に１分子未満（完全な単分子層未満）という平均厚さである、非常に薄い第１の金属（例えばクロミウムなどの）層を、ウェファ１０の表面上に付着させて、後続のチタニウム（Ti）付着のための核サイト２４（図６、図６Ａ）を形成する。チタニウム層２１は好適には、核サイト２４により定義された粒子構造から成長する。種材料に要求されることは、Siウェファ表面１０上で低い到達エネルギー及び低い表面移動度を有すべきことである。それにより、種材料は、小さく不連続な分子の多数クランプ（clumps）を形成する。各クランプは、核サイト２４の一つに対応する。付着は、ワイヤに大電流パルスを印加してそれを溶融してその一部を蒸発させることにより、測定した体積の蒸発物質の熱的な蒸発により、或いは、高速シャッタースピードを有するシャッター制御された電子ビーム（e-beam）によるなどの、瞬間的蒸着であってよい。先ず付着チャンバー内でスパッタリングをし、次に電子ビーム付着チャンバーへ移送してゲッター付着することによる付着を用いることもでき、空気露出が核サイトを酸化し、ゲッター材料（例えば、チタニウム）が酸化されたサイトに接着する。

ゲッター材料２１は、好適には、核サイト２４により定義された粒子構造から成長して、例えば数千オングストロームから数マイクロメートルまでの範囲の高さになる。ゲッター材料２１の効率は、その効果的表面積に依存する。粒界が、幾何学的表面を越えて効果的表面積を何倍も増加させ、その増加した面積は、所与の時間、温度条件セット下で活性の改良を意味する。ゲッターリング活動は、Tiを、粒界中へ拡散する真空中の分子と反応させることにより、機能する。

種材料のための材料としてゲッター材料２１よりも融点が高い材料を使用することにより、核サイト２４の形成を増強する。ゆえに、種材料のための最良の候補は、ゲッター材料の融点に近いかそれよりも高い融点を持つべきであるが、他の金属を用いることもできる。一実施例における方法は、スパッタリングによる種材料の付着工程を含み、それは蒸発しにくい金属の使用の可能性を広げる。もし、チタニウムゲッター層の引き続く付着が蒸発によりなされるのであれば、スパッタリングチャンバーと蒸発チャンバーとの間の移送中の空気への露出により、種材料の酸化が生じる。このことは、ゲッターの品質低下とは考えない。Tiが金属酸化物に接着するからである。種材料は、例えば、タングステン、タンタル、チタニウム−タングステン、バナジウム、ジルコニウム、ルテニウム、モリブデン、ハフニウム又はクロミウムであって良い。他の可能な素子としては、例えば、シリコンその他の金属が含まれる。種材料は、ガス原子が真空環境から反応性的に除去されるというゲッターリングプロセスには直接に関与しない。

次に、例えば３０００から１００００オングストローム以上までの厚さを有するチタニウムなどの、一層のゲッターリング金属が、核サイト金属の上方にある第１金属層２４の上に現場で付着される。チタニウムは、核サイト上でコラム状構造に成長し、その側面に沿ってゲッター表面を増加させる。

核サイト上のゲッター材料の形成の後に、チャンバーからウェファが取り出される。

ここで以下のことを理解されたい。本開示に従ったゲッター構造は、基板と、基板の表面上の種材料で形成した複数の核サイトと、核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料部材とを含む。ゲッター構造は、以下の特徴のうち一つ又はそれ以上を単独で含んでも良く、或いは他の特徴との組合せを含んでも良い。特徴とはすなわち、種材料は、所定の表面積を有する表面の領域上に形成され、かつ、核サイトは、所定の表面上に１分子厚さ未満の平均高さを有し、或いは、ゲッター材料がチタニウムであることである。

本開示に従った真空パッケージされた電子デバイス構造体が以下の要素を含むことを理解されたい。すなわち、第１の基板と、第１の基板に真空ボンディングされた第２の基板であって、当該第２の基板の表面上の種材料で形成された複数の核サイトを有する第２の基板と、核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料部材とを含む。真空パッケージされた電子デバイス構造体は、以下の特徴のうち１つ又はそれ以上を単独で含んでも良く、或いは他の特徴との組合せを含んでも良い。特徴とはすなわち、種材料は、表明のある領域の上に形成され、かつ、核サイトは所定の表面上に１分子厚さ未満の平均高さを有し、或いは、ゲッター材料はチタニウムであることである。

ここで、ゲッター構造体を形成するための一方法が、以下の工程を含むことを理解されたい。すなわち、当該構造体の表面上の種材料でできた複数の核サイトを形成する工程と、核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料部材部材を形成する工程とである。さらに、該方法は、種材料が所定の表面積を有する表面のある領域上に形成されること、及び核サイトが所定の表面上に１分子厚さ未満の平均高さを有すること、又はゲッター材料がチタニウムであることという特徴を含む。

ゲッター構造体を形成する一方法が以下の工程を含むことを理解されたい。すなわち、ある条件下で構造体の表面上に１層の種材料を付着し、該構造体の表面上に複数の核サイトを形成する工程と、引き続き該表面上にゲッター材料を付着し、核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料部材を形成する工程とを含む。当該方法は、以下の特徴のうち１つ又はそれ以上を単独で含んでも良く、或いは他の特徴との組合せを含んでも良い。特徴とはすなわち、付着が瞬間蒸着又は電子ビーム付着であること；ゲッター材料付着に先立ち核サイトを酸化すること；種材料は所定の表面積を有する表面上のある領域上に形成されること；及び核サイトは所定の表面上に１分子厚さ未満の平均高さを有することである。

本開示の多数の実施形態を説明してきた。しかしながら、本開示の真意及び範囲を逸脱せずに多くの修正が可能であることを理解されたい。例えば、核層の付着を達成するための二つの異なる方法を説明したが、他の方法を用いることもできる。及び関連する方法を説明したが、これらの実施形態及び方法の変形及び置換が当業者に明白である。さらに、検出器アレイのための構造体及び方法を説明してきたが、当該方法は、例えばMEMS構造体などの他の電子デバイス構造体に対して適用することができる。従って、他の実施形態は添付の請求項の範囲内である。

Claims (13)

1. ゲッター構造体であって、
   基板；
   該基板の表面上に種材料で形成されている複数の核サイト；及び
   該核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料の部材；
   を含むゲッター構造体。
2. 前記種材料が所定表面積を有する表面の領域上に形成され、前記核サイトが所定表面上に１分子厚さ未満の平均高さを有する、請求項１に記載されたゲッター構造体。
3. 前記ゲッター材料がチタニウムである、請求項２に記載されたゲッター構造体。
4. 真空パッケージされた電子デバイス構造体であって、
   第１の基板；
   該第１の基板に真空ボンディングされた第２の基板であり、当該第２の基板の表面の上に種材料で形成された複数の核サイトを有する第２の基板；及び
   該核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料の部材；
   を電子デバイス構造体。
5. 前記種材料が前記表面の領域上に形成され、前記核サイトが所定表面上に１分子厚さ未満の平均高さを有する、請求項４に記載された電子デバイス構造体。
6. 前記ゲッター材料がチタニウムである、請求項５に記載された電子デバイス構造体。
7. ゲッター構造体を形成する方法であって、
   前記ゲッター構造体の表面上に種材料の複数の核サイトを形成する工程；及び
   前記核サイトから外方に突出する、複数のゲッター材料の部材を形成する工程；
   を含む方法。
8. 前記種材料が所定表面積を有する表面の領域上に形成され、前記核サイトが所定表面上に１分子厚さ未満の平均高さを有する、請求項７に記載された方法。
9. 前記ゲッター材料がチタニウムである、請求項８に記載された方法。
10. ゲッター構造体を形成する方法であって、
    所定の条件下で構造体の表面上に１層の種材料を付着して、前記構造体の表面上に複数の核サイトを形成する工程；及び
    引き続き前記表面上にゲッター材料を付着して、前記核サイトから外方に突出する複数のゲッター材料の部材を形成する工程；
    を含む方法。
11. 前記付着が、瞬間蒸着又は電子ビーム付着である、請求項１０に記載された方法。
12. さらに、前記ゲッター材料の付着に先立ち、核サイトを酸化する工程を含む、請求項１０に記載された方法。
13. 前記種材料が所定の表面積を有する表面の領域上に形成され、前記核サイトが所定表面上に１分子厚さ未満の平均高さを有する、請求項１０に記載された方法。

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