JP4068555B2 - マイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスのための支持体 - Google Patents

マイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスのための支持体 Download PDF

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Description

本発明は、気体吸収物質の集積堆積物を有する、マイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスを製造するための支持体に関する。
マイクロエレクトロニクスデバイス（また集積電子回路と呼ばれ、当分野で略語ICを用いて示される）は、全集積エレクトロニクス工業の基礎である。マイクロオプトエレクトロニクスデバイスは、例えば、従来のものとは違ってその操作に極低温を必要としない、新世代の赤外放射(IR)センサを含む。これらのIRセンサは、真空室に配置された半導体材料、例えばシリコンの堆積物の配列で形成される。マイクロメカニクスデバイス（「マイクロマシーン(micromachine)」またはその略語MMとして、当分野でよく知られている）は、小型化センサまたは作動装置のような用途のために開発中の段階であり、マイクロマシーンの典型例は、自動車のエアバッグを作動させるためのセンサとして使用されるマイクロ加速度計(microaccelerometer)、数ミクロンの大きさのギアおよびスプロケットを有するマイクロモーターまたは、２つの異なる方向に向かって光線を向ける、数十ミクロン（μm）の大きさを有する鏡面を２つの異なる位置間で動かすことができる光スイッチ（１つは光回路の「オン」条件に対応し、もう１つは「オフ」条件に対応する）である。以下においては、すべてのこれらの装置をまたすべて、固体(solid state)デバイスの一般的定義を用いて言及する。
ICは、異なる電気（もしくは磁気）機能性を有する材料層を平面支持体上に堆積する操作、交互にされるその選択的除去を含む技術によって製造される。同じ堆積技術および選択的除去技術は、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスの構成に同様に適用される。これらは一般にハウジング中に含まれ、それもまた同じ技術を用いて形成される。これらの製造において最も一般に使用される支持体は、約1mmの厚みで30cmまでの直径を有するシリコン「薄片」（当分野では「ウエハ」と言われる）である。これらのウエハのそれぞれの上に、非常に多数のデバイスが構成され、その後、製造プロセスの最後には、機械的切断またはレーザーによる切断によって、これらの薄片から、マイクロマシーンの場合には単一のデバイスが分離され、またはIRセンサの場合には、数十のデバイスの配列を含む部分が分離される。
堆積工程は、英語の「化学蒸着」から一般に「CVD」と定義される蒸気状態からの化学的堆積；または、蒸気状態からの物理的堆積もしくは英語の「物理的蒸着」から一般に「PVD」のような技術を用いて行なわれ、後者は一般にまた英語名の「スパッタリング」を用いて示される。一般に、選択的除去は、当分野でよく知られているように、適当なマスキングを用いて化学的もしくは物理的攻撃によって行なわれる。
集積回路およびマイクロマシーンは次に、最終的な目的の装置（コンピュータ、自動車等）に挿入される前に、本質的に機械的保護の理由のために、ポリマー、金属もしくはセラミックの材料中に封入される。一方、IR放射センサは一般に、IR放射に透過性の「窓」として定義されるその１つの壁に向いて、室（チャンバ）に含まれる。
幾つかの種類の集積回路においては、固体デバイス中の気体拡散を制御できることが重要であり：それは例えば強誘電性メモリの場合であり、ここでは、デバイスの層を通って拡散する水素が、強誘電体物質（一般にセラミック酸化物、例えばチタン酸ジルコン酸鉛、タンタル酸もしくはチタン酸ストロンチウムビスマスの、またはチタン酸ビスマスランタン）に到達することができ、その正しい挙動を変える。
なおさらに重要なのは、IRセンサおよびマイクロマシーにおける気体の制御および除去である。IRセンサの場合には、室にあるいは存在する可能性のある気体が、放射の一部を吸収するか、または対流によって熱を窓からシリコン堆積物の配列へ運ぶことができ、寸法を変える。マイクロマシーンにおいては、気体分子と可動部との機械的摩擦が、後者の非常に小さい大きさの故に、デバイスの理想的な操作から相当偏ることになり得る。さらには、極性分子、例えば水が、可動部とその他の部分例えばその支持体との間の付着の現象を引き起こし得る。かくして、デバイスの機能不全の原因となる。シリコン堆積物の配列を有するIRセンサまたはマイクロマシーンにおいては、したがって、ハウジングが全デバイス寿命について真空を維持することを保証できることが基本である。
これらのデバイス中の気体量を最小にするために、その製造は通常、真空室中で行なわれ、その実装前にポンプ排気工程に行く。デバイスを形成する同じ物質が気体を放出することができるか、またはこれらはデバイス寿命中に外から浸透することができるので、このように、とにかく問題は完全には解決されない。
その寿命中に固体デバイスに入る気体をまた除去するために、これらを吸収することができる物質の使用が提案された。これらの物質は、気体例えば水素、酸素、水、二酸化炭素および場合によっては窒素に対して非常に強い化学適合性を有する、一般に「ゲッター」と称されるもの、一般には金属、例えばジルコニウム、チタン、バナジウム、ニオブもしくはタンタルまたは、他の遷移元素、希土類元素もしくはアルミニウムとのその合金ならびに、水分吸収に特異的な乾燥剤物質、その中でも、主としてアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物を含む。ICにおける、気体、特に水素を吸収するための物質の使用は例えば米国特許第5,760,433号および特開平11-040761号公報および特開2000-40799号公報に記載されており、IRセンサにおける使用は、例えば米国特許第5,921,461号に記載されており、最後に、マイクロマシーンにおける気体吸収物質の使用は、例えば論文「ガラス-シリコンアノード結合によるマイクロセンサのための真空包装(Vacuum packaging for microsensors by glass-silicon anodic bonding)」、H.ヘンミ(Henmi)ら、技術雑誌センサーズ アンド アクチュエーターズ A(Sensors and Actuators A)、第43巻、1994年、第243-248頁に記載されている。
気体吸収物質の局在化された堆積は、固体デバイスの製造工程中にCVDまたはスパッタリングによって得ることができる。しかしながら、この方法は、これらのデバイスの製造業者にはあまり高く評価されない。というのは、デバイス製造中の気体吸収物質の堆積は、全プロセスに、この物質の局在化された堆積の工程を追加する必要を意味するからである。一般にこの工程は、樹脂の堆積、放射（一般にUV）による樹脂の局所的増感、光増感された樹脂の選択的除去、気体吸収物質の堆積ならびに、その後の樹脂の除去およびその上に堆積された気体吸収物質の除去による光増感された樹脂が除去された領域に気体吸収物質の堆積物を残す操作によって行われる。その上、製造ラインにおける気体吸収物質の堆積物は、プロセスの異なる工程の数およびそこで使用される物質の数を増加させるという不都合を有し、また該異なる工程が行なわれる異なる室間の「交差-汚染」の危険が増加し、その後、汚染のために廃棄物の増加の可能性がある。
本発明の目的は、上記した従来技術の問題を克服すること、特に固体デバイスの製造を簡単にすることである。
この目的は、マイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスを製造するための支持体を用いて、本発明に従い達成され、その主な特徴は請求項１に特定されており、他の特徴は以下の請求項に特定されている。
本発明の支持体は、工業的に一般に使用されるシリコンウエハと実質的に同様であるが、マイクロエレクトロニクスもしくはマイクロメカニクスのデバイスが構成される表面上に堆積された気体吸収物質を（別個の堆積物の形態で）有する。
図面に関して、本発明を以下に記載する。ここで、
明確に記載するために、図においては、本発明の支持体の高さ-直径の比および、基板上の気体吸収物質堆積物の横方向の寸法は、実際の寸法に関して誇張されている。さらに、図においては、支持体はいつもウエハの幾何学的形態、すなわち低い円盤の物質で示されている。というのは、これは固体デバイスの製造業者に一般的に採用された形態であるからであるが、この形態はまた異なることができ、例えば正方形または長方形であることができる。
図１には、本発明の第１の実施態様の支持体10の一部断面図が示されている。該支持体10は、支持体およびそれに由来するデバイスの裏張り（支持）の機能のみを有し、支持体10のほぼ全厚み（ミリメートルの範囲内）を構成する基板11を含む。基板材料は、金属、セラミック、ガラスまたは半導体、好ましくはシリコンであることができる。
基板11の表面の領域12、12’、…には、気体吸収物質の別個の堆積物13、13’、…が得られる。次にこれらの堆積物は、ICもしくはMMの製造プロセスと適合性の物質の層14で覆われる。この層14は、IC、マイクロオプトエレクトロニクスデバイスもしくはMMを構成するために次にその上に置かれる層のためのアンカーの責務を果たすか、またはそれ自体これらのデバイスが構成される層であることすらできる（例えば、マイクロマシーンの可動部を、その一部を除去することによって、この層に得ることができる）。その上、最終的なデバイスのはんだ付けを、あるいは層14の端に直接行なうことができる。
図２にまた示されるように、堆積物13、13’、…と対応する層14には、気体吸収物質を支持体10の周りの雰囲気にさらす機能を有する通路15、15’、…が次に実現される。通路15、15’、…は、当技術分野で公知の除去技術による、堆積物13、13’、…の上の層14の選択的除去によって作ることができる。
堆積物13、13’、…のために使用される気体吸収物質は、遺失粒子の現象がない任意の物質であることができ、種々の気体分子を吸収することができる一般にゲッターと呼ばれる物質および、水蒸気の吸収に特異的な乾燥剤物質の中から選択される。
ゲッター物質の場合には、例えばZr、Ti、Nb、Ta、Vのような金属；これらの金属間の合金または、これらの金属と、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Y、Laおよび希土類の中から選ばれる１種以上の元素との間での合金、例えば２元合金Ti-V、Zr-V、Zr-FeおよびZr-Ni、３元合金Zr-Mn-FeもしくはZr-V-Feまたはさらなる成分との合金であることができる。本願のためには、好ましいゲッター物質は、チタン、ジルコニウム、Zr84％-Al16％の重量百分率組成を有する合金（St 101（商標）の名称で出願人から製造販売されている）、Zr70%-V24.6%-Fe5.4%の重量百分率組成を有する合金（St 707（商標）の名称で出願人から製造販売されている）およびZr80.8%-Co14.2%-TR5%（ここでTRは希土類、イットリウム、ランタンまたはそれらの混合物である）の重量百分率組成を有する合金（St 787（商標）の名称で出願人から製造販売されている）であり、ゲッター物質が、遺失粒子の現象が完全にないわけではない場合には、例えば部分焼結またはアニーリング処理によって、該現象を減らすかまたはなくすように適当に処理することができる。
乾燥剤物質の場合には、これらは好ましくは、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属の酸化物の中から選ばれ、特に好ましくは、製造中、それを含むデバイスの使用中または処分の際に安全性の問題または環境問題を引き起こさない酸化カルシウム、CaOが使用される。酸化物層は例えば、当該アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属を、酸素が低百分率で存在する希ガス（一般にアルゴン）雰囲気下で堆積させ、よって金属が堆積中にその酸化物に転化される、いわゆる「反応性スパッタリング」技術によって得ることができる。これらの層は、一般に、緻密で遺失粒子の問題を有さない。
堆積物13、13’、…は、選択的堆積の公知技術によって得ることができ、約0.1〜5μmの範囲の厚みを有することができ；厚みの値が示されたものより低いと、気体吸収力が過度に低下し、一方、厚みの値がそれより高いと、吸収特性には実際的利益がなく、堆積時間が延びる。該堆積物は、最終的な目的の装置に依存して広い範囲内で変わり得る横寸法を有する。例えばICにおける使用が予想されるなら、横の寸法は数ミクロン以下の範囲内であり、一方MMの場合には、寸法は数十ミクロン〜数百ミクロンに含まれ得る。
層14を構成する物質は、固体デバイスの製造において基体として一般に使用される材料の１つであり、いわゆるIII-V物質（例えばGaAsもしくはInP）であり得るか、または好ましくはシリコンである。層14は、スパッタリング、エピタクシー、CVDまたは当技術分野で公知の他の技術によって得ることができる。堆積物13、13’、…を有していない領域において一般に60μmより小さい可変の厚み、好ましくは約1〜20μmの範囲内の厚みを有する。
接着を助けるために、層14は好ましくは基板11と同じ材料を用いて実現され；好ましい組み合わせは、基板11についてはシリコン（単結晶もしくは多結晶）であり、層14についてはエピタクシーにより成長させたシリコンである。
層14の上表面はまた、デバイス製造の以下の操作を考慮して、その化学組成を変更するように、例えば酸化物または窒化物を形成するように、処理されることができる。
したがって本発明の支持体は、あらゆる種類の固体デバイスの製造に使用することができる。先の記載から明らかなように、完成され、使用もしくは商品化の用意ができた支持体においては、気体吸収物質の堆積物は「被覆されておらず」、すなわち外気にさらされている。吸収物質の過度の不動態化および損傷の危険を避けるために、よって支持体を、従来公知のように、不活性大気下、例えばアルゴンもしくは乾燥窒素下のボックスの中に保持することが好ましい。
図３〜５は、固体デバイスの製造における、特にマイクロマシーンの製造に言及する、支持体10の可能な使用を示す。しかしながら、同じ支持体を、他の固体デバイスを製造するために使用することができる。
通路15、15’、…がない層14の表面領域の上に、図３において要素30、30’、…として図式化した、マイクロマシーン可動部を含む構造物が製造される。構造物30、30’、…の製造（図には示されていない、マイクロマシーン１個毎の外部電気連絡のための接触を含む）が終わったときに、図４の部分に示されるように、被覆要素40が支持体10の上に置かれる。該被覆要素は一般に、同じ基板11物質を用いて実現され、層14に対して容易に可撓性でなければならない（シリコンの使用が好ましい）。被覆要素40は、支持体10上に構造物30、30’、…が得られ、気体吸収物質の堆積物13、13’、…がさらされる領域と通じる穴41、41’、…を有することができる。特に、該穴のそれぞれは、支持体10および被覆要素40が互いに固定されるときに、30、30’、…のような構造物および気体吸収物質へ接近する通路15、15’、…が含まれる空間42、42’、…が得られるくらい広く、それで、この後者は、空間42、42’、…と直接接触し、該空間中に存在するかまたは時間中放出されるかもしれない気体を吸収することができる。最後に、支持体10および被覆要素40からなる全体を、その接着領域に沿って切断することによって、図５に示されているような１個のマイクロマシーンが得られる。
図６および７は、一部断面で、本発明の支持体の第２の可能な実施態様を示す。この場合においてもまた、支持体60は、先に記載した基板11と同じ種類および寸法の基板61を含むが、ここでは、穴65、65’、…が得られ、領域62、62’、…に配置され、気体吸収物質の堆積物63、63’、…を含むように適合される。その特有の穴の配列のおかげで、基板61は、基板11および層14からなる組立物を代用することができる。
図８は、図３〜５に関して記載されたのと同様のプロセスによって、かつ支持体60上に構造物72、72’、…が配置され、気体吸収物質堆積物63、63’、…が暴露される領域に対応して穴71、71’、…を備えた被覆要素70を用いて、図６および７の支持体60から得ることができる固体デバイス80、特にマイクロマシーンを示す。
その結果が、図９に示されたマイクロマシーン90である、先に規定した方法の変形においては、本発明の支持体60は、同じものの基板の代わりに固体デバイスの被覆要素として使用される。この場合には、マイクロマシーンが構成される基板は、気体吸収物質堆積物のない慣用のものである。基板61の内部に得られる空洞65はかくして、可動構造物91を収容するための空間を形成すると同時に、気体吸収物質へ接近する通路63を形成する。
同様にして、図１に示されるデバイス10をまた使用することができる。
図１は、透視一部断面で、本発明の第１の可能な支持体を示す。 図２は、図１の支持体の断面図を示す。 図３〜５は、図１の支持体から出発する、固体デバイスを構成するための操作段階を示す。 図３〜５は、図１の支持体から出発する、固体デバイスを構成するための操作段階を示す。 図３〜５は、図１の支持体から出発する、固体デバイスを構成するための操作段階を示す。 図６は、透視一部断面で、本発明の第２の可能な支持体を示す。 図７は、図６の支持体の断面図を示す。 図８は、図６の支持体から得ることができる固体デバイスを示す。 図９は、図６の支持体から出発して構成される別の固体デバイスの断面図を示す。

Claims (7)

  1. 機械的支持の機能を有する基板（11,61）と該基板上に別個の堆積物（13,13',…；63,63'…）の形状で堆積された気体吸収物質を含み、該別個の堆積物は支持体（10,60）の近くに存在する雰囲気に少なくとも部分的に暴露された、マイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスを製造するための支持体（10,60）であって、前記気体吸収物質の別個の堆積物は前記基板（ 61 ）に設けられた中空部（65,65'…）に収容され、前記基板（61）は、マイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスまたはその部品が形成され得る材料、または前記デバイスの製造用の材料を堆積可能な材料、またはマイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスの最終封止のための半田を実施できる材料からなることを特徴とするマイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスを製造するための支持体（10,60）。
  2. 機械的支持の機能を有する基板（11）と該基板上に別個の堆積物（13,13',…）の形状で堆積された気体吸収物質を含み、該別個の堆積物は支持体（10）の近くに存在する雰囲気に少なくとも部分的に暴露された、マイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスを製造するための支持体（10）であって、前記基板は前記堆積物（13,13',…）を該支持体の近くに存在する雰囲気に連結する通路（15,15'…）を有する層（14）で覆われ、前記層（14）は、マイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスまたはその部品が形成され得る材料、または前記デバイスの製造用の材料を体積可能な材料、またはマイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスの最終封止のための半田を実施できる材料からなることを特徴とするマイクロエレクトロニクス、マイクロオプトエレクトロニクスまたはマイクロメカニクスのデバイスを製造するための支持体（10）。
  3. 該基板(11;61)が実現される物質が、金属、セラミック、ガラスまたは半導体の中から選択されることを特徴とする請求項１または２記載の支持体。
  4. 該物質がシリコンであることを特徴とする請求項３記載の支持体。
  5. 該気体吸収物質がゲッター物質であることを特徴とする請求項１または２記載の支持体。
  6. 該ゲッター物質が、金属Zr、Ti、Nb、Ta、V、これらの金属間の合金または、これらの金属と、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Y、Laおよび希土類の中から選ばれる１種以上の元素との間の合金から選択される請求項５記載の支持体。
  7. 該気体吸収物質が乾燥剤物質であることを特徴とする請求項１または２記載の支持体。
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