JP4831931B2 - 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気体吸収物質の集積堆積物を有する支持体 - 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を製造するための気体吸収物質の集積堆積物を有する支持体 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、真空チャンバに配置された半導体材料の堆積物、例えばケイ素の配列で形成される。マイクロメカニクスデバイス（当分野では、定義「マイクロマシーン(micromachine)」またはその略語MMの下でよく知られている）は、小型化センサまたは小型化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（μm）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つの異なる方向に沿って光線を向ける、数十ミクロンの大きさを有する鏡表面を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、これらの装置をまたすべて、固体(solid state)装置の一般的定義を用いて言及する。
ICは、その選択的除去に交互にされる、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、これもまた同じ技術を用いて形成されるハウジング中に含まれる。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ケイ素「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、「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；蒸気状態からの物理的堆積または「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「スパッタリング」として示される。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、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ン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気体が、放射の一部を吸収するか、または熱を対流によって窓からケイ素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。ケイ素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中にとどま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、その包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強い化学親和性を有する、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-ケイ素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、放射線（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、光増感された樹脂が除去された領域に気体吸収物質堆積物を残して、そこに置かれた吸収物質の除去の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、機械的支持の機能を有する基板、該基板の表面上の気体吸収物質の連続もしくは不連続の堆積物および、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もしくはマイクロメカニクスのデバイスまたはその一部の製造と適合性の物質でできた該気体吸収物質堆積物を完全に覆う層で形成される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を用いて、本発明に従い達成される。
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固体物質の堆積および除去の上記の技術によって形成される表面下に「埋め込まれた」気体吸収物質を（連続層もしくは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、本発明の支持体は、実際の寸法に関して、高さ-直径の比が著しく誇張されて示されている。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は、一部切断図において、本発明の支持体を最も簡単な実施態様で示す。支持体10は、基板11を含み；これは、支持体およびそれから誘導されるデバイスを機械的に支持する機能のみを有し、支持体10の厚み（１ミリメートルのオーダーを有する）は、この基板の厚みからほぼ完全に与えられる。基板11の表面12上には、気体吸収物質14の連続層13があり、この上表面は、層15の上表面17上に製造されるICもしくはMMの製造プロセスと適合性の物質16の別の層15で覆われている。
基板11の材料は、金属、セラミック、ガラスまたは半導体、好ましくはケイ素であることができる。
物質14は、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称される物質および、水分吸収に特異的な乾燥剤物質の中から選ばれる任意の公知の物質であることができる。
ゲッター物質の場合には、これは例えば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）の名称の下に出願人により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）の名称の下に出願人により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）の名称の下に出願人により製造販売されている）である。ゲッター物質層13は、異なる技術、例えば蒸着、金属有機化合物前駆体からの堆積または、「レーザーアブレーション」および「e-ビーム堆積」として当技術分野で公知の技術により得ることができ、好ましくはこの層はスパッタリングにより得られる。
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、製造段階中、使用中またはそれを含むデバイスの処分中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。酸化物の層13は例えば、関心のある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。
層13は、約0.1〜5μmの範囲内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、層13の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。
物質16は、固体デバイスの製造において通常基体として使用される材料の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、または好ましくはケイ素である。層16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。層16の厚みは一般に、50μm未満であり、好ましくは約1〜20μmの範囲内である。この層は２つの機能を行なう：気体吸収物質が気体と接触するのを、この後者が暴露される（層16の部分的かつ局部的な除去による）まで保護し、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を構成するためにあとでそこに堆積される層のためのアンカーとして機能するか、またはそれ自体が、これらのデバイスが形成される層であり得る（例えばマイクロマシーンの可動部は、その一部を除去することによって、この層中に得ることができる）。層16の上表面はまた、デバイスの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、例えば酸化物もしくは窒化物を形成するように、処理されることができる。
図２は、本発明の支持体の第２の可能な実施態様を示し、この場合にまた、支持体は一部切断図で示され、なおこの場合にまた、気体吸収物質の基板上の種々の堆積物の横方向の寸法が、明白にするために誇張されている。支持体20は基板21を含む。この基板の表面23の領域22、22’、...においては、気体吸収物質25の別個の堆積物24、24’、...が得られ、これらは次に、物質27の層26で覆われる。基板21は、支持体10の基板11と同じ種類および大きさを有し、同様に、物質25および27はそれぞれ、デバイス10に関して記載された物質14および16と同じ種類を有する。
堆積物24、24’、...は、支持体10の層13と同じくらい厚い。しかしながら、これらの堆積物は別個であり、一般に500μm未満の横方向の寸法を有し、最終的な目的のデバイスに依存して広い範囲内で変化し得る。例えばICにおける使用が予想されるなら、横方向の寸法は数ミクロン以下の範囲内であるが、一方、MMの場合には、これらの寸法は数十〜数百ミクロンに含まれ得る。
層26は種々の厚みを有し、堆積物24、24’、...の上の領域でより低く、これらの堆積物から除かれた領域においてより高く、これらの領域において表面23に接着している。堆積物の上の領域におけるこれらの層の厚みは、支持体10の層15と同じ値を有し、一方、堆積物24、24’、..から除かれた領域においては、その厚みはこれらの堆積物の厚みより増加される。接着を助けるために、層26は好ましくは基板21と同じ材料でできており、好ましい組み合わせは、基板21についてはケイ素（単結晶もしくは多結晶）であり、層26についてはエピタクシーにより成長させたケイ素である。
図３および４は、ICの製造における支持体10の可能な使用を示す。例えばケイ素の層15で形成された支持体10の上表面17には、要素30、30’、...として図式化された、固体マイクロエレクトロニクス回路が公知の技術を用いて得られる。支持体10は次に、図３の点線に沿って切断され、かくして単一のICデバイスが得られ、これらの１つが図４に図式化されており、気体吸収物質14の層13を、表面17の下に「埋め込んで」集積した、支持体10の一部の上に得られた集積回路40を示している。この層13は、デバイスの別の層を通って拡散し得る気体、特に水素を吸収することができ、かくして集積回路40の汚染を防止するかまたは減らす。
MMの製造の場合には、支持体の表面17には、マイクロマシーンの自動車部品を含む、図５に要素50、50’、...として図式化した構造物が製造される。構造物50、50’、...（図面には示されていない、一個のマイクロマシーン毎の外部との電気的接続のためのリードを含む）の製造が終わるときに、支持体は、該構造物から除かれた表面17の領域において、層15の局在化された除去操作に供され、かくして、気体吸収物質14を暴露する通路51、51’、...を形成し、その後、被覆要素60がそのように処理された支持体10の上に置かれ（これおよび支持体10の組立品は、図６の断面図に示されている）、この要素は、一般に基板11と同じ材料で実現され、表面17（ケイ素の使用が好ましい）に容易に固定可能でなければならず、この要素60は、支持体10上に構造物50、50’、...が得られ、層13の一部が暴露された領域に対応して、中空61、61’、...（図に示された場合）を有することができ、特に、該中空のそれぞれは、支持体10および要素60が互いに固定されるときに、空間62が得られ、ここには、50、50’、...のような構造物および物質14への接近を与える通路51が含まれ、よって、この後者は、空間62と直接接触し、該空間中に時間中おそらく存在するか、または放出される気体を吸収することができる。最後に、その接着領域に沿って、支持体10および要素60でできた組立品を切断することによって、単一のマイクロマシーンが得られる。
上記で要約したマイクロマシーン製造プロセスの変形においては、構造物50、50’の製造段階前に、層15の局在化された除去が行なわれる。
最終的な結果が図７に示したマイクロマシーン70である、先に概要を述べたプロセスの別の変形においては、本発明の支持体は要素60として使用される。この場合、マイクロマシーンが形成される基体は、集積された気体吸収層のない従来のものである。本発明の支持体10は、層15の局在化された除去処理に供され、かくして同時に、ハウジング可動構造73のための空間72を構成する中空71および物質14に接近する通路を形成する。
タイプ20の支持体の使用は、その表面にマイクロマシーンが形成される支持体としての使用（図５および６に示したのと同様の使用）に関してのみ説明されるが、明らかに、これはまた、（図３および４に関して記載したような）IC製造のための支持体として、または（図７に関して記載したような）マイクロマシーンにおける被覆要素として使用することができる。支持体20は、堆積物24、24’、...に対応して層26の局在化された除去処理に供され、かくして、マイクロマシーン製造のための段階の進行のために準備された、図８の部分に示されたように、支持体上に通路80、80’、...を得る。図９の可動構造物（要素90、90’として図式化されている）が次にこの支持体上に形成され、その後、可動構造物90、90‘...および通路80、80’、...から除かれた領域において、被覆要素100が支持体20に固定され、かくして、図10の部分に示された組立物101を得、最終的に、支持体20と要素100との間の接着領域に含まれる線（図では点線）に沿って組立物101を切断することによって、図11の部分に示されたマイクロマシーン110が得られる。
その使用方法により、タイプ20の支持体は、最終的な用途がわかるときに、製造されなければならない。特に、マイクロマシーンの場合には特に、堆積物24、24’、…の横の大きさおよび相互距離を正しく規定することができるように、可動構造物（50、50’、...、73または90、90’、...）の横の大きさならびに、次に製造されるべき中空（61、61’、...または71）の横の大きさを知ることが重要であり、このように、気体吸収物質へ接近する中空は可動構造物を妨げないことが保証されるが、また、それらはマイクロマシーンが収容される空間62または72の外辺部に含まれることが保証される。この正確な寸法決定は、最終的な回路製造者から、支持体20上に製造されるべきデバイスの図面（予備的なものでさえ）を得ることによって行なうことができる。
本発明の第１の可能な支持体の一部破断斜視図である。 本発明の第２の可能な支持体の一部破断斜視図である。 本発明の支持体を使用する方法を示す。 本発明の支持体を使用する方法を示す。 本発明の支持体を使用する方法を示す。 本発明の支持体を使用する方法を示す。 本発明の支持体を使用する方法を示す。 本発明の支持体を使用する方法を示す。 本発明の支持体を使用する方法を示す。 本発明の支持体を使用する方法を示す。 本発明の支持体を使用する方法を示す。

Claims (5)

  1. 異なる電気もしくは磁気機能性を有する材料層を堆積及び選択除去技術により積層した後切断することにより、複数の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に用いられる、気体吸収物質の集積された堆積物を有する支持体（10;20）であって、機械的支持の機能を有する基板（11；21）、該基板の表面（12;23）上の気体吸収物質（14;25）の連続（13）もしくは不連続（24、24’、...）堆積物および、III-V族物質又はケイ素でできている、該気体吸収物質堆積物を完全に覆う層（15;26）を含む支持体。
  2. 該気体吸収物質堆積物（13）が該基板（11）の全表面（12）上に連続している請求項１記載の支持体（10）。
  3. 該気体吸収物質堆積物が、該基板（21）の該表面（23）上に別個の堆積物（24、24’、...）の形態である請求項１記載の支持体（20）。
  4. 該気体吸収物質の連続もしくは不連続堆積物が、0.1〜5μmの範囲内の厚みを有する請求項１記載の支持体。
  5. 請求項１記載の支持体を、マイクロメカニクスデバイス（70）の製造における被覆要素（60）として使用する方法。
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