JP5775617B2 - 栓がされ密封されたチャンバを有するウエハー対を製造する方法 - Google Patents

Description

この発明は、真空包封された微細構造装置に関する。この発明は２ウエハー間の空洞部の真空密封、特に空洞部からガスを排出する止栓の可能な穴を有する２枚のウエハーの製造に関する。

微細構造赤外（ＩＲ）装置のような各種の装置においては最適化のため真空包封が必要である。従来の真空包装は複雑でコスト高になっていた。ウエハーレベルの真空封入の周知の従来法では十分に低い圧力が得られず、高々０．５トルの範囲に限られている。この圧力の状態では、例えば熱電（ＴＥ）装置では５０％の信号損失が生じる。

（発明の開示）
本発明は止栓可能な穴を有する２枚のウエハーを密封しその間に空洞部を形成し、空洞部から止栓可能な穴を通してガスを排出する構成を得る。空洞部からガスを排出した後この穴は蒸着した金属で止栓される（塞がれる）。この結果一体の真空包装（ＩＶＰ）が得られる。この方法では同時に真空密封を行う要がなく２枚のウエハーを密封可能である。最終に真空密封は金属の厚い層を蒸着あるいはスパッタリングして小さなガス排出穴を塞ぐことにより高真空下で実行可能である。この方法によれば、最終の真空密封の前にウエハー間の密封部及び内面を完全に焼き付け可能である。この方法は２機能を分離し、焼き付けを半田処理法に限定されない。密封及び焼き付けに対し独立的に制御され、ボンド出来高が最大にされ残留圧力が最小にされる。またこの方法によれば、各真空空洞部に直接接近可能であるので、ウエハーの周部から内側へポンプする必要がない。この方法が実施されその結果、空洞部内の圧力センサにより測定して残留圧力の真空レベルが１０ミリトルより小さかった。この密封により基板形態が効果的にカバーされる。０．２５ミクロンの形態に対する密封が実証された。必要な処理温度は３００℃より低い。このチップは周知のチップ処理装置で処理可能である。この処理により９０％を超える作業が行われる。この真空密封されたチップのコストは周知の真空密封チップのコストより低く８０〜９０％である。この方法によれば、１００ミリトルより低い圧力に対し１０年（最高１５０℃の外気温度でのテストデータにより示される）の高温寿命を有する密封された装置が得られる。各空洞部は真空に代えてガスを使用可能である。各空洞部、チャンバ、あるいは容積部には熱電検出器、装置、ボロメータあるいはエミッターのような検出器を内蔵可能である。

図１ａは蒸着されたプラグ真空密封部を有するチャンバを備えた検出チップの平面図である。 図１ｂは蒸着されたプラグ真空密封部を有するチャンバを備えた検出チップの断面図である。 図２は蒸着されたプラグ真空密封部を有する装置チップの斜視図である。 図３は複数のプラグ上に蒸着された真空密封部を有する複数の検出器を備えたウエハーを示す図である。 図４ａは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｂは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｃは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｄは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｅは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｆは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｇは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｈは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｉは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｊは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｋは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４１は検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図４ｍは検出器ウエハーの製造工程を示す図である。 図５ａはトップキャップウエハーの製造工程を示す図である。 図５ｂはトップキャップウエハーの製造工程を示す図である。 図５ｃはトップキャップウエハーの製造工程を示す図である。 図５ｄはトップキャップウエハーの製造工程を示す図である。 図５ｅはトップキャップウエハーの製造工程を示す図である。 図５ｆはトップキャップウエハーの製造工程を示す図である。 図６ａは検出器ウエハー及びトップキャップウエハーを整合し、接着し密封する工程を示す図である。 図６ｂは検出器ウエハー及びトップキャップウエハーを整合し、接着し密封する工程を示す図である。 図６ｃは検出器ウエハー及びトップキャップウエハーを整合し、接着し密封する工程を示す図である。

（発明を実施するための最良の形態）
図１ａ、図１ｂ及び図２は真空排出ポート１１及び蒸着されたプラグの最終の真空密封部１２を有する装置１０を示す。蒸着層１２によりプラグ１１が密封されチャンバ１６が気密に密封される。ウエハー１３、１４はシリコンのような同一の材料で作られ、従って同一の熱膨張率を有している。ウエハー１３、１４は半田密封リング１５で共に接着される。ウエハー１３は検出器ウエハーであり、一方ウエハー１４はトップキャップウエハーである。チヤンバ１６はウエハー１３の表面の検出器からなるアレイ１７を含み、トップキャップウエハー１４の反射防止被覆されたシリコン窓を通して入射される放射線を検出するチャンバである。

チヤンバ１６は境界部１９を有するウエハー１４内の約１２５ミクロンのくぼみ部により区画される。後でガスを排出して真空空洞部になるのはこのチヤンバである。トップキャップウエハー１４の厚さは約４３０ミクロンであり、チップウエハー１３の厚さは約５００ミクロンである。密封リング１５は９０％の鉛と１０％のインジウムからなる配合物である。プラグ１２の厚さは約２０ミクロンであり、５０％の鉛と５０％のインジウムからなる配合物である。

図３は同一の材料のウエハーからなり、ウエハーを密封し複数の空洞部を形成する複数のチップ１０からなるウエハー２０を示す。各チャンバ１６は開口ポート１１を有しており、チャンバ１６は焼き付けされガス抜きされる。次に真空の環境下でポート１１を有するウエハー１３の表面に金属１２を蒸着し、こあれによりポート１１が閉鎖されチャンバ１６が閉鎖されて内部が真空状態にされる。閉鎖されたポートを密封するための半田ボールが試みられたが、空洞部内を低圧あるいは真空に維持することが殆どできなかった。密封されたトップキャップウエハーによりもろい微細構造装置１７が保護できるので、接着され密封された後、このウエハー１３、１４は破断することなく個々のチップに分断できる。更にプラグは変位可能な半田ボール若しくはプラグではなく蒸着層１２であるので、プラグは変位されることはない。

チップ１０を形成する方法が図４ａ〜図４ｍに示される。検出器ウエハー１３の作成方法は２度研磨された（１００）シリコンウエハー１３から開始される。図４ａでは、ＳｉＯ２で作られた１−ミクロン層２２ａ、２３ａがウエハー１３上に成長され、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）によりＳｉ３Ｎ４ で作られた０．３−ミクロン層２２ｂ、２３ｂが蒸着される。Ｓｉ３Ｎ４ 層２２ｂ及びＳｉＯ２層２２ａはウエハー１３の「正面」から除去される。１０００−オングストロームの熱ＳｉＯ２層２４は図４ｂのウエハー１３の正面上で成長される。図４ｃではＳｉ３ Ｎ４ （ボトムブリッジ窒化物）の２０００オングストロームの層２５が層２４上に蒸着される。熱電対の第１の金属ＮｉＦｅ（６０：４０）が層２５上の１１００−オングストローム層２６として蒸着され、次に第１の金属層２６がイオンミリングにより第１のマスクを用いてパターン化処理されて図４ｄの如き配列になる。

熱電対検出器の第２の金属の場合、クロムで作成された千−オングストローム層２７が層２５、２６上に蒸着される。図４ｅの層２７はイオンミリング及び湿潤エッチングにより第２のマスクを用いてパターンイング処理される。図４ｆではトップブリッジ窒化物として６０００オングストロームのＳｉ３Ｎ４ からなる層２８が金属層２６、２７及び層２５上に蒸着される。吸収材２９が図４ｇの層２８上に蒸着され第３のマスクを用いてパターンイング処理される。吸収材２９はＳｉ３Ｎ４ の層３０でキャップ処理（ｃａｐ）される。図４ｈに示すのように、金属層２７に対しプラズマエッチング処理されたバイア穴３１はパターンイング処理され第４のマスクを用いて形成される。図４ｉで最終エッチングのためプラズマエッチング処理されたバイア穴３２はパターンイング処理され第５のマスクを用いて掘り形成される。５０００オングストロームのＣｒ、２０００オング
ストロームのＮｉ、及び５０００オングストロームのＡｕが蒸着され、パターン化処理され、リフトオフ処理されて図４ｊのパッド・半田フレーム金属３３が形成される。第１の金属２６あるいは第２の金属２７内の活性導出部４０は図４ｊの密封リング金属３３の下部を延びている。図４ｋではプラズマエッチング処理されたガス排出ポートバイア穴１１はウエハー１３の背部の層２３ｂ、２３ａ上でパターンイング処理され掘り形成される。図４１ではウエハー１３の背部がウエハー１３の９０％ＫＯＨエッチングされてポート１１が形成される。図４ｍに示すように、ポート１１が完成されると、エッチングバイア穴３２がウエハー１３の正面へ向かって貫通される。

検出器ウエハー１３と同様に、トップキャップウエハー１４が３００℃で焼き付けし低いガス抜きに匹敵する膜で形成される。ウエハー１４は赤外装置１７の窓として作用する。このとき付加構成の制限は、ウエハー１４が低酸素シリコン（即ち、浮動ゾーンシリコン）から作られ、８−１４ミクロン波長窓でのＳｉＯ２吸収ピークが最小にされる。トップキャップウエハー１４には反射防止被覆３４が被覆される。ウエハー１４は半田接着金属・半田リング１５を有し、リング１５は検出器ウエハー１３、検出器１７上のチャンバ１６を形成する境界部１９、及びチップウエハー１３上のワイヤボンドパッドにアクセスするためのウエハー１４を貫通する穴３５と整合される。

図５ａ〜図５ｆはトップキャップウエハー１４を製造する工程を示す。開始材料は２度研磨された（１００）シリコンウエハー１４であり、最小酸素成分の浮動ゾーンにより成長される。図５ａで熱成長されたＳｉＯ２３６ａ、３７ａの１．８ミクロン層が０．３ミクロンのＬＰＣＶＤ Ｓｉ３ Ｎ４ 層３６ｂ、３７ｂによりカバーされてＫＯＨエッチングがマスクされる。図５ｂでは外側層３６ａ、３６ｂをプラズマエッチング処理してパターンイング処理されてバイア穴３５が形成され、Ｓｉ３Ｎ４ の内側層３７ｂにくぼみ部が形成される。次に図４ｃに示すように、ウエハー１４は固定装置に置かれ、外側表面３５、３６ｂがエッチング処理され、内側１６、３７ｂがＫＯＨエッチングウエハー１４をトップキャップウエハー１４の９０％貫通する穴３５に対し保護される。ウエハー１４はエッチング固定装置から外され、図５ｄの残りのＳｉＯ２層３７ａがバッファ酸化物エッチングにより除去されて穴が形成される。また図５ｄはウエハー１４の内側をエッチング処理してくぼみ部を形成した状態を示している。窒化物／酸化物マスク層３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂがウエハー１４から除去される。反射防止被覆３８がウエハー１４上に塗布される。積層リストン法を用いリフトオフ処理により半田リングパターンがくぼみ部を囲む内側表面に与えらえる。５百オングストロームのＴｉ、２０００オングストロームのＮｉ及び５００オングストロームのＡｕの接着金属３９が電子ビーム蒸着装置内で蒸着される。ＩｎＰｂ（１０：９０）半田からなる５ミクロン層４０が熱蒸着装置内で接着金属３９上に蒸着される。リストンマスクがリフトオフ処理されＢＯＥ内の電界ＳｉＯ２がエッチオフ処理（ｅｔｃｈ ｏｆｆ）されて、図５ｆに示す半田リング１８が得られる。

検出器ウエハー１３及びトップキャップウエハー１４の接着および密封は清浄な面で行われる。ウエハー１３、１４の面接着はウエハー接着を行う前にスパタリングにより清浄にされる。以下の一連の流れは図６ａ、図６ｂ及び図６ｃのウエハー対１３、１４を整合、接着及び密封する方法を示す。当初検出器ウエハー１３のＡｕ半田リング面３３がスパタリングにより清浄にされる。トップキャップウエハー１４のリング１８のＩｎＰｂ面は酸素プラズマにより清浄にされる。図６ａのウエハー１３、１４はウエハー間に０．００２インチ（約０．００５ｃｍ）スペーサを用いて接着カセット内で整合される。整合されたウエハー対は真空プレス装置内に置かれ、プレス装置はターボポンプを用いて良好な真空度まで排気される。図６ｂでウエハー１３、１４は約４００ポンドの圧力で共にプレス処理される。ウエハーの温度は約１時間かけて最大３００℃まで変化させられる。次にウエハー１３、１４はこの得られた温度及び圧力で５分間保持される。次にウエハー１３、１４は室温まで冷却され真空チャンバは排気される。

接着されたウエハー対１３、１４は電子ビーム蒸着システム内に置かれ、排気ポート１１の表面が、その後５００オングストロームのＴｉ、１０００オングストロームのＮｉ及び５００オングストロームのＡｕからなる接着層がスパタリングにより清浄にされる。ウエハー対１３、１４は熱蒸着システム内に置かれ、好ましくは真空下で４時間の間２５０℃で焼き付けされる。ウエハー対１３、１４は冷却されるが、ウエハー対の周囲の環境は所望の真空圧に維持される。２０ミクロンのＩｎＰｂ（５０：５０）１２が検出器ウエハー１３の背側上に蒸着され、図６ｃのポート１１が閉鎖され、ウエハー対１３、１４の真空チャンバ１６が密封される。ウエハー２０上で、複数のチップ内の複数のポート１１が閉鎖される。次にウエハー２０として組み合わされるウエハー１３、１４は真空に対し除去される。ウエハー２０は個々のチップに切断され、各チップは検出器１７を囲む密封チャンバ１６を有している。

更に本発明の変更例は良好なＩＲ伝達を与えるゲルマニウム、広い伝達バンド（即ち、可視光及びＩＲ）を与えるＺｎＳｅ、あるいは特定光バンドパス動作を与える他の光学材料で作られるトップキャップウエハー１４を含む。トップキャップウエハー１４は検出器ウエハー１３上の一体構成部品の外に、その表面上あるいはその内部に一体の構成部品を組込むことが可能である。ダイアフラム圧力センサを有する検出器ウエハー１３はその内部に一体に形成され、次に密封されたチャンバは規準真空圧を形成する。検出器ウエハー１３はウエハー内に一体に形成された表示電子回路を有する赤外ボロメータアレイを持たせることができる。検出器ウエハー１３は他の機能の目的のためチャンバ内に密封される可動部品であることできる。図６ｃ内の接着されたウエハー対１３、１４はチャンバ内の装置に対し単に排気されるのではなく、最適な熱的、機械的あるいは他の特性のため特定ガスタイプの残留圧力を調整することにより気密密封できる。

１０ チップ
１３ 検出器ウエハー
１４ トップキャップウエハー
３３ 密封リング金属
３９ 接着金属
３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ 窒化物／酸化物マスク層
３９ 接着金属

Claims (6)

1. 第１のシリコンウエハー（１３）の第１の側上に熱層（２４）を成長させる工程と、
   第１のシリコンウエハー（１３）の第１の側上のシリコンウエハー（１３）及び所定の層から、および第１のシリコンウエハー（１３）の第２の側から材料をパターニング処理して除去し、第１のシリコンウエハー（１３）及び第１のシリコンウエハー（１３）上の所定の層を貫通して複数の排気ポート（１１）を形成する工程と、
   第２のシリコンウエハー（１４）の第１の側からマスキング処理し材料を除去し、第２のシリコンウエハー（１４）の第１の側に複数のくぼみ部（１６）を形成する工程と、
   前記複数のくぼみ部（１６）のそれぞれの周囲に第２のシリコンウエハー（１４）の第１の側上に半田のリング（１８）を形成する工程と、
   前記第２のシリコンウエハー（１４）の第１の側の隣に第１のシリコンウエハー（１３）の第１の側を配置する工程と、
   前記第１のシリコンウエハー（１３）と前記第２のシリコンウエハー（１４）とを第１の温度に加熱して、前記第１のシリコンウエハー（１３）と第２のシリコンウエハー（１４）とを接着されたシリコンウエハーの対（１３、１４）にする工程と、
   前記接着されたシリコンウエハーの対（１３、１４）を冷却させる工程と、
   前記接着されたシリコンウエハーの対（１３、１４）を第２の温度で焼き付ける工程とを有し、
   各半田のリング（１８）は第１のシリコンウエハー（１３）の第１の側上で層の少なくとも一と接触させ、
   複数のくぼみ部（１６）のそれぞれはチャンバ内にあり、
   各半田のリング（１８）は複数の排気ポート（１１）の少なくとも一を囲む、
   栓がれ密封されたチャンバを有するシリコンウエハーの対を製造する方法。
2. 排気ポート（１１）を介し各チャンバ（１６）内を真空にする真空環境に前記接着されたシリコンウエハーの対（１３、１４）を配置する工程と、
   第１のシリコンウエハー（１３）の第２の側上に材料層（１２）を蒸着し、第１のシリコンウエハー（１３）の第２の側から複数の排気ポートを閉鎖して、各チャンバ（１６）を環境から密封する工程とを有する請求項１記載方法。
3. 真空が排気ポートを介し各チャンバ（１６）で生じる真空の環境内に、組をなすウエハー（１３、１４）を配置する工程と、
   第１のシリコンウエハー（１３）の第２の側上に材料層（１２）を蒸着し、第１のシリコンウエハー（１３）の第２の側から複数の排気ポートを閉鎖して、各チャンバ（１６）を環境から密封する工程とを有する、請求項１記載の方法。
4. 第１のシリコンウエハー（１３）の第２の側上に材料層（１２）を蒸着し、前記第１のシリコンウエハー（１３）の第２の側から複数の排気ポート（１１）を閉鎖する前に、前記接着されたシリコンウエハーの対（１３、１４）を焼き付ける工程を有する、請求項２の方法。
5. 接着されたシリコンウエハーの対（１３、１４）が複数のチップに切断され、各チップが一あるいは複数の密封されたチャンバ（１６）を有する請求項４記載方法。
6. 一以上のチャンバ（１６）には一以上の装置が内蔵される請求項５記載の方法。

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