JP5807292B2 - マイクロ構造、その作製方法、マイクロ構造とマイクロシステムとのボンディング装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ構造、及び少なくとも１つのボンディング基板と反応性多層システムとを含むマイクロ構造の作製方法に関する。本発明は、さらに、少なくとも１つのボンディング基板と反応性多層システムとを有するマイクロ構造を、ボンディング基板を有する別の構造とボンディングする装置に関する。さらに、本発明は、２つのボンディング基板と、それらのボンディング基板の間に置かれる構成体であって、既反応の反応性層システムを有する構成体とから形成されたマイクロシステムに関する。

現在の組立及び接続技術は、絶え間なく小型化及び複雑化し続ける構成要素及びマイクロシステムを対象としている。その場合、目標は、高感度の素子に損傷を与えないよう、コンタクト接続中の熱の影響を最小限に抑えることである。陽極ボンディング、低温シリコンダイレクトボンディング、シールガラスボンディング又は共晶ボンディングなどの、マイクロシステム技術又はウエハボンディング方法における気密封止接続をもたらす確立された接合方法は、確実に接続を生じさせるものの、そこでは、ある場合には４００℃を上回る温度が比較的長時間にわたって行き渡る。こうした高温が比較的長い時間作用することで、高感度の部品又は材料が損傷を受け得る。さらに、熱膨張係数が異なるため、シリコン、金属、セラミック又はポリマーなどの異なる基板を広範囲にわたり不透過性であるように接続することは、ほとんど不可能である。

他方で、複雑性の高い製品及びそのハウジングを自動化された方法で確実且つ不透過性であるように接続することは、ますます困難となりつつある。感温性のセンサと共に、溶接及びはんだ付け工具が容易には届かない陰になった接合部が繰り返し現れる。

このため、近年に至って、必要とされる接合部に限られた平方マイクロメートルのサイズの範囲に対する選択的なエネルギー入力を可能にする技術の研究が推し進められている。

さらに、近年に至って、エネルギーが接続部に直接作用することを可能にする局所的で内部的なエネルギー源を利用する方法が開発されている。例として、自己伝播反応を生じる反応性粉末が用いられているが、しかしながらこれは監視及び制御が難しい。或いは、先行技術は、多数の薄い交互の層からなる反応性多層システムを開示しており、これはその反応特性により、非常に高い、しかし放出時間が短い熱エネルギーを制御することができる。

多層システムは、半導体及びマイクロシステム技術における多くの異なる面で公知である。例として、かかる積層は、光学素子における反射率を目標設定するため、或いは層応力及び応力に影響を及ぼすために利用される。ＳｉＯ_２／多結晶シリコンから構成される多層は赤外線部品に使用され、及びＭｏ／Ｓｉ、Ｎｉ／Ｂ_４Ｃ、Ｍｏ／Ｂ_４Ｃ等から構成される多層は極紫外線（ＥＵＶ）及びＸ線光学系に使用される。

現在利用可能な反応性多層膜は、アルミニウム層を含む積層から大部分がなり、他の層（通常はニッケル、モネル（７０％Ｎｉ、３０％Ｃｕ）、チタン又はジルコニウム）と交互にされる形で自立膜として提供される。或いは、ロジウム、ニッケル又はジルコニウムと組み合わされたシリコンから構成される交互層構成体が使用される。使用される自立多層膜は３０μｍ〜１ｃｍの全厚を有し、個々の層の厚さは１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲である。供給者によれば、このような膜を用いることで多種多様の材料を互いに接続することができる。

膜は、例えばスタンピングによってパターニングすることができる。しかしながら、脆性の膜は極めて慎重な取り扱いが要求されるとともに、位置決めが困難で、且つ点火が困難であるため、そうした膜をマイクロエレクトロニクス又はマイクロメカニクスの製造プロセスに組み込むことは難しいものと思われる。

接合方法に公知の反応性多層膜が用いられる場合、多層システムの交互層の混合が熱的に引き起こされるため、発熱反応として進む反応の結果としてエネルギーが放出される。一度反応が始まると、その後は理想的には発生する反応熱によって接合相手が連続的に接続される。

Ｑｉｕ及びＷａｎｇによる論文「Ｂｏｎｄｉｎｇ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒｓ ｗｉｔｈ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｏｉｌｓ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ１４１（２００８年）所収、４７６〜４８１頁は、金及びクロムめっきで被覆された２つのシリコンウエハであって、それらの間に２つのはんだ又は接続層と反応性膜とから構成される積層が配置されたシリコンウエハが圧力の作用下で互いに接続されるボンディング方法について記載している。この場合に使用される反応性膜は、ニッケル−アルミニウム層から構成され、且つ一辺の側で積層から突出していて、前記側で電気火花によって点火される反応性多層膜である。

Ｑｉｕ及びＷａｎｇにより記載される接合方法には、使用される反応性多層膜が極めて慎重な取り扱いを要するという欠点がある。これは、基板の表面の特定の領域のみを、及び／又はとりわけ小さい領域を互いに接続しようとするときに特に当てはまり、それというのも、公知の多層膜は機械的にしかパターニングすることができず、その結果として小さい寸法又はそのボンディング領域への割り当てを必要な精度で実現することができないからである。加えて、接合プロセスにおいて反応性多層膜が使用されるとき、膜の少なくとも一部は、膜に点火することができるように外部からアクセス可能でなければならない。結果として、基板の接続される側に望ましくない残渣又は構造上の変化が生じ得る。さらに、反応性多層膜が側方で点火される結果として、特定の状況下では、多層膜のうち限られた部分しか点火時に改変されることができず、従って不完全な接合がもたらされる。

文献の国際公開第２００８／０２１０７３ Ａ２号パンフレットに従えば、反応性ナノ層を基板上に上下に重ねて面的に堆積させることもできる。この目的から、この文献はさらに、それぞれの反応性層の間に非反応性の中間層又はバルブ素子を提供することを提案しており、その結果として反応性層の間の直接的なコンタクトを防止し、又は定義された形で制御することができる。

さらに、文献の国際公開第２００８／０２１０７３ Ａ２号パンフレットは、シリコン基板上に堆積された非反応性酸化アルミニウム層に初めに細孔が形成される反応性構造を開示している。この場合、個々の細孔は、酸化アルミニウムから構成される直立壁によって互いに境界される。その後、初めに電子ビーム蒸着によって自由細孔にアルミニウムが堆積される。これに続いて、自由細孔へのニッケルの電子ビーム蒸着が行われる。このようにして、細孔壁によって互いに分離されたバイメタルのＡｌ／Ｎｉナノロッドが細孔の各々に生じ、これらのナノロッドは発熱反応性であるため、ナノヒータを形成することができる。この目的から、ナノロッド間に位置する非反応性の酸化アルミニウムをエッチングにより除去する必要がある。結果として、互いに分離された多数の垂直なＡｌ／Ｎｉナノロッドを有する構造が生じ、ここでナノロッドの各々は、本質的に反応することができる。

しかしながら、この文献は、どのようにしてかかる構造とコンタクトをとるべきか説明していない。加えて、かかる構造において、反応性のナノロッドが実際に互いに分離されている場合に、接合プロセスに要求される面的な自己伝播反応がどのように生じると想定されているのか、疑問が残る。

従って、本発明の目的は、マイクロ構造及びマイクロ構造の作製方法、マイクロ構造を別の構造とボンディングする装置、及び単純な方法で取り扱うことができ、感温性の基板の接合にも用いることのできる接合方法によって高品質の接合結果を提供することを可能にする上述の汎用型のマイクロシステムを提供することである。さらに、本発明によれば、小さく届きにくい基板表面であっても互いに接続することができるように意図される。

本目的は、第一に、少なくとも１つのボンディング基板と反応性多層システムとを含むマイクロ構造によって実現され、ここで反応性多層システムは、互いに離間された垂直配向のナノ構造を備えるボンディング基板の少なくとも１つの表面層と、ナノ構造間に位置し、且つナノ構造の材料に関する反応相手をなす少なくとも１つの材料で充填された領域とを有する。

このマイクロ構造は、従来のマイクロエレクトロニクス又はマイクロメカニクスのプロセス手順で作製することができるという利点を有する。さらに、ボンディング基板上の本発明に係るマイクロ構造は、反応性の層又は構造が、先行技術から公知のように水平に形成されるのではなく、ボンディング基板上に垂直に、互いに直接隣り合って形成される構造構成体を生じる。これは、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料で充填された領域を−ナノ構造間に位置して−備える多数のナノ構造を提供することができるという利点を有し、ここでナノ構造の、ひいては構成体全体の構造高さは、比較的小さく抑えることができる。

ナノ構造は、従来の層堆積及び続くパターニングによるか、又はパターニング蒸着により直接的に、例えばマスク技術によって、単純な方法で作製することができる。これにより、単純な技術手順で互いに離間された多数のナノ構造が生じ、ここでナノ構造は高精度で形成することができる。

従って、ボンディング基板上に水平に堆積される多数の多重交互ナノ層の作製、又は水平方向に互いに離間された垂直反応性ナノロッドの−文献の国際公開第２００８／０２１０７３ Ａ２号パンフレットに記載される−作製が、それに関連して費やされる作業量が大きいことと対照的に、本発明に係るこのマイクロ構造の変形例の場合、多数のナノ構造と、−それらの間に位置して−ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料で充填された領域とを有する反応性多層システムを、ほんの数工程で実現することができ、従って反応性多層システムを形成するための作製時間及び作製コストを大幅に削減することができる。

その場合、本発明によれば、文献の国際公開第２００８／０２１０７３ Ａ２号パンフレットとは対照的に、単一の材料からナノ構造を形成し、ナノ構造間の間隙に単一の材料を堆積することで十分であり、いずれの場合も、次にその材料がナノ構造の材料と反応することができる。この最後に言及した点は、文献の国際公開第２００８／０２１０７３ Ａ２号パンフレットでは、酸化アルミニウム、すなわち非反応性材料か、又は−酸化アルミニウムがエッチング除去された後の−空気のいずれかが反応性ナノロッドの間に位置するため、不可能である。従って、文献の国際公開第２００８／０２１０７３ Ａ２号パンフレットでは、ナノロッドそれ自体を互いに対して反応する少なくとも２つの材料から形成する必要があり、従って細孔に少なくとも２つの層堆積が必要となる。

さらに、本発明では、ナノ構造は、及びそれらの間に位置する領域もまた、高い精度、それに対応する微小度及び高い構造密度で形成することができ、ここでナノ構造の材料は、それらの間に位置する材料に直接隣接し、従ってナノ構造とそれらの間に位置する材料との間に特に有利な反応をもたらすことが可能である。

本発明の特に好都合な一例において、垂直ナノ構造はウェブ状に具体化される。かかるウェブ状ナノ構造は、湿式又は乾式エッチング工程と併せた公知のリソグラフィ方法によって高効率で作製することができる。その場合、ウェブは、基板上に直立に配向されたナノ層であって、それらの間に位置する材料によって互いに水平に分離された、且つそれらの間に位置する材料と特に好適に反応することができるナノ層のように働く。

さらに、垂直ナノ構造が針状に、例えば「ナノ芝」の形態で具体化される場合に有益であることが分かっている。針状ナノ構造は、特定の細度で形成することができ、その結果として使用される材料の融点を低下させ、それにより針状ナノ構造の材料とそれらの間に位置する材料との間に特に良好な反応を生じさせることができる。「ナノ芝」の個々の構造は、幾何学的に定義若しくは規則化され、及びまた確率的に分布させても、又は無秩序な形で形成し、及び／又は分布させてもよい。従って、「ナノ芝」の個々の構造の距離、高さ及び／又は厚さは同じであることも、また異なることもあってよい。

好ましくは、垂直ナノ構造は約１０ｎｍ〜約３００ｎｍの構造幅を有する。構造幅が小さいため、多数の垂直ナノ構造を互いに並べて作製することができ、それらは特に容易に反応して、高速で伝播する反応フロントを形成することができる。

本発明の好ましい一例示的実施形態において、垂直ナノ構造は、約１：８〜約１：１２の構造幅対構造深さのアスペクト比を有する。このように構造の高さがその幅と比べて著しく大きく、従って垂直ナノ構造は、側面から見たとき、多数の薄い垂直層のように働き、その間隙は、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料で充填されており、従ってナノ構造の材料と、それらの間にある材料との間に、特に直接的で完全な反応を生じさせることができる。

少なくとも１つの絶縁層が表面層の下側、すなわちナノ構造の下側に提供される場合、特に有用である。この場合、絶縁層は、その上側に位置する垂直反応性積層体を基板のその他の部分から電気的及び／又は熱的に絶縁するように機能することができる。

好ましくは、本発明に係るマイクロ構造の一変形例において、ボンディング基板はＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板であるか、又はＳＯＩ基板から形成され、及び／又は特に高い熱抵抗を有するエーロゲルなどの（ナノ）多孔質層を備える。従って、ＳＯＩ基板上に位置する上部シリコン層を好適にパターニングして垂直ナノ構造を形成することができ、ここではその下層にある、酸化物層又は高度に多孔質の層若しくはナノ多孔質層によって形成される熱絶縁層が、垂直反応性積層体の、基板のその他の部分からの特に良好な熱的及び／又は電気的絶縁をもたらす。

本発明の好都合な一発展形態において、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料上に電気的及び／又は熱的コンタクト層又は構造が提供される。コンタクト層又は構造はまた、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料上に局所的に境界される形で提供されてもよい。この場合、コンタクト層又は構造は、開始又は点火層又は構造として使用することができる。例として、この目的には加熱タングステンの相互接続が適切である。

本発明の特に好適な一実施形態に従えば、コンタクト層又は構造に別の構造が付着され、前記別の構造は、ボンディング基板と、ボンディング基板上か、又はボンディング基板上に提供された少なくとも１つの接着及び／又は湿潤層上に堆積されるはんだ又は接続層とを有し、ここで別の構造のはんだ又は接続層は、マイクロ構造のコンタクト層又は構造を押圧する。従って、はんだが提供される構造が、有利にはマイクロ構造とボンディングされて、それに伴いナノ構造の材料とそれらの間に位置する材料との間の反応を開始させることができる。

本発明のさらなる同様に好ましい変形実施形態に従えば、コンタクト層又は構造に別の構造が付着され、前記別の構造は、互いに離間された垂直配向のナノ構造を備える少なくとも１つの表面層を有するボンディング基板を有し、ここでナノ構造間の領域は、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす少なくとも１つの材料で充填されている。かかる構造配列の場合、適切であるならば、垂直配向のナノ構造の材料とそれらの間に位置する材料との間での反応を開始するのに十分であるため、ボンディングされる基板間のはんだ又は接続層の提供を省略することが可能である。

本発明の有利な一実施形態において、ナノ層若しくはナノ構造の少なくとも１つは、又は充填された領域は、融点が５００℃以下の材料を有する。亜鉛、スズ、インジウム又はリチウムなどの材料がこれに該当する。反応性層又は構造の少なくとも１つの融点が比較的低いことにより、ナノ層間又はナノ構造とナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料との間の反応の開始を比較的低温で行うことが可能であり、その結果としてマイクロ構造を別の構造に接合するときの熱負荷を低く抑えることができる。

本発明の実施可能な一例において、少なくとも１つの接着及び／又は湿潤層が、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料上に堆積される。接着及び／又は湿潤層により、連続層上に付着されるはんだ若しくは接続層又は連続層上に付着される別の構造に対して良好な接着性及び／又は湿潤性を提供することが可能となり、従って本発明に係るマイクロ構造を単純に作製することができ、且つ続くボンディングに必要な安定性が備わる。

ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料が少なくとも１つの電気コンタクト構造によりコンタクト接続される場合、マイクロ構造の連続層の特に単純且つ有効な点火を実現することができ、ここで少なくとも１つのコンタクト構造は、少なくともマイクロ構造のボンディング基板及び／又はマイクロ構造に付着される別の構造のボンディング基板を通じる導電性チャネルに接続される。この場合、コンタクトは１つ若しくは複数の個々のコンタクトとして、又は平面的なコンタクト接続若しくはコンタクト層として、マイクロ構造の上側からも、及び側方にも提供することができる。結果的に、反応性の構成を少なくとも１つの電気コンタクト構造において標的化した方法で電気的に点火することができ、ここでは提供される導電性チャネルによって、外部からの単純なコンタクト接続が可能である。

好都合には、少なくとも１つの電気コンタクト構造及び導電性チャネルは銅から形成される。銅は極めて良好な電気伝導性を有し、従来どおり入手可能で、且つマイクロエレクトロニクス及び／又はマイクロメカニクスに付随する堆積技術を用いて容易に堆積及びパターニングを行うことができ、従って良好で永久的に使用可能な電気コンタクト及び導電性チャネルを、銅により単純な方法で形成することができる。

本発明の目的は、少なくとも１つのボンディング基板と反応性多層システムとを含むマイクロ構造の作製方法によってさらに実現され、ここでは、反応性多層システムを形成するため、ボンディング基板の少なくとも１つの表面層がパターニングされ、又はパターン状に堆積されて、それに伴い互いに離間された垂直配向のナノ構造が形成され、及びナノ構造間の領域が、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす少なくとも１つの材料で充填される。この場合、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料は、垂直配向のナノ構造を被覆することもできる。

従って、本発明によれば、基板上に垂直に配向された反応性多層システムを提供することができ、その垂直配向のナノ構造は、それらの間に位置する材料と反応して、それに伴い反応熱を放出することができ、それにより基板を別の構造又は別の基板と接合することが可能となる。本発明に係る方法によって作製される構造は、高精度で多数のナノ構造を含んで、且つ高い生産性で作製することができ、ここで本発明に係る方法は、マイクロエレクトロニクス又はマイクロメカニクスの従来のプロセスに十分に適合し、従ってマイクロエレクトロニクス又はマイクロメカニクスに付随する任意の製造手順に容易に組み込むことができる。

本発明の有利な一例では、ＳＯＩ基板又はプリパターニングされたＳＯＩ基板及び／又はナノ多孔質層であって、エーロゲルと同じように具体化され、且つ特に高い熱抵抗を有するナノ多孔質層を備えた基板が、ボンディング基板として使用される。かかる基板は本発明に係る方法に特に好適であり、これは、ナノ多孔質層上又は酸化物層上に位置する材料を単純な方法でパターニングして垂直ナノ構造を形成することができ、及びその下層の絶縁層又は酸化物層を、その上側に作製される垂直反応性構造についての熱又は電気絶縁層として有利には利用することができるためである。

表面層が電子ビームリソグラフィによるか、又はナノプリンティングによりパターニングされる場合、特に好都合であることが分かっている。かかるパターニング方法によると、特に微細で高度に精密な構造を作製することが可能となり、その結果として、これにより作製することができるナノ構造は、反応性の垂直配向の多層システムの作製に特に好適である。

さらに、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料上に少なくとも１つの接着及び／又は湿潤層が堆積される場合、有利である。接着及び／又は湿潤層は、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料上に開始又は点火層をより好適に付着させるように機能するか、又はそれ自体を開始又は点火層として利用することができる。

本発明の特に有利な発展形態に従えば、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料上に電気的及び／又は熱的コンタクト層又は構造が堆積される。このコンタクト層又は構造は電気的又は熱的にコンタクト接続していてもよく、例えば、それにより垂直ナノ構造の材料とそれらの間に位置する材料との間の反応の始動がもたらされる。

マイクロ構造の、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料が、電解により堆積される場合、特に実用的であることが分かっている。電解により堆積する間、層作製のプロセスパラメータは、垂直ナノ構造とそれらの間に位置する材料との間の熱機械的応力が最小限となるように最適化することができる。

いわゆるパルスめっき方法が、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料の堆積に特に適した方法として出てきており、混合電解質からの、電位を変化させることによるこのパルスめっき方法では、各々がナノ構造の材料に関する反応相手をなす少なくとも２つの異なる材料を、垂直配向のナノ構造間に導入することが可能である。

さらに、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料を堆積させる間のプロセス温度の制御を用いて、材料を堆積させる間の拡散プロセス、従って予め生じる混合域を低減することが可能である。

本発明の一発展形態に従えば、ボンディング基板、ボンディング基板上に堆積された、又はボンディング基板上に提供される接着及び／又は湿潤層上に堆積されたはんだ又は接続層を有する別の構造が、はんだ又は接続層によってマイクロ構造の連続層に付着される。これにより、ボンディング基板間に位置する層又は構造の反応の開始によって２つのボンディング基板を有利に互いに接続することが可能となる。

同様に、互いに離間された垂直配向のナノ構造を備える少なくとも１つの表面層を有するボンディング基板を有する別の構造であって、ナノ構造間の領域がナノ構造の材料に関する反応相手をなす少なくとも１つの材料で充填された構造が、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料によってマイクロ構造のコンタクト層又は構造に付着される場合も好都合である。このようにすることで、マイクロ構造と別の構造との間の特に良好な接合結果を得ることが可能となり、ここで接合プロセスは、ボンディングされる基板間へのはんだ又は接続層の提供を必ずしも必要としない。この場合、接合プロセスは、コンタクト層又は構造の電気的又は熱的なコンタクト接続により単純な方法で達成することができる。

マイクロ構造のボンディング基板及び／又は別の構造のボンディング基板及び／又はマイクロ構造のはんだ若しくは接続層及び／又は別の構造のはんだ若しくは接続層が、エッチング方法、リフトオフ方法、レジストマスク方法、シャドウマスク方法、フォトレジスト方法、犠牲層方法及び／又はリソグラフィ方法によってパターニングされる場合、特に好適であることが分かっており、ここでパターニングは、ナノ構造の、及びナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料の活性化温度未満で行われる。従って本発明は、マイクロ構造の、又はその連続層若しくは構造の多種多様な実施形態の作製に用いることのできるパターニング方法の広範な選択肢を提供し、従って接合相手に接続することのできる作製可能なマイクロ構造の高い多様性をもたらす。ナノ構造の、及びナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料の活性化温度未満でパターニングが行われるため、反応性構造間で反応が早まって開始されることを防止することができ、従ってマイクロ構造は、パターニング後にも同様に有利な接合特性を有する。

本発明の好ましい一実施形態に従えば、ナノ構造の少なくとも１つ及び／又はナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料に隣接するようにして、少なくとも１つの電気コンタクト又は電気コンタクト層が形成され、及び／又は少なくとも１つのコンタクト又は電気コンタクト層とコンタクトをとるための少なくとも１つの導電性チャネルであって、少なくともマイクロ構造のボンディング基板及び／又は別の構造のボンディング基板を通じる導電性チャネルが形成される。この手順により、ナノ構造の、及びナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料の有利な点火を、外部から単純な方法で到達することのできる導電性チャネルを介して開始させることができる。この場合、ナノ構造及び／又はナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料に１つ又は複数の電気コンタクトを提供することができ、それにより反応性層又は構造に幅広の反応フロントが形成され、従って反応性構造間に連続的な自己伝播発熱反応を生じさせることができ、それにより極めて良好な接合結果を得ることができる。

マイクロ構造を別の構造とボンディングする間、本発明に係る方法の一変形実施形態に従えば、マイクロ構造と別の構造とが互いに整列され、真空下で約５００ｋＰａ〜約１５００ｋＰａの圧力で互いに押し合わされ、及び約２０℃〜約２００℃の範囲の温度が設定される場合、特に好都合である。結果として、接合プロセスにおいて外部から高温を設定する必要なしに、高品質の接合結果を得ることが可能である。

本目的は、少なくとも１つのボンディング基板と反応性多層システムとを有するマイクロ構造を、ボンディング基板を有する別の構造にボンディングする装置によってさらに実現され、ここでこの装置は、開閉及び排気を行うことのできるボンディングチャンバであって、そこにマイクロ構造及び別の構造を導入して互いに整列させることのできるボンディングチャンバを有し、また、ボンディングチャンバに連結される活性化機構であって、それによって、マイクロ構造の反応性多層システムであって、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料を−ナノ構造間に位置して−備える反応性ナノ構造から形成される反応性多層システムを、ナノ構造とナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料との間に自己伝播発熱反応が起こるような方法で機械的に、電気的に、電磁的に、光学的に及び／又は熱的に活性化することができる活性化機構も有する。

本発明に係る装置は、ボンディング基板間に提供される反応性多層システムを、ボンディングチャンバに連結された活性化機構により特に好適な方法で点火することができる新規のボンディング機器を提供し、ここで適切な接合プロセスパラメータをボンディングチャンバにおいてさらに設定することができる。従って、本発明に係る装置を用いると、発熱反応の発生熱量及び装置で設定される温度によって必要な熱量を正確に設定して制御することができるため、感温性の部品又は材料を使用するときであっても、基板間に高品質の接合結果を得ることが可能となる。

例として、本発明に係る装置において使用される活性化機構は、電流パルス伝送器、振動パルス伝送器、レーザパルス伝送器、伝熱器及び／又はマイクロイグナイタを有する。提案される活性化機構は、ナノ構造とナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料との間の反応をボンディング基板及び／又は反応性連続層若しくは反応性構造において直接開始することができるような好適な方法で、本発明に係る装置のボンディングチャンバに連結されても、又はそこに個別に、若しくは組み合わせて一体化されてもよい。

本発明の有利な一実施形態に従えば、電気的コンタクト接続部及び／又はコンタクトパッドがボンディングチャンバに一体化されるとともに、それらをマイクロ構造及び／又は別の構造の少なくとも１つの導電性チャネルに接続することができる。従って反応性多層システムの構造間の特に好都合な反応開始を達成することができる。

本目的は、さらに、２つのボンディング基板と、それらのボンディング基板間にある構成体であって、既反応の反応性層システムを有する構成体とから形成されたマイクロシステムによって実現され、ここで既反応の反応性層システムは、互いに離間された垂直配向のナノ構造を備える−ボンディング基板上に提供された−少なくとも１つの表面層と、ナノ構造の材料に関する反応相手をなす少なくとも１つの材料でナノ構造間が充填された領域とから構成される既反応の構造配列であり、ここでマイクロシステムは、バイオマテリアルで被覆されたセンサであり、及び／又はポリマー材料から構成される素子及び／又は少なくとも１つの磁性及び／又は圧電性及び／又はピエゾ抵抗性部品を有する。

従って、本発明は、相互接続されたボンディング基板から構成されるマイクロシステムを提供し、このマイクロシステムは、その感温性のために従来のボンディング技術によっては好適な品質で作製できないであろうものである。このように、本発明に係るマイクロシステムから形成され、且つバイオマテリアルで被覆されるセンサは、例えば、典型的には４２℃の限界温度を有するタンパク質、ＤＮＡ又は抗体で被覆することができる。さらに、本発明により提案されるマイクロシステムから形成される、ポリマー材料から構成される素子は、例えば、限界温度が通常約１００℃であるマイクロ光学系、マイクロ流体システム又はポリマーＭＥＭＳを含むことができる。さらに、本発明に係るマイクロシステムは、約２５０℃の限界温度を有する磁界センサ（ＡＭＲ又はＧＭＲ）などの磁性部品で具体化することができる。

本発明の好適な実施形態並びにその構成、機能及び利点を、以下に図面の図を参照してさらに詳細に説明する。

ウェブ状に具体化された垂直ナノ構造を備える本発明の一実施形態に従うマイクロ構造を断面側面図で概略的に示す。 針状に具体化された垂直ナノ構造を備える本発明に係るマイクロ構造のさらなる実施形態を断面側面図で概略的に示す。 本発明に係る方法の一実施形態に従う一つの可能な加工手順を示す。 本発明に係る方法の一実施形態に従う一つの可能な加工手順を示す。 本発明に係る方法の一実施形態に従う一つの可能な加工手順を示す。 本発明に係る方法の一実施形態に従う一つの可能な加工手順を示す。 本発明に係る方法の別の可能な変形実施形態を概略的に示す。 本発明に係る方法の別の可能な変形実施形態を概略的に示す。 本発明に係る方法の別の可能な変形実施形態を概略的に示す。 本発明に係る方法の別の可能な変形実施形態を概略的に示す。 本発明に係る方法の別の可能な変形実施形態を概略的に示す。 本発明に係るボンディング方法の変形例を実施するため別の構造が付着された図１のマイクロ構造を断面側面図で概略的に示す。 本発明に係るボンディング方法の別の変形例を実施するため同一のマイクロ構造が付着された図１のマイクロ構造を断面側面図で概略的に示す。 本発明に係るボンディング装置を側面図で概略的に示す。

図１は、本発明に係るマイクロ構造１０の実施形態を断面側面図で概略的に示す。マイクロ構造１０はボンディング基板１を有し、これは、示される例ではＳＯＩ基板であり、シリコンバルク材料３と、絶縁又は酸化物層３３と、その上に位置するパターニングされた表面層５４とからなる。パターニングされた表面層は、互いに離間された垂直配向のナノ構造５５を有し、それらの間に材料５７で充填された領域が位置する。これらについては以下でさらに詳細に説明する。

本発明の他の変形実施形態（図示せず）において、ボンディング基板１はまた、異なる材料の連続層から形成されることもでき、この連続層は、例えば他の半導体若しくは絶縁材料、金属、ガラス又はセラミックを含み、その表面層５４がパターニングされているか、又はパターニングすることが可能で、且つ好ましくは表面層５４と基板材料のその他の部分との間に電気的及び／又は熱的絶縁層を有する。本発明のさらなる実施形態において、ボンディング基板１はまた、エーロゲルなどの、特に高い熱抵抗を有する（ナノ）多孔質層を備えることもできる。図３及び図４に示される本発明のさらなる変形実施形態では、例えば、好ましくは高度にドープされた導電性シリコン又は例えばパラジウム若しくは白金などの金属が、ボンディング基板１の材料として用いられる。

図１に示される例示的実施形態において、ボンディング基板１はウエハであるが、他の変形実施形態（図示せず）では、それはまた、膜などの、接合する接続部のために提供される他の何らかの基板であってもよい。特に、ボンディング基板１及び／又はその素子は、感温性であっても、及び／又は特に小さい、若しくは届きにくい接合領域を有してもよい。

さらに、ボンディング基板１上又はボンディング基板１のパターニングされた表面層５４上に接着層を堆積し、前記接着層上に湿潤層及び／又ははんだ及び接続層を堆積することができる。接着層の、及び湿潤層の堆積は、例えば、スパッタリング、蒸着によって、又は電解による堆積により行うことができる。可能な接着層は、クロム、チタン又は窒化チタンから形成することができる。典型的には、このタイプの接着及び湿潤層は、わずか数ナノメートルの薄さである。

ボンディング基板１及び接着層に導電性チャネル（ここには図示せず）を、ナノ構造５５及び／又はそれらの間に位置する材料５７の範囲まで通すことができ、ここでチャネルは、例えば銅から形成される。その場合、導電性チャネルは、ナノ構造５５及び／又は材料５７上の電気コンタクト又は電気コンタクト層６０に接続される。電気コンタクト又はコンタクト層６０も同様に銅から形成することができる。本発明の他の実施形態（図示せず）では、ナノ構造５５とそれらの間に位置する材料５７とから形成される反応性構造の側方でのコンタクト接続を実現することも可能であり、前記反応性構造については、以下でさらに詳細に記載する。

上述のはんだ又は接続層は、共晶はんだ、軟質はんだ又は固液相互拡散（ＳＬＩＤ）はんだであってもよい。はんだ又は接続層に共晶はんだが用いられる場合、それは、融点が３６３℃〜３７０℃のＡｕ−Ｓｉ、融点が２１７℃〜２２８℃のＡｕ／Ａｇ／Ｃｕ／Ａｌ／−Ｓｎ、融点が４２０℃のＡｌ−Ｇｅ、又は融点が１２０℃のＩｎ−Ｓｎから形成することができる。はんだ又は接続層に軟質はんだが用いられる場合、それは、例えばＳｎベース又はＡｇベースであって、約２００℃〜２３０℃の融点を有してもよい。適切な固液相互拡散（ＳＬＩＤ）はんだは、例えば、Ｉｎ−Ａｕ／Ａｌ／Ａｇ／Ｐｔ／Ｐｄ／Ｃｕ／Ｓｉ／Ｎｉ又はＳｎ−Ｐｄ／Ｃｕ／Ａｌ／Ａｇ／Ａｕである。はんだ又は接続層の材料としては、Ｓｎ若しくはＩｎなどの低い融点を有する個別の層か、或いはより高温で溶融する材料若しくは共晶相手としてＡｕ、及び接着剤、セラミック若しくはポリマーなどの熱硬化性材料を使用することも可能である。

例として、接着層、湿潤層及び／又ははんだ若しくは接続層のパターニングには、作製する構造及びパターニングする材料に応じて、リフトオフ、湿式エッチング又は乾式エッチング方法を用いることができる。

上記に既述のとおり、表面層５４は、図１に示される例示的実施形態においては、互いに離間されたウェブ状の垂直配向のナノ構造５５を有する。例えば図２に示される本発明の他の例示的実施形態においては、ナノ構造は、図１のナノ構造５５とは異なる構造形態、構造高さ及び／又は構造幅を有することもできる。従って、例として、図２に示されるボンディング基板１’のナノ構造５６は、針状に具体化されて芝状構造を形成する。

図１及び図２のナノ構造５５、５６は、例えば、電子ビームリソグラフィによって、又はナノプリンティングによりパターニングされていてもよい。

示される例において、ナノ構造５５、５６は、約１０ｎｍ〜約３００ｎｍの構造幅及び約１：８〜約１：１２の構造幅対構造深さのアスペクト比を有する。

ナノ構造５５、５６の間にある領域は、ナノ構造５５、５６の材料に関する反応相手をなす少なくとも１つの材料５７で充填され、ここで図１に示される例では、材料５７はナノ構造５５を被覆する。ナノ構造５５、５６の、及び材料５７の材料は、それらが混合又は合金形成中に負の形成エンタルピーを有するように選択される。

ナノ構造５５、５６の、及びそれらの間に位置する材料５７の幅は、いずれの場合も、それらの材料間の反応から放出されるエネルギーが、ボンディング接続に必要な温度を実現するのに十分であるように選択される。ここで重要なことは、材料相手の化学量論比が所望の合金のものに対応することである。ナノ構造５５、５６の材料と、それらの間に位置する材料５７とについての適切な材料の組み合わせは、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｎｉ、Ｐｄ−Ｃｏ又はＰｄ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｚｎ又はＰｄ−Ｉｎを含む。

示される例において、材料５７はボンディング基板１上に電気化学的に、又は電解により堆積される。材料５７の堆積には、いわゆるパルスめっき方法が特に好適である。電解による層堆積は、電解による堆積中、作製する構造の熱機械的応力を最適化することができるため、他の層堆積技術と比較してより精密であり、従って感温性の基板上に材料５７を堆積するのに特に良く適している。

他の変形実施形態において、材料５７の堆積には他の堆積方法、例えば、マグネトロンスパッタリング若しくはＥビーム蒸着などのＰＶＤ方法、又はＣＶＤ蒸着法を使用することも可能である。

好ましくは材料５７の堆積中にプロセス温度が制御され、その結果として、ナノ構造５５、５６と材料５７との間の拡散プロセス及びそれによって生じる混合域の生成を低減することが可能である。

互いに離間された垂直配向のナノ構造５５、５６と、ナノ構造５５、５６の間に位置する材料５７とは反応性多層システムを形成し、ここでナノ構造５５、５６と材料５７とは、対応する機械的、電気的、電磁的、光学的及び／又は熱的活性化後、自己伝播発熱反応で互いに反応する。

ナノ構造５５、５６及び材料５７は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｉｎ、Ｓｉ若しくはＬｉから、又はこれらの材料の組み合わせ若しくは合金から形成することができる。ナノ構造５５、５６及び材料５７の材料の選択において、材料の少なくとも１つは比較的低い融点を有しなければならない。この場合、Ｓｎ、Ｉｎ又はＬｉなどの材料が第一に考慮される。対応する相手又は組み合わせは、反応の負の形成エンタルピーの大きさ及び電解による堆積についての電気化学的適合性に依存する。この場合、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ及びＮｉとの機能システムを構成することが可能である。

はんだ若しくは接続層、又ははんだ若しくは接続層、湿潤層及び／又は接着層から構成される積層を、材料５７上に提供することができる。

図１の例では、材料５７上にコンタクト層６０が提供され、このコンタクト層は電気的にコンタクト接続されることができ、それにより下に位置する材料５７とナノ構造５５、５６とからなる構成の開始又は点火層として機能する。図１に示されるコンタクト層６０の代わりに、材料５７と、及び／又はナノ構造５５、５６の少なくとも１つと電気的及び／又は熱的コンタクトをとるコンタクト構造又は加熱構造を提供することもできる。

図１のコンタクト層６０は、材料５７上に面的に提供される。本発明の他の変形実施形態（図示せず）において、コンタクト層６０又は対応するコンタクト構造はまた、材料５７とナノ構造５５とから構成される構成の上側に、及び／又は側方にも、例えば１つ又は複数の点状コンタクトとして局所的に境界される形で配置することもできる。

結果として、図１に示されるマイクロ構造１０及び図２に示されるマイクロ構造１０’の双方とも、ナノ構造５５、５６と、それらの間に位置する材料５７であって、ナノ構造５５、５６の材料に関する少なくとも１つの反応相手をなす材料とからなる垂直に形成された反応性多層システムを有する構造である。図１及び図２は、いずれの場合もナノ構造５５、５６間に１つのみの材料５７を示すが、種々の材料、例えば各々がナノ構造５５、５６の材料に関する反応相手を形成する少なくとも２つの異なる材料５７が、ナノ構造５５、５６間の間隙に上下に重ねて導入されてもよい。ナノ構造５５、５６は、それらの間に位置する材料５７と発熱反応で反応して既反応の反応性多層システムを形成することができ、ここでこの反応を、例えば、図５及び図６に示されるとおり、それぞれ示されるマイクロ構造１０、１０’を別の構造と接合するための接合方法において用いることができる。

図３ａ〜図３ｄは、図２に示されるとおりのマイクロ構造１０’を作製するための本発明に係る方法の一つの可能な加工手順を概略的に示す。この目的から、図３ａに示される第１の方法ステップはボンディング基板１’を提供することを含み、ボンディング基板１’は、示される例示的実施形態では高度にドープされた導電性シリコンからなる。原則的に、本発明の他の変形実施形態（図示せず）では、ボンディング基板１’は金属から形成することもできる。

図３ｂに示される第２の方法ステップにおいて、ボンディング基板１’が、好適な異方性エッチング法を用いて、ボンディング基板１’の表面に針状の垂直ナノ構造５６が形成されるような方法でエッチングされる。

図３ｃに示されるさらなる方法ステップにおいて、アルミニウム又はチタンなどの金属のスパッタリング堆積が行われる。垂直ナノ構造５６間のトレンチは垂直ナノ構造５６間の水平距離と比べて大幅に深いため、図３ｃに示されるスパッタリング法の場合にはトレンチをその深さ方向に充填することは不可能である。むしろ、アルミニウム又はチタン原子は、特に、概略的に示されるとおり、針状構造の先端上に堆積する。垂直ナノ構造５６間のトレンチの底面まで達するアルミニウム又はチタン原子は、そこに閉じた層を形成するには不十分である。スパッタリングプロセスの間、わずか数ナノメートルの薄さの層が堆積され、これは周囲空気中で直ちに酸化して酸化物層５８を形成する。結果として、酸化により、例えば酸化アルミニウム又は酸化チタンによる、垂直ナノ構造５６の先端絶縁部が生じる。

前記先端絶縁部は、続く図３ｄに示される電解による堆積プロセスで利用され、従って垂直ナノ構造５６間のトレンチを、特に有利には、例えばニッケル又はパラジウムなどの、ナノ構造５６の材料に関する反応相手をなす別の材料５７で電解的に充填することができる。

図４ａ〜図４ｅは、図１のマイクロ構造１０などのマイクロ構造の、本発明に係る作製方法の実施形態についてのさらなる可能な変形実施形態を示す。

この場合、図４ａに示される第１の方法ステップは、高度にドープされた導電性シリコン又はパラジウム若しくは白金などの金属から構成されるボンディング基板１を提供することを含む。

続く図４ｂに示される方法ステップにおいて、ボンディング基板１がフォトレジスト材料（ＰＭＭＡ）で、好ましくは自己組織化ポリマーを使用して被覆される。

次の図４ｃに示される方法ステップにおいて、フォトレジスト材料がパターニングされ、作製される垂直ナノ構造５５のエッチングマスク５９が形成される。

その後、図４ｄに示される方法ステップにおいて、ボンディング基板１がエッチングマスク５９を通じて深さ方向にエッチングされる。この場合、図４ｄで分かるとおり、エッチングマスク（ｅｔｃｈｉｎｇ ｍａｓｓ）５９の一定のアンダーカットが生じ、従って前のステップにおけるエッチングマスク５９のパターニングが続くアンダーカットに適合することを確実とするように注意を払わなければならない。深さ方向のエッチングには、例えば、いわゆる「ボッシュ法」を用いることが可能であり、ここでは深さ方向エッチングとポリマー堆積とを交互に行うことによって狭く深いトレンチを作製することができる。

続いてエッチングマスク５９は直ちに除去されることはなく、むしろ図４ｅに示される方法ステップでは、電着プロセスにおいてナノ構造５５の間に位置する領域に充填される材料５７を電解により堆積させる間、作製された垂直ナノ構造５５の先端の絶縁部として機能する。この場合、材料５７は、ナノ構造５５の材料と発熱反応で反応することができるように選択される。例としては、ニッケル又はパラジウムを材料５７として使用することができる。

図５は、マイクロシステム３０を概略的に示し、ここでは、図１のマイクロ構造１０上に、基板２と、その上に提供される接着及び／又は湿潤層８１と、その上に提供されるはんだ又は接続層９とを有する別の構造２０が提供され、ここで別の構造２０は、マイクロ構造１０に対し、はんだ又は接続層９がコンタクト層６０を押圧するように配置される。コンタクト層６０の好適な電気的及び／又は熱的コンタクト接続によって、例えば図７に示されるボンディング装置１２によって、ナノ構造５５とナノ構造５５の材料に関する反応相手をなす材料５７との間の発熱反応を開始させることが可能であり、ここでははんだ又は接続層９が溶融し、及び／又は熱的に活性化され、反応の結果として構造１０と２０とが互いに接続又は結合される。

図６は、図１のマイクロ構造１０を使用したマイクロシステム３０’のさらなる可能な変形実施形態を概略的に示し、示される例ではマイクロ構造１０の上に別の構造２０’が配置され、前記別の構造は、シリコンバルク材料３と、絶縁層３３と、パターニングされてウェブ状ナノ構造５５を形成する表面層５４と、−ナノ構造５５の間に位置して−ナノ構造５５の材料に関する反応相手をなす材料５７で充填された領域とを有し、ここでナノ構造５５の材料に関する反応相手をなす材料５７は、ナノ構造５５を被覆する。別の構造２０’は、別の構造２０’の材料５７がマイクロ構造１０のコンタクト層６０を押圧するようにマイクロ構造１０上に提供される。図６の構造は、ここでは構造１０と２０’との間へのはんだの提供が絶対的に必要というわけではないという特有の特徴を有する。

コンタクト層６０の好適な電気的及び／又は熱的コンタクト接続によって、例えば図７に示されるボンディング装置１２では、ナノ構造５５とそれらの間に位置する構造１０及び２０’の材料５７との間に発熱反応を開始させることが可能であり、その結果としてマイクロ構造１０が別の構造２０’と共に、この反応の結果として互いに接続又は結合される。

この場合、好ましくはボンディング装置１２においてマイクロ構造１０と２０又は２０’との互いに対する位置合わせが行われる。位置合わせする前、適切であるならば、ボンディングする構造に対して洗浄、表面活性化及び／又は酸化物除去を行う必要がある。その後、例えば図７に示されるボンディング装置１２においてマイクロシステム３０、３０’の基板及び層が押し合わされ、本発明に係る接合により接続される。

この目的から、例として、マイクロ構造１０、１０’、２０及び／又は２０’に導入されたチャネル（図示せず）を介して電気始動パルスがコンタクト層６０又はマイクロ構造１０、１０’、２０、２０’に提供される他のコンタクトに送られ、その結果としてそれぞれの反応性構造が点火される。点火によってナノ構造５５、５６及び材料５７からの隣接する原子の相互拡散が始まる。生じる合金形成が発熱反応をもたらす。この場合に生じる熱はナノ構造５５、５６と材料５７との間に伝播して、未反応のナノ構造５５、５６と未反応の材料５７とのさらなる混合を引き起こし、従ってそれぞれのマイクロ構造間の全範囲にわたってボンディングフロントが伝播し得る。この自己伝播反応は、集中的な局所加熱率、高い伝播速度及びボンディング基板２、３に対する極めて短い熱作用時間によって特徴付けられる。

しばらくの後、接続された基板又はマイクロ構造を接合装置１２から取り外すことができ、接続をテストすることができる。その後、接続された基板又は接合により封入されたチップをシンギュレートし、さらに加工することができる。

図７は、本発明に係るボンディング装置１２の一つの可能な変形実施形態を側面図で概略的に示す。

ボンディング装置１２はボンディングチャンバ１３を有し、これは開閉することができ、且つそこに上記のとおりのマイクロ構造１０、１０’及び別の構造２０、２０’を導入することができ、位置合わせ装置１４によって互いに対して位置合わせすることができる。マイクロ構造１０、１０’及び別の構造２０、２０’は、この目的から２つのプレッシャープレート１５、１６間に配置され、その上に、矢印Ｆにより示されるとおり、約５００ｋＰａ〜約１５００ｋＰａの大きさのボンディング圧力がかけられ得る。

ボンディングチャンバ１３は真空ポンプなどのモジュール２２に連結され、それによってボンディングチャンバ１３は排気を行うことができ、又はそれを用いてボンディングチャンバ１３内に過圧又は減圧を生じさせることができる。ボンディングチャンバ１３には常圧を設定することもできる。

プレッシャープレート１５、１６は、少なくとも１つの加熱装置が連結されるか、又はそれを連結することのできる接続部１７によって温度調節され、ここでは反応を補助するため約２０℃〜約２００℃の範囲の温度Ｔを設定することができる。さらに、電気コンタクト接続用の電流及び電圧接続部１９がプレッシャープレート１５、１６に提供される。

示される例では、ボンディングされる複合マイクロシステム３０のナノ構造５５、５６及び／又はそれらの間に位置する材料５７及び／又はコンタクト層若しくは構造６０は、ボンディングチャンバ１３に一体化されるか、又はボンディングチャンバ１３に提供される活性化機構１８に連結され、その活性化機構によってナノ構造５５、５６と材料５７との間の反応を開始させることができる。

示される例では、活性化機構１８は電流パルス伝送器を有するが、本発明の他の実施形態（図示せず）では、同様に、又はそれに加えて、振動パルス伝送器、レーザパルス伝送器、伝熱器及び／又はマイクロイグナイタを有することができる。このように、使用する活性化機構の選択に応じて、ナノ構造５５、５６と材料５７との間の反応を開始させるための電気的、熱的、機械的、光学的及び／又は電磁的始動パルスを提供することが可能である。

活性化機構１８と、ボンディングされる基板又はボンディングされる基板間に提供される層構成体との間の連結は、基板及び／又は層構成体に提供されるコンタクトパッド、導電性チャネル、光学的窓などを介して行われる。

活性化機構１８によって、ナノ構造５５、５６と材料５７との間の反応が、図７に概略的に示される開始点２３で局所的に開始され、その後、マイクロシステム３０において、又は本発明に係る別のマイクロ構造の、若しくはそれと共に形成されたマイクロシステムの反応性の垂直に具体化された多層システムにおいて、独立して伝播する。４インチ、６インチ又は８インチウエハを使用して４〜１０ｍｓ^−１の反応の伝播速度により測定される反応は、典型的には０．０１〜０．０５秒後には既に完了し、それに機器及びボンディング装置１２の操作性に実質的に依存する約１〜１５分間の準備及び開始時間が加わる。さらに、ボンディング装置１２上若しくはボンディング装置１２内に制御装置が提供されてもよく、その制御装置によって、例えば、ボンディングされる構造に対する抵抗計測が可能となる。

ボンディング装置１２は、好ましくは、ボンディングされる基板間に水平に上下に重ねて堆積された異なる材料の反応性ナノ層から構成される少なくとも１つの連続層を有するボンディング基板にも好適であるように具体化される。

本発明により提案される反応性層システムは、半導体に典型的なコンポーネント及びシステム、感温性部品、並びにポリマー、セラミック及び金属などの異なる基板及び材料を接続するための一体型エネルギー源として機能する。これらの反応性構造を接合すると、さらなるエネルギーを供給することなしに自己伝播反応が起こり、ここでボンディングされる基板への入熱は少ししか存在しない。極めて高速の反応伝播によってプロセス所要時間が短くなり、従ってコストの最適化につながる。従って、本発明により提案される接合技術により、固定的で安定した、且つ気密封止性の接続、例えば約２５℃の範囲の低いボンディング温度、及び周囲の材料への少ない入熱に関する要件を満たすことが可能である。さらに、これまでに公知のボンディング方法と比較して、本発明によると、コストの増加が生じることはなく、大量生産が可能で、且つ高品質の接合結果と併せて高歩留を達成することが可能である。

本発明のある特定の利点は、パターニングされたフレーム及びコンタクトの領域のみにおける、且つはんだ又は接続層を溶融又は熱的に活性化して接続を生じさせるのに十分な程度の大きさを正確にもつ、局所的で短時間のみの熱伝播である。さらなる利点は、インサイチュでの層堆積の可能性（その結果として真空中で、且つボイド及び酸化物を含まず堆積させることができる）、接合される基板のマイクロメートル精度での位置合わせ、全体を通じたプレーナ技術及び従来のパターニング技法の使用、選択的な自己伝播ボンディングの可能性、多種多様な基板及びウエハサイズへの使用の可能性、並びにまた、エネルギー放出及び接続品質の調節性である。接合接続部の作製中の温度変動が小さいことにより、接続部の、及び接続された基板又は構造の品質及び寿命の向上がもたらされる。

ナノ構造の材料に関する反応相手をなす材料で充填された垂直ナノ構造の形成を用いる本発明は、マイクロシステム技術及びセンサ技術においてパッケージング又はハウジング技術に関して大きい可能性を提供する。従って、例として、チップ・ツー・チップ、チップ・ツー・ウエハ又はチップ・ツー・ボード技術におけるシリコン、セラミック、金属、プラスチック又は上述の材料の組み合わせなどの異なる基板を互いに接続することができる。従って、半導体基板又はウエハを接続するための、接合される基板上に堆積される、又はそこに直接作製することのできる反応性層システムの本発明に係る使用は、コンポーネントレベルでは大きい熱入力のない方法によりこれまでに公知のボンディング方法を補完する。

Claims (29)

1. マイクロ構造（１０、１０’）を別の構造と接合するための前記マイクロ構造（１０、１０’）であり、反応性多層システムを備えた少なくとも１つのボンディング基板（１、１’）を含む前記マイクロ構造（１０、１０’）であって、前記反応性多層システムが、互いに離間された垂直配向のナノ構造（５５、５６）を備える前記ボンディング基板（１、１’）の少なくとも１つの表面層（５４）と、前記ナノ構造（５５、５６）間に位置し、且つ前記ナノ構造（５５、５６）の材料との間で自己伝播発熱反応で反応する少なくとも１つの材料（５７）で充填された領域とを有することを特徴とする、マイクロ構造。
2. 前記垂直ナノ構造（５５）が、互いに離間された棒状に具体化されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ構造。
3. 前記垂直ナノ構造（５６）が針状に具体化されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ構造。
4. 前記垂直ナノ構造（５５、５６）が約１０ｎｍ〜約３００ｎｍの構造幅を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
5. 前記垂直ナノ構造（５５、５６）が、約１：８〜約１：１２の構造幅対構造深さのアスペクト比を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
6. 前記表面層（５４）の下側に少なくとも１つの絶縁層（３３）が提供されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
7. 前記ボンディング基板（１、１’）がＳＯＩ基板であるか、又はＳＯＩ基板から形成され、及び／又はナノ多孔質層を備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
8. 前記ナノ構造の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）上に電気的及び／又は熱的コンタクト層又は構造（６０）が提供されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
9. 別の構造（２０）が前記コンタクト層又は構造（６０）に付着され、前記別の構造は、ボンディング基板（２）と、前記ボンディング基板（２）上に堆積された、又は前記ボンディング基板（２）上に提供された少なくとも１つの接着及び／又は湿潤層（８１）上に堆積されたはんだ又は接続層（９）とを有し、前記別の構造（２０）の前記はんだ又は接続層（９）が前記マイクロ構造（１０）の前記コンタクト層又は構造（６０）を押圧することを特徴とする、請求項８に記載のマイクロ構造。
10. 別の構造（２０’）が前記コンタクト層又は構造（６０）に付着され、前記別の構造は、互いに離間された垂直配向のナノ構造（５５、５６）を備える少なくとも１つの表面層（５４）を有するボンディング基板（３）を有し、前記ナノ構造（５５、５６）間の領域が、前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす少なくとも１つの材料（５７）で充填されることを特徴とする、請求項８に記載のマイクロ構造。
11. 前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）上に少なくとも１つの接着及び／又は湿潤層（８１）が堆積されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
12. 前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）が、少なくとも１つの電気コンタクト構造によりコンタクト接続され、前記少なくとも１つのコンタクト構造が、少なくとも前記マイクロ構造（１０、１０’）の前記ボンディング基板（１、１’）及び／又は前記構造（２０、２０’）の前記ボンディング基板（２、３）を通じる導電性チャネルに接続されることを特徴とする、請求項９又は１０に記載のマイクロ構造。
13. 前記少なくとも１つの電気コンタクト構造及び前記導電性チャネルが銅から形成されることを特徴とする、請求項１２に記載のマイクロ構造。
14. マイクロ構造（１０、１０’）を別の構造と接合するための前記マイクロ構造（１０、１０’）であり、反応性多層システムを備えた少なくとも１つのボンディング基板（１、１’）を含む前記マイクロ構造（１０）の作製方法であって、前記反応性多層システムを形成するため、前記ボンディング基板（１、１’）の少なくとも１つの表面層（５４）がパターニングされ、又はパターン状に堆積されて、それに伴い互いに離間された垂直配向のナノ構造（５５、５６）が形成され、及び前記ナノ構造（５５、５６）間の領域が、前記ナノ構造（５５、５６）の材料との間で自己伝播発熱反応で反応する少なくとも１つの材料（５７）で充填されることを特徴とする、方法。
15. ＳＯＩ基板若しくはプリパターニングされたＳＯＩ基板及び／又はナノ多孔質層を備える基板が、ボンディング基板（１、１’）として使用されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）上に少なくとも１つの接着及び／又は湿潤層（８１）が堆積されることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の方法。
17. 前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）上に電気的及び／又は熱的コンタクト層又は構造（６０）が堆積されることを特徴とする、請求項
    １４〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記マイクロ構造（１０’’、１０’’’）の前記材料（５７）が、電解により堆積されることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）が、パルスめっき方法で堆積されることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
20. 前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）の堆積中にプロセス温度が制御されることを特徴とする、請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の方法。
21. ボンディング基板（２）と、前記ボンディング基板（２）上に堆積された、又は前記ボンディング基板（２）上に提供される接着及び／又は湿潤層（８１）上に堆積されたはんだ又は接続層（９）とを有する別の構造（２０）が、前記はんだ又は接続層（９）によって、前記マイクロ構造（１０、１０’）の、前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）に付着されることを特徴とする、請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 互いに離間された垂直配向のナノ構造（５５、５６）を備える少なくとも１つの表面層（５４）を有するボンディング基板（３）を有する別の構造（２０’）であって、前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす少なくとも１つの材料（５７）で前記ナノ構造（５５、５６）間の領域が充填される別の構造（２０’）が、前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）によって前記マイクロ構造（１０’’、１０’’’）の前記コンタクト層又は構造（６０）に付着されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
23. 前記はんだ、または、接続層が、少なくとも、エッチング方法、リフトオフ方法、レジストマスク方法、シャドウマスク方法、フォトレジスト方法、犠牲層方法及びリソグラフィ方法のうちのいずれか１つの方法によりパターニングされ、前記パターニングが、前記ナノ構造（５５、５６）の、及び前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）の活性化温度未満で行われることを特徴とする、請求項２１又は２２に記載の方法。
24. 前記ナノ構造（５５、５６）の少なくとも１つ及び／又は前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす前記材料（５７）に隣接する形で、少なくとも１つの電気コンタクト又は電気コンタクト層（６０）が形成され、及び／又は少なくとも１つのコンタクト又は電気コンタクト層（６０）とコンタクトをとるための少なくとも１つの導電性チャネルであって、少なくとも前記マイクロ構造（１０、１０’）の前記ボンディング基板（１、１’）及び／又は前記別の構造（２０、２０’）の前記ボンディング基板（２、３）を通じる導電性チャネルが形成されることを特徴とする、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記マイクロ構造（１０、１０’）を前記別の構造（２０、２０’）とボンディングするため、それらが互いに位置合わせされ、真空下で約５００ｋＰａ〜約１５００ｋＰａの圧力で互いに押し合わされ、及び約２０℃〜約２００℃の範囲の温度が設定されることを特徴とする、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 反応性多層システムを備えた少なくとも１つのボンディング基板（１、１’）を有するマイクロ構造（１０、１０’）を、ボンディング基板（２、３）を有する別の構造（２０、２０’）とボンディングする装置（１２）であって、前記装置（１２）が、開閉及び排気を行うことのできるボンディングチャンバ（１３）であって、そこに前記マイクロ構造（１０、１０’）及び前記別の構造（２０、２０’）を導入して互いに位置合わせすることのできるボンディングチャンバ（１３）を有し、また、前記ボンディングチャンバ（１３）に連結される活性化機構（１８）であって、それによって、前記マイクロ構造（１０、１０’）の前記反応性多層システムであって、前記ナノ構造（５５、５６）の材料に関する反応相手をなす材料（５７）を−前記ナノ構造（５５、５６）間に位置して−備える反応性ナノ構造（５５、５６）から形成される反応性多層システムを、前記ナノ構造（５５、５６）と前記ナノ構造（５５、５６）の材料との間で自己伝播発熱反応で反応する前記材料（５７）との間に自己伝播発熱反応が起こるような方法で機械的に、電気的に、電磁的に、光学的に及び／又は熱的に活性化することのできる活性化機構（１８）も有することを特徴とする、装置。
27. 前記活性化機構（１８）が、電流パルス伝送器、振動パルス伝送器、レーザパルス伝送器、伝熱器及びマイクロイグナイタのうちのいずれかを有することを特徴とする、請求項２６に記載の装置。
28. 前記ボンディングチャンバ（１３）に電気的コンタクト接続及び／又はコンタクトパッドが一体化され、それらを前記マイクロ構造（１０、１０’）及び／又は前記別の構造（２０、２０’）の少なくとも１つの導電性チャネル（７）に接続することができることを特徴とする、請求項２６又は２７に記載の装置。
29. 既反応の反応性多層システムを有する構成体を間に挟む２つのボンディング基板（１、１’、２、３）を具備するマイクロシステム（３０）であって、前記既反応の反応性層システムが、互いに離間された垂直配向のナノ構造（５５、５６）を備え、ボンディング基板（１、１’）上に提供された少なくとも１つの表面層（５４）と、前記ナノ構造（５５、５６）の材料との間で自己伝播発熱反応で反応する少なくとも１つの材料（５７）で前記ナノ構造（５５、５６）間が充填された領域とから構成された既反応の構造配列であり、少なくとも、前記マイクロシステムがバイオマテリアルで被覆されたセンサ、ポリマー材料から構成される素子、１つの磁性部品、圧電性部品、ピエゾ抵抗性部品のうちのいずれか１つを有することを特徴とする、マイクロシステム。

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