JP6726266B2 - 貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、シリコンチップの加工技術分野に関し、特に貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法に関する。
ＭＥＭＳ技術の盛んな発展に伴い、ますます多くのＭＥＭＳ新構造に対する要求が現れてきているが、加工ハードウェア機器の制限により、多くの構造は、製造できない難局に直面している。ハードウェアが要求を満たせない場合、技術者が新たな技術を開発してこのような不利な矛盾を克服する必要が生じる。
貫通チャンバのＭＥＭＳは、特殊な構造の一種である。通常のＭＥＭＳチャンバが最終的な構造でシリコンチップに埋め込まれているのとは異なり、貫通チャンバは、最終的に外部に露出する必要がある。現在のシリコンチップ加工を行う機器の大半は真空を用いてシリコンチップをピックアップや加工するが、シリコンチップ全体を貫通するチャンバが真空を破壊し、直接機器の動作の完成に影響する。例えば、通常の加工では、最終的に研削・研磨機を用いて２回の研削を行うことで、もともとパターンチップに露出していない箇所を完全に露出させて貫通構造を形成する必要があるが、２回目の研削時にパターンの干渉が真空の密封に影響し、チャンバを貫通した後に真空が徹底的に破壊されてしまう。こうして、研削・研磨機台がもはやシリコンチップを固定できないとともにシリコンチップを伝達できないため、研削が要求通りに加工を完成できず、引いては機台に障害をもたらす。
貫通チャンバによる真空リンク問題を解決するために、我々は、仮底イオン注入・剥離のＭＥＭＳ加工技術を開発した。これは、真空リンクを解決して最終的な構造にとって必要のない仮底を剥離する。仮底のイオン注入・剥離技術は、ボンディング技術、イオン注入技術及びマイクロ波ブレーク技術を含む。仮底は、最終的な構造の形成前にチャンバを封止して真空リンクの発生を回避する役割を果たし、ボンディング技術により、常温或いは高温の温度場並びに常圧或いは真空の気圧環境の下で、通常のシリコンチップとパターンチップとを１つのチップにボンディングしてパターンチャンバに対する封止を実現する。仮底は、必要とされない部分であるため、最終的に最終構造から剥離する必要がある。仮底の剥離には、ボンディング前に通常のシリコンチップ又はパターンチップに対してイオン注入を行う前処理が実施される。水素イオンヘリウム原子は、一番よく用いられる分離用注入剤である。最後に、マイクロ波ブレーク技術により、注入イオンの運動エネルギーを高めてイオンを集めて小気泡を生成する。小気泡は、シリコンチップの押圧によってボンディング面に沿う方向に運動する傾向があり、注入層に集められた小気泡は完全な大気泡を形成し、仮底と本体構造とのマクロ的分離を引き起こし、仮底が剥離される効果を奏し、研削機を必要とせずに貫通構造を実現する。
本発明の目的は、技術的効果が良好な貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法を提供することである。
本発明は、貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法を提供する。当該方法は、下記のステップをその順に実施する。
ステップ１、シリコンチップ又はパターンチップに対してイオン注入を行う。ステップ１の処理は、仮底が最後にマイクロ波ブレーク技術によって剥離され得るように、前処理を行うためである。
ステップ２、仮底にイオン注入し、シリコンチップを用いてパターンチップとボンディングする。ボンディングされたシリコンチップは仮底そのものであり、後続のステップにおいてパターンを密封し、機台を加工可能に保証する役割を果たし、ステップ２においてシリコンチップ直接ボンディング技術により、仮底導入の目的を果たす。
ステップ３、機械研削方法及び／又は化学研磨方法により研削・研磨を行い、ボンディングされたシリコンチップである仮底を基板とし、パターンチップを薄肉化し、パターンを露出させる深さまで研削し、もともと露出していないチャンバを露出させる。研削・研磨に機械研削及び化学研磨が使用されることでシリコンチップを設計要求に合致する指定の厚さ及び良好な粗さまで加工可能であり、後続の工程で用いられるものが状態良好な表面であることを保証する。
ステップ４、ボンディングする。ステップ１とステップ２の両ステップを実施した２つのシリコンチップに対して、パターン対パターンのボンディングを行う。仮底は、全体構造の上、下の両側に位置する。
ステップ５、仮底を剥離する。保護の役割を果たした仮底を低温アニール及びマイクロ波ブレーク操作により剥離し、貫通構造のシリコンチップを得る。アニールは、ボンディングインターフェースのボンディング力の向上、パターンボンディングインターフェースの良好なボンディング状態の保証、後続使用の信頼性の保証を同時に実現することができる。アニール処理は、パターンとパターンとのボンディングインターフェースのボンディング力を増加することに寄与し、貫通構造が形成された後、機器での加工に真空リンク問題が発生することを回避する。マイクロ波ブレークは、マイクロ波によりイオンの運動エネルギーを増加し、運動するイオンが互いに衝突して集まって小気泡を形成し、シリコンチップの押圧により、気泡の垂直ボンディングインターフェース方向における運動が制限され、ボンディングインターフェースに沿う方向に運動する傾向があり、小気泡がこうして大気泡として集まり、最終的に注入層でシリコンチップの分離がなされ、仮底が本体構造から剥離される。
ステップ４は、ステップ５の前処理であり、その目的は２つのパターンチップのチャンバを一緒に接続して準備を行うことである。研削・研磨に機械研削及び化学研磨が使用されることでシリコンチップを設計要求に合致する指定の厚さ及び良好な粗さまで加工可能であり、後続の工程で用いられるものが状態良好な表面であることを保証する。
前記貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法において、好ましい要求内容は、下記のとおりである。
シリコンチップ又はパターンチップに対してイオン注入を行う際には、注入深さは表面から１μｍ〜０．００１μｍの範囲内であり、水素イオン注入のパラメータは、１０〜１２０Ｋｅｖエネルギー、１Ｅ１５〜９Ｅ１６線量、１〜２０ｍＡビームであり、パラメータ制御により、注入を経たシリコンチップ表面の状態は良好であり、後続の加工に影響しないことを保証することができる。
シリコンチップを用いてパターンチップとボンディングする際には、シリコンチップの粗さは５ｎｍ以下であり、シリコンチップを用いてパターンチップに直接接触させ、両者の表面の分子間作用力によって両者を一体に結合させる。
シリコンチップとパターンチップとのボンディングには、プラズマ増強の直接ボンディング方法が用いられる。具体的には、１つの通常のシリコンチップを用いてパターンチップと０〜９０ｓのプラズマ増強を行い、通常のシリコンチップをパターン付きの表面とボンディングし、通常のシリコンチップは仮底そのものである。
工業のマルチボンディング力及び熱予算の削減の要求に応じて、プラズマ増強の直接ボンディング技術が後続して発展すると、より速い加工速度及びより低い後続のアニール温度を実現することができる。
仮底を剥離する際にボンディングチップに対してアニール処理を行う温度は、１５０〜４５０℃が要求される。
シリコンチップ又はパターンチップに対してイオン注入を行う前に、下記の操作が行われる。すなわち、パターンチップに対して化学湿式洗浄を行い、汚れを除去することで、金属と有機物の汚染を減少させ、その後、酸化処理を行い、８００〜１１５０℃でパターンチップの表裏面、縁とチャンバ内に０．１〜０．５μｍの厚さの酸化層を均一に成長させる。
マイクロ波ブレーク技術を用いて両側の仮底を剥離した後、貫通チャンバ構造を有するシリコンチップに対してＨＦで酸化層の洗浄・リンスを行って、分離インターフェースを除去し、表面状態が良好な表面を形成する。
従来技術よりも、本発明は、操作が標準的であり、製品の品質が有効に保証され、且つ製品のコストパフォーマンスが高く、総合的な技術的効果が良好であり、有望で極めて大きな経済的価値及び社会的価値を有する。
貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法原理の模式図である。
実施例１
貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法は、下記のステップをその順に実施する。
ステップ１、シリコンチップ又はパターンチップに対してイオン注入を行う。ステップ１の処理は、仮底が最後にマイクロ波ブレーク技術によって剥離され得るように、前処理を行うためである。
ステップ２、仮底にイオン注入し、シリコンチップを用いてパターンチップとボンディングする。ボンディングされたシリコンチップは仮底そのものであり、後続のステップにおいてパターンを密封し、機台を加工可能に保証する役割を果たし、ステップ２においてシリコンチップ直接ボンディング技術により、仮底導入の目的を果たす。
ステップ３、機械研削方法及び／又は化学研磨方法により研削・研磨を行い、ボンディングされたシリコンチップである仮底を基板とし、パターンチップを薄肉化し、パターンを露出させる深さまで研削し、もともと露出していないチャンバを露出させる。研削・研磨に機械研削及び化学研磨が使用されることでシリコンチップを設計要求に合致する指定の厚さ及び良好な粗さまで加工可能であり、後続の工程で用いられるものが状態良好な表面であることを保証する。
ステップ４、ボンディングする。ステップ１とステップ２の両ステップを実施した２つのシリコンチップに対して、パターン対パターンのボンディングを行う。仮底は、全体構造の上、下の両側に位置する。
ステップ５、仮底を剥離する。保護の役割を果たした仮底を低温アニール及びマイクロ波ブレーク操作により剥離し、貫通構造のシリコンチップを得る。アニールは、ボンディングインターフェースのボンディング力の向上、パターンボンディングインターフェースの良好なボンディング状態の保証、後続使用の信頼性の保証を同時に実現することができる。アニール処理は、パターンとパターンとのボンディングインターフェースのボンディング力を増加することに寄与し、貫通構造が形成された後、機器での加工に真空リンク問題が発生することを回避する。マイクロ波ブレークは、マイクロ波によりイオンの運動エネルギーを増加し、運動するイオンが互いに衝突して集まって小気泡を形成し、シリコンチップの押圧により、気泡の垂直ボンディングインターフェース方向における運動が制限され、ボンディングインターフェースに沿う方向に運動する傾向があり、小気泡がこうして大気泡として集まり、最終的に注入層でシリコンチップの分離がなされ、仮底が本体構造から剥離される。
ステップ４は、ステップ５の前処理であり、その目的は２つのパターンチップのチャンバを一緒に接続して準備を行うことである。研削・研磨に機械研削及び化学研磨が使用されることでシリコンチップを設計要求に合致する指定の厚さ及び良好な粗さまで加工可能であり、後続の工程で用いられるものが状態良好な表面であることを保証する。
シリコンチップ又はパターンチップに対してイオン注入を行う要求として、注入深さは表面から１μｍ〜０．００１μｍの範囲内であり、水素イオン注入のパラメータ要求として、１０〜１２０Ｋｅｖエネルギー、１Ｅ１５〜９Ｅ１６線量、１〜２０ｍＡビームであり、パラメータ制御により、注入を経たシリコンチップ表面の状態は良好であり、後続の加工に影響しないことを保証することができる。
シリコンチップを用いてパターンチップとボンディングする具体的な要求として、シリコンチップの粗さは５ｎｍ以下であり、シリコンチップを用いてパターンチップに直接接触させ、両者の表面の分子間作用力によって両者を一体に結合させる。
シリコンチップとパターンチップとのボンディングには、プラズマ増強の直接ボンディング方法が用いられる。具体的には、１つの通常のシリコンチップを用いてパターンチップと０〜９０ｓのプラズマ増強を行い、通常のシリコンチップをパターン付きの表面とボンディングし、通常のシリコンチップは仮底そのものである。工業のマルチボンディング力及び熱予算の削減の要求に応じて、プラズマ増強の直接ボンディング技術が後続して発展すると、より速い加工速度及びより低い後続のアニール温度を実現することができる。
仮底を剥離する際にボンディングチップに対してアニール処理を行う温度は、１５０〜４５０℃が要求される。
シリコンチップ又はパターンチップに対してイオン注入を行う前に、下記の操作が行われる。すなわち、パターンチップに対して化学湿式洗浄を行い、汚れを除去することで、金属と有機物の汚染を減少させ、その後、酸化処理を行い、８００〜１１５０℃でパターンチップの表裏面、縁とチャンバ内に０．１〜０．５μｍの厚さの酸化層を均一に成長させる。
マイクロ波ブレーク技術を用いて両側の仮底を剥離した後、貫通チャンバ構造を有するシリコンチップに対してＨＦで酸化層の洗浄・リンスを行って、分離インターフェースを除去し、表面状態が良好な表面を形成する。
従来技術よりも、本実施例は、操作が標準的であり、製品の品質が有効に保証され、且つ製品のコストパフォーマンスが高く、総合的な技術的効果が良好であり、有望で極めて大きな経済的価値及び社会的価値を有する。
実施例２
貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法が提供される。当該方法は、下記のステップをその順に実施する。
ステップ１、パターンチップに対して化学湿式洗浄を行い、汚れを除去し、金属と有機物の汚染を減少させ、その後、酸化処理を行い、８００〜１１５０℃でパターンチップの表裏面、縁とチャンバ内に０．１〜０．５μｍの厚さの酸化層を均一に成長させる。
ステップ２、パターンチップに対して１０〜１２０Ｋｅｖエネルギー、１Ｅ１５〜９Ｅ１６線量、１〜２０ｍＡビームの水素イオン注入を行う。
ステップ３、１つの通常のシリコンチップを用いてパターンチップと０〜９０ｓのプラズマ増強を行い、通常のシリコンチップをパターン付きの表面とボンディングし、通常のシリコンチップは仮底そのものである。
ステップ４、ステップ３を実施したボンディングチップで、パターンチップを研削し、仮底を基板とし、パターンチップを薄肉化し、パターンを露出させる深さまで研削する。
ステップ５、ステップ４を実施した両チップに対して０〜９０ｓのプラズマ増強のボンディングを行い、露出したパターンを密封し、仮底を全体構造の上下両側から露出させる。
ステップ６、ステップ５を実施したボンディングチップに対して１５０〜４５０℃のアニール処理を行い、パターンとパターンとのボンディングインターフェースのボンディング力を向上させ、貫通構造が形成された後、機器での加工に真空リンク問題が発生することを回避する。
ステップ７、マイクロ波ブレーク技術を用いて両側の仮底を剥離する。
ステップ８、貫通チャンバ構造を有するシリコンチップに対してＨＦで酸化層の洗浄・リンスを行って、分離インターフェースを除去し、表面状態が良好な表面を形成する。

Claims (5)

  1. 貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法であって、
    仮底となるシリコンチップ又はパターンチップに対してイオン注入を行うステップ１と、
    前記仮底となるシリコンチップを前記パターンチップとボンディングするステップ２と、
    機械研削方法及び／又は化学研磨方法により研削・研磨を行い、ボンディングされた前記仮底となるシリコンチップを仮底として当該仮底を基板とし、前記パターンチップを薄肉化し、パターンを露出させる深さまで研削し、もともと露出していないチャンバを露出させるステップ３と、
    ステップ１とステップ２の両ステップを実施した２つの仮底となるシリコンチップ及びパターンチップに対して、露出させたパターン対パターンのボンディングを行うステップ４と、
    保護の役割を果たした前記仮底を低温アニール及びマイクロ波ブレーク操作により剥離し、貫通チャンバ構造のシリコンチップを得るステップ５と、をこの順に実施することを特徴とする貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法。
  2. 前記仮底となるシリコンチップ又はパターンチップに対してイオン注入を行う際に、注入深さは表面から１μｍ〜０．００１μｍの範囲内であり、水素イオン注入のパラメータは、１０〜１２０Ｋｅｖエネルギー、１Ｅ１５〜９Ｅ１６線量、１〜２０ｍＡビームであり、
    前記仮底となるシリコンチップを前記パターンチップとボンディングする際には、前記仮底となるシリコンチップの粗さは５ｎｍ以下であり、前記仮底となるシリコンチップを前記パターンチップに直接接触させ、両者の表面の分子間作用力によって両者を一体に結合させることを特徴とする請求項１に記載の貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法。
  3. 前記仮底となるシリコンチップと前記パターンチップとのボンディングには、プラズマ増強の直接ボンディング方法が用いられることを特徴とする請求項２に記載の貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法。
  4. 前記仮底を剥離する時に、アニール処理を行う温度は、１５０〜４５０℃であることを特徴とする請求項３に記載の貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法。
  5. 前記仮底となるシリコンチップ又はパターンチップに対してイオン注入を行う前に、
    パターンチップに対して化学湿式洗浄を行い、汚れを除去することで、金属と有機物の汚染を減少させ、その後、酸化処理を行い、８００〜１１５０℃でパターンチップの表裏面、縁とチャンバ内に０．１〜０．５μｍの厚さの酸化層を均一に成長させ、
    マイクロ波ブレーク技術を用いて両側の仮底を剥離した後、貫通チャンバ構造を有するシリコンチップに対してＨＦで酸化層の洗浄・リンスを行って、分離インターフェースを除去し、表面状態が良好な表面を形成することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の貫通チャンバ構造のシリコンチップの加工方法。
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