JP6806781B2 - 集積デバイスを有する多層感光性ガラス - Google Patents
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Description
感光性ガラスセラミックは、加工中に温度及び時間に応じて、機械的なひずみをきたす。本発明は、電子、光又はＭＥＭＳデバイスを含有して、メタライゼーションに起因する機械的ひずみを事実上排除できる特有の垂直集積デバイス又はシステムレベルの構造体を作り出すことができる、多層及び単層の感光性構造体を作り出すことに関する。
感光ガラス構造体は、平面構造体上の他の素子システム又はサブシステムと併用した集積された電子、光及びＭＥＭＳデバイスなどのいくつかのマイクロマシニング（micromachining）及び微細加工プロセスに使用されている。ここ数年にわたって、より高い性能及び記録密度を達成するために、実装業界は、熱及び／又はＵＶ硬化プロセスを併用して、金属入りビア、エポキシ及び他の素子を介して接続したシリコンデバイスの多層を集積してきた。今まで、感光性ガラスはいずれも、制御されなければ、ガラス中の予め作製されたデバイス構造体をランダムに動かす、温度サイクルに応じた機構移動を有していた。
半導体、ＲＦ電子、マイクロ波電子、電子部品及び／又は光学素子用の新規な基板材料としての、感光性ガラスセラミック（ＡＰＥＸ（登録商標））又は他の感光性ガラス。一般に、感光性ガラスは、第１世代半導体設備を使用して、３段階の簡単なプロセスで加工され、最終材料は、ガラス、セラミックにすることができ、又は、ガラス及びセラミックの両方の領域を含有することができる。感光性ガラスセラミックは：容易に作製される高密度ビア、実証されているマイクロ流体デバイス性能、マイクロレンズ又はマイクロレンズアレイ、変圧器、インダクタ用伝送線路及び多くの他のデバイスを含む、現在の材料に勝るいくつかの強みを備える。感光ガラスは、幅広いマイクロシステム部品を作製するためのいくつかの利点を有する。マイクロ構造体は、従来の半導体又はＰＣボード加工設備を使用して、これらのガラスから比較的安価に製造されてきた。一般に、ガラスは、高温安定性、良好な機械的及び電気的性質を有し、プラスチック及び多くの金属よりも良好な化学的耐性を有する。感光ガラスの別の形態は、Schott Corporation社により製造されるＦＯＴＵＲＡＮ（登録商標）である。ＦＯＴＵＲＡＮ（登録商標）は、微量の銀イオン、その上、他の微量元素、具体的には、７５〜８５重量％の酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、７〜１１重量％の酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）、３〜６重量％の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、１〜２重量％の酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）、０．２〜０．５重量％三酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）又は酸化ヒ素（Ａｓ２Ｏ３）、０．０５〜０．１５重量％の酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、及び０．０１〜０．０４重量％の酸化セリウム（ＣｅＯ２）を含有するリチウム−アルミニウム−シリケートガラスを含む。感光性ガラスは、高温、ガラス転移温度（例えば、ＦＯＴＵＲＡＮ（登録商標）では空気中で４６５℃超。）のサイクルにかけられると、透明から黄色へと色ずれ（color shift）を被る。この重大な色ずれは、時間及び温度に直接関連する。温度が高いほど、また、時間が長いほど、色ずれは大きくなる。色ずれは十分に加工した感光性ガラスの熱サイクルの履歴を判定する容易な方法である。
酸化セリウムの吸収バンド内のＵＶ光に曝露させれば、酸化セリウムは、増感剤として作用し、光子を吸収し、電子を失い、これにより隣接する酸化銀が還元されて銀原子が形成され、例えば、
Ｃｅ３＋＋Ａｇ＋＝□Ｃｅ４＋＋Ａｇ０
となる。銀原子は、ベークプロセス中に銀ナノクラスター中で合体し、ガラスの周囲を結晶化するために核形成部位を誘導する。マスク越しにＵＶ光に曝露した場合、ガラスの曝露した領域のみが、後続の熱処理中に結晶化することになる。
Ｃｅ３＋＋Ａｇ＋＝□Ｃｅ４＋＋Ａｇ０
となる。銀原子は、ベークプロセス中に銀ナノクラスター中で合体し、ガラスの周囲を結晶化するために核形成部位を誘導する。マスク越しにＵＶ光に曝露した場合、ガラスの曝露した領域のみが、後続の熱処理中に結晶化することになる。
この熱処理は、ガラス転移温度（例えば、ＦＯＴＵＲＡＮ（登録商標）では空気中で４６５℃超）に近い温度にて行われなければならない。結晶性相は、エッチング液、例えばフッ化水素酸（ＨＦ，hydrofluoric acid）中で、曝露していないガラス質の非晶質領域より可溶性である。特に、ＦＯＴＵＲＡＮ（登録商標）の結晶性領域を、１０％ＨＦ中で、非晶質領域より約２０倍速くエッチングし、曝露した領域が除去される場合、約２０：１の壁面傾斜比（wall slopes ratios）を有するマイクロ構造体が可能になる。T. R. Dietrich et al., "Fabrication technologies for microsystems utilizing photo-sensitive glass," Microelectronic Engineering 30, 497 (1996)を参照されたく、これは、参照により本明細書に組み込まれる。
ガラス転移温度（例えば、ＦＯＴＵＲＡＮ（登録商標）では空気中で４６５℃超）近くに、感光性ガラスを変形させる作用により、基板における機械的永久ひずみの誘発に対して、エッチング及び複雑な３次元構造体の形成が促される。これらのランダムなひずみは、４００μｍもの大きさになり得る。数十ミクロンを超えるひずみは：ビア、ボンディングパッド、相互接続、ファイバーの配列、センサ及び他の集積デバイスを含む集積電子素子の配列を妨げ、これにより、デバイスを他の実装素子と正しく集積することが事実上不可能になる。感光性ガラスを、ガラス転移温度近くまで加工することにより作り出されるひずみは、ＡＰＥＸ（登録商標）ガラスにより実証されているように、組成で正しく制御できる。ＡＰＥＸ（登録商標）ガラスからの組成の変化さえも、銅ペーストのメタライゼーションに付随する機械的ひずみを防ぐことはできない。
T. R. Dietrich et al., "Fabrication technologies for microsystems utilizing photo-sensitive glass," Microelectronic Engineering 30, 497 (1996)
様々な形態の金属ペーストが、ガラス、セラミック又は他の基板のメタライゼーションに使用できる。これらの金属ペーストは：銀、金及び銅を含む。これらの金属ペーストのいずれも適用に都合がよいが、銅ペーストのメタライゼーションが、コスト及び性能の両方、その上、過去に用いられた実装及び加工技術のため、業界標準になっている。残念ながら、銅ペーストのメタライゼーションは、１時間までで、６００℃までの温度加工範囲及び時間プロファイルを有する。これらの時間及び温度は、各ガラス基板の物理的寸法にランダムシフトを誘発し、これにより、他のガラス層、ボンディングパッド又は他の実装素子との間に、構造体を配列する又は構造体を作り出すことが不可能になる。結果として、銅ペーストをメタライゼーションしたガラス基板を実装する能力は生じ得ない。しかし、複数の熱サイクルは、ランダムな熱クリープを悪化させ、あらゆる感光性ガラス、組成的に安定化した感光性ガラスの透過性に対してさえも光学的変化を誘発する。本発明は、熱クリープを最小限に抑える、及び／又は排除するので、確実な単一／多重レベル垂直相互接続及びモノリシックデバイス、並びに銅ペーストのメタライゼーションを可能にする感光性ガラス構造体の単層又は多層として、銅ペーストをメタライゼーションした感光性ガラスを製造するコスト効率の高い方法を提供する。機械的ひずみは、別々の感光性ガラス層に含有されるデバイスの１又は２以上の部分を有する多重レベルデバイス構造体を可能にし得る。
本発明は、銅をメタライゼーションした電子、光又はＭＥＭＳデバイスを含有できる多層及び単層の感光性構造体を作製する方法を含む。多層構造体は、２又は３以上の感光性ガラスウエハと、確実な多重レベル垂直相互接続及びモノリシックデバイスとのインターフェイス（interface）を可能にし、ここでデバイスの部分が各ガラス層に含有される。
１又は２以上の電子、光又はＭＥＭＳデバイスを含む銅ペーストをメタライゼーションした各層における複数のデバイスを伴う単一又は多層感光性ガラス構造体を作製する方法。メタライゼーションプロセスは、２５℃から６００℃まで１０℃／分の熱勾配速度（thermal ramp rate）、６００℃にて１０分間の保持、６００℃から２５℃への勾配の下降を必要とする金属ペーストを使用する。このほぼ３５分間のアニーリングサイクルは、銅の酸化を防止するために、すべて窒素下で実現される。一般に、メタライゼーションの熱サイクルは、感光性ガラス構造体において、ランダムな物理的永久ひずみ及び光透過性の変化を誘発する。プロセスフローは、銅ペーストを溶融及び高密度化して固体金属構造体とするために、アニーリングサイクルの時間及び温度の最小化を必要とするが、ガラスを長い時間曝露させること、及び温度サイクルは必要とされない
感光性ガラスは、電磁スペクトルのいくつかの部分を通す。感光性ガラスを通る電磁スペクトルのいくつかの部分は、銅及び銅ペーストにより吸収される。金属により吸収され、感光性ガラスを名目上（nominally）通る電磁スペクトルにより、従来のガラス又は感光性ガラス基板のメタライゼーションした銅ペーストの溶融及び高密度化が可能となる。ガラス基板における銅ペーストの溶融及び高密度化を達成できる電磁スペクトルは、誘導、マイクロ波又は高輝度ランプにより生成できるマイクロ波周波数、可視、近赤外及び中赤外スペクトルを含むが、それらに限定されない。
本発明の機構及び利点のより完璧な理解のために、ここで、本発明の詳細な説明について、添付の図と併せて言及する：
銅に対する吸収スペクトルのグラフを示す図である。
ＡＰＥＸ（登録商標）ガラスに対する吸収スペクトルのグラフを示す図である。
異なる熱サイクル及びＵＶ曝露後の、ＡＰＥＸ（登録商標）ガラスに対する光学スペクトルのグラフを示す図である。
急速熱アニーリング源に対するシリコン基板の温度サイクルのグラフを示す図である。
急速熱アニーリング源に対する光学スペクトルのグラフを示す図である。
本発明の様々な実施形態の製造及び使用が、以下で詳細に論じられているが、本発明が、広範な具体的状況において体現できる、多くの適用可能な発明の概念を示すことは認識されるべきである。本明細書で論じられている具体的な実施形態は、本発明を製造及び使用する具体的な手法の例示に過ぎず、本発明の範囲を制約しない。
図１は、銅に対する吸収スペクトルのグラフを示す。図２Ａ及び２Ｂは、ＡＰＥＸ（登録商標）ガラスに対する吸収スペクトルのグラフを示す。図３は、異なる熱サイクル及びＵＶ曝露後の、ＡＰＥＸ（登録商標）ガラスに対する光学スペクトルのグラフを示す。図４は、急速熱アニーリング源に対するシリコン基板の温度サイクルのグラフを示す。図５は、急速熱アニーリング源に対する光学スペクトルのグラフを示す。
金属により吸収され、感光性ガラスを名目上通る電磁スペクトルの供給源により、ペースト堆積プロセスで、従来のガラス又は感光性ガラス基板に堆積した金属の加熱、溶融及び高密度化が可能になり、この供給源は、好ましくは高輝度タングステンフィラメントランプである。高輝度タングステンフィラメントランプは、急速熱アニーリング（ＲＴＡ，rapid thermal annealing）又は急速熱処理（ＲＴＰ，rapid thermal processing）に使用される熱源である。温度時間は、基板における機構の位置を２０μｍ超まで変化させないようにし、また、ガラスの色ずれが７５ｎｍ未満になるようにする。実験により、時間を７００℃にて１０分未満にする、又は７０℃／分未満の温度時間比にする必要があることが示されている。ＲＴＡは、ガラス基板又はガラス基板積層体（stack）上で、単一の金属を優先的に加熱することからなる、半導体デバイスの作製に使用されるプロセスである。
従来のＲＴＡプロセスは、基板にランプ式加熱、ホットチャック（hot chuck）又はホットプレートを使用することにより行ってよい。ホットチャック又はホットプレートのＲＴＡは、ガラス基板に加えて、基板を加熱することになる。ランプ式加熱のＲＴＡプロセスは、金属を、ガラス基板の周囲よりも顕著に加熱し、ガラス基板において機械的永久ひずみ又は光学的変化を誘発することなく、金属の加熱による高密度化が可能になる。
ガラス基板における銅ペーストの溶融及び高密度化を達成できる電磁スペクトルは、誘導、マイクロ波又は高輝度ランプにより生成できる、マイクロ波周波数、可視、近赤外及び中赤外スペクトルを含むが、それらに限定されない。
本発明の理解を促すために、いくつかの用語が以下で定義されている。本明細書で定義されている用語は、本発明に関連性がある分野の業者により一般的に理解される意味を有する。「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」などの用語は、個々の存在物のみを指すことを意図しておらず、そのうちの具体例を例示に使用し得る一般的な部類を含む。本明細書の専門用語は、本発明の具体的な実施形態を記載するために使用されるが、特許請求の範囲に概説されている場合を除いて、その利用は本発明の範囲を定めない。
本発明及びその利点は、詳細に記載されているが、様々な変化、置換及び変更は、本明細書において、添付の特許請求の範囲により定義されている本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行われ得ることは理解されるべきである。さらに、本出願の範囲は、この明細書に記載されているプロセス、機械、製品、物質組成、手段、方法及びステップを、特定の実施形態に限定することを意図するものではない。当業者が、本発明の本開示から容易に認識するように、本明細書に記載されている対応した実施形態と、実質的に同一の機能を行う、又は実質的に同一の結果を達成する、現存する、又は後に開発されるプロセス、機械、製品、物質組成、手段、方法又はステップは、本発明に従って用いられ得る。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製品、物質組成、手段、方法又はステップをその範疇内に含むよう意図されている。
Claims (4)
- 十分に高密度にメタライズされたガラス基板を製造する方法であって、金属が、感光性ガラス構造体に比して優先的に加熱され、及び、又は、高密度化されており、
複数の電子、光、又はマイクロ電子的な機械的システムデバイスを含む単層感光性ガラス基板又は多層感光性ガラス基板を提供するステップであって、前記単層感光性ガラス基板又は前記多層感光性ガラス基板が、７５〜８５重量％の酸化ケイ素、７〜１１重量％の酸化リチウム、３〜６重量％の酸化アルミニウム、１〜２重量％の酸化ナトリウム、０．２〜０．５重量％の三酸化アンチモン又は酸化ヒ素、０．０５〜０．１５重量％の酸化銀、０．０１〜０．０４重量％の酸化セリウム及び微量の銀イオンを含む、前記提供するステップ、
銅ペーストを前記単層感光性ガラス基板又は前記多層感光性ガラス基板に堆積するステップ、及び
２５℃から６００℃まで１０℃／分の熱勾配速度、６００℃にて１０分間の保持、及び６００℃から２５℃への勾配下降で、前記銅ペーストの酸化を防止するための窒素下で、前記銅ペーストを加熱することにより高密度化するために、前記銅ペーストをアニーリングするステップを含み、
前記アニーリングするステップ後の、前記銅ペースト、又は前記単層感光性ガラス基板又は前記多層感光性ガラス基板の位置の変化が２０μｍ未満であり、かつ、
前記単層感光性ガラス基板又は前記多層感光性ガラス基板を透過する光の波長の変化が７５ｎｍ以下である、
前記方法。 - ２又は３以上の感光性ガラス構造体を集積する方法であって、１又は２以上の金属構造体が、前記２又は３以上の感光性ガラス構造体に比して優先的に加熱され、及び、又は、高密度化されており、
複数の電子、光、又はマイクロ電子的な機械的システムデバイスを含む２又は３以上の感光性ガラス基板を提供するステップであって、前記２又は３以上の感光性ガラス基板が、７５〜８５重量％の酸化ケイ素、７〜１１重量％の酸化リチウム、３〜６重量％の酸化アルミニウム、１〜２重量％の酸化ナトリウム、０．２〜０．５重量％三酸化アンチモン又は酸化ヒ素、０．０５〜０．１５重量％の酸化銀、０．０１〜０．０４重量％の酸化セリウム及び微量の銀イオンを含む、前記提供するステップ、
銅ペーストを前記２又は３以上の感光性ガラス基板に堆積するステップ、及び
２５℃から６００℃まで１０℃／分の熱勾配速度、６００℃にて１０分間の保持、及び６００℃から２５℃への勾配下降で、前記銅ペーストの酸化を防止するための窒素下で、前記銅ペーストを加熱することにより高密度化するために、前記銅ペーストをアニーリングするステップを含み、
前記アニーリングするステップ後の、前記銅ペースト或いは前記２又は３以上の感光性ガラス基板の位置の変化が２０μｍ未満であり、かつ、
前記２又は３以上の感光性ガラス基板を透過する光の波長の変化が７５ｎｍ以下である、
前記方法。 - 単層感光性ガラス構造体又は多層感光性ガラス構造体の１又は２以上の層のそれぞれにおいて、１又は２以上のデバイスを有する前記単層感光性ガラス構造体又は多層感光性ガラス構造体を製造する方法であって、
単層感光性ガラス基板又は多層感光性ガラス基板の１又は２以上の層のそれぞれにおいて、１又は２以上の電子、光、又はマイクロ電子的な機械的システムデバイスを有する前記単層感光性ガラス基板又は前記多層感光性ガラス基板を提供するステップであって、前記単層感光性ガラス基板又は前記多層感光性ガラス基板が、７５〜８５重量％の酸化ケイ素、７〜１１重量％の酸化リチウム、３〜６重量％の酸化アルミニウム、１〜２重量％の酸化ナトリウム、０．２〜０．５重量％の三酸化アンチモン又は酸化ヒ素、０．０５〜０．１５重量％の酸化銀、０．０１〜０．０４重量％の酸化セリウム及び微量の銀イオンを含む、前記提供するステップ、
銅ペーストを前記単層感光性ガラス基板又は多層感光性ガラス基板に堆積するステップ、及び
２５℃から６００℃まで１０℃／分の熱勾配速度、６００℃にて１０分間の保持、及び６００℃から２５℃への勾配下降で、前記銅ペーストの酸化を防止するための窒素下で、前記銅ペーストを加熱することにより高密度化するために、前記銅ペーストをアニーリングするステップを含む、
前記方法。 - アニーリングするステップが、銅ペースト、単層感光性ガラス基板又は多層感光性ガラス基板の位置の相対的変化を２０μｍ未満に制限する、或いは単層又は多層ガラス構造体を透過する光の波長の変化を７５ｎｍ以下に制限する、請求項３に記載の方法。
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