JP6870123B2 - 微小電子機械（ｍｅｍｓ）ファブリ・ペロー干渉計、装置、およびファブリ・ペロー干渉計を製造する方法 - Google Patents
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Description
本出願は、概して半導体装置に関する。具体的には、排他的にではないが、本出願はファブリ・ペロー干渉計（Fabry-Perot Interferometer：ＦＰＩ）、ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）を製造する方法、および装置に関する。より具体的には、本出願は、微小電子機械（MicroElectroMechanical System：ＭＥＭＳ）技術によって製造された電気的に調整可能なファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）に関する。
本項では、ここに記述するいずれの技術も最新技術の代表であると認めるものではないが、有用な背景情報について説明する。
ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）は一般的に、例えば、光学フィルタとして、および分光センサ内で用いられる。ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）は平行なミラーをベースとし、それらのミラー間の隙間内に（ファブリ・ペロー）キャビティが形成される。
ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）における通過帯域の波長は、ミラー間の距離、すなわち隙間の幅を調整することで制御可能である。この調整は通常は電気的に行われる。
電気的に調整可能なファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）の製造には、微小電子機械技術が用いられる場合がある。微小電子機械干渉計における従来技術の構造は、通常は、導電層と反射層とをドープした複数のシリコン層を含む。２つのミラー層の間にあらかじめ形成された二酸化ケイ素の犠牲層を除去することによって、可動ミラーが設けられる。可動ミラーの位置は、ミラー構造に含まれる電極に電圧を印加することで制御される。
微小電子機械製造技術によって、干渉計の連続生産が可能になる。しかしながら、干渉計および干渉計構成要素を製造する従来技術の解決策には、いくつかの欠点がある。
既知の解決策では、銀コーティングされたミラーをファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）内で用いる。また、ミラーが移動可能で固定されていないため、干渉計の切断、封入、および輸送に特別な処置が必要である。固定されていないミラーは、物理的圧力、温度や湿度の変化、汚染などの環境ストレスを受けやすい。
干渉計の生産コストは比較的高いため、コスト要件の厳しい大量生産品としての用途に用いることができなかった。
既知の解決策のさらなる欠点は、ミラー間に距離が短い隙間を設けることができないことに関する。これは、狭い隙間を設けることが難しいウェットエッチング法のためである。また、ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）は可視光線および紫外線を対象として製造されるため、光学層を薄くする必要がある。薄膜は不連続でピンホールを含むことがよくある。そのような膜は、ウェットエッチング中に損傷しやすい。そのため、従来技術は、可視域や紫外線域などの短い波長を対象とした電気的に調整可能なファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）の製造には不適である。
本発明の目的は、例えば前述の最新技術の問題を低減する方法および装置を提供することである。
請求の範囲において、本発明の例における様々な態様を提示する。
本発明の第１の例示的態様によると、微小電子機械（MicroElectroMechanical System：ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計が提供される。前記微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計は、
透明基板と、
前記透明基板上にあり、第１金属層と第１支持層とを含む第１金属ミラー構造と、
前記第１金属ミラー構造の上方であって、前記透明基板から見て前記第１金属ミラー構造の反対側にあり、第２金属層と第２支持層とを含む第２金属ミラー構造と、
前記第１支持層と前記第２支持層との間にあるファブリ・ペロー・キャビティと、
前記第１金属層および前記第２金属層に電気的接点を設けるための電極と、
を備え、
前記第１支持層と前記第２支持層とは平行であり、酸化アルミニウムと二酸化チタンの少なくとも一方を含み、
前記ファブリ・ペロー・キャビティは、前記第１金属ミラー構造上に絶縁層を設け、前記第２金属ミラー構造を設けた後に前記絶縁層を少なくとも部分的に除去することによって形成される。
透明基板と、
前記透明基板上にあり、第１金属層と第１支持層とを含む第１金属ミラー構造と、
前記第１金属ミラー構造の上方であって、前記透明基板から見て前記第１金属ミラー構造の反対側にあり、第２金属層と第２支持層とを含む第２金属ミラー構造と、
前記第１支持層と前記第２支持層との間にあるファブリ・ペロー・キャビティと、
前記第１金属層および前記第２金属層に電気的接点を設けるための電極と、
を備え、
前記第１支持層と前記第２支持層とは平行であり、酸化アルミニウムと二酸化チタンの少なくとも一方を含み、
前記ファブリ・ペロー・キャビティは、前記第１金属ミラー構造上に絶縁層を設け、前記第２金属ミラー構造を設けた後に前記絶縁層を少なくとも部分的に除去することによって形成される。
実施形態によっては、前記微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計は、前記透明基板の下に配置される第１酸化アルミニウム層と、前記透明基板の上に配置される第２酸化アルミニウム層と、をさらに備え、前記第２酸化アルミニウム層は、前記第１金属ミラー構造の前記第１支持層の一部である。
実施形態によっては、前記微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計は、前記第１酸化アルミニウム層の下に配置される下部絶縁層をさらに備え、前記下部絶縁層はオルトケイ酸テトラエチルを含む。
実施形態によっては、前記第１金属ミラー構造の前記第１金属層は、前記第２酸化アルミニウム層の上に配置される。
実施形態によっては、前記微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計は、前記第１金属層の上に配置される第３酸化アルミニウム層をさらに備え、前記第３酸化アルミニウム層は、前記第１金属ミラー構造の前記第１支持層の一部である。
実施形態によっては、前記微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計は、前記第１金属層（１２１）と接続するように配置される第１電気接点をさらに備え、前記第１電気接点と前記第１金属層との間において、前記第３酸化アルミニウム層の一部がウェットエッチングにより除去される。
実施形態によっては、前記微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計は、前記第３酸化アルミニウム層の上に配置される前記絶縁層をさらに備え、前記絶縁層はオルトケイ酸テトラエチルを含む。
実施形態によっては、前記微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計は、前記絶縁層の上に配置される第４酸化アルミニウム層をさらに備え、前記第４酸化アルミニウム層は、前記第２金属ミラー構造の前記第２支持層の一部である。
実施形態によっては、前記第２金属ミラー構造の前記第２金属層は、前記第４酸化アルミニウム層の上に配置される。
実施形態によっては、前記微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計は、前記第２金属層の上に配置される第５酸化アルミニウム層をさらに備え、前記第５酸化アルミニウム層は、前記第２金属ミラー構造の前記第２支持層の一部である。
実施形態によっては、前記微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計は、前記第２金属層と接続するように配置される第２電気接点をさらに備え、前記第２電気接点と前記第２金属層との間において、前記第５酸化アルミニウム層の一部がウェットエッチングにより除去される。
実施形態によっては、前記第２金属ミラー構造は、前記絶縁層の少なくとも一部を除去して前記第１金属ミラー構造と前記第２金属ミラー構造との間に調整可能なファブリ・ペロー・キャビティを設けるための貫通孔を有する。
実施形態によっては、透明基板は溶融石英ガラスまたは溶融シリカガラスを含み、酸化アルミニウムはＡｌ２Ｏ３を含み、二酸化チタンはＴｉＯ２を含む。
実施形態によっては、少なくとも１つの層は、原子層堆積（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）成長の酸化アルミニウム層、またはプラズマ促進化学蒸着（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition：ＰＥＣＶＤ）層を含む。
本発明の第２の例示的態様によると、前記第１の態様によるファブリ・ペロー干渉計を備える半導体装置が提供される。
本発明の第３の例示的態様によると、微小電子機械（MicroElectroMechanical System：ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計を製造する方法が提供される。前記方法は、
透明基板を設けることと、
第１の金属層と第１の支持層とを含む第１の金属ミラー構造を前記透明基板上に堆積させることと、
第２の金属層と第２の支持層とを含む第２の金属ミラー構造を、前記第１の金属ミラー構造の上方であって、前記透明基板から見て前記第１の金属ミラー構造の反対側に堆積させることと、
前記第１の支持層と前記第２の支持層との間にファブリ・ペロー・キャビティを形成することと、
前記第１の金属層および前記第２の金属層に電気的接点を設けるための電極を形成することと、
を含み、
前記第１の支持層と前記第２の支持層とは平行であり、酸化アルミニウムと二酸化チタンの少なくとも一方を含み、
前記ファブリ・ペロー・キャビティは、前記第１のミラー構造上に絶縁層を設け、前記第２のミラー構造を設けた後に前記絶縁層を少なくとも部分的に除去することによって形成される。
透明基板を設けることと、
第１の金属層と第１の支持層とを含む第１の金属ミラー構造を前記透明基板上に堆積させることと、
第２の金属層と第２の支持層とを含む第２の金属ミラー構造を、前記第１の金属ミラー構造の上方であって、前記透明基板から見て前記第１の金属ミラー構造の反対側に堆積させることと、
前記第１の支持層と前記第２の支持層との間にファブリ・ペロー・キャビティを形成することと、
前記第１の金属層および前記第２の金属層に電気的接点を設けるための電極を形成することと、
を含み、
前記第１の支持層と前記第２の支持層とは平行であり、酸化アルミニウムと二酸化チタンの少なくとも一方を含み、
前記ファブリ・ペロー・キャビティは、前記第１のミラー構造上に絶縁層を設け、前記第２のミラー構造を設けた後に前記絶縁層を少なくとも部分的に除去することによって形成される。
ここまで、本発明を拘束しない様々な例示的態様および実施形態を例示してきた。上記の各実施形態は、本発明の実装に利用されうる選択された態様またはステップを説明するためにのみ使用される。いくつかの実施形態は、本発明の特定の例示的態様への言及によってのみ提示されている場合もある。対応する実施形態は他の例示的態様にも適用できることを理解されるべきである。
本発明の例示的実施形態のより包括的な理解のために、以下の添付の図面と関連付けて以下に説明を行う。
実施形態において、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計が開示されている。微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計技術は、例えば、ハイブリッド集積能動回路によるマルチチップモジュール技術用の集積プラットフォーム内でも用いることができる。
微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計技術は、クリーンルームにおける薄膜加工に適した任意の透明基板に製作することができる。溶融シリカ、または石英は、その良好な特性のために一般的にＭＥＭＳ用途に用いられる。
溶融石英および溶融シリカは、石英の非晶質形態である。溶融石英は、自然の結晶石英、通常は自然の珪砂を精製し融解させることによって製造する。溶融シリカは、様々なシリコンガスから製造する、より純度の高い溶融石英である。化学式ＳｉＯ２として知られるシリカは、「純粋な」ガラスである。その他すべての商用ガラスは、ＳｉＯ２にその他のドーパントを添加して、融点温度を低くし、光学特性、熱特性、および機械特性を変更したものである。
溶融石英または溶融シリカの透明基板には多くの利点がある。そのような基板は膨張係数が極めて低く、他の耐火材料と比較して耐衝撃性がかなり強くなる。また、任意の標準的なガラスより高い透過特性を有する。標準的な半導体グレードの溶融石英では２２０ナノメートルから３ミクロンであり、多くのタイプの溶融シリカでは１７５ナノメートルから３ミクロンである。また、どのガラスよりも高い温度特性を有する。連続最高温度は部品のサイズと形状により９００℃から１１００℃であり、短時間であれば最高１４００℃までの温度に用いることができる。誘電率は極めて低く、ほぼすべての既知の材料の中で最も低い損失正接を有する。熱伝導率も非常に低く、溶解、曲げ加工、溶融、延伸、管状またはロッド状に溶着、研削、および研磨することができる。ほとんどのガラスよりも硬く、比較的大きいサイズで任意の形状に加工でき、フッ素化されていない酸、溶媒、およびプラズマに対して優れた耐性を有し、高純度の化学物質を含有するのに優れ、かつ、より大きい部品ではサファイヤより安価である。
本発明およびその潜在的な利点は、図面の図１から図５を参照することによって理解される。本文書において、同じ符号は同じ部分およびステップを示す。
図１は、本発明の一実施形態による微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計１００の模式図である。
半導体装置は、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計１００と、さらなる要素とを備えてもよい。さらなる要素は、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計１００の上または下に結合されうるダイ（図示せず）などである。また、回路基板（図示せず）が微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計１００の上または下に結合されてもよい。結合には、はんだボールを用いてもよい。
半導体装置は集積受動デバイス（Integrated Passive Device：ＩＰＤ）をさらに備えてもよく、ＩＰＤは、実装に応じてコンデンサ（例えばデカップリングコンデンサ）、レジスタ、またはインダクタを含んでもよい。集積受動デバイス（ＩＰＤ）は、例えば、半導体装置の第１表面（例えば上面）または第２表面に配置されてもよい。
微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計１００は、透明基板１１０と、第１金属ミラー構造１２０と、第２金属ミラー構造１３０と、ファブリ・ペロー・キャビティ１４０と、電極１５０、１５１とを備える。
第１金属ミラー構造１２０は透明基板１１０上に配置され、第１金属層１２１と第１支持層１２２、１２３とを含む。
第２金属ミラー構造１３０は、第１金属ミラー構造１２０の上方であって、透明基板１１０（下方）から見て第１金属ミラー構造１２０の反対側（図１の上方）に配置される。第２金属ミラー構造１３０は、第２金属層１３１と第２支持層１３２、１３３とを含む。第１支持層１２２、１２３と第２支持層１３２、１３３とは実質的に平行であり、酸化アルミニウムと二酸化チタンの少なくとも一方を含む。
ファブリ・ペロー・キャビティ１４０は、第１支持層１２２、１２３と第２支持層１３２、１３３との間に生成される。ファブリ・ペロー・キャビティ１４０は、第１金属ミラー構造１２０上に絶縁層１４１を設け、第２金属ミラー構造１３０を設けた後に絶縁層１４１を少なくとも部分的に除去することによって形成される。そのようなキャビティ１４０を形成することによって、駆動電極による静電作動により第２金属ミラー構造１３０が第１金属ミラー構造１２０に向かって移動可能になる。
第１金属層１２１および第２金属層１３１に電気的接点を設けるために、少なくとも２つの電極１５０、１５１が配置される。
透明基板１１０の下に第１酸化アルミニウム層１１１を配置してもよく、透明基板１１０の上に第２酸化アルミニウム層１２２を配置してもよい。第２酸化アルミニウム層１２２は、第１金属ミラー構造１２０の第１支持層１２２、１２３の一部である。
第１酸化アルミニウム層１１１の下に下部絶縁層１１２を配置してもよい。下部絶縁層１１２はオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を含む。
実施形態によっては、少なくとも１つの絶縁層１１２、１４１は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）から生成された二酸化ケイ素を含んでもよい。
第２酸化アルミニウム層１２２の上に第１金属ミラー構造１２０の第１金属層１２１を配置してもよい。
第１金属層１２１の上に第３酸化アルミニウム層１２３を配置してもよい。第３酸化アルミニウム層１２３は、第１金属ミラー構造１２０の第１支持層１２２、１２３の一部である。
第１金属層１２１と接続するように第１電気接点１５０を配置してもよい。第１電気接点１５０と第１金属層１２１との間において、第３酸化アルミニウム層１２３の一部が例えばウェットエッチングによって除去される。例えば選択性が十分である場合、ドライエッチングを用いてもよい。
第３酸化アルミニウム層１２３の上に絶縁層１４１を配置してもよい。絶縁層１４１はオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を含む。
絶縁層１４０の上に第４酸化アルミニウム層１３２を配置してもよい。第４酸化アルミニウム層１３２は、第２金属ミラー構造１３０の第２支持層１３２、１３３の一部である。
第４酸化アルミニウム層１３２の上に第２金属ミラー構造１３０の第２金属層１３１を配置してもよい。
第２金属層１３１の上に第５酸化アルミニウム層１３３を配置してもよい。第５酸化アルミニウム層１３３は、第２金属ミラー構造１３０の第２支持層１３２、１３３の一部である。
第２金属層１３１と接続するように第２電気接点１５１を配置してもよい。第２電気接点１５１と第２金属層１３１との間において、第５酸化アルミニウム層１３３の一部が例えばウェットエッチングによって除去される。
第２金属ミラー構造１３０は、絶縁層１４１の少なくとも一部を除去して第１金属ミラー構造１２０と第２金属ミラー構造１３０との間にファブリ・ペロー・キャビティ１４０を設けるための貫通孔１３４を有する。
実施形態によっては、ファブリ・ペロー・キャビティ１４０は、フッ化水素酸（ＨＦ）蒸気によって犠牲酸化層（絶縁層１４１の一部）を除去することで加工する。フッ化水素酸（ＨＦ）は、高速なエッチングを可能にし、ケイ素に対する選択性が高いことから、微細加工に用いられる酸化ケイ素のタイプに理想的なエッチング液である。ＨＦエッチングは、ＭＥＭＳ加工における犠牲酸化層の除去に用いてもよい。
実施形態によっては、例えば、透明基板１１０は溶融石英ガラスまたは溶融シリカガラスを含み、酸化アルミニウムはＡｌ２Ｏ３を含み、二酸化チタンはＴｉＯ２を含む。
支持層１２２、１２３と１３２、１３３の少なくとも一方は、Ａｌ２Ｏ３またはＴｉＯ２コーティングされたファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）ミラーを含む。
Ａｌ２Ｏ３コーティングは、例えば原子層堆積（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）を用いて堆積させてもよい。
Ａｌ２Ｏ３は、加工プロセスフロー中に、例えばウェットエッチングに対する金属層１２１、１３１の保護層として用いてもよい。
実施形態によっては、第１金属層１２１および第２金属層１３１は、特定の形状および／または複数の領域にパターニングされてもよく、そのような形状／領域は、ミラー構造１２０と１３０の少なくとも一方に対する静電作動を形成してもよい。
実施形態によっては、第１金属ミラー構造１２０は、第１金属層１２１を複数の領域に分割する少なくとも１つの溝１２４を有してもよく、これらの領域は作動／駆動電極を形成してもよい。そのような電極を特定のＤＣまたはＡＣ信号に接続することで、第２金属ミラー構造１３０を第１金属ミラー構造１２０に向かって引き寄せることができる。
実施形態によっては、ミラー機能は金属層１２１、１３１によって提供される。また、目的は、底部金属層１２１および関連する金属ミラー構造１２０と組み合わせると、調整可能なファブリ・ペロー干渉計１００を形成する、懸架式金属ミラー構造１３０を設けることである。このような構造の金属層を支持するために、酸化アルミニウム層を配置してもよい。
実施形態によっては、第１金属層１２１は、特定の形状および／または複数の領域にエッチングされてもよく、溝１２４が形成されてもよい。
実施形態によっては、第２金属層１３１は、特定の形状および／または複数の領域にエッチングされてもよく、溝１３４および／または貫通孔１３４が形成されてもよい。
図２は、本発明の一実施形態による微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計１００の別の模式図である。
実施形態によっては、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計１００は、金属ミラー構造１２０と１３０の少なくとも一方に対する電気制御をさらに備えてもよい。金属ミラー構造１２０と１３０の少なくとも一方は、梁構造（例えば、第２金属ミラー構造１３０）として利用されてもよい。この梁構造は、その両端が、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計１００の固定要素に固定される。
実施形態によっては、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計１００は、梁構造（例えば、第２金属ミラー構造１３０）の下方に設けられる少なくとも１つの下部駆動電極２１０と、梁構造（例えば、第２金属ミラー構造１３０）の下部表面上に設けられ、基板１１０に対向する少なくとも１つの上部駆動電極２１１とをさらに備えてもよい。したがって、上部駆動電極２１１と下部駆動電極２１０との間に電位差が設定されると、梁構造（例えば、第２金属ミラー構造１３０）は静電引力によって基板１１０に引き寄せられるため、電極２１０、２１１の制御信号に基づいて金属ミラー構造１２０、１３０間の距離が変わり、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計１００の特性が調整される。
実施形態によっては、駆動電極２１０、２１１は金属ミラー構造１２０、１３０の金属層１２１、１３１にそれぞれ統合され、電位差に対するバイアス電圧を供給してもよい。
また、ファブリ・ペロー・キャビティ１４０（空隙）が金属ミラー構造１２０、１３０間と、電極２１０、２１１間にも存在する。
実施形態によっては、バイアス電圧が（駆動電極または金属層を介して）印加されると、少なくとも１つの電極が熱膨張してキャビティ１４０の方向にシフトしてもよい。
実施形態によっては、バイアス電圧が印加されると、第２バイアス電極１３１、２１１が正に帯電して正電荷が蓄積されてもよく、第１バイアス電極１２１、２１０が負に帯電して負電荷が蓄積されてもよい。一方、キャビティ１４０の電荷は、バイアス電圧の印加に関係なく、０に維持されてもよい。しかしながら、実際は、キャビティ１４０に電荷が蓄積されることがよくある。したがって、１４０内で検出される絶縁体の電荷は必ずしも０ではない。
実施形態によっては、金属ミラー構造１２０、１３０は、互いに相対的かつ代わり代わりに移動可能である。金属ミラー構造１２０の底部金属層１２１は、パターニング（溝１２４）されて電極領域（溝１２４間の部分）を形成してもよく、例えば、パターニングされた上部ミラー電極１３１領域と共に、ＤＣまたはＡＣモードにおける上部ミラー構造１３０の静電作動に用いることができる。
図３は、本発明の一実施形態による、電気的に調整可能なファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）の例示的な製造プロセスの段階である。
段階３１０において、石英基板などの透明基板１１０が設けられ、透明基板１１０の上部表面と下部表面の両方が、Ａｌ２Ｏ３などの酸化アルミニウムを用いてコーティングされて、透明基板１１０の下に第１酸化アルミニウム層１１１が配置され、透明基板１１０の上に第２酸化アルミニウム層１２２が配置される。
層１１１、１２２の厚さは一般的に、当該層の材料内における放射線の動作波長の４分の１または２分の１である。この場合、層１１１、１２２の厚さは、例えば２０ｎｍであってもよい。これらの層１１１、１２２は、例えばＡＬＤ（原子層堆積）プロセスによって基板１１０に堆積させることができる。ＡＬＤプロセスの温度は、例えば１００〜３００°Ｃにすることができる。しかしながら、（ＦＰＩキャビティのための）ポリマーの絶縁層はこの段階では設けられていないため、より高い温度を用いる代替のプロセスを用いることもできる。
段階３２０において、第１酸化アルミニウム層１１１の下に下部絶縁層１１２が配置される。下部絶縁層１１２はオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を含む。下部絶縁層１１２は、例えばＡＬＤを用いて堆積させてもよい。下部絶縁層１１２の厚さは、例えば５０ｎｍであってもよい。さらに、第２酸化アルミニウム層１２２の上に第１金属層１２１が配置される。第１金属層１２１は、例えばＡｇ（銀）を含んでもよい。第１金属層１２１は、例えば、Ａｇなどの適切な金属のスパッタリングまたは蒸着によって形成してもよい。第１金属層１２１は、ＦＰＩ１００におけるミラーの電極を形成する。第１金属層１２１は、パターニングされ、パターン外の所望の場所３２１から金属を除去するためにウェットエッチングされてもよい。例えば、第１金属層１２１は、特定の形状および／または複数の領域にエッチングされてもよく、溝１２４が形成されてもよい。
段階３３０において、第１金属層１２１の上に第３酸化アルミニウム層１２３が配置される。第３酸化アルミニウム層１２３は、第１金属ミラー構造１２０の第１支持層１２２、１２３の一部である。層１２３は、例えばＡＬＤ（原子層堆積）プロセスによって堆積させることができる。層１２３の厚さは、例えば２０ｎｍであってもよい。
第３酸化アルミニウム層１２３の上に絶縁層３３１が配置される。絶縁層３３１はオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を含む。絶縁層３３１は、例えばＡＬＤを用いて堆積させてもよい。絶縁層３３１の厚さは、例えば５０ｎｍであってもよい。
さらに、第１金属層１２１と接続するように第１電気接点１５０が配置される。第３酸化アルミニウム層１２３（および絶縁層３３１）の一部が、第１電気接点１５０と第１金属層１２１との間において、例えばウェットエッチングによって除去される。
段階３４０において、第３酸化アルミニウム層１２３（および絶縁層３３１）の上に絶縁層１４１が配置される。絶縁層１４１は、例えばオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を含む。絶縁層１４１は、例えばＡＬＤ（原子層堆積）プロセスによって堆積させることができる。層１４１の厚さは、例えば１４５０ｎｍであってもよい。
さらに、絶縁層１４１を、酸化物エッチング、例えばＳＴＳ社製の改良型酸化物エッチング（Advanced Oxide Etch：ＡＯＥ）を用いて第１電気接点１５０の上でエッチングしてもよい。
段階３５０において、絶縁層１４１の上に第４酸化アルミニウム層１３２が配置される。第４酸化アルミニウム層１３２は、例えばＡＬＤ（原子層堆積）プロセスによって堆積させることができる。層１３２の厚さは、例えば７０ｎｍであってもよい。
さらに、第４酸化アルミニウム層１３２の上に第２金属層１３１が配置され、第２金属層１３１の上に第５酸化アルミニウム層１３３が配置される。第４酸化アルミニウム層１３２および第５酸化アルミニウム層１３３は、第２金属ミラー構造１３０の第２支持層１３２、１３３の一部である。
第２金属層１３１は、例えばＡｇ（銀）を含んでもよい。第２金属層１３１は、例えば、Ａｇなどの適切な金属のスパッタリングまたは蒸着によって形成してもよい。第２金属層１３１は、ＦＰＩ１００におけるミラーの電極を形成する。第２金属層１３１は、パターニングされ、パターン外の所望の場所から金属を除去するためにウェットエッチングされてもよい。
第４および第５酸化アルミニウム層１３２、１３３は、例えばＡＬＤ（原子層堆積）プロセスによって堆積させることができる。層１３２、１３３それぞれの厚さは、例えば７０ｎｍであってもよい。第５酸化アルミニウム層１３３の上に、さらなる絶縁層３５１を配置してもよい。このさらなる絶縁層は、例えばオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を含む。このさらなる絶縁層３５１は、例えばＡＬＤ（原子層堆積）プロセスによって堆積させることができる。このさらなる絶縁層３５１の厚さは、例えば５０ｎｍであってもよい。
さらに、第２金属層１３１と接続するように第２電気接点１５１が配置される。第５酸化アルミニウム層１３３（およびさらなる絶縁層３５１）の一部が、第２電気接点１５１と第２金属層１３１との間において、例えばウェットエッチングによって除去される。
第２電気接点１５１は、例えば、アルミニウムを含んでもよく、厚さが５００ｎｍであってもよい。
段階３６０において、第２金属ミラー構造１３０が加工され、絶縁層１４１の少なくとも一部を除去して第１金属ミラー構造１２０と第２金属ミラー構造１３０との間にファブリ・ペロー・キャビティ１４０を設けるための貫通孔１３４が設けられる。第２金属ミラー構造１３０に貫通孔１３４を設けるために、パターニングおよびエッチングを用いることができる。これらの孔は、絶縁層１４１の一部を除去するために必要とされる。さらに、絶縁層１４１および第２支持層１３２、１３３を、酸化物エッチング、例えばＳＴＳ社製の改良型酸化物エッチング（ＡＯＥ）を用いて第１電気接点１５０の上でエッチングしてもよい。第２金属ミラー構造１３０に貫通孔１３４を加工するために、プラズマエッチングを用いてもよい。
さらに、ウェットエッチングだけでなく、裏側リソグラフィが実行される。表側はフォトレジスト（PhotoResist：ＰＲ）で保護される。下部絶縁層１１２の一部が除去され、下部絶縁層１１２の下に（例えばアルミニウムの）金属層要素３６１が配置される。下部絶縁層１１２の一部を除去することで、開口部が設けられる。この開口部は、例えば、ＦＰＩ１００への光を通すために用いてもよい。
実施形態によっては、少なくとも１つの層の堆積は、例えばＰＥＣＶＤシランプロセス／酸化を用いて行ってもよい。
実施形態によっては、少なくとも１つの金属層の表面に延在する金属層要素に少なくとも１つのバリア層を形成してもよい。
このバリア層は、低圧化学蒸着窒化物（Low-Pressure Chemical Vapor Deposition nitride：ＬＰＣＶＤ ＳｉＮ）またはプラズマ促進化学蒸着窒化物（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition nitride：ＰＥＣＶＤ ＳｉＮ）を含んでもよい。
半導体装置の少なくとも１つの絶縁層は、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）などのプラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）層を含んでもよい。
図４は、本発明の一実施形態による方法のフローチャートである。
微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計を製造する方法は、ステップ４１０から開始する。
ステップ４２０において、透明基板を設ける。このステップは、例えば、一般的な反応ツールの反応空間に基板を搬入することを含んでもよい。反応ツールは、例えば、ＡＬＤタイプのプロセスの実行に適したツールである。
ステップ４３０において、第１金属層と第１支持層とを含む第１金属ミラー構造を透明基板上に堆積させる。
ステップ４４０において、第２金属ミラー構造を、第１金属ミラー構造の上方であって、透明基板から見て第１金属ミラー構造の反対側に堆積させる。第２金属ミラー構造は第２金属層と第２支持層とを含む。第１支持層と第２支持層とは平行であり、酸化アルミニウムと二酸化チタンの少なくとも一方を含む。
ステップ４５０において、ファブリ・ペロー・キャビティを、第１支持層と第２支持層との間に形成する。このキャビティは、第１金属ミラー構造上に絶縁層を設け、第２金属ラー構造を設けた後に絶縁層を少なくとも部分的に除去することによって形成する。
ステップ４６０において、第１金属層および第２金属層に電気的接点を設けるために、電極を形成する。
ステップ４７０において、方法を終了する。
前述の方法におけるステップは、記載と異なる順序で提示してもよく、図４のステップ間に追加のステップを実行してもよい。
実施形態によっては、酸化アルミニウムを含む不動態化層を基板の表面に形成し、不動態化層と導電電極との間にバリア層を加工することで、不動態化層と導電電極との間の化学的相互作用によって生じる影響から保護してもよい。
チタンと酸素、タンタルと酸素、ジルコニウムと酸素、ハフニウムと酸素、または上記いずれかの組合せ、または上記いずれかとアルミニウムと酸素との組合せを含むバリア層を不動態化層上に堆積させてもよく、この堆積は、反応空間内で不動態化層を２つ以上の異なる前駆体（少なくとも１つは酸素の前駆体である）に交互に暴露させて表面反応を繰り返すことによって行い、アルミニウムペーストを含む層をバリア層上に形成することによって、不動態化層上に堆積されたバリア層上に導電電極を形成する。
その後、反応空間を、酸化アルミニウムを含む不動態化層を形成するのに適切な圧力にポンプダウンしてもよい。反応空間は、例えば機械的真空ポンプを用いて適切な圧力にポンプダウンすることができる。または、大気圧ＡＬＤシステムおよび／またはプロセスの場合、大気から堆積ゾーンを保護するようにガスフローを設定することができる。用いた方法によって不動態化層を形成するために適した温度に、基板を加熱してもよい。基板は、例えば、気密ロードロック方式または単に装填ハッチによって反応空間に導入することができる。基板は、例えば、反応空間全体も加熱する抵抗加熱要素によって加熱することができる。
基板と反応空間が目標温度および堆積に適したその他の条件に達した後、不動態化堆積物が実質的にシリコン表面に直接堆積するように、シリコン表面を調整することができる。この、不動態化層が堆積される表面の調整には、膜表面における不純物および／または酸化の化学的浄化を含めることができる。シリコン表面が酸化環境を介して反応空間に導入された場合、例えば、暴露表面が、ある堆積ツールから別の堆積ツールに搬送される場合、酸化物の除去は特に有益である。シリコン膜の表面から不純物および／または酸化物を除去するプロセスの詳細は、本明細書を参照する当業者には明白であろう。本発明のいくつかの実施形態において、当該調整は、ｅｘ−ｓｉｔｕ、すなわちＡＬＤタイププロセスに適したツールの外部で実施することができる。
基板の調整後、シリコン基板上に直接、不動態化層（例えば酸化アルミニウムを含む）を形成するために、堆積表面を異なる前駆体化学物質に交互に暴露させることを開始してもよい。堆積表面を前駆体に暴露させるたびに、対応する前駆体と堆積表面との吸着反応の結果として、堆積表面上にさらなる堆積物が形成される。
ＡＬＤタイプ堆積に適した一般的な反応器は、次の前駆体化学物質を反応空間に導入する前に、余分な化学物質や反応副生成物を反応空間からパージできるように、窒素やアルゴンなどのキャリアガスを反応空間に導入するシステムを備える。この機能と、気化した前駆体の制御された供給とにより、反応空間内または反応器の他の部分内で異なる前駆体同士が顕著に混ざり合うことなく、基板表面を前駆体に交互に暴露させることができる。実際は、堆積プロセス全体においてキャリアガスは反応空間内に普遍的に連続して流れており、キャリアガスによって、様々な前駆体のみが交互に反応空間に導入される。
基板上の不動態化層の厚さは、堆積表面を異なる前駆体に暴露させる回数によって制御できる。不動態化層の厚さは、目的の厚さになるまで増加され、その後、少なくとも１つの絶縁層が堆積される。
絶縁層の堆積は、本発明の一実施形態において、不動態化層の堆積が終了した直後に、同じ堆積ツール内でＡＬＤタイププロセスによって実行される。この場合、絶縁層の堆積は、単に、不動態化層の堆積に用いた前駆体化学物質を、絶縁層の堆積に適した前駆体化学物質へと変更することによって開始できる。
実施形態によっては、半導体装置は、ダイ上に付加された微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計を含むボンドワイヤパッケージを含む。ダイはリードフレーム上に設けてもよい。リードフレームは、ピングリッドアレイ（Pin Grid Array：ＰＧＡ）パッケージ、クワッドフラットノンリード（Quad Flat Non-leaded：ＱＦＮ）パッケージ、またはその他のパッケージであってもよい。リードフレームは第１パッドを含んでもよく、プリント基板（Printed Circuit Board：ＰＣＢ）上に実装されてもよい。微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計とダイとの間に中間層を設け、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計をダイに接続してもよい。微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計、ダイ、および中間層によって、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計およびダイを置き換えてもよい。
実施形態によっては、金属化層は、受動デバイス、受動デバイスの一部、および／または相互接続デバイス（例えば、カプラ、ジャンパ、トレースなど）を含んでもよい。
微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計は、絶縁層または第２基板と、金属化層とを含んでもよい。絶縁層または第２基板は、金属化層の間に設けられる。絶縁層または第２基板はバイアを含んでもよい。バイアは、貫通ガラスバイア（Through Glass Via：ＴＧＶ）または貫通シリコンバイア（Through Silicon Via：ＴＳＶ）であってもよい。
微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計上に追加のパッドを設けてもよい。当該パッドはボンドワイヤによって第１パッドに接続されてもよい。当該パッドは、例えば、金属化層、および／または金属化層内の受動デバイスに接続されてもよい。
開示した微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）１００チップは、誘電体ミラーＭＥＭＳ−ＦＰＩよりも大きい波長範囲をカバーしてもよい。一般的に、誘電体ミラーＭＥＭＳ−ＦＰＩは、設計波長の±１０〜１５％の波長範囲に調整することができる。動作波長範囲外では、誘電体ミラーＭＥＭＳ−ＦＰＩは高い透過率を有する。これに対し、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）１００の金属ミラーは、ＦＰＩの空隙１４０が建設的干渉に対応するスペクトルバンドのみを透過する。このため、例えば、ＲＧＢタイプの画像センサに基づく広スペクトル範囲のハイパースペクトル撮像装置に用いることができる。
図５は、本発明の一実施形態による微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）１００を備える装置５００の模式図である。
装置５００は、例えばハイパースペクトル撮像装置であってもよい。
実施形態によっては、ハイパースペクトル撮像装置５００は、図示するように微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）１００を備える。微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）１００は、例えば、光用の開口部を有する支持板７１０上に配置される。開口部の作成については、例えば、図１から図３を参照されたい。
実施形態によっては、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）チップ１００は、２つのウェハレベル光学レンズ７２０、７３０の間に配置される。第１レンズ７２０（ウェハレベル撮像レンズ）は、ＦＰＩ１００に入射する光をコリメートし、第２レンズ７３０（ウェハレベル集束レンズ）は、対象物の画像を画像センサ７４０に集束させる。したがって、１立方センチメートルの寸法内に極めてコンパクトなハイパースペクトル撮像装置５００を構築することができる。
以下に記載する請求の範囲、その解釈、または適用をなんら限定することなく、本明細書に開示した例示的実施形態の１つ以上における技術的効果は、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計の性能の改善である。本明細書に開示した例示的実施形態の１つ以上における別の技術的効果は、微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計の加工プロセスの改善である。本明細書に開示した例示的実施形態の１つ以上における別の技術的効果は、信頼性が高くコンパクトな半導体装置の提供である。本明細書に開示した例示的実施形態の１つ以上におけるさらに別の技術的効果は、限られたサイズで広範囲の動作波長を有する微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計である。
本発明の様々な態様を個々の請求項に記載するが、本発明の他の態様は、記載した実施形態および／または従属項の機能と独立項の機能との他の組合せを含み、請求の範囲に明示的に記載した組合せのみに限られない。
本明細書において本発明の例示的実施形態を説明したが、これらの説明は限定的な意味で解釈されるべきではない。むしろ、添付の請求の範囲に定められた本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変形および修正を加えうる。
Claims (13)
- 透明基板と、
前記透明基板上にあり、第１金属層と第１支持層とを含む第１金属ミラー構造と、
前記第１金属ミラー構造の上方であって、前記透明基板から見て前記第１金属ミラー構造の反対側にあり、第２金属層と第２支持層とを含む第２金属ミラー構造と、
前記第１支持層と前記第２支持層との間にあるファブリ・ペロー・キャビティと、
前記第１金属層および前記第２金属層に電気的接点を設けるための電極と、
前記透明基板の下に配置される第１酸化アルミニウム層と、
前記透明基板の上に配置される第２酸化アルミニウム層と、
を備え、
前記第１金属層及び前記第２金属層は銀を含み、ミラー機能を提供し、
前記第１支持層と前記第２支持層とは平行であり、前記第１金属層及び前記第２金属層のための保護層として作用する酸化アルミニウムを含み、
前記第２酸化アルミニウム層は、前記第１金属ミラー構造の前記第１支持層の一部であり、
前記第１金属ミラー構造の前記第１金属層は、前記第２酸化アルミニウム層の上に配置され、
前記第１金属層及び前記第２金属層は、ファブリ・ペロー干渉計のミラーの電極を形成する、
微小電子機械（MicroElectroMechanical System：ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。 - 前記第１酸化アルミニウム層の下に配置される下部絶縁層をさらに備え、
前記下部絶縁層はオルトケイ酸テトラエチルを含む、
請求項１に記載の微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。 - 前記第１金属層の上に配置される第３酸化アルミニウム層をさらに備え、
前記第３酸化アルミニウム層は、前記第１金属ミラー構造の前記第１支持層の一部である、
請求項１又は２に記載の微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。 - 前記第１金属層と接続するように配置される第１電気接点をさらに備える、請求項３に記載の微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。
- 前記第３酸化アルミニウム層の上に配置される前記絶縁層をさらに備え、
前記絶縁層はオルトケイ酸テトラエチルを含む、
請求項３または４に記載の微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。 - 前記絶縁層の上に配置される第４酸化アルミニウム層をさらに備え、
前記第４酸化アルミニウム層は、前記第２金属ミラー構造の前記第２支持層の一部である、
請求項５に記載の微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。 - 前記第２金属ミラー構造の前記第２金属層は、前記第４酸化アルミニウム層の上に配置される、請求項６に記載の微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。
- 前記第２金属層の上に配置される第５酸化アルミニウム層をさらに備え、
前記第５酸化アルミニウム層は、前記第２金属ミラー構造の前記第２支持層の一部である、
請求項７に記載の微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。 - 前記第２金属層と接続するように配置される第２電気接点をさらに備える、請求項８に記載の微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。
- 前記第２金属ミラー構造は、前記絶縁層の少なくとも一部を除去して前記第１金属ミラー構造と前記第２金属ミラー構造との間に前記ファブリ・ペロー・キャビティを設けるための貫通孔を有する、請求項１から９のいずれかに記載の微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。
- 前記透明基板は溶融石英ガラスまたは溶融シリカガラスを含み、
前記酸化アルミニウムはＡｌ２Ｏ３を含み、
前記二酸化チタンはＴｉＯ２を含む、
請求項１から１０のいずれかに記載の微小電子機械（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計。 - 請求項１から１１のいずれかに記載のファブリ・ペロー干渉計を備える半導体装置。
- 透明基板を設けることと、
第１金属層と第１支持層とを含む第１金属ミラー構造を前記透明基板上に堆積させることと、
第２金属層と第２支持層とを含む第２金属ミラー構造を、前記第１金属ミラー構造の上方であって、前記透明基板から見て前記第１金属ミラー構造の反対側に堆積させることと、
前記第１支持層と前記第２支持層との間にファブリ・ペロー・キャビティを形成することと、
前記第１金属層および前記第２金属層に電気的接点を設けるための電極を形成することと、
前記透明基板の下に第１酸化アルミニウム層を配置することと、
前記透明基板の上に、前記第１金属ミラー構造の前記第１支持層の一部である第２酸化アルミニウム層を配置することと、
前記第１金属ミラー構造の前記第１金属層を、前記第２酸化アルミニウム層の上に配置することと、
を含み、
前記第１金属層及び前記第２金属層は銀を含み、ミラー機能を提供し、
前記第１支持層と前記第２支持層とは平行であり、前記第１金属層及び前記第２金属層のための保護層として使用される酸化アルミニウムを含み、
前記ファブリ・ペロー・キャビティは、前記第１金属ミラー構造上に絶縁層を設け、前記第２金属ミラー構造を設けた後に前記絶縁層を少なくとも部分的に除去することによって形成され、
前記第１金属層及び前記第２金属層は、ファブリ・ペロー干渉計のミラーの電極を形成する、
微小電子機械（MicroElectroMechanical System：ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロー干渉計を製造する方法。
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