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技術 隆起特徴部を有する熱圧着

出願人 イノベイティブマイクロテクノロジー
発明者 グードマン,クリストファールベル,ポール
出願日 2016年6月9日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2018-560114
公開日 2019年8月29日 (1年5ヶ月経過) 公開番号 2019-523983
状態 特許登録済
技術分野 マイクロマシン 圧接、拡散接合 ボンディング
主要キーワード 隆起特徴 接着接合強度 原子運動 凹凸変形 微細加工デバイス 接合ライン 印加力 例示的実施
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年8月29日)のものです。
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図面 (10)

課題・解決手段

第1及び第2のシリコン基板を提供するステップと、第1及び第2のシリコン基板の少なくとも1つに隆起特徴部を提供するステップと、第1及び第2のシリコン基板上に金層を形成するステップと、前第1の基板を第2の基板に対して押圧して、隆起特徴部の周り熱圧着を形成するステップとを含む。対向する表面上の隆起特徴部によってもたらされる高い初期圧力は、隆起特徴部の破砕を伴わずにハーメチック接合を提供し、隆起特徴部を対向する表面に完全に埋め込むことによって、2つの接合面が接触することを可能にする。この大きな接触面積は高強度を提供する。

概要

背景

微小電気機械システムは、元来、半導体電子デバイスを製造するために開発されたリソグラフィ製造工程を使用して製造されるデバイスである。製造工程はリソグラフィであるため、MEMSデバイスは、大量に、また非常に小さいサイズで作製され得る。MEMS技術は、加速度計静電カンチレバーなど、多種多様トランスデューサ及びアクチュエータを製造するために使用されてきた。

MEMSデバイスは移動可能であることが多いので、それらの小型で繊細な構造が衝撃、振動汚染又は大気条件から保護されるように、剛性構造又は2つの基板間に形成されたデバイスの空洞内に封入され得る。このようなデバイスの多くはまた、適切な機能のために真空環境を必要とするため、排気後にこれらのデバイス空洞をハーメチック封止する必要があり得る。したがって、デバイス空洞は、ハーメチック接着剤を使用して接着された2つの基板の間に形成され得る。

熱圧着(TCB)は、2つの平坦な表面間のハーメチック封止を達成するために周知である。接合面積が大きければ、熱圧着は強力になる。しかし、場合によっては、表面粗さは、表面の凹凸による2つの接合面の分離のために、一般にハーメチックな接合を妨げる。他方、TCBは、接合中の負荷力が2つの接合面がもはや分離されないポイントまで表面の凹凸を塑性変形させることができるので、接合面積が小さい場合にはハーメチックにすることができる。しかし、この場合、接合は弱くなる。

また、接合ラインがますます狭くなると、適切な凹凸変形のために必要とされる高負荷圧力(>10MPa)の下でこれが破損する可能性が高くなる。これは歩留まりに悪影響を及ぼす。

より高い温度での接合は、しばしば接合界面の軟化による問題を緩和することが多いが、製品の多くはこれらの高温(>=300C)に耐えられない。

概要

第1及び第2のシリコン基板を提供するステップと、第1及び第2のシリコン基板の少なくとも1つに隆起特徴部を提供するステップと、第1及び第2のシリコン基板上に金層を形成するステップと、前第1の基板を第2の基板に対して押圧して、隆起特徴部の周りに熱圧着を形成するステップとを含む。対向する表面上の隆起特徴部によってもたらされる高い初期圧力は、隆起特徴部の破砕を伴わずにハーメチックな接合を提供し、隆起特徴部を対向する表面に完全に埋め込むことによって、2つの接合面が接触することを可能にする。この大きな接触面積は高強度を提供する。 a

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

第1の基板と第2の基板間の接合であって、第1の基板上の第1の金属層と、第2の基板上の隆起特徴部と、前記第2の基板及び前記隆起特徴部の上の第2の金属層を含み、前記第1の金属層と前記第2の金属層間の熱圧着の結果、前記第1の基板と前記第2の基板間の接着強度が前記隆起特徴部の近傍に生じる、接合。

請求項2

前記第2の基板及び前記隆起特徴部が共にシリコンである、請求項1に記載の接合。

請求項3

前記第1の金属層及び前記第2の金属層が共に約0.5〜6ミクロンの厚さを有する金である、請求項1に記載の接合。

請求項4

前記隆起特徴部が約3ミクロン未満の曲率半径を有する、請求項1に記載の接合。

請求項5

前記第1の基板及び前記第2の基板が、ガラス、金属、半導体又はセラミックのうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の接合。

請求項6

前記隆起特徴部は、前記第1の金属層内に完全に埋め込まれる、請求項1に記載の接合。

請求項7

前記隆起特徴部の幅は約5ミクロンであり、前記隆起特徴部の前記基板の平面上方の高さは約1ミクロンである、請求項1に記載の接合。

請求項8

前記第1の金属層及び前記第2の金属層の幅は、約50ミクロン〜約200ミクロンであり、前記幅は約50ミクロンから〜約200ミクロンの同じ寸法の接合ラインの幅を画定する、請求項1に記載の接合。

請求項9

前記隆起特徴部が、デバイスの周囲に、連続周縁部と、互いにある距離だけ離間された複数の離散した隆起特徴部の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の接合。

請求項10

前記第1の金属層及び前記第2の金属層の両方が、厚さ約0.5ミクロン〜6ミクロンの金、アルミニウム及び銅のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の接合。

請求項11

2つの基板を接合する方法であって、第1及び第2の基板を提供するステップと、前記第1の基板上に第1の金属層を形成するステップと、前記第2の基板内に隆起特徴部を設けるステップと、前記第2の基板上の前記隆起特徴部の上に第2の金属層を形成するステップと、熱圧着を達成するのに十分な温度、圧力及び持続時間で前記第1の基板を前記第2の基板に対して押圧して基板対を形成するステップと、前記隆起特徴部の周囲での前記第1の基板と第2の基板間の熱圧着接合によって接合するステップ、を含み、熱圧着の結果として前記第1の基板と第2の基板間の接着強度が前記隆起特徴部の近傍で生じる、方法。

請求項12

2つの基板を接合する方法であって、前記隆起特徴部を形成するステップは、前記第2の基板上に第1の酸化物層を形成するステップと、前記第1の酸化物層上にハードマスク層堆積するステップと、前記ハードマスクと前記第1の酸化物層とをパターニングするステップと、前記第2の基板上に第2の酸化物層を形成するステップと、前記第2の酸化物層を除去して前記第2の基板内に前記隆起特徴部を残すステップと、を含む方法。

請求項13

前記第2の酸化物層は、前記ハードマスク層の厚さの約2倍である、請求項12に記載の方法。

請求項14

前記第1の基板は、約20〜80kNの圧力で少なくとも約20分間、約200℃〜450℃の温度で前記第2の基板に押圧され、前記第1の基板及び第2の金属層の両方は、金、アルミニウム及び銅のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。

請求項15

前記隆起特徴部を形成するステップは、シリコンウェハ上に窒化シリコン層を形成するステップと、前記窒化シリコン層をパターニングするステップと、前記シリコン基板上に厚い熱酸化物成長させるステップと、前記熱酸化物をエッチング除去して前記隆起特徴部を残すステップと、を含む請求項11に記載の方法。

請求項16

前記熱酸化物の厚さは、前記窒化シリコン層の厚さの約2倍であり得る、請求項16に記載の方法。

請求項17

前記第1の基板が前記第2の基板に押圧されて基板対を形成するときに、前記隆起特徴部が前記第1の金属層に完全に埋め込まれる、請求項11に記載の方法。

請求項18

前記第1の金属層及び前記第2の金属層の両方が、金、アルミニウム及び銅のうちの少なくとも1つを含む、請求項11に記載の方法。

請求項19

前記第1の金属層及び前記第2の金属層の両方が金を含み、前記圧力が約40kNであり、前記持続時間が約45分であり、前記温度が約200〜約450℃である、請求項11に記載の方法。

技術分野

0001

[関連出願の相互参照
連邦政府による資金提供を受けた研究の記載
該当せず
マイクロティッシュ補遺に対する参照
該当せず
本発明は、2枚の微細加工基板接合する方法に関する。

背景技術

0002

微小電気機械システムは、元来、半導体電子デバイスを製造するために開発されたリソグラフィ製造工程を使用して製造されるデバイスである。製造工程はリソグラフィであるため、MEMSデバイスは、大量に、また非常に小さいサイズで作製され得る。MEMS技術は、加速度計静電カンチレバーなど、多種多様トランスデューサ及びアクチュエータを製造するために使用されてきた。

0003

MEMSデバイスは移動可能であることが多いので、それらの小型で繊細な構造が衝撃、振動汚染又は大気条件から保護されるように、剛性構造又は2つの基板間に形成されたデバイスの空洞内に封入され得る。このようなデバイスの多くはまた、適切な機能のために真空環境を必要とするため、排気後にこれらのデバイス空洞をハーメチック封止する必要があり得る。したがって、デバイス空洞は、ハーメチック接着剤を使用して接着された2つの基板の間に形成され得る。

0004

熱圧着(TCB)は、2つの平坦な表面間のハーメチック封止を達成するために周知である。接合面積が大きければ、熱圧着は強力になる。しかし、場合によっては、表面粗さは、表面の凹凸による2つの接合面の分離のために、一般にハーメチックな接合を妨げる。他方、TCBは、接合中の負荷力が2つの接合面がもはや分離されないポイントまで表面の凹凸を塑性変形させることができるので、接合面積が小さい場合にはハーメチックにすることができる。しかし、この場合、接合は弱くなる。

0005

また、接合ラインがますます狭くなると、適切な凹凸変形のために必要とされる高負荷圧力(>10MPa)の下でこれが破損する可能性が高くなる。これは歩留まりに悪影響を及ぼす。

0006

より高い温度での接合は、しばしば接合界面の軟化による問題を緩和することが多いが、製品の多くはこれらの高温(>=300C)に耐えられない。

発明が解決しようとする課題

0007

したがって、ハーメチックな空洞内に微細加工されたデバイスのパッケージング未解決の問題を残している。

課題を解決するための手段

0008

本発明は、ハーメチックな(密閉性気密性の)熱圧着を達成するために、接合面の1つの隆起特徴部を使用する。この特徴部の高さ及び曲率半径は、精密に制御可能である。特徴部は湾曲しているため(例えば、円筒形ピラミッド形又は球形)、接合工程中に加えられる負荷荷重)圧力に対して非常に頑強である。さらに、広い接合ラインの中心の隆起特徴部は、非常に小さな曲率半径(≦5ミクロン)で形成される。負荷圧力の下では、接合中に、隆起特徴部は対向する表面に完全に埋め込まれる。これにより、2つの接合面が接触する。したがって、対向面上の隆起特徴部の高い初期圧力は、隆起特徴部が破損せずにハーメチックな接合をもたらし、しかも隆起特徴部を対向表面内に完全に埋め込むことにより、2つの接合面が接触することか可能になる。この大きな接触面積は高強度をもたらす。

0009

したがって、方法は、第1及び第2の基板を設けるステップと、第1の基板上に第1の金属層を形成するステップと、第2の基板上に隆起特徴部を設けるステップと、第2の基板上の隆起特徴部の上に第2の金属層を形成するステップと、熱圧着を達成するのに十分な温度、圧力、及び持続時間で第1の基板を第2の基板に対して押圧することで基板対を形成するステップと、隆起特徴部の周囲での第1の金属層と第2の金属層間の熱圧着で基板対を接合するステップと、を含むことができ、第1の基板と第2の基板間の接着強度は、熱圧着の結果として隆起特徴部の近傍にある(で生じる)。

0010

結果として得られるデバイスは、第1の基板と第2の基板間の接合部を含むことができ、接合部は、第1の基板上の第1の金属層、第2の基板上に形成された隆起特徴部、及び第2の基板及び隆起特徴部上の第2の金属層を含み、前記第1の基板と第2の基板間の最大の接着強度が、第1の金属層と第2の金属層間の熱圧着の結果として、隆起特徴部の近傍にある(で生じる)。

0011

これらの、及び他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明に記載され、又はこれによって明らかになる。

図面の簡単な説明

0012

様々な例示的な詳細が、以下の図を参照して説明される。

0013

図1aは、接合前の接合層及び隆起特徴部の概略断面図であり、図1bは、接合後の接合層及び隆起特徴部の概略断面図である。

0014

図2は、接合後の接合、隆起特徴部、及び封止後のデバイスの平面図である。

0015

図3a〜3fは、隆起特徴部を形成するための工程を示す。

0016

図面は必ずしも縮尺通りではなく、同様の番号は同様の特徴を示すことを理解されたい。

実施例

0017

熱圧着は、密着させた2つの表面間の原子運動によって特徴付けられる。原子は、結晶格子振動に基づいて、一方の結晶格子から他方の結晶格子に移動する。この原子の相互作用は表面を接着する。2層の金(Au)を使用する熱圧着が公知であるが、この技術は上記の欠点を有する。アルミニウム(Al)及び銅(Cu)接合を含めて、他の材料も同様に熱圧着が可能である。以下に説明する実施形態は金熱圧着を対象とするが、アルミニウム(Al)及び銅(Cu)などの他の材料にもこの技術が適用され得ることを理解されたい。

0018

一実施形態では、基板及び隆起特徴部は両方ともシリコンであり、第1の金属層及び第2の金属層は共に金であり、厚さは約0.5〜6ミクロンである。他の実施形態では、基板は、ガラス、金属、半導体及びセラミックのうちの少なくとも1つを含み得る。以下の議論では、方法は、一対の製造基板未定組成の金属層の一般的な場合の方法が、特にシリコン基板及び金層に適した方法と同様に説明される。

0019

図1aは、接合前の2つの接合面100、110を示す。好ましくは、これらの表面は、厚さ0.5ミクロン〜6.0ミクロンのAuからなる金属層である。一方の面110にも隆起特徴部150が形成されている。金層110内の隆起特徴部150は、その上に形成された対応する隆起特徴部250を有する基板200上方の金材料共形堆積(conformal deposition)の結果であり得る。以下で説明するように、第2の基板300上の対向する金層100に対して塗布された場合、接着強度はこの隆起特徴部150の近傍に存在し得る(隆起特徴部150の近傍で発生し得る)。

0020

したがって、図1aには、第1の基板300上に形成された第1の金属層100、第2の基板200上に隆起特徴部250を覆って形成された第2の金属層110が示されている。第2金属層110の共形堆積は、第2の金属層の対応する隆起特徴部150をもたらし得る。

0021

この工程によるデバイスは、第1の基板上の第1の金属層と、第2の基板上の隆起特徴部と、第1の基板及び隆起特徴部の上方の第2の金属層とからなる第1の基板と第2の基板間の接合部を含むことができ、第1の基板と第2の基板間の接着強度は、第1の金属層と第2の金属層間の熱圧着の結果として隆起特徴部の近傍にある。「隆起特徴部の近傍」は、隆起特徴部の約10(ミクロン)の直径に及ぶ領域を意味し得ることを理解されたい。

0022

基板200内の隆起特徴部250は、図3a図3fに関して以下に説明する工程によって形成され得る。隆起特徴部250の幅(又は直径)は、約5ミクロンであってよく、基板の平面上方の隆起特徴部の高さは、約1ミクロンであってよい。隆起特徴部150の曲率半径は、約5ミクロン未満、好ましくは約3ミクロン未満であってよい。隆起特徴部は、例えば、より広い基部の上部がった(先細りの)、概して円筒形、球状又はピラミッド形状を有し得る。隆起特徴部の詳細な形状は、特徴部の作製に使用された技術の結果であり得る。隆起特徴部250は、図2に示されるように、デバイスの周りの連続的な外周であってもよく、又は互いにある距離だけ離間した複数の離散した隆起特徴部であってもよい。好ましくは、複数の隆起特徴部は、熱圧着が依然として達成され、接合が依然としてハーメチックであるように互いに十分に接近して離間されよう。したがって、複数の隆起特徴部は、デバイスから離間してデバイスを取り囲み、又は囲い込む一連の隆起特徴部を形成し得る。

0023

接合面の幅は、約50ミクロン〜約200ミクロンであってよい。接合後、これらの表面は、図1bに示すように見え得る。重要な点は、隆起特徴部150は、第1の金属層の材料、上面100に完全に埋め込まれている。より一般的には、第1の基板が第2の基板に対して押圧されて基板対を形成する際に、隆起特徴部が第1の金属層に完全に埋め込まれる。第1の基板及び第2の基板は平坦であるため、熱圧着の接触面積は、接合ラインの幅の少なくとも約75%を有し得る。幾つかの実施形態では、接合される接合ラインのパーセンテージは、接合ラインの幅から、この幅で分けられたミスアラインメント(ずれ/misalignment)を差し引いたものである。代表的には、幅は50μmであり、ミスアライメントは2μmであり、その結果、接合面積の割合は約96%になる。

0024

図2は、接合部、デバイスの空洞及び封入されたデバイスの平面図である。この接合ラインと隆起特徴部250は、ダイ又はデバイス220の周囲の実質的にハーメチックなシールを形成し得る。図2に示されるように、第1の金属層及び第2の金属層の幅は、約50ミクロン〜約200ミクロンであってよく、約50ミクロン〜約200ミクロンの同じ寸法の接合ラインの幅を画定し得る。第1の金属層及び第2の金属層は両方とも、厚さ約0.5ミクロン〜6ミクロンの金、アルミニウム及び銅の少なくとも1つを含み得る。MEMS又は集積回路(IC)などの微細加工デバイス220は、第1の基板又は第2の基板のいずれかの上に形成され得る。重要な点は、図2に見られるように、隆起特徴部250は、デバイス220の周囲に連続的な外周を形成し得ることである。

0025

一実施形態では、隆起特徴部250は、基板200の表面内に形成され、基板200の材料を含む。図3a図3fは、この実施形態における隆起特徴部を形成する工程を示す。シリコン基板200(図3a)から出発して、厚さ300−1000Aのパッド酸化物層205を応力緩和層として成長させ得る(図3b)。次に図3cでは、低圧化学気相成長LPCVD)は、Si3N4の層215を堆積し、次いで、図3dに示されるように、パターニング工程が実施されて、下層にあるSiの局部酸化を防止する。このパターン化された特徴部の幅は、隆起特徴部の曲率半径を決定する。この時点で、図3eに示されるように、厚い熱酸化物225が成長する。この酸化物層の厚さは、必要とされる隆起特徴部の高さの約2倍である。最後に、図3fでは、熱酸化物が化学的エッチング除去され、隆起特徴部250が残される。

0026

基板200に隆起特徴部250をより一般的に、すなわち他の種類の基板材料で形成するために、以下の手順が使用され得る。すなわち:先ず基板表面上に第1の酸化物層を形成し、次いで第1の酸化物層上にハードマスク層を堆積し、ハードマスク及び第1の酸化物層をパターニングし、基板上に第2の酸化物層を形成し、最後に第2の酸化物層を除去して隆起特徴部を基板に残す。幾つかの実施形態では、第2の酸化物層は、ハードマスク層の厚さの約2倍であってもよい。具体的には、シリコン基板を使用して、隆起特徴を形成する方法は、シリコンウェハ上にシリコン窒化物層を形成するステップと、シリコン窒化物の層パターニングするステップと、シリコン基板上に厚い熱酸化物を成長させるステップと、熱酸化物をエッチングして除去して隆起した特徴を残すステップと、を含み得る。前述のように、熱酸化物の厚さは、シリコン窒化物層の厚さの約2倍であってもよい。

0027

この技術を用いて接合されたウェハ対を製造するには、方法は、第1及び第2の基板を準備するステップと、隆起特徴部を第1の基板に設けるステップと、第1の金属層を第1の基板上に隆起特徴部を覆って設けるステップと、熱圧着を達成するのに十分な温度、圧力及び持続時間で第1の基板を第2の基板に対して押圧して基板対を形成するステップと、隆起特徴部の周囲での第1の基板と第2の基板の熱圧着によって基板対を接合するステップ、を含むことができ、第1の基板と第2の基板間の最大の接着接合強度は、熱圧着の結果として隆起特徴部の近傍で生じる。

0028

この方法は、シリコンに加えて他のタイプの基板にも適用され得ることを理解されたい。例えば、機械的に適した材料がその上に堆積されるガラス、金属、半導体又はセラミック基板が使用され得る。例えば、化学気相成長法(CVD)を用いて半導体基板上に窒化シリコンを形成し得る。次いで、金層100及び110が、この隆起特徴部の上方に共形的(conformally)に堆積されてもよく、工程は前述のように進行する。

0029

次いでこの工程は、図1a及び1bに関して先に説明した層が図3fに示されたようなシリコン基板200上に適用されるようにする。上述の第1の金層は、第1のシリコン基板100上に堆積され、第2の金層は、隆起特徴部250を有する第2の基板200上に形成され得る。次いで基板は、金−金熱圧着を達成するのに十分な熱と圧力で押し付け合われる。シリコン基板上の金(Au)層の場合、接合温度は200〜450℃であり、20〜45分間40kNを超える力は一般に接合を達成するのに十分であり得る。したがって、第1の金属層と第2の金属層の両方が金を含む場合、圧力は約40kNであり、持続時間は約45分であり、温度は約200〜450℃であってよい。より一般的には、第1の金属層及び第2の金属層が共に金、アルミニウム及び銅の少なくとも1つを含むとして、そしてアルミニウム(Al)又は銅(Cu)などの他の材料については、約20〜80kNの圧力で少なくとも約20分間、約200℃と450℃の間の温度で第1の基板が第2の基板に対して押圧され得る。

0030

接合中に加えられる負荷圧力の下で、図1a及び図1bに示されるように、隆起特徴部は対向面内に完全に埋め込まれる。これにより、2つの接合面が接触する。したがって、対向する表面上の隆起特徴部の高い初期圧力は、隆起特徴部が破損することなくハーメチックな接合をもたらす。一方、隆起特徴部を対向表面内に完全に埋め込むことにより、2つの接合表面が接触することが可能になる。この大きな接触面積は、図1bに示されるように高い強度をもたらす。

0031

Al(アルミニウム)熱圧着の場合、20〜45分間にわたって印加力が70kNで接合温度は400〜450℃であり得る。銅の場合、Ca(銅)の場合は、20〜60分間にわたって印加力20〜80kNで約380〜450℃の接合温度で十分であり得る。

0032

上で概説した例示的実施例に関連して様々な詳細を説明してきたが、既知であるか、又は現在予期されない、又は予期され得ないかに関わらず、これまでの開示で様々な代替、変更、変形、改良及び/又は実質的な等価物が明らかになり得る。したがって、上記の例示的な実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではない。

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