技術 隆起特徴部を有する熱圧着

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の補遺に対する参照
該当せず
本発明は、２枚の微細加工基板を接合する方法に関する。

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、加速度計や静電カンチレバーなど、多種多様な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に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。

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は未解決の問題を残している。

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。

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。

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、一対の製造基板と未定義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上方の金材料の共形堆積（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尖った（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、熱酸化物が化学的に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。