JP2005538570A - ガラス状材料からなる平面基板の構造化方法 - Google Patents

Abstract

ガラスタイプの材料からなる平面基板の構造化方法が開示されており、この方法は、減厚表面区域に対して盛上った表面区域を得るように、その少なくとも1つの表面区域内で平面半導体基板厚を削減するステップと、平面半導体基板の盛上った表面区域を、盛上った表面区域内に陥凹部を導入するように機械的な方法で局所的に材料を除去することによって構造化するステップと、ガラスタイプの平面基板の少なくとも一部分が、減厚表面区域を覆うように、この平面半導体基板の構造化表面をガラスタイプの平面基板に接続するステップと、陰圧条件で実施される第1加熱段階において、この接続した平面基板が、この減厚表面区域に沿って液密接続を形成し、陰圧条件で液密なかたちで陥凹部を覆い、直後に第2加熱段階において、ガラス状材料の少なくともいくつかの区域がこの平面半導体基板の構造化表面の陥凹部内に流れるように、減厚表面区域を覆うガラスタイプの平面基板を加熱するステップとを特徴とする。ガラスタイプの平面基板およびその用途も開示されている。

Description

本発明はガラス状材料からなる平面基板の構造化方法に関する。

現在の微小電気部品または微小機械部品に使用される材料としてガラスまたはガラス状材料は、半導体材料の膨張係数と同等の低い膨張係数に関して他の材料、特にプラスチックより優れた多くの利点を有する。さらに、ガラスまたはガラス状材料は、機械的および化学的安定性が高く、このためこれらの材料は多くの技術分野で極めて重要である。

しかし、特に技術的に極めて興味深い製品の製造、特に従来どおりガラスで作製された微小機械部品および微小電子部品の製造に対して非常に狭い制限が課されるので、ガラスへの微小構造の形成に適するエッチング方法はほんの少ししかない。その結果、今のところ、ソーイング、研削、研磨、ひっかき、超音波、およびサンドブラストのみが使用されてきて、その結果、ガラス構造形成の可能性を大きく制限する。しかし、これらの従来の処理方法は、半導体部品技術で必要な精度で、マイクロメートル領域、特にサブマイクロメートル領域でのガラスの加工を可能にすることができなかった。

これらの大きく制限された加工の可能性の結果として、微小構造体はしばしばプラスチック製であった。たとえば、ドイツ特許出願公開第43 07 869号では、微小構造体が鋳型を用いてプラスチックまたは焼結材料中に鋳込まれる。この微小構造鋳型は、精細な加工精度の加工、あるいはアディティブまたはサブトラクティブな構造化によって、金属、セラミックス、ガラス、石、または単結晶材料製の固体から製造される。次いで、この鋳型を流動性材料で充填し、覆い、圧密化した後、この材料を鋳型から分離する。しかし、この方法で製造した微小構造体はまた、それが高熱膨張係数の材料で作製され、ガラス状材料に比べて機械的および化学的安定性が低いという欠点を有する。

ガラス処理における技術的制限のブレイクスルーは、シリコンおよびガラスの複合材料が主導的役割を果たす新しい用途を開くはずである。このようなタイプの複合材料成分は、両材料の相補的な特性を利用することができるはずである。たとえば、ガラスは、シリコンに比べて電気伝導度および熱伝導度が極めて低いが、シリコンと違って可視光波長領域で透明である。

さらに、ガラスまたはガラス状材料は、シリコンに加えて、微小機械部品の実現に重要な役割を果たす。特に、ウェハレベル上の部品の密封に関して、電気絶縁材料としてガラスがしばしば使用される。しかし、これに関連して、微小構造化の際に上記の制限に出会う。

前段落で説明した問題を克服するために、本出願もその特許権に付加される出願とみなされるドイツ特許第101 18 529号では、好ましくは陽極接合処理、およびガラス状材料がその流動温度を超えて半導体平面材料中の予め構造化済みの陥凹部内に流れるようにこの複合構造を加熱することにより、構造化されるガラス状平面材料に半導体材料で製造され予め構造化済みの平面基板を接合することが提案されている。複合構造の付随する焼き戻しおよびその後の冷却の後で、好ましくは、半導体材料中に構造化済みの陥凹部にガラス状材料を充填する。ガラス材料またはガラス状材料の所望の構造の部品を最終的に得るために、冷却された複合構造に対する付随する追加処理の後で、選択的に材料を除去することによって、半導体材料を陥凹部中のガラス材料から分離することができる。

上記の発行された公報中に提案されている方法の重要な側面は、半導体平面基板を予め構造化することであり、これは、最終的に得られる構造のガラス製品の寸法、形状、および寸法決定に本質的に関与するだけでなく、本方法のコスト、したがって所望の製品の製造コストに決定的に寄与する。

ドイツ特許第101 18 529号の教示に基づく好ましい実施形態では、半導体平面基板が、シリコンウェハとしてまたはシリコン基板としてエッチング法を用いて構造化され、好ましくは、乾式エッチング法を用いて陥凹部がシリコンウェハ中に選択的に配置される。このようにして乾式エッチング技法を用いてシリコンウェハ中に任意の所望の輪郭を配置することができるが、それには比較的高いコストを要する。ある場合、たとえば、周期的なスタンプ構造の製造においては、ウェハ用ソーを用いたソーイングによってこのようなタイプの構造を製造することはかなり安い代替法となるはずであるが、このタイプの材料除去方法は以下の問題に出会う。

構造付半導体ウェハとガラス状平面基板との気密境界を得るために、エッチング法によるシリコンウェハの構造化は、ウェハ端部にまで延びない。この気密境界は加熱された流動ガラス状材料が半導体平面基板中の陥凹部に入るために必要である。このウェハ端部は明らかに意図的に構造化していないが、同時に、シリコンウェハ面積のほとんど全てを使用することが目標である。しかし、シリコンウェハを構造化するために、エッチングに比べてはっきりと安いソーイングやミリング技法を使用する場合、所与のウェハ面積をできるだけ構造化して使用するように努力しつつその端部を構造化しないままにすることは不可能である。したがって、ドイツ特許第101 185 29号に記載された方法、たとえば、ガラスおよびシリコン基板の陽極接合を用いることによっては、2つの基板の密接合を得ることができない。このため、シリコンウェハ中の空洞内部の真空閉塞は除外した。この真空閉塞は、ガラスが流動しているときシリコン構造の充填を完全に妨げる。

本発明の目的は、その方法のコストを実質的に削減するような方法でドイツ特許第101 18 529号に記載のガラス材料で製造された平面表面を構造化する方法をさらに開発することである。予め半導体平面表面を構造化するために必要なエッチング法をより安価な構造化技法で置き換えることは可能なはずである。さらに、ドイツ特許第101 18 529号による方法で実現することができる全ての利点は制限無しで維持されるべきである。

本発明の目的に対する解決策は請求項1および2に説明されている。請求項33の対象は本方法を使用して製造され構造化されたガラス状平面基板である。さらに、本方法で製造することができる製品の好ましい用途が記述される。従属請求項の対象および特に図に関する説明は、本発明のアイデアをさらに有利にさらに発展させる側面に関する。

本発明の方法は、半導体平面基板を構造化するためにソーイング、ミリング、または研削技法を用いた選択的でコスト効率のよい機械的な材料除去を使用する。本方法を使用すると、工業製造で一般的な半導体表面の大規模な製造のコスト効率をよくするだけでなく、特に開発、探索、および試作品製造における低コストで小さなシリーズを実現することができる。

以下のステップを含む以下の本発明の方法の目的は、構造化ガラス状基板またはガラス基板の製作に関連して、コスト効率のよい構造化方法をうまく使用可能にすることである。

第1ステップでは、たとえば、シリコンウェハの形の半導体材料製の半導体平面基板を準備する。半導体の平面表面を構造化する前に、この半導体平面基板の厚さを少なくとも1つの表面領域中で削減する。基本的には、半導体の平面表面上のどこにおいても厚さを削減することができる。しかし、端部領域に沿って半導体の平面表面の厚さを削減するのが有利である。一般的に、典型的なシリコンウェハの周辺端部領域は、ウェハの縁から内側へ約3mmウェハ上に延びており、特にこの端部領域での選択的な厚削減が技術的に重要な処理区域の損失に関して何の問題も伴わないような有効な処理は利用できない。厚削減は、特に有益なかたちで半導体の平面基板の縁全体に沿って行われ、あるいはシリコンウェハの特定の場合に限ればこのウェハの全端部に沿って行われる。したがって、減厚端部領域に対して、ウェハ中央部に大きな盛上った表面区域が残る。この盛上った表面領域は、減厚端部領域に対して、端部領域がそれぞれ薄くされた除去深さに丁度対応する高さの横方向の境界区域によって囲まれる。

厚削減は、好ましくは、湿式化学エッチング法によって行う。しかし、たとえば、研磨などの適切な機械的な材料除去方法を使用することもできる。

ウェハの周辺縁部への減厚端部領域の設置は、その後で未処理の盛上った区域を構造化する際に特別な働きをする。適切な材料除去工具、たとえば、表面ソー、あるいはミリングまたは研磨ヘッドを用いて、好ましくは、工具を所与の切れ込み深さで移動させることによって盛上った表面領域中に直線の切れ込みを加工することができる。この切れ込みは、切れ込み深さが、最大で、減厚表面領域の面まで延び、横方向には、盛上った表面まで延びて、減厚表面を局所的に除去する。盛上った表面領域の境界区域の片側からそれぞれ反対側の別の点に延びる連続した陥凹部が得られる。たとえば、直線ソー工具を使用する場合、盛上った表面領域中に直線状に走る陥凹部を加工することができる。これらの陥凹部を、互いに平行なまたは所与の角度で交差する向きにして一種の格子を形成することができる。さらに、機械駆動のフライスヘッドまたは適切な研磨手段で盛上った表面領域を処理して所与の曲がったコースに沿って盛上った表面領域内に切れ込みを加工することもできる。盛上った表面領域を構造化することによって得られるどんな所望のパターンも実際上形成されるのに加えて、1本の直線状の陥凹部が形成される幅を望むように設定することもできる。たとえば、使用する材料除去工具を切れ込み軌跡に沿って線をずらして(line-offset)2回または複数回、走らせることによって得られる。しかし、上述の多種多様の構造化は別にして、目的は、常に、端部領域が薄くされた厚さ以下の構造の深さを選択することである。このようにして、特に端部領域で、それ以上の材料除去を回避する。

上述の構造化プロセスの後で、ガラス状平面基板が減厚平面表面領域の上に少なくとも部分的に延びるように、構造化済みの盛上った表面領域の表面をガラス状平面基板に接触させる。本方法の代替変形形態が、ガラス状表面基板を取り付ける前に減厚平面表面領域を金属化するために提供される。これは、後ほど本明細書でより詳細に扱う電気伝導性の管路を作製するのに特に有利である。

好ましくは、このガラス状平面基板を、減厚端部領域を含む予め構造化済みの半導体平面基板を完全に覆うような寸法にする。2枚の平面基板を可能な限り堅固にかつ密接に接合するのに特に適するのは、陽極接合および熱接合であり、2枚の平面基板間に密封接合を形成する。この2枚の基板を互いの丁度上面に配置することも可能であり、また、この2枚の基板は、対応する一致した輪郭で生成される表面接着力により気密状態である程度互いに接着している。

しかし、陽極接合は、高品質な気密接着をもたらし1960年代から知られている。この中で、通常、金属基板および絶縁基板を含む2枚の高度な平面基板をいわゆる「ホットプレート」上で加熱する。この瞬間に半導体基板およびガラス状基板を接合する。さらに、この2枚の表面基板間に最大で1000Vの電圧を印加する。ガラス状表面基板に陰極が位置している場合、カラスマトリックス中の移動可能な正イオンがこの陰極の方向にさまよう。動かない、すなわち、局所的に固定された酸素イオンは、半導体境界で負電荷体積(negative volume charge)ゾーンを形成する。一方においては、得られる静電気力によって2枚の基板表面間が密接に接触するようになる。他方、たとえば、シリコンウェハとガラスなどの半導体平面基板の界面の強い電場によって、電気化学反応が開放されその過程で酸化物が形成され、それがこの2枚の基板をその界面で接合させる。

Siとガラスの陽極接合では、熱膨張係数がシリコンとよく適合したホウケイ酸ガラス(パイレックス(Pyrex)(登録商標)、ボロフロート(Borofloat)(登録商標))をガラス状平面基板として使用する。しかし、この方法では、2枚の円板形状の材料を(1つまたは複数の)垂直複合材料の形に積層する。

この半導体平面基板とガラス状平面基板は、構造化済みの盛上った表面領域の表面に沿って密接で気密なかたちで接合され、このガラス状平面基板は、2枚の平面表面が特にこの端部領域中で気密で密接な接合に入らないような方法でこの端部領域の減厚分の高さだけ離れて、半導体平面基板の減厚端部領域の上に延びていることに留意すべきであるが、このことは本方法のさらなるステップで示すように重要で本質的なことがらである。

上述の接合平面基板が受ける以下の焼き戻しステップにおいて、第1焼き戻しステップでこの2枚の平面基板の完全に気密な密閉が生じる。すなわち、半導体基板上に配置され、その盛り上がった、構造化表面領域でそれに接合したガラス状基板を真空状態で、好ましくは真空オーブン中でガラス状材料の流動温度に到達するまで焼き戻す。好ましくは、この段階でガラス状平面基板の延長端部領域が沈み始め最終的に半導体平面基板の減厚端部領域との密接した気密接合に入り、また、この流動可能な沈んでいくガラス状材料は、そこに配置された単一の陥凹部に到る開口を有する、盛上った平面表面領域の横方向の境界区域を取り囲む。

ガラス状平面基板の端部領域の沈み込みは、好ましくは、たとえば、好ましくはグラファイトからなり、それ自体の重みに加えてガラス状端部に作用するリング状の錘の形をした負荷によって支援し加速させることができる。

このようにして、ガラス端部が半導体基板の減厚端部に完全に接触した後、すなわち、構造、または陥凹部が半導体平面基板中に密封された後で、通常の圧力、または、上昇した圧力下で第2焼き戻しステップが続く。このようにして、シリコンウェハの中間の空間がガラス状材料で完全に充填される。

通常の条件で行うオーブン法を用いて、ガラス温度TGを超える可塑領域まで加熱されたガラス材料が構造の開口、または半導体平面基板中の陥凹部を完全に充填する。熱膨張挙動が類似しているか同一の2枚の密接に接合した平面基板の付随する冷却ステップの後で、最小限の熱張力のみが発生するか、あるいは熱張力が発生しない結果として、ガラス状平面基板は、半導体平面基板のネガ形状を有する。

次いで、たとえば、化学的機械研磨によってこの処理ステップの完了後に複合平面基板が生じるようにこのガラス状平面基板の表面を予め構造化済みの半導体表面まで研削し、研磨する。この複合平面基板中でガラスまたはガラス状材料は、従来、半導体材料、具体的には、単結晶シリコン中でのみ実現できた構造寸法になる。

さらに有利な処理ステップでは、半導体平面基板の裏側が処理され、余剰な半導体材料たとえばシリコンも研削または研磨を用いて除去される。かくして、ある部分が半導体材料から、また他の部分がガラス状材料からなる基板が残る。

さらに、ガラス状基板中に非常に狭い孔すなわち穿孔を得るためにさらなるエッチングプロセスで半導体材料を除去することもできる。さらに、穿孔を精確に開けるため、あるいは対応する開口輪郭を得るために機械的な研削および研磨処理を続けることができる。

このようにして、ガラスの加熱状態の流動特性を利用して、構造化された半導体平面基板から、たとえばシリコンマスターの形でガラス状材料内に平面表面の起伏形状を正確に転写し、それによって、製造上のおよび精度に関する相当な利点を生み出すことができる。このようにして、シリコン技術の利点(サブミクロン領域まで正確な形状を付与する挙動、様々な構造化の可能性)をガラスの良好な材料特性と結合させることができる。

元の半導体平面基板中の構造の高さが十分高く、適切なガラス流動プロセスを用いてガラス状基板中への鋳込みが完全になされた場合、新しい複合基板全体にわたって完全に広がる区域を形成することができる。面積分布に応じてシリコン管路付ガラスウェハまたはガラス窓付シリコンウェハをこのような方法で作製することができる。

特に重要な側面は、使用する材料、たとえば、シリコンとガラス(たとえば、パイレックス(Pyrex)(登録商標)、テンパックス(Tempax)(登録商標)、およびボロフロート(Borofloat)ガラスなどのホウケイ酸ガラス)の熱的な適合性が極めてよいことである。シリコンとパイレックスガラス(登録商標)の熱膨張係数がほぼ完璧に一致するため、熱的に均一な基板を製造することができる。具体的には、このような方法では、基板が割れたり変形したりするような熱誘導応力からの影響が発生しない。

これらの2枚の平面基板の厚さは、一般的に、0.1mm以上1mm以下である。半導体平面基板およびガラス状平面基板の分割の横方向の幾何形状にはどんな主たる制約も課されないことを特に指摘しておく。相異なる材料の領域は連続的でもよいし非連続的でもよい。

本発明を図面を参照して好ましい実施形態によって以下に例として説明するが、本発明の全体のアイデアの範疇および精神を制限するものではない。

図1aないし図1gに本発明の方法の諸製造ステップの概略を示す。

図1aでは、この方法の準備ステップにおいて半導体平面基板1の端部領域2に沿った厚さを削減する。Siウェハとして設計された半導体平面基板の減厚端部領域2の端部幅bは最大約4mmまでである。約800μmの厚さの典型的なウェハ厚さに基づくと、最大で500μmまでウェハの端部領域2の厚さを除去すると減厚端部領域2に約300μmのウェハ厚が残る。ウェハ1の盛上った平面表面領域3が、端部領域2の表面に対して垂直に位置するか、あるいは図1aのように端部領域2の表面に斜めに位置する横方向の境界区域4によって囲まれる。

厚削減は、好ましくは湿式エッチング法、たとえば、KOHを用いて行う。

図1bに、盛上った表面領域に配置された多数の陥凹部または切れ込み5が横方向の境界区域4を貫通して延びている状態を示す。これらの切れ込みは通常、ソーイングまたはミリングを使用して盛上った表面領域3内に加工される。切れ込み5の最大深さは減厚表面の平面厚以下であることが本質的に重要である。

図1cでは、ガラス状平面基板6が予め構造化済みの半導体平面基板1上に陽極接合によって密接に接合され、それによって、これらの2枚の平面基板が半導体平面基板の表面内の陥凹部5の幾何形状によって与えられる間の容積を取り囲む。このガラス状平面基板の大きさはガラス状平面基板6の端部領域が、減厚端部領域2の上に延びるような方法で選択する。約400〜500℃の温度で行われ、接合される表面間に電圧が印加される陽極接合の代わりとして、接合される平面基板が約1000℃の温度の加圧条件下で接合される熱接合もガラス状平面基板と予め構造化済みの半導体平面基板の接合に適している。熱接合はより高温を必要とするが、接合されて平面になる表面に対する要求は陽極接合ほど高くない。

図1dに従って、焼き戻し処理を真空条件下で行うのが有利である。この処理では、ガラス状材料を、ガラス温度を経由して塑性領域または流動可能状態まで移行させ、そこでガラス状平面基板の端部領域が、減厚端部領域2の表面上に傾斜して沈みその表面と気密接続を形成する。

次いで、図1eに従って、常圧または高圧条件下で焼き戻し処理を続け、それによって平面基板のガラス状材料が完全に陥凹部5内に沈み込む。可塑性のガラス材料を構造の開口内に移動させる駆動力は、基本的には構造の開口内に閉じ込められた真空であるが、この処理を焼き戻しオーブン内で実現する高圧条件下で支援することもできる。ある一定温度および対応するプロセス時間で、ガラス状平面基板の材料特性は構造の鋳込みの特異性および精度に決定的な影響を及ぼす。

この2枚の密接に絡み合わされた平面基板の付随する冷却ステップの後で、適切な研削法および/または研磨法を用いて材料を除去する。後の用途に応じて、図1fに従って、このガラス状平面基板をそれが半導体平面基板の構造化された表面と面一になるように最上部から除去することができる。

最後に図1gに構造化された領域の上に広がっている付随する平面基板の部分を除去するさらなる材料除去プロセスの結果を示す(図1cおよび図1d参照)。この段階で、複数の半導体穿孔体によって完全に貫通された極めて精細に構造化されたガラス状平面基板が得られる。図1gによる底部側上に付き出した半導体材料の付随する材料除去によって、複合部品が得られるが、これは、本明細書で後ほど説明するように微小電子部品を選択的に電気接触させる働きをする。

あるいは、たとえば、焼き戻し処理に続く冷却ステップの後で、適切な分離層を2枚の平面基板間に配置させるかたちで両平面基板を分離することもできる。具体的には、適切な分離層の取り付けステップに予め構造化済みの半導体平面基板を再度使用することが可能であり、それによって、プロセスのコストをさらに低減させることができる。このため、2枚の平面基板を接合させる前に、1つまたは複数の分離層をこれらの2枚の平面基板間に配置する必要がある。これには、基本的にはいくつかの可能性のある方法がある。

a)半導体平面基板、たとえば、Siウェハ上に、カーボン層、ダイモンド層、ダイアモンド状層、またはSiCを付け、これによってガラスがシリコンに貼り付くのを防ぐ。Siウェハへのガラスウェハの接合は、ウェハ端部で2枚のウェハを真空気密状態で接合するはんだから作ったリングを使用して実現できる。ガラスが流動するプロセス温度ではんだは流体になるが、未被覆ガラス層またはカーボン層のはんだぬれ性の低さがはんだがウェハ間に浸透するのを防ぐ。2枚のウェハの分離は機械的な方法だけで行うことができるが、はんだリングをエッチング法を用いて除去することもでき、あるいは2枚の基板間を酸化(酸素にさらしながら約400〜500℃)する方法を用いてカーボン層を除去することもできる。様々な状況下でこのシリコンウェハをさらに使用する前に、この分離層を再度この2層に付けなければならない。

b)適切な金属、たとえば、タンタル、からなる結合剤層をSiウェハ上に付ける。この層の上に別の金属、たとえば、スズの層を付ける。スズもガラスがシリコンに貼り付くのを防ぎ、ガラス流動プロセスの際に流体である。2枚のウェハの分離は、スズの溶融点を超えるさらなる焼き戻しステップの際に単に機械的に行うことができるが、あるいはこの金属を選択的にエッチングして取り除きシリコンおよびガラスにすることもできる。

c)(たとえば、陽極接合を用いて)ガラスウェハに直接接合することができる第2層をシリコンウェハ上に付ける。この例としては、シリコン、チタン、またはタンタルでよい。全プロセスの最後にエッチング法を用いて下にガラスまたはシリコンまでこの犠牲層を選択的に除去する。元のSiウェハが浸食されるのを防ぐために、このウェハに適切な層、たとえば、窒化ケイ素または炭化ケイ素を設けることもできる。

製造プロセスを、シリコンウェハが複数回使用できるように適切な分離層で変えることができる。様々な状況下で再使用する前にこの分離層を再度付けなければならない。

次いで、完全な穿孔を得るために、このシリコンウェハの分離後に得られる構造化されたガラスウェハを裏側だけ研削しなくてはならない。これらの穿孔はさらなるプロセスにおいて、たとえばガルバニックに金属で充填することができる。

一般的に、微小電子および微小システム技術においては、チップの電気接触をチップの端部にあるパッドを介して行っている。しかし、一連の用途においてはこれは欠点であり、それゆえ望ましくない。

たとえば、
電気的な原因:たとえば、小容量性信号または高周波数信号の場合、信号損失を減少させるため、電気導通管路は、端部を介した接触よりも直列抵抗が低く、散乱容量が少なく、および誘導率が小さくなる。

空間的な原因:この原因は、特に複数のチップがアレイ状に途切れなく結合した装置、たとえば、大面積の検出器アレイまたは微小ミラーにあてはまる。これらの場合において、パッド領域は内側のチップの場合、取り除かねばならない。たとえば、医療用微小プローブ(刺激用または記録用電極)における単一部品に関しても空間的な問題がしばしば存在する。

多数の機能性チップが互いの上面に配置されて積層体を形成する場合:たとえば、最上部がセンサ(たとえば光センサ)からなり信号処理電子回路が下部のチップ中にあることがある。

チップ、ウェハ、またはプリント基板の自動電気検査用の微小接触アレイを含む検査カード:この場合、電気的ならびに空間的原因でこの検査カード中では貫通接触が望ましい。

特に、これらの場合、チップを貫通する貫通接触が本発明に従って処理されるガラス基板で可能な代替形態である。

図2に、電気接点(黒の区域)によって貫通された処理済みガラスウェハ(白の区域)の概略上面図を示す。このようなタイプの構造は、図1gによる方法ステップで得ることができる。ガラスウェハを貫通する電気接点は高導電性シリコン(分離層無しの方法)からなってもでもよく、または金属(分離層がある方法でその後にガラスウェハ内部に開けられた穿孔を金属化する)からなってもよい。

1〜100GHzの範囲の高周波用の微小機械部品を構造化するためにこのような構造化基板を用いることは特に有利に思われる。この具体例を図3aおよび図3bに示す。この例では、電気導通管路(図3a)付きのガラス基板上に微小機械部品(微小機械スイッチ)を設ける。全製造の最後にはんだ法を用いて構造全体をキャップウェハで密封し、そして、電気接点を2枚のウェハ間に作製する。代替形態として、電気接点をキャップ中に配置することもできる(図3b)。

図2に示した電気接点区域は選択的に熱を除去する働きをすることもできる。ガラス基板中のある区域から熱を除去しなくてはならない用途に使用可能である。シリコン管路および金属管路は熱伝導経路として働く。

図4に電気絶縁管路として働くリング状のガラス区域(白の区域)が設けられたシリコンウェハ(黒の区域)の好ましい実施形態を示す。このようなタイプの構造は、図1gによる方法ステップの範疇内の若干の修正形態として得ることもできる。電気的、熱的、または光学的理由である区域内にガラスが加工されているこのようなタイプのシリコンウェハは、多数の様々な用途に適している。

熱絶縁区域を有するシリコンウェハ
これらの用途に適する構造は、図1fおよび図1gによる構造である。シリコンウェハ上の熱絶縁区域は、熱センサ、たとえば、サーモパイル、ボロメータ、および、焦電センサにおいて特に必要である。これらのタイプのセンサの場合、従来は、確実に熱絶縁するためにチップ中またはチップ上に膜構造を作製していた。しかし、安定性の故に、これらのセンサは大きい機械的応力を伴う用途には適していない。

光学窓を有するシリコンウェハ
この場合、図1fまたは図1gによる構造を使用することができる。可能な用途としては、たとえば、特殊形状の光コリメータまたは狭い開口を有するコリメータアレイの用途がある。

電気絶縁区域を有するシリコンウェハ
この場合も、図1fまたは図1gによる構造を使用することができる。具体的には、高周波受動部品(たとえば、誘導部品(inductivities))または高品質MEMS部品をガラス区域上に配置することができる。純シリコン基板上では、基板中の損失のため、高品質が実現できない。

シリコンウェハを垂直に貫通する電気伝導性接合構造を有するこのようなタイプのシリコンウェハの製造については図5の説明図を参照されたい。図5には好ましい部分的な処理ステップの概略を示す。

以下のプロセスステップにおけるようなステップ5a中の斜め網掛け部であるシリコン基板の構造化を好ましくは図1bによる部分的な方法ステップと同様な方法で完了した後で、その後のステップ5bにおいて、この構造化シリコン基板上に可能な限り構造的に共形に追加の金属層(軽い網掛け層参照)を付ける。従来技術の方法、たとえば、気相堆積法を用いて金属の堆積を行うことができる。その前に、任意選択で、たとえば、熱SiO2層の形でシリコン基板と金属層の間に追加の保護層すなわちバリア層を付けて、それによって、シリコンと金属間の反応を防ぐこともできる。

金属化した基板に真空条件下でガラス層(点付きの層参照)を接合した後で(プロセス段階c)、先に(d)説明したように、焼き戻し処理を経由したガラス流入によってガラスウェハとシリコン基板の間に閉じ込められた空洞を充填する。次いで、研削および研磨によりシリコン基板の両側で突き出したガラス材料またはシリコンを除去する(プロセス段階eおよびf参照)。得られたシリコン管路上または管路間の金属化区域またはシリコンリッジも除去する。薄い金属層で補強され再度ガラスで囲まれたシリコン区域(シリコンピン)が残される。目的は、比較的よくない純シリコンの電気伝導度をそれによって向上させることである。このようにして、マイクロシステム技術装置を接続する構造を簡易にかつコスト効率よく製造することができる。

一般的に、ウェハレベル上に密封接合を作ることはマイクロシステム技術において重要な課題である。

いずれにせよ、好ましくは、既にウェハレベルで、移動可能な微小構造を環境における悪条件に対して保護しなくてはいけない。ウェハレベル上でのカプセル化を支持するコスト面を別にして、必要な分離工程に対する保護が非常に重要な役割を果たす。さらに、封止された区域の下の電気導通管路の問題を抱えるので堅固な密封が求められる。これに関連して、微小電子部品のカプセル化に関しては本発明の方法はCSP技術(チップ側実装)を支援する。

ガラスはんだに基づくこの方法は、シリコンセンサの場合に良好であることが判っている。しかし、たとえば、約400℃のプロセス温度が必要であるが、それは金属微小素子の場合には間違いなく高すぎる。ガラスはんだに基づく接合技法は、比較的低い起伏形状(約0.5μm)の封止のためだけに適している。

250〜300℃未満の温度での密封接合は、はんだ付けによって作製することができる。しかし、利用可能な絶縁材料およびこれらの材料が作製できる層厚中の給電線が互いに容量的に強く結合するという問題が発生する。したがって、このような管路は、実際は、高周波用の微小機械部品の製造に適していない。基板またはキャップを貫通して走る管路を使用することによってのみ十分なラインの分離が可能である。

上述の態様に加えて、管路作製のためにも完成済みのチップを扱うことがより優れている。

具体的には、このようなタイプの構造化部品は、フリップチップ工程の内部での使用に適しており、あるいは、たとえば、SMD部品としてプリント基板のアセンブリングにこのチップを直接使用することにさえ適している。

図6aおよび図6bに先の方法で製造可能なキャップ素子の可能な好ましい実施形態および既にウェハレベルで密封カプセル化する場合の管路の使用を示す。ウェハレベルでのカプセル化によって、多数の部品の同時封止が可能になり、したがって、コスト効率が特によくなる。

説明した、ガラスシリコン複合基板の製造方法に基づいて、この例では、シリコンからなる長い2枚のキャップウェハを説明する。もう一度、斜線区域が半導体区域好ましくはSiを表し、点付きの区域がガラスを表し、軽い斜線層領域が電気伝導区域、たとえば、金を表すという約束事項を適用する。

シリコン製の管路は、追加的に金属によって囲まれているか否かの要件に応じて、ガラス製の幅広のリングによって基板の残りから分離され、このリングの厚さは通常、50〜200μmである。ガラス/シリコン複合基板の完成後、カプセル化されるセンサ構造および上面ならびに下面の両面を金属、好ましくは、金で被覆された管路のための空間を作り出すために、追加の処理ステップで基板の表面側に溝をエッチングする。さらに、チップの境界区域にはリング形状の金属層(様々な状況下で接点と同じ金属、たとえば金でよい)が設けられている。

次いで、センサチップ上にこのようなアセンブリングされたキャップウェハを接合、すなわちそれぞれはんだ付けする。このセンサチップは、本明細書ではこれ以上詳細に扱わない。しかし、2枚のチップは通常、ワイアボンディングを使用して接合される。これに必要な接続ワイア、いわゆるボンドループは必ずしも常に同じ幾何形状でないので、誘導される寄生容量および誘導率はチップ間で変化し、このため、全てのセンサの感度限界が最終的に制限される。これと比べて、説明したキャップウェハを用いた、たとえばASIC上の、センサのフリップチップアセンブリは、ボンディングの幾何形状が同一であるだけでなく、さらに特に短いので理想的である。

さらに、本発明の方法は、さらにバッチプロセスの一部分として製造できる多数の単一の構造化ガラス状平面基板を平行して製造可能にするが、これはまた、この方法を工業上の大量生産に関して極めてよく適するものにしていることを指摘しておく。

本発明の構造化ガラス状平面基板の製造方法における製造諸ステップの概略図である。 電気導通路を有するガラス状基板の上面図である。 図3a、図3bは、処理済みのガラス状基板の一応用例を示す図である。 電気絶縁通路を有する半導体平面基板の上面図である。 代替法の製造諸ステップの概略図である。 図6a、図6bは、キャップウェハを示す図である。

符号の説明

1…半導体平面基板、2…端部領域、3…平面表面領域、4…境界区域、5…切れ込み、6…ガラス状平面基板

Claims (39)

1. ガラス状材料からなる平面基板の構造化方法であって、
   半導体材料からなる半導体平面基板を準備するステップと、
   減厚表面平面領域に対して盛上った表面領域を形成するために、前記半導体平面基板の少なくとも1つの表面領域の内部で前記半導体平面基板の厚を削減するステップと、
   前記盛上った表面領域内部に陥凹部を配置するために局所的、機械的な材料除去により前記半導体平面基板の前記盛上った表面領域を構造化するステップと、
   前記半導体平面基板の前記構造化表面に、前記ガラス状平面基板が前記減厚表面平面領域の少なくとも一部分を覆うような方法で前記ガラス状平面基板を接合するステップと、
   前記接合した平面基板を、真空条件で行う第1焼き戻し段階で、前記減厚表面領域を覆う前記ガラス状平面基板が前記減厚表面領域と液密な接合を形成し、前記平面基板が真空条件下で液密なかたちで前記陥凹部を覆うような方法で焼き戻し、第2焼き戻し段階で、前記ガラス状材料の少なくとも一部分の区域が、前記半導体平面基板の前記構造化表面の前記陥凹部内に流れるような方法で焼き戻すステップという方法ステップの組合せを特徴とする方法。
2. ガラス状材料からなる平面基板の構造化方法であって、
   半導体材料からなる半導体平面基板を準備するステップと、
   減厚表面平面領域に対して盛上った表面領域を形成するために、前記半導体平面基板の少なくとも1つの表面領域の内部で前記半導体平面基板の厚を削減するステップと、
   前記盛上った表面領域内部に陥凹部を配置するために局所的、機械的な材料除去により前記半導体平面基板の前記盛上った表面領域を構造化するステップと、
   前記構造化済みの盛上った表面領域上に構造的に共形に金属層を堆積させるステップと、
   前記構造化済みの金属化表面に、前記ガラス状平面基板が前記減厚表面平面領域の少なくとも一部分を覆うような方法で前記ガラス状平面基板を接合するステップと、
   前記接合した平面基板を、真空条件で行う第1焼き戻し段階で、前記減厚表面領域を覆う前記ガラス状平面基板が前記減厚表面領域と液密な接合を形成し、前記平面基板が真空条件下で液密なかたちで前記陥凹部を覆うような方法で焼き戻し、第2焼き戻し段階で、前記ガラス状材料の少なくとも一部分の区域が、前記半導体平面基板の前記構造化済みの金属化表面の前記陥凹部内に流れるような方法で焼き戻すステップという方法ステップの組合せを特徴とする方法。
3. 前記厚削減が前記半導体平面基板の端部領域で実施される、請求項1または2のいずれかに記載の方法。
4. 前記厚削減が、前記盛上った表面領域が境界区域によって制限され、前記減厚端部領域によって少なくとも部分的に囲まれるような方法で実施される、請求項3に記載の方法。
5. 前記厚削減が、湿式化学エッチング法または機械的な材料処理方法を用いて実施される、請求項3または4のいずれかに記載の方法。
6. 前記半導体平面基板の前記盛上った表面領域の前記構造化が、最大で前記減厚表面領域の平面まで延びる構造深さの陥凹部が、除去工具を用いて前記盛上った表面領域内部に加工されるような方法の局所的、機械的な材料除去手段によって行われる、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記除去工具としてソーイング、研削、またはミリング工具が使用される、請求項1ないし6のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記除去工具が、材料の選択的除去のために、前記除去工具が前記表面領域中の前記減厚表面領域の表面の上を横方向に移動するような方法で前記半導体表面基板に対して移動される、請求項6または7のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記材料除去によって、前記盛上った表面領域内に直線的または曲線的に走る陥凹チャネルがもたらされる、請求項1ないし8のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記陥凹チャネルが、前記盛上った表面領域の表面に向かって開放され、前記盛上った表面領域の横方向の境界壁を貫通して突き出る、請求項9に記載の方法。
11. 前記半導体平面基板への前記構造化平面基板の接合ステップが陽極接合または熱接合を用いて行われる、請求項1ないし10のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第2焼き戻し段階の際に、前記半導体平面基板から離れて対峙している前記ガラス状基板の表面に作用する常圧条件または高圧条件が優勢になる、請求項1ないし11のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記焼き戻しステップが、前記ガラス状材料が前記陥凹部を完全に充填したとき前記半導体平面基板中の前記陥凹部内に前記ガラス状材料が流れるのを停止するような方法で温度および継続時間を制御することによって実施される、請求項1ないし12のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記焼き戻しステップの直後に、2次元的な材料除去が、前記ガラス状平面基板が前記半導体平面基板の前記構造化表面と面一で隣接する表面を持つような方法で実施される、請求項1ないし13のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記陥凹部内に流れる前記ガラス状材料の少なくとも一部分の区域が覆われなくなるまで、前記ガラス状平面基板に接合した表面に対峙する前記半導体平面基板の表面から半導体材料が除去され、前記一部分の区域は前記半導体平面基板の前記表面と面一である、請求項1ないし14のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記半導体材料が、前記ガラス状平面基板から分離される、請求項1および3ないし15のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記半導体平面基板からの前記ガラス状平面基板の前記分離が、前記半導体材料をエッチングして離す方法によって行われる、請求項16に記載の方法。
18. 前記2枚の平面基板の分離が、前記2枚の平面基板間に分離層を設けることによって行われる、請求項16に記載の方法。
19. 前記分離層が、前記2枚の平面基板を接合する前に構造を保持するかたちで前記半導体平面基板の構造化表面上に付けられ、熱および/または化学反応により破壊され、前記2枚の基板を分離可能な犠牲層として設計される、請求項18に記載の方法。
20. 前記基板の融点未満の融点を有する金属層が前記分離層として使用される、請求項18または19のいずれかに記載の方法。
21. 酸素および/または熱エネルギーを加えることで化学的に変化する酸化可能な層が、前記分離層として使用される、請求項18または19のいずれかに記載の方法。
22. カーボン層、ダイアモンド層、ダイアモンド状層、またはSiCが、前記分離層として使用される、請求項18または19のいずれかに記載の方法。
23. 前記2枚の平面基板を互いに分離した後で、前記平面基板を貫通する前記穿孔を保持するために前記ガラス状平面基板が機械仕上げされる、請求項16ないし22のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記穿孔が電気伝導材料で充填される、請求項23に記載の方法。
25. 前記構造化済みの盛上った表面領域上に構造的に共形に前記金属層を堆積させる前に、前記半導体平面基板と前記金属層の間の反応を防ぐために、保護層が前記半導体平面基板上に堆積される、請求項2ないし15のいずれか一項に記載の方法。
26. 前記構造化済みの金属化表面に前記ガラス状平面基板を接合する前に、前記金属化表面の区域の少なくとも一部分が除去される、請求項2ないし15または25のいずれか一項に記載の方法。
27. 前記ガラス状材料および前記半導体材料がほとんど同じ熱膨張係数を有する、請求項1ないし26のいずれか一項に記載の方法。
28. ガラス状材料からなる前記平面基板がホウケイ酸ガラスである、請求項1ないし27のいずれか一項に記載の方法。
29. 前記半導体平面基板がシリコン基板である、請求項1ないし28のいずれか一項に記載の方法。
30. 熱SiO2が前記保護層として堆積される、請求項25および29に記載の方法。
31. 前記半導体平面基板の前記構造化が、マイクロメートルおよび/またはサブマイクロメートル領域の構造寸法の陥凹部をもたらす、請求項1ないし30のいずれか一項に記載の方法。
32. 前記陥凹部のアスペクト比(高さまたは深さ:幅)が10:1である、請求項1ないし31のいずれか一項に記載の方法。
33. 前記ガラス状平面基板が、電気伝導材料が内部に設けられた穿孔によって基板表面に垂直に貫通される、請求項1ないし32のいずれか一項に記載の方法に従って製造された、ガラス状平面基板。
34. 前記電気伝導材料で充填された穿孔がアレイ状に構成される、請求項33に記載のガラス状平面基板。
35. 微小電子部品または微小機械部品を製造するための、請求項33または34のいずれかに記載の前記ガラス状平面基板の使用。
36. ガラス状材料で貫通された半導体平面基板を製造するための、請求項1ないし15、または、25ないし32のいずれか一項に記載の方法の使用。
37. 前記半導体平面基板に、電気的および/または熱的絶縁の目的、あるいは光透過性の理由で少なくとも一部分が前記シリコンウェハを貫通するガラス状材料の区域が設けられた、請求項36に従って製造される半導体平面基板。
38. 少なくとも一部分が前記シリコンウェハを貫通するガラス状材料の前記区域が少なくとも1つの半導体領域を囲み、金属層が少なくとも前記囲まれた半導体領域とガラス状材料の前記区域との間に設けられる、請求項36または請求項37のいずれかに記載の半導体平面基板。
39. 前記囲まれた半導体領域が、それぞれが前記半導体領域を囲む前記金属層と接触している電極構造で両側をそれぞれ覆われた、請求項38に記載の半導体平面基板。

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