(57)【要約】【課題】基板上に堆積された被膜と基板との間に蓄積される応力を低減するために、補償用被膜を基板に基板した、構造体及び熱応力補償方法を提供することである。【解決手段】熱応力補償構造体は、少なくとも基板、第１の被膜及び第２の被膜を具える。この基板は、正の値である第１の熱膨張係数を有する。正の値である第２の熱膨張係数を有する第１被膜を基板上に配置する。負の値である第３の熱膨張係数を有する第２被膜を基板上に配置する。【選択図】図４
2006281766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正の値である第１の熱膨張係数を有する基板と、正の値である第２の熱膨張係数を有し、前記基板上に配置された第１の被膜と、負の値である第３の熱膨張係数を有し、前記基板上に配置された第２の被膜とを少なくとも具えることを特徴とする熱応力補償構造体。
【請求項２】
第１被膜を基板と第２被膜の間に挟む、請求項１に記載の熱応力補償構造体。
【請求項３】
第２被膜を基板と第１被膜の間に挟む、請求項１に記載の熱応力補償構造体。
【請求項４】
基板を第１被膜と第２被膜の間に挟む、請求項１に記載の熱応力補償構造体。
【請求項５】
第３膨張係数は−１×１０−８から１−×１０−１までの範囲内にある、請求項１に記載の熱応力補償構造体。
【請求項６】
第２被膜の材料がタングステン酸ジルコニウムを含む、請求項１に記載の熱応力補償構造体。
【請求項７】
第２被膜の材料がケイ酸リチウムアルミニウムを含む、請求項１に記載の熱応力補償構造体。
【請求項８】
第２被膜中のケイ酸リチウムアルミニウムは、酸化リチウム、酸化アルミニウム及び酸化ケイ素を、１：１：２と１：１：３の間のモル比で含む、請求項７に記載の熱応力補償構造体。
【請求項９】
基板は、金属基板、ポリマー基板、酸化物基板、酸化アルミニウム基板、酸化ケイ素基板、半導体基板、シリコン基板、炭化ケイ素基板、ＩＩＩ−Ｖ族基板、窒化ガリウム基板、ガリウムヒ素基板及びガラス基板からなる群より選択される、請求項１に記載の熱応力補償構造体。
【請求項１０】
基板を与えるステップと、該基板上に第１の被膜を形成するステップと、及び負の熱膨張係数を有する第２の被膜を基板上に形成するステップとを少なくとも含む、熱応力補償方法。
【請求項１１】
基板は第１の面とこれに対応する第２の被膜を具え、基板の第１面上に第１被膜を形成した後に、基板の第２面又は第１被膜上に第２被膜を形成する、請求項１０に記載の熱応力補償方法。
【請求項１２】
基板は第１の面とこれに対応する第２の面を具え、基板の第２面上に第２被膜を形成した後に、基板の第１面又は第２被膜上に第１被膜を形成する、請求項１０に記載の熱応力補償方法。
【請求項１３】
第２被膜は、使用温度より高い温度で基板上に形成される、請求項１０に記載の熱応力補償方法。
【請求項１４】
第２被膜は、使用温度より低い温度で基板上に形成される、請求項１０に記載の熱応力補償方法。
【請求項１５】
第１被膜を形成するステップと第２被膜を形成するステップは、化学気相堆積又は物理気相堆積を含む、請求項１０に記載の熱応力補償方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱応力補償の構造体及び方法、より詳細には、被膜を用いて基板上の応力分布に補償する熱応力補償の構造体及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）及びエピタキシ技術の製造工程の発展につれて、マイクロ素子及び被膜製造技術が広範囲にわたる用途で成長している。この素子の電気的光学的性能は、関連する被膜構造体の界面によって顕著な影響を受ける。ここで、各構造体層間の応力の効果が主たる研究課題であり、また本質的に排除すべき点でもある。したがって、制御により応力を低減する方法が、ＭＥＭＳ及び正確な光学素子に有用であり、かつ研究開発の重要な課題となる。半導体及び光学被膜の製造プロセスの間に、被膜は常に高温下で育成され、原子又は分子凝縮により基板上へ付着又は堆積する。ここにおいて、プロセス中で発生する応力は以下のものを含む。
１．内部応力（σＩ）。主として材料の種々の内部欠陥により生ずる。
２．外部応力（σＥ）。主として各被膜層と基板の間の格子定数の相違により生ずる。
３．熱応力（σＴＨ）。主として温度が変化する間の異なる材料の熱膨張係数の相違により生ずる。
【０００３】
したがって、被膜に加わる全応力（σｆ，Ａｌｌ）は次式で表される。
σｆ，Ａｌｌ＝σＩ＋σＥ＋σＴＨ          （１）
【０００４】
応力の方向に応じて、被膜の応力を引張応力（又は伸長応力）と圧縮応力とに分けることもできる。過剰な応力が被膜に蓄積すると、被膜は表面の損傷及び変形の形で応力の一部を解放し、したがって被膜全体の外観がゆがめられる。
【０００５】
図１は、引張応力の加わった状態の被膜の概略図である。被膜１０がこれよりも緩められると、被膜１０が中心部に向かって収縮し、被膜表面が内方に曲がり、したがって凹部を形成する、すなわち被膜１０の格子定数が基板２０のそれよりも小さくなる。また、被膜１０を高温で堆積させ、これを室温に戻した後に、被膜１０の熱膨張係数が基板２０のそれよりも大きくなる。上記の全てが、引張応力（慣習的に正の数値で定義される）が被膜１０に加わる要因である。しかし、引張応力が大きすぎる場合には、被膜１０の表面に空隙や亀裂が発生する。
【０００６】
図２は、圧縮応力の加わった状態の被膜の概略図である。被膜１０がこれよりも緊密に張られると、被膜１０が外周に向かって伸び、被膜表面が外方に曲がり、したがって凸部を形成する、すなわち被膜１０の格子定数が基板２０のそれよりも大きくなる。また、被膜１０を高温で堆積させ、これを室温に戻した後に、被膜１０の熱膨張係数が基板２０のそれよりも小さくなる。上記の全てが、圧縮応力（慣習的に負の数値で定義される）が被膜１０に加わる要因である。しかし、圧縮応力が大きすぎる場合には、被膜１０の表面に起伏が発生する
【０００７】
図３は、被膜を高温で堆積させた後の基板の概略図である。被膜を高温で堆積させた後の、被膜１０と基板２０の間の全体の外観は図３に示す通りである。被膜１０の製造が完了し温度が低温に戻された後に、被膜１０に加わる全応力は、図１のような外観の場合には引張応力であり、図２のような外観の場合には圧縮応力である。
【０００８】
上記のことから、被膜装置の製造プロセスの間に、特に高温で堆積した後に、熱応力が主たる応力源となることは明らかである。状況が深刻になると、基板に堆積した被膜に亀裂又は隆起が発生して、被膜装置の光学的又は電気的特性の変動を招く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、この発明の目的は、基板上に堆積された被膜と基板との間に蓄積される応力を低減するために、補償用被膜を基板上に形成した、構造体及び熱応力補償方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、熱応力補償構造体を提供する。この構造体は、少なくとも基板、第１の被膜及び第２の被膜を具える。この基板は、正の値である第１の熱膨張係数を有する。正の値である第２の熱膨張係数を有する第１被膜を基板上に配置する。負の値である第３の熱膨張係数を有する第２被膜を基板上に配置する。この発明の実施態様によれば、第１被膜を基板と第２被膜の間に挟むか、第２被膜を基板と第１被膜の間に挟むか、又は基板を第１被膜と第２被膜の間に挟むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、好適な実施態様を詳述して、この発明の上記及び他の目的、特徴及び利点を説明する。
【００１２】
上記の一般的な記述及び以下の詳細な説明のいずれもが例示的なものであって、請求の範囲に記載した発明の更なる説明を意図するためのものであることを理解されたい。
【００１３】
添付の図面は、発明の理解を深めるためのものであり、本明細書に組み込まれてその一部をなすものである。これらの図面は、この発明の実施態様を表しており、以下の説明とともに、この発明の原理を説明する役目を果たす。
【００１４】
この発明の熱応力補償構造体及び方法は、基板上に堆積した被膜と基板との間に蓄積した応力を低減するための補償用被膜を基板上に形成して、基板を平坦にすることを含む。
【００１５】
被膜に加わる全応力は、基板の曲率を測定した後、次式に曲率を代入することにより推定することができる。
【数１】
2006281766.tif 000003
式中、Ｒ、Ｅｓ及びＶｓは、それぞれ曲率半径、ヤング率及びポアソン比であり、ｔｆ及びｔｓは、それぞれ被膜厚及び基板厚である。
【００１６】
以上のことから、明らかに熱応力が被膜要素の製造プロセスの間、特に高温で被膜を堆積させた後における主たる応力源となっていることが分かる。基板厚が被膜厚よりも相当に大きいという条件、及び被膜が均一で等方性であると考えられるという条件で、被膜に加わる平面熱不適合応力（plane thermal mismatch stress）を次式から導くことができる。
【数２】
2006281766.tif 000004
式中、Ｅｆ及びＶｆはそれぞれヤング率及びポアソン比であり、Ｔｄは被膜の形成温度であり、Ｔｒは装置の使用温度であり、αｆ及びαｓはそれぞれ被膜及び基板の熱膨張係数である。
【００１７】
この式に従って推定することにより、被膜と基板の間の応力を分析し制御することが可能であり、このことは、用途の躍進及び開発並びに被膜要素の製造プロセスすなわちエピタキシ技術の改良に対して有益である。
【実施例】
【００１８】
以下に、負の熱膨張係数を有する被膜を補償用被膜の一例として用いた実施態様を示す。モーメントバランスの概念によれば、後述するように、基板は特定の温度で平坦な構造を有することができる。
【００１９】
実施態様１
図４は、この発明の好適な第１実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。基板１１０は第１の面１１２及びこれに対応する第２の面１１４を有する。被膜１２０を基板１１０の第１面１１２上に形成しようと意図していることが分かる。高温での被膜の製造プロセスが終了し、温度が室温（２５℃）に戻った後に、熱膨張係数が例えば８×１０−６／℃及び６×１０−６／℃であるとすると、基板１１０に加わる圧縮応力は例えば−１．６２ＧＰａであり、被膜１２０には引張応力が加わる。この際、基板１１０及び被膜１２０は、図１に示すような反り構造体１４０を形成することができる。
【００２０】
この状況下で、この反り構造体１４０の反り状態を補償するために、負の熱膨張係数を有する被膜１３０を、使用温度より高い温度で、反り構造体１４０の凹面１４２上、すなわち被膜１２０上にさらに形成する。温度が使用温度まで降下すると、被膜１３０が反り構造体１４０に引張応力を加えるので、反り構造体１４０の反り状態が軽減されて、使用温度において基板１１０が比較的平坦な構造を有することができる。被膜１３０の熱膨張係数が−４．２×１０−６／℃であり、弾性係数が１４４０ＧＰａであるとすると、被膜１３０の形成に好適な温度は、関係する値を式（３）に代入し以下のようにして導くことができる。
−１．６２＝１４４０×（６×１０−６＋４．２×１０−６）（２５−Ｔｄ）
Ｔｄ＝１３５℃
【００２１】
すなわち、１３５℃の温度で被膜１３０が形成される場合、被膜１３０は使用温度（２５℃）で反り構造体１４０に適当な引張応力を加えるので、基板１１０は比較的平坦な構造を有することができる。
【００２２】
しかし、この発明の用途はこれに限定されない。負の熱膨張係数を有する被膜１３０も基板１１０上に形成し、次いで、図５に示すように、被膜１２０を被膜１３０の上に形成することもできる。
【００２３】
さらに、この発明の用途はこれに限定されない。被膜１２０を基板１１０の第１面１１２上に形成した後、負の膨張係数を有する補償用被膜１３０を、使用温度より低い温度で、図６に示すように、反り構造体１４０の凹面上、すなわち基板１１０の第２面１１４上に形成することもできる。しかし、実際には、被膜１２０を基板１１０の第１面１１２上に形成する前に、負の膨張係数を有する被膜１３０を基板１１０の第２面１１４上に形成する。
【００２４】
実施態様２
図７は、この発明の好適な第２実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。１００℃の使用温度で基板２１０に加わる応力を零に維持しようと意図していることが分かる。基板２１０の熱膨張係数が例えば７．５×１０−６／℃であるとすると、基板２１０上に形成された被膜２２０の応力によって、基板２１０は使用温度にて引張応力下にあるように見える。ここで、引張応力の値は例えば０．４２ＧＰａである。また被膜２２０は圧縮応力を受けうる。この際、基板２１０及び被膜２２０は、図２に示すような反り構造体２４０を形成することができる。
【００２５】
この状況下で、反り構造体２４０の反り状態を補償するために、負の熱膨張係数を有する被膜２３０を、使用温度より低い温度で、反り構造体２４０の凹面２４２上、すなわち被膜２２０上にさらに形成する。温度が使用温度まで上昇すると、この被膜２３０がこの反り構造体２４０に圧縮応力を加えるので、この反り構造体２４０の反り状態が軽減されて、使用温度において基板２１０が比較的平坦な構造を有することができる。被膜２３０の熱膨張係数が−５×１０−６／℃であり、弾性係数が２６００ＧＰａであるとすると、被膜２３０の形成に好適な温度は、関係する値を式（３）に代入して以下のようにして導くことができる。
０．４２＝２６００×（７．５×１０−６＋５×１０−６）（１００−Ｔｄ）
Ｔｄ＝８７℃
【００２６】
すなわち、８７℃の温度で被膜２３０が形成される場合、被膜２３０は使用温度（１００℃）でこの反り構造体２４０に圧縮応力を加えるので、基板２１０は比較的平坦な構造を有することができ、また、温度が使用温度付近で変動することにより生ずる装置の不十分な性能も低減することができる。
【００２７】
しかし、この発明の用途はこれに限定されない。負の熱膨張係数を有する被膜２３０も基板２１０上に形成し、次いで、図８に示すように、被膜２２０を被膜２３０の上に形成することもできる。
【００２８】
さらに、この発明の用途はこれに限定されない。被膜２２０を基板２１０の第１面２１２上に形成した後、負の膨張係数を有する補償用被膜２３０を、使用温度より高い温度で、図９に示すように、反り構造体２４０の凹面上、すなわち基板２１０の第２面２１４上に形成することもできる。しかし、実際には、被膜２２０を基板２１０の第１面２１２上に形成する前に、負の膨張係数を有する被膜２３０を基板２１０の第２面２１４上に形成する。
【００２９】
実施態様３
図１０は、この発明の好適な第３実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。基板３１０は第１の面３１２及びこれに対応する第２の面３１４を有する。被膜３２０を基板３１０の第１面３１２上に形成しようと意図していることが分かる。基板３１０の熱膨張係数が例えば８．５×１０−６／℃であり、被膜３２０の熱膨張係数が例えば７．７５×１０−６／℃であるとすると、高温での被膜の製造プロセスが終了し、温度が室温（２５℃）に戻った際に、基板３１０及び被膜３２０は、図２に示すような反り構造体３４０を形成する。
【００３０】
この状況下で、この反り構造体３４０の反り状態を補償するために、負の熱膨張係数を有する被膜３３０を、使用温度（２５℃）より高い温度で、反り構造体３４０の凹面上、すなわち基板３１０の第２面３１４上にさらに形成する。温度が使用温度まで降下すると、被膜３３０によって反り構造体３４０の反り状態が軽減されて、使用温度において基板３１０が比較的平坦な構造を有することができる。
【００３１】
しかし、この発明の用途はこれに限定されない。負の熱膨張係数を有する被膜３３０も基板３１０の第２面３１４上に形成し、次いで、被膜３２０を基板３１０の第１面３１２上に形成することもできる。
【００３２】
さらに、この発明の用途はこれに限定されない。被膜３２０を基板３１０の第１面３１２上に形成した後、負の膨張係数を有する補償用被膜３３０を、使用温度（２５℃）より低い温度で、図１１に示すように、反り構造体３４０の凹面３４２上、すなわち被膜３２０上に形成することもできる。しかし、実際には、被膜３２０を被膜３３０上に形成する前に、負の膨張係数を有する被膜３３０を基板３１０上に形成する。
【００３３】
備考
この発明において、例えば負の熱膨張係数を有する被膜を補償に用いる。この被膜の体積は温度の上昇につれて収縮し、温度の下降につれて膨張し、その膨張係数は−１×１０−８から１−×１０−１までの範囲である。負の熱膨張係数を有する被膜の材料は、例えばタングステン酸ジルコニウム又はケイ酸リチウムアルミニウムである。ケイ酸リチウムアルミニウムは酸化リチウム、酸化アルミニウム及び酸化ケイ素を、例えば１：１：２と１：１：３の間のモル比で含む。
【００３４】
さらに、基板についていえば、上記の実施態様のひとつにおいて、基板を例えば金属基板、ポリマー基板、酸化物基板（酸化アルミニウム基板、酸化ケイ素基板等）、半導体基板（シリコン基板、炭化ケイ素基板等）、ＩＩＩ−Ｖ族基板（窒化ガリウム基板、ガリウムヒ素基板等）、又はガラス基板等とすることができる。
【００３５】
加えて、被膜を形成する方法は、化学的堆積と同様に、スパッタリング、蒸発等の種々の物理的堆積を含むことができる。被膜及び基板の構造は、単結晶、多結晶又は非結晶相とすることができる。
【００３６】
上記の実施態様においては、補償のために１層の被膜を用いているが、実際には、多層構造の被膜を補償に用いることもできる。
【００３７】
まとめ
この発明の熱応力補償構造体及び方法は、補償用被膜を基板上に形成し、基板上に堆積した被膜又は基板に蓄積した応力を低減するので、基板が比較的平坦になり、かつ被膜要素又は精密な熱感知装置の性能が大幅に改善され得る。
【００３８】
この発明の範囲又は精神から逸脱することなく、種々の変更及び変形をこの発明の構造体に加えることができることは、当業者には明らかである。
この発明は、特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内となるという条件で、この発明の変更及び変形に及ぶことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】引張応力が加わった状態の被膜の概略図である。
【図２】圧縮応力が加わった状態の被膜の概略図である。
【図３】高温で被膜を堆積した後の基板の概略図である。
【図４】この発明の好適な第１実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。
【図５】この発明の好適な第１実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。
【図６】この発明の好適な第１実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。
【図７】この発明の好適な第２実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。
【図８】この発明の好適な第２実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。
【図９】この発明の好適な第２実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。
【図１０】この発明の好適な第３実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。
【図１１】この発明の好適な第３実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。
【図１２】この発明の好適な第３実施態様に従う応力補償用被膜の概略図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０      被膜
２０      基板
１１０、２１０、３１０      基板
１１２、２１２、３１２      第１面
１１４、２１４、３１４      第２面
１３０、２２０、２３０、３２０、３３０      被膜
１４０、２４０、３４０      反り構造体
【図１】
2006281766.tif 000005
【図２】
2006281766.tif 000006
【図３】
2006281766.tif 000007
【図４】
2006281766.tif 000008
【図５】
2006281766.tif 000009
【図６】
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【図７】
2006281766.tif 000011
【図８】
2006281766.tif 000012
【図９】
2006281766.tif 000013
【図１０】
2006281766.tif 000014
【図１１】
2006281766.tif 000015
【図１２】
2006281766.tif 000016