(57)【要約】【課題】たくさんの能動素子を含む回路の温度を受け入れられるレベルに維持する能力のある冷却装置を提供することである。【解決手段】本発明は、絶縁基板中に形成された空洞を有し、基板の上部は縁を形成し空洞の近くに置かれ、縁まで空洞の内部を覆い、縁を覆うことができる導電層と、導電媒体で形成され空洞の上に置かれ、縁に支えられているフレキシブル膜と、お互いに近接した導電層と膜の部分を絶縁するため、導電層または膜を覆っている誘電性層と、絶縁基板の中に形成され、導電層の開口部を通して空洞の中につき出る少なくとも一つの通風ダクトと、導電層と膜の間の電圧印加のための端子とを備えているポンプに関する。【選択図】図１
2007512468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板１中に形成された空洞２を有し、該基板の上部は、
縁を形成する空洞の近くに置かれ、
縁まで空洞の内部を覆い、縁を覆うことのできる導電層３と、
導電媒体で形成され空洞の上に置かれ、縁で支えられているフレキシブル膜６と、
お互いに近接した導電層と膜の部分を絶縁するため、導電層または膜を覆っている誘電性層７と、
絶縁基板の中に形成され、導電層の開口部Ｏ１，Ｏ２を通して空洞の中につき出る少なくとも一つの通風ダクト４，１０と、
導電層と膜の間の電圧印加のための端子Ｖと、
を備えていることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
上記空洞２は、膜６と導電層３の間の間隔が空洞の縁から底に漸進的に増加しているカップの形状であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
膜６は上記端子の間に電圧Ｖが印加されていないときアイドル状態であり、電圧の印加は膜を導電層３に近づけるように引っ張ることで膜を変形させ、電圧の抑制は膜をアイドル状態に戻すことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項４】
単一のダクト４がポンプの空洞の底につき出ることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項５】
２つのダクト４，１０を備え、１つのダクトがポンプの空洞の底でつき出し、他の１つのダクトがポンプの縁の近くでつき出していることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項６】
請求項１に記載のポンプを備える集積回路であって、該ポンプは、
集積回路の半導体基板中に形成された通風ダクトの組立品に接続されている
ことを特徴とする集積回路。
【請求項７】
絶縁基板２１の中の空洞２０および、縁を形成している空洞の近くの置かれた基板の上部を形成し、
１番目の導電層３０で空洞の内部を縁まで覆い、
絶縁基板の中に前もって形成された通風ダクト３１の中につき出ている導電層の開口部Ｏ３を形成し
犠牲部分３２で空洞を満たし、
１番目の絶縁層３３と２番目の絶縁層３４で、犠牲部分と縁上に置かれた１番目の導電層の部分を覆い
２番目の導電層と１番目の絶縁層の中に小さな開口部Ｏ４を形成し、
犠牲層を取り除き、
開口部に近い２番目の絶縁層３５で２番目の導電層を覆う
ステップを備えていることを特徴とする集積回路中にポンプを形成する方法。
【請求項８】
絶縁基板２１の中に空洞２０を形成するステップが、
１番目の絶縁層２２上に絶縁パッド２３，２４を形成し、
２番目の絶縁層２５で１番目の絶縁層と絶縁パッドを覆い、
絶縁パッドを露出するため２番目の絶縁層の化学的機械的研磨を実行し、研磨のエッチングの方法は、絶縁パッドよりもっと多く２番目の絶縁層をエッチングし、絶縁パッドは上記縁を形成する
ステップを備えていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記端子間に規則的または非規則的に電圧が印加されることを特徴とする請求項３のポンプを作動する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプに関する。特に集積回路冷却装置の中でのマイクロポンプの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷却装置は、集積回路チップの表面上に置かれたメタルヒートシンクである。回路の“熱い”エリアからヒートシンクに熱を運ぶことは、一般に低い熱伝導率を示す回路の部分を通して行われる。
【０００３】
このようなヒートシンクの補完として、または他の冷却装置が存在しないなら、集積回路は、回路の周りに恒久的な空気流を生成する送風装置を含む囲いの中に置かれる。
【０００４】
これらの２つの冷却装置は、連携しようとしていまいと、高い能動密度の素子を有する回路の冷却に十分な能力を有していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、多数の能動素子を含む集積回路の温度を満足できるレベルに維持する能力のある冷却装置を提供することである。
【０００６】
本発明のもっと一般的な目的は、マイクロポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するため、本発明は、絶縁基板中に形成された空洞を有し、基板の上部は縁を形成し空洞の近くに置かれ、縁まで空洞の内部を覆い、縁を覆うことが可能な導電層と、導電媒体で形成され空洞の上に置かれ、縁で支えられているフレキシブル膜と、お互いに近接した導電層と膜の部分を絶縁するため、導電層または膜を覆っている誘電性層と、絶縁基板の中に形成され、導電層の開口部を通して空洞の中につき出る少なくとも一つの通風ダクトと、導電層と膜の間の電圧印加のための端子と、を備えているポンプを提供する。
【０００８】
上で言及したポンプの実施態様によれば、上記空洞は、膜と導電層の間の間隔が空洞の縁から底に漸進的に増加しているカップの形状である。
【０００９】
上で言及したポンプの実施態様によれば、膜は上記端子の間に電圧が印加されていないときアイドル状態であり、電圧の印加は膜を導電層に近づけるように引っ張ることで膜を変形させ、電圧の除去は膜をアイドル状態に戻す。
【００１０】
上で言及したポンプの実施態様によれば、ポンプは、空洞の底でつき出ている単一の通風ダクトを備えている。
【００１１】
上で言及したポンプの実施態様によれば、ポンプは、２つの通風ダクトを備えており、その１つは空洞の底でつき出ており、他の１つは縁の近くでつき出ている。
【００１２】
上で言及したポンプの実施態様によれば、ポンプは、集積回路の半導体基板中に形成された通風ダクトの組立品に接続されている。
【００１３】
本発明は、絶縁基板中の空洞、および縁を形成している空洞の近くの置かれた基板の上部を形成し、１番目の導電層で縁まで空洞の内部を覆い、絶縁基板の中に前もって形成されている通風ダクトの中につき出ている導電層の開口部を形成し、犠牲部分で空洞を満たし、１番目の絶縁層と２番目の絶縁層で、犠牲部分と縁上に置かれた１番目の導電層の部分を覆い、２番目の導電層と１番目の絶縁層の中に小さな開口部を形成し、犠牲部分を取り除き、開口部に近い２番目の絶縁層で２番目の導電層を覆うステップを備える集積回路中にポンプを形成する方法も提供する。
【００１４】
本発明の実施態様によれば、絶縁基板中に空洞を形成するステップは、１番目の絶縁層上に絶縁パッドを形成し、２番目の絶縁層で１番目の絶縁層と絶縁パッドを覆い、絶縁パッドを露出するため２番目の絶縁層の化学的機械的研磨を実行し、研磨のエッチングの方法は、絶縁パッドよりもっと多く２番目の絶縁層をエッチングし、絶縁パッドは上記縁を形成するステップを備えている。
【００１５】
本発明は更に、上記端子間に規則的または非規則的に電圧が印加される上記のようなポンプを作動させるための方法も提供する。
【００１６】
本発明の前述の目的、特徴および効果は、以下に添付の図とともに特定の実施例の非制限な記述で議論される。
【００１７】
集積回路のいつもの表現通りに、各図は同一スケールではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
１．ポンプ
図１と図２は、それぞれアイドル状態と活性化状態の本発明によるポンプの断面図である。図３は、図１と図２で示したポンプの上面図である。ポンプは、絶縁基板１の上に、より具体的には基板１の上部空洞２の中に形成されている。空洞２は、本例ではカップの形状をしている。空洞の周辺におかれている基板１の上部は縁を形成し、本例では図３で見えるように円形である。空洞２の内部と縁は、例えばアルミまたは銅から作られた導電層３で覆われている。導電層３の開口部Ｏ１は、基板１の中に形成された通風ダクト４の上で空洞２の底部に形成されている。通風ダクト４は、基板の外部につき出る。フレキシブル膜６は、導電性材料から作られており、空洞２の上部に置かれ、導電層３の上の空洞２の縁で支えられている。膜６と導電層３は、本例ではフレキシブル膜６の下面を覆っている絶縁層７によって互いに絶縁されている。導電層３とフレキシブル膜６は、命令されたとき電圧を印加する制御回路Ｖの２つの端子に接続されている。
【００１９】
アイドル状態で、制御回路Ｖに電圧が印加されていないとき、膜６と絶縁層７は、図１に示すように水平となっている。活性化状態で、制御回路Ｖが電圧を印加したとき、膜６は、変形して図２で示すように導電層３に近づく。膜６が変形したとき、膜６と導電層３の間にある空気ポケットの体積は減少し、通風ダクト４に向かって空気が追い出される結果となる。制御回路Ｖが電圧の印加を停止したとき、膜６は、導電層３から離れて、アイドル状態である水平の位置に戻る。空気ポケットの体積は、その後漸進的に増加していき、通風ダクト４から空気を取り入れる結果となる。膜６の変形と解放の操作を連続的に繰り返すことにより、“新鮮な”空気を取り入れること、“熱い”空気を追い出すことを交互に行うことができる。
【００２０】
上で記載したポンプの他の実施形態のよれば、絶縁層７は導電層３を覆っている。そのとき、開口部Ｏ１は、絶縁層７と導電層３を貫通するように形成される。
【００２１】
図４と図５は、それぞれアイドル状態と活性化状態の本発明による他の例のポンプの断面図である。ポンプは、図１から図３に示されたポンプと全く同じ構造を持つ。ポンプは更に２番目の通風ダクト１０を含んでおり、通風ダクト１０は基板の２番目の開口部に接続され、カップ形状の空洞２の縁の近くに形成された導電層３の２番目の開口部Ｏ２の中につき出ている。
【００２２】
制御回路Ｖが電圧を印加したとき、膜６は、漸進的に変形し、導電層３に近づくことによって、開口部Ｏ２を覆う。膜の変形の増加は、空気ポケット体積を減少させ、通風ダクト４の外に熱い空気を追い出す。制御回路６が電圧の印加を停止した時、膜６はアイドル状態に戻るため、漸進的に緩められる。膜６が開口部Ｏ２を覆っている限り、空気は通風ダクト４を通して空洞の中に入る。開口部Ｏ２が開かれるとすぐに、空気は２つの通風ダクト４と１０を通して空洞２に入る。
【００２３】
開口部Ｏ２の大きさが開口部Ｏ１の大きさより非常に大きい場合、開口部Ｏ２を通して入る空気の体積は、開口部Ｏ１を通して入る空気の体積より非常に大きくなる。したがって、膜６の緩和により、通風ダクト１０から来る空気でほとんど空洞２を満たすことができる。したがって、空洞２の中の“新鮮な”空気の吸入は主に通風ダクト１０を通して発生し、“熱い”空気の排出は主に通風ダクト４を通して発生する。
【００２４】
例として、様々なポンプの要素の大きさは次のようになっている。
−カップ形状の空洞の直径：１００から１０００μｍ
−空洞の最大の深さ（中心での）：１５μｍ
−通風ダクト４（開口部Ｏ１）の直径：１から１０μｍ
−通風ダクト１０の直径：１から１０μｍ
−導電層３の厚さ：１００ｎｍから２μｍ
−膜６の厚さ：２μｍ
【００２５】
制御回路が層３と膜６に電圧を印加したとき、膜６の変形は漸進的である。空洞２の縁に近くに位置する層３と膜６の部分は互いに近接し、低電圧でそれらをより近くに引っ張ることが可能である。それらの第１の部分がお互いに引っ張られると、それらの右隣に位置している層３と膜６の部分は互いに近づき、低電圧でそれらをより近くに引っ張ることが可能になる。以下同じようになる。最大の変形は、“力学的”膜復元力が制御回路Ｖによる電圧で層３と膜６の間に生成される静電気力と等しいところである。
【００２６】
上で記載したポンプの効果は、それらが低電圧で動作できることである。
【００２７】
上で記載したポンプはカップ形状を持っており、上で言及した効果を持っている。しかしながら、他の空洞の形状では、空洞の内部に位置した導電層と空洞の上に位置するフレキシブル膜が必ずしも空洞の縁で接触していない。
【００２８】
２．ポンプを製造する方法
本発明によるポンプは次に記載の方法によって形成される。
【００２９】
図６Ａに示されている最初のステップで、カップ形状の空洞２０が、絶縁基板２１中に形成される。空洞の近くに位置している基板の上部は縁を形成する。空洞は好ましい“カップ”の形状になり、その結果空洞の深さは、空洞の縁から底まで漸進的に増加する。
【００３０】
カップ形状は次の方法によって得られる。絶縁パッド２３と２４が絶縁層２２の上に形成される。絶縁層２２とパッド２３と２４は、２番目の絶縁層２５で覆われている。２番目の絶縁層２５の化学的機械的研磨は絶縁パッド２３と２４を露出するために行われる。研磨の際に実行されるエッチングの方法は、パッド２３と２４より絶縁層２５をもっと“エッチング”するように選ばれる。パッド２３と２４がそれぞれ離れて置かれているとき、凹部はパッド２３と２４の間の絶縁層２５の中に形成される。この現象は、“ディッシング（ｄｉｓｈｉｎｇ）”として知られ、平面でない表面を形成する結果となるため一般に望ましいものではない。しかしながら、この効果は、カップ形状の空洞を形成するため本発明の方法で採用される。
【００３１】
図６Ｂに示されている次のステップで、空洞２０の縁と内部が、例えばアルミから作られた導電層３０で覆われる。
【００３２】
図６Ｃに示されている次のステップで、導電層３０は、基板２１の中に前もって形成された通風ダクト３１の上で空洞２０の底部に開口部Ｏ３を形成するためエッチングされる。
【００３３】
図６Ｄに示されている次のステップで、空洞２０は、犠牲部分３２で満たされる。犠牲部分３２は、空洞２０の縁を覆わない。ほとんど性質が一致しない犠牲層付着の方法が、通風ダクト３１を満たすことをさけるために使用される。その後犠牲層のエッチングまたは化学的機械的研磨は、空洞２０の縁を覆っている部分を取り除くことにより行われる。
【００３４】
図６Ｅに示されている次のステップで、絶縁層３３は犠牲部分３２の上および空洞２０の縁に位置する導電層３０の部分の上に形成される。
【００３５】
図６Ｆに示されている次のステップで、絶縁層３３が導電層３４で覆われる。
【００３６】
図６Ｇに示されている次のステップで、小さな開口部Ｏ４が、下にある犠牲部分３２に達するまで、導電層３４と絶縁層３３の中に形成される。
【００３７】
図６Ｈに示されている次のステップで、犠牲部分３２が、例えばエッチングにより開口部Ｏ４を通して取り除かれる。
【００３８】
図６Ｉに示されている次のステップで、導電層３４は、ほとんど性質が一致しない方法で薄い絶縁層３５で覆われ、その結果、付着した絶縁層は開口部Ｏ４を通してほとんど入り込まない。
【００３９】
３．集積回路上に置かれたポンプ
本発明のよるポンプは、集積回路の中に形成された通風ダクトの組立品を通して集積回路を冷やすための空気または他の流体の流れを得るために使用される。通風ダクトとそのような通風ダクトを形成するための方法の例は“Micromachining of Buried Micro Channels in Silicon”，JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS，Vol.9 No1，March 2000に記載されている。
【００４０】
図７は、本発明によるポンプを含んでいる集積回路の例の断面図である。ＭＯＳトランジスタのような構成部品４０は、半導体基板４１の表面上に形成されている。通風ダクト４２のネットワークは半導体基板４１の中に提供される。金属相互接続ネットワーク４３は構成部品４０と基板４１の上に置かれている。相互接続ネットワーク４３は、この例では、様々な導電線を形成する５レベルのメタライゼーションで構成されている。導電バイアは、２つの隣り合ったレベルに置かれた導電線を接続することを可能とする。本発明によるマイクロポンプは、本例では相互接続ネットワーク４３の上に置かれて、より詳細には、最後のメタライゼーションレベルの絶縁層の上部に形成されたカップ形状の空洞４５の中に置かれている。導電層４６は空洞４５の内部と縁を覆っている。導電層４７は、絶縁層４８で下の表面が覆われていて、縁で支えられることによって空洞４５の上に置かれている。ダクト４９に対応する垂直の開口部は、相互接続ネットワーク４３を通して形成されている。ダクト４９は、一方で導電層４６の開口部を通ってポンプの空洞４５の中につき出て、他方で半導体基板４１の中で提供される通風ダクト４２の中につき出ている。ポンプは、相互接続ネットワーク４３上の水平に置かれた半球の形状を持っている絶縁部分５４で形成された保護“ベル”の下に置かれている。
【００４１】
空洞４５の一方の端で絶縁層４８は、内部接続ネットワーク４３の上部絶縁層を部分的に覆うため伸ばされる。導電層４７は、内部接続ネットワーク４３の導電線５１に接続された導電バイア５０が置かれている絶縁層の上部を覆うため、絶縁層４８の伸張の上に続いている。導電層４６は、導電層４６の下に置かれた導電バイア５３を通して、相互接続ネットワークの導電線５２に接続されている。導電線５１と５２は、集積回路基板の中に形成された制御回路Ｖに導電層４６と４７を接続することを可能とする。
【００４２】
そのような集積回路は温度センサを含んでいても良い。制御回路は、測定された温度によりポンプを速くまたは遅く動作されることもできる。
【００４３】
本発明によるポンプを含んでいる集積回路の他の実施形態も可能である。ポンプは例として、相互接続ネットワーク４３の下の半導体基板４１のすぐ上に置くことができる。
【００４４】
もちろん、本発明は、当業者にすでに見いだされている様々な改良、修正および改善を行うことがある。特に当業者は、本発明によるポンプを製造する他の方法を考えることができる。更に、ポンプの下部導電層の中に形成される開口部の位置と数は、集積回路の中に提供される通風ダクトによって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】２つの動作状態での本発明によるポンプの断面図である。
【図２】２つの動作状態での本発明によるポンプの断面図である。
【図３】図１と図２で示したポンプの上面図である。
【図４】２つの動作状態での本発明による他の例のポンプの断面図である。
【図５】２つの動作状態での本発明による他の例のポンプの断面図である。
【図６】本発明によるポンプを形成する方法の連続するステップで得られる構造の断面図である。
【図７】本発明によるポンプを備えている集積回路例の断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  絶縁基板
２  空洞
３  導電層
４  通風ダクト
６  フレキシブル膜
７  絶縁層
１０  ２番目の通風ダクト
Ｏ１  開口部
Ｏ２  ２番目の開口部
Ｖ  制御回路
２０  空洞
２１  絶縁基板
２２  絶縁層
２３、２４  絶縁パッド
２５  ２番目の絶縁層
３０  導電層
３１  通風ダクト
３２  犠牲部分
３３、３５  絶縁層
３４  導電層
Ｏ３、Ｏ４  開口部
４０  構成部品
４１  半導体基板
４２  通風ダクト
４３  相互接続ネットワーク
４５  空洞
４６、４７  導電層
４８  絶縁層
４９  ダクト
５０  導電バイア
５１、５２  導電線
５３  導電バイアホール
５４  絶縁部分
【図１】
2007512468.tif 000003
【図２】
2007512468.tif 000004
【図３】
2007512468.tif 000005
【図４】
2007512468.tif 000006
【図５】
2007512468.tif 000007
【図６Ａ】
2007512468.tif 000008
【図６Ｂ】
2007512468.tif 000009
【図６Ｃ】
2007512468.tif 000010
【図６Ｄ】
2007512468.tif 000011
【図６Ｅ】
2007512468.tif 000012
【図６Ｆ】
2007512468.tif 000013
【図６Ｇ】
2007512468.tif 000014
【図６Ｈ】
2007512468.tif 000015
【図６Ｉ】
2007512468.tif 000016
【図７】
2007512468.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成18年7月31日(2006.7.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路チップの中に置かれた通風ダクトの組立品に接続されているポンプを含む集積回路チップであって、該ポンプは、
絶縁基板中に形成された空洞を有し、該基板の上部は、
縁を形成する空洞の近くに置かれ、
縁まで空洞の内部を覆い、縁を覆うことのできる導電層と、
導電媒体で形成され空洞の上に置かれ、縁で支えられているフレキシブル膜と、
お互いに近接した導電層と膜の部分を絶縁するため、導電層または膜を覆っている誘電性層と、
導電層と膜の間の電圧印加のための端子と、
空洞の中につき出る少なくとも一つの通風ダクトと、
を備えていることを特徴とする集積回路チップ。
【請求項２】
上記空洞は、膜と導電層の間の間隔が空洞の縁から底に漸進的に増加しているカップの形状であることを特徴とする請求項１に記載の集積回路チップ。
【請求項３】
膜は上記端子の間に電圧が印加されていないときアイドル状態であり、電圧の印加は膜を導電層に近づけるように引っ張ることで膜を変形させ、電圧の抑制は膜をアイドル状態に戻すことを特徴とする請求項１に記載の集積回路チップ。
【請求項４】
単一のダクトがポンプの空洞の底につき出ることを特徴とする請求項１に記載の集積回路チップ。
【請求項５】
１つのダクトがポンプの空洞の底でつき出し、他の１つのダクトがポンプの縁の近くでつき出ていることを特徴とする請求項１に記載の集積回路チップ。
【請求項６】
通風ダクトが、集積回路の半導体基板中の少なくとも一部分に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の集積回路チップ。
【請求項７】
１番目の絶縁層の中の空洞および、縁を形成している空洞の近くの置かれた１番目の絶縁層の上部を形成し、
１番目の導電層で空洞の内部を縁まで覆い、
１番目の絶縁層の中に前もって形成された通風ダクトの中につき出ている導電層の開口部を形成し
犠牲部分で空洞を満たし、
２番目の絶縁層と２番目の導電層で、犠牲部分と縁上に置かれた１番目の導電層の部分を覆い
２番目の導電層と２番目の絶縁層の中に小さな開口部を形成し、
犠牲層を取り除き、
開口部に近い３番目の絶縁層で２番目の導電層を覆う
ステップを備えていることを特徴とする集積回路中にポンプを形成する方法。
【請求項８】
１番目の絶縁層の中に空洞を形成するステップが、
４番目の絶縁層上に絶縁パッドを形成し、
５番目の絶縁層で４番目の絶縁層と絶縁パッドを覆い、
絶縁パッドを露出するため５番目の絶縁層の化学的機械的研磨を実行し、研磨のエッチングの方法は、絶縁パッドよりもっと多く５番目の絶縁層をエッチングし、絶縁パッドは上記縁を形成する
ステップを備えていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記端子間に規則的または非規則的に電圧が印加されることを特徴とする請求項３の集積回路チップのポンプを作動する方法。
【請求項１０】
温度センサおよび測定された温度によりポンプを速くまたは遅く動作させる制御回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の集積回路チップ。
【国際調査報告】
2007512468.tif 000018
2007512468.tif 000019
2007512468.tif 000020
2007512468.tif 000021
2007512468.tif 000022
2007512468.tif 000023