(57)【要約】【課題】反応物質を気密カプセル化するためのマイクロコンテナを提供すること。【解決手段】原子時計などの超小型電気機械システムのためのマイクロコンテナデバイスが提供される。マイクロコンテナデバイスは、基板と、該基板内に、上縁を有する側壁によって画定された空洞とを備えている。空洞は、ルビジウムまたはセシウムなどの反応物質を保持するように構成されている。下部表面を有する蓋は、空洞を覆って密閉するように構成されている。側壁の上縁の外側の周囲の周りに第１の気密材料が配置され、蓋の下部表面の周囲の周りに第２の気密材料が配置されている。側壁の上縁の内側の周囲の周りに、反応物質と化学的に適合する封止材料が、第１の気密材料に隣接して配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板内に、上縁を有する側壁によって画定された空洞であって、反応物質を保持するように構成された空洞と、
前記上縁の外側の周囲の周りに配置された第１の気密材料と、
前記上縁の内側の周囲の周りに、前記第１の気密材料に隣接して配置された、前記反応物質と化学的に適合する封止材料と、
下部表面を有する、前記空洞を覆って密閉するように構成された蓋と、
前記蓋の前記下部表面の周囲の周りに配置された第２の気密材料と
を備えたマイクロコンテナデバイス。
【請求項２】
前記第１の気密材料がはんだ材料からなる、請求項１に記載のマイクロコンテナデバイス。
【請求項３】
前記第２の気密材料が、前記蓋の前記下部表面を覆っているニッケルの第１の層、および前記第１の層を覆っている金の第２の層からなる、請求項１に記載のマイクロコンテナデバイス。
【請求項４】
前記封止材料がフォトレジストエポキシ樹脂からなる、請求項１に記載のマイクロコンテナデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
米国政府は、ＤＡＲＰＡ／Ｎａｖｙ  ＳＰＡＷＡＲとの契約番号Ｎ６６００１−０２−Ｃ−８０１９によって提供される本発明の特定の権利を有することができる。
【背景技術】
【０００２】
超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、超小型製造技術を使用して、機械エレメント、センサ、アクチュエータおよび電子回路を共通の半導体基板の上に統合したものである。電子回路は、集積回路（ＩＣ）プロセスを使用して製造されるが、超小型機械コンポーネントは、機械デバイスおよび電気機械デバイスを形成するために、シリコンウェーハなどの基板の一部が選択的にエッチ除去されるか、あるいは新しい構造層が追加される、適合する超小型機械加工プロセスを使用して製造される。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイスは、スイッチ、センサ、ジャイロスコープ、加速度計、原子時計などの様々なチップスケールの（ミクロン）デバイスまたはナノスケールのデバイスを備えている。これらのデバイスおよびそれらのコンポーネントは、そのスケールが小さいため、微小スケールのフィーチャをデバイスのコンポーネントの所望の化学構造を汚染または変更することなく製造することができる製造プロセスが必要である。
【０００４】
ＭＥＭＳデバイスは、極めて精密で、かつ、正確な測定能力を提供している。たとえば原子時計は、極端に正確で、かつ、安定した周波数を必要とする様々なシステムに使用することができ、たとえばバイスタティックレーダ、全地球測位システムおよび他の航法システムならびに位置決めシステムなどに使用することができ、また、無線通信にも使用することができる。
【０００５】
セルタイプの原子時計として知られている原子時計の１つのタイプは、活性媒体に光パワーおよびマイクロ波パワーを同時に照射することによって動作している。光パワーによって、一般的にはルビジウムまたはセシウムである活性媒体の原子がポンプされ、媒体が基底状態の２つの超微小レベル間の遷移に対応するマイクロ波周波数で吸収性になる。このような原子のエネルギーレベル（つまり周波数）を測定するためには、可能な最長時間量を有していることが望ましい。長い測定時間を得るための方法の１つは、原子を測定している間、原子を１つの場所に維持することである。これは、原子をたとえば空洞すなわちセルに含有することによって実施することができる。通常、このようなセル構造は、活性媒体を蒸気として制御可能に提供することができる真空環境を提供している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
チップスケールの原子時計を製造するための従来の試行には、活性媒体を含有している空洞すなわちセルを密閉するために、アノード（つまり熱電）結合またはガラス結合が使用されている。しかしながら、これらの方法は、たいていのＭＥＭＳ構造では良好に機能しない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、超小型電気機械システムに使用することができるマイクロコンテナデバイスに関している。マイクロコンテナデバイスは、基板と、該基板内の、上縁を有する側壁によって画定された空洞とを備えている。空洞は、反応物質を保持するように構成されている。上縁の外側の周囲の周りに第１の気密材料が配置されている。上縁の内側の周囲の周りに、反応物質と化学的に適合する封止材料が、第１の気密材料に隣接して配置されている。下部表面を有する蓋は、空洞を覆って密閉するように構成されている。蓋の下部表面の周囲の周りに、第２の気密材料が配置されている。
【０００８】
本発明の特徴は、図面を参照して行う以下の説明から、当業者には明らかになるであろう。図面は、本発明の典型的な実施形態を示したものにすぎず、したがって本発明の範囲を制限するものとして解釈してはならないことを理解されたい。以下、本発明について、添付の図面を使用して、追加特性および細部と共に説明する。
【０００９】
以下の詳細な説明では、実施形態は、当業者による本発明の実践が可能になるよう、十分詳細に説明されている。本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施形態を利用することができることを理解されたい。したがって、以下の詳細説明は、本発明を制限する意味で捉えてはならない。
【００１０】
原子時計などのチップスケールのデバイスを構築する場合、反応物質をマイクロコンテナなどのエンクロージャの内部に気密カプセル化しなければならない。本発明によれば、そのための技法がＭＥＭＳと適合する方法で提供される。通常、はんだ材料を使用してエンクロージャが密閉され、また、有機材料を使用して化学的に適合する界面が提供される。はんだ材料は、良好な気密性を提供するが、エンクロージャの空洞内の反応物質との適切な化学的適合性に欠けることがある。有機材料は、反応物質と化学的に適合するが、適切な気密性に欠けることがある。したがって、本発明による封止材料の構成により、マイクロコンテナなどのエンクロージャ内の化学的な適合性と気密性が同時に達成される。
【００１１】
本発明に利用される様々な反応物質および封止材料は、従来の付着技法によって表面に付着させることができる。このような付着技法の非制限の例には、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、化学蒸着法のプラズマ増速（ＰＥ）変形形態であるたとえばＰＥＣＶＤ、スパッタリング、電気分解付着などがある。このような付着プロセスは、通常、材料を処理し、かつ、付着させるための清浄な環境を提供する真空中で実施され、それにより汚染および／または望ましくない反応を最小化している。真空蒸着法は、材料を高温で蒸発させ、かつ、より低い温度で表面に付着させている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、原子時計などのＭＥＭＳデバイスに使用することができる反応物質を密閉するためのマイクロコンテナ１００の一実施形態の略斜視図である。マイクロコンテナ１００は、基板１１０の上に形成されている。基板１１０は、原子時計などのＭＥＭＳデバイスを調製するために有用な任意の基板を使用することができる。例示的な基板は、シリコンウェーハなどの半導体基板である。空洞１１２は、基板１１０の中に形成されており、上縁１１６を有する基板１１０の側壁１１４によって画定されている。空洞１１２は、超小型電子基板または半導体基板を処理するための従来の方法によって形成することができ、たとえばエッチング、フォトリソグラフィ、レーザドリリング、電気めっきなどによって形成することができる。
【００１３】
封止材料１２０は、上縁１１６の内側の周囲の周りに配置されている。封止材料１２０は、マイクロコンテナ１００の中に置かれた反応物質と化学的に適合している。たとえば封止材料１２０は、フォトレジストエポキシ樹脂などの有機材料であってもよい。適切なエポキシ樹脂は、完全にエポキシ化されたビスフェノールＡ／ホルムアルデヒド・ノボラック共重合体であるＳＵ−８エポキシ樹脂である。このエポキシ樹脂は、約８の平均エポキシド基官能性を有している。
【００１４】
第１の気密材料１２２は、気密材料１２２と封止材料１２０が同心になるように、上縁１１６の外側の周囲の周りに形成されている。第１の気密材料１２２は、スズ−鉛はんだ材料などのはんだ材料であってもよい。
【００１５】
マイクロコンテナ１００は、さらに、空洞１１２を覆って密閉するように構成された、下部表面１３２を有する蓋１３０を有している。蓋１３０は、基板１１０の材料と同じ材料を使用して形成することができ、たとえば半導体材料などを使用して形成することができる。蓋１３０は、従来の半導体製造技法によって形成することができる。
【００１６】
蓋１３０は、水、空気または湿った処理化学物質への望ましくない露出から反応物質を保護するように構成されている。第２の気密材料１３４は、蓋１３０の下部表面１３２の周囲の周りに配置されている。第２の気密材料１３４は、金、ニッケルまたはそれらの層あるいは合金を含有することができる。たとえば気密材料１３４は、下部表面１３２の上にニッケルの第１の層を含有し、該ニッケルの第１の層の上に金の第２の層を含有することができる。
【００１７】
反応物質１４０は、上縁１１６の上に蓋１３０を取り付ける前に空洞１１２の中に配置される。反応物質は、たとえばルビジウムまたはセシウムを含有することができる。反応物質１４０は、従来の気相成長技法によって空洞１１２内に付着させることができる。
【００１８】
図２は、原子時計などのＭＥＭＳデバイスに使用することができる反応物質を密閉するためのマイクロコンテナ２００の他の実施形態の上面図である。マイクロコンテナ２００は、半導体基板などの基板２１０の上に形成されている。空洞２１２は、基板２１０の中に形成されており、上縁２１６を有する側壁２１４によって画定されている。空洞２１２は、空洞１１２（図１）に関連して上で説明したような従来の処理方法によって形成することができる。
【００１９】
封止材料２２０は、上縁２１６の内側の周囲の周りに配置されている。封止材料は、マイクロコンテナ２００の中に置かれる反応物質と化学的に適合している。たとえば封止材料２２０は、フォトレジストエポキシ樹脂などの有機材料であってもよい。適切なエポキシ樹脂はＳＵ−８エポキシ樹脂である。第１の気密材料２２２は、気密材料２２２と封止材料２２０が同心になるように、上縁２１６の外側の周囲の周りに形成されている。第１の気密材料２２２は、スズ−鉛はんだ材料などのはんだ材料であってもよい。側壁２１４の外側のフィールド領域２３０の基板２１０上に追加はんだ材料を付着させ、マイクロコンテナ２００の機械強度を強化することができる。
【００２０】
また、上で説明した蓋１３０と同様の蓋（図示せず）が提供され、マイクロコンテナ２００の空洞２１２を覆って密閉することも可能である。マイクロコンテナ２００のための蓋の下部表面の周囲の周りに、蓋１３０に関連して説明したような第２の気密材料を配置することができる。
【００２１】
原子時計などのＭＥＭＳデバイスのための本発明によるマイクロコンテナデバイスを製造する方法によれば、適切な基板が提供され、基板の中に空洞が形成される。空洞は、上縁を有する側壁によって画定される。上縁の外側の周囲の周りに第１の気密材料が付着され、また、上縁の内側の周囲の周りに、反応物質と化学的に適合する封止材料が付着される。密閉するための蓋が提供され、蓋の下部表面の周囲の周りに第２の気密材料が付着される。次に、空洞内に反応物質が付着される。空洞の上に、第１の気密材料と第２の気密材料が整列するように蓋が置かれ、空洞を画定している側壁の上縁に蓋が気密封止される。
【００２２】
本発明は、本発明の本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化することができる。上で説明した実施形態は、あらゆる点で本発明の実例を示したものにすぎず、本発明を制限するものと見なしてはならない。したがって本発明の範囲は、以上の説明によってではなく、特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の趣意および等価物の範疇に属するあらゆる変更は、特許請求の範囲に包含されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＭＥＭＳデバイスに使用される反応物質のためのマイクロコンテナの略斜視図である。
【図２】原子時計に使用することができる反応物質のためのマイクロコンテナの上面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１００、２００  マイクロコンテナ
１１０、２１０  基板
１１２、２１２  空洞
１１４、２１４  側壁
１１６、２１６  上縁
１２０、２２０  封止材料
１２２、１３４、２２２  気密材料
１３０  蓋
１３２  蓋の下部表面
１４０  反応物質
２３０  フィールド領域
【図１】
2008055592.tif 000003
【図２】
2008055592.tif 000004
【外国語明細書】
2008055592000001.pdf