(57)【要約】【課題】  大口径ウエーハプロセス工程に適するフィードスルー構造を有する薄板基板構造形成用ウエーハ基板とこの製造方法およびＭＥＭＳ素子の製造方法を提供する。【解決手段】  ウエーハプロセスで使われる基板において、本体基板ウエーハと補助支持基板ウエーハを接着層により貼り合せて一体化した構造とし、本体基板ウエーハには表面側に孔と、これに導電材料を埋め込んだ領域を持ち、このウエーハ基板を用いて薄板化することによってフィードスルー領域を有する薄板基板構造形成用ウエーハ基板として、これらを別の基板ウエーハと張り合わせてウエーハレベルで素子を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエーハプロセスで使われる基板において、本体基板ウエーハと補助支持基板ウエーハを接着層により貼り合せて一体化した構造であって、本体基板ウエーハには表面側に孔を持ち、導電材料を埋め込んだ領域を持つことを特徴とした薄板基板構造形成用ウエーハ基板。
薄板基板構造。
【請求項２】
請求項１記載のウエーハプロセス用薄板基板構造形成用ウエーハ基板において、孔と、これに導電材料を埋め込んだ領域を持つ構造のウエーハ基板を用いて薄板化することによってフィードスルー領域を有することを特徴とした薄板基板構造形成用ウエーハ基板。
【請求項３】
請求項１と２記載の製造方法で形成したウエーハプロセス用薄板ウエーハ構造であって、これがガラスなどの絶縁体ウエーハおよびシリコンまたはＧａＡｓなどの半導体ウエーハから構成されることを特徴とした薄板基板構造形成用ウエーハ基板。
【請求項４】
ウエーハプロセスで使われる基板であって、請求項１から３記載の薄板構造基板ウエーハを少なくとも１種類使って、ウエーハプロセスにおいて重ね合わせた素子構造基板ウエーハを形成し、これを各素子に分割することによってＭＥＭＳ素子や半導体素子が得られるものであることを特徴とした薄板基板構造形成用ウエーハ基板。
【請求項５】
本体基板ウエーハに表面から孔を形成する工程と、これに導電材料を埋め込んだ領域を形成する工程と、このウエーハ基板と補助支持基板ウエーハを接着層により貼り合わせて一体化する工程と、このウエーハ基板の裏面を削って上記導電材料を露出させる工程と、を基本として製作されることを特徴とした薄板基板構造形成用ウエーハ基板の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の製造方法によって製造された薄板基板構造形成用ウエーハ基板と、このウエーハ基板に別の構造体ウエーハ基板を接合させる工程と、この構造体ウエーハ基板を加工する工程と、さらに所定の厚さに加工する工程と、構造体ウエーハ基板に所定のパターンや電極を形成する工程と、本ウエーハ基板を別の基板に接合する工程と、この接合したウエーハ基板から上記補助基板と接着層を除去する工程と、を基本として製作されることを特徴としたＭＥＭＳ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は大口径ウエーハ対応プロセスに適する、貼り合せ構造の薄板基板およびこの薄型基板を用いた素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウエーハ基板上にＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical-Systems)素子を一括形成する製造方法では、通常、シリコン基板を用いた半導体素子や集積回路の製造方法に比べて立体構造を構築する必要があるため、特殊な技術が利用されている。例えば、ＭＥＭＳでは基板材料としてシリコンのほかに金属、ガラス、樹脂などを用いて、これらに深い段差や貫通孔を形成する技術を使い、同種あるいは異種ウエーハ基板を接合する技術などを組み合わせて素子を作成している。
【０００３】
また、ＭＥＭＳではウエーハ状態で気密封止やパッケージングされた素子構造（ウエーハプロセス・パッケージングと呼ぶ）が構築できるので、素子を低コスト化できる大きな利点があるためこのための実用化開発が盛んに行われている。この技術は例えば「マイクロマシーニングとマイクロメカトロニクス」、培風館（1992年6月発行）59ページに記載されている。ウエーハプロセス・パッケージングでは、基本的な技術として、ガラス基板にフィードスルー構造を形成するために基板ウエーハに対して高精度な貫通孔を高速で加工する技術、上記貫通孔を導電材料で高精度に埋込む技術、および製造工程の途中でシリコンやガラス基板ウエーハを薄板に加工してこれにパターンを形成する技術、あるいはガラスとシリコンの薄板基板を陽極接合や熱圧着により接合する技術など多種類にわたる高度な技術が要求される。上記の製造技術で問題となる点は、ウエーハプロセスにおける取り扱いでウエーハが割れないように機械強度を確保するよう、基板ウエーハが大口径になるほど厚い基板ウエーハを使う必要があり、このウエーハにフィードスルー用貫通孔を形成する工程では、貫通孔を加工する時間が長くなること、加工孔の寸法が大きくなってフィードスルーを高密度化できないこと、貫通孔が深いので導電材が埋込み難く、作業時間が長くなること、などの欠点が顕在化し、ＭＥＭＳでは大口径の基板ウエーハを用いてもシリコン・ＬＳＩのように大量生産によるコスト低減の効果が十分に得られない問題があった。
【０００４】
基板ウエーハを可能な限り薄板にした場合は、製造工程の取り扱いで基板が割れる確率が高くなり、歩留りの低下が避けられない問題があった。このようにＭＥＭＳの製造工程では基板の厚さは素子性能に関係するばかりでなく、製造コストを決める重要な要因である。例えば６インチの大口径ウエーハの製造工程では約５００μｍ以下の厚さの基板ウエーハでは通常の取り扱いが困難になるという問題があった。
【非特許文献１】「江刺正喜、他著、マイクロマシーニングとマイクロメカトロニクス、培風館、１９９２年、ｐ．５９」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はＭＥＭＳ素子の構造において、フィードスルー用基板の厚さを必要最小限に薄くすることができる製造工程を提供することである。本発明で解決しようとする課題は、（１）補助支持基板を持つ薄板フィードスルー基板の製造方法を提供する、（２）補助支持基板を持つ薄板フィードスルー基板が製造工程中の処理温度で、少なくとも４００℃に耐えるものを提供する、（３）製造工程の終わりに、補助支持基板の除去を確実にかつ迅速におこなう方法を提供する、ことである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記、課題に対して本発明の基本とすることは、補助支持基板に接着して貼り合せて一体化した本体基板からフィードスルー構造を有する薄板基板を得ることを特徴とする。本発明の補助支持基板を使って接合したウエーハは製造プロセスの温度に耐えるよう、接着剤にポリイミドの高耐熱性材料を用いることを特徴とする。また接合したウエーハの主要部の部材を製造工程で劣化させることなく補助支持基板から容易に除去できるよう、過酸化水素を基本としたウエットエッチングで溶解するゲルマニウム層を挿入していることを特徴とする。これによってフィードスルーをもつ基板の厚さを必要最小限に薄くすることができる製造工程を提供することである。
【０００７】
また、ウエーハプロセスで使われる基板において、本体基板ウエーハと補助支持基板ウエーハを接着層により貼り合せて一体化した構造であって、本体基板ウエーハには表面側に孔を持ち、導電材料を埋め込んだ領域を持つことを特徴とした薄板基板構造形成用ウエーハ基板を提供することである。
【０００８】
フィードスルーをもつ基板の材料は、パイレックスガラス、石英ガラスや樹脂などの絶縁体の他にシリコン、ＧａＡｓなどの半導体結晶や、Ａｌ、Ｔｉなどの金属板やこれらの複合体が好ましい。
【０００９】
本発明のウエーハプロセス用薄板基板構造は、孔加工され、これに導電材料が埋め込まれた本体基板ウエーハを薄板化し、フィードスルー構造体を有する薄板基板構造形成用ウエーハ基板を提供するものである。
【００１０】
ウエーハプロセスで使われる基板であって、上記記載のフィードスルー構造体を有する薄板基板構造形成用ウエーハ基板を少なくとも１種類使って、ウエーハプロセスにおいて重ね合わせた素子構造基板ウエーハを形成し、これを各素子に分割することによってＭＥＭＳ素子や半導体素子が得られるものであることを特徴とした薄板基板構造形成用ウエーハ基板を提供するものである。
【００１１】
本体基板ウエーハに表面から孔を形成する工程と、これに導電材料を埋め込んだ領域を形成する工程と、このウエーハ基板と補助支持基板ウエーハを接着層により貼り合わせて一体化する工程と、このウエーハ基板の裏面を削って上記導電材料を露出させる工程と、を基本として製作されることを特徴とした薄板基板構造形成用ウエーハ基板の製造方法を提供するものである。
【００１２】
上記記載の製造方法によって製造された薄板基板構造形成用ウエーハ基板と、このウエーハ基板に別の構造体ウエーハ基板を接合させる工程と、この構造体ウエーハ基板を加工する工程と、さらに所定の厚さに加工する工程と、構造体ウエーハ基板に所定のパターンや電極を形成する工程と、本ウエーハ基板を別の基板に接合する工程と、この接合したウエーハ基板から上記補助基板と接着層を除去する工程と、を基本として製作されることを特徴としたＭＥＭＳ素子の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１３】
発明の効果として、主なものに以下のようなものがある。
・フィードスルーを形成するための孔加工、導電性材料の埋め込みの処理時間が大幅に低減できるため、この方法を用ると生産性が著しく改善され、低コスト化が図れる。
・フィードスルーの高さが任意に設計できるので、素子の構造設計が容易になる。また電気抵抗が改善され素子の性能向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
【実施例１】
【００１５】
大口径基板ウエーハを用いて加速度センサなどのMEMSデバイスを製造するための一実施例を説明する。図1は加速度センサの構造概略を示す側断面図である。これは支持ガラス基板３０とシリコン基板２０とフィードスルー付きガラス基板１０の構造体より構成されている。支持ガラス基板３０はくぼみ領域３１や電極領域等を有する構造である。シリコン基板２０は可動部分のカンチレバー２１、支持領域や電極領域等を有する構造である。フィードスルー付き基板１０はガラス基板１１と導電材料を貫通孔に充填したフィードスルー部１２と電極領域１３と電極端子１４を有する構造である。加速度は、カンチレバー２１を動かし、電極端子１４間の静電容量変化を計測することによって検出される。この加速度センサはそれぞれ、ウエーハ形態の支持ガラス基板３０、シリコン基板２０とフィードスルー付きガラス基板１０を貼り合わせて、チップに分割することで得られる。この製造工程中には本発明の一実施例による薄板構造のフィードスルー付きガラス基板１０の製造方法が含まれている。この加速度センサは図2から図１８までのウエーハ基板を用いた製造手順によって製造することができる。以下、この製造方法を説明する。
【００１６】
フィードスルー付きガラス基板１０の製造方法は図２から図１１の工程である。
図２：薄板のフィードスルー付きガラス基板１０を形成するために、厚めのガラス基板１１を用いる。このガラス材質はパイレックスガラスが好ましい。
図３：このガラス基板１１の表面にエッチングマスク層１５を形成する。このマスクには、ドライまたはウエットエッチング用で使えるマスク材料が必要であって、通常、クロムの薄層をパターニングして使われる。
図4：この表面をドライまたはウエットエッチングによって孔１６を形成する。孔の深さはガラス基板１１の厚さの半分以下が好ましい。
図5：この表面に薄い金属層１７を形成する。これはガラス基板と接着力が強く、電解めっき用下地とするので、通常、クロムーニッケルなどが使われる。
図6：電解めっきによりガラス基板の孔１６が充分埋まるようにこの表面に銅などの導電層１８を堆積させる。孔の中を重点に埋める技術として、パルス電源を用いためっき法や、孔の領域以外をフォトレジストなどでマスクする方法が使われる。
図7：表面を研磨によって平坦化する。銅等の導電材料を孔に充填し、フィードスルー部１２となる領域とガラス表面が形成される。
図8：この表面にポリイミド等、高温に強い樹脂層１９を薄く塗布する。これを半乾燥させ、次の工程で接着層として使う。
図9：薄板のフィードスルー付きガラス基板１０を形成するために、補強板として使用するシリコン製補助支持基板５０を用意する。これは、片面に溝５１を形成し、全面にシリコン熱酸化膜を形成し、この表面にゲルマニウム層５２を均一に付着させた構造である。
図10：シリコン製補助支持基板５０のゲルマニウム層５２面とガラス基板１１の樹脂層１９面を接着する。
図11：接着されたガラス基板１１を研磨で削り、孔に充填した銅等の導電材料を露出させて、フィードスルー部１２が形成される。この鏡面仕上げした表面には、クロム・金構造の電極領域１３を形成する。この製造工程によって薄板構造のフィードスルー付きガラス基板１０の基本構造ができる。この製造方法の特徴は、（１）ガラス基板が薄いのでフィードスルー構造を形成する作業時間が短い、（２）薄いガラス基板は高温に耐える補助支持基板によって保持されているので、このまま後工程に使用できることである。
【００１７】
フィードスルー付きガラス基板１０にシリコン基板を接合する製造方法を図１２から図１５の工程で説明する。
図１２：フィードスルー付きガラス基板１０とシリコン基板２０を位置合せする。シリコン基板２０はシリコン支持基板２２とシリコン酸化膜層２３とで構成されたSOI基板２５の表面に形成されている。
図13：上記、両ウエーハ基板を陽極接合で接着する。
図14：上記、SOI基板２５のシリコン支持基板２２を機械研磨やエッチング技術により完全に除去する。エッチング仕上げでは、シリコン酸化膜層２３がエッチングストッパとして作用する。
図15：上記、シリコン酸化膜層２３をエッチングで除去し、シリコン基板２０だけをフィードスルー付きガラス基板１０に残す。
フィードスルー付きガラス基板１０とシリコン基板２０を接合した後、さらにガラス基板を接合して加速度センサを製造する方法を図１６から図１９の工程で説明する。
図16：上記、シリコン基板の表面と支持ガラス基板３０の表面を陽極接合により接着する。
図１７：上記、基板からシリコン製補助支持基板５０を過酸化水素水溶液に漬けて取り外す。これは過酸化水素水溶液がゲルマニウム層５２を溶解するが、他の材料は溶解しない原理を使っている。
図18：上記、除去で残ったフィードスルー付きガラス基板１０上の樹脂層１９をエッチングで除去する。通常、これは酸素雰囲気のプラズマ雰囲気の中で取り去る。
図19：上記、基板のフィードスルー付きガラス基板１０上に電解めっきで電極端子14を形成し加速度センサをウエーハレベルで製造する。
この後、ダイシングによりチップに分割して素子が得られる。
【００１８】
本発明による薄板基板構造形成用ウエーハ基板はフィードスルー付き薄板基板の例であり図２から図１１までの工程で作られる構造のものを基本としている。補助支持基板に接着した薄板基板は図１２から図１６の工程を経て別のウエーハ基板に接合されたあと、図17と図18の工程でそれぞれ補助支持基板と接着層が除去されてフィードスルー付き薄板基板を用いた構造を持つＭＥＭＳ素子のウエーハ基板が形成されている。このような技術を用いることにより４インチ以上の大口径ウエーハの製造工程でも薄板基板構造形成用ウエーハ基板が、従来のプロセスで取り扱うと同様に処理ができることは明らかである。本発明による薄板基板構造形成用ウエーハ基板とこれを用いた素子の製造方法が大量生産ラインに適合できることが明らかであり、大幅な製造コストの低減がはかれる効果が非常に高い。
【実施例２】
【００１９】
大口径基板ウエーハを用いて薄板化LＳＩ等のウエーハを積層し、積層デバイスを製造するための一実施例について説明する。図２３は薄板化LSI等１５０，１５１，１５２からなる積層デバイスの構造概略を示す側断面図である。本発明の例はLSI等のウエーハにフィードスルーを形成する方法を提供するもので、実施例１で述べたフィードスルー付きガラス基板１０の製造方法と原理は基本的に同じである。この製造方法を図２０から図２２の側断面図で説明する。
【００２０】
図20は、出来上がったLSI等のウエーハの表面からシリコンの孔を開け、この穴の側壁に絶縁膜１０６を形成し、金属等の導体層１０５を埋め込み、平坦化加工の後、シリコン−LSI基板１０１のLSI部１０２と配線層部１０３を配線電極１０７で接続した工程で形成したウエーハ１００の側断面図である。穴の側壁の絶縁膜１０６と金属等の導体層１０５で最終的にフィードスルー部１１０を形成する。
図21は、シリコン製補助支持基板２００に、図２０で形成したウエーハ１００を、実施例１と同様な方法で、接着した工程で形成したウエーハの側断面図である。補助支持基板は、溝２０１と、全面にシリコン熱酸化膜と、この表面にゲルマニウム層２０２を均一に付着させてある構造である。またポリイミド等、高温に強い樹脂層１１９を接着層としている。接着されたLSI等のウエーハの裏面をシリコンの高速ドライエッチングなどで削り、孔に充填した銅等の導電材料を露出させ、フィードスルー部を形成する。この鏡面仕上げした表面には、シリコン酸化膜層１３０を形成後、コンタクト用の孔を開け、クロム・金等からなる電極領域１４０を形成する。この工程によってLSI等のウエーハにフィードスルー構造を持った、極薄板のウエーハ１５０得られる。
図22は、同様の方法を繰り返して、極薄板のウエーハ１５０に別の極薄板のウエーハ１５１を重ねて形成した構造の側断面図である。前の極薄板のウエーハ１５０と後のウエーハ１５１は半田などの溶融しやすい金属や金などの熱圧着し易い金属層３０１によって接続・接着されている。これを形成する工程は、接着後にシリコン基板を薄く研磨して、極薄板のウエーハ１５１を得る。
図２３は、このような工程を繰り返して、極薄板のウエーハ１５０、１５１，１５２とを積層した後、補助支持基板２００をこれから除去し、半田などの溶融しやすい金属層３００、３０３を形成して、積層型の構造を形成したものである。補助支持基板からこれらを除去する方法は、実施例１と同様である。
【００２１】
以上、実施例で本発明を説明したが、本発明で示した、補助支持基板にシリコンからなる本体ウエーハ基板を接着して、本体基板の厚さを薄くするだけの目的にもこの技術が利用可能であることはいうに及ばない。具体的にはシリコンウエーハを極限まで薄くして素子を製造する方法には、機械研磨とこの後の歪取りをシリコンの高速ドライエッチングを使う方法が最適であり、約300度近い温度上昇にも本発明の構成は耐えることができ、また補助支持基板を取り外すことが容易であり、この支持基板は何回でも使用できるなどといった優れた特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例１の加速度センサの構造概略を示す側断面図。
【図２】実施例１の製造方法における、薄板のフィードスルー付きガラス基板１０を形成するために用いる厚めのガラス基板の側断面図。
【図３】実施例１、図２のガラス基板にエッチングマスク層を形成した側断面図。
【図４】実施例１、図３のガラス基板に孔１６を形成した側断面図。
【図５】実施例１、図４のガラス基板の表面に薄い金属層１７を形成した側断面図。
【図６】実施例１、図５のガラス基板の孔１６を導電層で充填した側断面図。
【図７】実施例１、図６のガラス基板の表面を平坦にした側断面図。
【図８】実施例１、図７のガラス基板の表面にポリイミド等の樹脂層１９を形成した側断面図。
【図９】実施例１の製造工程に用いる補強板であり、凹凸のある片面にはゲルマニウム層を形成した構造の側断面図。
【図１０】実施例１、図８と図９を接着させた構造の側断面図。
【図１１】実施例１、図１０を削り、孔に充填した銅等の導電材料を露出させて、フィードスルー部を形成し、電極配線層を形成した構造の側断面図。
【図１２】実施例１、図１１にSOI基板を位置合せした構成の側断面図。
【図１３】実施例１、図１２の両ウエーハ基板を陽極接合で接着した構造の側断面図。
【図１４】実施例１、図１３のSOI基板のシリコン支持基板を除去した構造の側断面図。
【図１５】実施例１、図１４のシリコン酸化膜層を除去した構造の側断面図。
【図１６】実施例１、図１５のシリコン基板の表面と支持ガラス基板の表面を陽極接合により接着した構造の側断面図。
【図１７】実施例１、図１６の支持基板を除去した構造の側断面図。
【図１８】実施例１、図１７の樹脂層を除去した構造の側断面図。
【図１９】実施例１、図１８のフィードスルー付きガラス基板１０上に電極端子14を形成した構造の側断面図。
【図２０】実施例２の製造工程の中で、出来上がったLＳＩ等のウエーハの表面からシリコンの孔を開け、この穴の側壁に絶縁膜を形成し、金属等の導体層を埋め込み、平坦化加工の後、シリコン基板のLSI部と配線層部を配線電極で接続した工程で形成したウエーハの側断面図。
【図２１】実施例２の製造工程の中で、補助支持基板に、図20で形成したウエーハを、接着したウエーハの側断面図。
【図２２】実施例２の製造工程の中で、極薄板のウエーハ１５０に別の極薄板のウエーハ１５１を重ねて形成した構造の側断面図。
【図２３】実施例２の薄板化LSI等からなる積層デバイスの構造概略を示す側断面図。
【符号の説明】
【００２３】
１０：フィードスルー付きガラス基板
１１：ガラス基板
１２：フィードスルー部
１３：電極領域
１４：電極端子
１５：エッチングマスク層
１６：孔
１７：金属層
１８：導電層
１９：樹脂層
２０：シリコン基板
２１：カンチレバー
２２：シリコン支持基板
２３：シリコン酸化膜層
２５：SOI基板
３０：支持ガラス基板
５０，２００：補助支持基板
５１：溝
５２：ゲルマニウム層
１００：ウエーハ
１０１：シリコン−LSI基板
１５０、１５１，１５２：極薄板のウエーハ
３００，３０１，３０２，３０３：溶融しやすい金属層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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