(57)【要約】一定のＭＥＭＳデバイスは、最大の性能を得るために真空環境を必要とする。真空パッケージはまた、ＭＥＭＳデバイスにとって最適な動作環境での保護を提供する。これらのＭＥＭＳデバイスの例は、ボロメータなどの赤外線ＭＥＭＳであり、これは光学的に透明なカバーや蓋(lid)構造をさらに必要とする。これらのデバイスウエハ蓋は、デバイスウエハ蓋の反射特性を低減し光透過特性を増加させるために、しばしば反射防止コーティングでコートされる。デバイスウエハ蓋の光透過特性を増加させる他の方法は、蓋ウエハをデバイスウエハと接合させる前に、デバイスウエハ蓋の片面または両面にサブ波長構造（即ち、周期的回折構造）をエッチングするための方法を提供することである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路デバイス用の蓋ウエハの製造方法であって、
１つ又はそれ以上のサブ波長構造を、蓋ウエハの第１面に形成する工程を含み、
１つ又はそれ以上のサブ波長構造は、デバイスウエハの反射防止特性を増強するものである方法。
【請求項２】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造を、蓋ウエハの第２面に形成する工程をさらに含み、
蓋ウエハの第２面は、第１面の反対側に配置されている請求項１記載の方法。
【請求項３】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造は、ウェット式またはドライ式の等方性エッチングによって形成される請求項１記載の方法。
【請求項４】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造は、異方性エッチングによって形成される請求項１記載の方法。
【請求項５】
異方性エッチングは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いる請求項４記載の方法。
【請求項６】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造は、六方最密パターンを形成するように、エッチングされる請求項１記載の方法。
【請求項７】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造の間隔は、蓋ウエハを形成する材料の屈折率に直接に関係している請求項６記載の方法。
【請求項８】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造の高さは、蓋ウエハを形成する材料の屈折率に直接に関係している請求項６記載の方法。
【請求項９】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造は、蓋ウエハの第１面で高くなった円柱形状に製造される請求項１記載の方法。
【請求項１０】
蓋ウエハは、シリコンで製造されている請求項１記載の方法。
【請求項１１】
集積回路デバイス用の蓋装置の製造方法であって、
１つ又はそれ以上のサブ波長構造を、蓋ウエハの第１面にエッチング形成する工程と、
蓋装置と集積回路デバイスとの間にスペースを作成する窓ウエハを、蓋ウエハの第１面に接合する工程とを含む方法。
【請求項１２】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造を、蓋ウエハの第１面にエッチング形成する工程は、ウェット式またはドライ式の等方性エッチングによって実施される請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造を、蓋ウエハの第１面にエッチング形成する工程は、異方性エッチングによって実施される請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造を、蓋ウエハの第１面にエッチング形成する工程は、窓ウエハを蓋ウエハの第１面に接合する前に、実施される請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
蓋ウエハは、予め製造されたものであり、蓋ウエハは、デバイスウエハ上の集積回路デバイスに対応した切り出し部を含む請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造を、蓋ウエハの第２面にエッチング形成する工程をさらに含む請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
蓋ウエハの第２面は、第１面の反対側に配置されている請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造を、蓋ウエハの第１面にエッチング形成する工程は、個々のサブ波長構造の間にスペースを作成する請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
個々のサブ波長構造の間のスペースは、低屈折率材料で充填する工程をさらに含む請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
低屈折率材料は、有機物である請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
低屈折率材料は、無機物である請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造を、蓋ウエハの第２面にエッチング形成する工程は、個々のサブ波長構造の間にスペースを作成する請求項１６記載の方法。
【請求項２３】
個々のサブ波長構造の間のスペースは、低屈折率材料で充填される請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
低屈折率材料は、有機物である請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
低屈折率材料は、無機物である請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
集積回路デバイス用の蓋ウエハであって、
第１面と、
第２面と、
第１面の内側に配置された空洞と、
第１面に配置された、１つ又はそれ以上のサブ波長構造とを備え、
１つ又はそれ以上のサブ波長構造は、入射光の波長より直径および高さが小さいものである蓋ウエハ。
【請求項２７】
第２面に配置された、１つ又はそれ以上のサブ波長構造をさらに備え、
該１つ又はそれ以上のサブ波長構造は、入射光の波長より直径および高さが小さいものである請求項２６記載の蓋ウエハ。
【請求項２８】
１つ又はそれ以上のサブ波長構造は、六方最密パターンで配列している請求項２６記載の蓋ウエハ。
【請求項２９】
各１つ又はそれ以上のサブ波長構造の高さは、蓋ウエハの屈折率の関数である請求項２６記載の蓋ウエハ。
【請求項３０】
個々のサブ波長構造の間隔は、個々の１つ又はそれ以上のサブ波長構造の直径と、蓋ウエハの屈折率との関数である請求項２６記載の蓋ウエハ。
【請求項３１】
第１面において１つ又はそれ以上のサブ波長構造の間に配置された低屈折率材料をさらに備える請求項２６記載の蓋ウエハ。
【請求項３２】
第２面において１つ又はそれ以上のサブ波長構造の間に配置された低屈折率材料をさらに備える請求項２７記載の蓋ウエハ。
【請求項３３】
集積回路デバイス用の蓋ウエハであって、
第１面と、
第２面と、
第１面の内側に配置された空洞と、
空洞内に配置された、１つ又はそれ以上のサブ波長構造と、
第２面に配置された、１つ又はそれ以上のサブ波長構造と、
第１面において１つ又はそれ以上のサブ波長構造の間に配置された充填材料と、
第２面において１つ又はそれ以上のサブ波長構造の間に配置された充填材料とを備え、
１つ又はそれ以上のサブ波長構造は、六方最密パターンで配列しており、
１つ又はそれ以上のサブ波長構造は、赤外線スペクトルでいずれかの入射光の波長より直径および高さが小さいものであり、
個々の１つ又はそれ以上のサブ波長構造の高さは、蓋ウエハの屈折率の関数であり、
個々のサブ波長構造の間隔は、個々の１つ又はそれ以上のサブ波長構造の直径と、蓋ウエハの屈折率との関数である、蓋ウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路の製造に関し、詳しくは、サブ波長構造を備えるようにエッチングされた回路要素の蓋(lid)のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、電気要素と機械要素を結合して集積化したマイクロデバイスまたはマイクロシステムである。幾つかのＭＥＭＳデバイスは、標準的な集積回路のバッチ処理技術を用いて製造でき、マイクロスケールでのセンシング制御や駆動など、種々の応用を有する。ＭＥＭＳデバイスは、個別またはアレイとして機能し、マクロスケールでの効果を生じさせる。
【０００３】
一定のＭＥＭＳデバイスは、最大の性能を得るために真空環境を必要とする。真空パッケージはまた、ＭＥＭＳデバイスにとって最適な動作環境での保護を提供する。これらのＭＥＭＳデバイスの例は、ボロメータ(bolometer)などの赤外線ＭＥＭＳである。赤外線ボロメータ用の真空や他の制御された環境の必要性に加えて、赤外線ＭＥＭＳデバイスは、光学的に透明なカバーや蓋(lid)構造を必要とする。これらのデバイスウエハ蓋は、デバイスウエハ蓋の反射特性を低減し光透過特性を増加させるために、しばしば反射防止コーティングでコートされる。典型的には、反射防止コーティングは、厚いフォトレジストを必要とするリフトオフ法を用いてパターン化され、フォトレジストは、反射防止コーティングがデバイスウエハ蓋に成膜された後は、除去が困難になる。これは、主として、反射防止コーティングをデバイスウエハ蓋に成膜する際の極めて高い温度に起因している。
【発明の要旨】
【０００４】
とりわけ、本発明は、デバイスウエハ蓋に反射防止コーティングを成膜する際の困難さという問題を取り扱う。本発明の種々の実施形態によれば、デバイスウエハ蓋の光透過特性を増加させるための改善した方法が提供され、以前に開示されたＭＥＭＳデバイスの製造方法に関連した不具合および問題を実質的に低減する。本発明の一実施形態によれば、蓋ウエハをデバイスウエハと接合させる前に、デバイスウエハ蓋の片面または両面にサブ波長(sub-wavelength)構造をエッチングするための方法を提供する。
【０００５】
本発明の種々の実施形態は、従来の蓋の製造方法に関して種々の利点を提供する。本発明のいずれか任意の実施形態は、これらの利点のうちの幾つか又は全てを提供し、あるいは何も提供しないかもしれないことに留意すべきである。例えば、サブ波長構造は、シール表面、蓋の空洞、過剰ハンダ取り込み溝、およびデバイスウエハ蓋の表面をエッチングするのに必要な他の構造とともに、デバイスウエハ蓋の表面にエッチング形成してもよい。個別の真空パッケージされたＭＥＭＳデバイスの分割の前に、デバイスウエハ蓋にサブ波長構造を作成することは、時間と資源を節約する。さらに、デバイスウエハ蓋の光透過特性を増加させるためにサブ波長構造をエッチングすることは、デバイスウエハ蓋に反射防止コーティングを形成するという困難なプロセスの必要性を排除する。他の利点は、当業者によって容易に確認できるであろう。
【０００６】
本発明およびその利点のより完全な理解のため、添付した図面とともに下記の詳細な説明を参照する。
【０００７】
赤外線マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、最大の性能を得るために、真空または他の適切に制御された環境を必要とする。例えば、赤外線マイクロボロメータは、検出素子から基板およびパッケージ壁への熱伝達を最小化するために、１０ミリトール未満の動作圧力を必要とする。さらに、赤外線マイクロボロメータは、光学的に透明なカバーを必要とする。
【０００８】
多くの場合、蓋の光透過特性を増加させるために、反射防止コーティングがデバイスウエハ蓋に設けられる。従来の反射防止コーティングは、一般に、厚いフォトレジストを必要とするリフトオフ法を用いてパターン化される。このフォトレジストは、反射防止コーティングの高温の成膜後は、除去が困難である。ウエハ蓋に反射防止コーティングを形成する際の困難さに対する一つの解決法は、屈折率を低減する幾何学的特徴をウエハ蓋に作成することである。
【０００９】
とりわけ本発明の種々の実施形態は、デバイスウエハ蓋のいずれの面にエッチングされた反射防止面に関して、光学的に透明なデバイスウエハ蓋の生産コストを低減するのを可能にする。
【００１０】
図１を参照して、シリコンデバイスウエハ１０は、集積回路デバイス、ＭＥＭＳデバイスまたは類似のデバイスの製造に使用される標準的な基板である。しかしながら、任意の適切な基板材料も使用できる。例えば、集積回路の読み出しデバイスが埋め込まれた基板材料は、デバイスウエハ１０として使用できる。シリコンデバイスウエハは、通常、従来の集積回路の製造方法を用いて形成された多くのＭＥＭＳデバイス１２を有する。ここで開示した実施形態は、赤外線ＭＥＭＳデバイス用の真空パッケージの観点から集積回路の製造について議論するが、この実施形態は、ある基板材料上に形成され、真空パッケージ内に収容される任意の集積回路デバイスまたは類似のデバイスの真空パッケージを提供するために使用できる。さらに、ここで開示した実施形態は、集積回路デバイスの任意の真空または非真空のパッケージ化にも使用できる。
【００１１】
各ＭＥＭＳデバイス１２は、好ましくは１つ又はそれ以上の関連したボンディングパッド１４を有し、これらはＭＥＭＳデバイス１２との電気接続を提供する。図１に示すように、各ＭＥＭＳデバイス１２は、２つの関連したボンディングパッド１４を有する。これらのボンディングパッド１４は、好ましくはＭＥＭＳデバイス１２の片側だけに配置しているが、いずれか特定の実施形態においては、ボンディングパッド１４は、ＭＥＭＳデバイス１２の任意の側、片側あるいは複数の側に配置してもよい。デバイスウエハ１０、ＭＥＭＳデバイス１２およびボンディングパッド１４に加えて、図１は、ＭＥＭＳデバイス１２の周りに真空パッケージを規定するシール面１６を描いている。本実施形態は、各真空パッケージ中に包囲される１つのＭＥＭＳデバイスについて議論しているが、複数のＭＥＭＳデバイスを、シール面１６によって規定される真空パッケージ内に包囲してもよいことは容易に理解される。
【００１２】
図２を参照して、単一のＭＥＭＳデバイス１２は、デバイスウエハ１０上の配置をより完全に示すように図示されている。リード１８は、各ボンディングパッド１４をＭＥＭＳデバイス１２に接続する。スペースが、ＭＥＭＳデバイス１２とボンディングパッド１４との間に確保され、デバイスシール面１６を形成している。リード１８は、デバイスシール面１６の内部で組立てられる製作層の下部を走っていることに留意する。デバイスシール面１６は、真空パッケージが形成されることになるデバイスウエハ１０の領域を規定しているため、リード１８は、ＭＥＭＳデバイス１２の周りに存在する真空シールに影響を与えないように、ボンディングパッド１４との電気接続を形成している。
【００１３】
デバイスシール面１６は、デバイスウエハ１０の上に形成され、その上にシール層２２およびボンディング接着面２４が形成可能になる。シール層２２は、誘電体特性を有する任意の適切な材料で構成できる。シール層２２は、ボンディング接着面２４が設けられるプラットホームとして機能する。シール層２２は、好ましくは、窒化(nitrite)シリコンで構成されるが、任意の適切な誘電体が使用できる。
【００１４】
シール層２２は、リード１８のための電気絶縁を提供する。ボンディング接着面２４は、シール層２２の上に作成され、デバイスウエハ１０および蓋ウエハ３０を共に接合するのに好適な、金属、金属合金または他の材料の任意の組合せを用いて作成できる。一実施形態において、ボンディング接着面２４は、第１のチタン層、第２のプラチナ層、第３の金層を備える。しかしながら、ボンディング接着面２４の作成に使用可能である、多くの適切な材料あるいは材料の組合せがある。ボンディング接着面２４は、ボンディングパッド１４をデバイスウエハ１０上に作成するのと同時に作成してもよい。デバイスシール面１６は、加熱活性化ハンダ、インジウム圧縮シールなどの圧縮シール、あるいは他の任意の適切なシール面材料を使用できる。
【００１５】
図３は、シリコン蓋ウエハ３０を示す。以下に記載した実施形態は、蓋ウエハ３０用の基板としてシリコンウエハを使用しているが、任意の適切な材料が使用できる。光学的に透明なデバイスウエハ蓋として使用できるシリコン以外の材料の例は、石英(quartz)、パイレックス(Pyrex)、亜鉛、ゲルマニウム、サファイア、赤外カルコゲン(chalcogenide)ガラス等である。蓋ウエハ３０は、好ましくはデバイスウエハ１０上のデバイスシール面１６の数に対応した、複数の蓋シール面３２を含む。
【００１６】
各蓋シール面３２は、好ましくは、蓋ウエハ３０が、デバイスウエハ１０と接合するように、個々のデバイスシール面１６の鏡像である。空洞３４およびボンディングパッドチャネル３６は、ウェット式またはドライ式のエッチングなどの適切なエッチング処理を用いて蓋ウエハ３０にエッチング形成されている。さらに、溝４２が蓋ウエハ３０にエッチング形成できる。溝４２は、好ましくは、シール面３２の中に作成され、何らかのシール材料が空洞３４に入り込むのを防止している。水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いた異方性エッチングや他の適切な塩基性溶液を使用して、空洞３４、ボンディングパッドチャネル３６および溝４２をエッチングすることができる。空洞３４、ボンディングパッドチャネル３６および溝４２のためのエッチング処理は、窒化シリコン層を成膜することと、窒化シリコン層をパターン化して適切なエッチングマスクを形成することとを含む。
【００１７】
図４および図４Ａは、蓋ウエハ３０の一部の拡大図を示し、好ましくは、単一の真空パッケージされたＭＥＭＳデバイスの蓋部分を形成するために実施可能である。図４は、蓋ウエハ３０上の個々の空洞３４の内側図である。シール面３２、空洞３４および溝４２が本発明の実施形態に従って図示されている。図４Ａは、蓋ウエハ３０の反対側の一部を示し、これは蓋ウエハ３０の外側面である。シール面３２、空洞３４および溝４２に加えて、サブ波長構造４４，４６が、蓋ウエハ３０の内側面および外側面にそれぞれエッチング形成されている。サブ波長構造４４，４６は、ウェット式またはドライ式の等方性エッチング、あるいは水酸化カリウムや他の異方性塩基性溶液を用いた異方性エッチングを用いてエッチング形成できる。
【００１８】
図５は、図４に示す蓋ウエハ部分の断面図を示す。一実施形態において、サブ波長構造４４は、好ましくは、蓋ウエハ３０の内側面にエッチング形成される。さらに、サブ波長構造４６は、蓋ウエハ３０の外側面にエッチング形成できる。蓋ウエハ面の上にパターンをエッチングすることは、充填比に従って、エッチングされた領域での屈折率を減少させることによって、屈折率を変化させる。充填比は、影響を受けた全体体積に関して、残留する固体材料（本実施形態ではシリコン）の比率として記述することができる。
【００１９】
光の透過はまた、蓋ウエハより低い屈折率を持つ充填材料４８を、サブ波長構造間のスペースに配置することによって、増加させることができる。
【００２０】
充填材料４８を設けて、蓋ウエハの外表面および個々のサブ波長構造自体の上に保護カバーを提供することができ、しかも蓋ウエハの光透過特性をより増強できる。一実施形態において、１．５未満の屈折率を有する、ポリエチレン、ポリイミド、ポリプロピレンなどの有機化合物が充填材料４８として使用できる。さらに、１．５以下の屈折率を有する無機化合物が充填材料４８として使用できる。充填材料４８として使用する無機化合物の例は、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウムである。
【００２１】
図６および図７は、デバイスウエハ蓋の上のサブ波長構造の配置の実施形態を示す。一般に、充填比（ＦＦ）は、蓋材料の屈折率ｎに対して逆比例の関係がある。この関係は、式：ＦＦ＝１／（ｎ＋１）で記述できる。個々のサブ波長構造６０は、直径Ｄと、屈折率ｎを持つシリコンウエハの表面に六方最密パターンで配列した中心間の間隔Ｐとを有する。中心間隔Ｐは、下記の式（１）によって決定できる。
【００２２】
【数１】
2006527481.tif 000003
…（１）
【００２３】
個々のサブ波長構造６０の高さｈは、入射光の波長λおよび蓋材料の屈折率ｎに依存しており、式：ｈ＝λ／（４√ｎ）で記述できる。ゆえに、１０ミクロン中心の波長を持つ光スペクトルで反射率を最小化するように設計された蓋ウエハについて、適切なサブ波長構造は、ミクロンオーダーの寸法を有することになる。こうして、λ＝１０ミクロンの入射波長でウエハ屈折率ｎ＝３．４２１５である場合、構造パラメータは、ｈ＝λ／（４√ｎ）＝１．３５ミクロン、充填比ＦＦ＝１／（３．４２１５＋１）＝０．２２６、中心間間隔Ｐ＝√（π／（２√３（ＦＦ））Ｄ）あるいはＰ＝２．００Ｄとなる。上述した実施形態は、六方最密パターンを利用しているが、任意の適切なパターンのサブ波長構造４４，４６を配列したり、あるいはデバイスウエハ蓋の内側面または外側面にそれぞれエッチング形成することができ、屈折率を低減できる。
【００２４】
図８は、代替の実施形態を示し、窓またはスペーサ８０は、サブ波長構造４４がエッチング形成された内側面を作成するために使用される。窓またはスペーサ８０は、任意の適切な基板材料で製造することができ、軟質ガラス、ガラスハンダ、インジウム圧縮シールあるいは基板に層を形成するための他の適切な方法を用いて、ウエハ蓋３０に接合することができる。本実施形態において、デバイスシール面３８、溝４２および空洞３４は、デバイスウエハ１０に配置された各ＭＥＭＳデバイスに対応したアパーチャを含む窓またはスペーサ８０を用いることによって作成できる。
【００２５】
本発明は詳細に説明したが、請求の範囲で規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変化、置換、変更が可能であると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るデバイスウエハの上面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る単一のＭＥＭＳデバイスの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る蓋ウエハのパターン側の上面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、蓋空洞を持つ蓋ウエハの一部の拡大図である。
【図４Ａ】図４の蓋ウエハの一部の外観図である。
【図５】図４に示す蓋ウエハの部分断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るサブ波長構造のパターンの例である。
【図７】本発明の一実施形態に係る蓋ウエハの片面にエッチングされたサブ波長構造の部分断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る蓋ウエハに接合した窓ウエハの部分断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2006527481.tif 000013
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