(57)【要約】【課題】微細加工デバイスの素子間を絶縁するための装置および方法を提供すること。【解決手段】一実施形態では、微細加工デバイスは、基層と、微細加工の熱的素子と、微細加工の熱的素子に接触して、基層上の微細加工の熱的素子を支持する非犠牲エーロゲル層とを備える。非犠牲エーロゲル層は、微細加工の熱的素子と基層の間に、熱的絶縁、電気的絶縁、または音響絶縁のうち少なくとも１つをもたらすように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基層（１０２）と、
微細加工の熱的素子（１０８）と、
前記微細加工の熱的素子（１０８）に接触して、前記基層（１０２）上の前記微細加工の熱的素子（１０８）を支持する非犠牲エーロゲル層（１０４）であって、前記微細加工の熱的素子（１０８）と前記基層（１０２）の間を熱的に絶縁するように配置される非犠牲エーロゲル層（１０４）とを備える微細加工デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記非犠牲エーロゲル層（１０４）が、前記基層（１０２）の中に形成された空洞内に堆積されるデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスであって、前記非犠牲エーロゲル層（１０４）の少なくとも１つの表面を覆う保護層（１０６）をさらに備えるデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の権益に関する声明
本発明は国防省高度研究プロジェクト庁（ＤＡＰＲＡ）によって授与されたＧＧ１１０９２−１３０７１８の下に国庫補助で行なわれた。米国政府は、本発明において一定の権利を有することができる。
【背景技術】
【０００２】
しばしば、微細加工デバイスの適切な動作を実現するために、デバイスの一部分をデバイスの他の部分から絶縁しなければならないことがある。例えば、熱的素子は、望ましくない熱伝達を最小化するために、デバイス内の特定の他の素子から熱的に絶縁しなければならないことがある。しかし、このようなデバイスは非常に小さいので、このような絶縁をもたらすのに利用可能な物理的空間は非常に限られている。このような絶縁を必要とする素子は、脆弱であることが多い。さらに、製造プロセスには、このような脆弱な素子が、損傷する可能性のある力にしばしばさらされるステップがある。例えば、ウェーハを別々のデバイスにソーイングするプロセスは、分離された素子が振動して破断する振動を引き起こす可能性がある。ポリマーなどの材料が製造に導入されることがあり、支持をもたらして振動を減衰する。しかし、このような材料により、デバイス製造プロセスを通じて、分離された素子が破断するのが防止されるとしても、続いて起こるそれらの材料の除去自体が、絶縁した素子に損傷を引き起こすことがある。
【０００３】
前述の理由、および本明細書を読み取って理解することより当業者には明らかになるはずの後述の理由により、当技術分野には、微細加工デバイスの素子間を絶縁する装置および方法に対する要求がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、微細加工デバイスの素子間を絶縁する方法およびシステムを提供するものであり、以下の明細書を読み取って検討することにより理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、微細加工デバイスは、基層と、微細加工の熱的素子と、微細加工の熱的素子に接触して、基層上の微細加工の熱的素子を支持する非犠牲エーロゲル層であって、微細加工の熱的素子と基層の間を熱的に絶縁するように配置される非犠牲エーロゲル層とを備える。
【０００６】
別の実施形態では、微細加工デバイスは、基層と、微細加工の電気的素子と、微細加工の電気的素子に接触して、基層上の微細加工の電気的素子を支持する非犠牲エーロゲル層であって、微細加工の電気的素子と基層の間を電気的に絶縁するように配置される非犠牲エーロゲル層とを備える。
【０００７】
さらに別の実施形態では、微細加工デバイスは、基板層と、微細加工素子と、微細加工素子に接触して、音響振動による微細加工素子の運動を減衰するように基板層上の微細加工素子を構造的に支持する非犠牲エーロゲル層とを備える。
【０００８】
好ましい実施形態の記述および以下の図面に照らして考慮すれば、本発明の実施形態は、より容易に理解され得て、さらなる利点およびその用途が、よりたやすく明白になり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】素子を絶縁するのにエーロゲル層を利用する、本発明の一実施形態のデバイスを示す図である。
【図２】素子を絶縁するのにエーロゲル層を利用する、本発明の一実施形態のデバイスを示す図である。
【図３】素子を絶縁するのにエーロゲル層を利用する、本発明の一実施形態のデバイスを示す図である。
【図４】素子を絶縁するのにエーロゲル層を利用する、本発明の一実施形態のデバイスを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
一般的慣行により、様々な描かれたフィーチャは原寸に比例せず、例示的実施形態に関連する特定のフィーチャを強調するように描かれている。
以下の詳細な説明では、本明細書の一部分を形成する添付図面が参照されており、特定の例示的実施形態が実例として示されている。しかし、他の実施形態が利用され得て、論理的変更、機械的変更、および電気的変更が可能であることを理解されたい。さらに、図面に示された方法および仕様は、個々の行為が遂行され得る順番を制限するものと解釈されるべきではない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味に解釈されるべきではない。
【００１１】
本発明の実施形態は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の製造を通じて、絶縁層を形成するためのシリカエーロゲルを利用する。エーロゲル絶縁層は非犠牲であり、これは、エーロゲル層が、製造の間に除去されず、完成したデバイスに残ることを意味している。エーロゲルは、ゲルの液体の成分がガスと置換されるゾル−ゲルプロセスによって生成された高度に多孔性の固体である。エーロゲルは非常に低密度であり、その上、ＭＥＭＳデバイスの他の層を支持することができる構造的に頑健な基礎をもたらす。さらに、エーロゲルは、硬化して、単位体積当たり主として空隙で構成される多孔性のスポンジのような構造体を形成する網目状の繊維になる。この多孔性構造がエーロゲルの全体にわたって熱伝導性および導電性を制限するので、エーロゲルは、熱的および電気的な絶縁体として都合よく機能することができる。エーロゲルは、高剛性で絶縁能力があるため、微細加工および通常動作を通じて電気デバイスの絶縁された部分を構造的に支持するのにも適している。エーロゲルの構造は、振動および他の力を減衰するので、デバイス内の素子の音響絶縁用の絶縁層を設けるのにも有用である。
【００１２】
図１は、製作されたデバイスを熱的絶縁するのにエーロゲル材料を用いる本発明の一実施形態のデバイス１００（ＭＥＭＳデバイスなど）を示す図である。デバイス１００は基板層１０２を含む。基板層１０２は、様々な電気機械デバイスを作製するための基層であり、その上に形成された電気機械デバイスを支持する。基板層１０２は、シリコンまたは微細加工に用いられる他の材料から形成され得る。デバイス１００は、エーロゲル層１０４も含む。エーロゲル層１０４は、基板層１０２の表面上に堆積されたエーロゲルの層である。一実施形態では、エーロゲル層１０４は、シリカから成るエーロゲルから作製される。本明細書を読み取ることにより当業者に理解されるように、他の実施形態については、他の材料から形成されたエーロゲル層が選択されてよい。代替材料のこのような選択は、当業者の技術の範囲内にあり、当業者が実現しようとする特定のタイプの絶縁（例えば熱的絶縁、電気的絶縁、音響絶縁）に基づくことになる。いくつかの実装形態では、エーロゲル層が所望の厚さを達成するまで、エーロゲルが、スピンコーティングによって基板層１０２の表面に与えられる。例えば、エーロゲル層は、エーロゲル層１０４の厚さが１０マイクロメートルになるように基板層１０２に与えられる。いくつかの実装形態では、基板は、基板とエーロゲルの間の結合の強化を促進するように処理され得る。エーロゲルは有効な断熱材であり、したがって、エーロゲル層１０４は、基板層１０２を、エーロゲル層１０４によって支持された構造体から熱的に絶縁する。さらに、エーロゲル層１０４は、疎水性エーロゲルまたは親水性エーロゲルから作製される。
【００１３】
本明細書を読み取ることにより当業者によって理解されるように、親水性エーロゲルは、液体にさらされると構造的に劣化する。したがって、エーロゲル層１０４に対する損傷を回避するために、デバイス１００の製造は乾式プロセスに限定されるべきであり、そうでなければ、エーロゲル層１０４は液体との接触を防がれるべきである。図１に示される実施形態では、保護層１０６が、エーロゲル層１０４を囲んでエーロゲル層１０４が液体と接触するのを防止する。保護層１０６は、疎水性エーロゲル、ＳｉＯ２、水晶、または液体を通さない他の材料などの外部コーティングでよい。保護層１０６は、液体の侵入を防止するのに十分な厚ささえあればよい。一般に、エーロゲル層１０４が、保護層１０６より厚いことになる。例えば、エーロゲル層１０４自体が１０マイクロメートルの厚さを有する一実施形態では、０．１〜０．２マイクロメートルの保護層１０６で十分なことが証明されている。図１に示される実施形態では、保護層１０６は、エーロゲル層１０４の表面を、露出しないようにカプセル化する。保護層１０６がエーロゲル層１０４の頂面および側面を液体から保護し、基板層１０２がエーロゲル層１０４の底面を保護する。エーロゲル層１０４が保護され、その頂部上に構築された微細加工構造体をさらに支持するその能力が、製造プロセスに用いられる溶剤との接触または液体との接触によって損なわれることはないはずである。
【００１４】
さらに、保護層１０６は、一旦配置されると、ヒータ、ワイヤ、または他のデバイスを堆積するのに利用され得る滑らかな表面をもたらす。エーロゲル層１０４は粗い表面を有することが多く、これが、エーロゲル層１０４の表面上に小さな素子を取り付けるのを妨げる。より滑らかな表面を有する材料で作製される保護層１０６により、エーロゲル層上により小さな素子を取り付けることができる。代替実装形態では、エーロゲル層１０４は、より滑らかな表面を有するように構築される。
【００１５】
デバイス１００は、エーロゲル層１０４の頂部上に形成された素子１０８も含む。一例を提供するために、本明細書では、素子１０８は、適切な動作のために、基板層１０２から熱的に、かつ物理的に絶縁されなければならない熱的素子と称される。例えば、一実施形態では、素子１０８は薄膜ヒータである。このような実施形態では、薄膜ヒータが基板層１０２と接触すると、薄膜ヒータによって発生された熱の少なくとも一部分が基板層１０２に浪費されることになる。図１に示される実施形態では、エーロゲル分離層１０４は、その上に素子１０８が形成され得る構造的支持をもたらすばかりでなく、素子１０８を基板層１０２から熱的に絶縁するように機能して、素子１０８と基板層１０２の間の熱移動を防止する。すなわち、薄膜ヒータがエーロゲル層１０４上に載るので、エーロゲル層１０４が、薄膜ヒータと基板層１０２の間の熱伝導を制限することになる。
【００１６】
他の実施形態では、素子１０８が電気的絶縁または音響絶縁を必要とする素子である可能性があり、その場合には、エーロゲル絶縁層１０４は、その形態の絶縁をもたらすように適切に与えられることになる。代替の一実施形態では、素子１０８は、基板からの電気的絶縁を必要とする電気的素子である。例えば、電気的素子は螺旋状のインダクタであり得て、基板層１０２から電気的に絶縁されなければ結合損失を招くことになる。このような損失により、インダクタのＱが低下する恐れがある。さらに、導電性基板層１０２に対する容量結合および他の素子への信号漏れがある可能性があり、どちらも、エーロゲル層１０４によってもたらされる絶縁によって緩和され得る。
【００１７】
特定の用途では、エーロゲル層の頂部に構築された素子は、同一基板上に構築された他のＭＥＭＳ素子に電気的に接続する必要があることがある。エーロゲル層が比較的厚いものであり得るので、エーロゲル層の頂部の素子と他のＭＥＭＳ素子の間の接続は、他のＭＥＭＳ素子からエーロゲル層によって支持された素子まで行く比較的長い接続を形成する必要があるため、性能が低下する恐れがある。さらに、接続は、リード線をパッドの中へ押しつけることによってＭＥＭＳ素子に接合されるリード線を使用して形成されることが多い。リード線が、エーロゲル層によって支持されたＭＥＭＳ素子上のパッドの中へ押しつけられるとき、結果として生じる圧力により、エーロゲル層が割れて粉々になる可能性があり、エーロゲル層の、基板層１０２から素子を絶縁する能力および構造的にそれらの素子を支持する能力の両方が劣化する。
【００１８】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、このような問題を回避するために、デバイスの基板層内の絶縁された素子が配置される位置に空洞が形成される。次いで、空洞は、基板から熱的に絶縁されなければならない素子を支持するためにエーロゲルで満たされ得る。エーロゲルが、基板の上に層として堆積されるのではなく基板内の空洞に堆積されるので、エーロゲル上に形成される素子は、基板自体の上に直接形成された諸素子とほぼ同一平面上になり、これらの素子との間に必要な電気的接続は比較的短い。また、エーロゲル材料は空洞の中にのみ堆積され、絶縁を必要としない素子は、基板層上に直接形成され得て、その結果、ワイヤおよび他の電気機械素子は、素子を支持するエーロゲルに圧力を印加することなく取り付けられ得る。図２および図３は、このような構成の実例を提供する。
【００１９】
図２および図３は、本発明の一実施形態のデバイス２００を示す図である。デバイス２００は、基板２０１の中に形成された空洞２０４を備える。空洞２０４は、素子２０２の支持ならびに素子２０２と基板２０１の間に絶縁層をもたらすエーロゲル材料２０３で満たされる。本明細書を読み取ることにより当業者に理解されるように、空洞２０４は、エッチングまたは他の製造プロセスによって容易に形成され得る。図２はデバイス２００の上面図であり、図３はデバイス２００カッタウェイ図である。
【００２０】
上記で論じられたエーロゲル絶縁層１０４と同様に、エーロゲル材料２０３は、素子２０２を基板２０１から絶縁するためのデバイス２００内の絶縁層をもたらす。上記で論じられたように、もたらされる絶縁は、熱的絶縁、電気的絶縁、または音響絶縁、あるいはそれの組合せであり得る。空洞２０４にエーロゲル材料２０３を堆積すると、基板２０１のプロファイルまたはデバイス２００の全容積を増加することなく、絶縁および支持のためにエーロゲルを利用する構成をもたらす。
【００２１】
これも図２に示されるように、デバイス２００は、ワイヤボンディング２０８−１および２０８−２がデバイス２００に取り付けられた基板２０１上に形成されたパッド２０６−１および２０６−２を含む。一実施形態では、ワイヤボンディング２０８−１および２０８−２は、ワイヤボンディング２０８−１および２０８−２をパッド２０６−１および２０６−２の中へ押しつけることによって、パッド２０６−１および２０６−２に取り付けられる。パッド２０６−１および２０６−２は、基板２０１の上に直接形成される（すなわちエーロゲル層が介在しない）。したがって、ワイヤボンディング２０８−１および２０８−２をパッド２０６−１および２０６−２に取り付けるためにデバイス２００に圧力がかけられるとき、空洞２０４内のエーロゲル材料２０３には圧力がかからない。
【００２２】
図３に示されるように、一実施形態では、空洞２０４は、基板２０１の中に矩形の空洞として生成される。しかし、他の形状が用いられてもよい。他の実施形態では、空洞２０４は、立方体、ピラミッド形、円錐形、三角形、円筒状、多面形、半球状などでよい。図３に示される実施形態については、空洞２０４が基板２０１の表面の中へ侵入するが、空洞２０４の深さは基板２０１の厚さより小さい。図３は、溶剤または液体にさらされることによる構造の劣化を防止するためにエーロゲル材料２０３の上に堆積された保護層２１０も示す。
【００２３】
図４は、本発明の一実施形態の別のデバイス４００のブロック図である。デバイス４００は、構成が図１のデバイス１００に類似している。デバイス１００とは対照的に、デバイス４００は、保護層４０６によってそれぞれがカプセル化されている区画化されたエーロゲル部分４０４−１と４０４−２に分割されたエーロゲル層（４０３で示される）を含む。エーロゲル部分４０４−１および４０４−２は、エーロゲル層４０３を区画に分割し、その結果、製造を通じて、層４０３の諸部分が、他の部分を損なうことなく選択的に除去され得る。これは、例えば、基板層４０２によって直接支持されるとよりよく機能するＭＥＭＳ素子を、基板４０２上に取り付けるのに望ましいことであり得る。例えば、素子４０８を支持するためにエーロゲル部分４０４−２を残す一方でエーロゲル部分４０４−１が除去され得る。保護層４０６の一部分が、エーロゲル部分４０４−２をカプセル化したまま残り、エーロゲル部分４０４−２を液体への露出から保護する。
【００２４】
図５は、本発明の一実施形態の方法５００を示す流れ図である。この方法は、微細加工デバイス用の基板を形成するステップ５１０から始まる。例えば、基板は、シリコン層または微細加工デバイスの基層の製造に用いられる他の材料でよい。この方法は、ステップ５２０に進み、基板上の少なくとも１つの位置にエーロゲル層を形成する。上記で図１〜図４に関して説明されたように、一実施形態では、エーロゲル層は、基板層の頂部上に層として形成される。代替実施形態では、エーロゲル層は、部分的に選択して除去され得る複数のエーロゲル区画を備えてよい。他の実施形態では、エーロゲル層は、基板の中に形成された空洞内にエーロゲル材料を堆積することにより形成される。
【００２５】
一実施形態では、この方法は、エーロゲルの一部分を保護層でコーティングするステップをさらに含む。上記で図１〜図４に関して説明されたように、エーロゲル層が液体または溶剤と接触するのを防止するために、エーロゲル層に保護層が与えられる。１つまたは複数の実施形態では、保護層を与えると、電気的素子を取り付けるための滑らかな表面ももたらす。すなわち、保護層を与えると、エーロゲルの本来高い表面粗さが弱まり、エーロゲルの表面粗さに近い寸法を有する素子が保護層上に堆積され得るようになる。特定の実装形態では、保護層は、ＳｉＯ２、水晶、窒化物絶縁体、または熱伝導率も導電率も小さい他の保護絶縁体から作製される。他の実施形態では、例えば乾燥製造プロセスが用いられる、エーロゲルを保護層でコーティングするステップは、任意選択で省略され得る。
【００２６】
この方法は、ステップ５３０に進み、微細加工素子がエーロゲル層で支持されて基板から絶縁されるように、微細加工素子を微細加工デバイスの中に設置する。上記で説明されたように、熱的または電気的に絶縁されるとより効率的に機能する微細加工素子については、エーロゲル層で支持されるように微細加工素子を設置すれば、同素子は、構造的に支持されまま熱的および電気的に絶縁され得る。
【００２７】
上記の実施形態の説明は、本発明の実施形態の範囲を微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスである微細加工デバイスにのみ限定するようには意図されていない。他の非ＭＥＭＳデバイスの微細加工デバイスも、前述のように、埋め込まれたエーロゲル領域によってもたらされた絶縁および支持の機能から利益を得る。したがって、本発明の実施形態の範囲は、ＭＥＭＳデバイスおよび非ＭＥＭＳデバイスの両方を対象として含むように意図されている。
【００２８】
特定の実施形態が本明細書に図示され、かつ説明されてきたが、同じ目的を達成するように意図されたあらゆる機構が、示された特定の実施形態と置換され得ることが当業者には理解されよう。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその等価物によってのみ限定されるように明白に意図されている。
【符号の説明】
【００２９】
１００  デバイス
１０２  基板層
１０４  エーロゲル層
１０６  保護層
１０８  素子
２００  デバイス
２０１  基板
２０２  素子
２０３  エーロゲル材料
２０４  空洞
２０６−１  パッド
２０６−２  パッド
２０８−１  ワイヤボンディング
２０８−２  ワイヤボンディング
２１０  保護層
４００  デバイス
４０３  エーロゲル層
４０４−１  エーロゲル部分
４０４−２  エーロゲル部分
４０６  保護層
４０８  素子
【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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【外国語明細書】
2012179707000001.pdf