JP2008526537A - 応力制御を備えた結合システム - Google Patents

Abstract

周囲温度で結合された物品の間に、冷却により収縮し零の残留応力が生じるように、異なる温度の物品が互いに結合される方法。結合した物品の材料が異なる熱膨張係数を有し且つ異なる結合温度で互いに結合する場合に、それら物品は、温度降下の異なる範囲が異なる収縮を補償するので、周囲温度（例えば常温）まで冷却する際に殆ど残留応力を発生しない。

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems;微細電気機械システム）技術、特にウエハとウエハとの結合（bonding）に関する。一層特に、本発明は、応力関連結合に関する。

本発明は、結合したウエハにおける残留応力を制御することにある。通常、ウエハ結合における残留応力を最少化すること又は実質的に除去することを目的とする。

陽極結合は、接着剤を用いずにシリコンにガラスを接合する方法である。シリコン及びガラスウエハは、ガラス中のアルカリ−金属イオンが移動することになる温度（通常は、ガラスのタイプに応じて３００〜５００℃の範囲）まで加熱できる。構成要素は接触し、それら構成要素を横切って高電圧が印加される。これにより、アルカリ陽イオンが界面即ち接触面から移動し、その結果、高電界強度で消耗層を形成する。結果としての静電引力でシリコンとガラスは密着する。ガラスからシリコンへの酸素陰イオンのさらなる流れにより界面に陽極反応が生じ、ガラスは不変的化学結合によりシリコンに結合する。

ＭＥＭＳの製作に普通に用いられ、特にＭＥＭＳジャイロスコープ及び加速器に用いられる製造技術である陽極結合は、通常、結合したウエハ及びデバイスに残留応力を生じることになる。ウエハの材料は異なるので、それら材料の熱膨張率は異なる。そのため、結合して得られたウエハを結合温度から冷却すると、ウエハにおいて相互に結合した二つの材料は異なった割合で収縮し、その結果、相当な残留応力が生じる。種々の形式の取り付け及び結合に差温技術を使用できる。残留応力は最少化又はほぼ除去できる。例えば、ウエハは、結合中、僅かに異なる温度に保持できる。冷却時には、結合したウエハは異なった割合で収縮し、その結果、周囲温度又は常温ではウエハ間の残留応力は僅かな量となる。

陽極結合は、ＭＥＭＳにおいて、一つのウエハを別のウエハに接合するために、或いはチップをパッケージ（ガラス包囲体のような）に結合するために使用できる。一般に、陽極結合は、金属又は半導体をガラスに接合するために使用できる。ＭＥＭＳにおいて、半導体はシリコンであることができ、またガラスはＣｏｒｎｉｎｇ７７４０（即ちＰｙｒｅｘ（商標））、Ｈｏｙａ ＳＤ２などであることができる。

陽極結合は一つの例示ある。結合した材料の界面における応力制御を備えた本結合システムと共に使用できる、“融着”又は“直接”結合、フリット結合、共融結合などのような他の種々のウエハ結合技術がある。

一般に結合に関するものでは、二つの異なる材料（例えばシリコンとＰｙｒｅｘ（商標））は、通常約３００〜５００℃の高い温度で結合できる。これらの材料は加熱され、互いに結合され、そして常温まで冷却される。結合した材料（すなわちウエハ又はデバイスにおける）を冷却する際に、二つの材料の熱膨張の差により、互いに取り付けた二つの材料間に応力が発生する。材料がウエハ形状である場合には、発生した応力によって、ウエハは相当に曲がる。製作が完了した時点で、デバイスのガラス部分とデバイスのシリコン部分との間に残留応力が残る。このような応力は、レイアウトの難しさ、デバイス性能の問題、長期のドリフト及び／又は信頼性の欠如につながる。

結合及びデバイスの動作中、全温度範囲にわたって正確に同じに熱膨張をする二つの異なる材料を結合するのが望ましい。しかし、そのような二つの異なる材料は存在しない。Ｐｙｒｅｒｘ（商標）はシリコンと熱的に極めてよく整合すると考えられる。これら材料の熱膨張は近いにもかかわらず、結合後、材料間にはなおかなりの応力が存在する。Ｈｏｙａ（商標）ＳＤ２のようなガラスはシリコンと良く整合できる。しかし、種々の理由で、シリコンとの結合のための材料としてＰｙｒｅｒｘ（商標）が選択される。従って、曲げ及び残留応力が常に存在する。

本発明の課題は、常温で実質的に残留応力なしで結合することにある。例としての結合はシリコンウエハ１１とＰｙｒｅｘ（商標）ウエハ１２のような二つの材料間である。常温での応力は、結合時にシリコンウエハ１１をある温度に保持し、Ｐｙｒｅｘ（商標）ウエハ１２異なる温度に保持することによって変化する。この課題を研究する一つの理由は、結合時と冷却状態との温度差すなわち温度変化が異なる熱膨張係数を補償できるからである。結合時の温度（常温より非常に高い）のウエハ１１及びウエハ１２は結合前の長さにおいて整合する（図１ａ）。ウエハ１１及びウエハ１２は同じ温度にあり、加熱時には拘束されないので、互いに最初に結合した時点では応力は存在しない（図１ｂ）。ウエハ１１及びウエハ１２が常温まで冷却されるにつれて、それらウエハは収縮する。それらウエハが互いに充分に結合されれば、ウエハ１１及びウエハ１２は比較的短い長さ収縮する。しかし、結合温度においてウエハ１１及びウエハ１２の長さが同じであっても、ウエハ１１及びウエハ１２は、シリコン及びＰｙｒｅｘ（商標）の熱膨張例数が異なるので、常温では異なった長さに収縮する（図１ｃ）。

α_１をウエハ１１の熱膨張係数とすると、ウエハ１１は冷却時に、ΔＬ_１＝α_１Ｌ_１ΔＴの量だけ収縮する。同様に、ウエハ１２はΔＬ_２＝α_２Ｌ_２ΔＴの量だけ収縮する。これらウエハが結合温度にある時にＬ_１＝Ｌ_２であるので、収縮の量はウエハ１１とウエハ１２とでは異なり、これらウエハが常温にある時にＬ_１≠Ｌ_２である。しかし、ウエハを互いに結合すると、これらウエハは拘束されて同じ量だけ収縮する。結果としての拘束によってウエハ１１及びウエハ１２に残留応力及び曲げが生じる（図１ｄ）。

熱膨張係数が温度と共に変化しない単純化（簡素化）を用いる。現実問題として、熱膨張係数は一般には温度と共に変化するが、単純化（簡素化）を用いれば、結論は同じである。熱膨張係数はα＝（１／Ｌ）（ΔＬ／ΔＴ）と定義でき、ここでＬは試料の長さであり、ΔＬは、温度がΔＴ変化した時の長さの変化である。シリコン及びＰｙｒｅｘ（商標）の線形熱膨張例数の例は、それぞれ単位温度（℃）当たり３／１００００００及び４／１００００００である。

長さ１０ｃｍのシリコンウエハの場合、室温２０℃、結合温度４２０℃で、ΔＬ_１＝α_１Ｌ_１ΔＴ＝３×１０^−６ｐｐｍ×１０ｃｍ×４００℃＝１２００×１０^−５ｃｍ＝１．２×１０^−２ｃｍである。長さ１０ｃｍのＰｙｒｅｘ（商標）ガラスウエハの場合には、室温２０℃、結合温度４２０℃で、ΔＬ_２＝α_２Ｌ_２ΔＴ＝４×１０^−６ｐｐｍ×１０ｃｍ×４００℃＝１６００×１０^−５ｃｍ＝１．６×１０^−２ｃｍである。膨張差はΔＬ_２−ΔＬ_１＝４××１０^−３ｃｍである。

次に、結合の間中、ウエハ１１、１２を二つの異なる温度に保持する場合について考察する。ところで温度はウエハ１１、１２の冷却時にはそれぞれ異なる結合温度から室温へ変化する。そのため式ΔＬ_１＝α_１Ｌ_１ΔＴ_１及びΔＬ_２＝α_２Ｌ_２ΔＴ_２が適用できる。上記で説明したように、Ｌ_１＝Ｌ_２であるが、ウエハ１１、１２の温度は、それぞれ、α_１ΔＴ_１＝α_２ΔＴ_２又はα_１ΔＴ_１≒α_２ΔＴ_２従ってΔＬ_１＝ΔＬ_２又はΔＬ_１≒ΔＬ_２となるように選択できる。図２ａにおいて、ウエハ１１はＴ_１にあり、ウエハ１２はＴ_２にあり、Ｔ_１及びＴ_２は結合前の結合温度である。図２ｂでは、ウエハ１１、１２を互いに結合する間、結合温度Ｔ_１及びＴ_２を維持する。温度が図２ｂにおける結合温度から図２ｃにおける周囲、プレ結合、動作、貯蔵、標準又は結合後の室温のいずれかの温度に降下する際に、各ウエハは同じ長さ変化し、従って室温では残留応力はなく、結合したウエハ対の曲がりはない。

ウエハ１１、１２間の結合温度差は必ずしも大きくない。かかる温度差は結合装置で達成できる。熱膨張係数が温度に依存するばあいには課題はより複雑となる。この場合には一層数学的処理が伴うが、膨大な計算は一般に結果を質的に変化させない。望ましくは通常室温で最少応力を達成することであるが、本発明は、結合したウエハ１１、１２において目標としたゼロでない応力を達成するのにも用いる。概念は同じままである。結合直前の開始温度は、目標とした応力が得られるように適切に調整する。

ウエハ結合装置は、ウエハ積層体の頂部側と底部側の両方にヒーターを備える。これらのヒーターは別個に制御して、頂部ウエハと底部ウエハの温度を別個に設定する。更に、真空雰囲気内でのウエハの結合によって、ウエハ間の熱的接触は低減し、従って、ウエハの結合を空気雰囲気内で行った場合よりウエハの温度を別個に変えることが容易にできる。上記の結合法は多くの種類のデバイス及び製品に応用できる。例としては、ＭＥＭＳジャイロスコープ、ＭＥＭＳ加速器、ＭＥＭＳ慣性測定装置、非ＭＥＭＳデバイスなどがある。

図３において、結合装置１５は包囲体１６内にある。包囲体１６は結合装置１５を真空に保持できる。ホルダー１７は、ウエハ又は物品１１をクランプ２５によって適切な位置に固定できる。ホルダー１８は、ウエハ又は物品１２をクランプ２６によって適切な位置に固定できる。クランプ２５、２６は、ウエハ１１、１２の対向表面がインターフェースなしで接触できるように、それぞれ縁部でウエハ１１、１２を保持できる。クランプ２５、２６は、ウエハが膨張したり収縮したりする時にこれらウエハにおいて適切な把持を維持するように、ばねなどで負荷をかける。クランプ２５、２６は、ウエハを手動で、空力的に、機械的に、または電子的に容易に把持し、解放できるようにされる。

物品１１はヒーター素子２１によって結合温度Ｔ_１まで加熱する。物品１２はヒーター素子２２によって結合温度Ｔ_２まで加熱する。温度Ｔ_１は温度センサー２３で感知し、温度Ｔ_２は温度センサー２４で感知する。アクチュエータ２７のアーム２８はホルダー１７に取り付け、ホルダー１７をウエハホルダー１８に向う方向へ又はウエハホルダー１８から離れる方向へ動かして、ウエハ１１、１２を結合するため互いに合せ、結合前にウエハを配置するため互いに離し、或いは結合後に結合したウエハを解放する。

結合装置１５における電子モジュール２９は結合装置１５とコンピューター／プロセッサー３１との間のインターフェースである。コンピューター又はプロセッサー３１は、ウエハ又は物品１１、１２を結合し、それらのウエハ間に、周囲温度、プレ結合温度、動作温度、貯蔵温度、又は結合後の室温において予定量の応力が発生するようにプログラム可能である。予定量の応力は殆どないように即ち実質的にゼロとなるように選択する。ヒーター２１、２２、温度センサー２３、２４及びアクチュエータ２７は電子モジュール２９を介してコンピューター又はプロセッサー３１に接続し、即ち電子モジュール２９はウエハ又は物品１１、１２の温度を結合のために制御するように構成する。コンピューター又はプロセッサー３１の代わりに、電子モジュール２９は、結果として結合したウエハ又は物品１１、１２の間の応力を所望の量に設定するためにプログラムできるように構成してもよい。ユーザーインターフェースのために電子モジュール２９に特定の外部制御装置を接続してもよい。電子モジュール２９はホルダー１８及びアクチュエータ２７と共にベース３２に配置しても又は取り付けてもよい。

本明細書では、材料のいくつかは別の仕方又は形態で記載されるが、仮説的又は予言的なものでもよい。少なくとも一つの例示実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者には本明細書を読む際に多くの変形及び変更が明らかになる。従って、添付の特許請求の範囲は、かかる全ての変形及び変更を含めて先行技術の観点からできるだけ広義に解釈すべきである。

２枚のウエハの応力存在結合（stress-impacted bonding）を示す。 ２枚のウエハの応力存在結合を示す。 ２枚のウエハの応力存在結合を示す。 ２枚のウエハの応力存在結合を示す。 ２枚のウエハの応力なし結合（stress-free bonding）を示す。 ２枚のウエハの応力なし結合を示す。 ２枚のウエハの応力なし結合を示す。 ２枚のウエハ間に応力なし結合を実施する結合装置を示す。

Claims (35)

1. 第１材料を用意する工程と；
   第２材料を用意する工程と；
   第１材料を第１温度まで加熱する工程と；
   第２材料を第２温度まで加熱する工程と；
   を含み、
   室温から第１温度への第１材料のサイズの変化が第１百分率であり；
   室温から第２温度への第１材料のサイズの変化が第２百分率であり；
   第２百分率が第１百分率とほぼ同じであることを特徴とする結合方法。
2. 前記第１温度及び第２温度が第１材料及び第２材料を結合するのに十分である請求項１記載の方法。
3. 前記第１温度及び第２温度をそれぞれ維持しながら第１材料及び第２材料を互いに結合する請求項２記載の方法。
4. 更に、前記第１材料及び第２材料を第３温度に冷却する工程を含む請求項３記載の方法。
5. 前記第１材料及び第２材料の結合により、多層ウエハを形成し、第３温度が多層ウエハの動作温度である請求項４記載の方法。
6. 前記第１材料及び第２材料が異なる熱膨張係数をもつ請求項５記載の方法。
7. 前記第１材料がシリコンであり、第２材料がガラスである請求項５記載の方法。
8. 前記ガラスがＰｙｒｅｘ（商標）である請求項７記載の方法。
9. ガラスがＨｏｙａ（商標）ＳＤ２である請求項７記載の方法。
10. 前記第１材料及び第２材料がＭＥＭＳ材料である請求項６記載の方法。
11. 前記第１材料を第１温度まで加熱する手段と；
    前記第２材料を第２温度まで加熱する手段と；
    ほぼそれぞれ第１温度及び第２温度で第１材料及び第２材料を互いに結合する手段と；
    を有し、
    前記第１材料が、第１温度から第３温度へ変化する際の第１材料のサイズの第１変化量をもち；
    前記第２材料が、第２温度から第４温度へ変化する際の第２材料のサイズの第２変化量をもち；
    前記サイズの第１変化量がサイズの第２変化量とほぼ同じであることを特徴とする結合装置。
12. 前記第３温度が第４温度とほぼ同じである請求項１１記載の装置。
13. 前記第１温度が第１熱膨張係数をもち；
    前記第２温度が第２熱膨張係数をもち；
    前記第１熱膨張係数及び第２温度が異なる請求項１２記載の装置。
14. 前記第１材料及び第２材料がＭＥＭＳデバイス用である請求項１３記載の装置。
15. 前記第１材料がシリコンであり、第２材料がガラスである請求項１２記載の装置。
16. 前記ガラスがＰｙｒｅｘ（商標）である請求項１５記載の装置。
17. 前記ガラスがＨｏｙａ（商標）ＳＤ２である請求項１５記載の装置。
18. 前記第３温度及び第４温度がプレ結合温度にほぼ等しい請求項１３記載の装置。
19. 第１ヒーターを備えた第１材料ホルダーと；
    第１材料ホルダーに近接して設けられ、第２ヒーターを備えた第２材料ホルダーと；
    を有し；
    一方のホルダーが他方のホルダーに対して可動であり；
    第１ヒーターが第１の調整可能な温度をもち；また
    第２ヒーターが第２の調整可能な温度をもつ結合装置。
20. 前記第１ヒーターが第１ホルダーにおける第１材料を第１温度に加熱でき；
    第２ヒーターが第２ホルダーにおける第２材料を第１温度に加熱でき；
    これらホルダーが第１材料及び第２材料を互いに結合するように相互に向って移動できる請求項１９記載の装置。
21. 更に、第１ホルダー及び第２ホルダーの一方に接続したアクチュエータと；
    第１ホルダー及び第２ホルダー並びにアクチュエータに接続したプロセッサーと
    を有する請求項２０記載の装置。
22. 前記プロセッサーが二つの材料を結合するようにプログラム可能であり、その結果、第３温度においてこれら材料間に予定量の応力が生じる請求項２１記載の装置。
23. 前記第１温度が第１材料の結合温度であり；
    第２温度が第２材料の結合温度である請求項２２記載の装置。
24. 第３温度が、第１材料及び第２材料の標準周囲温度である請求項２３記載の装置。
25. ΔＴ_１を第１温度と第３温度との差とし；
    ΔＴ_２を第２温度と第３温度との差とし；
    α_１を第１材料の熱膨張係数とし；
    α_２を第２材料の熱膨張係数とし；
    α_１ΔＴ_１≒α_２ΔＴ_２
    である請求項２２記載の装置。
26. 前記結合中二つの材料を真空雰囲気内に置く請求項２５記載の装置。
27. 第１及び第２材料がＭＥＭＳ構成要素である請求項２６記載の装置。
28. 前記第１材料がシリコンであり、第２材料がガラスである請求項２６記載の装置。
29. 前記ガラスがＰｙｒｅｘ（商標）である請求項２６記載の装置。
30. 前記ガラスがＨｏｙａ（商標）ＳＤ２である請求項２６記載の装置。
31. 物品を互いに結合するため各物品の熱膨張係数に応じて各物品に温度を与え、結合後及びプレ結合温度に戻す際に、物品が相互にサイズを変動して接合部において物品間に生じる応力を僅かにし、また物品が異なる熱膨張係数をもつ結合システム。
32. 前記物品がＭＥＭＳ構成要素である請求項３１記載のシステム。
33. 前記第１材料がシリコンであり、第２材料がガラスである請求項３１記載のシステム。
34. 前記ガラスがＰｙｒｅｘ（商標）である請求項３３記載のシステム。
35. 前記ガラスがＨｏｙａ（商標）ＳＤ２である請求項３３記載のシステム。

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