CN101291873A - 制造含吸气剂材料的微机械器件的方法及所制造的器件 - Google Patents

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Abstract

描述一种用于制造微机械器件的方法，所述器件通过直接结合来将两个部件接合在一起而形成，这两个部件之一(12)由硅制成且另一部件由在硅与半导体、陶瓷或氧化物材料之中选择的材料制成，这样两个部件之间的接合形成容纳器件(11)的功能性元件、可能的辅助元件和吸气剂材料沉积物(13)的腔(14)。

Description

制造含吸气剂材料的微机械器件的方法及所制造的器件
技术领域
本发明涉及用于制造包含吸气剂材料的微机械器件的方法并涉及通过该方法制造的器件。特别地，本发明涉及用于制造所述器件的方法，该方法包括通过在两个晶片之间的界面处熔融而将这两个晶片接合在一起的步骤，晶片之一由硅制成而另一个由半导体、陶瓷或氧化物材料制成；本发明还涉及最终器件和能够经受工艺条件的特定吸气剂材料。
背景技术
微机械器件一般称为“微机电系统”或“微光机电系统”，且缩写为MEMS和MOEMS(在下面将仅用MEMS示出，其也表示MOEMS)。这些器件由密封腔形成，在该腔中除了用于器件的电源和将器件产生的信号向外传递的辅助部件和电气连接线之外，还有能够执行预定运动的微机械部件或能与电磁辐射相互作用的部件。这种器件的例子是在许多专利例如US5,594,170、US5,656,778和US5,952,572中所述的微加速度计；在专利US5,821,836和US6,058,027中所述的用于电信领域且特别用于移动电话制造领域的微型谐振器；或一个实例在专利US5,895,233中描述的红外微型传感器。
在制造方法结束时，由于工艺的残余物或该腔壁排气而在MEMS的腔中含有各种气体，其可能干扰MEMS的运行：例如，它们可改变系统的热传导从而改变在使用红外传感器的情况下的温度测量，因而在腔中需要最优可能的真空度。其他MEMS器件对极高真空水平没有严格的要求。例如，在加速度计中，在其处于运动中后，腔中的低压气体有助于抑制运动部件的振动；这允许器件“静止”状态的快速恢复，使其更快地准备好进行进一步运动探测；为此，一些MEMS的制造在其密封之前用在数千帕斯卡(Pa)量级压力的给定气体(例如一种惰性气体)预先回填腔。但是，在这些情形中也必须使腔中的气体具有恒定的压力和化学组分，因为这些参数的变化可能改变运动部件周围的介质的粘度，从而改变测量。
在MEMS器件的整个寿命期间的非常高真空度或恒定气氛的实现可通过将吸气剂材料(其是能消除大多数非惰性气体的材料)引入腔中来确保。通常所使用的吸气剂材料是金属，例如锆、钛或其合金；优选的是重量百分比组成为锆80％-钴15％-稀土5％的合金，该合金以St 787的名字由本申请人出售。MEMS器件中的吸气剂材料的使用在例如US专利No.5,952,572/6,499,354、6,590,850、6,621,134、6,635,509和6,923,625中描述。
MEMS用源于半导体集成电路的制造技术来制造，通常包括在玻璃、石英、陶瓷材料(例如碳化硅)或半导体材料(优选为硅)的平面支撑件上局部沉积所需材料，以及选择性去除不同材料层部分。特别地，参考图1在下面描述的最新一代的MEMS通常通过将两部件焊接在一起来制造，即通常形成平面支撑件(一般为硅)的第一部件10和可由玻璃、石英、陶瓷或半导体材料制成的第二部件12，在第一部件10上设置有功能性元件11和辅助性元件(这些元件在图中未示出)，第二部件12一般仅具有封闭器件以保护内部元件的功能。由于第二部件一般没有功能性元件并且因此提供更多自由空间，吸气剂材料13优选地设置在该部件上，例如在专利US6,897,551中所述。在该申请中吸气剂材料层的沉积的优选技术是阴极沉积，通常称为“溅射”。如公知的，在该技术中，由想要沉积的材料制成的具有大致短柱形状的主体(称为“靶”)和其上形成沉积的支撑件设置在密封室中；室中充满负压的惰性气体，一般为氩；通过在靶(保持在阴极电位)和阳极之间施加数千伏特大小的电位差(或更低的电位差，这取决于所用的构造)，使惰性气体离子化，且使这样产生的离子向靶加速，由此通过撞击来侵蚀靶；所侵蚀掉的材料沉积在包括支撑件的可用表面上；通过采用具有适当开口的掩模系统，可以限制沉积形成的支撑件区域。作为替代，溅射可在活性条件下实施，即，对惰性气体增加小百分比的活性气体，例如氧气，该活性气体由靶所侵蚀的气相下的粒子反应，生成由活性气体和所述粒子反应产生的材料的沉积。一旦MEMS的操作所需全部元件已经在这两个部件上形成，就通过包围器件元件的线焊接两个部件而将其接合在一起。该微器件由此被密封在封闭空间14中且被机械地和化学地保护以免外部环境的影响。
焊接可以通过以通常定义为“结合”而公知的许多技术完成。第一可能性包括在两部件之间插入例如铟、铅或金的韧性金属，并使其熔化和凝固，可能同时施加压力(“压力结合”)；但是，从机械强度角度，该技术导致不完全可靠的焊接。另一类型的结合是阳极结合(主要应用在支撑件之一由玻璃或石英制成而另一个由硅制成的情况)，其中在保持大约300-500℃的温度的两部件之间施加大约1000V的电位差；在这些条件下，正离子(例如来自玻璃的钠离子)从保持在正电位的支撑件向保持在负电位的支撑件迁移，并且负离子(例如来自硅的氧)向相反方向迁移；在两支撑件之间的这种材料迁移导致其相互焊接。另一可能的技术是共晶结合，其中能与两支撑件中至少一个的材料形成共晶组分的金属或合金层插入在两支撑件之间，以利用适当的热处理方法在焊接区域中引起局部熔化。但是，当存在金属杂质的危险时共晶结合一般不被使用，例如当共晶结合与cMOS制造工艺一起实施时。目前可用的吸气剂材料与使用上文描述的结合技术的MEMS制造方法兼容。
另一可能的MEMS密封技术是需要支撑件材料局部熔化的直接结合；通过该方法获得稳定结合一般需要高温，例如在使用硅的情况下为大约1000℃。该技术也可以使用中间层，例如当结合两个硅部件时为二氧化硅。与先前引用的技术相比，直接结合允许在被焊接的两部件之间获得更好的结合，相对应力状态(如热和机械冲击、振动或热循环)增加粘合力和稳定性。使用这种类型的结合，焊接区域的机械特性可与形成焊接部件的材料的机械特性相当。该类型结合用于必须具有高可靠性和耐久性的器件(例如航空电子应用)。
但是，已验证现在使用的吸气剂材料不能承受直接结合所需的热处理。首先，在这些热处理过程中大多数吸气剂材料经过强的结构和形态的重新排列，这可导致材料沉积的熔化(例如在所引用的St 787合金的情况下)；所观察的最小后果是吸气剂几乎完全失去气体吸附能力，而在熔化的情况下，吸气剂材料能“湿润”器件的功能性部件并且在凝固后能完全改变或阻止其操作。在一些情况中，吸气剂材料在相邻表面上的部分蒸发和新的凝结也已被观察到，这对器件操作具有不利的影响。对所有吸气剂材料已经观察到的另一问题是，如果在硅上形成沉积，其在接着结合操作的冷却过程中会从支撑件上脱离，这样固体碎片可能会与功能性部件接触，从而危害器件效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制造微机械器件的方法以及提供最终微机械器件和能够承受该制造方法的一族吸气剂材料，该方法包括直接结合其上具有功能性元件、辅助元件和吸气剂材料的两个支撑件的步骤。
这些目的根据本发明利用制造微机械器件的方法实现，该方法包括直接结合两个支撑件的步骤，这两个支撑件中的一个由硅制成，且另一个由硅制成或者由半导体、陶瓷或氧化物材料制成，其中器件的功能性元件和可能的辅助元件设置在至少一个支撑件上，并且吸气剂材料沉积物设置在硅支撑件上，该方法包括以下步骤：提供设有器件的功能性元件和可能的辅助元件的第一支撑件；提供第二支撑件；所述第一和第二支撑件这样形成，使得当配合时它们形成容纳功能性元件、辅助元件和吸气剂材料沉积物的腔；使所述两个支撑件接近以形成所述腔并通过直接结合焊接所述两个支撑件；该方法的特征在于：通过在硅支撑件上形成具有至少50纳米厚度的玻璃、陶瓷或氧化物材料的中间层的第一操作以及将具有不高于10微米厚度的吸气剂材料层沉积在所述中间层上的第二操作，而将所述吸气剂材料沉积物形成在所述硅支撑件上；并且所用吸气剂材料是包含锆和在钼、铌、钽和钨中选择的至少一种第二元素的合金，其中锆的重量百分比在70和97％之间。
附图说明
本发明将参考附图在下面示出，其中：
-图1在已经参考现有技术描述的情况下示意性示出MEMS器件的剖视图；
-图2示出作为本发明的方法的特征的操作的主要步骤。
具体实施方式
发明人发现如果使用一些特定的吸气剂材料，如果在吸气剂和硅之间插入由玻璃、陶瓷或氧化物材料制成的中间层，且如果吸气剂和中间层具有特定的厚度值，在直接结合工序中可以防止硅支撑件上的吸气剂沉积物脱离；由于本发明方法特征在于存在中间层和所述厚度的限定，而对于剩下的操作，其与其他利用直接结合的MEMS制造方法完全相似，所以下面将仅仅详细描述该方法的创新特性。
如前所述，由于可用空间原因，优选地将吸气剂层设置在与设置MEMS功能和辅助元件的支撑件相对的支撑件上；因此，虽然其他的描述参照该实施例，但对于本领域技术人员很清楚，本发明也能应用在吸气剂沉淀物设在承载功能性和辅助元件的同一支撑件上的情况。
中间层和其上的吸气剂材料层的形成通过各种技术实施。例如，中间层可由玻璃或陶瓷硅化合物，例如氧化物或氮化物制成；这样，可以使该层通过与氧或氮在足够的温度下反应而从硅支撑件开始生长，或者可代替地可以采用氧或氮离子注入硅的技术，接着进行扩散热处理(本领域公知的“退火”)来使所形成的层的结构和特性一致。
但是，用于各种层生长的优选技术是溅射法(可能是在活性条件下)，从而以有限成本提供对所形成层的几何和结构特性的高度控制。另外，相对于前面引用的技术，溅射法具有能够例如不同于硅化合物的材料(例如金属氮化物或碳化物)形成适合本发明的目的的中间层的附加优势。
实施本发明工艺的优选方法(通过在没有功能性元件的支撑件上溅射中间层和吸气剂材料层两者来沉积)参考图2在下面描述，其中这些元件在示意性剖视图中示出。
图2a示出与图1的支撑件12相似但相对其具有倒置方向的支撑件20。
图2b示出在支撑件20上中间层的形成操作。通过在支撑件上方定位掩模21而优选地在支撑件20的限定区域上实施沉积，该掩模具有确定支撑件20的形成沉积物的区域的开口22；图2b中的箭头表明用于形成中间层23的所选材料的粒子的方向。如本领域公知的，中间层厚度可通过调整工艺时间、阳极与靶之间施加的功率和待沉积材料靶和支撑件20之间的距离来控制。层23的厚度至少为50纳米(nm)，因为已经观察到在较小厚度下无法防止后来形成的吸气剂层的脱离；优选地，该厚度小于2μm，以便最小化中间层沉积的时间，并仍然确保最佳功能性特性。通过溅射进行的层23的沉积也可在活性条件下实施，例如在惰性气体中存在少量氧的情况下，这会产生氧化物作为形成这种层的材料。
中间层的形成操作也可以其他方式实施，例如在沉积阶段不使用掩模21，而通过将层23的材料均一地沉积在支撑件20上并且然后选择性地去除以便获得所需几何形状；在此情况下，这样沉积层的部分的选择性去除操作可能要求使用掩模。
随后的操作是吸气剂材料层的沉积。该操作也能不使用掩模而通过将材料均一地沉积在支撑件20(在支撑件处已经有层23)上并且然后选择性地去除吸气剂，以便将其仅留在与层23相应处。但是，这样吸气剂材料层沉积也优选地通过使用掩模系统实施，从而吸气剂材料仅在中间层上沉积。掩模可具有比在图2b中示出的操作中使用的更小的开口，但优选地开口的尺寸、形状和对准位置与前述操作相同，以便将吸气剂沉积区域(和因此的气体吸附能力)最大化；这些优选条件通过使用相同掩模以最方便的方式完成，该掩模在两个操作中相对支撑件20保持不变对齐，这样使整个操作简单化。通过对两沉积操作使用相同掩模，这些在同一制造步骤中通过简单地用吸气剂材料靶代替中间层材料靶、通过在对两不同材料层的所需厚度的基础上调整使用两靶的时间而连续地实施。该模式在图2c中示出，其中使用图2b的具有开口22的相同掩模21用于沉积吸气剂材料层24；在此情况下箭头也表明吸气剂材料粒子沉积的方向。
图2中，掩模21作为设置在支撑件20上方的物理对象示出。当所形成的沉积物具有不低于大约200-300微米的侧向尺寸时该选择是可能的；低于这些尺寸则必须采用光刻掩模，其根据微电子领域公知和可以应用在如本申请人的国际专利申请WO2006/109343中描述的吸气剂材料的沉积中的程序，通过在紫外线敏感的有机材料膜的支撑件上沉积、利用化学物对暴露在紫外线下和对所述膜的暴露部分(或未暴露部分)的选择性去除而获得。
与直接结合操作兼容的吸气剂材料是包含锆和在钼、铌、钽和钨之中选择的至少一种第二元素的合金，其中所含锆的重量百分比在70和97％之间。优选地，第二元素在铌和钽之间选择，并且这样所含锆的重量百分比在85和95％之间。
吸气剂材料层的厚度必须不超过10μm，因为发明人已经在实验上观察到对于较高厚度，在直接结合过程中(特别地在结合之后的冷却过程中)尽管存在中间层且与后者的厚度无关，吸气剂沉积物也会从支撑件上脱离；该层的厚度优选大于0.1μm，因为对于较低厚度气体吸附能力变得太低。
然后增加有层23和24的所准备的支撑件20经历MEMS制造工艺的后续操作，特别是和如支撑件10的支撑件的直接结合。如本领域公知的，为了确保直接结合的良好质量，优选的是使待焊接在一起的两个表面预先经历清洗和表面改性处理，例如机械抛光、研磨或化学洗涤。这些处理优选地在中间层和吸气剂层的沉积步骤前实施，但它们也可在所述沉积步骤之后实施，如在本申请人的国际专利申请WO2005/047558所述。由于前述原因，密封步骤也能在存在处于负压的给定气体(例如惰性气体)的情况下实施，以获得在腔中具有固定气体压力的MEMS器件。

Claims (15)

1.一种用于制造微机械器件的方法，包括在两个支撑件之间直接结合的步骤，所述两个支撑件(12，20)中的一个由硅制成，且另一个由硅制成或者由半导体、陶瓷或氧化物材料制成，其中所述器件的功能性元件(11)和可能的辅助元件设置在这些支撑件中的至少一个上，且吸气剂材料沉积物(13，24)设置在一个硅支撑件上，所述方法包括以下步骤：提供第一支撑件(10)，在所述第一支撑件上设有所述器件的功能性元件(11)和可能的辅助元件；提供第二支撑件(20)；所述第一和第二支撑件这样形成，使得当配合时它们形成腔(14)，所述功能性元件、辅助元件和吸气剂材料沉积物容纳在所述腔中；使所述两个支撑件接近以便形成所述腔且通过直接结合焊接所述两个支撑件；所述方法的特征在于：通过在硅支撑件上形成具有至少50纳米厚度的玻璃、陶瓷或氧化物材料的中间层(23)的第一操作以及将具有不高于10微米厚度的吸气剂材料层(24)沉积在所述中间层上的第二操作，而将所述吸气剂材料沉积物形成在所述硅支撑件上；并且所用吸气剂材料是包含锆和在钼、铌、钽和钨中选择的至少一种第二元素的合金，其中锆的重量百分比在70和97％之间。
2.如权利要求1的方法，其中所述第二元素在铌和钽之间选择，并且所述合金中锆的重量百分比在85和95％之间。
3.如权利要求1的方法，其中所述中间层由二氧化硅或氮化硅制成并且所述中间层的形成通过硅支撑件与氧或氮的反应实现。
4.如权利要求1的方法，其中所述中间层由二氧化硅或氮化硅制成并且所述中间层的形成通过将氧或氮离子注入到硅中实现。
5.如权利要求4的方法，其中在所述离子注入之后是对扩散到硅中的氧或氮进行热处理。
6.如权利要求1的方法，其中所述中间层通过阴极沉积形成。
7.如权利要求6的方法，其中所述阴极沉积发生在活性条件下。
8.如权利要求6的方法，其中通过在所述支撑件上设置具有开口(22)的掩模(21)，而在硅支撑件(20)的限制区域上实施所述阴极沉积，所述开口限定所述硅支撑件中将形成沉积物的区域。
9.如权利要求1的方法，其中所述吸气剂材料层(24)的沉积操作通过阴极沉积实施。
10.如权利要求9的方法，其中通过在硅支撑件(20)上设置具有开口的掩模，并且对齐硅支撑件(20)以使所述吸气剂材料仅仅沉积在所述中间层上，而使所述吸气剂材料层(24)的沉积操作仅在中间层上实施，所述开口的尺寸小于或等于在中间层形成中使用的掩模的尺寸。
11.如权利要求10的方法，其中通过使用相对硅支撑件(20)一直保持对齐的同一掩模(21)实施所述中间层和吸气剂材料层的形成操作。
12.如权利要求1的方法，其中所述吸气剂材料层的厚度在0.1和10μm之间。
13.如权利要求1的方法，其中待焊接在一起的所述两个支撑件的表面在焊接前受到清洁和表面改性处理。
14.如权利要求13的方法，其中所述处理在机械抛光、研磨或化学清洗中选择。
15.如权利要求1的方法，其中通过直接结合焊接的所述两个支撑件的所述操作在存在处于负压的惰性气体的情况下实施。
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