CN102792168A - Mems传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种MEMS传感器，特别是能够提高密封接合部的Al-Ge共晶接合界面处的接合强度以及密封气密性。所述MEMS传感器构成为具有：第一基材；第二基材；密封接合部，该密封接合部位于所述第一基材与所述第二基材之间，通过使形成在所述第一基材侧的第一连接金属层和形成在所述第二基材侧的第二连接金属层共晶接合而成，所述密封接合部(50)从所述第一基材侧至所述第二基材侧依次层叠有Ti层(52)、Ta层(53)、由Al或Al合金形成的所述第一连接金属层(54)、以及由Ge形成的所述第二连接金属层(55)。

Description

MEMS传感器
技术领域
本发明涉及第一基材和第二基材隔着密封接合部接合而成的MEMS传感器。
背景技术
图5是用于说明相对于本发明的比较例的结构的MEMS传感器的局部纵向剖视图。
在图5所示的MEMS传感器1中，第一基材2、第二基材3以及支承基材4按照该顺序层叠，第一基材2与第二基材3之间通过密封接合部5接合。另外，第二基材3与支承基材4之间隔着绝缘层(硅氧化层)6接合。各基材2～4由硅等形成。
如图5所示那样，密封接合部5通过使形成在第一基材侧的Al层8和形成在第二基材3侧的Ge层9在规定的热处理温度及加压下共晶接合而成。如图5所示那样，在Al层8的下表面，作为用于提高与第一基材2侧的密接性的基底而形成有Ti层7。
然而，通过上述的共晶接合工序而特别在Al层8的内部形成空隙部(空隙(void))的情况通过后述的实验得以确认。可以想到的是，通过基于共晶接合工序的热处理，在Ti层7与Al层8之间产生扩散，在Al层8再结晶化时产生了空隙部。
如上述那样，由于在Al层8中形成有空隙部，因此Al层8与Ge层9的界面的接合强度变弱，并且无法获得良好的密封气密性。
以下所示的专利文献所记载的发明均使用Ti层7作为Al层8的基底，并使Al层8与Ge层9共晶接合，在该结构中并不能抑制Ti层7与Al层8间的扩散并提高Al层8与Ge层9的共晶接合面处的接合强度。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-256503号公报
专利文献2：日本特开2000-21914号公报
专利文献3：日本特开平9-64185号公报
专利文献4：日本特开2000-208518号公报
发明内容
本发明用于解决上述以往的课题，尤其是其目的在于提供一种能够提高密封接合部的Al-Ge共晶接合界面处的接合强度及密封气密性的MEMS传感器。
用于解决课题的手段
本发明为一种MEMS传感器，其特征在于，具有：第一基材；第二基材；密封接合部，该密封接合部位于所述第一基材与所述第二基材之间，通过使形成在所述第一基材侧的第一连接金属层和形成在所述第二基材侧的第二连接金属层共晶接合而成，
所述密封接合部从所述第一基材侧到所述第二基材侧依次层叠有Ti层、Ta层、由Al或Al合金形成的所述第一连接金属层、由Ge形成的所述第二连接金属层。
如此，通过在Ti层与由Al或Al合金形成的第一连接金属层之间夹设Ta层，从而即使为了使所述第一连接金属层和由Ge形成的第二连接金属层共晶接合而实施规定的热处理，也能够抑制比较例那样Al和Ti发生扩散的情况。由此，能够抑制在第一连接金属层形成空隙部(空隙)，能够提高第一连接金属层与第二连接金属层间的共晶接合界面处的接合强度及密封气密性。
在本发明中，优选，在所述第一基材的与所述第二基材对置的对置面侧形成有绝缘层，在所述绝缘层内埋设有配线层，
所述密封接合部形成在所述绝缘层与所述第二基材之间。
另外，在本发明中，优选，所述配线层被引出到所述密封接合部的外侧，在所述密封接合部的外侧的位置设置有与所述配线层电连接的电极焊盘。
另外，在本发明中，优选，所述第二基材具有：锚定部、被所述锚定部支承成能够在高度方向上位移的可动部、形成在所述锚定部及所述可动部的周围的框体部，在所述第二基材的与所述第一基材对置的相反侧设置有固定在所述锚定部及所述框体部上的支承基板。
优选：在所述框体部与所述第一基材之间形成有所述密封接合部，与所述密封接合部为相同层叠结构的接合部设置在所述锚定部与所述第一基材之间。由此，能够提高设置在锚定部与第一基材之间的接合部的共晶接合界面处的接合强度。
另外，在本发明中，优选：在所述第一基材的与所述第二基材对置的对置面侧形成有绝缘层，在所述绝缘层内埋设有配线层，
所述密封接合部形成在所述绝缘层与所述第二基材之间，所述配线层在所述密封接合部的内侧与设置于与所述可动部对置的位置上的固定电极层电连接。
发明效果
根据本发明的MEMS传感器，能够提高由Al或Al合金构成的第一连接金属层和由Ge构成的第二连接金属层间的共晶接合界面处的接合强度以及密封气密性。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的MEMS传感器的示意图(纵向剖视图)。
图2是本实施方式的密封接合部的放大纵向剖视图。
图3是本发明的第二实施方式的MEMS传感器的示意图(纵向剖视图)。
图4(a)是本实施例的密封接合部的剖面SIM照片，(b)是比较例的密封接合部的剖面SIM照片。
图5是用于说明相对于本发明的比较例的结构的MEMS传感器的局部纵向剖视图。
具体实施方式
图1是本发明的第一实施方式的MEMS传感器的示意图(纵向剖视图)，图2是本实施方式的密封接合部的放大纵向剖视图，图3是本发明的第二实施方式的MEMS传感器的示意图(纵向剖视图)。
如图1所示那样，MEMS传感器20具备第一基材21和第二基材22。第一基材21以及第二基材22均由硅构成。
如图1所示那样，绝缘基底层29形成在第一基材21的表面(与第二基材22对置的对置面)21a的整个面上。如图1所示那样，第一配线层24及第二配线层25形成在绝缘基底层29上。进而，绝缘层23形成在第一配线层24及第二配线层25上。于是，各配线层24、25埋设于绝缘层23中。对于绝缘基底层29及绝缘层23的材质没有特别限定，例如由SiO2层形成。此外，对于各配线层24、25的材质没有特别限定，例如由AlCu形成。
此外，在图1中，在绝缘层23的表面23b形成有突起部23c，从而构成后述的相对于可动部38的限位件，对于绝缘层23的表面23b的形状没有特别的限定。另外，突起部23c可以与绝缘层23一体形成，也可以独立形成。
如图1所示那样，第二基材22在第一基材21的背面侧隔着氧化绝缘层(牺牲层)35而固定支承在支承基板36上。可以通过第二基材22、氧化绝缘层35及支承基板36构成SOI(Silicon on Insulator)基板。支承基板36由硅形成。
如图1所示那样，第二基材22构成为具有锚定部37、可动部38、弹簧部39及框体部40。可以通过对第二基材22进行蚀刻加工而构成各部件。可动部38被锚定部37经由弹簧部39支承成能够在高度方向(Z)上位移。可动部38与框体部40分离。框体部40的平面形状(X-Y平面的形状)以包围可动部38的周围的框形状形成。图1中示出了在从高度方向切断MEMS传感器20时在可动部38的两侧出现的框体部40的剖面。需要说明的是，第二基材22的各部件的结构和形状不局限于图1所示的结构和形状。
如图1所示那样，在可动部38及弹簧部39与支承基板36之间未形成氧化绝缘层35。因此，可动部38能够在高度方向(Z)上位移。氧化绝缘层35优选由SiO2形成。
如图1所示那样，在形成于第一基材21的表面21a上的绝缘层23与框体部40之间形成有层叠多个金属层而成的密封接合部50。密封接合部50的上表面与框体部40抵接。另外，密封接合部50的下表面与绝缘层23的表面23b抵接，从而成为与埋设在绝缘层23内的配线层绝缘的状态。此外，在绝缘层23与锚定部37之间也形成有与所述密封接合部50为相同层叠结构的接合部51。如图1所示那样，接合部51成为上表面与锚定部37抵接而下表面与第二配线层25电连接的状态。
需要说明的是，与图1所示的形态不同，例如对于在与框体部40对置的绝缘层23上形成有与绝缘层23不同体的突出部的这种形态而言，在所述突出部与框体部之间形成有密封接合部50。突出部例如由氮化硅形成。突出部用于调整可动部38与固定电极层26(后述)之间的间隙等。
如图1所示那样，第一配线层24从密封接合部50的内侧(由框体部40围起的内侧)被引出，并在俯视下与密封接合部50交叉而被引出到外侧。
如图1所示那样，电极焊盘27形成在密封接合部50的外侧。在输出信号用的第一配线层24的外侧端部的位置，在绝缘层23上形成有贯通孔23a，第一配线层24与电极焊盘27经由所述贯通孔23a电连接。
另外，如图1所示那样，固定电极层26形成在与可动部38在高度方向上对置的绝缘层23的表面上。此外，第一配线层24的内侧端部经由形成在绝缘层23上的贯通孔23a而与固定电极层26电连接。
对于图1所示的固定电极层26及电极焊盘27的材质没有特别的限定，但优选使用导电性良好的材质。
另外，如图1所示那样，锚定部37经由接合部51与输入信号用的第二配线层25电连接。虽然未图示，但第二配线层25与第一配线层24同样，也被向密封接合部50的外侧引出，并与未图示的电极焊盘连接。
如图1所示那样，在可动部38与固定电极层26之间，在高度方向上设有规定的间隔(间隙)。并且，对于图1所示的MEMS传感器20而言，当可动部38在高度方向(Z)上位移时，其与固定电极层26之间的距离变化而使静电电容变化，MEMS传感器20通过电极焊盘27而利用电路检测静电电容变化，从而能够检测例如加速度的变化和加速度的大小。
如图2所示那样，密封接合部50从下方起依次层叠有Ti层52、Ta层53、由Al或Al合金构成的第一连接金属层54及由Ge构成的第二连接金属层55。作为Al合金可以例示出铝铜合金(AlCu)或铝钪铜合金(AlScCu)等。
密封接合部50的最下层的Ti层52与绝缘层23的表面23b抵接并且密接形成。此外，密封接合部50的最上层的第二连接金属层55与框体部40的下表面抵接形成。需要说明的是，密封接合部50的下面侧和上面侧的结构不局限于图1所示的结构，可以与MEMS传感器的结构配合地适当变更与密封接合部50的最下层的Ti层52相接的面及与密封接合部50的最上层的第二连接金属层55相接的面。
图2所示的Ti层52、Ta层53、及第一连接金属层54这三层最初在第一基材21侧通过溅射等现有方法形成，第二连接金属层55最初在第二基材2两侧通过溅射等现有方法形成。
然后，使第一连接金属层54与第二连接金属层55之间对合，通过在施加规定压力的同时实施规定的热处理，从而使由Al或Al合金构成的第一连接金属层54和由Ge构成的第二连接金属层55间共晶接合。
在本实施方式中，通过对第一连接金属层54和第二连接金属层55的材质进行组合，能够以各金属的熔点以下的温度进行热处理而实现共晶接合。然而，对于作为基底的Ti层52上直接形成由Al或Al合金构成的第一连接金属层54的形态(比较例)而言，通过共晶接合时的热处理，在Ti与Al之间产生扩散，从而产生在第一连接金属层54形成空隙部的不良情况。
因此，在本实施方式中，在作为基底的Ti层52与由Al或Al合金构成的第一连接金属层54之间夹设有Ta层53。可以想到的是，Ta以比Ti高的熔点作为扩散阻挡层发挥作用。因此，通过共晶接合时的热处理也能够抑制Ti与Al的扩散，能够抑制在第一连接金属层54形成空隙部(空隙)。由此，能够使由Al或Al合金构成的第一连接金属层54和由Ge构成的第二连接金属层55间以高接合强度共晶接合。而且，不会在第一连接金属层54形成空隙部(空隙)，通过使第一连接金属层54与第二连接金属层55间的整面适当密接，从而能够适当提高密封气密性。
Ti层52的膜厚为0.01～0.1μm左右，Ta层53的膜厚为0.01～0.1μm左右，由Al或Al合金构成的第一连接金属层54的膜厚为0.5～1.5μm左右，由Ge构成的第二连接金属层55的膜厚为0.3～1.0μm左右。
在本实施方式中，图1所示的将锚定部37与第二配线层25间接合的接合部51也由与密封接合部50相同的层叠结构形成。即，接合部51也从下方依次层叠有Ti层/Ta层/由Al或Al合金构成的第一连接金属层/由Ge构成的第二连接金属层。由此，能够适当地提高接合部51在第一连接金属层与第二连接金属层间的共晶接合界面的接合强度。
另外，图1所示的形成在绝缘层23上的固定电极层26及电极焊盘27也优选由Ti层/Ta层/Al层或Al合金层的层叠结构形成。即，通过在第一基材21侧形成构成密封接合部50以及接合部51的3层结构(Ti层/Ta层/Al层或Al合金层的层叠结构)的同时利用所述3层结构形成固定电极层26以及电极焊盘27，从而能够使制造工序容易化。
图3示出表示与图1不同的实施方式的MEMS传感器的局部纵向剖视图。在图3中，在第一基材68上经由电绝缘性的绝缘基底层63形成有配线层64。如图3所示那样，在配线层64上形成有绝缘层65。由此，配线层64成为埋设在绝缘层65内的状态。如图3所示那样，在绝缘层65上形成有与配线层64相通的贯通孔69、73。
在图3所示的实施方式中，在绝缘层65上形成有俯视下为框形状的突出层66。突出层66例如由氮化硅形成。此外，在突出层66上隔着由与图2同样的层叠结构(Ti层52/Ta层53/由Al或Al合金构成的第一连接金属层54/由Ge构成的第二连接金属层55)构成的密封接合部50而形成有第二基材67。由此，在第一基材68与第二基材67之间形成有封闭的内部空间S1。
在图3所示的实施方式中，在内部空间S1内设置有传感器元件70，形成传感器元件70的连接端子部71成为与电连接层72电连接的状态(在图3中示出一方的连接端子部的连接状态)。
实施例
图4(a)是本实施例的密封接合部的剖面SIM照片，图4(b)是比较例的密封接合部的剖面SIM照片。
在图4(a)所示的本实施例中，在第一基材侧按照从下方起为Ti(0.02)/Ta(0.02)/第一连接金属层、Al(0.8)的顺序层叠密封接合部，在第二基材侧形成第二连接金属层Ge(0.5)。括号内的数值表示膜厚，其单位是μm。此外，在使由Al构成的第一连接金属层和由Ge构成的第二连接金属层对合的状态下，在430℃的条件下实施了热处理。由此进行了Al-Ge共晶接合。
另一方面，在图4(b)所示的比较例中，在第一基材侧按照从下方起为层叠Ti(0.02)/第一连接金属层、Al(0.8)的顺序层叠密封接合部，在第二基材侧形成第二连接金属层、Ge(0.5)。括号内的数值表示膜厚，其单位是μm。然后，在使由Al构成的第一连接金属层和由Ge构成的第二连接金属层对合的状态下，在430℃的条件下实施了热处理。由此进行了Al-Ge共晶接合。
如图4(a)的实施例所示那样，可知Al层(第一连接金属层)与Ge层(第二连接金属层)的界面平整地密接，并且没有在Al层形成空隙部(空隙)。
与此相对，在图4(b)的比较例中，在Al层(第一连接金属层)与Ge层(第二连接金属层)的界面附近的Al层形成有空隙部(空隙)。
接着，对图4(a)所示的本实施例的MEMS传感器及图4(b)所示的比较例的MEMS传感器进行拉伸试验而测定了密封接合部的接合强度。
在图4(b)所示的比较例中，以1kgf左右的负载从Al层与Ge层的界面实施了剥离。另一方面，在图4(a)所示的实施例中可知，以1.5kgf左右的负载进行作用时，在Al层与Ge层的界面以外的位置(Al层内部或与基材之间的界面等)产生了破坏。由此可知，在实施例中，与比较例相比，Al层与Ge层的Al-Ge共晶接合界面处的接合强度高。
符号说明
20MEMS传感器
21、68第一基材
22、67第二基材
23、65绝缘层
24、25、64配线层
26固定电极层
27电极焊盘
36支承基板
37锚定部
38可动部
40框体部
50密封接合部
51接合部
52Ti层
53Ta层
54第一连接金属层
55第二连接金属层
70传感器元件

Claims (5)

1.一种MEMS传感器，其特征在于，具有：第一基材；第二基材；密封接合部，该密封接合部位于所述第一基材与所述第二基材之间，通过使形成在所述第一基材侧的第一连接金属层和形成在所述第二基材侧的第二连接金属层共晶接合而形成，
所述密封接合部从所述第一基材侧到所述第二基材侧依次层叠有Ti层、Ta层、由Al或Al合金形成的所述第一连接金属层、由Ge形成的所述第二连接金属层。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于，
在所述第一基材的与所述第二基材对置的对置面侧形成有绝缘层，在所述绝缘层内埋设有配线层，
所述密封接合部形成在所述绝缘层与所述第二基材之间。
3.根据权利要求2所述的MEMS传感器，其特征在于，
所述配线层被引出到所述密封接合部的外侧，在所述密封接合部的外侧的位置设置有与所述配线层电连接的电极焊盘。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS传感器，其特征在于，
所述第二基材具有：锚定部、被所述锚定部支承成能够在高度方向上位移的可动部、形成在所述锚定部及所述可动部的周围的框体部，在所述第二基材的与所述第一基材对置的相反侧设置有固定于所述锚定部及所述框体部的支承基板，
在所述框体部与所述第一基材之间形成有所述密封接合部，与所述密封接合部为相同的层叠结构的接合部设置在所述锚定部与所述第一基材之间。
5.根据权利要求4所述的MEMS传感器，其特征在于，
在所述第一基材的与所述第二基材对置的对置面侧形成有绝缘层，在所述绝缘层内埋设有配线层，
所述密封接合部形成在所述绝缘层与所述第二基材之间，所述配线层在所述密封接合部的内侧与设置于与所述可动部对置的位置上的固定电极层电连接。
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