JP2002500961A - マイクロメカニックな構造エレメント - Google Patents

マイクロメカニックな構造エレメント

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JP2002500961A
JP2002500961A JP2000527812A JP2000527812A JP2002500961A JP 2002500961 A JP2002500961 A JP 2002500961A JP 2000527812 A JP2000527812 A JP 2000527812A JP 2000527812 A JP2000527812 A JP 2000527812A JP 2002500961 A JP2002500961 A JP 2002500961A
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glass wafer
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00269—Bonding of solid lids or wafers to the substrate

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ケイ素基板上に構造化されたマイクロメカニックな少なくとも１つの表面組織と、この少なくとも１つの表面組織を覆う１つのキャップウェーハとを備えている構造エレメントに関する。キャップウェーハ（１４）がガラスウェーハ（２４）により形成されているようにすることを提案する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、ケイ素基板上に構造化された少なくとも１つの表面組織と、この少
なくとも１つの表面組織を覆う１つの保護キャップとを備えている構造エレメン
ト並びにこの構造エレメントを製作する方法に関する。
【０００２】 背景技術 このような形式の構造エレメントは公知である。これらの構造エレメントはケ
イ素基板から成り、このケイ素基板の表面上に公知の方法によって多結晶質のケ
イ素層がエピタキシャルに成長せしめられる。このケイ素層内にマイクロメカニ
ックな組織、例えばセンサエレメントのサイズモ系、マイクロモータのアクタあ
るいはその他の可動の組織が生ぜしめられる。構造化は例えば多結晶質のケイ素
の表面の規定されたエッチングを介して達成され、その際区域的なアンダエッチ
ングによって可動に懸架された組織を生ぜしめることができる。
【０００３】 構造エレメントの特定の使用の際に、マイクロメカニックな組織を外部の影響
に対して保護するために、マイクロメカニックな組織に、それを覆う保護キャッ
プを設けることが公知である。この場合、この保護キャップを、覆うべき構造エ
レメントに相応して構造化されたケイ素ウェーハとして製作し、これを、表面組
織を有するウェーハと接合することが公知である。この接合結合を達成するため
に、キャップウェーハは接合箇所において低融点のガラスをスクリーン印刷され
る。次いで基体ウェーハに対するキャップウェーハの調節が行われ、圧力下で約
４００℃の温度作用で接合が行われる。
【０００４】 この場合の欠点は、構造エレメントが単に比較的に高価な製作プロセスによっ
て、スクリーン印刷されたガラスを使用してしか、製作できないことである。特
に、低融点のガラスのスクリーン印刷に続く接合プロセスの際に、不可避的に特
定の量の低融点のガラスがキャップウェーハと基体ウェーハとの間で押し出され
ることは、欠点である。マイクロメカニックな組織がこの押し出されるカラスに
よって影響を受けることを回避するためには、キャップウェーハと基体ウェーハ
との間に比較的に大きな接触面若しくは結合面が必要である。例えば結合範囲に
約５００μｍ幅のガラス層が印刷されると、続いて行われる接合プロセスの際に
、ガラスが側方に逃げることによって、実際に必要な幅は約７００μｍである。
この付加的な面所要量は構造エレメントの機能組織の配置のためには存在せず、
したがって公知の構造エレメントは相応して大きな構造にしなければならない。
【０００５】 公知の構造エレメントにおける欠点は更に、構造エレメントを気密に閉鎖する
ことが極めて高価な費用を必要とすることである。それは、キャップウェーハを
スクリーン印刷で取り付けられた低融点のガラスの接合を介して取り付ける場合
には、技術的に生ぜしめ得る真空が制限されているからである。
【０００６】 更に欠点であることは、キャップウェーハを基体ウェーハと接合した後に、今
や封入されているマイクロメカニックな表面組織の検査が単に測定によってしか
可能でないことである。光学的な検査は不可能である。
【０００７】 発明の利点 請求項１に記載した特徴を備えた本発明による構造エレメントは、簡単な確実
に制御し得るプロセス段階をもって製作可能であるという利点を有している。キ
ャップがガラスウェーハから形成されていることによって、表面組織を覆うガラ
スウェーハと構造エレメントの基体ウェーハとの接合は、大量生産に適した粗い
方法で達成することができる。特に、ガラスウェーハに向けられた基体ウェーハ
の表面が規定された粗さ、特に＜４０ｎｍの粗さに形成されている場合には、付
着を媒介する中間層を配置することなしに、ガラスウェーハを直接に基体ウェー
ハ上に取り付けることができる。
【０００８】 驚くべきことには、＜４０ｎｍの残余粗さは例えばいわゆるＣＭＰ法（化学的
機械的研磨）によって、マイクロメカニックな表面組織がその内部に形成されて
いるところの多結晶質のケイ素層に対して、再現可能に達成し得ることが分かっ
た。ガラスウェーハに向いた表面のこのように高度な平坦化によって、前述の欠
点のある付加的な付着媒介剤、特にスクリーン印刷で取り付けられた低融点のガ
ラスを必要としない接合技術を利用することができる。
【０００９】 特に、ガラスウェーハと基体ウェーハとの接合を陽極酸化を介して行うと、有
利である。これによって比較的に小さな結合面を達成することができ、構造エレ
メントにおいて必要なスペースが相応してわずかになる。これにより結合面を構
造エレメントの機能組織の近くに配置することができ、したがって構造エレメン
トの全所要面がわずかになる。
【００１０】 本発明の別の有利な構成では、ガラスウェーハは光学的に透明である。これに
よって、ガラスウェーハによって封入されたマイクロメカニックな表面組織を構
造エレメントの仕上げ後に目で見て検査することができる。更にこのようにして
極めて有利に、マイクロメカニックな組織の運動の評価を光学的に行うことがで
き、その場合マイクロメカニックな組織は能動的かつ又は受動的な光学エレメン
トを有しており、これらの光学エレメントによって光学信号が透明なガラスウェ
ーハを通して評価可能である。
【００１１】 更に有利なことは、本発明による構造エレメントにおいては特に１ｍｂａｒま
での真空度を達成することが可能である。例えば極めて有利に、マイクロメカニ
ックな組織はヨーレートセンサのサイズモ系として利用することができる。サイ
ズモ系においては充分に良い振動子を達成するためには、質的に高度の真空が必
要である。
【００１２】 本発明の別の有利な構成においては、マイクロメカニックな組織に向けられた
ガラスウェーハの側に、少なくとも１つの電極が配置されている。これによって
、マイクロメカニックな組織を覆うほかに、ガラスウェーハは同時にマイクロメ
カニックな組織の万一のずれを検出するために使用することができる。その場合
電極は例えば容量型評価手段の構成部分であり、この評価手段はガラスウェーハ
の電極と少なくとも１つのマイクロメカニックな組織との間の間隔変化を把握す
ることができる。
【００１３】 本発明の別の有利な構成は従属請求項に記載されている残りの特徴から明らか
である。
【００１４】 実施例の説明 以下においては、図面に示した実施例によって、本発明を詳細に説明する。
【００１５】 図面は全体を１０で示した構造エレメントを示し、この構造エレメントは基体
ウェーハ１２と、その上に配置されたキャップウェーハ１４とを含んでいる。基
体ウェーハ１２はケイ素基板１６とその上に配置されたケイ素酸化物ＳｉＯ2の 層１８と、多結晶質のケイ素層２０とから成っている。ケイ素層２０内にはここ
では単に略示したマイクロメカニックな表面組織２２が構造化されており、この
表面組織は例えば弾性的に懸架されたサイズモ系を含んでいる。
【００１６】 キャップウェーハ１４は、例えば透明なパイレックス（商品名）から成るガラ
スウェーハ２４から成っている。
【００１７】 表面組織２２はケイ素層２０の切り欠き２６内で構造化されており、ケイ素層
２０の結合範囲２８により取り囲まれている。ケイ素層２０の表面３０は少なく
ともその結合範囲２８内で高度に平坦化されており、＜４０ｎｍの最大の粗さを
有している（P-Valley）。
【００１８】 ガラスウェーハ２４は、表面組織２２に向けられたその区分において、槽形の
凹所３２を形成しており、この凹所は結合範囲３４によって取り囲まれている。
ガラスウェーハ２４の結合範囲３４はケイ素層２０の結合範囲２８上に接触して
いる。この場合、結合範囲２８と３４との間で付着媒介剤なしに直接的な接合が
行われる。この接合結合を生ぜしめることについては後述する。
【００１９】 凹所３２の内面は少なくとも１つの電極３６を支持しており、この電極は図示
していない接続導線を介して電子的な制御回路若しくは評価回路に接続されてい
る。
【００２０】 ガラスウェーハ２４は透明である。これによって、マイクロメカニックな表面
組織２２はガラスウェーハ２４を通して見え、したがって一面では表面組織を見
て検査することができるのに対し、他面では表面組織２２は光学的な構造エレメ
ント内に装入することができる。
【００２１】 透明なガラスウェーハ２４によって、特に表面組織２２の付着効果及び可動性
の検査及び一般的な欠陥分析、例えばガラスウェーハ２４とケイ素層２０との間
の接合結合の検査を行うことができる。
【００２２】 構造エレメント１０はヨーレートセンサあるいは加速度センサであることがで
きる。有利にはマイクロメカニックな表面組織２２の目による検査が影響を受け
ないように、あるいは単にわずかにしか影響を受けないように配置されている電
極３６を配置することによって、電極は極めて有利に、加速度又はヨーレートに
基づく表面組織２２のふれの検出にかかわることができ、その場合電極３６と表
面組織２２との間の間隔が容量変化を介して評価可能である。
【００２３】 ガラスウェーハ２４とケイ素層２０との間の直接の接触範囲は、例えば２００
μｍの最小幅に制限されている。表面３０が＜４０ｎｍの粗さで平坦化されてい
ることによって、ガラスウェーハ２４とケイ素層２０との間の固い接合結合をこ
のように小さな面の接触範囲で達成することができる。これによって、本来の接
合箇所のための比較的にわずかな面所要量に基づいて、マイクロメカニックな表
面組織２２を接合箇所の近くにまで接近させて構造化することができる。これに
より、構造エレメント１０の要素の高い密度を達成することができる。
【００２４】 構造エレメント１０の製作は例えば次のようにして行われる： まず、自体公知の形式で、感知装置を有する基体ウェーハ１２が製作される。
このためにケイ素基板１６上にケイ素酸化物層１８が形成され、その上に更に多
結晶質のケイ素層２０が例えば１０００℃以上の温度でエピタキシャルに成長せ
しめられる。多結晶質のケイ素層２０の成長後に、マイクロメカニックな表面組
織２２の構造化が比較的に厚いケイ素層２０内でケイ素酸化物の中間層１８を含
めて行われる。
【００２５】 ポリシリコン層２０のエピタキシャル成長とは、成長のために、例えば半導体
製作から単結晶のケイ素層を単結晶のケイ素基板上に生ぜしめるために公知のプ
ロセスを使用することである。このようなプロセスは、ポリシリコン層２０のた
めに例えば数１０μｍの比較的の大きな層厚を生ぜしめることができる。多結晶
質のケイ素層２０を達成するためにこのプロセスを使用する場合には、表面３０
に比較的に大きな粗さが形成される。
【００２６】 表面組織２２の構造化は公知のプラズマエッチング技術の方法で行われ、その
際自由に懸架された表面組織２２を達成するために、ポリシリコン層２０の部分
的なアンダエッチングが行われ、その場合ケイ素酸化物層１８が部分的に除去さ
れる。
【００２７】 ケイ素酸化物層１８は例えばＣＶＤ法（化学的蒸着）で取り付けることができ
、その際中間層１８は例えば複数の中間層から成ることができ、その場合最も上
方の中間層上に多結晶質のケイ素層２０をエピタキシャルに成長させることがで
きる。
【００２８】 次いで基体ウェーハ１２がその表面３０を平坦化される。このために例えばＣ
ＭＰ法によって、残留粗さが＜４０ｎｍの極めて高度の平坦化が行われる。
【００２９】 ガラスウェーハ２４は適当な方法、例えばエッチング法あるいは超音波による
除去法によって加工されて、凹所３２及び結合範囲３４が形成される。
【００３０】 別の実施例では、ガラスウェーハ２４は、表面組織２２の圧力密の配置が必要
でない場合に、貫通開口を備えていることができる。場合によっては凹所３２内
に少なくとも１つの電極３６が、例えば導電性の材料の蒸着によって、取り付け
られる。
【００３１】 最後に基体ウェーハ１２とキャップウェーハ１４との接合が行われ、この場合
結合範囲２８と３４とが互いに調節される。接合は陽極酸化によって行うことが
でき、その場合ウェーハ１２及び２４が例えば１００〜１０００Ｖの電圧源に接
続されかつ同時に約４００℃の温度が作用せしめられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 構造エレメントの概略的な断面図である。
【符号の説明】
１０ 構造エレメント、 １２ 基体ウェーハ、 １４ キャップウェーハ、
１６ ケイ素基板、 １８ ケイ素酸化物ＳｉＯ2の層、中間層、 ２０ 多結 晶質のケイ素層、ポリシリコン層、 ２２ 表面組織、 ２４ ガラスウェーハ
、 ２６ 切り欠き、 ２８ 結合範囲、 ３０ 表面、 ３２ 凹所、 ３４
結合範囲、 ３６ 電極
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１１年１０月２６日（１９９９．１０．２６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/84 Ｇ０１Ｐ 15/08 Ｐ (72)発明者 エックハルト グラフ ドイツ連邦共和国 ゴーマリンゲン シュ ヴァープシュトラーセ ２ Ｆターム(参考） 2F105 BB14 BB15 CC04 CD03 CD05 4M112 AA02 BA07 CA26 DA02 DA05 DA07 DA11 DA18 EA04 EA13 GA01

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ケイ素基板上に構造化されたマイクロメカニックな少なくと
    も１つの表面組織と、この少なくとも１つの表面組織を覆う１つのキャップウェ
    ーハとを備えている構造エレメントにおいて、キャップウェーハ（１４）がガラ
    スウェーハ（２４）から形成されていることを特徴とする、マイクロメカニック
    な構造エレメント。
  2. 【請求項２】 ガラスウェーハ（２４）が光学的に透明であることを特徴と
    する、請求項１記載の構造エレメント。
  3. 【請求項３】 ガラスウェーハ（２４）が、構造エレメント（１０）の基体
    ウェーハ（１２）と結合するための結合範囲（３４）を残して、貫通開口及び又
    は凹所（３２）を有していることを特徴とする、請求項１又は２記載の構造エレ
    メント。
  4. 【請求項４】 結合範囲（３４）が、≦２００μｍの横の延びを有している
    ことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の構造エレメント。
  5. 【請求項５】 基体ウェーハ（１２）に向いたガラスウェーハ（２４）の側
    に、特に凹所（３２）内に、電極（３６）が配置されていることを特徴とする、
    請求項１から４までのいずれか１項記載の構造エレメント。
  6. 【請求項６】 マイクロメカニックな表面組織（２２）が多結晶質のケイ素
    層（２０）内に形成されており、このケイ素層の表面（３０）はガラスウェーハ
    （２４）に向けられていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１
    項記載の構造エレメント。
  7. 【請求項７】 表面（３０）が＜４０ｎｍの粗さに平坦化されていることを
    特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の構造エレメント。
  8. 【請求項８】 ポリシリコン層（２０）が中間層（１８）上でエピタキシャ
    ルに成長せしめられていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１
    項記載の構造エレメント。
  9. 【請求項９】 構造エレメント（１０）がヨーレートセンサ、加速度センサ
    あるいは類似のものであることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１
    項記載の構造エレメント。
  10. 【請求項１０】 ガラスウェーハ（２４）を基体ウェーハ（１２）の多結晶
    質のケイ素層（２０）上に、付着媒介剤なしに、接合することを特徴とする、請
    求項１から９までのいずれか１項記載の構造エレメントを製作する方法。
  11. 【請求項１１】 多結晶質のケイ素層（２０）の表面（３０）をガラスウェ
    ーハ（２４）の接合の前に、平坦化することを特徴とする、請求項１０記載の方
    法。
  12. 【請求項１２】 平坦化をＣＭＰ法（化学的機械的研磨）によって＜４０ｎ
    ｍの粗さに行うことを特徴とする、請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 ガラスウェーハ（２４）を基体ウェーハ（１２）と陽極酸
    化によって結合することを特徴とする、請求項１０から１２までのいずれか１項
    記載の方法。
  14. 【請求項１４】 陽極酸化を約４００℃の温度及び１００〜１０００Ｖの電
    圧で行うことを特徴とする、請求項１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 貫通開口及び又は凹所（３２）をガラスウェーハ（２４）
    内にエッチングによって生ぜしめることを特徴とする、請求項１０から１４まで
    のいずれか１項記載の方法。
  16. 【請求項１６】 貫通開口及び又は凹所（３２）を超音波による除去法によ
    って生ぜしめることを特徴とする、請求項１０から１４までのいずれか１項記載
    の方法。
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