JP2007062007A - 陽極ボンディングされたキャップを備えたマイクロマシニング型の構成素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な裏面コンタクティングを不要にする。
【解決手段】第１のシリコン基板１と薄いガラス基板２とから成るキャップウェーハと、第２のシリコン基板５から成る機能ウェーハとが設けられており、該機能ウェーハに電気的なコンタクト面６が配置されており、キャップウェーハが、ガラス基板２のところで陽極ボンディングによって機能ウェーハに結合されており、電気的なコンタクト面６が、機能ウェーハの、キャップウェーハに面した側に配置されており、キャップウェーハが切欠きを有していて、電気的なコンタクト面６に直接にアプローチするための進入路９が提供されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、マイクロマシニング型の構成素子であって、
−少なくとも第１のシリコン基板と薄いガラス基板とから成るキャップウェーハが設けられており、
−少なくとも第２のシリコン基板から成る機能ウェーハが設けられており、
−該機能ウェーハに少なくとも１つの電気的なコンタクト面が配置されており、
−キャップウェーハが、ガラス基板のところで陽極ボンディングによって機能ウェーハに結合されている
形式のものに関する。

さらに、本発明は、キャップウェーハを機能ウェーハに陽極ボンディングすることにより、マイクロマシニング型の構成素子をキャップウェーハによってキャップ封止（Verkappung）するための方法に関する。

さらに、本発明は、従来汎用のシールガラスキャップ封止技術における電気的なコンタクティングと互換性もしくは相容性を有し、かつ技術的に手間のかかる裏面コンタクティングを不要にすることのできるコンポジットキャップを構造化（パターン形成）するための方法に関する。

慣性センサは通常、シリコンから成るキャップウェーハを用いてシールガラスボンディングによってキャップ封止される。このような製造方法はドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７００７３４号明細書に開示されている。電気的なコンタクティングは、この目的のためにキャップウェーハに形成された固有の切欠きによって行われる。シールガラスボンディングの場合には、比較的広幅のボンディングフレームを用いた場合にしか、永続的に気密でかつ確実となるボンディング結合が実現可能でない。

陽極ボンディング可能なキャップウェーハの使用により、ボンディングフレーム幅の著しい減少が可能となり、ひいてはセンサチップ１個当たりの所要面積の著しい減少が可能となる。したがって、最近のキャップ封止技術、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１０４８６８号明細書に記載されているＭＰＴ（英語：Micro Packaging Technology）では、陽極ボンディング可能なキャップウェーハが使用される。この場合、シリコン支持基板と、十分に薄いガラス基板とから成る陽極ボンディング可能なコンポジットウェーハがキャップウェーハとして使用される。ガラス基板は、汎用のシリーズ設備を用いたキャップウェーハのソーダイシング可能性が確保される程度に薄く選択されなければならない。

コンポジットキャップの実現困難な構造化（パターン化）に基づき、たとえばＭＰＴ技術では、技術的にある程度の手間をかけてセンサ基板の裏面側からのアプローチを可能にする電気的な進入路が形成される。このことには、まず、センサ構造の、これまでのシリーズプロセスとは著しく異なる内部配線が所属する。さらに、複雑な裏面コンタクティングはコンポジットキャップの平坦化（プラナリゼーション）、センサ基板のエッジ研削（Kantenschleifen）および裏面研削（Rcueckschleifen）、センサ基板の応力低減、絶縁溝のＳｉ−ＤＲＩＥ（英語：Deep Reactive Ion Etching）およびセンサ基板裏面におけるボンディングパッドの形成を含む手間のかかるリフィル技術（Refill-Technik）を必要とする。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７００７３４号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１０４８６８号明細書

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のマイクロマシニング型の構成素子を改良して、複雑な裏面コンタクティングが不要となり、ひいてはコンポジットキャップの平坦化、センサ基板の研削、センサ基板の応力低減、絶縁溝のＳｉ−ＤＲＩＥおよびセンサ基板裏面におけるボンディングパッドの形成を含む手間のかかるリフィル技術が不要となるようなマイクロマシニング型の構成素子を提供することである。

さらに本発明の課題は、このようなマイクロマシニング型の構成素子を製造するために適した方法を提供することである。

この課題を解決するために本発明のマイクロマシニング型の構成素子の構成では、電気的なコンタクト面が、機能ウェーハの、キャップウェーハに面した側に配置されており、キャップウェーハが少なくとも１つの切欠きを有していて、電気的なコンタクト面に直接にアプローチするための進入路が提供されているようにした。

さらに上記課題を解決するために本発明の方法では、以下の製造ステップ：
（Ａ） 少なくとも第１のシリコン基板と薄いガラス基板とから成るキャップウェーハならびに少なくとも、少なくとも１つの電気的なコンタクト面を備えた第２のシリコン基板から成る機能ウェーハを準備し、
（Ｂ） キャップウェーハに少なくとも１つの第１の切欠きを形成し、
（Ｃ） キャップウェーハを薄いガラス基板の側で機能ウェーハに陽極ボンディングし、この場合、キャップウェーハに設けられた第１の切欠きを機能ウェーハの電気的なコンタクト面に向かい合って位置するように配置し、
（Ｄ） キャップウェーハに少なくとも１つの第２の切欠きを形成し、該第２の切欠きを、電気的なコンタクト面に直接にアプローチするための進入路が開放されるように第１の切欠きにまで前進させる、
を実施するようにした。

キャップ封止したいマイクロ・エレクトロ・メカニカル型の機能構造体と、この機能構造体に電気的に接続されたコンタクト面とが、機能ウェーハの同一の側に配置されていると有利である。これにより、電気的な線路案内が簡単となり、ひいてはマイクロマシニング型の構成素子の構造が単純化される。さらに、陽極ボンディングによる機能ウェーハとキャップウェーハとの結合のために小さな所要スペースしか必要とならないことも有利である。

マイクロマシニング型の構成素子の有利な構成では、前記切欠きが、キャップウェーハに設けられた、コンタクトホ―ルの形の進入開口である。このことは、機能ウェーハの、キャップウェーハに面した側におけるほぼ任意の個所にコンタクト面を配置することを可能にするので有利である。

本発明はさらに、キャップウェーハを機能ウェーハに陽極ボンディングすることにより、キャップウェーハを備えたマイクロマシニング型の構成素子をキャップ封止するための方法に関する。本発明による方法は次の製造ステップを有している：
（Ａ） 少なくとも第１のシリコン基板と薄いガラス基板とから成るキャップウェーハならびに少なくとも、少なくとも１つの電気的なコンタクト面を備えた第２のシリコン基板から成る機能ウェーハを準備し、
（Ｂ） キャップウェーハに少なくとも１つの第１の切欠きを形成し、
（Ｃ） キャップウェーハを薄いガラス基板の側で機能ウェーハに陽極ボンディングし、この場合、キャップウェーハに設けられた第１の切欠きを機能ウェーハの電気的なコンタクト面に向かい合って位置するように配置し、
（Ｄ） キャップウェーハに少なくとも１つの第２の切欠きを形成し、該第２の切欠きを、電気的なコンタクト面に直接にアプローチするための進入路が開放されるように第１の切欠きにまで前進させる。

コンポジットキャップの形のキャップウェーハを構造化するための本発明による方法が、従来汎用のシールガラスキャップ封止技術における電気的なコンタクティングと互換性もしくは相容性（kompatibel）を有していて、技術的には手間のかかる裏面コンタクティングを不要にすることができるので有利である。

本発明による方法の有利な実施態様では、機能ウェーハをキャップウェーハと陽極ボンディングした後に、キャップウェーハが裏面側で薄化される。電気的なコンタクト面に直接にアプローチするための進入路を形成するための後続のプロセスステップにかかるコストを節約することができるので有利である。

本発明による方法の別の有利な実施態様では、キャップウェーハで第２の切欠きを前進させ、この場合、まず第１のシリコン基板をＳＩ−ＲＩＥエッチングプロセスによって構造化し、その後に、薄いガラス基板を湿式化学的なエッチング法によって前構造化し、さらに、乾式化学的なエッチング法、たとえばオキサイド−ＲＩＥ法（RIE=Reactive Ion Etching）によって第２の切欠きを、薄いガラス基板を貫いて第１の切欠きにまで前進させる。この場合、構造化された第１のシリコン基板が、ガラス基板を構造化するための後続の両ステップのためのマスクとして働くので有利である。ガラス基板の後続の前構造化は、廉価であるという理由で有利である。さらに、乾式化学的なエッチング法によって、コンタクト面に直接アプローチするための進入路が開放されるまでガラス基板を構造化することも有利である。なぜならば、このプロセスステップを用いるとコンタクト面が攻撃されないからである。

本発明による方法は、技術的に手間のかかる裏面コンタクティングなしに、陽極ボンディング可能なキャップウェーハを用いて慣性センサをキャップ封止するために役立つ。前記方法では、陽極ボンディング可能なキャップウェーハが、従来汎用のシールガラス封止技術の場合と同様にセンサ構造体の電気的なコンタクティングを可能にするように構造化される。

キャップウェーハの下に位置するセンサ構造体の電気的なコンタクティングを可能にする、陽極ボンディング可能なキャップウェーハを構造化するための方法が示されているので有利である。前記方法は、従来のシールガラス封止技術に比べてセンサチップの著しい面積減少を可能にして、特に裏面コンタクティングを含む方法に比べて技術的な手間を小さく保持する。したがって、前記方法は慣性センサおよびその他のマイクロマシニング型のセンサを陽極ボンディング法によりキャップ封止するための比較的廉価な択一的手段を成している。裏面コンタクティングに比べて可能なコスト利点は、幾つかの手間のかかるプロセスステップが回避されるか、もしくは代えられることにある。キャップの平坦化をほぼ同等のコストでキャップの裏面薄化（Rueckduennen）により代えることにより、キャップの平坦化を不要にすることができるので特に有利である。本発明による方法では、特にセンサ基板の裏面研削（Rueckschleifen）およびストレス低減、絶縁溝のＳｉ−ＤＲＩＥ、リフィル（Refill）技術およびセンサ基板裏面における電気的なコンタクト面の形成が不要となるので有利である。

別の利点は、この方法において必要となるプロセスプラットホームと、マイクロマシニング型の製品のシリーズ生産の従来のプロセスおよび設備との互換性もしくは相容性にある。なぜならば、この方法では技術的に手間のかかる裏面コンタクティングが必要とならないからである。

さらに、前記方法は慣性センサを薄いキャップで封止することを可能にするので有利である。厚さの下限値はガラスウェーハの最小厚さと、キャップの機械的な安定性とによって決定されている。ガラスウェーハの最小厚さは、陽極ボンディングの際のガラス基板のブレークダウン電圧により決定される。さらに、機能ウェーハを裏面側で薄化し、こうしていわゆる「スタックド・チップ（stacked chip）」バリエーションのためにも適している薄い基板を製造することも可能である。

本発明は加速度センサ、ヨーレートセンサおよび陽極ボンディング可能なキャップウェーハを用いた封止が有利になるその他のあらゆるマイクロマシニング型のセンサにおいて使用され得るので有利である。

請求項２以下には、本発明の有利な構成が記載されている。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、第１のシリコン基板１と薄いガラス基板２とから成るコンポジットキャップウェーハの形のキャップウェーハが示されている。

図２には、キャップウェーハの薄いガラス基板２に設けられる第１の切欠き４および別の切欠き３が示されている。

図３には、第１のシリコン基板１と薄いガラス基板２とから成るコンポジットキャップウェーハの、機能ウェーハ上への陽極ボンディングが示されている。機能ウェーハは少なくとも第２のシリコン基板５から成っていて、少なくとも１つの電気的なコンタクト面６を有しており、さらに同じ側にマイクロマシニング型の構造体（特に図示しない）を有している。ボンディングの後に、第１の切欠き４は電気的なコンタクト面６を覆う空洞を形成する。別の切欠き３はマイクロマシニング型の構造体を覆う空洞を形成して、このマイクロマシニング型の構造体をキャップ封止により保護する。

図４には、キャップウェーハの第１のシリコン基板１の裏面側の薄化（Abduennen）が示されている。このプロセスステップは必ずしも必要とはされないが、しかし後続のプロセスステップにおいてプロセスコストの削減をもたらすことができる。薄化は汎用の方法、たとえば研削加工または湿式エッチングにより行われ得る。

図５には、キャップウェーハに第２の切欠きを形成するための第１の部分ステップが示されている。このためには、第１の切欠き４の上方で第１のシリコン基板１に少なくとも１つの第１の開口７がＳｉ−ＲＩＥプロセスによる構造化により導入される。プロセス時間およびプロセスコストはこの場合、第１のシリコン基板１の残留厚さに関連している。この残留厚さには、図４につき説明した自由選択可能なプロセスステップにより影響を与えることができる。

図６には、キャップウェーハに第２の切欠きを形成するための第２の部分ステップが示されている。第１の開口７の形成後に、第１のシリコン基板１はマスクを成す。このマスクを通じて、ガラス基板２に第２の開口８が構造化により導入される。第１のシリコン基板１の、マスクとしての機能は、このプロセスステップにおける重要な特徴となる。このプロセスステップは必ずしも必要であるわけではないが、しかし後続のプロセスステップにおいて著しいコスト削減をもたらすことができる。このような前構造化は、湿式化学的なエッチング法を用いたバッチプロセスで行われ得るので廉価となる。第２の開口８はまだ第１の切欠き４にまでは達していない。すなわち、ガラス基板２の完全な構造化は、電気的なコンタクト面６、この実施例ではアルミニウムボンディングパッドの保護なしには不可能である。なぜならば、アルミニウム表面がエッチング浴中でフッ素化されてしまうからである。

図７には、キャップウェーハに第２の切欠きを形成するための第３の部分ステップと、本発明によるマイクロマシニング型の構成素子とが概略的に示されている。このためには、この実施例では、乾式化学的なエッチング法、たとえばオキサイド−ＲＩＥ（Oxid-RIE）法を用いた構造化により、ガラス基板２に第３の開口９が導入される。このプロセスステップにおける重要な特徴となるのは、やはり第１の部分ステップで前構造化された第１のシリコン基板１が、ガラス基板２の構造化の際に約２７：１のガラス対シリコンの高い選択性を有するマスクとして機能することである。この第３の部分ステップにより、キャップウェーハを貫いて、電気的なコンタクト面６が露出して、この電気的なコンタクト面６に直接アプローチするための進入路９が提供される。

図８には、陽極ボンディングされたキャップを備えたマイクロマシニング型の構成素子を製造するための本発明による方法が概略的に示されている。本発明による方法は以下に挙げる製造ステップを包含している：
（Ａ） 少なくとも第１のシリコン基板１と薄いガラス基板２とから成るキャップウェーハならびに少なくとも、少なくとも１つの電気的なコンタクト面６を備えた第２のシリコン基板５から成る機能ウェーハを準備し、
（Ｂ） キャップウェーハに少なくとも１つの第１の切欠き４を形成し、
（Ｃ） キャップウェーハを薄いガラス基板２の側で機能ウェーハに陽極ボンディングし、この場合、キャップウェーハに設けられた第１の切欠き４を機能ウェーハの電気的なコンタクト面６に向かい合って位置するように配置し、
（Ｄ） キャップウェーハに少なくとも１つの第２の切欠きを形成し、該第２の切欠きを、電気的なコンタクト面６に対して進入路９が開放されるように第１の切欠き４にまで前進させる。

その他に別の実施例も考えられる。

コンポジットキャップウェーハの形のキャップウェーハを示す概略図である。 キャップウェーハへの切欠きの導入を示す概略図である。 機能ウェーハへのキャップウェーハの陽極ボンディングを示す概略図である。 キャップウェーハの裏面側の薄化を示す概略図である。 キャップウェーハに第２の切欠きを形成するための第１の部分ステップを示す概略図である。 キャップウェーハに第２の切欠きを形成するための第２の部分ステップを示す概略図である。 キャップウェーハに第２の切欠きを形成するための第３の部分ステップと、本発明によるマイクロマシニング型の構成素子とを示す概略図である。 陽極ボンディングされたキャップを備えたマイクロマシニング型の構成素子を製造するための本発明による方法を示す概略図である。

符号の説明

１ 第１のシリコン基板
２ ガラス基板
３ 切欠き
４ 第１の切欠き
５ 第２のシリコン基板
６ コンタクト面
７ 第１の開口
８ 第２の開口
９ 第３の開口

Claims (5)

1. マイクロマシニング型の構成素子であって、
   −少なくとも第１のシリコン基板（１）と薄いガラス基板（２）とから成るキャップウェーハが設けられており、
   −少なくとも第２のシリコン基板（５）から成る機能ウェーハが設けられており、
   −該機能ウェーハに少なくとも１つの電気的なコンタクト面（６）が配置されており、
   −キャップウェーハが、ガラス基板（２）のところで陽極ボンディングによって機能ウェーハに結合されている
   形式のものにおいて、
   −電気的なコンタクト面（６）が、機能ウェーハの、キャップウェーハに面した側に配置されており、
   −キャップウェーハが少なくとも１つの切欠きを有していて、電気的なコンタクト面（６）に直接にアプローチするための進入路（９）が提供されている
   ことを特徴とする、マイクロマシニング型の構成素子。
2. 前記切欠きが、キャップウェーハに設けられた、コンタクトホ―ル（９）の形の進入開口である、請求項１記載のマイクロマシニング型の構成素子。
3. マイクロマシニング型の構成素子を製造するための方法において、以下の製造ステップ：
   （Ａ） 少なくとも第１のシリコン基板（１）と薄いガラス基板（２）とから成るキャップウェーハならびに少なくとも、少なくとも１つの電気的なコンタクト面（６）を備えた第２のシリコン基板（５）から成る機能ウェーハを準備し、
   （Ｂ） キャップウェーハに少なくとも１つの第１の切欠き（４）を形成し、
   （Ｃ） キャップウェーハを薄いガラス基板（２）の側で機能ウェーハに陽極ボンディングし、この場合、キャップウェーハに設けられた第１の切欠き（４）を機能ウェーハの電気的なコンタクト面（６）に向かい合って位置するように配置し、
   （Ｄ） キャップウェーハに少なくとも１つの第２の切欠きを形成し、該第２の切欠きを、電気的なコンタクト面（６）に直接にアプローチするための進入路（９）が開放されるように第１の切欠き（４）にまで前進させる、
   を実施することを特徴とする、マイクロマシニング型の構成素子を製造するための方法。
4. 前記製造ステップ（Ｃ）の後に、キャップウェーハを裏面側で薄化する、請求項３記載のマイクロマシニング型の構成素子を製造するための方法。
5. 前記製造ステップ（Ｄ）においてキャップウェーハで第２の切欠きを前進させ、この場合、
   −まず第１のシリコン基板（１）をＳＩ−ＲＩＥエッチングプロセスによって構造化し、
   −その後に、薄いガラス基板（２）を湿式化学的なエッチング法によって前構造化し、
   −さらに、乾式化学的なエッチング法、特にオキサイド−ＲＩＥ法によって第２の切欠きを、薄いガラス基板（２）を貫いて第１の切欠き（４）にまで前進させる、
   請求項３または４記載のマイクロマシニング型の構成素子を製造するための方法。

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