JP2021136413A - Sealing structure body and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、封止構造体およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a sealed structure and a method for producing the same.
MEMSデバイスの長寿命化や高精度化のためには、デバイスを高い真空度で封止し、またその真空度を長期間維持する必要がある。 In order to extend the life and accuracy of the MEMS device, it is necessary to seal the device with a high degree of vacuum and maintain the degree of vacuum for a long period of time.
高真空度の封止を実現するには、十分に脱ガス処理を行った基板同士を気密性の高い封止部(接合部)を用いて接合する必要がある。そのような封止の実現のため、接合部に密着材料/拡散バリア材料/接合材料からなる多層金属膜を用いた接合手法が提案されている(非特許文献1)。この手法は基板表面にTi等の密着材料が強固に結合できれば接合が可能であるため、封止接合できる基板材料の制限が少ないという利点を有する。またこうして得られた接合構造では、真空アニールによる脱ガス処理時に密着材料の表面への熱拡散を拡散バリア層が抑制できるため、十分に脱ガスを行った後にも表面の接合材料同士の接合による気密封止を達成できる。 In order to realize a high degree of vacuum sealing, it is necessary to join the sufficiently degassed substrates by using a highly airtight sealing portion (joining portion). In order to realize such sealing, a joining method using a multilayer metal film made of an adhesion material / diffusion barrier material / joining material at the joining portion has been proposed (Non-Patent Document 1). This method has an advantage that there are few restrictions on the substrate material that can be sealed and bonded because bonding is possible if an adhesive material such as Ti can be firmly bonded to the substrate surface. Further, in the bonding structure thus obtained, the diffusion barrier layer can suppress the thermal diffusion of the adhesive material to the surface during the degassing treatment by vacuum annealing, so that the bonding materials on the surface can be bonded to each other even after sufficient degassing. Airtight sealing can be achieved.
また内部ガスと化学反応が可能な部材(ゲッタ材)をデバイスと同じ密閉空間に配置し、封止後にガス吸収させ真空度を向上させる手法が知られている。特にゲッタ層と呼ばれるTi、Zr、Vなどの活性材料を含有する薄膜は、他手法より小型・軽量となるという利点を有する。 Further, there is known a method of arranging a member (getter material) capable of chemically reacting with an internal gas in the same closed space as the device and absorbing the gas after sealing to improve the degree of vacuum. In particular, a thin film containing an active material such as Ti, Zr, and V, which is called a getter layer, has an advantage of being smaller and lighter than other methods.
良好な真空封止構造を得るために、脱ガス処理後の封止が可能な接合部、および、封止後のガス吸収が可能なゲッタ層を用いることが有効である。両者の特性を同時に有する材料は実現されていないため、接合部とゲッタ層として別々の材料層を成膜しそれぞれ望ましい形状にパターニングする必要があった。このため封止構造の製造工程は、ゲッタ層の成膜及びパターニングと、接合部の成膜及びパターニングを個別に行い、その後、脱ガス処理と封止接合、最後にアニールによるゲッタ層の活性化とガス吸収を行うものとなり、工程数が多くなるという課題があった。 In order to obtain a good vacuum sealing structure, it is effective to use a joint portion capable of sealing after degassing treatment and a getter layer capable of absorbing gas after sealing. Since a material having both characteristics at the same time has not been realized, it is necessary to form separate material layers as a joint portion and a getter layer and pattern them in a desired shape. Therefore, in the manufacturing process of the sealing structure, the getter layer is formed and patterned, and the joint is formed and patterned separately, followed by degassing and sealing, and finally activation of the getter layer by annealing. There is a problem that the number of steps increases because gas is absorbed.
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、より簡易な封止工程及びより単純な封止構造を実現できる封止構造体およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a sealing structure capable of realizing a simpler sealing process and a simpler sealing structure, and a method for manufacturing the same.
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means for solving the above problems.
(1)本発明の第1態様に係る封止構造体は、密閉空間を有する封止構造体であって、少なくとも一方に凹部を有する第1の基板および第2の基板と、前記凹部を囲むように配置され、第1の基板と第2の基板とを接合する接合部と、前記密閉空間を画成する前記第1の基板および前記第2の基板の表面の一部に形成され、前記密閉空間内のガスを吸収するゲッタ層と、を備え、前記接合部はゲッタ材を構成しうる第1の金属元素を含み、前記ゲッタ層は、表面に前記第1の金属元素を含む。 (1) The sealing structure according to the first aspect of the present invention is a sealing structure having a sealed space, and surrounds the first substrate and the second substrate having recesses in at least one of them, and the recesses. A joint portion for joining the first substrate and the second substrate, and a part of the surface of the first substrate and the second substrate that define the enclosed space are formed in the above manner. A getter layer that absorbs gas in a closed space is provided, and the joint portion contains a first metal element that can form a getter material, and the getter layer contains the first metal element on its surface.
(2)上記態様に係る封止構造体は、前記第1の金属元素がTi、Cr、Zr、NbおよびTaのうちの一つを含んでもよい。 (2) In the sealing structure according to the above aspect, the first metal element may contain one of Ti, Cr, Zr, Nb and Ta.
(3)上記態様に係る封止構造体は、前記ゲッタ層および前記接合部が前記第1の金属元素よりも熱拡散の移動度が低い第2の金属元素を含んでもよい。 (3) The sealing structure according to the above aspect may contain a second metal element in which the getter layer and the joint portion have a lower thermal diffusion mobility than the first metal element.
(4)上記態様に係る封止構造体は、前記第2の金属元素がPt、Co、RuおよびWのうちの一つを含んでもよい。 (4) In the sealing structure according to the above aspect, the second metal element may contain one of Pt, Co, Ru and W.
(5)上記態様に係る封止構造体は、前記ゲッタ層が前記凹部の内面全体に形成されてなるものであってもよい。 (5) In the sealing structure according to the above aspect, the getter layer may be formed on the entire inner surface of the recess.
(6)本発明の第2態様に係る封止構造体の製造方法は、凹部を有する第1の基板と、第2の基板と、前記凹部を囲むように配置され、前記第1の基板と前記第2の基板とを接合する接合部と、密閉空間を画成する前記第1の基板および前記第2の基板のうち、前記第1の基板の表面の一部に形成され、前記密閉空間内のガスを吸収するゲッタ層と、を備えた封止構造体の製造方法であって、前記第1の基板の少なくとも接合部およびゲッタ層が形成される表面に、第1下地層と第1表面層とをこの順に成膜して第1積層膜を形成するステップと、前記第2の基板の表面に、第2下地層と第2表面層とをこの順に成膜して第2積層膜を形成するステップと、前記第1積層膜が形成された前記第1の基板、および、前記第2積層膜が形成された前記第2の基板を、真空中または減圧下で第1の温度で加熱して脱ガス処理を行うステップと、前記脱ガス処理された前記第1の基板の前記第1表面層及び前記第2の基板の前記第2表面層を合わせて接合するステップと、前記接合された前記第1の基板および前記第2の基板を第2の温度で加熱して、前記第1積層膜の前記第1下地層を構成する、ゲッタ材を構成しうる第1の金属元素を表面に熱拡散させてゲッタ層として活性化するステップと、を含む。 (6) The method for manufacturing a sealing structure according to a second aspect of the present invention includes a first substrate having a recess, a second substrate, and the first substrate which is arranged so as to surround the recess. The sealed space is formed on a part of the surface of the first substrate among the first substrate and the second substrate that define the sealed space with the joint portion for joining the second substrate. A method for manufacturing a sealed structure including a getter layer that absorbs the gas inside, wherein a first base layer and a first base layer are formed on at least a joint portion of the first substrate and a surface on which the getter layer is formed. The step of forming the first laminated film by forming the surface layers in this order and the second layered film by forming the second base layer and the second surface layer on the surface of the second substrate in this order. At a first temperature in vacuum or under reduced pressure, the step of forming the first laminated film, the first substrate on which the first laminated film is formed, and the second substrate on which the second laminated film is formed are formed. The step of heating and degassing, the step of joining the first surface layer of the degassed first substrate and the second surface layer of the second substrate together, and the joining. The first substrate and the second substrate are heated at a second temperature to obtain a first metal element that can form a getter material that constitutes the first base layer of the first laminated film. Includes a step of thermally diffusing the surface to activate it as a getter layer.
(7)上記態様に係る封止構造体の製造方法は、前記第2の基板として、凹部を有するものを用いてもよい。 (7) In the method for manufacturing the sealed structure according to the above aspect, a second substrate having a recess may be used.
(8)上記態様に係る封止構造体の製造方法は、前記第2の基板の前記凹部の表面にもゲッタ層を形成してもよい。 (8) In the method for manufacturing a sealing structure according to the above aspect, a getter layer may also be formed on the surface of the recess of the second substrate.
(9)上記態様に係る封止構造体の製造方法は、前記第1下地層がTi、Cr、Zr、NbおよびTaのうちの一つの金属またはこれらの合金を含んでもよい。 (9) In the method for producing a sealed structure according to the above aspect, the first base layer may contain one metal of Ti, Cr, Zr, Nb and Ta or an alloy thereof.
(10)上記態様に係る封止構造体の製造方法は、前記第1積層膜を形成するステップにおいて、前記第1下地層と前記第1表面層との間に該第1下地層の金属材料の拡散を妨げる中間層を形成するステップをさらに含んでもよい。 (10) In the method for producing a sealing structure according to the above aspect, in the step of forming the first laminated film, the metal material of the first base layer is formed between the first base layer and the first surface layer. It may further include the step of forming an intermediate layer that prevents the diffusion of.
(11)上記態様に係る封止構造体の製造方法は、前記中間層がPt、Co、RuおよびWのうちの一つの金属またはこれらの合金を含んでもよい。 (11) In the method for producing a sealed structure according to the above aspect, the intermediate layer may contain one metal of Pt, Co, Ru and W or an alloy thereof.
(12)上記態様に係る封止構造体の製造方法は、前記中間層は、膜厚が5nm〜20nmの範囲に設定されてもよい。 (12) In the method for producing a sealed structure according to the above aspect, the film thickness of the intermediate layer may be set in the range of 5 nm to 20 nm.
(13)上記態様に係る封止構造体の製造方法は、前記第2の温度は、前記第1の温度よりも高く設定されてもよい。
(13) In the method for manufacturing a sealed structure according to the above aspect, the second temperature may be set higher than the first temperature.
(14)上記態様に係る封止構造体の製造方法は、前記第1の温度が100℃〜400℃の範囲から選択され、前記第2の温度が350℃〜600℃の範囲から選択されてもよい。 (14) In the method for producing a sealed structure according to the above aspect, the first temperature is selected from the range of 100 ° C. to 400 ° C., and the second temperature is selected from the range of 350 ° C. to 600 ° C. May be good.
本発明の封止構造体によれば、より簡易な封止工程及びより単純な封止構造を実現できる封止構造体を提供できる。 According to the sealing structure of the present invention, it is possible to provide a sealing structure capable of realizing a simpler sealing process and a simpler sealing structure.
以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には図中、同一符号を付してある場合がある。また、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするため便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。一つの実施形態で示した構成を他の実施形態に適用することもできる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following embodiments, the same or equal parts may be designated by the same reference numerals in the drawings. Further, in the drawings used in the following description, the featured portion may be enlarged for convenience in order to make the feature easy to understand, and the dimensional ratio of each component is not always the same as the actual one. Further, the materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified and carried out within the range in which the effects of the present invention are exhibited. .. The configuration shown in one embodiment can also be applied to other embodiments.
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る封止構造体を示す断面模式図である。図1(b)は、封止構造体の密閉空間内にデバイスが配置された封止デバイスの一例を示す断面模式図である。 FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a sealing structure according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view showing an example of a sealing device in which the device is arranged in a sealed space of the sealing structure.
図1(a)に示す封止構造体100は、密閉空間Sを有する封止構造体であって、凹部10Aを有する第1の基板10および第2の基板20と、凹部10Aを囲むように配置され、第1の基板10と第2の基板20とを接合する接合部30と、密閉空間Sを画成する第1の基板10の表面に形成され、密閉空間S内のガスを吸収するゲッタ層40と、を備え、接合部30はゲッタ材を構成し得る第1の金属元素を含み、ゲッタ層40はその表面に接合部30に含まれる第1の金属元素を含む。
The sealing
〔封止構造体〕
図1(b)に示す封止デバイス101は、図1(a)に示した封止構造体100の密閉空間S内の第2の基板20上にデバイスDが配置されている。
[Sealing structure]
In the
封止構造体100では、凹部10Aの内面全体にゲッタ層40を有するが、内面の一部に有する構成でもよい。
In the sealing
封止構造体100では、凹部は第1の基板10のみが有するが、第2の基板20も凹部を有してもよい。
また、第2の基板20が凹部を有する場合に、この凹部にゲッタ層を備えてもよい。この場合、第2の基板20の凹部が備えるゲッタ層は、第1の基板10の凹部が備えるゲッタ層と構成が異なるものであってもよい。この場合に、それぞれのゲッタ層が異なるガスの吸着に適した構成とすることができる。
In the sealing
Further, when the
第1の金属元素としては、ゲッタ材の構成要素となりえる金属元素であり、Ti、Cr、Zr、Nb、Ta、VおよびHfのうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。 The first metal element is a metal element that can be a component of the getter material, and preferably contains at least one of Ti, Cr, Zr, Nb, Ta, V, and Hf.
ゲッタ層40および接合部30は、第1表面層(図2の符号11C参照)への不純物拡散係数が第1の金属元素よりも低い第2の金属元素を含んでもよい。第2の金属元素としては、第2の金属元素としては、Pt、Co、RuおよびWのうちの一つの金属、または、これらの合金を含むことが好ましい。ここで、第1の金属元素よりも第1表面層への不純物拡散係数が低いとは、第1表面層の金属元素の金属中に第2の金属元素の原子が拡散する際の不純物拡散係数が、第1表面層の金属元素の金属中に第1の金属元素の原子が拡散する際の不純物拡散よりも小さいことを意味する。例えば、Auに対するPtの不純物拡散係数はAuに対するTiの不純物拡散係数よりも小さいために、Au層中をTi原子が拡散して移動するよりも、Au層中をPt原子が移動しにくく不要な拡散を防止できる。不純物拡散係数は公知の実験データから得ることができる。
また、不純物拡散係数Dはアレニウスの式、
D=D0exp(−Q/RT)
で表される。D0は前指数項、Qは活性化エネルギー、Rは気体定数、Tは温度(K)である。
また、時間t[秒]の間に金属原子が拡散できる距離L[m]は、拡散係数Dを用いて、
L=√Dt
と表すことができる。この式に基づいて、例えば、Ti原子が脱ガス処理(200℃,10min)中にPt拡散バリア層を破らない厚さ(5nm)を推定できる。
The
The impurity diffusion coefficient D is the Arrhenius equation.
D = D 0 exp (-Q / RT)
It is represented by. D 0 is the previous exponential term, Q is the activation energy, R is the gas constant, and T is the temperature (K).
Further, the distance L [m] at which the metal atom can be diffused during the time t [second] is determined by using the diffusion coefficient D.
L = √Dt
It can be expressed as. Based on this equation, for example, the thickness (5 nm) at which the Ti atom does not break the Pt diffusion barrier layer during the degassing treatment (200 ° C., 10 min) can be estimated.
ゲッタ材の活性化とは、ガス吸着機能を発現させることをいう。ゲッタ材の表面にガスが吸着していた場合には所望のガス吸着機能を発揮することができない。そのため、ゲッタ材を加熱(アニール)することによって、ゲッタ材表面の吸着種を除去することによって、ガス吸着機能を発現させることができる。なお、本明細書においては、吸着はゲッタ層を構成する原子とガスとが化学的に反応することを意味する場合に用い、吸収はゲッタ層がガスを取り込むことを意味する場合に用いている。 Activation of the getter material means to develop a gas adsorption function. If gas is adsorbed on the surface of the getter material, the desired gas adsorption function cannot be exhibited. Therefore, the gas adsorption function can be exhibited by removing the adsorbed species on the surface of the getter material by heating (annealing) the getter material. In the present specification, adsorption is used when it means that the atoms constituting the getter layer and gas chemically react with each other, and absorption is used when it means that the getter layer takes in gas. ..
ゲッタ層40において、それを構成する第1の金属元素(ゲッタ材を構成し得る金属元素)は密閉空間内のガスと化学的に吸着して第1の金属元素の化合物になる。そのため、ゲッタ層40の構造は、封止構造体の使用条件に依存して経時的に変化する。また、封止構造体を製造する際の活性化工程の条件によっても、ゲッタ層40の構造にバリエーションが生じる。
In the
図2に、ゲッタ層40の構造の特徴を説明するための断面模式図を示す。
上述の通り、本発明の封止構造体が有するゲッタ層の構造が製造条件や使用条件によってバリエーションを有する特性があるため、図2(b)〜図2(d)を使って説明するゲッタ層の構造は代表的なものである。図2(a)は、使用前あるいは活性化処理前の構造を示すものである。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view for explaining the structural features of the
As described above, since the structure of the getter layer of the sealing structure of the present invention has a characteristic of having variations depending on manufacturing conditions and usage conditions, the getter layer described with reference to FIGS. 2 (b) to 2 (d). The structure of is typical. FIG. 2A shows the structure before use or before the activation treatment.
図2(a)は、使用前あるいは活性化処理前のゲッタ層の構造を示すものである。以下では、第1の基板10が熱酸化膜を有するSi基板であり、積層体11を構成する第1下地層11A、第1中間層11B、第1表面層11Cがそれぞれ、Ti層、Pt層、Au層である場合を例に説明する。
FIG. 2A shows the structure of the getter layer before use or activation treatment. In the following, the
図2(b)は、活性化処理を行って使用を開始後すなわち、ゲッタ層がガスを吸収し始めた初期のゲッタ層の構造を示すものである。基板との密着層である第1下地層(Ti層)11Aを構成するTi原子は、活性化アニールで熱拡散によって第1中間層(Pt層)11Bを破って表面に到達し、ガス(主には水蒸気)と反応してTi化合物(例えば、TiO2)を形成する。符号41Aで示す層は、Ti化合物(活性材料の化合物)で構成される層である。ゲッタ層40はその表面に第1の金属元素(Ti)を含む層となっている。基板同士の接合にかかる第1表面層(Au層)11Cは、活性化処理で不連続な部分を有する層41Cとなっている。平面視で、Au層41Cの不連続な部分からTi化合物層41が露出している状態である。拡散バリア層である第1中間層(Pt層)11Bは、活性化処理で、Ti原子の熱拡散で破られて不連続な層41Bとなり、Au層41Cの直下に配置する。Pt層41Bの下には、Ti層11AAが残っている。また、Si基板10とTi層11AAとの間には、Si―Ti反応層11AXを有する。
FIG. 2B shows the structure of the getter layer at the initial stage after the activation treatment is performed and the use is started, that is, the getter layer starts to absorb the gas. The Ti atoms constituting the first base layer (Ti layer) 11A, which is an adhesion layer with the substrate, break through the first intermediate layer (Pt layer) 11B by thermal diffusion by activation annealing and reach the surface, and gas (mainly). Reacts with water vapor to form a Ti compound (eg, TiO 2 ). The layer represented by
図2(c)は、活性化処理を行い、ゲッタ層がガスを吸収して中期のゲッタ層の構造を示すものである。Ti化合物層41Aはガスを吸収して厚くなっている。Au層41Cはさらに不連続化が進んで、主に表面に粒状に配置する構造となっている。Pt層41Bは、Ti化合物層41Aの下方に配置し、Ti化合物層が表面付近に形成されたため、表面からは深い位置に配置している。Ti層11AAは、Ti原子が表面に熱拡散によって移動した分、薄くなっている。
FIG. 2C shows the structure of the getter layer in the middle stage after the activation treatment is performed and the getter layer absorbs gas. The
図2(d)は、活性化処理を行い、ゲッタ層がガスを吸収して終期のゲッタ層の構造を示すものである。Ti化合物層41Aはガスを吸収してさらに厚くなっている。Au層41Cは、表面に配置する結晶粒は少なくなり、Ti化合物層41A内部に配置する結晶粒が多くなっている。Pt層41Bは、Ti化合物層41Aがさらに厚くなった分、表面からはさらに深い位置に配置している。Ti層11AAは、Ti化合物層41Aを構成するTi原子として熱拡散していったため、ほぼ消失している。
FIG. 2D shows the structure of the getter layer at the final stage after the activation treatment is performed and the getter layer absorbs the gas. The
接合部30は組成としてはゲッタ層40と同じものを含むが、ゲッタ層はガスを吸収して構造が形成されるのに対して、接合部30は、密閉空間内のガスと接触しない部分が多く、その構造はゲッタ層と異なり得る。
The
〔封止構造体の製造方法〕
本発明の封止構造体の製造方法について、上述した封止構造体を製造する場合を例に挙げて説明する。
[Manufacturing method of sealed structure]
The method for producing the sealed structure of the present invention will be described by taking the case of producing the above-mentioned sealed structure as an example.
(基板準備工程)
凹部10Aを有する第1の基板10、及び、第2の基板20を準備する(図3(a))。
第1の基板及び第2の基板としては、公知の封止構造体で用いることができる材料のも野を用いることができる。例えば、シリコン、サファイア、ガラスなどを用いることができる。熱酸化膜を有するSi基板を用いてもよい。
(Board preparation process)
A
As the first substrate and the second substrate, a field of material that can be used in a known sealing structure can be used. For example, silicon, sapphire, glass and the like can be used. A Si substrate having a thermal oxide film may be used.
(成膜工程)
第1の基板10の密閉空間側の面10aに第1下地層11A、第1中間層11B、第1表面層11Cを順に成膜する(図3(b))。
(Film formation process)
The
第1下地層11Aは、第1の基板10に密着するのに適した材料を用いることが好ましい。この意味で、第1下地層は密着層として機能し、第1下地層を構成する材料は密着材料である。第1下地層11Aには、公知のゲッタ材を構成し得る金属元素(第1の金属元素)が含まれる。ここで、ゲッタ材とは、真空中の化学反応により活性ガス(O2、H2O、CO、CO2、N2など)を吸着することが可能な材料である。第1の金属元素としては、Ti、Cr、Zr、Nb、Ta、VおよびHfのうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。第1下地層11Aとしては、Ti、Cr、Zr、Nb、Ta、VおよびHfのうちの少なくとも一つの金属、または、これらの合金からなるものとすることができる。
For the
第1下地層11Aの膜厚は、3〜200nmとするのが好ましい。これは十分な密着強度を得るために必要な厚さであり、かつ膜内での結晶成長による表面粗さの増加が少なくできる厚さである。
The film thickness of the
第1表面層11Cは、低温でも良好な接合を形成可能な材料を用いることが好ましい。この意味で、第1表面層は接合層として機能し、第1表面層を構成する材料は接合材料である。第1表面層11Cは、例えば、Au、Ag、Cu、Sn、Pb、In及びZnの少なくとも一つの金属、または、これらの合金からなるものとすることができる。
For the
第1表面層11Cの膜厚は、3〜100nmとするのが好ましい。これは十分な接合強度がえられ、かつ膜内での結晶成長による表面粗さの増加が少なくできるものである。
The film thickness of the
第1中間層11Bは、ゲッタ材を構成し得る金属元素(第1の金属元素)よりも熱拡散の移動度が低い金属元素(第2の金属元素)を含む。この構成によれば、脱ガス時に第1の金属元素が表面に熱拡散するのを効果的に抑制することができる。この意味で、第1中間層は拡散バリア層として機能し、第1中間層を構成する材料は拡散バリア材料である。第2の金属元素としては、Pt、Co、Ru、TaおよびWのうちの一つの金属、または、これらの合金を含むことが好ましい。
The first
第1中間層11Bは、Pt、Co、RuおよびWのうちの一つの金属、または、これらの合金、または、TiN、TaN、WNまたはIn2O3の少なくとも1つからなるものとすることができる。
The first
第1中間層11Bの膜厚は、5〜20nmとするのが好ましい。これは脱ガス処理時に第1表面層11Cの原子の熱拡散を抑止し、さらに接合後の活性化アニールで熱拡散によって第1表面層11Cの原子が表面に到達するために効果的な膜厚である。
The film thickness of the first
拡散バリア層としての第1中間層11Bは、第1下地層と第1表面層との組み合わせによって必須になる場合と必須にならない場合がある。
The first
この例では、第1下地層11A、第1中間層11B及び第1表面層11Cの積層膜(第1積層膜)を形成したが、第1下地層11A及び第1表面層11Cの二層の積層膜(第1積層膜)としてもよい。
In this example, a laminated film (first laminated film) of the
上述の例では、凹部10Aの表面10Aa全体に積層膜を成膜したが、その後、凹部10Aの表面10Aaの一部に積層膜が残るように、公知の方法でそれ以外の部分の積層膜を除去してもよい。除去する方法としては例えば、ドライエッチングを用いることができる。また、凹部10Aの表面10Aaのうち、積層膜を形成する部分を予め決めて、公知の方法でその部分にのみ積層膜を形成してもよい。
In the above example, the laminated film was formed on the entire surface 10Aa of the
第2の基板20の密閉空間側の面20aに積層膜(第2積層膜)21を成膜する。積層膜21は積層膜11と同様に、第2下地層、第1中間層、第2表面層の三層としてもよい(図示略)。この場合、第2下地層、第1中間層および第2表面層はそれぞれ、第1下地層11A、第1中間層11Bおよび第1表面層11Cのそれぞれと同じでも異なっていてもよい。また、第2下地層、第1中間層および第2表面層はそれぞれ、第1下地層11A、第1中間層11Bおよび第1表面層11Cについて上述した材料から選択してもよいし、他の材料を選択してもよい。
A laminated film (second laminated film) 21 is formed on the
デバイスDは前記成膜処理前またはこの段階で密閉空間内に配置してもよく、また密閉空間内に公知技術を用いて作製してもよい。 The device D may be arranged in a closed space before or at this stage of the film forming process, or may be manufactured in the closed space by using a known technique.
(脱ガス工程)
第1積層膜11が形成された第1の基板10、および、第2積層膜21が形成された第2の基板20を、真空中または減圧下で第1の温度で加熱して脱ガス処理を行う(図3(c)参照)。
(Degassing process)
The
脱ガス処理は、同じ真空チャンバ内で第1の基板10及び第2の基板20を同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。
The degassing treatment may be performed simultaneously on the
脱ガス処理を行う第1の温度は例えば、100〜400℃の範囲内の温度とすることができる。脱ガス処理を行う真空度は例えば、1×10−4〜10Paの範囲内の真空度とすることができる。脱ガス処理を行う時間は例えば、5〜30分間の範囲内の時間とすることができる。 The first temperature at which the degassing treatment is performed can be, for example, a temperature in the range of 100 to 400 ° C. The degree of vacuum for degassing can be, for example, a degree of vacuum within the range of 1 × 10 -4 to 10 Pa. The time for performing the degassing treatment can be, for example, a time within the range of 5 to 30 minutes.
(接合工程)
脱ガス処理された第1の基板10の第1積層膜11の第1表面層11C及び第2の基板20の第2積層膜21の第2表面層を合わせて接合する(図3(d)参照)。
(Joining process)
The
接合方法は、公知の方法を用いることができる。真空接合を行う場合には、例えば、3×10−3Paの真空中で200℃、10分間の脱ガス後、200℃を維持しながら真空中で表面層同士を接触させことによって接合することができる。 As a joining method, a known method can be used. In the case of vacuum bonding, for example, after degassing at 200 ° C. for 10 minutes in a vacuum of 3 × 10 -3 Pa, the surface layers are bonded to each other in a vacuum while maintaining 200 ° C. Can be done.
(活性化工程)
接合された第1の基板10および第2の基板20を第2の温度で加熱して、第1の基板10の第1積層膜11の下地層11Cを構成する、ゲッタ材を構成しうる第1の金属元素を表面に熱拡散させてゲッタ層として活性化する(図3(e)参照)。この工程を行うことによって、第1積層膜11の下地層11Cを構成する、ゲッタ材を構成しうる第1の金属元素を表面に熱拡散させことができ、第1の基板10の凹部10Aの表面10Aaに形成された部分がゲッタ層として機能するものとなる。そして、ゲッタ層の表面に、密閉空間S中の残留ガスが化学的に吸着可能となる。例えば、第1の金属元素がTiの場合、ゲッタ層表面にはチタン酸化物が生成する。
(Activation process)
A
活性化工程を行う第2の温度は脱ガス工程を行う第1の温度よりも高い温度であり、例えば、350〜600℃の範囲内の温度とすることができる。
活性化工程を行う時間は例えば、30〜240分間の範囲内の時間とすることができる。
The second temperature at which the activation step is performed is higher than the temperature at which the degassing step is performed, and can be, for example, a temperature within the range of 350 to 600 ° C.
The time for performing the activation step can be, for example, a time within the range of 30 to 240 minutes.
凹部を有する第2の基板を用いてもよい。この場合に、第2の基板が有する凹部に上述と同様の方法によりゲッタ層を形成してもよい。 A second substrate having a recess may be used. In this case, a getter layer may be formed in the recess of the second substrate by the same method as described above.
(1)拡散バリア層の適切な膜厚の検討実験
以下の実施例では、Ti層/Pt層/Au層(これは、基板側からTi層、Pt層およびAu層をこの順に形成した積層膜を表す。以下同様である。)の積層膜を用いるため、拡散バリア層であるPt層が必須である。そこで、まず適切な膜厚を検討した。熱酸化膜が表面に形成されたシリコンウェハ(以下、熱酸化Si基板ということがある。)上にスパッタリングによって、Ti層(40nm)、Pt層(2.5nm)を成膜したサンプル1、及び、Ti層(40nm)、Pt層(5nm)を成膜したサンプル2を作製した。サンプル1及びサンプル2を、200℃で脱ガス処理を行い、膜の表面についてXPS測定を行った。
(1) Experiment on Examination of Appropriate Film Thickness of Diffusion Barrier Layer In the following examples, a laminated film in which a Ti layer / Pt layer / Au layer (this is a Ti layer, a Pt layer, and an Au layer formed in this order from the substrate side). The same applies to the following), so that the Pt layer, which is a diffusion barrier layer, is indispensable. Therefore, the appropriate film thickness was first examined. Sample 1 in which a Ti layer (40 nm) and a Pt layer (2.5 nm) are formed by sputtering on a silicon wafer having a thermal oxide film formed on the surface (hereinafter, may be referred to as a thermal oxide Si substrate), and , Ti layer (40 nm) and Pt layer (5 nm) were formed into a film, and Sample 2 was prepared. Samples 1 and 2 were degassed at 200 ° C., and XPS measurement was performed on the surface of the film.
図4にそれぞれのXPSスペクトルを示す。(a)はサンプル1のものであり、(b)はサンプル2のものである。サンプル1では、458eVあたりにTiO2を示すピークが出ているが、サンプル2では、TiO2を示すピークは出ていない。これは、200℃での脱ガス処理によってPt膜の膜厚が2.5nmの場合にはTi原子が熱拡散による表面に到達しているのに対して、Pt膜の膜厚が5nmの場合にはTi原子の熱拡散による表面到達が防がれていることを示している。 FIG. 4 shows each XPS spectrum. (A) is for sample 1 and (b) is for sample 2. In sample 1, a peak indicating TiO 2 appears around 458 eV, but in sample 2, a peak indicating TiO 2 does not appear. This is because when the thickness of the Pt film is 2.5 nm by degassing at 200 ° C., the Ti atoms reach the surface due to thermal diffusion, whereas when the thickness of the Pt film is 5 nm. Shows that the surface reach due to thermal diffusion of Ti atoms is prevented.
(2)実施例1
図5に示すように、凹部を有する熱酸化Si基板、および、凹部を有さない平坦な熱酸化Si基板のそれぞれに、Ti層(40nm)、Pt層(5nm)、Au(3nm)を順に成膜して、接合のための積層膜を有する、2つの熱酸化Si基板を作製した(図5(a)参照)。作製した両基板を200℃で脱ガス処理後に真空封止接合を行って、キャビティ(密閉空間)を有する封止構造体を作製した(図5(b)参照)。さらにその封止構造体を大気中、450℃にて、3時間、活性化アニールを行った(図5(c)参照)。
(2) Example 1
As shown in FIG. 5, a Ti layer (40 nm), a Pt layer (5 nm), and Au (3 nm) are sequentially applied to each of a thermally oxidized Si substrate having a recess and a flat thermally oxidized Si substrate having no recess. The film was formed to prepare two thermally oxidized Si substrates having a laminated film for bonding (see FIG. 5 (a)). Both of the prepared substrates were degassed at 200 ° C. and then vacuum-sealed to form a sealed structure having a cavity (sealed space) (see FIG. 5 (b)). Further, the sealed structure was activated and annealed in the air at 450 ° C. for 3 hours (see FIG. 5 (c)).
(引張試験結果)
その活性化工程後の封止構造体をダイシングして、引張試験(引張荷重:23MPa)を行った。引張試験によって破断した面の観察から、Pt層によりTi原子の熱拡散が妨げられ、Au原子同士の結合により良好に接合していることがわかった。また、破断面にシリコン酸化膜が見えていることより、両基板の接合界面からではなく、基板と接合積層膜との界面(SiO2/Ti)で剥離していることがわかった。
(Tensile test result)
The sealed structure after the activation step was diced and a tensile test (tensile load: 23 MPa) was performed. From the observation of the fractured surface by the tensile test, it was found that the Pt layer hindered the thermal diffusion of Ti atoms and the Au atoms were bonded well to each other. Further, since the silicon oxide film was visible on the fracture surface, it was found that the silicon oxide film was peeled off not from the bonding interface between the two substrates but at the interface (SiO 2 / Ti) between the substrate and the bonded laminated film.
(深さ方向の元素分析)
図6に、凹部の内壁に形成されたゲッタ層の深さ方向についてXPS(X線電子分光)によって元素分析を行った結果を示す。また、図7に、深さ方向のTi2p領域のXPSスペクトルを示す。深さ方向のエッチングは、SiO2に対して100秒あたり約10nmのエッチングレートで行った。図8に、透過型電子顕微鏡(TEM像)を示す。図9に、元素分析マッピングの結果を示す。
(Elemental analysis in the depth direction)
FIG. 6 shows the results of elemental analysis by XPS (X-ray electron spectroscopy) in the depth direction of the getter layer formed on the inner wall of the recess. Further, FIG. 7 shows the XPS spectrum of the Ti2p region in the depth direction. Etching in the depth direction was performed with respect to SiO 2 at an etching rate of about 10 nm per 100 seconds. FIG. 8 shows a transmission electron microscope (TEM image). FIG. 9 shows the results of elemental analysis mapping.
活性化アニール前には表面にTi及びPtは検出されなかった。 No Ti or Pt was detected on the surface before activation annealing.
活性化アニール前には表面にTiが存在していなかったが、図6及び図8から、Tiが存在していることがわかった。さらに、図7から、表面に存在しているTiは金属Tiとしてではなく、Ti化合物として存在することがわかった。 Although Ti was not present on the surface before the activation annealing, it was found from FIGS. 6 and 8 that Ti was present. Furthermore, from FIG. 7, it was found that the Ti present on the surface exists not as a metallic Ti but as a Ti compound.
図6、図8、図9から、Auは表面近傍に存在し、PtがAuの直下に存在していることがわかった。 From FIGS. 6, 8 and 9, it was found that Au was present near the surface and Pt was directly below Au.
活性化工程前において、Ti層(40nm)/Pt層(5nm)/Au層(12nm)の積層膜を備えた封止構造体の場合、及び、Ti層(40nm)/Pt層(20nm)/Au層(3nm)の積層膜を備えた封止構造体の場合にも、良好なガスゲッタリング機能を有することを確認した。 In the case of a sealed structure having a laminated film of Ti layer (40 nm) / Pt layer (5 nm) / Au layer (12 nm) before the activation step, and Ti layer (40 nm) / Pt layer (20 nm) / It was confirmed that the sealed structure provided with the laminated film of the Au layer (3 nm) also had a good gas gettering function.
(3)実施例2
実施例2は、接合工程後の密閉空間に多量のO2が存在する場合に活性化アニールによって「Ti層/Pt層/Au層の積層膜」がゲッタ層として機能してどのように変化するかを調べるために、熱酸化Si基板上に形成したTi層/Pt層/Au層の積層膜を大気に暴露して450℃にて、3時間活性化アニールを行った。
(3) Example 2
In Example 2, when a large amount of O 2 is present in the closed space after the joining step, how the “ti layer / Pt layer / Au layer laminated film” functions as a getter layer and changes due to activation annealing. In order to investigate whether or not the laminated film of the Ti layer / Pt layer / Au layer formed on the thermally oxidized Si substrate was exposed to the atmosphere, activation annealing was performed at 450 ° C. for 3 hours.
図10に、凹部の内壁に形成されたゲッタ層の深さ方向についてXPS(X線電子分光)によって元素分析を行った結果を示す。深さ方向のエッチングは、SiO2に対して100秒あたり約10nmのエッチングレートで行った。 FIG. 10 shows the results of elemental analysis by XPS (X-ray electron spectroscopy) in the depth direction of the getter layer formed on the inner wall of the recess. Etching in the depth direction was performed with respect to SiO 2 at an etching rate of about 10 nm per 100 seconds.
実施例2によれば、実施例1よりも酸素が表面近傍および金属膜内に多く存在し、酸素量に応じてTiがTiO2の原子比に近い割合で存在することが分かった。これにより、Ti原子が表面に移動してTiO2となって大気中のO2を吸着する機能を発揮したことが分かる。また実施例1に比べて、Auが表面近傍に少なくなり、Ptが金属層と基板の界面まで深い位置に配置しており、Tiは全域的に存在するようになったことが分かる。 According to Example 2, it was found that more oxygen was present near the surface and in the metal film than in Example 1, and Ti was present at a ratio close to the atomic ratio of TiO 2 depending on the amount of oxygen. As a result, it can be seen that the Ti atom moves to the surface and becomes TiO 2 and exerts the function of adsorbing O 2 in the atmosphere. Further, as compared with Example 1, Au is reduced in the vicinity of the surface, Pt is arranged at a position deep to the interface between the metal layer and the substrate, and it can be seen that Ti is present in the entire area.
10 第1の基板
10A 凹部
11A 第1下地層
11B 第1中間層
11C 第1表面層
20 第2の基板
30 接合部
40 ゲッタ層
100 封止構造体
S 密閉空間
10
Claims (14)
少なくとも一方に凹部を有する第1の基板および第2の基板と、
前記凹部を囲むように配置され、第1の基板と第2の基板とを接合する接合部と、
前記密閉空間を画成する前記第1の基板および前記第2の基板の表面の一部に形成され、前記密閉空間内のガスを吸収するゲッタ層と、を備え、
前記接合部はゲッタ材を構成しうる第1の金属元素を含み、
前記ゲッタ層は、表面に前記第1の金属元素を含む、封止構造体。 A sealed structure having a closed space
A first substrate and a second substrate having recesses on at least one side,
A joint portion arranged so as to surround the recess and joining the first substrate and the second substrate,
A getter layer formed on a part of the surface of the first substrate and the second substrate that defines the enclosed space and absorbs gas in the enclosed space is provided.
The joint contains a first metallic element that can constitute a getter material and contains the first metal element.
The getter layer is a sealing structure containing the first metal element on the surface thereof.
前記第1の基板の少なくとも接合部およびゲッタ層が形成される表面に、第1下地層と第1表面層とをこの順に成膜して第1積層膜を形成するステップと、
前記第2の基板の表面に、第2下地層と第2表面層とをこの順に成膜して第2積層膜を形成するステップと、
前記第1積層膜が形成された前記第1の基板、および、前記第2積層膜が形成された前記第2の基板を、真空中または減圧下で第1の温度で加熱して脱ガス処理を行うステップと、
前記脱ガス処理された前記第1の基板の前記第1表面層及び前記第2の基板の前記第2表面層を合わせて接合するステップと、
前記接合された前記第1の基板および前記第2の基板を第2の温度で加熱して、前記第1積層膜の前記第1下地層を構成する、ゲッタ材を構成しうる第1の金属元素を表面に熱拡散させてゲッタ層として活性化するステップと、
を含む、封止構造体の製造方法。 A first substrate having a recess, a second substrate, a joint portion arranged so as to surround the recess and joining the first substrate and the second substrate, and a sealed space are defined. A method for manufacturing a sealed structure including a getter layer formed on a part of the surface of the first substrate among the first substrate and the second substrate and absorbing gas in the enclosed space. And
A step of forming a first laminated film by forming a first base layer and a first surface layer in this order on a surface on which at least a joint portion and a getter layer of the first substrate are formed.
A step of forming a second laminated film by forming a second base layer and a second surface layer on the surface of the second substrate in this order.
The first substrate on which the first laminated film is formed and the second substrate on which the second laminated film is formed are heated at a first temperature in a vacuum or under reduced pressure for degassing treatment. And the steps to do
A step of joining the first surface layer of the degassed first substrate and the second surface layer of the second substrate together.
A first metal that can form a getter material that heats the joined first substrate and the second substrate at a second temperature to form the first base layer of the first laminated film. The step of activating the element as a getter layer by thermally diffusing it on the surface,
A method for manufacturing a sealed structure, including.
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