JP4383854B2 - マイクロメカニカルキャップ構造及び相応する製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロメカニカルキャップ構造及び相応する製造方法に関する。

本発明は、原則的には任意のマイクロメカニカルキャップ構造において使用可能であるものの、本発明の基礎を為す問題意識とともに、この公知の表面マイクロメカニカル加速度センサに関してより詳細に説明する。

ＤＥ １９５ ３７ ８１４では、表面マイクロメカニクスにおける層状システムの構造、及びセンサを密閉キャッピングする方法、とりわけ回転速度又は加速度センサを密閉キャッピングする方法が記載されている。上記明細書では、公知の技術的方法を用いたセンサ構造の製造が説明されている。キャッピングは、シリコンから成る別個のキャップウェーハを用いて行われる。このキャップウェーハは、例えばＫＯＨエッチングのようなコスト高な構造化プロセスによって構造化される。キャップウェーハはガラスはんだ（シールガラス）によりセンサウェーハ上のウェーハ面に載せられる。このためには、各センサチップごとに、キャップウェーハの十分な接着と密閉性を保証する幅の広いボンド枠が必要である。

キャップウェーハとセンサウェーハとの間にアノードボンド接続を行うことも考えられる。この場合、Ｓｉ基板の背面からセンサウェーハへの電気的コンタクトが絶縁トレンチにより形成される。

このようなアノードキャッピング法における問題は、使用されるガラス−Ｓｉ複合ウェーハ（特にパイレックスガラス）の製造がコスト高である点にある。一連の摩砕−研磨−エッチングプロセスがプロセスのコストを上げている。プロセスの信頼性、とりわけ、ガラスウェーハの厚さ調整の信頼性は、広い許容誤差限界を設定しなければ達成されない。例えばＢＯＥ（ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｏｘｉｄｅ ｅｔｃｈ）のような湿式エッチング法による、パイレックスへのキャップ空洞の構造化はコスト高であり、エッチング深さが５〜１０μｍと深い場合には、エナメル接着力及び表面粗さに関連した問題が生じる。

金属−半導体−コンタクトを同時に形成するアノードボンド接続に関しては、技術的実現性に重大な欠点が生じる。アノードボンディングにおいて空洞内の空間を無界に保つべき、埋め込まれた金属インレーがボンド枠と重なることにより、堅いスペーサが入り込む。これはボンド接続を強く妨害し、漏洩を生じ兼ねない。
発明の利点
請求項１に記載された本発明によるマイクロメカニカルキャップ構造、及び請求項７による相応する製造方法は、公知の解決手段に対して、以下の利点を有する。すなわち、キャップをコスト安に製造し、ボンディングプロセスを確実に実行することのできる方法及び装置が得られるという利点を有する。このために、ボンド枠外の金属−半導体−コンタクトが支持領域に配置され、持続的かつ安定した電気的接続が保証されるように、クッション性を有するよう設計される。
本発明の関連対象の有利な発展形態及び改善は従属請求項において示されている。

有利な発展形態によれば、支持構造は第２のウェーハ上の中央支持領域と第１のウェーハ上の相応する対向中央支持領域とを有している。

別の有利な発展形態によれば、接続構造は第１のウェーハの周縁領域と、これにアノード接続された第２のウェーハの周縁領域とを有している。

別の有利な発展形態によれば、第２のウェーハは支持領域の周りを囲むリング状の空洞を有している。

別の有利な発展形態によれば、第２のウェーハは金属製のインレー構造を有しており、このインレー構造は、支持構造と空洞（Ｋ１）を少なくとも部分的に覆い、縁部領域は残しておく。同様に、上記方法によれば、空洞内には無界の空間が形成される。別の利点は金属層のデザインに関して得られる。このデザインによれば、ボンド枠の領域にある金属層によるボンディングプロセスの妨害が防止される。それどころか、本発明によれば、金属インレーは、ボンディングプロセスの際に、クッション性を備えた金属コンタクトが形成されるように構造化される。このために、金属−シリコン−コンタクトはキャップ膜の中心に配置される。この領域では、膜を弾性的に張ることができる。それゆえ、一方では金属によりもたらされる起伏が均され、他方では金属とシリコンとの間にクッション性のある再生可能な接続が達成される。

別の有利な発展形態によれば、空洞は第２のウェーハの母材に設けられており、空洞、縁部領域及び支持領域にはガラス層が設けられている。深さ５〜１０μｍのキャップ空洞を酸化物ではなくシリコンのキャップウェーハ基板に構造化するのが適切である。これにより、例えばＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）のような公知の垂直方向のＳｉ構造化法が、ＢＯＥによるパイレックスの垂直方向の湿式構造化法のように限定要因によって制限されることがないという利点が享受される。

重要な改善点としては、キャップ−複合材−ウェーハをシリコン上にボンディングされたパイレックスウェーハから形成しないことが提案される。シリコンに構造化されたキャップ構造の上には、例えばＡ．Ｄｒｏｓｔ ｅｔ ａｌ．，Ａｎｏｄｉｃ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ Ｐｙｒｅｘ Ｇｌａｓｓ Ｌａｙｅｒｓ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｂｅｒｌｉｎ，１９９７，ｐ．９３３に記載されているように、ガラス層がスパッタリングされるか、又はスピンオン法により塗布される。これにより、嵩高なパイレックスウェーハを薄くすることにより複合材を製造するよりも、格段に低いプロセスコストと明らかに低いプロセス変動が期待される。

そのうえさらに、本発明による薄膜プロセスは、完全集積化されたＯＭＭセンサのキャッピングプロセスにも転用しうるという利点をもたらす。パイレックスガラス又はパイレックスに似たガラスをスパッタリング又は蒸着又は回転塗布することによる薄膜ボンディングプロセスは、集積化されたセンサをキャッピングするための基本プロセスと見なされる。
図面
本発明の実施例を図面に示し、以下の記述においてより詳細に説明する。

図１ａ〜ｅは、本発明による製造方法の１つの実施形態によるキャップウェーハの製造手順を示しており、
図２ａ，ｂは、本発明による製造方法の実施形態に従った本発明によるキャップ構造の侍史形態の製造手順を示している。
実施例の説明
図１ａ〜ｅには、本発明による製造方法の１つの実施形態によるキャップウェーハの製造手順が示されている。

シリコンキャップウェーハ１は、図１ａによれば、公知のドライエッチング法により、およそ５〜１０μｍのエッチング深さを有する例えばリング状の空洞Ｋ１を有するように構造化される。キャップウェーハ１の厚さはおよそ２００〜７００μｍである。アノードボンディングにおけるキャップ膜のクッション作用を考えると、およそ３２０μｍが望ましい。キャップウェーハ１の構造は安定化用の支持位置のために設けられた支持領域Ｓを有している。

図１ｂによれば、熱酸化又はＣＶＤ法により、０．５〜２μｍの厚さの薄い酸化物層５が載せられ、この薄い酸化物層が、アノードボンディングにおいてボンディング層の絶縁破壊に対する耐性を保証する。

図１ｃによれば、酸化物層５の上には、高酸素の反応性スパッタリングないし蒸着法により、又はスピンオン法によりガラス層１０が回転塗布される。このガラス層１０はアノードボンディングが可能でなければならない。パイレックスもしくはボロフロートと類似した又は同じ組成のガラスが望ましい。この方法ステップは従来技術から公知である。

図１ｄによれば、前記構造の上に、例えばアルミニウムから成る金属層１５が載せられる。金属としてアルミニウムを使用すると特に良い効果が得られる。というのも、この材料は後のボンディングの際に生じる酸素を化学変化により吸収することができるからである。これにより、空洞内の圧力が低減される。

図１ｅによれば、湿式又は乾式の化学的方法ステップにより、金属層１５から、空洞の全領域を覆うインレー構造１５’が形成される。その際、この金属は外側の接続領域ＢＢにまでは引かれない、又は接続領域ＢＢから離される。金属とシリコンとの接触位置はキャップ膜の中心にある支持位置Ｓにある。金属層の厚さｄ_Ｍは５０ｎｍ〜１μｍである。

図２ａ，ｂは、本発明による製造方法の実施形態に従った本発明によるキャップ構造の実施形態の製造手順を示している。

図２ａから分かるように、インレー構造１５’の金属は空洞の中に延在しており、アノードボンディングの際の漂遊磁界を十分に遮蔽するため、予め構造化されたセンサウェーハＳＷに組み込まれた可動ＯＭＭ構造ＯＭＭＳの縁部Ｒを越えて延びている。なお、可動ＯＭＭ構造ＯＭＭＳはここでは加速度センサである。空洞内におけるインレー構造１５’の幅ＳＰは、一般に７００〜２０００μｍである。

キャップウェーハ１と予め構造化されたセンサウェーハＳＷとをアノードボンディングにより接続する際、キャップウェーハ１の中央領域はまず金属被覆された支柱ＳとともにセンサウェーハＳＷの相応する対向支柱Ｓ’の上に載せられる。キャップウェーハ１の背面とセンサウェーハＳＷの背面との間に印加される接着応力がゼロに等しい間は、図２ａによれば、キャップウェーハ１の前面の縁部領域ＢＢは、センサウェーハＳＷの前面にあるシリコンから成るボンディング領域ＢＢ’の上には載っていない。

しかし、電気的な接着応力Ｕ_Ｂｏｎｄが印加されると、図２ｂによれば、キャップウェーハ１の前面の縁部領域ＢＢは、センサウェーハＳＷの前面にあるボンディング領域ＢＢ’へと引き下ろされる。

キャップウェーハ１内又はセンサウェーハＳＷ内での支柱Ｓ又は対向支柱Ｓ’の位置により、キャップウェーハ１はフレキシブルにアーチ形を形成することができる。これにより、接続面ＢＢ，ＢＢ’は金属段にもかかわらず中央で互いに直接接触することが可能となる。さらに、金属とシリコンとの間のクッション性の接続により、十分なコンタクトが為される。このコンタクトは適切な材料選択により合金コンタクトとして形成することもできる。

中間支柱Ｓ，Ｓ’は、サンドイッチ構造の機械的安定性を高め、温度に依存したキャップないし基板のたわみの変化を弱める。空洞内の金属膜１５’は、ボンディング枠のシリコン及び可動ＯＭＭ構造ＯＭＭＳと電気的に接続されている。これにより、ボンド電極とセンサウェーハＳＷとの間に接着応力Ｕ_Ｂｏｎｄ＞０が印加されると、電界は遮蔽される。可動構造ＯＭＭＳの漂遊磁界を遠ざけておくためには、金属の外縁と可動構造ＯＭＭＳの縁部Ｒとの間に少なくとも５μｍの十分な重なりＵＥＢが維持されなければならない。

以降のプロセスでは、従来技術から公知のように、センサウェーハの背面のコンタクトが装備される。

本発明は上記では有利な実施例に基づいて説明されたが、これらの実施例に限定されるものではなく、多様に変更が可能である。

とりわけ、本発明による方法によれば、任意のマイクロメカニカルな機能構造のキャッピングが可能である。

また、キャップウェーハ及びセンサウェーハの内部領域に複数の支持領域ないし対向支持領域が設けられるようにすることも考えられる。

本発明による製造方法の１つの実施形態によるキャップウェーハの製造手順を示す。

本発明による製造方法の実施形態に従った本発明によるキャップ構造の侍史形態の製造手順を示す。

Claims (7)

1. マイクロメカニカルな機能構造（ＯＭＭＳ）を有する第１のウェーハ（ＳＷ）と、
   上記のマイクロメカニカルな機能構造（ＯＭＭＳ）の上にキャップを形成する第２のウェーハ（１）とを備えたマイクロメカニカルキャップ構造において、
   前記第１及び第２のウェーハ（ＳＷ，１）は、内部領域に、金属からなる支持領域と一方のウェーハの半導体材料からなる支持領域とから形成されたコンタクトを備えた支持構造（Ｓ，Ｓ’）を有しており、
   前記第１及び第２のウェーハ（ＳＷ，１）は、縁部領域に、接続構造（ＢＢ，ＢＢ’）を有しており、
   前記第２のウェーハ（１）の縁部領域は、前記第２のウェーハ（１）の表側の縁部領域（ＢＢ）を前記第１のウェーハ（ＳＷ）の表側の縁部領域（ＢＢ’）まで引き下ろすことにより、キャッピングされた状態では、前記第２のウェーハ（１）の内部領域に対してアーチ形を為す、ことを特徴とするマイクロメカニカルキャップ構造。
2. 前記支持構造（Ｓ，Ｓ’）は、前記第２のウェーハ（１）上に中央支持領域（Ｓ）を有し、前記第１のウェーハ（ＳＷ）上には相応する対向中央支持領域（Ｓ’）を有している、請求項１記載のマイクロメカニカルキャップ構造。
3. 前記接続構造（ＢＢ，ＢＢ’）は、第１のウェーハ（ＳＷ）の周縁領域（ＢＢ’）と、該周縁領域（ＢＢ’）にアノード接続された第２のウェーハ（１）の周縁領域（ＢＢ）を有する、請求項１又は２記載のマイクロメカニカルキャップ構造。
4. 前記第２のウェーハ（１）は前記支持構造（Ｓ）の周りを囲むリング状の空洞（Ｋ１）を有する、請求項２又は３記載のマイクロメカニカルキャップ構造。
5. 前記第２のウェーハ（１）は金属製のインレー構造（１５’）を有しており、
   前記インレー構造（１５’）は、前記支持構造（Ｓ）と前記空洞（Ｋ１）を少なくとも部分的に覆い、前記縁部領域（ＢＢ）は残しておく、請求項４記載のマイクロメカニカルキャップ構造。
6. 前記空洞（Ｋ１）は前記第２のウェーハ（１）の母材に設けられており、
   前記空洞（Ｋ１）、前記縁部領域（ＢＢ）及び前記支持構造（Ｓ）にはガラス層が設けられている、請求項４又は５記載のマイクロメカニカルキャップ構造。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載のマイクロメカニカルキャップ構造を製造するための方法において、
   前記支持構造（Ｓ，Ｓ’）が接触面を形成し、前記接続構造（ＢＢ，ＢＢ’）が整列するように、前記第１及び第２のウェーハ（１，ＳＷ）を積み重ね、
   前記第１及び第２のウェーハ（１，ＳＷ）の間にアノード接着応力を印加することにより、前記第２のウェーハ（１）の表側の縁部領域（ＢＢ）を前記第１のウェーハ（ＳＷ）の表側の縁部領域（ＢＢ’）まで引き下ろし、これにより堅固な接続構造（ＢＢ，ＢＢ’）を形成する、ことを特徴とするマイクロメカニカルキャップ構造を製造するための方法。

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