JP5015947B2 - ゲッター材を含むマイクロメカニカルデバイスの製造方法及び製造されたデバイス - Google Patents

Description

本発明は、ゲッター材を含むマイクロメカニカルデバイスの製造方法及びこの方法を通じて製造されたデバイスに関する。特に、本発明は、前記デバイスを製造する方法であって、一方がシリコン製であり、他方が半導体材料、セラミック材料又は酸化物材料で作られている２つのウェハーを、その間の接触面を融解することで接合させる工程、を含んで成る方法に関する。また、本発明は、最終製品としてのデバイス及び前記製法の条件に耐え得る特定のゲッター材に関する。

マイクロメカニカルデバイスは、一般的に「マイクロエレクトロメカニカルシステム」又は「マイクロオプトエレクトロメカニカルシステム」として、それらの略語ＭＥＭＳ及びＭＯＥＭＳで知られている（以下、単にＭＥＭＳと述べている場合、ＭＯＥＭＳも意味する）。これらのデバイスは、密封状態のキャビティであって、内部にプリセット動作を実施することができるマイクロメカニカルパーツ又は電磁放射と相互作用することができるパーツが、補助パーツ及び、当該デバイスの電力を供給し、且つ当該デバイスによって生じるシグナルを外部に伝達することができるエレクトリカルフィードスルー、と共に存在している。このようなデバイスの例として、US5,594,170、US5,656,778及びUS5,952,572に記載されているマイクロ加速度計；US5,821,836及びUS6,058,027に記載されている、電気通信業界の分野、特に携帯電話の製造に使用されている、微小共振器；又は米国特許US5,895,233に一例が記載されているIR微小センサー、がある。

前記製造工程の終わりに、当該工程の残渣であるか、又は同一のキャビティのウェルの脱気に起因する種々のガスがMEMSのキャビティに含まれ、これはMEMS操作と干渉することがある。例えば、それらは、システム内の熱伝導を変更することがあり、その結果、IRセンサーの場合温度測定を変化させることがあるため、キャビティにおいては考えられ得る最高の真空度が必要とされる。他のMEMSデバイスは、極めて高い真空レベルについてのそのような厳格な要件はない。例えば、加速度計において、キャビティ内での低圧のガスは、そのデバイスが運転状態に置かれた後に可動部の振動を弱めるための一助となる。これにより「休止」状態の迅速な回復が可能となり、更なる移動検出のためのより迅速な準備をもたらす。このため、幾つかのMEMSの製造は、そのシーリング前に、数千パスカル（Pa）のオーダーの圧力の所定のガス（例えば希ガス）でそのキャビティを裏込めすることが見込まれる。しかしながら、これらの場合も、キャビティ内の大気は、一定の圧力及び化学組成を有している。その理由は、これらのパラメーターの変化が可動部周辺の媒体の粘度を変化させ得るためである。

MEMSデバイスの寿命までの間非常に高い真空度又は一定の大気で維持することは、キャビティ内にゲッター材、すなわち大部分の非希ガスを除去することができる材料を導入することで確実に達成することができる。一般的に使用されるゲッター材は、ジルコニウム、チタン又はそれらの合金のような金属である。ジルコニウム８０％、コバルト１５％、希土類５％、の重量パーセント組成を有する合金が好ましく、これは、St787の名のもと出願人によって販売されている。MEMSデバイスにおけるゲッター材の使用は、例えば、米国特許第5,952,572, 6,499,354, 6,590,850, 6,621,134, 6,635,509及び6,923,625に記載されている。

MEMSは、半導体集積回路の製造に由来する技術、典型的には、ガラス、石英、セラミック材料（例えば、シリコンカーバイド）、又は半導体材料（シリコンが好ましい）の平面支持上に所望の材料を局所的に蒸着させること、そして異なる材料の層の部分を選択的に除去すること、に存する技術で製造される。特に、図１を参照して以下に説明されている前代のMEMSは、機能素子１１及び補助素子（これらは図示されていない）が構築されている、一般的に平面支持、通常シリコンから形成されている第一の部分１０、及び
ガラス、石英、セラミック又は半導体材料から作られてもよく、そして通常内部の素子を保護するために前記デバイスを閉じる機能のみを有する第二の部分１２、の２つの部分を互いに溶接することで通常製造される。この第二の部分は通常機能素子を持たず、その結果より自由な空間を提供するため、ゲッター材１３は、US6,897,551に記載のとおり、好ましくはこの部分の上に配置される。本願におけるゲッター材層の蒸着にとって好ましい技術は、一般的に「スパッタリング」として知られている陰極析出である。既知のとおり、この技術における通常短円筒形のボディ（「ターゲット」と称される）であって、蒸着されることが意図されている材料及び当該蒸着をその上に形成する支持体から作られるボディが密封状態のチャンバー内に配置される。当該チャンバーは、希ガス、通常アルゴンが減圧下充填される。前記ターゲット（陰極電位で保持されたもの）と陽極との間の数千ボルトの大きさ（又は、使用する配置によってはそれよりも低い）の電位差を適用することで、希ガスはイオン化し、そしてそのようにして生成したイオンは前記ターゲットに向かって加速し、その結果衝撃でそれを侵食する。侵食された材料は、利用可能な表面、例えば支持体上に蒸着する。適当な開口部を備えたマスキング系を利用することで、蒸着が形成されなければならない支持体の領域を制限することができる。あるいは、スパッタリング、すなわち、少量の反応ガス、例えば酸素であって、当該反応性ガスと前記粒子との反応から生じる材料の蒸着を生成する気相における前記ターゲットにより侵食された粒子と反応するガスを希ガスに添加することは、反応条件下で実施することができる。MEMSの操作に必要な全ての素子が一旦前記２つの部分上に形成されると、これらはデバイスの素子を取り囲む線に沿って溶接されることで一緒に結合される。マイクロデバイスは、このようにして閉じた空間１４内で密封され、そして機械的且つ化学的に外の環境から保護される。

溶接は、「接合(bonding)」という一般的な定義で知られている多くの技術によって達成することができる。最初の可能性としては、可鍛金属、例えばインジウム、鉛又は金を２つの部分の間に挿入し、そしてこれを、可能ならば圧力をかけつつ、溶解及び固化してすることにある（「圧着(pressure bonding)」）。しかしながら、この技術は、機械的な強度の点から不完全な信頼性の溶接をもたらす。別の型の接合は、陽極接合であり（支持体の一方がガラス又は石英から作られ、そして他方がシリコンから作られたものが主に利用される）、ここで、約1000Vの電位差が約300〜500℃の温度で維持された２つの部分の間に適用される。これらの条件においては、陽電位で維持された支持体に由来するイオン（例えば、ガラス由来のナトリウムイオン）が陰電位で維持された支持体に移動し、そして陰イオン（例えば、シリコン由来の酸素）は反対方向へと移動する。考えられる別の技術として共晶結合があり、これは、前記２つの支持体の少なくとも一方の金属と共晶組成を形成することができる金属又は合金の層が前記２つの支持体間に差し挟まれ、その結果、適当な熱処理により溶接領域における局所的な融解が生じる。しかしながら、共晶結合は、通常金属汚染の危険性がある場合に実施され、例えば、共晶結合がｃMOS製造工程と共に実施される場合である。現在利用可能なより良い材料は、上文で説明した接合技術を使用するMEMS製造工程との適合性があるものである。

可能性のある別のMEMSシーリング技術は、支持体の材料の局所的な融解を必要とする直接接合である。この方法を通じての適当な接合の達成は、通常高温、例えばシリコンの場合約1,000℃を必要とする。この技術は更に、２つのシリコン部を結合させる場合、中間層、例えば酸化ケイ素を使用してもよい。前述の技術と比較して、直接接合により、溶接されるべき２つの部分間のより良い接合が得られるようになり、接着面及び、熱的及び機械的な衝撃としてのストレス条件に対する安定性、の両方が増大する。そのようなタイプの接合により、溶接領域の機械的特性は、材料が形成する溶接部分のものに匹敵する。このタイプの接合は、大きな信頼性及び耐久性を持たなければならないデバイス（例えば航空機に利用するデバイス）に使用される。

しかしながら、現在使用されているゲッター材は、直接接合によって必要とされる熱処理に耐えられないことが確認されている。最初に、これらの熱処理の間、多くのゲッター材は、強力な構造的及び形態学的な再配列を受け、これは材料の蒸着の融解をもたらすことがある（例えば、引用したSt787合金の場合）。観察された最小の結果は、前記ゲッターによるガス収着能のほぼ完全な損失であり、その一方で、融解の場合、ゲッター材は、デバイスの機能的部分を「湿潤」させることができ、固化の後、それは完全にその作業を変えるか、又は阻止することができる。幾つかのケースにおいては、隣接面上でのゲッター材の部分的な蒸発及び新規の濃縮も観察されており、これはデバイスの操作にネガティブな影響がある。全てのゲッター材で観察されている別の問題は、蒸着がシリコン上に形成する場合、接合操作の後の冷却の間に支持体から外れることであり、その結果、固体の断片が機能的部分と接触し、それによりデバイスの有効性を危うくする。

本発明の目的は、マイクロメカニカルデバイスの製造方法であって、機能的素子、アクセサリー及びゲッター材が存在する２つの支持部を直接接合する工程を含んで成る方法を提供すること、並びに最終製品としてのマイクロメカニカルデバイス当該製造方法に耐え得るゲッター材ファミリーを提供すること、である。

これらの目的は、本発明によれば、マイクロメカニカルデバイスを製造する方法であって、一方がシリコン製であり、他方がシリコン又は半導体材料、セラミック材料若しくは酸化物材料で作られている２つの支持部を、その間の接触面を融解することで接合させる工程、を含んで成る方法であって、前記デバイスの機能素子及び任意(possible)の補助素子はこれらの支持部の少なくとも１つの上に存在しており、且つゲッター材の蒸着がシリコン支持部上に存在しており、当該方法が、以下の工程：前記デバイスの機能素子及び任意の補助素子が構築されている第一支持部を準備する工程；第二支持部を準備する工程；ここで、前記第一支持部及び第二支持部は、対合する際に、前記機能素子、補助素子及びゲッター材蒸着が収納されるキャビティを形成するように形成される；前記２つの支持部を接近させて前記キャビティを形成させる工程及び前記２つの支持部を、直接接合により溶接する工程、を含んで成り；当該方法が、前記ゲッター材蒸着が、少なくとも５０ナノメーターの厚さを有するガラス質材料、セラミック材料又は酸化物材料の中間層を前記シリコン支持部上に形成する第一操作及び１０マイクロメーター未満の厚さを有するゲッター材層を前記中間層に蒸着させる第二操作によって、前記シリコン支持部上に形成されることを特徴とし；且つ用いられたゲッター材がジルコニウム及び、モリブデン、ニオブ、タンタル及びタングステンから選択される少なくとも第二の元素、を含む合金であって、ジルコニウムが７０〜９７重量％で存在している合金であること、を特徴とする方法により達成される。

本発明者は、ある特定のゲッター材が使用され、ゲッター材とシリコンとの間にガラス質材料、セラミック材料又は酸化物材料から作られる中間層が差し挟まれ、そしてゲッター層と中間層とが特定の厚みを有する場合、シリコン支持体上のゲッター材の蒸着が直接接合法の間に分離するのを防ぐことが可能であることを見出した。本発明の方法は、中間層の存在及び前記厚みの定義を特徴とするため、残りの操作については直接接合を用いる他のMEMS製造方法と完全に類似しており、本方法の革新的な特徴のみを以下詳細に説明する。

既述のとおり、利用可能な空間のため、支持体上のゲッター層を、MEMS機能素子及び補助素子が構築される支持体の反対に生成するのが好ましい。それにより、以後この態様が参照されるが、当業者にとっては、本発明がゲッター蒸着が機能素子及び補助素子を持つ同一の支持体上で得られる場所でも適用可能であることは自明であろう。

中間層及びその上のゲッター材層の形成は、種々の技術によって実施することができる。例えば、中間層はガラス質又はセラミックのシリコン化合物、例えば酸化物又は窒化物で作られてもよい。この場合、当該層は、十分な温度での酸素又は窒素との反応によりシリコン支持体から出発して成長するよう放置することができ、あるいは、シリコン内への酸素又は窒素イオン注入、そして、形成した層を構造及び特徴に関して均質にするための熱拡散処理（「アニーリング」として当業界で知られているもの）を採用することもできる。

しかしながら、種々の層の成長にとって好ましい技術はスパッタリング、可能ならば反応性スパッタリングであり、これは限られたコストで形成中の層の幾何学的特性及び構造的特性の高度な制御をもたらす。更に、既述の技術に関して、スパッタリングは、本発明の目的に適した中間層を、シリコン化合物と異なる材料、例えば金属窒化物又はカーバイドで形成することができるという追加の利益をもたらす。

本発明の方法を実施するのに好ましい方法（機能素子を含まない支持体上の中間層及びゲッター材層の両方のスパッタリングによる蒸着）は、以降、前記素子が概略断面図で示されている図２を参照して説明する。

図２aは、図１の支持体と類似しているが、それとは逆さまの配向を有する支持体２０を示す。

図２bは、支持体２０上での中間層の形成操作を示す。蒸着は、好ましくは、マスク２１を前記支持体上に据えることで支持体２０の制限領域上で実施され、ここで、前記マスクは、蒸着が形成されるべき支持体２０の前記領域を規定する開口部２２を有する。図２bの矢印は、中間層２３の形成のために選択された材料の粒子の方法を指す。中間層の厚みは、当業界で周知のとおり、処理時間、電極とターゲットとの間にかけられる電力、及び蒸着されるべき材料のターゲットと支持体２０との間の距離、を調節することで制御することができる。層２３の厚みは、厚みが小さいと、その後形成されるゲッター層の分離を防ぐことができないため、少なくとも５０ナノメーター（nm）でなければならない。好ましくは、この厚みは、中間層の蒸着時間を最小化し、更に最適な機能特性を保障するために２μｍ未満である。スパッタリングによる層２３の蒸着はまた、反応条件下、例えば、希ガス中少量の酸素の存在下で実施することができ、これにより当該層を形成する材料としての酸化物が生成する。

中間層の形成操作は、他の方法でも実施することができ、例えば、蒸着相においてマスク２１を用いることなく、層２３の材料を支持体２０上に均一に蒸着し、そして次にそれを選択的に除去して所望の配置を得ることで実施することもできる。この場合、マスクの使用は、結果として蒸着された層の一部を選択的に除去する操作を必要とすることもある。

続いての操作はゲッター材層の蒸着である。また、この操作は、（層２３が既に形成されている）支持体２０上に材料を均一に蒸着し、そして次にゲッターを選択的に除去して、層２３との対応部分にのみそれを残すことで実施することができる。しかしながら、この場合も、ゲッター材層の蒸着は、好ましくは、ゲッター材が中間層上のみに蒸着するようにマスキング系を用いることで実施される。前記マスクは、図２bに示した操作で用いられるものよりも小さい開口部を有してもよいが、開口部のサイズ、形状及び配置は、ゲッター材の蒸着領域を増大するため（そして、それによりそのガス収着能を増大するため）、これまでの操作のものと同一である。これらの好ましい条件は、前記２つの操作において支持体２０に対し一定の配置で維持された、同一のマスクを利用することで、最も簡便な方法で達成され、その結果全工程が単純化する。２つの蒸着操作のために同一のマスクを用いることで、これらは中間層材料のターゲットをゲッター材料のターゲットと単に置き換え、二層の異なる材料にとって所望の厚みに基づいて２つのターゲットを用いる時間を調節することで、同一の製造工程の間に連続して実施される。この態様は図２cに表されており、ここでは、開口部２２を有する図２bの同一のマスク２１を使用してゲッター材層２４を蒸着させる。また、この場合、矢印は蒸着されるゲッター材粒子の方向を指す。

図２において、マスク２１は、支持部２０上に載せられた対象物として表される。この選択は、形成されるべき蒸着が約２００〜３００マイクロメーター以上の横方向寸法を有する場合に可能である。これらの寸法未満では、マイクロエレクトロニクスの分野で周知の手順であって、本出願人の名の下国際特許出願WO2006/109343に記載のようなゲッター材の蒸着に適用することができる手順に従い、UV感受性有機材料のフィルムの支持体上での蒸着、UV光に対する曝露及び前記フィルムの曝露部分（又は非曝露部分）の化学物質による選択的除去により得られるリソグラフマスクに頼ることが必要である。

直接接合操作に適合するゲッター材は、ジルコニウム及び、モリブデン、ニオブ、タンタル及びタングステンから選択される少なくとも第二の元素、を含む合金であって、ジルコニウムが７０〜９７重量％で存在している合金である。好ましくは、第二元素は、ニオブ及びタンタルから選択され、この場合、ジルコニウムは８５〜９５重量％で存在している。

ゲッター材層の厚みは１０μｍを超えてはならず、これは、より大きな厚みの場合、ゲッター材蒸着が、中間層の存在にも拘わらず、そしてこの後者の層の厚みとは無関係に、直接接合の間（特に、当該接合の後の冷却の間）に支持体から分離することを本発明者が実験的に観察したためである。この層の厚みは、好ましくは０．１μｍよりも大きく、これはより小さい厚みの場合、ガス収着能が低すぎであるためである。

このようにして調製された支持部２０は、層２３及び２４が加えられて、MEMS製造方法の次の操作、特に支持部１０のような支持体を用いた直接接合を受ける。当業界で既知のとおり、直接接合の良好な品質を保証するためには、互いに溶接される２つの表面が予め洗浄及び表面改質処理、例えば機械研磨、ラップ仕上げ又はケミカルウォッシュにかけられるのが好ましい。これらの処理は、好ましくは中間層とゲッター層の蒸着工程前に実施されるが、それらは、本出願人の名の下国際特許出願WO2005/047558に記載のように、前記蒸着工程の後に実施することもできる。密封工程は、上文で説明した理由のため、減圧下所定のガス（例えば、希ガス）の存在下、キャビティ内で一定の気圧を有するMEMSデバイスを得るために、実施することができる。

図１は、従来技術を参照して既述のMEMSデバイスの断面図を図示する。 図２は、本発明の方法を特徴付ける操作の主なステップを示す。

Claims (9)

1. 一方がシリコンで作られており、他方がシリコンあるいは半導体材料、セラミック材料又は酸化物材料で作られている２つの支持部（１２，２０）の間を直接接合させる工程を含んで成るマイクロメカニカルデバイスを製造する方法であって、
   前記デバイスの機能素子（１１）及び任意の補助素子はこれらの支持部の少なくとも１つの上に存在しており、且つゲッター材の蒸着（１３，２４）がシリコン支持部上に存在しており、前記方法は、以下の工程：前記デバイスの機能素子（１１）及び任意の補助素子が構築されている第一支持部（１０）を準備する工程；第二支持部（２０）を準備する工程；ここで、前記第一支持部及び第二支持部は、対合する際に、前記機能素子、補助素子及びゲッター材蒸着が収納されるキャビティ（１４）を形成するように形成される；前記２つの支持部を接近させて前記キャビティを形成させる工程及び前記２つの支持部を、直接接合により溶接する工程、を含んで成り；前記方法は、前記ゲッター材蒸着が、少なくとも５０ナノメーターの厚さを有するガラス質材料、セラミック材料又は酸化物材料の中間層（２３）を前記シリコン支持部上に形成する第一操作及び１０マイクロメーター未満の厚さを有するゲッター材層（２４）を前記中間層に蒸着させる第二操作によって、前記シリコン支持部上に形成されることを特徴とし；且つ用いられたゲッター材がジルコニウム及び、モリブデン、ニオブ、タンタル及びタングステンから選択される少なくとも第二の元素、を含む合金であって、ジルコニウムが７０〜９７重量％で存在している合金であること、を特徴とする方法。
2. 前記第二元素が、ニオブ及びタンタルから選択され、ジルコニウムが前記合金中に８５〜９５重量％のパーセンテージで存在している、請求項１に記載の方法。
3. 前記中間層が、酸化ケイ素又は窒化ケイ素から作られており、そしてその形成が前記シリコン支持部と酸素又は窒素との反応によって実施される、請求項１に記載の方法。
4. 前記中間層が陰極析出を通じて形成される、請求項１に記載の方法。
5. 陰極析出がシリコン支持部（２０）の制限領域上で実施され、これが、前記ゲッター材の蒸着が後に形成されるシリコン支持部（２０）の一領域を規定する開口部（２２）を有するマスク（２１）を前記支持部上に据えることで実施される、請求項４に記載の方法。
6. ゲッター材層（２４）の蒸着操作が陰極析出によって生じる、請求項１に記載の方法。
7. ゲッター材層（２４）の蒸着操作が前記中間層上のみで実施され、これが、前記中間層の形成において使用されたマスクのサイズより小さいか又はそれと同じサイズを有する開口部を有するマスクをシリコン支持部（２０）上に据えることで実施され、その結果、ゲッター材が前記中間層にのみ蒸着するようにシリコン支持部（２０）に配列される、請求項６に記載の方法。
8. 前記中間層及びゲッター材層の形成操作が、シリコン支持部（２０）に対し一定の配列で同一のマスク（２１）を使用することで生じる、請求項７に記載の方法。
9. ゲッター材層の厚みが０．１〜１０μｍの間である、請求項１に記載の方法。

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