JP5244609B2 - 隆起特徴部を有する金属合金を用いたウェハレベル気密接合 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
この米国特許出願は、２００５年８月２６日出願の米国特許出願第１１／２１１，６２２号（代理人整理番号ＩＭＴ−Ｐｒｅｆｏｒｍ）の一部継続出願である。その内容は、全体を参照により本願明細書に組み込む。

（合衆国政府の支援による研究開発に関する陳述）
適用せず。

（マイクロフィッシュ付録への言及）
適用せず。

本発明は、筐体におけるマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスの封止および封止された筐体の製作方法に関する。特に、本発明は、ＭＥＭＳデバイスを支持する組み立てウェハとリッドウェハとの間の気密封止の形成に関する。

マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）は、半導体電子デバイスを製作するために開発されたリソグラフィック製造工程を用いて製造される移動可能構成部材を有することが多いデバイスである。製造工程は、リソグラフィック工程であるため、ＭＥＭＳデバイスは、きわめて小さなサイズでバッチ製造してもよい。ＭＥＭＳ技術は、種々のセンサおよびアクチュエータ、たとえば加速度計および静電式片持ち梁を製作するために用いられてきた。

ＭＥＭＳ技術はまた、一般に、スイッチを作動させるための静電作動手段を用いて、小さなサイズの電気リレーまたはスイッチを製作するためにも用いられている。ＭＥＭＳデバイスは、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）デバイスウェハを利用することが多い。シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）デバイスウェハは、相対的に薄いシリコン「デバイス」層が続く薄い二酸化ケイ素の絶縁層を有する相対的に厚いシリコン「処理」ウェハである。ＭＥＭＳスイッチにおいて、シリコンの薄い片持ち梁が、シリコンデバイス層の中にエッチングされ、梁が静電力で偏向することを可能にするために、通常、薄い二酸化ケイ素層をエッチングすることによって、キャビティが、片持ち梁に隣接して形成される。梁の上または下に設けられた電極は、片持ち梁に対する引力（または反発力）を生成し、キャビティ内で偏向させる電位差を提供しうる。

ＭＥＭＳデバイスは、片持ち梁などの移動可能構成部材を有することが多いため、通常、保護キャップまたはリッドウェハにデバイスを封止することによって、デバイスキャビティを形成し、移動可能な部分を保護することが必要である。リッドウェハは、何らかの接着手段、たとえば、気体放出の少ないエポキシなどによってデバイスウェハに固定されてもよい。図１は、ＭＥＭＳアセンブリ１における例示のエポキシ接合の実施形態を示している。エポキシ接合を達成するために、エポキシ２０の層は、ＭＥＭＳデバイス３４の周囲にあるキャップまたはリッドウェハ１０、あるいは組み立てウェハ３０の上に堆積される。組み立てウェハ３０に対してウェハ１０を押し付けた状態で、接合がキャップまたはリッドウェハ１０と組み立てウェハ３０との間に形成されるまで、アセンブリ１は次に、加熱されるか、またはエポキシを他の方法で硬化される。接合は、ＭＥＭＳデバイス３４を包囲するデバイスキャビティ４０を形成する。アセンブリ１は、個別のＭＥＭＳデバイス３４を分離するために切断されてもよい。

しかし、エポキシ接合は、気密性ではなく、組立中に、ＭＥＭＳデバイスが最初に包囲される気体は、時間と共に逃げ、周囲の空気によって取って代わられる可能性がある。特に、ＭＥＭＳデバイスが、電話信号などに関連するスイッチなどの相対的に高電圧を処理することを意図している静電ＭＥＭＳスイッチである場合には、電圧は、たとえば、約４００Ｖを超える可能性がある。これらの相対的に高電圧の場合には、空気の絶縁破壊および高電圧線間のアーク放電を阻止するために、高い絶縁耐力環境、たとえば、電気的に絶縁する気体環境などに静電ＭＥＭＳスイッチを封止することが望ましい場合がある。このために、デバイスキャビティ内に、高い絶縁耐力気体または電気的に絶縁する環境、たとえば、六フッ化硫黄（ＳＦ₆）、ヘリウム（Ｈｅ）またはフレオン、たとえばＣＣｌ₂Ｆ₂またはＣ₂Ｃｌ₂Ｆ₄などを封止することが望ましい場合がある。気体は、実質的に熱的に絶縁および実質的に電気的に絶縁のうちの少なくとも１つであるように選択されてもよい。絶縁環境はまた、真空または部分真空であってもよい。静電ＭＥＭＳスイッチの周囲の環境を維持するために、封止は、気密である必要がある。

ここに記載されたシステムおよび方法は、デバイスウェハとキャップまたはリッドウェハとの間に気密封止を形成する。封止構成は、金層の上に堆積されるインジウム層を含みうる。金層およびインジウム層は、たとえば、イオンビームスパッタ堆積、メッキまたは、金層およびインジウム層が堆積されることになっている領域を画定するためにシャドウマスクを用いたスパッタリングによって堆積されてもよい。金層およびインジウム層は次に、インジウムの融点（１５６℃）を超える温度まで加熱される。この融点でインジウムは、金の中に溶融し、合金ＡｕＩｎ_xを形成する。合金ＡｕＩｎ_xは、化学量論的組成ＡｕＩｎ₂を有してもよく、急速に凝固するような共晶物であってもよい。合金は、ＳＦ₆などの電気的に絶縁する気体または高誘電性の透過ガスに対して不浸透性であってもよく、したがって、気密封止を形成してもよい。インジウムは、相対的に低い温度で溶融するため、気密封止は、わずか１５０℃程度の温度で形成される。したがって、封止の形成は、数百℃の温度で溶融または揮発するような金属フィルムなどの相対的に脆弱なフィルムの存在と相性がよい。封止成形工程はまた、種々の材料（金属、誘電体、ポリマー）のフィルムの積層がデバイスに存在することを可能にする。そのような積層は、たとえわずかに高温であっても、層状に剥離し、機能性を失う傾向がある。それにもかかわらず、合金は、数百℃まで安定であるため、封止は、これらの温度までその完全性を維持しうる。

したがって、気密封止を形成するためのシステムおよび方法は、第１の基板の上に形成されるＭＥＭＳデバイスの周囲の第１の基板の上に第１の金属層を形成し、第２の基板の上に第２の金属層を形成し、第１の金属および第２の金属からなる合金を用いて、第１の基板を第２の基板に結合することを含みうる。

金属層は、１つの基板の表面の上に形成される剛性の隆起特徴部の上方に堆積され、今度は、金属層中に隆起領域を形成してもよい。この隆起領域は次に、他の基板の上に堆積される他の金属の対向する層に貫入し、それによって、隆起特徴部の金属の組成が相対的に豊富な領域を確保する。たとえば、隆起特徴部がデバイスウェハの上に堆積され、次に、金層の等角堆積が続く場合には、隆起特徴部は、堆積された金層に、対応する隆起特徴部を生成する。ウェハを組み立てるときに、金突出部は、より低い融点の金属、ここではインジウム金属の溶融層に貫入し、金の濃度の濃い領域を生成する。この領域に隣接しているのは、インジウムが多く金が少ない領域である。これらの２つの領域の間には、合金の好ましい化学量論的組成を形成するために、金属の所望の相対濃度を略正確に有する領域を生じる。

これらおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載されるか、または以下の詳細な説明から明白となる。
種々の例示の詳細は、以下の図面を参照して記載される。

ここに記載されたシステムおよび方法において、ＭＥＭＳデバイスは、キャップまたはリッドウェハを用いて密閉される。ＭＥＭＳデバイスは、たとえば、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）複合基板または任意の他の適切な基板の上に既に形成されていてもよい。封止機構は、２金属合金であってもよく、シリコン・オン・インシュレータ複合基板をキャップまたはリッドウェハと接合する。２金属合金は、合金が形成後、急速に凝固するように、構成分子のいずれかの融点よりはるかに高い融点を有してもよい。合金は、気密封止を形成し、ＭＥＭＳデバイスの封入領域から封入気体が漏れないようにしてもよい。封止は、金属合金封止であるため、キャップまたはリッドウェハとデバイスウェハとの間の電気的連続性も提供しうる。

図２は、気密封止の形成前の例示の２金属合金封止型アセンブリ１００の断面図を示す。図２に示されているように、アセンブリ１００は、第１の基板１１０の上に堆積される第１の金属層１３０を含んでもよい。第１の基板１１０は、キャップまたはリッドウェハであってもよい。別の金属層３３０は、第２の基板３１０の上に堆積されてもよく、この金属層３３０は金属層１３０と同一の金属材料であってもよい。別の金属層５００は、第２の金属材料からなってもよく、第２の基板３１０の上の金属層３３０の上方に堆積されてもよい。第２の基板３１０は、複数のＭＥＭＳデバイス３４０が既に組み立てられているシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板などの任意の適切な基板であってもよい。ＭＥＭＳデバイスの詳細は、本発明の理解に必要ではないため、ＭＥＭＳデバイス３４０は、図２のほか、以下の図面では概略的に示されているだけである。この説明は、ＭＥＭＳデバイスの密閉に関係があるが、ここで開示されたシステムおよび方法は、密閉を必要とする任意のデバイスに適用されてもよいことを理解すべきである。ＭＥＭＳデバイス３４０は、金属層間、たとえば、図２に概略的に示されているように、金属層３３０と金属層３３２との間の領域に位置してもよい。第１の基板は、たとえば、アモルファスシリコン、結晶シリコン、ガラス、石英またはサファイアをはじめとする任意の適切な材料であってもよい。金属基板、例えばニッケル・鉄・コバルト合金であるコバール、またはニッケルおよび鉄の３６／６４合金であるインバールなどを用いてもよい。いずれの金属も、シリコンの熱膨張係数にきわめて近い熱膨張係数を有し、第２の基板３１０と第１の基板１１０との間の接合における応力を最小限にすることに関して、好都合である可能性がある。

金属層１３０および３３０は、金属材料の単一層ではなく多層であってもよいことを理解すべきである。たとえば、層１３０および３３０は、層１３０または３３０の中に金属のさらなる層を含み、基板１１０または３１０がそれぞれ金属層１３０または金属層３３０に接着することを促進してもよい。たとえば、層１３０および３３０が金層である場合には、基板１１０の表面に対する金層１３０および３３０の接着を促進するクロム（Ｃｒ）の薄層も含んでもよい。クロム層は、厚さにおいて、たとえば、約５０オングストローム〜約２００オングストロームであってもよい。さらに、金属層１３０または金属層３３０への接着層の金属の拡散を防止する拡散障壁層が存在してもよい。たとえば、金層１３０および３３０はまた、金層へのクロム接着層の拡散を防止する厚さにおいて約１００オングストロームのモリブデンの薄層を含んでもよい。そうでなければ、金属層１３０の電気抵抗を増大することになる。金属層１３０の残る部分は、金であってもよく、たとえば、厚さにおいて３０００オングストローム〜約５０００オングストロームであってもよい。

図２に示されているように、金属層５００がその溶融温度を超えるまで加熱される場合に、金属層５００の流出に対応する対応するために、金属層１３０および３３０は、金属層５００より広く構成されてもよい。たとえば、金属層１３０および３３０は、幅約２００μｍに構成されてもよいのに対し、金属層５００は、わずか幅約８０〜約１５０μｍに構成されうる。したがって、金属層５００が融解され、金属層１３０と金属層３３０との間の圧力下に配置される場合には、接合領域から外側に流れる可能性がある。金属層１３０および３３０を金属層５００より広く構成することによって、金属層５００の流出は対応されると同時に、金属層１３０と金属層３３０との間に金属層５００を依然として維持しうる。

金属層５００の表面および金属層１３０の表面は、接合に備え、合金接合の強度を強化するために、清浄化してもよい。清浄化手順は、表面のイオンミリング、または、金属層１３０を有する基板１１０、および金属層３３０と５００を有する基板３１０を、塩酸（ＨＣｌ）または硝酸の溶液に浸漬することを含んでもよい。塩酸または硝酸は、金属層１３０、５００および３３０の上方に形成される自己不動態化した金属酸化物表面の除去のために用いられてもよい。酸素プラズマは、前の処理から残った残留フォトレジスト、または取り除かなければ合金接合の形成を妨げうる任意の他の有機物を除去するために、用いられてもよい。酸素プラズマ処置は、酸に浸漬する前に行われてもよい。

金属層１３０、５００および３３０の材料は、図３に示されているように、金属層１３０、５００および３３０が合金５１０を形成しうるように選択されてもよい。合金５１０は、金属層１３０、３３０または金属層５００のいずれかの材料よりはるかに高い融点を有しうる。合金５１０は、金属層１３０および３３０および／または金属層５００のいずれかまたは両方の材料の融点を超えるまでアセンブリ１００を加熱することによって形成される。金属層１３０および３３０および金属層５００からなる合金５１０は、金属層１３０、３３０または金属層５００の元の金属材料よりはるかに高い融点を有しうるため、合金５１０は、急速に凝固して、ＭＥＭＳデバイス３４０を気密封止内に封止しうる。気密封止によるＭＥＭＳキャビティにおいて封止されうる例示の環境としては、たとえば、ＳＦ₆、ＣＣｌ₂Ｆ₂またはＣ₂Ｃｌ₂Ｆ₄およびＮ₂などの実質的に熱的に絶縁する気体または電気的に絶縁する気体、真空および部分真空が挙げられる。「実質的に絶縁する」ことによって、気体環境は、室温における１気圧の導電率または熱伝導率の５０％未満を有することを理解すべきである。

一つの例示の実施形態において、第１の金属層１３０および第３の金属層３３０は、金（Ａｕ）であり、第２の金属層５００は、インジウム（Ｉｎ）である。インジウム金属層５００に対する金層１３０および３３０の厚さの比は、厚さに基づいて約１対１の比であってもよい。金がインジウムの約４倍の高密度であるため、この比は、金／インジウム合金ＡｕＩｎ_Xを形成するために、層１３０および３３０における金の適切な量を確保し、このときのｘは約２であり、基板１１０および３１０に対する良好な接着を確保するために依然として十分な金が残っている。合金５１０の形成時に、急速に凝固して、気密接合を形成するように、金／インジウム合金ＡｕＩｎ_X５１０は、インジウム元素５００よりはるかに高い融点を有しうる。たとえば、金／インジウム合金の融点は、５４０℃であってもよいのに対し、インジウム元素の融点は、わずか１５６℃である。

金は、室温でゆっくりインジウムの中に拡散し、４００℃未満で融解しない合金ＡｕＩｎ_Xを構成する融解温度よりもはるかに下の温度でインジウムの中に完全に拡散する。したがって、意図する前に接合が形成されないようにするために、低温で、アセンブリを処理して格納するために注意が払われうる。

インジウムの融点（１５６℃）を超える処理温度までアセンブリ１００を加熱するとき、インジウムは溶融することになる。次に、金層１３０および３３０と溶融インジウム５００の混合を促進するために、基板１１０が基板３１０に押し付けられてもよい。押圧力によって接合領域から溶融インジウムをすべて押し出すことを避けるために、スタンドオフが、基板１１０と基板３１０との間で最小限の距離を規定してもよい。

図４は、スタンドオフ１４００を含む例示の一実施形態による図２に示されたデバイスと類似のデバイスの１つの接合領域１０００のさらに詳細な図の断面図である。スタンドオフ１４００は、金属フィルムを堆積する前に、リッドウェハに形成されてもよい。スタンドオフ１４００は、スタンドオフに対応する領域の上方にフォトレジストを堆積してパターン形成し、約２〜約３μｍの深さまでリッドウェハの残りの表面をエッチングすることによって形成されてもよい。接合領域全体を覆うために、フォトレジストを除去して、再堆積した後、より深いキャビティがエッチングされてもよい。これらのより深いキャビティは、デバイスキャビティ１１２０およびパッドキャビティ１１３０を含んでもよい。デバイスキャビティ１１２０は、移動するために、ＭＥＭＳデバイス３４００用のクリアランスを提供するのに対し、パッドキャビティ１１３０は、パッド１８００などの外部接合パッド用のクリアランスを提供する。この簡略図には示されていないが、外部パッド１８００は、ＭＥＭＳデバイス３４００への電気的アクセスを提供してもよい。パッド１８００の上方のパッドキャビティ１１３０は、接合パッド１８００を露出させるために、リッドウェハの後の切断用のクリアランスを提供してもよく、これにより、デバイスウェハ３１００から分離する前に、デバイス３４００のプロービングを可能にする。

スタンドオフ１４００の形成後、リッドウェハ１１００は、第１の金属の第１の層および第２の金属の第２の層である接合剤を用いてメッキされてもよい。一つの例示の実施形態において、リッドウェハ１１００は、約２．５μｍの金１３００でメッキされ、次に、約４〜約５μｍのインジウム１５００でメッキされる。さらに、デバイスウェハ３１００は、第１の金属の第３の層を用いてメッキされてもよい。この例示の実施形態において、デバイスウェハ３１００は、約６μｍの金３３００でメッキされる。上記で開示された厚さは例示に過ぎず、厚さが金属合金２００の形成に適している限り、用途の要件に応じて、他の厚さが選択されてもよいことを理解すべきである。２つのさらなる金特徴部１６００および１７００が、金層３３００と同時に形成されてもよい。これらのさらなる金特徴部１６００および１７００は、溶融インジウムを閉じ込めて、ＭＥＭＳデバイス３４００または外部パッド１８００のいずれかに流れ込んで妨害しないようにするために、接合領域のいずれかの側におけるダムを形成してもよい。次に、インジウム層１５００を溶融し、金／インジウム合金５１０を形成するために、アセンブリ１０００は、約１８０℃まで加熱されてもよい。金／インジウム合金５１０の形成を支援するために、リッドウェハ１１００およびデバイスウェハ３１００は、約１大気圧で共に押圧されてもよい。合金５１０は、直ちに凝固し、ＭＥＭＳデバイスの周囲に気密封止を形成してもよい。次に、アセンブリ１０００は、室温まで冷却されてもよい。

図５は、スタンドオフ１４００を用いない例示の実施形態４０００を示す。代わりに、図５の実施形態４０００において、隆起特徴部５０５０は、金層５３００の堆積前に、デバイスウェハ５１００の上に堆積される。本願明細書で用いられるとき、「隆起特徴部」なる語は、デバイスの合わせ面を超えて突出し、デバイスウェハ５１００の表面とリッドウェハ４１００の表面との間の最小距離を確立し、その上に少なくとも１つの接合剤が堆積されうる特徴部を指す。隆起特徴部５０５０の存在は、ここでは、デバイスウェハ５１００の表面および隆起特徴部５０５０の上に等角に堆積される金層５３００である接合剤の対応する隆起特徴部５３５０を生成する。以下にさらに記載するように、金層５３００の結果的に生じる隆起特徴部５３５０は、２つの基板、すなわちデバイスウェハ５１００とリッドウェハ４１００との間の合金接合の形成を強化しうる。第２の金属の第２の層、ここではインジウム層４５００は、第１の金属の第３の層、ここでは金層４３００の上に堆積されてもよい。第２の層４５００および第３の層４３００は、ここではリッドウェハ４１００であってもよい第２の基板の上に堆積されてもよい。

デバイスウェハ５１００が、処理中に、リッドウェハ４１００に向かって動かされると、金層５３００の隆起特徴部５３５０は、対向する金層４３００に触れるか、または触れそうになるまで、溶融インジウム層４５００に貫入する。図６は、インジウム層４５００に貫入する金層５３００の隆起特徴部５３５０によって、デバイスウェハ５１００およびリッドウェハ４１００が合わせられた後の、図５の実施形態を示す。インジウム層４５００が溶融されるため、デバイスウェハ５１００とリッドウェハ４１００の合わせ面が、金層５３００における隆起特徴部５３５０によって画定される最小距離に達するまで、接合線領域から自由に流出することができる。したがって、隆起特徴部５３５０は、図４に示される実施形態において、スタンドオフ１４００と同一の機能を果たしてもよい。

溶融インジウム４５００の大部分は、金隆起特徴部５３５０と金層４３００との間の領域から押し出されてもよいため、この領域は、化学量論的組成ＡｕＩｎ_x（ｘは２未満である）を有する可能性が高い金／インジウム合金の形成のための金が多い領域５２００を形成してもよい。金隆起特徴部５３５０および金が多い領域５２００から遠い他の領域において、金／インジウム合金の化学量論的組成は、相対的にインジウムが多くかつ金が少なくなっていてもよく、合金ＡｕＩｎ_x（ｘは２を超える）を形成する可能性が高くなりうる。これらの２つの領域の間で、概ね完全な化学量論的組成、すなわち、合金の化学量論的組成が概ねＡｕＩｎ₂（これは、所望の合金であろう）である領域が存在する可能性が高い。この領域において、合金４５１０は、周囲の環境からデバイス５４００を封止する気密封止を形成してもよい。したがって、金属層の下に隆起特徴部５０５０を形成することによって、適切な化学量論的組成の少なくとも１つの領域が形成され、したがって、所望の気密封止を作成する可能性がさらに高い。

金が多い領域および金が少ない領域によって上述した輪郭は、隆起特徴部５０５０および５３５０の中心線を中心にして対称であってもよく、金が多い領域５２００にそれぞれ隣接する適切な化学量論的組成の少なくとも２つの領域を生じ、したがって、実施例において中心線を中心として二重封止を形成する。

隆起特徴部５０５０は、適切な機械的能力を有する材料、すなわち、約２００℃の処理温度でその剛性を維持し、そうでなければ金またはインジウムと反応しない材料から構成されてもよい。たとえば、隆起特徴部５０５０は、先にメッキされた金層、堆積またはメッキされるニッケル（Ｎｉ）層、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）またはチタン（Ｔｉ）層、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポリシリコン、アモルファスシリコン、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）などの無機誘電層、またはＳＵ８、ポリイミドまたはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などのスピンコートされた耐温性のポリマー層などの金属から形成されてもよい。一実施形態において、銅（Ｃｕ）が、厚さ約３μｍ〜約６μｍに電気メッキすることによって堆積される。銅は、この実施形態において、便宜上選択され、可動ＭＥＭＳデバイス５４００の下に位置する犠牲層などの他の銅特徴部と同時に堆積されてもよい。一般に、隆起特徴部５０５０の厚さ（または高さ）は、第２の金属層に貫入するか、略貫入するように、第２の金属層、ここではインジウム層４５００の厚さの程度であってもよい。一般に、隆起特徴部の高さは、約３μｍ〜約６μｍの高さであってもよい。たとえば、隆起特徴部５０５０の厚さ（または高さ）は、約４．８μｍであり、インジウム層の厚さは約５．３μｍであってもよい。隆起特徴部の幅は、接合線を形成する金属層４３００、４５００および５３００の幅の約４分の１〜約２分の１であってもよい。一つの例示の実施形態において、隆起特徴部の幅は、約２０μｍ〜約４０μｍであり、接合線の層４５００の幅は、溶融前には約８０〜約１５０μｍであり、金属層４３００および５３００の幅は、約２００μｍである。第１の金属の第１の層、ここでは金層５３００の厚さは、約６μｍである。第２の金属、ここではインジウム４５００の第２の層の厚さは、約４〜約６μｍであり、第１の金属の第３の層、ここでは金層４３００の厚さは、約２．５μｍである。結果的に生じる合金４５１０の総厚は、厚さ約４〜約６μｍであってもよい。

図５に示された実施形態は、スタンドオフ１４００が、リッドウェハの上に形成される必要がなく、この特徴部の形成のための上述した処理ステップを削減するという利点を有しうる。さらに、図５と図４の比較は、スタンドオフ１４００の削減はまた、接合動作専用でなければならないウェハの領域も減少させうることを明らかにする。また、２つの領域の少なくとも一方において、ＡｕＩｎ_x合金の適切な化学量論的組成を保証することによって、効果的な気密封止が形成されてもよい。実は、図５に示される実施形態によって行われるデバイスの試験は、図４に示された実施形態に比べて、約８０％〜約９５％のダイ収率の気密性における改善が実現された。この改善された気密封止は、図４に示された実施形態によって構成された封止に比べて、温度サイクルに対してはるかに耐性がある可能性がある。接合線が本質的に軟性および延性であり、二重封止は、隆起特徴部５３５０の中心線の周囲に形成されるためである。図６に示される実施形態によって行われた設計の断面写真は、恐らく一部の望ましくない化学量論的組成において接合線の長さに沿って伝わるように見える亀裂を示す。亀裂は、隆起特徴部５３５０を横切って伝わるようには見えなかった。隆起特徴部５０５０の高さが、スパッタリング、電気メッキ、リソグラフィックまたは他の均一な堆積方法によって制御されるため、基板４１００と基板５１００との間の最小距離は、きわめて厳密に制御されうる。隆起特徴部５０５０および５３５０の高さ（４．８μｍ）がインジウム層の厚さ（５．３μｍ）と略同一であるために、隆起特徴部は、インジウムの体積を効果的に分割し、隆起特徴部５３５０と金フィルム４３００との間に、この接合線の間から押し出されやすい相対的に少量の残留溶融インジウムが残りうる。このより少なく押し出された体積は、接合動作をさらに確実かつさらに反復性のものにしうる。

インジウムの流出をさらに閉じ込めるために、図５の実施形態はまた、接合線の両側に１対の金特徴部５６００および５７００を有してもよく、この特徴部は、デバイスキャビティ４１２０領域またはパッドキャビティ４１３０領域への溶融インジウムの流れ込みを妨げるためのダムとして機能する。これらの特徴部は、図４に示される例示の実施形態における特徴部１６００および１７００と類似の機能を果たしてもよい。

図７は、図５の断面に示された例示の実施形態の平面図を示す。図６に示されているように、隆起特徴部は、連続周縁部としてＭＥＭＳデバイス５４００を完全に取り囲んでもよい。あるいは、隆起特徴部は、隆起線ではなく、一連の隆起パッドまたは突出部などのデバイスの周縁部の周囲の一定部分にのみ存在してもよい。デバイスを完全に取り囲む隆起線ではなく、隆起パッドは、作製中にデバイスキャビティに気体が自在に出入りするという利点を有しうる。これは、気密封止が構成される前に、隆起特徴部の前後に係る圧力差が釣り合わせられることを可能にし、所望の気体が封止前に、ＭＥＭＳデバイス５４００の周囲の気体と完全に入れ替わることを可能にしうるため、好都合である場合がある。

図８は、隆起特徴部を用いた金属合金気密封止の第２の実施形態６０００を示す。図８に示されているように、デバイスの周縁部の周囲には２つ以上の隆起特徴部、たとえば、２つの隆起特徴部７０５０および７０６０があってもよい。図５および図６に示される第１の実施形態と同様に、隆起特徴部７０５０および７０６０は、犠牲材料、たとえば、デバイスウェハ７１００の表面の上に電気メッキされる銅から形成されてもよい。隆起特徴部７０５０および７０６０の存在は、隆起特徴部７０５０および７０６０の上方への等角の金層７３００の堆積時に２つの対応する隆起特徴部７３５０および７３６０を形成させる。既に述べたように、接合線は、別の電気メッキ金層６３００のほか、電気メッキインジウム層６５００を含みうる。２つの隆起特徴部７０５０および７０６０が図８には示されているが、これは例示に過ぎず、任意の数のさらなる隆起特徴部を用いてもよいことを理解すべきである。また、隆起特徴部は、図７に示されているようにデバイスを完全に取り囲んでもよく、または隆起特徴部は個別であり、たとえば一連の隆起突出部を形成してもよいことを理解すべきである。また、既に述べたように、２つのさらなる金特徴部７６００および７７００は、デバイスキャビティ６１２０またはパッドキャビティ６１３０への溶融インジウムの流れ込みを遮断するためのダムとして機能してもよい。前の実施形態と同様に、隆起特徴部７３５０および７３６０は、溶融インジウム６５００の層に貫入して、各隆起特徴部のための少なくとも２つの位置を提供してもよく、好ましい合金ＡｕＩｎ₂を形成するために、インジウム対金の比は、１：２であることが好ましい。

図９は、隆起特徴部を有する金属合金接合の第３の例示の実施形態８０００を示す。この実施形態において、隆起特徴部８０５０および８０６０は、インジウム層の外側に位置し、したがって、第１および第２の実施形態の場合のように、インジウム層に貫入しない。前の実施形態と同様に、金８６００および８７００の層は、隆起特徴部８０５０および８０６０のそれぞれの上方にそれぞれ堆積されて、金隆起特徴部８６５０および８７６０をそれぞれ形成する。これらの金隆起特徴部８６５０および８７６０は、インジウム層８５００の外側に位置するため、隆起特徴部８６５０および８７６０は、接合線領域を超えてデバイスキャビティ８１２０または外部接合キャビティ８１３０への溶融インジウムの流れ込みを妨げる唯一のダムのほか、デバイスウェハ８１００とリッドウェハ８２００との間の最小距離を画定するスタンドオフを提供する。この実施形態は、最初の２つの実施形態の改善した接合特性を提供することはないであろうが、スタンドオフ、すなわち金特徴部８６５０および８７６０を接合線の中に配置することによって、デバイスウェハ８１００をリッドウェハ８２００と接合することに徹したウェハ領域を依然として削減する。この実施形態はまた、機械的スタンドオフ機能を提供するため、したがって、図４に示された隆起特徴部がない実施形態において、リッドウェハの上にスタンドオフリング１４００を形成するために必要な工程ステップを削減する。

図１０は、隆起特徴部を有する金属合金接合の第４の実施形態９０００を示す。第４の実施形態９０００において、隆起特徴部９０５０は、デバイスウェハ９１００ではなく、リッドウェハ９２００の上に配置される。この実施形態において、層の厚さおよび隆起特徴部の幅などの設計の他の態様はすべて、図５に示される第１の実施形態と同一であってもよい。さらに、図１０に示される唯一の隆起特徴部ではなく、リッドウェハ９２００の上に形成される複数の隆起特徴部があってもよい。次に、隆起特徴部９０５０の存在は、隆起特徴部９３５０を重なる金層９３００に形成させ、次いで、対応する隆起特徴部９５５０をリッドウェハ９２００の上の金層９３００および隆起特徴部９３５０の上方に堆積されるインジウム層９５００に形成させる。処理中にインジウム層９５００が溶融するようになり、デバイスウェハ９１００がリッドウェハ９２００に対して押し付けられるとき、金層９３００の隆起特徴部９３５０は、デバイスウェハ９１００の上に堆積される金層９７００に触れるか、または触れそうになるまで、溶融インジウム９５００の中に突出する。したがって、金隆起特徴部９３５０は、図５の隆起特徴部５３５０と類似の機能を果たす。すなわち、溶融されたインジウム層に貫入することによって、２つの金が多い領域を互いにきわめて接近させ、それによって、金が多い状態〜インジウムが多く／金が少ない状態までの化学量論的組成のスペクトルを形成する。それによって、隆起特徴部９０５０は、インジウム対金の比が好ましい化学量論的組成の合金ＡｕＩｎ₂を形成するために適切となっている化学量論的組成のスペクトルの下で、各隆起特徴部を中心に対称な少なくとも２つの領域を確保するのを助ける。この領域は、ＭＥＭＳデバイスの周囲に気密封止を形成してもよい。

図１１は、密閉型ＭＥＭＳデバイスの製作方法の例示の実施形態を示している。方法は、ステップＳ１００から始まり、ステップＳ２００に進み、ＭＥＭＳデバイスが第１の基板の上に形成される。ステップＳ３００において、隆起特徴部もまた、第１の基板の上に形成される。図１０に示された方法は、ＭＥＭＳデバイス後に形成される隆起特徴部を有するが、隆起特徴部はＭＥＭＳデバイスと同時に形成されてもよく、ＭＥＭＳデバイスより前に形成されてもよく、または金属層が堆積され、基板が接合される前の工程において実装されることが都合のよい任意の時点で形成されてもよいことを理解すべきである。種々の例示の実施形態において、隆起特徴部は、第１の基板の上に電気メッキされる銅から構成される。ステップＳ４００において、第１の金属層は、隆起特徴部の上に形成される。ステップＳ５００において、第２および第３の金属層は、第２の基板の上に形成される。種々の例示の実施形態において、第２の基板は、たとえば、アモルファスシリコン、結晶シリコン、ガラス、石英、サファイアまたは金属を含むリッドウェハであってもよい。

ステップＳ６００において、第１の基板は、第２の基板と、たとえば、互いに対してそれらの合わせ面を配置することによって組み合わせられる。ステップＳ７００において、組み立てられた基板を収容するチャンバが、所望の環境によって満たされる。例示の環境としては、たとえば、ＳＦ₆、Ｈｅ、ＣＣｌ₂Ｆ₂またはＣ₂Ｃｌ₂Ｆ₄およびＮ₂などの熱的に絶縁および電気的に絶縁する気体、真空および部分真空が挙げられる。

ステップＳ８００において、アセンブリは、第１の基板と第２の基板との間に圧力を印加しながら加熱される。ステップＳ９００において、アセンブリは、ＭＥＭＳデバイスの周囲に気密封止を形成するために冷却される。工程は、ステップＳ１００００で終了する。

上記で概略を述べた例示の実装と共に、種々の詳細について記載してきたが、種々の代替物、改変物、変形物、改善物および／または実質的な均等物は、周知であろうと、または現在予測されていなかろうと関係なく、前述の開示内容を検討すれば、明白となりうる。たとえば、開示内容は、金／インジウム合金の形成について記載しているが、本願明細書に記載されるシステムおよび方法は、ＡｕＩｎ_xに加えて任意の数の異なる合金システムに適用しうることを理解すべきである。さらに、特定の数の隆起特徴部が例示の実施形態には記載されているが、用途に応じて、他の数の隆起特徴部が選択されうることを理解すべきである。密閉型ＭＥＭＳデバイスを製作するための方法が開示されているが、この方法は例示にすぎず、ステップは示された順で行われる必要はなく、本願明細書に記載された任意の実施形態または包含される他の実施形態を作成するために適合されてもよいことを理解すべきである。したがって、上述の例示の実装は、説明を意図しており、限定するためではない。

従来技術のエポキシ封止の断面図である。 例示の２金属気密封止を示す断面図である。 金属合金接合の形成後の例示の２金属気密封止を示す断面図である。 ２金属層を用いたウェハ接合およびリッドウェハのスタンドオフの第１の実施形態を示す断面図である。 デバイスウェハの接合線の中に隆起特徴部を有する２金属層を用いたウェハ接合の第１の実施形態を示す断面図である。 デバイスウェハおよびリッドウェハが合わせられた後の図５のウェハ接合の第１の実施形態を示す断面図である。 デバイスウェハの上の隆起特徴部を有する２つの金属層を用いたウェハ接合の第１の例示の実施形態を示す平面図である。 デバイスウェハの上の接合線の中に隆起特徴部を有する２つの金属層を用いたウェハ接合の第２の実施形態を示す断面図である。 デバイスウェハの上の接合線の中に隆起特徴部を有する２つの金属層を用いたウェハ接合の第３の例示の実施形態を示す断面図である。 リッドウェハの上の接合線の中に隆起特徴部を有する２つの金属層を用いたウェハ接合の第４の実施形態を示す断面図である。 接合線の下の隆起特徴部を用いた金属合金の気密封止を備えた密閉型ＭＥＭＳデバイスを製作するための方法の例示の実施形態である。

Claims (20)

1. 気密封止によってデバイスを密閉するための方法であって、
   接合対象である第１の基板及び第２の基板の一方に第１の金属の第１の層を形成し、
   前記第１の基板及び前記第２の基板の他方に第２の金属の第２の層を形成し、
   前記第１の基板及び前記第２の基板の一方の接合面から接合対象である他方の基板の前記第１の層又は前記第２の層に向かって突出する、少なくとも１つの隆起特徴部を形成し、
   前記第１の金属および前記第２の金属から形成される合金を用いて、前記第１の基板及び前記第２の基板の接合面を気密的に結合し、前記デバイスを密封する方法において、
   前記合金の化学量論的組成がＡｕＩｎ_２となる領域が、前記隆起特徴部の中心線を中心として二重に形成されることを含む方法。
2. 前記第２の金属の前記第２の層の下で、前記第２の基板の上に前記第１の金属の他の層を形成することをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の基板は、リッドウェハであり、アモルファスシリコン、結晶シリコン、ガラス、石英、サファイアおよび金属のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の基板を前記第２の基板に気密的に結合することは、
   前記第１の基板および前記第２の基板を組み合わせ、
   前記第１の基板および前記第２の基板を前記第１の金属および前記第２の金属のうちの少なくとも１つの融点を超える温度まで加熱し、
   前記第１の金属および前記第２の金属から前記隆起特徴部に隣接する合金を形成して、気密封止を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の基板および前記第２の基板を収容するチャンバ内に、
   熱的に絶縁および電気的に絶縁のうちの少なくとも１つの環境を確立することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記環境は、ＳＦ_６、Ｈｅ、ＣＣｌ_２Ｆ_２、Ｃ_２Ｃｌ_２Ｆ_４、Ｎ_２、真空および部分真空の少なくとも１つを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の基板と前記第２の基板との間に１気圧を印加することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
8. 前記第２の基板を切開して電気接点を露出させ、
   前記デバイスを前記第１の基板の上に形成される他のデバイスから分離する前に、前記電気接点を用いて試験することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 少なくとも１つの前記隆起特徴部は、金、ニッケル、クロム、銅、タングステン、チタン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＳＯＧ、ＳＵ８、ポリイミドおよびＢＣＢからなる群から選択される１つを含む、電気メッキされ、スピンコートされ、または堆積された物質である、請求項１に記載の方法。
10. 少なくとも１つの前記隆起特徴部が、前記第１の基板と前記第２の基板の基板間の最小距離を決める
    請求項１に記載の方法。
11. 前記隆起特徴部は、デバイスの周囲の連続周縁部および複数の突出部のうちの少なくとも１つを画定する、請求項１に記載の方法。
12. 気密封止を用いた密閉型デバイスであって、
    前記第１の基板及び前記第２の基板の一方に形成したデバイスと、
    前記第１の基板及び前記第２の基板の一方の表面から突出し、前記デバイスの周囲のほぼ周縁部に配置した少なくとも１つの隆起特徴部と、
    少なくとも１つの前記隆起特徴部上に配置した合金とを有し、
    前記合金は、第１の金属と第２の金属から形成され、前記デバイスを包囲するほぼ気密な封止により、前記第１の基板を前記第２の基板に結合しており、
    前記合金の化学量論的組成がＡｕＩｎ_２となる領域が、前記隆起特徴部の中心線を中心として二重に形成される密閉型デバイス。
13. 前記第２の基板の上に、前記第１の金属の別の層をさらに含む、請求項１２に記載の密閉型デバイス。
14. 前記隆起特徴部は、デバイスの周囲の連続周縁部および一連の隆起突出部のうちの少なくとも１つを画定する、請求項１２に記載の密閉型デバイス。
15. 前記隆起特徴部は、前記第１の基板および前記第２の基板の少なくとも１つの表面から、３μｍ〜６μｍ突出する、請求項１２に記載の密閉型デバイス。
16. 前記第２の基板の上に、前記第１の金属の別の層をさらに含み、
    前記別の層は、６μｍの厚さであり、前記合金は、４μｍ〜６μｍの厚さである、請求項１５に記載の密閉型デバイス。
17. 少なくとも１つの前記隆起特徴部が、前記第１の基板と前記第２の基板の基板間の最小距離を決めている
    請求項１２に記載の密閉型デバイス。
18. デバイスとともに気密的に密閉された環境であって、該環境は、実質的に熱的に絶縁および実質的に電気的に絶縁の少なくとも１つである、請求項１２に記載の密閉型デバイス。
19. 前記環境は、ＳＦ_６、Ｈｅ、ＣＣｌ_２Ｆ_２、Ｃ_２Ｃｌ_２Ｆ_４、Ｎ_２、真空および部分真空の少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の密閉型デバイス。
20. 前記環境は、１気圧を超える圧力である、請求項１９に記載の密閉型デバイス。

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