JP5270104B2

JP5270104B2 - マイクロ電子コンポジット特にｍｅｍｓの密閉キャビティ内の被包構造

Info

Publication number: JP5270104B2
Application number: JP2007068925A
Authority: JP
Inventors: フィリップ・ロベール
Original assignee: コミッサリアアレネルジーアトミークエオゼネルジザルタナテイヴ
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: FR2898597B1; FR2898597A1; EP1834924B1; EP1834924A3; US20070218585A1; JP2007245339A; EP1834924A2; US7723141B2

Description

本発明は、マイクロ素子特に、密閉キャビティ内に隔離されたマイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム（ＭＥＭＳ）の分野に関するものである。
本発明は特に、制御された廉価のキャビティの使用を可能とするＭＥＭＳであって、その中に具備され結合するコンポーネントの性能を損なうことのないＭＥＭＳを製造する方法に関するものである。
本発明はまた、この方法による特徴的な仲介素子に関するものである。

マイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム、アクチュエータ又はセンサーは進歩し続けている。多くの場合、アクティブコンポーネントは、その経時変化を防止し又は測定信頼性を向上させるために、気体及び水分に対して密閉的なキャビティ内に隔離されるのが好ましい。例えば、化学反応の防止を可能とし、又は、大なり小なり高い真空内にキャビティを結合し得る中性ガスによって、キャビティ内の雰囲気を制御（調整、コントロール）することも望まれている。このようなキャビティの形成は、すなわち、マイクロシステムの被包（通常“パッケージング”と称する）はマイクロ素子開発のキーである。

パッケージングは装置上において、例えば密閉ハウジング内にチップの位置決めを行う際に実施してもよい。しかしながら、この態様は比較的高価であり、アセンブリの微小化を制限する。発展の他の可能性は基板スケールの被包に関するものである。

この方法では、例えば、欧州特許出願第0525764号に記載されているように、“薄膜パッケージング”と呼ばれる、適切な表面技術によってマイクロシステムの周りに堅固なキャビティを作製することも可能である。問題は、キャビティ内に非常によい真空又は制御された雰囲気を得ることが非常に難しいことである。

他の態様は、マイクロシステムの周囲に密閉結合によって転写されたカバーを用いることを含む（“ウェハーレベルパッケージング”）。カバーを形成するコンポーネントの接着剤の使用として、従来ポリマー接着剤を用いることは、密閉について非常に乏しい効果しかないので、他の種類の結合を開発した。

例えば、ガラス成分を用いた転写のために陽極結合が用いられる。しかしながら、ガラスとシリコンとの間の熱膨張の差はＭＥＭＳによっては性能を損ない、この技術を除外している。

共晶結合によって、信頼性高くかつ安定な結果を得ることができる。しかしながら、この技術は、制御が困難な、表面の品質に大きな制限を課すことになる（特に、ラージスケールでの使用を複雑にするシリコン上のネイティブ酸化物が全くないこと）。

シリコン直接結合（又はＳＤＢ）は、最もロバストでかつ信頼性の高い技術の一つとして挙げられる。この十分に制御された技術は高温のアニーリング温度と、とりわけ、高い表面品質を要する。表面の準備（前処理）は理想的には、結合前に基板の湿式クリーニングによって行われる；しかしながら、ベースから短い距離にぶら下がった部分（パーツ）を有するＭＥＭＳ型コンポーネントを備えた基板の場合では、この湿式プロセスクリーニングは、毛管効果を介した高リスクの接着によって可能性はない。この場合には、従来用いられている解決はプラズマ処理のようなドライプロセスを用いた場合だけで表面を準備することを含み、そこそこの品質の結合になることが多かった。
欧州特許出願第0525764号

本発明は、既存の技術の決定を改良し、マイクロ−エレクトロ−メカニカルシステムを備えたコンポジットについての湿式表面準備と共に直接結合技術を用いることを提案する。

実際、本発明により、直接結合はＭＥＭＳ構造の解放前に実施する：これらの構造は、付着を妨げる、例えば、フッ化水素酸を用いた気体処理による結合後に除去されるＳｉＯ_２から成る犠牲層によるカバー転写中は基板に付けたままである。続いて、キャビティが、ＭＥＭＳ構造の解放のために用いられるベント（排気口）を充填することによって制御された雰囲気に配置される。

さらに、本発明では、マイクロ電子コンポジットの２つの構成部分、カバーと基板はそれぞれ、材料ウェハー上に、犠牲層好ましくは酸化物にキャビティ及びＭＥＭＳ構造のスロットを形成されて準備される；結合されることになる、２つの部分の前面はシリコンからなるのが好都合であり、好ましくはＭＥＭＳ用のＳＯＩ構造基板を有する。また、キャビティに開口される少なくとも一のベントを、カバー及び／又はベース上に形成する。パッケージされるチップ当たり、一又は二以上のベントを有することが可能である。これらのベントはカバー又はＭＥＭＳ基板上に形成されてもよい。

次いで、コンタクトするように配置された表面のクリーニング好ましくは湿式クリーニングを従来通り実施し；いずれの部分も、２つのシリコン表面同士の結合、好ましくは直接結合及びこれに続くアニーリングのために位置決めされる。

次いで、犠牲酸化物を、制御された雰囲気（真空、不活性ガス等）に最後に充填されることになる、好ましく気体処理により、特にＨＦ蒸気によって、エッチングする。特に充填は、インジウム等の金属ビードの溶融、又はガラスビードの溶融、又は燐酸シリケートのクリープによって実施してもよい。

好ましくは、これは、コンポジットの構成部分の準備中に、放出（リリース）開口と同じ側に配置するコンタクト開口の場合であり、ＭＥＭＳのコンタクト移動用のキャビティを備え、金属被覆をベントの充填として例えば同時に実施される。金属被覆が充填（インジウムビードの使用の場合）のために必要ならば、金属被覆は例えば、インジウムビードのための付着層として作用する。

好都合には、ゲッター材料層を、パーツの準備中に好ましくはカバー上に、キャビティ内に配置し、ＭＥＭＳ構造のリリース後でかつ制御された雰囲気に配置する前に除去される保護層で被覆する。

本発明の他の態様は上述の方法の特定のプロダクトに関し、これにおいては、カバー及び基板はキャビティの周りに結合されており、リリースされていないＭＥＭＳ構造の機械加工（切欠き）のようなエッチングを備え、エッチングのベースはＭＥＭＳ構造をベースに付ける犠牲層好ましくは酸化物内に形成され、ゲッター材料の保護層も存在する。

本発明の他の特徴及び利点について、例示的かつ非限定的な以下の詳細な説明において、添付図面を参照してより詳細に説明する。

本発明により作製されたＭＥＭＳはあらゆる分野特に、自動車、航空機等の分野において用いられる。例えば、制御された不活性気体雰囲気内の真空共鳴センサ、ＲＦマイクロスイッチ、又は慣性センサからなる。このような異なる装置は、ベース上方に浮かせて、通常は密閉キャビティ内に配置された少なくとも一のパーツを備える。この“ＭＥＭＳ構造”は、マイクロ電子コンポジットベースに大なり小なり平行であり、数点でだけ支持されるだけであるＭＥＭＳのための特別なジオメトリによって機械加工された材料層からなる：これは“リリース構造”と呼ばれる。

図１Ａに示した好適な実施形態は、基板１０に、ベース層１２と、犠牲層１６で離隔されて浮いた部分を形成する上部層１４とを備えたＭＥＭＳ構造が形成されたものである。好ましくは、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０からなり；ＳＩからなる上部層１４は例えば2μmから200μm厚の間例えば、60μm厚であり、中間酸化物層１６は例えば0.4μmから2μm厚の間例えば、1μmである；これは他の基板例えば、個体のベースウェハー１２上に特に作製されたものからなってもよい；好ましくは、上部層１４は結合を最適化するためにシリコンからなると好都合である。

この後の処理として、決まったやり方で公知の基板１０の表面について、例えば、Ｓｉ又は、各面上（例えば、1μmの熱酸化後）に酸化物１８と基板パッシベーション２０（例えば、0.3μmＳｉＮ堆積）とを備えたＳｉの表面については望ましい。

次いで、最終的なコンポジットに具備される種々のパーツが基板１０内に準備される。ＭＥＭＳ構造２２は、カバーを用いてキャビティを形成するように結合された基板１０の前面又は上部層１４上に具備される。上部層１４のリソエッチングにより、中間層１６を介してベース１２に付いたままで、ＭＥＭＳのスロット２４を作製し得る。特に、ＳｉＮ層２０及びＳｉＯ_２層１８はプラズマによって（ＲＩＥ法）エッチングし、ＳＩ層１４はＳｉＯ_２犠牲層１６上で停止するディープエッチング（ＤＲＩＥ、異方性）によってエッチングする。

裏面上に（すなわち、外側のままの基板１０の面、すなわち、ベース層１２の自由面２０）、それらを備えるならば、コンタクト点２６を中間層１６にフォトエッチングによって形成し；例えば、ＳｉＮ２０及びＳｉＯ_２層１８はＲＩＥによってエッチングしてもよく、Ｓｉベース層１２を湿式工程特にＫＯＨ又はＴＭＡＨによって、又は、ＤＲＩＥによってエッチングしてもよい。エッチングはＳｉＯ_２犠牲層１６上で停止する。

同様に、マイクロ電子のカバー３０は、図１Ｂに図示したように準備する。好都合には、各面（例えば1μmの層３４）上で研磨され、酸化されたシリコン基板３２からなり、パッシベーション層３６例えば、0.3μmのシリコン窒化膜を堆積する。ＭＥＭＳ２２の被包キャビティ３８を、前面のマスクを用いてリソエッチングによって得る。特に例えば、ＳｉＮ／ＳｉＯ_２層３４，３６のＲＩＥエッチング、その後の基板３２の層のパーツのＫＯＨ又はＴＭＡＨ型湿式エッチング（又は、適用可能ならＤＲＩＥエッチング）を行う。

好適な実施形態では、カバー３０の他の面は同じ処理を行ってベント４０をエッチングする。各面のエッチングは、ベント４０とキャビティ３８との間にＳｉ膜４２例えば約20μm厚のものを得るように停止する。膜４２を局所的に、レーザー穴開けによって（必要なら、その後にＫＯＨ又はＴＭＡＨでスラグをクリーニングする）、又は、いずれかの面を用いてシリコンリソエッチング（例えば、ＤＲＩＥ）によって開口して、ベント４０とキャビティ８との間に連通部４４を形成する。ベントは結合の前若しくは後に開口してもよい。

カバー３０に、各キャビティ３８について複数のベント４０を有することも可能であり；また、それらのベント又はそのうちのいくつかのベントを基板１０のウェハー上に配置し、ＭＥＭＳ２２をエッチングして、基板１０の一側から他の側に通り抜けるようにしてもよい。

さらに、代替として、フラットカバー３０を用い、基板の上部層１４にキャビティ３８を形成するものであり、このようにして得られたキャビティ３８のベースをエッチングしてより深い犠牲層１６にＭＥＭＳ構造２２のスロット２４を形成する。

ここでは、キャビティ３８及びＭＥＭＳ構造２２について記載するが、本発明はこれに限定されないことは明らかである。特に、一旦キャビティの密閉性を確保した後に分離される複数のチップを含むウェハーを作製するために、このように作製された各チップについて他のエッチングを共に行うこと、さらに同時に、同じウェハー１０，３０上に複数のキャビティ及び構造をエッチングすることも可能である。

次いで、カバー３０をベース１０上に移動し、結合する：図１Ｃ。このために、接触するように配置された両方の前面を準備し、特に、パッシベーション層２０，３６を例えば、湿式エッチングによってエッチングし、酸化物層１８，３４を除去する。層１４，３２上の湿式処理後に、２つの清浄面４６との間に直接結合を行い、その後、例えば、1000℃でアニーリングを行う。このように、ベント４０を介して面に開放している密閉キャビティ３８を備えたプロダクト５０であって、リリースされていないか、又は一部だけがリリースされているＭＥＭＳ構造２２の機械加工（切欠き）部２４であって犠牲層１６によってベース１２に付けられたプロダクト５０が得られる。

ＭＥＭＳ構造２２をリリースするために、ＭＥＭＳ構造１４とベース１２との間の毛管現象に起因した付着を防止するために、気相の法によって中間層をエッチングしている：図１Ｄ。例えば、ＳｉＯ_２層１６をベント４０，４４を介してＨＦ気体によってエッチングしてもよい。これと平行して、犠牲層１６を、ＭＥＭＳ構造２２との接続部を備えるために接触点２６でエッチングする。

有利な態様によれば、ＭＥＭＳ構造２２のリリースは、ＤＲＩＥエッチング後、基板ウェハー１０上に、（図１Ａと図１Ｃで示した段階の間）結合前に開始してもよい：、結合後により短時間のＨＦ気体エッチング時間になるように、ＨＦ気体又は従来の湿式エッチングによって予備エッチングを行うことも可能である。

こうして、マイクロ電子装置を、制御された雰囲気にキャビティ３８の配置以外は作製される。

図１Ｅで示した態様によれば、制御された雰囲気への配備を、溶融可能な金属ビードによる充填を伴って行う。機械的マスクを用いて、ベント４０上に、選択された充填物例えば、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ堆積物（付着層）に対応する金属コーティング５２を堆積する。平行して、例えば、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕによるＭＥＭＳ２２の接触点２６の金属コーティング５４を、他の面上のマスクによって行ってもよい。可溶融ビード５６特に、インジウムビードをベント４０に配備し、真空溶融（又は、制御された雰囲気中で）を行う：制御された雰囲気中にキャビティ３８の配備はその密閉と同時に行い、ビード５６はキャビティ４０内で溶融することによって完全にオリフィス４４を封鎖する。

好都合には、インジウムによる充填はビード又は粉末上のガラスによる充填に置き換えてもよい；この場合、リリース孔４０は金属被覆すべきでない；一例を図２Ｂに示す。この態様は、封止（シール）材料の熱膨張係数がシリコンと同程度であるという利点があり、この利点はセンサの温度に対する低い依存性を保証し、密閉の信頼性を改善するのに決定的なものである。

他の態様では、特に小さいベント４０特に直径1μm以下のものについて、膜４２は数μm厚を越えないものであり、充填は燐酸シリケート層（ＰＳＧ）を堆積することによって実施してもよい。これは続く、熱処理、真空又は制御された雰囲気においてクリープになりやすい。

この点では、ダイアム（B. Diem）らによる、第１３回固体センサ、アクチュエータ及びマイクロシステム国際会議「トランスデューサ０５」（2005年6月5-9日、韓国ソウル）において発表された論文“厚膜ＳＯＩＭＥＭＳダイナミック応答モデルについてのポリシリコンパッケージング技術及び新しいアンカリング技術と、その過減衰（オーバーダンプ）慣性センサへの応用”を参照されたい。

また、本発明による方法を用いて、吸収特性によって経時的に真空の質を維持するために、キャビティ３８にゲッター材料層６０の堆積することも可能である。図示したような好適な実施形態では、ゲッター層６０をキャビティ３８上に堆積し、それを形成するときに（図２Ａ）、例えば、ＳＤＢ結合準備（すなわち、特に窒化シリコンエッチング及び湿式表面クリーニング）及びＨＦ気相リリースエッチングに対する耐性を有するポリマー６２によって保護する。

ＭＥＭＳ構造２２の結合及びＨＦ気相を用いたリリース後に（すなわち、図１Ｄに示した段階後）、高温結合アニーリング前に、ポリマー６２を、Ｏ_２プラズマによって（リリース孔４０を介した）、又は、熱処理によって蒸発し得る特定のポリマーの使用の場合にはその蒸発によって除去する：図２Ｂ。充填を同時に又はその後実施する。

このように、本発明による方法を用いて、以下のものを獲得し得る：
・十分に制御された従来のＳＤＢ結合による良好な製品歩留まり、
・高品質機械的強度及び密封性を保証するＳＤＢ結合の使用による高信頼性、
・特にシリコンの熱膨張係数に匹敵する熱膨張係数を有するガラス充填物（フィリング）５８を用いた、被包センサ２２上の高パフォーマンス、
・外部に対して、キャビティ３８内にさらにＭＥＭＳ構造２２の隔離性能を向上させる一時的保護層６２の使用による、ゲッター６０の可能な含有。

上述の代替の実施形態によれば、ＭＥＭＳウェハー上、ＤＲＩＥエッチング後かつ結合前に、構造をＨＦ（気相又は従来の湿式エッチング）によってプレリリースされている。利点は、結合前のＨＦ気相エッチング時間がより短いことである。プレリリース又は部分的なリリースのときに（毛管効果の下でくっつきがちなＭＥＭＳのゾーンは犠牲層によって限定したゾーンに付着するようにエッチングされる）、エッチングを湿式工程を用いて実施するので時間が節約される。ＨＦ気相によって実施されるのでさえ、このエッチングを基板の表面全体に実施し、これによって、ＨＦ気相がベントを通過することを要するときよりも効果的である。プレエッチング時間はＭＥＭＳのサイズに従って適用される。

本発明の好適な実施形態の各段階を示す図である。本発明の好適な実施形態の各段階を示す図である。本発明の好適な実施形態の各段階を示す図である。本発明の好適な実施形態の各段階を示す図である。本発明の好適な実施形態の各段階を示す図である。本発明の他の好適な実施形態を示す図である。本発明の他の好適な実施形態を示す図である。

符号の説明

１０基板
１２ベース層
１４上部層
１６犠牲層
１８ＳｉＯ_２層
２０ＳｉＮ層
２２ＭＥＭＳ
３０カバー
３２基板
３８キャビティ
４０ベント
４２膜
４４連通部

Claims

密閉キャビティ（３８）内にマイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を備えたマイクロ電子装置を製造する方法であって：
−ベース層（１２）と犠牲中間層（１６）と上部層（１４）とを備えた基板（１０）を準備する段階と、
−前記上部層（１４）においてＭＥＭＳ構造を機械加工して中間層（１６）まで延びた機械加工部（２４）を形成する段階と、
−被包カバー（３０）を準備し、該被包カバー（３０）内にキャビティ（３８）を形成
する段階と、
−前記カバー（３０）及び前記基板（１０）の前記ベース層の何れか一方又は両方に前記キャビティ（３８）に開放する少なくとも一のベント（４０）を形成する段階と、
−前記ＭＥＭＳ構造（２２）を前記キャビティ（３８）内に配置して、前記基板（１０）と前記カバー（３０）とを結合する段階と、
−前記犠牲層（１６）のベント（４０）を介したＨＦ気相エッチングによってＭＥＭＳ構造（２２）をリリースする段階と、
−前記ベント（４０）を閉じるために、前記ベント（４０）に材料を充填する段階と、を備えた方法。
密閉キャビティ（３８）内にマイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を備えたマイクロ電子装置を製造する方法であって：
−ベース層（１２）と犠牲中間層（１６）と上部層（１４）とを備えた基板（１０）を準備する段階と、
−前記上部層（１４）にキャビティ（３８）を形成し、次いでキャビティ（３８）及び上部層（１４）に中間層（１６）までＭＥＭＳ構造（２２）のスロット（２４）を形成する段階と、
−カバー（３０）を準備する段階と、
−前記カバー（３０）及び前記基板（１０）の前記ベース層の何れか一方又は両方に前記キャビティ（３８）に開放する少なくとも一のベント（４０）を形成する段階と、
−前記基板（１０）と前記カバー（３０）とを結合する段階と、
−前記ベント（４０）を介した前記犠牲層（１６）のエッチングによってＭＥＭＳ構造（２２）をリリースする段階と、
−前記ベント（４０）を閉じるために、前記ベント（４０）に材料を充填する段階と、を備えた方法。
前記ＭＥＭＳ構造（２２）のリリースをＨＦ気相によって実施する請求項２に記載の方法。
前記基板（１０）の前記上部層（１４）及び前記カバー（３０）はシリコンからなる請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
前記カバー（３０）と前記基板（１０）との間の結合はシリコン直接結合（ＳＤＢ）によって実施される請求項４に記載の方法。
結合前に、接触することになる前記カバー（３０）の面と前記基板の面とを湿式工程によって処理する請求項５に記載の方法。
前記ベント（４０）の充填は、制御された雰囲気においてキャビティ（３８）の配備と共に行う請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
前記充填を、ガラス又は燐酸シリケートの堆積を用いて実施する請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
前記充填は、金属層（５２）を堆積し、次いで金属ビード（５６）を溶融することによって行う請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
前記結合前に、前記カバー（３０）上にゲッター層（６０）を堆積する段階をさらに備えた請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
前記ゲッター層（６０）上に保護層（６２）を堆積する段階をさらに備えた請求項１０に記載の方法。
前記ＭＥＭＳ構造（２２）のリリース後に前記保護層（６２）を除去する段階を備えた請求項１１に記載の方法。
前記結合前に、前記ベース層（１２）におけるコンタクト（２６）のためのキャビティを形成する段階をさらに備えた請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
前記コンタクトキャビティ（２６）は前記中間層（１６）で遮断され、結合後に前記中間層（１６）を除去することによってコンタクト（２６）を開放する段階をさらに備えた請求項１３に記載の方法。
ＭＥＭＳ構造（２２）のリリース後に前記コンタクトキャビティ（２６）の金属被覆を行う段階を備えた請求項１３又は１４のいずれかに記載の方法。
結合前に、前記ＭＥＭＳ構造（２２）をプレリリースする段階をさらに備えた請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
前記プレリリース段階は、予備エッチングによって、又は、湿式エッチングによって実施する請求項１６に記載の方法。