TWI325409B - Process for manufacturing micromechanical devices containing a getter material - Google Patents

Description

1325409 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明主要有關於用以製造含有吸氣材料之微機械裝 置的方法及透過此方法所製造之裝置。更詳而言之’本發 明有關於製造該裝置的方法，其包含藉由將兩晶圓之間的 介面熔解而將這兩個晶圓連結在一起的步驟’這兩晶圓之 一係由矽製造，而另一者係由半導體、陶瓷或氧化材料製 造；本發明亦有關於最終裝置及能夠承受製程情況之特定 吸氣材料。 【先前技術】 微機械裝置常稱爲「微電子機械系統」或「微光電機 械系統」，並且它們簡稱爲MEMS與MOEMS (後續將僅 參照 MEMS，藉此同樣意指 MOEMS )。這些裝置由密封 腔所形成，其中有能進行預設動作之微機械部件或能與電 磁輻射互相作用之部件，此外有裝置的電力供應與將裝置 產生的信號傳送到外部之輔助部件與電氣導引件。此種裝 置的範例爲描述於如US 5,594,170、US 5,656,778、以及 US 5,952,572之多個專利中的微加速度計；描述於專例 US 5,821，8 3 6以及US 6,05 8,02中之用於通訊領域以及尤 其於行動電話製造中迷你共振器；或IR迷你感應器，其 範例之一係描述於專利US 5,895,233中。

在製程末端，各種氣體包含在MEMS的空腔中，此爲 程序的殘留物或因相同腔壁之除氣造成，並會干擾MEMS 1325409 操作：例如’它們會改變系統中之熱導性，因此在IR感 應器的情況中會改變溫度測量，IR感應器因此於空腔中之 需要最大真空度》其他MEMS裝置不需要此種極高真空位 準的嚴格要求。例如，於微加速度計中，空腔中之低壓氣 體幫助減輕在被置於運動後之運動部件的振動；這允許裝 置快速恢復到「休息」狀態，使其能迅速準備好進行進一 步的運動偵測；針對此，一些Μ E M S的製造預見到在密封 之則以數千帕斯卡（P a )大小之壓力的氣體（如惰性氣體 ) 回塡空腔。然而，同樣在這些情況中，空腔的大氣必 須具有固疋壓力以及化學構成，因爲這些參數的變化可能 改變可移動部件週遭的媒介之滯性，故改變測量値。 藉由將吸氣材料引入空腔中可確保MEMS裝置的一生 中能有非常高的真空度或固定的大氣，亦即，能夠移除大 部分非惰性氣體之材料。通常使用的吸氣材料爲金屬，如 銷、鈦或其合金；較佳者爲由申請人以St 787的名稱所販 賣之具有鍩80%-鈷15%-稀土元件5%之重量百分比成分的 合金。於Μ E M S裝置中吸氣材料之使用係例如描述於美國 專利案號 5,952,572 、 6,499,354 、 6,590,850 、 6,621，134 、 6,635,509 、及 6,923,625 。 MEMS係由從積體半導體電路之製造衍生而來的技術 製造’典型存在於於玻璃、石英、陶瓷材料（如碳化矽） 或半導體材料（較佳爲矽）之平面支承上希望的材料之局 部沉積，並且不同材料層之部分的選擇性移除。尤其係， 參照第1圖於下描述’通常藉由將兩部件焊接在一起而製 -6 - 1325409 造出最新一代的mems，第一部件10通常由平面支承所 形成，該平面支承通常爲矽，其上建造功能元件11與輔 助元件（未圖示），以及由玻璃、石英、陶瓷、或半導體 材料製成之第二部件12，其通常僅具有合上裝置以保護內 部元件之功能。由於此第二部件通常沒有功能元件，因此 提供較多可用空間，吸氣材料13較佳配置在此部件上， 例如描述於專利US 6,897,5 5 1中。於此申請書中沉積吸氣 材料之較佳的技術爲陰極沉積，常稱爲「噴濺法」。如所 知，於此技術中，將通常由欲沉積之材料製成的具有短圓 柱狀之本體（稱爲「靶材」）以及其上形成沉積之支承配 置在密封的室中、以通常爲在次大氣壓之氬的惰性氣體塡 滿該室、藉由於靶材（維持在陰極電位）以及陰極之間施 加數千伏特（或更低，取決於使用的組態）大小的電位差 ’使惰性氣體離子化並且產生之離子朝靶材加速，因而藉 由衝擊而侵蝕靶材、侵蝕的材料沉積於可得的表面上，包 含支承、藉由利用具有適當開口之遮罩系統，可限制形成 沉積之支承的區域。作爲一替代技術，可在反應性環境下 進行噴濺，亦即，添加小量的諸如氧之反應氣體至惰性氣 體，該反應氣體與氣態靶材侵蝕而來之粒子反應，製造出 因反應氣體與粒子反應後得到的材料之沉積。一旦形成 MEMS操作所需之所有元件於該兩個部件上，藉由沿著圍 著裝置之元件的線焊接兩部件而將之連結在一起。微裝置 因此密封於封閉空間1 4中，並且受到保護而不被外界環 境機械性與化學性地影響。 1325409 可藉由多種技術達成焊接，「接合（bonding ) 常見的定義。第一種可能性爲在兩部件之間插入展性 ’如銦、鉛或金，並令其熔解與固化，同時可能施壓 壓力接合」）。然而’此技術以機械力量的觀點來看 無法產生完全可靠的焊接。另一種接合爲陽極接合（ 用於由玻璃或石英製成的支承以及另一者由矽製成的 )’其中於維持在約300-500°C的兩部件之間施加約 V的電位差。在這些情況中，正離子從維持在正電位 承（如鈉從玻璃）朝維持在負電位之支承遷移，以及 子（如氧從矽）至相反方向的遷移。於兩支承之間此 的遷移導致兩者之間的相互焊接。另一種可能的技術 鎔接合，其中能與兩部件的至少一者形成共熔合成物 屬或合金層係置於兩部件之間，以藉由適當的熱處理 接區域中導致局部熔化。然而，當有金屬污染危險時 不使用共鎔接合，例如當與CMOS製造程序一起進行 接合時。目前可得的吸氣材料爲與使用上述接合技 MEMS製程相容者。 另一種可能的MEMS密封技術爲直接接合，需要 材料的局部熔化。透過此方式達成穩定接合通常需要 ，如在矽的情況中約爲1 000°C。此技術亦可使用中間 例如當接合兩個矽部件時之氧化矽。與先前所述的技 比’直接接合能夠在欲焊接之兩部件之間取得較高的 ’增加黏接力以及有關於熱與機械震、振動或熱循環 力情況的穩定性。藉由此種接合，焊接區域之機械特 」爲 金屬 (Γ 可能 主要 情況 1000 之支 負離 材料 爲共 之金 在焊 通常 共鎔 術之 支承 高溫 層， 術相 接合 之應 性與 -8- 1325409 形成被焊接部件之材料的機械特性不相上下。此種接合用 於必須有較大可靠性與耐久性之裝置（如航空應用）。 然而，已經證實目前使用的吸氣材料不能承受直接接 合所需的熱處理。第一，在這些熱處理期間，大部分的吸 氣材料經歷強烈的結構與形態上之重新配置，這可能導致 材料沉積之熔化（如在引用之St 7 8 7合金的情況中）。觀 察到之最小的後果爲吸氣材料幾乎完全失去氣體吸收的能 力’同時在熔化吸氣材料的情況中可能「弄濕」裝置的功 能部件’並且在固化後，可能完全改變或阻礙功能部件之 操作。於一些情況中，亦觀察到吸氣材料部份蒸發以及在 相鄰表面上之新的凝結，這會對裝置操作產生負面後果。 關於所有吸氣材料之已觀察到的另一個問題爲，若沉積形 成於矽上，在接合操作後的冷卻期間，其會自支承分離， 使固體碎片與功能部件接觸，因而危及裝置的效能。 【發明內容】 本發明之目的在於提供一種製造微機械裝置的方法， 包含兩支承部件的直接接合步驟，部件上有功能元件、輔 助件以及吸氣材料，以及提供最終微機械裝置與能夠承受 製造程序的一系列吸氣材料。 根據本發明藉由製造微機械裝置的方法來達成這些目 的。該方法包含一種製造微機械裝置的方法，包含在兩個 支承部件之間直接接合的步驟，該兩部件之一係由矽製成 而另一者由矽或半導體、陶瓷或氧化材料製成，其中該裝 -9- j^4〇9 置之功能兀件以及可能的輔助元件存在於這些支承部件的 至少一者之上，以及其中吸氣材料沉積存在於一矽支承部 件之上’該直接接合的步驟包含下列步驟：提供於其上建 κ該裝置的該些功能元件與輔助元件之第一支承部件；提 供第—支承部件；形成該第一與第二支承部件以使得：當 配合時，其形成空腔，其中裝有該些功能元件、輔助元件 、以及該吸氣材料沉積；處理該兩個支承部件，以形成該 空腔以及藉由直接接合焊接該兩個支承部件；其中該吸氣 材料沉積係藉由第一操作以及第二操作而形成於該矽支承 部件上’該第一操作形成具有至少5〇奈米厚度的玻璃、 陶瓷、或氧化材料的中間層於該矽支承部件上，以及該第 ~操作沉積具有不高於1〇微米厚度之吸氣材料層於該中 間層上；以及其中所使用的該吸氣材料係含有锆以及從鉬 、鈮、鉬以及鎢中選出的至少一第二元件之合金，其中錯 以介於7 0至9 7 %之間的重量百分比存在。 【實施方式】 發明人已經發現若使用一些特定吸氣材料、若將由玻 璃、陶瓷或氧化材料製成的中間層插在吸氣材料與矽之間 、以及若吸氣材料與中間層具有特定厚度値可防止吸氣材 料於直接接合程序期間自矽支承分離。本發明之方法的特 徵在於中間層的存在以及該厚度的界定，而其餘之操作則 完全與具有直接接合之其他MEM S製程類似，僅於下詳細 描述該方法之具發明性的特徵。 -10 - 1325409 如前述，由於可得空間的原因，較佳於建立MEMS功 能與輔助元件者對面之支承上產生吸氣層，藉此，於其餘 的描述中將參照此實施例，但對熟悉該項技藝者很明顯地 本發明亦可應用於吸氣沉積係在承載功能與輔助元件的相 同支承上獲得的情況。 可透過各種技術進行中間層與其上之吸氣材料層的形 成。例如，中間層可由玻璃或陶瓷矽化合物（如氧化物或 氮化物）製成；在此情況中，此種層可允許從矽支承開始 生長，藉由在足夠溫度下與氧或氮反應，或替代地可採取 佈値氧或氮離子至矽以及接著進行擴散的熱處理（於此領 域中稱爲「退火」），以使形成的層在結構與特性上均質 的技術。 然而，生長各種層之較佳的技術爲噴溺，也許爲反應 性，其在有限成本下提供形成中之層的高度幾何與結構特 性的控制。此外’有關於先前引用之技術，噴濺能給予能 夠以與矽化合物不同之材料（如氮化金屬或碳化金屬）形 成適用於本發明之用途的中間層之額外的好處。 將參照第2圖於下進行本發明之方法的較佳方式（在 沒有功能元件的支承上藉由噴濺而沉積中間與吸氣材料層 兩者），其中元件顯示於示意性剖面圖中。 第2a圖顯示支承20，與第丨圖之支承12類似，但具 有相對於支承12上下顛倒的方位。 第2b圖顯示於支承20上中間層的形成操作。較佳於 支承20的限定區域上進行沉積，藉由於支承上定位遮罩 -11 - 1325409 21，該遮罩具有界定形成沉積的支承20之區域的開口 22 。第2b圖中的箭頭指示選擇用來形成中間層23之材料粒 子的方法。在此領域中眾所週知可藉由調整程序時間、施 加於陽極與靶材之間的電力、以及將沉積之材料的靶材與 支承20之間的距離來控制中間層的厚度。層23的厚度必 須至少爲50奈米（nm)，因爲觀察到較低的厚度會無法 防止後續形成之吸氣層的脫離。較佳地，厚度低於2μιη， 以將沉積中間層的時間降至最低，卻仍確保最佳功能特性 。層23藉由噴濺的沉積亦可在反應性的狀況下進行，例 如在惰性氣體中少量氧的存在中，產生氧化物作爲形成此 種層之材料。 中間層之形成操作亦可以其他方式進行，例如於沉積 階段中不使用遮罩21，藉由均勻沉積層23的材料於支承 20上並接著選擇性移除材料以獲得希望的幾何。於此情況 中’針對如此沉積的層之一部份的選擇性移除操作可能需 要使用遮罩。 後續的操作爲吸氣材料層之沉積。此操作亦可不用遮 罩進行，藉由均勻沉積材料於支承部件20 (已有層23的 地方）並接著選擇性移除吸氣層，使其僅對應層23。然而 ，同樣在此情況中’較佳使用遮罩系統進行吸氣材料的沉 積，使吸氣材料僅沉積在中間層上。該遮罩可具有比顯示 於第2b圖中之操作所用之更小的開口，但開口的尺寸、 形狀與對準較佳與先前操作相同，以使吸氣沉積區域（並 錯此其氣體吸收目κ·力）增至最大。最方便的達成這些較佳 -12- 1325409 的條件係藉由使用相同的遮罩，並且於這兩個操作中與支 承部件20維持固定對準，因而簡化整個製程。藉由針對 這兩個沉積操作使用相同的遮罩，透過將中間層材料的靶 材輕鬆替換成吸氣材料的靶材，以及透過基於這兩個不同 材料層之希望的厚度而調整使用這兩個靶材的時間，可在 相同製造步驟中連續地進行這些操作。此模式表現於第2c 圖中’其中第2b圖之具有開口 22的相同遮罩21係用來 沉積吸氣材料層24。同樣於此情況中，箭頭表示被沉積之 吸氣材料粒子的方向。 於第2圖中，遮罩21係以支承部件20上附蓋的實際 物件所代表。當欲形成的沉積之橫向尺寸不低於約200-3 00微米時可使用此方式。低於這些尺寸，則須憑藉微影 遮罩’其根據微電子領域中眾所週知的程序藉由沉積感 uv有機材料薄膜於支承上’暴露至UV光以及以化學選 擇性移除該薄膜的暴露（或非暴露）的部份而獲得，並且 該遮罩可應用於吸氣材料之沉積，如以申請人之名義申請 之國際專利申請案WO 200 6/ 109343中所述。 與直接接合相容的吸氣材料微含有锆以及從鉬 '鈮、 钽以及鎢中選出的至少一第二元件之合金，其中鉻以介於 70至97 %之間的重量百分比存在。較佳地，從鈮與鉅之間 選擇第_兀件’並且於此情況中’鉻以介於85至95°/。之 間的重量百分比存在。 吸氣材料層之厚度不超過l〇pm，因爲發明人實驗上 觀察到更高的厚度會使吸氣沉積在直接接合期間（尤其在 -13- 1325409 接合後 且與後 更低的 如 MEMS 的直接 表面變 理較佳 些沉積 申請案 之給定 對先前 置。 【圖式 參 第 剖面圖 第 【主要 10 11 的冷卻期間）自支承脫離，即使有中間層的存在並 者之G度無關。此層之厚度較佳大於因爲 厚度會使氣體吸收能力變得太低。 此備置之支承部件20，加上層23與24，接著經歷 製成的後續操作’尤其係與類似支承的支承部件1〇 接合’欲焊接在一起的兩個表面較佳先經過清理與 更處理’如機械硏磨、磨光、或化學清洗。這些處 在中間與吸氣層的沉積步驟之前進行，但亦可在該 步驟之後進行’如以申請人之名義申請之國際專利 W0 2005/047558中所述。亦可在有處於次大氣壓 氣體（如惰性氣體）的存在下進行密封步驟，以針 所述的原因獲得具有固定氣壓於空腔中之MEMS裝 簡單說明】 照圖示描述本發明，圖中： 1圖示意性顯示參照先前技術討論之MEMS裝置的 » 2圖顯示本發明之方法的特徵操作之主要步驟。 元件符號說明】 :第一部件 :功能元件 :第二部件 -14- 12 1325409 1 3 :吸氣材料 1 4 :封閉空間 20 :支承 2 1 :遮罩 22 :開口 23 :中間層 24 :吸氣材料層

Claims (1)

1325409 十、申請專利範圍 1·—種製造微機械裝置的方法’包含在兩個支承部件 之間直接接合的步驟’該兩部件（12、20)之一係由砂製 成而另一者由矽或半導體、陶瓷或氧化材料製成，其中該 裝置之功能元件（11)以及可能的輔助元件存在於這些支 承部件的至少—者之上，以及其中吸氣材料沉積（13、24 )存在於一矽支承部件之上，該直接接合的步驟包含下列 步驟：提供於其上建立該裝置的該些功能元件（n)與輔 助元件之第一支承部件（10);提供第二支承部件（20) :形成該第一與第二支承部件使得當配對時，其形成空腔 (I4) ’該空腔（14)中裝有該些功能元件、輔助元件、 以及該吸氣材料沉積；處理該兩個支承部件，以形成該空 腔以及藉由直接接合焊接該兩個支承部件；該方法之特徵 在於該吸氣材料沉積藉由第一操作以及第二操作形成於該 砍支承部件上’該第一操作形成具有至少5〇奈米厚度的 玻璃、陶瓷、或氧化材料的中間層（23 )於該矽支承部件 上’以及該第二操作沉積具有不高於10微米厚度之吸氣 材料層（24 )於該中間層上；以及所使用的該吸氣材料係 含有結以及從鉬、鈮、鉅以及鎢中選出的至少—第二元件 之合金’其中锆以介於70至97 %之間的重量百分比存在 〇 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該第二元件係 從鈮與鉅之間選出，並且锆以介於8 5至9 5 %之間的重量 百分比存在於該合金之中。 -16- 1325409 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該中間層係由 氧化砂或氮化砂製成，並且透過該砂支承部件與氧或氮之 反應進行該中間層之形成。 4 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該中間層係由 氧化矽或氮化矽製成，並且透過進入矽之氧或氮離子佈植 來進行該中間層之形成》 5.如申請專利範圍第4項之方法，其中在該離子佈植 之後進行氧或氮擴散進入矽之熱處理。 6 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該中間層係透 過陰極沉積而形成。 7 .如申請專利範圍第6項之方法，其中該陰極沉積發 生於反應性條件中。 8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中在該矽支承部 件（20)的限定區域上進行該陰極沉積，藉由放置具有開 口（22)的遮罩（21)於該支承部件上’該開口界定將形 成該沉積之該矽支承部件的區域。 9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中藉由陰極沉積 發生該吸氣材料層（24)之沉積的該操作。 10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該吸氣材料 層（24)之沉積的該操作僅在該中間層上進行，藉由放置 具有開口之遮罩於該矽支承部件（20)上，該開口具有比 該中間層之形成中所用的該遮罩之該開口更小或相同的尺 寸，並且對準至該矽支承部件（20 )使該吸氣材料僅沉積 於該中間層上。 -17- 1325409 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之方法，其中藉由利用具 有與該砂支承部件（20)固定對準之相同的遮罩（21)發 生該中間與吸氣材料層之該形成操作。 12.如申請專利範圍第1項之方法，其中該吸氣材料 層之厚度介於0.1與ΙΟμπι之間。 1 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中欲焊接在一 起之該兩個支承部件的表面在焊接之前先經過清理與表面 變更處理。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該處理係從 機械硏磨、磨光、或化學清洗中選出。 15.如申請專利範圍第1項之方法’其中藉由直接接 合將該兩個支承部件焊接的該操作係在有在次大氣壓之惰 性氣體的存在下進行。 -18-