WO2019239829A1 - Ｍｅｍｓデバイスの製造方法およびｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Ｍｅｍｓデバイスの製造方法およびｍｅｍｓデバイス Download PDF

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heat treatment
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裕輝夫 鈴木
田中　秀治
貴城 塚本
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国立大学法人東北大学
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Definitions

  • the present invention relates to a MEMS device manufacturing method and a MEMS device.
  • MEMS device a measuring instrument that electrically detects the posture, angular velocity, or angular acceleration of an object.
  • Gyroscopes timing resonator MEMS oscillators composed of MEMS vibrators and analog oscillation circuits, IR sensors that are measuring instruments that electrically detect infrared rays, and the like have been developed.
  • MEMS devices can be operated with high performance by being vacuum-sealed.
  • Various package forms have been proposed for the vacuum-sealed package.
  • a timing resonator MEMS oscillator a CAP substrate formed of a silicon substrate is similarly used as a silicon substrate formed with a diaphragm as an operating element. Some of them are joined and sealed in a state where a working space of the diaphragm is formed (see, for example, Patent Document 1).
  • the working space is sealed in a vacuum atmosphere of 100 Pa or less.
  • a wafer level package technique commonly known as an epi-seal technique
  • an epi-seal technique has been developed (see, for example, Patent Document 2 or 3).
  • a ventilation hole penetrating in the thickness direction is formed in a CAP wafer made of a silicon substrate or polysilicon, and an operation space that does not hinder the movement of the operation element of the MEMS device is formed.
  • the CAP wafer is bonded to the MEMS device wafer.
  • vapor deposition film that combines thermal decomposition and chemical reaction at high temperature is performed using SiH 2 Cl 2 dichlorosilane, HSiCl 3 trichlorosilane, or the like, which is a small amount of source gas, as a raw material in an H 2 atmosphere.
  • the air holes formed in the CAP wafer are closed.
  • monocrystalline or polycrystalline silicon is epitaxially deposited on the side wall of the vent hole of the CAP wafer to form an epitaxial silicon layer, and the vent hole is closed and pinched off.
  • the working space is filled with unreacted gas at the time of epitaxial silicon layer deposition, but H 2 having an extremely small atomic size escapes to the outside due to the thermal diffusion phenomenon. it can.
  • a plurality of holes are provided in a row on the surface of the silicon substrate, and heat treatment is performed at a temperature lower than the melting point of silicon to develop silicon surface migration (silicon-surface migration).
  • a method has been developed in which each hole is closed along with the surface of the silicon substrate to form a tubular hollow in the silicon substrate. The heat treatment temperature is determined using the relationship (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • the present invention has been made paying attention to such a problem, and can increase the degree of vacuum inside the working space, and can reduce the manufacturing cost and the introduction and maintenance cost of the manufacturing apparatus. And it aims at providing a MEMS device.
  • a method of manufacturing a MEMS device forms a MEMS device wafer in which an operating element is formed on a substrate, and an operating space that operably accommodates the operating element. And a CAP wafer provided so as to cover the MEMS device wafer, wherein the CAP wafer is made of silicon and has a vent hole formed so as to communicate with the working space.
  • the working space is sealed by performing a heat treatment in a hydrogen gas atmosphere so as to close the vent hole by the silicon surface flow of the CAP wafer. It is characterized by that.
  • a method of manufacturing a MEMS device comprising: a MEMS device wafer having an operation element formed on a substrate; and the MEMS device wafer so as to form an operation space in which the operation element is operably accommodated.
  • the working space is sealed by performing a heat treatment in a hydrogen gas atmosphere so as to block the vent hole by the silicon surface flow of the substrate in a state where the device wafer is bonded.
  • a method of manufacturing a MEMS device comprising: a MEMS device wafer having an operation element formed on a substrate; and the MEMS device wafer to form an operation space in which the operation element is operably accommodated.
  • Hydrogen gas is bonded so as to block the vent hole by the surface flow of the silicon of the bonding part and / or the CAP wafer in a state where the wafer is bonded and a vent hole communicating with the working space is formed at the bonding interface.
  • the working space is sealed by performing a heat treatment in an atmosphere.
  • the communication holes communicating with the working space are formed by utilizing the surface flow of the silicon of the CAP wafer and the silicon of the substrate of the MEMS device wafer by heat treatment.
  • the working space can be sealed by closing.
  • by performing heat treatment in a hydrogen gas atmosphere having a sufficiently low hydrogen concentration almost all hydrogen gas flows out of the working space due to a thermal diffusion phenomenon, so that the degree of vacuum inside the working space can be increased.
  • the MEMS device manufacturing method according to the first to third aspects of the present invention can close the vent hole only by heat treatment, and uses less raw material gas than conventional techniques such as an episeal technique using epitaxial growth. Since there is no need to control the growth system, a simple apparatus configuration can be achieved. For this reason, the manufacturing cost and the introduction and maintenance cost of the manufacturing apparatus can be reduced.
  • the vent has a size that can be blocked by the surface flow.
  • the diameter depends on the temperature and time of the heat treatment, but is preferably 1 ⁇ m or less, and more preferably 0.8 ⁇ m or less.
  • the diameter of the air hole is preferably 0.1 ⁇ m or more, and more preferably 0.4 ⁇ m or more.
  • the air holes may be formed before the CAP wafer and the MEMS device wafer are bonded, or may be formed after the bonding.
  • the air hole may have any shape as long as it can be blocked by the surface flow of silicon.
  • the vent hole is formed by communicating an inner hole on the working space side having different diameters with an outer hole on the opposite side of the working space, and the inner hole has a diameter of ⁇ 1 and the outer hole has a diameter. Is ⁇ 2, ⁇ 1> ⁇ 2, or ⁇ 1 ⁇ 2.
  • the vent hole may have a tapered shape, where ⁇ 1> ⁇ 2 when the diameter on the surface on the working space side is ⁇ 1 and the diameter on the surface opposite to the working space is ⁇ 2. ⁇ 1 ⁇ 2 may be satisfied.
  • the working space may be in a low pressure state of the inert gas.
  • the degree of vacuum inside the working space can be easily adjusted by adjusting the content of the inert gas.
  • the inert gas may be anything as long as it does not adversely affect the function of the operating element, such as Ar gas.
  • the heat treatment has a heat treatment temperature of 1000 ° C. to 1150 ° C. and a heat treatment time of 10 minutes to 1 hour.
  • the air flow can be blocked by generating a surface flow of silicon without adversely affecting the operating elements inside the operating space due to heat.
  • the heat treatment time is more preferably within 30 minutes.
  • a MEMS device includes a MEMS device wafer having an operation element formed on a substrate, and a CAP wafer provided to cover the MEMS device wafer so as to form an operation space in which the operation element is operably accommodated.
  • the MEMS device wafer and the CAP wafer are each composed of an SOI wafer or an Si wafer, and the working space is sealed by forming an inner wall only with the material derived from the SOI wafer and / or the Si wafer. It is characterized by.
  • the MEMS device according to the present invention can be preferably manufactured by the method for manufacturing a MEMS device according to the first to third aspects of the present invention.
  • the MEMS device according to the present invention can be manufactured at low cost by increasing the degree of vacuum inside the working space by manufacturing the MEMS device according to the first to third aspects of the present invention.
  • the MEMS device according to the present invention is, for example, a device such as a resonator, a gyroscope, a Lorentz force magnetic sensor, an acceleration sensor, a timing resonator, an IR sensor, or a pressure sensor.
  • the MEMS device wafer is an SOI wafer, and the operating element is formed on a Si substrate of the SOI wafer.
  • the present invention it is possible to provide a MEMS device manufacturing method and a MEMS device capable of increasing the degree of vacuum inside the working space and reducing the manufacturing cost and the introduction and maintenance cost of the manufacturing apparatus.
  • FIG. 1A is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the vent hole of the CAP wafer before the heat treatment
  • FIG. 1B is a sectional view of the CAP wafer in a state where the vent hole of the CAP wafer is closed by the surface flow of silicon. It is an expanded sectional view near a vent hole.
  • FIG. drawing which shows the modification before heat processing of a MEMS device which consists of a timing resonator of the manufacturing method of the MEMS device of embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows a manufacturing method of a MEMS device in which an actuating element is a gyro, and the manufacturing method of the MEMS device according to the embodiment of the present invention will be described along the example of FIG.
  • a SiO 2 film (oxide film) is formed between a Si substrate 11a and a Si single crystal film 11b.
  • SOI Silicon on Insulator
  • the surface of the Si single crystal film 11b is thermally oxidized to form a thermal oxide film (SiO 2 film) 11d (see FIG. 1A).
  • the thickness of the thermal oxide film 11d is 1 ⁇ m.
  • the thermal oxide film 11d and the Si single crystal film 11b are etched to form the operating element 21 and the non-movable part 22 (see FIG. 1B).
  • the Si single crystal film 12b of the CAP wafer 12 and the thermal oxide film 11d of the non-movable part 22 are covered with the CAP wafer 12 made of an SOI wafer so as to cover the operating element 21 and the non-movable part 22 of the MEMS device wafer 11. They are joined and integrated (see FIG. 1C).
  • the thermal oxide film 11d on the surface of the operating element 21 is removed in advance.
  • one or a plurality of concave cavities (inner holes) 23a are formed on the surface of the Si single crystal film 12b of the CAP wafer 12 facing the operating element 21.
  • the bonding is performed by heat treatment at 1100 ° C. for 5 hours.
  • the CAP wafer 12 is thinned from the Si substrate 12a side (see FIG. 1D), the Si substrate 12a and the SiO 2 film 12c of the CAP wafer 12 are removed, and only the Si single crystal film 12b is formed. leave.
  • vent holes (outer holes) 23b are formed from the surface of the CAP wafer 12 toward the concave cavities 23a to form the vent holes 23. Further, the CAP wafer 12 is etched to form an electrode region 24 for providing an electrode (see FIG. 1E).
  • the vent hole 23 is formed with a concave cavity 23a as an inner hole for the purpose of reducing the ratio between the diameter and the depth, the inner hole diameter is ⁇ 1, and the through hole (outer hole) 23b When the diameter is ⁇ 2, ⁇ 1> ⁇ 2.
  • the diameter ⁇ 2 of the through hole (outer hole) 23b is 1 ⁇ m or less.
  • the vent hole 23 may be ⁇ 1 ⁇ 2.
  • the MEMS device manufacturing method uses the silicon surface flow of the CAP wafer 12 by the heat treatment to close the communication hole communicating with the working space 13, thereby It can be sealed. Thereby, the MEMS device 10 in which the device to be sealed is package-sealed can be manufactured.
  • the MEMS device manufacturing method it is not necessary to mix an epitaxial growth source gas or the like in the hydrogen gas atmosphere at the time of heat treatment.
  • the degree of vacuum inside the working space 13 after almost all of the hydrogen gas has flowed to the outside due to the thermal diffusion phenomenon can be increased.
  • the vent hole 23 can be closed only by heat treatment, and since there is less raw material gas used and there is no need to control the growth system as compared with conventional techniques such as epi-seal technique using epitaxial growth, a simple apparatus configuration is achieved. can do. For this reason, the manufacturing cost and the introduction and maintenance cost of the manufacturing apparatus can be reduced.
  • the MEMS device manufacturing method according to the embodiment of the present invention does not use the epi-seal technique, there are problems caused by the deposited epitaxial silicon layer and problems that may be caused by an epitaxial growth source gas or the like. Can be avoided.
  • the substance that closes the air hole 23 is pure silicon, not an oxide plug or a metal plug, it is possible to avoid problems that may be caused by a film sealed with an oxide or metal. it can.
  • the manufacturing method of the MEMS device according to the embodiment of the present invention operates because the heat treatment temperature of the heat treatment for expressing the surface flow of silicon is 1000 ° C. to 1150 ° C., and the heat treatment time is 10 minutes or more and 1 hour or less.
  • the vent hole 23 can be closed without adversely affecting the operating element 21 and the like inside the space 13 due to heat.
  • Si surfaces, such as a side wall of the MEMS device 10 can be smoothed by the surface flow of silicon by heat treatment.
  • the manufacturing method of the MEMS device according to the embodiment of the present invention is not limited to the case where the actuating element 21 is a gyro, but a timing resonator, a resonator, a Lorentz force magnetic sensor, an acceleration sensor, an IR sensor, a pressure sensor, and the like shown in FIG.
  • the device may be manufactured.
  • the air holes 23 communicating with the working space 13 can be closed and the working space 13 can be sealed.
  • the MEMS device 10 in which the stop device is package-sealed can be manufactured.
  • the vent hole 23 has any shape as long as at least a part of the diameter has a size that can be blocked by surface flow by heat treatment. It may be.
  • the vent hole 23 is not limited to the shape shown in FIG. 1, and may have a tapered shape, for example. In this case, assuming that the diameter of the inner surface of the CAP wafer 12 on the side of the working space 13 is ⁇ 1 and the diameter of the outer surface of the CAP wafer 12 opposite to the working space 13 is ⁇ 2, ⁇ 1> ⁇ 2. Or ⁇ 1 ⁇ 2.
  • the thermal oxide film 11d may be formed not on the MEMS device wafer 11 but on the surface on the side of the working space 13 of the CPA wafer.
  • the CAP wafer 12 can be bonded to the MEMS device wafer 11 by bonding the thermal oxide film of the CAP wafer 12 and the non-movable part 22 of the MEMS device wafer 11.
  • the heat treatment may be performed in a hydrogen gas atmosphere containing an inert gas.
  • the heat treatment causes hydrogen gas to flow out of the working space 13 due to a thermal diffusion phenomenon, the working space 13 becomes a high vacuum (low pressure) state of an inert gas.
  • the degree of vacuum inside the working space 13 can be easily adjusted by adjusting the content of the inert gas.
  • the inert gas may be any gas as long as it does not adversely affect the function of the operating element 21, such as Ar gas.
  • the vent hole 23 may be provided in the Si substrate 11 a of the MEMS device wafer 11 instead of the CAP wafer 12. Also in this case, the working space 13 can be sealed by heat treatment by closing the air holes 23 with the surface flow of silicon of the Si substrate 11a.
  • the air holes 23 may be provided at the bonding interface between the CAP wafer 12 and the MEMS device wafer 11. Also in this case, the working space 13 can be sealed by heat treatment by closing the vent hole 23 by the surface flow of the Si single crystal film 11b of the MEMS device wafer 11 and / or the silicon of the CAP wafer 12.
  • Non-Patent Document 1 simulation was performed on sealing of the air vent 23 by the surface flow of silicon by changing the size of the air vent 23 and the heat treatment temperature and time in various ways.

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Abstract

【課題】作動空間の内部の真空度を高めることができ、製造コスト並びに、製造装置の導入および維持コストを低減可能なＭＥＭＳデバイスの製造方法およびＭＥＭＳデバイスを提供する。 【解決手段】Ｓｉ基板１１ａの上に作動素子２１を形成したＭＥＭＳデバイスウエハ１１と、作動素子２１を作動可能に収容する作動空間１３を形成するよう、ＭＥＭＳデバイスウエハ１１を覆って設けられたＣＡＰウエハ１２とを有している。ＣＡＰウエハ１２は、シリコン製で、作動空間１３に連通するよう形成された通気孔２３を有している。ＣＡＰウエハ１２とＭＥＭＳデバイスウエハ１１とを接合した状態で、ＣＡＰウエハ１２のシリコンの表面流動で通気孔２３を塞ぐよう、水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、作動空間１３を封止する。

Description

ＭＥＭＳデバイスの製造方法およびＭＥＭＳデバイス
　本発明は、ＭＥＭＳデバイスの製造方法およびＭＥＭＳデバイスに関する。
　近年、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム素子（Micro Electro Mechanical System；ＭＥＭＳ）を利用したデバイス（以下、「ＭＥＭＳデバイス」と呼ぶ）として、物体の姿勢や角速度あるいは角加速度を電気的に検出する計測器であるジャイロスコープや、ＭＥＭＳ振動子とアナログ発振回路とから成るタイミングレゾネータＭＥＭＳ発振器、赤外線を電気的に検出する計測器であるＩＲセンサなどが開発されている。
　これらのＭＥＭＳデバイスは、真空封止パッケージされることで、高性能での動作が可能となる。真空封止パッケージには、いろいろなパッケージの形態が提案されているが、例えば、タイミングレゾネータＭＥＭＳ発振器として、作動素子である振動板を形成したシリコン基板に対し、同じくシリコン基板で形成したＣＡＰ基板を接合して、振動板の作動空間を形成した状態で密封したものがある（例えば、特許文献１参照）。このＭＥＭＳ発振器では、振動子の高いＱ値を維持するために、作動空間を１００Ｐａ以下の真空雰囲気で封止している。
　ＭＥＭＳデバイスを真空封止する方法として、ウエハレベルパッケージ技術、通称エピシール技術が開発されている（例えば、特許文献２または３参照）。この方法では、まず、シリコン基板またはポリシリコンから成るＣＡＰウエハに、厚さ方向に貫通する通気孔を形成しておき、ＭＥＭＳデバイスの作動素子の動きを阻害しない作動空間を形成した状態で、そのＣＡＰウエハを、ＭＥＭＳデバイスウエハに接着する。その後、Ｈ２雰囲気で、少量のソースガスとなるＳｉＨ２Ｃｌ２ジクロロシランやＨＳｉＣｌ３トリクロロシランなどを原料として、高温下での熱分解と化学反応とを組み合わせた気相成長成膜を行うことにより、ＣＡＰウエハに形成しておいた通気孔を閉塞する。具体的には、エピタキシャル反応装置を用いて、ＣＡＰウエハの通気孔の側壁上に、単結晶または多結晶のシリコンをエピタキシャルに堆積させてエピタキシャルシリコン層を形成し、通気孔を閉塞、ピンチオフする。このとき、作動空間は、エピタキシャルシリコン層堆積時の未反応ガスで満たされるが、原子サイズが極めて小さいＨ２は、熱拡散現象によりほぼすべて外部に抜けるため、作動空間を高真空にすることができる。
　なお、シリコン基板の表面に複数の孔を一列に設け、シリコンの融点よりも低い温度で熱処理を行うことによりシリコンの表面流動（silicon surface migration）を発現させ、その表面流動により、シリコン基板の表面で各孔を塞ぐと共に、シリコン基板の表面に沿って各孔を連結し、シリコン基板中に管状の中空を形成する方法が開発されており、表面流動によるシリコン原子の拡散係数と熱処理温度との関係を利用して、熱処理温度が決定されている（例えば、非特許文献１参照）。
特開２０１６－１７１３９３号公報 米国特許第６９２８８７９号明細書 特許第５１１３９８０号公報
Tsutomu Sato, et. al., "Fabrication of Silicon-on-Nothing Structure by Substrate Engineering Using the Empty-Space-in-Silicon Formation Technique", Jpn. J. Appl. Phys., 2004, Vol. 43, No. 1, p.12-18
　特許文献２および３に記載のエピシール技術では、通気孔を閉塞して作動空間を封止後、雰囲気ガスのＨ２は熱拡散により作動空間から抜けるが、エピタキシャルシリコン層堆積時に未反応のＳｉＨ２Ｃｌ２ジクロロシランやＨＳｉＣｌ３トリクロロシランなどが、作動空間の内部に残ってしまうため、作動空間の内部の真空度が低下してしまうという課題があった。また、エピタキシャル成長を利用して通気孔を閉塞する際のコストが嵩むと共に、使用原料ガスも多く、エピタキシャル成長系の制御を必要とするため、エピタキシャル装置が複雑となり、エピタキシャル炉自体も高価であることから、装置の導入コストやその維持コストも嵩むという課題もあった。
　本発明は、このような課題に着目してなされたもので、作動空間の内部の真空度を高めることができ、製造コスト並びに、製造装置の導入および維持コストを低減可能なＭＥＭＳデバイスの製造方法およびＭＥＭＳデバイスを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、第１の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法は、基板上に作動素子を形成したＭＥＭＳデバイスウエハと、前記作動素子を作動可能に収容する作動空間を形成するよう、前記ＭＥＭＳデバイスウエハを覆って設けられたＣＡＰウエハとを有するＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、前記ＣＡＰウエハはシリコン製で、前記作動空間に連通するよう形成された通気孔を有しており、前記ＣＡＰウエハと前記ＭＥＭＳデバイスウエハとを接合した状態で、前記ＣＡＰウエハのシリコンの表面流動で前記通気孔を塞ぐよう、水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記作動空間を封止することを特徴とする。
　また、第２の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法は、基板上に作動素子を形成したＭＥＭＳデバイスウエハと、前記作動素子を作動可能に収容する作動空間を形成するよう、前記ＭＥＭＳデバイスウエハを覆って設けられたＣＡＰウエハとを有するＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、前記基板はシリコン製で、前記作動空間に連通するよう形成された通気孔を有しており、前記ＣＡＰウエハと前記ＭＥＭＳデバイスウエハとを接合した状態で、前記基板のシリコンの表面流動で前記通気孔を塞ぐよう、水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記作動空間を封止することを特徴とする。
　また、第３の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法は、基板上に作動素子を形成したＭＥＭＳデバイスウエハと、前記作動素子を作動可能に収容する作動空間を形成するよう、前記ＭＥＭＳデバイスウエハを覆って設けられたＣＡＰウエハとを有するＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、前記ＭＥＭＳデバイスウエハの前記ＣＡＰウエハとの接合部および／または前記ＣＡＰウエハはシリコン製であり、前記ＣＡＰウエハと前記ＭＥＭＳデバイスウエハとを接合し、その接合界面に、前記作動空間に連通する通気孔が形成された状態で、前記接合部および／または前記ＣＡＰウエハのシリコンの表面流動で前記通気孔を塞ぐよう、水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記作動空間を封止することを特徴とする。
　第１乃至第３の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法は、水素ガス雰囲気中で前記熱処理を行うことにより、熱拡散で水素ガスが前記作動空間から流出して、前記作動空間が真空状態または低圧力状態になることが好ましい。
　第１乃至第３の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法は、熱処理による、ＣＡＰウエハのシリコンや、ＭＥＭＳデバイスウエハの基板のシリコンの表面流動を利用することにより、作動空間に連通する連通孔を塞いで、作動空間を封止することができる。熱処理の際、水素ガス雰囲気中に、エピタキシャル成長のソースガス等を混入させる必要がないため、封止後の作動空間の内部に水素ガス以外のガスを残さないようにすることができる。また、水素濃度が十分に低い水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、熱拡散現象でほぼ全ての水素ガスが作動空間の外部に流出するため、作動空間内部の真空度を高めることができる。
　また、第１乃至第３の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法は、熱処理のみで通気孔を閉塞することができ、エピタキシャル成長を利用するエピシール技術などの従来技術と比べて、使用原料ガスが少なく、成長系の制御の必要がないため、単純な装置構成にすることができる。このため、製造コスト並びに、製造装置の導入および維持コストを低減することができる。
　第１乃至第３の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法で、前記通気孔は、少なくとも一部の径が、前記表面流動で閉塞可能な大きさを有していることが好ましい。その径は、熱処理の温度および時間によるが、１μｍ以下であることが好ましく、０．８μｍ以下であることがより好ましい。また、通気のために、通気孔の径は、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．４μｍ以上であることがより好ましい。また、通気孔は、ＣＡＰウエハとＭＥＭＳデバイスウエハとを接合する前に形成されていてもよく、接合後に形成されてもよい。
　第１乃至第３の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法で、通気孔は、シリコンの表面流動で閉塞可能であれば、いかなる形状を成していてもよい。例えば、前記通気孔は、互いに径が異なる前記作動空間側の内側孔と、前記作動空間とは反対側の外側孔とを連通して成り、前記内側孔の径をφ１、前記外側孔の径をφ２とすると、φ１＞φ２であってもよく、φ１＜φ２であってもよい。また、前記通気孔はテーパ状を成し、前記作動空間側の表面での径をφ１、前記作動空間とは反対側の表面での径をφ２とすると、φ１＞φ２であってもよく、φ１＜φ２であってもよい。
　第１乃至第３の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法は、不活性ガスを含有する水素ガス雰囲気中で前記熱処理を行うことにより、熱拡散で水素ガスが前記作動空間から流出して、前記作動空間が前記不活性ガスの低圧力状態になってもよい。この場合、不活性ガスの含有率を調整することにより、作動空間の内部の真空度を容易に調整することができる。これにより、作動空間の内部を、作動素子の機能に最適な真空度にすることができる。不活性ガスは、例えばＡｒガスなど、作動素子の機能に悪影響を与えないものであれば、いかなるものであってもよい。
　第１乃至第３の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法で、前記熱処理は、熱処理温度が１０００℃～１１５０℃、熱処理時間が１０分間以上１時間以内であることが好ましい。この場合、作動空間の内部の作動素子などに、熱による悪影響を与えることなく、シリコンの表面流動を発生させて、通気孔を塞ぐことができる。熱処理時間は、３０分以内であることがより好ましい。
　本発明に係るＭＥＭＳデバイスは、基板上に作動素子を形成したＭＥＭＳデバイスウエハと、前記作動素子を作動可能に収容する作動空間を形成するよう、前記ＭＥＭＳデバイスウエハを覆って設けられたＣＡＰウエハとを有し、前記ＭＥＭＳデバイスウエハおよび前記ＣＡＰウエハは、それぞれＳＯＩウエハまたはＳｉウエハから成り、前記作動空間は、前記ＳＯＩウエハおよび／または前記Ｓｉウエハ由来の材料のみで内壁が形成され、封止されていることを特徴とする。
　本発明に係るＭＥＭＳデバイスは、第１乃至第３の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法により好適に製造することができる。本発明に係るＭＥＭＳデバイスは、第１乃至第３の本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法で製造することにより、作動空間の内部の真空度を高めることができ、安価に製造することができる。本発明に係るＭＥＭＳデバイスは、例えば、共振子、ジャイロ、ローレンツ力磁気センサ、加速度センサ、タイミングレゾネータ、ＩＲセンサ、圧力センサなどのデバイスである。本発明に係るＭＥＭＳデバイスで、前記ＭＥＭＳデバイスウエハはＳＯＩウエハから成り、前記作動素子が、前記ＳＯＩウエハのＳｉ基板上に形成されていることが好ましい。
　本発明によれば、作動空間の内部の真空度を高めることができ、製造コスト並びに、製造装置の導入および維持コストを低減可能なＭＥＭＳデバイスの製造方法およびＭＥＭＳデバイスを提供することができる。
本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す断面図である。 図１に示すＭＥＭＳデバイスの製造方法の、（ａ）熱処理前のＣＡＰウエハの通気孔付近の拡大断面図、（ｂ）シリコンの表面流動によりＣＡＰウエハの通気孔を塞いだ状態の、ＣＡＰウエハの通気孔付近の拡大断面図である。 本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法の、ＭＥＭＳデバイスがタイミングレゾネータから成る、熱処理前の変形例を示す断面図である。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
　図１乃至図３は、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法およびＭＥＭＳデバイスを示している。
　図１は、作動素子がジャイロ（Ｇｙｒｏ）から成るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示しており、図１の例に沿って、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法を説明する。
　図１に示すように、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、まず、ＭＥＭＳデバイスウエハ１１として、Ｓｉ基板１１ａとＳｉ単結晶膜１１ｂとの間に、ＳｉＯ２膜（酸化膜）１１ｃを挟んだＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハを用い、そのＳｉ単結晶膜１１ｂの表面を熱酸化させて、熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）１１ｄを形成する（図１（ａ）参照）。具体的な一例では、熱酸化膜１１ｄの厚みは、１μｍである。次に、熱酸化膜１１ｄとＳｉ単結晶膜１１ｂとをエッチングして、作動素子２１や非可動部２２を形成する（図１（ｂ）参照）。
　次に、ＳＯＩウエハから成るＣＡＰウエハ１２で、ＭＥＭＳデバイスウエハ１１の作動素子２１や非可動部２２を覆うよう、ＣＡＰウエハ１２のＳｉ単結晶膜１２ｂと非可動部２２の熱酸化膜１１ｄとを接合して一体化する（図１（ｃ）参照）。接合の際には、あらかじめ作動素子２１の表面の熱酸化膜１１ｄを取り除いておく。また、図２（ａ）に示すように、作動素子２１に対向するＣＡＰウエハ１２のＳｉ単結晶膜１２ｂの表面に、１または複数の凹状キャビティ（内側孔）２３ａを形成しておく。具体的な一例では、接合は、１１００℃で５時間の熱処理で行っている。次に、ＣＡＰウエハ１２をＳｉ基板１２ａの側から削って薄くし（図１（ｄ）参照）、ＣＡＰウエハ１２のＳｉ基板１２ａとＳｉＯ２膜１２ｃとを取り除いて、Ｓｉ単結晶膜１２ｂのみを残す。
　次に、図２（ａ）に示すように、ＣＡＰウエハ１２の表面から、凹状キャビティ２３ａに向かって貫通孔（外側孔）２３ｂを開け、通気孔２３を形成する。また、ＣＡＰウエハ１２をエッチングして、電極を設けるための電極領域２４も形成する（図１（ｅ）参照）。具体的な一例では、通気孔２３は、その径と深さとの比を軽減する目的で、内側孔として凹状キャビティ２３ａが形成されおり、内側孔の径をφ１、貫通孔（外側孔）２３ｂの径をφ２とすると、φ１＞φ２になっている。貫通孔（外側孔）２３ｂの径φ２は、１μｍ以下である。なお、通気孔２３は、φ１＜φ２であってもよい。
　次に、作動素子２１が作動するよう、作動素子２１に接する、ＭＥＭＳデバイスウエハ１１のＳｉＯ２膜１１ｃの一部もエッチングする（図１（ｆ）参照）。これにより、ＭＥＭＳデバイスウエハ１１のＳｉ基板１１ａとＣＡＰウエハ１２とで囲まれた、作動素子２１を作動可能に収容する作動空間１３が形成される。また、このとき、通気孔２３が作動空間１３と外部とを連通しているため、作動空間１３はまだ封止されていない。
　次に、水素ガス雰囲気中で、１０００℃～１１５０℃で１０分間以上１時間以内の熱処理を行い、ＣＡＰウエハ１２のシリコンの表面流動を発現させる。これにより、図２（ｂ）に示すように、表面流動したシリコン１２ｄが通気孔２３の貫通孔２３ｂに流れ込み、通気孔２３を閉塞、ピンチオフして、作動空間１３を封止することができる（図１（ｇ）参照）。
　このとき、水素濃度が十分に低い水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、熱拡散現象でほぼ全ての水素ガスが作動空間１３の外部に流出するため、作動空間１３が高真空（低圧力）状態になる。
　このように、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、熱処理によるＣＡＰウエハ１２のシリコンの表面流動を利用することにより、作動空間１３に連通する連通孔を塞いで、作動空間１３を封止することができる。これにより、被封止デバイスをパッケージ封止したＭＥＭＳデバイス１０を製造することができる。
　本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、熱処理の際、水素ガス雰囲気中に、エピタキシャル成長のソースガス等を混入させる必要がないため、封止後の作動空間１３の内部に水素ガス以外のガスを残さないようにすることができ、熱拡散現象によりほぼ全ての水素ガスが外部に流出した後の作動空間１３の内部の真空度を高めることができる。また、熱処理のみで通気孔２３を閉塞することができ、エピタキシャル成長を利用するエピシール技術などの従来技術と比べて、使用原料ガスが少なく、成長系の制御の必要がないため、単純な装置構成にすることができる。このため、製造コスト並びに、製造装置の導入および維持コストを低減することができる。
　また、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、エピシール技術を利用しないため、堆積されたエピタキシャルシリコン層によって発生する問題点や、エピタキシャル成長のソースガス等によって発生する可能性のある問題点を回避することができる。また、通気孔２３を塞ぐ物質は、純粋なシリコンであり、酸化物プラグや金属プラグではないため、酸化物や金属で封止された膜によって発生する可能性のある問題点を回避することもできる。
　また、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、シリコンの表面流動を発現させるための熱処理の熱処理温度が１０００℃～１１５０℃、熱処理時間が１０分間以上１時間以内であるため、作動空間１３の内部の作動素子２１などに、熱による悪影響を与えることなく、通気孔２３を塞ぐことができる。また、熱処理によるシリコンの表面流動により、ＭＥＭＳデバイス１０の側壁などのＳｉ表面を平滑にすることができる。
　本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、作動素子２１がジャイロであるものに限らず、図３に示すタイミングレゾネータ、共振子、ローレンツ力磁気センサ、加速度センサ、ＩＲセンサ、圧力センサなどのデバイスを製造してもよい。図３に示す場合にも、熱処理によるＣＡＰウエハ１２のシリコンの表面流動を利用することにより、作動空間１３に連通する通気孔２３を塞いで、作動空間１３を封止することができ、被封止デバイスをパッケージ封止したＭＥＭＳデバイス１０を製造することができる。
　なお、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法で、通気孔２３は、少なくとも一部の径が、熱処理による表面流動で閉塞可能な大きさを有していれば、いかなる形状を成していてもよい。通気孔２３は、図１に示す形状に限らず、例えば、テーパ状を成していてもよい。この場合には、作動空間１３の側のＣＡＰウエハ１２の内側面での径をφ１、作動空間１３とは反対側のＣＡＰウエハ１２の外側面での径をφ２とすると、φ１＞φ２であってもよく、φ１＜φ２であってもよい。
　また、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法で、熱酸化膜１１ｄは、ＭＥＭＳデバイスウエハ１１ではなく、ＣＰＡウエハの作動空間１３の側の表面に形成されていてもよい。この場合、ＣＡＰウエハ１２の熱酸化膜とＭＥＭＳデバイスウエハ１１の非可動部２２とを接合することにより、ＣＡＰウエハ１２をＭＥＭＳデバイスウエハ１１に接合することができる。
　また、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、熱処理を、不活性ガスを含有する水素ガス雰囲気中で行ってもよい。この場合、熱処理により、熱拡散現象で水素ガスが作動空間１３から流出するため、作動空間１３が不活性ガスの高真空（低圧力）状態になる。このため、不活性ガスの含有率を調整することにより、作動空間１３の内部の真空度を容易に調整することができる。これにより、作動空間１３の内部を、作動素子２１の機能に最適な真空度にすることができる。不活性ガスは、例えばＡｒガスなど、作動素子２１の機能に悪影響を与えないものであれば、いかなるものであってもよい。
　また、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、通気孔２３がＣＡＰウエハ１２ではなく、ＭＥＭＳデバイスウエハ１１のＳｉ基板１１ａに設けられていてもよい。この場合にも、熱処理により、Ｓｉ基板１１ａのシリコンの表面流動で通気孔２３を塞ぎ、作動空間１３を封止することができる。
　また、本発明の実施の形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、通気孔２３がＣＡＰウエハ１２とＭＥＭＳデバイスウエハ１１との接合界面に設けられていてもよい。この場合にも、熱処理により、ＭＥＭＳデバイスウエハ１１のＳｉ単結晶膜１１ｂおよび／またはＣＡＰウエハ１２のシリコンの表面流動で通気孔２３を塞ぎ、作動空間１３を封止することができる。
　非特許文献１を参考にして、通気孔２３の大きさと、熱処理温度および時間とを様々に変えて、シリコンの表面流動による通気孔２３の封止についてシミュレーションを行った。
［シミュレーション１］
　ＣＡＰウエハ１２に形成された通気孔２３の径を０．６μｍ、深さを５μｍとしたとき、水素ガス雰囲気中で、１１００℃で１５分の熱処理を行うことにより、ＣＡＰウエハ１２のシリコンの表面流動で通気孔２３を封止することができる。
［シミュレーション２］
　ＣＡＰウエハ１２に形成された通気孔２３の径を０．４μｍ、深さを３μｍとしたとき、水素ガス雰囲気中で、１０００℃で１５分の熱処理を行うことにより、ＣＡＰウエハ１２のシリコンの表面流動で通気孔２３を封止することができる。
［シミュレーション３］
　ＣＡＰウエハ１２に形成された通気孔２３の径を０．８μｍ、深さを６μｍとしたとき、水素ガス雰囲気中で、１１３０℃で１５分の熱処理を行うことにより、ＣＡＰウエハ１２のシリコンの表面流動で通気孔２３を封止することができる。
［シミュレーション４］
　ＣＡＰウエハ１２に形成された通気孔２３の径を１μｍ、深さを８μｍとしたとき、水素ガス雰囲気中で、１１５０℃で１５分の熱処理を行うことにより、ＣＡＰウエハ１２のシリコンの表面流動で通気孔２３を封止することができる。
　１０　ＭＥＭＳデバイス
　１１　ＭＥＭＳデバイスウエハ
　　１１ａ　Ｓｉ基板
　　１１ｂ　Ｓｉ単結晶膜
　　１１ｃ　ＳｉＯ２膜
　　１１ｄ　熱酸化膜
　　２１　作動素子
　　２２　非可動部
　１２　ＣＡＰウエハ
　　１２ａ　Ｓｉ基板
　　１２ｂ　Ｓｉ単結晶膜
　　１２ｃ　ＳｉＯ２膜
　　１２ｄ　表面流動したシリコン
　　２３　通気孔
　　　２３ａ　凹状キャビティ（内側孔）
　　　２３ｂ　貫通孔（外側孔）
　　２４　電極領域
　１３　作動空間
 

Claims (14)

  1. 　基板上に作動素子を形成したＭＥＭＳデバイスウエハと、前記作動素子を作動可能に収容する作動空間を形成するよう、前記ＭＥＭＳデバイスウエハを覆って設けられたＣＡＰウエハとを有するＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、
    　前記ＣＡＰウエハはシリコン製で、前記作動空間に連通するよう形成された通気孔を有しており、
    　前記ＣＡＰウエハと前記ＭＥＭＳデバイスウエハとを接合した状態で、前記ＣＡＰウエハのシリコンの表面流動で前記通気孔を塞ぐよう、水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記作動空間を封止することを
    　特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  2. 　基板上に作動素子を形成したＭＥＭＳデバイスウエハと、前記作動素子を作動可能に収容する作動空間を形成するよう、前記ＭＥＭＳデバイスウエハを覆って設けられたＣＡＰウエハとを有するＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、
    　前記基板はシリコン製で、前記作動空間に連通するよう形成された通気孔を有しており、
    　前記ＣＡＰウエハと前記ＭＥＭＳデバイスウエハとを接合した状態で、前記基板のシリコンの表面流動で前記通気孔を塞ぐよう、水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記作動空間を封止することを
    　特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  3. 　基板上に作動素子を形成したＭＥＭＳデバイスウエハと、前記作動素子を作動可能に収容する作動空間を形成するよう、前記ＭＥＭＳデバイスウエハを覆って設けられたＣＡＰウエハとを有するＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、
    　前記ＭＥＭＳデバイスウエハの前記ＣＡＰウエハとの接合部および／または前記ＣＡＰウエハはシリコン製であり、
    　前記ＣＡＰウエハと前記ＭＥＭＳデバイスウエハとを接合し、その接合界面に、前記作動空間に連通する通気孔が形成された状態で、前記接合部および／または前記ＣＡＰウエハのシリコンの表面流動で前記通気孔を塞ぐよう、水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記作動空間を封止することを
    　特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  4. 　前記通気孔は、少なくとも一部の径が、前記表面流動で閉塞可能な大きさを有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  5. 　前記通気孔は、互いに径が異なる前記作動空間側の内側孔と、前記作動空間とは反対側の外側孔とを連通して成り、前記内側孔の径をφ１、前記外側孔の径をφ２とすると、φ１＞φ２であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  6. 　前記通気孔は、互いに径が異なる前記作動空間側の内側孔と、前記作動空間とは反対側の外側孔とを連通して成り、前記内側孔の径をφ１、前記外側孔の径をφ２とすると、φ１＜φ２であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  7. 　前記通気孔はテーパ状を成し、前記作動空間側の表面での径をφ１、前記作動空間とは反対側の表面での径をφ２とすると、φ１＞φ２であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  8. 　前記通気孔はテーパ状を成し、前記作動空間側の表面での径をφ１、前記作動空間とは反対側の表面での径をφ２とすると、φ１＜φ２であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  9. 　水素ガス雰囲気中で前記熱処理を行うことにより、熱拡散で水素ガスが前記作動空間から流出して、前記作動空間が真空状態または低圧力状態になることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  10. 　不活性ガスを含有する水素ガス雰囲気中で前記熱処理を行うことにより、熱拡散で水素ガスが前記作動空間から流出して、前記作動空間が前記不活性ガスの低圧力状態になることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  11. 　前記不活性ガスはＡｒガスであることを特徴とする請求項１０記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  12. 　前記熱処理は、熱処理温度が１０００℃～１１５０℃、熱処理時間が１０分間以上１時間以内であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
  13. 　基板上に作動素子を形成したＭＥＭＳデバイスウエハと、
    　前記作動素子を作動可能に収容する作動空間を形成するよう、前記ＭＥＭＳデバイスウエハを覆って設けられたＣＡＰウエハとを有し、
    　前記ＭＥＭＳデバイスウエハおよび前記ＣＡＰウエハは、それぞれＳＯＩウエハまたはＳｉウエハから成り、
    　前記作動空間は、前記ＳＯＩウエハおよび／または前記Ｓｉウエハ由来の材料のみで内壁が形成され、封止されていることを
    　特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  14. 　前記ＭＥＭＳデバイスウエハはＳＯＩウエハから成り、前記作動素子が、前記ＳＯＩウエハのＳｉ基板上に形成されていることを特徴とする請求項１３記載のＭＥＭＳデバイス。
     
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