(57)【要約】  マイクロ構造（２６）を収容する気密封止キャビティ（２２）を有するマイクロデバイス（２０）である。マイクロデバイス（２０）は基板（３０）と、キャップ（４０）と、絶縁層（７０）と、少なくとも一つの導電アイランド（６０）と、そして分離トレンチ（５０）と、を備える。基板（３０）は上面（３２）を有し、この上面の上には複数の導電配線（３６）が形成される。これらの導電配線（３６）がマイクロ構造（２６）への電気的接続手段となる。キャップ（４０）は基台部分（４２）及び側壁（４４）を有する。側壁（４４）は基台部分（４２）から外に向かって延びてキャップ（４０）内のリセス（４６）を画定する。絶縁層（７０）は、キャップ（４０）の側壁（４４）と複数の導電配線（３６）との間に取り付けられる。導電アイランド（６０）は複数の導電配線（３６）の内の少なくとも一つの導電配線に取り付けられる。分離トレンチ（５０）はキャップ（４０）と導電アイランド（６０）配線との間に位置し、かつ分離トレンチには何も充填されない、または分離トレンチの少なくとも一部には電気絶縁材料が充填される。上の構成と同じマイクロデバイスを形成する方法も提供される。
2007516092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ構造を収容する気密封止キャビティを有するマイクロデバイスであって、
上面を有する基板と、該基板が基板の上面の少なくとも一部の上に形成される複数の導電配線を有することと、前記導電配線はマイクロ構造に電気的接続を提供することと、
基台部分及び側壁を有するキャップと、前記側壁は基台部分から外に向かって延びて前記キャップ内にリセスを画定することと、
前記キャップの少なくとも一つの側壁と前記基板の上面の上に形成された前記複数の導電配線との間に取り付けられる絶縁層と、
前記基板及び前記複数の導電配線の内の少なくとも一つの導電配線に取り付けられる少なくとも一つの導電アイランドと、
前記キャップと前記少なくとも一つの導電アイランドとの間の分離トレンチとを備え、
前記マイクロ構造が前記気密封止キャビティの内部に取り付けられ、気密封止キャビティの少なくとも一部がキャップ内のリセスによって画定される、マイクロデバイス。
【請求項２】
前記分離トレンチの少なくとも一部には、ガラス充填材料が充填される、請求項１記載のマイクロデバイス。
【請求項３】
前記キャップ及び前記導電アイランドはシリコンからなり、前記キャップは前記リセスに沿って埋め込まれる単結晶シリコンゲッター層を有し、このシリコンゲッター層によってキャビティ内の真空を維持する、請求項１記載のマイクロデバイス。
【請求項４】
埋め込まれた前記単結晶シリコンゲッター層に、キャップのリセスの少なくとも一つの底面に沿って襞を付ける、請求項３記載のマイクロデバイス。
【請求項５】
前記絶縁層はガラス充填材料からなり、かつキャップの側壁に陽極接合によって取り付けられる、請求項１記載のマイクロデバイス。
【請求項６】
前記キャップの側壁の高さは前記導電アイランドの高さよりも低い、請求項１記載のマイクロデバイス。
【請求項７】
上面及び底面を有する基板を設ける工程と、
第１端部及び第２端部を有した導電配線を基板の上面に形成する工程と、
絶縁層を、基板の上面の少なくとも一部及び導電配線の上に形成する工程と、
基板に空隙を形成する工程と、
マイクロ構造の大部分が前記空隙の上に位置するように、前記マイクロ構造を前記導電配線の第１端部に取り付ける工程と、
シリコンアイランド及び、該シリコンアイランドから分離トレンチによって分離されたシリコンキャップを設ける工程と、
前記シリコンキャップが前記マイクロ構造を収容し、かつ気密封止キャビティを形成するように、シリコンキャップを基板の上面に形成された前記絶縁層に取り付ける工程と、
前記シリコンアイランドを導電配線の前記第２端部に取り付ける工程とを備える、気密封止キャビティを有したマイクロデバイスの製造方法。
【請求項８】
前記方法は更に、
単結晶シリコンゲッター層をシリコンキャップのリセスの内部に形成する工程と、
シリコンキャップを絶縁層に取り付ける工程の間に生成される蒸気種及びガス種を吸着する機能をゲッター層に与えるために、前記ゲッター層を活性化させる工程とをさらに備える、請求項７記載の製造方法。
【請求項９】
シリコンキャップを絶縁層に取り付ける工程では、シリコンキャップを陽極接合により絶縁層に取り付ける、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
シリコンキャップをシリコンアイランドから分離する分離トレンチの少なくとも一部にはガラスが充填される、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して真空キャビティの中で気密封止されるマイクロデバイスに関し、特に真空キャビティ内の内部マイクロデバイスを外部環境にトレンチ分離された導電カバーウェハを通して電気的に接続する構成及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ技術により製造されるマイクロデバイスは多くの分野で重要な役割を果たしている。例えば、マイクロメカニカルジャイロスコープにより輸送及び商用用途において幾つかの重要な制御システムが実現してきた。ＭＥＭＳ技術により製造される圧力センサ、加速度計、アクチュエータ、及び共振器のような他のマイクロデバイスも多くの分野で使用される。
【０００３】
マイクロジャイロスコープ及び共振器のような幾つかのマイクロデバイスは、真空封止キャビティ内に保持する必要のあるマイクロ構造を含む。これらのタイプのデバイスに関しては、キャビティを気密封止してデバイスの寿命を伸ばす方法及び技術の改善に対して絶え間ない要求がある。幾つかの原因に起因する圧力増大により、デバイス性能が劣化し、かつ気密封止マイクロデバイスのデバイス寿命が短くなる。
【０００４】
マイクロデバイスのキャビティの内部の圧力を増大させる一つの原因は不完全な封止方法及び技術である。例えば、マイクロ構造は、電気的に外部環境に接続される必要のある電極群を有する。デバイス寿命に渡って完全な電気接続及び適切なキャビティ真空を保証するフィードスルー設計及び気密封止方法の改善に対して絶え間ない要求がある。
【０００５】
ウェハレベルの気密封止に関して、マイクロ構造の電極群の電気接続を、ウェハに形成される或るタイプの導電ビアを通して行なう方法が知られている。しかしながらこのアプローチは幾つかの不具合を有する。例えば、導電ビアをウェハに形成することにより、ウェハに取り付けられるマイクロ構造に機械的ダメージを与える。更に、真空度が、導電ビアのマイクロクラック及び他の欠陥により低下する恐れがある。この現象は、特に導電ビアがマイクロ構造を収容する真空封止キャビティの中にまで延びる場合に生じる。また、封止マイクロデバイスのサイズは、マイクロ構造との接続を行なうために必要なビアの数と共に大きくなる。
【０００６】
マイクロデバイスのキャビティの圧力増大の別の原因は、気密封止プロセスの間のガス発生及びパッケージ材料、封止材料、及びキャビティ内の部品からのアウトガスである。アウトガス問題に関して、ゲッターを使用して蒸気種及びガス種を吸収することによりキャビティ内の気密真空を維持する方法が知られている。デバイス内に現在使用されている２つの異なる種類のゲッターは金属ゲッター及び非金属ゲッターである。金属ゲッターをパッケージレベルの真空封止方法に使用することが知られている。シリコンの有機塩から形成され、電子チューブ用途に用いられる非金属ゲッターは特許文献１に記載されている。堆積アモルファスシリコンまたはポリシリコンにより形成され、フラットパネル表示用途に用いられる別の非金属ゲッターは特許文献２に記載されている。
【０００７】
従来の手法の成功の度合いは種々まちまちであった。例えば金属ゲッターの場合、製造プロセス中に、またはデバイスが振動または衝撃を受けた後に、使用する金属ゲッターが機械的強度が低く、かつ金属ゲッターの孔サイズが大き過ぎてゲッター粒子が落下することにより深刻な信頼性上の問題が生じる。ゲッター粒子が離れて存在していることが、多
孔質金属ゲッターで密封される幾つかのマイクロジャイロスコープの主要な不良モードとして特定されている。また金属ゲッターは通常大きな孔サイズを有するので、必要とされるゲッターサイズが普通大きくなる。このサイズからくる制約及びゲッター製造プロセスにより通常、多くの金属ゲッターはウェハレベルの真空封止に使用することができない。金属ゲッターはまた、幾つかの用途に対しては法外な費用が掛かる。
【０００８】
非金属ゲッターに関しては、公知のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの機械的特性は堆積条件によって変化し、そして再現するのが困難である。公知のタイプの非金属ゲッターは通常、たった数ミクロンという薄い厚さであることから、大きな平坦領域を有する大型キャビティに使用される。他のタイプのゲッターは完全密封ではないキャビティの内部の湿気を吸着するための用途に用いられる。
【特許文献１】米国特許第４，７７１，２１４号
【特許文献２】米国特許第５，６１４，７８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、マイクロデバイスの気密封止キャビティに収容されるマイクロ構造を有する改良型マイクロデバイス、及びこのようなマイクロデバイスを形成する方法を提供して、前述の問題の全てではないがほとんどを解決することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ここに記載するのは、分離トレンチと、そしてマイクロデバイスの封止マイクロ構造を外部環境に電気的に接続する導電フィードスルーと、を有するマイクロデバイス及びこのマイクロデバイスを形成する方法である。例示及び記述のためにマイクロジャイロスコープを一例として使用する。しかしながら、本発明はマイクロジャイロスコープの形成及び処理に限定されるのではなく、真空キャビティ内で保持する必要のある他のマイクロデバイス及び構造にも適用できるものである。本開示による利益を享受することになるこの技術分野の当業者であれば、この明細書に記載するデバイス、及びこのようなデバイスを形成する手順が他の用途に使用できることを理解できるものと考えられる。
【００１１】
本目的を達成するために、マイクロ構造を収容する気密封止キャビティを有するマイクロデバイスを提供する。マイクロデバイスは、基板と、絶縁層と、そして少なくとも一つの導電アイランド及び分離トレンチを有するキャップと、を備える。基板は上面を有し、この上面の上には複数の導電配線が形成される。導電配線はマイクロ構造との電気接続を可能にする。キャップは基台部分及び側壁を有する。側壁は基台部分から外側に延びてキャップ内のリセスを画定する。絶縁層はキャップの側壁と、基板の上面の上に形成される複数の導電配線との間に取り付けられる。導電アイランドは複数の導電配線の内の少なくとも一つに取り付けられる。分離トレンチはキャップと導電アイランドとの間に位置し、かつ隣接導電アイランドの間にも位置する。
【００１２】
分離トレンチには何も充填されない、または分離トレンチの少なくとも一部がガラス充填材料のような電気絶縁材料によって充填される。導電アイランド及び分離トレンチを備えるキャップはシリコンにより作製することができ、かつ基板及び絶縁層はガラス材料により作製することができる。一の実施形態では、キャップは、キャップの内部リセスに沿って単結晶シリコンゲッター層を有し、このゲッター層によってキャビティ内の真空を維持することができる。ゲッター層は平坦とする、またはキャップのリセスの底面に沿って襞状にすることができる。
【００１３】
マイクロデバイスはまた、基板と、絶縁層と、そして導電アイランドを有するキャップと、を備えることができる。基板は上面と、そして上面の上に形成される少なくとも一つ
の導電配線と、を有する。導電配線は第１端部及び第２端部を有する。絶縁層は導電配線の少なくとも一部の周りに位置する。キャップは基台部分及び側壁を有する。側壁は基台部分から外側に向かって延びてキャップ内のリセスを画定する。キャップの側壁は少なくとも一つの絶縁層に取り付けられる。分離トレンチはキャップ及び導電アイランドを分離する。分離トレンチには何も充填されない、または分離トレンチの少なくとも一部が電気絶縁材料によって充填される。導電配線の第１端部は、マイクロデバイスの気密封止キャビティの内部のマイクロ構造に電気的に接続される。導電配線の第２端部は導電アイランドに電気的に接続される。導電アイランド及び導電配線は、気密封止キャビティ内部のマイクロ構造への電気的接続手段となる。
【００１４】
マイクロ構造を収容する気密封止キャビティを有するマイクロデバイスを形成する方法も提供される。本方法は、上面及び底面を有する基板を設ける工程と、第１端部及び第２端部を有する導電配線を基板の上面の上に形成する工程と、絶縁層を、基板の上面の少なくとも一部及び導電配線の上に形成する工程と、基板に空隙を形成する工程と、マイクロ構造を導電配線の第１端部に取り付けてマイクロ構造の少なくとも大部分が空隙の上に位置するようにする工程と、シリコンキャップ及びシリコンアイランドを設ける工程であって、シリコンキャップがシリコンアイランドから分離トレンチによって分離される構成の工程と、シリコンキャップを基板の上面の上に形成される絶縁層に取り付けてシリコンキャップがマイクロ構造を収容し、かつ気密封止キャビティを形成するようにする工程と、そしてシリコンアイランドを導電配線の第２端部に取り付ける工程と、を含む。
【００１５】
シリコンキャップを絶縁層に取り付ける工程では陽極接合を行なう。絶縁層を基板の上面の少なくとも一部の上に形成する工程では、ガラス層を基板の上面の上に堆積させ、そしてガラス層の外側表面を平坦化して研磨する。或る実施形態では、本方法は更に、単結晶シリコンゲッター層をシリコンキャップのリセスの内部に形成する工程と、そしてゲッター層を活性化させて、ゲッター層が、シリコンキャップを絶縁層に取り付ける工程の間に生成される蒸気種及びガス種を吸着する機能を有するようにする工程と、を含む。
【００１６】
マイクロ構造を収容する気密封止キャビティを形成する方法はまた、上面及び底面を有する基板を設ける工程と、導電配線を基板の上面の上に形成する工程と、絶縁層を、基板の上面の少なくとも一部及び導電配線の上に形成する工程と、第１コンタクト窓及び第２コンタクト窓を絶縁層に形成して、導電配線の第１端部及び第２端部との電気的接続を可能にする工程と、マイクロ構造を導電配線に第１コンタクト窓を通して取り付ける工程と、シリコンキャップ及びシリコンアイランドを設ける工程であって、シリコンキャップがシリコンアイランドから分離トレンチによって分離される構成の工程と、シリコンキャップを基板の上面の上に形成される絶縁層に取り付けてシリコンキャップがマイクロ構造を収容し、かつ気密封止キャビティを形成するようにする工程と、そしてシリコンアイランドを導電配線に第２コンタクト窓を通して取り付ける工程と、を含む。マイクロ構造を導電配線に取り付ける工程は更に、少なくとも一つの第１金属コンタクトを第１コンタクト窓の上に形成して第１金属コンタクトを導電配線に接続し、次にマイクロ構造を第１金属コンタクトに取り付ける工程を含む。シリコンアイランドを導電配線に取り付ける工程は更に、少なくとも一つの第２金属コンタクトを第２コンタクト窓の上に形成して第２金属コンタクトを導電配線に接続し、次にシリコンアイランドを第２金属コンタクトに取り付ける工程を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明には種々の変形及び別の形態を容易に適用し得るものと考えられるが、特定の実施形態を一例として図に示し、そして本明細書に詳細に記載する。しかしながら本発明は、開示する特定の形態に限定されるものではないことを理解されたい。限定されるのではなく、本発明は、添付の請求項により規定される本発明の技術範囲に含まれる全ての変形
物、等価物及び代替物を含むものである。
【００１８】
図を参照すると、図１，２は、ウェハレベルの気密封止キャビティ２２を有するマイクロデバイス２０の一の実施形態を示している。図１は、マイクロデバイス２０の上面図を示している。図２は、図１に示す破線２−２に沿ったマイクロデバイス２０の断面図である。
【００１９】
マイクロデバイス２０は、基板３０に取り付けられるマイクロ構造２６を有するセンサとすることができる。ここで、マイクロデバイス２０は、検出機能を実現するタイプとすることができる。例えば、マイクロジャイロスコープは角速度を検出する。例示のために、記述及び図はセンサに関連して提示する。しかしながら、本開示の利益を享受するこの技術分野の当業者であれば、本発明は他の用途に適用することができることが分かるであろう。
【００２０】
図１，２に示すように、本発明の一の実施形態では、マイクロデバイス２０は、マイクロ構造２６を収容する気密封止キャビティ２２を有する。マイクロデバイス２０は、基板３０と、キャップ４０と、分離トレンチ５０と、導電アイランド６０と、そして絶縁層７０と、を備えることができる。デバイスマイクロ構造２６は、気密封止キャビティ２２の内部に種々のアンカーポイントで取り付けることができる。これにより、マイクロ構造２６の少なくとも主要な本体部分をマイクロデバイス２０内部に懸架することができる。このマイクロ構造はジャイロスコープまたは他のマイクロデバイスに使用されるような可動構造とすることができる。
【００２１】
基板３０は上面３２及び底面３４を有する。基板３０はまた、基板３０の上面３２の少なくとも一部の上に形成される一連の導電配線３６を有することができる。以下に例示するように、本構成における一連の導電配線３６は、キャビティ２２内部のマイクロ構造２６を外部環境に電気的に接続する一連の水平導電性フィードスルーである。導電アイランド６０は更に、ボンディングパッドまたはマイクロデバイス２０外部との電気コンタクトとして形成される一連の導電配線３８を有することができる。一連の導電配線３８は、一連の導電配線３６及び導電アイランド６０を通してのマイクロ構造２６と外部環境との間の電気的接続手段となる。
【００２２】
キャップ４０は基台部分４２及び側壁４４を有する。側壁４４は基台部分４２から外に向かって延び、そしてキャップ４０内のリセス４６を画定する。気密封止キャビティ２２は、キャップ４０内のリセス４６によって少なくとも一部が画定される。一の実施形態では、キャップ４０は以下に記載するようにシリコンウェハにより形成される。
【００２３】
以下に示すように、導電アイランド６０は、キャップ４０を形成するために使用する同じシリコンウェハにより形成することができる。しかしながら、導電アイランド６０はキャップ４０から分離トレンチ５０によって分離される。従って、分離トレンチ５０はキャップ４０の外部側壁４４と導電アイランド６０との間に位置する。一の実施形態では、図２に示すように、分離トレンチ５０の少なくとも一部には、ガラス充填材料のような電気絶縁材料５２が充填される。別の実施形態では、図３に示すように、分離トレンチ５０は空いたままであり、分離トレンチには何も充填されない。導電アイランド６０は、一連の導電配線３６を通してのマイクロ構造２６と外部環境との間の電気的接続手段となる。
【００２４】
以下にも示すように、絶縁層７０はガラス充填材料のような電気絶縁材料により作製される。絶縁層７０は分離トレンチ５０と共に、電気絶縁手段となって、キャップ４０を通しての導電配線３６間の短絡を防止する。
【００２５】
好適な実施形態では、キャップ４０は絶縁層７０に非接着型気密封止を通して取り付けられる。例えば、キャップ４０及び絶縁層７０は互いに対して、真空中での陽極接合プロセスを通して取り付けられる。ここで、キャップ４０はシリコンにより作製されることが好ましく、かつ絶縁層７０はガラスにより作製されることが好ましい。絶縁層７０の外側接合表面は平坦化し、かつ研磨する必要がある。陽極接合プロセスにおいては、シリコンキャップ４０を絶縁層７０の上に位置合わせし、押し付け、そしてこれらの間に高温で高電圧を印加する。高温及び大きな負電位では、ガラス内部の正イオンはシリコンに隣接するガラス表面から離れる方向にドリフトしてガラスのバルク部分に入り込み、そして界面で正イオンが欠乏することにより高電界がガラス絶縁層７０とシリコンキャップ４０との間のエアギャップに亘って生成される。高い静電気力が２つの接合表面を非常に固く押し付けて強力で均一な接合が形成される。
【００２６】
本発明の一の実施形態においては、キャップ４０はシリコンにより作製される。キャップ４０がシリコンにより作製される場合、キャップ４０は更にリセス４６に沿って埋め込まれる単結晶シリコンゲッター層４８を有することができる。ゲッター層４８はデバイスマイクロ構造２６から空間的に離れた関係になる。活性化されたゲッター層４８によって、キャビティ２２内部の真空を維持し易くなる。シリコンキャップ４０中の埋込み単結晶シリコンゲッター層４８は、このゲッター層が封止プロセス中に生成され、かつ或る実施形態におけるマイクロ構造２６、基板３０、及び封止材料のようなマイクロデバイス２０の材料からデバイス寿命に渡って放出される多くの蒸気種及びガス種を吸収する機能を備えるので好ましい。
【００２７】
多孔質の単結晶シリコンゲッター層４８は有利なことに、シリコンキャップ４０に入り込む形で電気化学エッチング技術を使用してシリコンウェハ上に形成することができる。電気化学技術をこの用途に使用することは、電気化学技術によって、孔サイズ、孔分布、及び多孔質層厚さを選択する際の自由度が高くなり、再現性及び制御性が良くなるので、好ましい。電気化学エッチングプロセスにおいては、シリコンキャップ４０（ウェハ上の複数のシリコンキャップの一部としての）をＨＦ（弗酸）溶液に浸すことができる。用途によって変わるが、図１〜３に示す構成ではシリコンキャップの片側だけが埋め込みゲッター層を有すればよい。従って、シリコンキャップ４０を保持するウェハの他方側は、ＨＦ溶液での多孔質形成プロセスの間はエッチング付属機器により保護する、さもなければハードマスク材料で覆う必要がある。さらに、シリコンキャップ４０を保持するウェハのリセス側にハードマスク材料を形成し、パターニングすることにより、多孔質層を選択的に形成することができる。このようにして、単結晶シリコンゲッター層４８をシリコンキャップ４０のリセス４６に沿ってのみ形成する。導電型及び濃度、またはＨＦ濃度及び電流密度のような多孔質形成パラメータを選択することにより、ゲッター層４８を変えることができるという利点がある。
【００２８】
単結晶シリコンゲッター層４８を使用する場合、ゲッター層４８は熱的方法、電気的方法または光学的方法のような異なる方法により活性化させることができる。例えば、真空環境下で適切な時間に渡って高温で熱による活性化を行なうと、多孔質シリコン表面から水素種及び他の種を除去し、そして多孔質シリコン表面を蒸気種及びガス種に対して活性化させることができる。
【００２９】
本発明の更に別の実施形態においては、単結晶シリコンゲッター層４８にはさらに、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）のような或るタイプの金属材料を選択的にドープして或る種に対するシリコンゲッターの反応性を高めることができる。多孔質シリコンへのドーピングは、スパッタ法または蒸着法、或いは必要なドーピング種を含む水溶液に多孔質シリコンを浸すことにより行なう化学堆積法により行なうことができる。
【００３０】
さらに別の実施形態においては、シリコン酸化膜の薄層を単結晶シリコンゲッター層４８の表面上に保持して或るタイプのガス分子または蒸気分子とのゲッターの反応性を高めることができる。
【００３１】
単結晶シリコンゲッター層４８をリセス４６内で使用することにより得られる利点は、ゲッター層の使用により、活性ゲッター面のアウトガス表面に対する面積比を公知の先行技術によるデバイスにおける比よりも大きくすることができることである。また、単結晶シリコンゲッターを使用することにより得られる他の利点は、外側ゲッター面を変更してゲッター効果をさらに高めることができることである。例えば、本発明の譲受人が本発明とともに保有し、ここにおいてその全体を参照することにより本発明の開示に含まれる２００２年９月３０日出願の、Ｘｉａｏｙｉ  Ｄｉｎｇによる「真空を維持するための単結晶シリコンゲッターを有する気密封止マイクロデバイス」と題する特許文献３（出願番号１０／２６０，６７５）は、単結晶シリコンゲッター層を有するシリコンキャップの別の構成を示しており、このシリコンゲッター層には、キャップのリセスの底面に沿って襞（ひだ）を付ける。当該用途において示唆され、かつ説明されているように、この襞はシリコンキャップのウェハ製造処理工程中に形成することができる。別の構成として、シリコンウェハのゲッター側を低濃度ＫＯＨ溶液で少しエッチングして多孔質形成の前に表面を粗にしておくことができる。
【００３２】
次に、図１〜２に示すマイクロデバイス２０の形成プロセスについて更に説明する。図４Ａ〜４Ｅは、マイクロ構造２６及び絶縁層７０を有する複数の基板３０をガラスウェハ８０に形成する方法を示している。図５Ａ〜５Ｇは、複数のキャップ４０、分離トレンチ５０、及び導電アイランド６０をシリコンウェハ９０に形成する方法を示している。図６Ａ〜６Ｄは、ガラスウェハ８０及びシリコンウェハ９０を（組立デバイス１００と一緒に）組み立てて複数のマイクロデバイス２０を形成する工程を示している。図６Ｃに示す組立ウェハの上側部分を図７Ａに示す。次に、組立ウェハを切断する、またはダイシングして、図７Ｂに示すように複数のマイクロデバイス２０を形成する。
【００３３】
最初に図４Ａ〜４Ｅを参照すると、マイクロ構造２６及び絶縁層７０を有する複数の基板３０をガラスウェハ８０から形成する方法が示される。図４Ａを参照すると、ガラスウェハ８０の一部が、上面８２及び底面８４を有するものとして示される。プロセスは、一連の導電配線３６をガラスウェハ８０の上面８２の上に形成する工程を含む。この操作は、横方向金属配線をガラスウェハ８０の上面８２の上に堆積させ、そしてパターニングすることにより行なうことができる。前に示したように、一連の導電配線３６は最終的には、マイクロデバイス２０の水平導電性フィードスルーとなる。
【００３４】
図４Ｂを参照すると、プロセスの次の工程では、上面の上に形成される導電配線３６の上も含む形でガラスウェハ８０の上面８２の上を絶縁層７０で覆う、または上面８２の上に絶縁層７０を堆積させる。絶縁層７０に適切する材料はガラス充填材料である。特に、ガラス充填材料はガラスウェハ８０を覆う、またはガラスウェハ８０の上に堆積させることができ、次に硬化工程により硬化させることができる。絶縁層７０をガラス充填材料を使用して形成する（次に硬化させる）場合、プロセスは、絶縁層７０の上側表面を平坦化し、そして研磨して気密封止をシリコン−ガラス陽極接合を使用して行なうことができるようにする工程を含む必要もある。この様子を図４Ｃに示す。絶縁層７０の適切な厚さは約３〜５μｍである。
【００３５】
図４Ｄに示すように、プロセスは次に、複数のコンタクト窓７２を絶縁層７０に形成して各導電配線３６の各端部を露出させ、次に金属コンタクト７３を形成する工程を含む。金属コンタクト７３を使用して金属配線３６を導電アイランド６０及びマイクロ構造２６
の両方に電気的に接続することができる。コンタクト窓７２を形成するプロセスによって、絶縁層７０に空隙７４が形成されてマイクロ構造２６が空隙７４に跨って宙吊りになることができる。絶縁層７０がガラス材料により作製される場合、空隙７４及びコンタクト窓７２を形成する工程では、絶縁層７０をマスク層でパターニングし、次にＨＦ溶液でのウェットエッチングまたは反応性イオンエッチングのようなドライエッチングを行なうことができる。
【００３６】
図４Ｅに示すように、プロセスではまた、ウェハ８０上のマイクロ構造２６を金属配線３６に、複数のコンタクト窓７２の内の一つのコンタクト窓を通して形成する、または取り付ける。この操作は、マイクロ構造２６の全ての電極を、金属配線３６に接続される金属コンタクト７３に接合するように形成する、または金属コンタクト７３に取り付けることにより行なうことができる。また、マイクロ構造２６は、マイクロ構造２６の可動部分が空隙７４に跨って宙吊りになるように配置する必要がある。
【００３７】
次に図５Ａ〜５Ｇを参照すると、複数のキャップ４０と、分離トレンチ５０と、そして導電アイランド６０と、をシリコンウェハ９０から形成する方法が示される。異なる導電型及び異なる結晶方位のシリコンウェハを使用することができる。しかしながら、Ｐ型の（１００）方位シリコンウェハが、シリコンキャップ４０に埋め込まれるゲッター層４８を有する気密封止マイクロデバイスを形成するプロセスに関する次の説明において選択される。ここで示唆する方法においては、ゲッター層４８をキャップ４０に形成する一の操作を示すが、ゲッター層をリセス４６の内部に形成する他の方法を使用することができる。更に、図５Ａ〜５Ｇは、非常に平坦な単結晶シリコンゲッター層４８を有するシリコンキャップ４０の形成方法を示している。ゲッター層にはまた、２００２年９月３０日出願の、Ｘｉａｏｙｉ  Ｄｉｎｇによる「真空を維持するための単結晶シリコンゲッターを有する気密封止マイクロデバイス」と題する特許文献３（出願番号１０／２６０，６７５）に示唆され、かつ記載されるものと同様の襞を付けることができる。
【００３８】
図５Ａを参照すると、シリコンウェハ９０の一部が第１辺９２及び第２辺９４を有するものとして示される。プロセスは、分離トレンチ５０をシリコンウェハ９０の第１辺９２に形成する工程を含む。分離トレンチ５０は、公知のマイクロマシン法を使用して形成することができる。一の実施形態では、図５Ｂに示すように、マスク材料９６、例えば二酸化シリコン及び窒化シリコンからなる複合層は、分離トレンチ５０のエッチングの前に形成し、そしてパターニングする。図５Ｃでは、分離トレンチ５０はウェハ９０の第１辺９２に、深堀り反応性イオンエッチング（ｄｅｅｐ  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ：ＤＲＩＥ）によるプラズマエッチングまたは水酸化カリウム（ＫＯＨ）、エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）またはテトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）による異方性ウェットエッチングのような方法を使用して形成することができる。分離トレンチ５０の深さは用途に特定のものであり、シリコンキャップ４０の所望の厚さによって変える必要がある。シリコンキャップ４０の所望の厚さが約２００μｍであり、かつキャップリセスの深さが約１００μｍである一の例では、トレンチ５０のエッチング深さは約３００μｍである。
【００３９】
図５Ｄに示すように、プロセスでは更に、電気絶縁材料５２をシリコンウェハ９０の第１辺９２の上に、第１辺に形成される分離トレンチ５０の上及び内部を含む形で塗布する、または堆積させることができる。電気絶縁材料５２に適切する材料はガラス充填材料である。特に、ガラス充填材料はシリコンウェハ９０の上に塗布する、または堆積させ、次に硬化工程により硬化させることができる。次に、ウェハ９０の上面９２のリセス４６は、まず絶縁材料５２をパターニングし、そしてエッチングしてリセス窓を開口することにより形成することができる。次にリセス４６は、ＤＲＩＥ，ＥＤＰ，ＫＯＨまたはＴＭＡＨのような公知のエッチング方法を使用して形成することができる。リセス４６の深さは
用途に特定の深さであり、普通、約５０〜１００μｍである。
【００４０】
図５Ｅは、完成したキャップウェハ９０を示しており、このキャップウェハを使用して図２及び８のキャップ４０，１４０を形成することになる。ここで、絶縁材料５２は完全にキャップウェハ９０の上側表面９２から取り除かれるが、依然として少なくとも一部がトレンチ５０を充填している。図３及び９に使用されるキャップウェハ９０の場合、絶縁材料５２は完全にキャップウェハ９０から取り除かれる。以下に示すように、リセス４６を使用して気密封止キャビティ２２の少なくとも一部を画定する。ここで、分離トレンチ５０は基板ウェハ８０の上に位置するが、気密封止キャビティ２２の各部分を画定するためには使用されないことに留意されたい。
【００４１】
単結晶シリコンゲッター層４８をリセス４６に形成しようとする場合には、ウェハ９０の形成プロセスに工程を追加する必要がある。図５Ｆに示すように、第１辺９２の上にマスク材料９８を設け、そしてパターニングしてゲッター層４８を複数のリセス４６の上に選択的に形成する。更に、ウェハ９０の第２辺９４の上のマスク材料を完全に除去して薄膜金属層９９に置き換える必要があり、この金属層はシリコンウェハ９０の第２辺９４の上に堆積させる。薄膜金属層９９は多孔質形成工程の間にシリコンウェハ９０全体が均一な導電性を持つように作用する。一の実施形態における適切な薄膜金属層９９は約１μｍのアルミニウムである。
【００４２】
単結晶シリコンゲッター層４８をリセス４６に形成する工程を図５Ｆに示す。上に述べたように、ゲッター層４８は、電気化学エッチングをＨＦ溶液中において行なうことにより形成することができる。この用途には電気化学技術を使用する方が堆積技術を使用するよりも好ましい。何故なら、電気化学技術を使用すると孔サイズ、孔分布、及び多孔質層厚さを選択する際の自由度が高くなり、かつ再現性及び制御性が良くなるからである。ゲッター層４８の厚さは用途により特定され、かつキャビティのサイズ及びデバイス寿命に渡って吸着すべきガス分子の量によって変わる。図１〜３に示すものと同様な構成を有する一の用途においては、内部キャビティ２２の容積は約９×１０−４ｃｍ３であり、そしてシリコンキャップ４０及び基板３０の両方の内側表面積は約２×１０−５ｃｍ２であった。多孔質シリコンゲッター層４８は、リセス４６に沿って約１．８×１０−３ｃｍ３の容積を有するように適切に選択した。これにより、活性ゲッター表面積のアウトガス表面積に対する比が公知の先行技術によるデバイスにおけるよりも大きくなるという利点が得られる。ゲッター層４８がウェハ９０に形成された後、ウェハ９０上のマスク材料９８及び金属層９９を図５Ｇに示すように除去した。
【００４３】
図６Ａ〜６Ｄに示すように次の工程では、ガラスウェハ８０（複数のデバイス基板を有する）をシリコンウェハ９０（複数のキャップ４０を有する）によって気密封止する。図６Ａに示すように、組立プロセスは、ガラスウェハ８０をシリコンウェハ９０に位置合わせして、リセス４６が該当するマイクロ構造２６の頂部の上に位置するようにする工程を含む。最初の段階では、小さな間隙をシリコンウェハ９０とガラスウェハ８０との間に介在させる必要がある。次にウェハアセンブリは真空及び高温の条件下に置かれる。これによりマイクロデバイスに含まれる材料の初期ガス出しを行うことができる。
【００４４】
マイクロデバイス２０がゲッター層４８を含む場合、プロセスは次に更に、ゲッター層４８を活性化させる工程を含む。上述したように一の実施形態においては、ゲッター層４８を熱、電気、または光学プロセスを通して活性化させて水素種及び他の種をシリコンゲッター面から除去する。これによりシリコンゲッター面上のダングリングボンドが切れて反応性単体群として作用して蒸気種及びガス種を吸着する。一の実施形態においては、活性化工程はシリコンウェハ９０をガラスウェハ８０に接合させる直前または間に行なうことができる。
【００４５】
図６Ｂを参照すると、プロセスは、シリコンウェハ９０をガラスウェハ８０に真空環境下で、上に詳細に記載したように陽極接合のような方法を使用することにより接合させる工程を含む。シリコンウェハ９０をガラスウェハ８０に接合させることにより、組立て済みウェハ１００が形成される。
【００４６】
図６Ｃを参照すると、プロセスでは更に、シリコンウェハ９０の第２辺９４の一部が除去されて分離トレンチ５０が露出する。一の実施形態では、図２及び６Ｃに示すように、分離トレンチ５０には電気絶縁材料５２が充填される。別の実施形態では、図３に示すように、分離トレンチ５０を開口して、分離トレンチには何も充填しない。
【００４７】
最後に、図６Ｄに示すように、プロセスの次の工程では、金属ボンディングパッド３８を導電アイランド６０の上に堆積させ、そしてパターニングする。次に組立て済みウェハ１００をダイシングして個々のマイクロデバイス２０に分離する。或る用途では、金属コンタクト層３８を、図６Ｄには示していない導電アイランド６０の外壁の上に堆積させ、そしてパターニングすることもできる。
【００４８】
この構成の一の利点は、分離トレンチが真空キャビティ２２の外部に位置するので、これらの分離トレンチを気密封止する必要がないことである。この場合、トレンチの内部の、またはトレンチの上のクラック及び他の欠陥は、キャビティ２２の真空度に影響を及ぼすことがない。別の利点は、この構成によって、分離トレンチを真空キャビティの内部に有する他の構成に比べてチップサイズを小さくすることができることである。この構成によって更に、隣接導電アイランド間の浮遊容量を、絶縁材料５２を分離トレンチ５０から完全に除去することにより最小化することができるという自由度が得られる。
【００４９】
図８〜９を参照すると、本発明の別の実施形態では、ウェハレベルの気密封止キャビティ１２２を有するマイクロデバイス１２０が提供される。図８は、マイクロデバイス１２０の一の実施形態の断面図を示している。この図から分かるように、本実施形態における水平導電性フィードスルー１３６は基板１３０の上にも延び、そして気密封止キャビティ１２２内の或るポイントで終端する。
【００５０】
本実施形態では、マイクロデバイス１２０は、基板１３０に取り付けられるマイクロ構造１２６を有するセンサとすることもできる。マイクロデバイス１２０は、基板１３０と、キャップ１４０と、分離トレンチ１５０と、導電アイランド１６０と、そして絶縁層１７０と、を備えることができる。デバイスマイクロ構造１２６は、気密封止キャビティ１２２の内部に種々のアンカーポイントで取り付けることができる。これにより、マイクロ構造１２６の少なくとも主要な本体部分をマイクロデバイス１２０内部に懸架することができる。このマイクロ構造はジャイロスコープまたは他のマイクロデバイスに使用されるような可動構造とすることができる。
【００５１】
基板１３０は上面１３２及び底面１３４を有する。基板１３０はまた、基板１３０の上面１３２の少なくとも一部の上に形成される第１組の導電配線１３６を有することができる。マイクロデバイス１２０は更に、導電アイランド１６０の外部コーナーの上に形成される第２組の導電配線１３８を有する。図８に示すように、分離トレンチ１５０には更に、電気絶縁材料１５２を充填することができる。
【００５２】
図８及び９に示す実施形態が図２及び３に示す実施形態よりも優れる点は、図８及び９に示す実施形態によって、ガラス充填材料を導電配線全体の上に塗布し、ガラス充填材料を研磨し、そしてコンタクト窓をガラス充填材料に開口して金属を埋め込む必要が無くなることである。本実施形態では、キャップ１４０は基板１３０にフリットガラス封着によ
り取り付けられ、そして導電アイランド１６０は基板１３０に陽極接合により取り付けられる。キャップ１４０及び導電アイランド１６０を基板１３０に取り付けるフリットガラス封着及び陽極接合は同じプロセス工程において行なわれる。
【００５３】
複数の基板１３０を、図８及び９に示す実施形態に使用するガラスウェハから形成する方法は、図２及び３に示す実施形態に使用し、かつ図４Ａ〜４Ｅが示唆する方法よりも簡単である、というのは、絶縁層を導電配線全体の上に形成し、絶縁層を研磨し、そしてコンタクト窓を絶縁層に開口して、金属を埋め込むためのプロセス工程を必要としないからである。複数のキャップ１４０、分離トレンチ１５０、及び導電アイランド１６０を、図８及び９に示す実施形態に使用するシリコンウェハから形成する方法は、キャップ１４０の側壁１４４の接合表面を或る深さにまでエッチングして接合表面を下げるためにプロセス工程を追加する点を除いて、図５Ａ〜５Ｇが示唆する方法と同様である。このエッチング深さは、フリットガラス層１７０の堆積直後の厚さよりもわずかに小さくする必要がある。エッチング深さの通常の範囲は約５〜２０ミクロンである。
【００５４】
図８及び９に示す実施形態に使用する組立方法は、フリットガラス封着及び陽極接合を同じプロセス工程において行なう点で独特である。フリットガラス層１７０は、基板１３０の接合表面またはキャップ１４０の側壁１４４の接合表面のいずれかの上に堆積させることができる。キャップ１４０の側壁１４４の接合表面上を事前に或る深さまでエッチングしておくことにより、最終的なフリットガラスの厚さをウェハ全体に渡って確実に最適かつ均一にすることができる。フリットガラス層１７０を堆積させた後、キャップウェハ及び基板ウェハの位置合わせを行ない、そして高温の下での真空中でのガス出しを行なう。次に、これらの２つのウェハは、キャビティ１２２がマイクロ構造１２６を収容し、かつ導電アイランド１６０及び基板１３０の接合表面が互いに接触するように互いに対して押し付ける。このアセンブリを真空中に維持し、そしてフリットガラスの融点まで加熱し、次にアセンブリに導電アイランド１６０が正電位になるように陽極接合電圧（ａｎｏｄｉｃ  ｂｏｎｄｉｎｇ  ｖｏｌｔａｇｅ）を印加する。圧力及び電圧を継続的に加えて、キャップ１４０の側壁１４４の接合表面と基板１３０の接合表面との間の接触を、フリットガラス封着及び陽極接合の両方が完了するまで維持する。陽極接合によって、導電アイランド１６０と導電配線１３６との間の電気的コンタクトが実現し、かつフリットガラス封着によって、キャップ１４０と基板１３０との間の気密封止が形成される。
【００５５】
図９はマイクロデバイス１２０の別の実施形態の断面図を示している。マイクロデバイス１２０は図８に示すものと同様であるが、図９のマイクロデバイスの分離トレンチ５０には、電気絶縁材料１５２が充填されていない。
【００５６】
これまでに記載してきたのは、新規のマイクロデバイスと、分離トレンチ及び真空キャビティ内に封止されるマイクロ構造を外部環境に電気的に接続する導電フィードスルーを有するマイクロデバイスを形成する方法と、であった。本発明は、一の実施形態においては、全ての縦方向導電経路をキャビティの外に位置させることによりウェハレベルのマイクロ構造を封止するという、より改善された方法を提供する。キャビティの外に縦方向経路を形成することによりデバイスの信頼度が更に高くなる、というのは、これらの経路におけるクラックまたは他の欠陥が気密封止キャビティを劣化させることがないからである。本明細書において開示する実施形態によって、ゲッター効果の高いゲッター層を、マイクロ構造を収容するキャビティの内部に組み込むことができるという利点が更に得られる。また、本発明は、低コスト材料及びプロセスを使用することにより真空封止マイクロデバイスを形成するコストを大きく下げることができる。
【００５７】
本発明についての上の記述は例示のためにのみ為され、本出願が開示するいかなる特許技術範囲も限定するものではない。本発明は次の請求項の技術範囲によってのみ規定され
るものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】マイクロデバイス内部のマイクロ構造を外部環境に電気的に接続する導電フィードスルーを有するマイクロデバイスの一の実施形態の上面図。
【図２】図１に示すマイクロデバイスを破線２−２に沿って切断したときのマイクロデバイスの断面図。
【図３】本発明のマイクロデバイスの別の実施形態の断面図。
【図４Ａ】図１〜３に示すマイクロデバイスの基板部分を形成するための方法の一実施形態を示す断面図。
【図４Ｂ】図１〜３に示すマイクロデバイスの基板部分を形成するための方法の一実施形態を示す断面図。
【図４Ｃ】図１〜３に示すマイクロデバイスの基板部分を形成するための方法の一実施形態を示す断面図。
【図４Ｄ】図１〜３に示すマイクロデバイスの基板部分を形成するための方法の一実施形態を示す断面図。
【図４Ｅ】図１〜３に示すマイクロデバイスの基板部分を形成するための方法の一実施形態を示す断面図。
【図５Ａ】図１〜２に示すマイクロデバイスのキャップ部分を形成する方法の一の実施形態の断面図。
【図５Ｂ】図１〜２に示すマイクロデバイスのキャップ部分を形成する方法の一の実施形態の断面図。
【図５Ｃ】図１〜２に示すマイクロデバイスのキャップ部分を形成する方法の一の実施形態の断面図。
【図５Ｄ】図１〜２に示すマイクロデバイスのキャップ部分を形成する方法の一の実施形態の断面図。
【図５Ｅ】図１〜２に示すマイクロデバイスのキャップ部分を形成する方法の一の実施形態の断面図。
【図５Ｆ】図１〜２に示すマイクロデバイスのキャップ部分を形成する方法の一の実施形態の断面図。
【図５Ｇ】図１〜２に示すマイクロデバイスのキャップ部分を形成する方法の一の実施形態の断面図。
【図６Ａ】図１〜２に示すマイクロデバイスを、図４Ａ〜４Ｅ及び図５Ａ〜５Ｇにおいて形成される基板部分及びキャップ部分を使用して組み立てる方法の一の実施形態の断面図。
【図６Ｂ】図１〜２に示すマイクロデバイスを、図４Ａ〜４Ｅ及び図５Ａ〜５Ｇにおいて形成される基板部分及びキャップ部分を使用して組み立てる方法の一の実施形態の断面図。
【図６Ｃ】図１〜２に示すマイクロデバイスを、図４Ａ〜４Ｅ及び図５Ａ〜５Ｇにおいて形成される基板部分及びキャップ部分を使用して組み立てる方法の一の実施形態の断面図。
【図６Ｄ】図１〜２に示すマイクロデバイスを、図４Ａ〜４Ｅ及び図５Ａ〜５Ｇにおいて形成される基板部分及びキャップ部分を使用して組み立てる方法の一の実施形態の断面図。
【図７Ａ】複数のマイクロデバイスを有するウェハの一部の上面図。
【図７Ｂ】図７Ａに示すウェハから分離された後の複数のマイクロデバイスの上面図。
【図８】本発明のマイクロデバイスの別の実施形態の断面図。
【図９】本発明のマイクロデバイスの更に別の実施形態の断面図。
【図１】
2007516092.tif 000003
【図２】
2007516092.tif 000004
【図３】
2007516092.tif 000005
【図４Ａ】
2007516092.tif 000006
【図４Ｂ】
2007516092.tif 000007
【図４Ｃ】
2007516092.tif 000008
【図４Ｄ】
2007516092.tif 000009
【図４Ｅ】
2007516092.tif 000010
【図５Ａ】
2007516092.tif 000011
【図５Ｂ】
2007516092.tif 000012
【図５Ｃ】
2007516092.tif 000013
【図５Ｄ】
2007516092.tif 000014
【図５Ｅ】
2007516092.tif 000015
【図５Ｆ】
2007516092.tif 000016
【図５Ｇ】
2007516092.tif 000017
【図６Ａ】
2007516092.tif 000018
【図６Ｂ】
2007516092.tif 000019
【図６Ｃ】
2007516092.tif 000020
【図６Ｄ】
2007516092.tif 000021
【図７Ａ】
2007516092.tif 000022
【図７Ｂ】
2007516092.tif 000023
【図８】
2007516092.tif 000024
【図９】
2007516092.tif 000025