(57)【要約】マイクロデバイスは、デバイスマイクロ構造体（２２）と、基板（２４）と、そしてシリコンキャップ（３０，１３０）とを備える。デバイスマイクロ構造体（２２）は基板（２４）に取り付けられる。シリコンキャップ（３０，１３０）は、ベース部分（３２，１３２）及びキャップ（３０，１３０）内に中空部（３６，１３６）を画定する側壁（３４，１３４）を有する。シリコンキャップ（３０，１３０）は、キャップ（３０，１３０）内の中空部（３６，１３６）がデバイスマイクロ構造体（２２）を収容し、かつ、デバイスマイクロ構造体（２２）に隣接して気密封止キャビティ（３８）を形成するように基板（２４）に取り付けられる。シリコンキャップ（３０，１３０）はさらに、その中空部（３６，１３６）に沿って埋め込まれ、キャビティ（３８）内の真空を維持する単結晶シリコンゲッター層（４０，１４０）を有する。単結晶シリコンゲッター層（４０，１４０）を含むマイクロデバイスの形成方法も提供する。
2006501679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に取り付けられるデバイスマイクロ構造体と、
シリコンキャップと、該キャップは同キャップ内に中空部を画定するベース部分および側壁を有することと、前記キャップは、前記キャップの中空部が前記デバイスマイクロ構造体を収容し、および前記デバイスマイクロ構造体に隣接して気密封止キャビティを形成するように前記基板に取り付けられることとからなり、
前記シリコンキャップは、その中空部に沿って埋め込まれ、前記キャビティ内の真空を維持する単結晶シリコンゲッター層を有する、気密封止マイクロデバイス。
【請求項２】
前記埋込み単結晶シリコンゲッター層は前記キャップの前記中空部の少なくとも底面に沿って襞状に形成される請求項１記載のマイクロデバイス。
【請求項３】
前記マイクロデバイスはさらに少なくとも一つのビア及びカバーを備え、前記ビアは前記基板を貫通して延び、かつ、前記基板の内側表面の上のビアコンタクトポイントで終端し、前記ビアカバーは前記基板の上の前記ビアコンタクトポイント近傍の領域で前記基板の前記内側表面に取り付けられて前記ビアを気密封止する請求項１記載のマイクロデバイス。
【請求項４】
前記埋込み単結晶シリコンゲッター層はさらに、前記キャップの前記中空部の少なくとも底面に沿って選択的に成膜される少なくとも一つの金属材料を含む請求項１記載のマイクロデバイス。
【請求項５】
前記シリコンキャップは、前記内部キャビティ内に取り付けられる少なくとも一つの多孔質単結晶シリコンゲッターダイを含み、このゲッターダイにより前記マイクロデバイスダイを取り囲む前記内部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６】
マイクロデバイスの形成方法であって、
基板及びその上に形成されるマイクロ構造体を有するマイクロデバイスダイをマイクロデバイスウェハ上に設ける工程と、
第１辺及び第２辺を有するシリコンウェハを設ける工程と、
少なくとも一つの中空部を前記シリコンウェハの前記第１辺に形成する工程と、
単結晶シリコンゲッター層を前記ウェハの前記第１辺の前記中空部に形成する工程と、
封止プロセスの間に生成され、少なくとも前記基板から放出される蒸気種及びガス種を吸着する機能を前記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、
前記シリコンウェハの前記中空部が前記マイクロ構造体を収容し、かつ、前記マイクロ構造に隣接して気密封止キャビティを形成させるために、前記シリコンウェハを前記マイクロデバイスウェハに取り付ける工程とを備える方法。
【請求項７】
少なくとも一つの中空部を前記シリコンウェハの前記第１辺に形成する工程は、
シリコンウェハの前記第１辺の上のマスク材料をパターニングして中空部窓を開口する工程と、
シリコンウェハの前記第１辺をエッチングして少なくとも一つの中空部を形成する工程とをさらに備える、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記単結晶シリコンゲッター層を形成する工程において、
前記シリコンウェハの前記第１辺の前記中空部をＨＦ溶液中で電気化学エッチングする請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記シリコンウェハを記マイクロデバイスウェハに取り付ける工程において、前記シリコンウェハを記マイクロデバイスウェハに陽極接合により貼り付ける請求項６記載の方法。
【請求項１０】
封止プロセスの間に生成され及び少なくとも前記基板から放出される蒸気種及びガス種を吸着するゲッター効率をさらに高めるために、前記シリコンウェハの前記中空部内に少なくとも一つの金属材料を選択的に成膜する工程をさらに備える請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は真空キャビティを必要とする構造を有するマイクロデバイスに関し、より詳細にはマイクロデバイス及びマイクロデバイス群を取り囲むキャビティの真空を維持する単結晶シリコンゲッターを有するマイクロデバイスの形成手順に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ技術により製造す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の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技術により製造する圧力センサ、加速度計、アクチュエータ、及び共振器などの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などの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体を有する。これらのタイプのデバイスにおいては、真空寿命の改善に対して絶え間ない要求がある。真空封止キャビティは通常、気密封止プロセス中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による圧力増加に影響を受け易い。この圧力変動は多くの気密封止マイクロデバイスのデバイス性能を劣化させ、デバイス寿命を縮める。
【０００４】
蒸気種及びガス種を吸着するゲッターを使用することによりキャビティ内の封止真空を維持する手法が知られている。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。パッケージレベルの真空封止方法に金属ゲッターを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の有機塩から形成され、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。
【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】
【０００５】
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、製造工程中に、またはデバイスが振動またはショックを受けた後に、使用する金属ゲッターが機械的に弱く、また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。ゲッター粒子が別個に分離して存在していることが、多孔質金属ゲッターで封止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は通常大きくなる。このサイズによる制約及びゲッター製造プロセスによって、通常は金属ゲッターを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多大な費用がかかる。
【０００６】
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特性は堆積条件によって変化し、そして再現することが困難である。公知の非金属ゲッターは通常、わずか数ミクロンという限定された厚さであることから、大きな平面面積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にはハーメチックではないキャビティ内の湿気を吸着するための用途に用いられる。
【０００７】
従って、改良マイクロデバイス、及び真空に保たれた気密封止キャビティに長期間収容されるマイクロ構造を有するマイクロデバイス（マイクロジャイロスコープのような）を形成する改良方法を提供することにより全てではないにしても前述した問題の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】
【０００８】
ここに記載するのはマイクロデバイス、マイクロデバイス構造を取り囲むキャビティ内の真空を維持する単結晶シリコンゲッターを有するマイクロデバイスを形成する方法である。一実施形態においては、ゲッターはシリコンウェハを電気化学エッチングして多孔質構造にすることにより形成する。適切に活性化させた後、ゲッターは蒸気及び多くのガス種を吸収するのに適したものとなる。別の実施形態においては、多孔質シリコンに、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）などの金属材料をさらに選択的にドープしてシリコンゲッターの或る種に対する反応性を増大させる。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により、または多孔質シリコンを必要なドーピング種を含む水溶液に浸すことによる化学堆積法により行うことができる。さらに別の実施形態においては、多孔質シリコン表面上にシリコン酸化膜の薄層を保持して、幾つかの用途において或るタイプの蒸気分子及びガス分子とのゲッターの反応性を増大させる。
【０００９】
例示及び記載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体にも適用できるものである。本開示による恩恵を受け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。
【００１０】
この目的を達成するために一の実施形態において、基板、デバイスマイクロ構造、及びシリコンキャップを含むマイクロデバイスが提供される。デバイスマイクロ構造は基板に取り付ける。シリコンキャップはベース部分及びキャップ内に中空部（リセス）を画定する側壁を有する。キャップをウェハレベルで真空中で基板に取り付けると、キャップの中空部がデバイスマイクロ構造体を収容し、そしてデバイスマイクロ構造体に隣接して気密封止キャビティを形成する。シリコンキャップはさらに、その中空部に沿って埋め込まれ、キャビティ内の真空を維持する単結晶シリコンゲッター層を有する。
【００１１】
基板に適切な材料はガラスまたはシリコンである。埋込み単結晶シリコンゲッター層はデバイスマイクロ構造体から離れた関係とすることができる。埋込み単結晶シリコンゲッター層はさらに、シリコンキャップの中空部の底面に沿って襞状にすることによりゲッター効率を高めることができる。埋込み単結晶シリコンゲッター層を活性化すると、封止プロセスの間に生成され、かつ、基板、金属層、及びデバイスマイクロ構造体から放出される蒸気種及びガス種を吸着する。埋込み単結晶シリコンゲッター層は電気化学エッチング技術により形成することが好ましい。
【００１２】
別の実施形態は個々にパッケージ化したマイクロデバイスを含み、このデバイスは気密封止されたハウジング、マイクロデバイスダイ、及び少なくとも一つの多孔質単結晶シリコンゲッターダイを有する。ハウジングは気密封止される内部キャビティを画定する。マイクロデバイスダイは基板及びその上に形成されるマイクロ構造体を有する。マイクロデバイスダイは気密封止されたハウジングの内部キャビティ内に搭載される。多孔質単結晶シリコンゲッターダイは内部キャビティ内に搭載されてキャビティ内部の真空を維持する。本実施形態においては、多孔質単結晶シリコンゲッターダイの表面は平坦または襞状の
いずれとすることもでき、また多孔質層はダイ厚さの全て、またはダイ厚さの一部に亘って形成することができる。単結晶シリコンゲッターダイを活性化すると、封止プロセスの間に生成され、かつ、パッケージ、封止材料、及びデバイスダイから放出される蒸気種及びガス種を吸着する。単結晶シリコンゲッターは電気化学エッチング技術により形成することが好ましい。
【００１３】
さらに別の実施形態においてマイクロデバイスの形成方法が提供され、この方法は、基板及びその上に形成されるマイクロ構造体を有するマイクロデバイスダイをマイクロデバイスウェハ上に設ける工程と、第１辺及び第２辺を有するシリコンウェハを設ける工程と、少なくとも一つの中空部をシリコンウェハの第１辺に形成する工程と、単結晶シリコンゲッター層をウェハの第１辺の中空部に形成する工程と、ゲッター層が少なくとも一つのタイプのガス種を吸着する機能を有するようにゲッター層を活性化する工程と、そしてシリコンウェハをマイクロデバイスウェハに取り付けてシリコンウェハの中空部がマイクロ構造を収容し、かつ、気密封止キャビティをマイクロ構造に隣接して形成するようにする工程と、を備える。
【００１４】
別の実施形態において襞状中空部の形成方法が提供され、この方法は、第１辺及び第２辺を有するシリコンウェハを設ける工程と、中空部内の襞の付いた第１辺をパターニングする工程と、および襞状表面及び必要な深さを有する中空部を形成する工程とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図を参照すると、図１Ａ〜１Ｃはウェハレベルで気密封止されたマイクロデバイス２０の実施形態の断面図を示している。マイクロデバイス２０は基板２４に取り付けられたマイクロ構造体２２を有するセンサとすることができる。マイクロ構造体２２及び基板２４のアセンブリをマイクロデバイスダイ２６と呼ぶこととする。ここで、マイクロデバイスダイ２６は検知機能を有する。例えば、マイクロジャイロスコープは角速度を検知する。例示のために、記載及び図をセンサと関連する形で示す。しかしながら、本開示により恩恵を受けることとなるこの技術分野の当業者であれば、本発明が他の用途に適用できることを理解できるであろう。
【００１６】
本発明の一実施形態においては、図１Ａ，１Ｂに示すように、気密封止されたマイクロデバイス２０はデバイスマイクロ構造体２２、基板２４、及びシリコンキャップ３０を有する。デバイスマイクロ構造体２２は、基板２４の中空部の上方の種々のアンカーポイント２８で基板２４に取り付けられる。これによりマイクロ構造２２の少なくとも一つの主要本体部分をマイクロデバイス２０内で懸架することができる。このマイクロ構造体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。
【００１７】
シリコンキャップ３０はベース部分３２及び側壁３４を有する。ベース部分３２及び側壁３４はキャップ３０内の中空部３６を画定する。シリコンギャップ３０は基板２４に取り付けられることにより、キャップ３０の中空部３６がデバイスマイクロ構造体２２を収容し、そしてデバイスマイクロ構造体２２に隣接する、またはそうでなければデバイスマイクロ構造体２２を囲む気密封止キャビティ３８を形成する。好適な実施形態においては、シリコンキャップ３０は基板２４に非接着型気密封止を通して取り付けられる。例えば、シリコンキャップ３０は基板２４に陽極接合プロセスを通して取り付けられる。ここで、基板２４はガラスからなることが好ましい。陽極接合プロセスにおいては、シリコンキャップ３０及び基板２４を位置合わせし、押し付け、そして２８０℃超の温度でこれらの間に高電圧を印加する。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ドリフトしてガラスのバルクに入り込み、界面で正イオンが空乏化することにより高電界がガラス基板２４とシリコンキャップ３０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を形成する。
【００１８】
別の実施形態においては、シリコンキャップ３０は基板２４にフリットガラス接合プロセスを通して取り付けられる。ここでフリットガラス層（図示せず）を基板２４の接合表面か、シリコンキャップ３０の接合表面のいずれかの上に堆積させる。次に、ガラス層をシリコンキャップ３０と基板２４との間に挟むようにしてシリコンキャップ３０及び基板２４を互いに押し付ける。次にこのアセンブリをフリットガラスの融点温度まで加熱する。圧力を継続的に加えてフリットガラスの融点温度の期間の間、シリコンキャップ３０と基板２４との間のコンタクトを維持する。硬化したフリットガラス層は湿気を通さず、そしてシリコンキャップ３０と基板２４との間にハーメチック接合を形成する。別の実施形態においては、気密封止は金またはハンダ材料のいずれかを使用する金属接合プロセスにより実現する。
【００１９】
図１Ａ〜１Ｃを参照すると、一実施形態において、基板２４は導電材料に被覆された、または導電材料が充填された少なくとも一つの垂直ウェハ貫通ビア２５を有する。形成された垂直ウェハ貫通ビア２５は、基板２４の内側表面上のビアコンタクトポイント３３で終端することによりマイクロ構造体２２への電気的アクセスを可能にする。次にビアコンタクトポイント３３は、デバイスマイクロ構造体２２から延びる電気配線２３に接続される。ビア２５は気密封止する必要がある。ビア２５の箇所で気密封止する方法の一つに導電カバー２１を使用する方法がある。一の実施形態においては、導電カバー２１はシリコンからなり、ビアコンタクトポイント３３近傍の領域の基板２４に取り付けられる。導電カバー２１はデバイスマイクロ構造体２２が形成される同じシリコンウェハから形成することが好ましい。さらに、導電カバー２１はデバイスマイクロ構造２２と同じ厚さであることが好ましい。導電カバー２１を同じシリコンウェハから形成することが好ましい。さらに、導電カバー２１をデバイスマイクロ構造２２と同じシリコンウェハから作製することにより、製造プロセスの複雑さを減らすことができる。導電カバー２１は、マイクロ構造体２２のシリコンを基板２４に接合する同じ工程により基板２４に取り付けることが好ましい。
【００２０】
ビア２５を気密封止する別のプロセスでは、適切な低温ハンダボールを使用する。このプロセス工程においては、基板２４の外側表面から出ているビアの上にハンダボールを置き、半田ボールからのガス出しを行い、そして真空中でボールを溶融させてビア２５を気密封止する。
【００２１】
垂直ウェハ貫通ビア構成の利点は、それにより封止マイクロデバイス２０が容易に回路基板に表面実装技術を通して取り付けられることである。この構成のさらなる利点は、それによりマイクロデバイスダイ２６の上の接合パッド２９を図１Ｂに示すように露出させるのに必要なプロセス工程が余分に必要とならないことである。
【００２２】
別の実施形態においては、図１Ｂに示すように、少なくとも一つの水平導電トレース２７をシリコンキャップ３０と基板２４との間に配置する。しかしながら本実施形態においては、シリコンキャップ３０を保持するウェハをエッチングまたは切削することによって窓３１を開けて接合パッド２９を露出させてワイヤボンディングまたはフリップチップボンディングが可能となるようにする必要がある。フリットガラス接合はシリコンキャップ３０を基板２４に取り付けるのに好適である。陽極接合及び金属接合を使用してシリコンキャップ３０を基板２４に取り付けることもできる。しかしながら、導電トレース２７を覆う絶縁材料層（図示せず）を少なくとも接合領域に設けて導電トレース２７間のシリコンキャップ３０または金属接合層を通しての短絡を防止する必要がある。接合界面はさらに、陽極接合の前に平坦化する必要がある。
【００２３】
一の実施形態においては、シリコンキャップ３０はさらに、中空部３６に沿って埋め込まれる単結晶シリコンゲッター層４０を有する。これにより、ゲッター層４０をデバイスマイクロ構造体２２から空間的に離間する関係とすることができる。ゲッター層４０は活性化された後、キャビティ内の真空を維持する。単結晶シリコンゲッター層４０はシリコンキャップ３０に埋め込まれる構成であることが好ましい。何故なら、このゲッター層は幾つかの実施形態において、封止プロセス中に生成され、そしてデバイス寿命に渡って基板２４、マイクロ構造２２、及び封止材料のようなデバイス２０の材料から脱離する多くの蒸気種及びガス種を吸着することができるからである。
【００２４】
多孔質単結晶シリコンゲッター層４０は電気化学エッチング技術を使用してシリコンウェハ上のシリコンキャップ３０内に形成する。電気化学エッチング技術は孔サイズ、孔分布、及び多孔質層厚さを選択する際の柔軟性、再現性、及び制御性が良くなるので、電気化学エッチング技術をこの用途に使用することが好ましい。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３０（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。図１Ａ〜１Ｃ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３０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装置により保護する、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３０を保持するウェハの中空部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４０をシリコンキャップ３０の中空部３６に沿ってのみ形成する。ドーピング種及び濃度、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４０を変えることができるという利点がある。
【００２５】
単結晶シリコンゲッター層４０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の間、約４００℃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。
【００２６】
本発明の別の実施形態においては、単結晶シリコンゲッター層４０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。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。
【００２７】
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４０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。
【００２８】
図１Ａ，１Ｂに単結晶シリコンゲッター層４０を比較的平坦な形で示している。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利点は、ゲッターの使用により、活性ゲッター表面のアウトガス表面に対する面積比が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、外側ゲッター表面を容易に変形することができ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、図１Ｃはシリコンキャップ１３０の別の構成を示している。シリコンキャップはベース１３２及び側壁１３４を有する。一の実施形態においてさらに活性ゲッター表面積を増やし、そして吸着性を改善するために、図１Ｃに示すように、単結晶シリコンゲッター層１４０にキャップ１３０の中空部１３
６の底面に沿って襞（ひだ）を付ける。以下にさらに詳細に説明するように、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。
【００２９】
次に図２Ａ〜２Ｅを参照すると、本発明の別の実施形態がパッケージレベルで気密封止され、基板２２４に取り付けられたマイクロ構造体２２２からなるマイクロデバイスダイ２２６と関連する形で示されている。マイクロデバイスダイ２２６は角速度検知のような検知機能を提供する。再度、例示のために記載及び図をセンサとの関連で示す。しかしながら本開示により恩恵を得ることになるこの技術分野の当業者であれば、本発明を他の用途及び他のタイプの個別パッケージ構成に適用することができることを理解できるであろう。
【００３０】
本発明の本実施形態においては、マイクロデバイスアセンブリ２２０は気密封止されたハウジング２３０、マイクロデバイスダイ２２６、及び少なくとも一つの多孔質単結晶シリコンゲッターダイ、例えば２４０Ａ〜２４０Ｅを有する。マイクロデバイスダイ２２６はマイクロ構造体２２２及び基板２２４を有する。基板２２４はガラスまたはシリコンから作製される。デバイスマイクロ構造体２２２は基板２２４に種々のアンカーポイント２２８で取り付けられる。これによりマイクロ構造体２２２の少なくとも主要本体部分をマイクロデバイスダイ２２６内で懸架することができる。マイクロ構造体２２２はジャイロスコープまたは他の検知素子に使用される構造とすることができる。
【００３１】
ハウジング２３０はハンダ２３１などの幾つかの封止材料により互いに気密封止されるベース部分２３２及び蓋２３４を有する。ハウジングは内部キャビティ２３８を画定する。多孔質単結晶シリコンゲッターダイ２４０は内部キャビティ２３８内に搭載して内部キャビティ２３８内の真空を維持する。ボンディングワイヤ２２５を使用してマイクロデバイスダイ２２６をハウジング２３０上の金属トレース２３５に接続する。
【００３２】
一実施形態においては図２Ａ，２Ｂに示すように、多孔質単結晶シリコンゲッターダイ２４０Ａ，２４０Ｂはダイ２２６から離間される関係になるように搭載される。図２Ａにおいて、多孔質単結晶シリコンゲッターダイ２４０Ａはダイ２２６の直上になるようにハウジング２３０の蓋２３４に搭載される。図２Ｂにおいて、複数の多孔質単結晶シリコンゲッターダイ２４０Ａ，２４０Ｂがハウジング２３０に、これも離間される関係になるように収容される。
【００３３】
別の実施形態においては、図２Ｃ〜２Ｅに示すように、多孔質単結晶シリコンゲッターダイ２４０Ｃ，２４０Ｄ，または２４０Ｅはマイクロデバイスダイ２２６とハウジング２３０のベース２３２の内側部分との間に直接搭載される。図２Ｃにおいて、ゲッターダイ２４０Ｃはデバイスダイ２２６よりも大きい。ゲッターダイ２４０Ｃはまずハウジング２３０の内部ベース部分２３２にダイレベルで取り付けられる。次にデバイスダイ２２６がゲッターダイ２４０Ｃの頂部の上に取り付けられる。図２Ｄ及び２Ｅにおいて、ゲッターダイ２４０Ｄ及び２４０Ｅはデバイスダイ２２６とほぼ同じサイズである。ゲッターダイ２４０Ｄ，２４０Ｅはまず、デバイスマイクロ構造体２２２が搭載される側と反対のデバイスダイ２２６の側にウェハレベルで取り付けられる。ウェハアセンブリをダイシングした後、デバイスダイ２２６及びゲッターダイ２４０Ｄ，２４０Ｅからなるダイアセンブリはハウジング２３０の内部ベース２３２に取り付けられる。
【００３４】
一実施形態における図２Ａ〜２Ｃに示す多孔質単結晶シリコンゲッターダイ２４０Ａ，２４０Ｂ，２４０Ｃの取り付け方法の場合、ゲッターダイ２４０Ａ，２４０Ｂ，２４０Ｃは内部キャビティ２３８内に熱圧着プロセス、例えば既知の金バンプ技術を使用して搭載
される。別の実施形態においては、ハンダまたはフリットガラスを使用してゲッターダイ２４０Ａ，２４０Ｂ，２４０Ｃを蓋２３４の内側表面及びハウジング２３０のベース２３２の内側表面に取り付けることができる。
【００３５】
一実施形態における図２Ｄ，２Ｅに示す多孔質単結晶シリコンゲッターダイ２４０Ｄ，２４０Ｅの取り付け方法の場合、複数のゲッターダイ２４０Ｄ，２４０Ｅを有するゲッターウェハがまず、複数のデバイスダイ２２６を有するデバイス基板の背面側に陽極接合技術または金属接合技術のいずれかにより取り付けられる。ゲッターダイ２４０Ｄ，２４０Ｅ及びデバイスダイ２２６を含むウェハアセンブリをダイシングした後、ゲッターダイ２４０Ｄ，２４０Ｅ及びデバイスダイ２２６を含むダイアセンブリをハウジング２３０の内部ベース２３２に金バンプ技術により取り付ける。金バンプ接合技術を使用するとダイアセンブリとハウジング２３０のベース２３２の内側表面との間にギャップ２５０が形成されて、ゲッターダイ２４０Ｄ，２４０Ｅの底面２５４が内部キャビティ２３８内において蒸気及びガスに触れて吸着することができるので、ここではこの技術が好適である。
【００３６】
ゲッターダイ２４０Ａ〜２４０Ｅは上に議論したものと同様なシリコンウェハから形成される。特に、多孔質単結晶シリコン層をシリコンウェハに上述した電気化学エッチング技術を通して形成することができる。シリコンウェハの全体の深さに渡ってこの技術を通して多孔質にする、またはシリコンウェハの選択した深さに渡ってのみ多孔質にすることができる。しかしながら図２Ａ〜２Ｅに示すパッケージレベル構成の利点の一つは、中空部がゲッターダイ２４０Ａ〜２４０Ｅの上には必要ないので、多孔質単結晶シリコンゲッターを形成するマスク工程が不要になることである。しかしながら、ゲッター効率を高める襞状のゲッター構成は、マスク及び関連するプロセス工程を加えることにより容易に実現することができる。襞はゲッターダイの片側または両側に設けることができる。図２Ｅに示すアセンブリにおいて、ゲッターダイ２４０Ｅの上面２５２上の襞により、ゲッターダイ２４０Ｅの上面２５２部分も内部キャビティ２３８内の蒸気分子及びガス分子に触れることができる。襞状の表面をゲッターダイ２４０Ｄ及び２４０Ｅの底面２５４に付加することもできる。幾つかの領域を多孔質にする必要が無い場合には、マスク工程を追加して多孔質層を選択形成することもできる。さらに別の実施形態においては、ゲッターダイ２４０Ａ〜２４０Ｅの多孔質シリコン表面にさらに或るタイプの金属材料をドープして或る種を吸着するゲッター効率を高めることができる。
【００３７】
次に、図１Ａ，１Ｃに示すようにマイクロデバイスを形成する方法についてさらに説明する。異なるドーピング種で、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が、Ｐ型（１００）シリコンウェハをプロセスの以下の説明に選択し、この場合このプロセスでは埋込みゲッター層４０，１４０をシリコンキャップ３０，１３０の上に埋め込んだ気密封止マイクロデバイスを形成する。図３Ａ〜３Ｈは、比較的平坦な単結晶シリコンゲッター層４０を有するシリコンキャップ３０を備えたマイクロデバイスの形成方法を示している（図１Ａ及び１Ｂに示す構成と同様）。図４Ａ〜４Ｇは、襞状の単結晶シリコンゲッター層１４０を有するシリコンキャップ３０を備えたマイクロデバイスの形成方法を示している（図１Ｃに示す構成と同様）。
【００３８】
図３Ａを参照すると、第１辺５２及び第２辺５４を有するシリコンウェハ５０の一部が示されている。このプロセスは、シリコンウェハ５０の第１辺５２上に少なくとも一つの中空部３６を形成する工程を含む。ウェハ５０の第１辺５２上の中空部３６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。一の実施形態においては図３Ｂ及び３Ｃに示すように、中空部３６のエッチングの前に、マスク材料５６、例えば二酸化シリコン及び窒化シリコンの複合層を形成し、そしてパターニングする。第１辺５２上のマスク材料５６を選択エッチングして図３Ｃに示すような中空部窓を形成する工程において、ウェハ５０の第２辺５４上のマスク材料５６も完全に除去する。後続の多孔質形成工程におい
て均一な伝導性を付与するために、薄膜金属層５８、例えば約１μｍ厚さのアルミニウムを図３Ｃに示すように第２辺５４上に成膜する。図３Ｄにおいて、中空部３６をウェハ５０の第１辺５２に、ディープリアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ）のような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ケミカルエッチングのいずれかを使用して形成することができる。ウェハ５０の第１辺５２上の中空部３６の深さは用途により特定され、シリコンキャップ３０の所望の厚さ、所望のゲッター層４０の厚さ、及びマイクロ構造を取り囲むキャビティの所望のサイズに依存する。シリコンキャップ３０の所望の厚さが約６００μｍである一例においては、エッチングを十分な時間に亘って行なって約５０μｍの深さを有する中空部を画定する。
【００３９】
図３Ｅに示すように、次の工程では単結晶シリコンゲッター層４０をウェハ５０の第１辺５２の中空部３６に形成する。上述したように、ゲッター層４０は、ＨＦ溶液の中で電気化学エッチングを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柔軟性、再現性、及び制御性が良くなるからである。ゲッター層４０の厚さは用途により特定され、そして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依存する。図１Ａ，１Ｂ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３８の容積は約９×１０−４ｃｍ３であり、そしてシリコンキャップ３０及び基板２４両方の内側表面積は約２×１０−５ｃｍ２であった。中空部３６に沿って約１．８×１０−３ｃｍ３の容積を有するように多孔質シリコンゲッター層４０を適切に選択した。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よりも大きくなるという利点が得られる。ゲッター層４０がウェハ５０に形成された後、ウェハ５０上のマスク材料５６及び金属層５８を図３Ｆに示すように除去した。
【００４０】
図３Ｇに示すように次の工程では、シリコンウェハ５０（複数のキャップ３０を有する）をマイクロデバイスウェハ６０（複数のマイクロデバイスダイを有する）に位置合わせして、各シリコンキャップ３０の中空部３６が該当するマイクロデバイスダイ２６に隣接して位置するようにする。最初の段階では、小さなギャップがシリコンウェハ５０とマイクロデバイスウェハ６０との間に介在しなければならない。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。このプロセスはさらにゲッター層４０を活性化させる工程を含む。上述したように一実施形態においては、ゲッター層４０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表面から除去する。これによりシリコンゲッター表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。一実施形態においては、活性化工程はシリコンウェハ５０をマイクロデバイスウェハ６０に接合させる直前または間に行なうことができる。
【００４１】
このプロセスにおいてはさらに、シリコンウェハ５０をマイクロデバイスウェハ６０に接着またはそうでなければ接合させる。接着または接合工程は真空環境下で行なわれることが好ましい。シリコンウェハ５０はマイクロデバイスウェハ６０に、上に詳細に記載したように陽極接合、フリットガラス接合または金属接合技術を使用することにより接着させることができる。
【００４２】
プロセスの次の工程ではウェハアセンブリをダイシングして図３Ｈに示すように個々のマイクロデバイスに分離する。
図４Ａ〜４Ｇに示すプロセスは図３Ａ〜３Ｈに関連して上に記載したプロセスと同様である。しかしながら、中空部マスク及びプロセス工程を変形して襞状の中空部１３６を形成する。
【００４３】
最初に図４Ａを参照すると、第１辺１５２及び第２辺１５４を有するシリコンウェハ５０の一部が示されている。第１工程では図４Ｂに示すように、ハードマスク層１５６、例えばシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の複合層を形成する。図４Ｃの工程では、第１辺１５２をパターニングし、金属層１５８、例えば厚さ約１μｍのアルミニウムを第２辺１５４の上に成膜し、そしてエッチングを行なって襞状表面を有する中空部１３６を形成する。襞状中空部１３６を形成する方法について図５Ａ〜５Ｅ及び図６Ａ−６Ｅを通して後で詳細に説明する。
【００４４】
図４Ｄに示すように、次の工程では単結晶シリコンゲッター層１４０をウェハ１５０の第１辺１５２の襞状中空部１３６に形成する。上述したように、ゲッター層１４０は、ＨＦ溶液中での電気化学エッチング技術により形成することができる。電気化学エッチング技術は孔サイズ、孔分布、及び多孔質層厚さを選択する際の柔軟性、再現性、及び制御性が良くなるので、堆積技術よりも電気化学エッチング技術を使用することが好ましい。単結晶シリコンゲッター層１４０の形成後、マスク材料１５６及び金属層１５８を図４Ｅに示すように除去する。
【００４５】
図４Ｆに示すように次の工程では、シリコンウェハ１５０（複数のキャップ１３０を有する）をマイクロデバイスウェハ１６０（複数のマイクロデバイスダイ１２６を有する）に位置合わせして、各シリコンキャップ１３０の襞状中空部１３６が該当するマイクロデバイスダイ１２６に隣接して位置するようにする。最初は、小さなギャップがシリコンウェハ１５０とマイクロデバイスウェハ１６０との間に介在しなければならない。次にウェハアセンブリを真空及び高温の環境下に置く。これにより、マイクロデバイスに使用する材料の初期ガス出しを行なうことができる。このプロセスはさらにゲッター層１４０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１４０を熱、電気または光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表面から除去する。これによりシリコンゲッター表面上のダングリングボンドが切れてガス及び蒸気を吸着する反応単体群として作用する。一の実施形態においては、活性化工程はシリコンウェハ１５０をマイクロデバイスウェハ１６０に接合させる直前または間に行なうことができる。
【００４６】
このプロセスにおいてはさらに、シリコンウェハ１５０をマイクロデバイスウェハ１６０に真空環境下で接着またはそうでなければ接合させる。シリコンウェハ１５０はマイクロデバイスウェハ１６０に、上に詳細に記載したように陽極接合、フリットガラス接合または金属接合技術を使用することにより接着させることができる。
【００４７】
プロセスの次の工程ではウェハアセンブリをダイシングして図４Ｇに示すように個々のマイクロデバイスに分離する。
次に、襞状中空部を形成する方法について詳細に説明する。複数の襞状中空部がシリコンウェハの上に同時に形成されるが、図を簡単にするために単一の中空部を描いている。
【００４８】
一実施形態においては、襞状中空部を、ＫＯＨ，ＥＤＰ及びＴＭＡＨのような化学薬品の内の一つを使用したウェットエッチングにより形成する。図５Ａに示すように第１工程では、ハードマスク材料１５６、例えばシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の複合層をシリコンウェハ１５０の上に形成する。図５Ｂに示す次の工程では、第１辺１５２の上のマスク材料１５６を中空部１３６内の複数の細片１７０にパターニングし、同時に第２辺１５４上のマスク材料１５６を除去し、そして金属層１５８を第２辺１５４の上に成膜する。金属層１５８は厚さ約１μｍのアルミニウムとすることが好ましく、このアルミニウムは後続の電気化学エッチング工程において中空部領域の上に多孔質シリコンゲッター層を形成するための均一な伝導性を実現するために使用する。細片１７０の幅は約４μｍであ
ることが好ましい。隣接細片１７０間の間隔１７２は必要な中空部深さにより決まる。２０μｍ深さの中空部の場合、間隔１７２は約５０μｍであることが好ましい。次に図５Ｃにおいて、複数の｛１１１｝方位壁のＶ溝１７４を（１００）シリコンウェハ１５０を上述した化学薬品の内の一つでエッチングすることにより形成する。Ｖ溝１７４の深さは約５０μｍの開口幅の場合に約３５μｍとなる。±１°の通常の位置合わせ誤差及び｛１１１｝面の限定エッチングにより、Ｖ溝１７４はエッチングを継続すると広がる。図５Ｄに示すように、最終的には隣接Ｖ溝１７４から延びる｛１１１｝面が出会って凸状角１７６を形成し、そしてマスク細片１７０は支柱なしで立つ構造となる。エッチングが継続すると、露出した凸状角１７６はエッチング液により｛１１１｝面のエッチングレートよりも速いレートで侵食される。凸状角１７６のエッチング前面がＶ溝１７４のほぼ半分の深さにまで後退した時にエッチング液からウェハ１５０を取り出すことにより、図５Ｅに示すように襞状中空部１３６が形成される。３５μｍ深さのＶ溝の場合約２０μｍ深さの襞状中空部は、この方法を使用することにより容易に得られる。この後、襞状中空部上に埋め込まれた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の形成プロセス工程の残りは図４Ｄ〜４Ｇに記載したものと同じである。
【００４９】
別の実施形態においては、ディープリアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術を使用して襞状底面を有する中空部を形成する。図６Ａに示すように第１工程では、シリコンウェハ１５０上にハードマスク材料１５６、例えばシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の複合層を形成する。図６Ｂに示す工程の内の一つでは、第１辺１５２上に中空部窓１３６をパターニングする。図６Ｂに示す別の工程では、第２辺１５４上のマスク材料１５６を除去し、そして第２辺１５４上に金属層１５８を成膜する。この金属層１５８は約１μｍ厚さのアルミニウムであることが好ましく、このアルミニウムを使用して、中空部領域に多孔質シリコンゲッター層を形成する後述の電気化学エッチング工程において均一な伝導性を実現させる。次に図６Ｃを参照すると、第２マスク工程を続いて行なって第１辺１５２を覆うフォトレジスト層１８０をパターニングして中空部１３６内に複数のフォト細片１８２を形成する。フォト細片１８２の幅は約２０μｍであることが好ましく、そして隣接フォト細片１８２間のトレンチ開口１８４の幅は約２μｍであることが好ましい。図６Ｄは、ＤＲＩＥ技術を使用するエッチング工程の後で、かつフォトレジストを除去した後の中空部１３６内のトレンチ１８６を示している。このエッチングは第１エッチング期間に行なう。トレンチ１８６の深さは必要とする中空部深さに依存する。最終的に約５０μｍの深さとなる襞状中空部１３６の場合、この工程におけるトレンチ１８６の深さは約６０μｍであることが好ましい。次に図６Ｅに示すように第２エッチング期間に、別の異方性ＤＲＩＥ工程を行なって第１辺１５２上の中空部前面をエッチングして必要とする深さにまで後退させる。この工程において、使用するＤＲＩＥプロセス及び特定の用途に依存する形でトレンチ形状を異なる形状に変形させる。この方法の利点は広範囲の中空部深さが容易に得られることである。この後、襞状中空部の上に埋め込まれた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の形成プロセス工程の残りは図４Ｄ〜４Ｇに記載したものと同じである。
【００５０】
今まで記載してきたのは、新規のマイクロデバイス、及びマイクロデバイス構造を取り囲む気密封止キャビティ内の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マイクロデバイスを形成する方法である。単結晶シリコンゲッターはアモルファスシリコン、多結晶シリコン、または金属粉末混合物から作製される金属ゲッターよりも優れ、かつ再現性のある機械的性能を有する。さらに、マイクロデバイスの構成及び形成方法によれば、ドーピングタイプ、濃度、及びＨＦ濃度及び電流密度のような多孔質形成パラメータを単に選択することにより孔サイズ及び孔分布を調整して満足し得る吸着容量を有する高い機械強度を実現することができる。本発明により、小型化したゲッターを小さな平面寸法のキャビティに合わせる形で使用することができる。所与のゲッターサイズの表面積は、多孔質形成の前に、ゲッター側のシリコン表面をエッチングして襞状パターンとすること
によりさらに大きくすることができる。別の構成として、多孔質形成の前に、ゲッター側のシリコン表面を低濃度ＫＯＨエッチングにより粗面化することができる。さらに本発明によれば、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の作製コストを大幅に減らすことができる。これは特に高真空用途において重要となる。
【００５１】
本発明に関する上の記載は単なる例示であり、本出願が公表する全ての特許の技術範囲を制限するためのものではない。本発明は次の請求項の技術範囲及び技術思想によってのみ制限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１Ａ】ウェハレベルで気密封止された埋込み単結晶シリコンゲッター層を有するマイクロデバイスの本発明の一実施形態を示す断面図。
【図１Ｂ】ウェハレベルで気密封止された埋込み単結晶シリコンゲッター層を有するマイクロデバイスの本発明の一実施形態を示す断面図。
【図１Ｃ】ウェハレベルで気密封止された埋込み単結晶シリコンゲッター層を有するマイクロデバイスの本発明の一実施形態を示す断面図。
【図２Ａ】パッケージレベルで封止された単結晶シリコンゲッターを有するマイクロデバイスの本発明の更なる実施形態を示す断面図。
【図２Ｂ】パッケージレベルで封止された単結晶シリコンゲッターを有するマイクロデバイスの本発明の更なる実施形態を示す断面図。
【図２Ｃ】パッケージレベルで封止された単結晶シリコンゲッターを有するマイクロデバイスの本発明の更なる実施形態を示す断面図。
【図２Ｄ】パッケージレベルで封止された単結晶シリコンゲッターを有するマイクロデバイスの本発明の更なる実施形態を示す断面図。
【図２Ｅ】パッケージレベルで封止された単結晶シリコンゲッターを有するマイクロデバイスの本発明の更なる実施形態を示す断面図。
【図３Ａ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の一実施形態を示す断面図。
【図３Ｂ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の一実施形態を示す断面図。
【図３Ｃ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の一実施形態を示す断面図。
【図３Ｄ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の一実施形態を示す断面図。
【図３Ｅ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の一実施形態を示す断面図。
【図３Ｆ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の一実施形態を示す断面図。
【図３Ｇ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の一実施形態を示す断面図。
【図３Ｈ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の一実施形態を示す断面図。
【図４Ａ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の別の実施形態を示す断面図。
【図４Ｂ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の別の実施形態を示す断面図。
【図４Ｃ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の別の実施形態を示す断面図。
【図４Ｄ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の別の実施形態を示す断面図。
【図４Ｅ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の別の実施形態を示す断面図。
【図４Ｆ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の別の実施形態を示す断面図。
【図４Ｇ】本発明のマイクロデバイスの製造方法の別の実施形態を示す断面図。
【図５Ａ】本発明のマイクロデバイスに襞状中空部を形成する方法の一実施形態を示す断面図。
【図５Ｂ】本発明のマイクロデバイスに襞状中空部を形成する方法の一実施形態を示す断面図。
【図５Ｃ】本発明のマイクロデバイスに襞状中空部を形成する方法の一実施形態を示す断面図。
【図５Ｄ】本発明のマイクロデバイスに襞状中空部を形成する方法の一実施形態を示す断面図。
【図５Ｅ】本発明のマイクロデバイスに襞状中空部を形成する方法の一実施形態を示す断面図。
【図６Ａ】本発明のマイクロデバイスに襞状中空部を形成する方法の別の実施形態を示す断面図。
【図６Ｂ】本発明のマイクロデバイスに襞状中空部を形成する方法の別の実施形態を示す断面図。
【図６Ｃ】本発明のマイクロデバイスに襞状中空部を形成する方法の別の実施形態を示す断面図。
【図６Ｄ】本発明のマイクロデバイスに襞状中空部を形成する方法の別の実施形態を示す断面図。
【図６Ｅ】本発明のマイクロデバイスに襞状中空部を形成する方法の別の実施形態を示す断面図。
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【国際調査報告】
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