MEMS器件的制造方法及MEMS器件与流程

mems器件的制造方法及mems器件
技术领域
[0001]
本发明涉及一种mems器件的制造方法及mems器件。


背景技术：

[0002]
近年来，作为利用了微机电系统(micro electro mechanical system；mems)的器件(以下，称作“mems器件”)，正在开发作为对物体的姿态、角速度或者角加速度进行电检测的测量仪器的陀螺仪、由mems振子与模拟振荡电路构成的时钟振荡器(timing resonator)mems振荡器、作为对红外线进行电检测的测量仪器的ir传感器等。
[0003]
这些mems器件由于被真空密封封装，因此能够进行高性能的工作。对于真空密封封装，提出了各种封装的方式，例如，作为时钟振荡器mems振荡器，存在下述mems振荡器：其将形成有作为活动元件的起振板的硅基板与由相同的硅基板形成的cap基板接合，从而以形成有起振板的活动空间的状态进行密封(例如，参考专利文献1)。该mems振荡器中，为了维持振子的高q值，在100pa以下的真空氛围中密封活动空间。
[0004]
作为将mems器件真空密封的方法，正在开发通常被称为episeal技术的晶圆级封装技术(例如，参考专利文献2或3)。该方法中，首先在由硅基板或多晶硅形成的cap晶圆中形成沿厚度方向贯穿的通气孔，以形成有不会阻碍mems器件的活动元件的移动的活动空间的状态，将该cap晶圆粘合于mems器件晶圆上。然后，在h2氛围下，以少量的作为原料气体的sih2cl2二氯硅烷或hsicl3三氯硅烷等为原料，进行结合了高温下的热分解与化学反应的气相沉积成膜，由此将形成于cap晶圆中的通气孔闭塞。具体而言，使用外延反应装置，使单晶或多晶硅外延沉积在cap晶圆的通气孔的侧壁上，从而形成硅外延层，并将通气孔闭塞、阻断(pinch off)。此时，活动空间被硅外延层沉积时的未反应气体填满，但由于原子尺寸极小的h2会通过热扩散现象而几乎全部逸出至外部，因此能够使活动空间为高真空。
[0005]
另外，开发了一种在硅基板的表面设置呈一列的多个孔，以低于硅的熔点的温度进行热处理，由此发生硅的表面迁移(silicon surface migration)，并通过该表面迁移，在硅基板的表面将各个孔堵塞，并同时沿着硅基板的表面将各个孔连结，在硅基板中形成管状中空的方法，利用基于表面迁移的硅原子的扩散系数与热处理温度的关系，确定热处理温度(例如，参考非专利文献1)。现有技术文献专利文献
[0006]
专利文献1：日本特开2016-171393号公报专利文献2：美国专利第6928879号说明书专利文献3：日本专利第5113980号公报非专利文献
[0007]
非专利文献1：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


技术实现要素：

本发明要解决的技术问题
[0008]
对于专利文献2及3中记载的episeal技术，由于在闭塞通气孔而将活动空间密封后，虽然氛围气体的h2会通过热扩散而从活动空间中逸出，但硅外延层沉积时未反应的sih2cl2二氯硅烷或hsicl3三氯硅烷等会残留在活动空间的内部，因此存在活动空间内部的真空度降低的技术问题。此外，利用外延生长而将通气孔闭塞时的成本变高，且同时由于使用的原料气体也多，需要控制外延生长系统，因此外延装置会变得复杂，而外延炉本身也较昂贵，因此还存在装置的引入成本和其维护成本也变高的技术问题。
[0009]
本发明着眼于这样的技术问题而进行，其目的在于提供一种可提高活动空间内部的真空度，可降低制造成本以及制造装置的引入及维护成本的mems器件的制造方法及mems器件。解决技术问题的技术手段
[0010]
为了达成上述目的，第一，本发明的mems器件的制造方法为下述mems器件的制造方法，所述mems器件具有mems器件晶圆及cap晶圆，所述mems器件晶圆在基板上形成有活动元件，所述cap晶圆以形成活动空间且覆盖所述mems器件晶圆的方式而设置，所述活动元件以可动的方式收纳于所述活动空间中，所述制造方法的特征在于，所述cap晶圆为硅制，并具有以与所述活动空间连通的方式形成的通气孔，以将所述cap晶圆与所述mems器件晶圆接合的状态，在氢气氛围中进行热处理，通过所述cap晶圆的硅的表面迁移来堵塞所述通气孔，由此将所述活动空间密封。
[0011]
此外，第二，本发明的mems器件的制造方法为下述mems器件的制造方法，所述mems器件具有mems器件晶圆及cap晶圆，所述mems器件晶圆在基板上形成有活动元件，所述cap晶圆以形成活动空间且覆盖所述mems器件晶圆的方式而设置，所述活动元件以可动的方式收纳于所述活动空间中，所述制造方法的特征在于，所述基板为硅制，并具有以与所述活动空间连通的方式形成的通气孔，以将所述cap晶圆与所述mems器件晶圆接合的状态，在氢气氛围中进行热处理，通过基板的硅的表面迁移来堵塞所述通气孔，由此将所述活动空间密封。
[0012]
此外，第三，本发明的mems器件的制造方法为下述mems器件的制造方法，所述mems器件具有mems器件晶圆及cap晶圆，所述mems器件晶圆在基板上形成有活动元件，所述cap晶圆以形成活动空间且覆盖所述mems器件晶圆的方式而设置，所述活动元件以可动的方式收纳于所述活动空间中，所述制造方法的特征在于，所述mems器件晶圆的与所述cap晶圆的接合部和/或所述cap晶圆为硅制，以将所述cap晶圆与所述mems器件晶圆接合、并在其接合界面形成有与所述活动空间连通的通气孔的状态，在氢气氛围中进行热处理，通过所述接合部和/或所述cap晶圆的硅的表面迁移来堵塞所述通气孔，由此将所述活动空间密封。
[0013]
优选：第一～第三的本发明的mems器件的制造方法通过在氢气氛围中进行所述热处理，氢气通过热扩散从所述活动空间中流出，所述活动空间成为真空状态或低压状态。
[0014]
第一～第三的本发明的mems器件的制造方法通过利用热处理所引起的cap晶圆的硅、mems器件晶圆的基板的硅的表面迁移，能够将与活动空间连通的连通孔堵塞，从而将活动空间密封。热处理时，由于不需要在氢气氛围中混入外延生长的原料气体等，因此密封后的活动空间的内部能够不残留除氢气以外的气体。此外，通过在氢浓度充分低的氢气氛围
中进行热处理，几乎所有氢气会通过热扩散现象而流出至活动空间的外部，因此能够提高活动空间内部的真空度。
[0015]
此外，第一～第三的本发明的mems器件的制造方法可仅通过热处理而将通气孔闭塞，与利用外延生长的episeal技术等现有技术相比，由于使用的原料气体少，不需要控制生长系统，因此能够为简单的装置构成。因此，能够降低制造成本以及制造装置的引入及维护成本。
[0016]
第一～第三的本发明的mems器件的制造方法中，优选所述通气孔的至少一部分的直径具有能够通过所述表面迁移而被闭塞的大小。其直径虽然取决于热处理的温度及时间，但优选为1μm以下，更优选为0.8μm以下。此外，为了通气，通气孔的直径优选为0.1μm以上，更优选为0.4μm以上。此外，可以在接合cap晶圆与mems器件晶圆前形成通气孔，也可以在接合后形成通气孔。
[0017]
第一～第三的本发明的mems器件的制造方法中，通气孔只要能够通过硅的表面迁移而被闭塞，则可呈任何形状。例如，所述通气孔通过将直径彼此不同的所述活动空间侧的内侧孔和与所述活动空间为相反侧的外侧孔连通而成，将所述内侧孔的直径设为将所述外侧孔的直径设为时，可以也可以此外，所述通气孔呈锥状，将所述活动空间侧的表面上的直径设为将与所述活动空间为相反侧的表面上的直径设为时，可以也可以
[0018]
第一～第三的本发明的mems器件的制造方法可通过在含有非活性气体的氢气氛围中进行所述热处理，使氢气通过热扩散从所述活动空间中流出，所述活动空间成为所述非活性气体的低压状态。此时，通过调节非活性气体的含有率，可易于调节活动空间内部的真空度。由此，能够将活动空间的内部设置为对活动元件的功能而言最优的真空度。非活性气体只要为如ar气等不会对活动元件的功能产生不良影响的气体，则可以为任何气体。
[0019]
第一～第三的本发明的mems器件的制造方法中，优选：所述热处理的热处理温度为1000℃～1150℃，热处理时间为10分钟以上1小时以内。此时，能够在不对活动空间内部的活动元件等带来因热导致的不良影响的情况下，发生硅的表面迁移，从而堵塞通气孔。热处理时间更优选为30分钟以内。
[0020]
本发明的mems器件的特征在于，具有mems器件晶圆及cap晶圆，所述mems器件晶圆在基板上形成有活动元件，所述cap晶圆以形成活动空间且覆盖所述mems器件晶圆的方式而设置，所述活动元件以可动的方式收纳于所述活动空间中，所述mems器件晶圆及所述cap晶圆分别由soi晶圆或si晶圆形成，所述活动空间仅由源自所述soi晶圆和/或所述si晶圆的材料形成内壁，并被密封。
[0021]
本发明的mems器件能够通过第一～第三的本发明的mems器件的制造方法而更适当地制造。通过利用第一～第三的本发明的mems器件的制造方法制造本发明的mems器件，能够提高活动空间内部的真空度，能够便宜地制造。本发明的mems器件例如为共振器、陀螺仪、洛伦兹力磁传感器、加速度传感器、时钟振荡器、ir传感器、压力传感器等器件。本发明的mems器件中，优选：所述mems器件晶圆由soi晶圆形成，所述活动元件形成在所述soi晶圆的si基板上。发明效果
[0022]
根据本发明，可提供一种可提高活动空间内部的真空度，可降低制造成本以及制造装置的引入及维护成本的mems器件的制造方法及mems器件。
附图说明
[0023]
图1为示出本发明的实施方式的mems器件的制造方法的截面图。图2为图1所示的mems器件的制造方法的(a)热处理前的cap晶圆的通气孔附近的放大截面图；(b)通过硅的表面迁移而将cap晶圆的通气孔堵塞的状态的cap晶圆的通气孔附近的放大截面图。图3为示出本发明的实施方式的mems器件的制造方法的、mems器件由时钟振荡器构成的、热处理前的变形例的截面图。
具体实施方式
[0024]
以下，基于附图，对本发明的实施方式进行说明。图1～图3示出了本发明的实施方式的mems器件的制造方法及mems器件。图1示出了活动元件由陀螺仪(gyro)构成的mems器件的制造方法，根据图1的实例，对本发明的实施方式的mems器件的制造方法进行说明。
[0025]
如图1所示，关于本发明的实施方式的mems器件的制造方法，首先，作为mems器件晶圆11，使用在si基板11a与si单晶膜11b之间夹持有sio2膜(氧化膜)11c的soi(silicon on insulator)晶圆，使该si单晶膜11b的表面热氧化，从而形成热氧化膜(sio2膜)11d(参考图1的(a))。具体的一个实例中，热氧化膜11d的厚度为1μm。接着，对热氧化膜11d与si单晶膜11b进行蚀刻，从而形成活动元件21及非可动部22(参考图1的(b))。
[0026]
接着，以利用由soi晶圆构成的cap晶圆12覆盖mems器件晶圆11的活动元件21及非可动部22的方式，将cap晶圆12的si单晶膜12b与非可动部22的热氧化膜11d接合，从而进行一体化(参考图1的(c))。在接合时，预先将活动元件21的表面的热氧化膜11d去除。此外，如图2的(a)所示，在与活动元件21相对的cap晶圆12的si单晶膜12b的表面形成有一个或多个凹状腔(内侧孔)23a。具体的一个实例中，以1100℃、5小时的热处理进行接合。接着，将cap晶圆12从si基板12a侧开始削薄(参考图1的(d))，并将cap晶圆12的si基板12a与sio2膜12c去除，仅残留si单晶膜12b。
[0027]
接着，如图2的(a)所示，从cap晶圆12的表面向凹状腔23a打通贯穿孔(外侧孔)23b，形成通气孔23。并且对cap晶圆12进行蚀刻，形成用于设置电极的电极区域24(参考图1的(e))。具体的一个实例中，对于通气孔23，出于减小其直径与深度的比的目的，形成有凹状腔23a作为内侧孔，将内侧孔的直径设为将贯穿孔(外侧孔)23b的直径设为时，贯穿孔(外侧孔)23b的直径为1μm以下。另外，对于通气孔23，也可
[0028]
接着，为了使活动元件21活动，对于与活动元件21相接的mems器件晶圆11的sio2膜11c的一部分，也要进行蚀刻(参考图1的(f))。由此，可形成被mems器件晶圆11的si基板11a与cap晶圆12包围的、将活动元件21以可动的方式收纳的活动空间13。此外，此时，由于通气孔23连通了活动空间13与外部，因此活动空间13尚未被密封。
[0029]
接着，在氢气氛围中，于1000℃～1150℃进行10分钟以上1小时以内的热处理，使
cap晶圆12发生硅的表面迁移。由此，如图2的(b)所示，表面迁移的硅12d流入通气孔23的贯穿孔23b，将通气孔23闭塞、阻断，从而能够将活动空间13密封(参考图1的(g))。
[0030]
此时，通过在氢浓度充分低的氢气氛围中进行热处理，几乎所有氢气会通过热扩散现象流出至活动空间13的外部，因此活动空间13成为高真空(低压)状态。
[0031]
如此，本发明的实施方式的mems器件的制造方法通过利用热处理所引起的cap晶圆12的硅的表面迁移，能够将与活动空间13连通的连通孔堵塞，从而将活动空间13密封。由此，能够制造将被密封器件封装密封的mems器件10。
[0032]
本发明的实施方式的mems器件的制造方法由于在热处理时不需要在氢气氛围中混入外延生长的原料气体等，因此密封后的活动空间13的内部能够不残留除氢气以外的气体，能够提高几乎所有氢气通过热扩散现象流出至外部后的活动空间13的内部的真空度。此外，可仅通过热处理将通气孔23闭塞，与利用外延生长的episeal技术等现有技术相比，由于使用的原料气体少，不需要控制生长系统，因此能够为简单的装置构成。因此，能够降低制造成本以及制造装置的引入及维护成本。
[0033]
此外，本发明的实施方式的mems器件的制造方法由于未利用episeal技术，因此能够避免因沉积的硅外延层而产生的技术问题、因外延生长的原料气体等而有可能产生的技术问题。此外，堵塞通气孔23的物质为纯粹的硅，而不是氧化物塞或金属塞，因此也可避免因被氧化物或金属密封的膜而有可能产生的技术问题。
[0034]
此外，本发明的实施方式的mems器件的制造方法中，由于用于发生硅的表面迁移的热处理的热处理温度为1000℃～1150℃，热处理时间为10分钟以上1小时以内，因此能够在不对活动空间13的内部的活动元件21等带来因热导致的不良影响的情况下，将通气孔23堵塞。此外，通过热处理所引起的硅的表面迁移，能够使mems器件10的侧壁等的si表面变平滑。
[0035]
本发明的实施方式的mems器件的制造方法并不仅限活动元件21为陀螺仪的情况，也可以制造如图3所示的时钟振荡器、共振器、洛伦兹力磁传感器、加速度传感器、ir传感器、压力传感器等器件。图3所示的情况同样通过利用热处理所引起的cap晶圆12的硅的表面迁移，将与活动空间13连通的通气孔23堵塞，从而能够将活动空间13密封，能够制造对被密封器件进行了封装密封的mems器件10。
[0036]
另外，本发明的实施方式的mems器件的制造方法中，通气孔23只要至少一部分的直径具有能够通过热处理所引起的表面迁移而被闭塞的大小，则可以呈任何形状。通气孔23并不仅限于图1所示的形状，例如还可以呈锥状。此时，将在活动空间13侧的cap晶圆12的内侧面上的直径设为将在与活动空间13为相反侧的cap晶圆12的外侧面上的直径设为时，可以也可以
[0037]
此外，本发明的实施方式的mems器件的制造方法中，热氧化膜11d也可以形成于cpa晶圆的活动空间13一侧的表面，而并非形成于mems器件晶圆11上。此时，通过将cap晶圆12的热氧化膜与mems器件晶圆11的非可动部22接合，能够将cap晶圆12与mems器件晶圆11接合。
[0038]
此外，本发明的实施方式的mems器件的制造方法中，也可以在含有非活性气体的氢气氛围中进行热处理。此时，由于通过热处理，氢气通过热扩散现象从活动空间13中流
出，因此活动空间13成为非活性气体的高真空(低压)状态。因此，通过调节非活性气体的含有率，可易于调节活动空间13的内部的真空度。由此，能够将活动空间13的内部设置为对活动元件21的功能而言最优的真空度。非活性气体只要为如ar气等不会对活动元件21的功能产生不良影响的气体，则可以为任何气体。
[0039]
此外，本发明的实施方式的mems器件的制造方法中，通气孔23也可以设置于mems器件晶圆11的si基板11a上，而并非设置于cap晶圆12上。此时同样可以利用热处理，通过si基板11a的硅的表面迁移将通气孔23堵塞，从而将活动空间13密封。
[0040]
此外，本发明的实施方式的mems器件的制造方法中，通气孔23也可以设置于cap晶圆12与mems器件晶圆11的接合界面。此时同样可以利用热处理，通过mems器件晶圆11的si单晶膜11b和/或cap晶圆12的硅的表面迁移将通气孔23堵塞，从而将活动空间13密封。实施例实施例1
[0041]
参考非专利文献1，对通气孔23的大小、热处理温度及时间进行各种变更，对基于硅的表面迁移的通气孔23的密封进行模拟。
[0042]
[模拟1]将形成于cap晶圆12上的通气孔23的直径设为0.6μm、并将深度设为5μm时，在氢气氛围中，于1100℃进行15分钟的热处理，由此能够通过cap晶圆12的硅的表面迁移将通气孔23密封。
[0043]
[模拟2]将形成于cap晶圆12上的通气孔23的直径设为0.4μm、并将深度设为3μm时，在氢气氛围中，于1000℃进行15分钟的热处理，由此能够通过cap晶圆12的硅的表面迁移将通气孔23密封。
[0044]
[模拟3]将形成于cap晶圆12上的通气孔23的直径设为0.8μm、并将深度设为6μm时，在氢气氛围中，于1130℃进行15分钟的热处理，由此能够通过cap晶圆12的硅的表面迁移而将通气孔23密封。
[0045]
[模拟4]将形成于cap晶圆12上的通气孔23的直径设为1μm、并将深度设为8μm时，在氢气氛围中，于1150℃进行15分钟的热处理，由此能够通过cap晶圆12的硅的表面迁移将通气孔23密封。附图标记说明
[0046]
10：mems器件；11：mems器件晶圆；11a：si基板；11b：si单晶膜；11c：sio2膜；11d：热氧化膜；21：活动元件；22：非可动部；12：cap晶圆；12a：si基板；12b：si单晶膜；12c：sio2膜；12d：表面迁移的硅；23：通气孔；23a：凹状腔(内侧孔)；23b：贯穿孔(外侧孔)；24：电极区域；13：活动空间。