特許 5792106 マイクロ電気機械システムセンサおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5792106

(24)【登録日】2015年8月14日

(45)【発行日】2015年10月7日

(54)【発明の名称】マイクロ電気機械システムセンサおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   B81B 7/02 20060101AFI20150917BHJP

   B81C 3/00 20060101ALI20150917BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20150917BHJP

   G01L 9/00 20060101ALI20150917BHJP

【ＦＩ】

   B81B7/02

   B81C3/00

   H01L29/84 Z

   G01L9/00 305C

【請求項の数】15

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2012-76790(P2012-76790)

(22)【出願日】2012年3月29日

(65)【公開番号】特開2012-210702(P2012-210702A)

(43)【公開日】2012年11月1日

【審査請求日】2012年6月19日

(31)【優先権主張番号】100111075

(32)【優先日】2011年3月30日

(33)【優先権主張国】TW

(73)【特許権者】

【識別番号】507208819

【氏名又は名称】原相科技股▲分▼有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】100093779

【弁理士】

【氏名又は名称】服部 雅紀

(72)【発明者】

【氏名】王 傳蔚

(72)【発明者】

【氏名】蔡 明翰

【審査官】 福島 和幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１７８７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０７１７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１５８７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０９１３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０５４２４４（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特表２０１０−５３１４３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０００９８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ８１Ｂ １／００− ７／０４

Ｂ８１Ｃ １／００−９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一表面および第二表面を有する単層の基板と、
前記基板に位置し、最上層の金属層を有するマイクロ電気機械システム部品エリアと、
前記マイクロ電気機械システム部品エリアに被さってチャンバを密閉することによって密閉空間を形成する薄膜層と、
接着層と、
前記接着層によって前記マイクロ電気機械システム部品エリアに固着するキャップと、
前記第二表面まで伸びるように前記マイクロ電気機械システム部品エリアに電気的に接続される複数の導線と、を備え、
前記複数の導線は一端が前記マイクロ電気機械システム部品エリアの前記最上層の金属層に直接に接続されており他端が前記基板の前記第二表面まで伸びている複数のＴ接点であることを特徴とするマイクロ電気機械システムセンサ。

【請求項2】

前記マイクロ電気機械システム部品エリアは、可変コンデンサユニットを有し、前記可変コンデンサユニットは、容量値が前記薄膜層の受けた外部空気の圧力によって変化することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ電気機械システムセンサ。

【請求項3】

前記複数の導線と前記基板または前記マイクロ電気機械システム部品エリアとの間は、絶縁層を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ電気機械システムセンサ。

【請求項4】

前記薄膜層は、金属膜であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ電気機械システムセンサ。

【請求項5】

前記マイクロ電気機械システムセンサは、遮蔽層をさらに備え、
前記遮蔽層は前記マイクロ電気機械システム部品エリアと前記薄膜層との間に配置されることを特徴とする請求項１または請求項４に記載のマイクロ電気機械システムセンサ。

【請求項6】

前記遮蔽層は、金属層であり、
前記マイクロ電気機械システム部品エリアは、前記薄膜層および前記遮蔽層によって完全に遮断されておらず、一部の回路が露出されており、露出されている回路が前記複数の導線に接続されることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ電気機械システムセンサ。

【請求項7】

圧力センサとして機能することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ電気機械システムセンサ。

【請求項8】

前記キャップまたは前記接着層に位置する少なくとも一つの開口部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ電気機械システムセンサ。

【請求項9】

前記開口部は、前記接着層に位置し、前記接着層は非密閉状態を構築するように前記薄層の表面に配置されることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ電気機械システムセ
ンサ。

【請求項10】

前記薄膜層は、前記開口部によって外部空気からの圧力を受けることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ電気機械システムセンサ。

【請求項11】

互いに向かい合う第一表面および第二表面、ならびに最上層の金属層を有するマイクロ電気機械システム部品エリアを有する単層の基板を用意するステップと、
前記基板の前記第一表面に複数の金属層および一つの絶縁エリアの積層を形成するステップと、
前記積層に遮蔽層を形成するステップと、
前記絶縁エリアの一部分を除去し、チャンバを形成するステップと、
前記遮蔽層に薄膜層を被せ、チャンバを密閉し、密閉空間を形成するステップと、
接着層によってキャップを前記マイクロ電気機械システム部品エリアに固着させるステップと、
前記基板に複数の導線を配置するステップと、
前記キャップに少なくとも一つの開口部を形成するステップと、を含み、
前記複数の導線は前記第二表面まで伸びるように前記マイクロ電気機械システム部品エリアに電気的に接続されており、
前記複数の導線は一端が前記マイクロ電気機械システム部品エリアの前記最上層の金属層に直接に接続されており他端が前記基板の前記第二表面まで伸びている複数のＴ接点であることを特徴とするマイクロ電気機械システムセンサの製造方法。

【請求項12】

前記キャップに少なくとも一つの開口部を形成するステップは、前記キャップを前記マイクロ電気機械システム部品エリアに固着させるステップの前で行うことを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ電気機械システムセンサの製造方法。

【請求項13】

互いに向かい合う第一表面および第二表面、ならびに最上層の金属層を有するマイクロ電気機械システム部品エリアを有する単層の基板を用意するステップと、
前記基板の前記第一表面に複数の金属層および一つの絶縁エリアの積層を形成するステップと、
前記積層に遮蔽層を形成するステップと、
前記絶縁エリアの一部分を除去し、チャンバを形成するステップと、
前記遮蔽層に薄膜層を被せ、前記チャンバを密閉し、密閉空間を形成するステップと、
接着層によってキャップを前記マイクロ電気機械システム部品エリアに固着させるステップと、
前記基板に複数の導線を配置するステップと、を含み、
前記接着層は少なくとも一つの開口部を有し、
前記複数の導線は前記第二表面まで伸びるように前記マイクロ電気機械システム部品エリアに電気的に接続されており、
前記複数の導線は一端が前記マイクロ電気機械システム部品エリアの前記最上層の金属層に直接に接続されており他端が前記基板の前記第二表面まで伸びている複数のＴ接点であることを特徴とするマイクロ電気機械システムセンサの製造方法。

【請求項14】

前記絶縁エリアの前記積層は、前記遮蔽層に完全に遮蔽されておらず、露出している部分がエッチングされることを特徴とする請求項１１または請求項１３に記載のマイクロ電気機械システムセンサの製造方法。

【請求項15】

前記薄膜層は、前記開口部によって外部空気からの圧力を受けることを特徴とする請求項１１または請求項１３に記載のマイクロ電気機械システムセンサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マイクロ電気機械システムセンサおよびその製造方法に関し、詳しくはパッケージ工程を整合したマイクロ電気機械システムセンサおよび製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

マイクロ電気機械システムＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）部品は半導体製造技術に基づいて電子および機械機能を整合したマイクロ装置であり、製品として市販されている物は、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロスコープ、光通信部品、ＤＬＰ（デジタル光処理）、インクジェットプリンターのヘッド、無線インターネットのＲＦ検出器などがある。ＭＥＭＳは現今、自動車用タイヤの圧力測量、光通信ネットワーク、プロジェクタ、検知ネットワーク、デジタルマイク、クロック発振器、互換性のあるゲーム機などの様々な製品に応用されてきただけでなく、次世代メモリ技術、生物チップ、ディスプレイ技術、新エネルギなどの研究において、重要な役割を果たす。

【0003】

従来のマイクロ電気機械システムチップから上述した製品に適用できる部品、例えばＱＦＮ(Quad Flat No leads)またはＬＧＡ（Land Grid Array）パッケージによる部品を製造するには、複雑な組立（assembling）工程を行わなければならない。図１は従来の圧力センサ１０を示す断面図である。図１に示すように、圧力センサ１０は、マイクロ電気機械システムチップ１１、エンクロージャ１３、コロイド状絶縁ユニット１５、複数のワイヤ１７およびＱＦＮ用リードフレーム１９を備える。マイクロ電気機械システムチップ１１は、ＱＦＮ用リードフレーム１９のダイパッド（die pad）１９３に固定され、複数のワイヤ１７によってＱＦＮ用リードフレーム１９の複数の接点１９１に電気的に接続される。エンクロージャ１３は、マイクロ電気機械システムチップ１１に被さり、ＱＦＮ用リードフレーム１９に合わさる。圧力センサ１０は、エンクロージャ１３の穴１３１によって外部空気圧をマイクロ電気機械システムチップ１１に作用させることによって外部空気圧の数値を測定する。

【0004】

一方、本発明に関連する特許出願は、米国特許第ＵＳ６，０１２，３３６号、ＵＳ６，５３６，２８１号、ＵＳ６，９２８，８７９号、ＵＳ７，１２１，１４６号、ＵＳ６，７４３，６５４号およびＵＳ７，１３５，７４９号などの特許出願がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許第ＵＳ６，０１２，３３６号明細書

【特許文献2】米国特許第ＵＳ６，５３６，２８１号明細書

【特許文献3】米国特許第ＵＳ６，９２８，８７９号明細書

【特許文献4】米国特許第ＵＳ７，１２１，１４６号明細書

【特許文献5】米国特許第ＵＳ６，７４３，６５４号明細書

【特許文献6】米国特許第ＵＳ７，１３５，７４９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、ＱＦＮまたはＬＧＡパッケージによってマイクロ電気機械システム部品を完成させるには、複雑なパッケージ工程を行い、多様な材料を使用する必要があるため、マイクロ電気機械システムセンサに求められた低コストを満足させることができない。

【0007】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、低コストのマイクロ電気機械システムセンサおよびその製造方法を提供することを主な目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述の目的を達成するために、本発明のマイクロ電気機械システムセンサは、第一表面および第二表面を有する基板と、基板に位置するマイクロ電気機械システム部品エリアと、マイクロ電気機械システム部品エリアに被さってチャンバを密閉することによって密閉空間を形成する薄膜層と、接着層と、接着層によってマイクロ電気機械システム部品エリアに固着するキャップと、第二表面まで伸びるようにマイクロ電気機械システム部品エリアに電気的に接続される複数の導線と、を備える。

【0009】

マイクロ電気機械システムセンサは、キャップまたは接着層に位置する少なくとも一つの開口部をさらに備える。

【0010】

マイクロ電気機械システム部品エリアは可変コンデンサユニットを有する。可変コンデンサユニットは、容量値が薄膜層の受けた外部空気の圧力によって変化する。

【0011】

複数の導線は基板を貫通する複数のＳｉ貫通電極である。
複数の導線は複数のＴ接点である。
薄膜層は、開口部によってマイクロ電気機械システムセンサの外部空気からの圧力を受ける。

【0012】

上述の目的を達成するために、本発明のマイクロ電気機械システムセンサの製造方法は、次の通りである。まず基板を用意する。基板は互いに向かい合う第一表面および第二表面、ならびにマイクロ電気機械システム部品エリアを有する。続いて基板の第一表面に複数の金属層および一つの絶縁エリアの積層を形成する。続いて積層に遮蔽層を形成する。続いて絶縁エリアの一部分を除去し、チャンバを形成する。続いて遮蔽層に薄膜層を被せ、チャンバを密閉し、密閉空間を形成する。続いて、接着層によってキャップをマイクロ電気機械システム部品エリアに固着させる。続いて、基板に複数の導線を配置する。複数の導線は第二表面まで伸びるようにマイクロ電気機械システム部品エリアに電気的に接続される。続いてキャップに少なくとも一つの開口部を形成する。

【0013】

複数の導線は基板を貫通する複数のＳｉ貫通電極である。
複数の導線は複数のＴ接点（T contact）である。
薄膜層は、開口部によってマイクロ電気機械システムセンサの外部空気からの圧力を受ける。

【0014】

上述の目的を達成するために、本発明のマイクロ電気機械システムセンサの製造方法は、次の通りである。まず基板を用意する。基板は互いに向かい合う第一表面および第二表面、ならびにマイクロ電気機械システム部品エリアを有する。続いて基板の第一表面に複数の金属層および一つの絶縁エリアの積層を形成する。続いて積層に遮蔽層を形成する。続いて絶縁エリアの一部分を除去し、チャンバを形成する。続いて遮蔽層に薄膜層を被せ、チャンバを密閉し、密閉空間を形成する。続いて、接着層によってキャップをマイクロ電気機械システム部品エリアに固着させる。接着層は少なくとも一つの開口部を有する。続いて、基板に複数の導線を配置する。複数の導線は第二表面まで伸びるようにマイクロ電気機械システム部品エリアに電気的に接続される。

【0015】

複数の導線は、基板を貫通する複数のＳｉ貫通電極である。
複数の導線は複数のＴ接点（T contact）である。
薄膜層は開口部によってマイクロ電気機械システムセンサの外部空気からの圧力を受ける。

【0016】

本発明のマイクロ電気機械システムセンサの製造方法は、マイクロ電気機械システムのＣＭＯＳ製造工程が完了した後、ウェハーレベル（wafer level）パッケージ工程を進めることであるため、パッケージ工程の簡単化および製造コストの削減を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】従来の圧力センサを示す断面図である。

【図2A】本発明の第１実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサの製造方法のプロセスを示す断面図である。

【図2B】本発明の第１実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサの製造方法のプロセスを示す断面図である。

【図2C】本発明の第１実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサの製造方法のプロセスを示す断面図である。

【図2D】本発明の第１実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサの製造方法のプロセスを示す断面図である。

【図2E】本発明の第１実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサの製造方法のプロセスを示す断面図である。

【図2F】本発明の第１実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサの製造方法のプロセスを示す断面図である。

【図2G】本発明の第１実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサの製造方法のプロセスを示す断面図である。

【図3】本発明の第２実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサを示す断面図である。

【図4】本発明の第３実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の複数の実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサおよびその製造方法を図面に基づいて説明する。そのうちの図面は製造工程、および層と層との上下順序関係を表示する。図面に示した形、厚さおよび幅は一定の比率で製造されるものではない。
（第１実施形態）

【0019】

図２Ａから図２Ｇは、本発明の第１実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサの製造方法のプロセスを示す断面図である。第１実施形態によるマイクロ電気機械システムセンサの製造方法は、次の通りである。図２Ａに示すようにまず基板２１を用意する。基板２１はシリコン基板であるが、これに限らない。図２Ｂに示すよう、続いて基板２１の第一表面２１１に複数の金属層２７１（例えばアルミニウム）、複数のスルーホール２７３（例えばタングステン）および一つの絶縁エリア２５（例えばシリカ）の積層を形成する。続いて積層に遮蔽層（hard mask）２３を形成する。絶縁エリア２５がシリカから構成され、後続のエッチング工程がＨＦガスによる乾式エッチング工程である場合、遮蔽層２３は窒化物（窒化ケイ素、窒化チタン）、金属材料（銅、アルミニウム、タングステンまたはチタン含有合金）またはＨＦ腐食に耐えられる材料から構成されるが、これに限らず、エッチング工程およびエッチング対象物によって適切な材料を決めてもよい。また一般のＣＭＯＳ製造工程によって上述したステップを完成させることができる。一方、本発明は第１実施形態により提示された積層に限らず、異なる金属および絶縁材料の積層を採用してもよい。また積層の上下の順およびパターンを変更することができる。基板２１はさらに第二表面２１２を有し、第二表面２１２は第一表面２１１に向かい合う。

【0020】

遮蔽層２３は、後続のエッチング工程のマスクに用いる金属層または絶縁材料層を有する。金属層はパターンを有する。図２Ｂに示すように、続いてエッチング工程によって絶縁エリア２５の一部分を除去し、チャンバ２７５および可変コンデンサの可動電極部２７６を形成する。このときエッチングされた積層はマイクロ電気機械システム部品エリア２７となる。一方、可変コンデンサの固定電極部は図中に表示されない。第１実施形態において、可動電極部２７６はチャンバ２７５内の圧力変化に応じて移動するため、可変コンデンサの容量値を変化させる。本発明において、マイクロ電気機械システム部品エリア２７は圧力を検知して反応を起こすマイクロ電気機械システム構築に限らず、加速度または別の物を検知するためのマイクロ電気機械システム構築を採用してもよい。移動または圧力が原因でマイクロ電気機械システム構築内の可変コンデンサの容量値を変化させる際、変化した容量値によって演算を行い、所期の目的を達成することができる。また上述したエッチング工程はＨＦガスによる乾式エッチングを採用する。

【0021】

図２Ｃに示すように、続いて遮蔽層２３に薄膜層２９を被せ、チャンバ２７５を密閉し、密閉空間を形成する。薄膜層２９は金属蒸着工程に基づいて遮蔽層２３の表面に金属膜が付着することによって構成され、チャンバ２７５および外部に連絡する開口部を密閉する。図２Ｄに示すように、続いて一部分の薄膜層２９および遮蔽層２３を除去し、最上の金属層２７１を露出する。遮蔽層２３が絶縁材料層である場合、このステップを省略してもよい。後続工程がＴ接点（T contact）工程である場合、このステップが必要である。

【0022】

図２Ｅに示すように、続いて、接着層２２によってキャップ２４をマイクロ電気機械システム部品エリア２７に固着させる。第１実施形態において、接着層２２はマイクロ電気機械システム部品エリア２７上の薄膜層２９に塗布されることでキャップ２４と結合する。接着層２２の塗布位置は第１実施形態に制限されない。図２Ｆに示すように、続いて基板２１を貫通して複数のＳｉ貫通電極２６を第二表面２１２に形成する。Ｓｉ貫通電極２６と基板２１との間に絶縁層２１５（例えばシリカ）を配置することによってＳｉ貫通電極２６と基板２１との接触を遮断する。

【0023】

図２Ｇに示すように、続いて少なくとも一つの開口部２８をキャップ２４に形成する。マイクロ電気機械システムセンサ２０は開口部２８によって外部空気圧をマイクロ電気機械システム部品２７の薄膜層２９に作用させることによって外部空気圧の数値を測定する。第１実施形態は、キャップ２４に開口部２８を予め形成し、そののち開口部２８を有するキャップ２４をマイクロ電気機械システム部品エリア２７に固定することができる。

【0024】

（第２実施形態）
本発明は、Ｓｉ貫通電極２６の代わりに、Ｔ接点とマイクロ電気機械システム部品２７とを接続し、かつＴ接点を外部接点とする方式を採用することができる。図３に示すように、マイクロ電気機械システムセンサ３０において、Ｔ接点３６はマイクロ電気機械システム部品エリア２７の最上の金属層２７１に接続される。Ｔ接点３６の導線は基板２１の第二表面２１２まで伸び、かつ第二表面２１２に位置する部分がマイクロ電気機械システムセンサ３０の外部接点になる。かつＴ接点３６の導線とマイクロ電気機械システム部品エリア２７との間、およびＴ接点３６の導線と基板２１との間に配置された絶縁層３１はＴ接点３６とマイクロ電気機械システム部品エリア２７との接触、およびＴ接点３６と基板２１との接触を遮断する。

【0025】

（第３実施形態）
図４は本発明の第３実施形態を示す断面図である。図２Ｇに示したマイクロ電気機械システムセンサ２０との違いは次の通りである。マイクロ電気機械システムセンサ４０において、キャップ２４には開口部が配置されない。接着層４２は薄膜層２９の表面にまんべんなく塗布されず、非密閉状態を呈し、かつ少なくとも一つの開口部４８を有する。開口部４８は外部空気圧を薄膜層２９に作用させる。また図３に示したマイクロ電気機械システムセンサ３０の如く、マイクロ電気機械システムセンサ４０はＴ接点とマイクロ電気機械システム部品２７とを接続し、Ｔ接点を外部接点とする方式を採用することができる。

【0026】

上述したとおり、本発明によるマイクロ電気機械システムセンサおよび製造方法は、マイクロ電気機械システムのＣＭＯＳ製造工程が完了した後、大量処理できる（high throughput）ウェハーレベルパッケージ工程を進めることである。従来のＱＦＮまたはＬＧＡパッケージによるマイクロ電気機械システム装置は複雑なパッケージ工程および多様な材料に頼らないと完成できないことに対し、本発明はパッケージ工程を簡単化できるだけでなく、製造コストを削減できる。

【0027】

以上は本発明を説明するための比較的好ましい実施形態である。上述した内容は本発明の請求範囲を限定するものでなく、この技術を熟知した人に本発明の内容を容易に理解させるための説明である。この技術を熟知した人ならば本発明の発明精神に基づいて効果が同等な変化を加えることは本発明の請求範囲に属するべきである。例えばマイクロ電気機械システム部品エリアの主な特徴に影響を与えない範囲において別の工程または構築を加える、或いはマイクロ電気機械システム部品エリアを別の検知機能、例えば質量検知機能などを有するユニットに取り替えることは本発明の請求範囲に属するべきである。

【符号の説明】

【0028】

１０・・・圧力センサ、
１１・・・マイクロ電気機械システムチップ、
１３・・・エンクロージャ、
１５・・・コロイド状絶縁ユニット、
１７・・・ワイヤ、
１９・・・ＱＦＮ用リードフレーム、
２０、３０、４０・・・マイクロ電気機械システムセンサ、
２１・・・基板、
２２、４２・・・接着層、
２３・・・遮蔽層、
２４・・・キャップ、
２５・・・絶縁区域、
２６・・・Ｓｉ貫通電極、
２７・・・マイクロ電気機械システム部品エリア、
２８、４８・・・開口、
２９・・・薄膜層、
３１・・・絶縁層、
３６・・・Ｔ接点、
１３１・・・穴、
１９１・・・接点、
１９３・・・ダイパッド、
２１１・・・第一金属層、
２１２・・・第二金属層、
２１５・・・絶縁層、
２７１・・・金属層、
２７３・・・スルーホール、
２７５・・・チャンバ。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図2G】

【図3】

【図4】