(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロ電気機械デバイスのアレイ用のバイア及びバスの幾何学的形状を改良する。【解決手段】基板２２を貫通する電気接続部であるバイア４４Ａを含むマイクロ電気機械デバイスの回路構成であって、前記回路構成は一定の距離によって隔てられ互いに反対側にある第１及び第２の表面２１、２２を有する基板２２、基板２２の第１の表面２１上に配設されたバス２８、並びにバス２８から基板２２の第２の表面２３まで基板２２を貫通するように配置されたバイア４４Ａを含んでいて、バイア４４Ａは少なくとも部分的に導電性材料で満たされており、バイア４４Ａは少なくとも一方の表面２１に対する導電性材料の熱誘起膨張を低減させるように配置されたインターロック４６を画成するように形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（２２）を貫通する電気接続部を含むマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）回路構成であって、前記回路構成は
一定の距離によって隔てられた第１及び第２の互いに反対側にある表面（２１）を有する基板（２２）、
基板（２２）の第１の表面（２１）上に配設された電気バス（２８）、並びに
バス（２８）から基板（２２）の第２の表面（２３）まで基板（２２）を貫通するように配置されたバイア
を含んでいて、バイアは少なくとも部分的に導電性材料で満たされており、バイアは少なくとも一方の表面（２１）に対する導電性材料の熱誘起膨張を低減させるように配置されたインターロック（４６）を画成するように形成されている、ＭＥＭＳ回路構成。
【請求項２】
インターロック（４６）が基板（２２）の第１の表面（２１）から第２の表面（２３）までの距離の４０％以内に配置されている、請求項１記載のＭＥＭＳ回路構成。
【請求項３】
インターロック（４６）がバイアの狭窄部からなる、請求項２記載のＭＥＭＳ回路構成。
【請求項４】
インターロック（４６）がバイアの拡張部からなる、請求項２記載のＭＥＭＳ回路構成。
【請求項５】
当該回路構成がＭＥＭＳスイッチング回路構成からなり、バス（２８）がバス（２８）の長さに沿って複数のマイクロスイッチビーム（３０）の係留、作動又は接触を行い、バイアがバス（２８）の長さと実質的に整列した長手寸法及びバス（２８）の幅と実質的に整列した幅寸法を有する、請求項１記載のＭＥＭＳ回路構成。
【請求項６】
バイアの長手寸法がバス（２８）の長さに沿ったビーム（３０）の単位間隔より大きい、請求項５記載のＭＥＭＳ回路構成。
【請求項７】
バイアの幅寸法がバイアの長手寸法より小さい、請求項６記載のＭＥＭＳ回路構成。
【請求項８】
バイアの長手寸法がバス（２８）の長さにほぼ等しく、バイアの幅寸法がバス（２８）の幅にほぼ等しい、請求項５記載のＭＥＭＳ回路構成。
【請求項９】
バイアが、基板（２２）の第１の表面（２１）に対して実質的に垂直な第１及び第２の背中合せの面並びにバイアの第１及び第２の面に対して実質的に垂直でありかつ基板（２２）の第１の表面（２１）に対して傾斜した第３及び第４の面をもった概して台形角柱の幾何学的形状を有する、請求項１記載のＭＥＭＳ回路構成。
【請求項１０】
バス（２８）が長さ及び幅を有し、台形バイアはこれらに対応して整列した長さ及び幅を有し、台形バイアは基板（２２）の第１の表面（２１）より基板（２２）の第２の表面（２３）において長さが大きい、請求項９記載のＭＥＭＳ回路構成。
【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（ＭＥＭＳ）デバイスの１以上のパッケージング層を貫通する電気接続部に関し、詳しくはかかるデバイスのアレイの基板を貫通するバイアに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、小形密封パッケージ内において一般にマイクロメートルないしミリメートルの範囲内のサイズを有する電気機械デバイスである。マイクロスイッチの形態をもったＭＥＭＳデバイスはビームといわれる可動電極を有していて、これはビームの近くに配置されたゲート電極の作用で固定電気接点に向かって移動する。かかる可動電極は、静電引力、磁気引力や斥力、熱誘起不整合のような力の作用下で曲がってビームの自由端と固定接点との間のギャップを閉じるたわみ性ビームであり得る。ＭＥＭＳデバイスでは、破壊的な熱の蓄積を回避するため、最適の放熱及び最小の電気抵抗が必要とされる。これはデバイス自体に当てはまるばかりでなく、デバイスに対するすべての電気接続部にも当てはまる。バイアといわれる電気貫通接続部は、パッケージを貫通してＭＥＭＳ電極に電力を供給する。バイアは一般に良好な導電性及び伝熱性を有している。
【０００３】
しかし、ある種の用途では複数のＭＥＭＳデバイスが要求される。例えば、スイッチング用途では、単一のマイクロスイッチの容量より大きいスイッチング電流が所望されることがある。詳しくは、同一の基板上で並列回路をなすように複数のマイクロスイッチを接続し、必要に応じて一斉に作動することで大きい電流容量を得ることができる。このような回路構成は、例えばモータスタータ回路及び保護回路で使用されてきた。典型的なウェーハ貫通バイアエッチング技術（例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）による選択的エッチング）は、間隔の小さいバイアに関して使用する場合には幾何学的欠点を有している。バイアの深部反応イオンエッチングはミクロンスケールのバイア充填を可能にするものの、垂直に配列した幾何学的形状は、バイア材料の熱膨張によって誘起される薄膜応力のため、ＭＥＭＳ構造の付近又は下方におけるバイアの配置を制限する。高出力ＭＥＭＳスイッチ用途では、放熱を最大にし、抵抗を最小にし、ＭＥＭＳ素子と制御回路との間のインダクタンスを最小にするため、バイアをスイッチング素子のすぐ近くに接近させるべきである。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１５６２５９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１９０８０１号明細書
【特許文献３】米国特許第７０７５１６０号明細書
【特許文献４】米国特許第７０３０５３６号明細書
【特許文献５】米国特許第６９８７３０４号明細書
【特許文献６】米国特許第６９４６７２８号明細書
【特許文献７】米国特許第６９４３４９５号明細書
【特許文献８】米国特許第６９２０２０３号明細書
【特許文献９】米国特許第６８６４１１１号明細書
【特許文献１０】米国特許第６８０９７５３号明細書
【特許文献１１】米国特許第６７９１７４２号明細書
【特許文献１２】米国特許第６７８８９８１号明細書
【特許文献１３】米国特許第６７７３９６２号明細書
【特許文献１４】米国特許第６７６７７６４号明細書
【特許文献１５】米国特許第６７１７２６８号明細書
【特許文献１６】米国特許第６４４１４８１号明細書
【特許文献１７】米国特許第６２９７５５７号明細書
【特許文献１８】米国特許第５３７４７９２号明細書
【特許文献１９】米国特許第４７８３６９５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、ＭＥＭＳデバイスのアレイ用の改良されたバイア及びバスの幾何学的形状に対するニーズが存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一般に本発明は、その一態様では、基板を貫通する電気接続部を含むマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）回路構成を提供することで上述のニーズを満たす。かかる回路構成は、一定の距離によって隔てられた第１及び第２の互いに反対側にある表面を有する基板を含んでいる。基板の第１の表面上には電気バスを配設できる。バスから基板の第２の表面まで基板を貫通するようにバイアが配置されている。バイアは少なくとも部分的に導電性材料で満たされている。バイアは、少なくとも一方の表面に対する導電性材料の熱誘起膨張を低減させるように配置されたインターロックを画成するように形成できる。
【０００６】
本発明はさらに、その一態様では、基板を貫通する電気接続部を含むマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチング回路構成を提供することで上述のニーズを満たす。かかるスイッチング回路構成は、厚さ並びに第１及び第２の互いに反対側にある表面を有する基板を含んでいる。基板の第１の表面上には電気バスを配設できる。バスから基板の第２の表面まで基板を貫通するようにバイアを配置できる。バイアは、基板を貫通しかつ少なくとも部分的に電気導体で満たされたトレンチを含むことができる。バスは、バスの長さに沿って複数のマイクロスイッチビームの係留、接触又は作動を一斉に行うことができる。バイアは、バスの長さと実質的に整列した長手寸法を有している。
【０００７】
さらに別の態様では、本発明は基板を貫通する電気接続部を含むマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）回路構成を提供する。かかるＭＥＭＳ回路構成は、厚さ並びに第１及び第２の互いに反対側にある表面を有する基板を含んでいる。基板の第１の表面上には電気バスを配設できる。バスは長さ及び幅を有している。バスから基板の第２の表面まで基板を貫通するようにバイアを配置できる。バイアは、基板を貫通しかつ少なくとも部分的に電気導体で満たされたトレンチを含むことができる。バイアは、基板の第１の表面に対して実質的に垂直な第１及び第２の背中合せの面並びにバイアの第１及び第２の面に対して実質的に垂直でありかつ基板の第１の表面に対して傾斜した第３及び第４の面をもった概して台形角柱の幾何学的形状を有することができる。バイアは、基板の第１の表面より基板の第２の表面において長さを大きくし、バスの幅に沿った幅よりバスの長さに沿った長さを大きくすることができる。
【０００８】
さらに別の態様では、本発明は基板を貫通する電気接続部を含むマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチング回路構成を提供する。かかるスイッチング回路構成は、基板の第１の表面上に配設された電気バスを含んでいる。バスから基板の第２の表面まで基板を貫通するようにバイアを配置できる。バイアは、基板を貫通しかつ少なくとも部分的に電気導体で満たされたトレンチを含むことができる。トレンチ及び導体は、導体がバスに向かって膨張するのを阻止する幾何学的形状を有するように形成できる。バスは、バスの長さに沿って複数のマイクロスイッチビームの係留、作動又は接触を行うことができる。バイアは、バスの長さと実質的に整列した長手寸法を有することができる。バイアの長手寸法は、バスの長さに沿ったビームの単位間隔より大きくすることができる。
【０００９】
さらに別の態様では、本発明は基板を貫通する電気接続部を提供する。かかる接続部は、第１及び第２の背中合せの表面を有する基板を含んでいる。第１の表面から第２の表面まで基板を貫通するようにバイアを配置でき、バイアはバイア内に配設された電気導体を一方の表面に向かって突き出させるインターロックを有するように形成できる。
【００１０】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳しい説明を読んだ場合に一層よく理解されよう。添付の図面中では、図面全体を通じて類似の部品は同一の符号で表されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の発明者らは、ＭＥＭＳ系回路構成デバイスのアレイに関して改良されたバイア及びバスの幾何学的形状をもたらす革新的着想を認めた。例えば、かかる改良された幾何学的形状はそのサイズ、抵抗及びインダクタンスを減少させ、さらにＫＯＨエッチングによる製造を可能にする。以下の記載は、ＭＥＭＳ系回路構成デバイスのアレイがマイクロスイッチアレイからなる例示的な一実施形態に焦点を合わせている。しかし、かかる改良されたバイア及びバスの幾何学的形状からは任意のＭＥＭＳ系回路構成デバイスが利益を受けることができるので、本発明の進歩性をもった特徴がマイクロスイッチアレイに限定されないことは言うまでもない。
【００１２】
図１は、ＭＥＭＳデバイスのアレイの例示的な一実施形態を示す上面図である。この例示的な実施形態は、基板２２の第１の表面２１上にマイクロスイッチアレイ２０（例えば、並列回路アレイ）を含んでいる。アンカーバス２４が複数のマイクロスイッチビーム３０の固定端３２を係留している。コンタクトバス２８は、図２に示すコンタクトギャップ３８によってビームの自由端３４から隔離されている。ゲートバス２６は、ゲートギャップ３６によってビームの注射部分から隔離されている。第１の電圧がアンカーバスに印加され、第２の実質的に異なる電圧がゲートバスに印加されると、ビームはゲートバスに向かって静電的に引きつけられ、コンタクトバスに接触する。かくして、スイッチが閉じ、ビームを通してアンカーバスとコンタクトバスとの間に電流が流れる。ビームとゲートとの間には実質的な電気伝導は存在しない。ゲートギャップ６６は、ビームとゲートとの接触を避けるためにコンタクトギャップ３８より大きくすることができる。
【００１３】
このＭＥＭＳデバイスは本発明の応用例を例示するために示されている。しかし、本発明の特徴はこの並列マイクロスイッチアレイの細部に限定されない。例えば、図示されたゲートバス２６は静電引力によってビーム３６を作動するが、本発明の特徴は他の手段（例えば、電磁的又は圧電的動作或いは熱膨張率（ＣＴＥ）の不整合又は単なる熱膨張）によって作動されるＭＥＭＳデバイスに適用することもできる。
【００１４】
図２は、基板２２を貫通して基板の第２の表面２３に達するアンカーバスバイア４０Ａ、ゲートバスバイア４２Ａ及びコンタクトバスバイア４４Ａを示している。これらのバイアは、回路板上のそれぞれの接点に対する電気接続をもたらす。図３は閉鎖スイッチ位置にあるマイクロスイッチビーム３０を示している。インターロック４６により、基板の第１の表面２１近くでバイアを基板と係合させることができる。例示的な一実施形態では、これらのインターロックは表面２１から一定の距離内（例えば、基板の第１の表面２１から第２の表面２３までの距離Ｔの４０％以内）に形成でき、別の例示的な実施形態では、表面２１に比較的近い距離内（例えば、距離Ｔの２０％以内）に形成できる。これは、バイアがそれぞれのバスに向かって熱膨張するのを防止する。バイアコアは、大抵の場合、当技術分野で公知のようにシリコン又は他の非金属であり得る基板の熱膨張率（ＣＴＥ）より高い熱膨張率をもった金属である。したがって、使用中に温度が上昇すると、バイアは基板に対して膨張する。もしバスに向かって膨張すれば、それは表面フィルム中に応力を誘起し、バスを変形させ、限界ギャップ寸法を変化させ、マイクロスイッチを劣化又は破壊することがある。インターロック４６は一定比率のバイアのみをバスに向けて膨張させる。例えば、図２のように配置されたインターロックでは、２０％のバイアのみがバスに向かって膨張し、バスに向かっての膨張を最大８０％低減させる。インターロックの実際の配置は、任意所定の用途の必要に合わせて調整できることは言うまでもない。したがって、上述の数値比率は単に例示的なものと見なすべきであり、限定的なものと見なすべきでない。
【００１５】
図４は、コンタクトバス２８の全長にわたるバイア４４Ａを示している。この単一のバイアは、コンタクトバスに沿った複数のビーム３０に対して役立つ。したがって、先行技術におけるように各ビームが独立したバイアを有する場合に比べてビームの単位間隔Ｓを小さくすることができる。ここで「単位間隔」とは、２つの隣接したビームの対応する点間における距離を意味する。このような共通バイアによれば、ビーム間に最小限の動作クリアランスしか要求されない。さらに、単一の大きいバイア４４Ａは基板の所定体積に対して一層大きい体積を有するので、それは小さい抵抗で多くの電流を流すことができ、したがって小さい個別バイアより発生する熱が少ない。このような構成はまた、バイア４４Ａを例えばＫＯＨエッチングのために十分大きくすることができる。なお、特定のエッチングタイプに限定されないことは言うまでもない。例えば、エチレンジアミン−ピロカテコール水（ＥＰＤ）及び水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）並びにその他のタイプも使用できる。バイア４４Ａは、図示のように基板の第１の表面２１より第２の表面２３において長くし、基板の表面２１、２３に対して傾斜した２つの背中合せの面を有する台形の体積を形成することができる。バイア４４Ａは、図４に見られるようなバスの長さ方向とは異なり、図２に見られるようにバス２８を横切る方向の厚さを小さくすることができる。例えば、バイアの幅は図２に見られるようにバスの幅以下に限定することができる。このような幾何学的形状は、バス間に要求される横方向クリアランスを増加させることなくバイアの体積を最大にし、さらには各ビームに関して独立したバイアを設ける場合に比べて横方向クリアランスを減少させることもできる。かかるバイアのために基板に形成される穴は、相対的に長くて幅が狭いので「トレンチ」ということができる。所望ならば、所定のバスに関して複数のバイアを設け、各バイアがバス上のビームの部分集合にまたがるようにすることもできる。
【００１６】
図２に示したインターロック４６はバイアの局部的な狭窄である。図５は、別の形態（即ち、局部的な拡張）のインターロック４７を有するバイア４０Ｂ、４２Ｂ及び４４Ｂを示している。「局部的」とは、バイアがインターロックの位置においてインターロックの両側より小さい横断寸法（狭窄型の場合）又は大きい横断寸法（拡張型の場合）を有することを意味する。「インターロックの両側」とは、基板の第１及び第２の表面に向かってインターロックに隣接した部分、即ち図中ではインターロックの直上及び直下の部分を意味する。
【００１７】
図６は、基板２２中における３つのバイア４０Ｃ、４２Ｃ及び４４Ｃの透明図である。それぞれのバス２４、２６及び２８の位置は、基板の第１の表面２１上に点線で示されている。これらのバイアは、狭窄型インターロック４６をもった台形の幾何学的形状を有している。図７は、インターロックをもたない台形バイア４４Ｄを示している。この例は、基板の表面２１、２３に対して傾斜した２つの背中合せの面４８、及び傾斜面４８に対して垂直かつ基板の表面２１、２３に対して垂直な２つの背中合せの面４９を有している。台形バイアは、少なくとも傾斜面４８の近くではバスに向かって膨張し得ないので、必ずしもインターロックを有する必要はない。しかし、台形バイア上のインターロックは有益であり得る。それはバイアが傾斜面に沿って滑動してバスから引き離されるのを防止し、バスが傾斜面間でバスに向かって膨張するのを防止し、後述されるようにバイアコアが形成中に基板から押し出されるのを防止するからである。図８は、傾斜面４８上に形成された狭窄型インターロックを有する台形バイア４４Ｅを示している。図９は、すべての側面が基板表面２１、２３に対して垂直でありかつ狭窄型インターロック４６を有するバイア４４Ｆを示している。
【００１８】
図１０〜１８は、下記のような例示的なバイア形成方法を示している。
【００１９】
図１０：例えば低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）を用いてシリコン基板２２上に窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）のようなマスク材料を堆積させる。基板の第１の表面２１上のマスクをパターン化し、バイアエッチング領域５３を露出させる。インターロック最小値５１の深さまで基板のＫＯＨエッチングを行う。
【００２０】
図１１：基板上に第２のマスク層５２を堆積させて図１０の露出基板表面５３を保護する。基板の第２の表面２３上のマスクをパターン化してバイアエッチング領域を露出させる。第２のマスク層５２に達するまで基板の第２の表面のＫＯＨエッチングを行う。シリコン結晶面は、基板のＫＯＨエッチングに際して自動的に台形の幾何学的形状をもたらすことができる。例えば、タイプ１１０のシリコンウェーハは、基板表面２１、２３に対して２つの傾斜面及び２つの垂直面をもった台形トレンチを生み出す結晶面を有している。
【００２１】
図１２：基板上に二酸化シリコンの層５４を適用又は成長させることで、バイアを電気的に絶縁し、化学機械ポリッシング（ＣＭＰ）用の停止層を設ける。
【００２２】
図１３：基板の第１の表面を覆うようににドライフィルムレジストラミネート５６を適用する。
【００２３】
図１４：バイアコア導体用の電気めっきベースとして、フィルムレジストラミネート上に銅シード層５８をスパッタする。
【００２４】
図１５：プラズマエッチング又は反応イオンエッチングのような技法を用いてレジストラミネート５６を基板の第２の表面２３から銅層５８までエッチングする。
【００２５】
図１６：銅シード層５８上に銅コア導体６０を電気めっきして、少なくともインダクタンス４６を越えるまでバイア容積を満たす。
【００２６】
図１７：基板の背面２３に保護層又は保護膜６４を適用する。
【００２７】
図１８：ＣＭＰのような方法を用いて、レジストラミネート５６及び銅コア６０を基板の第１の表面２１上の二酸化シリコン層５４と同じ高さに研磨する。インターロック４６は、研磨中に銅コア６０がバイアから押し出されるのを防止する。
【００２８】
こうして用意された基板には、バイアコア６０の第１の端部６１を覆うようにして第１の表面２１上にバスを適用することができる。次に、コアを加熱してバスにはんだ付けし、後にバイアコアの第２の端部６２をリード又は回路板にはんだ付けすればよい。
【００２９】
以上、本明細書中には本発明の若干の特徴のみを例示し説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。したがって、特許請求の範囲は本発明の真の技術思想の範囲内に含まれるすべてのかかる修正及び変更を包括するものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】基板上の並列マイクロスイッチアレイの上面図である。
【図２】図１の線２−２に関する断面図であって、狭窄型インターロックをもったバイアを示している。
【図３】スイッチを閉じた状態にある、図２と同様な断面図である。
【図４】図１の線４−４に関する断面図である。
【図５】図２と同様な断面図であって、拡張型インターロックをもったバイアを示している。
【図６】狭窄型インターロックをもった３つの台形バイアを含む基板の透明斜視図であって、３つの対応するバスの位置は基板の上面に点線で示されている。
【図７】インターロックをもたない台形バイアの斜視図である。
【図８】傾斜面上に狭窄型インターロックをもった台形バイアの断面図である。
【図９】基板表面に対して垂直な表面を有しかつ狭窄型インターロックをもったバイアの断面図である。
【図１０】ＫＯＨエッチングを用いて本発明に係る幾何学的形状をもったバイアを形成する際の例示的な段階を示している。
【図１１】ＫＯＨエッチングを用いて本発明に係る幾何学的形状をもったバイアを形成する際の例示的な段階を示している。
【図１２】ＫＯＨエッチングを用いて本発明に係る幾何学的形状をもったバイアを形成する際の例示的な段階を示している。
【図１３】ＫＯＨエッチングを用いて本発明に係る幾何学的形状をもったバイアを形成する際の例示的な段階を示している。
【図１４】ＫＯＨエッチングを用いて本発明に係る幾何学的形状をもったバイアを形成する際の例示的な段階を示している。
【図１５】ＫＯＨエッチングを用いて本発明に係る幾何学的形状をもったバイアを形成する際の例示的な段階を示している。
【図１６】ＫＯＨエッチングを用いて本発明に係る幾何学的形状をもったバイアを形成する際の例示的な段階を示している。
【図１７】ＫＯＨエッチングを用いて本発明に係る幾何学的形状をもったバイアを形成する際の例示的な段階を示している。
【図１８】ＫＯＨエッチングを用いて本発明に係る幾何学的形状をもったバイアを形成する際の例示的な段階を示している。
【符号の説明】
【００３１】
２０  マイクロスイッチアレイ
２１  第１の表面
２２  基板
２３  第２の表面
２４  アンカーバス
２６  ゲートバス
２８  コンタクトバス
３０  ビーム
４６  インターロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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