(57)【要約】【課題】確実な封止、小型化、並びに薄型化が可能な微小電気機械装置を提供する。【解決手段】薄膜圧電素子と、前記薄膜圧電素子を囲む第１の封止リングと、を有する第１の基板と、第２の封止リングを有し、前記第１の基板と接着された第２の基板と、前記第１の封止リングと前記第２の封止リングとを接着する半田封止リングと、を備え、前記第１及び第２の封止リングのうちのいずれか一方は多重リング領域を有し、いずれか他方は単一リングであることを特徴とする微小電気機械装置が提供される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜圧電素子と、前記薄膜圧電素子を囲む第１の封止リングと、を有する第１の基板と、
第２の封止リングを有し、前記第１の基板と接着された第２の基板と、
前記第１の封止リングと前記第２の封止リングとを接着する半田封止リングと、
を備え、
前記第１及び第２の封止リングのうちのいずれか一方は多重リング領域を有し、いずれか他方は単一リングであることを特徴とする微小電気機械装置。
【請求項２】
前記第１と第２の基板とが接着されて形成された内部空間が気密であることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械装置。
【請求項３】
前記第１の封止リングは、多重リング領域を有し、
前記第２の封止リングは、単一リングであることを特徴とする請求項１または２に記載の微小電気機械装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の基板は、矩形であり、
前記第１の基板の縦及び横の長さは、前記第２の基板の縦及び横の長さよりもそれぞれ大きいことを特徴とする請求項３記載の微小電気機械装置。
【請求項５】
前記単一リングの幅は、前記多重リング領域の幅よりも広いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の微小電気機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線電子機器には、発振器、増幅器、フィルタ、高周波スイッチなどの部品が用いられている。このうち、携帯電子機器においては、高信頼性を保ちつつ小型であることが要求されており、多くの構成部品に対しても高信頼性かつ小型であることがますます重要となっている。
【０００３】
フィルタの場合、インダクタ及びキャパシタの構成によるフィルタを、薄膜圧電共振器（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）で置き換えると小型化が容易となる。例えば、圧電膜の薄層を電極で挟んだ薄膜圧電共振器をシリコン基板上に形成し、シリコン基板と他の基板とを封止すると、薄膜圧電共振器が実現できる。このような薄膜圧電共振器は、携帯電子機器の分波器や送受信フィルタに用いることができる。
【０００４】
ＦＢＡＲなどを含むＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械装置）ウェーハと能動デバイスウェーハとに挟まれた封止リングを用いて封止チャンバを形成した一体型ウェハパッケージに関する技術開示例がある（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−１７３５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、封止を確実に行いつつ、小型化が可能なＭＥＭＳ（微小電気機械装置）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、薄膜圧電素子と、前記薄膜圧電素子を囲む第１の封止リングと、を有する第１の基板と、第２の封止リングを有し、前記第１の基板と接着された第２の基板と、前記第１の封止リングと前記第２の封止リングとを接着する半田封止リングと、を備え、前記第１及び第２の封止リングのうちのいずれか一方は多重リング領域を有し、いずれか他方は単一リングであることを特徴とする微小電気機械装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
封止を確実に行いつつ、小型化が可能なＭＥＭＳ（微小電気機械装置）が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の実施形態にかかるＭＥＭＳの模式斜視図である。  
また、図２は、Ａ−Ａ線に沿った模式断面図を説明する図であり、図２（ａ）は封止前、図２（ｂ）は封止後を表す。
【０００９】
圧電膜１４が下部電極１２及び上部電極１６に挟まれた薄膜圧電素子１７が、下側基板１０の上に形成されている。また、下側基板１０の外周部には、薄膜圧電素子１７を囲むように、金属からなる下側封止リング２０及び半田封止リング２４の積層が二重に形成された多重リング領域が設けられている。ここで、下側封止リング２０及び半田封止リング２４の幅をＷ１とする。
【００１０】
他方、上側基板３０の上面には導電性のパッド部３４が形成され、上側基板３０に設けられた開口部に貫通電極３６が形成される。また、下面には金属を含む上側封止リング２２が形成されている。上側封止リング２２は、単一リングであり、この上側封止リング２２の幅をＷ３とする。
【００１１】
図２（ａ）の下側基板１０と上側基板３０とを、例えば不活性ガスまたは窒素ガスなどの雰囲気中で加熱、加圧することにより半田封止リング２４を溶融し、冷却により気密封止を行うと図２（ｂ）の構造となる。この場合、貫通電極３６の一方端部とパッド部３６とは気密性を保ちつつ電気的接続がなされる。貫通電極３６の他方の端部と薄膜圧電素子１７とは、バンプ３８により電気的に接続される。
【００１２】
冷却後固まった半田封止リング２４と、下側封止リング２０と、上側封止リング２２と、を封止部２６と呼ぶことにする。封止部２６の高さＨＳを薄膜圧電素子１７の高さＨＦよりも高くして上側基板３０との間に空間を設ける。他方、薄膜圧電素子１７の下方にはキャビティ１１を設け、薄膜圧電素子１７の共振エネルギーの不要な伝搬を抑制している。
【００１３】
図２に表すＭＥＭＳにおいて、例えば縦寸法を０．８〜２ｍｍ、横寸法は０．８〜２ｍｍ、高さは０．１〜０．８ｍｍとする。
【００１４】
次に、構成要素の材質について説明を行う。まず下側基板１０をシリコンなどの半導体材料とし、その表面を二酸化シリコンや窒化シリコンなどで覆う。また上側基板３０をセラミックなどとする。
【００１５】
圧電膜１４はＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などであり、その厚みを、例えば１〜５μｍとする。圧電膜１４を挟む上部電極１６及び下部電極１２は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｔａ（タンタル）、Ａｕ（金）などの金属やこれらを含む合金である。
【００１６】
また、貫通電極３６はＡｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）などを含む金属である。さらにパッド部３４は、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒを含む金属、バンプ３８は、Ａｕ、Ｓｎ（錫）、Ｃｕ、Ａｇ（銀）など含む材料であり、表面に凹凸が設けられてもよい。  
【００１７】
図３は、多重封止リング構造を説明する図であり、図３（ａ）は下側基板１０の模式平面図、図３（ｂ）は模式断面図であり、図３（ｃ）は多重封止リング構造の変形例の模式平面図である。図３（ａ）のＡ−Ａ線は図１のＡ−Ａ線と一致する。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面を表す。
【００１８】
フォトレジストのパターニング、及びこれに続くＮｉまたはＡｕのメッキなどにより、厚みが数μｍのＴｉ／Ｐｄ（パラジウム）／Ｎｉ（ニッケル）またはＡｕからなる多層構造である二重リングの下側封止リング２０が形成される。この場合、二重リングの間隔Ｓを例えば数十μｍ、１本のリングの幅を数十μｍとし、二重リングの幅Ｗ１を、例えば１００μｍとする。
【００１９】
この二重の下側封止リング２０の上に半田封止リング２４がメッキなどにより形成される。半田材は低融点であることが好ましく、Ａｕ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇを含む合金、例えばＡｕＳｎ合金、ＡｕＳｉ（金シリコン）合金、ＡｕＧｅ（金ゲルマニウム）合金、Ｉｎ（インジウム）含有半田などが用いられる。特に、ＡｕＳｎ合金は、融点が２８０℃と低く、機械的強度が高く、加工性や気密性も良好であり、信頼性的に好ましい封止材である。
【００２０】
半田封止リング２４の厚さは、例えば数〜数十μｍである。なお、領域の一部分が単一リング領域４０であっても、実質的に多重リングとしての作用を保つことは可能であり、図３（ｃ）に表す変形例の形状も本発明に含まれるものとする。
【００２１】
他方、上側基板３０の導電層の上にはＮｉ（メッキ）、Ａｕ（メッキ）、Ｗ（印刷）などが形成され、上側封止リング２２となる。上側基板３０がセラミックである場合、セラミック焼成工程における収縮により導電層の寸法精度は１０〜２０μｍ程度の誤差を生じる。このために、上側封止リング２２の幅Ｗ３を、二重の下側封止リング２０及び半田封止リング２４の幅Ｗ１よりも誤差範囲程度広くしておくと、封止部２６の半田が上側封止リング２２の全面に溶融して広がり確実に封止ができる。なお、多重リングの数は２つと限定されず、三重以上であっても良い。接着強度は、多重リング数及びリング幅により適正に制御される。
【００２２】
また、半田材がリングの外側及び内側に向かって流れると特性劣化や外形不良を生じるが、半田封止リング２４が二重リングであるために溶融した半田材が二重リングの間の領域に向かって矢印Ｅの方向に流れ、封止部２６からはみ出して流れることを抑制できる。
【００２３】
図４は比較例にかかるＭＥＭＳを表し、図４（ａ）は模式斜視図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図である。本比較例においては、下側基板１０に設けられた下側封止リング２１及び半田封止リング２５は多重リングではなく単一リングである。溶融した半田封止リング２５が固まり封止部２７となる。上側封止リング２３と下側封止リング２１とを確実に接着するように十分に供給された半田の残りを溜めるための凹部３５（またはキャスタレーション）が上側基板３０の角部に設けられている。
【００２４】
残った半田は、凹部３５の表面まで延在する上側封止リング２３及び上側基板３０の内表面に沿って矢印Ｆの方向に流れる。半田材が流れると、パッド電極との間で短絡やリーク電流を生じる場合があり、また外観不良を生じる可能性があり好ましくない。またセラミックからなる上側基板３０の角部に凹部３５を設ける場合、二層セラミック構造とすることが必要である。
【００２５】
二層セラミックは、構造及び製造工程が複雑であり、例えば焼成後のそりが大きい、コストが高いなどの問題を生じる可能性がある。そりにより上側基板３０が上方に凸となったりすると、封止リングが接触しても、基板の中央部とバンプ３８とが未接触となる。中央部を接触させるためにはより大きな加圧が必要となる。このために圧力のばらつきが大きくなり、封止工程を安定化するのが困難となる。
【００２６】
これに対して本実施形態では、多重リングの間を半田材が流れ込む空間とすることができ、気密封止がより確実に行え、半田流れによる特性及び外観の劣化を抑制しつつ気密封止がより確実に行える。また、半田の残りを溜める凹部が不要となり小型化及び薄型化が容易となる。さらに、単板セラミックを用いることによりコスト低減が可能となる。
【００２７】
なお、水蒸気を含む雰囲気で薄膜圧電素子１７を動作させると、共振周波数ずれなどの特性の変化を生じる。しかし本実施形態により、パッケージの内部を不活性ガスや窒素ガスを封入して気密を保つこと容易になり、特性がより安定化できる。
【００２８】
図５は、本実施形態にかかるＭＥＭＳの封止工程のフロー図である。薄膜圧電素子１７が、例えば６インチシリコンウェーハ上に形成される（ステップＳ１００）。続いて、下側封止リング２０及び半田封止リング２４）、バンプ３８が形成される（ステップＳ１０２）。
【００２９】
貫通電極３６、パッド部３４、上側封止リング２２を有する上側基板３０と下側基板１０とを加熱、加圧し半田材により封止する（ステップＳ１０４）。続いて、ブレードダイサーなどにより、上側基板３０を切断し（ステップＳ１０６）、さらに下側基板１０を切断する（ステップＳ１０８）。
【００３０】
上側基板３０がセラミックで下側基板１０がシリコンの場合、例えば５０〜１００個程度のユニットが多数形成されたセラミック基板の複数枚とシリコン基板とが接着される。通常、セラミック基板はシリコン基板よりも厚いブレードによりダイシングが行なわれるので、矩形である下側基板１０の縦及び横の長さは、矩形である上側基板３０の縦及び横の長さよりもブレード厚みの差分程度大きくなる。最後に、個々のＭＥＭＳに分離され（ステップＳ１１０）、封止工程が終了する。このようにして、ＭＥＭＳの封止工程を合理化できる。
【００３１】
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら実施の形態に限定されない。例えば、ＭＥＭＳを構成する基板、薄膜圧電素子、封止リング、半田封止リング、貫通電極、パッド部、凹部などの材質、形状、サイズ、配置などに関して、当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態にかかるＭＥＭＳの模式斜視図である。
【図２】図１のＭＥＭＳの模式断面図である。
【図３】多重リングを説明する図である。
【図４】比較例にかかるＭＥＭＳを表す模式図である。
【図５】封止工程を表すフロー図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  下側基板、１７  薄膜圧電素子、２０  下側封止リング、２２  上側封止リング、２４  半田封止リング、３０  上側基板
【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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