(57)【要約】微小機械用のメソ規模微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を開示する。前記メソ規模微小機械は、メソ規模微小機械パッケージと同一時に、且つ、同一の材料にて、プリント回路基板（１０）上に形成される。前記微小機械及び前記パッケージの双方は、第一の金属層（１２、１６）、前記第一の金属層上に形成された絶縁部材（２２、２６）、及び前記絶縁層上に位置付けする第二の金属層（３２、３６）を備える。前記パッケージは、前記微小機械を取り囲む外周壁、及びローフロータイプのキャッピング接着層（４０）よりなる。前記微小機械及び前記パッケージ双方の前記第一の金属層は、同一のプロセスシーケンスにて形成される。更に前記微小機械及び前記パッケージ双方の前記絶縁層は、同一のプロセスシーケンスにて形成される。更に、前記微小機械及び前記パッケージの前記第二の金属層は、同一のプロセスシーケンスにて形成される。前記ローフロータイプのキャッピング接着剤は、前記パッケージ上の任意の被覆（４６）にて、対環境封止を付与する。
2006511353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メソ規模微小電気機械システム・パッケージであって、
第１プロセスシーケンスにて有機基板上に直接形成された第一の金属部材と、第２プロセスシーケンスにて少なくとも部分的に前記第一の金属部材上に形成された絶縁部材と、第３プロセスシーケンスにて少なくとも部分的に前記絶縁部材上に位置付けされた第二の金属部材とを備えた、前記有機基板上に位置付けされた微小電気機械装置と、
前記基板上に直接形成された第一の金属層と、前記第一の金属層上に位置付けされた絶縁層と、前記絶縁層上に位置付けされた第二の金属層と、その上面の少なくとも一部上に位置付けされた接着性を有するポリマー層とを備える、実質的に前記微小電気機械装置を取り囲む外周壁とを備え、
前記第一の金属部材及び前記第一の金属層は前記第１プロセスシーケンスにて形成され、前記絶縁部材及び前記絶縁層は、前記第２プロセスシーケンスにて形成され、前記第二の金属部材及び前期第二の金属層は前記第３プロセスシーケンスにて形成されることを特徴とする、メソ規模微小電気機械システム・パッケージ。
【請求項２】
前記外周壁が、前記微小機械装置に対向する第１の側壁と、前記第一の側壁と実質的に平行であり、前記第一の側壁とは離れて位置付けされた第二の側壁と、前記第一及び第二の側壁の各々の頂部を接続する水平面とからなる額縁構造を備えることを特徴とする、請求項１に記載のメソ規模微小電気機械システム・パッケージ。
【請求項３】
前記外周壁が前記有機基板上の空洞部を備える、請求項１に記載のメソ規模微小電気機械システム・パッケージ。
【請求項４】
前記外周壁が層状構造を備える、請求項１に記載のメソ規模微小電気機械システム・パッケージ。
【請求項５】
前記パッケージを封止する為に前記ポリマー層に接着された被覆を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載のメソ規模微小電気機械システム・パッケージ。
【請求項６】
前記ポリマー層がエポキシ系接着剤である、請求項１に記載のメソ規模微小電気機械システム・パッケージ。
【請求項７】
メソ規模微小電気機械システム・パッケージであって、
第１プロセスシーケンスにてプリント回路基板上に直接形成された第一の銅部材と、第２プロセスシーケンスにて少なくとも部分的に前記第一の金属部材上に形成されたポリマー部材と、第３プロセスシーケンスにて少なくとも部分的に前記絶縁部材上に位置付けされた第二の金属部材とを備える、前記プリント回路基板上に位置付けされた微小電気機械装置と、
前記微小機械装置に対向する第一の側壁と、前記第一の側壁と実質的に平行で、前記第一の側壁から離れて位置付けされた第二の側壁と、前記第一及び第二の側壁の各々の頂部を接続する水平面とを備える、前記微小電気機械装置を実質的に取り囲む額縁構造とを備え、
前記外周の額縁構造は、前記プリント回路基板上に直接形成された第一の銅層と、前記第一の銅層上に位置付けされたポリマー層と、前記ポリマー層上に位置付けされた第二の金属層と、前記外周壁の頂部の少なくとも一部に位置付けされた接着性を有するポリマー層を備えており、
前記第一の銅部材及び前記第一の銅層は、前記第１プロセスシーケンスにて形成され、前記ポリマー部材及び前記ポリマー層は、前記第２プロセスシーケンスにて形成され、前記第二の金属部材及び前記金属層は、前記第３プロセスシーケンスにて形成されることを
特徴とする、メソ規模微小電気機械システム・パッケージ。
【請求項８】
前記外周壁が層状構造を備えることを特徴とする、請求項７に記載のメソ規模微小電気機械システム・パッケージ。
【請求項９】
前記パッケージの封止をする為に前記ポリマー層に接着された被覆を更に備えることを特徴とする、請求項７に記載のメソ規模微小電気機械システム・パッケージ。
【請求項１０】
接着性を有する前記ポリマー層が、ローフロータイプ又はノーフロータイプの接着剤であることを特徴とする、請求項７に記載のメソ規模微小電気機械システム・パッケージ。
【請求項１１】
微小電気機械高周波スイッチ・パッケージであって、
第１プロセスシーケンスにて有機基板上に直接形成された第一の金属部材と、第２プロセスシーケンスにて少なくとも部分的に前記第一の金属部材上に形成された絶縁部材と、第３プロセスシーケンスにて少なくとも部分的に前記絶縁部材上に位置付けされた第二の金属部材を備える、前記有機基板上に位置付けされた微小電気機械高周波スイッチと、
前記基板上に直接形成された第一の金属層と、前記第一の金属層上に位置付けされた絶縁層と、前記絶縁層上に位置付けされた第二の金属層と、前記外周壁の上面の少なくとも一部上に位置付けされた接着性を有するポリマー層とを備える前記微小電気機械高周波スイッチを実質的に取り囲む外周壁とを備え、
前記第一の金属部材及び前記第一の金属層は、前記第１プロセスシーケンスにて形成され、前記絶縁部材及び前記絶縁層は、前記第２プロセスシーケンスにて形成され、前記第二の金属部材及び前記第二の金属層は、前記第３プロセスシーケンスにて形成されることを特徴とする、微小電気機械高周波スイッチ・パッケージ。
【請求項１２】
前記外周壁が、前記微小機械装置に対向する第一の側壁と、前記第一の側壁に実質的に平行で、前記第一の側壁から離れて位置付けされた第二の側壁と、前記第一及び第二の側壁の各々の頂部を接続する水平面とを有する額縁構造を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の微小電気機械高周波スイッチ・パッケージ。
【請求項１３】
前記外周壁が前記有機基板上に空洞部を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の微小電気機械高周波スイッチ・パッケージ。
【請求項１４】
前記外周壁が層状構造を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の微小電気機械高周波スイッチ・パッケージ。
【請求項１５】
前記パッケージの封止をする為に前記接着層に固着された被覆を更に備えることを特徴とする、請求項１１に記載の微小電気機械高周波スイッチ・パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小電気機械デバイスに関する。より具体的には、本発明はメソ規模微小電気機械デバイスのパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、ＤＡＲＰＡ（米国防総省高等研究事業局）による資金提供の下、政府の支援によって為された。アメリカ合衆国政府は、本発明における一定の権利を有している。
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、機械素子、センサー、アクチュエータ及び電子部品を、微細加工技術によって基板上に集積化したものである。微小機械として知られているこれらのデバイスは、微細加工技術を用いて製造される。微小電子集積回路があるシステムの頭脳であると考えられるのであれば、ＭＥＭＳは、眼及び腕に相当するものと考えられ得る。そしてこれらは全体として、環境を感知し、制御する完全なマイクロシステムを生成する。センサーは、機械的、熱的、生物学的、化学的、光学的、及び磁気的な現象を測定することにより、環境からの情報を収集する。多くのＭＥＭＳデバイスが存在しており、それには加速度計、姿勢制御装置、温度センサー、化学センサー、マイクロレンズ、櫛歯駆動アクチュエータ、圧電アクチュエータ、血液分析チップ、遺伝子分析チップ、補償光学系、アレーファイバー光学スイッチチップ、自動車エンジン解析センサー一式、及びマイクロ衛星部品が含まれている。これらのデバイスの一部は、数十年前に、先ず従来の加工技術を用いてＭＥＭＳデバイスではないものとして実現されていた。その後、前記ＭＥＭＳセンサーから導かれた情報を集積回路が処理し、その集積回路は幾つかの意思決定能力あるものを通してアクチュエータに、移動、配置、調整、汲み上げ、及び濾過をして応答するように指示する。これにより、ある所望の成果又は目的の為に環境を制御する。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路に用いられるのと同様のバッチ加工技術を用いて製造されるので、前例のないような機能性、信頼性、及び巧妙さが、小さなチップに比較的低価格で搭載され得る。
【０００３】
これらの小さなデバイスの大きさの定義に関しては、しばしば三つの分類が用いられている。それらは、メソ（中規模）、微細（マイクロ）、ナノである。メソというのは、中級の、中間の、中間に存する、又は真中の、を意味する接頭辞である。メソ・サイズのデバイスは、典型的には２ｍｍから５０ｍｍの外形サイズを有する。マイクロ・サイズのデバイスは、５００ｎｍから２ｍｍの外形サイズを有する。ナノ・サイズのデバイスは、１ｎｍから５００ｎｍの外形サイズを有する。一般的には、ＭＥＭＳなる語は、三つの全ての外形サイズを有するデバイスを表記するのにしばしば用いられる。従来は、大抵のＭＥＭＳデバイスは、シリコンを基本にした技術にて、微小電子技術を大いに取り入れて実現されてきている。しかし近年には、様々な他種の材料が前記ＭＥＭＳデバイスを生成するために用いられてきており、そのような材料としては、ポリマー、セラミック、砒素化ガリウム、炭化珪素、及びめっき被覆金属がある。前記微小機械部品は、従来は互換性のある微小機械加工工程（一般に化学エッチング又は機械加工による）を用いて加工される。この加工工程は、機械デバイス及び電気機械デバイスを形成するために、選択的にシリコンウェハの一部をエッチングによって除去したり、又は、新たな構造層を付加したりするものである。ＭＥＭＳは、洗練された製品の開発を可能にならしめる技術であって、マイクロセンサー及びマイクロアクチュエータの認識及び制御によって、微小電子回路の計算能力を増大させ、設計及び応用の可能域を拡大するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＥＭＳデバイスは、環境汚染及び損傷から保護する為にパッケージされる必要がある
。このパッケージ加工は、通常シリコン系ＭＥＭＳ加工の最も高価で重要な部分である。メソＭＥＭＳデバイスの分野においても、パッケージ加工は同様に重要で、費用がかかる。もし、費用効果が高いパッケージが生成され得るのであれば、それはメソＭＥＭＳ技術を大きく拡張するであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
新規であると判断される本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲に詳細に提示されている。しかし発明自体は、動作に関する機構及び方法の双方について、その目的及び利点と共に、本発明の以下にある詳細な説明を参照することによって充分に理解され得るものである。本発明の詳細な説明は、添付する図と共に取り上げられて、本発明のある例示的な実施態様を記載している。
【０００６】
微小機械用のメソ規模微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）・パッケージである。前記メソ規模微小機械は、メソ規模微小機械を収容するパッケージと同時に、且つ、同一の材料にて、プリント回路基板上に形成される。前記微小機械及び前記パッケージの双方は、少なくとも第一の金属層、前記第一の金属層上に形成された絶縁部材、及び前記絶縁層上に位置付けする第二の金属層を備える。前記パッケージは、少なくとも前記微小機械を取り囲む外周壁、及び前記外周壁の頂部上のキャッピング接着層からなっている。前記微小機械及び前記パッケージ双方の前記第一の金属層は、同一のプロセスシーケンスにて形成される。更に前記微小機械及び前記パッケージ双方の前記絶縁層も、同一のプロセスシーケンスにて形成される。前記微小機械と前記パッケージ双方の前記第二の金属層は、同一のプロセスシーケンスにて形成される。前記ローフロータイプのキャッピング接着剤は、前記パッケージ上の任意である被覆にて、環境対策封止を付与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、多くの異なる形式の実施態様が可能であるが、本開示は、本発明の原理の一事例と考えられるべきであって、提示し記載されている具体的な実施態様に限定することを意図したものではないとの理解に基づいて、具体的な実施態様について図面に示し、詳細に説明する。以下の記載において、類似の参照番号が、幾つかの図面表示中の同一の、類似の、又は相当する要素を表記するのに用いられている。図１によると、メソ規模微小電気機械装置及びそのためのパッケージが、有機基板１０上に形成されている。前記有機基板の例としては、プリント回路基板又はポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン又はこれらの組み合わせなどの他の適当なるポリマーである。前記メソ規模物のパッケージは、前記メソ規模微小電気機械装置自体と、同時、且つ、同一の工程を用いて形成される。即ち、前記パッケージはその場で形成されるのである。例示する為に、メソ規模ＭＥＭＳの加工時に適用される工程、及びプリント回路基板（ＰＣＢ）上のパッケージについて述べる。しかし、これは本発明の原理のある例を提示するものであって、本発明をここに示される具体的な実施態様に限定しようとするものではないことは理解されるべきである。典型的には、前記プリント回路基板１０は片面又は両面に接着又はクラッドされた銅の層を備える。前記銅は、前記メソ規模微小電気機械装置の前記第一の金属層１２の種々の部位を形成するような通常の方法にて形成される。そして同時に、前記パッケージ壁の前記第一の金属層１６が形成される。当業者は、これらの前記ＰＣＢ上の様々な銅の形状１２，１６は、マスキング、画像形成、現像、エッチング及びマスクの剥離などの複数の工程を適用することによって形成できると、正しく認識するであろう。これらの個々の工程は、典型的には特定の順序にて並べられ、次から次へと行い、ひとまとめにしてプロセスシーケンスとして知られている。更に言えば、前記図を単純化する為にここには示されないが、様々な電気的な相互接続があり、前記微小機械の様々な部分を適当な制御回路に電気的に接続するよう機能する。次に、図２において、絶縁層２０が形成されていて、一つ以上の部分２２は、前記メソ規模微小電気機械装置の前記第一の金属層１２の少なくとも一部を被覆している。それにより、一つ
以上の部分２６は、前記パッケージ壁の前記第一の金属層１６の少なくとも一部を被覆している。この観点において賢明なる読者にとって明らかなことは、前記メソ規模微小電気機械装置を包囲することになる前記パッケージの外周壁を形成すると同時に、前記メソ規模微小電気機械装置を形成していると言うことである。前記絶縁層２０は、様々な材料であり得、例えばフォトレジストであるが、典型的にはより丈夫な材料であって、例えば従来型の、又は光画像形成性のポリイミド又はエポキシでできた、ＰＣＢ上に形成された良く知られている高密度相互接続（ＨＤＩ）回路に用いられるものである。更に、上述の如く、前記絶縁層の成膜、及び種々の形状の形成には、一般には、一緒に行われる多数の個別のプロセス工程を必要とし、それらのプロセス工程は第２プロセスシーケンスを構成する。この絶縁層２０の幾つかの部分２２は、最終的には残って前記微小機械の恒久的な部分となるであろう。他の部分２２ａは、暫定的な犠牲層となるものであり、最終的には除去される。その層の上には、図３に示されるように、第二の金属層が生成される。この第二の金属層３０は、典型的には電気めっきされた銅で、前記メソ規模微小電気機械装置の梁のような特定の形状３２を形成するように、通常の方法にて形成されている。図３は、前記第二の金属層の部分３２が、前記絶縁層２２上に直接成膜されているように描いているが、ＭＥＭＳの当業者にとっては、実施者が、例えば所望のセンサーを作り上げるには、多くの選択が可能であることは明らかであり、従って、前記第二の金属層３０の一部は、前記第一の金属層１０の選択された部分１２上に直接形成され得る。図３には、柱―梁構造が描かれている。ここで図２にて形成された前記柱２２は、図３に示される前記片持ち梁３２の一部を支持している。そして点線で示される暫定構造２２ａは、梁３２の右端を吊るようにして残して除去され、アクチュエータとして機能する。更に、前記パッケージ壁の付加的な部分３６が同時に、及び、同一の連続工程にて生成される。換言すると、前記パッケージ壁の層は、前記微小機械の前記第二の金属層が形成されると同時に、生成されるのである。当業者は、ＰＣＢ上の銅の形状が、例えばマスキング、画像形成、現像、エッチングおよびマスク剥離などの多くの工程を採用することによって形成されることを正しく認識するであろう。若しくは、必要なら、ニッケル、金、スズなどの他の金属を、銅に付加するか、又は銅の代わりとして置き換えてもよい。
【０００８】
代替できる実施態様としては、図２及び図３に示された工程を、必要なら、一回以上繰り返し、更に入り組んでいて、精巧なシステムを形成することができる。更に、当業者は、絶縁体及び／又は金属の付加的な層を成膜させる前記工程を繰り返すと、より大きく、更に複雑な微小機械を形成できると、正しく認識認識できるであろう。しかし、重要なことは、これらを繰り返している間は、前記パッケージ壁の付加的な層の生成が続いていることであり、前記パッケージ壁は、比例的に高さが増していく。図４を参照すると、上記によって形成された多層のパッケージ壁４２の最後の層の上には、接着性を有するポリマー層４０がある。この接着材料４０は、本発明の重要な役割を演じている。それは前記微小機械上の被覆又はキャッピングを固着することにより、前記パッケージを完成させ、環境から分離しておくことができる。前記接着材料４０は、前記パッケージ壁４２に付加的な層を加え、前記パッケージ壁４２を前記壁内にある微小機械の最も高い部分４４よりも高くする。かくして、前記被覆４６下の隙間を提供する。我々の好ましい実施態様では、例えばエポキシ含浸ファイバーグラスのようなローフロータイプ又はノーフロータイプのプリプレグのようなＢステージタイプ接着剤が、接着性を有するポリマー層４０として用いられる。三つの適する材料は、イソラ社（Ｉｓｏｌａ）製のＮｏ−Ｆｌｏ  Ａ１１、ネルコ社（Ｎｅｌｃｏ）製のＮ５０００−３０ＮＦ、及びネルコ社（Ｎｅｌｃｏ）製のＮＶＦ  ＭＬ−９００−８０ＮＦである。ローフロータイプ又はノーフロータイプの接着剤は、一般に硬化サイクルにて加熱された時、最小限の流れ出ししかしないか、又は、重大な流れ出しはしない接着剤と考えられている。当業者が理解するところでは、Ｂステージタイプの接着剤とは、熱硬化性接着剤であって、反応の途中段階ではポリマーは柔軟化するものの、加熱されても融解せず、膨潤はするが特定の溶媒と接触しても溶解しない。一般的に言えば、我々は、ローフロータイプ又はノーフロータイプの接着剤が好ましいとの見
解である。しかし、もし前記微小機械及び前記付随するパッケージがそれなりに設計されていれば、加熱した時に流動する接着剤を用いることができる。とは言え、これは推奨されるものではない。更に言えば、前記接着剤は他のエポキシ誘導体であってもよいし、例えば炭素繊維、二酸化チタン、ガラス・マイクロバルーンなどの他の強化材料も使用することができる。更に、加熱時に軟化するポリマーを用いて、前記被覆４６との実用可能な固着を形成することができる。その例は、ポリイミド、ポリエステル、ポリアミドなどである。その例では、金属又はポリマーシートなどの前記被覆４６は、熱及び圧力によって前記ポリマーに固着されている。
【０００９】
図は、前記パッケージ壁を三次元の額縁構造にて図示しているが、他に考えられる実施態様があるので、制限的なものではない。例えば、前記と同様の工程をたどることは可能であるが、狭小なパッケージ壁を生成する代わりに、前記図５に示される様に、パッケージ壁５２が極めて広く、前記基板１０とほぼ同程度に大きく、前記微小機械５を備える空洞部５５を有する厚手のＰＣＢを実質的に生成することもできる。もう一つの実施態様の構想するところでは、我々の好ましい実施態様に記載されているように、前記ＭＥＭＳパッケージ・アレーを形成することであるが、ここでは但し、前記被覆は置かれてはいない。さらにその後、前記個々のＭＥＭＳパッケージは、前記アレーから個別にされ、各々のＭＥＭＳパッケージはマザーボードＰＣＢなどの他の基板上に上下を反転して置かれる。かくして、前記微小機械は、前記マザーボードと対向し、その後前記接着剤が前記パッケージを前記マザーボードの表面に固着する。その結果、前記マザーボードは、前記対環境封止を形成する前記パッケージの第六の面として働く。当業者にとっては、ここに教示されていることを考えると、他の多くの変形があろう。例えば、実施される操作の順序は、本発明から逸脱することなく、しばしば変更され得るし、付加的な操作が加えられ得るし、又は、操作を削除され得る。このような様々な変形は考えられ得るし、等価であると思われる。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明は、具体的な実施態様と合わせて記載されてきたが、当業者にとって、先の記載を考慮すると、多くの代替、変形、並べ替え、及び、変更が、明瞭になることは明らかである。例えば、我々の発明は、新規な高周波（ＲＦ）スイッチを生成するのに利用できると、我々は考える。従って本発明は、添付されている請求項の態様に属するような、全ての代替、改変、及び変更を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のある実施態様によるメソ規模ＭＥＭＳパッケージの、第一の金属層の等角投影図。
【図２】本発明のある実施態様によるメソ規模ＭＥＭＳパッケージの、第一の絶縁層を図１に加えた等角投影図。
【図３】本発明のある実施態様によるメソ規模ＭＥＭＳパッケージの、第二の金属層を図２に加えた等角投影図。
【図４】本発明のある実施態様によるメソ規模ＭＥＭＳパッケージの、接着性ポリマー層を図３に加えた等角投影図。
【図５】本発明のある実施態様によるメソ規模ＭＥＭＳパッケージの、広いパッケージ壁面を示す等角投影図。
【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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【国際調査報告】
2006511353.tif 000008
2006511353.tif 000009