(57)【要約】【課題】加速度、角速度、を測定する、または駆動のためのマイクロ−電子機械システム（ＭＥＭＳ）が、少なくとも２つの基板（５，６）、およびＭＥＭＳ−層内の少なくとも１つの可動構造体（３．１，３．２）を備える。【解決手段】前記可動構造体が、少なくとも２つの基板（５，６，７）の間に封止されたキャビティ（８．１，８．２）内に配置される。前記可動構造体（３．１，３．２）を囲む導電性フレーム（１）が、２つの基板（５，６）の接合面に配置される。フレーム（１）が、前記可動構造体（３．１，３．２）から電気的に分離され、少なくとも第一および第二導電性接続部（１３．１，１３．２，１３．３；１４）によって、前記第一基板（５）および第二基板（６）に、各々、電気的に接続される。フレーム（１）が、最大で１５０μｍ（マイクロメートル）、好ましくは、最大で５０μｍ（マイクロメートル）の幅（ｗ）を有してよい。【選択図】図２ｃ
2012225920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ−電子デバイス、好ましくは、マイクロ−電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
ａ）少なくとも２つの基板（５，６）と、
ｂ）マイクロ−電子構造体、好ましくは、ＭＥＭＳ−層内の少なくとも１つの可動構造体であって、
ｃ）少なくとも２つの前記基板（５，６，７）間において封止されたキャビティ（８．１，８．２）内に配置された前記マイクロ−電子構造体、好ましくは、前記可動構造体（４．１，４．２）と、
ｄ）前記マイクロ−電子構造体、好ましくは、前記可動構造体（３．１，３．２）を囲み、２つの前記基板（５，６）の接合面に配置された導電性フレーム（１）であって、
ｅ）前記マイクロ−電子構造体、好ましくは、前記可動構造体（３．１，３．２）から電気的に分離され、
ｆ）少なくとも第一および第二導電性接続部（１３．１，１３．２，１３．３；１４）によって、前記第一基板（５）および第二基板（６）と、各々、電気的に接続されたフレーム（１）と、
を備え、
ｇ）前記第一基板および第二基板並びに前記フレームの全てが、ファラデーケージを形成するための十分なバルク伝導度を有することを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記フレーム（１）が、前記ＭＥＭＳ−層の一部であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記フレーム（１）が、シリコンから構成され、前記基板（６）の主表面に平行な方向に、最大で１５０μｍ（マイクロメートル）、好ましくは、最大で５０μｍ（マイクロメートル）の幅（ｗ）を有することを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第一導電性接続部（１３．１，１３．２，１３．３）が、前記フレーム（１）と前記第一基板（５）との間の接合面に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第二導電性接続部が、前記フレーム（１）の外側周囲および前記第二基板（６）の周囲面（１５）に設けられた層（１４）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第二基板（６）の周囲面（１８）が、主表面に対して９０°未満の角度で傾斜した部分を有し、
導電層（１９）が、前記周囲面（１８）の傾斜部に設けられたことを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
絶縁性結合材料（９）によって、前記フレーム（１）と前記第二基板（６）とが、それらのあわせ主表面で接続されたことを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
分離空間（２．１，２．２）によって、前記フレーム（１）と前記可動構造体とが、分離されたことを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
並んで配置された２つ以上の可動構造体（２２．１，２３．１，２４．１）を備え、
前記フレーム（２５．１）が、２つ以上の前記可動構造体（２２．１，２３．１，２４．１）を囲み、前記可動構造体（２２．１，２３．１，２４．１）の間に配置された分離部（２５．１ａ，２５．１ｂ）を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記可動構造体が、加速に応答する慣性マスであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
２つの前記可動構造体が、相互に異なる方向、好ましくは、ｘ、ｙおよびｚ方向のうちの少なくとも２つの方向に感度を有するセンサー（３．１，３．２）の検出素子であることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第一基板（５）が、前記可動構造体（４．１，４．２）を駆動させるまたは前記可動構造体（４．１，４．２）の移動を検出するための電極（１７．１，１７．２）を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
請求項１に記載のデバイスの製造方法であって、
ａ）キャビティ（８．１，８．２）を形成する少なくとも２つの基板（５，６，７）を設けるステップと、
ｂ）少なくとも１つのマイクロ−電子構造体、好ましくは、ＭＥＭＳ−層内の可動構造体を設けるステップであって、前記マイクロ−電子構造体が、前記キャビティ（８．１，８．２）内に設けられる、ステップと、
ｃ）２つの前記基板の接合面に導電性フレーム（１）を設けるステップであって、前記フレームが、前記マイクロ−電子構造体、好ましくは、前記可動構造体（３．１，３．２）を囲み、
ｄ）前記基板およびフレームの全てが、ファラデーケージを形成するための十分なバルク伝導度を有する、ステップと、
ｅ）前記キャビティ（８．１，８．２）内の前記マイクロ−電子構造体（４．１，４．２）を封止するために、２つの前記基板と前記導電性フレームとを共に結合するステップであって、前記フレーム（１）が、前記マイクロ−電子構造体（３．１，３．２）を囲み、前記フレーム（１）が、前記フレーム（１）の内側の前記マイクロ−電子構造体（３．１，３．２）から電気的に分離される、ステップと、
ｆ）前記フレームと、前記第一および第二基板との間に、各々、第一および第二導電性接続部を設けるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
共通のＭＥＭＳ層内に、前記導電性フレームおよび前記可動構造体を形成するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第一基板および第二基板（５，６）の間に第三基板（７）を配置するステップを含み、
前記第三基板（７）が、前記可動構造体（４．１，４．２）および前記フレーム（１）を備えることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１６】
前記可動構造体（３．１，３．２）から前記フレーム（１）を分離するために、前記第三基板（７）内にトレンチ（１６．１，．．．，１６．４）をエッチングするステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記第二基板（６）の周囲面（１８）の傾斜部をエッチングするステップを含むことを特徴とする請求項２〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記フレーム（１）と、傾斜した前記周囲面とを接続する金属層（１９）を堆積するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
絶縁性結合材料（９）により、前記フレーム（１）と、前記第二基板（６）とを、それらのあわせ主表面で結合するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ−電子デバイスに関し、好ましくは、少なくとも２つの基板と、少なくとも１つのマイクロ−電子構造体と、好ましくは、ＭＥＭＳ−層内の可動構造体と、を備えたマイクロ−電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス（例えば、加速度もしくは回転速度を測定するセンサー、またはアクチュエーター）に関するものであり、前記マイクロ−電子構造体が、少なくとも２つの基板の間に封止されたキャビティ内に配置される。また、本発明は、このようなデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１（Ｆｏｒｄ）、特許文献２（Ｆｏｒｄ）、特許文献３（Ｆｏｒｄ）、特許文献４（Ｆｏｒｄ）、特許文献５（Ｚｅｘｅｌ）および特許文献６（Ｍｕｒａｔａ）のように、加速度を検出するために幅広いＭＥＭＳデバイスが存在する。また、異なる方向の加速度に感度を有するセンサーデバイスも存在する。
【０００３】
特許文献７（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ  Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ）は、複数の異なる方向の加速度を測定するＭＥＭＳ（マイクロ−電子機械システム)デバイスを開示している。加速度が、３つのマイクロ機械センサーによって測定され、該マイクロ機械センサーの各々が、例えば、ｘ、ｙおよびｚの異なる方向の１方向のみの動きに感度を有するイナートマス（ｉｎｅｒｔ  ｍａｓｓ）（プルーフマス（ｐｒｏｏｆ  ｍａｓｓ））で構成される。センサーが、単結晶表面層内に組み込まれる。
【０００４】
典型的には、ＭＥＭＳデバイスが、キャビティ内に封止された移動式カンチレバーまたは移動式マス等の少なくとも１つの可動構造体を備える。
【０００５】
特許文献８（Ｔｅｍｉｃ  Ｔｅｌｅｆｕｎｋｅｎ）が、容量型加速度センサーをパッケージ化する基本構造を示す。熱成長酸化物により、２つの半導体基板が、それらの主表面で共に結合される。一方向の加速度を検知する移動式マスを封止するために、キャビティが、２つの基板の間に形成される。各基板が、ボックス−形状キャビティの一部を提供し、キャビティ内の可変容量を定義する移動素子が、基板と垂直に移動する。熱成長酸化物が、基板プレート間の電気的絶縁を提供する。
【０００６】
特許文献９（Ｓｅｘｔａｎｔ  Ａｖｉｏｎｉｑｕｅ）および特許文献１０（Ａｋｅｂｏｎｅ  Ｂｒａｋｅ）が、アニーリングプロセスによって共に溶接された３つのシリコンプレートによって製造された加速度センサーを提案する。基板を結合するために単一のシリコン酸化物層を使用する代わりに、第一絶縁層、導電層、第二絶縁層により構成されたサンドイッチが適用される。サンドイッチ構造が、測定に影響を及ぼす漂遊容量を回避する。
【０００７】
多軸センサーデバイスにおける重要な点の一つが、交差−軸感度である。交差−軸感度は、測定軸に垂直な加速度計に対する加速（または、ジャイロメーターに対する回転速度）が、どれほどアウトプットにつながるのかを決定する。典型的には、交差−軸感度が、最大で１％であり、好ましくは、実質的に、最高性能のデバイスで１％未満であり、低い性能のデバイスで５％未満であるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５２２０８３５号明細書
【特許文献２】米国特許第５４８８８６４号明細書
【特許文献３】米国特許第５９００５５０号明細書
【特許文献４】米国特許第６０００２８７号明細書
【特許文献５】米国特許第６０８２１９７号明細書
【特許文献６】米国特許第６３０８５６８号明細書
【特許文献７】米国特許第５０６５６２８号明細書
【特許文献８】米国特許第５６２３０９９号明細書
【特許文献９】米国特許第５３８１３００号明細書
【特許文献１０】米国特許第６１５３９１７号明細書
【特許文献１１】米国特許第５３７７５４４号明細書
【特許文献１２】欧州特許出願公開第０６２３８０７号明細書
【特許文献１３】米国特許第５３２９８１５号明細書
【特許文献１４】米国特許第７４４２６６２号明細書
【特許文献１５】米国特許第４７３６６２９号明細書
【特許文献１６】米国特許第５４０４７４９号明細書
【特許文献１７】米国特許第７５０１９１１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、マイクロ−電子デバイス、好ましくは、電磁干渉に反応しないマイクロ−電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを提供することである。好ましくは、デバイスが、単一チップ内で、２つ以上の可動構造体または２つ以上のマイクロ−電子回路（または、それらの組み合わせ）を組み込むように適応されるべきである。チップが、センサーおよび／またはアクチュエーターおよび／または電子回路を備えてよい。さらなる目的は、基板領域の消費を最小にすることよって、ごく近接して配置された（好ましくは、異なるセンサーまたはアクチュエーターまたは電子回路の）別個のデバイスの電気的分離を達成することである。本発明のさらなる目的は、このようなデバイスの製造プロセスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によると、上記の目的が、マイクロ−電子デバイス、好ましくは、ＭＥＭＳデバイスであって、：
ａ）少なくとも２つの基板と;
ｂ）マイクロ−電子構造体、好ましくは、ＭＥＭＳ−層内の少なくとも１つの可動構造体であって；
ｃ）少なくとも２つの基板間において封止されたキャビティ内に配置された前記マイクロ−電子構造体、好ましくは、前記可動構造体と、
ｄ）前記マイクロ−電子構造体、好ましくは、前記可動構造体を囲み、２つの基板の接合面に配置された導電性フレームであって；
ｅ）前記マイクロ−電子構造体、好ましくは、前記可動構造体から電気的に分離され、
ｆ）少なくとも第一および第二導電性接続部によって、前記フレームと、前記第一および第二基板と、各々、電気的に接続されたフレームと、
を備えたデバイスによって達成され、
ｇ）第一および第二基板並びにフレームの全てが、ファラデーケージを形成するための十分なバルク伝導度を有する。
【００１１】
このようなデバイスの製造方法が、：
ａ）可動構造体用のキャビティを形成する少なくとも２つの基板を設けるステップと、
ｂ）少なくとも１つのマイクロ−電子構造体、好ましくは、ＭＥＭＳ−層内の可動構造体を設けるステップであって、前記マイクロ−電子構造体が、キャビティ内に設けられる、ステップと、
ｃ）２つの基板の接合面に導電性フレームを設けるステップであって、フレームが、マイクロ−電子構造体、好ましくは、可動構造体を囲み、
ｄ）前記基板およびフレームの全てが、ファラデーケージを形成するための十分なバルク伝導度を有する、ステップと、
ｅ）キャビティ内のマイクロ−電子構造体を封止するために、２つの基板と導電性フレームとを共に結合するステップであって、フレームが、マイクロ−電子構造体を囲み、フレームが、前記フレームの内側の前記マイクロ−電子構造体から電気的に分離される、ステップと、
ｆ）前記フレームと、前記第一および第二基板との間に、各々、第一および第二導電性接続部を設けるステップと、
を含む。
【００１２】
本発明の枠組みにおいて、“マイクロ−電子”デバイスが、“マイクロ−電子機械システム（ＭＥＭＳ）”および“マイクロ−電子回路”を包含する一般的な用語を意味する。
【００１３】
本発明によると、基板が、単一または多−層体であってよく、該単一または多−層体が、内蔵型素子として取り扱われ、処理されることが可能であり、結合ステップの過程で他の基板と対向して結合されることが可能である。本発明の各基板が、単一ユニットであってよく、または、２つの基板から構成されてよく、または、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造もしくは薄い層で被覆された素子等の層状化素子であってよい。これらの全てのタイプの基板が、従来技術において周知である（本願明細書の序章“背景技術”も参照）。典型的には、基板が、主に、基板のバルク材料を定義する結晶シリコン等の半導体材料から構成される。ファラデーケージ効果を可能にするために、基板の外表面（すなわち、フレームに対する接合面になく、キャビティの内側にない表面）が、５Ｏｈｍ未満の抵抗を有するべきである。数１００μｍ、好ましくは、３００〜４５０μｍの範囲である典型的な厚さを有し、これが、５０ｍＯｈｍ×ｃｍ未満の抵抗をもたらす。
【００１４】
本発明の枠組みにおいて、可動構造体が、キャビティの壁と離れた柔軟型懸架素子によって支持された移動式カンチレバーまたは移動式マスを備える。従って、可動構造体が、１つ以上の幾何学的軸（ｘ，ｙ，ｚ）に対して振動または回転してよく、または、静電気力によって静止（非アクティブ）位置からずらされてよい。移動式素子の移動が、慣性力または電界によって開始されてよい。本発明によると、可動構造体が、ＭＥＭＳ層内に実装される。ＭＥＭＳ層が、別個の基板であってよく、または、２つの基板の一方の上端上に形成されてよい。
【００１５】
導電性フレームが、２つの基板の間の接合面に存在する。これが、ＭＥＭＳ−層内の可動構造体の周囲の実質的に閉じたリングまたはヘッジを定義する。上面図において、リングまたはヘッジが、長方形の形状または、可動構造体の周囲に広がる任意の多角形の形状を有してよい。
【００１６】
導電性フレームが、２つの基板およびフレームによって形成されたいわゆるファラデーケージの一部である。所望の電磁遮蔽効果を実施するために、ファラデーケージが、完全に閉じられている必要はない。ファラデーケージの電磁遮蔽効果が、メッシュ−型構造によって達成されてもよいことが想起され、これは、その典型的な寸法が、電磁場の波長未満である限り（すなわち、１ＴＨｚの周波数に対して３００μｍ未満）、ファラデー内の局部的な開口が、問題とならないことを意味する。このような開口が、ファラデーケージの外側からキャビティの内側に電極または移動構造体を電気的に接続させるために必要となりうる。
【００１７】
一般的に言えば、提案された構造が、キャビティの内側の可動構造体から、および電気計測から、および／またはキャビティの内側の電気制御素子から離れた電磁波による障害および電気的な漂遊磁場を維持するファラデーケージの効果を有する。好ましくは、導電ウェハーシール（金属シール等）を使用することにより、３０μｍといった小さなシール幅を使用することが可能である。従って、（プルーフマスまたはカンチレバースイッチを備えうる）各可動構造体の周囲の完全な密封を保証することが可能であり、（必要に応じて）最小量の基板領域によって、最小の交差−軸感度を有する多−可動構造体を達成することが可能である。
【００１８】
実際には、従来技術によると、５μｍの厚さおよび約２００μｍ（マイクロメートル）の幅で、アクティブウェハーとキャップウェハーとの間の標準的な密封が、ガラス−フリット技術を用いて実施される。各センサーの周囲のファラデーケージの実現が、ダイ面積に大きな影響を及ぼし、ＭＥＭＳデバイス（例えば、センサーまたはアクチュエーター）のコストを大幅に低減させることが可能である。
【００１９】
本発明は、自動車用途等において、ダイ面積、すなわち単位当たり原価を犠牲にすることなく、高性能を有し、（多大な電磁気擾乱を含む）苛酷な環境で使用することも可能であるデバイスをもたらす。
【００２０】
ＭＥＭＳ−層：
任意に、フレームが、キャビティの内側の可動構造体と同じＭＥＭＳ−層の一部である。フレームの製造が製造プロセス中に付加的なステップを必要としないという利点を、これが有する。典型的には、ＭＥＭＳ−層が、シリコン、好ましくは、単結晶シリコンから製造される。
【００２１】
フレームの材料および幅：
任意に、適当な伝導率を達成するために、フレームが、十分に高ドープされた結晶シリコンから構成される。伝導率が、例えば、１０〜２０ｍＯｈｍ×ｃｍの範囲であってよい。フレームが、最大で１５０μｍ（マイクロメートル）までの基板の主表面に平行な方向に幅を有してよい。機械的安定性の観点からすれば、フレームの幅は、５０μｍ（マイクロメートル）未満であるべきではない。ＭＥＭＳ層の操作の間、これが、十分な機械的安定性を提供する。シリコン構造に対するフレーム幅の最適な範囲が、５０〜１５０μｍ（マイクロメートル）である。
【００２２】
フレームに対して、異なる材料を使用することも可能である。例えば、ＭＥＭＳ構造体が、結晶シリコンから製造されない場合、フレームに結晶シリコンを使用せず、ＭＥＭＳ構造体と同じ材料を使用することが有利でありうる。当然のことながら、ＭＥＭＳ構造体と同じ材料からフレームを製造することは必須ではない。
【００２３】
フレーム（すなわち、フレームのビーム）の幅が、出来るだけダイ面積を確保するように小さくてよい。しかしながら、ある条件下において、フレーム材料の伝導率が、わずか中程度である場合か、または金属密封技術が、大きな面積を必要とする場合、幅が、５０以上または１００μｍ以上であってもよい。
【００２４】
フレームの厚さ：
任意に、フレームが、センサーの移動式マスによって定義された厚さ範囲内である厚さ（基板の表面に垂直な方向、すなわち、ｚ−方向において測定される）を有する。これは、フレームが、ＭＥＭＳ構造体の移動式マスと同じ層から製造されてよいことを意味する。例えば、ＭＥＭＳ構造体の周辺において、フレームが、シリコン層内にエッチングされてよい。
【００２５】
しかしながら、任意のタイプの移動式マスと、特に、フレームと同じ高さ（ｌｅｖｅｌ）上ではない移動式マスと、組み合わせて本発明を使用することも可能である。
【００２６】
フレームと第一基板との間の接続：
任意に、フレームと第一基板との間の接合面に第一導電性接続部が存在する。前記接合面が、実質的に、基板の主表面の面と対応する。第一基板の主表面上に配置された金属ストリップが、導電性接続部を形成し、第一基板とフレームとの間の電気接触を確保してよい。上面図において、フレーム下に、ストリップが外見上埋設される。フレームについて行ったのと同じ方法で、ストリップが、センサーのＭＥＭＳ構造体を囲む閉じられた長方形または多角形のラインを定義してよい。
【００２７】
あるいは、フレームと第一基板との間の導電性接続部が、フレームの外側周囲に配置されてもよい。さらに、導電性接続部が、いわば、フレームの形状のフット−プリントである連続する金属ストリップとして形成される必要はない。複数の別個の接触素子（接触パッド）により、電気的密封が、達成されてもよい。
【００２８】
フレームと第二基板との間の接続：
任意に、フレームの外周面および第二基板の周囲面に設けられた導電層によって、第二導電性接続部が提供される。周囲面が、主面、すなわち、基板のｘ−ｙ−面に対して直交するまたは傾いた表面である。従って、この接続部が、第二基板のおよびフレームのあわせ主表面間に配置されない。むしろさらには、フレームおよび基板を接地電圧に電気的に接続するために、これが、デバイスの周辺に（すなわち、フレームの領域の外側に）配置される。
【００２９】
あるいは、フレームと第一基板との間における上記の同様な接続部を使用することが可能である。
【００３０】
傾斜周囲面：
任意に、第二基板の周囲表面が、基板の主表面に対して＜９０°の角度で傾斜された部分を有する。電気的接続部が、フレームの周囲面および周囲表面の傾斜部に設けられる。
【００３１】
それにもかかわらず、ダイ表面を確保するための代替解決策が、上記の接続部の使用を回避することである。当然のことながら、この場合、可動構造体を含むキャビティを囲むファラデーケージが、伝導性に関して、完全には閉じられないが、干渉が十分に小さいほど、分離のギャップが小さい。
【００３２】
フレームと第二基板との間の絶縁層：
任意に、絶縁性結合材料により、好ましくは酸化物により、フレームと第二基板とが、それらのあわせ主表面で、接続される（または結合される）。デバイスのキャビティを定義する上部基板から、ＭＥＭＳ構造体（移動式マス、カンチレバー等）を電気的に分離するために、この絶縁層が使用されてもよい。あるいは、絶縁層が、酸化物層であってもよい。結合材料が、ポリマー、シリコンまたはガラスフリットであってもよい。
【００３３】
第三基板：
任意に、移動式マスおよびフレームが、第一および第二基板の間に介在する第三基板内に組み込まれる。従って、デバイスが、３つの基板から構成されてよい：第三基板が、その移動式マスを備える領域内において、キャビティを備え、第一および／または第二基板が設けられる。つまり、加えられた加速度に従って、または、可動構造体をそらさせる電磁場に従って、移動式マスが移動することが可能である。
【００３４】
分離空間：
任意に、フレームおよびＭＥＭＳ構造体が、分離空間（ＭＥＭＳ層内のトレンチ、またはスロット）により分離される。このトレンチが、ＭＥＭＳ構造体の周囲に広がる長方形または多角形ラインを定義してよく（フレームの上面図において）、これが、電気的分離を提供する。分離空間が、（表面に平行な方向において）数マイクロメートルと同じくらい狭いものであってよい。ｚ−方向（すなわち、基板の表面に垂直）において、トレンチが、ＭＥＭＳ層を完全に貫通する。
【００３５】
あるいは、フレームとＭＥＭＳ構造体との間の非−伝導性材料の領域によって、電気的分離が達成されてよい。
【００３６】
多軸加速度検出：
好ましくは、デバイスが、ごく接近して並んで配置された２つ以上の可動構造体を備える。フレームが、２つ以上の可動構造体を囲み、可動構造体間に配置された分離部（すなわち、分離ビーム）を有する。つまり、可動構造体が、互いから、およびさらなる外部の影響から、電気的に分離される。一つの列に、可動構造体を取り囲む正方形領域または長方形領域に、３つの可動構造体が配置されてよい。他の配列も可能であるが、これらが、利用可能なチップ面積の使用に効率的ではなくなりうる。
【００３７】
加速度センサー：
好ましくは、デバイスが、前記少なくとも２つの基板の少なくとも１つ内に組み込まれた加速度センサーである。特許文献１（Ｆｏｒｄ）、特許文献２（Ｆｏｒｄ）、特許文献３（Ｆｏｒｄ）、特許文献４（Ｆｏｒｄ）、特許文献５（Ｚｅｘｅｌ）、特許文献６（Ｍｕｒａｔａ）および特許文献１１（Ｍｏｔｏｒｏｌａ）が、直線加速度センサーを示し、特許文献１２（ＧＭ）および特許文献１３（Ｍｏｔｏｒｏｌａ）が、回転速度センサーを示す。いろいろな設計が、可動構造体に使用されてよい。しかしながら、本発明が、これらの特許文献に示された設計に制限されない。
【００３８】
多−軸センサー：
任意に、多−軸デバイスの可動構造体が、相互に異なる方向に感度を有する。各可動構造体が、一つのみの加速方向に感度を有する。各々が、方向ｘ、ｙおよびｚの１つのみに感度を有する３つの単一−軸可動構造体組み合わせることで、最も好ましい実施形態が得られる。
【００３９】
回転速度ＭＥＭＳセンサーと組み合わせたフレームを使用することも可能である。１つ以上の可動構造体が、回転（ジャイロ）または容量測定によって検出されることが可能な他のタイプの物理的変数に感度を有してもよい。
【００４０】
デバイスが、アクチュエーター、例えば、スイッチであってもよい。可動構造体が、接触を生じさせるために電極に引き付けられるカンチレバーであってよい。引き付ける電場が除去された時、カンチレバーが、その静止位置に戻るように移動する。
【００４１】
移動検出電極：
好ましくは、第一基板が、移動式マスの移動を検出するための電極を備える。その結果、第二基板は、ＭＥＭＳ構造体を保護するための単なるキャップである。ＭＥＭＳ構造体が、アクチュエーターである場合、カンチレバー素子の位置（静止位置対偏向位置）を変化させるための制御電極が存在する。本発明は、新規な電極構造体を提案しないが、周知の従来技術の電極構造体を参照する。
【００４２】
デバイスの製造方法が、１つ以上の次のステップを含んでよい。
・共通のＭＥＭＳ層内に導電性フレームおよび可動構造体を形成するステップ；
・第一および第二基板の間の接合面に第三基板を配置するステップであって、前記第三基板が、可動構造体およびフレームを備える、ステップ；
・センサーからフレームを分離するために、第三基板内にトレンチ（分離空間）をエッチングするステップ；
・傾斜部を形成するために、第二基板の周囲面をエッチングするステップ；
・傾斜周囲面とフレームとをつなぐ金属層を堆積するステップ；
・絶縁性結合材料により、好ましくは、シリコン直接結合（ＳＤＢ）により、それらのあわせ主表面でフレームと第二基板とを結合するステップ。あるいは、共晶接合／熱圧着が、基板を互いに結合するために使用されてよい。
【００４３】
シリコン直接結合は、当業界において周知の方法である（特許文献１４を参照）。以下の詳細な説明および全ての請求項の組み合わせが、本発明のさらに有利な実施形態および素子の組み合わせを示す。
【００４４】
ＭＥＭＳシステムに関連して説明された任意の素子が、可動構造体の代わりに、電子回路と組み合わせて使用されてもよい。
【００４５】
添付の図面が、本発明をさらに明らかにし、詳細な明細書と組み合わせて、好ましい実施形態を説明するために役立つ。
【００４６】
一般的に、同様な参照符号は、同一部分を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１ａ】並んで配置された２つの可動構造体を備えたデバイスの略図である。
【図１ｂ】並んで配置された２つの可動構造体を備えたデバイスの略図である。
【図２ａ】さらに詳細な、２つの可動構造体を備えたデバイスの略断面図である。
【図２ｂ】さらに詳細な、２つの可動構造体を備えたデバイスの略断面図である。
【図２ｃ】さらに詳細な、２つの可動構造体を備えたデバイスの略断面図である。
【図３】ウェハー上のフレーム配置の略上面図である。
【図４】フレームのさらなる変化形である。
【図５】Ｔ−形ｚ軸センサーを備えたデバイスである。
【図６】２つのマイクロ−電子回路を備えたデバイスの略断面図である（図７のＢ−Ｂ部）
【図７】図６の線Ａ−Ａに沿った略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１ａ、ｂが、本発明の可能な実施形態を図示する。図１ａは、図１ｂに示された線Ａ−Ａに沿った断面図であり、図１ｂは、図１ａの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。４つの外側部１．１，１．３，１．４，１．５と、中間部１．２と、を備えた長方形形状を有するフレーム１が、２つの分離された自由領域（ウィンドウ）を定義する。前記自由領域の各々の中にセンサー３．１，３．２が存在する。センサー３．１，３．２が、ＭＥＭＳ技術により実装される。これらの各々が、デバイス上に加えられる加速度を検知するための移動式マスを備える。センサー３．１，３．２が、例えば、周知の構造の単一軸センサーである（本発明の背景技術を参照）。これらが、例えば、ｘ−およびｙ−軸の加速度を検出してよい。分離空間２．１，２．２により、センサー３．１，３．２が、フレーム１から分離される。フレームのビーム部１．２が、２つのセンサー３．１，３．２を、互いに分離する。
【００４９】
フレームが、例えば５０μｍ（マイクロメートル）の幅ｗ（ｘ−方向で測定される）の部分１．２を有してよい。部分１．４，１．５が、異なる幅（ｙ−方向で測定される）を有してよい。部分１．１および１．３についても同じことが言える。
【００５０】
図１ｂに示されるように、フレーム１が、ｚ−方向において、センサー３．１，３．２の移動式マス４．１，４．２と同じ高さ上である。実際には、これらが、同じ基板７から形成される。基板７が、ＭＥＭＳ層（アクティブ層）と対応する。フレーム１が、第一基板５と第二基板６との間に挟まれた第三基板７と接続される。つまり、第三基板７が、第一基板５と第二基板６との間の接合面を形成する。３つの全ての基板５，６，７が、好ましくは、結晶シリコンから形成される。
【００５１】
絶縁性結合層９（例えば、二酸化シリコン）によって、フレーム１が、第二基板６に取り付けられる。結合層９が、実質的に、フレーム１の全ての部分１．１−１．５を覆う。上面図において、結合層９の領域が、図１ａに示されたフレーム１の領域の上面図と対応する。第二基板６が、各移動式マス４．１，４．２に対する、２つのキャビティ８．１，８．１を備える。例えば、中央ポスト３３．１，３３．２によって、移動式マス４．１，４．２が、キャビティ８．１，８．２の接地面から離れて支持される。中央ポスト３３．１，３３．２を囲みうる移動式マス４．１，４．２が、柔軟性サスペンション３４．１，．．．，３４．４を介して、中央ポストに接続される。柔軟性サスペンションが、周知の形状および構造を有してよく、図１ｂに詳細に示されていない。移動式マス４．１，４．２の下の領域において、第一基板５が、絶縁層１０．１，１０．２で覆われる。
【００５２】
金属シール１１．１，１１．２を介して、基板７のＭＥＭＳ構造体が、基板５の絶縁層１０．３上のデバイスの外側に配置された駆動および検知電極１２に接続される。電極構造並びに金属シール１１．１，１１．２と駆動および検知電極１２との間の導体経路の詳細が示されないが、従来技術において周知のように実施されることが可能である。本発明は、それらの詳細を対象とするものではない。
【００５３】
金属シール１３．１−１３．３によって、フレーム１（図１ｂ中：部分１．１−１．３）が、基板５に電気的に接続される。金属シール１３．１−１３．３の領域内に、絶縁層１０．１−１０．３が存在しないことが分かる。つまり、基板５のバルク材料とフレーム１との間に直接的な電気的接続が存在する。金属シール１３．１−１３．３が、上面図において、フレーム１の形状と似た幾何学的形状を有する（図１ａ参照）。
【００５４】
フレーム１と基板６との間の電気的接続を確立するために、基板６の主要面とフレーム１との間に非−導電性結合層９をつなぐ、周囲面１５の金属パッド１４が存在する。図１ｂにおいて、金属パッド１４が、デバイスの一端部（電極１２を備える側と反対側）上のみに配置される。しかしながら、金属パッド１４が、フレームの部分１．４および１．５（さらには、部分１．３）に延在してもよい（図１ａ参照）。
【００５５】
図１ｂに示されるキャビティ８．１，８．２が、基板間で完全に閉じられており、ＭＥＭＳ構造体が、封止される。本発明によると、ファラデーケージにより、電磁干渉および外部漂遊磁場から、センサー３．１，３．２が、保護される。このケージが、基板５および６並びにフレーム１によって実現され、その全てが、十分なバルク伝導度を有し（例えば、少なくとも１ｍＯｈｍ×ｃｍ、好ましくは、１０〜２０ｍＯｈｍ×ｃｍ）、金属シール１３．１−１３．３および金属パッド１４によって、互いに電気的に接続される。
【００５６】
図２ａ−ｃが、本発明のデバイスの好ましい製造方法を図示する。図２ａが、図１ｂの略図に示された第二および第三基板６、７を表すＳＯＩ−構造（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を示す。基板７の主表面７．１が、酸化物層９．１，９．２，９．３によって覆われる基板６の対向する主表面に結合される。ＳＯＩ−構造内にエッチングされた構造体が、第一および第二センサー３．１，３．２並びにフレーム１（部分１．１，１．２等）と対応する。センサー３．１および３．２が異なる方向に配向されるという事実が、基板７のセンサー領域内に異なって配置された貫通部（トレンチ）によって、図２ａに概略的に示される。これらが、本発明と関連がないため、柔軟性サスペンションおよび可動式マスの支持体の詳細が示されない。
【００５７】
狭いスロットまたはトレンチ１６．１−１６．４により、フレーム部１．１−１．３が、センサー３．１，３．２のＭＥＭＳ構造体から分離される。トレンチ１６．１および１６．２が、図１ａの分離空間２．１と対応し、トレンチ１６．３および１６．４が、図１ａの分離空間２．２の部分と対応する。トレンチ１６．１，．．．，１６．４が、キャビティ８．１，８．２の外側に配置され、従って、ＭＥＭＳ構造体が、キャビティ８．１，８．２を囲む縁上に支持されることが、図２ａから明らかである。
【００５８】
図２ｂが、ＭＥＭＳ構造体の移動式マスの移動を検出するための電極１７．１，１７．２を支える基板５を示す。金属シール１１．１，１１．２は、ＭＥＭＳ構造体が接触される必要のある位置に配置される。図２ｂにおいて、この位置が、トレンチ１６．１および１６．４の各々にやや近い。金属シール１３．１，１３．２，１３．３が、フレーム部１．１，１．２，１．３と正反対の領域の基板５上に直接的に配置される。
【００５９】
図２ｃが、２つの基板５および７を、金属シール１３．１，１３．２，１３．２，１１．１，１１．２に沿ったそれらのあわせ主表面５．１および７．２で結合した後のデバイスを示す。傾斜面を得るために、周囲面１８が、フレーム１の領域内にエッチングされている。次に、金属層が、マスクＭを介して堆積されてよく、フレームと上部基板６との間の電気的接触を提供する。
【００６０】
好ましい実施形態が、次の３つの手段を説明する：
１．ＭＥＭＳ構造設計のレベルで、周囲フレームが、アクティブ層内にエッチングされた各ＭＥＭＳ構造体の周囲に設計される。ＭＥＭＳ構造体が、（部分的に）キャビティの上にあり、機械的移動を可能にする。分離フレームが、基板にクランプまたは固定される。通常、これが、二酸化物層によって絶縁される。
２．キャップおよび相互接続部のレベルで、このフレームの電気的接続が実施され、ＭＥＭＳ構造体の異なる部分との接続と無関係である。金属シールを介したウェハーボンディングプロセスの間に、接続が実現される。電気的経路が、分離フレーム１を、キャッピングウェハーの基板の電圧でもある接地電圧に接続する。
３．そして、最後に、アクティブウェハー（ＭＥＭＳ）の基板が、接地電圧に接続される。通常、ＳＯＩ構造体の埋め込み酸化物層によって、基板が、アクティブＭＥＭＳ層から絶縁されるため、これが、ある付加的な技術的ステップを必要とする。例として、基板、およびアクティブウェハーの埋め込み酸化物層が、チップの端部上、分離フレームの上で、局部的に、化学的にエッチングされることが可能であり、次に、埋め込み酸化物層のエッチングによって覆われていないアクティブ層の部分（フレームレベルで）、および基板のエッチングされた部分の端部を同時に覆うために、機械的なシャドウマスクを介して、厚い金属層が、堆積されることが可能である。
【００６１】
図３および４が、センサーの異なる幾何学的配列を有するさらなる実施形態を示す。図３が、３つの軸における加速度を検出するデバイス２０．１，．．．，２０．４の規則的な配列を有するウェハー２１の一部の上面図を示す。デバイス２０．１，．．．，２０．４の各々が、３つの単一−軸センサー、すなわち、ｘ−軸センサー２２．１，．．．，２２．４、ｙ−軸センサー２３．１，．．．，２３．４、およびｚ−軸センサー２４．１，．．．，２４．４から構成される。図３の例において、ｘ−およびｙ−軸センサー２２．１，．．．，２２．４および２３．１，．．．，２３．４が、同じ大きさのチップ面積を使用し、一方、ｚ−軸センサー２４．１，．．．，２４．４が、さらなる領域を必要とする。ｘ−およびｙ−軸センサー２２．１，２３．１が、正方形形状を有し、２つの他のセンサー２２．１，２３．１とほぼ同じ長さの長方形領域を有するｚ−軸センサー２２．３の側部に沿って一列に配置される。また、各デバイス２０．１，．．．，２０．４が、本発明によるフレーム２５．１，．．．，２５．４を備える。ビーム状部分２５．１ａ，２５．１ｂによって、フレーム２５．１が、センサー２２．１，２３．１，２４．１を分離する。ウェハーをチップに切断するためのトレンチ２６，２７によって、デバイス２０．１，．．．，２０．４が分離される。駆動および検知電極を接触させるための接触電極が、図３に示されていない。
【００６２】
図４は、各デバイスが、一列になって配置された３つの単一−軸センサー２８．１，２９．１，３０．１および２８．２，２９．２，３０．２を備える配列を示す。この例において、個々のセンサー２８．１，２９．１，３０．１の領域が、同じ大きさのチップ面積を使用するように示されている。フレーム３１．１，３１．２が、一列に並んだ外見上な３つの長方形ウィンドウを有し、各ウィンドウが、センサー２８．１，２９．１，３０．１および２８．２，２９．２，３０．２の各々によって占有され、各センサーと周囲フレーム３１．１との間に（図４の上面図において長方形の形状を有する）スロットを残す。ビーム状部分３１．１ａ，３１．１ｂによって、フレーム２３．１が、センサー２８．１，２９．１，３０．１を分離し、フレームの分離部が、（上面図において）Ｔ−形状を有する。
【００６３】
図５が、加速度検出装置の好ましい実施形態を示す。上面図（すなわち、ｚ−方向の図）において、ｘ−およびｙ−軸センサー３２．１および３２．２が、正方形−型形状を有し、一方、ｚ−軸センサー３２．３が、Ｔ−形状を有する。ｘ−およびｙ−軸センサー３２．１，３２．２が、ｚ−軸センサー３２．３のＴ−形状の各側部に配置され、３つのセンサー３２．１，３２．２，３２．３によって占有される全体領域が、長方形の形状を有する。本明細書の導入部において言及された従来技術（特許文献１５；特許文献１６等）によって開示されるように、ｚ−軸センサーが、中央ポスト（図示しない）によって支持される移動式マスを有してよい。
【００６４】
図６および７が、本発明のさらなる実施形態を示す。可動構造体を備えたＭＥＭＳシステムの代わりに、基板３６上の２つの電子回路３５．１，３５．２が存在する。例えば、絶縁層３７によって、基板３６のバルクから、電子回路が、電気的に分離される。電子回路３５．１，３５．２が、詳細には示されないＡＳＩＣｓ（例えば、プロセッサ、データ通信回路、センサー制御回路）であってよい。
【００６５】
キャップウェハー基板３８が、基板３６の上部上に固定され、各電子回路３５．１，３５．２に対し、キャビティ３９．１，３９．２を形成する。シリコンフレーム４０が、キャップウェハー基板３８に結合され、２つの開口部４１．１，４１．２を有し、該開口部４１．１，４１．２が、キャビティ３９．１，３９．２に位置合わせされ、キャビティ３９．１，３９．２と同じ大きさを有する。開口部４１．１，４１．２が、電子回路３５．１，３５．２の領域よりも大きく、フレーム４０と電子回路３５．１，３５．２との間に機械的または電気的な接触が存在しない。フレーム４０とキャップウェハー基板３８との間の結合層４２が、絶縁体であってよい。実際には、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造の方法で、フレーム４０が、基板３８上に実装されてよい。
【００６６】
金属シール４３により、フレーム４０と基板３６とが、電気的に接続される。金属シール４３が、各電子回路３５．１，３５．２の周囲の閉じたラインを形成する。電子回路３５．１，３５．２から、フレーム４０の外側に配置された電極パッド４４．１，４４．２への電気的接続部４５．１，４５．２が存在する局部的な場所のみに、ファラデーケージ構造内の小さな開口部が存在する。フレーム４０およびシールから、電気的接続部４５．１を電気的に分離するために、例えば、電気的接続部４５．１と金属シール４３との間に薄い絶縁層４６が存在する。
【００６７】
キャビティの内側の構造体（例えば、移動式マス、電子回路）と、外側の接触パッドとの間の電気的接続部、および、特に、この局部的な電気的開口部の周囲にファラデーケージが形成される方法が、ＭＥＭＳ構造体および電子回路に対して同じであってよい。従って、図６、７に示された詳細が、図１〜５に示された実施形態に対して使用されてもよい。
【００６８】
本発明が、図面に示された実施形態に制限されない。センサーの幾何学的配置が、センサーの特徴（必要とされるチップ面積、特定の２−次元形状、接触電極の位置等）、およびダイ面積の所望の有効利用によって決まる。移動式マスの下のキャビティを備えたＭＥＭＳ構造体を設けるためにＳＯＩ−技術を使用する代わりに、２つの代わりに１つのみの基板を必要とする他の技術を使用することも可能である。本発明は、例えば、本明細書の“背景技術”において引用された従来技術に示されるような、多くの異なる可動構造体に適用されることが可能である。可動マスが、アクチュエーター、例えば、ＲＦスイッチであってよい（特許文献１７参照）。
【００６９】
各可動構造体が、本発明によるファラデーケージ構造によって保護された分離されたキャビティ内にあることが好ましいが、同じキャビティ内に２つの可動構造体を有することも可能である。さらに、一般的に言えば、マイクロ電子レベル上のキャビティが、外部電磁場から保護されなければならない場合にはいつでも、本発明が適用されることが可能である。
【００７０】
フレームを電気的に接続するための外部金属層が、第二基板と第三基板との間の接続部に沿った１つまたは数個の場所上に配置されてよい。これが、フレームの周囲の連続するラインであってもよい。
【００７１】
概して、本発明が、隣接するセンサーまたはアクチュエーター間の電気的干渉を最小化するための技術的解決策を提供する。
【符号の説明】
【００７２】
１  フレーム
１．１，１．３，１．４，１．５  外側部
１．２  中間部
２．１，２．２  分離空間
３．１，３．２  センサー
４．１，４．２  移動式マス
５，６，７  基板
８．１，８．２  キャビティ
９  結合層
１０．１，１０．２，１０．３  絶縁層
１１．１，１１．２  金属シール
１２  検知電極
１３．１，１３．２，１３．３  金属シール
１４  金属パッド
１５  周囲面
１６．１，１６．２，１６．３，１６．４  トレンチ
１７．１，１７．２  電極
１８  周囲面
１９  導電層
３３．１，３３．２  中央ポスト
３４．１，３４．２，３４．３，３４．４  柔軟性サスペンション
【図１ａ】
2012225920.tif 000003
【図１ｂ】
2012225920.tif 000004
【図２ａ】
2012225920.tif 000005
【図２ｂ】
2012225920.tif 000006
【図２ｃ】
2012225920.tif 000007
【図３】
2012225920.tif 000008
【図４】
2012225920.tif 000009
【図５】
2012225920.tif 000010
【図６】
2012225920.tif 000011
【図７】
2012225920.tif 000012
【外国語明細書】
2012225920.tif 000013
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