(57)【要約】【課題】加熱接合法を利用しても、梁構造体に歪みや変形が生じることを防ぐことができる、梁構造デバイスの製造方法の提供を図る。【解決手段】犠牲層１７を介して支持基板１１に梁構造体１６を積層して底面側積層体１０を形成する。そして、予熱処理によって梁構造体１６の結晶構造を安定化させる。その後、犠牲層１７を除去して梁構造体１６を支持基板１１からリリースする。そして、天面側積層体２０を底面側積層体１０に対して加熱接合法により接合し、梁構造体１６を底面側積層体１０と天面側積層体２０とによるパッケージ構造に内装する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
犠牲層を介して基板に梁構造体を積層して底面側積層体を形成する工程と、
前記犠牲層を除去して前記梁構造体を前記基板からリリースするリリース工程と、
前記底面側積層体とともに前記梁構造体を内装する天面側積層体を、前記底面側積層体に対して加熱接合法により接合する接合工程と、
を実施する梁構造デバイスの製造方法であって、
前記リリース工程よりも前に、前記底面側積層体を予熱し、前記梁構造体の結晶構造を安定化させる予熱工程を実施することを特徴とする梁構造デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記予熱工程での熱処理温度は前記接合工程での加熱温度よりも高温である、請求項１に記載の梁構造デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記梁構造体の構成材料が銅または銅合金であり、
前記予熱工程での熱処理温度は100℃以上、500℃以下である、請求項１または２に記載の梁構造デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記予熱工程での熱処理温度は200℃以上である、請求項３に記載の梁構造デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記犠牲層は金属あるいは誘電膜で構成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の梁構造デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、梁構造デバイスの製造方法に関し、特には熱処理を含む梁構造デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、梁構造の可動部をパッケージ内部空間に設けたＭＥＭＳデバイスが開発されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図１は、ＭＥＭＳデバイスの構成とその製造方法を簡単に説明する図である。
ＭＥＭＳデバイスは、複数のデバイスを混載するウェハから切り出して製造される。ＭＥＭＳデバイスの製造のため、まずウェハ状の支持基板１１１が用意される。そして、支持基板１１１に上下面間を貫通するビア電極１１２が設けられる。次に、支持基板１１１の上面にパターン導体１１３および犠牲層１１４が形成される。そして、犠牲層１１４の上面に可動板１１５が設けられ、犠牲層１１４の上面から外れた位置にアンカー部１１６が設けられる。アンカー部１１６は可動板１１５を支持基板１１１に支持させるものである。また支持基板１１１の外周部には封止枠１１７が設けられ、封止枠１１７の上面にウェハレベル接合のための接合部１１８が設けられる。次に、犠牲層１１４がエッチングされて、可動板１１５が支持基板１１１からリリースされる。これにより、可動板１１５がアンカー部１１６によって支持基板１１１から浮き上がる状態で支持される。これにより底面側積層体１１０が形成される。
【０００４】
また上記した底面側積層体１１０の形成と平行してウェハ状の蓋基板１２１が用意される。そして、蓋基板１２１に上下面間を貫通するビア電極１２２が設けられる。そして、蓋基板１２１の底面側にパターン導体１２３が形成される。そして、パターン導体１２３の底面側に絶縁保護部１２４が形成される。また、蓋基板１２１の外周に沿って封止枠１２５と、ウェハレベル接合のための接合部１２６とが設けられる。これにより天面側積層体１２０が形成される。
【０００５】
その後、天面側積層体１２０と底面側積層体１１０とをウェハレベル接合によって一体化され、そこから個別のＭＥＭＳデバイス１０１が切り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２１８４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ウェハレベル接合の手法として、共晶接合や直接接合、陽極接合などが利用できる。それらは一般に200℃以上での熱処理を要する加熱接合法であるため、それらの手法の利用に伴い梁構造デバイス全体には熱負荷が作用することになる。
【０００８】
梁構造体を金属材で構成する場合、加熱接合法による熱負荷が金属材の結晶粒の成長を促進することがある。特に、金属の梁構造体を常温環境下での成膜プロセスなどを利用して形成した場合には、その梁構造体は結晶構造の熱的な安定性が欠けるため、接合時の熱負荷により結晶粒が大幅に成長すると梁構造体の歪みや変形が引き起こされることになる。
【０００９】
そこで本発明は加熱接合法を利用しても、梁構造体に歪みや変形が生じることを防ぐことができる、梁構造デバイスの製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、犠牲層を介して基板に梁構造体を積層して底面側積層体を形成する工程と、前記犠牲層を除去して前記梁構造体を前記基板からリリースするリリース工程と、前記底面側積層体とともに前記梁構造体を内装するパッケージ構造を構成する天面側積層体を、前記底面側積層体に対して加熱接合法により接合する接合工程と、を実施する梁構造デバイスの製造方法であって、前記リリース工程よりも前に、予熱により前記梁構造体の結晶構造を安定化させる予熱工程を実施することを特徴とする。
この製造方法では、予熱工程で梁構造体の結晶構造を安定化させてから、リリース工程で梁構造体をリリースさせるので、その後の接合工程で梁構造体に熱負荷が作用しても、梁構造体の結晶構造が変化することを防ぐことができる。したがって、接合工程で加熱接合法を用いても、梁構造体の変形を抑制できる。
【００１１】
上述の梁構造デバイスの製造方法において、前記予熱工程での熱処理温度は前記接合工程での加熱温度よりも高温であると好適である。これにより接合工程で梁構造体の結晶粒が成長することをより確実に防ぐことができる。
【００１２】
上述の梁構造デバイスの製造方法において、前記梁構造体の構成材料を銅または銅合金とすれば前記予熱工程での熱処理温度は100℃以上、500℃以下であると好適である。また、より望ましくは、200℃以上であると好適である。100℃以上での予熱によって銅または銅合金の結晶粒を成長させることができ、200℃以上であれば結晶粒を最大限に成長させることができる。また、500℃以下であれば、梁構造体と他部材との間で構成原子の拡散などの反応が生じることを防ぐことができる。
【００１３】
上述の梁構造デバイスの製造方法において、前記犠牲層は金属あるいは誘電膜で構成されていると、予熱工程で熱負荷を受けても除去性が劣化することが少なく好適である。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、接合工程よりも前に予熱工程を実施して梁構造体の結晶構造を安定化させてから、リリース工程で梁構造体をリリースさせることで、その後の接合工程で加熱接合法を用いて梁構造体に熱負荷が作用しても、梁構造体で結晶構造が変化することを防ぐことができる。したがって、梁構造体の変形を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のＭＥＭＳデバイスの製造段階での模式構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの模式構成を示す断面図である。
【図３】ＭＥＭＳデバイスの製造段階を示す断面図である。
【図４】予熱温度と結晶構造との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
《第１の実施形態》
本発明の実施形態に係る梁構造デバイスの製造方法を、ＭＥＭＳ可変容量デバイスの製造方法を例に説明する。
図２は、ＭＥＭＳ可変容量デバイスの模式構成を説明するための断面図である。ＭＥＭＳ可変容量デバイス１は支持基板１１、蓋基板２１、封止枠１２，２２、接合部１３，２３、絶縁保護膜１４，２４、固定電極１５Ａ〜１５Ｃ，２５Ａ〜２５Ｃ、および梁構造体１６を備える。
【００１７】
封止枠１２は支持基板１１の上面側外周に沿って設けられる。封止枠２２は蓋基板２１の下面側外周に沿って設けられる。接合部１３，２３はそれぞれ金電極であり、接合部１３は封止枠１２の上面に設けられ、接合部２３は封止枠２２の下面に設けられ互いに接合される。支持基板１１、蓋基板２１、封止枠１２，２２、および接合部１３，２３は内部空間を備えるパッケージ構造を構成する。
【００１８】
固定電極１５Ａ〜１５Ｃは、パッケージ内部空間の支持基板１１の上面側に設けられる。固定電極２５Ａ〜２５Ｃは、パッケージ内部空間の蓋基板２１の下面側に設けられる。絶縁保護膜１４，２４は、固定電極１５Ａ〜１５Ｃ，２５Ａ〜２５Ｃを覆うように設けられる。
【００１９】
梁構造体１６は、銅Ｃｕを構成材料として一体形成された片持ち梁である。なお、梁構造体１６は、銅合金であってもよく、その他の金属であってもよい。この梁構造体１６は、アンカー部１６Ａ、ビーム部１６Ｂ、質量部１６Ｃ、ビーム部１６Ｄ、質量部１６Ｅ、ビーム部１６Ｆ、および質量部１６Ｇを備えて構成される。アンカー部１６Ａは上下端が支持基板１１と蓋基板２１とに固定支持される。ビーム部１６Ｂはアンカー部１６Ａから支持基板１１および蓋基板２１に平行な所定方向に延設される。質量部１６Ｃはビーム部１６Ｂに支持され、固定電極１５Ａ，２５Ａに対して間隔を隔てて対向する。ビーム部１６Ｄは質量部１６Ｃからビーム部１６Ｂと同方向に延設される。質量部１６Ｅはビーム部１６Ｄに支持され、固定電極１５Ｂ，２５Ｂに対して間隔を隔てて対向する。ビーム部１６Ｆは質量部１６Ｅからビーム部１６Ｂ，１６Ｄと同方向に延設される。質量部１６Ｇはビーム部１６Ｆに支持され、固定電極１５Ｃ，２５Ｃに対して間隔を隔てて対向する。
【００２０】
そして、支持基板１１側の中央の固定電極１５Ｂと梁構造体１６とは、それぞれ信号入出力端子に接続される。また固定電極１５Ａ，１５Ｃは第１の駆動電圧端子に接続され、固定電極２５Ａ〜２５Ｃは第２の駆動電圧端子に接続される。
【００２１】
このような構成で、第１の駆動電圧端子または第２の駆動電圧端子にＤＣ電圧が印加されることで、梁構造体１６は支持基板１１側または蓋基板２１側に引きつけられることになる。梁構造体１６が支持基板１１側に引きつけられた状態では、信号入出力端子に接続される固定電極１５Ｂと梁構造体１６とは微小間隔で対向して比較的大きな容量のキャパシタとして機能し、梁構造体１６が蓋基板２１側に引きつけられた状態では、信号入出力端子に接続される固定電極１５Ｂと梁構造体１６とはより広い間隔で対向して、極めて小さな容量のキャパシタとして機能することになる。
【００２２】
図３は、ＭＥＭＳ可変容量デバイスの製造段階での模式構成を例示する断面図である。なお、同断面図は、図２中で矢示する破線部の断面を示している。
【００２３】
本実施形態では、複数のデバイスを混載したウェハ状態の積層体から、個別にＭＥＭＳ可変容量デバイスを切り出して製造するため、まずウェハ状の支持基板１１を用意する。ここでは支持基板１１としてガラス基板を用いる。支持基板１１はガラス基板の他の材質でも良く、必要に応じて上下面間を貫通するビア電極を設けてもよい。
【００２４】
次に、支持基板１１の上面に固定電極（１５Ａ〜１５Ｃ）を含む電極パターン１５を形成する。ここでは、電極パターン１５としてＰｔ電極とＣｒ電極とを、各層約０．１μｍで積層して設ける。また、電極パターン１５の上面には、少なくとも固定電極（１５Ａ〜１５Ｃ；不図示）を覆うように絶縁保護膜１４を設け、固定電極が梁構造体１６と接触してショートすることを防ぐ。
【００２５】
次に、電極パターン１５および絶縁保護膜１４の上面に犠牲層１７を形成する。ここでは、犠牲層１７としてＳｉＯ２を形成するが、犠牲層１７にはその他の金属や誘電体、あるいはそれらの積層構造を採用することができる。
【００２６】
次に、犠牲層１７の上面を含む電極パターン１５および絶縁保護膜１４の上面に、梁構造体１６や封止枠１２を約5.0μm厚で形成する。ここでは、銅電極を選択メッキ法などを用いてパターン形成し、銅電極から梁構造体１６や封止枠１２を形成する。なお、この場合、銅電極の表面はＣＭＰ法などを用いて平坦化すると好適である。
【００２７】
次に、封止枠１２の上面にウェハレベル接合のための接合部１３を設ける。ここでは、接合部１３には約0.5μm厚の金電極を用いる。
【００２８】
そして、この状態で予熱処理を施し、梁構造体１６の結晶構造を安定化させる。ここでは熱処理温度を約300℃とし、熱処理時間は約１時間とする。なお、熱処理時間は結晶粒の十分な成長が得られるような時間であれば好適であり、少なくとも30分程度を確保しておけばよい。
【００２９】
次に、エッチャントとしてフッ化水素を用いて犠牲層１７をエッチングし、間隙１８を形成する。これにより、支持基板１１から梁構造体１６をリリースし、梁構造体１６を支持基板１１から浮き上がらせ、アンカー部１６Ａによって梁構造体１６を支持基板１１に支持させる。これにより底面側積層体１０が形成される。
【００３０】
また上記した底面側積層体１０の形成と平行してウェハ状の蓋基板２１が用意される。そして、蓋基板２１の下面側に電極パターン２５および封止枠２２が形成される。そして、封止枠２２の下面側に約0.5μm厚の金電極で接合部２３が形成される。また、電極パターン２５の下面側に絶縁保護膜２４が設けられる。これにより天面側積層体２０が形成される。
【００３１】
その後、天面側積層体２０と底面側積層体１０とはウェハレベル接合によって一体化される。ここでは、接合部１３，２３は、約300℃以下の温度で金電極同士の拡散接合により接合される。その後、パッケージ構造の外面に蓋部電極が形成され、個別のＭＥＭＳ可変容量デバイスが切り出される。
【００３２】
以上のような製造方法でＭＥＭＳ可変容量デバイスを製造すると、梁構造体１６のリリース前に予熱処理を施すため、梁構造体１６で金属粒径が成長し、その後の接合工程で熱負荷を受けても梁構造体１６が変形することがほぼ無くなる。また、予熱処理を実施しても犠牲層１７の除去性が劣化することがなく、犠牲層１７のエッチングが容易である。
したがって、ＭＥＭＳ可変容量デバイスの梁構造体を精度良く薄型に形成でき、ＭＥＭＳ可変容量デバイスの容量制御精度などデバイス性能を高めることが容易になる。
【００３３】
次に、本実施形態のＭＥＭＳ可変容量デバイスを構成する梁構造体の、熱による金属粒径の変化の確認実験について説明する。ここでは犠牲層を除去する前の状態の複数の底面側積層体を用意し、それぞれに対して異なる予熱温度で１時間の予熱処理を行い、各底面側積層体を切断してその断面結晶構造を顕微鏡で観察した。
【００３４】
図４は予熱温度毎の断面結晶構造を示す顕微鏡図である。
【００３５】
図４（Ａ）に示す梁構造体の結晶構造は、常温下での予熱処理、則ち予熱処理を施していない例を示している。この場合、結晶構造は梁構造体の成膜直後から殆ど変化なく粒径１μｍ未満の結晶粒で占められていて、極めて微細度が高い。
【００３６】
図４（Ｂ）に示す梁構造体の結晶構造は、100℃で予熱処理を施した例を示している。この場合、結晶構造の殆どが粒径１μｍ以上、4μｍ未満の結晶粒で占められていて、予熱処理を施さない例に比べて、結晶構造の微細度が低下している。
【００３７】
図４（Ｃ）に示す梁構造体の結晶構造は、200℃で予熱処理を施した例を示している。この場合、結晶構造に占める粒径4μｍ以上の結晶粒の割合が高くなり、100℃で予熱処理を施した例に比べて、さらに微細度が低下している。
【００３８】
図４（D）〜図４（F）に示す梁構造体の結晶構造はそれぞれ、300℃、400℃、500℃で予熱処理を施した例を示している。これらの場合、結晶構造の殆どが粒径4μｍ前後の結晶粒で占められた状態を維持し、粒径の変化が殆ど起こらず、熱的な安定性が極めて高くなっている。
【００３９】
これらの実験結果が示すことからも、梁構造体に100℃以上での予熱処理、より好ましくは200℃以上での予熱処理を施しておくことにより、結晶構造の熱的な安定性が高まり、その後の熱負荷による結晶構造の変化が少なくできることがわかる。そして、結晶構造の変化が少なくなることで、熱負荷による梁構造体の変形が抑制できることがわかる。
【００４０】
以上の実施形態で示したように本発明は実施できるが、梁構造デバイスは可変容量ＭＥＭＳデバイスの構成に限られない。少なくとも金属製の梁構造体を備え、犠牲層の除去によって梁構造体を支持基板からリリースするような製造方法を採用できるデバイスであれば、その他のデバイス構成を採用する事もできる。
また、梁構造体の形成方法や構成材料についても、上述の実施形態で示した例に限られず、その他の形成方法や構成材料を採用する事もできる。
【符号の説明】
【００４１】
１…ＭＥＭＳ可変容量デバイス
１０…底面側積層体
２０…天面側積層体
１１，２１…基板
１２，２２…封止枠
１３，２３…接合部
１４，２４…絶縁保護膜
１５，２５…電極パターン
１６…梁構造体
１７…犠牲層
１８…間隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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