(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ウェーハの一側面にシグナルラインを含む多層構造の積層を形成する第１段階と、
前記多層構造の積層が形成された前記第１のウェーハの一側面に第２ウェーハを付着する第２段階と、
前記第１ウェーハの他側面を所定厚さで研磨する第３段階と、
真空化領域の外部に位置するパッドを前記第１ウェーハの他側面上に形成した後に、前記シグナルラインに連結されたものであって真空化領域内に位置するMEMS構造物を前記第１ウェーハの他側面からウェーハをエッチングして形成する第４段階と、
第３ウェーハの一側面に前記MEMS構造の真空化領域に対応する空間を有する構造を形成する第５段階と、
研磨された前記第１ウェーハの他側面に第３ウェーハの一側面の前記空間が向かうように前記第１ウェーハと前記第３ウェーハを真空環境で結合する第６段階とを含むことを特徴とするウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項２】
第４段階は、前記内部領域と前記パッドを連結するためのシグナルライン層を前記MEMS構造物の積層中に形成する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載のウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項３】
前記第６段階は、接着剤により前記第１ウェーハと第３ウェーハを結合することを特徴とする請求項１に記載のウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項４】
前記第６段階は、前記第１ウェーハと第３ウェーハをSDBまたはアノードボンディングにより直接結合することを特徴とする請求項１に記載のウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項５】
前記第６段階は、第１ウェーハと第３ウェーハを共晶ボンディングにより接合することを特徴とする請求項１に記載のウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項６】
前記第３ウェーハは単結晶シリコンで形成されることを特徴とする請求項１に記載のウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項７】
前記第５段階は、異方性エッチング法により前記第３ウェーハを加工することを特徴とする請求項６に記載のウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項８】
第１ウェーハの一側面に所定パターンの犠牲層を形成する第１段階と、
前記犠牲層上にシグナルラインのための所定パターンのポリシリコン層を形成する第２段階と、
前記ポリシリコン層上に絶縁層を形成する第３段階と、
前記絶縁層に第２ウェーハを付着する第４段階と、
前記第１ウェーハの他側面を所定厚さで研磨する第５段階と、
真空化領域の外部に位置するパッドを前記第１ウェーハの他側面上に形成した後に、前記第１ウェーハの前記シグナルラインに連結されたものであって真空化領域内に位置する共振板及びこれを支持するフレームなどを含むMEMS構造物を前記第１ウェーハの他側面からウェーハをエッチングして形成する第６段階と、
第３ウェーハに前記MEMS構造の真空化領域に対応する空間を有する構造を形成する第７段階と、
研磨された前記第１ウェーハの他側面に第３ウェーハを真空環境で結合する第８段階とを含むことを特徴とするウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項９】
前記第８段階は、接着剤により前記第１ウェーハと第３ウェーハを結合することを特徴とする請求項８に記載のウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項１０】
前記第８段階は、前記第１ウェーハと第３ウェーハをSDBまたはアノードボンディングにより直接結合することを特徴とする請求項８に記載のウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項１１】
前記第１ウェーハとして単結晶シリコンを適用することを特徴とする請求項８乃至請求項１０中いずれか一つに記載のウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【請求項１２】
前記第７段階は、異方性エッチング法により前記第３ウェーハを加工することを特徴とする請求項１１に記載のウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS(Micro Electromechanical System)構造物の製作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
MEMS構造物の製作工程として一番多用されている表面マイクロマシニングの場合、構造物材料としてポリシリコンを用いている。このような場合には、ポリシリコンに存在する残留応力が完成されたMEMS構造に悪影響を与える。また、工程上一般のポリシリコンからは１０μｍ以上の厚さを有する構造物を作り難い。このような問題を解決するためにSOIや４０μｍ程度の単結晶シリコンをガラスなどに接着してこれを構造層として用いる工程が適用される。しかし、この工程は厚くて残留応力のない構造を作れるが、その構造層数を２つ以上構成し難くて複雑な構造物を作れない。また、単結晶の異方性エッチングを用いてMEMS構造物を形成するバルクマシニングの場合、異方性エッチングの特性上、高断面比を有する構造物を形成し難い。
【０００３】
MEMS構造物中に共振型ジャイロスコープは共振中にQ-ファクターが周辺の真空度に敏感に影響される。この理由で、製作されたMEMS構造物を複雑な工程を通じて真空状態でパッケージングすべきである。また、MEMS構造を有するチップは、一般のIC/ASICに用いられるパッケージング工程を適用し難くて自動化に難しさがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１目的は、容易に真空構造物を形成できるMEMS構造物の製作方法を提供することである。
【０００５】
本発明の第２目的は、ウェーハレベルで真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法を提供することである。
【０００６】
本発明の第３目的は、自身にパッドを有することによって回路基板に実装が可能なMEMS構造物の製作方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために本発明の第１実施形態によれば、第１ウェーハにシグナルラインを含む多層構造の積層を形成する第１段階と、前記多層構造の積層に第２ウェーハを付着する第２段階と、前記第１ウェーハを所定厚さで研磨する第３段階と、前記第１ウェーハに、前記シグナルラインに連結されたものであって真空化領域内に位置するMEMS構造物と真空化領域の外部に位置するパッドを形成する第４段階と、第３ウェーハに前記MEMS構造の真空化領域に対応する空間を有する構造を形成する第５段階と、前記第１ウェーハの研磨面と第３ウェーハを真空環境で結合する第６段階とを含むことを特徴とするウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法が提供される。
【０００８】
また、前記第４段階は、前記内部領域と前記パッドを連結するためのシグナルライン層を前記MEMS構造物の積層中に形成する段階を含むことが望ましい。
【０００９】
前記第６段階は、接着剤により前記第１ウェーハと第３ウェーハを結合したり、SDB(Silicon Direct Bonding)またはアノードボンディング、または共晶ボンディングにより直接結合することが望ましい。
【００１０】
前記第３ウェーハは単結晶シリコンで形成されることが望ましく、前記第５段階は、異方性エッチング法により前記第３ウェーハを加工することが望ましい。
【００１１】
前記目的を達成するために本発明の第２実施形態によれば、第１ウェーハ上に所定パターンの犠牲層を形成する第１段階と、前記犠牲層上にシグナルラインのための所定パターンのポリシリコン層を形成する第２段階と、前記ポリシリコン層上に絶縁層を形成する第３段階と、前記絶縁層に第２ウェーハを付着する第４段階と、前記第１ウェーハを所定厚さで研磨する第５段階と、前記第１ウェーハに、前記シグナルラインに連結されたものであって真空化領域内に位置する共振板及びこれを支持するフレームなどを含むMEMS構造物と真空化領域の外部に位置するパッドを形成する第６段階と、第３ウェーハに前記MEMS構造の真空化領域に対応する空間を有する構造を形成する第７段階と、前記第１ウェーハの研磨面と第３ウェーハを真空環境で結合する第８段階とを含むウェーハレベル真空パッケージングが可能なMEMS構造物の製作方法が提供される。前記第８段階は、接着剤またはSDBまたはアノードボンディングにより直接結合することが望ましい。前記第１ウェーハとして単結晶シリコンを適用することが望ましく、前記第７段階は、異方性エッチング法により前記第３ウェーハを加工することが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明のMEMS構造物の製作方法の実施形態を詳細に説明する。
【００１３】
以下の実施形態の説明で、MEMS構造を有するマイクロジャイロスコープの製作方法の一例が説明され、特にウェーハレベルで真空構造物を形成する方法が説明される。
【００１４】
まず完成されたMEMS構造物により製作されたマイクロジャイロスコープの構造を説明する。
【００１５】
図１は完成されたマイクロジャイロスコープの概略的な横断面図で、図２はマイクロジャイロスコープの概略的な斜視図である。そして、図３は内部共振構造を示すマイクロジャイロスコープの平断面図で、図４は前記マイクロジャイロスコープの共振構造物の構造を概略的に示す斜視図である。
【００１６】
図１と図２を参照すれば、第１基板１上にMEMS構造による共振構造及びこれに電気的に接続されるパッド６が形成されており、MEMS構造の中央部分、即ち、真空が要求される部分にキャップ９００が接着層１１０により結合されている。図面で１３０は後述する共振板及びこれを支持するフレームの構造を示し、１００は前記MEMS構造形成時使われた第２基板である。前記パッド６は前記キャップ９００に覆われない第２基板１００の周辺に多数個備えられる。
【００１７】
図３と図４を参照すれば、第１基板１上に絶縁層２が形成されており、絶縁層２の上方に共振構造物１３０が形成されている。前記共振構造物１３０には、前記アンカー３により支持される相互並んでいる第１、第２フレーム１１、１２とこれら間の第１共振板２１と第２共振板２２が備えられている。
【００１８】
前記第１、第２フレーム１１、１２と前記アンカー３との間には感知ビーム７が位置する。この感知ビーム７は、第１、第２フレーム１１、１２の動きに対してトーションスプリングとしての役割をする。
【００１９】
前記第１、第２共振板２１、２２は、前記第１、第２フレーム１１、１２に連結されたスプリングとしての共振モードのための加振ビーム３３により支持される。前記加振ビーム３３は直線型ではなく、示したようにx方向とy方向に延びた部分を有することによって、第１、第２共振板２１、２２の共振を効果的に発生させる。このような構造は選択的なことであって、従来のジャイロスコープのように直線的にy方向に延ばす場合もある。特に、前記加振ビームは前記第１、２共振板２１、２２の四隅から延びることが望ましい。
【００２０】
前記第１、第２共振板２１、２２の各底部の絶縁層２上には感知電極３１、３２が形成されている。前記感知電極３１、３２の各々は各上部の第１、第２共振板２１、２２とコンデンサを形成する。
【００２１】
一方、前記第１、第２共振板２１、２２間には、前記第１共振板２１と第２共振板２２と物理的に連結され、一側の共振板の動きにより他側の共振板を拘束するが、一側共振板の第１方向の動きにより動作して他側共振板を前記第１方向に相反した第２方向に動作させるマッチングリンク部４０が位置する。
【００２２】
前記マッチングリンク部４０は、例えば前記第１共振板２１がマッチングリンク部４０側に移動すれば、前記第２共振板２２もマッチングリンク部４０側に移動させ、反対に第１共振板２１がマッチングリンク手段から遠ざかれば、前記第２共振板２２もマッチングリンク部４０から遠ざかる相反した方向に移動させる。
【００２３】
このような共振板２１、２２間の相互拘束は、共振板２１、２２間の共振周波数を一致させる。実際の実験によれば、両共振板２１、２２が前記マッチングリンク部４０により事実上同じ共振周波数を示す。このようなマッチングリンク部４０は図３と図４に示したようなシーソー構造、即ち、中心部４１aが位置固定されている作動ロード４１と、前記作動ロード４１の一側端部４２から延びて前記第１共振板２１に連結される第１連結部４２aと、前記作動ロード４１の他側端部４３から延びて前記第２共振板２２に連結される第２連結部４３aとを具備する。前記作動ロード４１の中心部４１aは、前記第１、第２フレーム１１、１２の中央部分から延びた第１、第２サブフレーム１１a、１２aにより固く支持される。
【００２４】
前記共振板２１、２２とマッチングリンク部４０との間には、前記共振板２１、２２の共振を誘導する加振コーム電極５１と共振板２１、２２の共振を感知する加振感知コーム電極５２が位置する。
【００２５】
前記コーム電極５１と加振感知コーム電極５２及び第１、第２共振板２１、２２の相互対向する縁部に相互交差するコーム状電極端２１a、２２a、５１a、５２aが形成されている。前記コーム状の電極は相互静電気力により前記第１、第２共振板２１、２２に対する共振力を提供する。
【００２６】
図３で、６１は前記電極に連結されるシグナルラインで、６は前記シグナルラインを外部に接続するためのパッドであり、図４には前記シグナルラインとパッドが示されていない。
【００２７】
以下、前記のような構造のマイクロジャイロスコープの製造方法に対して段階的に説明する。以下の製造工程説明において、各段階に関した図面は概略的に段階別構造を示す。
【００２８】
図５に示したように、構造層として使われる０.０１/cm2の抵抗率を有する単結晶シリコンよりなるｎ-タイプの第１ウェーハ１００上にTEOSにより犠牲層２００を蒸着した後、これを所定パターンでパタニングする。
【００２９】
図６に示したように、前記犠牲層２００上にポリシリコンをLPCVD法により所定パターンのフィードスルー層３００を形成する。前記フィードスルー層３００は前述したシグナルライン６１に該当する。
【００３０】
図７に示したように、前記フィードスルー層３００上にシリコンナイトライド４００、シリコンオキシド５００及びエピタクシーシリコン層６００を順次に形成する。
【００３１】
図８に示したように、第１ウェーハ１００を約４０μｍの厚さでポリシングした後、前記エピタクシーシリコン層６００側に第２シリコンウェーハとしての基板１をSDBにより付着する。
【００３２】
図９に示したように、前記フィードスルー層３００、即ち、前述したシグナルライン６１に電気的に連結されるパッド６をCr/Auにより形成した後、RIEにより前記第１ウェーハ１００をエッチングして、前述した共振構造物１３０を形成する。
【００３３】
図１０に示したように、前記犠牲層２００をHFを用いた湿式エッチング法により除去して前記共振構造物１３０をリリーシングする。
【００３４】
図１１に示したように別設された第３ウェーハ９００の上下表面に第１、第２マスク層９０１、９０２を形成する。
【００３５】
図１２に示したように、前記第１マスク層９０１において、前記共振構造物１３０の両側に対応する部分をエッチングにより除去した後、前記第１マスク層９０１に覆われない前記第３ウェーハ９００の露出部分を所定深度エッチングする。
【００３６】
図１３に示したように、前記第２マスク層９０２において、前記共振構造物１３０に対応する部分をエッチング法により除去して、前記共振構造物１３０に対応する第３ウェーハ９００の底面を露出させる。
【００３７】
図１４に示したように、前記第１マスク層９０１と第２マスク層９０２に覆われない前記第３ウェーハ９００の露出部分を異方性エッチング法によりエッチングする。
【００３８】
図１５に示したように、前記第１、第２マスク層９０１、９０２を除去した後、前記第３ウェーハ９００の全表面に酸化膜９０３を形成し、前記第３ウェーハ９００の底面にガラスフリットの溶融ガラス接着剤９０４を塗布した後、第１ウェーハ１００に形成された共振構造物１３０に装着した後、図１６に示したような３MPa/cm2の圧力を維持する真空チャンバ内で前記接着剤９０４を４００乃至６００℃範囲の温度で硬化して、図１に示したようなマイクロジャイロスコープを得る。ここで、前記第１ウェーハ１００と第３ウェーハ９００の接合は、前記のように接着剤９０４を使用する場合もあり、金による共晶ボンディングまたはSDB(Silicon Direct Bonding)、アノードボンディングにより接合する場合もある。
【００３９】
ここで図１６に示した真空チャンバ１０００を説明すれば、真空ゲージ１００３が設けられた真空チャンバ１０００内に外部のヒーターコントローラ１００１に連結されるものとして、前述した過程を通じて製作された図１に示した形態の製品１１００が搭載されるホットプレート１００２が備えられ、製品１１００上には製品１１００を加圧するウェイト１００５が設けられる。そして、前記真空チャンバ１０００にはパージガスを注入するパージガス注入部１００６とターボポンプ、ロータリーポンプを備えた排気装置１００７が連結される。前記ホットプレート１００２は、前記ヒーターコントローラ１００１からのヒーティング電流により加熱されると共にその温度が調節される。
【００４０】
図１７は前記第３ウェーハ９００によるキャップ構造物が装着されない状態のマイクロジャイロスコープの写真であり、図１８は完成されたマイクロジャイロスコープのキャップ部分を部分切断した状態の写真である。
【００４１】
図１９は完成されたマイクロジャイロスコープを搭載したモジュールの写真であり、図２０は完成されたマイクロジャイロスコープを回路基板に直接マウンティングした状態を示す回路基板の写真である。図２０に示したように、本発明によれば、MEMS構造物それ自体にパッドが備えられているために図１９のように独立的にモジュール化する必要がなく、基板自体に実装できる。
【００４２】
以上、マイクロジャイロスコープ製作方法を中心として説明されたが、これにより真空パッケージングが必要な他のMEMS構造の素子を製作できる。
【００４３】
即ち、本発明の製造方法は、第１ウェーハにシグナルラインを含む多層構造の積層を形成する第１段階と、前記多層構造の積層に第２ウェーハを付着する第２段階と、前記第１ウェーハを所定厚さで研磨する第３段階と、前記第１ウェーハに前記シグナルラインに連結されたものとして真空化領域内に位置するMEMS構造物と真空化領域の外部に位置するパッドとを形成する第４段階と、第３ウェーハに前記MEMS構造の真空化領域に対応する空間を有する構造を形成する第５段階と、前記第１ウェーハの研磨面と第３ウェーハを真空環境で結合する第６段階とを含む。
【００４４】
前記MEMS構造体を得る段階で、希望するMEMSの構造体を形成することによって、前記のようなジャイロスコープ、その他のセンサーを製作できる。このようなMEMS構造体は、例えば図２に示したような外形を有し、その内部の真空領域に特定機能を有する構造物を形成できる。
【００４５】
このような本発明によれば、一ウェーハ中で多層構造のMEMS構造物を半導体工程を用いて作れる工程である。既存のポリシリコンを用いる工程とは違って単結晶シリコンを用いることによってポリシリコンによる残留応力の問題を解決できる。また、ポリシリコンは工程上２μｍ〜１０μｍ程度の厚さの構造物で制限されているが、この工程では１０μｍ以上の厚い構造物も製作できる。また、ディープRIE(Deep Reactive Ion Etch)を用いて２０:１以上の高断面比を有する構造物を製作できる。製作された構造物をウェーハレベル真空パッケージングして構造を保護し作動に必要な真空度を維持させることによって、以後工程の収率を向上させ、別の真空パッケージング工程が要らなくて工程を単純化できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたような本発明は構造層として単結晶シリコンを使用するために、残留応力によるセンサーやアクチュエータと作動中に不安になることもなく、十分に厚い構造を形成するために重い構造を作ってQ-ファクターの大きい共振構造物を作れる。また、SOI工程とは違って複雑で多層の構造も容易に作れる。また、フィードスルー、即ち、シグナルラインが構造物下で形成されることによって、ウェーハレベルでの真空パッケージングが可能で、特に内部連結のためのホールがないためにこれによる真空状態の気密漏れを防止できる。また、前述したようにウェーハレベルで真空パッケージングが可能なので既存の半導体パッケージング技術をそのまま適用することによって、別の真空パッケージング工程が要らない。また、本発明で製造されたMEMS構造は自身にパッドが備えられているために、ケース内にチップが設けられるモジュール化が要らなく回路基板それ自体に実装できる。
【００４７】
本発明は図面に示した実施形態を参考として説明されたが、これは例示的なことに過ぎなく、当該分野で通常的な知識を有する者であれば、これよりて多様な変形及び均等な他実施形態が可能である点を理解するはずである。従って、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求範囲に限って決まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明により完成されたマイクロジャイロスコープの概略的な横断面図である。
【図２】  本発明により完成されたマイクロジャイロスコープの概略的な斜視図である。
【図３】  本発明により完成されたマイクロジャイロスコープの内部共振構造を示す平断面図である。
【図４】  本発明により完成されたマイクロジャイロスコープの共振構造物の構造を概略的に示す斜視図である。
【図５】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第１の段階を示す概略断面図である。
【図６】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第２の段階を示す概略断面図である。
【図７】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第３の段階を示す概略断面図である。
【図８】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第４の段階を示す概略断面図である。
【図９】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第５の段階を示す概略断面図である。
【図１０】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第６の段階を示す概略断面図である。
【図１１】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第７の段階を示す概略断面図である。
【図１２】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第８の段階を示す概略断面図である。
【図１３】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第９の段階を示す概略断面図である。
【図１４】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第１０の段階を示す概略断面図である。
【図１５】  本発明に係るマイクロジャイロスコープの製造工程図であって、第１１の段階を示す概略断面図である。
【図１６】  本発明の製造方法に適用された真空チャンバの概略的な構成図である。
【図１７】  本発明により製作されたマイクロジャイロスコープにおいて、キャップ構造物が装着されない状態の写真である。
【図１８】  本発明により完成されたマイクロジャイロスコープのキャップ部分を部分切断した状態の写真である。
【図１９】  本発明により完成されたマイクロジャイロスコープを搭載したモジュールの写真である。
【図２０】  本発明により完成されたマイクロジャイロスコープを回路基板に直接マウンティングした状態を示す回路基板の写真である。
【符号の説明】
１  第１基板
６  パッド
１００  第２基板
１１０  接着層
１３０  フレーム構造
３００  フィードスルー層
４００  シリコンナイトライド
５００  シリコンオキシド
６００  エピタクシーシリコン層
９００  キャップ
【図１】
0004180780.tif 000002
【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】
0004180780.tif 000017
【図１７】
0004180780.tif 000018
【図１８】
0004180780.tif 000019
【図１９】
0004180780.tif 000020
【図２０】
0004180780.tif 000021