JP5610177B2 - Functional device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、集積回路基板にマイクロマシンを積層した、機能デバイス及びその製造方法 に関するものである。 The present invention relates to a functional device in which micromachines are stacked on an integrated circuit substrate and a manufacturing method thereof.
従来、Si基板に大規模集積回路(以下、大規模集積回路をLSIと呼ぶ)を組み込んだ所謂LSI基板に対して、マイクロマシン(以下、MEMS(Micro Electro Mechanical System)と呼ぶ。)を組み込む場合には、表面マイクロマシニングによってLSIとMEMSをSi基板上に同時に作製する方法が知られている。この方法においては、MEMSを構成する多結晶シリコン(Si)のストレス緩和のために、例えば1000℃以上で30分の高温プロセスのアニール処理が必要である。従って、デザインルールの小さい、例えば1μm程度以下の微細なLSIを集積化することが困難である。 Conventionally, when a micromachine (hereinafter referred to as MEMS (Micro Electro Mechanical System)) is incorporated into a so-called LSI substrate in which a large-scale integrated circuit (hereinafter referred to as LSI) is incorporated in a Si substrate. A method is known in which LSI and MEMS are simultaneously fabricated on a Si substrate by surface micromachining. In this method, annealing of a high-temperature process, for example, at 1000 ° C. or higher for 30 minutes is required to relieve the stress of polycrystalline silicon (Si) constituting the MEMS. Therefore, it is difficult to integrate fine LSIs having a small design rule, for example, about 1 μm or less.
多結晶シリコン(Si)を多結晶シリコンゲルマニウム(SiGe)に変更すれば、プロセス温度は400℃程度まで低くすることができるが、多結晶SiGeの組成制御等が難しい。また、メタライゼーションによる表面マイクロマシニングの場合には、スパッタ金属膜やめっき膜によりMEMSを作製することになるため、振動したとき等の機械的特性が良くない。さらに、パッケージは別に手当する必要がある。また、LSIとMEMSをSi基板上に同時に作製することから、LSI基板の製造を一般的なLSIファンドリに委託することができないことが多い。さらに、LSIの直上にMEMSを構成することができないので、Si基板の面積効率が低くなってしまう。 If polycrystalline silicon (Si) is changed to polycrystalline silicon germanium (SiGe), the process temperature can be lowered to about 400 ° C., but it is difficult to control the composition of polycrystalline SiGe. In addition, in the case of surface micromachining by metallization, a MEMS is produced by a sputtered metal film or a plating film, so that mechanical characteristics such as vibration are not good. In addition, packages need to be paid separately. Further, since the LSI and the MEMS are manufactured on the Si substrate at the same time, it is often impossible to entrust the manufacture of the LSI substrate to a general LSI foundry. Furthermore, since the MEMS cannot be formed directly on the LSI, the area efficiency of the Si substrate is lowered.
これに対して、SOI(Silicon On Insulator)基板の一部にLSIを形成しておき、集積回路が形成されていない領域に、RIEや薄膜堆積等の低温プロセスによりMEMSを作製する方法も知られている。この方法においては、MEMSの材料として機械的特性に優れる単結晶Siを利用できるが、同様にLSIの直上にMEMSを構成することができないので、Si基板の面積効率が低くなってしまう。従って、高価な最先端LSIに適用することは、コストの観点から困難である。また、MEMSの加工は、LSIを損傷させないものに限定されてしまう。さらに、この場合も、パッケージは別に手当する必要がある。 On the other hand, a method is also known in which an LSI is formed on a part of an SOI (Silicon On Insulator) substrate, and a MEMS is manufactured in a region where no integrated circuit is formed by a low temperature process such as RIE or thin film deposition. ing. In this method, single-crystal Si having excellent mechanical characteristics can be used as the MEMS material, but similarly, the MEMS cannot be formed immediately above the LSI, so that the area efficiency of the Si substrate is lowered. Therefore, it is difficult to apply to an expensive advanced LSI from the viewpoint of cost. In addition, processing of MEMS is limited to those that do not damage the LSI. In this case, the package needs to be treated separately.
また、LSI基板に犠牲層となるSi酸化膜(SiO2)又はスピンオンガラスを介して単結晶シリコンを貼り合わせて、MEMSを作製する方法も知られている。この方法においては、MEMSの加工は、同様にLSIを損傷させないものに限定されてしまうと共に、LSI基板又はMEMSに配設されているSiO2が、上記犠牲層のSiO2等のエッチングの際に損傷するおそれがあり、接合時の歩留まりの点で不利であり、さらにパッケージは別に手当する必要がある。 There is also known a method for manufacturing a MEMS by bonding single crystal silicon to an LSI substrate via a silicon oxide film (SiO 2 ) or a spin-on glass serving as a sacrificial layer. In this method, the processing of the MEMS is similarly limited to that which does not damage the LSI, and the SiO 2 disposed on the LSI substrate or the MEMS is etched when the sacrificial layer such as SiO 2 is etched. There is a risk of damage, which is disadvantageous in terms of yield at the time of bonding, and the package needs to be treated separately.
さらに、SiウェハにMEMSを埋め込んで、その上にLSIを作製する方法も知られている。この方法においては、MEMSを埋め込むために成長させたSiは、MEMS上ではLSIに適さない多結晶になるので、同様にLSIの直上にMEMSを構成することができない。したがって、Si基板の面積効率が低くなってしまい、高価な最先端LSIに適用することは、コストの観点から困難である。また、Siウェハに埋め込めるMEMSは材料や作製工程に制約が多い。 Furthermore, a method for embedding MEMS in a Si wafer and manufacturing an LSI on the MEMS is also known. In this method, since the Si grown for embedding the MEMS becomes polycrystalline suitable for LSI on the MEMS, the MEMS cannot be formed on the LSI as well. Therefore, the area efficiency of the Si substrate is lowered, and it is difficult to apply to an expensive advanced LSI from the viewpoint of cost. In addition, MEMS embedded in a Si wafer has many restrictions on materials and manufacturing processes.
このようにして、何れの方法においても、特に最先端LSIと高性能MEMSの組合せにおいて、LSIとMEMSのプロセス整合性を考慮する必要があるので、作製できるMEMSが限定されてしまう。例えば、PZT等の高温プロセスを必要とするMEMSを利用することはできず、また二種以上のMEMSの集積化にも対応することができない。したがって、このようなMEMSは、チップレベルでの集積化及びパッケージングが一般的であり、そのためデバイスの小型化に限界があり、寄生容量、寄生抵抗、寄生インダクタンス等のために、高性能化にも限界がある。 As described above, in any method, especially in the combination of the most advanced LSI and high-performance MEMS, it is necessary to consider the process consistency between the LSI and the MEMS, so that the MEMS that can be manufactured is limited. For example, MEMS that requires a high-temperature process such as PZT cannot be used, and the integration of two or more types of MEMS cannot be supported. Therefore, such MEMS are generally integrated and packaged at the chip level, and therefore there is a limit to miniaturization of the device. Due to parasitic capacitance, parasitic resistance, parasitic inductance, etc., high performance is achieved. There is a limit.
ところで、基板にインダクタ、抵抗、コンデンサ等の受動部品を組み込んだ所謂LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic)基板が知られている。しかしながら、このようなLTCC基板とLSI基板及びMEMSとの集積化は、現在のところ試みられていない。 By the way, a so-called LTCC (Low Temperature Coated Ceramic) substrate in which passive components such as an inductor, a resistor, and a capacitor are incorporated in the substrate is known. However, integration of such LTCC substrate, LSI substrate and MEMS has not been attempted at present.
これに対して、特許文献1には、少なくとも一つのMEMS及び少なくとも一つのゲルマニウムパターン層を含む第一のSi基板と、少なくとも一つのアルミニウム層及び一つの電気接点を含む第二のSi基板と、を備えており、ゲルマニウム層がアルミニウム層に接合されて、強い電気的及び機械的接触を生ずることを特徴とする、ウェハ構造体が開示されている。 In contrast, Patent Document 1 discloses a first Si substrate including at least one MEMS and at least one germanium pattern layer, a second Si substrate including at least one aluminum layer and one electrical contact, There is disclosed a wafer structure characterized in that a germanium layer is bonded to an aluminum layer to produce strong electrical and mechanical contact.
特許文献2には、MEMSをマイクロマシンチップに対してSLID(Solid Liquid Interdiffusion)接合によって貼付け、次に蓋をMEMSチップにSLID接合によって貼付けることで構成されたMEMSベースデバイスが開示されている。 Patent Document 2 discloses a MEMS base device configured by sticking a MEMS to a micromachine chip by SLID (Solid Liquid Interdiffusion) bonding, and then sticking a lid to the MEMS chip by SLID bonding.
特許文献1に開示された方法は、上記の表面マイクロマシニングによる集積化方法及びSOI基板を用いた集積化方法の問題点を解決できる。しかしながら、LSIに加えて複数のデバイス、つまり二種類以上のMEMS、あるいはMEMSと受動部品を集積化することが難しい。特に、MEMSと受動部品を集積化する場合、MEMSと受動部品を同時に同一基板に形成する必要があり、これらのプロセス整合性を考慮する必要があるばかりか、大きなチップ面積が必要になり、小型化やコストの点でも問題がある。
特許文献1によるウェハ構造体においては、MEMSと同時に形成した受動部品をCMOS基板に集積化することは可能であるが、MEMS基板或いは隣接するLSI基板によって寄生容量が発生することになるので、高周波特性が損なわれてしまう。
さらに、貫通配線を介してLSI及びMEMSの取出し電極をチップ表面に露出させ、半田リフローによる表面実装に対応する場合、これに関して具体的な方法は文献1には説明されていないが、構造上、貫通電極をMEMSと同時に同一基板に作製する必要があり、これらのプロセス整合性を考慮する必要があるばかりか、配線と基板との間に生じる寄生容量が問題になる。
The method disclosed in Patent Document 1 can solve the problems of the integration method using the surface micromachining and the integration method using the SOI substrate. However, it is difficult to integrate a plurality of devices in addition to LSI, that is, two or more types of MEMS, or MEMS and passive components. In particular, when integrating MEMS and passive components, it is necessary to form the MEMS and passive components on the same substrate at the same time, and it is necessary not only to consider the process consistency of these, but also a large chip area is required. There are also problems in terms of cost and cost.
In the wafer structure according to Patent Document 1, it is possible to integrate passive components formed simultaneously with the MEMS on the CMOS substrate, but parasitic capacitance is generated by the MEMS substrate or the adjacent LSI substrate. Characteristics will be impaired.
Further, when the LSI and MEMS take-out electrodes are exposed to the chip surface through the through-wiring and corresponding to surface mounting by solder reflow, a specific method is not described in Document 1, but structurally, It is necessary to manufacture the through electrode on the same substrate simultaneously with the MEMS, and it is necessary not only to consider the process consistency, but also parasitic capacitance generated between the wiring and the substrate becomes a problem.
特許文献2によるMEMSベースデバイスにおいては、SLID接合が一旦接合すると同じ接合温度では再融解しない特徴を利用しているが、MEMSチップに関する詳細な説明がなく、LSI基板を想定したものではない。従って、本発明とは目的,構成及び効果が異なる。仮にLSI基板に適用したとしても、特許文献1と同様の問題が起こる。 The MEMS base device according to Patent Document 2 uses the feature that once the SLID junction is joined, it does not remelt at the same junction temperature, but there is no detailed explanation about the MEMS chip, and an LSI substrate is not assumed. Therefore, the object, configuration and effect are different from the present invention. Even if it is applied to an LSI substrate, the same problem as in Patent Document 1 occurs.
本発明は、上記課題に鑑み、ウェハレベルで集積回路基板及びマイクロマシン、さらにはカバーとなるLTCC基板等を集積化することができるようにした、機能デバイス及びその製造方法を提供することを目的としている。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a functional device capable of integrating an integrated circuit substrate and a micromachine, and an LTCC substrate serving as a cover at a wafer level, and a method for manufacturing the same. Yes.
上記目的を達成するため、本発明の機能デバイスは、導体基板の表面に構成された集積回路からなる集積回路基板と、集積回路基板と間隙を介して設けられ、半導体基板とほぼ同じ熱膨張率の材料からなるカバー基板と、集積回路基板とカバー基板との間隙を封止する周状の封止部と、集積回路基板とカバー基板との間に配設され、かつ封止部内に収容されて集積回路基板及び/又はカバー基板に電気的に接続されるマイクロマシンと、カバー基板又は集積回路基板の何れかに配設されて実装用の取出し電極となる金属パッドと、を備え、カバー基板は、セラミック基板又はガラス基板からなり、マイクロマシンは、カバー基板及び集積回路基板とは独立して形成されており、カバー基板の集積回路基板に対向する表面に機械的に接合されていることを特徴とする。
本発明の別の機能デバイスは、半導体基板の表面に構成された集積回路からなる集積回路基板と、集積回路基板と間隙を介して設けられ、半導体基板とほぼ同じ熱膨張率の材料からなるカバー基板と、集積回路基板とカバー基板との間隙を封止する周状の封止部と、集積回路基板とカバー基板との間に配設され、かつ封止部に収容されて集積回路基板及び/又はカバー基板に電気的に接続されるマイクロマシンと、カバー基板又は集積回路基板の何れかに配設されて実装用の取出し電極となる金属パッドと、を備え、カバー基板は、セラミック基板又はガラス基板からなり、マイクロマシンは、カバー基板及び集積回路基板とは独立して形成されており、集積回路基板に機械的に接合されていることを特徴とする。
上記構成において、マイクロマシンは、好ましくは、カバー基板に陽極接合又は金属接合により接合されている。
マイクロマシンは、好ましくは、集積回路基板に金属接合により接合されている。
実装用の金属パッドは、好ましくは、カバー基板又は半導体基板に配設される貫通配線に接続される。
上記第一の構成によれば、集積回路基板及びマイクロマシンは、それぞれ独立して最適化して作製可能である。即ち、集積回路基板及びマイクロマシンは、それぞれファンドリに委託して作製することができる。
従って、マイクロマシンは、集積回路基板の作製工程を考慮せずに、例えば高温処理も可能であるので、PZT等の材料を使用したマイクロマシンを作製することも可能である。
In order to achieve the above object, a functional device of the present invention is provided with an integrated circuit substrate composed of an integrated circuit formed on the surface of a conductor substrate and a gap between the integrated circuit substrate and a thermal expansion coefficient substantially the same as that of a semiconductor substrate. A cover substrate made of the above material, a circumferential sealing portion for sealing a gap between the integrated circuit substrate and the cover substrate, and disposed between the integrated circuit substrate and the cover substrate and housed in the sealing portion. with and electrically connected to Ru micromachined integrated circuit board and / or the cover substrate, the metal pads in the extraction electrode for mounting are disposed on either of the cover substrate or integrated circuit substrate, the Te, the cover substrate Made of ceramic substrate or glass substrate, the micromachine is formed independently of the cover substrate and the integrated circuit substrate, and is mechanically bonded to the surface of the cover substrate facing the integrated circuit substrate And wherein the Rukoto.
Another functional device of the present invention includes an integrated circuit substrate made of an integrated circuit formed on the surface of a semiconductor substrate, and a cover made of a material having substantially the same thermal expansion coefficient as that of the semiconductor substrate. A substrate, a circumferential sealing portion that seals a gap between the integrated circuit substrate and the cover substrate, and an integrated circuit substrate disposed between the integrated circuit substrate and the cover substrate and housed in the sealing portion; And / or a micromachine that is electrically connected to the cover substrate, and a metal pad that is disposed on either the cover substrate or the integrated circuit substrate and serves as an extraction electrode for mounting. The cover substrate is a ceramic substrate or glass. The micromachine is formed of a substrate, is formed independently of the cover substrate and the integrated circuit substrate, and is mechanically bonded to the integrated circuit substrate.
In the above configuration, the micromachine is preferably bonded to the cover substrate by anodic bonding or metal bonding.
The micromachine is preferably bonded to the integrated circuit substrate by metal bonding.
The metal pad for mounting is preferably connected to a through wiring disposed on the cover substrate or the semiconductor substrate.
According to the first configuration, the integrated circuit board and the micromachine can be independently optimized and manufactured. That is, the integrated circuit board and the micromachine can be manufactured by entrusting each to a foundry.
Therefore, the micromachine can be processed at a high temperature, for example, without considering the manufacturing process of the integrated circuit substrate. Therefore, a micromachine using a material such as PZT can be manufactured.
集積回路基板,マイクロマシン及びカバー基板をウェハレベルで一体化して作製することが可能であると共に、集積回路基板内の集積回路の直上にマイクロマシンを配置することが可能であるので、面積効率が向上し、小型のチップサイズパッケージを構成することが可能である。
さらに、カバー基板がSi基板とほぼ同じ低熱膨張率の材料から構成されているので、集積回路基板に対してカバー基板を接合したとき、熱膨張率の差に基づいて熱変化でデバイス全体が反ったり、カバー基板が集積回路基板から剥離するようなことがなく、デバイスの信頼性が向上する。
特に、マイクロマシンが陽極接合により集積回路基板又はカバー基板に対して接合される場合には、集積回路基板又はカバー基板に対する電極間距離が高精度で設定され得るので、マイクロマシンとして静電キャパシタや静電スイッチ等に適している。
The integrated circuit board, the micromachine, and the cover board can be manufactured integrally at the wafer level, and the micromachine can be disposed immediately above the integrated circuit in the integrated circuit board, so that the area efficiency is improved. It is possible to configure a small chip size package.
Further, since the cover substrate is made of a material having a low thermal expansion coefficient that is substantially the same as that of the Si substrate, when the cover substrate is bonded to the integrated circuit substrate, the entire device warps due to a thermal change based on the difference in the thermal expansion coefficient. In addition, the cover substrate is not peeled off from the integrated circuit substrate, and the reliability of the device is improved.
In particular, when the micromachine is bonded to the integrated circuit substrate or the cover substrate by anodic bonding, the distance between the electrodes with respect to the integrated circuit substrate or the cover substrate can be set with high accuracy. Suitable for switches.
上記構成において、好ましくは、集積回路基板の表面に設けられた周状の封止用金属パッドと封止用金属パッドに対応してカバー基板に設けられた周状の封止用金属パッドとが、封止用金属パッドの何れか一方又は双方に設けられた封止部を介して接続されている。
上記構成によれば、集積回路基板及びカバー基板により画成される内部空間が、例えば真空に保持され、又は不活性ガスで満たされることで、この内部空間内に配置されるマイクロマシンが、内部の湿気等によって化学変化を起こしたり、吸着したりするようなことがなく、確実に動作することが可能である。
In the above configuration, preferably, a circumferential sealing metal pad provided on the surface of the integrated circuit substrate and a circumferential sealing metal pad provided on the cover substrate corresponding to the sealing metal pad are provided. And are connected via a sealing portion provided on one or both of the metal pads for sealing.
According to the above configuration, the internal space defined by the integrated circuit substrate and the cover substrate is maintained in a vacuum, for example, or filled with an inert gas, so that the micromachine disposed in the internal space has an internal space. It can operate reliably without causing chemical change or adsorption due to moisture or the like.
上記構成において、好ましくは、集積回路基板が、その表面に前記集積回路からの取出し電極用の金属パッドを備えており、カバー基板が内部に受動部品を内蔵し、マイクロマシンが接合したセラミック基板であって、セラミック基板の表面には受動部品とマイクロマシンとを接合するための金属パッドとが配設され、カバー基板の金属パッドと集積回路基板の金属パッドとが、金属パッドの何れか一方又は双方に設けられた金属バンプを介して接合されている。
上記構成によれば、集積回路基板、マイクロマシン及びカバー基板がそれぞれ独立して作製された後に一体化されるので、集積回路,マイクロマシン及び受動部品を備えたデバイスを作製することができる。さらに、これら三つの要素、つまり、集積回路基板、マイクロマシン及びカバー基板は積層されているので、面積効率を高くすることができる。
In the above configuration, the integrated circuit substrate is preferably a ceramic substrate having a surface on which a metal pad for an extraction electrode from the integrated circuit is provided, a cover substrate containing passive components therein, and a micromachine joined thereto. The surface of the ceramic substrate is provided with a metal pad for bonding the passive component and the micromachine, and the metal pad of the cover substrate and the metal pad of the integrated circuit substrate are attached to one or both of the metal pads. It joins through the provided metal bump.
According to the above configuration, since the integrated circuit substrate, the micromachine, and the cover substrate are independently manufactured and then integrated, a device including the integrated circuit, the micromachine, and the passive component can be manufactured. Furthermore, since these three elements, that is, the integrated circuit substrate, the micromachine, and the cover substrate are laminated, the area efficiency can be increased.
上記構成において、好ましくは、前記集積回路基板と前記カバー基板とを所定の間隔にするために、集積回路基板又はカバー基板が、対向する基板表面側へ突出したストッパ部を備えており、ストッパ部の存在により、マイクロマシンがカバー基板又は集積回路基板の表面に接触しないように接合される。
カバー基板がガラス基板であって、マイクロマシンがガラス基板に対して接合されていてもよい。
上記構成によれば、集積回路基板とカバー基板の接合の際に、これらの基板の間の間隙が所定値以上に保持されるので、マイクロマシンの動作空間が確保され、マイクロマシンが確実に動作可能である。
In the above configuration, preferably, the integrated circuit substrate or the cover substrate includes a stopper portion that protrudes toward the opposing substrate surface in order to set the integrated circuit substrate and the cover substrate at a predetermined interval. The micromachine is bonded so as not to contact the surface of the cover substrate or the integrated circuit substrate.
The cover substrate may be a glass substrate, and the micromachine may be bonded to the glass substrate.
According to the above configuration, when the integrated circuit substrate and the cover substrate are joined, the gap between these substrates is maintained at a predetermined value or more, so that the operation space of the micromachine is secured and the micromachine can be operated reliably. is there.
上記目的を達成するため、本発明の機能デバイスの製造方法は、Si基板の犠牲層上に形成されたSiデバイス層にマイクロマシンを作製する第一の段階と、Si基板とほぼ同じ熱膨張率の材料から成るカバー基板の下面に、封止用及び接合用の金属パッドを形成する第二の段階と、内部に集積回路が構成された集積回路基板の上面に、接合用及び封止用の金属パッドを形成し、金属パッド上に金属バンプを形成する第三の段階と、第三の段階で形成された金属バンプの上に接合層及び封止部を形成する第四の段階と、第一の段階で作製されたマイクロマシンを、第二の段階で金属パッドを形成されたカバー基板に対して陽極接合により接合し、犠牲層をエッチングしてSi基板を除去する第五の段階と、集積回路基板の上にカバー基板を載置して、封止部を用いて集積回路基板と上記カバー基板を接合し、これら集積回路基板及びカバー基板の間の領域を封止する第六の段階と、を含んでいることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a functional device according to the present invention includes a first stage of fabricating a micromachine in a Si device layer formed on a sacrificial layer of a Si substrate, and a thermal expansion coefficient substantially the same as that of a Si substrate. A second step of forming a metal pad for sealing and bonding on the lower surface of the cover substrate made of material, and a metal for bonding and sealing on the upper surface of the integrated circuit substrate in which the integrated circuit is configured Forming a pad and forming a metal bump on the metal pad; a fourth step of forming a bonding layer and a sealing portion on the metal bump formed in the third step; A fifth stage in which the micromachine fabricated in step (2) is bonded to the cover substrate on which the metal pads are formed in the second step by anodic bonding, the sacrificial layer is etched to remove the Si substrate, and an integrated circuit Place the cover board on the board And a sixth step of joining the integrated circuit board and the cover substrate using a sealing portion and sealing a region between the integrated circuit board and the cover substrate. .
本発明の機能デバイスの別の製造方法は、Si基板の犠牲層上に形成されたSiデバイス層にマイクロマシンを作製する第一の段階と、Si基板とほぼ同じ熱膨張率の材料から成るカバー基板の下面に、封止用及び接合用の金属パッドを形成し、金属パッドの上に接合層及び封止部を形成する第二の段階と、内部に集積回路が構成された集積回路基板の上面に、接合用の金属パッド及び封止用の金属パッドを形成し、金属パッド上に金属バンプを形成する第三の段階と、第三の段階で形成された金属バンプのうち、マイクロマシンと接合する金属バンプの上に接合層を形成する第四の段階と、第一の段階で作製されたマイクロマシンを、第四の段階で接合層を形成された集積回路基板に対して金属接合により接合し、犠牲層をエッチングしてSi基板を除去する第五の段階と、集積回路基板の上にカバー基板を載置して、カバー基板上の封止部を用いて集積回路基板とカバー基板とを接合し、これら集積回路基板及びカバー基板の間の領域を封止する第六の段階と、を含んでいることを特徴とする。
本発明の機能デバイスの別の製造方法において、好ましくは、前記第三の段階で金属バッド上に形成される金属バンプが、前記第六の段階で液相にならない材料で成る。
Another manufacturing method of the functional device of the present invention includes a first step of manufacturing a micromachine in a Si device layer formed on a sacrificial layer of a Si substrate, and a cover substrate made of a material having a thermal expansion coefficient substantially the same as that of the Si substrate. Forming a metal pad for sealing and bonding on the lower surface of the substrate, forming a bonding layer and a sealing portion on the metal pad, and an upper surface of the integrated circuit substrate in which the integrated circuit is configured Forming a metal pad for bonding and a metal pad for sealing, forming a metal bump on the metal pad, and bonding to the micromachine among the metal bumps formed in the third stage. The fourth stage of forming the bonding layer on the metal bump and the micromachine manufactured in the first stage are bonded to the integrated circuit substrate on which the bonding layer has been formed in the fourth stage by metal bonding. Etching the sacrificial layer a fifth step of removing the i-substrate, placing the cover substrate on the integrated circuit substrate, joining the integrated circuit substrate and the cover substrate using a sealing portion on the cover substrate, and integrating the integrated circuit substrate And a sixth stage for sealing the region between the cover substrates.
In another method of manufacturing a functional device of the present invention, preferably, the metal bump formed on the metal pad in the third stage is made of a material that does not become a liquid phase in the sixth stage.
上記構成において、犠牲層は、好ましくは、Ge又は樹脂からなる。第六の段階が、好ましくは、真空、不活性ガス及び乾燥ガスの何れかの雰囲気中で行われる。 In the above configuration, the sacrificial layer is preferably made of Ge or resin. The sixth stage is preferably performed in any atmosphere of vacuum, inert gas and dry gas.
上記構成において、好ましくは、第一の段階で、マイクロマシン作製と同時に、前記集積回路基板と前記カバー基板とを所定の間隔にするためのストッパ部を形成し、第三の段階で、集積回路基板上のストッパ部に対応する金属パッド上に金属バンプを形成し、第五の段階で、このストッパ部をマイクロマシンと共に、カバー基板の下面に陽極接合によって接合し、第六の段階で、ストッパ部を集積回路基板上の対応する金属パッドに当接させる。 In the above configuration, preferably, in the first stage, simultaneously with the fabrication of the micromachine, a stopper portion for forming a predetermined interval between the integrated circuit board and the cover substrate is formed, and in the third stage, the integrated circuit board is formed. Metal bumps are formed on the metal pads corresponding to the upper stopper portion, and in the fifth stage, this stopper portion is joined to the lower surface of the cover substrate together with the micromachine by anodic bonding. In the sixth step, the stopper portion is Abut against a corresponding metal pad on the integrated circuit board.
上記構成において、好ましくは、第二の段階で、カバー基板として内部に受動部品を内蔵するセラミック基板を使用して、第六の段階で、カバー基板内の受動部品を集積回路基板内の集積回路に対して接続する。 In the above configuration, preferably, in the second stage, a ceramic substrate containing passive components therein is used as the cover substrate, and in the sixth stage, the passive components in the cover substrate are integrated into the integrated circuit in the integrated circuit substrate. Connect to.
上記構成において、好ましくは、第二の段階で、カバー基板としてガラス基板を使用して、第五の段階で、マイクロマシンをガラス基板に移転する。 In the above configuration, preferably, the glass substrate is used as the cover substrate in the second stage, and the micromachine is transferred to the glass substrate in the fifth stage.
上記構成において、好ましくは、第二の段階で、カバー基板として、上下に貫通する貫通配線を備えたガラス基板を使用して、第六の段階で、集積回路基板内の集積回路及びマイクロマシンの取出し電極を、貫通配線を介してカバー基板の上面に露出させる。 In the above configuration, preferably, in the second stage, a glass substrate having a through wiring penetrating vertically is used as the cover substrate in the second stage, and in the sixth stage, the integrated circuit and the micromachine are taken out from the integrated circuit board. The electrode is exposed on the upper surface of the cover substrate through the through wiring.
上記構成において、好ましくは、第三の段階で、集積回路基板として、上下に貫通する貫通配線を備えた集積回路基板を使用して、第六の段階で、集積回路基板内の集積回路及びマイクロマシンの取出し電極を、貫通配線を介して集積回路基板の下面に露出させる。 In the above configuration, preferably, in the third stage, an integrated circuit board provided with through-wirings extending vertically is used as the integrated circuit board, and in the sixth stage, the integrated circuit and the micromachine in the integrated circuit board are used. The extraction electrode is exposed on the lower surface of the integrated circuit board through the through wiring.
上記構成によれば、機能デバイスを、集積回路基板,マイクロマシン及びカバー基板をそれぞれ独立して最適化して作製することができる。 According to the above configuration, the functional device can be manufactured by independently optimizing the integrated circuit substrate, the micromachine, and the cover substrate.
本発明によれば、ウェハレベルで集積回路基板及びマイクロマシン、さらには受動回路をも内蔵できるカバー基板を積層して集積化することができるようにした、機能デバイスを構成することが可能である。 According to the present invention, it is possible to configure a functional device that can be integrated by stacking an integrated circuit substrate and a micromachine, and a cover substrate that can also incorporate a passive circuit at the wafer level.
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明による機能デバイス10の第1の実施形態を示している。
図1において、機能デバイス10は、集積回路が配設されている集積回路基板(以下、LSI基板と呼ぶ)11と、LSI基板11を覆うカバー基板13と、LSI基板11とカバー基板13とを接合する周状の封止部14と、LSI基板11とカバー基板13との間に配設され、LSI基板11とカバー基板13の何れかに電気的に接続されるマイクロマシン12と、を備えており、封止部14によって少なくともマイクロマシン12が封止されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of a
In FIG. 1, a
LSI基板11は、公知の構成であって、半導体基板の表面に構成された集積回路(以下、LSIと呼ぶ)を備えている。即ち、LSI基板11は、例えば多層の配線層と、これらの配線層中あるいは配線層間に構成された各種素子と、を含んでいる。さらに、LSI基板11は、その上面に、LSIからの取出し電極としての金属パッド11a,間隙調整用の金属パッド11c及び封止のための周状の金属パッド11bを備えている。金属パッド11a,11c上には、さらに表面にめっき等により金属バンプ11d,11fが形成されている。封止用の周状の金属パッド11b上には、表面にめっき等により周状の金属バンプ11eが形成されている。ここで、金属パッド11bは、LSI基板11の表面においてその輪郭に沿って設けられて周状に形成されており、例えばLSI基板11が四角形であれば金属パッド11bはLSI基板11の周縁に沿って矩形の枠型に形成される。
The
ここで、本発明のLSI基板11は、半導体の種類、集積規模や最小加工寸法を問わない。つまり、マイクロマシン12と組み合わせて使用することができる機能を有する集積回路であれば、如何なる集積回路でもよい。
Here, the
MEMS12は、図示の場合、静電可変キャパシタであって、デバイス層12aの凹陥部12b内に形成された二つの電極12c,12dから構成されており、後述するように作製される。
In the illustrated case, the
MEMS12は、後述するカバー基板13の下面に対して陽極接合によってカバー基板と接合されており、カバー基板13の下面に設けられた対応する金属パッド13eに対して、電極12c,12dが接合され、機械的に固定されると共に、電気的に接続される。
The
ここで、MEMS12は、シリコン(Si)等からなる基板上に形成された後、カバー基板13に対して移転(トランスファとも呼ぶ)される。後述するMEMS用基板を用い、そのSi基板上にMEMS12となるデバイス層12aが形成される際に、同時にストッパ部12eをSi基板上に形成してもよい。このストッパ部12eは、MEMS12のカバー基板13へのトランスファの際に、同様にカバー基板13の下面に対して陽極接合によりトランスファされる。
Here, the
カバー基板13は、Si基板とほぼ同じ熱膨張率の材料から成る基板である。カバー基板13には、セラミック基板、ガラス基板等を使用することができる。特に、低熱膨張率の低温焼成セラミック基板(Low Temperature Cofired Ceramics、以下、LTCC基板と呼ぶ)を用いることができる。具体的には、LTCC基板13は、陽極接合可能な低熱膨張率基板、即ちSi基板とほぼ同じ熱膨張率の材料から成る。LTCC基板13は、基板13aと、基板13a内部に内蔵された縦配線、横配線、それらに接続されたインダクタ13b等の受動部品と、から構成されてもよい。
これにより、LTCC基板13にMEMS12が陽極接合によって、静電隙間が高精度で形成される。
The
Thereby, the electrostatic gap is formed with high accuracy on the
さらに、LTCC基板13は、その上面に、実装用の金属パッド13cを備えていると共に、その下面に、LSI基板11との接合用の金属パッド13dとMEMS12との接合用の金属パッド13eと封止のための周状の金属パッド13fとを備えている。
ここで、金属パッド13fは、LTCC基板13の表面(下面)においてその輪郭に沿って設けられて周状に形成されており、例えばLTCC基板13が四角形であれば金属パッド13fはLTCC基板13の周縁に沿って矩形の枠型に形成される。また、金属パッド13fは、LSI基板11の金属パッド11bと対向するように、LTCC基板13の表面(下面)に設けられる。
これにより、LTCC基板13の金属パッド13d及び13fが、LSI基板11の金属パッド11a,11bに対して、それぞれ所謂TLP(Transient Liquid Phase)接合,高温半田接合又は金属拡散接合等の金属接合によって貼り付けられ、封止される。具体的には、LSI基板11とLTCC基板13との間隔を一定にした状態でLSI基板11とLTCC基板13との間の空間を気密的にシールするようLSI基板11とLTCC基板13とを接合部14(封止部14とも呼ぶ)を介して連結する。その際、封止作業が真空中、不活性ガス雰囲気中、あるいは乾燥ガス中で行われることによりLSI基板11及びLTCC基板13の間の間隙が封止され、MEMS12が真空中、不活性ガス中、あるいは乾燥ガス中に配置される。この場合、接合部14を集積回路基板11の外周部に設け、接合部14によって集積回路基板11を封止するようにしてもよい。
Further, the
Here, the
As a result, the
具体的には、LSI基板11の周状の金属バンプ11e上には、金属からなる周状、即ちLSI基板11及びLTCC基板13の外周縁に沿った四角型の枠状の封止部14が形成されており、LSI基板11の金属バンプ11d上には、LTCC基板13との金属パッド13dとを接続するための接合層15が形成されている。封止部14及び接合層15は同じ工程で形成することができる。LSI基板11上にLTCC基板13が載置され、加熱により封止部14及び接合層15が液相化した状態で、LTCC基板13がLSI基板11に対して押圧される。その際、LTCC基板13の下面に設けたストッパ部12eが、LSI基板11上の金属パッド11c上の金属バンプ11fに当接することによって、LSI基板11とLTCC基板13との間隙が、所定値以下にはならないように規制される。
Specifically, on the
本発明の第1の実施形態に係る機能デバイス10は、以上のように構成されており、図2及び図3に示す製造方法によって作製することができる。
図2及び図3は、図1の機能デバイス10の製造方法を順次に示す概略断面図である。
図2(A)において、先ず、MEMS用Si基板21にMEMS12を作製する。MEMS12は、具体的には、後述する図4及び図5に示すように、ゲルマニウム(Ge)層付きSOI基板22と酸化膜付きのSi基板23とを用いて作製される。MEMS用Si基板21は、図示の場合、紙面上方から下方へ向かって、後述するSiデバイス層に形成されたストッパ部12eを含むMEMS12とGe層22dとSiO2層23bとSi基板23とSiO2層23aとからなる積層構造を有している。
ここで、MEMS用Si基板21として、SOI基板単体を使用すると、LTCC基板13にトランスファした後に絶縁層を除去する際にLTCC基板13がエッチングされるおそれがあるので、SOI基板は使用しない。
なお、MEMS用Si基板21の積層構造を、上記各層の間に斜線を入れ、Siデバイス層/Ge/SiO2/Si基板/SiO2と表記する。
The
2 and 3 are schematic cross-sectional views sequentially showing a method for manufacturing the
In FIG. 2A, first, the
Here, if an SOI substrate alone is used as the
The stacked structure of the
次に、図2(B)に示すように、LTCC基板13を用意して、LTCC基板13の上面に実装用の金属パッド13cを形成すると共に、下面にMEMS接合用の金属パッド13e,LSI基板11の接合用の金属パッド13d及び封止用の金属パッド13fを形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, an
続いて、図2(C)に示すように、MEMS12を有するMEMS用Si基板21と、LTCC基板13を重ね合わせて、陽極接合によって接合する。これにより、MEMS12の電極12c,12dがLTCC基板13の金属パッド13eに接触し、電気的に接続される。この場合、MEMS12は、封止部14を介さずに、直接にLTCC基板13に対して陽極接合により接合されるので、MEMS12とLTCC基板13との間隙、即ち電極12c,12dと電極パッド13eとの間の距離を精密に制御することが可能であり、高精度で静電可変キャパシタのような静電デバイスを構成することができる。
ここで、MEMS12とLTCC基板13との接合に、特に接合の際に液相になる封止部14を設けた場合には、上記間隙を精密に制御することは困難である。従って、MEMS12とLTCC基板13との間の電極間距離を高精度に設定する必要があるデバイスの場合には、MEMS12とLTCC基板13とを陽極接合によって接合することが好ましい。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the
Here, it is difficult to precisely control the gap when the
その後、図2(D)に示すように、MEMS用Si基板21からSi基板23を除去する。この場合、MEMS用Si基板21がSiデバイス層/Ge/SiO2/Si基板/SiO2から成る場合には、Ge層22dを過酸化水素(H2O2)等のエッチング液で選択的にエッチングすることで、Si基板23を除去することができる。これにより、MEMS用Si基板21に作製されたMEMS12が、LTCC基板13に移転される。
Thereafter, as shown in FIG. 2D, the
次に、図3(A)に示すようにLSI基板11を用意して、上面にLSI基板11からの取出し電極としての金属パッド11a,封止のための金属パッド11b及び間隙調整用の金属パッド11cを形成する。
Next, as shown in FIG. 3A, an
続いて、図3(B)に示すように、LSI基板11上の各金属パッド11a,11b,11c上に、それぞれめっき、あるいはバリア層が必要な場合には蒸着又はスパッタによって金属バンプ11d,11e,11fを形成する。
その後、図3(C)に示すように、金属バンプ11d,11e,11fのうち、接合及び封止用の金属バンプ11d,11e上に、めっき又はスクリーン印刷等によって封止部14及び接合層15を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, the
Thereafter, as shown in FIG. 3C, on the
ここで、金属バンプ11d,11e,11fの材料は、封止部14及び接合部15の材料に関連して、後の実装工程で液相にならない材料が使用される。金属バンプ11d等と封止部14あるいは接合層15との組合せとしては、例えば、金属バンプ11dがNiからなり、封止部14がAuとInとの合金からなる。この組合わせを、金属バンプ11d|封止部14、例えばNi|Au/Inとして表わす。他の金属バンプ11d等と封止部14との組合せとしては、Ni|Ag/In,Ni/Pt|Ni/Sn,Ni/Pt|Cu/Sn,Ni/Pt|Au/Sn,Ni/Pt|Ni/Sn等を使用することができる。何れの組合せにおいても、封止部14及び接合部15は、Au,Ag,Ni,Cuと低融点金属であるIn,Snとの組合せになっている。封止部14及び接合部15は400℃以下で液相になるが、一旦液相に成った後、合金を作ると融点が高くなって、400℃以下では液相にならず、機能デバイス10の実装の際の半田リフローに耐えられることになる。これをTLP接合と呼ぶ。
Here, as the material of the
最後に、図3(D)に示すように、LTCC基板13とLSI基板11とを例えば400℃以下の温度で、TLP接合,高温半田接合等の半田リフローに耐えられる接合方法で、接合する。この際、封止部14及び接合部15が液相となって、LTCC基板13がLSI基板11に対して接近するが、LTCC基板13側に固定されたストッパ部12eが、LSI基板11側の金属バンプ11fに当接する。従って、LTCC基板13はLSI基板11に対して、それ以上は接近することがなく、LSI基板11とLTCC基板13との間隙がストッパ部12eの高さで規制、つまり保持される。
これにより、MEMS12がLSI基板11の表面に接触することがなく、LSI基板11に対して所定値以上の間隙を保持して、MEMS12のための空隙を確保することができる。さらに、LSI基板11とMEMS12との間隙を、静電容量検出や静電駆動のために利用することもできる。
Finally, as shown in FIG. 3D, the
Thereby, the
上記の接合作業は、好ましくは、真空中又は不活性ガス雰囲気中で行われる。これにより、LSI基板11とLTCC基板13の間に封止された内部空間が真空になり、又は不活性ガスが満たされる。従って、LSI基板11とLTCC基板13の間の内部空間の湿気によって、MEMS12の少なくとも一部が化学変化したり、吸着したりしてしまうようなことがないので、MEMS12の機械的及び電気的な動作が妨げられることがなく、MEMS12が円滑に動作することができる。
The above joining operation is preferably performed in a vacuum or in an inert gas atmosphere. As a result, the internal space sealed between the
以上で、機能デバイス10が完成する。さらに、図3(D)のSi基板11の下面側を研磨することによってLSI基板11を薄くして、機能デバイス10全体を薄くすることも可能である。
Thus, the
上述した図2(A)におけるSiデバイス層/Ge/SiO2/Si基板/SiO2から成るMEMS用Si基板21上におけるMEMS12の作製について説明する。
図4及び図5は、図2(A)に示すMEMS12の製造方法の一例を順次に示す概略断面図である。
即ち、図4(A)に示すように、SOI基板22を用意する。このSOI基板22は、上側から順に、Siデバイス層22a,SiO2層22b,Siハンドル層22cから構成されている。このSOI基板22のSiデバイス層22aの表面に犠牲層22dとなるGe層を、スパッタ法、蒸着法、化学的気相堆積法等で成膜する。また、必要に応じて、Ge層22dの表面を平坦化してもよい。犠牲層22dの材料としては、Ge以外には、耐熱性の樹脂、例えばポリイミド樹脂を用いることができる。
The production of the
4 and 5 are schematic cross-sectional views sequentially showing an example of a method for manufacturing the
That is, as shown in FIG. 4A, an
次に、図4(B)に示すように、Si基板23を別に用意して、このSi基板23の両面を熱酸化して、SiO2層23a,23bを形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, a
次に、図4(C)に示すように、Si基板23の上に、SOI基板22を反転させて載置し、直接接合する。なお、必要であれば、接合前に、接合面のプラズマ活性化を行なっておく。続いて、図4(D)に示すように、SOI基板22のSiハンドル層22cを研削及びドライエッチング等によって除去する。これにより、MEMS用Si基板21が完成する。
Next, as shown in FIG. 4C, the
次に、MEMS用Si基板21の犠牲層22d上のSiデバイス層22aにMEMS12を、以下のようして作製する。
先ず、図4(E)に示すように、上面に露出しているSiO2層22bをパターンニングし、マスクを作製する。
次に、図5(A)に示すように、Siデバイス層22aをTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)等でエッチングし、MEMS12の凹陥部12bを形成する。
次に、図5(B)に示すように、マスクとなるSiO2層22bをフッ化水素(HF)で半分の厚さまでエッチングした後、Siデバイス層22aを、フッ化水素と硝酸(HNO3)と酢酸(CH3OOH)との混液からなるエッチング液によりエッチングする。
Next, the
First, as shown in FIG. 4E, the SiO 2 layer 22b exposed on the upper surface is patterned to produce a mask.
Next, as shown in FIG. 5A, the
Next, as shown in FIG. 5B, the SiO 2 layer 22b serving as a mask is etched to half the thickness with hydrogen fluoride (HF), and then the
その後、図5(C)に示すように、下面を図示しないフォトレジストで保護して、上面のSiO2層22bのマスクを除去し、リフトオフによって、凹陥部12b内に二つの電極12c,12dを形成する。
次に、図5(D)に示すように、MEMS12の領域及びストッパ部12eの領域に、レジストパターン24を形成して、RIEによりエッチングして、MEMS12及びストッパ部12eを形成する。
最後に、図5(E)に示すように、レジストパターン24を除去する。
これにより、図2(A)に示したMEMS用Si基板21にMEMS12及びストッパ部12eを形成することができる。
After that, as shown in FIG. 5C, the lower surface is protected with a photoresist (not shown), the mask of the upper SiO 2 layer 22b is removed, and two
Next, as shown in FIG. 5D, a resist
Finally, as shown in FIG. 5E, the resist
Thereby, the
本発明による機能デバイス10は、以上のように構成され、上記のように製造されるので、LSI基板11,MEMS12及びLTCC基板13は、それぞれ独立して最適化して作製することができる。
この際、LTCC基板13をLSI基板11に積層して集積化する場合には、LTCC基板13を例えばSi基板とほぼ同じ熱膨張係数の材料から成る基板により作製すれば、昇温接合時の熱膨張係数の差に基づく剥離、割れ、反り等を回避することができる。さらに、LSI基板11に熱膨張率を合わせたLTCC基板13へ昇温時可動になるナトリウムイオンやリチウムイオン等のイオンを添加すると、昇温して電圧をかけてSi基板等に接合する、所謂陽極接合が可能になる。陽極接合は封止性に優れ、接合部15を介さないで接合できるために精度や信頼性の面でも優れた接合方法であるので、機能デバイス10の信頼性を高めることができる。
従って、例えば高温処理を必要とする例えばPZT等の材料をMEMS12に使用することも可能である。また、LSI基板11,MEMS12及びLTCC基板13をそれぞれ別のファンドリに委託して作製し、これらの部材を図2及び図3の工程で組み立てることによっても製作が可能である。
さらに、LSI基板11,MEMS12及びLTCC基板13をウェハレベルで一体化して作製することが可能であると共に、LSI基板11のLSI上にMEMS12とLTCC基板13に内蔵された受動部品13bとを配置することが可能であるので、面積効率が向上し、小型のチップサイズパッケージとして構成することができる。
Since the
At this time, when the
Therefore, for example, a material such as PZT that requires high temperature processing can be used for the
Further, the
LTCC基板13の上に実装用パッドとなる金属パッド13cが出ているので、ウェハレベルでの完成後に、ダイシングによって個々の機能デバイス10に分割し、そのままプリント基板等に実装することができる。この場合、LSI基板11及びLTCC基板13の接合は、TLP接合,高温半田接合又は金属拡散接合により行れているので、機能デバイス10の実装時の半田リフローに耐えることができる。
さらに、LTCC基板13が低熱膨張率の材料から成る基板を使用していることから、LSI基板11に対して接合しても、LSI基板11を構成するSi基板とほぼ同じ熱膨張率であるので、機能デバイス10が熱変化によって応力が生じたり、反ったりするようなことがなく、LSI基板11からのLTCC基板13の剥離を回避することができる。
Since the
Further, since the
(第2の実施形態)
図6は、本発明による機能デバイス30の第2の実施形態の構成を示している。
図6において、機能デバイス30は、図1に示した機能デバイス10とほぼ同様の構成であるが、MEMS12が圧電振動子として構成されており、MEMS12がLTCC基板13に対して陽極接合ではなく、TLP接合又は金属拡散接合に変更した点でのみ異なる構成になっている。
(Second Embodiment)
FIG. 6 shows the configuration of a second embodiment of the
In FIG. 6, the
この場合、MEMS12とLTCC基板13の接合部において、LTCC基板13側の金属パッド13d,13f上に、集積回路との接合用の金属バンプ13gが形成され、さらに金属バンプ13g上に接合層15が形成されている。LTCC基板13側の周状の封止用金属パッド13f上に、周状の封止用金属バンプ13iが形成され、さらに金属バンプ13i上に封止部14が形成されている。
ここで、封止部14は、前述した封止部14と同様に構成されており、金属バンプ13iに対してTLP接合又は金属拡散接合により接合される。
In this case, metal bumps 13g for bonding to the integrated circuit are formed on the
Here, the sealing
このような構成の機能デバイス30によれば、図1に示した機能デバイス10と同様に作用すると共に、封止部14は、一旦液相になって硬化した後は、融点が高くなるので、LSI基板11とLTCC基板13との接合の際、あるいは機能デバイス30の実装の際に液相になることはない。
なお、封止部14が液相になることによって、MEMS12とLTCC基板13の間の電極間距離を精密に制御することが困難であるので、この電極間距離を静電ギャップとして利用するような例えば静電キャパシタ等は不適である。
According to the
Since the sealing
(第3の実施形態)
図7は、本発明に機能デバイス40の第3の実施形態の構成を示している。
図7において、機能デバイス40は、図6に示した機能デバイス30とほぼ同じ構成であるが、MEMS12がLSI基板11に対して接合されている点でのみ異なる構成になっている。この場合、ストッパ部12eもLSI基板11側に接合されている。このような構成の機能デバイス40によれば、図6に示した機能デバイス30と同様に作用する。
(Third embodiment)
FIG. 7 shows the configuration of the
In FIG. 7, the
(第4の実施形態)
図8は、本発明による機能デバイス50の第4の実施形態の構成を示している。
図8において、機能デバイス50は、図7に示した機能デバイス40とほぼ同じ構成であるが、LTCC基板13の代わりに、ガラス基板51を備えている点でのみ異なる構成になっている。ガラス基板51は、LSI基板11のSi基板と同様な熱膨張係数を有している材料からなる。このようなガラス基板51の材料としては、パイレックス(登録商標)ガラスを用いることができる。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 shows a configuration of a fourth embodiment of the
In FIG. 8, the
ガラス基板51は、LSI基板11からの接合用の金属パッド51aをガラス基板51の上面の実装用の金属パッド51aに接続するために貫通配線51bを備えている。ガラス基板51は、その下面のMEMS12に対応する領域に凹陥部51cを備えている。これにより、LSI基板11に対してガラス基板51を接合する際に、封止部14を薄くしても、MEMS12がガラス基板51の下面に当接することがない。従って、MEMS12はストッパ部12eを備える必要がない。
The
なお、図1の第一の実施形態におけるLTCC基板13をガラス基板51に変えただけの構成では、ストッパ部12eによってMEMS12のための空隙が確保されるので、この凹陥部51cは省略してもよい。
In the configuration in which the
図9及び図10は、上述したガラス基板51を備えた機能デバイス50の製造方法を示している。
図9(A)において、先ず、図4及び図5で説明したMEMS用Si基板21を用い、このMEMS用Si基板21上にMEMS12を作製する。ここでは、MEMS12の例として圧電振動子を示している。
9 and 10 show a method for manufacturing the
In FIG. 9A, first, the
次に、図9(B)に示すように、LSI基板11を用意して、上面にLSIからの取出し電極としての金属パッド11aと封止のための金属パッド11bとを形成する。
続いて、図9(C)に示すように、LSI基板11上の各金属パッド11a,11b上に、それぞれめっき、あるいはバリア層が必要な場合には蒸着又はスパッタによって金属バンプ11d,11eを形成する。
その後、図9(C)に示すように、MEMS12の接合用の金属バンプ11d上に、めっき又はスパッタ法等によって封止部52を形成する。封止部52はMEMS12の表面(下面)においてその輪郭に沿って設けられるように周状に形成され、例えばMEMS12が四角形であれば封止部52はMEMS12の周縁に沿った矩形の枠型に形成される。
ここで、金属バンプ11d及び封止部52の材料は、後述するガラス基板51とLSI基板11との接合の際に再溶解しないTLP接合や金属拡散接合(Au−Au接合,Al−Al接合等)となるような材料が選択される。
なお、TLP接合の場合には、封止部52が液相となるため、MEMS12とLSI基板11との電極間距離を接密に制御することが困難であるので、この電極間距離を静電ギャップとして利用するようなMEMS12は不適である。
Next, as shown in FIG. 9B, an
Subsequently, as shown in FIG. 9C,
Thereafter, as shown in FIG. 9C, a sealing
Here, the material of the metal bumps 11d and the sealing
In the case of TLP bonding, since the sealing
次に、図9(D)に示すように、MEMS12を有するMEMS用Si基板21を反転させて、LSI基板11上に載置して、TLP接合又は金属拡散接合により接合する。これにより、MEMS12がLSI基板11に対して電気的に接続される。
Next, as shown in FIG. 9D, the
次に、図9(E)に示すように、MEMS用Si基板21からSi基板23を除去する。この場合、MEMS用Si基板21がSiデバイス層/Ge/SiO2/Si基板/SiO2から成る場合には、Ge層22dをH2O2等で選択的にエッチングすることで、Si基板23を除去することができる。これにより、MEMS用Si基板21に作製されたMEMS12が、LSI基板11に移転される。
Next, as shown in FIG. 9E, the
次に、図10(A)に示すように、貫通配線付きのガラス基板51を用意して、上面の貫通配線51bの領域に実装用の金属パッド51aを形成すると共に、下面の貫通配線51bの領域に、LSI基板11の接合用の金属パッド51dを、そして周縁付近に封止用の金属パッド51eを形成する。
Next, as shown in FIG. 10A, a
さらに、図10(A)に示すように、ガラス基板51の下面のMEMS12に対応する領域へ、例えば深さ数μm〜十数μm程度の凹陥部51cを加工する。
なお、この凹陥部51cの加工は後続の封止部52の成形後に行うようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 10A, a
The
次に、図10(B)に示すように、ガラス基板51の下面の金属パッド51d,51e上にそれぞれめっきやスクリーン印刷によって封止部54a及びバンプ54bを形成する。
ここで、封止部54aは、ガラス基板51の外周縁に沿った四角型の枠状に形成されている。
最後に、図10(C)に示すように、ガラス基板51とLSI基板11とを、例えば400℃以下の温度で、TLP接合,高温半田接合等の半田リフローに耐えられる接合方法で接合する。
Next, as shown in FIG. 10B, sealing
Here, the sealing
Finally, as shown in FIG. 10C, the
接合作業は、好ましくは、真空中又は不活性ガス雰囲気中で行われる。これにより、LSI基板11とガラス基板51の間に封止された内部空間が真空になり、又は不活性ガスが満たされる。従って、LSI基板11とガラス基板51の間の内部空間の湿気によって、MEMS12の少なくとも一部が化学変化したり、吸着したりしてしまうようなことがないので、MEMS12の機械的や電気的な動作が妨げられることがなく、MEMS12を円滑に動作させることができる。
The joining operation is preferably performed in a vacuum or in an inert gas atmosphere. As a result, the internal space sealed between the
(第5の実施形態)
図11は、本発明による機能デバイス60の第5の実施形態の構成を示している。
図11において、機能デバイス60は、図8に示した機能デバイス50とほぼ同様の構成であるが、ガラス基板51が貫通配線51bを備えておらず、LSI基板11に貫通配線61が設けられており、LSI基板11からの実装用の取出し電極が、LSI基板11の下面に形成された金属パッド62により構成されている。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 shows the configuration of a fifth embodiment of a
In FIG. 11, the
このような構成の機能デバイス60によれば、加工が難しいガラス基板51に貫通配線15bを設ける必要がないので、ガラス基板51の作製は専業メーカに委託しなくてもよい。一方、LSI基板11の貫通配線には、メモリ用集積回路等の積層のための技術を利用できるので、機能デバイス60のコストを低減することができる。
According to the
(第6の実施形態)
図12は、本発明による機能デバイス70の第6の実施形態の構成を示している。
図12において、機能デバイス70は、図1に示した機能デバイス10と図7に示した機能デバイス40とを組み合わせた構成、即ちLTCC基板13側及びLSI基板11側の双方にMEMS71,72が接合されている点でのみ異なる構成になっている。図12では、MEMS71,72の基板面内方向の位置が重なっていないが、重なっていてもよい。この場合、チップ面積をさらに低減することができる。
(Sixth embodiment)
FIG. 12 shows the configuration of a sixth embodiment of a
In FIG. 12, the
MEMS71は、図6に示した機能デバイス30におけるMEMS12と同じ構成であって、例えば静電可変キャパシタ又は静電スイッチとして構成されており、MEMS72は図7に示した機能デバイス40におけるMEMS12と同じ構成であって、例えば圧電振動子として構成されている。
The
図13は、機能デバイス70の製造方法を示している。図13(A)において、図2(A)〜(D)に示すと同様にして、MEMS71を備えたLTCC基板13が作製される。
FIG. 13 shows a method for manufacturing the
次に、図13(B)に示すように、LTCC基板13の各接合用の金属パッド13d,13f上に金属バンプ13g,13i、そして封止部14及び接合層15を形成する。この際、金属パッド13d,13fを除くLTCC基板13上にフォトレジスト73をパターニングして、めっきによるバンプ形成のためのモールドとする。
その後、図13(C)に示すように、フォトレジスト73を除去する。
Next, as shown in FIG. 13B, the
Thereafter, as shown in FIG. 13C, the
次に、図13(D)において、図9(A)〜(E)に示すと同様にして、MEMS72を備えたLSI基板11が作製される。
最後に、図13(C)のLTCC基板13と図13(D)のLSI基板11とを、TLP接合又は高温半田接合によって接合する。
これにより、機能デバイス70が完成する。
Next, in FIG. 13D, the
Finally, the
Thereby, the
このような構成の機能デバイス70によれば、LSI基板11側にもLTCC基板13側にもMEMS71,72を設けることができる。従って、二種類のMEMS71,72、即ち静電可変キャパシタ又は静電スイッチとしてのMEMS71と、圧電振動子としてのMEMS72と、LTCC基板13に設けられた受動部品13bとを、LSI基板11と共に、一つの機能デバイス70中に集積化して、ウェハレベルでのパッケージングが可能である。
According to the
以上述べたように、本発明によれば、ウェハレベルでLSI基板11及びMEMS12さらにはLTCC基板13を集積化することができるようにした、極めて優れた機能デバイス10,30,40,50,60,70が提供される。
As described above, according to the present invention, an extremely excellent
上記の実施形態においては、カバー基板13の金属パッド13c等とLSI基板11の金属パッド11aとを、金属バンプ11d等を介して接合しているが、金属バンプ11dは、カバー基板13の金属パッド13c、LSI基板11の金属パッド11aの何れか一方又は双方に設けることができる。
In the above embodiment, the
本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施することができる。例えば、上述した実施形態においては、LTCC基板13に、受動部品13bとして、インダクタが内蔵されているが、これに限らず、他の受動部品13b、例えば抵抗やコンデンサを内蔵することも可能である。
The present invention can be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the inductor is built in the
10,30,40,50,60,70:機能デバイス
11:集積回路基板
11a,11c:金属パッド
11b:封止用金属パッド
11d,11f:金属バンプ
11e:封止用金属パンプ
12:マイクロマシン(MEMS)
12a:デバイス層
12b:凹陥部
12c,12d:電極
12e:ストッパ部
13:カバー基板(LTCC基板)
13a:基板
13b:受動部品(インダクタ)
13c,13d,13e:金属パッド
13f:封止用金属パッド
13g:接合用金属バンプ
13i:封止用金属バンプ
14:封止部
15:接合層
21:MEMS用Si基板
22:SOI基板
22a:Siデバイス層
22b:SiO2層
22c:Siハンドル層
22d:犠牲層(Ge層)
23:Si基板
23a,23b:SiO2層
24:レジストパターン
51:ガラス基板
51a,51d,51e:金属パッド
51b:貫通配線
51c:凹陥部
52:封止部
61:貫通配線
62:金属パッド
71,72:MEMS
73:フォトレジスト
10, 30, 40, 50, 60, 70: Functional device 11: Integrated
12a:
13a:
13c, 13d, 13e:
23:
73: Photoresist
Claims (10)
上記Si基板とほぼ同じ熱膨張率の材料から成るカバー基板の下面に封止用及び接合用の金属パッドを形成する第二の段階と、
内部に集積回路が構成された集積回路基板の上面に接合用及び封止用の金属パッドを形成し、該金属パッド上に金属バンプを形成する第三の段階と、
上記第三の段階で形成された上記金属バンプの上に接合層及び封止部を形成する第四の段階と、
上記第一の段階で作製された上記マイクロマシンを、上記第二の段階で上記金属パッドを形成された上記カバー基板に対して陽極接合によって接合し、上記犠牲層をエッチングして上記Si基板を除去する第五の段階と、
上記集積回路基板上に上記カバー基板を載置して、上記封止部を用いて上記集積回路基板と上記カバー基板とを接合し、これら集積回路基板及びカバー基板の間の領域を封止する第六の段階と、
を含んでいることを特徴とする、機能デバイスの製造方法。 A first stage of fabricating a micromachine in a Si device layer formed on a sacrificial layer of a Si substrate;
A second step of forming a metal pad for sealing and bonding on the lower surface of the cover substrate made of a material having substantially the same coefficient of thermal expansion as the Si substrate;
Forming a metal pad for bonding and sealing on the upper surface of the integrated circuit substrate in which the integrated circuit is configured, and forming a metal bump on the metal pad;
A fourth step of forming a bonding layer and a sealing portion on the metal bump formed in the third step;
The micromachine manufactured in the first stage is bonded to the cover substrate on which the metal pad is formed in the second stage by anodic bonding, and the sacrificial layer is etched to remove the Si substrate. And the fifth stage
The cover substrate is placed on the integrated circuit substrate, the integrated circuit substrate and the cover substrate are joined using the sealing portion, and a region between the integrated circuit substrate and the cover substrate is sealed. The sixth stage,
A method for manufacturing a functional device, comprising:
上記Si基板とほぼ同じ熱膨張率の材料から成るカバー基板の下面に封止用及び接合用の金属パッドを形成し、該金属パッド上に接合層及び封止部を形成する第二の段階と、
内部に集積回路が構成された集積回路基板の上面に接合用の金属パッド及び封止用の金属パッドを形成し、該金属パッド上に金属バンプを形成する第三の段階と、
上記第三の段階で形成された金属バンプのうち、上記マイクロマシンと接合する該金属バンプ上に接合層を形成する第四の段階と、
上記第一の段階で作製された上記マイクロマシンを上記第四の段階で接合層を形成された集積回路基板に対して金属接合によって接合し、上記犠牲層をエッチングして上記Si基板を除去する第五の段階と、
上記集積回路基板上に上記カバー基板を載置して、上記カバー基板上の封止部を用いて上記集積回路基板と上記カバー基板とを接合し、これら集積回路基板及びカバー基板の間の領域を封止する第六の段階と、
を含んでいることを特徴とする、機能デバイスの製造方法。 A first stage of fabricating a micromachine in a Si device layer formed on a sacrificial layer of a Si substrate;
Forming a sealing and bonding metal pad on the lower surface of the cover substrate made of a material having substantially the same thermal expansion coefficient as the Si substrate, and forming a bonding layer and a sealing portion on the metal pad; ,
Forming a metal pad for bonding and a metal pad for sealing on an upper surface of an integrated circuit substrate in which an integrated circuit is configured; and forming a metal bump on the metal pad;
Of the metal bumps formed in the third step, a fourth step of forming a bonding layer on the metal bumps to be bonded to the micromachine,
The micromachine manufactured in the first step is bonded to the integrated circuit substrate having the bonding layer formed in the fourth step by metal bonding, and the sacrificial layer is etched to remove the Si substrate. Five stages,
The cover substrate is placed on the integrated circuit substrate, the integrated circuit substrate and the cover substrate are joined using a sealing portion on the cover substrate, and an area between the integrated circuit substrate and the cover substrate A sixth stage of sealing,
A method for manufacturing a functional device, comprising:
前記第三の段階で、上記集積回路基板上のストッパ部に対応する金属パッド上に金属バンプを形成し、
前記第五の段階で、このストッパ部を上記マイクロマシンと共に、カバー基板の下面に陽極接合によって接合し、
前記第六の段階で、上記ストッパ部を上記集積回路基板上の対応する金属パッドに当接させることを特徴とする、請求項1、4又は5に記載の機能デバイスの製造方法。 In the first stage, simultaneously with the fabrication of the micromachine, a stopper portion for forming a predetermined interval between the integrated circuit substrate and the cover substrate is formed,
In the third stage, metal bumps are formed on the metal pads corresponding to the stopper portions on the integrated circuit substrate,
In the fifth stage, the stopper part is joined to the lower surface of the cover substrate together with the micromachine by anodic bonding,
6. The method of manufacturing a functional device according to claim 1, wherein the stopper portion is brought into contact with a corresponding metal pad on the integrated circuit substrate in the sixth stage.
前記第六の段階で、前記カバー基板内の受動部品を前記集積回路基板内の集積回路に対して接続することを特徴とする、請求項1〜5の何れかに記載の機能デバイスの製造方法。 In the second stage, using a ceramic substrate containing passive components inside as the cover substrate,
In the sixth step, characterized by connecting a passive component in the cover substrate with respect to the integrated circuit of the integrated circuit board, method of manufacturing a functional device according to any of claims 1 to 5, .
前記第五の段階で、前記マイクロマシンを上記ガラス基板に移転することを特徴とする、請求項2〜5の何れかに記載のマイクロマシン及び集積回路が一体化されたデバイスの製造方法。 In the second stage, using a glass substrate as the cover substrate,
The method of manufacturing a device in which the micromachine and the integrated circuit are integrated, according to any one of claims 2 to 5 , wherein the micromachine is transferred to the glass substrate in the fifth stage.
前記第六の段階で、前記集積回路基板内の集積回路及びマイクロマシンの取出し電極を、上記貫通配線を介してカバー基板の上面に露出させることを特徴とする、請求項8に記載の機能デバイスの製造方法。 In the second stage, as the cover substrate, using a glass substrate provided with through wiring penetrating vertically,
9. The functional device according to claim 8 , wherein, in the sixth stage, the integrated circuit in the integrated circuit substrate and the extraction electrode of the micromachine are exposed on the upper surface of the cover substrate through the through wiring. Production method.
前記第六の段階で、前記集積回路基板内の集積回路及びマイクロマシンの取出し電極を、上記貫通配線を介して集積回路基板の下面に露出させることを特徴とする、請求項8に記載の機能デバイスの製造方法。 In the third stage, as the integrated circuit board, using an integrated circuit board provided with a through wiring penetrating vertically,
9. The functional device according to claim 8 , wherein, in the sixth stage, an integrated circuit and an extraction electrode of the micromachine in the integrated circuit substrate are exposed to a lower surface of the integrated circuit substrate through the through wiring. Manufacturing method.
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