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(SiO)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SiOが、上記犠牲層のSiO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.

国際公開第2006/101769号パンフレットInternational Publication No. 2006/101769 Pamphlet 米国特許第6793829号明細書US Pat. No. 6,793,829

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 functional device 10 according to the invention.
In FIG. 1, a functional device 10 includes an integrated circuit substrate (hereinafter referred to as an LSI substrate) 11 on which an integrated circuit is disposed, a cover substrate 13 that covers the LSI substrate 11, an LSI substrate 11, and a cover substrate 13. A circumferential sealing portion 14 to be joined, and a micromachine 12 disposed between the LSI substrate 11 and the cover substrate 13 and electrically connected to either the LSI substrate 11 or the cover substrate 13 are provided. At least the micromachine 12 is sealed by the sealing portion 14.

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 LSI substrate 11 has a known configuration and includes an integrated circuit (hereinafter referred to as LSI) configured on the surface of the semiconductor substrate. That is, the LSI substrate 11 includes, for example, a multilayer wiring layer and various elements configured in these wiring layers or between the wiring layers. Further, the LSI substrate 11 is provided with a metal pad 11a as an extraction electrode from the LSI, a metal pad 11c for gap adjustment, and a circumferential metal pad 11b for sealing on the upper surface. On the metal pads 11a and 11c, metal bumps 11d and 11f are further formed on the surface by plating or the like. On the circumferential metal pad 11b for sealing, a circumferential metal bump 11e is formed on the surface by plating or the like. Here, the metal pad 11 b is provided on the surface of the LSI substrate 11 along the contour thereof and formed in a circumferential shape. For example, if the LSI substrate 11 is a quadrangle, the metal pad 11 b extends along the periphery of the LSI substrate 11. To form a rectangular frame.

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 LSI substrate 11 of the present invention may be of any semiconductor type, integration scale, or minimum processing size. That is, any integrated circuit may be used as long as it has a function that can be used in combination with the micromachine 12.

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 MEMS 12 is an electrostatic variable capacitor, and includes two electrodes 12c and 12d formed in the recessed portion 12b of the device layer 12a, and is manufactured as described later.

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 MEMS 12 is bonded to the cover substrate by anodic bonding to the lower surface of the cover substrate 13 to be described later, and the electrodes 12c and 12d are bonded to the corresponding metal pads 13e provided on the lower surface of the cover substrate 13. It is mechanically fixed and electrically connected.

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 MEMS 12 is formed on a substrate made of silicon (Si) or the like and then transferred (also referred to as transfer) to the cover substrate 13. When a later-described MEMS substrate is used and the device layer 12a to be the MEMS 12 is formed on the Si substrate, the stopper portion 12e may be simultaneously formed on the Si substrate. The stopper portion 12e is similarly transferred by anodic bonding to the lower surface of the cover substrate 13 when the MEMS 12 is transferred to the cover substrate 13.

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 cover substrate 13 is a substrate made of a material having substantially the same coefficient of thermal expansion as that of the Si substrate. The cover substrate 13 can be a ceramic substrate, a glass substrate, or the like. In particular, a low-temperature-fired ceramic substrate (Low Temperature Coated Ceramics, hereinafter referred to as LTCC substrate) having a low thermal expansion coefficient can be used. Specifically, the LTCC substrate 13 is made of a low thermal expansion coefficient substrate that can be anodically bonded, that is, a material having a thermal expansion coefficient substantially equal to that of the Si substrate. The LTCC substrate 13 may be composed of a substrate 13a and passive components such as a vertical wiring and a horizontal wiring built in the substrate 13a, and an inductor 13b connected thereto.
Thereby, the electrostatic gap is formed with high accuracy on the LTCC substrate 13 by anodic bonding of the MEMS 12.

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 LTCC substrate 13 includes a mounting metal pad 13c on the upper surface and a metal pad 13d for bonding to the LSI substrate 11 and a metal pad 13e for bonding to the MEMS 12 on the lower surface. And a circumferential metal pad 13f for stopping.
Here, the metal pad 13f is provided on the surface (lower surface) of the LTCC substrate 13 along the contour thereof, and is formed in a circumferential shape. For example, if the LTCC substrate 13 is a quadrangle, the metal pad 13f is formed on the LTCC substrate 13. A rectangular frame is formed along the periphery. The metal pad 13f is provided on the surface (lower surface) of the LTCC substrate 13 so as to face the metal pad 11b of the LSI substrate 11.
As a result, the metal pads 13d and 13f of the LTCC substrate 13 are bonded to the metal pads 11a and 11b of the LSI substrate 11 by metal bonding such as so-called TLP (Transient Liquid Phase) bonding, high-temperature solder bonding, or metal diffusion bonding, respectively. Attached and sealed. Specifically, the LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13 are bonded so as to hermetically seal the space between the LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13 with a constant distance between the LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13. It connects via the part 14 (it is also called the sealing part 14). At this time, the gap between the LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13 is sealed by performing the sealing operation in a vacuum, in an inert gas atmosphere, or in a dry gas, so that the MEMS 12 is in a vacuum and in an inert gas. Or in a dry gas. In this case, the joint portion 14 may be provided on the outer peripheral portion of the integrated circuit substrate 11 and the integrated circuit substrate 11 may be sealed by the joint portion 14.

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 circumferential metal bump 11e of the LSI substrate 11, there is a circumferential frame made of metal, that is, a rectangular frame-shaped sealing portion 14 along the outer peripheral edges of the LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13. On the metal bump 11d of the LSI substrate 11, a bonding layer 15 for connecting the LTCC substrate 13 and the metal pad 13d is formed. The sealing portion 14 and the bonding layer 15 can be formed in the same process. The LTCC substrate 13 is placed on the LSI substrate 11, and the LTCC substrate 13 is pressed against the LSI substrate 11 in a state where the sealing portion 14 and the bonding layer 15 are in a liquid phase by heating. At that time, the stopper portion 12e provided on the lower surface of the LTCC substrate 13 comes into contact with the metal bump 11f on the metal pad 11c on the LSI substrate 11, so that the gap between the LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13 is less than a predetermined value. It is regulated not to become.

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SiO層23bとSi基板23とSiO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/SiO/Si基板/SiOと表記する。
The functional device 10 according to the first embodiment of the present invention is configured as described above, and can be manufactured by the manufacturing method shown in FIGS.
2 and 3 are schematic cross-sectional views sequentially showing a method for manufacturing the functional device 10 of FIG.
In FIG. 2A, first, the MEMS 12 is formed on the MEMS Si substrate 21. Specifically, the MEMS 12 is manufactured using an SOI substrate 22 with a germanium (Ge) layer and a Si substrate 23 with an oxide film, as shown in FIGS. In the illustrated case, the MEMS Si substrate 21 includes a MEMS 12, a Ge layer 22d, a SiO 2 layer 23b, a Si substrate 23, and a SiO 2 including a stopper portion 12e formed in a Si device layer, which will be described later, from the top to the bottom of the drawing. It has a laminated structure composed of the layer 23a.
Here, if an SOI substrate alone is used as the MEMS Si substrate 21, the LTCC substrate 13 may be etched when the insulating layer is removed after the transfer to the LTCC substrate 13, so the SOI substrate is not used.
The stacked structure of the MEMS Si substrate 21 is expressed as Si device layer / Ge / SiO 2 / Si substrate / SiO 2 with diagonal lines between the above layers.

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 LTCC substrate 13 is prepared, a metal pad 13c for mounting is formed on the upper surface of the LTCC substrate 13, a metal pad 13e for MEMS bonding is formed on the lower surface, and an LSI substrate. 11 bonding metal pads 13d and sealing metal pads 13f are formed.

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 MEMS Si substrate 21 having the MEMS 12 and the LTCC substrate 13 are overlapped and bonded by anodic bonding. As a result, the electrodes 12c and 12d of the MEMS 12 are in contact with and electrically connected to the metal pad 13e of the LTCC substrate 13. In this case, the MEMS 12 is directly bonded to the LTCC substrate 13 by anodic bonding without passing through the sealing portion 14, so that the gap between the MEMS 12 and the LTCC substrate 13, that is, the electrodes 12c and 12d and the electrode pad 13e, It is possible to precisely control the distance between the two, and an electrostatic device such as an electrostatic variable capacitor can be configured with high accuracy.
Here, it is difficult to precisely control the gap when the MEMS 12 and the LTCC substrate 13 are provided with a sealing portion 14 that is in a liquid phase at the time of bonding. Therefore, in the case of a device in which the distance between the electrodes between the MEMS 12 and the LTCC substrate 13 needs to be set with high accuracy, it is preferable to join the MEMS 12 and the LTCC substrate 13 by anodic bonding.

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/SiO/Si基板/SiOから成る場合には、Ge層22dを過酸化水素(H)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 Si substrate 23 is removed from the MEMS Si substrate 21. In this case, when the MEMS Si substrate 21 is made of Si device layer / Ge / SiO 2 / Si substrate / SiO 2 , the Ge layer 22d is selectively etched with an etching solution such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). The Si substrate 23 can be removed by etching. As a result, the MEMS 12 fabricated on the MEMS Si substrate 21 is transferred to the LTCC substrate 13.

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 LSI substrate 11 is prepared, and a metal pad 11a as an extraction electrode from the LSI substrate 11, a metal pad 11b for sealing, and a metal pad for gap adjustment are provided on the upper surface. 11c is formed.

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 metal bumps 11d, 11e are formed on the metal pads 11a, 11b, 11c on the LSI substrate 11 by plating or vapor deposition or sputtering when a barrier layer is required. , 11f.
Thereafter, as shown in FIG. 3C, on the metal bumps 11d, 11e for bonding and sealing among the metal bumps 11d, 11e, 11f, the sealing portion 14 and the bonding layer 15 are formed by plating or screen printing. Form.

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 metal bumps 11d, 11e, and 11f, a material that does not become a liquid phase in a subsequent mounting process is used in relation to the material of the sealing portion 14 and the joint portion 15. As a combination of the metal bump 11d and the like and the sealing portion 14 or the bonding layer 15, for example, the metal bump 11d is made of Ni, and the sealing portion 14 is made of an alloy of Au and In. This combination is represented as a metal bump 11d | sealing portion 14, for example, Ni | Au / In. As other combinations of the metal bumps 11d and the like and the sealing portion 14, Ni | Ag / In, Ni / Pt | Ni / Sn, Ni / Pt | Cu / Sn, Ni / Pt | Au / Sn, Ni / Pt | Ni / Sn or the like can be used. In any combination, the sealing portion 14 and the joining portion 15 are a combination of Au, Ag, Ni, Cu and In, Sn that are low melting point metals. The sealing part 14 and the joining part 15 are in a liquid phase at 400 ° C. or lower. However, once the liquid phase is formed, the melting point becomes high when an alloy is formed. It will be able to withstand solder reflow during mounting. This is called a TLP junction.

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 LTCC substrate 13 and the LSI substrate 11 are bonded at a temperature of, for example, 400 ° C. or less by a bonding method that can withstand solder reflow such as TLP bonding or high-temperature solder bonding. At this time, the sealing portion 14 and the bonding portion 15 are in a liquid phase, and the LTCC substrate 13 approaches the LSI substrate 11, but the stopper portion 12e fixed to the LTCC substrate 13 side is provided on the LSI substrate 11 side. It contacts the metal bump 11f. Therefore, the LTCC substrate 13 does not approach the LSI substrate 11 any more, and the gap between the LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13 is regulated, that is, held by the height of the stopper portion 12e.
Thereby, the MEMS 12 does not come into contact with the surface of the LSI substrate 11, and a gap of a predetermined value or more can be held with respect to the LSI substrate 11, and a gap for the MEMS 12 can be secured. Further, the gap between the LSI substrate 11 and the MEMS 12 can be used for capacitance detection or electrostatic driving.

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 LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13 is evacuated or filled with an inert gas. Therefore, the humidity of the internal space between the LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13 does not cause at least a part of the MEMS 12 to be chemically changed or adsorbed. The operation is not hindered, and the MEMS 12 can operate smoothly.

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 functional device 10 is completed. Furthermore, it is possible to thin the LSI substrate 11 by polishing the lower surface side of the Si substrate 11 in FIG.

上述した図2(A)におけるSiデバイス層/Ge/SiO/Si基板/SiO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,SiO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 MEMS 12 on the Si substrate 21 for MEMS composed of the Si device layer / Ge / SiO 2 / Si substrate / SiO 2 in FIG.
4 and 5 are schematic cross-sectional views sequentially showing an example of a method for manufacturing the MEMS 12 shown in FIG.
That is, as shown in FIG. 4A, an SOI substrate 22 is prepared. The SOI substrate 22 includes an Si device layer 22a, an SiO 2 layer 22b, and an Si handle layer 22c in order from the upper side. A Ge layer to be a sacrificial layer 22d is formed on the surface of the Si device layer 22a of the SOI substrate 22 by sputtering, vapor deposition, chemical vapor deposition, or the like. Moreover, you may planarize the surface of Ge layer 22d as needed. As a material for the sacrificial layer 22d, a heat-resistant resin such as a polyimide resin can be used in addition to Ge.

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、SiO層23a,23bを形成する。 Next, as shown in FIG. 4B, a separate Si substrate 23 is prepared, and both surfaces of the Si substrate 23 are thermally oxidized to form SiO 2 layers 23a and 23b.

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 SOI substrate 22 is inverted and placed on the Si substrate 23 and directly bonded thereto. If necessary, plasma activation of the bonding surface is performed before bonding. Subsequently, as shown in FIG. 4D, the Si handle layer 22c of the SOI substrate 22 is removed by grinding, dry etching, or the like. Thereby, the Si substrate 21 for MEMS is completed.

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SiO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SiO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(HNO)と酢酸(CHOOH)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 MEMS 12 is formed on the Si device layer 22a on the sacrificial layer 22d of the MEMS Si substrate 21 as follows.
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 Si device layer 22a is etched with TMAH (tetramethylammonium hydroxide) or the like to form the recess 12b of the MEMS 12.
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 Si device layer 22a is formed with hydrogen fluoride and nitric acid (HNO 3). ) And acetic acid (CH 3 OOH).

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SiO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 electrodes 12c and 12d are formed in the recessed portion 12b by lift-off. Form.
Next, as shown in FIG. 5D, a resist pattern 24 is formed in the region of the MEMS 12 and the region of the stopper portion 12e, and etched by RIE to form the MEMS 12 and the stopper portion 12e.
Finally, as shown in FIG. 5E, the resist pattern 24 is removed.
Thereby, the MEMS 12 and the stopper portion 12e can be formed on the MEMS Si substrate 21 shown in FIG.

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 functional device 10 according to the present invention is configured as described above and manufactured as described above, the LSI substrate 11, the MEMS 12, and the LTCC substrate 13 can be independently optimized and manufactured.
At this time, when the LTCC substrate 13 is stacked and integrated on the LSI substrate 11, if the LTCC substrate 13 is made of a substrate made of a material having substantially the same thermal expansion coefficient as that of the Si substrate, for example, Peeling, cracking, warping and the like based on the difference in expansion coefficient can be avoided. Further, when ions such as sodium ions and lithium ions that are movable at the time of temperature increase are added to the LTCC substrate 13 having the thermal expansion coefficient matched to the LSI substrate 11, the temperature is increased and a voltage is applied to join the substrate to the Si substrate or the like. Anodic bonding is possible. Since the anodic bonding is excellent in sealing properties and can be bonded without using the bonding portion 15, it is a bonding method that is excellent in terms of accuracy and reliability. Therefore, the reliability of the functional device 10 can be improved.
Therefore, for example, a material such as PZT that requires high temperature processing can be used for the MEMS 12. Further, the LSI substrate 11, the MEMS 12 and the LTCC substrate 13 can be manufactured by entrusting them to different foundries, and these members can be assembled by the steps shown in FIGS.
Further, the LSI substrate 11, the MEMS 12, and the LTCC substrate 13 can be integrally manufactured at the wafer level, and the MEMS 12 and the passive component 13b built in the LTCC substrate 13 are arranged on the LSI of the LSI substrate 11. Therefore, the area efficiency is improved and the chip can be configured as a small chip size package.

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 metal pads 13c serving as mounting pads are exposed on the LTCC substrate 13, after completion at the wafer level, it can be divided into individual functional devices 10 by dicing and mounted directly on a printed circuit board or the like. In this case, since the LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13 are joined by TLP joining, high-temperature solder joining, or metal diffusion joining, it is possible to withstand solder reflow when the functional device 10 is mounted.
Further, since the LTCC substrate 13 uses a substrate made of a material having a low coefficient of thermal expansion, even if it is bonded to the LSI substrate 11, the coefficient of thermal expansion is almost the same as that of the Si substrate constituting the LSI substrate 11. The functional device 10 is not stressed or warped by a thermal change, and the LTCC substrate 13 can be prevented from peeling off from the LSI substrate 11.

(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 functional device 30 according to the present invention.
In FIG. 6, the functional device 30 has substantially the same configuration as the functional device 10 illustrated in FIG. 1, but the MEMS 12 is configured as a piezoelectric vibrator, and the MEMS 12 is not anodic bonded to the LTCC substrate 13. The structure differs only in that it is changed to TLP bonding or metal diffusion bonding.

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 metal pads 13d and 13f on the LTCC substrate 13 side at the junction between the MEMS 12 and the LTCC substrate 13, and the bonding layer 15 is further formed on the metal bump 13g. Is formed. A circumferential sealing metal bump 13i is formed on the circumferential sealing metal pad 13f on the LTCC substrate 13 side, and a sealing portion 14 is further formed on the metal bump 13i.
Here, the sealing portion 14 is configured in the same manner as the sealing portion 14 described above, and is bonded to the metal bump 13i by TLP bonding or metal diffusion bonding.

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 functional device 30 configured as described above, the sealing device 14 acts in the same manner as the functional device 10 shown in FIG. There is no liquid phase when the LSI substrate 11 and the LTCC substrate 13 are joined or when the functional device 30 is mounted.
Since the sealing portion 14 is in a liquid phase, it is difficult to precisely control the interelectrode distance between the MEMS 12 and the LTCC substrate 13, so that the interelectrode distance is used as an electrostatic gap. For example, an electrostatic capacitor is not suitable.

(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 functional device 40 according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. 7, the functional device 40 has substantially the same configuration as the functional device 30 shown in FIG. 6, but differs only in that the MEMS 12 is bonded to the LSI substrate 11. In this case, the stopper portion 12e is also bonded to the LSI substrate 11 side. According to the functional device 40 having such a configuration, it operates in the same manner as the functional device 30 shown in FIG.

(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 functional device 50 according to the present invention.
In FIG. 8, the functional device 50 has substantially the same configuration as the functional device 40 shown in FIG. 7, but differs only in that a glass substrate 51 is provided instead of the LTCC substrate 13. The glass substrate 51 is made of a material having a thermal expansion coefficient similar to that of the Si substrate of the LSI substrate 11. As a material for such a glass substrate 51, Pyrex (registered trademark) glass can be used.

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 glass substrate 51 includes a through wiring 51 b for connecting the bonding metal pad 51 a from the LSI substrate 11 to the mounting metal pad 51 a on the upper surface of the glass substrate 51. The glass substrate 51 includes a recessed portion 51c in a region corresponding to the MEMS 12 on the lower surface thereof. Thereby, when bonding the glass substrate 51 to the LSI substrate 11, the MEMS 12 does not contact the lower surface of the glass substrate 51 even if the sealing portion 14 is thinned. Therefore, the MEMS 12 does not need to include the stopper portion 12e.

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 LTCC substrate 13 in the first embodiment shown in FIG. 1 is simply changed to the glass substrate 51, a gap for the MEMS 12 is secured by the stopper portion 12e. Good.

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 functional device 50 including the glass substrate 51 described above.
In FIG. 9A, first, the MEMS Si substrate 21 described with reference to FIGS. 4 and 5 is used, and the MEMS 12 is fabricated on the MEMS Si substrate 21. Here, a piezoelectric vibrator is shown as an example of the MEMS 12.

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 LSI substrate 11 is prepared, and a metal pad 11a as an extraction electrode from the LSI and a metal pad 11b for sealing are formed on the upper surface.
Subsequently, as shown in FIG. 9C, metal bumps 11d and 11e are formed on the metal pads 11a and 11b on the LSI substrate 11 by plating or vapor deposition or sputtering when a barrier layer is required. To do.
Thereafter, as shown in FIG. 9C, a sealing portion 52 is formed on the metal bump 11d for bonding the MEMS 12 by plating, sputtering, or the like. The sealing part 52 is formed in a circumferential shape so as to be provided along the contour of the surface (lower surface) of the MEMS 12. For example, if the MEMS 12 is a quadrangle, the sealing part 52 is formed in a rectangular frame shape along the periphery of the MEMS 12. It is formed.
Here, the material of the metal bumps 11d and the sealing portion 52 is TLP bonding or metal diffusion bonding (Au-Au bonding, Al-Al bonding, etc.) that does not remelt when the glass substrate 51 and the LSI substrate 11 described later are bonded. ) Is selected.
In the case of TLP bonding, since the sealing portion 52 is in a liquid phase, it is difficult to tightly control the distance between the electrodes of the MEMS 12 and the LSI substrate 11. The MEMS 12 used as a gap is not suitable.

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 MEMS Si substrate 21 having the MEMS 12 is inverted and placed on the LSI substrate 11 and bonded by TLP bonding or metal diffusion bonding. Thereby, the MEMS 12 is electrically connected to the LSI substrate 11.

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/SiO/Si基板/SiOから成る場合には、Ge層22dをH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 Si substrate 23 is removed from the MEMS Si substrate 21. In this case, when the MEMS Si substrate 21 is composed of Si device layer / Ge / SiO 2 / Si substrate / SiO 2 , the Ge layer 22d is selectively etched with H 2 O 2 or the like, whereby the Si substrate 23 Can be removed. As a result, the MEMS 12 fabricated on the MEMS Si substrate 21 is transferred to the LSI substrate 11.

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 glass substrate 51 with a through wiring is prepared, and a metal pad 51a for mounting is formed in the area of the through wiring 51b on the upper surface, and the through wiring 51b on the lower surface is formed. A metal pad 51d for bonding the LSI substrate 11 is formed in the region, and a metal pad 51e for sealing is formed near the periphery.

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 recess 51c having a depth of, for example, about several μm to several tens of μm is processed into a region corresponding to the MEMS 12 on the lower surface of the glass substrate 51.
The recess 51c may be processed after the subsequent sealing portion 52 is formed.

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 portions 54a and bumps 54b are formed on the metal pads 51d and 51e on the lower surface of the glass substrate 51 by plating or screen printing, respectively.
Here, the sealing portion 54 a is formed in a square frame shape along the outer peripheral edge of the glass substrate 51.
Finally, as shown in FIG. 10C, the glass substrate 51 and the LSI substrate 11 are bonded at a temperature of 400 ° C. or less, for example, by a bonding method that can withstand solder reflow such as TLP bonding or high-temperature solder bonding.

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 LSI substrate 11 and the glass substrate 51 is evacuated or filled with an inert gas. Therefore, the humidity of the internal space between the LSI substrate 11 and the glass substrate 51 does not cause at least a part of the MEMS 12 to be chemically changed or adsorbed. The operation is not hindered, and the MEMS 12 can be operated smoothly.

(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 functional device 60 according to the present invention.
In FIG. 11, the functional device 60 has substantially the same configuration as the functional device 50 shown in FIG. 8, but the glass substrate 51 does not include the through wiring 51 b and the LSI substrate 11 includes the through wiring 61. In addition, an extraction electrode for mounting from the LSI substrate 11 is constituted by a metal pad 62 formed on the lower surface of the LSI substrate 11.

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 functional device 60 having such a configuration, since it is not necessary to provide the through wiring 15b in the glass substrate 51 that is difficult to process, the production of the glass substrate 51 may not be entrusted to a specialized manufacturer. On the other hand, since the technology for stacking the memory integrated circuit or the like can be used for the through wiring of the LSI substrate 11, the cost of the functional device 60 can be reduced.

(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 functional device 70 according to the present invention.
In FIG. 12, the functional device 70 has a configuration in which the functional device 10 shown in FIG. 1 and the functional device 40 shown in FIG. 7 are combined, that is, MEMS 71 and 72 are bonded to both the LTCC substrate 13 side and the LSI substrate 11 side. It has a different configuration only in that it is. In FIG. 12, the positions of the MEMS 71 and 72 in the substrate plane direction do not overlap, but they may overlap. In this case, the chip area can be further reduced.

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 MEMS 71 has the same configuration as the MEMS 12 in the functional device 30 shown in FIG. 6 and is configured as, for example, an electrostatic variable capacitor or an electrostatic switch, and the MEMS 72 has the same configuration as the MEMS 12 in the functional device 40 shown in FIG. For example, it is configured as a piezoelectric vibrator.

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 functional device 70. In FIG. 13A, the LTCC substrate 13 including the MEMS 71 is manufactured in the same manner as shown in FIGS.

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 metal bumps 13g and 13i, the sealing portion 14 and the bonding layer 15 are formed on the bonding metal pads 13d and 13f of the LTCC substrate 13, respectively. At this time, a photoresist 73 is patterned on the LTCC substrate 13 excluding the metal pads 13d and 13f to form a mold for bump formation by plating.
Thereafter, as shown in FIG. 13C, the photoresist 73 is removed.

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 LSI substrate 11 including the MEMS 72 is manufactured in the same manner as shown in FIGS. 9A to 9E.
Finally, the LTCC substrate 13 in FIG. 13C and the LSI substrate 11 in FIG. 13D are joined by TLP joining or high-temperature solder joining.
Thereby, the functional device 70 is completed.

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 functional device 70 having such a configuration, the MEMS 71 and 72 can be provided on both the LSI substrate 11 side and the LTCC substrate 13 side. Therefore, two types of MEMS 71 and 72, that is, MEMS 71 as an electrostatic variable capacitor or electrostatic switch, MEMS 72 as a piezoelectric vibrator, and passive component 13b provided on the LTCC substrate 13 are combined with the LSI substrate 11 together. It can be integrated into one functional device 70 and packaged at the wafer level.

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 functional device 10, 30, 40, 50, 60 that can integrate the LSI substrate 11, the MEMS 12, and the LTCC substrate 13 at the wafer level. , 70 are provided.

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 metal pads 13c and the like of the cover substrate 13 and the metal pads 11a of the LSI substrate 11 are joined via the metal bumps 11d and the like, but the metal bumps 11d are the metal pads of the cover substrate 13 and so on. 13c, and can be provided on one or both of the metal pads 11a of the LSI substrate 11.

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 LTCC substrate 13 as the passive component 13b. However, the present invention is not limited to this, and other passive components 13b, for example, resistors and capacitors can be built in. .

本発明による機能デバイスの第1の実施形態の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of 1st Embodiment of the functional device by this invention. 図1の機能デバイスの本発明による製造方法を順次に示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view sequentially illustrating a method for manufacturing the functional device of FIG. 1 according to the present invention. 図1の機能デバイスの本発明による製造方法を順次に示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view sequentially illustrating a method for manufacturing the functional device of FIG. 1 according to the present invention. 図2(A)に示すMEMSの製造方法の一例を順次に示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view sequentially showing an example of a manufacturing method of the MEMS shown in FIG. 図2(A)に示すMEMSの製造方法の一例を順次に示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view sequentially showing an example of a manufacturing method of the MEMS shown in FIG. 本発明による機能デバイスの第2の実施形態の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of 2nd Embodiment of the functional device by this invention. 本発明による機能デバイスの第3の実施形態の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of 3rd Embodiment of the functional device by this invention. 本発明による機能デバイスの第4の実施形態の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of 4th Embodiment of the functional device by this invention. 図8の機能デバイスの本発明による製造方法を順次に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method by this invention of the functional device of FIG. 8 sequentially. 図8の機能デバイスの本発明による製造方法を順次に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method by this invention of the functional device of FIG. 8 sequentially. 本発明による機能デバイスの第5の実施形態の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of 5th Embodiment of the functional device by this invention. 本発明による機能デバイスの第6の実施形態の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of 6th Embodiment of the functional device by this invention. 図12の機能デバイスの製造方法を順次に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of the functional device of FIG. 12 in order.

符号の説明Explanation of symbols

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:SiO
22c:Siハンドル層
22d:犠牲層(Ge層)
23:Si基板
23a,23b:SiO
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 circuit board 11a, 11c: Metal pad 11b: Metal pad for sealing 11d, 11f: Metal bump 11e: Metal bump for sealing 12: Micromachine (MEMS) )
12a: Device layer 12b: Recessed portion 12c, 12d: Electrode 12e: Stopper portion 13: Cover substrate (LTCC substrate)
13a: substrate 13b: passive component (inductor)
13c, 13d, 13e: Metal pad 13f: Metal pad for sealing 13g: Metal bump for bonding 13i: Metal bump for sealing 14: Sealing part 15: Bonding layer 21: Si substrate for MEMS 22: SOI substrate 22a: Si Device layer 22b: SiO 2 layer 22c: Si handle layer 22d: Sacrificial layer (Ge layer)
23: Si substrate 23a, 23b: SiO 2 layer 24: Resist pattern 51: Glass substrate 51a, 51d, 51e: Metal pad 51b: Through wire 51c: Recessed portion 52: Sealing portion 61: Through wire 62: Metal pad 71, 72: MEMS
73: Photoresist

Claims (10)

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、
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:
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、
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:
前記第三の段階で金属パ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ことを特徴とする、請求項又はに記載の機能デバイスの製造方法。 The third stage metal bumps formed on the metal pad is, the sixth to in step, characterized by comprising a material that does not become a liquid phase, method of manufacturing a functional device according to claim 1 or 2. 前記犠牲層はGe又は樹脂から成ることを特徴とする、請求項の何れか記載の機能デバイスの製造方法。 The sacrificial layer is characterized in that it consists of Ge or resin, method for producing a functional device according to any one of claims 1 to 3. 前記第六の段階が、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ことを特徴とする、請求項の何れかに記載の機能デバイスの製造方法。 It said sixth stage, a vacuum, characterized in that it is carried out in either an inert gas atmosphere and dry gas, the production method of the functional device according to any one of claims 1 to 4. 前記第一の段階で、前記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、
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.
前記第二の段階で、前記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、
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, .
前記第二の段階で、前記カバー基板としてガラス基板を使用して、
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.
前記第二の段階で、前記カバー基板として、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、
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.
前記第三の段階で、前記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、
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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