JP2005311065A - Ｍｅｍｓデバイスの製造方法及びｍｅｍｓデバイスを製造するための接合基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＥＭＳデバイスの製造において、素子基板にキャップ基板を接合する場合に、キャップ基板のハンドリング強度を確保しつつ、ＭＥＭＳデバイスの膜厚を低減することにある。
【解決手段】 基板１にＭＥＭＳデバイス本体１００を形成するステップと、基板１上においてＭＥＭＳデバイス本体１００の周囲に凹部２１を形成するステップと、基板２に凹部２１に合致する凸部３１を形成するステップと、凸部３１を凹部２１に嵌合させて基板１と基板２とを接合して基板３を形成するステップと、基板３を基板２側でＵＶシート７００に貼り付けるステップと、基板３をダイシングしてＭＥＭＳデバイス本体１００を分離するステップとを含むことを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）デバイスの製造方法、及びＭＥＭＳデバイスを製造するための接合基板に関する。

半導体微細加工技術を応用したマイクロマシニング技術では、数１００μｍ程度の微小な構造体を製造することが可能であり、各種センサや、光スイッチ、ＲＦ部品等へのこの技術の応用が検討されている。このようなマイクロマシニング技術によるデバイスは、シリコンプロセスを用いて製造されるため、信号処理系ＬＳＩとともにチップ上で集積することが可能であり、特定の機能を持つシステムをチップ上に構築することが可能である。このようなデバイスをＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）デバイスと呼んでいる。

従来のＭＥＭＳデバイスが、例えば、特許文献１及び２に記載されている。
特許文献１には、第１及び第２シリコン基板を張り合わせて形成した加速度センサが記載されている。この加速度センサは、開口部を有する角枠状のフレーム（周辺部）と、フレームの内部に形成された開口部に配置された錘部と、錘部を弾性自在に周辺部に支持する梁部とを備えている。

特許文献２には、半導体製造プロセスによってシリコン基板（素子基板）に一体として形成された加速度センサが記載されている。加速度センサは、開口部を有するフレーム（周辺部）と、開口部の中央に配置された錘部と、錘部を弾性自在かつ片持ち状にフレームに支持する２本のビーム（梁部）とを備えている。２本の梁部は、周辺部の上面側において、錘部を周辺部に支持している。加速度センサの下面は、加速度センサと略同一の膜厚のカバー（キャップ基板）に固定されている。このような加速度センサでは、加速度センサが形成された素子基板にキャップ基板を張り合わせた後に、キャップ基板を接着剤でＵＶシートに固定し、各加速度センサをダイシングによって分離している。

特許文献１及び２に記載されたような半導体製造プロセスにおける基板同士の接合の例は、ＭＥＭＳデバイス以外にも使用されており、例えば特許文献３及び４に記載されている。
特許文献３には、第１のＳＯＩ基板と第２のＳＯＩ基板とを接合した積層型半導体装置が記載されている。第１のＳＯＩ基板は、第１のデバイス層と、第１のデバイス層上に形成されたコンタクト部とを備えている。第２のＳＯＩ基板は、第２のデバイス層と、第２のデバイス層上に形成されたＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜とを備えており、ＳＯＧ膜にはコンタクト部に嵌合する凹部が形成されている。この半導体装置では、コンタクト部がＳＯＧ膜の凹部に嵌合した状態で、第１のＳＯＩ基板と第２のＳＯＩ基板とを接合することにより、第１のデバイス層と第２のデバイス層との電気的なコンタクトがとられる。

特許文献４には、第１の半導体基板と第２の半導体基板とを接合した半導体装置が記載されている。第１及び第２の半導体基板は、トランジスタと、層間絶縁膜を介してトランジスタに電位的に接続された電極と、電極間の隙間に形成された絶縁膜とを備えている。第１の半導体基板の電極及び絶縁膜には、断面視鋸歯状の凹凸パターンが形成され、第２の半導体基板の電極及び絶縁膜には、第１の半導体基板の凹凸パターンに対して１８０°位相がずれた凹凸パターンが形成されている。この半導体装置では、第１及び第２の半導体基板の凹凸パターンが互いにかみ合う状態で、第１及び第２の半導体基板が接合され、各半導体基板のトランジスタの電気的なコンタクトがとられる。
特開平９−１５２５７号公報（第４−５頁、第１図） 特開平７−２２５２４０号公報（第５−６頁、第１−２図） 特開平５−５５５３４号公報（第２頁、第１図） 特開平８−１２５１２１号公報（第８−９頁、第１図）

特許文献１に記載した加速度センサでは、フレームの開口部が第１基板及び第２基板にわたって貫通しているため、ダイシングによって各加速度センサを個片化する際に、以下のような問題がある。第１に、ダイシングの際にシリコンの残査が加速度センサ内部に侵入して加速度センサの特性が劣化する可能性がある。第２に、加速度センサを直接ＵＶシートに接着すると接着剤が錘部に付着し、個片化された加速度センサをピックアップする際に、錘部がＵＶシートから簡単に分離しない場合がある。このような場合には、錘部を支持している梁部に過度の応力が加わり、梁部が破壊される可能性がある。第３に、ダイシング時にシリコン残査を流すための水の水圧によって、薄い梁部が破壊される可能性がある。

特許文献２に記載した加速度センサでは、素子基板にキャップ基板を接合してからダイシングするため、加速度センサがキャップ基板によってカバーされ、上記第１乃至第３の問題を解決し得る。即ち、加速度センサがキャップ基板でカバーされるため、ダイシングの際にシリコンの残査が加速度センサ内部に侵入するのを防止し、加速度センサの錘部に接着剤が付着することを防止し、水圧によって梁部が破損することを防止できる。

しかしながら、キャップ基板には、単体で取り扱う際のハンドリング強度を保つための膜厚が必要であり、通常、キャップ基板はシリコン基板と略同一の膜厚を必要とする。この結果、キャップ基板を素子基板に接合することによって加速度センサの膜厚の増大を招く可能性がある。携帯電話機等の小型機器に加速度センサを搭載する場合、機器内部での組み立てのスペースが限られており、加速度センサチップの膜厚は制限される。現在、一般に普及している携帯電話機では、組み立て後のチップ厚は１．２ｍｍ以下のものが要求されている。従って、素子基板へのキャップ基板の接合による膜厚の増大は無視できないものである。

特許文献３及び４に記載された基板同士の貼り合わせは、各基板のデバイス間のコンタクトをとるために基板を接合する構成であり、キャップ基板の膜厚のために接合後の基板が厚くなる問題点に着目したものではない。即ち、特許文献３及び４に記載の構造は、略同一の膜厚を持つ基板同士を接合する構造であり、接合後の基板は単独の基板の略２倍の膜厚になっている。

以上より、ＭＥＭＳデバイスの製造において、素子基板にキャップ基板を接合する場合に、キャップ基板のハンドリング強度を確保しつつ、ＭＥＭＳデバイスの膜厚を低減する必要がある。

本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法は、第１基板にＭＥＭＳデバイス本体を形成するステップと、第１基板上においてＭＥＭＳデバイス本体の周囲に凹部を形成するステップと、第２基板に前記凹部に合致する凸部を形成するステップと、凸部を凹部に嵌合させて第１基板と前記第２基板とを接合して第３基板を形成するステップと、第３基板を前記第２基板側でＵＶシートに貼り付けるステップと、第３基板をダイシングしてＭＥＭＳデバイス本体を分離するステップとを含むことを特徴とする。

この製造方法によれば、ＭＥＭＳデバイス本体をカバーする第２基板に、膜厚部としての凸部を設けるため、第２基板全体での平均的な膜厚を確保してハンドリング強度を向上させることができる。また、第２基板の凸部を第１基板の凹部に嵌合させて、第２基板の凸部の高さを第１基板の凹部の深さに吸収させることにより、接合後の第１及び第２基板の合計の膜厚を低減させることができる。即ち、この製造方法によれば、第２基板のハンドリング強度の確保と、接合後の第１及び第２基板の合計の膜厚を低減によるＭＥＭＳデバイスの膜厚の低減とを両立させることが可能である。

（１）第１実施形態
本実施形態では、図１に示す素子基板１と、図２に示すキャップ基板２とを用いて、図４に示す加速度センサ５００を製造する。
〔素子基板の構成〕
図１は、第１実施形態に係る素子基板１の平面図（ａ）、裏面図（ｂ）、断面図（ｃ）である。素子基板１は、互いに対向する第１面と第２面とを有する。平面図（ａ）は、素子基板１の第１面における一部拡大図であり、裏面図（ｂ）は、素子基板１の第２面における一部拡大図である。断面図（ｃ）は、図１（ｂ）のｃ−ｃにおける断面図である。

素子基板１は、例えばシリコン基板であり、加速度センサ本体１００が形成される厚膜部１０と、凹部２１が形成される薄膜部２０とを備えている。
加速度センサ本体１００は、厚膜部１０に形成され、周辺部１０１と、錘部１０２と、梁部１０３と、開口部１０４とを備えている。周辺部１０１は角枠状に形成されており、周辺部１０１の内側には、第１面から第２面に貫通する開口部１０４が形成されている。錘部１０２は、開口部１０４に配置され、第１面側において、２本の梁部１０３によって弾性自在かつ片持ち状に周辺部１０１に支持されている。錘部１０２は、平面視略矩形状であり、第１面側よりも第２面側が狭く形成されている。薄膜部２０は、凹部２１が形成されることにより、厚膜部１０よりも薄く形成されている。凹部２１は、図１（ｂ）に示すように、複数の加速度センサ本体１００の間に形成され、各加速度センサ本体１００の周囲に形成されている。また、第１面において、厚膜部１０と薄膜部２０との境界にはスクライブライン１０７としての溝が形成されている。

素子基板１は、シリコン基板をフォトリソ、エッチングすることによって加速度センサ本体１００、凹部２１、スクライブライン１０７を形成することにより、素子基板１を形成する。
〔キャップ基板〕
図２は、キャップ基板２の平面図（ａ）、断面図（ｂ）である。キャップ基板２は、互いに対向する第３面と第４面とを有しており、図２（ａ）の平面図は、第３面における一部拡大図である。図２（ｂ）において、凸部３１及び凹部４１が形成された面が第３面であり、第３面に対向する面が第４面である。

キャップ基板２は、例えばガラス基板又はシリコン基板であり、凸部３１が形成された厚膜部３０と、凹部４１が形成された薄膜部４０とを備えている。ガラス基板は、例えば、硼珪酸ガラス（パイレックス（登録商標）ガラス）を用いる。凹部４１は、図１の素子基板１の凹部２１に合致する形状及び大きさに形成されている。キャップ基板２は、ガラス基板又はシリコン基板にフォトリソグラフィー及びエッチング工程を施して、凹部４１を形成するとともに凸部３１を形成することにより形成する。

ここで、図１（ｃ）において、厚膜部１０の膜厚をａ、薄膜部２０の膜厚をｂとすると、凹部２１の深さはａ−ｂである。一方、図２（ｂ）において、厚膜部３０の膜厚をｃ、薄膜部４０の膜厚をｄとすると、凸部３１の高さはｃ−ｄである。凹部２１及び凸部３１は、凹部２１の深さａ−ｂと凸部３１の高さｃ−ｄとが一致して凸部３１が凹部２１に完全に嵌め込まれるように構成されている。

膜厚の一例を挙げると、素子基板１の厚膜部１０の膜厚をａ＝５００μｍ、薄膜部２０の膜厚をｂ＝１００μｍ、キャップ基板２の厚膜部３０の膜厚をｃ＝５００μｍ、薄膜部４０の膜厚ｄ＝１００μｍとすると、凹部２１の深さはａ−ｂ＝４００μｍ、凸部３１の高さはｃ−ｄ＝４００μｍとなる。凹部２１に凸部３１が嵌合するように素子基板１とキャップ基板２とを接合すると、図３に示すように、凸部３１の高さは凹部２１の深さに吸収され、素子基板１とキャップ基板２とを接合した接合基板３の膜厚は、素子基板１単体の膜厚ａよりもキャップ基板２の薄膜部４０の膜厚ｄだけ増加するだけである。即ち、接合基板３の膜厚は、ａ＋ｄ＝５００μｍ＋１００μｍ＝６００μｍであり、素子基板１単体の膜厚５００μｍよりも、薄膜部４０の膜厚１００μｍだけ増加する。これにより、接合基板３の膜厚の低減が可能である。即ち、全面にわたって均一の膜厚を持つキャップ基板を素子基板１（膜厚５００μｍ）に接合する場合には、キャップ基板のハンドリング強度を保つために例えば５００μｍのキャップ基板を用いると、接合基板の膜厚は５００μｍ＋５００μｍ＝１０００μｍとなり、ハンドリング強度を保つキャップ基板の膜厚がそのまま接合基板の膜厚の増加に繋がる。これに対して、本実施形態のように素子基板１の凹部２１とキャップ基板２の凸部３１とを嵌合させて素子基板１及びキャップ基板２を接合した場合には、凸部３１の膜厚によってキャップ基板２単体のハンドリング強度を確保しつつ、凸部３１の高さを凹部２１に吸収させて接合基板３の膜厚を低減することができる。

〔加速度センサの製造方法〕
以下、素子基板１及びキャップ基板２を用いて、加速度センサ５００を製造する方法を説明する。
上述したように、素子基板１及びキャップ基板２を形成した後、図３（ａ）に示すように、素子基板１の凹部２１にキャップ基板２の凸部３１が嵌合されるように、素子基板１とキャップ基板２とを密着させ、素子基板１とキャップ基板２とを接合し、接合基板３を形成する。キャップ基板２がシリコン基板である場合には、素子基板１とキャップ基板２とが密着するように加圧して圧着することにより、素子基板１とキャップ基板２とを接合する。キャップ基板２がガラス基板である場合には、素子基板１とキャップ基板２とを陽極接合によって接合する。

次に、接合基板３を接着剤６００によってＵＶシート７００に固定する。接合基板３のＵＶシート７００への固定は、キャップ基板２の素子基板１側とは反対側の面においてＵＶシート７００に固定する。
ＵＶシート７００に固定された接合基板３をスクライブライン１０７に沿ってダイシングし、加速度センサ５００（加速度センサ本体１００及びキャップ基板２の薄膜部）を個片化する。その後、ＵＶシート７００に紫外線を照射して接着剤６００をポリマー化し、接合基板３のＵＶシート７００への接着を解いた後、各加速度センサ５００をピックアップする。

図４は、ピックアップされた加速度センサ５００の断面図である。加速度センサ５００は、加速度センサ本体１００と、加速度センサ本体１００の底面に接合されたキャップ基板２の薄膜部４０とを備えている。加速度センサ５００の膜厚は、加速度センサ本体１００の膜厚ａと比較して、キャップ基板２の薄膜部４０の膜厚ｄだけ増加するのみであり、加速度センサ５００の膜厚が低減されていることが分かる。

〔作用効果〕
本実施形態で説明した加速度センサ本体１００は、ＵＶシート７００への接着面（第２面）に開口部１０４を有するので、素子基板１を直接ＵＶシート７００に接着すると、ダイシングの際に加速度センサ本体１００が劣化する可能性がある。即ち、第１に、ダイシングの際にシリコンの残査が加速度センサ本体１００内部に侵入して加速度センサ本体１００の特性が劣化する可能性がある。第２に、素子基板１を直接ＵＶシート７００に接着すると接着剤が錘部１０２に付着し、個片化された加速度センサ本体１００をピックアップする際に、錘部１０２がＵＶシート７００から簡単に分離しない場合がある。このような場合には、錘部１０２を支持している梁部１０３に過度の応力が加わり、梁部１０３が破壊される可能性がある。第３に、ダイシング時にシリコン残査を流すための水の水圧によって、薄い梁部１０２が破壊される可能性がある。そこで、本実施形態の加速度センサ５００の製造方法では、素子基板１にキャップ基板２を接合し、キャップ基板２を介して素子基板１をＵＶシート７００に固定するので、ダイシング時において、加速度センサ本体１００の１０５がキャップ基板２によってカバーされ、シリコンの残査が加速度センサ本体１００内部に侵入することを防止し、錘部１０２への接着剤の付着を防止し、水圧によって梁部１０２が破壊されることを防止できる。

また、キャップ基板２において凹部４１を形成して薄膜部４０を形成するとともに凸部３１を残したので、キャップ基板２全体での平均的な膜厚を確保してキャップ基板２単体でのハンドリング強度を確保することができる。また、素子基板１の凹部２１にキャップ基板２の凸部３１を嵌合させた状態で素子基板１とキャップ基板２とを接合することにより、凸部３１の高さを凹部２１の深さに吸収させて接合基板３の膜厚を低減することができる。従って、キャップ基板２のハンドリング強度の確保と加速度センサ５００の膜厚の低減とを両立させることができる。

（２）第２実施形態
本実施形態では、素子基板１上に形成されるスクライブライン１０７の位置が第１実施形態とは異なる。第１実施形態では、スクライブライン１０７は、厚膜部１０と薄膜部２０との境界に形成したが、本実施形態では、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、スクライブライン１０７を薄膜部２０の略中央に形成し、隣接する加速度センサ本体１００間でスクライブライン１０７を共用する。

図６は、第２実施形態に係る加速度センサ５００の製造方法を説明する図である。同図に示すように、本実施形態では、隣接する加速度センサ５００の間でスクライブライン１０７を共用するため、第１実施形態の場合のように隣接する加速度センサ５００の間に２本のスクライブライン１０７を形成する場合に比較してスクライブライン１０７の加工精度を緩和することができるとともに、ダイシングの回数を低減することができる。図７は、本実施形態に係る素子基板１を用いて形成された加速度センサ５００の断面図である。この加速度センサ５００は、第１実施形態に係る加速度センサ５００の周囲に、素子基板１の薄膜部２０の一部とキャップ基板２の凸部３１の一部とからなる外周部をさらに備えている。本実施形態に係る加速度センサ５００は、第１実施形態の加速度センサ５００に比較して外周部の分だけ広がるが、隣接する加速度センサ５００間でスクライブライン１０７を共用するため、加速度センサ５００間に残る不要な部分を出さずに済む。

第１実施形態に係る素子基板の平面図（ａ）、裏面図（ｂ）、断面図（ｃ）。 キャップ基板の平面図（ａ）、断面図（ｂ）。 第１実施形態に係る加速度センサの製造方法を説明する図。 第１実施形態に係る加速度センサの断面図。 第２実施形態に係る素子基板の平面図（ａ）、裏面図（ｂ）、断面図（ｃ）。 第２実施形態に係る加速度センサの製造方法を説明する図。 第２実施形態に係る加速度センサの断面図。

符号の説明

１ 素子基板
２ キャップ基板
３ 接合基板
１０ 厚膜部
２０ 薄膜部
２１ 凹部
３０ 厚膜部
３１ 凸部
４０ 薄膜部
４１ 凹部
１００ 加速度センサ本体
１０１ 周辺部
１０２ 錘部
１０３ 梁部
１０４ 開口部
１０７ スクライブライン
５００ 加速度センサ
６００ 接着剤
７００ ＵＶシート

Claims (12)

1. 第１基板にＭＥＭＳデバイス本体を形成するステップと、
   前記第１基板上において前記ＭＥＭＳデバイス本体の周囲に凹部を形成するステップと、
   第２基板に前記凹部に合致する凸部を形成するステップと、
   前記凸部を前記凹部に嵌合させて前記第１基板と前記第２基板とを接合して第３基板を形成するステップと、
   前記第３基板を前記第２基板側でＵＶシートに貼り付けるステップと、
   前記第３基板をダイシングして前記ＭＥＭＳデバイス本体を分離するステップと、
   を含むことを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
2. 前記ＭＥＭＳデバイス本体は加速度センサであり、
   前記加速度センサは、前記第１基板に形成された開口部と、前記開口部を囲む周辺部と、前記開口部に配置された錘部と、前記錘部を前記周辺部に支持する梁部とを有することを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
3. 前記第２基板はシリコン基板であることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
4. 前記第２基板はガラス基板であることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
5. 前記第１基板と前記第２基板とを接合するステップでは、圧着によって前記第１基板と前記第２基板とを接合することを特徴とする、請求項３に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
6. 前記第１基板と前記第２基板とを接合するステップでは、陽極接合によって前記第１基板と前記第２基板とを接合することを特徴とする、請求項４に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
7. 前記第１及び第２基板は、加工前の状態において５００μｍの厚さを有し、
   前記凹部の深さ及び前記凸部の高さは４００μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
8. ＭＥＭＳデバイス本体と、前記ＭＥＭＳデバイス本体の周囲に形成された凹部とを有する第１基板と、
   前記凹部に合致する凸部を有し、前記凸部が前記凹部に嵌合した状態で前記第１基板に接合された第２基板と、
   を備えたことを特徴とするＭＥＭＳデバイスを形成するための接合基板。
9. 前記ＭＥＭＳデバイス本体は加速度センサであり、
   前記加速度センサは、前記第１基板に形成された開口部と、前記開口部を囲む周辺部と、前記開口部に配置された錘部と、前記錘部を前記周辺部に支持する梁部とを有することを特徴とする、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイスを形成するための接合基板。
10. 前記第２基板はシリコン基板であることを特徴とする、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイスを形成するための接合基板。
11. 前記第２基板はガラス基板であることを特徴とする、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイスを形成するための接合基板。
12. 前記第１基板は、５００μｍの厚さを有する第１部分と、前記凹部が形成されて１００μｍの厚さを有する第２部分とを有し、
    前記第２基板は、１００μｍの厚さを有する第３部分と、前記凸部が形成されて５００μｍの厚さを有する第４部分とを有していることを特徴とする、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイスを形成するための接合基板。

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