JP2006095681A - 集積微小電気機械システムのカプセル封じ部品及びその部品の製造プロセス - Google Patents

Abstract

【課題】 プラスチックを用いたマイクロシステムの封止において、プラスチック被膜が重みで垂れ下がらない方法を提供する。
【解決手段】 マイクロシステム２は、少なくとも基板４、６と第１のカバーの少なくとも一部８ａで形成された上壁７とに境界を接した第１の空洞３中に集積される。カプセル封じ部品１は、少なくとも第１の空洞３の上壁７全体と薄い層で形成された第２のカバー１０とに境界を接した第２の空洞９を有する。第２のカバー１０は、流し込み成形で成形されたプラスチック材料で作られた被膜１１で覆われている。前記カプセル封じ部品１の製造プロセスは、まず第１の空洞３の上壁７上にポリマー材料の層を堆積しそれをアニールして凸状の犠牲層を作り、その犠牲層上に薄膜を堆積し、犠牲層を除去すると凸状の第２のカバー１０ができる。第２のカバー１０上に流し込み成形でプラスチックの被膜１１を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも、基板と、第１のカバーの少なくとも一部で形成された上壁と境界を接した、第１の空洞中に集積化された微小電気機械システムを備える部品に関する。

集積微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、過去数年で相当に発展した。最もよく知られている用途は、エアバッグ用の加速度計、航海用のジャイロメータ、及び、遠距離通信用の無線周波スイッチ及び光スイッチである。

製造コストを低減するために、マイクロテクノロジの全能力が依拠している一括製造の原理をますます大規模に応用することが追求されている。このように、単一基板にできるだけ多数のチップを有するために可能な最も小さなチップを製造することが追求されている。

一括製造は、全ての製造ステップを備えるので、なおさら有利である。しかし、特定の製造ステップは、ひとまとめにして行われるが、他のステップは、各チップについて個々に行われる。例えば、封止ステップは、各個々のチップが基板から切り出された後で各個々のチップについて行われると、非常に高くつく。

現在のＭＥＭＳは、一般に、基板と空洞中に集積化された微小電気機械システムとで形成されている。マイクロシステムを保護するために、空洞を気密にするように設計された封止手段で、基板にカバーが固定されている。

次の特徴を表すプロセスを開発することが追求されている。すなわち、
−ウェーハ上に集めること、
−ほとんどシリコン表面を費やさないこと（チップ・サイズを小さくするために）、
−過酷な温度及び湿度環境において非常に良好で長持ちする封止性を保証できること、
−ほとんど漂遊ひずみを発生しないこと、
−好ましくは低温（＜４５０℃）で行われることができること。

これらのプロセスで得られた部品は、特にプラスチック材料の被覆すなわちオーバモールディングによる、その後のパッケージング作業に耐えることができなければならない。

今日まで知られている技法でこれら全ての条件を同時に満たすことができるものはない。

第１の知られている技法は、ポリマー材料で作られたビードでカバーを封止することにある。この解決策の有利点は、非常に小さな幅（数十マイクロメートル）のビードを実現することができるフォトリソグラフィ技術でビードの形が確定されることができ、ほとんどチップ表面を使わないことである。さらに、封止は、低温で簡単な手段で行われることができる。この技法で得られた部品は、オーバモーディング作業に耐えることができるが、大きな欠点は、ポリマーを使用することで、特に真空に対して非常に優れた封止性を保証することができないことである。さらに、ポリマーは、環境からの攻撃に対して優れた耐性を示さない。

今日広く使用されている第２の技法は、シルク・スクリーン・プロセスで堆積された溶融ガラス・ビードを使用することにある。４５０℃で融けるガラスは見出されることが可能であり、さらにこの技法は優れた封止性を保証する。この技法で得られた部品は、オーバモールディング作業に耐える。しかし、この技法には、大規模流通製品では許容できなくなる非常に大きな幅（数百マイクロメートル）のビードをもたらすという大きな欠点がある。例えば、次世代の加速度センサのチップの表面は、約１平方ミリメートルである。しかし、ビードの幅は、シルク・スクリーン・プロセスによるガラス・ペースト堆積技法と関連し、従ってこの幅を減らすことを望むのは難しい。

第３のもっと集積化される技法は、カバーを堆積薄膜に置き換えることにある。このタイプのプロセスの実施は、一般に、犠牲層の堆積、カバーとして作用する薄膜の堆積、及び犠牲層の除去を伴う。カバー層は、ＭＥＭＳ自体にも使用されることのある材料の多結晶シリコンで作られることが多い。それから、カバーは、流し込み成形で成形されたプラスチック被膜で覆われる。この技術には、非常に大きな小型化及び、その結果、非常に低コストの可能性の有利点がある。この技法は無機物封止を使用し、従って気密である。しかし、大きな欠点は、特にカバーの表面が大きいとき、流し込み成形で成形されたプラスチック被膜の大きな被膜圧力にカバーが耐えることができないことである。

この問題を克服する解決策は、薄膜カバーの垂れを制限する多数の小さな柱の上にカバーを載せることにある。しかし、この解決策はデバイスを雑然と塞いで、ＭＥＭＳの設計自由度を大きく制限し、約１００バールの圧力に耐えるためには、柱は、一般に数十ミクロン離れて、互いに非常に近接していなければならない。そのような小さな間隔でも、カバー又は柱の破壊限界に対する安全余裕は依然として小さいままである。このことは、流し込み成形での成形に使用される固体プラスチックが、凝固するとき熱膨張係数の差のために、流体静力学的な力だけでなくせん断力もカバーに及ぼすことで、一層悪化されている。流し込み成形による成形に対して耐性を高める既知の方法は、凝固が起こるときに、チップに対する応力特にせん断応力を吸収する粘性の高いゲル１滴を配置することである。しかし、この方法は集約的でなく、又クリーン・ルームで生産を行うのに適していない。さらに、流し込み成形での成形は、チップを製造する会社とは別の会社で行われることが多く、そして、ゲルが既に置かれているチップを輸送することは、また、信頼性の問題及び問題が生じた場合の責任確定の問題を引き起こす。他の解決策に、流し込み成形で成形を行う会社の構内でゲルを置くことがあるが、これは生産ツールの特別の改造を必要とするかもしれない。

本発明の目的は、これらの欠点を改善することであり、より詳細には、スペース占有、熱膨張、カバーの固体状態、及び製造コストの問題を最小限にする一括集積ＭＥＭＳカプセル封じプロセスを提案することである。

本発明に従って、この目的は、添付の特許請求の範囲によって、より詳細には、部品が、少なくとも第１の空洞の上壁全体と共に、第２の空洞の境界を定める薄い層で形成された第２のカバーを備えることによって、達成される。

本発明のさらに他の目的は、本発明に従った部品の製造プロセスを提供することであり、このプロセスは、微小電気機械システム及び第１のカバーが実現された後で、
−第１の空洞の上壁の全体にポリマー材料の層を堆積すること、
−ポリマー材料の層をアニールすること、
−ポリマー材料の層の上に第２のカバーを形成するように設計された薄い層を堆積すること、
−第２のカバーに少なくとも１つの開口部をエッチングすること、
−開口部によってポリマー材料の層を除去すること、を連続して含む。

他の有利点及び特徴は、制限しない例としてだけ与えられ、且つ添付の図面に表される、本発明の特定の実施形態についての以下の説明からいっそうはっきりと明らかになるだろう。

図１は、第１の空洞３に集積化された微小電気機械システム２のカプセル封じ部品１を表す。第１の空洞３は、好ましくはぴったりと封止されている。図１に示すように、マイクロシステム２は、吊り下げ要素で構成されることができる。図１に示された特定の実施形態では、第１の空洞３は、支持基板４、絶縁層５の側面、マイクロシステム２が加工された微細構造化基板６、及び第１のカバー８の突出部８ａで形成された第１の空洞３の上壁７と境界を接している。突出部８ａの各側面に付けて配置された第１のカバー８の底部８ｂは、微細構造化基板６の上に載っている。その上、図１に示すように、突出部８ａは、第１のカバー８の中間の底部８ｃと、微細構造化基板６の中間部６ｃと、絶縁層５の中間部５ｃとの重ね合わせで各々形成されている柱の上に配置されることができる。

第２の空洞９は、第１の空洞３の上壁７全体、第１のカバー８の底部８ｂ、薄い層で形成された第２のカバー１０、及び多分に第２のカバー１０の上に堆積されエッチングされた栓１３と境界を接している。第２のカバー１０を形成する薄い層は、好ましくは凸状である。図１に示すように、第２のカバー１０は、流し込み成形で成形されたプラスチック材料の被膜１１で覆われることができ、この部品が保護されることを可能にする。

図１において、第１のカバー８及び第２のカバー１０は、カバーと開口部１２の流れをせき止める栓１３との製造に使用された犠牲層の除去を可能にする開口部１２を備える。

図２において、第１の空洞３は、基板１４、封止材１５、及び平らな第１のカバー８の全体で形成された第１の空洞３の上壁７と境界を接している。第２の空洞９は、第１の空洞３の上壁７の全体、封止層１５の側面、基板１４の前面、及び第２のカバー１０と境界を接している。

本発明に従って、第１の空洞３の上壁７全体が第２の空洞９の境界を定めている。すなわち、第２のカバー１０は、第１の空洞３の上壁７と接触していない。第２のカバー１０は、せん断力及び強い圧力、例えば部品１の被膜１１を構成するプラスチック材料の圧力に耐えることができる。

第２のカバー１０は、凸形であるとき、非常に堅固である。そのとき、第２のカバー１０は、第１のカバー８の上に配列された保護ドームを形成し、空洞３の上壁７に接触することはない。例えば、図１において、第２のカバー１０は、実際は、第１のカバー８の突出部８ａの各側面に付けて配置された第１のカバー８の底部８ｂの上に置かれている。図２に示された特定の実施形態では、第２のカバー１０は、基板１４の上に置かれている。従って、両方の場合で、せん断力は、被膜１１によって上壁７に作用されない。

例えばＲ．Ａｉｇｎｅｒ他、「Ｃａｖｉｔｙ−Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｚｅｒｏ−Ｐａｃｋａｇｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ」、Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ’０１ Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒ ＸＶ，１１^ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、Ｍｕｎｉｃｈ、Ｇｅｒｍａｎｙ、２００１年６月１０〜１４日の文献で説明されているように、微小電気機械システム２及び第１のカバー８は、知られている方法で、実現されることができる。このようにして、多結晶又は単結晶シリコンの層は、エピタキシ型の堆積又は分子結合によって、例えばシリカで作られた絶縁層５の上に作られることができる。かかるシリコン層は、例えば異方性反応性イオン・エッチングで微細構造化基板６を得るようにエッチングされる。

次に、図３に示すように、第１の犠牲層１７が微小電気機械システム２及び微細構造化基板６の上に堆積される。第１の犠牲層１７は、例えば、化学気相成長法で実現され、且つ第１のカバー８及び第１の空洞３の形を画定するようにエッチングされた絶縁層によって形成される。第１の犠牲層１７の厚さは、一般に、せいぜい数マイクロメートルである。一方で、従来使用されている堆積技法では、実際は、数マイクロメートルを超える厚さが実現されることができず、他方で、犠牲層を除去するためのエッチング時間は長すぎてはならない。従って、第１のカバー８は自動的に平らな形であり、この平らな形がカバー８の圧力耐性を制限している。

そして、第１のカバー８は、例えば多結晶シリコンの薄い層を第１の犠牲層１７及び基板６の上に堆積することによって実現される。それから、第１のカバー８に開口部１２がエッチングされ、そして例えばフッ化水素酸をベースにした槽を使用する化学エッチングで、第１の犠牲層１７が除去されて、図４に示すように第１の空洞３を形成する。第１の犠牲層１７が除去された後で、第１のカバー８の開口部１２は、例えば化学気相成長法又は可溶性ガラス・セリグラフィによって製造された栓１３によってふさがれる。

高圧力及びせん断力に耐えることができるようにより堅固な第２のカバー１０の凸形状を得るために、第２のカバー１０は、好ましくは、第１のカバー８に使用された技法とは別の技法によって実現される。このために、第２の犠牲層を構成するポリマー材料の層１８が、第１の空洞３の上壁７全体及び第１のカバー８の底部８ｂの上に堆積される。ポリマー材料の層１８は、例えば、ワーラによる堆積と、ポリマー材料の層１８が横方向に制限されることができるエッチングとによって実現される。それから、ポリマー材料の層１８はアニールされ、これによって、特にクリープ及び内部応力の効果で、ポリマー材料の層１８の凸状表面を得ることができるようになる。図４において、例えば、ポリマー材料の層１８は、アニール後に凸状である。

図５に示すように、第２のカバー１０を形成するように設計された薄い層が、底部８ｂ及びポリマー材料の層１８の上に堆積されて、自動的に凸形状になる。凸状の薄い層は、好ましくは、窒化珪素又は金属の化学気相成長によって得られ、そして第２のカバー１０の形にするように横方向にエッチングされる。図５に示すように、第２のカバー１０に開口部１２がエッチングされる。第２の空洞９を空にするために、第２の犠牲層１８は、例えば酸素プラズマ・エッチングによって開口部１２を使って除去される（図１）。

それから、第２のカバー１０の開口部１２の流れをせき止める栓１３を形成するために、第２のカバー１０の開口部１２の位置に、封止層が堆積されることができる。

プロセスの終りに、第２のカバー１０の上に既知の方法で、流し込み成形でプラスチック材料の被膜１１が成形されることができる。

封止層の堆積は、例えば化学気相成長法又は蒸着によって、又はもっと簡単にポリマー材料の層例えば樹脂層の堆積によって行うことができる。流し込み成形で成形されるプラスチック材料の被膜１１で第２の空洞９が覆われるとき、第２の空洞９の優れた気密性を有していることは、必ずしも不可欠ではない。従って、図１に示すように被膜１１が第２のカバー１０の上一面に成形されるまで、第２の空洞９の気密性を一時的に保証することで十分である。被膜１１のプラスチックは一般に高粘性であるので、特定の場合には、第２のカバー１０の開口部１２をふさがないで、プラスチックが開口部１２に入らないこともありうる。そのとき、第２の空洞９に含まれていることがある気体によって、静圧は一部が第１のカバー８に伝えられるが、従来技術による部品の第１のカバーに作用するせん断力は無くなり、このことは第１のカバー８の完全性を維持するのに十分である。

本発明に従った部品の２つの特定の実施形態を示す断面図である。 本発明に従った部品の２つの特定の実施形態を示す断面図である。 本発明に従った製造プロセスの特定の実施形態を示す断面図である。 本発明に従った製造プロセスの特定の実施形態を示す断面図である。 本発明に従った製造プロセスの特定の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ カプセル封じ部品
２ 微小電気機械システム
３ 第１の空洞
４ 支持基板
６ 微細構造化基板
７ 上壁
８ 第１のカバー
８ａ 突出部
９ 第２の空洞
１０ 第２のカバー
１１ 被膜
１２ 開口部
１３ 栓
１４ 基板
１８ ポリマー材料の層

Claims (12)

1. 少なくとも、基板（４、６、１４）と、第１のカバー（８）の少なくとも一部（８ａ）で形成された上壁（７）と境界を接した、第１の空洞（３）中に集積化された微小電気機械システム（２）を備える部品であって、少なくとも前記第１の空洞（３）の前記上壁（７）の全体と共に、第２の空洞（９）の境界を定める薄い層で形成された第２のカバー（１０）を備えることを特徴とする部品。
2. 前記第２のカバー（１０）が少なくとも１つの開口部（１２）を備えることを特徴とする請求項１記載の部品。
3. 前記開口部（１２）の流れをせき止める栓（１３）を備えることを特徴とする請求項２記載の部品。
4. 前記第２のカバー（１０）を形成する前記薄い層が凸状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の部品。
5. 前記第１の空洞（３）がぴったりと封止されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の部品。
6. 前記部品（１）が被膜（１１）を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の部品。
7. 前記第２のカバー（１０）が、前記被膜（１１）で覆われていることを特徴とする請求項６記載の部品。
8. 前記被膜（１１）が流し込み成形で成形されたプラスチック材料で作られていることを特徴とする請求項７記載の部品。
9. 請求項２記載の部品（１）の製造プロセスであって、前記微小電気機械システム（２）及び前記第１のカバー（８）が実現された後で、
   −前記第１の空洞（３）の前記上壁（７）の全体にポリマー材料の層（１８）を堆積すること、
   −ポリマー材料の前記層（１８）をアニールすること、
   −ポリマー材料の前記層（１８）の上に前記第２のカバー（１０）を形成するように設計された前記薄い層を堆積すること、
   −前記第２のカバー（１０）に少なくとも１つの開口部（１２）をエッチングすること、
   −前記開口部（１２）によってポリマー材料の前記層（１８）を除去すること、を連続して備えることを特徴とする製造プロセス。
10. ポリマー材料の前記層（１８）が除去された後で、前記第２のカバー（１０）の前記開口部（１２）の流れをせき止める栓（１３）を形成する封止層を堆積することを備えることを特徴とする請求項９記載のプロセス。
11. 前記開口部（１２）の前記封止層が樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１０記載のプロセス。
12. 前記プロセスの終りに流し込み成形で成形されたプラスチック材料の被膜（１１）を製造することを備えることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のプロセス。

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