JP2008296336A - 中空封止構造体及び中空封止構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 中空封止構造体を小型化することができ、かつ、内部の犠牲層の除去時間を短縮できる中空封止構造体及び中空封止構造の製造方法を提供する。
【解決手段】 中空封止構造体１は、基板２，３と、基板２，３の主面上に設けられた機能素子４と、基板２，３の主面上に設けられて中空部６を形成し、この中空部６内において機能素子４を被覆する被覆部として、複数の開口７ａを有する第１被覆構造部７と、第１被覆構造部７上に開口７ａと機能素子４とを結ぶ仮想直線上に設けられる第２被覆構造部８と、第２被覆構造部８と第１被覆構造部７との間に形成される空隙を封止する封止構造部９と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 中空封止構造体１は、基板２，３と、基板２，３の主面上に設けられた機能素子４と、基板２，３の主面上に設けられて中空部６を形成し、この中空部６内において機能素子４を被覆する被覆部として、複数の開口７ａを有する第１被覆構造部７と、第１被覆構造部７上に開口７ａと機能素子４とを結ぶ仮想直線上に設けられる第２被覆構造部８と、第２被覆構造部８と第１被覆構造部７との間に形成される空隙を封止する封止構造部９と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、例えば微小電気機械部品、マイクロマシンのパッケージング等、機能素子の中空封止構造体及び中空封止構造体の製造方法に関する。
基板上に搭載された機能素子を中空に封止する電気機械部品等の中空封止構造体が知られている。例えば、図１５に示す中空封止構造体２１は、ベース基板２２、絶縁層２３、機能素子２４、信号用配線２５、空隙部２６、封止体としての第一封止体２７および第二封止体２８で構成されている。
機能素子２４は例えば両持ちの梁構造であり、梁中央部が信号用配線２５と数μｍ程度離間している。機能素子２４の直下の絶縁層２３には、信号用配線２５がＡｕなどで形成されている。機能素子２４は、ばね特性の高いＴｉＮ、Ａｌなどで構成されており、静電力等の駆動力を与えることで信号用配線２５の方へ近接するように変形する。また、駆動力を除くと、機能素子２４は自身のばね特性により、再び元の位置に戻る。このように駆動力に応じて機能素子２４と信号用配線２５との間隔が変化することで、可変電気容量、スイッチングなどの機能を果たす。
このような機能素子２４を中空に封止する技術として、製造コストの低減や小型化のため、成膜プロセスによる薄膜を用いるものがある（例えば特許文献１参照）。通常、薄膜による中空封止は以下のように行われる。図１０に示すように、犠牲層（第１層）３２をベース基板２２及び絶縁層２３からなる基板上に形成する。ついで図１１に示すように、機能素子２４を、犠牲層３２上に形成する。図１２に示すように、この犠牲層３２上に形成された機能素子２４に、犠牲層（第２層）３３を形成し、犠牲層３３上に、第一封止体２７を形成する。図１３に示すように、第一封止体２７に、犠牲層除去用のエッチング材を導入するための開口部２７ａを形成する。
通常、後述する第２封止体２８をスパッタリングまたは蒸着やＣＶＤ等の成膜方法で形成する場合に膜材が機能素子に堆積するのを防ぐため、機能素子から離れた位置に開口部２７ａを設けている。また、開口部２７ａ付近における第１封止体２７の下面と絶縁層２３の上面との間には犠牲層除去用のエッチング材が流通するためのスペースが必要となる。ついで、図１４に示すように開口部２７ａから犠牲層除去用のエッチング材を導入し、犠牲層３２、３３を完全に除去する。最後に第２封止体２８を、第１封止体２７上に形成し、開口部２７ａを閉塞する。以上により、第１及び第２封止体２７，２８によって、機能素子が中空に封止される中空封止構造体が完成する。
特開２００５−２０７９５９号
しかしながら、上述した技術では、次のような問題があった。すなわち、上記の構造では機能素子から離れた位置に開口部を設けるため、第１封止膜を大きく構成する必要がある。したがって、中空封止構造体や内部の犠牲層が大きくなり、内部の犠牲層除去時間が長くなり、生産性が低下する。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、生産性が高い中空封止構造体及び中空封止構造の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一形態にかかる中空封止構造体は、基板と、前記基板の主面上に設けられた機能素子部と、前記基板の主面上に設けられて中空部を形成し、この中空部内において前記機能素子部を被覆する被覆部と、を具備し、前記被覆部は、複数の開口を有する第１被覆構造部と、前記第１被覆構造部上に前記開口と前記機能素子部とを結ぶ仮想直線上に設けられる第２被覆構造部と、前記第２被覆構造部と前記第１被覆構造部との間に形成される空隙を封止する封止構造部と、を備えることを特徴とする。
本発明の一形態にかかる中空封止構造体は、前記第２被覆構造部は、前記第１被覆構造部の外面における前記開口の周縁に支持される支持部と、前記支持部に支持されるとともに前記開口を前記仮想直線方向における外側から覆う蓋部と、を備え、前記蓋部の一部は、前記第１被覆構造部の外面における前記開口の周縁から離間し、前記空隙は、前記離間部分に形成されていることを特徴とする。
本発明の一形態にかかる中空封止構造体の製造方法は、基板の主面上に機能素子を配する工程と、前記機能素子上に第１犠牲層を形成する工程と、前記第１犠牲層及び前記基板の主面上に、複数の開口を有する第１被覆構造部と、前記開口と前記機能素子部とを結ぶ仮想直線上に設けられる第２被覆構造部とを形成する工程と、前記第２被覆構造部と前記第１被覆構造部との間に形成される間隙部から犠牲層除去用の流体を導入して前記第１犠牲層を除去する工程と、前記第２被覆構造部と前記第１被覆構造部との間に形成される空隙を封止する封止構造部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一形態にかかる中空封止構造体の製造方法は、基板の主面上に機能素子を配する工程と、前記機能素子上に第１犠牲層を形成する工程と、前記第１犠牲層及び前記基板の主面上に、複数の開口を有する第１被覆構造部を形成する工程と、前記第１被覆構造部の外面における前記開口の周縁に支持される支持部を形成する工程と、前記第１被覆構造部の前記開口部分における前記第１犠牲層上に第２犠牲層を形成する工程と、前記第２犠牲層上に前記支持部に支持されるとともに前記開口を前記仮想直線方向における外側から覆う蓋部を形成する工程と、前記蓋部と前記第１被覆構造部との間に形成される間隙部から犠牲層除去用の流体を導入して前記第１犠牲層及び第２犠牲層を除去する工程と、前記蓋部と前記第１被覆構造部との間に形成される空隙を封止する封止構造部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、生産性が高い中空封止構造体の提供を可能とする。
以下に本発明の第１実施形態にかかる封止構造体について、図１及び図３を参照して説明する。なお、各図において適宜構成を拡大・縮小・省略して概略的に示している。図２においては封止構造部９を省略している。
中空封止構造体１は例えば微小電気機械部品であり、基板を構成するベース基板２及び絶縁層３と、機能素子４（機能素子部）と、信号用配線５と、中空部６と、被覆部としての第１被覆構造部７、第２被覆構造部８及び封止構造部９とを有して構成されている。
ベース基板２は、例えばシリコン（Ｓｉ）などから板状に形成されている。
絶縁層３は、ベース基板２上に形成され、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる。これらベース基板２及び絶縁層３により基板が構成される。
絶縁層３は、ベース基板２上に形成され、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる。これらベース基板２及び絶縁層３により基板が構成される。
絶縁層３の上面３ａには、信号用配線５及び機能素子４が形成されている。信号用配線５はＡｕなどで形成され、図中Ｙ方向に延びる矩形状を成している。
絶縁層３の上面３ａには、機能素子４が形成されている。機能素子４は可動機構を含むマイクロマシンであり、段差を有する片持ち梁状を成し、支持部４ａと梁部４ｂとを段差を介して一体に備えている。支持部４ａが絶縁層３の上面３ａに支持されて形成され、可動部分としての梁部４ｂが支持部４ａの上端部分から水平に延びている。この梁部４ｂは信号用配線５の上方に、信号用配線５と数μｍ程度離間して、配されている。機能素子４は、ばね特性の高いＴｉＮ、Ａｌなどで構成されており、静電力等の駆動力が与えられると信号用配線５の方へ近接し、駆動力が除去されると、自身のばね特性により、再び元の位置に戻る。すなわち、機能素子４は、駆動力に応じて信号用配線５との間隔を変化させるように変形することで、可変電気容量、スイッチングなどの機能を果たす。
第１被覆構造部７は、機能素子４の周囲に位置する支持部７ｃと、中空部６を介して機能素子４を上方から覆う覆部７ｄとが一体に形成されている。第１被覆構造部７の支持部７ｃは、絶縁層３の上面に支持されている。
覆部７ｄには上下方向に第１被覆構造部７が上下方向に貫通された開口７ａが複数設けられている。複数の開口７ａは、機能素子４の上方に配置されている。
複数の開口７ａ近傍には第２被覆構造部８が形成されている。第２被覆構造部８は、第１被覆構造部７の覆部７ｄ上面（外面）から図中Ｚ方向に延びる支持部としての矩形の側壁部８ａと、側壁部８ａの上端から図中Ｙ方向に延びる矩形の蓋部８ｂとを備え、断面Ｌ字形状に形成されている。
蓋部８ｂは、開口７ａ付近の覆部７ｄの上面（外面）と離間する離間部分を有し上方に位置している。すなわち蓋部８ｂは、開口７ａと機能素子４とを結ぶ仮想直線上であって、仮想直線方向における外側に位置している。この蓋部８ｂと外面との間に形成される間隙部８ｃにより、外部と開口７ａとが横方向に連通する流通路８ｄが形成されている。この流通路８ｄと開口７ａとにより横方向に開口する開口部１０が構成される。この開口部１０から、流通路８ｄを通って犠牲層除去用の流体を第１被覆構造部７の内部に導入することが可能となる。ここで、上方から下方に向かう成膜処理により封止構造部９が成膜される本実施形態では、堆積方向の外側は上方となる。開口７ａは蓋部８ｂによってこの上方側から覆われているため、封止構造部９の成膜の際に、第２封止体が開口部１０を通って内部の中空部６に侵入及び堆積することが防止される。
封止構造部９は、第１被覆構造部７上に形成され、第１被覆構造部７を外側から覆っている。この封止構造部９により第１被覆構造部７の内部の中空部６が密閉され、機能素子４が中空に封止される。
次に、本実施形態にかかる中空封止構造体１の製造方法について図４乃至図９を参照して説明する。
まず、図４に示すように、ベース基板２上に絶縁層３を形成し、絶縁層３上に信号用配線５を形成する。
まず、図４に示すように、ベース基板２上に絶縁層３を形成し、絶縁層３上に信号用配線５を形成する。
つぎに、機能素子４として、例えば、金（Ａｕ）を構成材料として用いたカンチレバー構造を有する静電駆動型高周波用スイッチを形成する。このとき、図５に示すように、まず信号用配線５上に所定形状の犠牲層１２を形成して段差を形成してから、この犠牲層１２上に機能素子４を形成する。以上により、機能素子４が、段差を有するとともに支持部４ａと梁部４ｂを有する所定形状に形成される。
さらに、図６に示すように、例えば反応性ガスで除去可能な多結晶シリコンで、機能素子４を覆うように犠牲層１３（第１犠牲層）を形成する。
この犠牲層１３上に、図７に示すように、例えばシリコン窒化膜により、第１被覆構造部７を形成する。このとき、パターニングにより、上下に貫通する開口７ａを形成する。すなわち、この開口７ａでは犠牲層１３は第１被覆構造部７によって覆われない。
次に、図７に示すように、開口７ａを埋めるとともにその周囲を覆う所定の高さの犠牲層１４（第２犠牲層）を形成する。
この犠牲層１４上に、図８に示すように、第１封止体と同様の例えばシリコン窒化膜により、第２被覆構造部８を形成する。このとき、犠牲層１４を覆うように成膜することにより、側壁部８ａと蓋部８ｂと間隙部８ｃとを有するＬ字状の第２被覆構造部８が形成される。
ついで、図８に示すように、間隙部８ｃを通じて犠牲層１２、犠牲層１３および犠牲層１４を除去する。除去方法としては、例えば、多結晶シリコンを選択的に除去するＸｅＦ２ガスを、間隙部８ｃ及び開口７ａによって横方向に連通して形成された横方向の開口部１０から導入することにより、犠牲層１４、犠牲層１３および犠牲層１２が除去される。この結果、開口部１０に空隙が形成されるとともに第１被覆構造部７の内部に中空部６が形成される。
中空部６の形成後、第１被覆構造部７の上方から、例えば、スパッタリングまたは蒸着やＣＶＤ等の成膜処理により、開口７ａを埋めるのに十分な厚さのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を成膜し、封止構造部９を形成する。このとき、開口７ａは上方から覆われているため、中空部６内に封止構造部９が堆積することが防止される。すなわち、開口部１０の開口方向である横方向と、封止構造部９の処理方向である上方向とは直交しているため、開口部１０から封止構造部９が内部に侵入することが防止される。
以上により封止構造部９により開口部１０の空隙が封止され、開口７ａが密閉され、第１被覆構造部７及び封止構造部９により、中空部６を介して内部の機能素子４が封止され、図１乃至図３に示す中空封止構造体１が完成する。
本実施形態にかかる及び中空封止構造体１及び中空封止構造体１の製造方法は以下に掲げる効果を奏する。
被覆部を上記のような構造とすることによって、機能素子４に近い場所に犠牲層除去用の開口を配置することができるため、被覆部全体の大きさを縮小させ、中空部内に形成された犠牲層の除去速度を大幅に速くし、かつ、除去後の開口の封止においても機能素子の構造に変化を与えずにすむので、生産性を向上することができる。すなわち、本実施形態では間隙部８ｃから犠牲層除去用の気体や液体を第１被覆構造部７の内部に導入可能とするとともに、蓋部８ｂによって開口７ａを堆積方向外側である上方側から覆う構造により、封止構造部９を形成する際に、第２封止体が開口７ａを通って内部に侵入することが防止される。このため、開口７ａを機能素子４の上方に設けることができ、また、犠牲層除去用の気体や液体の通路確保のために設けていた第１封止体と絶縁層の主面との間の間隔を省略することが可能となる。したがって、中空封止構造体全体を小さく構成することが可能であり、中空封止構造体を小型化するとともに内部の犠牲層を減少することができ、犠牲層除去の時間短縮を図ることができる。
被覆部を上記のような構造とすることによって、機能素子４に近い場所に犠牲層除去用の開口を配置することができるため、被覆部全体の大きさを縮小させ、中空部内に形成された犠牲層の除去速度を大幅に速くし、かつ、除去後の開口の封止においても機能素子の構造に変化を与えずにすむので、生産性を向上することができる。すなわち、本実施形態では間隙部８ｃから犠牲層除去用の気体や液体を第１被覆構造部７の内部に導入可能とするとともに、蓋部８ｂによって開口７ａを堆積方向外側である上方側から覆う構造により、封止構造部９を形成する際に、第２封止体が開口７ａを通って内部に侵入することが防止される。このため、開口７ａを機能素子４の上方に設けることができ、また、犠牲層除去用の気体や液体の通路確保のために設けていた第１封止体と絶縁層の主面との間の間隔を省略することが可能となる。したがって、中空封止構造体全体を小さく構成することが可能であり、中空封止構造体を小型化するとともに内部の犠牲層を減少することができ、犠牲層除去の時間短縮を図ることができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各構成要素の材質、形状、配置、サイズ、構造・動作等を適宜変更して実施することができる。例えば、パターニング方法や犠牲層の除去方法の一例としては、エッチングガスによるドライエッチングや、薬液によるウェットエッチング等が挙げられる。また、複数の犠牲層は同一でなくてもかまわない。また、基板として、ベース基板２上に絶縁層３を備えた構造について説明したが絶縁層３を省略してベース基板２のみで基板を構成し、このベース基板２上に機能素子４、信号用配線５、第１被覆構造部７を形成してもよい。また、第１被覆構造部７、第２被覆構造部８及び封止構造部９は成膜可能でかつパターニング可能な材料であれば、有機物、無機物、金属を問わず用いることが出来る。
また、上記第１実施形態にかかる製造方法においては、第２被覆構造部８が側壁部８ａ及び蓋部８ｂを有する断面Ｌ字状の構造について説明したが、この形状に限られるものではない。例えば断面コ字状であってもよいし、ドーム状に構成され横方向に間隙を有するものであっても適用可能である。
この他、本発明は、実施段階においてその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１…中空封止構造体、２…ベース基板、３…絶縁層、３ａ…上面、
４…機能素子（機能素子部）、４ａ…支持部、４ｂ…梁部、５…信号用配線、６…中空部、７…第１被覆構造部、７ａ…開口、７ｃ…支持部、７ｄ…覆部、８…第２被覆構造部、８ａ…側壁部、８ｂ…蓋部、８ｃ…間隙部、８ｄ…流通路、
９…封止構造部、１０…開口部、１２…犠牲層、１３…犠牲層（第１犠牲層）、
１４…犠牲層（第２犠牲層）。
４…機能素子（機能素子部）、４ａ…支持部、４ｂ…梁部、５…信号用配線、６…中空部、７…第１被覆構造部、７ａ…開口、７ｃ…支持部、７ｄ…覆部、８…第２被覆構造部、８ａ…側壁部、８ｂ…蓋部、８ｃ…間隙部、８ｄ…流通路、
９…封止構造部、１０…開口部、１２…犠牲層、１３…犠牲層（第１犠牲層）、
１４…犠牲層（第２犠牲層）。
Claims (4)
- 基板と、
前記基板の主面上に設けられた機能素子部と、
前記基板の主面上に設けられて中空部を形成し、この中空部内において前記機能素子部を被覆する被覆部と、を具備し、
前記被覆部は、複数の開口を有する第１被覆構造部と、前記第１被覆構造部上に前記開口と前記機能素子部とを結ぶ仮想直線上に設けられる第２被覆構造部と、前記第２被覆構造部と前記第１被覆構造部との間に形成される空隙を封止する封止構造部と、を備えることを特徴とする中空封止構造体。 - 前記第２被覆構造部は、前記第１被覆構造部の外面における前記開口の周縁に支持される支持部と、前記支持部に支持されるとともに前記開口を前記仮想直線方向における外側から覆う蓋部と、を備え、
前記蓋部の一部は、前記第１被覆構造部の外面における前記開口の周縁から離間し、
前記空隙は、前記離間部分に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の中空封止構造体。 - 基板の主面上に機能素子を配する工程と、
前記機能素子上に第１犠牲層を形成する工程と、
前記第１犠牲層及び前記基板の主面上に、複数の開口を有する第１被覆構造部と、前記開口と前記機能素子部とを結ぶ仮想直線上に設けられる第２被覆構造部とを形成する工程と、
前記第２被覆構造部と前記第１被覆構造部との間に形成される間隙部から犠牲層除去用の流体を導入して前記第１犠牲層を除去する工程と、
前記第２被覆構造部と前記第１被覆構造部との間に形成される空隙を封止する封止構造部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする中空封止構造体の製造方法。 - 基板の主面上に機能素子を配する工程と、
前記機能素子上に第１犠牲層を形成する工程と、
前記第１犠牲層及び前記基板の主面上に、複数の開口を有する第１被覆構造部を形成する工程と、
前記第１被覆構造部の外面における前記開口の周縁に支持される支持部を形成する工程と、
前記第１被覆構造部の前記開口部分における前記第１犠牲層上に第２犠牲層を形成する工程と、
前記第２犠牲層上に前記支持部に支持されるとともに前記開口を前記仮想直線方向における外側から覆う蓋部を形成する工程と、
前記蓋部と前記第１被覆構造部との間に形成される間隙部から犠牲層除去用の流体を導入して前記第１犠牲層及び第２犠牲層を除去する工程と、
前記蓋部と前記第１被覆構造部との間に形成される空隙を封止する封止構造部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする中空封止構造体の製造方法。
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