JP2009295900A - 封止構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑制した状態で、高い密閉性が得られる状態でＭＥＭＳ素子を保護する封止構造が、より容易に形成できるようにする。
【解決手段】スクリーン印刷法により、樹脂からなる枠部１０７を、微細構造１０２の周囲を取り囲むように形成する。枠部１０７となる開口パターン１０４を備えたスクリーン１０３を用意し、スクリーン１０３の上にペースト１０５を供給し、スクリーン１０３を基板１０１の上に配置する。次いで、適当な圧力でスクリーン１０３に押し付けたスキージ１０６をスクリーン１０３の上で移動し、ペースト１０５をスクリーン１０３の開口パターン１０４に押し付けながら移動させる。このスキージ１０６の移動により、ペースト１０５は、スクリーン１０３の開口パターン１０４より基板１０１の側に押し出され、枠部１０７となる樹脂パターンが形成される。
【選択図】 図１Ｂ

Description

本発明は、スイッチングを利用する通信，計測，ディスプレイなどに使用されるＭＥＭＳ素子などの微細構造体を封止する封止構造の製造方法に関する。

薄膜形成技術やフォトリソグラフィー技術を基本にしてエッチングすることなどで立体的に微細加工を行うマイクロマシン技術を利用して作製された、ＭＥＭＳ素子（Micro Electro Mechanical Systems）がある。ＭＥＭＳ素子は、例えば、シリコンや金属の構造体からなる可動部を備え、この可動部の駆動は、これに対向して配置した電極の発生する静電力によって行われている。ＭＥＭＳ素子には、例えば、回動するミラーを備えた光スイッチ，マイクロリレー，ＲＦスイッチなどに利用されている。

ＭＥＭＳ素子を内蔵したＭＥＭＳチップの製造では、ウエハの上に複数のＭＥＭＳ素子を同時に形成し、複数のＭＥＭＳ素子を各々チップに切り出すようにしている。ここで、チップに切り出すときには、飛散してくる切削粉などにより可動部が損傷を受ける場合もある。このため、ＭＥＭＳ素子の周囲に配置された枠状の固定壁とこの固定壁の上部にふたをする封止部材とで、ＭＥＭＳ素子を収容する容器を構成し、この容器によりＭＥＭＳ素子を保護している（特許文献１参照）。

特開２００４−２５５４８７号公報 特許第３４２５８５２号公報

しかしながら、従来では、ＭＥＭＳ素子と同時に形成する固定壁（枠部）は、一般には、ＭＥＭＳ素子を構成する材料と同様の金属から構成しているため、次に示すような問題がある。まず、例えば、金属材料の固定壁は、一度の工程で必要な高さに形成することが容易ではなく、固定壁の形成のために多くの工程が必要となる。また、固定壁を金属から構成する場合、ＭＥＭＳ素子と外部とを接続する配線は、固定壁に接触することになるため、ＭＥＭＳ素子が形成されている基板の面に配置することができない。上記配線は、固定壁が形成される面とは異なる層に形成することになるなど、配線を形成するためにより多くの工程が必要となり、製造コストの上昇を招いている。

また、ＭＥＭＳ素子が既に形成されている状態では、枠部を含めた素子を保護するための容器を形成することが容易ではない（特許文献１参照）。特に、一体に形成された容器をＭＥＭＳ素子が形成されている基板の上に形成することは容易ではない。また、ＭＥＭＳ素子の周囲に枠部を形成してから、この上部開放部を封止部材でふたをする場合においても、ＭＥＭＳ素子が既に形成されている状態で枠部を形成することは容易ではない。

例えば、このような複数の微細な枠部のパターンは、よく知られたフォトリソグラフィー技術を用いて形成することができる。この技術では、感光性を有する樹脂を塗布して樹脂の膜を形成し、露光および現像処理により形成した膜をパターニングするものである。ところが、このように樹脂を塗布する製造方法は、微細な可動部などを有するＭＥＭＳ素子が形成されている状態に適用することは非常に困難である。

以上に説明したように、従来では、コストを抑制した状態で、高い密閉性が得られる状態にＭＥＭＳ素子を保護する容器（封止構造）を形成することが容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コストを抑制した状態で、高い密閉性が得られる状態にＭＥＭＳ素子を保護する封止構造が、より容易に形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る封止構造の製造方法は、基板の上に複数の微細構造を形成する第１工程と、スクリーン印刷法により、微細構造の領域に開口領域を備える樹脂からなるパターンを形成する第２工程と、ＳＴＰ法により、パターンの上に樹脂からなる封止膜を貼り付けてパターンの開口領域を封止する第３工程とを少なくとも備える。

上記封止構造の製造方法において、第２工程では、パターンとして、微細構造の周囲を囲う枠状の部分に分割した複数の枠部を形成し、第３工程では、複数の枠部からなるパターンの上に封止膜を貼り付けて、枠部の各々の上部開口を封止し、第３工程の後に、封止膜を枠部毎に分割する第４工程を備えるようにしてもよい。

また第２工程では、パターンを一体に形成し、第３工程の後に、パターンおよび封止膜を微細構造の部分毎に分割し、微細構造毎に、微細構造の周囲を囲う枠状の枠部を形成し、分割した封止膜で枠部の上部開口を封止する第４工程を備えるようにしてもよい。

上記封止構造の製造方法において、パターンは、第３工程の前に硬化処理する。また、第４工程の後で、枠部および封止膜を硬化処理してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、スクリーン印刷法により、微細構造の領域に開口領域を備える樹脂からなるパターンを形成し、ＳＴＰ法により、パターンの上に樹脂からなる封止膜を貼り付けてパターンの開口領域を封止するようにしたので、コストを抑制した状態で、より容易に高い密閉性が得られる状態に、ＭＥＭＳ素子を保護する封止構造が形成できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１Ａ〜図１Ｅを用いて説明する。図１Ａ〜図１Ｅは、本発明の実施の形態における封止構造の製造方法を説明する工程図である。まず、図１Ａに示すように、基板１０１の上に微細構造１０２を形成する。なお、以降の図１Ｂ〜図１Ｅを含め、図１Ａにおいては、微細構造１０２を簡略化して示している。基板１０１は、例えば、単結晶シリコンより形成されたシリコンウエハである。この場合、絶縁層を備え、複数の微細構造体１０２が、各々電気的に分離されているようにしてもよい。また、基板１０１は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であってもよい。また、基板１０１は、ガラスなどの絶縁基板であってもよい。

微細構造１０２は、例えば、半導体装置の製造工程により形成されたＭＥＭＳ素子である。例えば、微細なばねによって支持された可動部や振動子を備えるものである。また、片持ちおよび両持ちに支持された梁を可動部として備える（特許文献１参照）。また、微細構造体１０２は、インダクタなどの構造体であってもよい。また、後述する枠部が形成される箇所を通過するように、枠部内部の微細構造１０２と外部を電気的に接続するための配線が、基板１０１上に予め設けられているようにしてもよい。

次に、図１Ｂに示すように、よく知られたスクリーン印刷法により、樹脂からなる枠部１０７を、微細構造１０２の周囲を取り囲むように形成する。例えば、枠部１０７となる開口パターン１０４を備えたいわゆるスクリーン１０３を用意し、スクリーン１０３の上にペースト１０５を供給し、また、スクリーン１０３を基板１０１の上に位置合わせして配置する。ペースト１０５は、樹脂から構成されたものであり、例えば、住友ベークライト製のＣＲＣ−８３００などの、ポリイミド樹脂を主成分とするものである。なお、ＣＲＣ−８３００は、感光性を有する材料であるが、枠部１０７の形成においては、感光性は必要ない。

次いで、適当な圧力でスクリーン１０３に押し付けたスキージ１０６をスクリーン１０３の上で移動することで、ペースト１０５をスクリーン１０３の開口パターン１０４に押し付けながら移動させる。このとき、スクリーン１０３の下面（基板１０１との対向面）が、微細構造１０２に接しないようにする。上述したスキージ１０６の移動により、ペースト１０５は、スクリーン１０３の開口パターン１０４より基板１０１の側に押し出され、樹脂パターンが形成されるようになる。樹脂パターンが形成された後、基板１０１を加熱（例えば３１０℃に加熱）し、樹脂パターンに含まれている溶媒を揮発させて除去するとともに熱硬化させる。以上のスクリーン印刷法による樹脂パターンの形成により、図１Ｃに示すように、微細構造１０２の周囲を取り囲む枠部１０７が形成される。

なお、枠部１０７は、微細構造１０２より高く形成されればよい。スクリーン印刷法によれば、数十μｍ程度の高さを有する微細構造体１０２より高いパターン（枠部１０７）を形成することは容易である。このようにすることで、例えば、特許文献１の図１に記載されているような、構造体の上面に可動部である可動ミラーが露出して形成されるような微細構造を封止する場合でも、後述する封止膜と微細構造の可動部が存在する上面とが接触しないような間隙を設けることができる。なお、図１Ｃでは、枠部１０７が、微細構造１０２の側部に接触しないようにしているが、これに限らず、枠部１０７は、微細構造１０２の側部に接するように形成してもよい。

また、微細構造１０２の図示しない可動部が、微細構造１０２の側面（側部）に露出して形成されている場合、枠部１０７と微細構造１０２の可動部が存在する側面とは、接触しないように間隙を設けることになる。このように、微細構造１０２の上部には、可動部を備えない場合、後述する封止膜が、微細構造１０２の上部に接触して形成されるようにしてもよい。

次に、公知のＳＴＰ法（特許文献２参照）により、図１Ｄに示すように、樹脂膜１０８が各枠部１０７の上に密着固定された状態に形成する。ＳＴＰ法による樹脂膜１０８の形成について簡単に説明すると、まず、シートフィルムにポリイミド樹脂（ＣＲＣ−８３００ ）を膜厚５μｍ程度となるように塗布し、シートフィルム上に上記樹脂からなる塗布膜を形成する。次に、所定の圧力にまで減圧された真空雰囲気（真空容器内）で、シートフィルム上に形成された塗布膜を、基板１０１の上に形成されている枠部１０７の上面に熱圧着する。ここで、上述した減圧環境の圧力は１０Ｐａ、圧着における加熱温度は１２０℃、圧着において加える荷重は５ｋＰａとすればよい。また、この状態を１分程度継続させる。

続いて、大気中において、シートフィルムを塗布膜より剥離する。このことにより、図１Ｄに示すように、枠部１０７の上に樹脂膜１０８が形成されるようになる。上述したようにＳＴＰ法により貼り付けることで樹脂膜１０８を形成することで、微細構造１０２が配置される枠部１０７の内側が、樹脂膜１０８により封止され、密閉された空間が形成される。例えば、この密閉空間において、微細構造１０２の図示しない可動部は、可動状態が得られている。

以上のようにすることで、複数の枠部１０７に共通の樹脂膜１０８が、枠部１０７の上部に密着固定された後、樹脂膜１０８を公知のフォトリソグラフィー技術によりパターニングして分離（分割）し、図１Ｅに示すように、各枠部１０７の各々に、封止膜１０９を形成する。さらに、これらを３１０℃に加熱する。この加熱により、樹脂（ポリイミド樹脂）よりなる封止膜１０９は、熱硬化して高い機械強度を備える状態となる。これらの結果、枠部１０７およびこの上部の開口を封止する封止膜１０９よりなる容器により、微細構造１０２が保護されるようになる。

上述した製造方法によれば、枠部１０７をスクリーン印刷法により形成する樹脂パターンから構成し、また、封止膜１０９をＳＴＰ法により貼り付ける樹脂膜より形成するので、まず、短い工程で、また、材料コストを抑制した状態で、微細構造１０２を保護する容器が形成できるようになる。また、枠部１０７および封止膜１０９は、いずれも有機材料から構成されており、ＳＴＰ法による貼り付けられたこれらの接触領域においては、ファンデルワールス力に加え、水素結合などの化学的な接着力も働くようになるため、より強固な高い密着性が得られるようになる。

例えば、ＳＴＰ法により貼り付けた樹脂膜１０８を加熱硬化することにより、化学的な接着力がより高くなることが考えられる。また、枠部１０７と封止膜１０９とを同じ材料（ベースポリマー）から構成することで、化学的な接着力がより強固なものとなり、加えて、相互の拡散による接着強度の向上も見込めるようになる。

また、上述した実施の形態１の説明では、封止膜１０９を形成する前に、スクリーン印刷法で形成した樹脂のパターンを硬化処理（加熱）して硬化させて枠部１０７としているが、スクリーン印刷法で形成した樹脂のパターンに対して硬化処理をせずに枠部１０７とすることで、封止膜１０９との間のより強固な密着状態が得られるようになるものと考えられる。

例えば、スクリーン印刷法で形成した樹脂パターンを、架橋反応が起こる温度より低い２００℃程度で加熱し、溶媒を揮発させる程度とし、枠部１０７を熱硬化せずに形成する。この状態で、ＳＴＰ法で樹脂膜１０８を貼り付けて封止膜１０９とし、この後、枠部１０７および封止膜１０９を加熱し、両者をほぼ同時に熱硬化する（硬化処理）。これらのことにより、枠部１０７と封止膜１０９とが接触している界面において、相互拡散とともに、互いの材料間でも架橋反応が起こるものと考えられる。この状態は、両者が接触する界面において、両者の区別がほとんどない状態であるといえる。

なお、上述では、樹脂材料としてポリイミドを挙げたが、これに限らず、エポキシ樹脂など熱硬化性を有する他の材料を用いてもよい。例えば、エポキシ樹脂は１５０℃で硬化に伴う化学反応が終了し、４００℃以上で熱分解が始まる。従って、スクリーン印刷によりエポキシ樹脂よりなる枠部を形成した後、これを１５０℃で硬化させ、この後、ＳＴＰ法により形成された封止膜を３１０℃の加熱で硬化させればよい。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図２Ａ〜図２Ｅを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｅは、本発明の実施の形態における封止構造の製造方法を説明する工程図である。まず、前述した実施の形態１と同様に、図２Ａに示すように、基板２０１の上に微細構造２０２を形成する。なお、以降の図２Ｂ〜図２Ｅを含め、図２Ａにおいては、微細構造１０２を簡略化して示している。

次に、図２Ｂに示すように、よく知られたスクリーン印刷法により、感光性を有する樹脂からなるパターン層２０７を、微細構造２０２の周囲の領域に形成する。例えば、パターン層２０７となる開口パターン２０４を備えたいわゆるスクリーン２０３を用意し、スクリーン２０３の上にペースト２０５を供給し、また、スクリーン２０３を基板２０１の上に位置合わせして配置する。ペースト２０５は、感光性を有する樹脂から構成されたものであり、例えば、例えば、住友ベークライト製のＣＲＣ−８３００などの、ポリイミド樹脂を主成分とするものである。

次いで、適当な圧力でスクリーン２０３に押し付けたスキージ２０６をスクリーン２０３の上で移動することで、ペースト２０５をスクリーン２０３の開口パターン２０４に押し付けながら移動させる。このとき、スクリーン２０３の下面（基板２０１との対向面）が、微細構造２０２に接しないようにする。上述したスキージ２０６の移動により、ペースト２０５は、スクリーン２０３の開口パターン２０４より基板２０１の側に押し出され、樹脂パターンが形成されるようになる。本実施の形態では、より広い面積にパターンが存在するアスペクト比の低い樹脂パターンを形成しているため、樹脂パターン（パターン層２０７）をより厚く形成することが容易である。また、形成される樹脂パターンの上面も、より平坦化された状態が得られる。

樹脂パターンが形成された後、基板２０１を加熱（例えば１００℃に加熱）し、樹脂パターンに含まれている溶媒を揮発させて除去する。ここでは、感光性を有する状態が維持されるように、溶媒が揮発する程度の加熱にする。以上のスクリーン印刷法による樹脂パターンの形成により、図２Ｃに示すように、微細構造２０２が配置された開口領域を備えるパターン層２０７が形成される。

次に、公知のＳＴＰ法（特許文献２参照）により、図２Ｄに示すように、樹脂膜２０８がパターン層２０７の上に密着固定された状態に形成する。ＳＴＰ法による樹脂膜２０８の形成について簡単に説明すると、まず、シートフィルムにポリイミド樹脂（ＣＲＣ−８３００ ）を膜厚５μｍ程度となるように塗布し、シートフィルム上に上記樹脂からなる塗布膜を形成する。次に、所定の圧力にまで減圧された真空雰囲気（真空容器内）で、シートフィルム上に形成された塗布膜を、基板２０１の上に形成されているパターン層２０７の上面に熱圧着する。ここで、上述した減圧環境の圧力は２０Ｐａ、圧着における加熱温度は１２０℃、圧着において加える荷重は５ｋＰａとすればよい。また、この状態を１分程度継続させる。

続いて、大気中において、シートフィルムを塗布膜より剥離する。このことにより、図２Ｄに示すように、パターン層２０７の上に樹脂膜２０８が形成されるようになる。上述したようにＳＴＰ法により貼り付けることで樹脂膜２０８を形成することで、微細構造２０２が配置されるパターン層２０７の開口領域が、樹脂膜２０８により封止され、密閉された空間が形成される。例えば、この密閉空間において、微細構造２０２の図示しない可動部は、可動状態が得られている。

ここで、本実施の形態では、ＳＴＰ法による貼り合わせのときに、パターン層２０７と樹脂膜２０８とが広い面積で接触（当接）するので、例えば、パターン層２０７が樹脂膜２０８に埋まり込むなどの、貼り合わせの不良が抑制できるようになる。また、貼り合わせた状態では、パターン層２０７と樹脂膜２０８とがより広い面積で貼り合わされていることになり、これらの間の密着力がより高い状態となっている。このため、シートフィルムの剥離において、シートフィルム側に樹脂膜２０８の一部が破断して残るなどのことが抑制されるようになる。

以上のようにすることで、樹脂膜２０８がパターン層２０７の上部に密着固定された後、パターン層２０７および樹脂膜２０８を公知のフォトリソグラフィー技術によりパターニングして分離（分割）し、図２Ｅに示すように、微細構造２０２の各々に、微細構造２０２の周囲に配置された枠状の枠部２０９と、枠部２０９の上部開口を封止する封止膜２１０を形成する。さらに、これらを３１０℃に加熱する。この加熱により、ポリイミド樹脂よりなる枠部２０９および封止膜２１０は、熱硬化して高い機械強度を備える状態となる。これらの結果、枠部２０９およびこの上部の開口を封止する封止膜２１０よりなる容器により、微細構造２０２が保護されるようになる。

上述した製造方法によれば、枠部２０９をスクリーン印刷法により形成する樹脂パターンから構成し、また、封止膜２１０をＳＴＰ法により貼り付ける樹脂膜より形成するので、まず、短い工程で、また、材料コストを抑制した状態で、微細構造２０２を保護する容器が形成できるようになる。また、枠部２０９および封止膜２１０は、いずれも有機材料から構成されており、ＳＴＰ法による貼り付けられたこれらの接触領域においては、ファンデルワールス力に加え、水素結合などの化学的な接着力も働くようになるため、より強固な高い密着性が得られるようになる。また、これらは、架橋反応（硬化反応）が起こる前の状態で貼り合わされ、この後、硬化処理（加熱）により架橋反応が起こされて硬化しているので、前述したように、より強固な接合面が得られるものと考えられる。

ところで、上述した各実施の形態において、樹脂を硬化させる処理（硬化処理）を加熱により行うようにしたが、これに限らず、例えば、紫外線照射により硬化させるようにしてもよい。例えば、紫外線硬化型の樹脂を用いれば、スクリーン印刷法により形成した枠部１０７を、紫外線の照射により硬化させることができる。

なお、樹脂膜２０８の上に形成したマスクパターンを用いた選択的なエッチングにより、パターン層２０７および樹脂膜２０８を加工することで、枠部２０９および封止膜２１０を形成してもよい。

本発明の実施の形態１における封止構造の製造方法を説明するための各工程における概略的な断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における封止構造の製造方法を説明するための各工程における概略的な断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における封止構造の製造方法を説明するための各工程における概略的な断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における封止構造の製造方法を説明するための各工程における概略的な断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における封止構造の製造方法を説明するための各工程における概略的な断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における封止構造の製造方法を説明するための各工程における概略的な断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における封止構造の製造方法を説明するための各工程における概略的な断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における封止構造の製造方法を説明するための各工程における概略的な断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における封止構造の製造方法を説明するための各工程における概略的な断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における封止構造の製造方法を説明するための各工程における概略的な断面を示す断面図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２…微細構造、１０３…スクリーン、１０４…開口パターン、１０５…ペースト、１０６…スキージ、１０７…枠部、１０８…樹脂膜、１０９…封止膜。

Claims (5)

1. 基板の上に複数の微細構造を形成する第１工程と、
   スクリーン印刷法により、前記微細構造の領域に開口領域を備える樹脂からなるパターンを形成する第２工程と、
   ＳＴＰ法により、前記パターンの上に樹脂からなる封止膜を貼り付けて前記パターンの前記開口領域を封止する第３工程と
   を少なくとも備えることを特徴とする封止構造の製造方法。
2. 請求項１記載の封止構造の製造方法において、
   前記第２工程では、前記パターンとして、前記微細構造の周囲を囲う枠状の部分に分割した複数の枠部を形成し、
   前記第３工程では、前記複数の枠部からなる前記パターンの上に前記封止膜を貼り付けて、前記枠部の各々の上部開口を封止し、
   前記第３工程の後に、前記封止膜を前記枠部毎に分割する第４工程を備える
   ことを特徴とする封止構造の製造方法。
3. 請求項１記載の封止構造の製造方法において、
   前記第２工程では、前記パターンを一体に形成し、
   前記第３工程の後に、前記パターンおよび前記封止膜を前記微細構造の部分毎に分割し、前記微細構造毎に、微細構造の周囲を囲う枠状の枠部を形成し、分割した前記封止膜で前記枠部の上部開口を封止する第４工程を備える
   ことを特徴とする封止構造の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の封止構造の製造方法において、
   前記パターンは、前記第３工程の前に硬化処理することを特徴とする封止構造の製造方法。
5. 請求項２または３記載の封止構造の製造方法において、
   前記第４工程の後で、前記枠部および前記封止膜を硬化処理することを特徴とする封止構造の製造方法。

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