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

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Norio Sato
昇男 佐藤
Hitoshi Ishii
仁 石井
Hiroshi Kuwabara
啓 桑原
Katsuyuki Machida
克之 町田
Toshikazu Kamei
敏和 亀井
Mitsuru Chino
満 千野
Teruo Shimada
照男 島田
Hiroshi Tazawa
浩 田澤
Katsuhito Mayumi
功人 真弓
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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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