JP2010197309A - Memsセンサ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 特に、簡単且つ適切に封止部の接合状態を検知することが可能なMEMSセンサ及びその製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】 センサユニット20とキャップ部材4との間に、センサ領域15〜17の周囲を封止する封止部8が設けられている。封止部8は、センサユニット20側に設けられた第1金属層と、キャップ部材4側に設けられた第2金属層とが共晶接合あるいは拡散接合されてなる。前記第2の金属層がセンサユニット20の外側にはみ出すキャップ部材4の露出表面に引き出されて前記封止部8の接合状態を検知可能な接合判定モニタ部55を構成している。
【選択図】図1

Description

本発明は、センサユニットと、センサユニットに対向するキャップ部材とを有し、センサ領域の周囲を、センサユニットとキャップ部材の間に設けられた封止部にて封止するMEMSセンサ及びその製造方法に関する。
下記の特許文献1には、主基板と、対向基板と、主基板と対向基板との間に位置する接合部(封止部)とを備えた気密封止パッケージが開示されている。また特許文献1では前記接合部を半田で形成している。
ところで前記接合部は主基板と対向基板との間に挟まれているため、外部から接合部の接合状態を確認することが難しかった。このため、接合部が適切に接合されていない不良品か、適切に接合された良品かの判別が難しく、あるいは判別に時間やコストを要した。
特開2005−236159号公報
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、簡単且つ適切に封止部の接合状態を検知することが可能なMEMSセンサ及びその製造方法を提供することを目的としている。
本発明におけるMEMSセンサは、第1の部材と、前記第1の部材と対向する第2の部材と、を有し、前記第1の部材及び前記第2の部材のどちらか一方がセンサ領域を有するセンサユニットを構成し、他方がキャップ部材であり、
前記センサユニットとキャップ部材との間には、前記センサ領域の周囲を封止する封止部が設けられており、
前記封止部は、前記第1の部材側に設けられた第1金属層と、前記第2の部材側に設けられた第2金属層とが共晶接合あるいは拡散接合されてなり、
前記第2の金属層が前記第2の部材の露出表面に引き出されて前記封止部の接合状態を検知可能な接合判定モニタ部を構成していることを特徴とするものである。
また本発明におけるMEMSセンサの製造方法は、
前記第1の部材表面に前記封止部を構成する第1の金属層を形成し、前記第2の部材表面に前記封止部を構成する第2の金属層を形成し、このとき、前記第2の金属層を前記第1の基板と前記第2の基板とを対向させたときの前記第2の部材の露出表面に引き出して接合判定モニタ部を形成する工程、
前記第1の金属層と前記第2の金属層とを共晶接合あるいは拡散接合する工程、
前記接合判定モニタ部にて前記封止部の接合状態を測定する工程、
を有することを特徴とするものである。
上記のように封止部を第1金属層と第2金属層との共晶接合あるいは拡散接合で形成している。そして、第2の金属層が第2の基板の露出表面にまで引き出されて接合判定モニタ部を構成している。封止部にて適切に接合が行われていれば接合反応は接合判定モニタ部にまで到達する。したがって接合判定モニタ部にて例えば色や面粗さを調べることで封止部の接合状態を簡単且つ適切に検知することが可能である。
また本発明では、前記接合判定モニタ部の色の変化で前記封止部の接合状態を測定することが好ましい。このとき、前記第2の金属層をアルミニウムで形成し、第1の金属層をゲルマニウムで形成することで、接合判定モニタ部の色の変化にて適切且つ簡単に封止部の接合状態を検知することが出来る。
また本発明では、前記第2の部材をキャップ部材として、平面視にて前記第1の部材からはみ出す大きさで形成し、前記第1の部材の外側にはみ出す前記第2の部材の露出表面に前記接合判定モニタ部を形成することが簡単な配線構成にでき好適である。
本発明のMEMSセンサによれば、封止部の接合状態を簡単且つ適切に検知することが可能である。
本発明における実施の形態のMEMSセンサを示すものであり、(a)は、平面図、(b)は、部分縦断面図。 図1(a)に示す支持導通部33の位置から外部接続パッド50の位置にかけて切断した部分拡大断面図。 MEMSセンサの製造工程を示す部分拡大断面図であり、(a)は接合前、(b)は接合後の状態を示す。 (a)は接合が良好であったときの写真、(b)は接合が不良であったときの写真。
図1は本発明の実施の形態のMEMSセンサを示すものであり、(a)は、平面図、(b)は、部分縦断面図であり、(a)に示す図示左側のAの位置からX1方向へ向けて直線状に切断するとともに図示右上のAの位置からY2方向へ向けて直線状に切断したときに現れる切断面を矢印方向から見た断面図に相当している。なお図1(a)の平面図は、支持基板2を透視して示した。
図1に示すように、MEMSセンサ1は、例えば、X方向が長辺でY方向が短辺の長方形状である。図1(b)に示すように、MEMSセンサ1は、キャップ部材4上にセンサユニット20が積層された構成である。
センサユニット20は、例えば、支持基板2、機能層10および第1の絶縁層3からなるSOI(Silicon on Insulator)基板(第1の部材)を微細加工して形成されたものである。SOI基板は、2つのシリコンウエハが、絶縁層(Insulator)であるSiO2層を挟んで一体に接合されたものである。前記機能層10には後述するようにセンサ領域が設けられている。
図1(b)に示すように、機能層10にはキャップ部材(第2の部材)4が重ねられて、機能層10は支持基板2とキャップ部材4との間で挟まれた構造となっている。例えば、キャップ部材4はSi基板7と、その表面に形成された第2の絶縁層5とで構成される。
図2は、図1(a)に示す支持導通部33の位置から外部接続パッド50の位置にかけて切断した部分拡大断面図である。図2に示すように、第2の絶縁層5の内部には導電体のパターンが埋設されてリード層35が形成されている。リード層35は、機能層10に形成される検出部の可動電極と固定電極などに個別に導通され、且つMEMSセンサ1の外部に設けられた外部接続パッド50に夫々、導通されている。
図1(b)に示すように、キャップ部材4を構成する第2の絶縁層5は、機能層10の一部と接合されている。
なお、キャップ部材4を構成する基板はSi基板7に限られるものではなく、ガラス基板などであってもよい。あるいは検出回路などの各種回路が収納されたICパッケージの表面がキャップ部材4として使用されてもよい。
図1(a)に示すように、機能層10には周囲領域に枠体層11が形成されており、前記枠体層11の内部がセンサ領域となっている。図1(a)では枠体層11を斜線で示している。
図1(a)に示すように、機能層10には前記枠体層11の内側にセンサ領域の外形を規定する第1の穴12と第2の穴13および第3の穴14が形成されており、それぞれの穴12,13,14は、枠体層11を厚さ方向に貫通している。
支持基板2と枠体層11との対面部では、枠状の第1の絶縁層3が形成されている。
図1(a)(b)に示すように、枠体層11とキャップ部材4の対向面に形成された第2の絶縁層5との間には封止部8が設けられて、センサ領域の周囲が封止されている。
封止部8は、第1の穴12の周囲全周を囲み、第2の穴13の周囲全周と第3の穴14のそれぞれの周囲全周を囲むように形成されている。封止部8により各穴の周縁部がシールされて、各穴12,13,14の内部がセンサ領域15,16,17となっている。
このMEMSセンサ1は、第1のセンサ領域15に設けられた第1の可動体41の動作により、支持基板2の基板面と直交する向きのZ方向の加速度を検知できる。また、第2のセンサ領域16に設けられた第2の可動体21の動作により、支持基板2の基板面と平行なY方向の加速度を検知でき、第3のセンサ領域17に設けられた第3の可動体21Aの動作によりZ方向とY方向に直交するX方向の加速度を検知できる。
例えば、第2のセンサ領域16内には、第2の穴13の内側に第2の可動体21が設けられている。第2の可動体21は、支持導通部23,25により主にY方向へ移動可能に支持されている。
図1(b)に示すように、支持導通部23,25は、第2の絶縁層5と接合部9を介して接合されている。
図1(b)に示すように、支持導通部23,25は、第1の絶縁層3と接合部9とで上下から挟まれて固定されているが、第2の可動体21は、支持基板2と接合されておらず、また第2の絶縁層5とも接合されていない。
図1(a)に示す第2の可動体21には、櫛歯状に複数の可動電極が設けられている。
支持導通部23,25の少なくとも一方が、接合部9を介して、第2の絶縁層5の内部に設けられたリード層と導通し、リード層は、センサユニット20の外部にはみ出すキャップ部材4の露出表面(第2の絶縁層5の表面)に設けられた外部接続パッド50に導通接続されている。
図1(a)に示す第2のセンサ領域16内では、固定部31,32が設けられている。固定部31には、支持導通部33が一体に形成されている。また、固定部32には、支持導通部34が一体に形成されている。
図2に示すように、支持導通部33は、第1の絶縁層3を介して支持基板2に接合されている。また、キャップ部材4に形成された第2の絶縁層5と支持導通部33とが接合部9によって接合されている。
図1(a)に示すように、固定部31には、複数の固定電極が櫛歯状に一体に形成されている。各固定電極は、第2の可動体21に一体に形成された複数の可動電極21bの間に入り込んでいる。固定部32も固定部31と同様の構成である。
図2に示すように、支持導通部33は、接合部9に接続され、前記接合部9は、第2の絶縁層5の内部に設けられたリード層35に接続されている。そして、リード層35は、センサユニット20の外部にはみ出すキャップ部材4の露出表面(第2の絶縁層5の表面)に設けられた外部接続パッド50に導通接続されている。
MEMSセンサ1の第2のセンサ領域16は、Y1方向またはY2方向の加速度に反応する。例えば、MEMSセンサ1にY1方向への加速度が作用すると、その反作用により第2の可動体21がY2方向へ移動する。このとき、可動電極と固定電極との対向距離が変化することで、静電容量が変化する。そして、静電容量変化により、Y1方向へ作用した加速度の変化や加速度の大きさを検知することができる。
図1(a)に示す第3のセンサ領域17の構造は、第2のセンサ領域16の構造を、90度回転させたものと全く同じである。第3のセンサ領域17内は、X1−X2方向の加速度に反動して動作する。MEMSセンサ1にX1方向またはX2方向の加速度が作用すると、慣性力により第3の可動体21Aが、加速度の作用方向と反対方向に移動し、そのときの移動量が、可動電極と固定電極とが対向した検知部での静電容量の変化として検出される。
次に、第1のセンサ領域15内では、第1の可動体41が設けられている。前記第1の可動体41は、支持導通部42,42に主としてZ方向へ移動可能に支持されている。それぞれの支持導通部42,42は、第1の絶縁層3によって支持基板2に接合されている。また。支持導通部42,42は、接合部によって、キャップ部材4の第2の絶縁層5に接合されている。なお第1の可動体41は、第1の絶縁層3及び第2の絶縁層5から離れており、Z方向への移動を可能としている。
図1(a)に示すように第1の可動体41には複数の可動電極が櫛歯状に一体に形成されている。そして、支持導通部42,42の少なくとも一方は、接合部9を介して、第2の絶縁層5内のリード層と導通し、リード層は、センサユニット20の外部にはみ出すキャップ部材4の露出表面(第2の絶縁層5の表面)に設けられた外部接続パッド50に導通接続されている。
図1に示すように、第1の可動体41の内部には、固定部51,53が第1の可動体41から分離されて形成されている。固定部51には、支持導通部52が一体に形成されており、固定部53には、支持導通部54が一体に形成されている。
図1(b)に示すように、支持導通部52と支持導通部54は、それぞれ第1の絶縁層3によって支持基板2に接合されている。支持導通部52と支持導通部54は、それぞれ接合部9によって、キャップ部材4の第2の絶縁層5に接合されている。ただし、固定部51,53は、支持導通部52,54以外の部分が支持基板2と第2の絶縁層5から離れている。
固定部51,53には、夫々、複数の固定電極が櫛歯状に一体に形成されている。固定電極は、支持導通部52,54と接合部9を介して、第2の絶縁層5内のリード層に接合されている。リード層は、センサユニット20の外部にはみ出すキャップ部材4の露出表面(第2の絶縁層5の表面)に設けられた外部接続パッド50に導通接続されている。
第1のセンサ領域15はZ方向への加速度に反応することができる。例えば、MENSセンサ1にZ2方向の加速度が作用すると、その反作用で、第1の可動体41がZ1方向へ移動する。このとき、可動電極と固定電極との対向面積の変化により静電容量が変化し、静電容量変化に基づいて、加速度の大きさや変化を検出できる。
図1,図2に示すように、センサユニット20とキャップ部材4との平面面積を比較すると、キャップ部材4のほうが大きく、キャップ部材4にはセンサユニット20の外部へはみ出す露出領域が存在する。
図1(b)で示すように、センサユニット20の機能層10に設けられた枠体層11とキャップ部材4の第2の絶縁層5との間には封止部8が設けられ、センサユニット20のセンサ領域15,16,17が前記封止部8により囲まれて封止されている。
封止部8及び接合部9,9は、センサユニット20側に設けられた第1の金属層と、キャップ部材4側に設けられた第2の金属層とが共晶接合あるいは拡散接合されて形成されている。
第1の金属層と、第2の金属層のうち、キャップ部材4側に設けられた第2の金属層は、キャップ部材4の露出表面にまで引き延ばされて図1(a)(b)に示す接合判定モニタ部55を構成している。接合判定モニタ部55は、幅細配線部55aと、幅細配線部55aの先端に設けられた幅広部(モニタ領域)55bとで構成される。
封止部8及び接合判定モニタ部55について以下に詳述する。
図3は、MEMSセンサの製造工程を示す部分拡大断面図であり、(a)は接合前、(b)は接合後の状態を示している。
図3(a)に示すように枠体層11の裏面11a(キャップ部材4との対向面)に、第1の金属層56を設ける。一方、キャップ部材4の表面に設けられた第2の絶縁層5の表面5a(センサユニット20との対向面)に、第2の金属層57を設ける。このとき、第2の金属層57を第1の金属層56と対向する位置に設ける。さらに図1,図3(a)に示すように、第2の金属層57を、センサユニット20とキャップ部材4とを接合したときに、センサユニット20の外側にはみ出すキャップ部材4の露出表面に引き出して接合判定モニタ部55を形成する。図1(a)では、接合判定モニタ部55を幅細配線部55aと幅広部(モニタ領域)55bとで構成したが、形状は限定されない。
ここで、第1の金属層56と第2の金属層57の材料の組み合わせとしては、アルミニウム−ゲルマニウム、アルミニウム−亜鉛、金−シリコン、金−インジウム、金−ゲルマニウム、金−錫などがある。これら金属の組み合わせにより、それぞれの金属の融点以下の温度である450℃以下の比較的低い温度で接合を行うことが可能になる。
図3(b)に示すように、第1の金属層56と第2の金属層57とを当接させ、加圧下で加熱することで、第1の金属層56と第2の金属層57とが共晶接合あるいは拡散接合する。これにより第1の金属層56と第2の金属層57による封止部8が形成される。封止部8は図1(a)に示すように平面視にて所定の幅を備えた帯状の封止ラインを構成している。また、支持導通部とリード層間を接合する接合部9も図2に示すように、第1の金属層56と第2の金属層57との共晶接合あるいは拡散接合で形成されている。
本実施形態では、図3(b)の工程時(接合後)、第1の金属層56と第2の金属層57との接合反応が適切に起こると、反応は接合判定モニタ部55にまで進行する。このため接合判定モニタ部55は第2の金属層57の単一状態から第1の金属層56との共晶あるいは拡散状態に変化する。よって、接合判定モニタ部55の例えば色や面粗さが、図3(a)の接合前と異なる状態になる。そして、接合判定モニタ部55の例えば幅広部55bの色や面粗さの変化を測定することで、第1の金属層56と第2の金属層57とが適切に共晶接合あるいは拡散接合していると判定することが出来る。
例えば、図3(b)の接合工程時、加圧力が弱かったり、加熱温度が低かったり、第1の金属層56と第2の金属層57との間に異物があったりすると第1の金像層56と第2の金属層57との接合反応が適切に進行しない。このとき、接合判定モニタ部55は第2の金属層57のままで色や面粗さの変化がないので、接合判定モニタ部55の例えば幅広部55bの色や面粗さの無変化を測定することで、第1の金属層56と第2の金属層57とが適切に共晶接合あるいは拡散接合していないと判定することが出来る。
このように本実施形態では、反応開始領域(第1の金属層56と第2の金属層57との界面)から接合反応が離れた位置まで進行しやすい共晶接合あるいは拡散接合を利用して、MEMSセンサ1の露出する位置に接合判定モニタ部55を形成し、接合判定モニタ部55の状態変化を測定することで、封止部8が外部に見えなくても、簡単且つ適切に封止部8の接合状態を検知できる。特に接合判定モニタ部55の色の変化により目視で判別できる。よって、従来に比べて良品・不良品の判別を簡単に行うことが出来る。
第1の金属層56と第2の金属層57の材質の組み合わせは、アルミニウム(Al)とゲルマニウム(Ge)の組み合わせが、接合反応を離れた位置まで適切に進行させることができ好適である。ところで、アルミニウム単体は銀白色、ゲルマニウム単体は灰色である。よって、接合判定モニタ部55で色の変化を見るには、接合判定モニタ部55を構成する第2の金属層57をアルミニウムに、第1の金属層56をゲルマニウムにしたほうが、接合状態が良好である場合は、接合判定モニタ部55が白っぽい色から黒っぽい色に変化し、接合状態が不良である場合は、接合判定モニタ部55が白っぽい色のままなので、適切且つ容易に封止部8の接合状態を検知することが出来る(後述の実験を参照)。
また、各支部導通部とキャップ部材4間の接合部9,9は、封止部8と分離されているので、接合部9,9の接合状態は、接合判定モニタ部55にて判定できない。しかしながら、各接合部9,9は図2に示すリード層35を介してキャップ部材4の露出表面に形成された各外部接続パッド50に接続されている。そして、各外部接続パッド50とIC側の端子部間を接続した状態で動作試験を行うことで、各接合部9,9の接合状態を知ることができる。
また、多数のMEMSセンサ1を一度にウエハ状に形成し、各MENSセンサ1に設けられた接合判定モニタ部55にて封止部8の接合状態を検出した後、各MEMSセンサ1に切り出すとき、接合判定モニタ部55を除去してもよい。このとき、接合判定モニタ部55の一部、例えば幅細配線部55aの一部がMEMSセンサ1に残されていれば、接合判定モニタ部55が設けられていたことを推測することが可能である。
またセンサユニット20の平面形状をキャップ部材4よりも大きく形成して、センサユニット20側に接合判定モニタ部55を設けることも出来る。また、平面形状の大きさに関わらず、センサユニット20あるいはキャップ部材4の露出表面に接合判定モニタ部55を設けることも出来る。ただしキャップ部材4の平面形状をセンサユニット20より大きくし、キャップ部材4側にリード層35や外部接続パッド50と共に、接合判定モニタ部55を設けたほうが、簡単な配線構成にできて好適である。
なお本実施形態は加速度センサに限定するものでない。また上記の実施形態では静電容量式のMEMSセンサ1であるが静電容量式に限定しない。
図1に示すMEMSセンサ1を製造した。このとき、第1の金属層56をゲルマニウムで、第2の金属層57をアルミニウムで形成した。なお外部接続パッド50も第2の金属層57と同様、アルミニウムで形成した。そして、第1の金属層56と第2の金属層57とを加熱加圧下で接合した。
図4(a)(b)は、上記した接合後、第1の金属層56の部分まで取り除いて、第2の金属層57の部分を表面に露出させた写真の一部である。なお図4(a)に示す試料では、第2金属層57を接合前に酸洗浄した(酸化層の除去)。また図4(a)の試料と図4(b)の試料の接合条件は、430℃で、加圧を7000Nとした。
図4(a)に示す試料では、封止部及び、接合判定モニタ部はいずれも黒っぽい色になっており、一方、外部接続パッドは白っぽい色であった。封止部では適切にアルミニウム−ゲルマニウムの共晶接合あるいは拡散接合が生じたため、略黒色になっている。また接合判定モニタ部では、封止部から接合反応が進行したために封止部と同様に略黒色になっている。
一方、図4(b)に示す試料では、外部接続パッドのみならず、封止部、及び、接合判定モニタ部も、白っぽい色であった。これは、封止部にて、アルミニウム−ゲルマニウムの共晶接合あるいは拡散接合が生じなかったためである。この結果、図4(a)と異なって、接合判定モニタ部にまで接合反応が進行せず、封止部と同様に略白色になっている。
このように、接合判定モニタ部は、封止ラインで適切に接合反応が生じたときと、生じていないときとで、封止部と同様の色になるため、接合判定モニタ部の色の状態を測定すれば、封止部が外部から見えなくても、封止部の接合状態を適切且つ容易に検知することが可能である。
1 MEMSセンサ
2 支持基板
3 第1の絶縁層
4 キャップ部材
5 第2の絶縁層
8 封止部
9 接合部
10 機能層
11 枠体層
15〜17 センサ領域
20 センサユニット
35 リード層
50 外部接続パッド
55 接合判定モニタ部
56 第1の金属層
57 第2の金属層

Claims (7)

  1. 第1の部材と、前記第1の部材と対向する第2の部材と、を有し、前記第1の部材及び前記第2の部材のどちらか一方がセンサ領域を有するセンサユニットを構成し、他方がキャップ部材であり、
    前記センサユニットとキャップ部材との間には、前記センサ領域の周囲を封止する封止部が設けられており、
    前記封止部は、前記第1の部材側に設けられた第1金属層と、前記第2の部材側に設けられた第2金属層とが共晶接合あるいは拡散接合されてなり、
    前記第2の金属層が前記第2の部材の露出表面に引き出されて前記封止部の接合状態を検知可能な接合判定モニタ部を構成していることを特徴とするMEMSセンサ。
  2. 前記第2の金属層はアルミニウムで形成され、第1の金属層はゲルマニウムで形成される請求項1記載のMEMSセンサ。
  3. 平面視にて前記第2の部材は、前記第1の部材からはみ出す大きさで形成され、前記第1の部材の外側にはみ出す前記第2の露出表面に前記接合判定モニタ部が形成されており、
    前記キャップ部材は前記第2の部材で構成される請求項1又は2に記載のMEMSセンサ。
  4. 第1の部材と、前記第1の部材と対向する第2の部材と、を有し、前記第1の部材及び前記第2の部材のどちらか一方がセンサ領域を有するセンサユニットを構成し、他方がキャップ部材であり、
    前記センサユニットとキャップ部材との間に、前記センサ領域の周囲を封止する封止部を設けた構成であり、
    前記第1の部材表面に前記封止部を構成する第1の金属層を形成し、前記第2の部材表面に前記封止部を構成する第2の金属層を形成し、このとき、前記第2の金属層を前記第1の基板と前記第2の基板とを対向させたときの前記第2の部材の露出表面に引き出して接合判定モニタ部を形成する工程、
    前記第1の金属層と前記第2の金属層とを共晶接合あるいは拡散接合する工程、
    前記接合判定モニタ部にて前記封止部の接合状態を測定する工程、
    を有することを特徴とするMEMSセンサの製造方法。
  5. 前記接合判定モニタ部の色の変化で前記封止部の接合状態を測定する請求項4記載のMEMSセンサの製造方法。
  6. 前記第2の金属層をアルミニウムで形成し、第1の金属層をゲルマニウムで形成する請求項5記載のMEMSセンサの製造方法。
  7. 前記第2の部材をキャップ部材として、平面視にて前記第1の部材からはみ出す大きさで形成し、前記第1の部材の外側にはみ出す前記第2の部材の露出表面に前記接合判定モニタ部を形成する請求項4ないし6のいずれか1項に記載のMEMSセンサの製造方法。
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