JP2013181863A

JP2013181863A - Ｍｅｍｓ素子及びｍｅｍｓ素子の製造方法

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Publication number: JP2013181863A
Application number: JP2012046325A
Authority: JP
Inventors: Yukio Koiwa; 進雄小岩; Sotaro Saka; 壮太郎坂; Hiroaki Sato; 広章佐藤
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: JP5935396B2

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ素子の可動部がキャップ構造に貼り付くことを抑制する。
【解決手段】本発明の一実施形態として、第１の基板に感光性樹脂材料を配設し、前記感光性樹脂材料にパターン露光を行ない、前記第１の基板に前記感光性樹脂材料を含む接合部及び突起部を形成し、可動部を含むＭＥＭＳ素子本体が形成された第２の基板を準備し、前記突起部と前記可動部とを対向させ、前記第１の基板と前記第２の基板とを前記接合部により接合する、ＭＥＭＳ素子の製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子及びＭＥＭＳ素子の製造方法などに関する。特に、ＭＥＭＳ素子の可動部の移動変位が過大とならないようにキャップ構造を用いる場合に、可動部がキャップ構造に貼り付くことを防止するＭＥＭＳ素子及びＭＥＭＳ素子の製造方法などに関する。

半導体素子の製造プロセスなどにより作製された、微細な可動部を有するＭＥＭＳ素子が知られている。このようなＭＥＭＳ素子としては、外力による可動部の変形や変位などを検出する加速度センサ、チルトセンサーなどのセンサや、電界や磁界の発生により可動部の変形や変位などを発生させる高周波スイッチ、ミラーアレイ、マイクロアクチュエータなどの能動素子が開発されている。

このようなＭＥＭＳ素子においては、安定的に動作させるため可動部を枠状部材ないしキャップ構造によって囲むことがある。この場合、可動部と、枠状部材ないしキャップ構造との間には可動部の可動範囲に応じて所定の空隙が設けられる。同時に、このような枠状部材ないしキャップ構造は、可動部の過大な変形や変位などを制限し、不具合の発生を防止している。

ＭＥＭＳ素子の製造過程において、可動部がこのような枠状部材ないしキャップ構造に貼り付く現象が知られている。例えば、特許文献１は、錘部を有するＭＥＭＳ素子の製造過程において、キャップ構造を取り付けるためのガラスの陽極接合を行う際に、錘部が静電引力によってガラスに引き寄せられて貼り付くことを指摘し、ガラス表面にエッチングを行なって突起を形成することを提案している。

特開２００８−７０２８４号公報

しかしながら、特許文献１のように、陽極接合によりガラスとシリコンを接合する場合、ＭＥＭＳ素子の可動部を形成するための半導体プロセスとガラスの加工プロセスとを同一の製造ラインで行うと、クロスコンタミネーションにより、半導体基板がアルカリ汚染し、ＰＮ接合の接合リークが増大する問題がある。

そこで本発明者らは、キャップ構造とＭＥＭＳ素子が形成された基板との接合に、陽極接合を用いずに、感光性樹脂を用いた樹脂接合を用いることを検討した。樹脂接合は陽極接合のように接合時には静電引力の発生がないが、キャップ構造と可動部との間の距離が小さくなるので分子間力により貼り付きが発生する場合がある。本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、キャップ構造とＭＥＭＳ素子が形成された基板とを樹脂接合する際、キャップ構造への可動部の貼り付きを防止することを主目的とする。

本発明の一実施形態として、第１の基板に感光性樹脂材料を配設し、前記感光性樹脂材料にパターン露光を行ない、前記第１の基板に前記感光性樹脂材料を含む接合部及び突起部を形成し、可動部を含むＭＥＭＳ素子本体が形成された第２の基板を準備し、前記突起部と前記可動部とを対向させ、前記第１の基板と前記第２の基板とを前記接合部により接合する、ＭＥＭＳ素子の製造方法を提供する。

本発明の一実施形態として、可動部を有する基板と、前記可動部を覆うように配置されたキャップ構造と少なくとも含んで構成され、前記キャップ構造の前記可動部と対向する側に樹脂材料を含む接合部および突起部を備え、前記接合部を介して前記基板と前記キャップ構造とが接合され、前記突起部は、前記可動部と対向していることを特徴とするＭＥＭＳ素子を提供する。

本発明によれば、キャップ構造とＭＥＭＳ素子が形成された基板とを樹脂接合する際、キャップ構造への可動部の貼り付きを防止することができる。

本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ素子の平面図と断面図本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ素子本体の製造方法について説明する図本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ素子のキャップ構造の製造方法について説明する図本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法について説明する図本発明の一実施例に係る加速度センサの平面図と断面図本発明の一実施例に係る加速度センサのキャップ構造における突起部の配置の例を示す図

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、本発明は、種々の変形を行って実施することが可能であり、以下の形態に何ら限定されることはない。また、図面においては、幅、厚み、高さなどを誇張して表現する場合があり、実際のものとは異なる場合がある。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態１に係るＭＥＭＳ素子の平面図および断面図の一例を示す。すなわち、図１（Ａ）はＭＥＭＳ素子１００を上面からみた場合の平面図を示しており、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）はＭＥＭＳ素子１００のＩ−Ｉ断面線における断面図を示す。図１（Ｂ）と図１（Ｃ）とは異なる実施形態に係るＭＥＭＳ素子１００の断面図である。

上方から見ると、図１（Ａ）においては、ＭＥＭＳ素子１００は略正方形または略矩形をしている。その略正方形または略矩形の一つの辺に沿う部分に、基板１０２上に配置された電極パッド１０３が複数並んでいる。また、電極パッド１０３の並んでいない領域にはキャップ構造１０１が配置されている。なお、一般的に、ＭＥＭＳ素子１００を上方から見た場合の形状は必要に応じて略正方形および略矩形以外の形状とすることが可能であり、また電極パッドの配置も上記に限定されない。

また、図１（Ａ）においては図示されていないが、基板１０２上に配線が形成され、電極パッド１０３と電気的に接続される。この配線により、キャップ構造１０１で覆われている可動部への電気信号入力、可動部からの電気信号出力を、電極パッド１０３を介して行うことができる。

図１（Ａ）においては、電極パッド１０３は、ＭＥＭＳ素子１００の上面に配置されているが、電極パッド１０３は任意の箇所に配置することが可能である。例えば、図１（Ａ）においてＭＥＭＳ素子１００の側面や底面などの任意の場所に配置することも可能である。また、電極パッド１０３は、任意の個数を配置することができる。

図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）を参照すると、ＭＥＭＳ素子１００は、可動部１０５を有する基板１０２と、可動部１０５を覆い基板１０２に接合されたキャップ構造１０１とを備える。キャップ構造１０１と基板１０２とは樹脂により接合されている。基板１０２の材質に制限はないが、典型的にはシリコンを用いることができる。また、キャップ構造の材質に制限はないが、典型的にはシリコン、ガラス、樹脂、セラミックスを用いることができる。キャップ構造１０１、基板１０２の厚みは、製品仕様などに応じて適宜設定すればよく、例えば、１００μｍ〜１ｍｍの範囲で設定することができる。

図１（Ｂ）を参照すると、基板１０２の内側に凹部を有し、該凹部に可動部１０５が収納されている。可動部１０５は、図示されていない接続部により基板１０２に接続されている。図１（Ｂ）では、可動部１０５が基板１０２の内側に１つ配置された例を示しているが、可動部１０５は基板１０２の内側に複数配置されていてもよい。また、図１（Ｂ）において可動部１０５の下方には凹部の底部が位置している。図１（Ｂ）において、この底部は基板１０２の一部となっているが、可動部１０５を下方から加工などするために、一の基板の底部に開口が設けられ、この一の基板に別の基板が接合されて凹部の底部を形成していてもよい。

図１（Ｂ）においては、可動部１０５を覆うようにキャップ構造１０１が配置されている。キャップ構造１０１は、板状の部分である板部と、この板部の可動部１０５と対向する側には接合部１０６と、突起部１０７とを有する。接合部１０６、突起部１０７は、樹脂を含む。キャップ構造１０１の板部は、ＭＥＭＳ素子１００を上方から見た場合、図１（Ａ）に示すようにＭＥＭＳ素子１００の大部分を占める。接合部１０６は、板部と基板１０２とを接合するための層である。接合部１０６は、感光性のポリイミド（ＰＩ）、ベンゾシクロロブテン（ＢＣＢ）などの樹脂を用いて、キャップ構造１０１の周縁に沿って枠状に形成することができる。

突起部１０７は、キャップ構造１０１の板部の可動部１０５と対向する側に形成され、平面視において突起部１０７と可動部１０５が一部又は全部が重畳するように形成されている。突起部１０７は、感光性のポリイミド（ＰＩ）、ベンゾシクロロブテン（ＢＣＢ）などの樹脂を用いて形成することができる。突起部１０７により、可動部１０５がキャップ構造１０１の板部に貼り付くことを防止することができる。可動部１０５の上方への可動範囲を確保するために、突起部１０７は、接合部１０６よりも高さが小さく設定される。より具体的には、突起部１０７の高さと接合部１０６の高さの差が、１μｍ〜１０μｍの範囲で設定されるとよい。突起部１０７をテーパー形状として可動部１０５との接触面積を極力小さくし、点接触に近づけることが好ましい。尚、「テーパー形状」とは、突起部１０７の先端が、突起部１０７のキャップ構造１０１に接する裾幅よりも小さいものを指す。

突起部１０７と接合部１０６とは別々に材料形成をしてもよいが、より好ましくは後述するような同一の材料形成工程を経たフォトリソグラフィプロセスにおいて形成するとよい。この場合には、突起部１０７の材料と接合部１０６の材料とは同じになる。

なお、接合部１０６の高さと突起部１０７の高さが同じか後者の方が大きくなる場合などには、図１（Ｃ）に示すように板部に凹部を形成し、凹部の周囲に接合部１０６を配置し、凹部に突起部１０７を配置してもよい。

図２から図４を参照し、ＭＥＭＳ素子１００の製造プロセスについて説明する。

まず、基板にキャップ構造１０１を除くＭＥＭＳ素子１００を形成する（以下において、「キャップ構造を除くＭＥＭＳ素子１００」を「ＭＥＭＳ素子本体」という。）。基板としては、例えばシリコンなどを用いた半導体ウェハや、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることができる。ＭＥＭＳ素子本体は、例えば公知のプロセス技術を用いて可動部を含むように形成される。また、ＭＥＭＳ素子本体の形成において、可動部１０５の形成と基板の表面などに配線を形成して配線と接続される複数の電極パッド１０３が基板に形成される。

また、ＭＥＭＳ素子本体の形状が略正方形または略矩形であれば、マトリクス状にＭＥＭＳ素子本体を基板に配置し、複数のＭＥＭＳ素子本体を形成することができる。このようにマトリクス状に配置することにより、ダイシングによる個片化が容易となる。

図２（Ａ）は、マトリクス状に配置された複数の略正方形または略矩形の領域に基板２０１を分割し、領域それぞれに、可動部１０５を含むＭＥＭＳ素子本体を形成した様子を示す。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）におけるII−II断面線での断面を示している。

ＭＥＭＳ素子本体の形成と同時にまたはそれと前後して、キャップ構造１０１の形成を行う。キャップ構造１０１は、ＭＥＭＳ素子本体が形成される基板と同じ平面形状の基板であり、対向させた場合において同じ大きさとなる基板に形成するのが好ましい。後にキャップ構造１０１が形成された基板とＭＥＭＳ素子本体が形成された基板とを接合する際の位置合わせが容易となるためである。キャップ構造１０１が形成される基板の材料は、必要に応じて種々の材料から選択することができる。例えば、ガラス基板、樹脂基板、セラミックス基板やシリコンを材料とするシリコンウェハなどを選択することができるが、なかでも装置共有化のクロスコンタミネーションを防ぐ観点からシリコンウェハが好ましい。また、キャップ構造１０１が形成される基板の少なくとも片面は平面であるものが選択されるのが好ましい。

図３（Ａ）に示す基板３０１にキャップ構造１０１が形成される場合には、基板３０１に感光性樹脂を基板３０１の上面にスピンコート法、ラミネート法などにより配設する。感光性樹脂として、例えば、ポリイミド、ベンゾシクロロブテンを用いることができる。なお、以下の説明では、感光性樹脂がネガ型である場合について説明を行う。図３（Ｂ）は、感光性樹脂が基板３０１の上面に塗布された際における、図３（Ａ）のIII−III断面線における基板３０１の断面図を示す。基板３０１の上面に感光性樹脂３０２が略一様の厚さで塗布されている。

次に、基板３０１に塗布された感光性樹脂３０２に露光を行う。露光は、例えば、フォトマスクを用いて接合部１０６と突起部１０７との光学的パターンを照射することにより行う。接合部１０６と突起部１０７を略同一の高さで形成する場合には、フォトマスクを介して接合部１０６と突起部１０７を形成しうるように一括露光を行うとよい。

突起部１０７の高さを接合部１０６の高さよりも小さく設定する場合には、次のように露光する。すなわち、接合部１０６については、露光面である感光性樹脂３０２の層に光学的パターンが合焦するように露光装置のフォーカスを調整する。一方で、突起部１０７については、合焦する状態からずれた状態にして露光を行うことで、露光の光が広がりテーパー形状（裾広がり形状）の感光性樹脂のパターンを形成することができる。また、パターンの幅を小さくすることで、テーパー形状の影響により高さを小さくすることが可能となる。

露光及び現像を行なった後は、必要に応じて、接合部と突起部とが形成された基板３０１に加熱処理を行い、接合部と突起部とをさらに硬化させてもよい。

そして、図４に示すように、ＭＥＭＳ素子本体が形成された基板２０１と、接合部および突起部が形成された基板３０１とを、ＭＥＭＳ素子本体と接合部および突起部が配置された面とを対向させて接合する。このとき、基板２０１および基板３０１の両方又はいずれか一方を加圧および／または加熱を行ない、接合部により基板２０１と基板３０１とを接合する。その後、必要に応じて、ダイシングを行ない、ＭＥＭＳ素子を個片化する。

以上のように、本発明の一実施形態においては、ＭＥＭＳ素子部分のキャップ構造の製造において、接合部と突起部とを同一のプロセスにおいて形成することが可能となる。また突起部は、側壁が斜めとなるテーパー形状であり、突起部の先端に可動部が接触したときの接触面積を小さくすることができ、可動部の突起部への貼り付きを抑制することができる。また、テーパー形状であるので、可動部が斜め方向に変位して突起部に接触した場合でも、突起部が破損することを抑制することが可能となる。

また、ガラスに対するエッチングを回避できるので、クロスコンタミネーションの発生を抑制することができる。また、樹脂により接合を行うので、陽極接合時のように電圧を印加することにより、可動部がキャップ構造に貼り付くことを防止することもできる。

本発明の一実施形態を、加速度センサに応用した例について以下に説明する。

図５は、本発明の一実施例に係る加速度センサの平面図および断面図を示す。図５（Ａ）は、加速度センサの平面投影図であり、図５（Ｂ）は、Ｘ−Ｘ断面線における断面図であり、図５（Ｃ）は、Ｙ−Ｙ断面線における断面図である。

図５（Ａ）においては、加速度センサの内部構造のうち、キャップ構造５２１により隠される部分を点線により示している。図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示されるように、加速度センサのキャップ構造（符号５７０、５５１、５５３により形成される構造部分）を除く部分（以下、「加速度センサ本体」という。）は、ＳＯＩ基板に形成されている。ＳＯＩ基板は、支持層５６１、ＢＯＸ層５６３および活性層５６４により構成され、ＢＯＸ層５６３が支持層５６１と活性層５６４との間に位置する。また、支持層５６１の厚さは活性層５６４の厚さよりも大きい。そこで、支持層５６１を、活性層５６４とは反対の側からエッチングを行うことにより、錘部５４２を形成する。図５（Ａ）、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）においては、錘部５４２は、上面から見た場合に４つの立方体または直方体を「田」の字形に並べ、「田」の字の中央部分で接続した形状をしている。錘部５４２の上には、図５（Ｃ）などに示されるように、ＢＯＸ層５６３の一部である部分５６３１と活性層５６４とがある。したがって、錘部５４２は、ＢＯＸ層の部分５６３１を介して、活性層５６４に形成されている可撓部５２３に接続されている。

可撓部５２３は、図５（Ａ）においては活性層５６４に「田」の字形に開口を設けることにより形成されている。「田」の字形の開口の中央部分は、錘部５４２とＢＯＸ層５６３の一部である部分５６３１および活性層５６４を介して接続されている。これにより、錘部の変位に応じて可撓部５２３が撓むことになる。可撓部５２３の撓み量を検出するために、可撓部５２３に図５（Ａ）において矩形により示したピエゾ抵抗（例えば符号Ｒｙ１）が形成されている。

加速度センサ本体の活性層５６４側にキャップ構造が配置される。キャップ構造は、板部５７０と、板部５７０に形成された接合部５７１と、板部５７０に形成された突起部（５５１、５５２、５５３）を有する。接合部５７１は、突起部（５５１、５５２、５５３）のそれぞれよりも幅が小さく、また、板部５７０から頂点（板部５７０から最も離れる表面上の位置）の高さが小さくなっている。また、接合部５７１の側面は、板部５７０の表面に対して斜めとなっている。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）において、突起部は、錘部５４２の上に、符号５５１−５５３に対応する突起部が形成されている。

このように突起部（５５１−５５３など）を配置することにより、錘部５４２が板部５７０側に変位した場合に、錘部５４２の上面の活性層５６４が板部５７０に貼り付くことを防止することができる。

突起部の配置には様々なものがあり得る。図６は、錘部５４２の上における突起部の配置の例を５つ示す。図６（Ａ）は、錘部５４２のそれぞれの立方体の「田」の字の中央から最も遠い位置に突起部を配置した例である。図６（Ｂ）は、錘部５４２のそれぞれの立方体の上面の四隅に突起を一つずつ配置した例である。図６（Ｃ）は、錘部５４２の外周に沿って突起部を配置した例である。図６（Ｄ）は、錘部５４２のそれぞれの立方体の上面の外周に沿って突起部を配置した例である。図６（Ｅ）は、錘部５４２のそれぞれの立方体の上面にマトリクス状に突起部を配置した例である。突起部は、錘部に対向するように複数個が分散して配置されていてもよい。

１００素子
１０１キャップ構造
１０２基板
１０３電極パッド
１０５可動部
１０６接合部
１０７突起部

Claims

第１の基板に感光性樹脂材料を配設し、
前記感光性樹脂材料にパターン露光を行ない、前記第１の基板に前記感光性樹脂材料を含む接合部及び突起部を形成し、
可動部を含むＭＥＭＳ素子本体が形成された第２の基板を準備し、
前記突起部と前記可動部とを対向させ、前記第１の基板と前記第２の基板とを前記接合部により接合することを含む、ＭＥＭＳ素子の製造方法。
前記突起部となる部位の前記感光性材料に対して、露光光の合焦位置を前記第１の基板に垂直な方向にずらして、パターン露光を行うことを特徴とする請求項１に記載の、ＭＥＭＳ素子の製造方法。
前記突起部は、前記第１の基板側に向かうにつれ裾が拡がったテーパー形状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の、ＭＥＭＳ素子の製造方法。
前記接合部の高さは、前記突起部の高さより大きいことを特徴とする請求項２または３に記載の、ＭＥＭＳ素子の製造方法。
可動部を有する基板と、前記可動部を覆うように配置されたキャップ構造とを少なくとも含んで構成され、
前記キャップ構造の前記可動部と対向する側に樹脂材料を含む接合部及び突起部を備え、前記接合部により前記基板と前記キャップ構造とが接合され、前記突起部は前記可動部と対向していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。