JP2013208707A - Memsデバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】MEMSデバイスの個別部品は、周知の簡単な製造手順を使用して処理され、次に簡単な接合技術を使用して組み立てられるため、MEMSデバイスの生産効率を大幅に改善する。
【解決手段】MEMSデバイスの製造方法は、複数の個別封入体をマトリクス構造で有する封入体キャリアダイを設けるステップと、複数の個別チップキャリアをマトリクス構造で有するチップキャリアダイを設けるステップであって、個別チップキャリアそれぞれが、個別チップキャリアの厚みを完全に貫通して形成される音響ポートを含み、複数の個別チップキャリア上に複数のMEMSデバイスを取り付けるステップと、封入体キャリアダイをチップキャリアダイ上に接合して、取り付けられたMEMSデバイスそれぞれを複数の個別封入体のうちの1つで封止する、接合するステップと、接合された封入体キャリアダイおよびチップキャリアダイを分離して、複数の個別MEMSデバイスを製造するステップと、を含む。
【選択図】図3

Description

(関連出願)
本出願は、参照することによって本明細書に完全に組み込まれる米国特許出願第11/446,398号の利益を主張するものである。
本発明は、微小電気機械システム(MEMS)デバイスおよびその製造方法に関する。
一般に、微小電気機械システム(MEMS)デバイスは、集積回路(IC)プロセスを使用して一般的なシリコン基板上に、センサ、アクチュエータ、および電子回路などの機械構成部品を集積したものである。例えば、微小機械部品は、選択的にシリコンウェハの一部をエッチングしたり、新しい構造層を追加したりするプロセスを使用して製造され、機械的および/または電気機械装置を形成する。
MEMSデバイスを製造することで、マイクロセンサとマイクロアクチュエータとの両方、およびマイクロアクチュエータを作動させてマイクロセンサから情報を受け取る制御システムを含むオンチップデバイスが可能になる。しかしながら、MEMSデバイスには、マイクロセンサおよびマイクロアクチュエータの機能が外部から妨害されるのを防止するために封止が必要となる。これまでのところ、本製造プロセスは、単一のMEMSデバイスを製造するために必要となる個別ステップの組み合わせが原因で、効率が悪くコストも高い。
したがって、本発明は、MEMSデバイスおよび従来技術の限界および欠点による問題のうちの1つ以上を実質上未然に防止するMEMSデバイスの製造方法を対象としている。
本発明は、個別のMEMSデバイス部品を使用して効率的に製造可能なMEMSデバイスを提供することを目的とする。
本発明は、個別のMEMSデバイス部品を使用するMEMSデバイスの製造方法を提供することを別の目的とする。
本発明のさらなる特徴および利点は、以下に続く記載に示され、この記載からある程度明らかになるであろう。あるいは本発明の実施によって習得することもできる。本発明の目的および他の利点は、本明細書およびその特許請求の範囲、ならびに添付図面で特に指摘される構造によって、実現かつ達成されるであろう。
実施され概して記載される本発明の目的に従ってこれらの利点および他の利点を達成するため、MEMSデバイスは、チップキャリアの第1の面から第2の面に伸長する音響ポートを有するチップキャリアと、チップキャリアの第1の面の音響ポートを覆うようにチップキャリア上に配置されるMEMSダイと、チップキャリアに接合されMEMSダイを封止する封入体(エンクロージャー)とを含む。
別の形態では、MEMSデバイスの製造方法は、複数の個別封入体をマトリクス構造で有する封入体キャリアダイを設けるステップと、複数の個別チップキャリアをマトリクス構造で有するチップキャリアダイを設けるステップであって、個別チップキャリアそれぞれが、個別チップキャリアの厚みを完全に貫通して形成される音響ポートを含むものであるステップと、複数の個別チップキャリア上に複数のMEMSデバイスを取り付けるステップと、封入体キャリアダイをチップキャリアダイ上に接合して、取り付け後のMEMSデバイスそれぞれを複数の個別封入体のうちの1つで封止する、接合するステップと、接合後の封入体キャリアダイおよびチップキャリアダイを分離して、複数の個別MEMSデバイスを製造する、分離するステップと、を含む。
前述の概要および以下の詳細な記載はともに、例示的および説明的なものであり、請求の範囲に記載されている発明をさらに説明することを意図するものであることを理解されたい。
本発明をさらに理解するために含まれ、本明細書の一部に組み込まれ、さらにこれを構成する以下の添付図面は、本発明の実施形態を示し、記載とともに本発明の原理を説明するのに役立つ。
本発明に従う例示的なMEMSデバイスを示す模式側面図である。 本発明に従う例示的な封入体キャリアダイを示す模式上面図である。 本発明に従う図2Aの例示的な封入体キャリアダイを示す模式底面図である。 本発明に従う例示的なキャリアダイを示す図2Bの線A−Aについての断面図である。 本発明に従う例示的なチップキャリアダイを示す模式平面図である。
ここで、本発明の好ましい実施形態を参照しながら詳細に説明していくが、その実施例は添付図面に示される。
図1は、本発明に従う例示的なMEMSデバイスを示す模式側面図である。図1では、MEMSデバイス100は、封入体130によって封止されるチップキャリア120上に取り付けられるMEMSダイ110を含んでもよい。封入体130は、等方導電性を有する一体成形の封入体として形成されてもよい。したがって、封入体130は、チップキャリア120の周縁部に沿って接着ボンド140を使用してチップチャリア120に接合されることで、MEMSデバイス100の外部から封入体130の内部領域132を遮断することもできる。接着ボンド140は、導電性封入体130とチップチャリア120との間を電気的に相互接続するために、ペースト支持フィルムまたはテープなどの導電性材料を含んでもよい。
図1では、封入体130の内部領域132は、不活性雰囲気を含んでもよく、あるいはMEMSデバイス100の外部よりも低いまたは高い圧力を有してもよい。さらに、封入体130は、MEMSダイ110からのいかなる電磁放射も透過させず、またはMEMSダイ110に対していかなる電磁放射も影響を及ぼさないようにするために、導電性材料を含んでもよい。例えば、封入体130は、エポキシ成形材料、液晶ポリマ、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの熱可塑性または熱硬化性ポリマ材料、および金属粒子またはカーボンファイバまたは充填剤などの導電性材料を使用して成形することもできる。特に、導電性熱可塑性または導電性熱硬化性ポリマ材料は、後に続く従来の鉛フリー表面実装プロセスに耐えるために、充分な熱変形温度を有することができる。しかしながら、非鉛フリー表面実装プロセスに対応して低い熱変形温度の材料を使用することも可能である。
図1では、チップキャリア120は、基板上へのMEMSデバイス100の表面実装を容易にするために、複数の導電性表面を含んでもよい。例えば、チップキャリア120は、チップキャリア120の第1の面124に沿って配置される複数のランドグリッドアレイ(LGA:land grid array)パッド122を含んでもよい。さらに、チップキャリア120は、チップキャリア120の第2の面128に沿って配置される複数のキャリアパッド126を含んでもよい。したがって、ダイパッド126は、チップキャリア120内で交互に重なる複数の導電および絶縁層(図示せず)を使用して、LGAパッド122に電気的に接続されてもよい。図示されないが、MEMSデバイス100の外部への追加の導電性経路を設けるために、追加のキャリアパッドをチップキャリア120の他の面に沿って設けてもよい。
MEMSダイ110は、MEMSダイ110の第1の面114に沿って配置される複数の導電性パッド112を含んでもよい。その結果、MEMSダイ110は、MEMSダイ110の導電性パッド112を介してチップキャリア120に、および導電性ワイヤ116を介してチップキャリア120のダイパッド126に電気的に接続されてもよい。特に図示されないが、MEMSダイ110は、チップキャリア120、他のMEMSダイ110、または他のMEMSデバイス100への追加の導電性経路を設けるために、MEMSダイ110の他の面上に配置される追加のダイパッドも含んでもよい。
あるいは、MEMSダイ110は、導電性ワイヤ116を使用する必要がないように、フリップチップ設計を有するように形成されてもよい。したがって、MEMSダイ110の導電性パッド112は、チップキャリア120の第2の面128に面することになる半田バンプまたはボールで形成されてもよい。しかしながら、フリップチップ設計を使用することによって、MEMSダイ110およびチップキャリア120をしっかりと密封するためには、チップキャリア120の第2の面128がMEMSダイ110の対応する面とぴったり重なる必要があるであろう。
図1に示されるように、チップキャリア104は、チップキャリア120の第1の面124からその第2の面128へ伸びる音響ポート125を含んでもよい。音響ポート125は、四角形の経路を含むように示されるが、他の形状を使用してもよい。例えば、音響ポート125は、円形および/または楕円形の形状を有するように形成されてもよい。さらに、音響ポート125は、音響技術で知られる従来の形状を有してもよい。音響ポート125は、MEMSダイ110上にデブリ(debris)が送られるのを防止するのに役立つこともできる。
図1に示されるように、音響ポート125は、MEMSダイ110に対応する第1の開口部およびチップキャリア120の第1の面124に対応する第2の開口部を有している。したがって、第1および第2の開口部は互いに中心軸がずれている。しかしながら、特に図示されないが、音響ポート125の経路は、MEMSダイ110による所望の音響応答に応じて変更することもできる。さらに、MEMSダイ100による設計および所望の応答を得るために、複数の音響ポート125をチップキャリア120内に設けることもできる。
MEMSダイ110は、チップキャリア120の第2の面128上に音響ポート125と連通するように配置されてもよい。これによって、MEMSデバイス100の外部における空気圧の変化を、音響ポート125を介してMEMSダイ110に伝達することができる。例えば、MEMSデバイスがマイクロフォンなどのセンサであれば、MEMSダイ110は、音響ポート125を介してMEMSデバイス100の外部の空気圧の変化を感知して測定するであろう。さらに、MEMSデバイスがスピーカなどのアクチュエータであれば、MEMSダイ110は、音響ポート125を介してMEMSデバイス100の外部に対して空気圧の変化を発生させるであろう。さらに、MEMSダイ110は、加速度計などの運動または力計測装置を含んでもよく、あるいはMEMSダイ110上の先に挙げた装置のいずれかに加えて、運動または力計測装置を含んでもよい。
図2Aは、本発明に従う例示的な封入体キャリアダイを示す模式上面図である。図2Aでは、(図1の)封入体130のアレイは、封入体キャリアダイ200で形成されてもよい。例えば、封入体キャリアダイ200は、マトリクスアレイ構造で形成される複数の封入体230を製造するために、上で詳述した例示的な成形プロセスを使用して形成されてもよい。さらに、封入体キャリアダイ200は、外部キャリアフレーム220に沿って形成されるアライメントマーク(またはホール)210を含んでもよい。したがって、後に続く(図1の)MEMSデバイス100の製造中に、アライメントマーク(またはホール)210を使用することもできる。
封入体キャリアダイ200は、正方形または長方形の形状を有するように形成されてもよく、あるいは(図1の)マトリクスアレイ状の封入体130で円形形状を有するように形成されてもよい。例えば、正方形形状の封入体キャリアダイ200は、約60mmの辺Xおよび約1mmの厚さを有してもよい。封入体キャリアダイ200の寸法は、(図1の)MEMSデバイス100の実際の大きさおよびMEMSダイ110の大きさに応じて変更してもよいことは言うまでもない。しかしながら、図1に示されるように、封入体130の寸法は、封入体130がチップキャリア120を完全に密封することができるように、チップキャリア120の寸法に見合ったものであるほうがよい。
図2Aでは、その後、さらに製造工程を経て、封入体キャリアダイ200の個別封入体230はそれぞれ、鋸刃またはレーザを使用してダイシングされる。その結果、封入体キャリアダイ200の各封入体230は、個別封入体230をダイシングするために使用される、鋸刃の切り口またはレーザ光の幅にほぼ等しい間隔240だけ、互いに間隔が空けられる。さらに、外側キャリアフレーム220に隣接する最も外側の封入体230は、外側キャリアフレーム220から間隔240だけ間隔が空けられる。
図2Bは、本発明に従う図2Aの例示的な封入体キャリアダイを示す模式底面図である。図2Bでは、封入体キャリアダイ200の各封入体230は、側壁260で囲まれるキャビティ部250を含む。したがって、図2Cに示されるように、各封入体間の距離は、側壁260および間隔240の厚さの2倍を含む。
図3は、本発明に従う例示的なチップキャリアアレイを示す模式平面図である。図3では、チップキャリアアレイ300は、複数のチップキャリアダイ310を含んでもよく、各チップキャリアダイ310は、(図1で120として示される)チップキャリア320のマトリクス構造を有してもよい。3つだけのチップキャリアダイ310のグループが示されるが、チップキャリアアレイ300は、実際には、数十または数百のチップキャリアダイ310を有するテープ形態で構成されてもよい。このテープ形態によって、チップキャリアダイ310の製造が継続的に可能となり、MEMSデバイスの組み立て生産量が増える。
図3では、チップキャリアアレイ300は、各チップキャリアダイ310を位置合わせされた状態で保持するチップキャリアアレイフレームも含んでよい。例えば、チップキャリアアレイフレーム330は、隣接するチップキャリアダイ310間に配置される複数のスペーサ340を含んでもよい。さらに、チップキャリアアレイフレーム330は、各チップキャリアダイ310のチップキャリアダイタブ360をそれぞれ受け入れる複数のアライメント開口部350を含んでもよい。これによって、各チップキャリアダイ310はチップキャリアアレイフレーム330内に位置合わせされて配置される。
図3では、チップキャリアアレイフレーム330は、チップキャリアアレイフレーム330の周縁部に沿って配置される複数のアライメントマーク(またはホール)370をさらに含む。したがって、これらのアライメントマーク(またはホール)370によって、(図1の)MEMSデバイス100の製造中に、チップキャリアアレイ300の位置合わせを行うこともできる。
ここで、MEMSデバイスの例示的な製造方法について、図1、図2A〜図2C、および図3に関して詳細に説明する。
MEMSデバイス100の製造は、ウェハスケールアセンブリを含む複数の個別プロセスを含む。初めに、封入体キャリアダイ200は、成形プロセスを使用して製造することもできるが、チップキャリアダイ310は、複数の半導体プロセスを使用して製造することもできる。具体的には、チップキャリアダイ310は、まず複数の導電および絶縁層をシリコン基板に付着させることによって形成することもできる。次いで、シリコン基板はさらにエッチングされて音響ポート125を形成し、部分的に個別のチップキャリア320にダイシングすることもできる。
具体的には、単一の連続シリコン基板は、シリコン基板の表面上に連続的に付着される複数の導電および絶縁層を有することで、シリコン基板の表面に平行でシリコン基板の厚みを通る導電性経路を形成することもできる。次に、シリコン基板は部分的にエッチングされて、互いに電気的に分離されている個別シリコン領域を形成することもできる。この部分エッチングによって、その後個別シリコン領域のダイシング中に除去されることになる直交溝が形成され、これらの個別シリコン領域から最終的に複数のMEMSデバイス100が製造される。
次に、各個別シリコン領域は処理されて、各個別シリコン領域内に音響ポート125を形成することもできる。音響ポート125は、個別シリコン領域を形成する前に形成されてもよいことは言うまでもない。したがって、音響ポート125および個別シリコン領域が形成された後で、LGAパッド122およびキャリアパッド126が別の付着プロセスを使用して形成されてもよい。あるいは、LGAパッド122およびキャリアパッド126は、音響ポート125が形成される、またはシリコン基板が部分的にエッチングされる前、最中、あるいは後に形成されてもよい。
さらに、チップキャリアアレイ300の製造プロセスは、単一のシリコン基板を処理して複数のチップキャリアダイ310およびチップキャリアアレイフレーム330を形成するステップを含んでもよい。したがって、追加のプロセスステップは、単一のシリコン基板をエッチングしてチップキャリアアレイフレーム330を形成するステップを含んでもよい。さらに、単一のシリコン基板を部分的にエッチングするステップは、隣接するチップキャリアダイ310間に配置される複数のスペーサ340、および各チップキャリアダイ310のチップキャリアダイタブ360を受け入れるアライメント開口部350を形成するステップを含んでもよい。したがって、チップキャリアアレイ300は、チップキャリアアレイフレーム330内に位置合わせされる各チップキャリアダイ310を含んでもよい。さらに、チップキャリアアレイフレーム330は、封入体アライメントマーク(またはホール)を含んでもよい。
次に、(図1の)複数のMEMSダイ110が製造され、チップキャリアダイ310のチップキャリア320のうちの対応するものの上に取り付けられる必要がある。(図1の)MEMSダイ110を、各チップキャリア320の(図1の)音響ポート125に対して正確に位置合わせするために、自動装着装置を使用してこれを達成することもできる。次いで、(図1の)導電性ワイヤ116を使用すれば、各MEMSダイ110は、各チップキャリア320に電気的に相互接続することもできる。
次に、チップキャリアダイ310のうちの少なくとも1つのチップキャリア320はそれぞれ、各チップキャリア320の周縁部に沿って(図1の)接着ボンド140を形成する材料を受けてもよい。次いで、封入体キャリアダイ200は、キャビティ部250および側壁260が予め塗布された接着ボンドに面している状態でチップキャリアダイ310のうちの1つの上に配置され、チップキャリアダイ310と位置合わせされる。あるいは、封入体キャリアダイ200は、チップキャリアアレイ300の3つのチップキャリアダイ310に対応するために、3つの個別封入体キャリアダイ200を含んでもよい。したがって、封入体キャリアダイ200およびチップキャリアアレイ300の総数は、変更することもできる。
封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310の位置合わせは、封入体キャリアダイ200のアライメントマーク(またはホール)210、およびチップキャリアアレイフレーム330のアライメントマーク(またはホール)370を利用して達成されてもよい。画像比較または回折パターンアライメントなどの自動光学装置、または目視アライメントによって、位置合わせを達成することもできる。したがって、封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310が位置合わせされた時点で、封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310は、予め塗布された接着材料を使用して接合されてもよい。
封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310がうまく接合された時点で、組み立て後の封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310は、個別のMEMSデバイス100にダイシングするために移送されてもよい。あるいは、個別のMEMSデバイス100にダイシングされる前に、組み立て後の封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310に対して、テストおよび評価を含む追加のプロセスを実施してもよい。
ダイシングの中で、組み立て後の封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310は、シリコン基板の部分エッチング部に沿って切断され、さらにチップキャリアアレイフレーム330から分離されてもよい。
あるいは、上で詳述したように、チップキャリアアレイ300が、数十または数百のチップキャリアダイ310を有するテープ形態から成る場合には、複数のチップキャリアダイ310が製造され、複数のスペーサ340、および各チップキャリアダイ310のチップキャリアダイタブ360を受け入れるアライメント開口部350を利用して、連続するチップキャリアアレイ300内に配置されてもよい。この場合、封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310が組み立てられると、組み立て後の封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310はそれぞれ、隣接する組み立て後の封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310から分離されてもよい。次に、個別の組み立て後の封入体キャリアダイ200およびチップキャリアダイ310は、1つずつダイシングされてもよい。
本発明に従えば、MEMSデバイスの個別部品は、周知の簡単な製造手順を使用して処理され、次に簡単な接合技術を使用して組み立てられるため、MEMSデバイスの生産効率を大幅に改善することができる。さらに、MEMSデバイスの個別部品は、別々に製造されるため、いかなる個別部品のいかなる欠陥もMEMSデバイスの製造に悪影響を及ぼさない。したがって、生産コストが低減される。
本発明の多変数発生器および多変数発生器を使用する方法について、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなしに、様々な改変および変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。したがって、添付クレームの範囲内に該当する記載される本発明の改変および変更およびその等価物は、本発明に含まれることが意図される。

Claims (11)

  1. MEMSデバイスの製造方法であって、
    複数の個別封入体を有する封入体キャリアダイをマトリクス構造に設けるステップと、
    複数の個別チップキャリアを有するチップキャリアダイを前記マトリクス構造に設けるステップであって、前記個別チップキャリアそれぞれが、前記個別チップキャリアの厚みを完全に貫通して形成される音響ポートを含むものであるステップと、
    前記複数の個別チップキャリア上に複数のMEMSデバイスを取り付けるステップと、
    前記封入体キャリアダイを前記チップキャリアダイ上に接合して、前記取り付けられたMEMSデバイスそれぞれを前記複数の個別封入体のうちの1つで封止する、接合するステップと、
    接合された前記封入体キャリアダイおよび前記チップキャリアダイを分離して、複数の個別MEMSデバイスを製造する、分離するステップと、
    を含む方法。
  2. 封入体キャリアダイを製造する前記ステップは、第1の距離だけ互いに離間されている前記複数の個別封入体をそれぞれ成形することを含む、請求項2に記載の方法。
  3. チップキャリアダイを製造する前記ステップは、前記複数の個別チップキャリアを形成するためにシリコン基板上で実施される複数のエッチングプロセスを含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記複数のエッチングプロセスは、接合された前記封入体キャリアダイおよび前記チップキャリアダイを切断する前記ステップが実施される領域で、前記シリコン基板の厚さを部分的に貫通して前記シリコン基板をエッチングするステップを含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記複数のエッチングプロセスは、前記音響ポートを形成するために、前記シリコン基板をエッチングするステップを含む、請求項3に記載の方法。
  6. 前記チップキャリアダイ上に前記封入体キャリアダイを接合する前記ステップは、前記封入体キャリアダイを前記チップキャリアダイに位置合わせするステップを含む、請求項1に記載の方法。
  7. 接合された前記封入体キャリアダイおよび前記チップキャリアダイを分離する前記ステップは、刃およびレーザ光のうちの1つを使用するステップを含む、請求項1に記載の方法。
  8. 隣接する個別チップキャリア間の第1の距離および隣接する個別封入体間の第2の距離は、ほぼ等しい、請求項7に記載の方法。
  9. 前記刃の幅および前記レーザ光の幅は、前記第1および第2の距離にほぼ等しい、請求項8に記載の方法。
  10. 前記個別チップキャリアそれぞれの上に複数の導電性パッドを形成するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  11. 前記チップキャリア上に取り付けられる前記MEMSデバイスを、それぞれ前記チップキャリア上の前記導電性パッドに電気的に接続するステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
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