JP2013215815A - 電気部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の低下を抑制できる機能素子を備えた電気部品を提供すること。
【解決手段】電機部品は、基板と、前記基板とともに前記機能素子を収納する空洞を形成し、複数の貫通孔を有する絶縁性の第１の膜と、前記複数の貫通孔の上面を塞いで前記第１の膜上に形成された絶縁性の第２の膜とを備える。前記複数の貫通孔のうち最外周に位置する貫通孔に関して、前記第１の膜の上から見た場合、前記第１の膜のうち、下が空洞になっている領域の中心から最も近い位置における、前記貫通孔を規定する前記第１の膜の側面と前記第１の膜の底面とのなす角度は、７５°よりも大きく９０°よりも小さい。
【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、機能素子を備えた電気部品およびその製造方法に関する。

機能素子の一つとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子が知られている。ＭＥＭＳ素子は可動部を備えている。ＭＥＭＳ素子を備えた電気部品は、可動部の動作空間としてのキャビティ（空洞）を必要とする。このキャビティは、外気の浸入を遮断して機能素子を保護するために封止されている。

このような封止されたキャビティ（封止キャビティ）は、例えば、複数の貫通孔を有するドーム状薄膜（中空構造を有する薄膜）と、前記複数の貫通孔の上面を塞ぐ前記ドーム状薄膜上に形成された封止膜とを備える。

上記封止キャビティは、例えば、以下のように形成される。すなわち、ＭＥＭＳ素子を封止する犠牲膜を形成する工程と、この犠牲層上にドーム状薄膜となるキャップ膜を形成する工程と、このキャップ膜に複数の貫通孔を形成する工程と、これらの貫通孔からエッチングガスを供給して犠牲膜を除去することにより、ドーム状薄膜を形成する工程と、前記複数の貫通孔の上面を塞ぐ封止膜をドーム状薄膜上に形成する工程とを含む。

しかしながら、このような封止キャビティを用いた電気部品は、ＭＥＭＳ素子の特性が劣化し、信頼性が低下することがある。

特許第４５８１０１１号公報

本発明の目的は、信頼性の低下を抑制できる機能素子を備えた電気部品およびその製造方法を提供することにある。

実施形態の電気部品は、基板と、前記基板上に設けられた機能素子と、前記基板とともに前記機能素子を収納する空洞を形成し、複数の貫通孔を有する絶縁性の第１の膜と、前記複数の貫通孔の上面を塞いで前記第１の膜上に形成された絶縁性の第２の膜とを具備する。ここで、前記複数の貫通孔のうち最外周に位置する貫通孔に関して、前記第１の膜の上から見た場合、前記第１の膜のうち、下が空洞になっている領域の中心から最も近い位置における、前記貫通孔を規定する前記第１の膜の側面と前記第１の膜の底面とのなす角度は、７５°よりも大きく９０°よりも小さい。

他の実施形態の電気部品は、基板と、前記基板上に設けられた機能素子と、前記基板とともに前記機能素子を収納する空洞を形成し、複数の貫通孔を有する絶縁性の第１の膜とを具備する。さらに、前記第１の膜の内側の周縁部に沿って形成され、前記機能素子に接しないように、前記空洞内に設けられた、前記第１の膜を補強するための補強部材を具備する。さらにまた、前記複数の貫通孔の上面を塞いで前記第１の膜上に形成された絶縁性の第２の膜を具備する。

実施形態の電気部品の製造方法は、基板上に機能素子を形成する工程と、前記基板上に前記機能素子を覆う犠牲膜を形成する工程と、前記犠牲膜上に絶縁性の第１の膜を形成する工程と、前記第１の膜に複数の貫通孔を形成する工程とを具備する。

さらに、前記複数の貫通孔を介して前記犠牲膜をエッチングすることにより、前記基板と前記複数の貫通孔を有する前記第１の膜とにより前記機能素子を収納する空洞を形成するとともに、前記第１の膜の内側の周縁部に沿って、前記機能素子に接しないように、前記犠牲膜の一部を前記空洞内に残置させる工程を具備する。さらにまた、前記複数の貫通孔の上面を塞ぐ絶縁性の第２の膜を前記第１の膜上に形成する工程を具備する。

第１の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。 図１に続く第１の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。 図２に続く第１の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。 図３に続く第１の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。 図４に続く第１の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。 図５に続く第１の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。 第１のキャップ膜に形成する複数の貫通孔のパターンの一例を示す平面図である。 実施形態の最外周の貫通孔における角度を説明するための図である。 第２の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。 図９に続く第２の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。 ドーム端部に残った第２の犠牲膜の平面パターンの例を示す図である。 ドーム端部に残った第２の犠牲膜の平面パターンの他の例を示す図である。 ドーム端部に残った第２の犠牲膜の平面パターンのさらに別の例を示す図である。 第３の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。 図１４に続く第３の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１−図６は、第１の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。

［図１］
半導体基板１０上に絶縁膜１１を形成し、この絶縁膜上に配線１２を形成する。シリコン基板１０は、例えば、シリコン基板である。絶縁膜１１は、例えば、シリコン酸化膜である。半導体基板１０および絶縁膜１１の代わりに、シリコン酸化物等の絶縁層を含む絶縁層基板（ＳＯＩ基板）を用いても構わない。配線１２は、例えば、アルミニウム等の金属を材料とする金属配線である。配線１２の厚さは、例えば、数百ｎｍ〜数ｕｍである。

配線１２上にパッシベーション膜１３を形成する。パッシベーション膜１３は、例えば、ＣＶＤプロセスにより形成する。パッシベーション膜１３は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜である。パッシベーション膜１３の厚さは、例えば、数百ｎｍ〜数μｍである。

基板１０および配線１２の上に貫通孔を有する（所望形状を有する）第１の犠牲膜１４を形成する。第１の犠牲膜１４は、例えば、ポリイミド等の有機物を材料とする絶縁膜である。

所望形状を有する第１の犠牲膜１４を形成するためには、例えば、以下の三つの方法がある。

第１の方法は、塗布法により第１の犠牲膜１４となる絶縁膜（塗布膜）を数百ｎｍ〜数μｍの厚さでもって全面に形成した後、露光および現像により上記塗布膜の不要な部分を除去することにより、所望形状を有する第１の犠牲膜１４を形成する。

第２の方法は、上記塗布膜を形成した後、リソグラフィプロセスにより上記塗布膜上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして上記塗布膜をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）プロセスによりエッチングすることにより、所望形状を有する第１の犠牲膜１４を形成する。

第３の方法は、上記塗布膜を形成した後、上記塗布膜上にハードマスクを形成し、これをマスクにして塗布膜をＲＩＥプロセスまたはウエットプロセスによりエッチングすることにより、所望形状を有する第１の犠牲膜１４を形成する。ハードマスクを形成する工程は、上記塗布膜上にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜等の絶縁膜を形成する工程と、この絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、このレジストパターンをマスクにして上記絶縁膜をＲＩＥプロセスによりエッチングする工程とを含む。

第１の方法を用いた場合、新たに形成したレジストパターンをマスクにしてパッシベーション膜１３をエッチングして、パッシベーション膜１３に貫通孔を形成する。一方、第２の方法を用いた場合、第１の犠牲膜１４上に形成したレジストパターンをマスクに用いたエッチングによりパッシベーション膜１３に貫通孔を形成する。第３の方法を用いた場合も同様である。

アルミニウム等の金属膜を全面に対し、この金属膜を加工することにより、配線１５を形成する。配線１５の厚さは、例えば、数百ｎｍ〜数μｍである。これでＭＥＭＳ素子の可動部（配線１２，１５）が完成する。実施形態のＭＥＭＳ素子は、例えば、静電駆動型のＭＥＭＳ可変容量キャパシタであり、配線１２および配線１５により構成される。配線１２，１５間に電圧を印加して静電引力によって配線１２，１５間の距離を変えることで容量を可変できる。

［図２］
続いて、ＷＬＰ（Wafer Level Package）の工程に入る。ＭＥＭＳ素子の可動部を覆う所定の形状を有する第２の犠牲膜１６を形成する。第２の犠牲膜１６は、例えば、半球状の形状を有する。半球状の形状の第２の犠牲膜１６は、例えば、塗布法により、ポリイミド等の有機物を材料とする厚さ数百ｎｍ〜数μｍの塗布膜を形成した後、この第１の塗布膜の全面をＲＩＥプロセスにより加工すること（いわゆる側壁残し）による得られる。

［図３］
第２の犠牲膜１６およびパッシベーション膜１３を含む領域上に絶縁性の第１のキャップ膜１７を形成する。第１のキャップ膜１７は数百ｎｍ〜数μｍの無機薄膜（例えば、シリコン酸化膜）である。第１のキャップ膜１７は、例えば、ＣＶＤプロセスにより形成する。

［図４］
図示しないレジストパターンをマスクにして、ＲＩＥプロセスまたはウエットプロセスにより第１のキャップ膜１７をエッチングすることにより、第１のキャップ膜１７に複数の貫通孔１８を形成する。上記図示しないレジストパターンは、通常のフォトリソグラフィプロセスにより形成する。

図７は、複数の貫通孔１８のパターンの一例を示す平面図である。図８は、複数の円状の貫通孔１８がマトリクス状に配置されている例を示している。図８の場合、最外周に位置する貫通孔１８の数は１２個である。図７の場合、第１のキャップ膜１７の平面パターン（輪郭）は矩形であり、円形ではないが、本願の明細書および特許請求の範囲では、ドーム状とは円形以外の形状の平面パターンを含む。

図８は、複数の貫通孔のうち最外周に位置する貫通孔１８の側面と底面とのなす角度を説明するための図である。この角度は、より正確には、上記最外周に位置する貫通孔１８に関して、図７に示すように、第１のキャップ膜１７の上から見た場合、第１のキャップ膜１７のうち、下が空洞になっている領域（実施形態ではドーム状の領域）の中心Ｃから最も近い位置Ｐにおける、上記最外周に位置する貫通孔１８を規定する第１のキャップ膜１７の側面と第１のキャップ膜１７の底面とのなす角度（以下、貫通角という）θである。最外周の貫通孔１８の形状は、一般には、図８に示すように、菱形である。

貫通角θの値は７５°よりも大きく９０°よりも小さい。７５°＜θ＜９０°とする理由は後で説明する。

全ての最外周の貫通孔１８が７５°＜θ＜９０°を満たさなくても、従来の機能部品よりも有利な効果を奏し得る。したがって、全ての最外周の貫通孔１８が７５°＜θ＜９０°を満たす必要な必ずしもない。

図８の場合、第１のキャップ膜１７は、平坦な上面部（天頂部）と、この上面部の周縁部と基板（不図示）との間の側面部とを含んでおり、完全なドーム状（半球形）ではないが、本願の明細書および特許請求の範囲では、ドーム状とは平坦な上面部を含んでも構わない。

すなわち、本願の明細書および特許請求の範囲においては、基板から離れる方向に膨らむ形状を含み、基板とともにＭＥＭＳ（機能素子）を収納する空洞を形成する第１のキャップ膜１７（第１の膜）は、ドーム状の第１のキャップ膜１７（第１の膜）であるとする。

なお、図３−図６等に示された第１のキャップ膜１７の側面は直線で描かれているが、実際には、図８に示すように、第１のキャップ膜１７の側面は一般には曲線となる。

［図５］
酸素ガスを用いたアッシングにより、上記の図示しないレジストパターンを除去する。このとき、上記酸素ガスは、貫通孔１８を介して、第２の犠牲膜１６に供給される。第２の犠牲膜１６は上記酸化ガスにより除去される。第２の犠牲膜１６が除去されて第１の犠牲膜１４が露出すると、第１の犠牲膜１４も上記酸化ガスにより除去される。その結果、ドーム形状を有する第１のキャップ膜１７が形成され、ＭＥＭＳ素子の可動部が動作するための空間としてのキャビティ（空洞）が得られる。

［図６］
第１のキャップ膜１７上に所望形状を有する絶縁性の第２のキャップ膜（封止膜）１９を形成し、複数の貫通孔１８の上面を第２のキャップ膜１９で塞ぐ。第２のキャップ膜１９の粘性は、例えば、１５００−３０００ｃｐである。図６には、貫通孔１８の内部の全体が第２のキャップ膜１９で塞がれている様子が示されているが、素なくとも貫通孔１８の上面が塞がれていれば十分である。

第２のキャップ膜１９として第１のキャップ膜１７よりもガス透過率が高い膜を用いると、キャビティ内の有害ガス（気化した水分）は、第２のキャップ膜１９を介して排出され、キャビティ内を良好な雰囲気に保つことが可能となる。

第２のキャップ膜１９は、例えば、ポリイミド等の有機物を材料とする。第２のキャップ膜１９は、例えば、塗布法により、ポリイミド等の有機物を材料とする厚さ数百ｎｍ〜数μｍの塗布膜を形成した後、第１の犠牲膜１４の場合と同様の方法（第１ないし第３の方法）により、上記塗布膜を所定の形状に加工することで得られる。第２のキャップ膜１９は、ＳＯＧ等の無機物、または、有機物と無機物の混合物を材料としても構わない。

ここで、複数の貫通孔のうち最外周に位置する貫通孔１８の（第１のキャップ膜１７の中心Ｃから最も近い位置Ｐにおける）貫通角θは、上述したように、７５°＜θ＜９０°に設定されている。本発明者の鋭意研究によれば、このような範囲内に貫通角θを設定すると、ドーム形状を有する第１のキャップ膜１７の内部に第２のキャップ膜１９の構成材料が侵入することを抑制でき、複数の貫通孔１８の上面を第２のキャップ膜１９で塞げることが明らかになった。また、第１のキャップ膜１７の上面が基板の上面に対して傾斜している構造のドーム形状に対して、レジストパターンなどのマスクを用いて第１のキャップ膜１７を加工することによって、貫通角θが９０°未満になるような貫通孔を容易に形成することができる。

また、最外周に位置する貫通孔１８は、例えば、ドーム形状を有する第１のキャップ膜１７の端部から１０μｍ以上離れた位置に形成する。貫通孔１８の開口率は、例えば、５．５％以上でも構わない。

本実施形態によれば、ドーム形状を有する第１のキャップ膜１７の内部に第２のキャップ膜１９の構成材料が侵入することを抑制できるので、ＭＥＭＳ素子の特性の劣化を抑制でき、電気部品の信頼性の低下を抑制できるようになる。

この後は、周知の工程が行われる。例えば、防湿膜（第３のキャップ膜）としての役割を果たす厚さ数百ｎｍ〜数μｍの絶縁膜（例えばシリコン窒化膜）をＣＶＤプロセスで形成し、次いで、常のリソグラフィープロセスによりレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにしてＲＩＥプロセスまたはウェットプロセスにより上記絶縁膜をエッチングし、ＷＬＰの薄膜ドーム（第１−第３のキャップ膜）が完成する。

かくして本実施形態によれば、複数の貫通孔１８のうち最外周に位置する貫通１８の貫通角θが７５°よりも大きく９０°よりも小さいことにより、第１のキャップ膜１７の内部に第２のキャップ膜１９の構成材料が侵入することを容易に抑制できるので、電気部品の信頼性の低下を抑制できるようになる。

（第２の実施形態）
図９および図１０は、第２の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。なお、以下の図において、既出の図と対応する部分には既出の図と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。

［図９］
第１の実施形態の図１−図４の工程を行った後、第１のキャップ膜１７の端部に第２の犠牲膜１６が残るように、例えば、酸素ガスを用いたアッシングにより、第１および第２の犠牲膜１４，１６を除去して、ドーム状の第１のキャップ膜１７を形成する。

第１のキャップ膜１７の端部に第２の犠牲膜１６を残すには、例えば、アッシングの時間を調整することにより可能となる。

ドーム状の第１のキャップ膜１７の端部（ドーム端部）には第２の犠牲膜１６が残る。ドーム端部は第２の犠牲膜１６によって補強される。そのため、ドーム状の第１のキャップ膜１７の形成後に、ドーム端部に応力が集中することによるドーム端部でのクラックや割れ等の不良発生を抑制できる。これにより、ドーム端部での不良によるＭＥＭＳ素子の特性の低下を抑制できる。

図１１−図１３に、ドーム端部に残った第２の犠牲膜１６の平面パターンの例を示す。図９（図１０）の断面図は、図１１−図１３のＡ−Ａ’断面図に相当する。

図１１は、ドーム内部の周縁部に沿って途切れずに残るとともに、途切れずに残っている部分の平面パターンが帯状である第２の犠牲膜１６を示している。

図１２は、ドーム内部の周縁部に沿って一部が途切れて残るとともに、途切れずに残っている部分の平面パターンが三角形状である第２の犠牲膜１６を示している。

第２の犠牲膜１６の寸法Ｈ（三角形の高さに相当する部分の寸法）は、図１１の第２の犠牲膜１６の寸法Ｗ（帯の幅に相当する部分の寸法）よりも大きくできる。そのため、大きな応力が集中する箇所に選択的に大きな第２の犠牲膜１６を形成でき、ドーム周縁部での不良の発生を効果的に抑制できるようになる。

図１３は、ドーム内部の周縁部に沿って途切れずに残るとともに、途切れずに残っている部分の平面パターンが一本の帯に複数の三角が重畳してなる帯状と三角形状との混合形状である第２の犠牲膜１６を示している。言い換えれば、図１１と図１２とを組み合わせである。この場合も、大きな応力が集中する箇所に選択的に大きな第２の犠牲膜１６を形成でき、より効果的にドーム周縁部での不良の発生を抑制できるようになる。

［図１０］
第１の実施形態と同様に、第１のキャップ膜１７上に所望形状を有する第２のキャップ膜１９を形成する。この後は、第１の実施形態と同様に、周知の工程が行われる。

本実施形態によれば、第２のキャップ膜１９の構成材料の侵入を抑制できることに加えて、第１のキャップ膜１７のドーム周縁部での機械的強度を高めることができるので、より効果的に電気部品の信頼性の低下を抑制できるようになる。

（第３の実施形態）
図１４および図１５は、第３の実施形態に係る電気部品の製造方法を説明するための断面図である。

［図１４］
第１の実施形態の図１−図３の工程を行った後、第１のキャップ膜１７に複数の貫通孔１８を形成する。このとき、最外周の貫通孔の貫通角を７５°以下にして第１のキャップ膜１７の側面にも貫通孔１８を形成する点が第１の実施形態とは異なる。図１４には、破線内の貫通孔（最外周の貫通孔）の拡大図（より正確な形状）も同時に示してある。図１４の場合、最外周の貫通孔の形状は菱形である。

［図１５］
第１の実施形態の図４−図６−と同様の工程を行う。この後は、第１の実施形態と同様に、周知の工程が行われる。

本実施形態によれば、残存する第２の犠牲膜１６により、第１のキャップ膜１７のドーム周縁部の機械的強度を高めることができるので、電気部品の信頼性の低下を抑制できる。

また、残存する第２の犠牲膜１６は、第１のキャップ膜１７の側面（最外周）の貫通孔１８内を塞ぐ第２のキャップ膜１９の構成材料が侵入することを抑制し、これも電気部品の信頼性の低下の抑制に寄与する。

上記実施形態では、機能素子がＭＥＭＳ素子の場合について説明したが、基板上に空間を必要とする他の機能素子、例えば、表面弾性波素子、圧電薄膜共振器等の素子でも構わない。

また、上記実施形態では、第１のキャップ膜の形状はドーム状であったが、基板とともに機能素子を収納する空洞を形成することができるのであれば、第１のキャップ膜の形状は特に限定はない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…半導体基板、１１…絶縁膜、１２…配線、１３…パッシベーション膜、１４…第１の犠牲膜、１５…配線、１６…第２の犠牲膜、１７…第１のキャップ膜（第１の膜）、１８…貫通孔、１９…第２のキャップ膜（第２の膜）。

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた機能素子と、
   前記基板とともに前記機能素子を収納する空洞を形成し、複数の貫通孔を有する絶縁性の第１の膜と、
   前記複数の貫通孔の上面を塞いで前記第１の膜上に形成され、前記第１の膜よりもガス透過率が高い絶縁性の第２の膜と、
   前記第１の膜の内側の周縁部に沿って形成され、かつ、前記機能素子に接しないように、前記空洞内に設けられた、前記第１の膜を補強するための補強部材とを具備してなり、
   前記複数の貫通孔のうち最外周に位置する貫通孔に関して、前記第１の膜の上から見た場合、前記第１の膜のうち、下が空洞になっている領域の中心から最も近い位置における、前記貫通孔を規定する前記第１の膜の側面と前記第１の膜の底面とのなす角度は、７５°よりも大きく９０°よりも小さいことを特徴とする電気部品。
2. 基板と、
   前記基板上に設けられた機能素子と、
   前記基板とともに前記機能素子を収納する空洞を形成し、複数の貫通孔を有する絶縁性の第１の膜と、
   前記複数の貫通孔の上面を塞いで前記第１の膜上に形成された絶縁性の第２の膜とを具備してなり、
   前記複数の貫通孔のうち最外周に位置する貫通孔に関して、前記第１の膜の上から見た場合、前記第１の膜のうち、下が空洞になっている領域の中心から最も近い位置における、前記貫通孔を規定する前記第１の膜の側面と前記第１の膜の底面とのなす角度は、７５°よりも大きく９０°よりも小さいことを特徴とする電気部品。
3. 前記第１の膜の内側の周縁部に沿って形成され、かつ、前記機能素子に接しないように、前記空洞内に設けられた、前記第１の膜を補強するための補強部材をさらに具備してなることを特徴とする請求項２に記載の電気部品。
4. 前記第２の膜は塗布膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気部品。
5. 基板と、
   前記基板上に設けられた機能素子と、
   前記基板とともに前記機能素子を収納する空洞を形成し、複数の貫通孔を有する絶縁性の第１の膜と、
   前記第１の膜の内側の周縁部に沿って形成され、かつ、前記機能素子に接しないように、前記空洞内に設けられた、前記第１の膜を補強するための補強部材と、
   前記複数の貫通孔の上面を塞いで前記第１の膜上に形成された絶縁性の第２の膜と
   を具備してなることを特徴とする電気部品。
6. 前記第２の膜は前記第１の膜よりもガス透過率が高いことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の電気部品。
7. 基板上に機能素子を形成する工程と、
   前記基板上に前記機能素子を覆う犠牲膜を形成する工程と、
   前記犠牲膜上に絶縁性の第１の膜を形成する工程と、
   前記第１の膜に複数の貫通孔を形成する工程と、
   前記複数の貫通孔を介して前記犠牲膜をエッチングすることにより、前記基板と前記複数の貫通孔を有する前記第１の膜とにより前記機能素子を収納する空洞を形成するとともに、前記第１の膜の内側の周縁部に沿って、前記機能素子に接しないように、前記犠牲膜の一部を前記空洞内に残置させる工程と、
   前記複数の貫通孔の上面を塞ぐ絶縁性の第２の膜を前記第１の膜上に形成する工程と
   を具備してなることを特徴とする電気部品の製造方法。

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