JP2023012248A - Ｍｅｍｓモジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023012248000001
【課題】外気圧の変化を精度よく導出することが可能なＭＥＭＳモジュールを提供する。また、当該ＭＥＭＳモジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】内部に中空部３６０が形成されている基板３０を備えるＭＥＭＳ素子３であって、中空部３６０周囲の、基板３０の一部分である可動部３４０を有し、可動部３４０は、中空部３６０内の気圧と基板３０の外部の気圧との気圧差によって形状が変形可能な厚さを有するＭＥＭＳ素子３と、基板３０に形成され、ＭＥＭＳ素子３の出力信号が入力される電子部品２と、を備え、可動部３４０の厚さ方向に対して垂直な方向において、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３は互いに離間している、ＭＥＭＳモジュールＡ１。
【選択図】図２

Description

本実施形態は、ＭＥＭＳモジュール及びその製造方法に関する。
半導体集積回路の製造に用いられる微細加工技術を利用して、機械要素部品と電子回路とを集積化したデバイスであるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）素子が知られている。
ＭＥＭＳ素子は、中空部と当該中空部を塞ぐ可動部とを有する。特許文献１に開示された構成においては、凹部が形成されたＳｉ基板の裏側にガラス基板を接合することより、中空部が形成されている。この接合は、中空部が密閉される場合、微細な隙間が生じないようにすることが求められる。また、可動部を比較的薄肉の部位として仕上げる場合、凹部を形成するためにＳｉ基板を深く掘り込む必要がある。
また、ＭＥＭＳ素子は、圧力センサに組み込まれて使用されることもある。圧力センサは、外気圧の変化がＭＥＭＳ素子の可動部の端に生じる応力を変化させ、可動部の変形に応じてゲージ抵抗が変化し、そのゲージ抵抗の変化が出力電圧の変化として出力される。
国際公開第２０１１／０１０５７１号
しかしながら、圧力センサは、外気圧の変化だけでなく、ＭＥＭＳ素子の可動部（メンブレンともいう）に伝わる外部からの応力によってもゲージ抵抗の変化が生じてしまう。外気圧の変化以外の要因によって上記の出力電圧が変化するため、外気圧の変化を精度よく検知することが困難になるおそれがある。本実施形態の一態様は、外気圧の変化を精度よく導出することが可能なＭＥＭＳモジュールを提供する。また、本実施形態の他の一態様は、当該ＭＥＭＳ素子の製造方法を提供する。
本実施形態は、ＭＥＭＳモジュールに含まれる、ＭＥＭＳ素子とＭＥＭＳ素子の出力信号が入力される電子部品とを同一基板に設けることによりＭＥＭＳ素子にかかる外気圧の変化以外の要因による応力を抑制できる。本実施形態の一態様は以下のとおりである。
本実施形態の一態様は、内部に中空部が形成されている基板を備えるＭＥＭＳ素子であって、前記中空部周囲の、前記基板の一部分である可動部を有し、前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記基板の外部の気圧との気圧差によって形状が変形可能な厚さを有するＭＥＭＳ素子と、前記基板に形成され、前記ＭＥＭＳ素子の出力信号が入力される電子部品と、を備え、前記可動部の厚さ方向に対して垂直な方向において、前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子は互いに離間している、ＭＥＭＳモジュールである。
また、本実施形態の他の一態様は、基板に含まれる半導体層に複数の溝部を形成し、前記溝部の底面から前記溝部の深さ方向に垂直な方向に前記半導体層をエッチングして、前記複数の溝部をつなぎ、前記半導体層に対して熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記半導体層の一部が前記溝部を塞いで形成した中空部を有するＭＥＭＳ素子を形成し、前記基板に前記ＭＥＭＳ素子の出力信号が入力される電子部品を形成し、前記溝部の深さ方向に対して垂直な方向において、前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子は互いに離間している、ＭＥＭＳモジュールの製造方法である。
また、本実施形態の他の一態様は、半導体層を備える第１の基板、及び酸化膜上に半導体層が積層されている第２の基板を準備し、前記第１の基板に開口部を形成し、前記開口部を形成した前記第１の基板上に、前記第２の基板を接合して、前記第１の基板の前記開口部に形成した中空部を有するＭＥＭＳ素子を形成し、前記第１の基板に前記ＭＥＭＳ素子の出力信号が入力される電子部品を形成し、前記溝部の深さ方向に対して垂直な方向において、前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子は互いに離間している、ＭＥＭＳモジュールの製造方法である。
本実施形態によれば、外気圧の変化を精度よく導出することが可能なＭＥＭＳモジュールを提供することができる。また、当該ＭＥＭＳモジュールの製造方法を提供することができる。
図１は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す斜視図である。 図２は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す要部斜視図である。 図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図４は、第１の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例を示す平面図である。 図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿う断面図である。 図６は、第１の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その１）。 図７は、第１の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その２）。 図８は、第１の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その３）。 図９は、第１の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その４）。 図１０は、第１の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その５）。 図１１は、第１の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その６）。 図１２は、第２の実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す断面図である。 図１３は、第２の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その１）。 図１４は、第２の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その２）。 図１５は、第２の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その３）。 図１６は、第２の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その４）。 図１７は、第２の実施形態におけるＭＥＭＳ素子及び電子部品の一例の製造方法を示す断面図である（その５）。 図１８は、第３の実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す平面図である。 図１９は、図１８のＶ－Ｖ線に沿う断面図である。 図２０は、第４の実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す断面図である。
次に、図面を参照して、本実施形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、以下に示す実施形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものではない。本実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
具体的な本実施形態の一態様は、以下の通りである。
＜１＞ 内部に中空部が形成されている基板を備えるＭＥＭＳ素子であって、前記中空部周囲の、前記基板の一部分である可動部を有し、前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記基板の外部の気圧との気圧差によって形状が変形可能な厚さを有するＭＥＭＳ素子と、前記基板に形成され、前記ＭＥＭＳ素子の出力信号が入力される電子部品と、を備え、前記可動部の厚さ方向に対して垂直な方向において、前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子は互いに離間している、ＭＥＭＳモジュール。
＜２＞ 前記基板において、前記ＭＥＭＳ素子と前記電子部品との間に、前記基板の主面から前記基板の厚さ方向に延在している溝部を有する、＜１＞に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜３＞ 前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子が互いに離間している方向及び前記可動部の厚さ方向に対して垂直な方向において、前記溝部の端部より前記基板の外縁部側に位置している領域を有する第１の配線をさらに備え、前記ＭＥＭＳ素子と前記電子部品とは、前記第１の配線と電気的に接続している、＜２＞に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜４＞ さらに、前記基板上に開口部を有する保護膜を備え、前記保護膜は、少なくとも前記電子部品の一部を覆っており、前記開口部は、前記可動部の厚さ方向から見て前記可動部の上方にある、＜１＞～＜３＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜５＞ プリント回路基板と、前記プリント回路基板と前記ＭＥＭＳ素子との間に配置された応力緩和材と、をさらに備え、前記応力緩和材の厚さは、３５～８０μｍである、＜１＞～＜４＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜６＞ 前記プリント回路基板と前記電子部品とを電気的に接続している第２の配線をさらに備え、前記電子部品の、前記ＭＥＭＳ素子が位置する側と反対側において、前記第２の配線は、前記電子部品と電気的に接続している、＜５＞に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜７＞ 前記基板はシリコンからなる、＜１＞～＜６＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜８＞ 基板に含まれる半導体層に複数の溝部を形成し、前記溝部の底面から前記溝部の深さ方向に垂直な方向に前記半導体層をエッチングして、前記複数の溝部をつなぎ、前記半導体層に対して熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記半導体層の一部が前記溝部を塞いで形成した中空部を有するＭＥＭＳ素子を形成し、前記基板に前記ＭＥＭＳ素子の出力信号が入力される電子部品を形成し、前記溝部の深さ方向に対して垂直な方向において、前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子は互いに離間している、ＭＥＭＳモジュールの製造方法。
＜９＞ 前記中空部は、深掘りエッチング及び等方性エッチングにより形成される、＜８＞に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
＜１０＞ 前記熱処理は、１１００～１２００℃で行い、前記半導体層に熱マイグレーション現象を生じさせて前記溝部を塞いで前記中空部を形成する、＜８＞又は＜９＞に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
＜１１＞ 半導体層を備える第１の基板、及び酸化膜上に半導体層が積層されている第２の基板を準備し、前記第１の基板に開口部を形成し、前記開口部を形成した前記第１の基板上に、前記第２の基板を接合して、前記第１の基板の前記開口部に形成した中空部を有するＭＥＭＳ素子を形成し、前記第１の基板に前記ＭＥＭＳ素子の出力信号が入力される電子部品を形成し、前記溝部の深さ方向に対して垂直な方向において、前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子は互いに離間している、ＭＥＭＳモジュールの製造方法。
＜１２＞ 前記酸化膜は、酸化シリコン層である、＜１１＞に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
＜１３＞ 前記半導体層は、シリコン層である、＜８＞～＜１２＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
（第１の実施形態）
本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ１について説明する。
図１は、ＭＥＭＳモジュールＡ１を示す斜視図である。図２は、図１に示すＭＥＭＳモジュールＡ１の一部の構成（後述のカバー６及び接合材７等）の図示を省略した要部斜視図である。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。ＭＥＭＳモジュールＡ１は、基板１、電子部品２、ＭＥＭＳ素子３、複数の配線４、カバー６、及び接合材７を備えている。電子部品２及びＭＥＭＳ素子３は１つのチップ（本実施形態では、基板３０）に形成されている。本実施形態のＭＥＭＳモジュールＡ１は、気圧を検出するものであり、例えば、携帯端末などの各種電子機器の回路基板に表面実装される。例えば、携帯端末においては、ＭＥＭＳモジュールＡ１は大気圧を検出する。検出された大気圧は、高度を演算するための情報として用いられる。
また、本実施形態において、ＭＥＭＳモジュールＡ１の厚さ方向（平面視方向）をｚ方向（ｚ１－ｚ２方向）とし、ｚ方向に直交するＭＥＭＳモジュールＡ１の一方の辺に沿う方向をｘ方向（ｘ１－ｘ２方向）、ｚ方向及びｘ方向に直交する方向をｙ方向（ｙ１－ｙ２方向）とする。本実施形態において、ＭＥＭＳモジュールＡ１は、例えば、ｘ方向寸法が、２ｍｍ程度、ｙ方向寸法が、２ｍｍ程度、ｚ方向寸法が０．８ｍｍ～１ｍｍ程度である。
基板１は、図２等に示すように、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３を搭載し、ＭＥＭＳモジュールＡ１を各種電子機器の回路基板に実装するための部材である。基板１は、図３に示すように、基材１Ａ、配線部１Ｂ、及び絶縁層１Ｃを有する。なお、基板１の具体的な構成は、特に限定されず、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３等を適切に支持できるものであればよく、例えば、プリント回路基板等が挙げられる。
基材１Ａは、絶縁体からなり、基板１の主要構成部材である。基材１Ａとしては、例えば、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、セラミックスなどが挙げられる。基材１Ａは、例えば、平面視において矩形状の板状であり、搭載面１ａ及び実装面１ｂを有する。搭載面１ａ及び実装面１ｂは、基板１の厚さ方向（ｚ方向）において互いに反対側を向いている。搭載面１ａは、ｚ１方向を向く面であり、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３が搭載される面である。実装面１ｂは、ｚ２方向を向く面であり、ＭＥＭＳモジュールＡ１を各種電子機器の回路基板に実装する際に利用される面である。本実施形態において、基板１のｚ方向の寸法は１００～２００μｍ程度であり、ｘ方向及びｙ方向の寸法はそれぞれ２ｍｍ程度である。
配線部１Ｂは、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３とＭＥＭＳモジュールＡ１外の回路等とを導通させるための導通経路をなすものである。配線部１Ｂとしては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ等の１種類または複数種類の金属からなり、例えば、メッキによって形成される。本実施形態においては、配線部１Ｂは、複数の搭載面部１００及び裏面パッド１９を有するが、これらは配線部１Ｂの具体的な構成の一例であり、その構成は特に限定されない。
複数の搭載面部１００は、基材１Ａの搭載面１ａに形成されており、互いに離間した複数の独立領域である。搭載面部１００は、電極パッド１１を有し、電極パッド１１には、配線４の端部がボンディングされる。
裏面パッド１９は、実装面１ｂに設けられており、ＭＥＭＳモジュールＡ１を回路基板等に実装する際に、導通接合される電極として用いられるものである。裏面パッド１９は、搭載面部１００の適所と導通している。
絶縁層１Ｃは、配線部１Ｂの適所を覆うことにより、当該部位を絶縁保護する。絶縁層１Ｃは、絶縁材料からなるものであり、例えば、レジスト樹脂によって形成される。絶縁層１Ｃは、例えば、平面視において矩形環状に形成されてもよい。
接合材７は、基板１及びカバー６を接合するものであり、例えば、Ａｇ等の金属を含むペースト接合材からなる。本実施形態においては、接合材７は、平面視において矩形環状に設けられており、接合材７の一部は絶縁層１Ｃと重なる領域に形成されている。
電子部品２は、センサが検出した電気信号を処理するものであり、いわゆるＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）素子として構成されている。電子部品２は、例えば、温度センサを備えていてもよく、当該温度センサが検出した電気信号、及び、ＭＥＭＳ素子３が検出した電気信号の処理を行う。電子部品２は、温度センサが検出した電気信号とＭＥＭＳ素子３が検出した電気信号とをマルチプレクサで多重化して、アナログ／デジタル変換回路でデジタル信号に変換する。そして、信号処理部が、クロック信号に基づいて、記憶部の記憶領域を利用しながら、増幅、フィルタリング、論理演算などの処理を行う。信号処理後の信号は、インターフェイスを介して出力される。これにより、ＭＥＭＳモジュールＡ１は、気圧及び気温を検出した信号を適切な信号処理を行った上で、出力することができる。
電子部品２は、基板上に各種素子を搭載してパッケージングした制御のためのものである。図３～図５に示すように、電子部品２は、平面視において矩形板状であり、主面２ａ及び実装面２ｂを有する基板３０を備える。主面２ａ及び実装面２ｂは、基板３０の厚さ方向（ｚ方向）において互いに反対側を向いている。本実施形態において、電子部品２のｚ方向の寸法は、ＭＥＭＳ素子３と同一であり、例えば、２００～３００μｍ程度であり、ｘ方向の寸法は、ＭＥＭＳ素子３と同一であり、例えば、１～１．２ｍｍ程度であり、ｙ方向の寸法は、例えば、１～１．２ｍｍ程度である。
電子部品２は、基板１の搭載面１ａのｘ１方向寄りに搭載されている。電子部品２と基板１とは、シリコーン樹脂及びダイアタッチフィルムなどの応力緩和材９によって接合されている。電子部品２の主面２ａには、複数の電極パッド２４が設けられている。電極パッド２４は、基板１の電極パッド１１に導通接合している（電気的に接続している）電極として用いられる。電極パッド２４には、配線４がボンディングされている。電極パッド２４は、例えば、Ａｌ又はアルミニウム合金などの金属からなり、例えば、スパッタリング又はメッキによって形成される。本実施形態では、スパッタリングによって形成されたＡｌ層を電極パッド２４とする。電極パッド２４は、主面２ａの配線パターンに接続している。なお、本明細書等において、「電気的に接続」とは、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に限定されない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極、配線、スイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、容量素子、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
電極パッド２４は、電子部品２の、ＭＥＭＳ素子３が位置する側と反対側（電子部品２のｙ２方向側）の主面２ａに設けられており、配線４がボンディングされている。配線４は、樹脂８で保護されている。樹脂８で保護されている配線４を電子部品２の主面２ａのｙ２方向側の主面２ａに設けることにより、配線４のボンディング箇所からＭＥＭＳ素子３の可動部３４０から遠ざけることができ、これにより、樹脂８による応力が可動部３４０に及ぼす影響を抑制することができる。
ＭＥＭＳ素子３は、気圧を検出するための気圧センサとして構成されている。ＭＥＭＳ素子３は、気圧を検出し、その検出結果を電気信号として電子部品２に出力する。図３～図５に示すように、ＭＥＭＳ素子３は、主面３ａ及び実装面３ｂを有する基板３０を備える。主面３ａ及び実装面３ｂは、基板３０の厚さ方向（ｚ方向）において互いに反対側を向いている。主面３ａは、ｚ１方向を向く面である。実装面３ｂは、ｚ２方向を向く面であり、ＭＥＭＳ素子３を基板１に実装する際に利用される面である。本実施形態において、ＭＥＭＳ素子３のｚ方向の寸法は、電子部品２と同一であり、例えば、２００～３００μｍ程度であり、ｘ方向の寸法は、電子部品２と同一であり、例えば、１～１．２ｍｍ程度であり、ｙ方向の寸法は、例えば、１～１．２ｍｍ程度である。
ＭＥＭＳ素子３と基板１とは、シリコーン樹脂及びダイアタッチフィルムなどの応力緩和材９によって接合されている。また、ｙ方向において、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３は互いに離間している。
応力緩和材９は、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３が１つのチップ（基板３０）に形成されているため、十分に厚くして外部からの応力が可動部３４０に及ぼす影響を抑制することができる。例えば、応力緩和材９の厚さ（ｚ方向の寸法）が３５μｍ以上であると、外部からの応力が可動部３４０に及ぼす影響を抑制することができる。また、応力緩和材９の厚さが大きくなるにつれて外部からの応力が小さくなり、８０μｍを超えると外部からの応力は限りなく小さくなる。よって、応力緩和材９の厚さ（ｚ方向の寸法）は、例えば、３５～８０μｍであると好ましく、４５～７０μｍであるとより好ましい。
基板３０は、半導体層を含み、半導体層としては、例えば、シリコン層等が挙げられる。基板３０は、例えば、シリコン層のみからなってもよいし、酸化シリコン層などの酸化膜とシリコン層の積層膜からなってもよい。
基板３０の内部にはＭＥＭＳ素子３の中空部３６０が設けられている。また、中空部３６０周囲の、基板３０の一部分は、ＭＥＭＳ素子３の可動部３４０である。さらに、基板３０にはＭＥＭＳ素子３の固定部３７０設けられている。
可動部３４０は、ｚ方向において中空部３６０と重畳し、気圧を検出すべくｚ方向に可動する。本実施形態において、可動部３４０は、ｚ方向から見て矩形状である。可動部３４０の膜厚Ｔは、中空部３６０内の気圧と基板３０の外部の気圧との気圧差によって形状が変形可能な厚さであればよく、例えば、５～１５μｍである。
中空部３６０は、基板３０内に設けられた空洞であり、本実施形態においては、密閉されている。中空部３６０は、真空であってもよい。また、本実施形態においては、中空部３６０は、ｚ方向視において矩形状であるが、これに限られない。中空部３６０の深さ（ｚ方向寸法）は、例えば、５～１５μｍである。
固定部３７０は、可動部３４０を支持する部位であり、可動部３４０が動作する際に、基板１に対して固定された部位である。本実施形態において、基板３０のうち可動部３４０及び中空部３６０以外の部分を固定部３７０とする。
本実施形態において、可動部３４０及び固定部３７０は、互いの境界に接合部を有さない、同一、かつ、単一の半導体からなり、例えば、シリコンからなる。可動部３４０は、領域３３０に凹部を有している。凹部は、可動部３４０のうちｚ方向視において中空部３６０と重畳する領域に位置し、ｚ方向になだらかに凹んでいる。
凹部は、後述の製造方法で説明するように、熱処理によって溶融した基板の一部が溝部を塞ぐことによって形成される。溝部を塞いだだけでは、可動部３４０の膜厚Ｔが薄いため、当該膜厚Ｔを大きくするために可動部３４０上に層間膜３５０を設けてもよい。本実施形態では、層間膜３５０を設ける場合、層間膜３５０は可動部３４０の一部として機能する領域３３５を有する。よって、可動部３４０は、基板３０の領域３３０及び層間膜３５０の領域３３５を有する。また、ＭＥＭＳ素子３の主面３ａは、層間膜３５０のｚ１方向の面である。本明細書等において、「平坦面」とは、平均面粗さが０．５μｍ以下の表面を含む。なお、平均面粗さは、例えば、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３やＩＳＯ ２５１７８に準拠して求めることができる。層間膜３５０は、例えば、基板３０と同様の材料を用いることができ、シリコンからなってもよい。層間膜３５０を設けると、保護膜１０が形成される面は平坦面であり、保護膜１０の被覆性が向上するため好ましい。
ＭＥＭＳ素子３は、中空部３６０内の気圧と基板３０の外部の気圧との差で変形する可動部３４０の形状（歪み具合）に応じた電気信号を生成して、電子部品２に出力する。ＭＥＭＳ素子３の主面３ａには、可動部３４０の変形に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗３２０が設けられている。
電子部品２は、複数の配線１２Ａと、複数の電極層１２Ｂと、を含む。ＭＥＭＳ素子３において生成した電気信号は、複数の配線１２Ａ及び複数の電極層１２Ｂを介して電子部品２に出力される。配線１２Ａの一部は、電子部品２の電極パッド２４と電気的に接続しており、電極パッド２４は、配線４を介して基板１の電極パッド１１と電気的に接続している。
また、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３は少なくとも一部が保護膜１０で覆われていてもよい。保護膜１０で覆うことにより電子部品２及びＭＥＭＳ素子３の内部を保護することができる。保護膜１０としては、例えば、樹脂、絶縁膜等が挙げられる。
配線４は、基板１の電極パッド１１を、電子部品２の電極パッド２４と、を導通させ、例えば、Ａｕ等の金属からなる。なお、配線４の素材は限定されず、例えばＡｌ、Ｃｕなどであってもよい。配線４は電極パッド１１及び電極パッド２４にボンディングされている。
カバー６は、金属製の箱形状の部材であり、電子部品２、ＭＥＭＳ素子３、及び配線４を囲うようにして、基板１の搭載面１ａに接合材７によって接合されている。図示された例においては、カバー６は、平面視において矩形状である。なお、カバー６は金属以外の素材であってもよい。また、カバー６の製造方法は特に限定されない。カバー６と基板１との間の空間は、中空又はシリコーン樹脂などの柔らかい樹脂で充填された状態になっている。
カバー６は、図１及び図３に示すように、開口部６１及び延出部６２を有する。開口部６１は、内部に外気を取り入れるためのものである。開口部６１が設けられ、中空又は柔らかい樹脂で充填された状態になっていることで、ＭＥＭＳ素子３はＭＥＭＳモジュールＡ１の周囲の気圧（例えば、大気圧）を検出することができ、電子部品２の温度センサはＭＥＭＳモジュールＡ１の周囲の気温を検出することができる。本実施形態では、開口部６１は、ＭＥＭＳ素子３のｚ１方向側の位置に１つだけ配置されている。なお、開口部６１の数は、特に限定されない。延出部６２は、開口部６１の端縁から延出しており、平面視において開口部６１の少なくとも一部と重なる。延出部６２は、開口部６１の端縁から離れるほどｚ２方向に位置し、基板１に近づくように傾斜している。また、図示された構成においては、延出部６２の先端は、平面視において電子部品２及びＭＥＭＳ素子３を避けた位置に設けられている。また、延出部６２の根元は、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３と重畳する位置に設けられている。なお、延出部６２は設けなくてもよい。
次に、ＭＥＭＳモジュールＡ１の製造方法について説明する。
まず、図６に示すように、半導体層を備える基板３０を準備する。当該半導体層としては、例えば、シリコン層が挙げられる。基板３０の厚さは、例えば、７００～８００μｍ程度である。
次に、図７に示すように、基板３０に複数の溝部３１を形成する。溝部３１は、例えば、ボッシュ法等の深掘りエッチングにより形成することができる。なお、複数の溝部３１の寸法等の一例を挙げると、ｚ方向視において円形状である溝部３１の直径が０．２～０．８μｍ、隣り合う溝部３１のピッチ（中心間距離）が０．４～１．４μｍである。また、本実施形態において、複数の溝部３１のｚ方向視における寸法は、略同一である。
次に、図８に示すように、溝部３１の底面から溝部３１の深さ方向に垂直な方向に基板３０をエッチングして、複数の溝部３１をつなぐ中空部３６０を形成する（中空部形成工程）。中空部形成工程において、ｚ方向と直角である断面積が徐々に大きくなるように等方性エッチングを行う。これにより、溝部３１を形成する工程と中空部形成工程とを同一の処理によって連続して行うことが可能であり、効率よく中空部３６０を形成することができる。
次に、図９に示すように、基板３０に対して水素を含む雰囲気下で熱処理（例えば、１１００～１２００℃）を行い、熱処理によって溶融した基板３０の一部が溝部３１を塞ぐ。これにより、中空部３６０が密閉される。また、同時に基板３０の領域３３０が可動部３４０の一部となる（可動部形成工程）。本製造方法では、可動部３４０及び中空部３６０を形成するために、異なる複数の部材を接合する工程が不要である。これにより、接合箇所において密閉性が低下するおそれがないという利点がある。また、中空部３６０を形成するために、例えば、基板３０を貫通するような過大な溝部を設ける必要がないという利点がある。
可動部形成工程において、熱マイグレーションを用いて半導体層を部分的に移動させることにより複数の溝部３１を塞ぐ。このため、可動部３４０は、半導体層の材料のみからなる部位であり、同じく半導体層の材料からなる固定部３７０と、接合部を介することなく一体的に繋がった構成となる。これにより、中空部３６０の密閉性を高めることができる。
また、可動部３４０は、領域３３０に凹部を有している。可動部３４０の膜厚Ｔを大きくするため、図１０に示すように、ｚ１方向を向く基板３０の主面（凹部）に層間膜３５０を形成する。層間膜３５０は可動部３４０の一部として機能する領域３３５を有する。よって、可動部３４０は、基板３０の領域３３０及び層間膜３５０の領域３３５を有する。層間膜３５０は、例えば、ＣＶＤ法により堆積したシリコン層を用いることができる。層間膜３５０により、保護膜１０が形成される面は平坦面となり、保護膜１０の被覆性が向上する。
次に、図１１に示すように、可動部３４０の厚さ方向に対して垂直な方向（ｙ方向）において、ＭＥＭＳ素子３が形成される領域と離間する領域の基板３０及び層間膜３５０の内部に複数の配線１２Ａ及び複数の電極層１２Ｂを形成する。さらに、層間膜３５０及び最も上側（ｚ１方向側）の配線１２Ａを覆う保護膜１０を形成する。
以上の工程により、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３を製造することができる。電子部品２及びＭＥＭＳ素子３が１つのチップ（基板３０）に形成されているため、後に形成される樹脂８による応力が可動部３４０に及ぼす影響を抑制することができ、また、工程を簡略化することができる。さらに、電子部品２とＭＥＭＳ素子３とを積層させないため、電子部品２とＭＥＭＳ素子３とが占有する高さを低くすることができ、応力緩和材９を厚くすることができる。これにより、外部からの応力が可動部３４０に及ぼす影響を抑制することができる。
次に、図５に示すように、基板１と電子部品２及びＭＥＭＳ素子３とを応力緩和材９によって接合する。さらに基板１の電極パッド１１と、電子部品２の電極パッド２４と、を導通させる配線４を形成し、配線４を樹脂８で覆う。最後にカバー６と基板１とを接合材７によって接合する。
以上の工程により、ＭＥＭＳモジュールＡ１を製造することができる。電子部品２及びＭＥＭＳ素子３が１つのチップ（基板３０）に形成されているため、応力緩和材９を十分に厚くして外部からの応力が可動部３４０に及ぼす影響を抑制することができる。
本実施形態によれば、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３が１つのチップ（基板３０）に設けられているＭＥＭＳモジュールＡ１は、外気圧の変化を精度よく導出することができる。
（第２の実施形態）
本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ２について説明する。
図１２は、ＭＥＭＳモジュールＡ２におけるＭＥＭＳ素子３Ａ及び電子部品２Ａを示す断面図である。本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ２が第１の実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ１と異なる点は、層間膜３５０を設けない点、及び中空部３６０Ａの形状や形成方法等である。本実施形態において、第１の実施形態と共通する点（例えば、基板１、複数の配線４、カバー６、及び接合材７等）は第１の実施形態の説明を援用し、以下、異なる点について説明する。
ＭＥＭＳ素子３Ａ及び電子部品２Ａは、基板３０Ａ及び基板３０Ｂに形成されている。ＭＥＭＳ素子３Ａの中空部３６０Ａは、溝部を有する基板３０Ａと基板３０Ｂとを接合することにより形成することができる。電子部品２Ａの複数の配線１２Ａ及び複数の電極層１２Ｂが基板３０Ｂの内部に形成されている。
基板３０Ａは、第１の実施形態の基板３０と同様の材料を用いることができる。基板３０Ｂとしては、例えば、酸化シリコン層等の酸化膜及びシリコン層等の半導体層が積層されたＳＯＩ基板等が挙げられる。基板３０Ｂの厚さは、例えば、７００～８００μｍ程度である。
中空部３６０Ａは、密閉されている。中空部３６０Ａは、真空であってもよい。また、本実施形態においては、中空部３６０Ａは、ｚ方向視において矩形状であるが、これに限られない。中空部３６０Ａの深さ（ｚ方向寸法）は、例えば、５～１５μｍである。
可動部３４０Ａ及び固定部３７０Ａは、第１の実施形態の可動部３４０及び固定部３７０の説明を援用することができる。基板３０Ａの溝部が中空部３６０Ａとなり、可動部３４０Ａの主面（ｚ１方向側の主面）が基板３０Ｂから形成されるため、可動部３４０Ａは、第１の実施形態の可動部３４０のように薄くなく、可動部と機能する十分な厚さを有している。したがって、第１の実施形態のように層間膜３５０を設けなくてもよい。
次に、ＭＥＭＳモジュールＡ２の製造方法について説明する。
まず、図１３に示すように、半導体層を備える基板３０Ａを準備する。当該半導体層としては、例えば、シリコン層が挙げられる。基板３０Ａの厚さは、例えば、７００～８００μｍ程度である。
次に、図１４に示すように、基板３０Ａに溝部３８を形成する。溝部３８は、例えば、エッチングにより形成することができる。
次に、図１５に示すように、基板３０Ｂを基板３０Ａと接合させ、中空部３６０Ａを形成する。また、同時に可動部３４０Ａが形成される本実施形態では、基板３０Ｂは酸化膜３５及び半導体層３６が積層されたＳＯＩ基板である。後の工程において、基板３０Ｂの一部を除去する際、酸化膜３５は半導体層３６に対してエッチング選択比が大きく、酸化膜３５のみをエッチングしているため、中空部３６０Ａの深さを固定することができ、良好な再現性を得ることができる。
次に、図１６に示すように、基板３０Ｂ（酸化膜３５及び半導体層３６）の一部を除去する。当該除去は、例えば、フッ化水素等を用いたエッチングにより施すことができる。より平坦な面を得るように残った半導体層３６の主面（ｚ１方向側の主面）に対して平坦化処理を施してもよい。平坦化処理としては、例えば、研削、平坦面を有する層間膜を設けることが挙げられる。
次に、図１７に示すように、可動部３４０Ａの厚さ方向に対して垂直な方向（ｙ方向）において、ＭＥＭＳ素子３Ａが形成される領域と離間する領域の基板３０Ｂの内部に複数の配線１２Ａ及び複数の電極層１２Ｂを形成する。さらに、基板３０Ｂ及び最も上側（ｚ１方向側）の配線１２Ａを覆う保護膜１０を形成する。
以上の工程により、電子部品２Ａ及びＭＥＭＳ素子３Ａを製造することができる。電子部品２Ａ及びＭＥＭＳ素子３Ａが１つのチップ（基板３０Ａ及び基板３０Ｂ）に形成されているため、後に形成される樹脂８による応力が可動部３４０Ａに及ぼす影響を抑制することができ、また、工程を簡略化することができる。さらに、電子部品２ＡとＭＥＭＳ素子３Ａとを積層させないため、電子部品２ＡとＭＥＭＳ素子３Ａとが占有する高さを低くすることができ、応力緩和材９を厚くすることができる。これにより、外部からの応力が可動部３４０Ａに及ぼす影響を抑制することができる。
次に、図１２に示すように、基板１と電子部品２Ａ及びＭＥＭＳ素子３Ａとを応力緩和材９によって接合する。さらに基板１の電極パッド１１と、電子部品２の電極パッド２４と、を導通させる配線４を形成し、配線４を樹脂８で覆う。最後にカバー６と基板１とを接合材７によって接合する。
以上の工程により、ＭＥＭＳモジュールＡ２を製造することができる。電子部品２Ａ及びＭＥＭＳ素子３Ａが１つのチップ（基板３０Ａ及び基板３０Ｂ）に形成されているため、応力緩和材９を十分に厚くして外部からの応力が可動部３４０Ａに及ぼす影響を抑制することができる。
本実施形態によれば、電子部品２Ａ及びＭＥＭＳ素子３Ａが１つのチップ（基板３０Ａ及び基板３０Ｂ）に設けられているＭＥＭＳモジュールＡ２は、外気圧の変化を精度よく導出することができる。
（第３の実施形態）
本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ３について説明する。
図１８は、ＭＥＭＳモジュールＡ３におけるＭＥＭＳ素子３Ｂ及び電子部品２Ｂを示す平面図である。図１９は、図１８のＶ－Ｖ線に沿う断面図である。本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ３が第１の実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ１と異なる点は、基板３０において、ＭＥＭＳ素子３Ｂ及び電子部品２Ｂとの間に、ｚ１方向を向く基板３０の主面から厚さ方向に延在している溝部１３を有する点である。本実施形態において、第１の実施形態と共通する点（例えば、基板１、複数の配線４、カバー６、及び接合材７等）は第１の実施形態の説明を援用し、以下、異なる点について説明する。
また、ＭＥＭＳ素子３Ｂと電子部品２Ｂとは、配線１２Ａと電気的に接続している。配線１２Ａは、ｘ方向において、溝部１３の端部より基板３０の外縁部側に位置している領域１４を有する。
溝部１３を設けることにより、ＭＥＭＳ素子３Ｂにかかる応力と電子部品２Ｂにかかる応力とを分離することができ、電子部品２Ｂにかかる応力によるＭＥＭＳ素子３Ｂへの影響を抑制することができる。
また、ＭＥＭＳ素子３Ｂは第１の実施形態のＭＥＭＳ素子３の説明を援用できる。
ＭＥＭＳモジュールＡ３の製造方法は、例えば、第１の実施形態における複数の配線１２Ａ及び複数の電極層１２Ｂの形成時に、ｘ方向において、溝部１３の端部より基板３０の外縁部側に位置している領域１４を有するように配線１２Ａを形成する。その後、第１の実施形態のように保護膜１０を形成し、基板１と電子部品２Ｂ及びＭＥＭＳ素子３Ｂとを応力緩和材９によって接合し、配線４を形成し、配線４を樹脂８で覆い、カバー６と基板１とを接合材７によって接合することにより、ＭＥＭＳモジュールＡ３を製造することができる。
本実施形態によれば、電子部品２Ｂ及びＭＥＭＳ素子３Ｂが１つのチップ（基板３０）に設けられているＭＥＭＳモジュールＡ３は、外気圧の変化を精度よく導出することができる。
（第４の実施形態）
本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ４について説明する。
図２０は、ＭＥＭＳモジュールＡ４におけるＭＥＭＳ素子３Ｃ及び電子部品２Ｃを示す断面図である。本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ４が第１の実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ１と異なる点は、開口部１０Ｂを有する保護膜１０Ａを備える点である。本実施形態において、第１の実施形態と共通する点（例えば、基板１、複数の配線４、カバー６、及び接合材７等）は第１の実施形態の説明を援用し、以下、異なる点について説明する。
ＭＥＭＳ素子３Ｃは、開口部１０Ｂを有する保護膜１０Ａを備える。当該開口部１０Ｂは、可動部３４０の厚さ方向（ｘ方向）から見て可動部３４０の上方にある。保護膜１０Ａの開口部１０Ｂを設けることにより、ＭＥＭＳ素子３Ｃにかかる保護膜１０Ａ等起因の応力を抑制することができる。
また、電子部品２Ｃは第１の実施形態の電子部品２の説明を援用できる。
ＭＥＭＳモジュールＡ４の製造方法は、例えば、第１の実施形態における保護膜１０を形成後、エッチング等により可動部３４０の厚さ方向（ｘ方向）から見て可動部３４０の上方に開口部１０Ｂを形成することにより開口部１０Ｂを有する保護膜１０Ａを得ることができる。その後、第１の実施形態のように基板１と電子部品２Ｃ及びＭＥＭＳ素子３Ｃとを応力緩和材９によって接合し、配線４を形成し、配線４を樹脂８で覆い、カバー６と基板１とを接合材７によって接合することにより、ＭＥＭＳモジュールＡ４を製造することができる。
（その他の実施形態）
上述のように、一実施形態について記載したが、開示の一部をなす論述及び図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替の実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。このように、本実施形態は、ここでは記載していない様々な実施形態等を含む。
１、３０、３０Ａ、３０Ｂ 基板
１ａ 搭載面
１ｂ、２ｂ、３ｂ 実装面
１Ａ 基材
１Ｂ 配線部
１Ｃ 絶縁層
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 電子部品
２ａ、３ａ 主面
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ ＭＥＭＳ素子
４、１２Ａ 配線
６ カバー
７ 接合材
８ 樹脂
９ 応力緩和材
１０、１０Ａ 保護膜
１０Ｂ、６１ 開口部
１１、２４ 電極パッド
１２Ｂ 電極層
１３、３１、３８ 溝部
１４、３３０、３３５ 領域
１９ 裏面パッド
３５ 酸化膜
３６ 半導体層
６２ 延出部
１００搭載面部
３２０ ゲージ抵抗
３４０、３４０Ａ 可動部
３５０ 層間膜
３６０、３６０Ａ 中空部
３７０、３７０Ａ 固定部
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４ ＭＥＭＳモジュール

Claims (13)

  1. 内部に中空部が形成されている基板を備えるＭＥＭＳ素子であって、
    前記中空部周囲の、前記基板の一部分である可動部を有し、
    前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記基板の外部の気圧との気圧差によって形状が変形可能な厚さを有するＭＥＭＳ素子と、
    前記基板に形成され、前記ＭＥＭＳ素子の出力信号が入力される電子部品と、を備え、
    前記可動部の厚さ方向に対して垂直な方向において、前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子は互いに離間している、ＭＥＭＳモジュール。
  2. 前記基板において、前記ＭＥＭＳ素子と前記電子部品との間に、前記基板の主面から前記基板の厚さ方向に延在している溝部を有する、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
  3. 前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子が互いに離間している方向及び前記可動部の厚さ方向に対して垂直な方向において、前記溝部の端部より前記基板の外縁部側に位置している領域を有する第１の配線をさらに備え、
    前記ＭＥＭＳ素子と前記電子部品とは、前記第１の配線と電気的に接続している、請求項２に記載のＭＥＭＳモジュール。
  4. さらに、前記基板上に開口部を有する保護膜を備え、
    前記保護膜は、少なくとも前記電子部品の一部を覆っており、
    前記開口部は、前記可動部の厚さ方向から見て前記可動部の上方にある、請求項１～３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
  5. プリント回路基板と、
    前記プリント回路基板と前記ＭＥＭＳ素子との間に配置された応力緩和材と、をさらに備え、
    前記応力緩和材の厚さは、３５～８０μｍである、請求項１～４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
  6. 前記プリント回路基板と前記電子部品とを電気的に接続している第２の配線をさらに備え、
    前記電子部品の、前記ＭＥＭＳ素子が位置する側と反対側において、前記第２の配線は、前記電子部品と電気的に接続している、請求項５に記載のＭＥＭＳモジュール。
  7. 前記基板はシリコンからなる、請求項１～６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
  8. 基板に含まれる半導体層に複数の溝部を形成し、
    前記溝部の底面から前記溝部の深さ方向に垂直な方向に前記半導体層をエッチングして、前記複数の溝部をつなぎ、前記半導体層に対して熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記半導体層の一部が前記溝部を塞いで形成した中空部を有するＭＥＭＳ素子を形成し、
    前記基板に前記ＭＥＭＳ素子の出力信号が入力される電子部品を形成し、
    前記溝部の深さ方向に対して垂直な方向において、前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子は互いに離間している、ＭＥＭＳモジュールの製造方法。
  9. 前記中空部は、深掘りエッチング及び等方性エッチングにより形成される、請求項８に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
  10. 前記熱処理は、１１００～１２００℃で行い、前記半導体層に熱マイグレーション現象を生じさせて前記溝部を塞いで前記中空部を形成する、請求項８又は９に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
  11. 半導体層を備える第１の基板、及び酸化膜上に半導体層が積層されている第２の基板を準備し、
    前記第１の基板に開口部を形成し、
    前記開口部を形成した前記第１の基板上に、前記第２の基板を接合して、前記第１の基板の前記開口部に形成した中空部を有するＭＥＭＳ素子を形成し、
    前記第１の基板に前記ＭＥＭＳ素子の出力信号が入力される電子部品を形成し、
    前記溝部の深さ方向に対して垂直な方向において、前記電子部品及び前記ＭＥＭＳ素子は互いに離間している、ＭＥＭＳモジュールの製造方法。
  12. 前記酸化膜は、酸化シリコン層である、請求項１１に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
  13. 前記半導体層は、シリコン層である、請求項８～１２のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
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