JP4395072B2 - マイクロデバイス及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、気密封止構造を有するマイクロデバイス及びその製造方法に関する。また本出願は、下記の日本特許出願に関連する。文献の参照による組み込みが認められる指定国については、下記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願の記載の一部とする。
特願２００２−２６８８１４ 出願日 平成１４年９月１３日

近年の半導体デバイスの微小化に伴い、マイクロスイッチ等のマイクロデバイスが半導体プロセスにより製造されている（例えば、特開２００１−３７７６３号公報、国際公開第０２／０６１７８１号パンフレット参照。）。
図１（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、従来のマイクロスイッチの製造方法を示す。まず、図１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００の表面の一部をエッチングにより除去し、凹部１０２を形成する。そして、スパッタ法又は蒸着法により材料を凹部１０２の底面に積層させ、ヒータ１０４を有するパイモルフ構造のカンチレバー１０６を形成する。さらに、スパッタ法又は蒸着法により導電性材料をカンチレバー１０６の表面及び凹部１０２の側面に積層させ、ヒータ１０４に電力を供給するためのリード１０６を形成する。このとき、リード１０６は、ヒータ１０４からＳｉ基板１００の表面まで形成される。
次に、図１（ｂ）に示すように、カンチレバー１０６が形成されたＳｉ基板１００の凹部１０２の底面をエッチングにより除去し、カンチレバー１０６の可動領域を確保する。次に、図１（ｃ）に示すように、電極パッド１０８が形成された配線基板１１２を用意し、カンチレバー１０６が形成されたＳｉ基板１００と配線基板１１２とを貼り合せ、Ｓｉ基板１００及び配線基板１１２によりカンチレバー１０６を気密封止する。このとき、リード１０８と電極パッド１１０とは機械的な圧着により接合され電気的に接続される。そして、外部からの電力が電極パッド１１０及びリード１０８を介してヒータ１０４に供給され、カンチレバー１０６が駆動される。
従来のマイクロスイッチの製造方法では、リード１０８と電極パッド１１０とを機械的な圧着により接合し電気的に接続しているため、接合点におけるインピーダンスにばらつきが生じてしまうという課題がある。また、リード１０８と電極パッド１１０とを安定して接合させるためには、エッチングにより形成された凹部１０２の深さ精度、Ｓｉ基板１００及び配線基板１１２の貼合面の平面精度が厳密に要求される。
そこで本発明は、上記の課題を解決することができるマイクロデバイス及び製造方法を提供することを目的とする。この目的は請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。

このような目的を達成するために、本発明の第１の形態によれば、半導体プロセスにより製造され、電気的に外部と接続されて動作するマイクロデバイスであって、配線基板と、配線基板に設けられた電極パッドと、配線基板と略平行に設けられたリード基板と、一端がリード基板に固着され、他端が自由に保持されており、リード基板の面外方向に曲げられることにより電極パッドに電気的に接続された導電性部材のリードとを備える。
リードは、半導体プロセスによってリード基板上に形成されてもよい。
配線基板は、リード基板の下面と対向して設けられており、リードは、リード基板の上面に固着されており、上面から下面の方向に曲げられることにより電極パッドに電気的に接続されてもよい。
リード基板には、貫通孔が形成されており、リードは、一端がリード基板に固着され、他端が貫通孔の方向に延伸し、貫通孔内においてリード基板の面外方向に曲げられることにより電極パッドに電気的に接続されてもよい。
リードと電極パッドとは、貫通孔の中心軸の近傍において電気的に接続されてもよい。
リードと電極パッドとは、リードの延伸方向における貫通孔の中心軸の近傍において電気的に接続されてもよい。
リード及び電極パッドは、同一の導電性部材により形成されてもよい。
本発明の第２の形態によれば、半導体プロセスにより製造され、電気的に外部と接続されて動作するマイクロデバイスの製造方法であって、リード基板を用意するリード基板用意段階と、リード基板に導電性部材のリードを形成するリード形成段階と、リードの一端がリード基板に固着され、他端が自由に保持されるように、リード基板の一部を除去するリード基板除去段階と、電極パッドが形成された配線基板を用意する配線基板用意段階と、リード基板と配線基板とが対向するようにリード基板と配線基板とを固着する固着段階と、リードをリード基板の面外方向に湾曲させ電極パッドに押圧することにより、リードと電極パッドとを電気的に接続する電気的接続段階とを備える。
リード形成段階は、半導体プロセスによってリードをリード基板上に形成する段階を有してもよい。
リード形成段階は、リード基板の上面にリードを形成する段階を有し、固着段階は、リード基板の下面と配線基板とが対向するようにリード基板と配線基板とを固着する段階を有し、電気的接続段階は、リードをリード基板の上面から下面の方向に湾曲させ電極パッドに押圧することにより、リードと電極パッドとを電気的に接続する段階を有してもよい。
リード形成段階は、リード基板の下面に導電性部材のリードを形成する段階を有し、リード基板除去段階は、リードの一端がリード基板に固着され、他端が自由に保持されるように、リード基板に貫通孔を形成する段階を有し、固着段階は、リード基板の下面と配線基板とが対向するようにリード基板と配線基板とを固着する段階を有し、電気的接続段階は、リード基板の上面から下面の方向へ、貫通孔にボンディング機具を挿入し、リードを湾曲させ電極パッドに押圧することにより、リードと電極パッドとを電気的に接続する段階を有してもよい。
キャップ基板を用意するキャップ基板用意段階と、リード基板の上面において貫通孔を塞ぐように、リード基板とキャップ基板とを固着し、リード基板、配線基板、及びキャップ基板により、リードを密封する密封段階とをさらに備えてもよい。
電気的接続段階は、リードの一端から他端への延伸方向において貫通孔と略同一幅のボンディング機具を貫通孔に挿入して、リードを電極パッドに押圧する段階を有してもよい。
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。

図１（ａ）は、従来のマイクロスイッチの製造方法を示す図である。
図１（ｂ）は、従来のマイクロスイッチの製造方法を示す図である。
図１（ｃ）は、従来のマイクロスイッチの製造方法を示す図である。
図２（ａ）は、マイクロスイッチ２００の断面図である。
図２（ｂ）は、基板２０６の斜視図である。
図３（ａ）は、基板用意段階、可動部形成段階、及びリード形成段階を示す図である。
図３（ｂ）は、リード基板除去段階を示す図である。
図３（ｃ）は、配線基板用意段階及び固着段階を示す図である。
図４（ａ）は、電気的接続段階を示す図である。
図４（ｂ）は、基板用意段階及び密封段階を示す図である。
図５（ａ）は、配線基板２１２の全体を示す図である。
図５（ｂ）は、基板２０６の全体を示す図である。
図５（ｃ）は、基板２１６の全体を示す図である。
図５（ｄ）は、固着段階、密封段階、及び電気的接続段階を示す図である。
図５（ｅ）は、切断段階を示す図である。
図６（ａ）は、リード形成段階及び固着段階の他の例を示す図である。
図６（ｂ）は、電気的接続段階の他の例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施の形態は請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、又実施の形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図２は、本発明の一実施形態に係るマイクロスイッチ２００の構成の一例である。図２（ａ）は、マイクロスイッチ２００の断面図を示し、図２（ｂ）は、可動部２０２及びリード２０４が形成された基板２０６の斜視図を示す。マイクロスイッチ２００は、本発明のマイクロデバイスの一例であり、基板２０６は、本発明のリード基板の一例である。また、本発明のマイクロデバイスは、マイクロセンサ等のマイクロマシンであってもよい。
マイクロスイッチ２００は、半導体プロセスにより製造され、電気的に外部と接続されて動作する。マイクロスイッチ２００は、貫通孔２０８及び２１０が形成された基板２０６と、一端が基板２０６に固着され、他端が貫通孔２０８上に自由に保持される可動部２０２と、基板２０６と略平行に、可動部２０２に離間して設けられた配線基板２１２と、配線基板２１２に設けられた電極パッド２１４と、一端が基板２０６に固着され、他端が貫通孔２１０の方向に延伸し基板２０６の面外方向に曲げられることにより電極パッド２１４に電気的に接続された導電性部材のリード２０４と、基板２０６及び配線基板２１２とにより可動部２０２を密封するように設けられたキャップ基板の一例である基板２１６と、配線基板２１２に設けられた固定接点及び接地電極２２０とを備える。可動部２０２の他端は、貫通孔２０８の内部に保持されてもよいし、貫通孔２０８から基板２０６の垂直方向の位置に保持されてもよい。
貫通孔２０８及び貫通孔２１０は、基板２０６の上面から、基板２０６の一部を除去することにより形成される。また、配線基板２１２は、基板２０６の下面に対向して設けられ、基板２１６は、基板２０６の上面において貫通孔２０８及び２１０を塞ぐように設けられる。
可動部２０２は、アクチュエータの一例であるバイモルフ２２２と、バイモルフ２２２を加熱するヒータ２２４と、バイモルフ２２２の先端に設けられた可動接点２２６とを有する。バイモルフ２２２は、熱膨張率が異なる複数の材料が積層されて形成され、具体的にはＳｉＯ_２層２２８、Ａｌ層２３０、ＳｉＯ_２層２３２、及びＳｉＯ_２層２３４を含む。そして、ヒータ２２４は、ＳｉＯ_２層２３２とＳｉＯ_２層２３４との間に、Ｃｒ層、Ｐｔ層、Ｃｒ層がこの順に積層されて形成される。可動部２０２は、アクチュエータの一例として圧電素子を有してもよいし、静電力により可動部２０２を駆動する静電電極を有してもよい。
リード２０４と電極パッド２１４とは、貫通孔２１０の中心軸の近傍において電気的に接続される。リード２０４と電極パッド２１４とは、リード２０４の延伸方向における貫通孔２１０の中心軸の近傍において電気的に接続されてもよい。リード２０４は、半導体プロセスによって基板２０６上に形成されることが好ましい。また、リード２０４及び電極パッド２１４は、例えばＡｕ等の同一の導電性部材により形成されることが好ましい。リード２０４及び電極パッド２１４が同一の導電性部材により形成されることにより、機械的かつ電気的に安定して接続される。
図３及び図４は、マイクロスイッチ２００の製造方法の一例を示す。図３（ａ）は、基板用意段階、可動部形成段階、及びリード形成段階を示す。図３（ｂ）は、リード基板除去段階を示す。図３（ｃ）は、配線基板用意段階及び固着段階を示す。図４（ａ）は、電気的接続段階を示す。図４（ｂ）は、基板用意段階及び密封段階を示す。
まず、図３（ａ）に示すように、基板用意段階において、Ｓｉ基板である基板２０６を用意する。そして、基板２０６の下面の一部をエッチングにより除去し、凹部２３６を形成する。そして、可動部形成段階において、スパッタ法又は蒸着法により材料を凹部２３６の底面に積層させ可動部２０２を基板２０６の下面に形成する。そして、リード形成段階において、スパッタ法又は蒸着法により導電性材料を可動部２０２の表面及び凹部２３６の底面に積層させ、基板２０６の下面にリード２０４を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、リード基板除去段階において、可動部２０２の一端が基板２０６に固着され、他端が自由に保持されるように、基板２０６の一部を除去することにより基板２０６に貫通孔２０８を形成し、またリード２０４の一端が基板２０６に固着され、他端が自由に保持されるように、基板２０６に貫通孔２１０を形成する。具体的には、基板２０６の上面にレジスト層を形成し、当該レジスト層をエッチングマスクとして、基板２０６の上面から基板２０６の一部をドライエッチングにより除去する。このとき、可動部２０２がＳｉ基板である基板２０６と接触する部分に有するＳｉＯ_２層２２８がエッチングストッパとなり、貫通孔２０８は、ＳｉＯ_２層２２８が露出するまでＳｉ基板である基板２０６を除去することにより形成される。また、貫通孔２０８及び２１０は、ウェットエッチングにより形成されてもよく、異方性のエッチングにより形成されることが好ましい。
可動部２０２が設けられた面の裏面である上面から基板２０６をエッチングして貫通孔２０８及び２１０を形成することにより、貫通孔２０８及び２１０を形成する領域全体において、エッチングにより除去する基板２０６の厚さを略同一にすることができる。そのため、エッチング量を精度よく調整することができ、貫通孔２０８及び２１０の大きさを精度よく形成することができるので、可動部２０２の貫通孔２０８への延伸部分の長さ、リード２０４の貫通孔２１０への延伸部分の長さ、及び気密部分（即ち、基板２０６、配線基板２１２、及び基板２１６で囲まれる空間）の大きさを精度よく製造することができる。そのため、可動部２０２に所望の変位を与えるために必要な電力の、マイクロスイッチ２００のデバイス毎のばらつきを低減することができる。
次に、図３（ｃ）に示すように、配線基板用意段階において、電極パッド２１４が形成された配線基板２１２を用意する。そして、固着段階において、基板２０６の下面と配線基板２１２とが対向するように基板２０６と配線基板２１２とを固着する。配線基板２１２がガラス基板である場合、陽極接合により基板２０６と配線基板２１２とを接合してもよい。また、基板２０６と配線基板２１２との接合面にそれぞれ金属膜を形成し、金属結合により基板２０６と配線基板２１２とを接合してもよい。
次に、図４（ａ）に示すように、電気的接続段階において、基板２０６の上面から下面の方向へ貫通孔２１０にボンディング機具２３８を挿入し、リード２０４を基板２０６の面外方向に湾曲させ電極パッド２１４に押圧することにより、リード２０４と電極パッド２１４とを電気的に接続する。このとき、リード２０４の一端から他端への延伸方向において貫通孔２１０と略同一幅のボンディング機具２３８を貫通孔２１０に挿入して、リード２０４を電極パッド２１４に押圧してもよい。また、基板２０６の面内方向において貫通孔２１０と略同一断面形状のボンディング機具２３８を貫通孔２１０に挿入して、リード２０４を電極パッド２１４に押圧してもよい。ボンディング機具２３８は、例えば超音波ウェッジであり、リード２０４に超音波振動を供給しながら電極パッド２１４に押圧して圧着してもよい。このように、リード２０４と電極パッド２１４とを直接押圧して圧着することにより、リード２０４と電極パッド２１４とを確実に電気的に接続することができる。
次に、図４（ｂ）に示すように、基板用意段階において、基板２１６を用意する。そして、密封段階において、基板２０６の上面において貫通孔２０８及び２１０を塞ぐように、基板２０６と基板２１６とを固着し、基板２０６、配線基板２１２、及び基板２１６により、可動部２０２及びリード２０４を密封する。基板２１６がガラス基板である場合、陽極接合により基板２０６と基板２１６とを接合してもよい。また、基板２０６と基板２１６との接合面にそれぞれ金属膜を形成し、金属結合により基板２０６と基板２１６とを接合してもよい。
図５は、マイクロスイッチ２００の製造方法の一例を示す。図５（ａ）は、配線基板２１２の全体を示す。図５（ｂ）は、基板２０６の全体を示す。図５（ｃ）は、基板２１６の全体を示す。図５（ｄ）は、固着段階、密封段階、及び電気的接続段階を示す。図５（ｅ）は、切断段階を示す。
図５（ａ）に示すように、配線基板２１２には複数のマイクロスイッチ２００のそれぞれに対応する複数の領域２４０のそれぞれに、図２に示した複数の電極パッド２１４、固定接点２１８、及び接地電極２２０がそれぞれ形成される。また、図５（ｂ）に示すように、可動部形成段階において、基板２０６には複数のマイクロスイッチ２００のそれぞれに対応する複数の領域２４２のそれぞれに、図２に示した複数の可動部２０２及びリード２０４がそれぞれ形成される。また、リード基板除去段階において、基板２０６には複数の可動部２０２毎に複数の貫通孔２０８がそれぞれ形成され、複数のリード２０４毎に複数の貫通孔２１０がそれぞれ形成される。また、図５（ｃ）に示すように、複数のマイクロスイッチ２００のそれぞれに対応する複数の領域２４４を有する基板２１６が用意される。
そして、図５（ｄ）に示すように、固着段階において、複数の電極パッド２１４が形成された配線基板２１２と、複数の可動部２０２及びリード２０４が形成された基板２０６とが固着される。そして、電気的接続段階において、複数の貫通孔２１０にボンディング機具２３８を挿入し、複数のリード２０４と複数の電極パッド２１４とをそれぞれ電気的に接続する。このとき、複数の貫通孔２１０のそれぞれに先端が挿入される形状のボンディング機具２３８を用いて、同時に複数のリード２０４と複数の電極パッド２１４とをそれぞれ電気的に接続することが好ましい。そして、密封段階において、基板２０６と基板２１６と固着し、複数の可動部２０２及びリード２０４をそれぞれ密封する。
そして、図５（ｅ）に示すように、密封段階の後、切断段階において、複数の可動部２０２及びリード２０４をそれぞれ密封した状態で、基板２０６、配線基板２１２、及び基板２１６をダイシングにより切断し、それぞれのマイクロスイッチ２００をチップ化する。切断段階では、ダイシングによる熱の上昇を防ぐため、基板表面に水を流しながら切断するので、密封段階の後に切断することにより、可動部２０２及びリード２０４を水圧から保護することができる。
図６は、マイクロデバイスの製造方法の他の例を示す。図６（ａ）は、リード形成段階及び固着段階の他の例を示す。図６（ｂ）は、電気的接続段階の他の例を示す。本例におけるマイクロデバイスの製造方法が含む各段階は、以下に説明する部分を除き、図１〜図５で説明した各段階と同一であるので一部の説明を省略する。
本例のマイクロデバイスは、配線基板３０８と、配線基板に設けられた電極パッド３０６と、配線基板３０８と略平行に設けられた基板３０４と、一端が基板３０４に固着され、他端が自由に保持されており、基板３０４の面外方向に曲げられることにより電極パッド３０６に電気的に接続された導電性部材のリード３０２とを備える。例えば、基板３０４はＬＳＩが形成された基板であり、リード３０２はＬＳＩの端子である。なお、基板３０４は、本発明のリード基板の一例である。
図６（ａ）に示すように、リード形成段階において、基板３０４の上面にリード３０２を形成する。そして、固着段階において、基板３０４の下面と配線基板３０８とが対向するように、基板３０４の下面を陽極接合、金属接合、接着剤による接合等により基板３０４と配線基板３０８と固着する。即ち、リード３０２は、基板３０４において、基板３０４と配線基板３０８との接合面の反対の面に設けられている。そのため、基板３０４と配線基板３０８とが接合された場合に、リード３０２と電極パッド３０６との間に、基板３０４の厚さと略同一の隙間が形成される。次に、図６（ｂ）に示すように、電気的接続段階において、ボンディング機具３００を用いて、リード３０２を基板３０４の上面から下面の方向に湾曲させ電極パッド３０６に押圧することにより、リード３０２と電極パッド３０６とを電気的に接続する。このように、リード３０２と電極パッド３０６とを直接押圧して圧着することにより、簡易且つ確実に、ＬＳＩ等の電子デバイスを配線基板に接続することができる。
以上、発明の実施の形態を説明したが、本出願に係る発明の技術的範囲は上記の実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態に種々の変更を加えて、請求の範囲に記載の発明を実施することができる。そのような発明が本出願に係る発明の技術的範囲に属することもまた請求の範囲の記載から明らかである。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、安定して外部と電気的に接続されるマイクロデバイス及びその製造方法を提供できる。

Claims (11)

1. 半導体プロセスにより製造され、電気的に外部と接続されて動作するマイクロデバイスであって、
   配線基板と、
   前記配線基板に設けられた電極パッドと、
   前記配線基板と略平行に設けられたリード基板と、
   一端が前記リード基板に固着され、他端が前記リード基板の面外方向に曲げられることにより前記電極パッドに電気的に接続された導電性部材のリードと
   を備え、
   前記リード基板には、貫通孔が形成されており、
   前記リードは、前記一端が前記リード基板に固着され、前記他端が前記貫通孔の方向に延伸し、前記貫通孔内において前記リード基板の面外方向に曲げられて前記電極パッドに電気的に接続される
   マイクロデバイス。
2. 前記リードは、半導体プロセスによって前記リード基板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロデバイス。
3. 前記リードと前記電極パッドとは、前記貫通孔の中心軸の近傍において電気的に接続される
   請求項１または２に記載のマイクロデバイス。
4. 前記リードと前記電極パッドとは、前記リードの延伸方向における前記貫通孔の中心軸の近傍において電気的に接続される
   請求項１または２に記載のマイクロデバイス。
5. 前記リード及び前記電極パッドは、同一の導電性部材により形成される
   請求項１から４のいずれかに記載のマイクロデバイス。
6. 前記貫通孔を塞ぐように前記リード基板と固着されたキャップ基板
   をさらに備え、
   前記リードは、前記リード基板、前記配線基板及び前記キャップ基板により密封される請求項１から５のいずれかに記載のマイクロデバイス。
7. 前記配線基板と離間して設けられ、一端が前記リード基板に固着され、他端が前記貫通孔の方向に延伸し自由に保持される可動部と、
   前記可動部の前記他端に設けられた可動接点と、
   前記配線基板上に設けられた固定接点と
   をさらに備える請求項１から６のいずれかに記載のマイクロデバイス。
8. 半導体プロセスにより製造され、電気的に外部と接続されて動作するマイクロデバイスの製造方法であって、
   リード基板を用意するリード基板用意段階と、
   前記リード基板に導電性部材のリードを形成するリード形成段階と、
   前記リードの一端が前記リード基板に固着され、他端が自由に保持されるように、前記リード基板の一部を除去するリード基板除去段階と、
   電極パッドが形成された配線基板を用意する配線基板用意段階と、
   前記リード基板と前記配線基板とが対向するように前記リード基板と前記配線基板とを固着する固着段階と、
   前記リードを前記リード基板の面外方向に湾曲させ前記電極パッドに押圧することにより、前記リードと前記電極パッドとを電気的に接続する電気的接続段階と
   を備え、
   前記リード形成段階は、前記リード基板の下面に導電性部材のリードを形成する段階を有し、
   前記リード基板除去段階は、前記リードの前記一端が前記リード基板に固着され、前記他端が自由に保持されるように、前記リード基板に貫通孔を形成する段階を有し、
   前記固着段階は、前記リード基板の前記下面と前記配線基板とが対向するように前記リード基板と前記配線基板とを固着する段階を有し、
   前記電気的接続段階は、前記リード基板の上面から前記下面の方向へ、前記貫通孔にボンディング機具を挿入し、前記リードを湾曲させ前記電極パッドに押圧することにより、前記リードと前記電極パッドとを電気的に接続する段階を有する
   製造方法。
9. 前記リード形成段階は、半導体プロセスによって前記リードを前記リード基板上に形成する段階を有する
   請求項８に記載の製造方法。
10. キャップ基板を用意するキャップ基板用意段階と、
    前記リード基板の前記上面において前記貫通孔を塞ぐように、前記リード基板と前記キャップ基板とを固着し、前記リード基板、前記配線基板、及び前記キャップ基板により、前記リードを密封する密封段階と
    をさらに備える請求項８または９に記載の製造方法。
11. 前記電気的接続段階は、前記リードの前記一端から前記他端への延伸方向において前記貫通孔と略同一幅の前記ボンディング機具を前記貫通孔に挿入して、前記リードを前記電極パッドに押圧する段階を有する
    請求項８から１０のいずれかに記載の製造方法。

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