JP4554978B2 - Memsデバイスの製造方法及びmemsデバイスを製造するための接合基板 - Google Patents

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Description

本発明は、MEMS(Micro Electrical Mechanical System)デバイスの製造方法、及びMEMSデバイスを製造するための接合基板に関する。

半導体微細加工技術を応用したマイクロマシニング技術では、数100μm程度の微小な構造体を製造することが可能であり、各種センサや、光スイッチ、RF部品等へのこの技術の応用が検討されている。このようなマイクロマシニング技術によるデバイスは、シリコンプロセスを用いて製造されるため、信号処理系LSIとともにチップ上で集積することが可能であり、特定の機能を持つシステムをチップ上に構築することが可能である。このようなデバイスをMEMS(Micro Electrical Mechanical System)デバイスと呼んでいる。

従来のMEMSデバイスが、例えば、特許文献1及び2に記載されている。
特許文献1には、第1及び第2シリコン基板を張り合わせて形成した加速度センサが記載されている。この加速度センサは、開口部を有する角枠状のフレーム(周辺部)と、フレームの内部に形成された開口部に配置された錘部と、錘部を弾性自在に周辺部に支持する梁部とを備えている。

特許文献2には、半導体製造プロセスによってシリコン基板(素子基板)に一体として形成された加速度センサが記載されている。加速度センサは、開口部を有するフレーム(周辺部)と、開口部の中央に配置された錘部と、錘部を弾性自在かつ片持ち状にフレームに支持する2本のビーム(梁部)とを備えている。2本の梁部は、周辺部の上面側において、錘部を周辺部に支持している。加速度センサの下面は、加速度センサと略同一の膜厚のカバー(キャップ基板)に固定されている。このような加速度センサでは、加速度センサが形成された素子基板にキャップ基板を張り合わせた後に、キャップ基板を接着剤でUVシートに固定し、各加速度センサをダイシングによって分離している。

特許文献1及び2に記載されたような半導体製造プロセスにおける基板同士の接合の例は、MEMSデバイス以外にも使用されており、例えば特許文献3及び4に記載されている。
特許文献3には、第1のSOI基板と第2のSOI基板とを接合した積層型半導体装置が記載されている。第1のSOI基板は、第1のデバイス層と、第1のデバイス層上に形成されたコンタクト部とを備えている。第2のSOI基板は、第2のデバイス層と、第2のデバイス層上に形成されたSOG(Spin On Glass)膜とを備えており、SOG膜にはコンタクト部に嵌合する凹部が形成されている。この半導体装置では、コンタクト部がSOG膜の凹部に嵌合した状態で、第1のSOI基板と第2のSOI基板とを接合することにより、第1のデバイス層と第2のデバイス層との電気的なコンタクトがとられる。

特許文献4には、第1の半導体基板と第2の半導体基板とを接合した半導体装置が記載されている。第1及び第2の半導体基板は、トランジスタと、層間絶縁膜を介してトランジスタに電位的に接続された電極と、電極間の隙間に形成された絶縁膜とを備えている。第1の半導体基板の電極及び絶縁膜には、断面視鋸歯状の凹凸パターンが形成され、第2の半導体基板の電極及び絶縁膜には、第1の半導体基板の凹凸パターンに対して180°位相がずれた凹凸パターンが形成されている。この半導体装置では、第1及び第2の半導体基板の凹凸パターンが互いにかみ合う状態で、第1及び第2の半導体基板が接合され、各半導体基板のトランジスタの電気的なコンタクトがとられる。
特開平9−15257号公報(第4−5頁、第1図) 特開平7−225240号公報(第5−6頁、第1−2図) 特開平5−55534号公報(第2頁、第1図) 特開平8−125121号公報(第8−9頁、第1図)

特許文献1に記載した加速度センサでは、フレームの開口部が第1基板及び第2基板にわたって貫通しているため、ダイシングによって各加速度センサを個片化する際に、以下のような問題がある。第1に、ダイシングの際にシリコンの残査が加速度センサ内部に侵入して加速度センサの特性が劣化する可能性がある。第2に、加速度センサを直接UVシートに接着すると接着剤が錘部に付着し、個片化された加速度センサをピックアップする際に、錘部がUVシートから簡単に分離しない場合がある。このような場合には、錘部を支持している梁部に過度の応力が加わり、梁部が破壊される可能性がある。第3に、ダイシング時にシリコン残査を流すための水の水圧によって、薄い梁部が破壊される可能性がある。

特許文献2に記載した加速度センサでは、素子基板にキャップ基板を接合してからダイシングするため、加速度センサがキャップ基板によってカバーされ、上記第1乃至第3の問題を解決し得る。即ち、加速度センサがキャップ基板でカバーされるため、ダイシングの際にシリコンの残査が加速度センサ内部に侵入するのを防止し、加速度センサの錘部に接着剤が付着することを防止し、水圧によって梁部が破損することを防止できる。

しかしながら、キャップ基板には、単体で取り扱う際のハンドリング強度を保つための膜厚が必要であり、通常、キャップ基板はシリコン基板と略同一の膜厚を必要とする。この結果、キャップ基板を素子基板に接合することによって加速度センサの膜厚の増大を招く可能性がある。携帯電話機等の小型機器に加速度センサを搭載する場合、機器内部での組み立てのスペースが限られており、加速度センサチップの膜厚は制限される。現在、一般に普及している携帯電話機では、組み立て後のチップ厚は1.2mm以下のものが要求されている。従って、素子基板へのキャップ基板の接合による膜厚の増大は無視できないものである。

特許文献3及び4に記載された基板同士の貼り合わせは、各基板のデバイス間のコンタクトをとるために基板を接合する構成であり、キャップ基板の膜厚のために接合後の基板が厚くなる問題点に着目したものではない。即ち、特許文献3及び4に記載の構造は、略同一の膜厚を持つ基板同士を接合する構造であり、接合後の基板は単独の基板の略2倍の膜厚になっている。

以上より、MEMSデバイスの製造において、素子基板にキャップ基板を接合する場合に、キャップ基板のハンドリング強度を確保しつつ、MEMSデバイスの膜厚を低減する必要がある。

本発明に係るMEMSデバイスの製造方法は、第1基板にMEMSデバイス本体を形成するステップと、第1基板上においてMEMSデバイス本体の周囲に凹部を形成するステップと、第2基板に前記凹部に合致する凸部を形成するステップと、凸部を凹部に嵌合させて第1基板と前記第2基板とを接合して第3基板を形成するステップと、第3基板を前記第2基板側でUVシートに貼り付けるステップと、第3基板をダイシングしてMEMSデバイス本体を分離するステップとを含むことを特徴とする。

この製造方法によれば、MEMSデバイス本体をカバーする第2基板に、膜厚部としての凸部を設けるため、第2基板全体での平均的な膜厚を確保してハンドリング強度を向上させることができる。また、第2基板の凸部を第1基板の凹部に嵌合させて、第2基板の凸部の高さを第1基板の凹部の深さに吸収させることにより、接合後の第1及び第2基板の合計の膜厚を低減させることができる。即ち、この製造方法によれば、第2基板のハンドリング強度の確保と、接合後の第1及び第2基板の合計の膜厚を低減によるMEMSデバイスの膜厚の低減とを両立させることが可能である。

(1)第1実施形態
本実施形態では、図1に示す素子基板1と、図2に示すキャップ基板2とを用いて、図4に示す加速度センサ500を製造する。
〔素子基板の構成〕
図1は、第1実施形態に係る素子基板1の平面図(a)、裏面図(b)、断面図(c)である。素子基板1は、互いに対向する第1面と第2面とを有する。平面図(a)は、素子基板1の第1面における一部拡大図であり、裏面図(b)は、素子基板1の第2面における一部拡大図である。断面図(c)は、図1(b)のc−cにおける断面図である。

素子基板1は、例えばシリコン基板であり、加速度センサ本体100が形成される厚膜部10と、凹部21が形成される薄膜部20とを備えている。
加速度センサ本体100は、厚膜部10に形成され、周辺部101と、錘部102と、梁部103と、開口部104とを備えている。周辺部101は角枠状に形成されており、周辺部101の内側には、第1面から第2面に貫通する開口部104が形成されている。錘部102は、開口部104に配置され、第1面側において、2本の梁部103によって弾性自在かつ片持ち状に周辺部101に支持されている。錘部102は、平面視略矩形状であり、第1面側よりも第2面側が狭く形成されている。薄膜部20は、凹部21が形成されることにより、厚膜部10よりも薄く形成されている。凹部21は、図1(b)に示すように、複数の加速度センサ本体100の間に形成され、各加速度センサ本体100の周囲に形成されている。また、第1面において、厚膜部10と薄膜部20との境界にはスクライブライン107としての溝が形成されている。

素子基板1は、シリコン基板をフォトリソ、エッチングすることによって加速度センサ本体100、凹部21、スクライブライン107を形成することにより、素子基板1を形成する。
〔キャップ基板〕
図2は、キャップ基板2の平面図(a)、断面図(b)である。キャップ基板2は、互いに対向する第3面と第4面とを有しており、図2(a)の平面図は、第3面における一部拡大図である。図2(b)において、凸部31及び凹部41が形成された面が第3面であり、第3面に対向する面が第4面である。

キャップ基板2は、例えばガラス基板又はシリコン基板であり、凸部31が形成された厚膜部30と、凹部41が形成された薄膜部40とを備えている。ガラス基板は、例えば、硼珪酸ガラス(パイレックス(登録商標)ガラス)を用いる。凹部41は、図1の素子基板1の凹部21に合致する形状及び大きさに形成されている。キャップ基板2は、ガラス基板又はシリコン基板にフォトリソグラフィー及びエッチング工程を施して、凹部41を形成するとともに凸部31を形成することにより形成する。

ここで、図1(c)において、厚膜部10の膜厚をa、薄膜部20の膜厚をbとすると、凹部21の深さはa−bである。一方、図2(b)において、厚膜部30の膜厚をc、薄膜部40の膜厚をdとすると、凸部31の高さはc−dである。凹部21及び凸部31は、凹部21の深さa−bと凸部31の高さc−dとが一致して凸部31が凹部21に完全に嵌め込まれるように構成されている。

膜厚の一例を挙げると、素子基板1の厚膜部10の膜厚をa=500μm、薄膜部20の膜厚をb=100μm、キャップ基板2の厚膜部30の膜厚をc=500μm、薄膜部40の膜厚d=100μmとすると、凹部21の深さはa−b=400μm、凸部31の高さはc−d=400μmとなる。凹部21に凸部31が嵌合するように素子基板1とキャップ基板2とを接合すると、図3に示すように、凸部31の高さは凹部21の深さに吸収され、素子基板1とキャップ基板2とを接合した接合基板3の膜厚は、素子基板1単体の膜厚aよりもキャップ基板2の薄膜部40の膜厚dだけ増加するだけである。即ち、接合基板3の膜厚は、a+d=500μm+100μm=600μmであり、素子基板1単体の膜厚500μmよりも、薄膜部40の膜厚100μmだけ増加する。これにより、接合基板3の膜厚の低減が可能である。即ち、全面にわたって均一の膜厚を持つキャップ基板を素子基板1(膜厚500μm)に接合する場合には、キャップ基板のハンドリング強度を保つために例えば500μmのキャップ基板を用いると、接合基板の膜厚は500μm+500μm=1000μmとなり、ハンドリング強度を保つキャップ基板の膜厚がそのまま接合基板の膜厚の増加に繋がる。これに対して、本実施形態のように素子基板1の凹部21とキャップ基板2の凸部31とを嵌合させて素子基板1及びキャップ基板2を接合した場合には、凸部31の膜厚によってキャップ基板2単体のハンドリング強度を確保しつつ、凸部31の高さを凹部21に吸収させて接合基板3の膜厚を低減することができる。

〔加速度センサの製造方法〕
以下、素子基板1及びキャップ基板2を用いて、加速度センサ500を製造する方法を説明する。
上述したように、素子基板1及びキャップ基板2を形成した後、図3(a)に示すように、素子基板1の凹部21にキャップ基板2の凸部31が嵌合されるように、素子基板1とキャップ基板2とを密着させ、素子基板1とキャップ基板2とを接合し、接合基板3を形成する。キャップ基板2がシリコン基板である場合には、素子基板1とキャップ基板2とが密着するように加圧して圧着することにより、素子基板1とキャップ基板2とを接合する。キャップ基板2がガラス基板である場合には、素子基板1とキャップ基板2とを陽極接合によって接合する。

次に、接合基板3を接着剤600によってUVシート700に固定する。接合基板3のUVシート700への固定は、キャップ基板2の素子基板1側とは反対側の面においてUVシート700に固定する。
UVシート700に固定された接合基板3をスクライブライン107に沿ってダイシングし、加速度センサ500(加速度センサ本体100及びキャップ基板2の薄膜部)を個片化する。その後、UVシート700に紫外線を照射して接着剤600をポリマー化し、接合基板3のUVシート700への接着を解いた後、各加速度センサ500をピックアップする。

図4は、ピックアップされた加速度センサ500の断面図である。加速度センサ500は、加速度センサ本体100と、加速度センサ本体100の底面に接合されたキャップ基板2の薄膜部40とを備えている。加速度センサ500の膜厚は、加速度センサ本体100の膜厚aと比較して、キャップ基板2の薄膜部40の膜厚dだけ増加するのみであり、加速度センサ500の膜厚が低減されていることが分かる。

〔作用効果〕
本実施形態で説明した加速度センサ本体100は、UVシート700への接着面(第2面)に開口部104を有するので、素子基板1を直接UVシート700に接着すると、ダイシングの際に加速度センサ本体100が劣化する可能性がある。即ち、第1に、ダイシングの際にシリコンの残査が加速度センサ本体100内部に侵入して加速度センサ本体100の特性が劣化する可能性がある。第2に、素子基板1を直接UVシート700に接着すると接着剤が錘部102に付着し、個片化された加速度センサ本体100をピックアップする際に、錘部102がUVシート700から簡単に分離しない場合がある。このような場合には、錘部102を支持している梁部103に過度の応力が加わり、梁部103が破壊される可能性がある。第3に、ダイシング時にシリコン残査を流すための水の水圧によって、薄い梁部102が破壊される可能性がある。そこで、本実施形態の加速度センサ500の製造方法では、素子基板1にキャップ基板2を接合し、キャップ基板2を介して素子基板1をUVシート700に固定するので、ダイシング時において、加速度センサ本体100の105がキャップ基板2によってカバーされ、シリコンの残査が加速度センサ本体100内部に侵入することを防止し、錘部102への接着剤の付着を防止し、水圧によって梁部102が破壊されることを防止できる。

また、キャップ基板2において凹部41を形成して薄膜部40を形成するとともに凸部31を残したので、キャップ基板2全体での平均的な膜厚を確保してキャップ基板2単体でのハンドリング強度を確保することができる。また、素子基板1の凹部21にキャップ基板2の凸部31を嵌合させた状態で素子基板1とキャップ基板2とを接合することにより、凸部31の高さを凹部21の深さに吸収させて接合基板3の膜厚を低減することができる。従って、キャップ基板2のハンドリング強度の確保と加速度センサ500の膜厚の低減とを両立させることができる。

(2)第2実施形態
本実施形態では、素子基板1上に形成されるスクライブライン107の位置が第1実施形態とは異なる。第1実施形態では、スクライブライン107は、厚膜部10と薄膜部20との境界に形成したが、本実施形態では、図5(a)及び(b)に示すように、スクライブライン107を薄膜部20の略中央に形成し、隣接する加速度センサ本体100間でスクライブライン107を共用する。

図6は、第2実施形態に係る加速度センサ500の製造方法を説明する図である。同図に示すように、本実施形態では、隣接する加速度センサ500の間でスクライブライン107を共用するため、第1実施形態の場合のように隣接する加速度センサ500の間に2本のスクライブライン107を形成する場合に比較してスクライブライン107の加工精度を緩和することができるとともに、ダイシングの回数を低減することができる。図7は、本実施形態に係る素子基板1を用いて形成された加速度センサ500の断面図である。この加速度センサ500は、第1実施形態に係る加速度センサ500の周囲に、素子基板1の薄膜部20の一部とキャップ基板2の凸部31の一部とからなる外周部をさらに備えている。本実施形態に係る加速度センサ500は、第1実施形態の加速度センサ500に比較して外周部の分だけ広がるが、隣接する加速度センサ500間でスクライブライン107を共用するため、加速度センサ500間に残る不要な部分を出さずに済む。

第1実施形態に係る素子基板の平面図(a)、裏面図(b)、断面図(c)。 キャップ基板の平面図(a)、断面図(b)。 第1実施形態に係る加速度センサの製造方法を説明する図。 第1実施形態に係る加速度センサの断面図。 第2実施形態に係る素子基板の平面図(a)、裏面図(b)、断面図(c)。 第2実施形態に係る加速度センサの製造方法を説明する図。 第2実施形態に係る加速度センサの断面図。

符号の説明

1 素子基板
2 キャップ基板
3 接合基板
10 厚膜部
20 薄膜部
21 凹部
30 厚膜部
31 凸部
40 薄膜部
41 凹部
100 加速度センサ本体
101 周辺部
102 錘部
103 梁部
104 開口部
107 スクライブライン
500 加速度センサ
600 接着剤
700 UVシート

Claims (11)

  1. 第1基板にMEMSデバイス本体を形成するステップと、
    前記第1基板上において前記MEMSデバイス本体の周囲に凹部を形成するステップと、
    第2基板に前記凹部に合致する凸部を形成するステップと、
    前記凸部を前記凹部に嵌合させて前記第1基板と前記第2基板とを接合して第3基板を形成するステップと、
    前記第3基板を前記第2基板側でUVシートに貼り付けるステップと、
    前記第3基板をダイシングして前記MEMSデバイス本体を分離するステップと、
    を含むことを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。
  2. 前記MEMSデバイス本体は加速度センサであり、
    前記加速度センサは、前記第1基板に形成された開口部と、前記開口部を囲む周辺部と、前記開口部に配置された錘部と、前記錘部を前記周辺部に支持する梁部とを有することを特徴とする、請求項1に記載のMEMSデバイスの製造方法。
  3. 前記第2基板はシリコン基板であることを特徴とする、請求項1に記載のMEMSデバイスの製造方法。
  4. 前記第2基板はガラス基板であることを特徴とする、請求項1に記載のMEMSデバイスの製造方法。
  5. 前記第1基板と前記第2基板とを接合するステップでは、圧着によって前記第1基板と前記第2基板とを接合することを特徴とする、請求項3に記載のMEMSデバイスの製造方法。
  6. 前記第1基板と前記第2基板とを接合するステップでは、陽極接合によって前記第1基板と前記第2基板とを接合することを特徴とする、請求項4に記載のMEMSデバイスの製造方法。
  7. MEMSデバイス本体と、前記MEMSデバイス本体の周囲に形成された凹部とを有する第1基板と、
    前記凹部に合致する凸部を有し、前記凸部が前記凹部に嵌合した状態で前記第1基板に接合された第2基板と、
    を備えたことを特徴とするMEMSデバイスを形成するための接合基板。
  8. 前記MEMSデバイス本体は加速度センサであり、
    前記加速度センサは、前記第1基板に形成された開口部と、前記開口部を囲む周辺部と、前記開口部に配置された錘部と、前記錘部を前記周辺部に支持する梁部とを有することを特徴とする、請求項7に記載のMEMSデバイスを形成するための接合基板。
  9. 前記第2基板はシリコン基板であることを特徴とする、請求項に記載のMEMSデバイスを形成するための接合基板。
  10. 前記第2基板はガラス基板であることを特徴とする、請求項に記載のMEMSデバイスを形成するための接合基板。
  11. 前記第1基板は、500μmの厚さを有する第1部分と、前記凹部が形成されて100μmの厚さを有する第2部分とを有し、
    前記第2基板は、100μmの厚さを有する第3部分と、前記凸部が形成されて500μmの厚さを有する第4部分とを有していることを特徴とする、請求項に記載のMEMSデバイスを形成するための接合基板。
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