JP5014589B2

JP5014589B2 - Ｍｅｍｓパッケージ

Info

Publication number: JP5014589B2
Application number: JP2005146842A
Authority: JP
Inventors: 泰弘吉川; 浩之田尻
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: JP2006321016A

Description

本発明は、Micro Electro Mechanical System（以下ＭＥＭＳ）素子が組み込まれることにより、たとえばセンサやアクチュエータとして構成されたＭＥＭＳパッケージに関する。

従来のＭＥＭＳパッケージとしては、図７に示すものがある（たとえば、特許文献１参照）。同図に示されたＭＥＭＳパッケージＸは、基板９１にＭＥＭＳ素子Ｙおよび制御部９５ａ，９５ｂが搭載されており、静電容量型の加速度センサとして構成されている。基板９１、ＭＥＭＳ素子Ｙ、および制御部９５ａ，９５ｂは、パッケージ樹脂９６により覆われている。パッケージ樹脂９６からは、実装用の複数の外部端子９７が延出している。

図８は、ＭＥＭＳ素子Ｙの分解斜視図である。本図に示されるように、ＭＥＭＳ素子Ｙは、一対のガラス基板９２ａ，９２ｃとＳｉ基板９２ｂとが積層された構成とされている。Ｓｉ基板９２ｂには、可動部９４ａと支持部９４ｂとからなる可動電極９４が造り込まれている。このようなＳｉ基板９２ｂを有するＭＥＭＳ素子Ｙは、一般にバルク方式のＭＥＭＳ素子と呼ばれる。

一対のガラス基板９２ａ，９２ｃには、それぞれ固定電極９３ａ，９３ｂが形成されている。可動部９４ａと固定電極９３ａ，９３ｂとは、互いに離間しつつ対向しており、これらの間に２つの静電容量が形成されている。図中上下方向の加速度が生じると、可動電極９４が上下動する。これにより、上記２つの静電容量が変化する。ＭＥＭＳパッケージＸは、これらの静電容量の変化を読み取ることにより、上記加速度の大きさを検出可能に構成されている。

しかしながら、ＭＥＭＳパッケージＸに対しては、薄型化の要請が強くなっている。たとえば、記録媒体としてＨＤＤを備えた携帯電話機にＭＥＭＳパッケージＸを搭載することが提案されている。この携帯電話機に過大な加速度が生じたことをＭＥＭＳパッケージＸにより検出すれば、この携帯電話機が落とされた際の衝撃などから上記ＨＤＤを保護することができる。このような用途にＭＥＭＳパッケージＸを用いるには、上記携帯電話機に搭載可能な程度に薄型化を図ることが求められる。

これに対し、ＭＥＭＳパッケージＸは、バルク方式のＭＥＭＳ素子Ｙを用いているため、比較的厚いものとなっている。すなわち、ＭＥＭＳ素子ＹのＳｉ基板９２ｂは、比較的厚いＳｉ材料を削り込むことにより可動電極９４が造り込まれている。このため、Ｓｉ基板９２ｂとガラス基板９２ａ，９２ｃとが積層されたＭＥＭＳ素子Ｙも厚いものとなる。ＭＥＭＳパッケージＸは、ＭＥＭＳ素子Ｙをパッケージ樹脂９６により封止した構造であるため、さらに厚いものとなる。したがって、ＭＥＭＳパッケージＸは、上述した薄型化の要請に十分には応えられなかった。

特開２００４−１２３２７号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、薄型化を図ることが可能なＭＥＭＳパッケージを提供することをその課題とする。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明によって提供されるＭＥＭＳパッケージは、基板と、上記基板上に形成されており、かつ第１電極およびこの第１電極と離間しつつ対向する可動部を有する第２電極を具備するＭＥＭＳ素子と、パッケージ樹脂と、実装用の外部端子と、を備えるＭＥＭＳパッケージであって、上記第１電極および上記第２電極は、導体薄膜からなるとともに、上記可動部には、複数の貫通孔が形成されており、上記ＭＥＭＳ素子は、当該ＭＥＭＳ素子を囲むように上記基板上に形成された枠状突起と、当該枠状突起に接合されて上記ＭＥＭＳ素子を覆うとともにＳｉからなり、上記ＭＥＭＳ素子と対向する一面にＩＣが造り込まれている保護プレートとにより形成される空間に収容されており、上記枠状突起および上記保護プレートは、上記パッケージ樹脂によってさらに覆われており、かつ、上記基板は、セラミックからなるとともに、上記外部端子は、当該基板における上記パッケージ樹脂から露出する部位に形成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、上記ＭＥＭＳ素子をいわゆるサーフェス方式のＭＥＭＳ素子として構成することが可能である。サーフェス方式のＭＥＭＳ素子は、いわゆるバルク方式のＭＥＭＳ素子と比べて厚さが薄い。したがって、上記ＭＥＭＳパッケージの薄型化が可能であり、たとえば携帯電話機に搭載するのに適している。なお、本発明でいう導体薄膜とは、真空蒸着、イオンスパッタなどによって得られる導体からなる膜であり、その膜厚が数μｍ程度のものをいう。また、このような構成によれば、上記基板を絶縁性と機械的強度とに優れたものとすることが可能であり、上記ＭＥＭＳパッケージの薄型化に有利である。また、このような構成によれば、上記ＭＥＭＳパッケージに用いられた上記ＭＥＭＳ素子の製造において、上記第１電極と上記第２電極とを離間させることを目的として、ドライエッチングによりいわゆる犠牲層を除去することが可能である。ドライエッチングによれば、上記第２電極が上記第１電極に対して付着するおそれがない。したがって、上記第２電極の上記可動部の拡大化、および上記可動部と上記第１電極との間の隙間の縮小化に適しており、上記ＭＥＭＳ素子の静電容量を大きくすることができる。これは、たとえば上記ＭＥＭＳパッケージが静電容量型の加速度センサとして構成された場合に、その加速度の検出精度を高めるのに適している。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記貫通孔は、その開口幅が上記第１電極と上記第２電極の上記可動部との距離の５〜１０倍である。このような構成によれば、ドライエッチングを用いて上記犠牲層を適切に除去しつつ、上記可動部の開口率が不当に大きくなることを回避することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の貫通孔は、互いに同じサイズのものが一定の密度で配置されている。このような構成によれば、上記犠牲層を均一に除去するのに適している。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の貫通孔は、マトリクス状に配置されている。このような構成によれば、上記犠牲層を均一に除去するのにさらに適している。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の貫通孔は、上記第１電極と上記第２電極の上記可動部との距離の１５〜２５倍のピッチで配置されている。このような構成によれば、ドライエッチングを用いて上記犠牲層を均一に除去しつつ、上記可動部の開口率が不当に大きくなることを回避することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記空隙部を挟んで上記基板と対向する保護プレートをさらに備える。このような構成によれば、上記空隙部を上記ＭＥＭＳ素子を収容可能なサイズとするのに適している。したがって、上記ＭＥＭＳ素子を適切に機能させることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記保護プレートは、Ｓｉからなり、かつその一面にＩＣが造り込まれている。このような構成によれば、上記ＩＣを備えることにより上記ＭＥＭＳパッケージの高機能化を図りつつ、上記ＭＥＭＳパッケージの薄型化を達成することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図４は、本発明に係るＭＥＭＳパッケージの一例を示している。これらの図に示されたＭＥＭＳパッケージＡは、基板１、ＭＥＭＳ素子Ｅ、保護プレート６、パッケージ樹脂７、および外部端子８ａ，８ｂ，８ｃを備えており、静電容量型の加速度センサとして構成されている。

基板１は、ＭＥＭＳ素子Ｅを支持するためのものであり、たとえばＡｌ₂Ｏ₃などの絶縁材料からなる。本実施形態においては、基板１は、略矩形状であり、その厚さが０．５ｍｍ程度とされている。基板１の図中上面は、グレーズ層１１により覆われている。グレーズ層１１は、ＭＥＭＳ素子Ｅを形成するのに適した平滑面を形成するためのものであり、たとえばガラス成分を含む液体を印刷した後に焼成することにより形成される。

図５は、ＭＥＭＳパッケージＡのうちＭＥＭＳ素子Ｅを含む部分を拡大して示す要部斜視図であり、図６は、その要部断面図である。ＭＥＭＳ素子Ｅは、基板１上に形成された第１電極としての下層電極２、第２電極としての上層電極３、絶縁層４、および支持層２１とを備えている。後述するように、下層電極２および上層電極３が導体薄膜からなることにより、ＭＥＭＳ素子Ｅは、いわゆるサーフェス方式のＭＥＭＳ素子として構成されている。

下層電極２は、グレーズ層１１上に形成されており、２ｍｍ角程度の略矩形状とされている。下層電極２は、たとえばＡｌの薄膜からなり、その厚さが１．２μｍ程度とされる。下層電極２の形成は、たとえばグレーズ層１１上にＡｌを用いたスパッタによりＡｌの薄膜を形成した後に、ウエットエッチングを用いたパターニングを施すことにより行われる。下層電極２には、配線８１が繋がっている。

下層電極２の両側方には、一対の支持層２１が形成されている。支持層２１は、上部電極３を基板１に対して固定するためのものである。支持層２は、たとえば下部電極２と同様にＡｌの薄膜からなり、その厚さが１．２μｍ程度とされる。支持層２１の形成は、上述した下層電極２の形成と同時に行うことができる。一方の支持層２１には配線８１が繋がっている。

一対の支持層２１の図中上方には、一対のバリアメタル層５１を介して一対の絶縁層４が積層されている。絶縁層４は、たとえばＳｉからなり、その厚さが２．０μｍ程度とされる。バリアメタル層５１は、支持層２１と絶縁層４とが不当に反応することを防止するためのものである。バリアメタル層５１は、たとえばＴｉＮからなり、その厚さが２５０Å程度とされる。バリアメタル層５１の形成は、ＴｉＮを用いたスパッタによりＴｉＮの薄膜を形成した後に、ドライエッチングを用いたパターニングを施すことにより行われる。絶縁層４の形成については、後述する。

一対の絶縁層４の図中上方には、一対のバリアメタル層５２を介して上層電極３が設けられている。バリアメタル層５２は、絶縁層４と上層電極３とが不当に反応することを防止するためのものである。バリアメタル層５２は、たとえばＴｉＮからなり、その厚さが２５０Å程度とされる。バリアメタル層５２の形成は、上述したバリアメタル層５１の形成と同様の手法により行われる。

上層電極３は、駆動部３１、一対の支持部３２および一対のアンカー部３３を有している。上層電極３は、たとえばＡｌの薄膜からなり、その厚さが０．６μｍ程度とされる。

可動部３１は、下層電極２と距離ｄを隔てて対向しており、下層電極２との間にＭＥＭＳ素子Ｅの静電容量を形成するためのものである。本実施形態においては、距離ｄは、２．０μｍ程度とされ、絶縁層４の厚さとほぼ同じである。可動部３１は、下層電極２と同様に２ｍｍ角程度の略矩形状である。

可動部３１には、複数の貫通孔３１ａがマトリクス状に形成されている。貫通孔３１ａは、断面正方形状であり、開口幅としての一辺の長さｗが１５μｍ程度とされる。一辺の長さｗとしては、距離ｄの５〜１０倍程度が好ましい。また、複数の貫通孔３１ａのピッチｐは、４０μｍ程度とされる。ピッチｐとしては、距離ｄの１５〜２５倍程度が好ましい。可動部３１は、一対の支持部３２を介して一対のアンカー部３３に繋がっており、いわゆる両持ち支持されている。なお、図５および図６において、長さｗおよびピッチｐと、距離ｄとは、作図の便宜上、上述した寸法関係とは異なる比率で表されている。

支持部３２は、可動部３１と比べて細状とされており、比較的弾性変形が容易となっている。図中上下方向の加速度が生じると、支持部３２には、可動部３１の質量に比例した慣性力が作用する。この慣性力により支持部３２が撓むこととなり、可動部３１の上下動が許容される。

一対のアンカー部３３は、上層電極３を基板１に対して固定するためのものであり、バリアメタル層５２を介して絶縁層４に接合されている。また、図６に示すように、図中左側のアンカー部３３は、スルーホール４ａを利用して、図中左側の支持層２１と繋がっている。これにより、図５において支持層２１から延びる配線８１と上層電極３とは互いに導通している。

上層電極３の形成は、たとえば次のようにして行われる。まず、下層電極２、一対の支持層２１、および一対のバリアメタル層５１を形成した後に、これらを覆うようにＳｉからなる犠牲層を形成する。この際、上記犠牲層のうち下層電極２の上方に位置する部分の厚さを２．０μｍ程度とする。次いで、上記犠牲層を覆うように、ＴｉＮ層およびＡｌ層を積層させる。これらの厚さは、それぞれ２５０Å程度、および０．６μｍ程度とする。この後に、上記Ａｌ層および上記ＴｉＮ層に対してパターニングを施し、上述した上層電極２およびバリアメタル層５２を形成する。そして、上記犠牲層のうち一対のアンカー部３３と一対の支持部２１とに挟まれた部分以外をドライエッチングにより除去する。このドライエッチングにおいては、エッチングガスを可動部３１の複数の貫通孔３１ａを通過させることにより、上記犠牲層に適切に接触させることが可能である。以上より、下層電極２と可動部３１とを、距離ｄを隔てて互いに対向させることができる。

図２〜図４に示すように、ＭＥＭＥＳ素子Ｅは、枠状突起５により囲われている。枠状突起５は、保護プレート６を支持するためのものであり、たとえばＳｉＯ₂などの絶縁体からなる。

枠状突起５の図中上端には、保護プレート６が接合されている。保護プレート６は、たとえばＳｉからなり、その厚さがたとえば０．１μｍ程度とされる。図２に示すように、保護プレート６の図中下面は、ＩＣ６ｂが造り込まれた能動面６ａとされている。ＩＣ６ｂは、ＭＥＭＳ素子Ｅの静電容量の変化から加速度を検出するための制御部となっている。図４に示すように、ＩＣ６ｂの端子（図示略）と図中左側の配線８１とは、枠状突起５に形成されたスルーホール５ａを利用して繋がっている。これにより、図２に示す複数の外部端子８ｃとＩＣ６ｂの上記端子（図示略）とは、互いに導通している。

パッケージ樹脂７は、ＭＥＭＳ素子Ｅを衝撃または湿気などから保護するためのものであり、たとえばエポキシ樹脂からなる。パッケージ樹脂７は、その厚さが１００μｍ程度であり、ＭＥＭＳ素子Ｅを収容可能な空隙部７ａが形成されている。パッケージ樹脂７の形成は、枠状突起５および保護プレート６を設けた後に、エポキシ系の樹脂材料を用いたモールド成型により行われる。この際、パッケージ樹脂７を形成するための樹脂材料は、枠状突起５および保護プレート６により遮断され、ＭＥＭＳ素子Ｅ側には、流入しない。この結果、上記樹脂材料が充填されない領域が、空隙部７ａとなる。

図１および図２に示すように、基板１の両端には、外部端子８ａ，８ｂ，８ｃが形成されている。外部端子８ａ，８ｂは、ＭＥＭＳ素子Ｅの静電容量の計測に用いられる。外部端子８ｃは、ＩＣ６ｂとの信号送受に用いられる。なお、外部端子８ｃのみを備え、外部端子８ａ，８ｂを備えない構成としてもよい。この場合は、ＭＥＭＳパッケージＡ内において、ＭＥＭＳ素子Eの下層電極２および上層電極３とＩＣ６とｂを導通させる。

次に、ＭＥＭＳパッケージＡの作用について説明する。

本実施形態によれば、ＭＥＭＳ素子Ｅとして、いわゆるサーフェス方式のＭＥＭＳ素子が用いられている。ＭＥＭＳ素子Ｅは、下層電極２および上層電極３がＡｌの薄膜からなるため、たとえば４μｍ程度の薄状である。それゆえ、ＭＥＭＳ素子Ｅを保護するパッケージ樹脂７の厚さを１００μｍ程度とすることが可能である。これにより、ＭＥＭＳパッケージＡの厚さを、０．６ｍｍ程度とし、その薄型化を図ることができる。したがって、ＭＥＭＳパッケージＡは、たとえばＨＤＤを備えた携帯電話機に搭載するのに適している。

基板１をセラミックスにより形成することにより、基板１の絶縁性を高めるとともに、基板１を比較的高強度を有するものとすることが可能である。これにより、基板１の薄型化を図った場合であっても、不当な電気導通を防止し、外力などによる破損を回避できる。したがって、ＭＥＭＳパッケージＡの薄型化に好適である。

また、ＭＥＭＳ素子Ｅの製造工程においては、可動部３１に形成された複数の貫通孔３１ａを利用して、上述した犠牲層をドライエッチングにより適切に除去できる。ドライエッチングによれば、上記犠牲層を除去する処理において、可動部３１が下層電極２に付着するおそれがない。このため、可動部３１の拡大化、および距離ｄの縮小化が可能である。ＭＥＭＳ素子Ｅの静電容量は、可動部３１のサイズに比例し、距離ｄに反比例する。したがって、ＭＥＭＳ素子Ｅの静電容量を大きくするのに適している。ＭＥＭＳ素子Ｅの静電容量が大きいほど、加速度に起因する静電容量の変化量を検出しやすいという利点がある。また、距離ｄが小さいほど、加速度に起因して可動部３１が上下動した場合に、ＭＥＭＳ素子Ｅの静電容量の変化量が大きくなる。以上より、加速度センサとしてのＭＥＭＳパッケージＡの検出精度を高めるのに適している。

複数の貫通孔３１ａを、１辺の長さｗが１５μｍ程度の断面正方形状とすることにより、これらの貫通孔３１ａを利用して上記犠牲層を除去するためのエッチングガスを適切に通過させることが可能である。１辺の長さｗとしては、距離ｄの５〜１０倍程度とすれば、上記エッチングガスを適切に通過させるとともに、可動部３１の開口率を不当に大きくしてしまうおそれがない。

また、隣り合う貫通孔３１ａのピッチｐを４０μｍとすれば、隣り合う貫通孔３１ａを通過した上記エッチングガスにより、上記犠牲層を比較的短時間で除去することができる。上記犠牲層の除去時間の短縮と、可動部３１の開口率の不当な増大防止との観点から、ピッチｐとしては、距離ｄの１５〜２５倍程度が好ましい。

なお、本実施形態とは異なり、ＭＥＭＳパッケージＡをアクチュエータとして構成した場合においても、その動作精度を高めることができる。すなわち、駆動部として機能する可動部３１のサイズが大きいほど、可動部３１と下層電極２との間に電圧を印加した際の可動部３１の上下動を大きくすることができる。また、可動部３１と下層電極２との距離ｄが小さいほど、可動部３１と下層電極２とに印加した電圧の変動によって可動部３１に作用する力も大きくなる。これらは、アクチュエータとしてのＭＥＭＳパッケージＡの動作精度の向上に有利である。アクチュエータの例としては、たとえば可動部３１がいわゆるミラーであるとともに、パッケージ樹脂７および保護プレート６が透光性を有する構成とされた、光路切り替え用のミラーデバイスがある。

本発明に係るＭＥＭＳパッケージは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るＭＥＭＳパッケージの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

下層電極および上層電極としては、Ａｌの薄膜からなるものに限定されず、導体薄膜からなるものであればよい。可動部としては、矩形状のものに限定されず、矩形状以外の多角形状や円形状であってもよい。第２電極としての上層電極は、可動部が両持ち支持された構造に限定されず、たとえば可動部が片持ち支持された構造であってもよい。

複数の貫通孔としては、断面正方形状のものに限定されず、たとえば断面円形状であってもよい。断面円形状の貫通孔の場合、その直径が本発明でいう開口幅に相当する。複数の貫通孔の配置としては、マトリクス状に限定されず、たとえば近接する３つの貫通孔が正三角形の頂点に相当する配置であってもよい。

保護プレートにＩＣが造り込まれた構成のほかに、保護プレートとは別体とされたＩＣが基板上に設けられた構成としてもよい。この場合、保護プレート６の材質としては、たとえばガラスを用いることができる。基板の材質としては、セラミックスに限定されず、絶縁性と機械的強度とに優れた材質であればよい。

本発明に係るＭＥＭＳパッケージは、加速度センサをはじめフローセンサなどの各種センサ、アクチュエータなど、様々なデバイスとして構成可能である。

本発明に係るＭＥＭＳパッケージの一例を示す全体斜視図である。本発明に係るＭＥＭＳパッケージの一例を示す分解斜視図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。図１に示すＭＥＭＳパッケージに用いられるＭＥＭＳ素子の一例を示す要部斜視図である。図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う要部断面図である。従来のＭＥＭＳパッケージの一例を示す一部断面斜視図である。従来のＭＥＭＳパッケージの一例に用いられるＭＥＭＳ素子を示す分解斜視図である。

符号の説明

ＡＭＥＭＳパッケージ
ＥＭＥＭＳ素子
ｄ距離
ｐピッチ
ｗ一辺の長さ（開口幅）
１基板
２下層電極（第１電極）
３上層電極（第２電極）
４絶縁層
５枠状突起
６保護プレート
６ａ能動面
６ｂＩＣ
７パッケージ樹脂
７ａ空隙部
８ａ，８ｂ，８ｃ外部端子
１１グレーズ層
２１支持層
３１可動部
３１ａ貫通孔
３２支持部
３３アンカー部
５１，５２バリアメタル層
８１配線

Claims

基板と、
上記基板上に形成されており、かつ第１電極およびこの第１電極と離間しつつ対向する可動部を有する第２電極を具備するＭＥＭＳ素子と、
パッケージ樹脂と、
実装用の外部端子と、
を備えるＭＥＭＳパッケージであって、
上記第１電極および上記第２電極は、導体薄膜からなるとともに、上記可動部には、複数の貫通孔が形成されており、
上記ＭＥＭＳ素子は、当該ＭＥＭＳ素子を囲むように上記基板上に形成された枠状突起と、当該枠状突起に接合されて上記ＭＥＭＳ素子を覆うとともにＳｉからなり、上記ＭＥＭＳ素子と対向する一面にＩＣが造り込まれている保護プレートとにより形成される空間に収容されており、
上記枠状突起および上記保護プレートは、上記パッケージ樹脂によってさらに覆われており、かつ、
上記基板は、セラミックからなるとともに、上記外部端子は、当該基板における上記パッケージ樹脂から露出する部位に形成されていることを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
上記貫通孔は、その開口幅が上記第１電極と上記第２電極の上記可動部との距離の５〜１０倍である、請求項１に記載のＭＥＭＳパッケージ。
上記複数の貫通孔は、互いに同じサイズのものが一定の密度で配置されている、請求項１または２に記載のＭＥＭＳパッケージ。
上記複数の貫通孔は、マトリクス状に配置されている、請求項３に記載のＭＥＭＳパッケージ。
上記複数の貫通孔は、上記第１電極と上記第２電極の上記可動部との距離の１５〜２５倍のピッチで配置されている、請求項３または４に記載のＭＥＭＳパッケージ。