JP5049656B2 - 中空封止構造体及び中空封止構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば微小電気機械部品、マイクロマシンのパッケージング等、機能素子の中空封止構造体及び中空封止構造体の製造方法に関する。
基板上に搭載された動作を伴う機能素子を中空に封止する電気機械部品等の中空封止構造体が知られている。例えば、図１８に示す中空封止構造体２１は、ベース基板２２、絶縁層２３、機能素子２４、信号用配線２５、空隙部２６、封止体としての第一封止体２７および第二封止体２８で構成されている。
機能素子２４は例えば両持ちの梁構造であり、梁中央部が信号用配線２５と数μｍ程度離間している。機能素子２４の直下の絶縁層２３には、信号用配線２５がＡｕなどで形成されている。機能素子２４は、ばね特性の高いＴｉＮ、Ａｌなどで構成されており、静電力等の駆動力を与えることで信号用配線２５の方へ近接するように変形する。また、駆動力を除くと、機能素子２４は自身のばね特性により、再び元の位置に戻る。このように駆動力に応じて機能素子２４と信号用配線２５との間隔が変化することで、可変電気容量、スイッチングなどの機能を果たす。
このような機能素子２４の動作と保護のために中空に封止する技術として、製造コストの低減や小型化のため、成膜プロセスによる薄膜を用いるものがある（例えば特許文献１参照）。通常、薄膜による中空封止は以下のように行われる。図１３に示すように、犠牲層（第１層）３２をベース基板２２及び絶縁層２３からなる基板上に形成する。ついで図１４に示すように、機能素子２４を、犠牲層３２上に形成する。図１５に示すように、この犠牲層３２上に形成された機能素子２４に、犠牲層（第２層）３３を形成し、犠牲層３３上に、第一封止体２７を形成する。図１６に示すように、第一封止体２７に、犠牲層除去用のエッチング材を導入するための開口部２７ａを形成する。
ここで、後述する第二封止体２８をスパッタリングまたは蒸着やＣＶＤ等の成膜方法で形成する場合、開口部２７ａの直下に膜材が堆積するため、機能素子から離れた位置に開口部２７ａを設ける必要がある。また、開口部２７ａ付近における第二封止体２７の下面と絶縁層２３の上面との間にはエッチング材が流通するためのスペースが必要である。ついで、図１７に示すように開口部２７ａから犠牲層除去用のエッチング材を導入し、犠牲層３２、３３を完全に除去する。最後に図１５に示すように第二封止体２８を、第一封止体２７上に形成し、開口部２７ａを閉塞する。以上により、図１８に示すように第一及び第二封止体２７，２８によって、機能素子が中空に封止される中空封止構造体が完成する。
特開２００５−２０７９５９号
しかしながら、上述した技術では、次のような問題があった。すなわち、上記の構造では犠牲層除去用のエッチング材の流通を確保するために第一封止体を大きく構成する必要がある。したがって、中空封止構造体や内部の犠牲層が大きくなり、内部の犠牲層除去時間が長くなる。また、内部と外部の圧力差による負荷も増大するため機能素子との接触や破断を引き起こす原因となる。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、中空封止構造体を小型化することができ、かつ、内部の犠牲層の除去時間を短縮できる中空封止構造体及び中空封止構造の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一形態にかかる中空封止構造体は、基板の主面に形成される凹部を第１の犠牲層によって埋める工程と、前記基板の主面に機能素子部を形成する工程と、前記機能素子部上に形成され、前記第１の犠牲層の一部と接続されるように第２の犠牲層を形成する工程と、前記第１の犠牲層及び前記第２の犠牲層の表面に被覆部を形成する工程と、前記第１の犠牲層と接する前記被腹部に設けられる開口を経て犠牲層除去用の流体を流通させ前記第１の犠牲層及び前記第２の犠牲層を除去する工程と、前記開口を閉塞する工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の一形態にかかる中空封止構造体は、基板の主面に形成される凹部を埋める凹部犠牲層を形成する工程と、前記基板上に形成された信号用配線上に、所定形状を成す段差犠牲層をさらに形成する工程と、前記段差犠牲層及び前記基板の主面上に、前記基板に支持される支持部と、前記段差犠牲層を介して前記基板から離間した状態で前記支持部に支持される梁部とを一体に備えて構成される機能素子部を形成する工程と、前記機能素子部上に、前記段差犠牲層の一部と接続されるように第２の犠牲層を形成する工程と、前記凹部犠牲層と前記段差犠牲層とで構成される第１の犠牲層及び前記第２の犠牲層の表面に被覆部を形成する工程と、前記第１の犠牲層と接する前記被覆部に設けられる開口を経て犠牲層除去用の流体を流通させ前記第１の犠牲層及び前記第２の犠牲層を除去する工程と、前記開口を閉塞する工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一形態にかかる中空封止構造体は、所定の主面に機能素子部が形成されるとともに前記機能素子部を囲むように凹部が形成されている基板と、前記基板の前記主面上に形成され、前記凹部及び前記機能素子部から離間して被覆する中空構造部と、前記中空構造部のうち前記凹部と隣接する領域に設けられた開口を閉塞するように設けられる封止部と、を具備することを特徴とする。
本発明の一形態にかかる中空封止構造体は、前記機能素子部は可動機構を含むマイクロマシンであること、を特徴とする。
本発明によれば、中空封止構造体を小型化することができ、かつ、内部の犠牲層の除去時間を短縮できる。
以下に本発明の第１実施形態にかかる封止構造体について、図１及び図３を参照して説明する。なお、各図において適宜構成を拡大・縮小・省略して概略的に示している。図２においては第２封止体８を省略している。
中空封止構造体１は例えば微小電気機械部品であり、基板を構成するベース基板２及び絶縁層３と、機能素子４（機能素子部）と、信号用配線５と、空隙部６と、中空構造部を構成する被覆部としての第１封止体７と、第１封止体７に形成された開口を塞ぐ封止部としての第２封止体８とを有して構成されている。
ベース基板２は、例えばシリコン（Ｓｉ）などから板状に形成されている。
絶縁層３は、ベース基板２上に形成され、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる。絶縁層３には、その底部９ｂが絶縁層３の上面（主面）３ａよりも下方に位置する凹形状を成す凹部としての溝構造部９が形成されている。溝構造部９は、パターニングにより、絶縁層３上において縦方向及び横方向に複数本延びる網目状に形成され、機能素子４及び信号用配線５の下部及びその周囲に配されている。この溝構造部９により、機能素子４及び信号用配線５の下部及びその周囲に渡って通路部９ａが形成されている。通路部９ａは、後述する第１封止体７の下方の絶縁層３を通って第１封止体７の開口７ａに連通している。
絶縁層３は、ベース基板２上に形成され、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる。絶縁層３には、その底部９ｂが絶縁層３の上面（主面）３ａよりも下方に位置する凹形状を成す凹部としての溝構造部９が形成されている。溝構造部９は、パターニングにより、絶縁層３上において縦方向及び横方向に複数本延びる網目状に形成され、機能素子４及び信号用配線５の下部及びその周囲に配されている。この溝構造部９により、機能素子４及び信号用配線５の下部及びその周囲に渡って通路部９ａが形成されている。通路部９ａは、後述する第１封止体７の下方の絶縁層３を通って第１封止体７の開口７ａに連通している。
絶縁層３の上面３ａには、信号用配線５及び機能素子４が形成されている。信号用配線５はＡｕなどで形成され、図中Ｙ方向に延びる矩形状を成している。
絶縁層３の上面３ａには、機能素子４が形成されている。機能素子４は可動機構を含むマイクロマシンであり、段差を有する片持ち梁状を成し、支持部４ａと梁部４ｂとを段差を介して一体に備えている。支持部４ａが絶縁層３の上面３ａに支持されて形成され、可動部分としての梁部４ｂが支持部４ａの上端部分から水平に延びている。この梁部４ｂは信号用配線５の上方に、信号用配線５と数μｍ程度離間して、配されている。機能素子４は、ばね特性の高いＴｉＮ、Ａｌなどで構成されており、静電力等の駆動力が与えられると信号用配線５の方へ近接し、駆動力が除去されると、自身のばね特性により、再び元の位置に戻る。すなわち、機能素子４は、駆動力に応じて信号用配線５との間隔を変化させるように変形することで、可変電気容量、スイッチングなどの機能を果たす。
第１封止体７は、機能素子４の周囲に位置する支持部７ｃと、機能素子４から離間し、空隙を介して機能素子４を上方から覆う離間部７ｄとが一体に形成されている。第１封止体７の支持部７ｃは、溝構造部９をまたがって、絶縁層３の表面部分に支持されている。溝構造部９により、支持部７ｃの下方に通路部９ａが形成される。支持部７ｃには上下方向に第１封止体７が貫通される開口７ａが複数個設けられている。複数の開口７ａは、機能素子４の周囲に並列して、機能素子４と十分離間して配置されている。したがって、後述する第２封止体８が開口７ａの下方に堆積したとしても機能素子４には影響しない。この開口７ａは、溝構造部９と隣接する領域、すなわち、ここでは溝構造部９の上方に配置され、溝構造部９と連通している。すなわち、開口７ａと通路部９ａとにより、第１封止体７の内部に形成される空隙部６と第１封止体７の外部とが連通している。
第２封止体８は、第１封止体７上に形成され、開口７ａを含む第１封止体７を外側から覆い、開口７ａを閉塞する。第２封止体８の一部は、第１封止体７の開口７ａの下に堆積している。この第２封止体８により第１封止体７の内部の空隙部６が密閉され、機能素子４が中空に封止される。
次に、本実施形態にかかる中空封止構造体１の製造方法について図４乃至図１０を参照して説明する。
まず、図４に示すように、ベース基板２上に絶縁層３を形成し、この絶縁層３上にパターニングにより、溝構造部９を形成する。図５に示すように、溝構造部９を含む絶縁層３上に、第１の犠牲層としての凹部犠牲層１２を、例えば反応性ガスで除去可能な多結晶シリコンで形成し、凹部犠牲層１２により、溝構造部９を埋める。
まず、図４に示すように、ベース基板２上に絶縁層３を形成し、この絶縁層３上にパターニングにより、溝構造部９を形成する。図５に示すように、溝構造部９を含む絶縁層３上に、第１の犠牲層としての凹部犠牲層１２を、例えば反応性ガスで除去可能な多結晶シリコンで形成し、凹部犠牲層１２により、溝構造部９を埋める。
この凹部犠牲層１２を、エッチバックあるいはＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリッシング）により、図６に示すように平坦化する。ついで、図７に示すように、平坦化された凹部犠牲層１２上に信号用配線５を形成する。
つぎに、機能素子４として、例えば、金（Ａｕ）を構成材料として用いたカンチレバー構造を有する静電駆動型高周波用スイッチを形成する。このとき、信号用配線５上に、第１の犠牲層としての所定形状の段差犠牲層１３を形成して段差を形成し、この段差犠牲層１３上に機能素子４を形成する。以上により、機能素子４が、段差を有するとともに支持部４ａと梁部４ｂを有する所定形状に形成される。すなわち本実施形態において第１の犠牲層は、凹部犠牲層１２と段差犠牲層１３とで構成される。
さらに、図８に示すように、例えば反応性ガスで除去可能な多結晶シリコンで、機能素子４を覆うように第２の犠牲層１４を形成する。このとき、第１の犠牲層である段差犠牲層１３の一部と接続されるように第２の犠牲層１４を形成する。
この第２の犠牲層１４上に、図９に示すように、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ）により、第１封止体７を形成する。このとき、パターニングにより、機能素子４から離れた場所において、上下に貫通する開口７ａを形成する。すなわち、この開口７ａでは第２の犠牲層１４は第１封止体によって覆われていない。
ついで、図１０に示すように、開口７ａを通じて凹部犠牲層１２、段差犠牲層１３および第２の犠牲層１４を除去する。除去方法としては、例えば、多結晶シリコンを選択的に除去するＸｅＦ２ガスを、開口７ａを通じて導入することにより、開口７ａに連通する通路部９ａを通じて凹部犠牲層１２、段差犠牲層１３および第２の犠牲層１４が除去される。
この結果、凹部犠牲層１２、段差犠牲層１３および第２の犠牲層１４が、同時に除去されることによって、第１封止体７の内部に空隙部６が形成される。また、機能素子４と信号用配線５の下に形成された溝構造部９の凹部犠牲層１２も除去されるため、機能素子４および信号用配線５は、その一部がベース基板２及び絶縁層３から浮いた状態となる。
空隙部６の形成後、第１封止体７の上部から、例えば、開口７ａを埋めるのに十分な厚さのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を成膜することにより、第２封止体８を形成する。
以上により第２封止体８により開口７ａが密閉され、第１封止体７及び第２封止体８により、空隙部６を介して内部の機能素子４が封止され、図１乃至図３に示す中空封止構造体１が完成する。
本実施形態にかかる及び中空封止構造体１及び中空封止構造体１の製造方法は以下に掲げる効果を奏する。絶縁層３に、開口７ａを介して第１封止体７の外部と第１封止体７の内部とを連通する通路部９ａを形成し、この通路部９ａを通じて犠牲層除去を行うことにより、溝構造部９を設けない場合と比べて第１封止体及び第２封止体８をベース基板２、絶縁層３の上面や機能素子４の近くに配置できるため、中空封止構造体１全体を小さく構成することが可能となる。すなわち、支持部７ｃを絶縁層３の主面に支持させるとともにこの直下に、底部が一段下がった溝構造の通路部９ａを連通させることで、第１封止体７にガス導入用の段差を設ける必要がなく第１封止体７を主面上に直接形成することができる。したがって、主面が平坦である場合にガス通路確保のために必要であった第１封止体と絶縁層の主面との間の間隔を省略することができる。中空封止構造体自体の堆積や内部の犠牲層の体積を減らすことができ、小型化が可能となるとともに犠牲層除去の時間短縮を図ることができる。
また、溝構造部９を機能素子４及び信号用配線５の下方に巡らせ、機能素子４と信号用配線５が一部、ベース基板２及び絶縁層３から浮く構造となるため、見かけ上ポーラスな状態となる。したがって、見かけ上のベース基板２の誘電率を低下せしめ、これによりベース基板２と機能素子４及び信号用配線５との間の寄生容量を低減し、高周波特性を向上させることができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各構成要素の材質、形状、配置、サイズ、構造・動作等を適宜変更して実施することができる。例えば、パターニング方法や犠牲層の除去方法の一例としては、エッチングガスによるドライエッチングや、薬液によるウェットエッチング等が挙げられる。また、凹部犠牲層１２、段差犠牲層１３及び第２の犠牲層１４は同一でなくてもかまわない。
また、上記第１実施形態にかかる製造方法においては、ベース基板２上に絶縁層３を形成して基板を構成したが、図１１に示すように、絶縁層３を形成しないで、ベース基板２のみを基板とし、このベース基板２上に直接パターニングして溝構造部９を形成してもよい。また、図１２に示すように、例えばパターニングにより溝構造部９が形成されたベース基板２に、熱酸化により表面にシリコン酸化膜による絶縁層３を成膜しても溝構造部９を作成することが可能である。凹部の構造はベース基板２中を通るトンネル構造であってもよい。さらに、図６で示す平坦化処理を省略することも可能である。さらに、第１の犠牲層は凹部犠牲層１２と段差犠牲層１３との２段構造で構成されるものとしたが、段差犠牲層１３を省略することも可能である。
この他、本発明は、実施段階においてその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１…中空封止構造体、２…ベース基板（基板）、３…絶縁層（基板）、４…機能素子（機能素子部）、４ａ…支持部、４ｂ…梁部、５…信号用配線、６…空隙部、７…第１封止体（被覆部）、７ａ…開口部、７ｃ…支持部、７ｄ…離間部、８…第２封止体（封止部）、９…溝構造部（凹部）、９ａ…通路部、９ｂ…底部、１２…凹部犠牲層（第１の犠牲層）、１３…段差犠牲層（第１の犠牲層）、１４…第２の犠牲層。
Claims (4)
- 基板の主面に形成される凹部を第１の犠牲層によって埋める工程と、
前記基板の主面に機能素子部を形成する工程と、
前記機能素子部上に形成され、前記第１の犠牲層の一部と接続されるように第２の犠牲層を形成する工程と、
前記第１の犠牲層及び前記第２の犠牲層の表面に被覆部を形成する工程と、
前記第１の犠牲層と接する前記被覆部に設けられる開口を経て犠牲層除去用の流体を流通させ前記第１の犠牲層及び前記第２の犠牲層を除去する工程と、
前記開口を閉塞する工程と、を具備することを特徴とする中空封止構造体の製造方法。 - 基板の主面に形成される凹部を埋める凹部犠牲層を形成する工程と、
前記基板上に形成された信号用配線上に、所定形状を成す段差犠牲層をさらに形成する工程と、
前記段差犠牲層及び前記基板の主面上に、前記基板に支持される支持部と、前記段差犠牲層を介して前記基板から離間した状態で前記支持部に支持される梁部とを一体に備えて構成される機能素子部を形成する工程と、
前記機能素子部上に、前記段差犠牲層の一部と接続されるように第２の犠牲層を形成する工程と、
前記凹部犠牲層と前記段差犠牲層とで構成される第１の犠牲層及び前記第２の犠牲層の表面に被覆部を形成する工程と、
前記第１の犠牲層と接する前記被覆部に設けられる開口を経て犠牲層除去用の流体を流通させ前記第１の犠牲層及び前記第２の犠牲層を除去する工程と、
前記開口を閉塞する工程と、を備えたことを特徴とする中空封止構造体の製造方法。 - 所定の主面に機能素子部が形成されるとともに前記機能素子部を囲むように凹部が形成されている基板と、
前記基板の前記主面上に形成され、前記凹部及び前記機能素子部から離間して被覆する被覆部と、
前記被覆部のうち前記凹部と隣接する領域に設けられた開口を閉塞するように設けられる封止部と、
を具備することを特徴とする中空封止構造体。 - 前記機能素子部は可動機構を含むマイクロマシンであること、を特徴とする請求項３記載の中空封止構造体。
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