JP5314979B2 - MEMS sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコン(Silicon)層を微細加工して形成されたMEMSセンサに係り、特に、薄型で且つ可動領域の密閉機能に優れたMEMSセンサに関する。 The present invention relates to a MEMS sensor formed by finely processing a silicon layer, and more particularly to a MEMS sensor that is thin and has an excellent sealing function in a movable region.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)センサは、SOI(Silicon on Insulator)層を構成するシリコン(Si)ウエハを微細加工することで、可動電極部と固定電極部が形成されている。この微細なセンサは、可動電極部の動作により、加速度センサ、圧力センサ、振動型ジャイロ、またはマイクロリレーなどとして使用される。 In a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) sensor, a movable electrode part and a fixed electrode part are formed by finely processing a silicon (Si) wafer constituting an SOI (Silicon on Insulator) layer. This fine sensor is used as an acceleration sensor, a pressure sensor, a vibration gyro, a micro relay, or the like depending on the operation of the movable electrode portion.
以下の特許文献1に記載されたMEMSセンサは、SOI層の一方のシリコンウエハで支持基板が形成され、他方のシリコンウエハで可動部とこの可動部を囲む配線部が形成されている。また、シリコン基板で形成されたキャップ層が前記配線部の表面に接着剤で接着されて固定されている。 In the MEMS sensor described in Patent Document 1 below, a support substrate is formed by one silicon wafer of an SOI layer, and a movable portion and a wiring portion surrounding the movable portion are formed by the other silicon wafer. In addition, a cap layer formed of a silicon substrate is bonded and fixed to the surface of the wiring portion with an adhesive.
前記キャップ層には、前記可動部に対向する部分に凹部が形成されており、可動部の表面とキャップ層との間に可動余裕となる空間部が形成されている。
特許文献1に記載されているMEMSセンサは、可動部の厚さ方向の可動余裕を設けるためにキャップ層に凹部が形成されている。しかし、凹部を形成したことによるキャップ層の強度の低下を避けるためにはキャップ層を厚くすることが必要になり、結果としてセンサ全体の薄型化を実現しにくくなる。また、凹部を形成できるキャップ層を使用できず、例えば、可動部をICパッケージの表面に直接に対向させたいような場合には、前記のように凹部を形成する構造を採用できない。 In the MEMS sensor described in Patent Document 1, a concave portion is formed in the cap layer in order to provide a movable margin in the thickness direction of the movable portion. However, in order to avoid a reduction in the strength of the cap layer due to the formation of the recess, it is necessary to increase the thickness of the cap layer, and as a result, it is difficult to realize a reduction in the thickness of the entire sensor. In addition, a cap layer that can form a recess cannot be used. For example, when the movable part is desired to be directly opposed to the surface of the IC package, the structure for forming the recess as described above cannot be employed.
また、特許文献1に記載されたMEMSセンサは、可動部を囲むように設けられた配線部とキャップ部とが接着剤によって接着された構造であるため、可動部の可動領域の密閉度を十分に高くできない可能性がある。密閉度を高くするために接着剤の量を多くすると、接着剤が可動部に付着するおそれがある。さらに、接着剤によるシール部と可動部の可動領域との間に距離を空けることが必要になり、センサ全体が大きくなるのを避けることができない。 Moreover, since the MEMS sensor described in Patent Document 1 has a structure in which a wiring part and a cap part provided so as to surround the movable part are bonded by an adhesive, the degree of sealing of the movable area of the movable part is sufficiently high. May not be high. If the amount of the adhesive is increased to increase the sealing degree, the adhesive may adhere to the movable part. Furthermore, it is necessary to provide a distance between the seal portion by the adhesive and the movable region of the movable portion, and it is inevitable that the entire sensor becomes large.
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、薄型で且つ小型でパッケージングでき、しかも可動部の厚み方向への可動余裕(マージン)を確保しやすい構造のMEMSセンサを提供することを目的としている。 The present invention solves the above-described conventional problems, and provides a MEMS sensor having a structure that can be packaged in a thin and small size and that can easily secure a movable margin (margin) in the thickness direction of the movable portion. It is aimed.
また本発明は、可動部の可動領域を囲むシール層の密閉信頼性を高めることができ、しかもシール層を形成する材料が可動電極部の動作に悪影響を与えにくい構造のMEMSセンサを提供することを目的としている。 Another object of the present invention is to provide a MEMS sensor having a structure in which the sealing reliability of the seal layer surrounding the movable region of the movable part can be improved and the material forming the seal layer does not adversely affect the operation of the movable electrode part. It is an object.
本発明は、支持基板と、前記支持基板に支持された可動電極部ならびに固定電極部を有する機能層と、シリコンウエハであるキャップ基板と、を有するMEMSセンサにおいて、
前記可動電極部と前記固定電極部のそれぞれに設けられた支持導通部の第1の側の表面が、第1の絶縁層を介して前記支持基板に固定され、前記キャップ基板の前記機能層に対向する表面の全面に第2の絶縁層が形成されて、それぞれの前記支持導通部の第2の側の表面に設けられた接続金属層と、前記第2の絶縁層の表面に設けられて前記接続金属層と異なる金属で形成された接続電極部とが、共晶接合または拡散接合によって接続されており、
前記第2の絶縁層の内部に、前記接続電極部と導通するリード層が設けられ、前記リード層が、前記第2の絶縁層の内部を通過して、前記機能層が重ねられている領域よりも外側に延びており、
前記可動電極部および前記固定電極部の前記支持導通部以外の部分の第2の側の表面が、前記支持導通部の第2の側の表面よりも前記第2の絶縁層から離れる位置に後退していることを特徴とするものである。
The present invention provides a MEMS sensor comprising a support substrate, a functional layer having a movable electrode portion and a fixed electrode portion supported by the support substrate, and a cap substrate that is a silicon wafer .
The surface on the first side of the support conducting portion provided in each of the movable electrode portion and the fixed electrode portion is fixed to the support substrate via a first insulating layer, and is attached to the functional layer of the cap substrate. the entire surface of the opposing surfaces a second insulating layer is formed, and each of the support conductive unit second side connecting metal layer provided on the surface of, provided on a surface of the second insulating layer The connection electrode layer formed of a metal different from the connection metal layer is connected by eutectic bonding or diffusion bonding ,
A region in which a lead layer conducting to the connection electrode portion is provided inside the second insulating layer, and the lead layer passes through the inside of the second insulating layer and the functional layer is overlaid. Extending outside,
The surface on the second side of the movable electrode portion and the fixed electrode portion other than the support conducting portion is set back to a position farther from the second insulating layer than the second side surface of the support conducting portion. It is characterized by that.
本発明のMEMSセンサは、第2の側の表面において、可動電極部と固定電極部の支持導通部以外の部分が後退しているため、可動電極部の可動部と支持母体との間の可動余裕を十分に確保しやすい。そのため、支持母体を加工することが不要になり、支持母体としてICパッケージの表面などを利用することが可能になる。また、支持母体としてキャップ基板を使用したときには、キャップ基板を十分な厚さにしてもセンサ全体を薄型にできる。 In the MEMS sensor of the present invention, since the portion other than the support conductive portion of the movable electrode portion and the fixed electrode portion is retracted on the surface on the second side, the movable portion between the movable portion of the movable electrode portion and the support base is movable. It is easy to secure a sufficient margin. Therefore, it becomes unnecessary to process the support matrix, and the surface of the IC package or the like can be used as the support matrix. Further, when a cap substrate is used as the support base, the entire sensor can be made thin even if the cap substrate is sufficiently thick.
本発明は、それぞれの支持導通部と支持母体とが、接続電極部と接続金属層との接合層を介して接合されているため、この接合層の厚さ寸法が薄いために、センサ全体を薄型に構成できる。さらに、接合層の金属が可動電極部の可動領域に流れ込むことも生じにくい。 The present invention includes a respective supporting conducting portions and the support base is, since it is bonded via a bonding layer between the connection metal layer and the connection electrode portions, for the thickness of the bonding layer is thin, the entire sensor Can be thin. Furthermore, it is difficult for the metal of the bonding layer to flow into the movable region of the movable electrode portion.
また、可動電極部と支持母体との間に可動余裕を確保できるため、接合層の厚さ寸法をできるかぎり薄くできる。接合層を薄くすることで、可動電極部と固定電極部が接合層から熱応力を受けにくくなる。熱応力による可動電極部や固定電極部の歪みを防止するためには、前記接続電極部の厚さ寸法および前記接合層の厚さ寸法が4μm以下であることが好ましい。 In addition, since a movable margin can be secured between the movable electrode portion and the support base, the thickness dimension of the bonding layer can be made as thin as possible. By making the bonding layer thin, the movable electrode portion and the fixed electrode portion are less likely to receive thermal stress from the bonding layer. In order to prevent distortion of the movable electrode portion and the fixed electrode portion due to thermal stress, the thickness dimension of the connection electrode portion and the thickness dimension of the bonding layer are preferably 4 μm or less.
また、本発明は、前記可動電極部および前記固定電極部と同じ材料で同じ厚さに形成されて、前記可動電極部および前記固定電極部の周囲を囲む枠体層が設けられ、
前記基板と前記枠体層とが、前記絶縁層を介して接合されており、
前記枠体層の第2の側の表面に前記接続金属層と同じ金属材料で形成されたシール金属層が形成され、前記支持母体に前記接続電極部と同じ金属材料で形成されたシール電極部が設けられており、前記シール金属層と前記シール電極部とが共晶接合または拡散接合されてシール層が形成されているものとして構成できる。
Further, the present invention is formed with the same material and the same thickness as the movable electrode part and the fixed electrode part, and a frame layer surrounding the movable electrode part and the fixed electrode part is provided.
The substrate and the frame layer are joined via the insulating layer,
A seal metal layer formed of the same metal material as that of the connection metal layer is formed on the second side surface of the frame body layer, and a seal electrode portion formed of the same metal material as that of the connection electrode portion on the support base. The seal metal layer and the seal electrode part are formed by eutectic bonding or diffusion bonding to form a seal layer.
可動電極部の可動領域を囲むように枠体層を設けるとともに、この枠体層と支持母体との対面部に、共晶接合または共晶接合によるシール層を形成すると、可動電極部の可動領域を囲むシール構造を薄く構成でき、センサ全体を薄型化しやすくなる。また、共晶接合または拡散接合によるシール層の金属材料が少量であるため可動電極部の可動領域に流れにくく、シール層を可動領域に接近して配置しても、前記金属材料が可動電極部の動作に悪影響を与えにくい。そのために、小型に構成しやすくなる。さらに、シール層を構成する金属層が薄く且つ小面積であるため金属層と絶縁層との熱膨張係数の差による熱応力の影響を少なくできる。 When a frame layer is provided so as to surround the movable region of the movable electrode portion, and a seal layer by eutectic bonding or eutectic bonding is formed on the facing portion of the frame layer and the support matrix, the movable region of the movable electrode portion The seal structure surrounding the sensor can be made thin, and the entire sensor can be easily thinned. Further, since the metal material of the seal layer by eutectic bonding or diffusion bonding is small, it does not easily flow to the movable region of the movable electrode portion, and even if the seal layer is arranged close to the movable region, the metal material is not movable. It is difficult to adversely affect the operation. Therefore, it becomes easy to configure in a small size. Furthermore, since the metal layer constituting the seal layer is thin and has a small area, the influence of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the metal layer and the insulating layer can be reduced.
本発明は、2枚のシリコンウエハが絶縁層を介して接合されたSOI層の一方のシリコンウエハで前記基板が形成され、他方のシリコンウエハで、前記可動電極部と前記固定電極部および前記枠体層が形成されており、それぞれの前記支持導通部と前記枠体層とを除く部分と前記基板との間で前記絶縁層が除去されているものである。 In the present invention, the substrate is formed by one silicon wafer of an SOI layer in which two silicon wafers are bonded via an insulating layer, and the movable electrode portion, the fixed electrode portion, and the frame are formed by the other silicon wafer. A body layer is formed, and the insulating layer is removed between the substrate and the portion excluding the support conduction portion and the frame body layer.
また本発明は、他方のシリコンウエハの第2の側では、それぞれの前記支持導通部の表面と前記枠体層の表面が同一面であり、それ以外の部分の表面に、支持母体から離れる位置に後退するように凹部が形成される。 Further, according to the present invention, on the second side of the other silicon wafer, the surface of each of the support conducting portions and the surface of the frame body layer are the same surface, and the surface of the other portion is away from the support base. A recess is formed so as to recede.
上記のように、SOI層の一方のシリコンウエハを第2の側から加工することで、枠体層と支持導通部の第2の側の表面以外の部分を支持母体側から後退させた形状を容易に形成できる。 As described above, by processing one silicon wafer of the SOI layer from the second side, the shape other than the frame layer and the second surface of the support conductive portion is retreated from the support base side. Can be easily formed.
本発明は、可動電極部の可動部と支持母体との間の可動余裕を十分に確保しやすい。そのため、キャップ基板を十分な厚さにしてもセンサ全体を薄型にできる。 In the present invention, it is easy to ensure a sufficient movable margin between the movable portion of the movable electrode portion and the support base. Therefore, the entire sensor can be thinned even if the cap substrate is sufficiently thick.
また、可動電極部の可動余裕を確保できるために、接続電極部および接合層をできるかぎり薄くでき、接合層の熱応力が可動電極部や固定電極部に与える影響を少なくできる。 Further, since the movable margin of the movable electrode portion can be ensured, the connection electrode portion and the bonding layer can be made as thin as possible, and the influence of the thermal stress of the bonding layer on the movable electrode portion and the fixed electrode portion can be reduced.
また、共晶または拡散による接合層を設けることで、密閉信頼性に優れた薄いシール層を形成することが可能になる。 Further, by providing a bonding layer by eutectic or diffusion, it is possible to form a thin sealing layer having excellent sealing reliability.
図1は本発明の参考例となるMEMSセンサを示すものであり、可動電極部と固定電極部および枠体層を示す平面図である。図1では支持基板の図示を省略している。図2は図1のII部の拡大図、図3はIII部の拡大図である。図4は、MEMSセンサの全体構造を示す断面図であり、図1をIV−IV線で切断した断面図に相当している。 FIG. 1 shows a MEMS sensor as a reference example of the present invention, and is a plan view showing a movable electrode portion, a fixed electrode portion, and a frame layer. In FIG. 1, the support substrate is not shown. 2 is an enlarged view of a portion II in FIG. 1, and FIG. 3 is an enlarged view of a portion III. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the entire structure of the MEMS sensor, and corresponds to a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
図4に示すように、MEMSセンサは、支持基板1と機能層10とが第1の絶縁層3a,3b,3cを介して接合されている。そして、機能層10が、支持母体であるICパッケージ100の表面101に接合されている。前記表面101は、ICパッケージ100の表面に形成された絶縁層の表面である。ICパッケージ100は、MEMSセンサの静電容量の変化を検出する検出回路やその他の回路を内蔵している。
As shown in FIG. 4, in the MEMS sensor, the support substrate 1 and the
支持基板1と機能層10および第1の絶縁層3a,3b,3cは、SOI(Silicon on Insulator)層を加工して形成されている。図7(A)に示すようにSOI層60は、2つのシリコンウエハ1A,10Aが、SiO2層である絶縁層(Insulator)3Aを挟んで一体に接合されたものである。SOI層60の一方のシリコンウエハ1Aが、支持基板1として使用され、他方のシリコンウエハ10Aが加工されて機能層10が形成されている。
The support substrate 1, the
図1と図4に示すように、機能層10は、1枚のシリコンウエハ10Aから第1の固定電極部11、第2の固定電極部13、可動電極部15および枠体層25が分離されて形成されている。さらにSOI層60の絶縁層3Aの一部が除去されて、互いに分離された第1の絶縁層3a,3b,3cが形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 4, in the
図1に示すように、機能層10の平面形状は、中心(図心)Oに対して180度の回転対称であり、且つ中心Oを通りX方向に延びる線に対して上下方向(Y方向)に対称である。
As shown in FIG. 1, the planar shape of the
図1に示すように、中心OよりもY1側に第1の固定電極部11が設けられている。第1の固定電極部11では、中心Oに接近する位置に四角形の支持導通部12が一体に形成されている。図4に示すように、支持導通部12は第1の絶縁層3aによって支持基板1の表面1aに固定されている。第1の固定電極部11は、前記支持導通部12のみが前記第1の絶縁層3aによって支持基板1の表面1aに固定されており、その他の部分は、支持基板1との間の絶縁層3Aが除去されて、支持基板1の表面1aとの間に、第1の絶縁層3aの厚さに相当する間隔の隙間が形成されている。
As shown in FIG. 1, the first fixed electrode portion 11 is provided on the Y1 side from the center O. In the first fixed electrode portion 11, a rectangular
図1に示すように、第1の固定電極部11は、支持導通部12からY1方向に直線的に延びる一定の幅寸法の電極支持部11aを有している。電極支持部11aのX1側には、複数の対向電極11bが一体に形成されており、電極支持部11aのX2側には、複数の対向電極11cが一体に形成されている。図2には、一方の対向電極11cが示されている。複数の対向電極11cはいずれもX2方向へ直線的に延びており、Y方向の幅寸法は一定である。そして、複数の対向電極11cは、Y方向へ一定の間隔を空けて櫛歯状に配列している。X1側に延びる他方の対向電極11bと、X2方向に延びる前記対向電極11cは、中心Oを通ってY方向に延びる線に対して左右対称の形状である。
As shown in FIG. 1, the first fixed electrode portion 11 has an electrode support portion 11 a having a certain width dimension extending linearly from the
中心OよりもY2側には第2の固定電極部13が設けられている。第2の固定電極部13と前記第1の固定電極部11は、中心Oを通ってX方向に延びる線に対して上下方向(Y方向)へ対称形状である。すなわち、第2の固定電極部13は、中心Oに接近する位置に設けられた四角形の支持導通部14と、この支持導通部14からY2方向へ直線的に延びる一定の幅寸法の電極支持部13aを有している。電極支持部13aのX1側には、電極支持部13aから一体に延びる複数の対向電極13bが設けられ、電極支持部13aのX2側には、電極支持部13aから一体に延びる複数の対向電極13cが設けられている。
A second fixed
図3に示すように、対向電極13cはX2方向へ直線状に延び幅寸法が一定であり、且つY方向へ一定の間隔で互いに平行に形成されている。X1側の対向電極13bも同様に一定の幅寸法でX1方向へ直線的に延び、Y方向へ一定の間隔で平行に延びている。
As shown in FIG. 3, the
第2の固定電極部13も、支持導通部14のみが第1の絶縁層3aを介して支持基板1の表面1aに固定されている。それ以外の部分である電極支持部13aおよび対向電極13b,13cは、支持基板1の表面1aとの間の絶縁層3Aが除去されており、電極支持部13aおよび対向電極13b,13cと、支持基板1の表面1aとの間に、第1の絶縁層3aの厚さに相当する間隔の隙間が形成されている。
In the second
図1に示す機能層10は、四角形の枠体層25の内側が可動領域であり、可動領域では、前記第1の固定電極部11と第2の固定電極部13を除く部分が可動電極部15となっている。可動電極部15は、同じシリコンウエハ10Aにおいて、前記第1の固定電極部11と第2の固定電極部13および枠体層25から分離されて形成されている。
The
図1に示すように、可動電極部15は、中心OよりもX1側に、Y1−Y2方向に延びる第1の支持腕部16を有しており、中心OのX1側に接近した位置に、第1の支持腕部16と一体に形成された四角形の支持導通部17が設けられている。可動電極部15は、中心OよりもX2側に、Y1−Y2方向に延びる第2の支持腕部18を有しており、中心OのX2側に接近した位置に、第2の支持腕部18と一体に形成された四角形の支持導通部19が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
第1の支持腕部16と第2の支持腕部18とで挟まれた領域で、且つ第1の固定電極部11と第2の固定電極部13を除く部分が、錘部20となっている。錘部20のY1側の縁部は、弾性支持部21を介して第1の支持腕部16に支持されているとともに弾性支持部23を介して第2の支持腕部18に支持されている。錘部20のY1側の縁部は、弾性支持部22を介して第1の支持腕部16に支持されているとともに、弾性支持部24を介して第2の支持腕部18に支持されている。
The portion sandwiched between the first
図1に示すように、中心OよりもY1側では、錘部20のX1側の縁部からX2側に延びる複数の可動対向電極20aが一体に形成されているとともに、錘部20のX2側の縁部からX1側に延びる複数の可動対向電極20bが一体に形成されている。図2に示すように、錘部20と一体に形成された可動対向電極20bは、第1の固定電極部11の対向電極11cのY2側の辺に対して静止時に距離δ1を介して対向している。同様に、X1側の可動対向電極20aも、第1の固定電極部11の対向電極11bのY2側の辺に対して静止時に距離δ1を介して対向している。
As shown in FIG. 1, on the Y1 side from the center O, a plurality of
錘部20には、中心OよりもY2側において、X1側の縁部からX2方向に平行に延びる複数の可動対向電極20cが一体に形成されているとともに、X2側の縁部からX1方向に平行に延びる複数の可動対向電極20dが一体に形成されている。
The
図3に示すように、可動対向電極20dは、第2の固定電極部13の対向電極13cのY1側の辺に対して静止時に距離δ2を介して対向している。これは、X1側の可動対向電極20cと対向電極13bとの間においても同じである。静止時の対向距離δ1とδ2は、同じ寸法となるように設計されている。
As shown in FIG. 3, the
図4に示すように、第1の支持腕部16に連続する支持導通部17と支持基板1の表面1aとが第1の絶縁層3bを介して固定されており、第2の支持腕部18に連続する支持導通部19と支持基板1の表面1aも第1の絶縁層3bを介して固定されている。可動電極部15は、支持導通部17と支持導通部19のみが前記第1の絶縁層3bによって支持基板1に固定されており、それ以外の部分、すなわち第1の支持腕部16、第2の支持腕部18、錘部20、可動対向電極20a,20b,20c,20dおよび弾性支持部21,22,23,24は、支持基板1の表面1aとの間の絶縁層が除去されており、これら各部と支持基板1の表面1aとの間に第1の絶縁層3bの厚さ寸法に相当する間隔の隙間が形成されている。
As shown in FIG. 4, the
弾性支持部21,22,23,24は、シリコンウエハ10Aから切り出された薄い板バネ部でミアンダパターンとなるように形成されている。弾性支持部21,22,23,24が変形することで、錘部20がY1方向またはY2方向へ移動可能となっている。可動電極部15では、錘部20および可動対向電極20a,20b,20c,20dが可動部分である。
The
図1に示すように、枠体層25は、SOI層60のシリコンウエハ10Aの外周部分を四角い枠状に切り残すことで形成されている。この枠体層25と支持基板1の表面1aとの間には、第1の絶縁層3cが残されている。この第1の絶縁層3cは、第1の固定電極部11と第2の固定電極部13および可動電極部15の外周の全周を囲むように設けられている。
As shown in FIG. 1, the
図4に示すように、同じシリコンウエハ10Aから切り出された第1の固定電極部11、第2の固定電極部13、可動電極部15および枠体層25のそれぞれは、第1の側(Z1側)に向く表面が同一面であり、この表面と支持基板1の表面1aとの間隔T1は、SOI層60の絶縁層3A(第1の絶縁層3a,3b,3c)の厚さ寸法で決められている。
As shown in FIG. 4, each of the first fixed electrode portion 11, the second
一方、第1の固定電極部11の支持導通部12の第2の側(Z2側)に向く表面12aおよび第2の固定電極部13の支持導通部14の第2の側に向く表面14a(図面には現れていない)と、可動電極部15の支持導通部17の第2の側に向く表面17aおよび支持導通部19の第2の側に向く表面19a(図面には現れていない)と、枠体層25の第2の側に向く表面25aは、同一平面上に位置している。
On the other hand, a
そして、第1の固定電極部11のうちの前記支持導通部12を除く部分、すなわち電極支持部11aと対向電極11b,11cの第2の側(Z2側)に向く表面は、支持導通部12の表面12aよりもZ1方向に距離T2だけ後退している。同様に、第2の固定電極部13の電極支持部13aと対向電極13b,13cの第2の側に向く表面も、前記支持導通部14の第2の側に向く表面14aよりも距離T2だけZ1側に後退している。また、可動電極部15のうちの前記支持導通部17,19を除く部分、すなわち第1の支持腕部16と第2の支持腕部18、錘部20、可動対向電極20a,20b,20c,20d、および弾性支持部21,22,23,24のそれぞれの第2の側(Z2側)に向く表面は、支持導通部17,19の第2の側を向く表面17a,19aよりも距離T2だけZ1側に後退している。
The portion of the first fixed electrode portion 11 excluding the
図4に示すように、第1の固定電極部11の支持導通部12の第2の側に向く表面12aには接続金属層41が形成され、同様に第2の固定電極部13の支持導通部14の第2の側に向く表面14aにも接続金属層41が形成されている。また、可動電極部15の支持導通部17の第2の側に向く表面17aに接続金属層42が形成され、他方の支持導通部19の第2の側に向く表面19aにも接続金属層42が形成されている。
As shown in FIG. 4, a
図4に示すように、枠体層25の第2の側に向く表面25aにはシール金属層43が形成されている。このシール金属層43は、第1の固定電極部11、第2の固定電極部13および可動電極部15の外周の全周を囲む四角形の枠体のパターンとなるように成膜されている。
As shown in FIG. 4, a
図7(A)(B)(C)(D)は、支持基板1および機能層10の製造方法をさらに詳しく示す断面図である。
7A, 7 </ b> B, 7 </ b> C, and 7 </ b> D are cross-sectional views illustrating the manufacturing method of the support substrate 1 and the
図7(A)に示すように、シリコンウエハ1Aとシリコンウエハ10Aが絶縁層3Aを介して接合されているSOI層60を用い、前記シリコンウエハ10Aの第2の側(Z2側)の表面に、接続金属層41と接続金属層42およびシール金属層43を同じスパッタ工程で成膜する。
As shown in FIG. 7A, an
図7(B)に示すように、シリコンウエハ10Aの第2の側の表面にドライエッチングを施して凹部10Bを形成する。このとき、支持導通部12,14の第2の側の表面12a,14aと、支持導通部17,19の第2の側の表面17a,19a、および枠体層25の第2の側の表面25aとなる部分を残し、それ以外の部分でシリコンウエハ10Aの一部を除去して前記凹部10Bが形成される。したがって、前記各表面12a,14a,17a,19a,および25aは、同一面のまま残される。前記凹部10Bの深さ寸法はT2である。
As shown in FIG. 7B, the
次に、シリコンウエハ10Aの第2の側(Z2側)の表面に、第1の固定電極部11、第2の固定電極部13、可動電極部15および枠体層25のパターンを覆うようにレジスト層を形成し、レジスト層から露出している部分でシリコンウエハ10Aの一部を、高密度プラズマを使用した深堀RIEなどのイオンエッチング手段で除去する。その結果、図7(C)に示すように、シリコンウエハ10Aから、第1の固定電極部11、第2の固定電極部13、可動電極部15および枠体層25が互いに分離されて形成される。
Next, the surface of the second side (Z2 side) of the
このとき、支持導通部12,14,17,19および枠体層25となる部分を除くその他の全ての領域に、前記深堀RIEによって、多数の微細孔が形成される。図2と図3には、対向電極11cに形成された微細孔11d、対向電極13cに形成された微細孔13d、および錘部20に形成された微細孔20eが図示されている。
At this time, a large number of fine holes are formed by the deep trench RIE in all other regions except the portions to be the support
深堀RIEなどによってシリコンウエハをエッチング加工した後に、シリコンを溶解せずに絶縁層のSiO2層を溶解できる選択性の等方性エッチング処理を行う。このときエッチングガスまたはエッチング液は、シリコンウエハ10Aの前記各部を分離した溝内に浸透し、さらに前記微細孔11d,13d,20e内に浸透して、絶縁層3Aが除去される。その結果、図7(D)に示すように、支持導通部12,14,17,19および枠体層25と支持基板1の表面1aとの間で、第1の絶縁層3a,3b,3cが残され、それ以外の部分で絶縁層3Aが除去される。
After etching the silicon wafer by Fukahori RIE or the like, a selective isotropic etching process that can dissolve the SiO 2 layer of the insulating layer without dissolving the silicon is performed. At this time, the etching gas or the etchant penetrates into the grooves where the respective parts of the
図7(B)の工程で、シリコンウエハ10Aに深さT2の凹部10Bを形成し、その後に、シリコンウエハ10Aを各部分に分離する工程を経ることで、図7(D)に示すように、支持導通部12,14,17,19の表面12a,14a,17a,19aおよび枠体層25の表面25aに対しそれ以外の部分がZ1側へ距離T2だけ後退した状態の機能層10が形成される。
As shown in FIG. 7D, a
SOI層60から加工した支持基板1は、厚さ寸法が0.2〜0.7mm程度、機能層10の厚さ寸法は10〜30μm程度、第1の絶縁層3a,3b,3cの厚さは1〜3μm程度である。
The support substrate 1 processed from the
図4に示すように、ICパッケージ100の表面101にはSiO2、SiNまたはAl2O3などの無機絶縁層が現れている。前記表面101は、少なくとも機能層10が対面する部分が平坦面である。
As shown in FIG. 4, an inorganic insulating layer such as SiO 2 , SiN or Al 2 O 3 appears on the
前記表面101には、支持導通部12の表面12aおよび支持導通部14の表面14aに形成された接続金属層41に個別に対面する接続電極部31が形成されている。また、支持導通部17の表面17aおよび支持導通部19の表面19aに形成された接続金属層42に個別に対面する接続電極部32が形成されている。さらに、枠体層25の表面25aに形成されたシール金属層43に対面するシール電極部33が形成されている。シール電極部33は、枠体層25の形状に倣って四角形の枠形状に形成されている。
On the
接続電極部31,32およびシール電極部33はアルミニウム(Al)であり、メッキ工程やスパッタ工程で形成されている。接続電極部31,32およびシール電極部33は、ICパッケージ100の内部回路にそれぞれが接続されている。図7に示すように、機能層10の第2の側(Z2側)の表面に形成されている前記接続金属層41,42とシール金属層43は、接続電極部31,32およびシール電極部33を形成するアルミニウムと共晶接合または拡散接合しやすい金属材料であるゲルマニウムで形成されている。
The
図4に示すように、支持基板1と機能層10が一体に形成されたセンサ積層体をICパッケージ100の表面101に重ね、接続電極部31と接続金属層41とを対面させ、接続電極部32と接続金属層42とを対面させ、さらにシール電極部33とシール金属層43とを対面させる。そして、加熱しながら支持基板1をICパッケージ100に弱い力で加圧する。これにより、接続電極部31と接続金属層41とが共晶接合し、接続電極部32と接続金属層42とが共晶接合する。または拡散接合する。接続電極部31,32と接続金属層41,42との共晶接合または拡散接合により、支持導通部12,14,17,19が第1の絶縁層3a,3bとICパッケージ100の表面101との間で動かないように挟持されるとともに、接続電極部31,31と支持導通部12,14とが個別に導通し、接続電極部32,32と支持導通部17,19とが個別に導通する。
As shown in FIG. 4, the sensor laminate in which the support substrate 1 and the
同時に、シール電極部33とシール金属層43とが共晶接合または拡散接合する。この接合により、枠体層25とICパッケージ100の表面101とが強固に固定されるとともに、第1の固定電極部11と第2の固定電極部13および可動電極部15の周囲全周を囲む薄い金属シール層45が形成される。
At the same time, the
このMEMSセンサは、図7(A)に示すように2枚のシリコンウエハ1A,10Aが絶縁層3Aを介して接合されたSOI層60で形成された薄型の構造であり、ICパッケージ100の表面101に設置された状態で、表面101からZ1方向への突出寸法を薄くできる。また、支持基板1とICパッケージ100の表面101との間において、可動電極部15の可動領域の外周を囲むように前記金属シール層45が形成されている。そのため、薄型でありながら内部の動作空間が密閉されたMEMSセンサを得ることができる。
This MEMS sensor has a thin structure formed by an
また、支持導通部12,14,17,19と第2の絶縁層30が、接続電極部31,32と接続金属層41,42との共晶接合または拡散接合で接合されているが、この接合層は薄く且つ面積が小さく、しかも支持導通部12,14,17,19と支持基板1とが無機絶縁材料の第1の絶縁層3a,3bを介して接合されている。そのため、周囲温度が高くなったとしても、接合層の熱応力が支持導通部12,14,17,19の支持構造に影響を与えにくく、熱応力による固定電極部11,13や可動電極部15の歪みなどが発生しにくい。
Further, the support
同様に、可動電極部15の可動領域の周囲を囲む金属シール層45は、枠体層25とICパッケージ100の表面101との間で薄く形成された共晶または拡散による接合層であり、枠体層25が十分な厚み寸法を有している。そのため、金属シール層45の熱応力によって、機能層10の各部分や支持基板1に歪みなどが発生しにくい。
Similarly, the
このMEMSセンサは、機能層10の支持導通部12,14,17,19の表面12a,14a,17a,19aおよび枠体層25の表面25aに対して、その他の部分がZ1側に後退して、ICパッケージ100の表面101から離れている。そのため、ICパッケージ100の表面101に特別な加工を施さなくても、可動電極部15の可動部分である錘部20および可動対向電極20a,20b,20c,20dのZ2方向への可動余裕を前記距離T2で確保できる。そのため、垂直方向への加速度が作用したときに可動部分がICパッケージ100の表面101に不用意に衝突するのを避けることができる。
In this MEMS sensor, the other portions are retracted to the Z1 side with respect to the
このMEMSセンサは、Y1方向またはY2方向の加速度を検知する加速度センサとして使用することができる。例えば、MEMSセンサにY1方向への加速度が作用すると、その反作用により可動電極部15の錘部20がY2方向へ移動する。このとき、図2に示す、可動対向電極20bと固定側の対向電極11cとの対向距離δ1が広がって、可動対向電極20bと対向電極11cとの間の静電容量が低下する。同時に、図3に示す、可動対向電極20dと対向電極13cとの対向距離δ2が狭くなって、可動対向電極20bと対向電極13cとの間の静電容量が増大する。
This MEMS sensor can be used as an acceleration sensor that detects acceleration in the Y1 direction or the Y2 direction. For example, when acceleration in the Y1 direction acts on the MEMS sensor, the
これら静電容量の変化は、ICパッケージ100内の検出回路で検出され、対向距離δ1の増大による出力の変化と対向距離δ2の減小による出力の変化との差を求めることにより、Y1方向へ作用した加速度の変化や加速度の大きさを検知することができる。
These capacitance changes are detected by the detection circuit in the
なお、本発明は、可動電極部15の錘部20が、X−Y平面と直交する向きの加速度に反応して厚さ方向へ移動して、固定電極部11,13の対向電極11b,11c,13b,13cと、可動電極部15の可動対向電極20a,20b,20cとの対向状態が、可動電極部15の厚さ方向へずれて、対向面積が変化し、このときの可動対向電極と対向電極との間の静電容量の変化を検知するものであってもよい。
In the present invention, the
図6(A)(B)はさらに好ましいMEMSセンサを示すものであり、図4のVI部の拡大断面図に相当している。 6A and 6B show a more preferable MEMS sensor, and corresponds to an enlarged cross-sectional view of a VI part in FIG.
図6(A)に示すものは、可動電極部15の支持導通部17の表面に、接続金属層42と接続電極部32との接合部を囲むように溝51が形成されている。溝51は接合部の周囲全長を連続して囲むように形成されていてもよいし、または、接合部を囲むように間隔を空けて複数に分割されて形成されていてもよい。
In the structure shown in FIG. 6A, a
図6(B)に示すものは、可動電極部15の支持導通部17の表面に、接続金属層42と接続電極部32との接合部を囲む溝52が形成されている。この溝52は接合層の周囲に連続して形成されており、接合金属層42の一部が溝52の内部まで形成されている。
In the structure shown in FIG. 6B, a
図6(A)(B)に示すものは、接続電極部32と接続金属層42の共晶接合または拡散接合の際に、溶融金属が溝51,52で堰き止められ、可動電極部15の錘部20の可動領域や、図2と図3に示す電極対向部に流れ出るのをさらに確実に防止できる。
6 (A) and 6 (B), the molten metal is blocked by the
なお、前記のものでは、接続電極部31,32およびシール電極部33がアルミニウムで、接続金属層41,42およびシール金属層43がゲルマニウムであるが、共晶接合または拡散接合が可能な金属の組み合わせとしては、アルミニウム−亜鉛、金−シリコン、金−インジウム、金−ゲルマニウム、金−錫などがある。これら金属の組み合わせにより、それぞれの金属の融点以下の温度である450℃以下の比較的低い温度で接合を行うことが可能になる。
Incidentally, the In those, the
図5は、本発明の実施の形態のMEMSセンサを示す断面図である。
実施の形態のMEMSセンサは、機能層10がキャップ基板2の表面に重ねられて接合されている。支持母体として機能するキャップ基板2は、厚さ寸法が0.4〜0.7mm程度の単層のシリコンウエハで形成される。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the MEMS sensor according to the embodiment of the present invention.
In the MEMS sensor of the embodiment , the
図5に示すように、キャップ基板2の表面2aには第2の絶縁層30が形成されている。第2の絶縁層30は、SiO2、SiNまたはAl2O3などの無機絶縁層であり、スパッタ工程またはCVD工程で一定の膜厚に形成されている。無機絶縁層としては、シリコンウエハとの熱膨張係数の差が、接続電極部31,32を構成する導電性金属とシリコンウエハの熱膨張係数の差よりも小さい材料が選択される。好ましくは、シリコンウエハとの熱膨張係数の差が比較的小さいSiO2またはSiNが使用される。
As shown in FIG. 5, a second insulating
第2の絶縁層30の表面には、接続電極部31と接続電極部32およびシール電極部33が形成されている。第2の絶縁層30の内部には、前記接続電極層31と個別に導通するリード層34と、接続電極層32と個別に導通するリード層35が形成されている。これらリード層34,35は、第2の絶縁層30の内部を通過して、機能層10が重ねられている領域よりも外側に突出し、キャップ基板2に形成された外部接続パッド36に接続されている。
A
そして、接続電極部31と接続金属層41が共晶接合または拡散接合され、接続電極部32と接続金属層42とが共晶接合または拡散接合されて、リード層34,35と外部接続パッド36から静電容量の変化を検出できるようにしている。また、シール電極部33とシール金属層43が共晶接合または拡散接合して金属シール層45が形成されている。
Then, the
図5に示すMEMSセンサは、SOI層60を加工した支持基板1および機能層10と、単一の基板で形成されたキャップ基板2とが重ねられて構成されているため、薄型に構成できる。しかも、キャップ基板2に特別な加工を施さなくても、可動電極部15の可動部分に距離T2の可動余裕を与えることができる。キャップ基板2および第2の絶縁層30を一定の厚さに形成できるため、十分な強度を確保できる。
The MEMS sensor illustrated in FIG. 5 can be configured to be thin because the support substrate 1 and the
図8は、接続電極部31,32あるいは接合層の厚さ寸法の最適値を求めるためのシミュレーションモデルを示している。第1の基板101と固定電極部116および第1の絶縁層103はSOI層から加工したものを想定しており、第1の基板101と固定電極部116はシリコンウエハ、第1の絶縁層103はSiO2である。第2の基板102もシリコンウエハであり、第2の絶縁層130もSiO2である。このシミュレーションでは、接合層132をアルミニウムの単層として熱応力について演算した。
FIG. 8 shows a simulation model for obtaining the optimum value of the thickness dimension of the
計算に使用した物性値は以下の通りである。
ヤング率(N/m2):Siを1.50E+11、SiO2を7.20E+10、Alを7.03E+10とした。
ポアッソン比(−):Siを0.17、SiO2を0.25、Alを0.35とした。
The physical property values used for the calculation are as follows.
Young's modulus (N / m 2 ): Si was 1.50E + 11, SiO 2 was 7.20E + 10, and Al was 7.03E + 10.
Poisson's ratio (-): Si was 0.17, SiO 2 was 0.25, and Al was 0.35.
熱膨張係数(/kelvin):Siを2.60E−06、SiO2を5.60E−07、Alを2.33E−05とした。 Thermal expansion coefficient (/ kelvin): Si was 2.60E-06, SiO 2 was 5.60E-07, and Al was 2.33E-05.
また、第1の絶縁層103の長さ寸法L1を70μm、固定電極部116の全長寸法を350μmとした。
In addition, the length dimension L1 of the first insulating
厚みは、第1の基板101と第2の基板102を100μm、第1の絶縁層103を1.5μm、固定電極部116を20μm、第2の絶縁層130を3μmとした。
The thicknesses of the
接合層132の長さ寸法W0を20μmとし、接合層132の厚み寸法T0を0.5μmから10μmの間で変化させた。それぞれについて、75℃に加熱したときの接合層132の熱応力による固定電極部116の下部先端部P1と上部先端部P2のδ方向への変位量を計算した。
The length dimension W0 of the
図9は、横軸に接合層132の厚みT0を単位(μm)で示し、縦軸にP1とP2の変位量を単位(nm)で示している。なお、図9では、下部先端部P1を「頂点1」とし、上部先端部P2を「頂点2」と記載している。
In FIG. 9, the horizontal axis indicates the thickness T0 of the
図9の結果から、接合層132の厚みW0は4μm以下であることが好ましく1μm以下であることがさらに好ましい。
9, the thickness W0 of the
すなわち、前記実施の形態では、接続電極部31,32の厚さ寸法、あるいは接合層全体の厚さ寸法が4μm以下が好ましく、さらには1μm以下が好ましい。
That is, in the embodiment, the thickness dimension of the
1 支持基板
1A シリコンウエハ
2 キャップ基板
3A 絶縁層
3a,3b,3c 第1の絶縁層
10 機能層
10A シリコンウエハ
11 第1の固定電極部
12 支持導通部
11b,11c 対向電極
13 第2の固定電極部
14 支持導通部
13b,13c 対向電極
15 可動電極部
16 第1の支持腕部
17 支持導通部
18 第2の支持腕部
19 支持導通部
20 錘部
20a,20b,20c,20d 可動対向電極
21,22,23,24 弾性支持部
25 枠体層
30 第2の絶縁層
31,32 接続電極部
33 シール電極部
41,42 接続金属層
43 シール金属層
45 金属シール層
60 SOI層
100 ICパッケージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
前記可動電極部と前記固定電極部のそれぞれに設けられた支持導通部の第1の側の表面が、第1の絶縁層を介して前記支持基板に固定され、前記キャップ基板の前記機能層に対向する表面の全面に第2の絶縁層が形成されて、それぞれの前記支持導通部の第2の側の表面に設けられた接続金属層と、前記第2の絶縁層の表面に設けられて前記接続金属層と異なる金属で形成された接続電極部とが、共晶接合または拡散接合によって接続されており、
前記第2の絶縁層の内部に、前記接続電極部と導通するリード層が設けられ、前記リード層が、前記第2の絶縁層の内部を通過して、前記機能層が重ねられている領域よりも外側に延びており、
前記可動電極部および前記固定電極部の前記支持導通部以外の部分の第2の側の表面が、前記支持導通部の第2の側の表面よりも前記第2の絶縁層から離れる位置に後退していることを特徴とするMEMSセンサ。 In a MEMS sensor having a support substrate, a functional layer having a movable electrode portion and a fixed electrode portion supported by the support substrate, and a cap substrate that is a silicon wafer ,
The surface on the first side of the support conducting portion provided in each of the movable electrode portion and the fixed electrode portion is fixed to the support substrate via a first insulating layer, and is attached to the functional layer of the cap substrate. the entire surface of the opposing surfaces a second insulating layer is formed, and each of the support conductive unit second side connecting metal layer provided on the surface of, provided on a surface of the second insulating layer The connection electrode layer formed of a metal different from the connection metal layer is connected by eutectic bonding or diffusion bonding ,
A region in which a lead layer conducting to the connection electrode portion is provided inside the second insulating layer, and the lead layer passes through the inside of the second insulating layer and the functional layer is overlaid. Extending outside,
The surface on the second side of the movable electrode portion and the fixed electrode portion other than the support conducting portion is set back to a position farther from the second insulating layer than the second side surface of the support conducting portion. A MEMS sensor characterized in that:
前記枠体層の第2の側の表面に前記接続金属層と同じ金属材料で形成されたシール金属層が形成され、前記第2の絶縁層に前記接続電極部と同じ金属材料で形成されたシール電極部が設けられており、前記シール金属層と前記シール電極部とが共晶接合または拡散接合されてシール層が形成されている請求項1記載のMEMSセンサ。 The functional layer has a frame body layer surrounding the movable electrode portion and the fixed electrode portion, and the support substrate and the frame body layer are bonded via the first insulating layer,
A seal metal layer made of the same metal material as that of the connection metal layer is formed on the surface on the second side of the frame body layer, and formed of the same metal material as that of the connection electrode portion on the second insulating layer. seal electrode unit is provided, MEMS sensor according to claim 1, wherein said sealing metal layer and the seal electrode unit seal layer is eutectic bonding or diffusion bonding are formed.
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