JP5627669B2 - Ｍｅｍｓセンサ - Google Patents

Description

本発明は、第１基材と、第２基材とが封止接合部を介して接合されたＭＥＭＳセンサに関する。

図５は本発明に対する比較例の構造を説明するためのＭＥＭＳセンサの部分縦断面図である。

図５に示すＭＥＭＳセンサ１では、第１基材２、第２基材３、及び支持基材４がこの順に積層され、第１基材２と第２基材３の間が封止接合部５により接合されている。また第２基材３と支持基材４との間が絶縁層（シリコン酸化層）６を介して接合されている。各基材２〜４はシリコン等で形成されている。

図５に示すように、封止接合部５は、第１基材２側に形成されたＡｌ層８と、第２基材３側に形成されたＧｅ層９とを所定の熱処理温度及び加圧下により共晶接合させて成る。図５に示すように、Ａｌ層８の下面には第１基材２側との密着性を向上させるための下地としてＴｉ層７が形成されている。

しかしながら、上記した共晶接合工程により、特にＡｌ層８の内部に空隙部（ボイド）が形成されることが後述する実験により確認された。これは、共晶接合工程での熱処理により、Ｔｉ層７とＡｌ層８との間で拡散が生じ、Ａｌ層８が再結晶化した際に生じたものと考えられる。

上記のようにＡｌ層８に空隙部が形成されることでＡｌ層８とＧｅ層９との界面での接合強度が弱くなり、また優れた封止気密性を得ることができなかった。

以下に示す特許文献に記載された発明は、いずれにもＡｌ層８の下地としてＴｉ層７を用い、Ａｌ層８とＧｅ層９とを共晶接合させた構成において、Ｔｉ層７とＡｌ層８間の拡散を抑制して、Ａｌ層８とＧｅ層９の共晶接合面での接合強度を高めるものではない。

特開平１０−２５６５０３号公報 特開２０００−２１９１４号公報 特開平９−６４１８５号公報 特開２０００−２０８５１８号公報

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、特に、封止接合部のＡｌ−Ｇｅ共晶接合界面での接合強度及び封止気密性を向上させることが可能なＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。

本発明におけるＭＥＭＳセンサは、
第１基材と、第２基材と、前記第１基材と前記第２基材間に位置する封止接合部と、を有して構成され、
前記封止接合部は、前記第１基材側から前記第２基材側にかけて、Ｔｉ層、Ｔａ層、第１の接続金属層、及び、第２の接続金属層の順に積層されてなり、
前記第１の接続金属層はＡｌあるいはＡｌ合金で形成され、
前記第２の接続金属層はＧｅで形成され、
前記第１基材側に形成された前記第１の接続金属層と前記第２基材側に形成された前記第２の接続金属層とが共晶接合されてなることを特徴とするものである。

このように、Ｔｉ層とＡｌあるいはＡｌ合金で形成された第１の接続金属層間にＴａ層を介在させることで、前記第１の接続金属層とＧｅで形成された第２の接続金属層とを共晶接合させるべく所定の熱処理を施しても、比較例のように、ＡｌとＴｉとが拡散するのを抑制できる。よって第１の接続金属層に空隙部（ボイド）が形成されるのを抑制でき、第１の接続金属層と第２の接続金属層間の共晶接合界面での接合強度及び封止気密性を向上させることができる。

本発明では、前記第１基材の前記第２基材との対向面側に絶縁層が形成され、前記絶縁層内に配線層が埋設されており、
前記封止接合部は、絶縁層と前記第２の基材間に形成されていることが好ましい。

また本発明では、前記配線層は前記封止接合部の外側にまで引き出されており、前記封止接合部の外側の位置に前記配線層と電気的に接続される電極パッドが設けられていることが好ましい。

また本発明では、前記第２基材は、アンカ部と、前記アンカ部に高さ方向へ変位可能に支持される可動部と、前記アンカ部及び前記可動部の周囲に形成された枠体部とを有して構成され、前記第２基材の前記第１基材と対向する反対側には前記アンカ部及び前記枠体部に固定される支持基板が設けられており、
前記枠体部と前記第１基材間に前記封止接合部が形成されており、前記封止接合部と同じ積層構造の接合部が前記アンカ部と前記第１基材間に設けられることが好ましい。これにより、アンカ部と第１基材間に設けられた接合部の共晶接合界面での接合強度を高めることができる。

また本発明では、前記第１基材の前記第２基材との対向面側に絶縁層が形成され、前記絶縁層内に配線層が埋設されており、
前記封止接合部は、前記絶縁層と前記第２の基材間に形成されており、前記配線層は、前記封止接合部の内側にて前記可動部と対向する位置に設けられた固定電極層に電気的に接続されている構成に適用できる。

本発明のＭＥＭＳセンサによれば、ＡｌあるいはＡｌ合金からなる第１の接続金属層とＧｅからなる第２の接続金属層間の共晶接合界面での接合強度及び封止気密性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態のＭＥＭＳセンサの模式図（縦断面図）、 本実施形態における封止接合部の拡大縦断面図、 本発明の第２実施形態のＭＥＭＳセンサの模式図（縦断面図）、 （ａ）は、本実施例の封止接合部の断面ＳＩＭ写真、（ｂ）は比較例の封止接合部の断面ＳＩＭ写真、 本発明に対する比較例の構造を説明するためのＭＥＭＳセンサの部分縦断面図。

図１は本発明の第１実施形態のＭＥＭＳセンサの模式図（縦断面図）、図２は本実施形態における封止接合部の拡大縦断面図、図３は、本発明の第２実施形態のＭＥＭＳセンサの模式図（縦断面図）である。

図１に示すようにＭＥＭＳセンサ２０は、第１基材２１と第２基材２２とを備える。第１基材２１及び第２基材２２はともにシリコンで構成される。

図１に示すように絶縁下地層２９が第１基材２１の表面（第２基材２２との対向面）２１ａの全面に形成される。図１に示すように第１配線層２４及び第２配線層２５が絶縁下地層２９上に形成される。更に絶縁層２３が第１配線層２４及び第２配線層２５上に形成される。このように各配線層２４，２５は絶縁層２３に埋設されている。絶縁下地層２９及び絶縁層２３の材質は特に限定されないが例えば、ＳｉＯ₂層で形成される。また、各配線層２４，２５の材質は特に限定されるものでないが例えばＡｌＣｕで形成される。

また図１では、絶縁層２３の表面２３ｂには突起部２３ｃが形成されて後述する可動部３８に対するストッパを構成しているが、絶縁層２３の表面２３ｂの形状は特に限定されない。また突起部２３ｃは絶縁層２３と一体に形成されてもよいし別体で形成されてもよい。

図１に示すように、第２基材２２は、第１基材２１の反対面側に酸化絶縁層（儀性層）３５を介して支持基板３６に固定支持される。第２基材２２、酸化絶縁層３５及び支持基板３６によりＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を構成することが出来る。支持基板３６はシリコンで形成される。

図１に示すように第２基材２２は、アンカ部３７、可動部３８、ばね部３９及び枠体部４０とを有して構成される。第２基材２２をエッチング加工することで各パーツを構成できる。可動部３８はアンカ部３７にばね部３９を介して高さ方向（Ｚ）に変位可能に支持される。可動部３８と枠体部４０は分離されている。枠体部４０の平面形状（Ｘ−Ｙ平面の形状）は、可動部３８の周囲を囲む枠形状で形成されている。図１にはＭＥＭＳセンサ２０を高さ方向から切断したときに可動部３８の両側に現れる枠体部４０の断面が示されている。なお第２基材２２の各パーツの構成や形状は図１に示すものに限定されない。

図１に示すように、可動部３８及びばね部３９と支持基板３６との間には酸化絶縁層３５が形成されていない。このため可動部３８は高さ方向（Ｚ）への変位を可能としている。酸化絶縁層３５はＳｉＯ₂で形成されることが好適である。

図１に示すように、第１基材２１の表面２１ａに形成された絶縁層２３と枠体部４０との間には複数の金属層を積層して成る封止接合部５０が形成されている。封止接合部５０の上面は枠体部４０に当接している。また封止接合部５０の下面は、絶縁層２３の表面２３ｂに当接し、絶縁層２３内に埋設された配線層とは絶縁された状態となっている。また、絶縁層２３とアンカ部３７との間にも前記封止接合部５０と同じ積層構成の接合部５１が形成されている。図１に示すように、接合部５１の上面はアンカ部３７に当接し、下面は第２配線層２５と電気的に接続された状態となっている。

なお図１に示す形態と異なって、例えば枠体部４０と対向する絶縁層２３上に絶縁層２３とは別体の突出部が形成される形態では、前記突出部と枠体部との間に封止接合部５０が形成されることになる。突出部は、例えば窒化シリコンで形成される。突出部は、可動部３８と固定電極層２６（後記）との間のギャップ調整用等として用いられる。

図１に示すように、第１配線層２４は、封止接合部５０の内側（枠体部４０により囲まれた内側）から封止接合部５０を平面視で交差して外側にまで引き出されている。

図１に示すように、電極パッド２７が封止接合部５０の外側に形成されている。出力信号用である第１配線層２４の外側端部の位置には絶縁層２３に貫通孔２３ａが形成され、第１配線層２４と電極パッド２７とが前記貫通孔２３ａを介して電気的に接続されている。

また図１に示すように、固定電極層２６が、可動部３８と高さ方向にて対向する絶縁層２３の表面に形成されている。そして、第１配線層２４の内側端部が絶縁層２３に形成された貫通孔２３ａを介して固定電極層２６と電気的に接続されている。

図１に示す固定電極層２６及び電極パッド２７の材質は特に限定されないが導電性に優れた材質が好ましく適用される。

また図１に示すように、アンカ部３７は、接合部５１を介して入力信号用の第２配線層２５と電気的に接続されている。図示していないが第２配線層２５も第１配線層２４と同様に封止接合部５０の外側に引き出され、図示しない電極パッドに接続されている。

図１に示すように可動部３８と固定電極層２６との間には高さ方向に所定の間隔（ギャップ）が設けられている。そして図１に示すＭＥＭＳセンサ２０は、可動部３８が高さ方向（Ｚ）に変位すると固定電極層２６との間の距離が変化して静電容量が変化し、静電容量変化を、電極パッド２７を通じて電気回路にて検出することで例えば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。

図２に示すように、封止接合部５０は下からＴｉ層５２、Ｔａ層５３、ＡｌあるいはＡｌ合金から成る第１の接続金属層５４、及び、Ｇｅからなる第２の接続金属層５５の順に積層されている。Ａｌ合金としては、アルミ銅合金（ＡｌＣｕ）やアルミスカンジウム銅合金（ＡｌＳｃＣｕ）等を例示できる。

封止接合部５０の最下層であるＴｉ層５２は絶縁層２３の表面２３ｂに当接し密着して形成されている。また封止接合部５０の最上層である第２の接続金属層５５は、枠体部４０の下面に当接して形成されている。なお封止接合部５０の下面側や上面側の構成は図１に示すものに限定されず、ＭＥＭＳセンサの構成に合わせて、封止接合部５０の最下層であるＴｉ層５２と接する面、及び封止接合部５０の最上層である第２の接続金属層５５と接する面が適宜変更される。

図２に示すＴｉ層５２、Ｔａ層５３、及び第１の接続金属層５４の３層は、最初、第１基材２１側にスパッタ等の既存の方法で形成されたものであり、第２の接続金属層５５は最初、第２基材２２側にスパッタ等の既存の方法で形成されたものである。

そして第１の接続金属層５４と第２の接続金属層５５間を突き合わせて、所定の圧力を加えながら所定の熱処理を施すことでＡｌあるいはＡｌ合金からなる第１の接続金属層５４とＧｅからなる第２の接続金属層５５間を共晶接合させる。

本実施形態では、第１の接続金属層５４と第２の接続金属層５５との材質の組み合わせにより、各金属の融点以下の温度で熱処理を行い共晶接合させることができる。しかしながら、下地であるＴｉ層５２上に直接、ＡｌあるいはＡｌ合金からなる第１の接続金属層５４を形成した形態（比較例）では、共晶接合の際の熱処理により、ＴｉとＡｌとの間で拡散が生じ、第１の接続金属層５４に空隙部が形成される不具合が生じた。

そこで、本実施形態では、下地であるＴｉ層５２とＡｌあるいはＡｌ合金からなる第１の接続金属層５４との間にＴａ層５３を介在させた。ＴａはＴｉよりも高融点で拡散バリア層として機能すると考えられる。このため、共晶接合の際の熱処理によっても、ＴｉとＡｌとの拡散を抑制でき、第１の接続金属層５４に空隙部（ボイド）が形成されるのを抑制できる。したがってＡｌあるいはＡｌ合金からなる第１の接続金属層５４とＧｅからなる第２の接続金属層５５間を高い接合強度にて共晶接合できる。更に第１の接続金属層５４に空隙部（ボイド）が形成されず、第１の接続金属層５４と第２の接続金属層５５間の全面が適切に密着していることで、封止気密性を適切に向上させることが可能である。

Ｔｉ層５２の膜厚は、０．０１〜０．１μｍ程度、Ｔａ層５３の膜厚は、０．０１〜０．１μｍ程度、ＡｌあるいはＡｌ合金からなる第１の接続金属層５４の膜厚は、０．５〜１．５μｍ程度、Ｇｅからなる第２の接続金属層５５の膜厚は、０．３〜１．０μｍ程度である。

本実施形態では、図１に示すアンカ部３７と第２配線層２５間を接合する接合部５１も封止接合部５０と同じ積層構造で形成されている。すなわち接合部５１も下からＴｉ層／Ｔａ層／ＡｌあるいはＡｌ合金からなる第１の接続金属層／Ｇｅからなる第２の接続金属層の順に積層されている。これにより接合部５１における第１の接続金属層と第２の接続金属層間の共晶接合界面での接合強度を適切に向上させることができる。

また図１に示す絶縁層２３上に形成された固定電極層２６及び電極パッド２７も、Ｔｉ層／Ｔａ層／Ａｌ層あるいはＡｌ合金層の積層構造で形成されることが好適である。すなわち、第１基材２１側に、封止接合部５０及び接合部５１を構成する３層構造（Ｔｉ層／Ｔａ層／Ａｌ層あるいはＡｌ合金層の積層構造）を形成する際に、同時に、固定電極層２６及び電極パッド２７も前記３層構造で形成することで製造工程を容易化できる。

図３は、図１とは別の実施形態を示すＭＥＭＳセンサの部分縦断面図を示す。図３では、第１基材６８上に電気的絶縁性の絶縁下地層６３を介して配線層６４が形成されている。図３に示すように、配線層６４上には絶縁層６５が形成されている。これにより配線層６４は絶縁層６５内に埋設された状態になる。図３に示すように絶縁層６５には配線層６４に通じる貫通孔６９，７３が形成されている。

図３に示す実施形態では、絶縁層６５上に平面視にて枠形状の突出層６６が形成されている。突出層６６は例えば、窒化シリコンで形成される。そして、突出層６６上に図２と同様の積層構造（Ｔｉ層５２／Ｔａ層５３／ＡｌあるいはＡｌ合金からなる第１の接続金属層５４／Ｇｅからなる第２の接続金属層５５）からなる封止接合部５０を介して第２基材６７が形成されている。これにより第１基材６８と第２基材６７間に密閉された内部空間Ｓ１が形成される。

図３に示す実施形態では、内部空間Ｓ１内に、センサ素子７０が設置され、センサ素子７０の接続端子部７１が電気接続層７２と電気的に接続された状態となっている（図３では一方の接続端子部の接続状態を示す）。

図４（ａ）は本実施例の封止接合部の断面ＳＩＭ写真、図４（ｂ）は比較例の封止接合部の断面ＳＩＭ写真である。

図４（ａ）に示す本実施例では、封止接合部を第１基材側に下からＴｉ（０．０２）／Ｔａ（０．０２）／第１の接続金属層；Ａｌ（０．８）の順に積層し、第２基材側に第２の接続金属層；Ｇｅ（０．５）を形成した。括弧内の数値は膜厚を示し単位はμｍである。そして、Ａｌから成る第１の接続金属層とＧｅから成る第２の接続金属層とを突き合わせた状態で、４３０℃の条件下で熱処理を施した。これによりＡｌ−Ｇｅ共晶接合を行った。

一方、図４（ｂ）に示す比較例では、封止接合部を第１基材側に下からＴｉ（０．０２）／第１の接続金属層；Ａｌ（０．８）の順に積層し、第２基材側に第２の接続金属層；Ｇｅ（０．５）を形成した。括弧内の数値は膜厚を示し単位はμｍである。そして、Ａｌから成る第１の接続金属層とＧｅから成る第２の接続金属層とを突き合わせた状態で、４３０℃の条件下で熱処理を施した。これによりＡｌ−Ｇｅ共晶接合を行った。

図４（ａ）の実施例に示すように、Ａｌ層（第１の接続金属層）と、Ｇｅ層（第２の接続金属層）との界面はきれいに密着し、Ａｌ層に空隙部（ボイド）が形成されていないことがわかった。

これに対して図４（ｂ）の比較例では、Ａｌ層（第１の接続金属層）と、Ｇｅ層（第２の接続金属層）との界面付近のＡｌ層に空隙部（ボイド）が形成されていることがわかった。

続いて、図４（ａ）に示す本実施例のＭＥＭＳセンサ及び図４（ｂ）に示す比較例のＭＥＭＳセンサに対して、引張試験を行い封止接合部の接合強度を測定した。

図４（ｂ）に示す比較例では、１ｋｇｆ程度の荷重でＡｌ層とＧｅ層との界面より剥離することがわかった。一方、図４（ａ）に示す実施例では、１．５ｋｇｆ程度の荷重で、Ａｌ層とＧｅ層との界面以外の箇所（Ａｌ層内部や基材との間の界面等）で破壊が生じることがわかった。したがって実施例では比較例に比べてＡｌ層とＧｅ層とのＡｌ−Ｇｅ共晶接合界面での接合強度が高いことがわかった。

２０ ＭＥＭＳセンサ
２１、６８ 第１基材
２２、６７ 第２基材
２３，６５ 絶縁層
２４、２５、６４ 配線層
２６ 固定電極層
２７ 電極パッド
３６ 支持基板
３７ アンカ部
３８ 可動部
４０ 枠体部
５０ 封止接合部
５１ 接合部
５２ Ｔｉ層
５３ Ｔａ層
５４ 第１の接続金属層
５５ 第２の接続金属層
７０ センサ素子

Claims (5)

1. 第１基材と、第２基材と、前記第１基材と前記第２基材間に位置する封止接合部と、を有して構成され、
   前記封止接合部は、前記第１基材側から前記第２基材側にかけて、Ｔｉ層、Ｔａ層、第１の接続金属層、及び、第２の接続金属層の順に積層されてなり、
   前記第１の接続金属層はＡｌあるいはＡｌ合金で形成され、
   前記第２の接続金属層はＧｅで形成され、
   前記第１基材側に形成された前記第１の接続金属層と前記第２基材側に形成された前記第２の接続金属層とが共晶接合されてなることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
2. 前記第１基材の前記第２基材との対向面側に絶縁層が形成され、前記絶縁層内に配線層が埋設されており、
   前記封止接合部は、前記絶縁層と前記第２の基材間に形成されている請求項１記載のＭＥＭＳセンサ。
3. 前記配線層は前記封止接合部の外側にまで引き出されており、前記封止接合部の外側の位置に前記配線層と電気的に接続される電極パッドが設けられている請求項２記載のＭＥＭＳセンサ。
4. 前記第２基材は、アンカ部と、前記アンカ部に高さ方向へ変位可能に支持される可動部と、前記アンカ部及び前記可動部の周囲に形成された枠体部とを有して構成され、前記第２基材の前記第１基材と対向する反対側には前記アンカ部及び前記枠体部に固定される支持基板が設けられており、
   前記枠体部と前記第１基材間に前記封止接合部が形成されており、前記封止接合部と同じ積層構造の接合部が前記アンカ部と前記第１基材間に設けられる請求項１ないし３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳセンサ。
5. 前記第１基材の前記第２基材との対向面側に絶縁層が形成され、前記絶縁層内に配線層が埋設されており、
   前記封止接合部は、前記絶縁層と前記第２の基材間に形成されており、前記配線層は、前記封止接合部の内側にて前記可動部と対向する位置に設けられた固定電極層に電気的に接続されている請求項４記載のＭＥＭＳセンサ。

Images