JP5676022B2 - マイクロメカニカル素子およびマイクロメカニカル素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の上位概念に記載された形式のマイクロメカニカル素子に関する。

この種の素子は周知になっている。たとえばＤＥ１９５３７８１４Ａ１に、機能層システムの構成と、表面マイクロマシニング技術によるセンサの気密封止パッケージング法が開示されている。ここに挙げられている気密封止パッケージングは、シリコンから成る別個のキャップウェハによって行われる。ここでは、素子の前面に少なくとも１つの端子領域が設けられており、これは必ず素子のマイクロメカニカル構造体に隣接して配置しなければならないので、素子を製造するための所要面積が拡大される。このことにより、従来技術によるセンサを製造するための使用面積が大きくなり、センサが高コストになってしまう。

ＤＥ１９５３７８１４Ａ１

本発明の課題は、マイクロメカニカル素子の使用面積を縮小し、コストを削減できるようにすることである。

前記課題は、基板裏面に面コンタクトを設けることによって解決される。

独立請求項に記載された本発明によるマイクロメカニカル素子および本発明によるマイクロメカニカル素子の製造方法の優れている点は、所要面積を縮小し、それによって本発明によるマイクロメカニカル素子を特に低コストで製造できるということである。とりわけ、基板裏面に面コンタクトを設けることにより、マイクロメカニカル構造体の基板の主延在面に対して垂直な投影面に、マイクロメカニカル構造体ないしはマイクロメカニカル構造体の一部を面コンタクトの少なくとも一部とともに、投影方向に沿って配置することができる。このことにより、面コンタクトによって基板前面に付加的な所要面積が生じることがなく、ひいては、全体的な所要面積が縮小される。さらに、このことによって基板裏面における面コンタクトの高さは、周辺に存在する構造体より小さくなる。このことにより、たとえばマイクロメカニカル素子のフリップチップコンタクトが可能になる。

本発明によれば、マイクロメカニカル構造体はセンサ構造体またはアクチュエータ構造体であるのが有利である。このようなマイクロメカニカル構造体は有利には、加速度測定および／またはヨーレート測定用のセンサ構造体を有する。このことによってとりわけ、比較的複雑な構造でありひいては高感度であるために周辺から可能な限り良好に保護しなければならないマイクロメカニカル構造体を有する適用例では、マイクロメカニカル構造体が良好に保護されることと、良好にコンタクト可能であることならびに所要面積が小さいこととを容易に結びつけることができる。本発明では特に有利には、マイクロメカニカル構造体の基板および／またはキャップ基板は半導体基板であり、特に有利にはシリコン基板である。このことによって本発明では、確立された製造技術によってマイクロメカニカル素子を比較的低コストで製造することができる。

さらに本発明では、ボンディング接合部を介して基板前面とキャップ基板とを接続して設けるのが有利であり、とりわけ、ガラスフリットボンディングまたは別の接着法（たとえばプラスチック）によって形成されたボンディング接合部によって接続するのが有利である。このことにより本発明では、基板前面とキャップ基板との間に、確立された技術を使用して容易に製造できる特に確実な接続部を製造することができる。

さらに有利には、マイクロメカニカル構造体とキャップ基板との間に予め設定された気体雰囲気、とりわけ予め設定された内圧が設けられる。これによって、マイクロメカニカル構造体の機能が最適化されるようにマイクロメカニカル素子の内部に存在する雰囲気を調整し、マイクロメカニカル素子の寿命全体にわたって維持することができる。

特に有利には、本発明ではさらに、予め設定された気体雰囲気が通気構造体を使用して、基板裏面から設けられる。こうすることにより、気体雰囲気をプロセス技術的に特に簡単に、かつ比較的遅い時点の製造ステップで定義することができるので、マイクロメカニカル素子を製造するための後続のステップが、該マイクロメカニカル素子の内部に設けられた気体雰囲気に及ぼす影響、ないしは、該マイクロメカニカル素子内部に設けられた本発明による材料、たとえば粘着防止層（Antistiction coating）等に及ぼす影響が可能な限り小さくなる。

本発明においてさらに有利には、面コンタクトは基板から電気的に絶縁されたコンタクト柱を有する。これは、とりわけ基板の材料から形成され、いわゆるトレンチ溝によって基板から絶縁される。基板から絶縁されたこの基板材料の領域はその後、コンタクト柱として使用され、面コンタクトの一部として基板裏面を介して電気的にコンタクトされる。

本発明の別の対象は、本発明によるマイクロメカニカル素子の製造方法である。ここでは、第１のステップでマイクロメカニカル構造体を基板前面から形成し、かつキャップ基板を形成する。第２のステップで基板前面をキャップ基板に接続し、第３のステップで面コンタクトを形成する。こうすることによって特に有利には、マイクロメカニカル素子を製造するための比較的簡単なプロセス順序と、所要面積が小さいこととを結びつけることができる。

特に有利には本発明では、面コンタクトを形成するために、基板裏面側からトレンチエッチングステップを行う。こうすることにより、比較的小さいプロセス上の手間で基板裏面から面コンタクトを形成し、ひいては所要面積を著しく削減することができる。

さらに本発明では、トレンチエッチングステップを完全トレンチエッチングとして行うのが有利である。これによって、面コンタクトの接触抵抗を本発明によって低減することができ、マイクロメカニカル構造体ないしはマイクロメカニカル構造体の電気的にコンタクトすべき部分のより直接的なコンタクトが可能になる。

キャップ基板の概略的な断面図である。 マイクロメカニカル素子の第１の実施形態の概略的な断面図である。 マイクロメカニカル素子の第２の実施形態の概略的な断面図である。 マイクロメカニカル素子の概略的な斜視図である。

図面に本発明の実施例が示されており、これらの実施例について以下で詳しく説明する。

図４に、マイクロメカニカル素子３０ないしはマイクロメカニカル素子の主な構成要素が斜視図で概略的に示されている。この素子３０は、基板１０およびキャップ基板１０′を有する。基板１０は基板前面１５および基板裏面１６を有する。基板１０の領域ではマイクロメカニカル構造体５０が構造化によって形成され、とりわけ表面マイクロマシニング技術で形成されている。キャップ基板１０′はマイクロメカニカル素子３０の製造プロセス中に、前面１５ないしは基板前面１５に接続される。しかし、このことは図４には示されていない。

図１に、後でキャップ基板１０′と基板前面１５との間に接続部を形成するための接続層２０を有するキャップ基板１０′が断面図で示されている。本発明において有利には、キャップ基板１０′は空洞部６０を有する。この空洞部６０はマイクロメカニカル構造体５０の領域内に配置されているので、該マイクロメカニカル構造体５０に、比較的大きな上方向の可動遊び空間、すなわちキャップ基板１０′に比較的大きな可動遊び空間が与えられる。さらに本発明では、キャップ基板１０′はマイクロメカニカル構造体５０の運動を制限するためにストップエレメント１１を有し、このストップエレメントがいわゆるＺストップとして機能するように構成することもできる。

図２に、マイクロメカニカル素子３０の第１の実施形態が断面図で概略的に示されている。ここでは、基板１０が接続部２０を介してキャップ基板１０′に接続されているのが見て取れる。この接続部２０はとりわけボンディング接合部２０であり、これは特に有利には、いわゆるガラスフリットボンディング法または別の接着法（たとえばプラスチック）によって形成される。キャップ基板１０′に空けられた空洞部６０の深さないしは高さは、接続部２０の高さないしはボンディング接合部２０の高さに依存して、機能エレメントないしはマイクロメカニカル構造体５０の要求に、たとえば内部容積に関する要求または運動自由度に関する要求に適合しなければならない。たとえば本発明では、雰囲気領域に内圧を有するマイクロメカニカル素子３０（たとえば従来の加速度センサ）では通常、空洞部６０の凹入部としては数μｍで十分である。真空式の機械的素子３０、たとえばいわゆる真空センサでは、より大きな内部容積が必要とされることがあり、このことによってキャップ基板１０′内の空洞部６０の高さが大きくなってしまう。このような真空センサは、たとえばヨーレートセンサ等である。ボンディング接合部２０の層は従来のように、たとえばスクリーン印刷によって、相応のシーケンス処理によって被着することができる。これに相応して、センサ中間領域にガラスフリットおよび／またはシールガラスを充填するか、または択一的に切り欠くことができる。キャップ基板１０′の空洞部６０に対向する側には、本発明では調整構造体を配置することができる。

素子３０のマイクロメカニカル構造体５０を形成するために本発明では、多数の公知の処理法を使用することができる。たとえば、マイクロメカニカル構造体５０の基本的な部分を、同じように参照番号５０によって示された層内部に配置し、この層を基板１０に被着することができる。この層５０はたとえば、ポリシリコン材料から成る機能層とすることができ、たとえば、少なくとも一部領域ではエピタクシーによるポリシリコン材料を設けることができる。この機能層５０はさらに、第１のパッシベーション中間層１００によってポリシリコン層５１から電気的に絶縁して設けることができ、ポリシリコン層５１は、第２のパッシベーション中間層１０１によって基板１０の本来の基板材料から電気的に絶縁されて設けられる。しかし本発明では、基板１０の概念には、キャップ基板１０′ないしは接続層２０以外のマイクロメカニカル素子３０の構成全体ないしは層構成全体が含まれる。すなわち、場合によっては本来の基板材料上に堆積された層が含まれる。基板１０は本発明では、基板前面１５および基板裏面１６を有する。マイクロメカニカル構造体５０の形成が完了した後、キャップ基板１０′が基板前面１５に被着され、接続部２０によって接続される。本発明では、ポリシリコン層５１の一部は導体路（図２では参照番号３によって示されている）ないしは電極（図２では参照番号４によって示されている）として形成され、本発明では基板裏面１６にコンタクトしなければならない。このようにして面コンタクト４０が形成される。こうするために本発明では、基板裏面１６にトレンチ溝２′が空けられ、トレンチ溝２′相互間に先行の基板材料の領域が残され、いわゆるコンタクト柱２を形成するように構成される。このようにして本発明では、基板１０の材料を適切に選定すれば、導体路３または電極４として使用されるポリシリコン層５１の領域間に比較的低抵抗の接続部を、基板裏面１６によって形成することができる。本発明では、基板１０にとりわけ半導体材料を使用し、特に有利にはシリコン材料を使用する。（コンタクト柱２の）比較的高い電気伝導度を実現するために有利には、ドーピングされたシリコン材料ないしはドーピングされた半導体材料が使用される。トレンチ溝２′には、第２のパッシベーション中間層１０１がストップ層ないしはエッチングストップ層として使用される。基板１０の材料の他の部分からより良好に絶縁するために、トレンチ溝２′に第３のパッシベーション中間層１０２が充填される。この第３のパッシベーション中間層１０２はたとえば、酸化物材料または窒化物材料等から成るいわゆる低温レフィルとすることができ、また、いわゆるポリマーレフィルとすることもできる。この第３のパッシベーション中間層１０２を構造化した後、面コンタクト４０をコンタクト材料２００の被着によって、たとえばアルミニウムの被着によって完成することができる。このように形成された面コンタクト４０は直接ボンディングすることができ、とりわけフリップチップボンディング法によってボンディングすることができる。

図３に、本発明によるマイクロメカニカル素子３０の第２の実施形態が示されている。同一の参照記号によって示された素子３０の部分ないしは構成要素は、素子３０の第１の実施形態に示された部分ないしは構成要素と同じ構造ないしは機能を有する。しかし、第２の実施形態において第１の実施形態と異なる点として、トレンチ溝７１は基板裏面１６から設けられ、第２のパッシベーション中間層１０１にパーフォレーション構造部７０を顕す。このことにより、マイクロメカニカル素子３０の内部容積６０は基板裏面１６から到達可能になり、予め設定された気体雰囲気に調節できるようになる。トレンチ溝７１およびパーフォレーション構造部７０は併せて、空洞部のいわゆる通気構造と称され、これによって素子３０の製造プロセスの特に遅い時点で特に簡単に気体雰囲気を調節できるようになる。気体雰囲気の調節はここでは、第３のパッシベーション層１０２によってパーフォレーション構造部７０の堆積ひいては封止を行うことによって実施される。

マイクロメカニカル素子３０のここに図示されていない変形形態ではさらに、１つまたは複数のトレンチ溝２′をいわゆる完全トレンチとして貫通することもできる。このことは、コンタクト柱２を残さずに層５１のコンタクト領域を完全に露出することを意味する。金属を孔領域にのみ残すだけの構造化によって金属層等を被着した後に、構造化されたパッシベーション部を被着することにより、電気開始層が形成される。この電気開始層はその後で、素子の別の実施形態では設けられるコンタクト柱２の容積を完全にはんだメタライゼーションによって満たすために使用される。さらに、第１の実施形態（図２）と第２の実施形態（図３）とを組み合わせることもできる。

２ コンタクト柱
２′ トレンチ溝
３ 導体路
４ 電極
１０ 基板
１０′ キャップ基板
１５ 基板前面
１６ 基板裏面
２０ ボンディング接合部
３０ マイクロメカニカル素子
４０ 面コンタクト
５０ マイクロメカニカル構造体
６０ 空洞部
７０，７１ 通気構造体
１００ 第１のパッシベーション中間層
１０１ 第２のパッシベーション中間層
１０２ 第３のパッシベーション中間層
２００ コンタクト材料

Claims (9)

1. 基板前面（１５）および基板裏面（１６）を有する基板（１０）と、
   前記基板前面（１５）に設けられたマイクロメカニカル構造体（５０）と、
   前記基板前面（１５）に接続されたキャップ基板（１０′）と、
   前記マイクロメカニカル構造体（５０）の少なくとも一部を電気的にコンタクトするための面コンタクト（４０）と、
   を有するマイクロメカニカル素子（３０）において、
   前記面コンタクト（４０）は前記基板裏面（１６）に設けられており、
   前記基板（１０）に形成される貫通孔領域の内部には、トレンチ溝（２’，７１）およびはんだメタライゼーション（２）が形成されており、
   前記はんだメタライゼーション（２）は、前記トレンチ溝（２’，７１）を介して前記基板（１０）と絶縁されており、
   少なくとも１つの前記面コンタクト（４０）は、前記はんだメタライゼーション（２）を介して、ポリシリコン層（５１）に接続されており、
   前記ポリシリコン層（５１）は、前記マイクロメカニカル構造体（５０）に直接接続されているか、または、パッシベーション層（１００）を介して前記マイクロメカニカル構造体（５０）に接続されており、
   前記マイクロメカニカル構造体（５０）と前記キャップ基板（１０′）との間に、予め設定された気体雰囲気が設けられており、
   前記予め設定された気体雰囲気は、通気構造体（７０，７１）を使用して前記基板裏面（１６）から調節されており、
   前記トレンチ溝（２’，７１）には、別のパッシベーション層（１０２）が充填されている、
   ことを特徴とするマイクロメカニカル素子（３０）。
2. 前記マイクロメカニカル構造体（５０）は、センサ構造体またはアクチュエータ構造体である、
   請求項１記載のマイクロメカニカル素子（３０）。
3. 前記マイクロメカニカル構造体（５０）は、加速度測定および／またはヨーレート測定用のセンサ構造体を有する、
   請求項１記載のマイクロメカニカル素子（３０）。
4. 前記基板前面（１５）は、ガラスフリットボンディングによって形成されたボンディング接続部（２０）を使用して、前記キャップ基板（１０′）に接続されて設けられている、
   請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子（３０）。
5. 他の前記面コンタクト（４０）は、前記基板（１０）の一部を用いて前記基板（１０）の内部に形成されるコンタクト柱（２）を介して、前記ポリシリコン層（５１）に接続されており、
   前記コンタクト柱（２）は、前記基板（１０）から電気的に絶縁されている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子（３０）。
6. 前記面コンタクト（４０）は、フリップチップコンタクトによって電気的に接続可能に設けられている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子（３０）。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子（３０）の製造方法において、
   第１のステップで前記マイクロメカニカル構造体（５０）を前記基板前面（１５）から形成し、かつ前記キャップ基板（１０′）を形成し、
   第２のステップで、該基板前面（１５）と前記キャップ基板（１０′）とを接続し、
   第３のステップで、前記面コンタクト（４０）を形成する、
   ことを特徴とする製造方法。
8. 前記面コンタクト（４０）を形成するために、前記基板裏面（１６）側からトレンチエッチングステップを行う、
   請求項７記載の製造方法。
9. 前記ポリシリコン層（５１）と前記面コンタクト（４０）とを接続する接続領域において前記基板（１０）の材料を除去して前記貫通孔領域を形成するように、前記トレンチエッチングステップを行い、
   前記製造方法はさらに、
   金属を前記貫通孔領域にのみ被着することによって金属層を設け、その後に、構造化されたパッシベーション層を設けることにより、電気開始層を形成するステップと、
   前記電気開始層を利用して、前記貫通孔領域にはんだメタライゼーション（２）を満たすステップと、
   を含む、
   請求項８記載の製造方法。

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