JP5763682B2 - Ｍｅｍｓ及びａｓｉｃを備える小型化した電気的デバイス及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップを備える小型化したＭＥＭＳセンサデバイスに関する。
ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-Systems）はセンサとして多くの用途がある。ＭＥＭＳは、例えば、湿度センサ、加速度センサのような慣性センサ、圧力センサ又はマイクロフォンセンサとして使用されている。
ＡＳＩＣ（Application-Specific-Integrated-Circuits：特定用途向け集積回路）は、ＭＥＭＳセンサに接続した場合、一般的にスイッチ回路、例えば論理回路又はアナログ回路として構成することができ、これによりＭＥＭＳから供給されるセンサ信号を処理する。例えばＭＥＭＳマイクロフォンが２個のコンデンサ電極であって、受信した音波の圧力変動によって互いの間隔が変わる２個のコンデンサ電極を有する場合、ＡＳＩＣはアナログ又はデジタル回路として構成することができる。これらアナログ又はデジタル回路は、ＭＥＭＳコンデンサの経時的に可変である容量を電子的に更に処理可能な信号に変換する。このようにしてＭＥＭＳマイクロフォンが構成される。
特許文献１（米国特許第６,７８１,２３１号）に開示されているＭＥＭＳマイクロフォンにおいては、ＭＥＭＳチップを基板上に取り付け、キャップ状のカバーで被覆する。
特許文献２（米国特許第６,５２２,７６２号）に開示されているＭＥＭＳマイクロフォンにおいては、そのＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップを支持基板における一方の側に互いに隣接して取り付けている。
特許文献３（米国特許出願公開第６,０８８,４６３号）に開示されているＭＥＭＳマイクロフォンにおいては、シリコンを含有するＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップを支持基板（中間層）の互いに背反する側面に取り付けている。
特許文献４（米国特許出願公開第２００９／０００１５５３号）に開示されているＭＥＭＳパッケージにおいては、ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップを互いに隣接させて又は互いに上下に取り付け、また金属層により被覆している。
上述したそれぞれの電気的デバイスは、取り付けのための支持基板を必要とする。
電子デバイス、特に例えばモバイル電子機器に使用されるＭＥＭＳデバイスの市場においては、モバイル機器（例えばモバイル通信機器）に対してより多くの機能を組み込むため、デバイスの小型化に対する要請がますます高まっている。
米国特許第６,７８１,２３１号明細書 米国特許第６,５２２,７６２号明細書 米国特許出願公開第６,０８８,４６３号明細書 米国特許出願公開第２００９／０００１５５３号明細書
本発明の課題は、有利に製造できかつ信号分解能を向上させた小型のＭＥＭＳセンサデバイスを得ることにある。本発明におけるさらなる課題は、このようなＭＥＭＳセンサデバイスの製造方法を提供することにある。
本発明によるＭＥＭＳセンサデバイスは、電気的接点を有するＭＥＭＳチップ及び電気的接点を有するＡＳＩＣチップを備える。さらに本発明によるデバイスは、ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップの内部接続部並びに電気的外部接続端子を備える。電気的デバイスはこれに加えて、ＭＥＭＳチップ又はＡＳＩＣチップを貫通するビアを備える。ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップは、互いに上下に配置する。内部接続部は、ＭＥＭＳチップにおける電気的接点をＡＳＩＣチップの電気的接点に直接接続する接続部を含む。内部接続部又は両チップにおける電気的接点の少なくとも一方は、ビアを介して電気的外部接続端子に接続する。
ビアはデバイスの電気的外部接続端子に接続し、この電気的外部接続端子は、ＡＳＩＣチップにおけるＭＥＭＳチップに対面する側の側面に、又はＭＥＭＳチップにおけるＡＳＩＣチップに対面する側の側面に配置する。ＭＥＭＳチップとＡＳＩＣチップとの間には隙間を設け、この隙間内にはフレームを配置する。このフレームは、ＭＥＭＳセンサデバイス内部を側方方向に遮蔽する。ＭＥＭＳチップは少なくとも１個のセンサ電極を有し、このセンサ電極は可動電極及び固定電極を含む。センサ開口は、ＡＳＩＣチップ内に直接配置する、又はＡＳＩＣチップを貫通するよう配置する、又は側面からＭＥＭＳチップとＡＳＩＣチップとの間で隙間の側面に通ずるよう設ける。センサ開口は、周囲からデバイス内部に進入する分析すべき測定量（例えば音響エネルギー、圧力、ガス、湿度）の入口として機能する。
シリコンチップに形成するビアは、例えばいわゆるＴＳＶｓ（Through-Silicon Vias:スルーシリコンビア）とすることができる。
本発明によるＭＥＭＳセンサデバイスは、ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップを互いに上下に配置することにより、小型化することができる。特にデバイスに必要な占有面積は、基本的にＭＥＭＳチップ又はＡＳＩＣチップのうち、より大きいチップに必要な占有面積とほぼ同一である。
多数の同一のＭＥＭＳチップは第１のウェハに、また多数の同一のＡＳＩＣチップは第２のウェハに実装することができる。それぞれのウェハを製造した後、多数あるＭＥＭＳチップのそれぞれ１個を多数あるＡＳＩＣチップのそれぞれ１個に結合することができる。このような多面取りによる製造は、電気的デバイスの簡単かつ安価な製造を可能とする。
ただし代替的には、ＡＳＩＣチップ及びＭＥＭＳチップの一方のみを多面取り用に１個のウェハに実装し、個別に切り出した他方のチップに結合してもよい。
ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップを互いに上下に配置し、両チップをＭＥＭＳチップ又はＡＳＩＣチップを貫通するビアを介して互いに接続するため、電気的配線は極力短く形成できる。このことは有利であり、なぜならＭＥＭＳチップにより検波された信号は内部接続部を介してＡＳＩＣチップに伝送され、基本的にはＭＥＭＳチップからＡＳＩＣチップへの電気的接続が長いほど妨害されるからである。従って、電気的配線を短くすることにより信号の妨害を低減することが可能となる。
このように、従来技術の電気的デバイスに比べて、本発明は相当程度向上させたデバイスを提供する。
一実施形態において、ＭＥＭＳチップは下側面を有し、ＡＳＩＣチップは上側面及び下側面を有する。ＡＳＩＣチップの上側面は、ＭＥＭＳチップの下側面に対面する。ビアは、ＡＳＩＣチップを貫通するよう設ける。電気的外部接続端子は、ＡＳＩＣチップの下側面に配置する。
代替的には、電気的外部接続端子をＭＥＭＳチップの下側面に設け、ＡＳＩＣチップをＭＥＭＳチップの上側面に配置することもできる。
電気的外部接続端子をＭＥＭＳチップのデバイス構造又はＡＳＩＣチップのデバイス構造に接続するため、両チップのうち電気的外部接続端子を配置する側のチップにビアを設ける。
ＭＥＭＳチップのデバイス構造及びＡＳＩＣチップの回路は、これらチップの上側面だけでなく下側面に配置してもよい。ただし、ＭＥＭＳチップのデバイス構造及びＡＳＩＣチップの回路は、それぞれのチップ内に配置することもできる。適切に設けたビアにより、電気的接続部を電気回路素子間又はデバイス構造間において確実に短い経路で延在させることができる。
ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップを備える電気的デバイスは、特にこの電気的デバイスのための支持基板又はデバイス支持体上に配置する必要はない。電気的デバイスは外部接点を備え、この外部接点により電気的デバイスを外部における任意の周辺回路に集積することが可能となる。
本発明においては、ＭＥＭＳチップの機能（例えば音響的な背面容積確保による）、又はＡＳＩＣチップの機能（例えば付加的な集積回路による）を支援する支持基板は必要ない。
一実施形態において、ＭＥＭＳチップ又はＡＳＩＣチップの基板はシリコンを含有する。シリコンは高純度かつ単結晶で精製可能な元素であり、その精製及び加工は半導体技術における豊富な経験により習熟されている。従って半導体技術において既知の方法により、ＭＥＭＳチップ及び／又はＡＳＩＣチップに関して信頼性の高い加工又は製造が可能となる。
一実施形態において、ＭＥＭＳチップの電気的接点はＡＳＩＣチップの電気的接点にはんだ付けする。代案としては、導電性を有する合成物質による接着、ボンディング又は当該チップ相互の溶着による接続を行うこともできる。
導電性を有する接着剤の場合、導電性に関して異方性がある接着剤を使用することができる。この接着剤は、両チップにおける互いに対面する側面の大部分に、又は構造体化した接着剤フレームとして塗布することができ、ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップとの間における隙間の外部に対する密封だけでなく、両チップ間における電気的接触をも可能とする。
一実施形態において、両チップ間には隙間を設ける。この隙間は環状フレーム、例えば接着剤によるフレーム又は別のシールリングを使用することにより、ハーメチックに又は音響的に遮蔽することができる。従って、合成物質、ガラス、セラミック又は金属で構成される環状フレームは、上側チップ及び下側チップと共にこれら両チップ間に中空空間を形成し、しかも環状の密封部として機能する。中空空間内には、ＭＥＭＳチップのデバイス構造又はＡＳＩＣチップの回路素子を配置することができる。
電気的なＭＥＭＳセンサデバイスにおける密封は、両チップの結合後にしてもよい。環状密封は、例えば両チップのうち小さい方のチップにフォイル積層体を設ける、又はポリマー材料で同一箇所を被覆することにより行うことができる。両チップは、フリップチップ構造で互いに結合し、接続することができる。
この密封は、例えば両チップにおける側方方向の寸法が同一である場合、両チップ上にフォイル積層体を設けることにより行う、又は同一箇所をポリマー材料で被覆することにより行うこともできる。
フレームは、構造体化したポリマーフレームとすることができる。このフレームは、両チップを互いに結合する前にＭＥＭＳチップ又はＡＳＩＣチップ若しくはこれらチップの一部に配置することができ、これにより両チップを互いに結合した後に形成される隙間を外部に対して密封する。ウェハレベルで加工をする場合、ポリマーフレームを一方又は両方のウェハに予め設けてもよい。
フレームには、両チップにおける電気的な接続部と同一材料を含有することができる。フレームは特に、はんだ、いわゆる固液相互拡散はんだ、導電性を有する接着剤、又は両チップに分布させた２つの部分金属フレームであって、加圧及び加熱作用の下に互いに接合した部分金属フレームとすることができる。
ＭＥＭＳチップのデバイス構造は、外的影響受けないようカプセル封入することができる。これにより、デバイス構造は例えば製造時の汚染に対して、プリント基板／取付プレートへのはんだ付け又は接続若しくは結合に対して、又はＡＳＩＣチップとの結合による汚染に対して保護される。
デバイスのカプセル封入化、又はＭＥＭＳチップとＡＳＩＣチップとの間における隙間の外部に対する密封にはフォイルを使用することができ、このフォイルは上側チップの上側面及び側面を被覆し、また例えばチップの周囲に完全に当接した状態で下側チップの上側面又は側面に密着して閉塞する。このようなフォイルは、例えば部分的に相互結合されたエポキシ樹脂又はＢステージ材を含有することができ、付加的に部分的又は完全にメタライジング層で被覆してもよい。
このフォイルの代わりとして、又は上述したメタライジング層を形成する前の電気絶縁層の付加として、誘電体層を形成することができる。この誘電体層は、例えばラッカーの吹付けにより、又は酸化物、窒化物若しくはパリレン等のポリマーによる蒸着により形成する。
一実施形態において、デバイスは電気的接続端子を有する取付プレートの上側面に配置する。デバイスの電気的外部接続端子は、取付プレートの電気的接続端子に接続する。この取付プレートは、外部周辺回路における任意の取付プレートとすることができる。取付プレートは、電気的デバイスの機能を発揮する上で必ずしも必要ではない。
ＭＥＭＳチップ又はＡＳＩＣチップはその下側面に接点パッドを有することができ、これら接点パッドは例えば取付プレートに接触するよう機能する。
一実施形態において、ＭＥＭＳチップは中空空間と、この中空空間を一方の側で閉鎖し、かつ電極を設けた可動薄膜と、好適には中空空間における薄膜に対して平行に、かつ対面する側に配置した対向電極とを有する。可動薄膜は、対向電極と共に静電容量素子を構成する。ＡＳＩＣチップは、静電容量素子の容量を測定するための回路又は容量変化を検出するための回路を有する。このような電気的デバイスは、ＭＥＭＳマイクロフォンとして構成することができる。可動薄膜は、受信音波による経時的に変化する空気圧力に反応する。対向電極と薄膜との間における間隔が進入する音波の周波数に応じて変化することで、静電容量素子間の間隔に依存する容量（キャパシタンス）により音波として伝送される音響が符号化される。
ＡＳＩＣチップは回路を有することができ、この回路は静電容量素子における２個の電極において、例えば高い抵抗値を有する抵抗器及び電荷ポンプにより、静電容量素子内の蓄積電荷をほぼ一定に保ち、これによりバイアス電圧を発生させる。ＡＳＩＣチップにおける別の回路は、静電容量素子において降圧し、かつ経時的に可変の電圧を検出すると共に、アナログ・デジタル変換器によりデジタル信号に変換することができる。このデジタル信号は、外部周辺回路、例えば電気的デバイスの電気的外部接続端子に出力することができる。
この場合、ＭＥＭＳチップの対向電極はＡＳＩＣチップと薄膜との間に配置することができるが、薄膜はＡＳＩＣチップと対向電極との間に配置してもよい。
薄膜は、センサ開口を介して外部環境に触れる。
一実施形態において、ＭＥＭＳチップは、気圧、湿度又はガス組成を測定・検出するデバイス構造を有する。これらデバイス構造は、デバイスの周囲における大気に触れる。気圧を測定するための電気的デバイスは、例えば特定の内圧を有する閉塞された中空空間を有することができる。この閉塞された中空空間は壁で包囲し、この壁は少なくともその一部が弾性的に変形可能とする。電気的デバイスの周囲における気圧が変化すると、弾性壁が内外における異なる力関係により、中空空間の正圧又は負圧に対して弾性変形を示す。弾性壁におけるこのような弾性変形は、例えば弾性壁に配置した抵抗構造部又はこの抵抗構造部における電気抵抗の変化により検出することができる。このような構成としたデバイスにより、海面を基準にした約１デシメートルの高低差に対応する気圧変化が測定可能となる。
本発明による電気的デバイスは、ガスセンサとして構成することもできる。
両チップ又は電気的デバイスは、外部に形成するメタライジング層を有することができ、このようなメタライジング層は保護として、電磁的な遮蔽として又はハーメチック（気密）シールとして機能する。このメタライジング層により、例えば機械的損傷又は無線周波妨害に対する保護が可能となる。メタライジング層は、フォイルの積層及びスパッタにより又は電気めっきにより形成することができる。
この保護メタライジング層は、チップ本体に対して電気的に絶縁させることが必須である。しかし、保護メタライジング層は、通常、適切な電位（例えばグランド電位）を接続したデバイス又は外部端子に付与する。
一実施形態において、両チップのうち小さい方のチップは、成形プロセスによりその幾何学的形状、例えば側方方向における寸法又は体積を拡大することができる。この目的のために、両チップは、例えば格子状に配置してフォイルに接着し、チップ間に成形材料を充填する。このように製造した新たなウェハには、ビア及び配線面を設ける。この「拡大した」ウェハはその後、上述した成形工程の１つに使用する。
このようなチップ拡大化の場合、第１ステップにおいて、有利に配置した個々のチップから成形により、あたかも新しいウェハを製造することができる。後続のステップにおいて、ビア、又は開口、例えば音波開口を成形体領域に配置することができる。ビア又は開口は、代案として、成形時に設けることもでき、これらは例えば成形型にピンを配置することにより設ける。チップの寸法を拡大することにより、上述したような開口、ビア又は付加的な配線をそれぞれのチップ上に配置することが容易になる。
類似する一実施形態においては、複数個のＡＳＩＣチップをビア及び配線構造を設けた有機プリント基板に積層することにより、新たな多面取り基板が得られる。
代替的には、１個のデバイスのために複数個のＭＥＭＳチップを１個のＡＳＩＣチップ上に、又は複数個のＡＳＩＣチップを１個のＭＥＭＳチップ上に取り付けることもできる。
ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップの材料は、チップ間に加わる機械的応力であって、チップ間の結合又は電気的接続に負荷を与える機械的応力を低減するよう選択することができる。特に、ＭＥＭＳチップの基板及びＡＳＩＣチップの基板は、同一材料を含有するものとする。
一実施形態において、電気的デバイスはマイクロフォンとして構成する。ＭＥＭＳチップとＡＳＩＣチップとの間には、隙間を設ける。この隙間には、デバイス内部を音響的に密封する環状に閉じたフレームを配置する。ＭＥＭＳチップは、対向電極及び薄膜を有する。ＡＳＩＣチップ又はフレームには、音波進入口を配置する。ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップにおける側方方向の寸法は、同一とすることができる。ＡＳＩＣチップにおけるＭＥＭＳチップに対面する側の側面には、電気的外部接続端子を配置する。ＭＥＭＳチップ、ＡＳＩＣチップ及び好適にはフレームも、互いにマイクロフォンの側方方向に面一で整列するようにする。
ＡＳＩＣチップ又はフレームに設ける１つの音波進入口に加えて、例えば直径が約３０μmの音波進入口を付加的に配置してもよい。多数のより小さく形成した開口は、良好な音波進入だけでなく、塵埃粒子に対する防護を向上させる。
本発明による電気的デバイスを製造するための方法は以下のステップを有する。すなわち、
電気的接点を有するＡＳＩＣチップ及び電気的接点を有するＭＥＭＳチップを用意するステップと、
ＭＥＭＳチップ又はＡＳＩＣチップを貫通するビアを設けるステップと、
ＡＳＩＣチップ及びＭＥＭＳチップを互いに上下に配置するステップと、
ＡＳＩＣチップ及びＭＥＭＳチップを結合するステップと、
ＡＳＩＣチップ及びＭＥＭＳチップの電気的接点相互を接続するステップと、
ＡＳＩＣチップ内、又はＡＳＩＣチップとＭＥＭＳチップとの間にセンサ開口を設けるステップとを有する。
本発明方法における一実施形態においては、ＡＳＩＣチップ又はＭＥＭＳチップを多面取り用にウェハに設け、個別の第２チップに結合する。特にウェハによる量産は、本発明による電気的デバイスを効率的に、容易に、かつ安価に製造することを可能とする。
一実施形態では、ＡＳＩＣチップ及びＭＥＭＳチップを多面取り用にそれぞれ１個のウェハに設ける。これらウェハは、それぞれ１個のＡＳＩＣチップがそれぞれ１個のＭＥＭＳチップに結合、接続するよう接合する。電気的デバイスの切り出しは、ウェハを接合及び接続した後、例えばレーザー又はソーイングにより行う。
一実施形態においては、ＡＳＩＣチップを貫通する開口、例えば音波進入口をエッチングにより設ける。代案として、１つの大きな開口の代わりに多数の小さな開口をエッチングにより設けてもよい。エッチングにより複数の小さな開口を設けることには、プロセス工学上の利点がある。フレームに設ける１つ以上のセンサ開口は、フレーム形成時に設ける又は後からフレームを構造体として形成することにより設けることができる。フレームが互いに対面する両チップの表面上に配置する２個の部分フレームで構成される場合、２個の部分フレームの一方にのみセンサ開口を設けてもよい。
さらにＭＥＭＳチップ、ＡＳＩＣチップ、又はこれら両チップ間に生ずる応力は、可撓性がある固定部及び／又は接続部により低減することができる。このために、特にコイル状の銅線を有するポリマーバンプ、ＡＣＡ接続部（Anisotropic Conductive Adhesive-Verbindungen:異方性導電接着剤）又は可撓性ＩＣＡ接続部（Isotropic Conductive Adhesive-Verbindungen:等方性導電接着剤）を使用することができる。
電気的デバイスのチップを取付プレートに結合した場合、この取付プレートに対面するチップの側面においても機械的な応力負荷を軽減するための手段を講じることができる。特に取付プレートに対面するデバイスの側面には、関連する温度領域で取付プレートに適合するＣＴＥ（= coefficient of thermal expansion = thermischer Ausdehnungskoeffizient: 熱膨張係数）、又は関連する温度領域で取付プレートに適合する低い弾性係数を有する可撓性の高いポリマー層を塗布することができる。チップ間、又はデバイスと取付プレートとの間の結合及び接続としては、ＬＧＡ（land grid array:ランド・グリッド・アレイ）又はＢＧＡ（ball grid array:ボール・グリッド・アレイ）による結合部及び接続部を使用することができ、これらは可撓性を有するものとして形成することができる。
ＡＳＩＣチップには電荷ポンプ設けることができ、これにより供給電圧よりも高い電圧を得ることが可能となる。特にＭＥＭＳマイクロフォンの静電容量素子を充電する電圧は通常の作動電圧よりも明らかに高い約１０ボルトであり、ＡＳＩＣチップで発生させることができる。
ＭＥＭＳチップ又はＡＳＩＣチップを貫通するビアにより、デバイス構造又は集積回路を両チップにおける任意かつ異なる箇所に配置し、接続することが可能となる。すなわち、電気的デバイスを設計する際の自由度が大幅に高まる。
以下、本発明による電気的デバイスを、実施形態及び添付図面につきより詳細に説明する。
ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップを備える電気的デバイスを示す説明図である。 デバイス構造としての対向電極及び薄膜を備える電気的デバイスを示す説明図である。 電気的接点を包囲するフレームを備える電気的デバイス示す平面図である。 取付プレート上に配置した電気的デバイスを示す説明図である。 カバー又は弾性壁を有するＭＥＭＳチップを備える電気的デバイスを示す説明図である。 電気的デバイス、ＡＳＩＣチップ又はＭＥＭＳチップを配置したウェハを示す説明図である。 上側チップを被覆するフォイルを備える電気的デバイスを示す説明図である。 ＡＳＩＣチップに配置した開口を備える電気的デバイスを示す説明図である。
図１は、ＭＥＭＳチップＭＣ及びＡＳＩＣチップＡＣを備える電気的なＭＥＭＳセンサデバイスＥＢを示す。ＭＥＭＳチップＭＣは、上側面ＯＳＭ及び下側面ＵＳＭを有する。図示の実施形態及び他の実施形態において、下側面とはデバイスの電気的外部接続端子ＥＥＡに指向する側の側面を指すものであり、これら電気的外部接続端子ＥＥＡは、図面の下側チップの下側面に存在する。ＡＳＩＣチップＡＣも同様に上側面ＯＳＡ及び下側面ＵＳＡを有する。ＭＥＭＳチップＭＣは、その下側面ＵＳＭがＡＳＩＣチップＡＣの上側面ＯＳＡに対面するよう配置する。ＭＥＭＳチップＭＣはその下側面に配置した電気的接点ＥＫを有し、ＡＳＩＣチップはその上側面ＯＳＡに配置した電気的接点ＥＫを有する。ＭＥＭＳチップの下側面における電気的接点は、ＡＳＩＣチップの上側面における電気的接点に接続し、電気的デバイスＥＢにおける集積回路ＩＶの少なくとも一部を構成する。
ＡＳＩＣのデバイス構造は、図示の実施形態だけでなく他の実施形態においても電気的外部接続端子ＥＥＡを有する側の側面、又は好適にはＭＥＭＳチップに対面する側の側面に配置することができる。
ＡＳＩＣチップＡＣの内部にはビアＤＫを配置する。これらビアＤＫは、電気的接点の１個又は複数個、又は内部接続部をＡＳＩＣチップの下側面に配置した電気的外部接続端子ＥＥＡに接続する。デバイスＥＢは、１個又は複数個の電気的外部接続端子を備えることができる。これら１個以上の電気的外部端子により、デバイスＥＢを外部周辺回路（図示せず）に接続することができる。
ＭＥＭＳチップＭＣ及びＡＳＩＣチップＡＣの電気的接点ＥＫは、できるだけ最短経路で互いに接続する。これにより、電気的デバイスにおける妨害感受性が低減する。さらに、上述したＭＥＭＳチップＭＣ及びＡＳＩＣチップＡＣの配置及び接続により、構造寸法が小さいコンパクトな電気的デバイスが得られる。
図２は、電気的デバイスの一実施形態を示し、この場合の電気的デバイスは、デバイス構造として対向電極ＲＰ（英語では”Backplate”とも称する）及び薄膜Ｍを備える。さらに図示の実施形態においては、ＭＥＭＳチップを貫通するビアを設け、これにより、ＭＥＭＳチップの上側面に配置したデバイス構造ＢＳが、内部接続部及びＡＳＩＣチップを貫通するビアを介して、ＡＳＩＣチップの下側面におけるデバイスの電気的外部端子ＥＥＡに接続される。
ＭＥＭＳチップＭＣとＡＳＩＣチップＡＣとの間に隙間を設け、この隙間の高さは、ＭＥＭＳデバイスとＡＳＩＣチップとの間における距離を決定する。環状に閉じたフレームＲは、チップ間で隙間を包囲する。例えば対向電極ＲＰ及び薄膜ＭがＭＥＭＳマイクロフォンの容量素子における２個の電極として機能する場合、フレームＲによりハーメチック（気密）シールされた背面容積部がＭＥＭＳチップ内部、及びＭＥＭＳチップとＡＳＩＣチップとの間に生ずる。
ＭＥＭＳチップは、デバイス構造ＢＳとして可動薄膜Ｍ及び対向電極ＲＰとしてのバックプレートを有し、これら可動薄膜Ｍ及びバックプレートが一緒にマイクロフォンの容量素子ＫＥを構成する。
図３は、ＡＳＩＣチップの上側面に対して平行に切断した電気的デバイスの横断面を示す。図示の実施形態における電気的デバイスにおいては、フレームＲにより電気的デバイスにおける内部接続部の一部を構成する電気的接点ＥＫが環状に包囲される。この場合の「環状」という表現は、フレームの幾何学的形状に関連するものではなく、閉じた曲げ線に関連する。
図４は電気的デバイスを示し、この場合の電気的デバイスは取付プレートＭＰ上に配置し、電気的接点により取付プレートＭＰの上側面に接続する。このような配置により、電気的デバイスを外部接続部に接続することが可能となる。
ＭＥＭＳチップ内部には、中空空間Ｈを配置する。この中空空間Ｈを一方の側面をデバイス構造で区切り、例えば、薄膜Ｍを配置する。マイクロフォンの中空空間における他方の側面は、背面側のカバーＲＡ、例えばＰＩフォイルで被覆する。この背面側のカバーＲＡには、例えばセラミック、シリコン、金属又はガラス製のプレートを使用してもよい。
図示の実施形態においては、完全には閉じていないフレームを上側チップと下側チップとの間に配置する。図面の右側にフレームの縦断面を示す。図面の左側はフレームの一部が欠落しているため、この箇所にはセンサ開口、例えば音波進入口が形成される。これにより、音波がチップ間における電気的接続部の間からデバイス内又は両チップが形成する中空空間内に進入できる。このようにして側面にセンサ開口（例えば音波進入口としての）を有する電気的デバイスが構成される。
図５が示す電気的デバイスにおいては、ＭＥＭＳチップＭＣとＡＳＩＣチップＡＣとの間に隙間Ｓを設ける。図示の実施形態において、ビアＤＫはＭＥＭＳチップだけでなく、このＭＥＭＳチップＭＣの背面側におけるカバーＲＡをも貫通している。カバーＲＡは弾性変形可能とすると共に電気的な抵抗素子を有することができ、これら電気的な抵抗素子の電気抵抗は背面側のカバーのに依存する。これら抵抗素子は、カバーの上側面に取り付けるか又はカバーの上側面内に埋設することができる。ビアＤＫはカバーを貫通するため、抵抗素子を内部接続部に接続することができる。
図６はウェハＷを示し、ウェハＷの上側面に多数の電気的デバイス、ＡＳＩＣチップＡＣ又はＭＥＭＳチップＭＣを互いに隣接して配置する。電気的デバイス、ＡＳＩＣチップ又はＭＥＭＳチップはウェハに取り付けるか、又は共に平行に製造しウェハに組み込むことができる。個々のチップは、同時に量産することができる。ＡＳＩＣチップを配置したウェハはその製造後、ＭＥＭＳチップＭＣを配置したウェハに結合することができ、この結合においては、各１個のＡＳＩＣチップが各１個のＭＥＭＳチップに結合される。個々のチップは、対応するチップに結合する前に又は結合した後にばらばらに切り出すことができる。有利には、先ず他のチップを有するウェハを結合し、その後完成した電気的デバイスを切り出す。
図７に示す実施形態において、上側チップＭＣは、フォイルＦ及びメタライジング層ＭＳによる封入カプセルを有する。フォイルは上側チップの上側面及び側面を被覆し、下側チップの上側面の領域で密封する又は下側チップの側面で密封する。フォイルは、積層により形成することができる。ＭＥＭＳチップＭＣ内部の中空空間は、フォイルを積層する前に背面側のカバーＲＰで被覆してもよく、これにより積層フォイルが積層に際して中空空間Ｈ内に入り込むのを回避する。封入カプセルは、チップ間に設けた隙間をハーメチック（気密）シールする又は少なくとも外部に対して音響的に遮音する。このような被覆は、両チップを互いに結合した後に行うことができる。
図示の実施形態において、センサ開口ＯはＡＳＩＣウェハを貫通して設けるが、代替的にはセンサ開口はフォイルＦ及びメタライジング層ＭＳを貫通して封入カプセルに設けてもよく、この場合、センサ開口は特に事後に設ける。両チップ間にはフレームＲを設けることができ、このフレームＲは両チップ間における距離、従って両チップ間における容積をも決定する。
図８は、マイクロフォンとしての電気的デバイスの実施形態を示し、ＭＥＭＳチップＭＣはＡＳＩＣチップＡＣの上方に配置する。両チップＭＣ,ＡＣ間には、隙間を設ける。この隙間にはフレームＲを配置し、フレームＲはデバイス内部を少なくとも側方方向を音響的に遮蔽する。ＭＥＭＳチップのデバイス構造は、有孔対向電極（Backplate）及び薄膜を含む。開口ＯはＡＳＩＣチップを貫通し、音波流入開口として機能する。ＡＳＩＣチップの上側にはデジタル回路及び／又はアナログ回路を配置し、ＭＥＭＳチップのデバイス構造に接続する。
ＭＥＭＳチップ、ＡＳＩＣチップ及び場合によってはこれらチップ間に配置するフレームは、側方方向に面一となるように配置する。このような「平坦な」側壁は、多数のＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップを多面取り用に製造した後、個々のデバイスを例えばソーイングにより切り出す前に両チップを互いに結合することによって形成することができる。図示の実施形態においても、付加的に保護金属層及び場合によってはこの金属層の下に配置する絶縁層を設けることができる。
本発明による電気的デバイスは上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば付加的なチップ、別のデバイス構造又は別の電気的接点を含む代替案、及びこれらを任意に組み合わせた代替案も、本発明による実施形態に含まれるものである。
ＡＣ ＡＳＩＣチップ
ＢＳ デバイス構造
ＲＡ カバー
ＤＫ ビア
ＥＢ ＭＥＭＳセンサデバイス
ＥＥＡ 電気的外部接続端子
ＥＫ 電気的接点
ＩＣ 集積回路
ＩＶ 内部接続部
ＫＥ 静電容量素子
Ｍ 薄膜
ＭＣ ＭＥＭＳチップ
ＭＰ 取付プレート
Ｏ 開口
ＯＳＭ,ＯＳＡ ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップの上側面
Ｒ フレーム
ＲＰ 対向電極（Backplate）
Ｓ 隙間
Ｈ 中空空間
Ｗ ウェハ

Claims (13)

  1. ＭＥＭＳセンサデバイス（ＥＢ）であって、該ＭＥＭＳセンサデバイスは、
    ・電気的接点（ＥＫ）を有するＭＥＭＳチップ（ＭＣ）と、
    ・電気的接点（ＥＫ）を有するＡＳＩＣチップ（ＡＣ）と、
    ・前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）及び前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）を接続する内部接続部（ＩＶ）と、
    ・前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）又は前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）を貫通するビア（ＤＫ）と
    を備え、
    前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）及び前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）は互いに上下に配置し、
    ・前記内部接続部（ＩＶ）は、前記ＭＥＭＳチップの前記電気的接点（ＥＫ）を前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）の前記電気的接点（ＥＫ）に直接接続する接続部を含み、
    ・前記内部接続部（ＩＶ）又は前記チップ（ＭＣ,ＡＣ）における少なくとも一方の前記電気的接点（ＥＫ）は、前記ビア（ＤＫ）を介して前記デバイスの電気的外部接続端子（ＥＥＡ）に接続し、該電気的外部接続端子（ＥＥＡ）は、前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）における前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）に対面する側の側面に、又は前記ＭＥＭＳチップにおける前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）に対面する側の側面に配置し、
    ・前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）と前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）との間には隙間（Ｓ）を設け、
    ・該隙間（Ｓ）にフレーム（Ｒ）を配置し、
    ・前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）はセンサ電極を有するものとし、また
    ・前記フレーム（Ｒ）は、完全には閉じておらず、フレームの欠落している箇所により側面にセンサ開口（Ｏ）を形成した
    ＭＥＭＳセンサデバイス。
  2. 請求項１記載のＭＥＭＳセンサデバイスにおいて、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）は下側面（ＵＳＭ）を有し、前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）は上側面（ＯＳＡ）及び下側面（ＵＳＡ）を有し、前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）の前記上側面（ＯＳＡ）は、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）の前記下側面（ＵＳＭ）に対面し、前記ビア（ＤＫ）は前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）を貫通し、前記電気的外部接続端子（ＥＥＡ）は前記ＡＳＩＣチップの前記下側面（ＵＳＡ）に配置したＭＥＭＳセンサデバイス。
  3. 請求項１記載のＭＥＭＳセンサデバイスにおいて、前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）は前記下側面（ＵＳＡ）を有し、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）は前記上側面（ＯＳＭ）及び前記下側面（ＵＳＭ）を有し、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）の前記上側面（ＯＳＭ）は、前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）の下側面（ＵＳＡ）に対面し、前記ビア（ＤＫ）は前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）を貫通し、前記電気的外部接続端子（ＥＥＡ）は前記ＭＥＭＳチップの前記下側面（ＵＳＭ）に配置したＭＥＭＳセンサデバイス。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項記載のＭＥＭＳセンサデバイスにおいて、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）又は前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）の基板はシリコンを含有するものとしたＭＥＭＳセンサデバイス。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項記載のＭＥＭＳセンサデバイスにおいて、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）の前記電気的接点（ＥＫ）を、前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）の前記電気的接点（ＥＫ）に対し、はんだ付け、又は導電性を有する接着剤による接着、ボンディングによる接続又は溶着により、接続したＭＥＭＳセンサデバイス。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項記載のＭＥＭＳセンサデバイスにおいて、該ＭＥＭＳセンサデバイス（ＥＢ）は電気的接続端子を有する取付プレート（ＭＰ）の上側面に配置し、前記電気的外部接続端子（ＥＥＡ）を前記取付プレート（ＭＰ）における前記電気的接続端子に接続したＭＥＭＳセンサデバイス。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項記載のＭＥＭＳセンサデバイスにおいて、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）は中空空間（Ｈ）、可動の薄膜（Ｍ）、対向電極（ＲＰ）、及び前記中空空間（Ｈ）に至る前記センサ開口（Ｏ）を有し、
    前記薄膜（Ｍ）は前記対向電極（ＲＰ）に対して平行に配置し、該対向電極（ＲＰ）と共に静電容量素子（ＫＥ）を構成し、前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）は容量を測定するための回路又は前記容量素子の容量変化を測定するための回路を有する構成としたＭＥＭＳセンサデバイス。
  8. 請求項１〜５のいずれか一項記載のＭＥＭＳセンサデバイスにおいて、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）は気圧、湿度又はガス組成を測定・検出するためのデバイス構造（ＢＳ）を有し、該デバイス構造（ＢＳ）は前記デバイス（ＢＥ）に対する周囲の環境に接触するものとしたＭＥＭＳセンサデバイス。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項記載のＭＥＭＳセンサデバイスにおいて、少なくともそれぞれ２個の前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）、前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）及び前記フレームが側方方向に面一に整列するよう連結したＭＥＭＳセンサデバイス。
  10. 請求項１〜９のいずれか一項記載のＭＥＭＳセンサデバイスにおいて、前記ＭＥＭＳチップはマイクロフォンとして構成すると共に、前記対向電極（ＲＰ）としての固定電極及び前記薄膜（Ｍ）を有する構成としたＭＥＭＳセンサデバイス。
  11. ＭＥＭＳセンサデバイス（ＢＥ）を製造するための方法であって、該方法は、
    ・電気的接点（ＥＫ）を有するＡＳＩＣチップ（ＡＣ）及び電気的接点（ＥＫ）を有するＭＥＭＳチップ（ＭＣ）を用意するステップと、
    ・前記ＭＥＭＳチップ又は前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）にビア（ＤＫ）を設けるステップと、
    ・前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）及び前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）の間に隙間を（Ｓ）を設けるように互いに上下に配置するステップと、
    ・前記デバイスの側面にセンサ開口（Ｏ）を形成するフレーム（Ｒ）を介して前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）及び前記ＭＥＭＳチップを結合するステップと、
    ・前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）及び前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）の前記電気的接点（ＥＫ）相互を接続するステップと
    を有し、
    前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）内、又は該ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）と前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）との間で外部に開口するセンサ開口を設ける方法。
  12. 請求項１１記載の方法において、前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）又は前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）を多面取り用にウェハ（Ｗ）上に設ける方法。
  13. 請求項１１又は１２記載の方法において、前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）及び前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）は、多面取り用にそれぞれ１個の前記ウェハ（Ｗ）上に設け、また各前記ＡＳＩＣチップ（ＡＣ）がそれぞれに対応する前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）に結合しまた接続するよう前記ウェハ（Ｗ）を貼り合わせる方法。

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