JP6128279B2 - 微小電気機械デバイスおよび製造方法 - Google Patents

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Description

発明の分野
本発明は、微小電気機械デバイス、および微小電気機械デバイスを製造する方法に関する。
発明の背景
微小電気機械システム（マイクロエレクトロメカニカルシステム；Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）デバイス、つまり、ＭＥＭＳデバイスは、マイクロスケールの機械的および電気機械的システムであって、少なくともいくつかの要素が何らかの機械的機能性を有するもの、と定義できる。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路の作成に使用する道具と同じものを使って作ることができるので、複数のマイクロマシンとマイクロエレクトロニクス要素を１つのシリコン上に組み立てて、様々なタイプのデバイスを実現することができる。
微小電気機械デバイスの寸法は非常に小さく、その構成部品（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）のサイズは、典型的には数十マイクロメートルから数ミリメートルの範囲である。このことは、微小電気機械デバイスにおいて検知される機械的な変形、変位または偏向もまた小さいこと、およびそのために外乱の影響を受けやすいことを意味する。そのため、その設計には多くの課題がつきつけられる。微小電気機械デバイスでは、微小電気機械要素を有するダイと、その微小電気機械要素に関連するエレクトロニクスを有する少なくとももう１つのダイとが１つのパッケージに封入されるのが一般的である。
しかし、微小電気機械デバイスは、集積回路ダイを担体上に積み重ね、その後に型を覆う成形（オーバーモールド；ｏｖｅｒ−ｍｏｌｄ）がされるのが一般的であるため、パッケージの高さがネックになりつつある。この従来の方法において、その高さは最良の例で０．８ｍｍのオーダーである。しかし、これをさらに低くするには、非常に薄いダイの取扱い、ワイヤボンディングのループ高さ、複数の接着層の厚さと担体の厚さの問題があり、実現可能とは言い難い。
発明の概要
本発明の目的は、より小さなパッケージにおいて微小電気機械デバイスの応用を可能にするパッケージ構造を提供することである。本発明の目的は、独立請求項に記載する特徴の微小電気機械デバイス、および微小電気機械デバイスを製造する方法によって実現される。
本発明の好ましい実施態様は、従属請求項に開示される。
請求項に係る発明は、ウェハプレート、１群の１つ以上のウェハコネクタ要素、およびこれらの間に配電層を有する微小電気機械デバイスを規定する。ウェハプレートは、少なくとも２つのダイ、および該ウェハプレートの長手方向に隣り合って並んだ該少なくとも２つのダイをその周囲において接合する接合材を有するものであって、該ダイの少なくとも１つは微小電気機械のダイである。配電層は、ウェハプレートを覆い、かつ、少なくとも１つの誘電材料の層と少なくとも１つの導電材料の層とを含むものであって、該導電材料の層は、ダイとウェハコネクタ要素との電気的相互接続のために該誘電材料の層内にパターン形成されている。該配電層は、該少なくとも１つの微小電気機械のダイ、および該微小電気機械のダイとこれに隣接するウェハプレートの端部との間の接合材の領域を覆う第１の部分を有する。１群の１つ以上のウェハコネクタ要素は、該配電層上の該第１の部分の外側の位置にのみ配置されている。
複数のダイを有するデバイス（マルチダイデバイス；ｍｕｌｔｉ−ｄｉｅ ｄｅｖｉｃｅ）におけるダイの新規な構成によって、有意に減少したＭＥＭＳデバイスの厚さが実現される。
請求項に係る発明の特徴および有利な点、およびその実施態様を実施態様の詳細な説明とともに詳述する。
図面の簡単な説明
以下に、好ましい実施態様に関連して、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
図１は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスの実施態様の側面図である。 図２は、図１のＭＥＭＳデバイスの上面図である。 図３は、下層の支持構造の曲げ時における、請求項に記載する配置の効果を示す図である。 図４は、ＭＥＭＳデバイスにおける応力を減少させるための更なる実施態様を示す図である。 図５は、ＭＥＭＳデバイスにおける応力を減少させるための代替的な実施態様を示す図である。 図６は、圧力を検出するための微小電気機械デバイスの構造の１例を示す図である。
いくつかの実施態様の詳細な説明
下記の各実施態様は例示である。明細書中において「或る」、「１つの」または「いくつかの」実施態様ということがあるが、これは、必ずしもこれらの語による言及が同じ実施態様を意味したり、１つの実施態様にのみ適用される特徴を意味したりするものではない。異なる実施態様の特徴を１つずつ組み合わせて更なる実施態様を提供してもよい。
以下、本発明の様々な実施態様を実施しうるデバイス構成の単純な実施例を用いて本発明の特徴を説明するが、実施態様の描写に関係のある要素のみを詳細に説明する。微小電気機械デバイスの様々な実施においては、一般的に当業者に知られている要素やここに具体的に記載しない要素を有することがある。
図１は、本発明の微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイス１００の実施態様の側面図である。図１のＭＥＭＳデバイスは、プレートの長さが厚さより大きい平面物体であるウェハプレート１０２を有する。ウェハプレート１０２は、少なくとも１つのＭＥＭＳダイ１０４を有し、該少なくとも１つのＭＥＭＳダイ１０４は、機械的に変形する要素と、ＭＥＭＳデバイスにおける更なる処理のために、該変形する要素の変形に応答して電気出力信号を生成する電気変換器とを有する。ダイ構造は、様々なプロセスを通して１つのウェハ上に大量に作られてもよく、また、ウェハは、多くの断片にダイスカットして、それぞれの断片が該構造の複製を含むようにしてもよい。本明細書において、ウェハからダイスカットされた、定義された構造をもつ１個の半導体材料を「ダイ」と呼ぶ。ＭＥＭＳダイ１０４は、電気的入出力端子１１６を有していてもよく、これら端子を通して電気信号がＭＥＭＳダイから入力され、ＭＥＭＳダイへと出力される。
ウェハプレート１０２は、少なくとも１つの他のダイを有し、該少なくとも１つの他のダイは、ＭＥＭＳダイ１０４からの信号出力のための測定回路を含む、集積回路（ＩＣ）ダイ１０６であってもよい。また、ＩＣダイ１０４は、電気的入出力端子１１８を有していてもよく、これら端子を通して電気信号がＩＣダイから入力され、ＩＣダイへと出力される。ダイ１０４、１０６は、ウェハプレートの長手方向に隣り合って並べられ接合材１０８によって接合される。このようにして、ダイ１０４、１０６および接合材１０８がウェハプレート１０２の平面層を形成する。
ウェハプレート１０２の上には、配電層１１０が形成される。配電層１１０は、誘電材料の層１１２と導電材料の層１１５とを含むものであって、該導電材料の層は誘電材料の層内にパターン形成され、ＭＥＭＳダイ１０４およびＩＣダイ１０６の電気的入力端子１１６、１１８を選択的に相互接続する。誘電体層１１２は、ポリマー誘電材料のものでもよく、また、導電性層は、銅等の金属の蒸着フィルムであってもよい。なお、図１の配電層構造は、例示に過ぎないことに留意を要する。誘電材料および導電材料で形成される他の選択的な層構成を技術的範囲内で適用してもよい。
ここで、配電層１１０側のウェハプレート１０２の表面を上面、他方の側のウェハプレート１０２の表面を底面と仮定する。ＭＥＭＳダイ１０４とＩＣダイ１０６とは、ウェハプレート１０２の上面に沿って広がるよう隣り合って並べられ、これらのダイの寸法の最大のものがそれぞれ上面の方向に平行に伸びるよう配置される。このため、これらダイの最小の寸法は、ウェハプレート１０２の厚さに伸びる。このように、ウェハプレートの側面（ｐｒｏｆｉｌｅ）がごく薄いので、これまでより薄いＭＥＭＳデバイスの提供が可能となる。
図１に示すように、ＭＥＭＳデバイスはまた、配電層１１０の導電材料の経路を通ってウェハプレート１０２内のダイ１０４、１０６に接続する、１群の１つ以上のウェハコネクタ要素１１４も有する。このウェハコネクタ要素は、例えば、はんだバンプ、ポリマー核を金属被膜した球体、銅柱、ランドパッド、または電気デバイスをプリント配線板に接続するために使用されるその他のあらゆる要素であってよく、これらは全て当業者によく知られている。
集積回路のウェハレベルパッケージング（ｗａｆｅｒ ｌｅｖｅｌ ｐａｃｋａｇｉｎｇ；ＷＬＰ）は、急速に、比較的小型で低次のＩ／Ｏカウント回路のパッケージのための主要技術になった。この技術は、ポリマー絶縁層、銅の導電経路、およびはんだボールをシリコンの回路上に直接置くことを含むので、ダイ接着、ワイヤボンディング、およびプラスチックのオーバーモールド等のその他の伝統的なパッケージ工程はもはや必要とせず、また、デバイスは、ウェハのダイスカット後、標準的なリフローはんだ付けプロセスでプリント配線板に直接はんだ付けできる。
ＷＬＰのコンセプトは、既知の優良の（試験済み）ダイをプラスチックの成形材料内に２次元のアレイとして埋め込んで再構築ウェハを構成する、いわゆるＦＯ−ＷＬＰ（ファンアウト型ウェハレベルパッケージング；ｆａｎ−ｏｕｔ ｗａｆｅｒ ｌｅｖｅｌ ｐａｃｋａｇｉｎｇ）によって、より高次のＩ／Ｏカウント回路にまで広がっている。複数のダイが、プラスチック材料によって接合され通常のアレイに配置されるが、ダイ間の間隔は元のウェハ上の間隔より広い。この再構築ウェハ上に、誘電体フィルム、銅フィルム、およびはんだバンプを標準的ＷＬＰ技術におけるのと同様に置くことができる。
また、１群のダイと、それを囲み接合するプラスチック材料とを有することによって、マルチダイデバイスをＦＯ−ＷＬＰに基づいて構築し、新規なマルチダイデバイスを形成できることも知られている。従来、ＷＬＰウェハ上またはＦＯ−ＷＬＰウェハ上に複数のダイを積み重ねることでマルチダイデバイスをより複雑化することが提案されてきた。本発明においては、マルチダイデバイスにおける複数のダイの新規な構成を適用して、有意に減少したＭＥＭＳデバイスの厚さを実現する。そして、今や、０．４ｍｍのオーダーのＭＥＭＳデバイスの厚さが実現された。
上述のようなウェハレベルパッケージングのプロセス工程は、広く文献に記載され、従ってＭＥＭＳ製造分野における当業者に知られていることに留意を要する。請求項に係る層状構造の図面および関連する記載は、同時に、対応する製造方法の請求項のための記載としての役割も果たす。
図２は、図１のＭＥＭＳデバイスの上面図である。微小電気機械デバイスにおいては、寸法は非常に小さく、その構成部品のサイズは、典型的には数十マイクロメートルから数ミリメートルの範囲である。そのため、その設計には多くの課題がつきつけられる。例えば、微小電気機械の圧力センサにおいて、圧力変化による検知されるダイアフラムの変位は、ナノメートル単位またはそれ以下であり得る。このことは、該変位によって生成される信号が非常に小さく、測定値が外乱の影響を受けやすいことを意味する。そのような外乱は、例えば、微小電気機械要素がウェハコネクタ要素を使ってプリント配線板に接続されている場合に起こり得る。プリント配線板は、温度変化による熱膨張によってわずかに曲がる構造であったり、あるいは配線板が曲がるほどの外力をうけたりすることがある。このような曲げが、特にＭＥＭＳデバイスが非常に薄い場合、ＭＥＭＳのダイス（ｄｉｃｅ）の動作に大きな影響を与えることがある。
図２は、ウェハコネクタ要素の特定の配置によって外部曲げ応力の影響が最小化される場合の構成を示す図である。俯瞰図においては、配電層の上面とウェハコネクタ要素しか見ることができないはずである。しかし、図２は、該上面の下層にあって配電層によって覆われるＭＥＭＳダイ２０４とＩＣダイ２０６のそれぞれのブロックも示している。配電層は、第１の部分２２０を有し、該第１の部分２２０は、ＭＥＭＳダイ２０４と、該ＭＥＭＳダイ２０４とこれに隣接するウェハプレートの端部２２２、２２４、２２６との間の接合材の領域を覆う。ここで、隣接する端部２２２、２２４、２２６というのは、図２の上面図においてＭＥＭＳダイを囲むウェハプレートの端部であって、ウェハプレートの厚さ方向を貫通する平面においてＭＥＭＳダイの外周と端部との間に接合材だけが存在するようなウェハプレートの端部のことを指す。換言すれば、隣接するウェハプレートの端部２２２、２２４、２２６とＭＥＭＳダイとの間には、（ＩＣダイ２０６のような）他のダイがない。この実施態様において、１群の１つ以上のウェハコネクタ要素２１４は、配電層上に、第１の部分２２０の外側に配置される。
請求項に記載する配置の効果を図３に示す。図３は、図１により詳細に示されるＭＥＭＳダイ３０４、ＩＣダイ３０６、接合材領域３０８、配電層３１０、およびウェハコネクタ要素３１４を示す。また、図３は配電層３１０の第１の部分３２０の範囲も示す。ＭＥＭＳデバイス３００を下層の基盤３１６に機械的に接続するウェハコネクタ要素３１４が、ＭＥＭＳダイ３０４を覆う表面上にも、該ＭＥＭＳダイ３０４の反対側にも配置されていない場合は、下層の支持構造の曲げからＭＥＭＳ要素が経験する応力は最小化される。
ＭＥＭＳデバイスにおける曲げに関係する誤差の他の原因は、接合材とダイの熱膨張係数のミスマッチである。図４および図５は、更なる実施態様を示し、ここでは、そのような熱膨張のミスマッチによって生ずる機械的応力は、底面、即ち、配電層によって覆われる表面と反対側のウェハプレートの表面、から接合材の層を取り除くことによって低減される。図４および図５は、図１により詳細に示されるＭＥＭＳダイ４０４、５０４、ＩＣダイ４０６、５０６、接合材領域４０８、５０８、配電層４１０、５１０、およびウェハコネクタ要素４１４、５１４を示す。有利には、接合材４０８は、ＭＥＭＳダイ４０４、５０４の下の部分から完全に取り除かれている。図４は、ＭＥＭＳダイ４０４がＩＣダイ４０６より厚く、接合材４０８がＭＥＭＳダイ４０４の下の部分から完全に取り除かれている場合の構成を示す図である。接合材は、両方のダイの周囲を囲み、ＩＣダイ４０６を覆っている。図５は、ＭＥＭＳダイ５０４とＩＣダイ５０６の厚さが等しく、接合材５０８が両方のダイ５０４、５０６の下の部分から完全に取り除かれている場合の構成を示す図である。接合材５０８は、両方のダイの周りを囲んでいる。
請求項に係るこの構成は、加速度計、角速度センサ、圧力センサやマイクロフォン等のセンサをはじめとする、機械的応力の影響を受けやすい様々な異なる種類のＭＥＭＳデバイスに、有利に応用しうる。これらの実施態様において、微小電気機械のダイは、感知される現象に従って変形する構造を含んでいる。請求項に係る構成は、微小電気機械のダイが具体的に適用される共振周波数において正確に変形する構造を含む、タイミングデバイスとして使用されるＭＥＭＳ共振回路等のような機械的応力に感受的な他のＭＥＭＳデバイスにも使用しうる。また、請求項に係る構成は、スイッチ、可変コンデンサやバンドパスフィルタのような、ＲＦ−ＭＥＭＳ構成部品においても使用され得る。
請求項に係る構成は、圧力センサ構造を有する微小電気機械の圧力センサに応用するのが特に有利である。圧力は、ある表面に作用する力の該表面の面積に対する比率に対応する物理量である。まず、従来技術の圧力センサパッケージは、一般的なダイの寸法に比べてサイズが大きくなりがちである。圧力センサのパッケージ作成を難しくするのは、印加圧力との相互作用のためのダイの解放表面を提供する必要性である。これは、例えば、パッケージ材料に完全に包まれてよい加速度計と対照的である。圧力を計測するためのゲージとして使用できるデバイスが、圧力センサである。図６は、圧力の検出のための微小電気機械デバイスの構造の１例を示す。図６は、図１により詳細に示されるＭＥＭＳダイ６０４、ＩＣダイ６０６、接合材領域６０８、配電層６１０、およびウェハコネクタ要素６１４を示す図である。微小電気機械の圧力センサのダイは、一般的には、基準圧力においてある体積を与えるギャップ上に広がる薄いダイアフラムを有する。ギャップは、ほんの少量の残留ガスを含むよう真空にされていてよいが、選択された基準圧力で、選択されたガスまたは他の揮発性物質で満たされていてもよい。ダイアフラムは、基準圧力とセンサを囲む周囲圧力との間の差によって変形する。ダイアフラムの変位は、容量センシングまたはピエゾ抵抗センシングを使って電気信号に変換されてもよい。
図のＭＥＭＳダイ６０４は、平面ベース６２０と側壁６２２によって形成される本体構造を有する圧力センサを示す。これらは、側壁上に広がるダイアフラムプレート６２４によって機密に密閉される窪みを形成する。平面ベース６２０、側壁６２２およびダイアフラムプレート６２４は、互いに接着され、基準圧力においてある体積を与える密閉されたギャップ６２８を形成する。周囲圧力に応答するダイアフラムのたわみを許容するため、配電層６１０の開口部６２６がダイアフラム上に広がる。配電層の導電材料の層が露出していれば、その上に更なる誘電体層を置いてもよい。
技術の進歩に従い、本発明の基本概念が様々な方法で実施し得ることは、当業者に自明であろう。従って、本発明およびその実施態様は、上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の適用範囲内で変化しうるものである。

Claims (8)

  1. ウェハプレートを有し、１群の１つ以上のウェハコネクタ要素を有し、かつ、前記ウェハプレートと前記１群の１つ以上のウェハコネクタ要素との間に位置する配電層を有する微小電気機械デバイスであって、
    前記ウェハプレートは、少なくとも２つのダイを有し、かつ、前記ウェハプレートの長手方向に隣り合って並んだ前記少なくとも２つのダイをその周囲において接合する接合材を有するものであって、前記ダイの少なくとも１つは微小電気機械のダイであり、
    前記配電層は、前記ウェハプレートを覆い、かつ、少なくとも１つの誘電材料の層と少なくとも１つの導電材料の層とを含むものであって、導電材料の前記層は、前記ダイと前記ウェハコネクタ要素との電気的相互接続のために誘電材料の前記層内にパターン形成されており、
    前記配電層は、前記少なくとも１つの微小電気機械のダイを覆いかつ前記微小電気機械のダイと該微小電気機械のダイに隣接する前記ウェハプレートの端部との間の接合材の領域を覆う、第１の部分を有し、
    当該微小電気機械デバイスの全てのウェハコネクタ要素が、前記配電層上の前記第１の部分の外側に配置されている
    ことを特徴とする、微小電気機械デバイス。
  2. 前記微小電気機械のダイの表面が前記ウェハプレートの表面において露出しており、前記ウェハプレートの前記表面が、前記配電層の側と反対側にあることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械デバイス。
  3. 前記微小電気機械のダイが、ダイアフラムを有する圧力センサ要素を含み、
    前記配電層が、前記微小電気機械のダイの前記ダイアフラム上に広がる開口部を含むこと
    を特徴とする、請求項１または２に記載の微小電気機械デバイス。
  4. 前記微小電気機械のダイが、加速度計、角速度センサ、圧力センサ、およびマイクロフォンのいずれか１つの形式の、応力に感受的なセンサのための変形する構造を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
  5. 前記微小電気機械のダイが、微小電気機械の共振回路または微小電気機械の無線周波数の構成要素のための変形する構造を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
  6. 微小電気機械デバイスの製造方法であって、前記微小電気機械デバイスは、ウェハプレートを有し、１群の１つ以上のウェハコネクタ要素を有し、かつ、前記ウェハプレートと前記１群の１つ以上のウェハコネクタ要素との間に位置する配電層を有するものであり、
    当該製造方法は、
    前記ウェハプレートに、少なくとも２つのダイ、および前記ウェハプレートの長手方向に隣り合って並んだ前記少なくとも２つのダイを接合する接合材を含ませる工程を有し、前記工程において、前記ダイの少なくとも１つが微小電気機械のダイであり、
    前記ウェハプレートを少なくとも１つの誘電材料の層と少なくとも１つの導電材料の層とを含む前記配電層によって覆う工程を有し、前記工程において、導電材料の前記層は、前記ダイと前記ウェハコネクタ要素との電気的相互接続のために誘電材料の前記層内にパターン形成されており、かつ、前記配電層が、前記少なくとも１つの微小電気機械のダイを覆いかつ前記微小電気機械のダイと該微小電気機械のダイに隣接する前記ウェハプレートの端部との間の接合材の領域を覆う、第１の部分を有するものであり、
    前記微小電気機械デバイスの全てのウェハコネクタ要素を、前記配電層上の前記第１の部分の外側に配置する工程を有すること
    を特徴とする、前記製造方法。
  7. 前記方法が、前記微小電気機械のダイの表面を前記ウェハプレートの表面において露出させる工程を有し、前記工程において、前記ウェハプレートの前記表面が、前記配電層の側と反対側にあることを特徴とする、請求項６に記載の製造方法。
  8. 前記方法が、前記微小電気機械のダイに、ダイアフラムを有する圧力センサ要素を含ませる工程を有し、
    前記配電層に、前記微小電気機械のダイの前記ダイアフラム上に広がる開口部を加工する工程を有すること
    を特徴とする、請求項６または７記載の製造方法。
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