JP6258599B2 - 応力隔離ｍｅｍｓ構造および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ダイに関するパッケージング応力緩和に関し、より具体的には、ＭＥＭＳ圧力センサ等におけるＭＥＭＳに関するパッケージング応力緩和に関する。

当技術分野では、半導体ダイをパッケージング応力等から隔離するための種々のデバイスが知られている。パッケージング応力は、半導体ダイが載置されるパッケージによって、半導体ダイに与えられる応力である。この応力は、半導体ダイが載置されるパッケージングと異なる、および／またはダイをパッケージに載置する接着剤と異なる熱膨張係数を有する半導体ダイに起因して起こり得る。そのような場合、温度の変化は、半導体ダイに対する応力／歪みを引き起こす可能性があり、また、ダイの機能に応じて、この応力／歪みが、性能を損なう可能性がある。パッケージング応力は、また、ダイがパッケージの中でどのように載置されるか、およびパッケージ自体がその環境の中でどのように載置されるのかに由来する、機械的載置応力によっても引き起こされ得る。

パッケージング応力の一例において、従来の圧電抵抗ＭＥＭＳ圧力センサは、印加圧力に起因する、ダイアフラムに対する応力を感知することを目的としている。したがって、圧電レジスタが受ける応力だけが、印加圧力に起因し、パッケージング応力には起因しないことが重要である。例えば半導体ＭＥＭＳダイが金属パッケージに直接載置される、そのようなセンサパッケージでは、機械的載置応力および熱膨張応力に起因するかなりのパッケージング応力があり得る。そのような従来のセンサパッケージは、比較的低コストで作製することができるが、ダイアフラムに対するパッケージング応力は、精度の観点から、圧力測定に問題を生じさせる。

パッケージング応力と関連するこれらの問題に対して、いくつかの手段が講じられてきた。例えば、いくつかの従来のＭＥＭＳ圧力センサパッケージにおいて、パッケージング応力緩和は、ダイアフラムを取り囲むトッピングウエハおよびバッキングウエハを厚くし、パッケージとＭＥＭＳダイとの間にＰｙｒｅｘ（登録商標）（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ（Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）から入手可能）で作製された台座を加え、そして、大きい特別なパッケージを使用してそれを全て格納することによって達成された。これらの手段は、そのように構成されたセンサパッケージで行った圧力測定において、１０倍の精度の向上を提供することが分かっている。しかしながら、応力緩和は、センサパッケージのコストおよびサイズを増大させるという特徴がある。

そのような従来の方法およびシステムは、全体として、それらが意図する目的を満たしているものとみなされてきた。しかしながら、依然として、当技術分野では、パッケージング応力を緩和するシステムおよび方法に対する必要性がある。また、当技術分野では、作製および使用が容易であるそのようなシステムおよび方法に対する必要性が残っている。本発明は、これらの問題に対する解決策を提供する。

当該の発明は、新しく有用な微細構造デバイスを対象とする。微細構造デバイスは、少なくとも１つの応力感応構成要素を含む応力隔離領域を有する、デバイス本体を含む。微細構造デバイスはまた、デバイス本体を格納するパッケージに取り付けられるように構成され、適合される、載置ベースも含み、載置ベースは、載置ベースに与えられるパッケージング応力から応力感応構成要素を隔離するために、デバイス本体に沿って、応力隔離領域から横方向にオフセットされる。

特定の実施形態において、デバイス本体は、応力感応構成要素および載置ベースを画定する、平面ウエハ構成要素である。応力隔離領域および載置ベースは、例えば、その製造中に、デバイス本体の中に画定され、形成される台座によって分離することができ、該台座は、応力隔離領域の幅および載置ベースの幅よりも狭い幅を有する。微細構造デバイスは、載置ベースの縁部に載置されるパッケージをさらに含み、載置ベースの縁部は、デバイス本体の応力隔離領域に背いている。

また、応力感応構成要素が、湿度センサ、フローセンサ、化学センサ、ガス分析器、粒子検出器、圧力センサ、および／または任意の他の好適な種類の媒体センサ等の、媒体センサも含むことができることも考えられる。媒体センサは、デバイス本体と、デバイス本体に接着されたウエハ構成要素である第２の本体との間に画定される流路を通して、環境条件と流体連通することができる。流路は、その最小線寸法が、媒体センサに隣接して該流路と流体連通しているセンサ空洞の最小線寸法よりも小さい、断面積を有することができる。応力隔離領域、応力感応構成要素、および載置ベースは全て、例えば製造中に形成される、単結晶シリコンウエハ構成要素の中に画定することができる。

本発明は、また、ＭＥＭＳ圧力センサも含む。ＭＥＭＳ圧力センサは、ダイアフラムバッキング部分および台座部分を有する、バッキング基板を含む。台座部分およびダイアフラムを含むダイアフラム基板は、バッキング基板のダイアフラムバッキング部分に載置されてＭＥＭＳダイを形成する。バッキング基板およびダイアフラム基板の台座部分は、ＭＥＭＳダイの台座を形成する。台座は、台座全体にわたってダイアフラムに向かい合うＭＥＭＳダイの載置ベースに与えられるパッケージング応力からダイアフラムを隔離するように構成される。

特定の実施形態において、ＭＥＭＳ圧力センサは、ＭＥＭＳダイを格納するように構成され、適合される、一体的なパッケージを含み、ＭＥＭＳダイの載置ベースは、パッケージング応力を緩和するためにパッケージからダイアフラムを隔離するように、パッケージに載置される。バッキング基板およびダイアフラム基板は、シリコン層とすることができる。バッキング基板の台座部分は、実質的にダイアフラムバッキング部分の面内にあり、かつそれよりも細くすることができ、ダイアフラム基板の台座部分も同様に、実質的にダイアフラムの面内にあり、かつそれよりも細くすることができる。

ダイアフラム基板およびバッキング基板の台座部分を、互いに隣接させることができ、各台座部分が、それぞれの基板を通って延在する一対のチャネルの間に画定され、台座部分のそれぞれのチャンネルが結合されることが考えられる。また、ダイアフラムを、ダイアフラムの少なくとも一部分を囲繞するダイアフラム縁よりも薄くできることも考えられる。ダイアフラム縁は、ダイアフラムとバッキング基板のダイアフラムバッキング部分との間に空隙が画定されるように、バッキング基板のダイアフラムバッキング部分に接着することができる。空隙とその外部の環境との間の流体連通のために、バッキング基板を通して圧力ポートを画定することができる。

特定の実施形態において、トッピングウエハは、トッピング基板とバッキング基板との間でダイアフラムを取り囲むように、バッキング基板に向かい合う側でダイアフラム基板に載置される。ベースウエハは、ＭＥＭＳダイの載置ベースに載置される。トッピングウエハおよびベースウエハは、ダイアフラムおよびバッキング基板のダイアフラムバッキング部分の周囲にエンクロージャを形成する。ダイアフラムおよびバッキング基板のダイアフラムバッキング部分は、トッピングウエハおよびベースウエハからのパッケージング応力から、ならびにアセンブリをパッケージ、ヘッダ、もしくは回路カードに載置すること、または一体化電子部品をアセンブリに載置すること等による応力から、ダイアフラムを隔離するために、台座によってエンクロージャ内に吊設される。

特定の実施形態では、ダイアフラム基板およびバッキング基板を通してチャネルが画定される。チャネルの一部分は、実質的にダイアフラム縁を囲繞する。チャネルの２つの端部は、ダイアフラム基板およびバッキング基板の中でそれらの間に台座を画定する。ダイアフラム基板およびバッキング基板は、実質的にダイアフラム縁を囲繞するチャネルの一部分の外側に外縁を含む。外縁は、チャネル全体にわたってダイアフラムおよびダイアフラムバッキング部分から離間される。外縁は、載置ベースと連続させることができる。

ある実施形態において、外縁、トッピングウエハ、およびベースウエハは全て、上で説明したように含まれる。トッピングウエハは、トッピングウエハとダイアフラムとの間に画定されるトッピング空隙を伴って、外縁および載置ベース上でダイアフラム基板に載置される。ベースウエハは、ベース上はとバッキング基板のダイアフラムバッキング部分との間に画定されるベース空隙を伴って、外縁および載置ベース上でダイアフラム基板に載置される。トッピングウエハ、ベースウエハ、外縁、および載置ベースは全て、ＭＥＭＳデバイスに一体的であり、これらは、それぞれ、エンクロージャからの、および外部応力からのダイアフラムに対する載置応力およびパッケージング応力を緩和するために、ダイアフラムおよびダイアフラムバッキング部分の周囲でダイアフラムエンクロージャとして機能するように特に製造される。

一体化電子構成要素は、トッピングウエハおよびベースウエハのうちの１つに載置することができる。一体化電子構成要素、トッピングウエハ、およびベースウエハは全て、実質的にシリコンで形成することができる。また、一体化電子構成要素が、トッピングウエハもしくはバッキングウエハのいずれか、または両方と同じ機能を提供するように形成され得ることも考えられる。

ダイアフラム空隙は、圧力下でダイアフラムを第１の方向に撓ませるように構成される、第１の圧力空間を形成することができ、トッピング空隙およびベース空隙は、ダイアフラム基板およびバッキング基板の中のチャネルを通して流体連通して、圧力下でダイアフラムを第１の方向と反対の第２の方向に撓ませるように構成される、第２の圧力空間を形成する。ダイアフラムエンクロージャは、第１の圧力空間と流体連通している第１の圧力ポートを含むことができる。第２の圧力空間は、第１の圧力空間と流体連通している外部圧力源の絶対圧力を感知するために密閉することができる。

また、ダイアフラムエンクロージャが、第１および第２の圧力空間とそれぞれ流体連通している、第１の圧力ポートおよび第２の圧力ポートを含むことができることも考えられる。第１および第２の圧力空間は、ダイアフラム全体にわたって第１および第２の外部圧力源それぞれの間の差圧を感知するために、ダイアフラムエンクロージャ内で互いに密閉することができる。センサパッケージは、ダイアフラムエンクロージャを取り囲むことができ、ダイアフラムエンクロージャの第１および第２の圧力ポートのそれぞれは、それぞれの圧力源に接続するために、センサパッケージを通してそれぞれの圧力開口部と流体連通している。環境条件からダイアフラムエンクロージャを保護するために、センサパッケージとダイアフラムエンクロージャとの間に密閉空間を画定することができる。

本発明のシステムおよび方法のこれらならびに他の特徴は、図面と併せて、以下の発明を実施するための最良の形態から、当業者により容易に明らかとなるであろう。

本発明が属する技術分野に精通する者が、過度の実験を行うことなく、どのように対象の発明のデバイスおよび方法を作製し、使用するかを容易に理解できるように、その好ましい実施形態が、以下の特定の図を参照して、本明細書において以下により詳細に説明される。
本発明に従って構成されるＭＥＭＳ圧力センサの例示的な実施形態の一部分の斜視図であり、バッキング基板およびダイアフラム基板の中に画定される台座を示す。 図１のバッキング基板およびダイアフラム基板の断面斜視図であり、ダイアフラムおよびダイアフラム空隙を示す。 図１のＭＥＭＳ圧力センサの斜視図であり、圧力を感知するためのパッケージに載置されたＭＥＭＳダイを示す。 ウエハ／基板を伴う面の外で台座に載置される、従来技術の圧力感知ダイの斜視図であり、台座からの応力がどのようにダイアフラム上に与えられるのかを概略的に示す。 本発明に従って構成されるＭＥＭＳ圧力センサの別の例示的な実施形態の断面斜視図であり、ダイアフラム基板およびバッキング基板のダイアフラムおよびダイアフラムバッキング部分の周囲の応力隔離空洞を示す。 図５のＭＥＭＳ圧力センサの断面斜視図であり、トッピングウエハを取り除いた状態の、ダイアフラム基板のチャネルおよび外縁を示す。 従来技術の例示的な絶対圧力センサの概略断面立面図であり、ダイアフラムと流体連通している１つの圧力ポートを示す。 従来技術の例示的な差圧センサの概略断面立面図であり、ダイアフラムと流体連通している２つの圧力ポートを示す。 従来技術の例示的な差圧センサの概略断面立面図であり、それぞれがワイヤボンドから封鎖された、２つの圧力ポートを示し、この２つの圧力ポートにおける圧力は、ワイヤボンド空間の中の圧力にほぼ等しい。 図９の差圧センサの概略断面立面図であり、２つの圧力ポートにおける圧力は、ワイヤボンド空間の中の圧力よりもかなり大きい。 図５のＭＥＭＳ圧力センサの断面立面図であり、ワイヤボンド空間からそれぞれ閉鎖された２つの圧力ポートを伴うパッケージの中に載置されたＭＥＭＳ圧力センサを示す。 図１１のＭＥＭＳ圧力センサの断面立面図であり、トッピングウエハに載置された一体化電子構成要素を示す。 本発明に従うＭＥＭＳセンサを載置するための例示的なパッケージ筐体の断面立面図であり、同心円状のろう付け管構成を示す。 本発明に従うＭＥＭＳセンサを載置するための別の例示的なパッケージ筐体の断面立面図であり、一体的構成を示す。 本発明に従って構成されるＭＥＭＳ圧力センサの別の例示的な実施形態の断面立面図であり、パッケージ筐体を通して空隙から横方向に通じている２つの圧力ポートを示す。 図５のＭＥＭＳ圧力センサの断面立面図であり、ベースウエハ、トッピングウエハ、およびバッキング基板に塗布されるゲッター膜を示す。 図１６のＭＥＭＳ圧力センサの断面立面図であり、真空を高めるためのワイヤボンドパッドを伴うゲッター膜を示す。 本発明に従ってＭＥＭＳ圧力センサを製造するための副工程を示す、フローチャートである。 図１８のフローチャートで示されるようにベースウエハを製造するための、５段階の副工程の概略図である。 図１８のフローチャートに示されるようにトッピングウエハを製造するための、６段階の副工程の概略図である。 図１８のフローチャートに示されるようにバッキングウエハを製造するための、５段階の副工程の概略図である。 図１８のフローチャートに示されるようにデバイスウエハを製造するための、１２段階の副工程の概略図である。 図１８のフローチャートに示されるようにデバイスウエハを製造するための、１２段階の副工程の概略図である。 図１８のフローチャートに示されるように構成要素ウエハ積層体を製造するための、３段階の副工程の概略図である。

以下、図面を参照するが、同様の参照番号は、対象の発明の同様の構造的特徴または態様を特定する。説明および例証するためであって、限定するためではなく、本発明に従うＭＥＭＳ圧力センサの例示的な実施形態の部分図を図１に示し、全体として参照符号１００で指定される。本発明に従うＭＥＭＳ圧力センサおよびＭＥＭＳ圧力センサを製造する方法の他の実施形態、またはその態様は、下で説明するように、図２〜図２３で提供される。本発明のシステムおよび方法は、パッケージング応力および載置応力を緩和することによって、圧力センサの性能を向上させるために使用することができる。

図１を参照すると、ＭＥＭＳ圧力センサ１００は、ダイアフラムバッキング部分１０６と、図２で示される台座部分１０８とを有する、バッキング基板１０４を含む。台座部分１１０およびダイアフラム１１２を含むダイアフラム基板１０２は、バッキング基板１０４のダイアフラムバッキング部分１０６に載置されて、ＭＥＭＳダイ１０１を形成する。ダイアフラム基板１０２およびバッキング基板１０４の台座部分１０８および１１０は、ＭＥＭＳダイの台座１１６を形成する。台座１１６は、台座１１６全体にわたってダイアフラム１１２に向かい合うＭＥＭＳダイの載置ベース１１４に与えられるパッケージング応力から、ダイアフラム１１２を隔離する。バッキング基板１０４の台座部分１０８は、ダイアフラムバッキング部分１０６の面内にあり、かつそれよりも細い。ダイアフラム基板１０２の台座部分１１０も同様に、ダイアフラム１１２の面内にあり、かつそれよりも細い。

引き続き図１から図２を参照すると、ダイアフラム基板１０２およびバッキング基板１０４の台座部分１０８および１１０は、互いに隣接する。各台座部分１０８および１１０は、それぞれの基板１０２および１０４を通って延在する一対のチャネル１１８の間に画定される。台座部分１０８および１１０のそれぞれのチャンネル１１８は結合されるので、実際には、台座１１６をほぼ囲繞する１つの連続するチャネル１１８がある。台座１１６は、向かい合ったチャネル１１８の間に幅Ｗを有する。幅Ｗは、用途によって変動させることができる。一般的に、Ｗとダイアフラム１１２の幅との間の縦横比が高くなるにつれて、より多くのパッケージング応力隔離を達成することができる。幅Ｗは、所与の用途の動作上の振動周波数のための、すなわち、ＭＥＭＳダイ１０１における環境周波数との共振を低減するための、ならびに、衝撃残存性、衝撃抵抗性、および加速抵抗性のための許容可能な剛性に対して調整することができる。チャネル１１８を、台座１１６の長さに沿って、曲線状ではなく直線状に形成した場合、幅ＷをＭＥＭＳダイ１０１の全幅とすることが可能である。この場合もやはり、応力隔離は、ダイアフラム１１２を載置ベース１１４から横方向にオフセットさせることによって達成される。

チャネル１１８の隅部は、鋭利な隅部および他の応力増大または集中を回避するといった一般的な目的で、丸みが付けられる。丸みを付けた隅部は、応力集中を低減するだけでなく、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）のエッチング工程等での異方性エッチングの均一性により適している。さらに、ＭＥＭＳダイ１０１において、台座１１６は、基板１０２および１０４と同じ均一な材料のものであり、かつそれらと一体的であり、これは、別の場合であれば２つの別々の構成要素または材料の間の結合部を伴い得る、台座１１６と基板１０２および１０４との間の応力集中を除去する。

ここで、図２を参照すると、ダイアフラム１１２は、ダイアフラム１１２を圧力の変化に敏感にするように、ダイアフラム１１２を囲繞するダイアフラム縁１２０よりも薄い。ダイアフラム縁１２０は、バッキング基板１０４のダイアフラムバッキング部分１０６に接着され、ダイアフラム空隙１２２は、ダイアフラム１１２とダイアフラムバッキング部分１０６との間に画定される。圧力ポート１２４は、空隙と、経路１５６を通してその外部にある環境との間で流体連通するように、バッキング基板を通して画定される。

ここで、図３を参照すると、ＭＥＭＳ圧力センサ１００は、ＭＥＭＳダイ１０１を格納するように構成され、適合される、パッケージ筐体ヘッダ１２６を含む。パッケージ筐体ヘッダ１２６へのＭＥＭＳダイ１０１の着設は、載置ベース１１４（図３では示されないが、図１〜図２を参照されたい）をパッケージ筐体ヘッダ１２６に載置することによって成され、バッキング基板１０４のバッキング部分１０６（図２で特定される）は、パッケージ筐体ヘッダ１２６に直接載置または接着されていない。このようにしてパッケージ筐体ヘッダ１２６にＭＥＭＳダイ１０１を載置することで、パッケージング応力を緩和するために、パッケージ筐体ヘッダ１２６からダイアフラム１１２を隔離する。図２では、パッケージのカバーが示されていないが、例えば、図１１において外側キャップ３４０で示されていることに留意されたい。

ここで、図４を参照すると、当技術分野で知られている、パッケージング応力を隔離する１つの方法は、パッケージ筐体とＭＥＭＳダイとの間に台座を伴って、パッケージ筐体からＭＥＭＳダイを分離することである。ＭＥＭＳダイ２０１は、ダイアフラム２１２と、ダイアフラム空隙２２２と、圧力ポート２２４とを含む。上で説明したＭＥＭＳダイ１０１と異なり、ＭＥＭＳダイ２０１では、台座２１６は、実質的にダイの基板の面内にない。代わりに、台座２１６が、スタンドオフとして、ＭＥＭＳダイ２０１の面とパッケージハウジング（図４には示されないが、例えば図３を参照されたい）との間に間置される。これは、いくらかのパッケージング応力を緩和するが、図４で概略的に示されるように、台座２１６からの少なくともいくらかのパッケージング応力がダイアフラム２１２にかかり、これは、上で説明したように、圧力測定誤差を助長し得る。図４においてクロスハッチングによって示されるように、台座２１６に３応力単位が存在するときに、１．５もの応力単位がイアフラム２１２の大部分に与えられる。ＭＥＭＳダイ２０１の台座構成は、パッケージング応力の隔離に起因して、従来のＭＥＭＳ圧力センサと比較して約１０倍向上した精度を提供するが、同時に、ＭＥＭＳダイ１０１の面内台座構成は、ＭＥＭＳダイ２０１と比較して約３倍向上した精度を提供する。

ここで、図５及び図６を参照すると、好都合に成形されたウエハがダイアフラムおよびダイアフラムバッキング部分の周囲でエンクロージャを形成する、ＭＥＭＳダイ３０１の別の例示的な実施形態が示されている。ほぼ上で説明したものと同じように、ダイアフラム基板３０２およびバッキング基板３０４に加えて、ＭＥＭＳダイ３０１は、バッキング基板３０４に向かい合う側でダイアフラム基板３０２に載置される、トッピングウエハ３２８を含む。これは、トッピングウエハ３２８とバッキング基板３０４との間で、ダイアフラム３１２を取り囲む。ベースウエハ３３０は、ダイアフラム基板３０２に向かい合うバッキング基板３０４の側に載置される。トッピングウエハ３２８およびベースウエハ３３０は、ダイアフラム３１２およびダイアフラムバッキング部分３０６の周囲にエンクロージャを形成する。ダイアフラム３１２およびバッキング基板３０４のダイアフラムバッキング部分３０６は、トッピングウエハ３２８およびベースウエハ３３０に働く載置応力およびパッケージング応力等の外部応力源からダイアフラム３１２を隔離するために、台座３１６によってエンクロージャ内に吊設される。

図６を参照すると、チャネル３１８は、ダイアフラム基板３０２およびバッキング基板３０４を通して画定される。チャネル３１８の一部分は、実質的にダイアフラム縁３２０を囲繞する。図１を参照して上で説明したものとほぼ同じように、チャネル３１８の２つの端部３１９は、ダイアフラム基板３０２およびバッキング基板３０４において該端部の間に台座３１６を画定する。ダイアフラム基板３０２およびバッキング基板３０４は、実質的にダイアフラム３２０を囲繞するチャネル３１８の一部分の外側に外縁３３２を含む。外縁３３２は、チャネル３１８全体にわたってダイアフラム３１２およびダイアフラムバッキング部分３０６から離間される。外縁３３２は、載置ベース３１４と連続している。

再度図５を参照すると、トッピングウエハ３２８は、トッピングウエハ３２８とダイアフラム３１２との間に画定されるトッピング空隙３３４を伴って、外縁３３２および載置ベース３１４上でダイアフラム基板３０２に載置される。ベースウエハ３３０は、ベースウエハ３３０とバッキング基板３０４のダイアフラムバッキング部分３０６との間に画定される空隙３３６を伴って、外縁３３２および載置ベース３１４上でバッキング基板３０４に載置される。トッピングウエハ３２８、ベースウエハ３３０、外縁３３２、および載置ベース３１４は、エンクロージャに連結される、パッケージング応力および載置応力等の内部応力からの、ダイアフラム３１２に対するパッケージング応力を緩和するために、ダイアフラム３１２およびダイアフラムバッキング部分３０６の周囲にダイアフラムエンクロージャまたは応力隔離空洞を形成する。チャネル３１８は、エンクロージャ内に含まれる。

ダイアフラム空隙３２２は、圧力下でダイアフラム３１２を第１の方向に撓ませるように構成される、圧力Ｐ１の第１の圧力空間を形成する。トッピング空隙３３４およびベース空隙３３６は、チャネル３１８を通して流体連通して、圧力下でダイアフラム３１２を第１の方向と反対の第２の方向に撓ませるように構成される、圧力Ｐ２下で第２の圧力空間を形成する。ダイアフラムエンクロージャは、第１の圧力空間と流体連通している第１の圧力ポート３２４を含む。ダイアフラムエンクロージャはまた、第２の圧力空間と流体連通している第２の圧力ポート３３８も含む。第１および第２の圧力空間は、ダイアフラム３１２全体にわたって第１および第２の外部圧力源Ｐ１およびＰ２それぞれの間の差圧を感知するために、ダイアフラムエンクロージャ内で互いに密閉される。

ここで、図７を参照すると、図４で示され、すでに説明したＭＥＭＳダイ２０１を含む、従来技術の例示的な絶対圧力センサ２００が概略的に示されている。センサ２００は、パッケージ筐体２２６、台座２１６、およびバッキング基板２０４を貫通してダイアフラム空隙２２２に入る、単一の圧力ポート２２４を有する。ダイアフラム空隙２２２からダイアフラム２１２の反対側には、トッピング空隙２３４があり、これは、例えばダイアフラム２１２とトッピングウエハ２２８との間で、真空またはほぼ真空等の低圧Ｐ２に維持することができる。真空の代わりに窒素等の不活性媒体も、トッピング空隙２３４内で使用することができる。外側キャップ２４０は、ＭＥＭＳダイ２０１の外部周辺にパッケージ筐体２２６を伴うエンクロージャを形成し、空間２４４の中のワイヤボンド２４２の保護を提供する。ワイヤボンド２４２は、ＭＥＭＳダイ２０１とピン２４６との間の電気通信を提供し、該ピンは、密閉様式でパッケージ筐体２２６を貫通して、ピン２４６の外部部分とワイヤボンドと２４２との間の電気通信を可能にする。空間２４４は、一定の圧力Ｐ３に維持することができる。この構成は、圧力ポート２２４を通した絶対圧力Ｐ１の測定を可能にする。

ここで、図８を参照すると、差圧の測定が所望される場合は、それに応じてセンサ２００を修正することができる。具体的には、第２の圧力ポート２３８を外側キャップ２４０の中に形成することができ、トッピングウエハ２２８を省略することができる。これは、第１の圧力Ｐ１が、第１の方向でダイアフラム２１２に作用することを可能にし、また、第２の圧力Ｐ２が、第１の方向と反対の第２の方向でダイアフラム２１２に作用することを可能にする。したがって、Ｐ１とＰ２との間の差圧は、ダイアフラム２１２を観察することによって決定することができる。

図８で示されるＭＥＭＳセンサ２００の差圧構成は、密閉空間２４４を提供しないので、ワイヤボンド２４２および他の感応構成要素が、圧力ポート２３８を通して出入りする有害な要素（例えば、腐食性要素）に晒され得る。図９および図１０は、この問題に対する解決策を示す。ＭＥＭＳセンサ４００は、ＭＥＭＳセンサ２００に関して上で説明したものとほぼ同じように、パッケージ筐体と、外側キャップと、ワイヤボンドと、ピンとを含む。しかしながら、パッケージ筐体４２６および台座４１６はそれぞれ、２つの圧力ポート４２４および４３８を含み、これらは、それぞれ、圧力Ｐ１およびＰ２について、ダイアフラム４１２の反対側との流体連通を提供する。第３の圧力Ｐ３は、空間４４４の中で維持され、この空間は、外部条件から封鎖されて、有害な要素および条件から内部の構成要素を保護する。図９は、Ｐ１≒Ｐ２≒Ｐ３という条件でのセンサ４００を示す。図１０で示されるように、条件がＰ１≒Ｐ２＞Ｐ３に近づいた場合、例えば、Ｐ２とＰ３との間の差圧によって引き起こされる力のため、トッピングウエハ４２８が、空間４４４の中へ撓む可能性がある。この結果は、線圧力効果と称される。この条件では、図１０に示されるように、トッピングウエハ４２８の撓みが、ダイアフラム４１２に対する応力／撓みを誘発する可能性があり、その結果、圧力センサの誤りを助長する。よって、台座４１６がパッケージング応力を緩和するにもかかわらず、動作圧力Ｐ１およびＰ２に応じて、線圧力効果が誤りを助長する可能性がある。図１０では、明確にするために、撓みが誇張されている。

ここで、図１１を参照すると、ＭＥＭＳセンサ３００は、ＭＥＭＳダイ３０１を採用することによって、上で説明した線圧力効果、ならびにトッピングウエハおよびベースウエハに伝達される載置応力およびパッケージング応力を緩和することができる。上では既に、トッピングウエハ３２８、ベースウエハ３３０、外縁３３２、および載置ベース３１４が、ダイアフラム３１２に対する載置応力およびパッケージング応力を緩和するために、どのようにダイアフラム３１２およびダイアフラムバッキング部分３０６の周囲にダイアフラムエンクロージャを形成するのかを説明した。センサパッケージは、ダイアフラムエンクロージャを取り囲むセンサ筐体３２６および外側キャップ３４０を含む。センサパッケージとダイアフラムエンクロージャとの間に画定される密閉空間３４４は、環境条件からダイアフラムエンクロージャを保護する。ダイアフラムエンクロージャの第１の圧力ポート３２４および第２の圧力ポート３３８のそれぞれは、圧力Ｐ１およびＰ２でそれぞれの圧力源に接続するために、パッケージ筐体３２６を通してそれぞれの圧力開口部と流体連通している。絶対圧力感知が所望される場合、塞がれていない圧力ポート３２４または３３８と流体連通している外部圧力源の絶対圧力を感知するために、例えば、圧力ポート３２４または３３８を塞ぐことによって、または製造中に第１および第２の圧力ポートのうちのいずれか１つを形成しないことによって、第１または第２の圧力空間のうちの１つを密閉することができる。

引き続き図１１を参照すると、トッピング空隙３３４およびベース空隙３３６を含む隔離空洞は、事実上、センサパッケージ内により小さいパッケージを作り出す。トッピングウエハ３２８は、ダイアフラム３１２には直接接続しないが、Ｐ２圧力空間の外側に接続する一方で、載置ベース３１４上に余地を残すので、依然として、ワイヤボンドを密閉環境の中に含めることができる。隔離空洞設計の別の利点は、ベースウエハ３３０におけるＰ２圧力ポートの配置が柔軟であり、かつ１つのマスク層だけによって画定されることである。ポートの配置およびセンサの種類における柔軟性は、ウエハ３３０の底部を通すことに加えて、下で説明される図１５の実施例で示されるように、ベースウエハ３３０の側部にポートを通させることを含む、ベースウエハ３３０を製作するための簡単なマスク交換によって容易に達成することができる。

従来の受動圧力センサにおいて、感応性高インピーダンス信号は、デバイス（例えば、ＭＥＭＳダイ）から、ワイヤボンドを通して、他のワイヤにはんだ付けされた、および／または信号が計装用増幅器に到達する回路基板に接続されたピンまで進行する。この信号は、湿度、異なる材料間の熱電対効果、または他の電気信号によって損なわれる可能性がある。この信号劣化は、パッケージ内部の密閉環境の中へ信号調節電子部品を一体化することによって克服または回避することができる。

ここで、図１２を参照すると、ＭＥＭＳダイ３０１のトッピングウエハ３２８およびベースウエハ３３０は、一体化電子部品構成要素３４６を容易に収容することができる。トッピングウエハ３２８およびベースウエハ３３０は、応力を受ける可能性があるが、該ウエハは、ダイアフラム３１２またはその周囲の絶縁領域に直接接触していないので、応力は、ダイアフラム３１２に伝わらない。これは、パッケージングおよび一体化の機会を作り出す。ＭＥＭＳダイ３０１は、シリコンで作製することができ、したがって、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり得る、一体化電子部品とのいかなる顕著な熱膨張不整合も有しないので、トッピングウエハ３２８およびベースウエハ３３０は、一体化電子部品構成要素３４６のための理想的な場所である。シリコンは、良好な熱伝導体であるので、一体化電子部品構成要素３４６の温度は、ＭＥＭＳダイ３０１の温度に密に整合する。薄膜金属配線は、信号をルーティングするために、トッピングウエハ３２８自体の中へ組み込むことができ、付加的な基板の必要性を取り除く。既にその中に製作された電子部品を伴うＣＭＯＳの外にトッピングウエハ３２８および／またはバッキングウエハ３３０を形成することによって、さらなる一体化も達成することができる。

トッピングウエハ３２８に載置される一体化電子部品構成要素３４６に加えて、またはその代わりに、一体化電子部品を、ベースウエハ３３０、外縁３３２および／もしくは載置ベース３１４、またはＭＥＭＳダイ３０１のダイアフラムエンクロージャ上の任意の他の好適な場所に載置するか、またはその中に一体化することができる。一体化電子部品３４６、トッピングウエハ３２８、およびベースウエハ３３０は全て、実質的にシリコンで形成することができる。バッキング基板３０４およびダイアフラム基板３０２は、シリコン層とすることができる。シリコンが例示的な材料として提供されているが、当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、あらゆる好適な材料を本明細書で説明される構成要素に使用できることを容易に認識するであろう。

トッピングウエハ３２８は、例えば、空気で満たされる場合に比較的大きい空隙であるトッピング空隙３２２によって、ダイアフラム３１２から分離されるので、トッピングウエハ３２８は、寄生容量を追加することなく高インピーダンス信号に対する遮蔽体として作用する。これは、薄い誘電体膜に起因するかなりの寄生容量を作り出す、薄膜を介した遮蔽を超える改良点である。他の可能な遮蔽手段としては、遠くのワイヤボンドにルーティングするためのトッピングウエハ３２８の薄膜層、トッピングウエハ３２８に着設される配線基板、およびＭＥＭＳダイ３０１全体を覆うエポキシオーバーフィルが挙げられる。また、適切にバイアスまたは接地される、ゲッター膜または別の導電層は、接地面遮蔽体として機能し得る。

また、粒子汚染に対する受動フィルタをダイ３０１の中へ組み込むことができることも考えられる。圧力ポート３２４および３３８からダイアフラム３１２までの経路３５６および３５８を、ダイアフラムエッチング深さよりも浅くすることによって、ダイアフラムの動きを制限する可能性がある大きい粒子がダイアフラム３１２に到達することが防止される。経路３５６および３５８の流路はそれぞれ、その最小線寸法（例えば、厚さ）が媒体センサ（例えば、ダイアフラム３１２）に隣接して該流路と流体連通しているそれぞれのセンサ空洞（例えば、ダイアフラム空隙３２２）の最小線寸法よりも小さい、断面積を有する。

ここで、図１３および図１４を参照すると、ＭＥＭＳダイ３０１のダイアフラムエンクロージャは、実際には、ダイレベルで形成されたパッケージ自体であるので、パッケージ筐体に関する要件は、他のダイと比較して軽減される。これは、使用されるパッケージ筐体のより低いコストを可能にする。図１３は、低コストの筐体パッケージ３２６の一実施例を示し、図中、同心管３４８および３５０は、それぞれ、圧力ポート３３８および３２４との流体連通のために、プラットフォーム３５２にろう付けされる。図１４は、より高コストの筐体パッケージ５２６の一実施例を示し、図中、内側圧力管５４８および外側圧力管５５０は、プラットフォーム５５２と一体的に形成される。２つの圧力ポートを伴う、上で説明したようなＭＥＭＳダイは、それぞれの圧力ポートを整列させた状態で、プラットフォーム３５２または５５２に載置することができる。Ｏリング３５４および５５４は、それぞれのパッケージ筐体３２６または５２６が、異なる圧力測定のための圧力式取り付け具に載置されたときに、密閉を提供する。本明細書で説明されるパッケージ筐体は、金属製であり、ろう付けを伴い得るが、当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、任意の他の好適な材料および結合技術を使用することができることを容易に認識するであろう。

ここで、図１５を参照すると、例えば、ＭＥＭＳダイ３０１にあるような隔離空洞を、種々の方法で載置することができる。１つの例示的な構成は、センサ６００のＭＥＭＳダイ６０１であり、上のＭＥＭＳダイ３０１にあるようにベースウエハ６３０の外向きの表面をパッケージ筐体に載置する代わりに、ダイの側部、すなわち、ダイアフラム基板６０２、ベース基板６０４、およびベースウエハ６３０の外側縁部を、パッケージ筐体６２６に載置する。これは、圧力ポート６２４および６３８をベースウエハ６３０までルーティングするように空間を配分する必要がないので、より小さいダイサイズを可能にする。別の利点は、圧力ルーティングのためのより直接的な経路であり、例えば、ウエハが使用を通じてＭＥＭＳダイ６０１の中へ導入された場合に、より良好なダイのドレインを可能にする。

長所は、接着前にトッピングウエハ、例えばトッピングウエハ３２８および６２８を予めエッチングすることによって、上で説明した隔離空洞構成、例えばＭＥＭＳダイ３０１および６０１によって実現することができることである。通常は、ソー作業によって切り欠きがダイシングされるが、ダイシング工程は、スラリーがボンドパッド薄膜に叩きつけられるので、基板に対する短絡を引き起こす。ソー作業の失敗を取り除くことに加えて、ダイシング工程をバルクエッチング工程と置き換えることによって、高価なダイシングマシンを必要とする単一のウエハ工程が、エッチングタンクだけしか必要としないバッチウエハ工程と置き換えられる。

ワイヤボンドパッドシェルフ、例えば、図１１の載置ベース３１４および図１５の載置ベース６１４の上向き部分は、ワイヤボンド機械のヘッドを収容するのに十分大きくなければならない。例えば、シリコンの中の結晶面に沿って選好的にエッチングする水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のエッチング剤を使用することによって、トッピングウエハの開口部の縁部を先細りにして、シェルフの長さを増加させずに、ワイヤボンドヘッドを収容することができる。この特徴は、最初に、頂部マスクを開口して頂部側にエッチングし、次いで、トッピングウエハの中にビアが形成されるまで底部のマスクを開口してエッチングを終了することによって、２つのマスクだけで達成することができる。

隔離空洞構成は、製造が容易ではない。バッキング基板およびダイアフラム基板、例えば、基板３０２および３０４は、ＭＥＭＳデバイスの感知要素部分、例えば台座、ダイアフラム等に伝達されてはならない、ダイおよびボンディングの他の力からダイアフラムを隔離するので、４つ全ての基板／ウエハを同時に接合することはできない。したがって、２ステップの接合シーケンスを使用することができる。最初に、バッキング基板およびダイアフラム基板を、溶融接合、共晶接合、または高温で高失透温度フリットおよびそのボンディング工程等の高温ボンディング方法を使用して、ともに接合する。応力隔離ダイアフラムは、ボンディング力を伝達することができるように、接合チャックによって支持される。次いで、低温フリットボンディング等の低温ボンディング方法を使用して、トッピングウエハおよびベースウエハを接合して積層体にする。これは、フリットボンディングを最初の接合に使用したときに、次のフリット接合中に最初のフリットガラスが失透するのを防止する。

ここで、図１６を参照すると、ＭＥＭＳダイ３０１のためのゲッターの一体化が記述されている。ゲッターは、ガス分子を吸収することによって、密閉空洞の真空を維持するために使用される。例えば、チタン、バナジウム、またはジルコニウムの薄膜は、ガスを吸収することが知られている。薄膜ゲッターは、標準的な微小製作技術で容易に実装することができるが、それらが蒸着される表面領域のサイズによって有効性が限定される。上で説明したＭＥＭＳダイ３０１および６０１は、図１６においてゲッター３５６を表す太線で示されるように、トッピングウエハ、バッキング基板、およびベースウエハ上にゲッター膜のための表面領域を提供するので、薄膜ゲッターに十分適している。１つだけではなく３つの表面をゲッターに利用できるので、同様な寸法のキャッピングされたＭＥＭＳデバイスにおける従来のゲッター構成と比較して、約３倍のゲッター領域を使用することができる。これは、空洞内の真空レベルを、より長い期間にわたって維持すること、より低い真空レベルを達成すること、または双方を可能にする。したがって、図１６では、絶対圧力センサ構成が示され、図１２に示されるポート３３８に類似したポートは含まれない。

ここで、図１７を参照すると、ゲッターは、低温よりも高温でより多くのガスを吸収する。ゲッターは、ダイ全体を加熱することによって活性化することができるが、これは、ガラスフリットまたは金属共晶物等のボンディング膜の融解温度によって制限され得る。ＭＥＭＳダイ３０１では、例えば、ベース空隙３３６がベースウエハ３３０の頂面を含むので、ベースウエハ３３０の拡張部分３５８がボンドパッド３６０のための場所を提供し、よって、配線をベースウエハ３３０上のゲッター３５６に接続することができる。このゲッター３５６は、次いで、ジュール加熱を通して、ボンディング膜が許容するよりも高い温度まで、電流を介して局所的に加熱することができる。ジュール加熱によるゲッターの活性化は、ＭＥＭＳダイ３０１の寿命全体を通して、ゲッターのｉｎ−ｓｉｔｕ活性化および再活性化を可能にする

ゲッター材料は、典型的に、導電性材料であるので、ゲッターへの電気的接続を有することは、自己試験を行うための能力も提供する。例えば、静電力をバッキングウエハ３３０に印加することができ、それは、ウエハがビアに接触しておらず、電気的短絡を引き起こさなかったことを検証することができる。これは、ＭＥＭＳの自己試験をＭＥＭＳダイ３０１の機能に組み込むことを可能にする。同様に、ゲッター材料はまた、ＭＥＭＳデバイスの電気トレース、容量プレート、および他の電気的構成要素として機能するようにもパターン化され得る。

本明細書で説明されるデバイスは、共通して３つの全般的な特徴を有する。すなわち、（１）物理的パラメータを感知するための、一体化ＭＥＭＳデバイス、（２）アセンブリ、載置、パッケージング等からの内部応力および外部応力のＭＥＭＳセンサへの伝播を防止する、原位置の応力隔離構造／方法、および（３）外部応力および内部応力の双方から、ならびに粒子、水分、凝縮物、氷、漂遊圧力、および温度変動等の他の有害な環境影響からＭＥＭＳ感知デバイスを保護する、応力隔離ならびにカプセル化の一部分としても機能するＭＥＭＳデバイスの完全に一部である、一体化パッケージングスキーム、である。

応力隔離ＭＥＭＳデバイスは、少なくとも４つの構成要素、すなわち、トッピングウエハ、デバイスウエハ、バッキングウエハ、およびベースウエハから製造され得る。図１及び図２は、既に形成され、結合されたデバイスおよびバッキングウエハを示す。すでに説明したように応力隔離ＭＥＭＳデバイスを製造する例示的な方法は、図１８のフローチャートによって概略的に示されるように、最初に、４つの構成要素のそれぞれを独立に形成することと、次いで、その後に、それらを応力隔離ＭＥＭＳデバイスに組み立てることとを含む。上で説明したような応力隔離ＭＥＭＳデバイスを製造するための例示的な工程を、図１９から図２３を参照して下で説明する。

最初に、図１９を参照すると、ベースウエハを形成するための副工程が記述されている。基板ウエハは、図１９の段階１で概略的に示されるように、その頂面および底面上にマスキング材料を有するように形成される。基板は、シリコンとすることができ、マスキング材料は、窒化ケイ素とすることができる。次いで、図１９の段階２によって表されるように、例えばフォトリソグラフィ技術を使用することによって、マスキング材料の底面の部分を、当産業界で知られているようにパターン化して、マスキング材料の中に領域を開口させる。次いで、同様に、図１９の段階３によって示されるように、例えばフォトリソグラフィ技術を使用することによって、マスキング材料の頂面の部分を、当業界で知られているようにパターン化して、マスキング材料の中に領域を開口させる。次いで、図１９の段階４によって表されるように、エッチングまたは１組のエッチングを行って、頂面および／または底面の陥凹ならびに貫通穴を作成する。好ましくは、単一のエッチングが、頂面および底面を同時にエッチングし、かつ陥凹および貫通穴の双方を同時に形成する。陥凹および貫通穴は、空洞、空隙、流路、縁、チャネル等を形成するために好都合に使用することができ、これは、流体連通、応力隔離、望ましくない環境要素からの保護、電気的隔離等の、最終的なＭＥＭＳデバイスの層内および層の間で、種々の特徴を接続し、種々の機能を可能にし得、同様に、最終的なＭＥＭＳデバイスの中の膜および台座等の、ＭＥＭＳデバイスの特徴を形成または描写するために好都合に使用することができることに留意されたい。最後に、図１９の段階５で示されるように、最終的なデバイス、例えば第１のガラスフリット材料に過度の応力を与えないボンディング材料を、当技術分野で知られているように、バッキングウエハの頂面の選択部分に塗布する。次いで、しばしばＴｉ、Ｚｒ、およびＶ等の１つ以上の材料のパターン層が、１つ以上のシャドーマスクウインドウを通して、基板の選択された領域上へスパッタリングされ得る。金属層領域は、単独で、または他の構造と連動して、電気的相互接続および／または不純物ゲッター、原位置のヒーター、ヒューズ、自己試験構造等として機能し得る。これらの金属層領域は、図１９では具体的に示されていないが、例えば、上で説明した図１７を参照されたい。この段階で、ベースウエハ構成要素が完成する。

ここで、図２０を参照すると、トッピングウエハを製造するための副工程が記述されている。基板ウエハは、図２０の段階１で示されるように、その頂面および底面上にマスキング材料を有するように形成される。基板は、シリコンとすることができ、マスキング材料は、窒化ケイ素とすることができる。次いで、図２０の段階２によって示されるように、マスキング材料の頂面の第１の部分を、例えばフォトリソグラフィ技術を使用することによって、当産業界で知られているようにパターン化して、マスキング材料の中に領域を開口させる。次いで、図２０の段階３によって示されるように、基板のエッチングを当産業界で知られているように行って、基板の開口領域の中で基板の中に陥凹を形成する。次いで、図２０の段階４で示されるように、基板の底面上のマスキング材料の部分を同様にパターン化し、エッチングする。次いで、図２０の段階５で示されるように、基板の頂面上のパターン化およびエッチングした領域の場所に対応する基板の少なくとも１つの第１の領域の中で、少なくとも１つの貫通穴が基板の中に形成され、かつ少なくとも１つの陥凹が基板の底面の別の領域の中に形成されるように、Ｓｉ基板をエッチングする。陥凹および貫通穴は、空洞、空隙、流路、縁、チャネル等を形成するために好都合に使用することができ、これは、流体連通、応力隔離、望ましくない環境要素からの保護等の、最終的なＭＥＭＳデバイスの層内および層の間で、種々の特徴を接続し、種々の機能を可能にし得、同様に、膜および台座等のＭＥＭＳデバイスの特徴を形成または描写するために、および最終的なＭＥＭＳデバイスの中の基板の別の部分から基板の部分を電気的に隔離するために好都合に使用することができる。最後に、図２０の段階６で示されるように、ガラスフリット材料等の最終的なデバイスに過度の応力を与えないボンディング材料、および好都合にベースウエハに塗布されたものと同じ材料を、当技術分野で知られているように、トッピングウエハの頂面の選択部分に塗布する。次いで、しばしばＴｉ、Ｚｒ、およびＶ等の１つ以上の材料のパターン層が、１つ以上のシャドーマスクウインドウを通して、基板の選択された領域上へスパッタリングされ得る。金属層領域は、単独で、または他の構造と連動して、電気的相互接続および／または不純物ゲッター、原位置のヒーター、ヒューズ、自己試験構造等として機能し得る。これらの金属層領域は、図２０では具体的に示されていないが、例えば、上で説明した図１７を参照されたい。この段階で、トッピングウエハ構成要素が完成する。

ここで、図２１を参照すると、バッキングウエハを製造するための副工程が記述されている。基板ウエハを、図２１の段階１で示されるように、その頂面および底面上にマスキング材料を有するように形成する。基板は、シリコンとすることができ、マスキング材料は、窒化ケイ素とすることができる。次いで、図２１の段階２で示されるように、例えば、フォトリソグラフィ技術を使用することによって、マスキング材料の頂面の第１の部分を、当産業界で知られているようにパターン化して、マスキング材料の中に領域を開口させる。次いで、図２１の段階３で示されるように、基板のエッチングを当産業界で知られているように行って、基板の開口領域の中で基板の中に陥凹を形成する。図２１の段階４で示されるように、フォトリソグラフィパターンを基板の頂面に塗布し、そして、マスキング材料の少なくとも一部分を通ること、ならびに、既にエッチングされた少なくとも１つの領域の中、およびまだエッチングされていない少なくとも１つの領域の中を含む、基板を完全に貫通する貫通穴を形成する、エッチングを行う。このエッチングは、当技術分野で知られているように、好ましくは異方性エッチングであり得、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術を使用して行われ得る。陥凹および貫通穴は、空洞、空隙、流路、縁、チャネル等を形成するために好都合に使用することができ、これは、流体連通、応力隔離、望ましくない環境要素からの保護等の、最終的なＭＥＭＳデバイスの層内および層の間で、種々の特徴を接続し、種々の機能を可能にし得、同様に、最終的なＭＥＭＳデバイスの中の膜および台座等のＭＥＭＳデバイスの特徴を形成または描写するために、および基板の別の部分から基板の部分を電気的に隔離するために好都合に使用することができる。最後に、図２１の段階５によって示されるように、第１のガラスフリット材料よりも高いボンディング（すなわち、遷移および／または失透）温度等の、最終的なデバイスに過度の応力を与えない第２のボンディング材料を、当技術分野で知られているように、バッキングウエハの頂面の選択部分に塗布する。次いで、しばしばＴｉ、Ｚｒ、およびＶ等の１つ以上の材料のパターン層が、１つ以上のシャドーマスクウインドウを通して、基板の選択された領域上へスパッタリングされ得る。金属層領域は、単独で、または他の構造と連動して、電気的相互接続および／または不純物ゲッター、原位置のヒーター、ヒューズ、自己試験構造等として機能し得る。これらの金属層領域は、図２１では具体的に示されていないが、例えば、上で説明した図１７を参照されたい。この段階で、トッピングウエハ構成要素が完成する。

ここで、図２２Ａおよび２２Ｂを参照すると、デバイスウエハを製造するための副工程が記述されている。基板ウエハは、その頂面および底面上にマスキング材料を有するように形成される。基板は、シリコンとすることができ、マスキング材料は、窒化ケイ素とすることができる。第２の材料を、基板の頂部に塗布する。第２の材料は、蒸着二酸化シリコン膜であってもよい。次いで、ポリシリコン層を、ウエハ上に蒸着させると、図２２Ａの段階１で表される構造になる。次いで、図２２Ａの段階２で示されるように、シリコン基板の部分が露出するように、ウエハの頂部を当産業界で知られているようにマスキングし、エッチングする。次いで、酸化膜を、シリコン基板の露出部分上に、およびポリシリコン上に成長させる。酸化物は、図２２Ａでは明確に示されていない。次いで、図２２Ａの段階３で示されるように、基板を、リン等のｎ型ドーパントで、シリコン基板を露出させるためにエッチングしたマスキング材料を有していた領域の中のポリシリコンの中に、およびシリコン基板の中に酸化膜を通して埋め込む。次いで、図２２Ａの段階４で示されるように、ポリシリコン膜をマスキングし、ポリシリコンの部分をエッチングする。エッチングし、ドーピングしたポリシリコンは、当産業界で知られているように、ＭＥＭＳデバイスの精密抵抗器、圧電抵抗体、電気導管、コンデンサのプレート、ゲート、ならびに他の電気的および構造用構成要素を形成するために使用され得る。次いで、図２２Ａの段階５で示されるように、典型的に蒸着二酸化シリコン膜等の電気絶縁膜である、第３の材料を塗布する。次いで、図２２Ａの段階６で示されるように、表面をマスキングし、エッチングして、ポリシリコンおよびシリコン基板の部分まで絶縁層を通して電気接点を開口する。次いで、図２２Ａの段階７で示されるように、金属膜を塗布し、パターン化して、接触領域の中の電気接点、ならびに基板の表面上の相互接続部、ヒューズ、抵抗器、および入力／出力パッド、自己試験構造、コンデンサプレート等を形成する。次いで、図２２Ｂの段階８で示すように、典型的に窒化ケイ素である不動態化膜を、基板の頂面に塗布する。次いで、図２２Ｂの段階９で示されるように、フォトリソグラフィマスクを基板の底部側に塗布し、マスキング材料膜をエッチングして、シリコンの部分を露出させる。フォトリソグラフィマスクを取り除く。次いで、図２２Ｂの段階１０で示されるように、シリコンを好都合な深さまでエッチングし、シリコンの中に陥凹を形成する。陥凹は、空洞、空隙、流路、縁、およびチャネルを形成するために好都合に使用することができ、これは、流体連通、応力隔離、望ましくない環境要素からの保護等の、最終的なＭＥＭＳデバイスの層内および層の間で、種々の特徴を接続し、種々の機能を可能にし得、同様に、最終的なＭＥＭＳデバイスの中の膜、縁、または他の感知要素等の、ＭＥＭＳデバイスの特徴を形成または描写するために好都合に使用することができる。好ましくは、陥凹深さは、例えば圧力感知デバイス感知で要素として使用され得る、有利な厚さの膜を形成するために、慎重に制御される。ケイ素エッチングをウェットエッチング剤で行う場合は、ウェットエッチング剤から頂面を保護するために、Ｂｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．（Ｒｏｌｌａ，Ｍｉｓｓｏｕｒｉ）製のＰｒｏＴＥＫ（登録商標）Ｂ３ウェットエッチング保護コーティング等の犠牲ブランケットマスキング材料を、ウェットエッチング前に、基板の頂面に塗布することができる。エッチングが完了した時点で、犠牲ブランケットマスキング材料を取り除くが、この当産業界で知られているステップは、図２２Ｂでは示されていない。図２２Ｂの段階１１で示されるように、フォトリソグラフィマスクを頂面の部分に塗布し、不動態化膜のエッチングを行って、不動態化膜を通して金属に電気接点を形成すること、および表面の部分を開口してシリコンを露出させることの双方を可能にする。その後に、図２２Ｂの段階１２で示されるように、フォトリソグラフィマスクを頂面の部分に塗布し、エッチングを行って、シリコン基板の中に貫通穴を形成する。貫通孔エッチングは、当技術分野で知られているように、好都合に異方性エッチングであり得、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術を使用して行われ得る。貫通穴は、空隙、流路、チャネル等を形成するために好都合に使用することができ、これは、流体連通、応力隔離、望ましくない環境要素からの保護等の、最終的なＭＥＭＳデバイスの層内および層の間で、種々の特徴を接続し、種々の機能を可能にし得、同様に、台座等のＭＥＭＳデバイスの特徴を形成または描写するために、および最終的なＭＥＭＳデバイスの中の基板の別の部分から基板の部分を電気的に隔離するために好都合に使用することができる。次いで、しばしばＴｉ、Ｚｒ、およびＶ等の１つ以上の材料のパターン層が、１つ以上のシャドーマスクウインドウを通して、基板の選択された領域上へスパッタリングされ得る。金属層領域は、単独で、または他の構造と連動して、電気的相互接続および／または不純物ゲッター、原位置のヒーター、ヒューズ、自己試験構造等として機能し得る。これらの金属層領域は、図２２Ａおよび２２Ｂでは具体的に示されていないが、例えば、すでに説明した図１７を参照されたい。この段階で、デバイスウエハ構成要素が完成する。

ここで、図２３を参照すると、構成要素ウエハ積層体を製造するための副工程が記述されている。最終的な応力隔離感知ＭＥＭＳデバイスを完成させるためには、デバイスウエハ、ベースウエハ、トッピングウエハ、およびバッキングウエハをともに結合しなければならない。最初に、当産業界で知られているように、デバイスウエハの底面およびバッキングウエハの頂面を適切に整列させ、次いで、バッキングウエハの頂面に塗布された第１のガラスフリット材料とともに接合する。次いで、図２３の段階１で示されるように、デバイスウエハ構成要素の頂面である接合対の頂面の上に金属層をパターン化させて、電気的相互接続部、ヒューズ、コンデンサプレート、抵抗器、および金属入力／出力パッド等の特徴を形成する。金属は、蒸着されるときにシャドーマスクを通してパターン化することができる。次いで、図２３の段階２で示されるように、トッピングウエハの底面およびバッキングウエハの頂面をそれぞれ、接合対の頂面および接合対の底面に整列させ、次いで、ともに接合する。この接合は、デバイスウエハをバッキングウエハと結合した接合よりも低い温度で好都合に行われる。これは、第１のフリット材料を、第２の接合工程中に失透させないようにすることができ、したがって、層方法のフリット材料によって成される接合の完全性を確実にする。そのようにすることが有利である場合は、次いで、Ｚｒ、Ｎｉ、およびＡｕ等の少なくとも１つの金属材料の層をウエハ積層体の底面に塗布してもよい。金属層は、図２３の段階３で示されるように、電気的相互接続部として機能し得るか、または完成したデバイスをヘッダ、パッケージ、電気回路カード等に取り付けることを容易にし得る。

デバイスウエハ、ベースウエハ、およびバッキングウエハ（および、したがって、最終的に組み立てられる応力隔離ＭＥＭＳ感知デバイス）は、それぞれ、同時に、それらの上に形成されたウエハ毎に少なくとも１つのＭＥＭＳデバイスを有し得る。ウエハがそれらの上に形成された２つ以上のデバイスを有する場合は、ウエハ積層体をＭＥＭＳデバイスに個片化してもよい。これで、応力隔離ＭＥＭＳデバイスの例示的な実施形態のための製造工程が完了する。

ＭＥＭＳ圧力センサを例示的な状況で示し、説明したが、当業者は、上で説明したパッケージング応力隔離システムおよび方法を、任意の好適なデバイスに容易に適用できることを容易に認識するであろう。例えば、上で説明したシステムおよび方法は、性能に影響を及ぼす可能性があるパッケージング応力が問題である場合には、ＭＥＭＳジャイロ、電子部品チップ、または任意の他の好適なデバイスに適用することができる。また、応力感応または応力隔離構成要素が、速度センサまたは加速度センサ等の物理パラメータセンサに加えて、湿度センサ、フローセンサ、化学センサ、ガス分析器、粒子検出器、圧力センサ、および／または任意の他の好適な種類の媒体センサ等の、任意の好適な種類の媒体センサを含むことができることも考えられる。

当業者は、本発明が、少なくとも１つの応力感応構成要素を含む応力隔離領域を有するデバイス本体を伴う、任意の好適な微細構造デバイスの形態で実践できることを容易に認識するであろう。微細構造デバイスは、デバイス本体を格納するパッケージに取り付けられるように構成され、適合される載置ベースを含むことができ、該載置ベースは、載置ベースに与えられるパッケージング応力から応力感応構成要素を隔離するために、デバイス本体に沿って、応力隔離領域から横方向にオフセットされる。

当業者は、また、デバイス本体を、例えば応力感応構成要素、応力隔離領域、および載置ベースを画定する、単結晶シリコンウエハ構成要素等の平面ウエハ構成要素とすることができることも容易に認識するであろう。さらに、当業者は、応力隔離領域から載置ベースを分離する細い台座の有無に関わらず、本発明に従って応力隔離を達成することができるので、応力隔離領域の幅および載置ベースの幅よりも狭い幅を有する、上で説明した例示的な台座が随意選択であることを容易に認識するであろう。

上で説明され、図で示される本発明の方法およびシステムは、パッケージング応力および載置応力の緩和、より小さいサイズ、ならびに向上した精度を含む、優れた特性を伴うＭＥＭＳ圧力センサを提供する。本発明の装置および方法を、好適な実施形態を参照して図示および説明してきたが、当業者は、対象の発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、変更および／または修正が行われ得ることを容易に認識するであろう。

Claims (13)

1. ダイアフラムバッキング部分および台座部分を含むバッキング基板と、
   前記台座部分および前記バッキング基板の前記ダイアフラムバッキング部分に載置されてＭＥＭＳダイを形成するダイアフラムを含む、ダイアフラム基板であって、前記バッキング基板および前記ダイアフラム基板の前記台座部分が、前記台座部分の全体にわたって前記ダイアフラムに向かい合う前記ＭＥＭＳダイの載置ベースに付与されるパッケージング応力から前記ダイアフラムを隔離するように構成される、前記ＭＥＭＳダイの前記台座を形成し、前記ダイアフラムが、前記ダイアフラムの少なくとも一部を取り囲んでいるダイアフラム縁よりも薄く、また、前記ダイアフラム縁が、前記バッキング基板の前記ダイアフラムバッキング部分に接着されて、前記ダイアフラムと前記バッキング基板の前記ダイアフラムバッキング部分との間に空隙が画定される、ダイアフラム基板と、
   前記ダイアフラム基板及び前記バッキング基板それぞれの外側端に載置されるパッケージであって、前記ダイアフラム基板の外側端と前記バッキング基板の外側端の間で、前記パッケージ内に第１の外方向圧力ポートが画定され、前記第１の外方向圧力ポートと前記空隙の間には、外方向に延在する経路が画定されて流体連通しており、前記パッケージが、前記ＭＥＭＳダイの周りにエンクロージャを形成するため、前記ＭＥＭＳダイを囲繞する外側キャップを含み、前記空隙と向かい合う前記ダイアフラムの側面で、前記エンクロージャと流体連通するために、前記パッケージ内に第２の外側方向圧力ポートが画定される、パッケージと、を備える、ＭＥＭＳ圧力センサ。
2. 前記ＭＥＭＳダイの前記載置ベースが、パッケージング応力を緩和するために前記パッケージから前記ダイアフラムを隔離するように、前記パッケージに載置される、請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
3. 前記バッキング基板の前記台座部分が、前記ダイアフラムバッキング部分の面内にあり、かつ、それよりも細く、前記ダイアフラム基板の前記台座部分が、前記ダイアフラムの面内にあり、かつ、それよりも細い、請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
4. ダイアフラム縁に囲繞されるダイアフラムを含む、ダイアフラム基板と、
   前記ダイアフラムとバッキング部分との間に画定されるダイアフラム空隙を伴うＭＥＭＳダイを形成するように、前記ダイアフラム縁に載置されるダイアフラムバッキング部分を有する、バッキング基板であって、前記ダイアフラム基板および前記バッキング基板を通してチャネルが画定され、前記チャネルの一部分が前記ダイアフラム縁を囲繞し、前記チャネルの２つの端部が、前記ダイアフラムの面内にある前記ダイアフラム基板および前記バッキング基板の中で該端部の間に台座を画定し、よって、前記台座全体にわたって前記ダイアフラムに向かい合う前記ＭＥＭＳダイの載置ベースに与えられる前記ダイアフラム上のパッケージング応力を緩和するために、前記台座から前記ダイアフラムおよびダイアフラムバッギング部分が吊設される、バッキング基板と、
   前記ダイアフラム基板及び前記バッキング基板それぞれの外側端に載置されるパッケージであって、前記ダイアフラム基板の外側端と前記バッキング基板の外側端の間で、前記パッケージ内で第１の外側方向圧力ポートが画定され、前記第１の外側方向圧力ポートと前記空隙の間には、相互の流体連通のために外側方向に延在する経路が画定され、前記パッケージが、前記ＭＥＭＳダイの周りにエンクロージャを形成するため、前記ＭＥＭＳダイを囲繞する外側キャップを含み、前記空隙と向かい合う前記ダイアフラムの側面で、前記エンクロージャと流体連通するために、前記パッケージ内に第２の外側方向圧力ポートが画定される、パッケージと、を備える、ＭＥＭＳ圧力センサ。
5. 前記ダイアフラム基板および前記バッキング基板が、前記ダイアフラム縁を囲繞する前記チャネルの前記一部分の外側に外縁を含み、前記外縁が、前記チャネル全体にわたって前記ダイアフラムおよび前記ダイアフラムバッキング部分から離間される、請求項４に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
6. トッピングウエハと前記ダイアフラムとの間に画定されるトッピング空隙を伴って、前記外縁および前記載置ベース上で前記ダイアフラム基板に載置される、トッピングウエハと、
   前記バッキング基板の前記ダイアフラムバッキング部分との間に画定されるベース空隙を伴って、前記パッケージに載置される外側端部、ベースウエハであって、前記トッピングウエハ、前記ベースウエハ、前記外縁、および前記載置ベースが、ダイアフラムエンクロージャからの前記ダイアフラムに対するパッケージング応力を緩和するために、前記ダイアフラムおよび前記ダイアフラムバッキング部分の周囲に前記ダイアフラムエンクロージャを形成する、ベースウエハと、をさらに備える、請求項５に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
7. 前記トッピングウエハおよび前記ベースウエハのうちの１つに載置される、一体化電子構成要素をさらに備える、請求項６に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
8. 前記ダイアフラム空隙が、圧力下で前記ダイアフラムを第１の方向に撓ませるように構成される、第１の圧力空間を形成し、前記トッピング空隙および前記ベース空隙が、前記ダイアフラム基板および前記バッキング基板の中の前記チャネルを通して流体連通して、圧力下で前記ダイアフラムを前記第１の方向と反対の第２の方向に撓ませるように構成される、第２の圧力空間を形成する、請求項６に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
9. 前記第２の圧力空間が、前記第１の圧力空間と流体連通している外部圧力源の絶対圧力を感知するために密閉される、請求項８に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
10. 第１の外側方向圧力ポートおよび第２の外側方向圧力ポートが、前記第１および前記第２の圧力空間とそれぞれ流体連通し、前記第１および前記第２の圧力空間が、前記ダイアフラム全体にわたって第１および第２の外部圧力源それぞれの間の差圧を感知するために、前記ダイアフラムエンクロージャ内で互いに密閉される、請求項８に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
11. 環境条件から前記ダイアフラムエンクロージャを保護するために、前記パッケージと前記ダイアフラムエンクロージャとの間に密閉空間が画定される、請求項１０に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
12. トッピングウエハと前記ダイアフラムの間にトッピング空隙を画定する前記ダイアフラム基板の載置ベース部分の上面に載置されるトッピングウエハをさらに含む、請求項１１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
13. 前記ベースウエハと前記バッキング基板の前記ダイアフラムバッキング部分との間に画定されるベース空隙を備える前記パッケージに、外側端部が載置されるベースウエハをさらに含み、前記トッピングウエハ、前記ベースウエハ、前記載置ベースが前記エンクロージャから前記ダイアフラムにかかるパッケージング応力を緩和するために、前記ダイアフラムと前記ダイアフラムバッキング部分の周囲にダイアフラムエンクロージャを形成し、前記ダイアフラムエンクロージャと流体連通するために、前記第２の外側方向圧力ポートが、前記ベースウエハの外側端部と前記バッキング基板の外側端部との間に画定される、
    請求項１２に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。

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