JP2013058422A - Ｍｅｍｓ電気部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ＭＥＭＳウエハのウエハレベルパッケージングにおいて、対向電極間の電気的非道通を低減する。
【解決手段】
ＭＥＭＳ電気部材の製造方法は、ＭＥＭＳウエハに複数のチップ領域を画定し、各チップ領域内に固定部に連続する可動部を形成し、固定部に支持されたアンカからばね電極が突出する接続電極を複数個形成し、ウエハを厚さ方向に貫通する貫通導体と対向面上で貫通電極に接続された引き出し電極とを複数組有するキャップウエハを準備し、キャップウエハの引き出し電極をＭＥＭＳウエハのばね電極に当接させ、キャップウエハとＭＥＭＳウエハとを結合する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（micro electromechanical system）電気部材の製造方法に関する。ｍｍオーダより短い寸法の構成部分を有する電気機械的部材をＭＥＭＳと呼ぶ。

シリコン加工技術は、集積回路の進歩と共に高度に発達し、ＭＥＭＳ作製に適している。支持Ｓｉ基板上に、酸化シリコン膜を接着膜（ボンディング酸化膜ＢＯＸ膜）として、活性Ｓｉ層を貼り付けたＳＯＩ基板は、活性Ｓｉ層を薄くでき、誘電体分離の高性能Ｓｉ素子を形成できるのみでなく、酸化シリコン膜は希弗酸等で選択的に除去でき、活性Ｓｉ層をパターニングして可動部を有するＭＥＭＳを作製することもできる。ＳＯＩ基板は、一般的には、１対のＳｉ基板の少なくとも一方を熱酸化し、１対のＳｉ基板を酸化シリコン膜を介して熱圧着することで作製される。

携帯電話等の高周波（ＲＦ）部品に対する小型化、高性能化の要求に応えるため、ＭＥＭＳ技術を用いたＲＦ信号切り替えスイッチの研究、開発が盛んに行われている。ＭＥＭＳスイッチは機械的なスイッチであって、寄生容量を小さくでき、トランジスタ等の半導体素子を用いたスイッチに比べ、損失が少なく、絶縁性が高く、信号に対する歪み特性がよい。

ＳＯＩ基板の活性シリコン層をカンチレバー形状にパターニングし、カンチレバー下方のＢＯＸ膜をエッチング除去して、可動カンチレバーを形成することができる。カンチレバー上に可動電極、その上方に固定電極を形成し、カンチレバーを上方に変形可能とすればスイッチを形成することができる。カンチレバーを上方に変形する駆動方式としては、圧電駆動方式、静電駆動方式等が知られている（例えば、特開２００５−２９３９１８号等）。

図１Ａ−図１Ｅを参照して、カンチレバー上に可動電極、その上方にブリッジ状固定電極を形成し、静電駆動によりカンチレバーを駆動するマイクロスイッチの構成例を説明する。なお、特開２００５−２９３９１８号の実施の形態の開示を援用する。図１Ａは、ＳＯＩ基板上に下部電極を形成した状態の平面図であり、図１Ｂは、ＳＯＩ基板上に立体形状の上部電極を形成した状態の平面図である。図１Ｃ−図１Ｅは、図１Ｂ中の線ＩＣ−ＩＣ，ＩＤ−ＩＤ，ＩＥ−ＩＥに沿った断面図である。

図１Ａに示すように、ＳＯＩ基板の活性Ｓｉ層１２０（Ｓｉ層を左下がりのシングルハッチングで示す）にスリット１４１をエッチングして、ボンディング酸化シリコン膜を露出し、ボンディング酸化膜をサイドエッチして、カンチレバー形状の可動部を形成する。可動部先端にスイッチ用可動電極１３１、可動部から固定部に延在する静電駆動用可動電極１３３（金属電極をダブルハッチングで示す）を形成しておく。

図１Ｂに示すように、ＳＯＩ基板上にアンカ部で支持された立体的電極構造を形成し、スイッチ用固定電極１３２、静電駆動用固定電極１３４を形成する。１対のスイッチ用固定電極１３２は、スイッチ用可動電極１３１と対向する部分を有し、接触／被接触でオン／オフするマイクロスイッチを構成する。ブリッジ型の静電駆動用固定電極１３４は静電駆動用可動電極１３３と対向し、静電力を発揮してカンチレバーを上方に引き上げる機能を有する。なお、図１Ａ、図１Ｂに示すように、電極１３２，１３３を取り囲むスリット１４２を形成し、電極部の絶縁性を高めることもできる。

図１Ｃ，図１Ｄ，図１Ｅに示すように、活性Ｓｉ層１２０は、ボンディング酸化膜１２１を介して支持Ｓｉ基板１２３に支持される。スリット１４１，１４２の幅は例えば２μｍである。カンチレバー型可動部の下方ではボンディング酸化膜が除去され、活性Ｓｉ層１２０が可動部を構成する。例えば、カンチレバー型可動部の長さは数百μｍ、幅は数十〜数百μｍ程度である。立体的電極構造の高さは、例えば数μｍ〜数十μｍ程度である。

図１Ｄに示す静電駆動部の固定電極１３４を例えば接地電位に接続し、可動電極１３３に駆動電圧を印加する。静電引力が生じ、可動部が上方に引き付けられる。図１Ｅに示すようにボンディング酸化膜１２１により一端部を固定された可動部の他端部が上方に変位する。図１Ｃに示すように、可動部の他端部に形成されたスイッチ用可動電極１３１が上方に変位する。スイッチ用可動電極１３１が１対のスイッチ用固定電極１３２間を短絡して、オン状態を形成する。

静電駆動用可動電極１３３に対する電圧印加を停止して、静電駆動用可動電極１３３と静電駆動用固定電極１３４の間の静電引力を消滅させると、カンチレバーは自然状態に復帰し、スイッチ用可動電極１３１は、スイッチ用固定電極１３２から離れる。オフ状態が達成される。

ＭＥＭＳ構造は、微細な立体的構造を有し、物理的強度は高くない場合が多い。実装時のダイシング、ハンドリングで破壊され易い。ダイシングの前にＭＥＭＳ構造を封止構造内に収納することができれば、破壊防止に有効であり、歩留まり向上が望める。例えば、ＭＥＭＳ構造を有するウエハと貫通導体を有するキャップウエハとをチップごとに封止するシールによって接着した後、積層構造をダイシングすることが望まれる。

特開２００５−２９３９１８号公報

ＭＥＭＳ構造と接続電極を有するＭＥＭＳウエハと引き出し電極と貫通導体を有するキャップウエハとをウエハレベルで結合し、接続電極と引き出し電極との間の電気的導通も確保しようとした時、予測できなかった新たな課題が生じた。ウエハ間の接続電極と引き出し電極間の接触不良が生じる。電気的導通が得られず、欠陥部材となり、歩留まりが低下する。

１実施例によれば、ＭＥＭＳ電気部材の製造方法は、
ＭＥＭＳウエハに複数のチップ領域を画定し、各チップ領域内に固定部に連続する可動部を形成し、固定部に支持されたアンカからばね電極が突出する接続電極を複数個形成し、
ウエハを厚さ方向に貫通する貫通導体と対向面上で該貫通電極に接続された引き出し電極とを複数組有するキャップウエハを準備し、
キャップウエハの引き出し電極をＭＥＭＳウエハのばね電極に当接させ、
キャップウエハとＭＥＭＳウエハとを結合する。

引き出し電極から接続電極に電流を流し、引き出し電極とばね電極を溶着することが好ましい。

ばね電極が電極位置のマージンを付与する。電気的導通が得られない確率が減少する。

図１Ａ−図１Ｅは従来技術を示し、図１Ａは、ＳＯＩ基板上に下部電極を形成した状態の平面図、図１Ｂは、ＳＯＩ基板上に立体形状の上部電極を形成した状態の平面図、図１Ｃ−図１Ｅは、図１Ｂの線ＩＣ−ＩＣ，ＩＤ−ＩＤ，ＩＥ−ＩＥに沿った断面図である。 図２Ａ−図２Ｄは、本発明者らが行った、ＭＥＭＳ構造のウエハレベルパッケージングの予備的試みを示す断面図および平面図である。 図３Ａは、本発明の基本構成におけるＭＥＭＳウエハにおけるメッキ工程を示す断面図、図３ＢはＭＥＭＳウエハにおける犠牲膜、密着膜除去後のばね電極に対して、キャップウエハの引き出し電極を当接させた状態を示す断面図、図３Ｃは好ましい実施形態における１つのアンカ電極から２つのばね電極が突出する接続電極の平面図，図３Ｄは図３Ｃに示す接続電極のばね電極にキャップウエハの引き出し電極を接続する状態を示す平面図である。 図４Ａは具体的実施例によるＭＥＭＳウエハの１チップ分の平面図、図４Ｂ，図４Ｃは静電駆動部、及びばね電極部の断面図である。 具体的実施例によるキャップウエハの１チップ分の平面図である。 図４ＡのＭＥＭＳウエハと図５のキャップウエハを重ねた状態を示す平面図である。

図２Ａ−図２Ｄは、本発明者らが行った、ＭＥＭＳ構造のウエハレベルパッケージングの予備的試みを示す断面図および平面図である。図２Ａに示すように、ＭＥＭＳウエハ１０に導電部を有する可動部１２、接続電極１４，１６を、メッキ工程を用いて作成する。メッキ工程は、密着層、シード層をスパッタリングで形成し、メッキ領域を画定する開口部を有するレジストパターンを形成し、メッキ層を電解メッキする工程を含む。必要に応じて、電解メッキ工程は複数回行う。例えば、密着層はＭｏ層又はＣｒ層であり、シード層はＡｕ層であり、メッキ層はＡｕ層である。図２Ｄに示すように、ウエハＷは、例えば行列状に配置された多数のチップ領域Ｃｉｊを含む。

図２Ｂに示すように、例えばＳｉ基板に複数の貫通孔（結果として貫通孔になるものを含む）を形成し、露出したＳｉ表面に酸化シリコン等の絶縁膜を形成した後、貫通孔内にＴｉ／ＴｉＮ等のバリアメタル層を形成し、Ｗ層を堆積し、不要部を化学機械研磨（ＣＭＰ）等で除去して貫通導体２３，２４を形成し、貫通導体に接続される引き出し電極２１，２２，２５，２６を形成して、キャップウエハ２０を作成する。キャップウエハ２０の対向面上に、エポキシ樹脂をスクリーン印刷して、シール材２８を形成する。

図２Ｃに示すように、ＭＥＭＳウエハ１０のＭＥＭＳ構造面上に、キャップウエハ２０のシール材２８を配置し、両ウエハを圧着した状態でアニール等を行い、シール材を硬化させて、封止構造を形成する。その後、ウエハから各チップ領域を分離し、ＭＥＭＳ電気部材を形成する。ところが、意図した電気的導通が取れていないチップが発生し、歩留まりが低下した。

本発明者らは、原因を究明した。ウエハは６インチ‐１２インチ等の広い面積を有する。１個から数個のマイクロスイッチを形成したチップは、高々ｍｍオーダの寸法であり、その中に微細な構造を有する。多数のチップを含むウエハの各チップ領域に、微細立体構造のメッキ層を形成した時、ウエハＷ全体に亘って、均一な厚さを有するメッキ層を形成することは極めて困難である。ウエハＷ中心部から周辺部に向かって半径方向に沿って厚さ分布が生じ易く、またウエハ面内で場所的な厚さ分布が生じ易い。メッキ層の厚い部分同士が当接してしまうと、その近傍のメッキ層の薄い部分は離隔したままになり易い。

個々のチップに分離した後パッケージングを行なえば、メッキ層の厚さの差は、チップ内のメッキ層の厚さの差のみである。ウエハレベルでパッケージングを行なう場合、ウエハレベルでのメッキ層の厚さの差が、対象になってしまう。厚さの差を吸収できないと、接触不良が生じやすい。図２Ｃでは、簡単化して、チップ内で接続電極１６−引き出し電極２２間は当接しているが、接続電極１４−引き出し電極２１間は非接触状態である状態を示したが、チップ間の不均一がより大きい。

本発明者らは、ウエハレベルパッケージングを行なうＭＥＭＳ構造にとって、電極高さのばらつきは止むを得ないものであり、バラツキを吸収する構造を導入すべきと考えた。ＭＥＭＳウエハ上の接続電極を、基板上に固定された固定形状の構造とする代わりに、可動範囲を有するばね構造を含む構造とする。以下、図面を参照して説明する。

図３Ａに示すように、下部電極を形成したＭＥＭＳウエハ１０上に、酸化シリコンの犠牲膜ＳＡＣを堆積し、所望形状のリセスを形成する。ＭＥＭＳ基板１０（の下部電極）に達するアンカ用開口が形成されている。ＭＥＭＳ基板の犠牲膜ＳＡＣ表面にＭｏ密着層とＡｕシード層をスパッタリングで積層し、下地層ＵＬを形成する。下地層ＵＬの上にスピン塗布などでレジスト層を形成し、露光現像して、上部電極用レジストパターンＲＰを形成する。下地層ＵＬを電流供給層としてＡｕの電解メッキを行い、アンカ電極ＡＮＥ，ばね電極ＳＥを含む、Ａｕメッキによる接続電極を形成する。

図３Ｂに示すように、犠牲膜ＳＡＣを希弗酸などで除去し、さらに、露出した下地層ＵＬのＭｏ密着層をエッチングで除去する。この時、ばね電極ＳＥが上方に反る。Ａｕシード層、Ａｕメッキ層に応力が蓄積されていると考えられる。

上方より、貫通導体ＴＣに接続された引き出し電極ＬＥを有するキャップウエハ２０を降下し、引き出し電極ＬＥをばね電極ＳＥに当接させ、さらに押し込む。ばね電極ＳＥが弾性変形して、押し込められる。弾性変形を生じさせることにより、引き出し電極ＬＥ、ばね電極ＳＥ間が確実に接触する。ここで、引き出し電極ＬＥからばね電極ＳＥに電流を流し、両電極間を機械的電気的に接続することが好ましい。

スイッチ接点等の接続電極は、１つの配線のみに接続され、スイッチがオフ状態では電流を流せない構造であることが多い。このような構造でも、電流印加により電気的、機械的接続を形成可能とするために、接続配線を２本にすることが考えられる。

図３Ｃに示すように、ＭＥＭＳウエハ上の接続電極において、１つのアンカ電極ＡＮＥから２つのばね電極ＳＥ１，ＳＥ２を突出させる。各ばね電極の平面内寸法は、長さ１００μｍ〜５００μｍ、例えば２００μｍ、幅１０μｍ〜５０μｍ、例えば３０μｍ程度である。

図３Ｄに示すように、１つのアンカ電極ＡＮＥに対する２つのばね電極ＳＥ１，ＳＥ２に合わせて、キャップウエハ上にも、２つの引き出し電極ＬＥ１，ＬＥ２を形成する。ばね電極ＳＥ１上に引き出し電極ＬＥ１を配置し、ばね電極ＳＥ２上に引き出し電極ＬＥ２を配置し、両ウエハ間に圧力を印加してばね電極ＳＥ１，ＳＥ２を押し込む。ハッチングを付したオーバラップ領域は、例えば３０μｍ×３０μｍ程度の領域である。安定状態まで押し込んで、引き出し電極ＬＥ１，ＬＥ２間に電圧を印加し、引き出し電極ＬＥ１⇒ばね電極ＳＥ１⇒アンカ電極ＡＮＥ⇒ばね電極ＳＥ２⇒引き出し電極ＬＥ２のように電流を流し、引き出し電極ＬＥとばね電極ＳＥとの接触部を接続させる。例えば、３００ｍＡ程度の電流を流す。溶着と呼ばれる現象が生じ、両電極間は機械的、電気的に強固に接続される。

上方よりキャップウエハの引き出し電極が、ＭＥＭＳウエハの接続電極を押し込むことにより、電極間がオープン状態になる事故を有効に回避できる。さらに、１つのアンカから２つのばね電極を突出させ、１対の引き出し電極と接触させ、１対の引き出し電極間に溶着電流を流し、接続電極と引き出し電極間を溶着することにより、安定な電気的、機械的接続が得られる。

以下、より具体的実施例によるＭＥＭＳマイクロスイッチを説明する。

図４Ａは、ＭＥＭＳウエハの１チップ分を示す平面図である。

図４Ａにおいて、スリット１４１はＳＯＩウエハ１０の活性Ｓｉ層にカンチレバー形状の可動部を画定する。図４Ｂに示すように、ＳＯＩウエハは、支持Ｓｉ基板６上にボンディング酸化膜８を介して活性Ｓｉ層４が配置された構成である。接続部を除いて可動部の周囲に活性Ｓｉ層４を貫通するスリット１４１を形成し、可動部の下のボンディング酸化膜８を希弗酸などで除去すれば、可動部の変位が可能になる。スリット１４１のエッチングに先立ち、カンチレバー領域に活性Ｓｉ層４を貫通する貫通孔を一定ピッチで形成し、カンチレバー領域下のボンディング酸化膜８をサイドエッチして除去する。厚さ５０ｎｍのＭｏ密着層と厚さ５００ｎｍのＡｕシード層をスパッタリングし、パターニングしてスイッチ用可動電極１３１、静電駆動用可動電極１３３の下層部、スイッチ領域を取り囲むループ状接地電極１３６の下層部を含む下部電極を形成する。

下部電極形成後、可動部を画定するスリット１４１をエッチングする。電極を取り囲むスリット１４２を形成してもよい。スリット１４１，１４２の幅は例えば２μｍである。例えば、カンチレバー可動部の長さは数百μｍ、幅は数十〜数百μｍ程度である。

図３Ａを参照して説明したように、酸化シリコン等の犠牲層を堆積し、所望形状にパターニングし、密着層、シード層を含む下地層を形成し、レジストパターンを形成し、Ａｕ層を電解メッキする。電解メッキは、必要に応じて複数回行い、静電駆動用可動電極１３３根元の上層部、ループ状接地電極１３６の上層部、スイッチ用固定電極１３２、静電駆動用固定電極１３４、これらの電極側面から上方に突出する偶数個のばね電極ＳＥを含む上部電極を形成する。メッキ工程後、レジストパターンを除去し、犠牲層、密着層を除去する。

図４Ｂは、カンチレバー領域と交差する静電駆動用固定電極１３４に沿う断面図である。スリット１４１がカンチレバーＣＬの可動部を画定し、ブリッジ状の静電駆動用固定電極１３４がカンチレバーＣＬ上方でカンチレバーＣＬと交差して両側の固定部に支持されている。

図４Ｃは、ばね電極ＳＥの断面を示す。アンカ電極ＡＮＥに支持され、側方に突出するばね電極ＳＥが上方に反っている。立体的電極構造の高さは、例えば反りがない状態で１０μｍ〜５０μｍ程度である。反り量はばね電極の長さ等によって調整できる。例えば、１μｍ〜１０μｍ程度にできる。

図５は、キャップウエハ２０の１チップ領域を示す平面図である。図４Ａに示す各ばね電極ＳＥに対応して、引き出し電極が形成されている。接地電極１３６のばね電極に対向して２対の接地引き出し電極ＧＮＤ１−ＧＮＤ２，ＧＮＤ３−ＧＮＤ４が形成され、スイッチ用固定電極１３２のばね電極に対向して、入力用引き出し電極ＩＮ１−ＩＮ２，出力用引き出し電極ＯＵＴ１−ＯＵＴ２が形成され、静電駆動用固定電極１３４のばね電極に対向して、駆動用引き出し電極ＤＲ１−ＤＲ２が形成され、静電駆動用可動電極１３３のばね電極に対向して、駆動用引き出し電極ＤＲ３−ＤＲ４が形成されている。引き出し電極の周囲を囲むようにエポキシ樹脂のシール材ＳＬが塗布されている。

図６は、ＭＥＭＳウエハ１０のＭＥＭＳ構造面上に、キャップウエハのシール層を形成した面を対向させ、押し当ててシール材ＳＬを硬化させる状態を示す。各引き出し電極が対応するばね電極に当接していることが判る。この状態で、各引き出し電極対間ＧＮＤ１−ＧＮＤ２，ＧＮＤ３−ＧＮＤ４、ＩＮ１−ＩＮ２，ＯＵＴ１−ＯＵＴ２、ＤＲ１−ＤＲ２、ＤＲ３−ＤＲ４に溶着電流を流し、溶着を行なう。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、Ａｕに換え、Ａｕ合金を用いることもできる。密着層として、Ｍｏの代わりにＣｒを用いることもできる。シール材はエポキシ樹脂に限らない。電極と接触しないようにメッキ形成したＡｕ−Ｓｎ膜等を用いることもできる。カンチレバーの形状は短辺が固定部に接続された長方形に限らない。長方形の短辺に沿って２本の可撓性ビームＦＢが形成されたもの等を用いることもできる。スイッチの代わりに静電駆動構造同様の電極対を形成し、下側可動電極表面を覆って絶縁膜を形成し、上方にブリッジ状固定電極を形成して可変容量を形成してもよい。その他、例示した材料、数値は、制限的意味を有さない。種々の変形、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。

１０ ＭＥＭＳ（ＳＯＩ）ウエハ、
２０ キャップ（Ｓｉ）ウエハ、
ＡＮＥ アンカ電極、
ＳＥ ばね電極、
ＬＥ 引き出し電極、
ＴＣ 貫通導体、

Claims (5)

1. ＭＥＭＳウエハに複数のチップ領域を画定し、各チップ領域内に固定部に連続する可動部を形成し、固定部に支持されたアンカからばね電極が突出する接続電極を複数個形成し、
   ウエハを厚さ方向に貫通する貫通導体と対向面上で該貫通電極に接続された引き出し電極とを複数組有するキャップウエハを準備し、
   キャップウエハの引き出し電極をＭＥＭＳウエハのばね電極に当接させ、
   キャップウエハとＭＥＭＳウエハとを結合する、
   ＭＥＭＳ電気部材の製造方法。
2. 前記キャップウエハと前記ＭＥＭＳウエハとを結合する際、引き出し電極から接続電極に電流を流し、引き出し電極とばね電極を溶着する、
   請求項１記載のＭＥＭＳ電気部材の製造方法。
3. 前記ＳＯＩウエハの前記アンカの１つから２つのばね電極が突出し、前記キャップウエハにおいては、前記２つのばね電極に対向して２つの引き出し電極が配置され、前記２つの引き出し電極間に電流を流して溶着を行なう、
   請求項２記載のＭＥＭＳ電気部材の製造方法。
4. 前記接続電極形成の際、前記ＭＥＭＳウエハの各チップ領域において、前記複数個の接続電極を取り囲むループ状の接地電極も形成する請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ電気部材の製造方法。
5. 前記ＭＥＭＳウエハが支持Ｓｉ基板上に活性Ｓｉ層がボンディング酸化膜を介して結合されたＳＯＩウエハであり、前記可動部が前記活性Ｓｉ層のカンチレバー構造を含み、前記カンチレバー構造に可動接点が形成され、アンカの１つが、前記可動接点に対向するスイッチの固定接点に接続されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ電気部材の製造方法。

Images