WO2010032822A1 - Memsセンサ - Google Patents
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- G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
Definitions
- the present invention relates to a MEMS sensor formed by finely processing a silicon substrate, and more particularly to a MEMS sensor capable of preventing molten metal from flowing out to a movable region.
- a movable electrode portion and a fixed electrode portion are formed by finely processing an SOI layer constituting an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
- This fine sensor is used as an acceleration sensor, a pressure sensor, a vibration gyro, a micro relay, or the like depending on the operation of the movable electrode portion.
- FIG. 13 is a partial cross-sectional view of a conventional MEMS sensor
- FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of a support conduction portion (anchor portion) shown in FIG.
- the MEMS sensor shown in FIG. 13 includes an SOI substrate including a support substrate 200, an oxide insulating layer 203, and an SOI layer 210, and a wiring substrate 211 provided to face the SOI substrate.
- the movable region 201 composed of the movable electrode portion and the fixed electrode portion, and the support conduction portions 202 of the movable electrode portion and the fixed electrode portion are formed by finely processing the SOI layer 210.
- a first connection metal layer 212 is provided on the surface 202 a of the support conducting portion 202.
- the wiring substrate 211 includes a silicon substrate 204, an insulating layer 205, a lead layer 206, and the like, and a second connection metal layer 213 is formed on the side facing the support conduction portion 202.
- the second connection metal layer 213 is electrically connected to the lead layer 206.
- the 1st connection metal layer 212 and the 2nd connection metal layer 213 are joined. JP 2005-236159 A
- an object of the present invention is to provide a MEMS sensor that can appropriately prevent the molten metal from flowing out to the movable region.
- the MEMS sensor according to the present invention includes a first substrate laminated in the order of a support substrate, an intermediate layer, and a functional layer, a movable electrode portion formed on the functional layer, and the fixed electrode portion facing the functional layer. And a wiring board provided with a conduction path to The functional layer is fixedly supported by the intermediate layer, and a bonding portion is formed to be bonded to the wiring board via a metal bonding layer. A metal outflow prevention portion for the metal bonding layer is formed on at least one surface of the bonding portion and the wiring board facing the bonding portion.
- the joint portion is a support conduction portion connected to each of the movable electrode portion and the fixed electrode portion.
- the metal outflow prevention portion is formed so as to surround the metal bonding layer because the molten metal can be effectively prevented from flowing out to the movable region.
- the joint portion is a frame body that is formed separately from the movable electrode portion and the fixed electrode portion, and surrounds a movable region of the movable electrode portion, and the frame body and the wiring board
- the metal sealing layer which is the said metal joining layer may be formed in between.
- the metal outflow prevention portion is formed on the inner side that is on the movable region side than the metal seal layer, because the molten metal can be effectively prevented from flowing out to the movable region.
- the metal outflow prevention portion is formed of a groove or a wall. Thereby, it is possible to prevent the molten metal from flowing out to the movable region effectively with a simple structure.
- the metal bonding layer is formed by eutectic bonding or diffusion between the first connection metal layer formed on the surface of the bonding portion and the second connection metal layer formed on the surface of the wiring board. It is preferably formed by bonding. Thereby, the 1st connection metal layer and the 2nd connection metal layer can be joined firmly. Further, the thickness dimension of the bonding layer is thin, and the distance between the support substrate and the wiring substrate can be determined with high accuracy. Therefore, a MEMS sensor having excellent dimensional accuracy and strong bonding strength can be obtained.
- the wiring board is electrically connected to a silicon substrate, an insulating layer on the surface of the silicon substrate, and each of the movable electrode portion and the fixed electrode portion embedded in the insulating layer. And a lead layer.
- the wiring board can be formed with a simple structure, and the MEMS sensor can be thinned.
- the MEMS sensor of the present invention it is possible to appropriately prevent the molten metal from flowing out to the movable region. Accordingly, it is possible to prevent the movement of the movable electrode part and the short circuit between the movable electrode part and the fixed electrode part.
- FIG. 1 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention, and is a plan view showing a movable electrode part, a fixed electrode part, and a frame.
- the support substrate and the wiring substrate are not shown.
- 2 is an enlarged view of a portion II in FIG. 1
- FIG. 3 is an enlarged view of a portion III.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing the entire structure of the MEMS sensor, and corresponds to a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
- FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view showing an enlarged view of the vicinity of the support conductive portion 12 in FIG. 4 and the wiring board facing the support conductive portion 12, and FIG.
- FIG. 6 is a plan view of the support conductive portion 12 in FIG. 7 to 9 are partial enlarged cross-sectional views of a MEMS sensor according to another embodiment different from FIG. 5, and FIG. 10 is a plan view for explaining a formation position of a metal outflow prevention portion formed on the frame. . 5 and 7 to 9 are upside down with respect to FIG.
- an SOI layer (functional layer) 10 is sandwiched between the support substrate 1 and the wiring substrate 2.
- Each part of the support substrate 1 and the SOI layer 10 is joined via oxide insulating layers (intermediate layers) 3a, 3b, 3c.
- the support substrate 1, the SOI layer 10, and the oxide insulating layers 3a, 3b, and 3c are formed by finely processing an SOI (Silicon-on-Insulator) substrate (first substrate).
- SOI Silicon-on-Insulator
- a first fixed electrode portion 11, a second fixed electrode portion 13, a movable electrode portion 15 and a frame body 25 are formed separately. Further, a part of the oxide insulating layer is removed to form oxide insulating layers 3a, 3b, 3c separated from each other.
- the planar shape of the SOI layer 10 is 180 degrees rotationally symmetric with respect to the center (centroid) O, and the vertical direction (Y direction) with respect to a line passing through the center O and extending in the X direction. ).
- the first fixed electrode portion 11 is provided on the Y1 side from the center O.
- a square support conduction portion (anchor portion) 12 is integrally formed at a position approaching the center O.
- the support conducting portion 12 is fixed to the surface 1a of the support substrate 1 by an oxide insulating layer 3a.
- the first fixed electrode part 11 only the support conduction part 12 is fixed to the surface 1a of the support substrate 1 by the oxide insulation layer 3a, and the other part is an oxide insulation layer between the support substrate 1 and the other part.
- a gap having a distance corresponding to the thickness of the oxide insulating layer 3a is formed between the support substrate 1 and the surface 1a.
- the first fixed electrode portion 11 has an electrode support portion 11a having a certain width dimension extending linearly from the support conducting portion 12 in the Y1 direction.
- a plurality of counter electrodes 11b are integrally formed on the X1 side of the electrode support portion 11a, and a plurality of counter electrodes 11c are integrally formed on the X2 side of the electrode support portion 11a.
- FIG. 2 shows one counter electrode 11c.
- Each of the plurality of counter electrodes 11c extends linearly in the X2 direction, and the width dimension in the Y direction is constant.
- the plurality of counter electrodes 11c are arranged in a comb-like shape with a certain interval in the Y direction.
- the other counter electrode 11b extending to the X1 side and the counter electrode 11c extending in the X2 direction have a bilaterally symmetric shape with respect to a line extending in the Y direction through the center O.
- the second fixed electrode portion 13 is provided on the Y2 side from the center O.
- the second fixed electrode portion 13 and the first fixed electrode portion 11 are symmetrical in the vertical direction (Y direction) with respect to a line extending in the X direction through the center O. That is, the second fixed electrode portion 13 has a rectangular support conduction portion (anchor portion) 14 provided at a position approaching the center O, and a constant width dimension extending linearly from the support conduction portion 14 in the Y2 direction. Electrode support portion 13a.
- a plurality of counter electrodes 13b extending integrally from the electrode support portion 13a are provided on the X1 side of the electrode support portion 13a, and a plurality of counter electrodes 13c extending integrally from the electrode support portion 13a are provided on the X2 side of the electrode support portion 13a. Is provided.
- the counter electrode 13c extends linearly in the X2 direction, has a constant width dimension, and is formed in parallel with each other at a constant interval in the Y direction.
- the counter electrode 13b on the X1 side also linearly extends in the X1 direction with a constant width dimension, and extends in parallel in the Y direction at constant intervals.
- the support conductive portion 14 is fixed to the surface 1a of the support substrate 1 through the oxide insulating layer 3a.
- the other portions of the electrode support portion 13a and the counter electrodes 13b and 13c are removed from the surface 1a of the support substrate 1, and the electrode support portion 13a and the counter electrodes 13b and 13c are supported.
- a gap having an interval corresponding to the thickness of the oxide insulating layer is formed between the substrate 1 and the surface 1a.
- the SOI layer 10 shown in FIG. 1 has a movable area inside the rectangular frame 25, and the movable area 15 is a portion excluding the first fixed electrode section 11 and the second fixed electrode section 13 in the movable area. It has become.
- the movable electrode portion 15 is formed separately from the first fixed electrode portion 11, the second fixed electrode portion 13, and the frame body 25.
- the movable electrode portion 15 has a first support arm portion 16 extending in the Y1-Y2 direction on the X1 side with respect to the center O, and at a position close to the X1 side of the center O.
- a rectangular support conduction portion (anchor portion) 17 formed integrally with the first support arm portion 16 is provided.
- the movable electrode portion 15 has a second support arm portion 18 extending in the Y1-Y2 direction on the X2 side with respect to the center O, and the second support arm portion is positioned closer to the X2 side of the center O.
- a square support conduction part (anchor part) 19 formed integrally with the reference numeral 18 is provided.
- the portion sandwiched between the first support arm portion 16 and the second support arm portion 18 and the portion excluding the first fixed electrode portion 11 and the second fixed electrode portion 13 is the weight portion 20.
- the edge portion on the Y1 side of the weight portion 20 is supported by the first support arm portion 16 via the elastic support portion 21 and supported by the second support arm portion 18 via the elastic support portion 23.
- the edge portion on the Y1 side of the weight portion 20 is supported by the first support arm portion 16 via the elastic support portion 22 and supported by the second support arm portion 18 via the elastic support portion 24. Yes.
- a plurality of movable counter electrodes 20a extending from the X1 side edge of the weight portion 20 to the X2 side are integrally formed, and from the X2 side edge of the weight portion 20 to the X1 side.
- a plurality of movable counter electrodes 20b extending are integrally formed.
- the movable counter electrode 20b formed integrally with the weight portion 20 is opposed to the side on the Y2 side of the counter electrode 11c of the first fixed electrode portion 11 via a distance ⁇ 1 when stationary.
- the movable counter electrode 20a on the X1 side is also opposed to the side on the Y2 side of the counter electrode 11b of the first fixed electrode portion 11 via a distance ⁇ 1 when stationary.
- the weight portion 20 is integrally formed with a plurality of movable counter electrodes 20c extending in parallel to the X2 direction from the edge portion on the X1 side on the Y2 side from the center O, and in the X1 direction from the edge portion on the X2 side.
- a plurality of movable counter electrodes 20d extending in parallel are integrally formed.
- the movable counter electrode 20d is opposed to the side on the Y1 side of the counter electrode 13c of the second fixed electrode portion 13 via a distance ⁇ 2 at rest. This is the same between the movable counter electrode 20c on the X1 side and the counter electrode 13b.
- the opposing distances ⁇ 1 and ⁇ 2 at rest are designed to have the same dimensions.
- the support conduction portion 17 that is continuous with the first support arm portion 16 and the surface 1 a of the support substrate 1 are fixed via the oxide insulating layer 3 b, and the second support arm portion 18 is attached to the second support arm portion 18.
- the continuous support conduction part 19 and the surface 1a of the support substrate 1 are also fixed via the oxide insulating layer 3b.
- the movable electrode portion 15 only the support conduction portion 17 and the support conduction portion 19 are fixed to the support substrate 1 by the oxide insulating layer 3b, and other portions, that is, the first support arm portion 16 and the second support portion.
- the arm portion 18, the weight portion 20, the movable counter electrodes 20a, 20b, 20c, and 20d and the elastic support portions 21, 22, 23, and 24 have the oxide insulating layer between the surface 1a of the support substrate 1 removed, A gap having an interval corresponding to the thickness dimension of the oxide insulating layer 3 b is formed between these portions and the surface 1 a of the support substrate 1.
- the elastic support portions 21, 22, 23, and 24 are formed to be meander patterns with thin leaf spring portions. As the elastic support portions 21, 22, 23, and 24 are deformed, the weight portion 20 is movable in the Y1 direction or the Y2 direction.
- the frame body 25 is formed by cutting the SOI layer 10 into a square frame shape.
- An oxide insulating layer 3 c is left between the frame 25 and the surface 1 a of the support substrate 1.
- the oxide insulating layer 3 c is provided so as to surround the entire outer periphery of the movable region of the movable electrode portion 15.
- the manufacturing method of the SOI layer 10 having the shape shown in FIGS. 1 and 4 includes a first fixed electrode portion 11, a second fixed electrode portion 13, a movable electrode portion 15 and a frame on the surface of the SOI layer 10 before processing. 25, and a portion of the SOI layer exposed from the resist layer is removed by ion etching means such as deep RIE using high-density plasma, and the first fixed electrode portion 11 and the second The fixed electrode part 13, the movable electrode part 15, and the frame 25 are separated from each other.
- FIG. 3 illustrate a minute hole 11d formed in the counter electrode 11c, a minute hole 13d formed in the counter electrode 13c, and a minute hole 20e formed in the weight portion 20.
- a selective isotropic etching process that can dissolve the oxide insulating layer (SiO 2 layer) without dissolving silicon is performed. At this time, the etching solution penetrates into the groove where the respective parts of the SOI layer 10 are separated, and further penetrates into the fine hole, thereby removing the oxide insulating layer.
- the oxide insulating layers 3a, 3b, 3c are left only between the support conductive portions 12, 14, 17, 19, and the frame body 25 and the surface 1a of the support substrate 1, and the insulating layers are formed in other portions. Removed.
- the support substrate 1 has a thickness dimension of about 0.2 to 0.7 mm
- the SOI layer 10 has a thickness dimension of about 10 to 30 ⁇ m
- the oxide insulating layers 3a, 3b, and 3c have a thickness of about 1 to 3 ⁇ m. is there.
- the silicon substrate 5 constituting the wiring substrate 2 is formed with a thickness dimension of about 0.2 to 0.7 mm.
- An insulating layer 30 is formed on the surface 5 a of the silicon substrate 5.
- the insulating layer 30 is an inorganic insulating layer such as SiO 2 , SiN or Al 2 O 3 and is formed by a sputtering process or a CVD process.
- As the inorganic insulating layer a material is selected whose difference in thermal expansion coefficient from the silicon substrate is smaller than the difference in thermal expansion coefficient between the conductive metal constituting the connection metal layer and the silicon substrate.
- SiO 2 or SiN having a relatively small difference in thermal expansion coefficient from the silicon substrate is used.
- a second connection metal layer 31 facing the support conduction portion 12 of the first fixed electrode portion 11 is formed on the surface of the insulating layer 30, and the second fixed electrode portion 13 is similarly formed.
- a second connection metal layer 31 (not shown) facing the support conduction portion 14 is formed.
- a second connection metal layer 32 that faces one support conduction portion 17 of the movable electrode portion 15 is formed on the surface of the insulating layer 30, and similarly, a second connection that faces the other support conduction portion 19.
- a metal layer 32 (not shown) is also formed.
- a second seal connection metal layer 33 is formed on the surface of the insulating layer 30 so as to face the surface of the frame 25.
- the second seal connection metal layer 33 is formed of the same conductive metal material as the second connection metal layers 31 and 32.
- the second seal connection metal layer 33 is formed in a quadrangular shape so as to face the frame body 25, and is formed so as to surround the entire periphery of the movable region at the outer periphery of the movable region of the movable electrode portion 15.
- the second connection metal layers 31 and 32 and the second seal connection metal layer 33 are made of aluminum (Al).
- a lead layer 34 that conducts to one second connection metal layer 31 and a lead layer 35 that conducts to the other second connection metal layer 32 are provided.
- the lead layers 34 and 35 are made of aluminum.
- the plurality of lead layers 34 and 35 are individually connected to the second connection metal layers 31 and 32, respectively.
- Each of the lead layers 34 and 35 passes through the inside of the insulating layer 30 and traverses the portion where the second seal connection metal layer 33 is formed without contacting the second seal connection metal layer 33. Then, it extends to the outside of the region surrounded by the second seal connection metal layer 33.
- the wiring board 2 is provided with connection pads 36 that are electrically connected to the lead layers 34 and 35 outside the region.
- the connection pad 36 is made of aluminum, gold, or the like, which is a conductive material that is low resistance and hardly oxidizes.
- the surface on which the second connection metal layers 31 and 32 are formed and the surface on which the second seal connection metal layer 33 is formed are located on the same plane.
- a recess 38 is formed in the insulating layer 30 toward the surface 5a of the silicon substrate 5 in a region where the second connection metal layers 31 and 32 and the second seal connection metal layer 33 are not formed.
- the concave portion 38 is formed in all portions of the insulating layer 30 other than the surface facing the support conducting portions 12, 14, 17, 19 and the frame body 25. Further, the recess 38 is formed to a depth halfway inside the insulating layer 30 so that the lead layers 34 and 35 are not exposed.
- the first connection metal layer 41 facing the second connection metal layer 31 is formed on the surfaces of the support conductive portions 12 and 14 of the SOI layer 10.
- a first connection metal layer 42 facing each second connection metal layer 32 is formed on the surface 19 by a sputtering process.
- a first seal connection metal layer 43 facing the second seal connection metal layer 33 is formed on the surface of the frame 25.
- the first seal connection metal layer 43 is simultaneously formed of the same metal material as the first connection metal layers 41 and 42.
- first connection metal layers 41 and 42 and the first seal connection metal layer 43 are eutectic bonded or diffused with the aluminum forming the second connection metal layers 31 and 32 and the second seal connection metal layer 33.
- It is made of germanium, which is a metal material that is easy to join.
- the second connection metal layer 31 and the first connection metal layer 41 face each other
- the second connection metal layer 32 and the first connection metal layer 42 face each other
- the second connection metal layer 41 and the second connection metal layer 42 face each other.
- the seal connection metal layer 33 and the first seal connection metal layer 43 face each other.
- a metal bonding layer 51 is formed in which the second connection metal layer 31 and the first connection metal layer 41 are bonded, and the second connection metal layer 32 and the first connection metal layer 42 are bonded.
- a metal bonding layer 52 is formed.
- the second seal connection metal layer 33 and the first seal connection metal layer 43 are joined.
- the frame body 25 and the insulating layer 30 are firmly fixed, and a metal seal layer (metal bonding layer) 45 surrounding the entire periphery of the movable region of the movable electrode portion 15 is formed.
- a groove (metal outflow prevention portion) 53 is formed on the surface of the support conduction portion 12 and around the metal bonding layer 51. As shown in FIG. 6, the groove 53 is formed so as to continuously surround the entire circumference of the metal bonding layer 51.
- the movable regions of the support conductive portions 12, 14, 17, 19 and the movable electrode portion 15 are formed in a region surrounded by the frame body 25.
- the support conduction parts 12, 14, 17, 19 are collected at a substantially central position of the area surrounded by the frame body 25, and the movable area of the movable electrode part 15 is connected to the support conduction parts 12, 14, 17, 19 and the frame body. It is formed in a region between 25. Therefore, as shown in FIG. 1, the movable region approaches the periphery of each of the support conductive portions 12, 14, 17, and 19.
- the groove 53 it is preferable to form the groove 53 so as to continuously surround the entire circumference of the metal bonding layer 51 because it can prevent the molten metal from flowing out to the movable region more effectively.
- the groove 53 may be partially discontinuous around the metal bonding layer 51.
- the outer peripheral shape of the groove 53 is preferably similar to the outer peripheral shape of the metal bonding layer 51 or the outer peripheral shape of the first connection metal layer 41 or the second connection metal layer 31 before bonding.
- a part of the metal bonding layer 54 formed by bonding the second connection metal layer 31 and the first connection metal layer 41 is formed inside the groove (metal outflow prevention portion) 55. Is formed. Also in the form of FIG. 7, similarly to FIG. 6, the molten metal is blocked by the groove 55 and appropriately flows out to the movable region of the weight part 20 of the movable electrode part 15 and the electrode facing part shown in FIGS. 2 and 3. Can be prevented.
- a concave portion 56 is formed in the surface 12 a of the support conducting portion 12, and a wall (metal outflow prevention portion) 57 surrounding the concave portion 56 is formed.
- a metal bonding layer 58 formed by bonding the second connection metal layer 31 and the first connection metal layer 41 is formed in the recess 56.
- the molten metal is blocked by the wall 57, and can appropriately be prevented from flowing out to the movable region of the weight portion 20 of the movable electrode portion 15 and the electrode facing portion shown in FIGS. 2 and 3.
- a groove 59 for preventing metal outflow is formed not only on the support conducting portion 12 side but also on the wiring board 2 side.
- the molten metal can be dammed up in either the groove 53 or the groove 59 regardless of which substrate is placed on the lower side. It is possible to prevent the flow from flowing to the movable region of the 15 weight portions 20 and the electrode facing portions shown in FIGS.
- a groove 59 is formed on the surface of the insulating layer 30 formed on the surface of the wiring board 2. Any of the grooves for preventing metal outflow can be formed by using an existing method such as etching.
- the recess 56 can be formed by etching on the surface 12 a of the support conductive portion 12, but the wall 57 can also be formed by sputtering or coating on the surface 12 a of the flat support conductive portion 12.
- the metal outflow prevention part can be formed only on the side of the wiring board 2 facing each supporting conduction part.
- the metal outflow prevention part may have a shape other than the groove and the wall.
- a recess 31a is formed in the substantially central portion of the second connection metal layer 31, but the recess 31a is not formed, and the surface of the second connection metal layer 31 is the first connection metal.
- the layer 41 it may be formed in a plane.
- the concave portion 31a becomes an unbonded region, it is possible to increase the bonding area by forming the concave portion 31a as small as possible, or by allowing the concave portion 31a to be bonded completely on a flat surface. It is preferable that the connection metal layers 31 can be firmly bonded.
- the support conductive portion 12 has been described. However, the same groove or wall metal outflow prevention portion is formed for the other support conductive portions 14, 17, and 19.
- the groove (metal outflow prevention portion) 60 is also formed on the surface of the frame (joint portion) 25. As shown in FIGS. 4 and 10, the groove 60 is formed on the inner frame surface on the movable region side of the metal seal layer (metal bonding layer) 45. Thereby, even if the molten metal flows inward in the movable region direction, it can be blocked by the groove 60 and flows out to the movable region of the weight portion 20 of the movable electrode portion 15 and the electrode facing portion shown in FIGS. Can be prevented. In addition, if a groove
- the metal outflow prevention portion is provided only in the support conduction portions 12, 14, 17, and 19. What is necessary is just to form. Further, the movable region is formed at a position far from the support conductive portions 12, 14, 17, and 19, and the molten metal from the metal bonding layer formed between the support conductive portions 12, 14, 17, and 19 and the wiring board 2 is very small. When it does not become a problem, the form which forms a metal outflow prevention part only in the surface of a frame or the surface of other joining layers may be sufficient.
- the surface of all the joints in this embodiment, the support conductive parts 12, 14, 17, 19 and the frame body 25
- the wiring board 2 facing the joints. It is desirable to form a metal outflow prevention portion on the surface of the metal or on both surfaces.
- the above-described MEMS sensor has a structure in which an SOI substrate and a wiring substrate 2 are stacked, and is thin as a whole.
- the support conductive portions 12, 14, 17 and 19 are joined to the wiring board 2 by eutectic bonding or diffusion bonding of the second connection metal layers 31 and 32 and the first connection metal layers 41 and 42. It is preferable.
- This bonding layer is thin and has a small area, and the support conductive portions 12, 14, 17, 19 and the support substrate 1 are bonded to each other through oxide insulating layers 3a and 3b made of an inorganic insulating material. Therefore, even if the ambient temperature becomes high, the thermal stress of the bonding layer hardly affects the support structure of the support conductive portions 12, 14, 17, and 19, and the fixed electrode portions 11 and 13 and the movable electrode portion 15 due to the thermal stress. It is hard to generate distortion.
- the metal seal layer 45 surrounding the movable region of the movable electrode portion 15 is preferably a bonding layer formed thinly between the frame 25 and the insulating layer 30. Since the frame 25 has a sufficient thickness dimension, the support substrate 1 and the silicon substrate 5 made of silicon are less likely to be distorted due to the thermal stress of the metal seal layer 45.
- the overall thickness of the MEMS sensor is almost determined by the thickness of the support substrate 1 and the silicon substrate 5, the thickness of the SOI layer 10, and the thickness of the insulating layer 30. Since the thickness dimension of each layer can be managed with high accuracy, variations in thickness are less likely to occur.
- the insulating layer 30 is formed with a recess 38 that faces the movable region of the movable electrode portion 15, even if the whole is thin, the movable electrode portion 15 has a movement margin (margin) in the thickness direction. Even if a large acceleration in the thickness direction acts from the outside, the weight portion 20 and the movable counter electrodes 20a, 20b, 20c, and 20d are unlikely to hit the insulating layer 30, and malfunctions are unlikely to occur.
- the wiring board 2 includes the silicon substrate 5, and the insulating layer 30, the lead layers 34 and 35, and the second connection metal layer 31 on the surface 5 a of the silicon substrate 5. Is done. Therefore, it is possible to reduce the thickness with a simple structure as compared with a mode in which a conduction path with the support conduction portion is ensured by using a through wiring penetrating the silicon substrate as shown in FIG.
- This MEMS sensor can be used as an acceleration sensor that detects acceleration in the Y1 direction or the Y2 direction.
- acceleration in the Y1 direction acts on the MEMS sensor
- the weight portion 20 of the movable electrode portion 15 moves in the Y2 direction due to the reaction.
- the facing distance ⁇ 1 between the movable counter electrode 20b and the fixed counter electrode 11c shown in FIG. 2 increases, and the capacitance between the movable counter electrode 20b and the counter electrode 11c decreases.
- the facing distance ⁇ 2 between the movable counter electrode 20d and the counter electrode 13c shown in FIG. 3 becomes narrow, and the capacitance between the movable counter electrode 20b and the counter electrode 13c increases.
- a change in acceleration acting in the Y1 direction is detected by detecting a decrease and an increase in capacitance with an electric circuit and obtaining a difference between an output change due to an increase in the facing distance ⁇ 1 and an output change due to a decrease in the facing distance ⁇ 2. And the magnitude of acceleration can be detected.
- the weight portion 20 of the movable electrode portion 15 moves in the thickness direction in response to the acceleration in the direction orthogonal to the XY plane, and the counter electrodes 11b, 11c, 13b, 13c and the movable counter electrode 20a, 20b, 20c in the movable electrode portion 15 are opposed to each other in the thickness direction of the movable electrode portion 15 to change the facing area. It is also possible to detect a change in capacitance between the electrode and the counter electrode.
- the second connection metal layers 31 and 32 and the second seal connection metal layer 33 are aluminum, and the first connection metal layers 41 and 42 and the first seal connection metal layer 43 are germanium.
- combinations of metals capable of eutectic bonding or diffusion bonding include aluminum-zinc, gold-silicon, gold-indium, gold-germanium, and gold-tin. By combining these metals, it becomes possible to perform bonding at a relatively low temperature of 450 ° C. or lower, which is a temperature lower than the melting point of each metal.
- FIG. 11 is a cross-sectional view showing a MEMS sensor according to still another embodiment.
- an IC package 100 is used instead of the silicon substrate 5.
- the IC package 100 includes a detection circuit that detects a change in capacitance between the counter electrode and the movable counter electrode.
- the insulating layer 30 is formed on the upper surface 101 of the IC package 100, and the second connecting metal layers 31 and 32 and the second seal connecting metal layer 33 are formed on the surface of the insulating layer 30.
- the second connection metal layers 31 and 32 are electrically connected to electrode pads or the like appearing on the upper surface 101 of the IC package 100 via connection layers 134 and 135 such as through holes penetrating the insulating layer 30. It is connected to the electrical circuit inside.
- a groove 61 which is a metal outflow prevention portion, is formed on the surface of the insulating layer 30 facing the joint portion (support conduction portions 12, 14, 17, 19 and frame 25). Therefore, it is possible to appropriately prevent the molten metal from being blocked by the groove 61 and flowing out to the movable region.
- FIG. 12 is a cross-sectional view showing a MEMS sensor according to still another embodiment.
- a through wiring layer 28 that is also formed of silicon and penetrates the silicon substrate 27 constituting the wiring substrate 26 is provided.
- the through wiring layer 28 and the silicon substrate 27 are insulated by an insulating layer 29.
- second connection metal layers 31 and 32 are formed on the surface 27 a of the silicon substrate 27 that is in contact with the through wiring layer 28 and faces the SOI layer 10.
- the insulating layer 29 covers the surface 27b opposite to the surface facing the SOI layer 10 of the silicon substrate 27.
- a lead layer 37 in contact with the through wiring layer 28 is formed inside the insulating layer 29. Has been.
- a groove 62 as a metal outflow prevention portion is formed on each surface of the joint portion (support conduction portions 12, 14, 17, 19 and frame body 25). Therefore, it is possible to appropriately prevent the molten metal from being blocked by the groove 62 and flowing out to the movable region.
- the metal outflow prevention part is a groove
- the groove surrounds the metal bonding layer on the surface of the support conductive part in the present embodiment. If it is provided at a position where the outflow of the molten metal to the movable region can be suppressed, the groove can be estimated as the metal outflow prevention portion in the present embodiment.
- the part formed by the groove or the wall is not formed for the purpose of the metal outflow prevention part, if the part is a secondary effect to suppress the metal outflow of the metal bonding layer
- the part is a metal outflow prevention part in this embodiment.
- FIG. 2 is an enlarged plan view of the portion indicated by the arrow II in FIG.
- FIG. 1 is an enlarged plan view of a portion indicated by an arrow III in FIG.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing a stacked structure of the MEMS sensor, which corresponds to a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
- the partial expanded sectional view which expanded and showed a part of FIG.
- FIG. 1 is a plan view similar to FIG. 1 for explaining a groove (metal outflow prevention portion) formed in the frame; Sectional drawing which shows embodiment using IC package instead of a 2nd board
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Abstract
【課題】 特に、可動領域へ溶融金属が流れ出すのを適切に防止できるMEMSセンサを提供することを目的としている。 【解決手段】 支持導通部12の表面には、第1の接続金属層41が形成され、支持導通部12に対向する配線基板2の表面には第2の接続金属層31が形成される。第1の接続金属層41と第2の接続金属層31とが接合されて金属接合層51が形成される。支持導通部12の表面には、金属接合層51の周囲を囲むように溝(金属流出防止部)53が形成される。これにより、第1の接続金属層41と第2の接続金属層31間を加圧加熱して接合した際、仮に溶融金属が流れ出しても、溶融金属は溝53で堰き止められ、可動領域にまで流れ出るのを適切に防止できる。
Description
本発明は、シリコン基板を微細加工して形成されたMEMSセンサに係り、特に、可動領域へ溶融金属が流れ出すのを防止できるMEMSセンサに関する。
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)センサは、SOI(Silicon on Insulator)基板を構成するSOI層を微細加工することで、可動電極部と固定電極部が形成される。この微細なセンサは、可動電極部の動作により、加速度センサ、圧力センサ、振動型ジャイロ、またはマイクロリレーなどとして使用される。
図13は、従来のMEMSセンサの部分断面図、図14は、図13に示す支持導通部(アンカ部)付近の拡大断面図である。
図13に示すMEMSセンサは、支持基板200、酸化絶縁層203及びSOI層210にて構成されるSOI基板と、SOI基板に対向して設けられた配線基板211とを有して構成される。
可動電極部及び固定電極部で構成される可動領域201と、可動電極部及び固定電極部の各支持導通部202は前記SOI層210を微細加工して形成されたものである。
図13,図14に示すように支持導通部202の表面202aには第1の接続金属層212が設けられている。
配線基板211は、シリコン基板204、絶縁層205、及び、リード層206等を備えて構成され、前記支持導通部202と対向する側に第2の接続金属層213が形成されている。第2の接続金属層213はリード層206と電気的に接続されている。そして、図13に示すように、第1の接続金属層212と第2の接続金属層213とが接合されている。
特開2005-236159号公報
しかしながら、第1の接続金属層212と第2の接続金属層213とを加熱しながら接合したときに溶融金属が図14の矢印に示すように可動領域201にまで流れ出し、可動領域201での可動電極部の動作を阻害したり、可動電極部と固定電極部間がショートする可能性があった。
そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、特に、可動領域へ溶融金属が流れ出すのを適切に防止できるMEMSセンサを提供することを目的としている。
本発明におけるMEMSセンサは、支持基板、中間層、及び機能層の順に積層される第1の基板と、前記機能層と対向して、前記機能層に形成される可動電極部及び前記固定電極部との導通経路を備える配線基板と、を有し、
前記機能層には、前記中間層に固定支持されるとともに、前記配線基板と金属接合層を介して接合される接合部が形成されており、
前記接合部、及び、前記接合部と対向する配線基板の少なくとも一方の表面には、前記金属接合層に対する金属流出防止部が形成されていることを特徴とするものである。
前記機能層には、前記中間層に固定支持されるとともに、前記配線基板と金属接合層を介して接合される接合部が形成されており、
前記接合部、及び、前記接合部と対向する配線基板の少なくとも一方の表面には、前記金属接合層に対する金属流出防止部が形成されていることを特徴とするものである。
これにより溶融金属が可動領域にまで流れ出すことを適切に防止できる。したがって、可動電極部の動作の阻害や、可動電極部と固定電極部間のショートを防止できる。
本発明では、例えば、前記接合部は、前記可動電極部及び前記固定電極部の夫々に接続される支持導通部である。このとき、前記金属流出防止部は、前記金属接合層を囲んで形成されていることが、溶融金属が可動領域にまで流れ出すのを効果的に防止できて好ましい。
あるいは本発明では、例えば、前記接合部は、前記可動電極部及び前記固定電極部と分離して形成され、前記可動電極部の可動領域を囲む枠体であり、前記枠体と前記配線基板との間に前記金属接合層である金属シール層が形成されている形態でもよい。このとき、前記金属流出防止部は、前記金属シール層より前記可動領域側である内側に形成されていることが、溶融金属が可動領域にまで流れ出すことを効果的に防止できて好ましい。
また本発明では、前記金属流出防止部は、溝あるいは壁で形成されていることが好ましい。これにより、簡単な構造で、効果的に、溶融金属が可動領域にまで流れ出すことを防止できる。
また本発明では、前記金属接合層は、前記接合部の表面に形成された第1の接続金属層と、前記配線基板の表面に形成された第2の接続金属層とが共晶接合又は拡散接合されて形成されることが好ましい。これにより、第1の接続金属層と第2の接続金属層間を強固に接合できる。また接合層の厚さ寸法は薄く、支持基板と配線基板の間隔を高精度に決めることができる。よって寸法精度に優れ接合強度が強いMEMSセンサに出来る。
また本発明では、前記配線基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板の表面に、絶縁層とこの絶縁層の内部に埋設された前記可動電極部及び前記固定電極部の夫々に電気的に接続されるリード層と、を有して形成されることが好ましい。これにより配線基板を簡単な構造で形成できると共に、MEMSセンサの薄型化を実現できる。
本発明のMEMSセンサによれば、溶融金属が可動領域にまで流れ出すことを適切に防止できる。したがって、可動電極部の動作の阻害や、可動電極部と固定電極部間のショートを防止できる。
図1は本発明の実施の形態のMEMSセンサを示すものであり、可動電極部と固定電極部および枠体を示す平面図である。図1では支持基板および配線基板の図示は省略している。図2は図1のII部の拡大図、図3はIII部の拡大図である。図4は、MEMSセンサの全体構造を示す断面図であり、図1をIV-IV線で切断した断面図に相当している。図5は図4の支持導通部12付近及びそれに対向する配線基板を拡大して示した部分拡大断面図、図6は、図5の支持導通部12の平面図である。図7ないし図9は図5と異なる他の実施形態のMEMSセンサの部分拡大断面図、図10は、枠体に形成される金属流出防止部の形成位置を説明するための平面図、である。なお図5、図7ないし図9は、図4に対して各層の配置構成が上下逆となっている。
図4に示すように、MEMSセンサは、支持基板1と配線基板2の間に、SOI層(機能層)10が挟まれている。支持基板1とSOI層10の各部は、酸化絶縁層(中間層)3a,3b,3cを介して接合されている。
支持基板1、SOI層10および酸化絶縁層3a,3b,3cは、SOI(Silicon on Insulator)基板(第1の基板)を微細加工して形成されたものである。
SOI層10には、第1の固定電極部11、第2の固定電極部13、可動電極部15および枠体25が分離して形成されている。さらに酸化絶縁層の一部が除去されて、互いに分離された酸化絶縁層3a,3b,3cが形成されている。
図1に示すように、SOI層10の平面形状は、中心(図心)Oに対して180度の回転対称であり、且つ中心Oを通りX方向に延びる線に対して上下方向(Y方向)に対称である。
図1に示すように、中心OよりもY1側に第1の固定電極部11が設けられている。第1の固定電極部11では、中心Oに接近する位置に四角形の支持導通部(アンカ部)12が一体に形成されている。図4に示すように、支持導通部12は酸化絶縁層3aによって支持基板1の表面1aに固定されている。第1の固定電極部11は、前記支持導通部12のみが前記酸化絶縁層3aによって支持基板1の表面1aに固定されており、その他の部分は、支持基板1との間の酸化絶縁層が除去されて、支持基板1の表面1aとの間に、酸化絶縁層3aの厚さに相当する間隔の隙間が形成されている。
図1に示すように、第1の固定電極部11は、支持導通部12からY1方向に直線的に延びる一定の幅寸法の電極支持部11aを有している。電極支持部11aのX1側には、複数の対向電極11bが一体に形成されており、電極支持部11aのX2側には、複数の対向電極11cが一体に形成されている。図2には、一方の対向電極11cが示されている。複数の対向電極11cはいずれもX2方向へ直線的に延びており、Y方向の幅寸法は一定である。そして、複数の対向電極11cは、Y方向へ一定の間隔を空けて櫛歯状に配列している。X1側に延びる他方の対向電極11bと、X2方向に延びる前記対向電極11cは、中心Oを通ってY方向に延びる線に対して左右対称の形状である。
中心OよりもY2側には第2の固定電極部13が設けられている。第2の固定電極部13と前記第1の固定電極部11は、中心Oを通ってX方向に延びる線に対して上下方向(Y方向)へ対称形状である。すなわち、第2の固定電極部13は、中心Oに接近する位置に設けられた四角形の支持導通部(アンカ部)14と、この支持導通部14からY2方向へ直線的に延びる一定の幅寸法の電極支持部13aを有している。電極支持部13aのX1側には、電極支持部13aから一体に延びる複数の対向電極13bが設けられ、電極支持部13aのX2側には、電極支持部13aから一体に延びる複数の対向電極13cが設けられている。
図3に示すように、対向電極13cはX2方向へ直線状に延び幅寸法が一定であり、且つY方向へ一定の間隔で互いに平行に形成されている。X1側の対向電極13bも同様に一定の幅寸法でX1方向へ直線的に延び、Y方向へ一定の間隔で平行に延びている。
第2の固定電極部13も、支持導通部14のみが酸化絶縁層3aを介して支持基板1の表面1aに固定されている。それ以外の部分である電極支持部13aおよび対向電極13b,13cは、支持基板1の表面1aとの間の酸化絶縁層が除去されており、電極支持部13aおよび対向電極13b,13cと、支持基板1の表面1aとの間に、酸化絶縁層の厚さに相当する間隔の隙間が形成されている。
図1に示すSOI層10は、四角形の枠体25の内側が可動領域であり、可動領域では、前記第1の固定電極部11と第2の固定電極部13を除く部分が可動電極部15となっている。可動電極部15は、前記第1の固定電極部11と第2の固定電極部13および枠体25から分離されて形成されている。
図1に示すように、可動電極部15は、中心OよりもX1側に、Y1-Y2方向に延びる第1の支持腕部16を有しており、中心OのX1側に接近した位置に、第1の支持腕部16と一体に形成された四角形の支持導通部(アンカ部)17が設けられている。可動電極部15は、中心OよりもX2側に、Y1-Y2方向に延びる第2の支持腕部18を有しており、中心OのX2側に接近した位置に、第2の支持腕部18と一体に形成された四角形の支持導通部(アンカ部)19が設けられている。
第1の支持腕部16と第2の支持腕部18とで挟まれた領域で、且つ第1の固定電極部11と第2の固定電極部13を除く部分が、錘部20となっている。錘部20のY1側の縁部は、弾性支持部21を介して第1の支持腕部16に支持されているとともに弾性支持部23を介して第2の支持腕部18に支持されている。錘部20のY1側の縁部は、弾性支持部22を介して第1の支持腕部16に支持されているとともに、弾性支持部24を介して第2の支持腕部18に支持されている。
中心OよりもY1側では、錘部20のX1側の縁部からX2側に延びる複数の可動対向電極20aが一体に形成されているとともに、錘部20のX2側の縁部からX1側に延びる複数の可動対向電極20bが一体に形成されている。図2に示すように、錘部20と一体に形成された可動対向電極20bは、第1の固定電極部11の対向電極11cのY2側の辺に対して静止時に距離δ1を介して対向している。同様に、X1側の可動対向電極20aも、第1の固定電極部11の対向電極11bのY2側の辺に対して静止時に距離δ1を介して対向している。
錘部20には、中心OよりもY2側において、X1側の縁部からX2方向に平行に延びる複数の可動対向電極20cが一体に形成されているとともに、X2側の縁部からX1方向に平行に延びる複数の可動対向電極20dが一体に形成されている。
図3に示すように、可動対向電極20dは、第2の固定電極部13の対向電極13cのY1側の辺に対して静止時に距離δ2を介して対向している。これは、X1側の可動対向電極20cと対向電極13bとの間においても同じである。静止時の対向距離δ1とδ2は、同じ寸法となるようように設計されている。
図4に示すように、第1の支持腕部16に連続する支持導通部17と支持基板1の表面1aとが酸化絶縁層3bを介して固定されており、第2の支持腕部18に連続する支持導通部19と支持基板1の表面1aも酸化絶縁層3bを介して固定されている。可動電極部15は、支持導通部17と支持導通部19のみが前記酸化絶縁層3bによって支持基板1に固定されており、それ以外の部分、すなわち第1の支持腕部16、第2の支持腕部18、錘部20、可動対向電極20a,20b,20c,20dおよび弾性支持部21,22,23,24は、支持基板1の表面1aとの間の酸化絶縁層が除去されており、これら各部と支持基板1の表面1aとの間に酸化絶縁層3bの厚さ寸法に相当する間隔の隙間が形成されている。
弾性支持部21,22,23,24は、薄い板バネ部でミアンダパターンとなるように形成されている。弾性支持部21,22,23,24が変形することで、錘部20がY1方向またはY2方向へ移動可能となっている。
図1に示すように、枠体25は、SOI層10を四角い枠状に切り出すことで形成されている。この枠体25と支持基板1の表面1aとの間には、酸化絶縁層3cが残されている。この酸化絶縁層3cは、可動電極部15の可動領域の外側の全周を囲むように設けられている。
図1,図4に示す形状のSOI層10の製造方法は、加工前のSOI層10の表面に、第1の固定電極部11、第2の固定電極部13、可動電極部15および枠体25を覆うレジスト層を形成し、レジスト層から露出している部分のSOI層を、高密度プラズマを使用した深堀RIEなどのイオンエッチング手段で除去し、第1の固定電極部11、第2の固定電極部13、可動電極部15および枠体25を互いに分離させる。
このとき、支持導通部12,14,17,19および枠体25を除く全ての領域に、前記深堀RIEによって、多数の微細孔を形成しておく。図2と図3には、対向電極11cに形成された微細孔11d、対向電極13cに形成された微細孔13d、および錘部20に形成された微細孔20eが図示されている。
深堀RIEなどによってパターン加工した後に、シリコンを溶解せずに酸化絶縁層(SiO2層)を溶解できる選択性の等方性エッチング処理を行う。このときエッチング液は、SOI層10の前記各部を分離した溝内に浸透し、さらに前記微細孔内に浸透して、酸化絶縁層が除去される。
その結果、支持導通部12,14,17,19および枠体25と、支持基板1の表面1aとの間のみ、酸化絶縁層3a,3b,3cが残され、それ以外の部分で絶縁層が除去される。
なお、支持基板1は、厚さ寸法が0.2~0.7mm程度、SOI層10の厚さ寸法は10~30μm程度、酸化絶縁層3a,3b,3cの厚さは1~3μm程度である。
配線基板2を構成するシリコン基板5は、厚さ寸法が0.2~0.7mm程度で形成される。シリコン基板5の表面5aに絶縁層30が形成される。絶縁層30は、SiO2、SiNまたはAl2O3などの無機絶縁層であり、スパッタ工程やCVD工程で形成される。無機絶縁層としては、シリコン基板との熱膨張係数の差が、接続金属層を構成する導電性金属とシリコン基板の熱膨張係数の差よりも小さい材料が選択される。好ましくは、シリコン基板との熱膨張係数の差が比較的小さいSiO2またはSiNが使用される。
図4に示すように、絶縁層30の表面に、第1の固定電極部11の支持導通部12に対面する第2の接続金属層31が形成され、同様に第2の固定電極部13の支持導通部14に対面する第2の接続金属層31(図示せず)が形成される。また、絶縁層30の表面に、可動電極部15の一方の支持導通部17に対面する第2の接続金属層32が形成され、同様に、他方の支持導通部19と対面する第2の接続金属層32(図示せず)も形成されている。
絶縁層30の表面には、前記枠体25の表面に対向する第2のシール接続金属層33が形成されている。この第2のシール接続金属層33は、前記第2の接続金属層31,32と同じ導電性金属材料によって形成されている。第2のシール接続金属層33は、枠体25に対面して四角形に形成されており、可動電極部15の可動領域の外周でこの可動領域の周囲全周を囲むように形成されている。第2の接続金属層31,32および第2のシール接続金属層33はアルミニウム(Al)で形成されている。
絶縁層30の内部には、一方の第2の接続金属層31に導通するリード層34と、他方の第2の接続金属層32に導通するリード層35が設けられている。リード層34,35はアルミニウムで形成されている。複数のリード層34,35は、それぞれの第2の接続金属層31,32に個別に導通している。そして、それぞれのリード層34,35は、絶縁層30の内部を通過し、第2のシール接続金属層33と接触することなく、第2のシール接続金属層33が形成されている部分を横断して、第2のシール接続金属層33で囲まれている領域の外側へ延びている。配線基板2には、前記領域の外側において、それぞれのリード層34,35に導通する接続パッド36が設けられている。接続パッド36は、低抵抗で酸化しにくい導電性材料であるアルミニウムや金などで形成されている。
絶縁層30は、第2の接続金属層31,32が形成されている表面および第2のシール接続金属層33が形成されている表面が同一平面上に位置している。そして、絶縁層30には、第2の接続金属層31,32と第2のシール接続金属層33が形成されていない領域に、シリコン基板5の表面5aに向けて凹部38が形成されている。この凹部38は、絶縁層30において、支持導通部12,14,17,19および枠体25に対向する前記表面以外の全ての部分に形成されている。また、凹部38は、絶縁層30の内部の途中までの深さであって、リード層34,35が露出しない深さに形成されている。
図4に示すように、SOI層10の支持導通部12,14の表面には、それぞれ前記第2の接続金属層31に対面する第1の接続金属層41が形成され、支持導通部17,19の表面には、それぞれの第2の接続金属層32に対面する第1の接続金属層42がスパッタ工程で形成される。さらに、枠体25の表面には、第2のシール接続金属層33に対面する第1のシール接続金属層43が形成される。第1のシール接続金属層43は、第1の接続金属層41,42と同じ金属材料で同時に形成される。
例えば、第1の接続金属層41,42と第1のシール接続金属層43は、第2の接続金属層31,32および第2のシール接続金属層33を形成するアルミニウムと共晶接合あるいは拡散接合しやすい金属材料であるゲルマニウムで形成されている。
図4に示すように、第2の接続金属層31と第1の接続金属層41とを対面させ、第2の接続金属層32と第1の接続金属層42とを対面させ、さらに第2のシール接続金属層33と第1のシール接続金属層43とを対面させる。そして、加熱しながら支持基板1とシリコン基板5間を加圧する。これにより、第2の接続金属層31と第1の接続金属層41とが接合された金属接合層51が形成され、第2の接続金属層32と第1の接続金属層42とが接合された金属接合層52が形成される。金属接合層51,52の形成により、支持導通部12,14,17,19が酸化絶縁層3a,3bと絶縁層30との間で動かないように挟持される。
同時に、第2のシール接続金属層33と第1のシール接続金属層43とが接合される。この金属接合により、枠体25と絶縁層30とが強固に固定されるとともに、可動電極部15の可動領域の周囲全周を囲む金属シール層(金属接合層)45が形成される。
図5,図6に示すように、支持導通部12の表面であって、金属接合層51の周囲には、溝(金属流出防止部)53が形成されている。図6に示すように溝53は、金属接合層51の周囲全長を連続して囲むように形成されている。
これにより、第1の接続金属層41と第2の接続金属層31間を加圧加熱して接合した際、仮に溶融金属が流れ出しても、溶融金属は溝53で堰き止められ、可動電極部15の錘部20の可動領域や図2と図3に示す電極対向部に流れ出るのを適切に防止できる。したがって、可動電極部15の動作を阻害しない。また、可動電極部15と固定電極部11間がショートすることもない。また、仮に、溶融金属が流れ出しても堰き止めることができるので、第1の接続金属層41と第2の接続金属層31間の接合条件を従来に比べて緩やかに設定できる。
図1に示す実施形態では、支持導通部12,14,17,19、及び可動電極部15の可動領域は枠体25で囲まれた領域内にて形成される。支持導通部12,14,17,19は、枠体25で囲まれた領域の略中央位置に集約され、可動電極部15の可動領域が、支持導通部12,14,17,19と枠体25の間の領域に形成される。したがって、図1に示すように、各支持導通部12,14,17,19の周囲に可動領域が近づく形態となっている。よって、上記のように、溝53を、金属接合層51の周囲全長を連続して囲むように形成することが、より効果的に、溶融金属が可動領域に流れ出すのを防止できて好適である。ただし溝53は、金属接合層51の周囲に一部、不連続な部分があってもよい。
溝53の外周形状は、金属接合層51の外周形状、あるいは、接合前の第1の接続金属層41又は第2の接続金属層31の外周形状と相似形状であることが好ましい。
図7に示す実施形態では、第2の接続金属層31と第1の接続金属層41とが接合されて形成された金属接合層54の一部が、溝(金属流出防止部)55の内部まで形成されている。図7の形態においても、図6と同様に、溶融金属が溝55で堰き止められ、可動電極部15の錘部20の可動領域や図2と図3に示す電極対向部に流れ出るのを適切に防止できる。
図8に示す実施形態では、支持導通部12の表面12aに凹む凹部56が形成され、凹部56の周囲を囲む壁(金属流出防止部)57が形成されている。第2の接続金属層31と第1の接続金属層41とが接合されて形成された金属接合層58は凹部56内に形成されている。
図8に示す実施形態においても、溶融金属が壁57で堰き止められ、可動電極部15の錘部20の可動領域や図2と図3に示す電極対向部に流れ出るのを適切に防止できる。
図9に示す実施形態では、支持導通部12側のみならず配線基板2側にも金属流出防止用の溝59が形成されている。図9の形態では、SOI基板と配線基板2とを接合する際に、どちらの基板を下側にしても、溶融金属を溝53か溝59のどちらかで堰き止めることができ、可動電極部15の錘部20の可動領域や図2と図3に示す電極対向部に流れ出るのを防止できる。
図9では、配線基板2の表面に形成された絶縁層30の表面に溝59を形成している。
金属流出防止用としての溝は、いずれもエッチング等の既存の方法を用いて形成できる。また図8では、支持導通部12の表面12aに凹部56をエッチングで形成することもできるが、平坦な支持導通部12の表面12aに壁57をスパッタや塗布等で形成することも出来る。
金属流出防止用としての溝は、いずれもエッチング等の既存の方法を用いて形成できる。また図8では、支持導通部12の表面12aに凹部56をエッチングで形成することもできるが、平坦な支持導通部12の表面12aに壁57をスパッタや塗布等で形成することも出来る。
また金属流出防止部は、各支持導通部と対向する配線基板2側にのみ形成することも出来る。
また、金属流出防止部は、溝及び壁以外の形状であってもよい。
また図5に示すように第2の接続金属層31の略中央部には凹部31aが形成されるが、凹部31aが形成されず、第2の接続金属層31の表面が第1の接続金属層41と同様に平面で形成された形態であってもよい。特に、凹部31aは未接合領域となるので、凹部31aをできる限り小さく形成するか、あるいは完全に平面で接合できるようにしたほうが、接合面積を大きくでき、第1の接続金属層41と第2の接続金属層31間を強固に接合できて好ましい。
また図5に示すように第2の接続金属層31の略中央部には凹部31aが形成されるが、凹部31aが形成されず、第2の接続金属層31の表面が第1の接続金属層41と同様に平面で形成された形態であってもよい。特に、凹部31aは未接合領域となるので、凹部31aをできる限り小さく形成するか、あるいは完全に平面で接合できるようにしたほうが、接合面積を大きくでき、第1の接続金属層41と第2の接続金属層31間を強固に接合できて好ましい。
上記ではいずれも支持導通部12を用いて説明したが、他の支持導通部14,17,19についても同様の溝あるいは壁の金属流出防止部が形成されている。
また、図4,図10に示すように、溝(金属流出防止部)60は、枠体(接合部)25の表面にも形成される。図4,図10に示すように、溝60は金属シール層(金属接合層)45の可動領域側である内側の枠体表面に形成されている。これにより、溶融金属が可動領域方向である内側に流れ出しても溝60で堰き止めることができ、可動電極部15の錘部20の可動領域や図2と図3に示す電極対向部に流れ出るのを防止できる。なお、溝(金属流出防止部)を、金属シール層45の外側の枠体表面にも形成すれば、溶融金属が外側に流れ出すのを適切に防止できる。
なお、第1のシール接続金属層43と第2のシール接続金属層33との接合による金属シール層45が形成されない形態では、支持導通部12,14,17,19にのみ金属流出防止部を形成すればよい。また、支持導通部12,14,17,19から可動領域が遠い位置に形成され、支持導通部12,14,17,19と配線基板2間に形成された金属接合層からの溶融金属がさほど問題とならない場合には、枠体表面あるいはそれ以外の接合層の表面にのみ金属流出防止部を形成する形態でもよい。ただし、MEMSセンサの小型化に対応すべく、全ての接合部(本実施形態では、支持導通部12,14,17,19と枠体25)の表面、あるいは、接合部と対向する配線基板2の表面、又は、双方の表面に金属流出防止部を形成することが望ましい。
上記したMEMSセンサは、SOI基板と配線基板2を重ねた構造であり、全体に薄型である。
また、支持導通部12,14,17,19が配線基板2に、第2の接続金属層31,32と第1の接続金属層41,42との共晶接合あるいは拡散接合で接合されていることが好ましい。この接合層は薄く且つ面積が小さく、しかも支持導通部12,14,17,19と支持基板1とが無機絶縁材料の酸化絶縁層3a,3bを介して接合されている。そのため、周囲温度が高くなったとしても、接合層の熱応力が支持導通部12,14,17,19の支持構造に影響を与えにくく、熱応力による固定電極部11,13や可動電極部15の歪みなどが発生しにくい。
同様に、可動電極部15の可動領域の周囲を囲む金属シール層45は、枠体25と絶縁層30との間で薄く形成された接合層であることが好ましい。枠体25が十分な厚み寸法を有しているため、金属シール層45の熱応力によって、シリコンで形成された支持基板1やシリコン基板5に歪みなどが発生しにくい。
このMEMSセンサは、支持基板1とシリコン基板5の厚さ寸法、およびSOI層10の厚さ寸法、さらに絶縁層30の厚さ寸法によって、全体の厚さ寸法がほぼ決められる。それぞれの層の厚さ寸法は、高精度に管理できるため、厚さのばらつきが生じにくくなる。しかも、絶縁層30には、可動電極部15の可動領域に対向する凹部38が形成されているため、全体が薄型であっても、可動電極部15に厚さ方向の移動余裕(マージン)を与えることができ、外部から厚さ方向への大きな加速度が作用しても、錘部20および可動対向電極20a,20b,20c,20dが絶縁層30に当たりにくく、誤動作を生じにくい。
また図4に示す実施形態では、配線基板2は、シリコン基板5と、シリコン基板5の表面5aに、絶縁層30とリード層34,35と第2の接続金属層31とを有して構成される。したがって後述する図12のようにシリコン基板に貫通する貫通配線を用いて支持導通部との導通経路を確保する形態に比べて、簡単な構造で薄型化を実現できる。
このMEMSセンサは、Y1方向またはY2方向の加速度を検知する加速度センサとして使用することができる。例えば、MEMSセンサにY1方向への加速度が作用すると、その反作用により可動電極部15の錘部20がY2方向へ移動する。このとき、図2に示す、可動対向電極20bと固定側の対向電極11cとの対向距離δ1が広がって、可動対向電極20bと対向電極11cとの間の静電容量が低下する。同時に、図3に示す、可動対向電極20dと対向電極13cとの対向距離δ2が狭くなって、可動対向電極20bと対向電極13cとの間の静電容量が増大する。
静電容量の減少と増大を電気回路で検出し、対向距離δ1の増大による出力の変化と対向距離δ2の減小による出力の変化との差を求めることにより、Y1方向へ作用した加速度の変化や加速度の大きさを検知することができる。
なお、本実施形態では、可動電極部15の錘部20が、X-Y平面と直交する向きの加速度に反応して厚さ方向へ移動して、固定電極部11,13の対向電極11b,11c,13b,13cと、可動電極部15の可動対向電極20a,20b,20cとの対向状態が、可動電極部15の厚さ方向へずれて、対向面積が変化し、このときの可動対向電極と対向電極との間の静電容量の変化を検知するものであってもよい。
なお、前記実施の形態では、第2の接続金属層31,32および第2のシール接続金属層33がアルミニウムで、第1の接続金属層41,42および第1のシール接続金属層43がゲルマニウムであるが、共晶接合あるいは拡散接合が可能な金属の組み合わせとしては、アルミニウム-亜鉛、金-シリコン、金-インジウム、金-ゲルマニウム、金-錫などがある。これら金属の組み合わせにより、それぞれの金属の融点以下の温度である450℃以下の比較的低い温度で接合を行うことが可能になる。
図11は、さらに他の実施の形態のMEMSセンサを示す断面図である。
このMEMSセンサは、シリコン基板5の代わりにICパッケージ100が使用されている。ICパッケージ100内には、対向電極と可動対向電極との静電容量の変化を検出する検出回路などが内蔵されている。
このMEMSセンサは、シリコン基板5の代わりにICパッケージ100が使用されている。ICパッケージ100内には、対向電極と可動対向電極との静電容量の変化を検出する検出回路などが内蔵されている。
ICパッケージ100の上面101に絶縁層30が形成され、この絶縁層30の表面に、第2の接続金属層31,32および第2のシール接続金属層33が形成されている。第2の接続金属層31,32は、絶縁層30を貫通するスルーホールなどの接続層134,135を介して、ICパッケージ100の上面101に現れている電極パッドなどに導通し、ICパッケージ100内の電気回路に接続されている。
図11に示すMEMSセンサでは、接合部(支持導通部12,14,17,19や枠体25)と対向する絶縁層30の表面に金属流出防止部である溝61が形成されている。よって溶融金属が溝61により堰き止められ、可動領域にまで流れ出るのを適切に防止できる。
図12は、さらに他の実施の形態のMEMSセンサを示す断面図である。
図12に示す実施形態では、配線基板26を構成するシリコン基板27に貫通する同じくシリコンで形成された貫通配線層28が設けられている。貫通配線層28とシリコン基板27の間は絶縁層29にて絶縁されている。図12に示すように貫通配線層28に接してSOI層10と対向するシリコン基板27の表面27aに第2の接続金属層31,32が形成されている。また絶縁層29は、シリコン基板27のSOI層10との対向面と反対面27bを覆い、図12に示すように、絶縁層29の内部には、貫通配線層28に接するリード層37が形成されている。
図12に示す実施形態では、配線基板26を構成するシリコン基板27に貫通する同じくシリコンで形成された貫通配線層28が設けられている。貫通配線層28とシリコン基板27の間は絶縁層29にて絶縁されている。図12に示すように貫通配線層28に接してSOI層10と対向するシリコン基板27の表面27aに第2の接続金属層31,32が形成されている。また絶縁層29は、シリコン基板27のSOI層10との対向面と反対面27bを覆い、図12に示すように、絶縁層29の内部には、貫通配線層28に接するリード層37が形成されている。
図12に示すMEMSセンサも、接合部(支持導通部12,14,17,19や枠体25)の各表面に、金属流出防止部である溝62が形成されている。よって溶融金属が溝62により堰き止められ、可動領域にまで流れ出るのを適切に防止できる。
なお、例えば、金属流出防止部が溝であるとき、溝内に溶融金属が流出した状態でなくても、その溝が本実施形態における支持導通部の表面にて金属接合層の周囲を囲む形状になっている等、可動領域への溶融金属の流出を抑制することが可能な位置に設けられていれば、その溝は本実施形態における金属流出防止部と推定できる。
また、溝や壁等で形成された部位が、金属流出防止部の目的として形成したものでなくても、その部位が、金属接合層の金属流出を抑制することが副次的効果としてあれば、その部位は本実施形態における金属流出防止部である。
1 支持基板
2 配線基板
3a,3b,3c 酸化絶縁層
5、27 シリコン基板
10 SOI層
11 第1の固定電極部
11b,11c 対向電極
12 支持導通部(アンカ部)
13 第2の固定電極部
13b,13c 対向電極
14 支持導通部(アンカ部)
15 可動電極部
16 第1の支持腕部
17 支持導通部(アンカ部)
18 第2の支持腕部
19 支持導通部(アンカ部)
20 錘部
20a,20b,20c,20d 可動対向電極
21,22,23,24 弾性支持部
25 枠体
28 貫通配線層
29、30 絶縁層
31,32 第2の接続金属層
33 第2のシール接続金属層
34,35 リード層
38 凹部
41,42 第1の接続金属層
43 第1のシール接続金属層
45 金属シール層
53、55、59、60、61、62 溝(金属流出防止部)
54 金属接合層
56 凹部
57 壁(金属流出防止部)
100 ICパッケージ
2 配線基板
3a,3b,3c 酸化絶縁層
5、27 シリコン基板
10 SOI層
11 第1の固定電極部
11b,11c 対向電極
12 支持導通部(アンカ部)
13 第2の固定電極部
13b,13c 対向電極
14 支持導通部(アンカ部)
15 可動電極部
16 第1の支持腕部
17 支持導通部(アンカ部)
18 第2の支持腕部
19 支持導通部(アンカ部)
20 錘部
20a,20b,20c,20d 可動対向電極
21,22,23,24 弾性支持部
25 枠体
28 貫通配線層
29、30 絶縁層
31,32 第2の接続金属層
33 第2のシール接続金属層
34,35 リード層
38 凹部
41,42 第1の接続金属層
43 第1のシール接続金属層
45 金属シール層
53、55、59、60、61、62 溝(金属流出防止部)
54 金属接合層
56 凹部
57 壁(金属流出防止部)
100 ICパッケージ
Claims (8)
- 支持基板、中間層、及び機能層の順に積層される第1の基板と、前記機能層と対向して、前記機能層に形成される可動電極部及び前記固定電極部との導通経路を備える配線基板と、を有し、
前記機能層には、前記中間層に固定支持されるとともに、前記配線基板と金属接合層を介して接合される接合部が形成されており、
前記接合部、及び、前記接合部と対向する配線基板の少なくとも一方の表面には、前記金属接合層に対する金属流出防止部が形成されていることを特徴とするMEMSセンサ。 - 前記接合部は、前記可動電極部及び前記固定電極部の夫々に接続される支持導通部である請求項1記載のMEMSセンサ。
- 前記金属流出防止部は、前記金属接合層を囲んで形成されている請求項2記載のMEMSセンサ。
- 前記接合部は、前記可動電極部及び前記固定電極部と分離して形成され、前記可動電極部の可動領域を囲む枠体であり、前記枠体と前記配線基板との間に前記金属接合層である金属シール層が形成されている請求項1ないし3のいずれかに記載のMEMSセンサ。
- 前記金属流出防止部は、前記金属シール層より前記可動領域側である内側に形成されている請求項4記載のMEMSセンサ。
- 前記金属流出防止部は、溝あるいは壁で形成されている請求項1ないし5のいずれかに記載のMEMSセンサ。
- 前記金属接合層は、前記接合部の表面に形成された第1の接続金属層と、前記配線基板の表面に形成された第2の接続金属層とが共晶接合又は拡散接合されて形成される請求項1ないし6のいずれかに記載のMEMSセンサ。
- 前記配線基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板の表面に、絶縁層とこの絶縁層の内部に埋設された前記可動電極部及び前記固定電極部の夫々に電気的に接続されるリード層と、を有して形成される請求項1ないし7のいずれかに記載のMEMSセンサ。
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JP2012040677A (ja) * | 2010-07-23 | 2012-03-01 | Alps Electric Co Ltd | Memsセンサ |
WO2023100576A1 (ja) * | 2021-11-30 | 2023-06-08 | ローム株式会社 | Memsセンサ及びmemsセンサの製造方法 |
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