JP2012122996A - Ｍｅｍｓ装置のためのウェハレベルパッケージプロセス - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト、高信頼性、および小さなセンサを可能とする、ウェハレベルパッケージプロセスを提供する。
【解決手段】下カバーウェハ２１０および上カバーウェハ２３０を提供するステップと、基板層上に複数のＭＥＭＳ装置を含む半導体ウェハを提供するステップと、半導体ウェハを下カバーウェハの第１表面に接合するステップと、上カバーウェハの第２表面を半導体ウェハに接合するステップと、を有する。下カバーウェハの第１表面および上カバーウェハの第２表面は、半導体ウェハに接合されたときに、複数の密封シールされるキャビティ区域を画定し、ＭＥＭＳ装置の各々は、シールされるキャビティ区域の１つの内側に配置される。上カバーが半導体ウェハに接合された後に、上カバーウェハの第１表面から上カバーウェハの第２表面まで延びる複数の穴が形成される。その後、各穴に金属リード層が堆積され、ＭＥＭＳ装置に電気的接続を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＥＭＳ装置のためのウェハレベルパッケージプロセスに関する。

[0001]微小電気機械システム（Micro-electro-mechanical systems；ＭＥＭＳ）装置は、シリコンウェハのような基板の表面上に小さな機械構造を形成するために、典型的には半導体製造技術で形成される。ジャイロスコープや加速度計のようなＭＥＭＳ装置の製造において、半導体製造技術がしばしば用いられ、入力軸または速度軸を中心とした装置の回転または加速度に応答して変位を検出するための用いられる多数の移動構造を形成する。

[0002]高性能ＭＥＭＳジャイロスコープは、真空中にパッケージされなければならず、ＭＥＭＳ加速度計は、ガス中にパッケージする必要がある。真空中およびガス中の両者の環境は、時間経過にわたり安定でなければならず、これは、全てのシールが密封でなければならないことを意味する。ＭＥＭＳ装置の密封シールは、製造、製造後のハンドリング、および動作中のごみや損傷から装置を保護する。ＭＥＭＳ装置のパッケージは、しばしば、一度にまたは比較的小さなバッチで行われ、パッケージプロセスは高価になる傾向にある。

[0003]ウェハレベルパッケージ（wafer level packaging;ＷＬＰ）は、バッチ製造でパッケージを行うことによりコストを削減し、また、しばしば、単純な安価な使用される最終パッケージを可能にする。これらの理由により、多数のＷＬＰの方法が考案されてきた。それにもかかわらず、要求が厳しく達成が困難であるので、わずかな方法だけが商業的に成功している。

[0004]多くのＷＬＰ設計は、ＭＥＭＳ装置上に密封シールされたカバーを提供する。ＭＥＭＳジャイロスコープおよび加速度計を使用する高性能な装置において、密封シールされたカバーが必要とされるだけでなく、カバーは、「上部検出プレート」として使用するために装置から正確に画定された距離を必要とする。このスペース要求は、カバーを装置に結合するのり利用できる選択を厳しく制限するので、ＷＬＰをより困難にする。最も容易な接合技術（たとえば、接着剤、はんだ、フリット等）は、カバーと装置との間に大きな制御できないギャップを生成し、それゆえ好適ではない。

[0005]微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置をパッケージするプロセスは、第１表面および対向する第２表面を備える下カバーウェハを提供することを含み、また、第１表面および対向する第２表面を備える上カバーウェハを提供することを含み、複数のＭＥＭＳ装置を含む半導体ウェハを基板層上に提供することを含み、下カバーウェハの第１表面に半導体ウェハを接合し、上カバーウェハの第２表面を半導体ウェハに接合する。下カバーウェハの第１表面および上カバーウェハの第２表面は、半導体ウェハに接合されたときに、複数の密封シールされたキャビティ区域を画定し、各ＭＥＭＳ装置がシールされたキャビティ区域の１つの内側に配置される。上カバーウェハが半導体ウェハに接合された後に、上カバーウェハの第１表面から上カバーウェハの第２表面まで延びる複数の穴が形成される。その後、各穴に金属リード層が堆積され、ＭＥＭＳ装置に電気接続が提供される。

[0006]本発明の特徴は、図面の参照とともに以下の説明から当業者に明らかになるであろう。図面は典型的な実施形態のみを示し、それゆえ発明の範囲を限定するものではなく、本発明は図面とともに追加的な特定要素および詳細とともに説明される。添付図面は以下の通りである。

１つのアプローチによるＭＥＭＳを製造するプロセスを示す図である。 １つのアプローチによるＭＥＭＳを製造するプロセスを示す図である。 １つのアプローチによるＭＥＭＳを製造するプロセスを示す図である。 １つのアプローチによるＭＥＭＳを製造するプロセスを示す図である。 １つのアプローチによるＭＥＭＳを製造するプロセスを示す図である。 １つのアプローチによるＭＥＭＳを製造するプロセスを示す図である。 一実施形態による密封シールされるＭＥＭＳ装置の断面側面図である。 一実施形態による密封シールされるＭＥＭＳ装置の平面図である。

[0010]以下の詳細な説明において、当業者が本発明を実施できるように実施形態が十分に詳細に説明される。他の実施形態も本発明の範囲から逸脱することなく利用することができることを理解されたい。以下の詳細な説明は、それゆえ、限定的なものとして解釈されるべきではない。

[0011]微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置のためのウェハレベルパッケージプロセスが提供される。パッケージプロセスは、加速度計およびジャイロスコープのようなＭＥＭＳ慣性センサに適合的である。パッケージプロセスは、低コスト、高信頼性、および小さなセンサを可能にする。ＭＥＭＳ装置のウェハレベルパッケージの本アプローチは、従来の方法の改良である。

[0012]たとえば、１つの従来のアプローチにおいて、ＭＥＭＳ構造を含むシリコンウェハは、下ガラス基板に陽極接合される。ＭＥＭＳ構造は、シリコンウェハのエピタキシャル層内に含まれ、ウェハの残りは、シリコンエッチングにより除去される。エッチングの前に、下ガラス基板内に穴が形成される。穴は、穴の周りに密封シールを維持する導体シリコンパッド上に開口し、下ガラス基板の背面からＭＥＭＳ装置への電気接続経路を提供し、これは、最終的にはシールされたキャビティ内にされる。穴の形成に続き、シリコン基板は上述のように取り除かれ、下ガラス基板の背面上および穴内に金属が堆積される。最後に、上ガラスウェハがシリコンに陽極接合され、装置をガスを含む（加速度計用）または真空（ジャイロスコープ用）のキャビティ内に装置をシールする。

[0013]上述した従来のアプローチにおいて、穴は、上ガラスの接合の前に、下ガラス基板内に形成され、これは、上ガラス基板の陽極接合の間にシリコン特徴への電気接続が必要とされるからである。しかし、このアプローチは、下ガラス基板を有意に弱くするのでウェハを脆くする。基板の除去の後、シリコンＭＥＭＳ装置は非常に薄く、装置は下ガラス基板内の穴を補うための構造的支持がほとんどまたはまったく追加しない。それゆえ、ガラスは脆く、残りの製造ステップにおいて損傷を生じさせることがあり、ウェハの歩留まりを低下させる。

[0014]ＭＥＭＳ装置のウェハレベルパッケージへの本アプローチにおいて、ガラスウェハ内に穴が形成されず、薄くされるときに脆くしない。本技術において、穴は、接合されるウェハが二重の厚さであるプロセスの最後においてのみ形成され、それゆえより剛性でありロバスト性がある。接合されるウェハは、非常に改善された剛性を提供し、プロセスの残りにわずかなハンドリングステップがあるだけであり、接合されるウェハは、ＭＥＭＳジャイロスコープに必要とされる多数の穴に適合することができる。

[0015]図１Ａ−１Ｆは、本アプローチによる１つ以上のＭＥＭＳ装置をパッケージするためのプロセスを示している。図１Ａに示されるように、ガラスウェハのような下カバーウェハ１１０が提供される。下カバーウェハ１１０は、第１表面１１２および対向する第２表面１１４を備える。下カバーウェハ１１０は、エッチングされた壁のような１つ以上の凹部１１５を含むように形成することができ、また、金属化されたパターンおよびライン、電極等を含むことができる。たとえば、下カバーウェハ１１０は、短い金属ランナを含むことができ、これは、上カバーウェハ接続（以下で説明される）の間にＭＥＭＳ装置への電気的接続（「ラップアラウンドコンタクト（wraparound contact）」を介して）を提供するように構成される。

[0016] シリコンウェハのような半導体ウェハ１２０が提供され、これは１つ以上のＭＥＭＳ装置を基板層上に含む。ＭＥＭＳ装置は、半導体ウェハ１２０の基板層上のエピタキシャル層に含まれる様々な微小構造を含む。ＭＥＭＳ装置は、１つ以上のジャイロスコープおよび／または１つ以上の加速度計のような１つ以上のＭＥＭＳ慣性センサを含むことができ、これは、標準的な技術により半導体ウェハ１２０内に形成される。

[0017]図１Ｂに示されるように、半導体ウェハ１２０は、陽極接合のような標準的な接合技術を用いて下カバーウェハ１１０の第１表面１１２に接合される。基板層は、半導体ウェハ１２０が下カバーウェハ１１０に接合された後にエッチングにより取り除くことができる。基板層を取り除く例示的なエッチング剤は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、エチレン混合物、ジアミン、ピロカテコール（ＥＤＰ）、またはこれらの組み合わせを含む。

[0018]図１Ｃに示されるように、上カバーウェハ１３０が提供され、これは第１表面１３２および対向する第２表面１３４を備える。上カバーウェハ１３０は、実質的に下カバーウェハ１１０の鏡像であり（いくつかの特徴を除く）、また、エッチングされた壁のような１つ以上の凹部１３５を含むように製造することができ、また、金属化パターン、ライン、電極等を含むように製造することができる。最終的な環境が真空となることを意図するなら、ＴｉまたはＺｒのようなゲッタリング材料を、電極、リード等に使用されない表面の任意の領域上に堆積させることが好ましい。上カバーウェハ１３０は、図１Ｄに示されるように第２表面１３４を半導体ウェハ１２０に陽極接合することなどにより、下カバーウェハ１１０上の半導体ウェハ１２０に接合される。凹部１１５、１３５は、上カバーウェハ１３０が半導体ウェハ１２０に接合された後に互いに整合し、ＭＥＭＳ装置が、凹部１１５、１３５により形成された密封シールキャビティ区域の内側に配置される。

[0019]金属ランナが下カバーウェハ１１０上に存在する場合、金属ランナは、全ての金属およびシリコンの特徴を電気的にショートする。金属ランナが存在しない場合、シリコンウェハ１２０上の可撓性構造は、接合の間に静電力により引き上げられ、上基板１３０に接合される。接合の後、金属ランナは、下カバーウェハ１１０を通してレーザートリミングを使用して切断することができる。図１Ｄに示される接合ステップは、最終的に望まされる環境からなる環境下でなされなければならない。たとえば、最終的な環境が真空であるならば、接合は真空化でなされなければならない。

[0020]図１Ｅに示されるように、複数の穴１４０は、上カバー１３０の第１表面１３２を通じて形成される。穴１４０は、上カバー１３０の一部を通じてサンドブラストにより、その後に、上カバーウェハ１３０の残りの部分を通じてエッチングにより形成することができる。上カバーウェハ１３０を通じたエッチングは、フッ化水素酸（ＨＦ）のような標準的なエッチング剤で実行することができる。

[0021]図１Ｆに示されるように、金属リード層１５０が各穴１４０内に堆積され、半導体ウェハ１２０内のＭＥＭＳ装置に電気的接続を提供する。ボンドパッド１５４が、上カバーウェハ１３０の第１表面１３２上の各穴１４０に隣接して形成される。ボンドパッド１５４は、金属リード層１５０に電気的に連結される。

[0022]代替アプローチにおいて、上述のプロセスステップは、上カバーウェハ１３０が半導体ウェハ１２０に接合された後に、穴が下カバーウェハ１１０の第２表面１１４を通じて形成されることを除いて、図１Ａ−１Ｆで説明したように実行される。

[0023]図２は、上述した図１Ａ−１Ｆのプロセスステップにより製造することができる一実施形態による密封シールされたＭＥＭＳ装置２００の断面側面図である。シールされたＭＥＭＳ装置２００は、下カバープレート２１０および上カバープレート２３０を含み、両者はガラスウェハから形成することができる。慣性センサのようなＭＥＭＳ装置機構２２０は、上カバープレート２１０および下カバープレートの間に挟まれる。ＭＥＭＳ装置機構２２０は、機構基板２２２の内側部分でパターン化され、これはシリコンウェハ上に成長させたエピタキシャル層とすることができる。下カバープレート２１０および上カバープレート２３０は、陽極接合などにより機構基板２２２に接合される。

[0024]下カバープレート２１０および上カバープレート２３０は、機構基板２２２に接合される前に適切な機構支持およびトラフ構造により処理され、カバープレート２１０、２３０が互いに組み立てられたときにＭＥＭＳ装置機構２２０と協働する。カバープレート２１０、２３０が機構基板２２２に接合されるとき、機構支持およびトラフ構造は複数のシールされたキャビティ区域２３４を画定する。ＭＥＭＳ装置機構２２０は、シールされたキャビティ区域２３４の内側に配置される。カバープレート２１０、２３０は、それぞれのシリコンの熱膨張係数と実質的に一致する熱膨張係数を備えるタイプのガラスウェハ内に形成することができる。そのようなガラスウェハの例は、Corning Pyrex（登録商標）、Schott Borofloat 33、Hoya SD2などを含む。

[0025]複数の穴２４０は、上カバープレート２３０を通って機構基板２２２の複数の接続部分２２４のそれぞれに延びる。穴２４０は、カバープレート２３０の外部表面２３６から接続部２２４まで内側にテーパーが付けられている。接続部分２２４は、穴２４０をキャビティ区域２３４から完全にシールするサイズである。金のトレースのような複数の金属ランナ２４２は、下カバープレート２１０内に位置する。金属ランナ２４２は、機構基板２２２に接合する前に、下カバープレート２１０の内側表面上に形成される浅いトラフ内に部分的に沈めるようにすることができる。

[0026]金のトレースのような複数の金属リード層２５０は、各穴２４０内を通り、接続部２２４を通じてＭＥＭＳ装置機構２２０に電気的接続を提供する。複数の接続ポッド２５４は、上カバープレート２３０の外部表面２３６上の各穴２４０に隣接して配置される。接続ポッド２５４は、金属リード層２５０に電気的に連結され、シールされたＭＥＭＳ装置２００内および外にルーチン信号を提供する。

[0027]図３は、図１Ａ−１Ｆに関して上述したプロセスステップにより製造することができる一実施形態による密封シールされるＭＥＭＳ装置３００の平面図である。ＭＥＭＳ装置３００は、シリコンウェハから形成されるジャイロスコープ機構のような装置機構３１０を含み、これは、図２のＭＥＭＳ装置のように図示されているように、上ガラスプレート３０４と下ガラスプレート（図示せず）との間に挟まれる。また、ＭＥＭＳ装置３００は、ＭＥＭＳ装置３００の外周を囲むシリコンフレームのような支持フレームを含む。ガラスプレートは、それぞれ対向するフレーム３１４および装置機構３１０の側部に陽極接合などにより接合され、ＭＥＭＳ装置３００に密封シールを提供する。

[0028]複数の穴３２０は、それぞれ上ガラスプレート３０４を通って複数の接続部分３２４に延びる。穴３２０は内側にテーパーが付され、直径がガラスプレート３０４において大きくなり、穴３２０が接続部３２４に接する場所で小さくなる。複数の金属リード層３２２は、各穴３２０内に延び、接続部分３２４を通して装置機構３１０に電気的接続を提供する。複数のボンドパッド３２８は、ガラスプレート３０４の外部表面上の穴３２０に隣接して、また支持フレーム３１４内に配置される。これは、支持フレーム３１４の内側から装置機構３１０への全ての電気的接続が形成されることを可能にする。

[0029]本発明は、その本質的な特徴から逸脱することなく他の具体的な形態で実施することができる。説明された実施形態は、すべて単に説明的なものであり限定的なものではない。それゆえ本発明の範囲は、上述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲の請求項により示される。請求項の意味および均等の範囲内から生じるあらゆる変形は本発明の範囲内にあるとされる。

Claims (3)

1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置をパキングするためのプロセスであって、前記プロセスは、
   第１表面および対向する第２表面を備える下カバーウェハを提供するステップと、
   第１表面および対向する第２表面を備える上カバーウェハを提供するステップと、
   基板層上に複数のＭＥＭＳ装置を含む半導体ウェハを提供するステップと、
   前記半導体ウェハを前記下カバーウェハの前記第１表面に接合するステップと、
   前記上カバーウェハの前記第２表面を前記半導体ウェハに接合するステップと、を有し、前記下カバーウェハの前記第１表面および前記上カバーウェハの前記第２表面は、前記半導体ウェハに接合されるときに、複数の密封シールされるキャビティ区域を画定し、各ＭＥＭＳ装置が前記シールされたキャビティ区域の１つの内側に配置され、
   前記プロセスはさらに、前記上カバーウェハが前記半導体ウェハに接合された後に、前記上カバーウェハの前記第１表面から前記上カバーウェハの前記第２表面まで延びる複数の穴を形成するステップと、
   前記穴の各々内に金属リード層を堆積させて、前記ＭＥＭＳ装置に電気的接続を提供するステップと、を有する、プロセス。
2. 請求項１に記載のプロセスであって、前記密封シールされるキャビティ区域の各々は、真空または予め決定された圧力の減衰ガスを含む、プロセス。
3. 請求項２に記載のプロセスであって、前記ＭＥＭＳ装置は、
   前記密封シールされたキャビティ区域が真空である場合はＭＥＭＳジャイロスコープを有し、または、
   前記密封シールされたキャビティ区域が予め決定された圧力の減衰ガスを含む場合はＭＥＭＳ加速度計を有する、プロセス。

Images