JP2004235440A - マイクロパッケージとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大口径のウェハどうしを良好に接合したマイクロパッケージを提供する。
【解決手段】マイクロパッケージは、マイクロセンサ２またはマイクロアクチュエータの複数の能動部分をウェハに形成した素子ウェハ１と、蓋部材３と、素子ウェハ１と蓋部材３とを素子ウェハ１の各能動部分の周囲で気密に封止する接合部とからなる。素子ウェハ１は、接合部に対して能動部分と反対の側に信号取り出し部を備え、また、蓋部材３は、接合部で接合されている位置の外周部の一部が、能動部分に面する部分より厚さの薄い梁部８と、前記の外周部の梁部８以外に設けられる開口部とを備える。さらに、信号取り出し部の上の蓋部材３が除かれている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子のパッケージ技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロパッケージ技術では、ウェハに製作された多数のマイクロセンサまたはマイクロアクチュエータを、損傷を防ぐために、パッケージに気密に封止する。たとえば、また、ＷＯ９５１７０１４公報（特表平９−５０６７１２号公報）に記載される赤外線検出器では、マイクロセンサが形成された基板ウェハを、気密封止するための蓋ウェハと、パターニングされたハンダを介して接合している。また、特表平９−５０６７１２号公報に記載された真空マイクロパッケージでは、ウェハに多数の素子ウェハがマイクロセンサまたはマイクロアクチュエータがマイクロマシニング技術をもって作製され、この素子ウェハが赤外線透過性材料のキャップとハンダなどで気密封止される。ウェハ同士で気密接合することで低コスト化などが可能となる。また、特開平１０−１１５５５６号公報に示される赤外線検出器では、マイクロセンサが形成されたチップを真空封止するためのシリコン片（赤外線透過窓として動作する）と、パターニングされたハンダを介して接合している。オンチップで真空封止されたチップを得られるため装置の小型化が可能となる。
【０００３】
【特許文献１】
ＷＯ９５１７０１４公報（第３−４頁、図２）
【特許文献２】
特表平９−５０６７１２号公報
【特許文献３】
特開平１０−１１５５５６号公報（第３−４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のマイクロパッケージにおいては、特に大口径のウェハ同士を接合する際に、それぞれのウェハの反り形状が問題となっていた。ウェハは少なからずとも反りを有しており、単に２つのウェハの表面を合わせただけではウェハ内に作製された全ての素子が均一に接合できない。また、接合させるためにウェハ間に荷重をかけると、封着材料がはみ出して良好な接合ができないことがある。
【０００５】
この発明の目的は、大口径のウェハどうしを良好に接合したマイクロパッケージを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るマイクロパッケージは、マイクロセンサまたはマイクロアクチュエータの複数の能動部分をウェハに形成した素子ウェハと、蓋部材と、素子ウェハと蓋部材とを素子ウェハの各能動部分の周囲で気密に封止する接合部とからなる。素子ウェハは、接合部に対して能動部分と反対の側に信号取り出し部を備え、また、蓋部材は、接合部で接合されている位置の外周部の一部が、能動部分に面する部分より厚さの薄い梁部と、前記の外周部の梁部以外に設けられる開口部とを備える。さらに、信号取り出し部の上の蓋部材が除かれている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図面において、同じ参照記号は同一または同等のものを示す。
マイクロパッケージは、マイクロセンサまたはマイクロアクチュエータがマイクロマシニング技術をもって作製された素子ウェハとキャップとがハンダなどで気密封止された構造を備える。本発明に係るマイクロパッケージでは、接合する蓋（キャップ）となる蓋ウェハに素子毎の大きさで素子の外周側に切り込みを加え、微細な梁で、キャリアとなる基板に接続・保持する。素子ウェハと所定の間隔を保つために必要なストッパを蓋側のウェハに設け、素子ウェハと蓋ウェハのキャップ部分を所定間隔に保持する。２つのウェハの接合時に、ウェハの反りを矯正する荷重を素子上の蓋ウェハに印加することで、ウェハの反りを矯正する。また、必要により、素子の上の蓋ウェハに荷重を印加して２つのウェハを接合する。梁を切断することにより、素子ごとに気密封止されたマイクロパッケージが得られる。
【０００８】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１のマイクロパッケージの図２のａ−ａ’で示した破線部の断面図であり、図２は、マイクロパッケージの構造を図式的に示す上面図である。素子ウェハ１の表面には、素子ごとに、マイクロマシニング技術をもって作製されるマイクロセンサ２が基板と分離されて作製されている。また、素子ウェハ１の表面には、マイクロセンサ２から電気信号を取り出すボンディングパッド９と、蓋ウェハ３との接合のため封止位置にほぼ四角形状のメタライズ部７が設けられている。一方、蓋ウェハ３は、キャップ部分と、素子ウェハ１と対向する側に設けた、キャップ部分と素子ウェハ１との間隔を一定に保たせるためのストッパ４とからなる。さらに、蓋ウェハ３の表面には、メタライズ部７に対向する封止位置に設けられるほぼ四角形状のメタライズ部５とその上のハンダ層６が作り込まれている。メタライズ部５とハンダ層６とは、メタライズ部７に対向する位置にあり、２つのメタライズ部５、７と、その間のハンダ層６をもって接合部を形成し、各素子部分（能動部）の気密封止をする。
【０００９】
さらに、図２に示されるように、蓋ウェハ３のキャップ部には、蓋ウェハ３の素子を覆わない部分（素子として機能しない部分）に、具体的にはメタライズ部５の外周近傍に、開口部が、ほぼ四角形状で（梁８の部分を除いて）形成される。さらに、素子を覆う部分１０より厚さの十分薄い部分である梁８が形成される。上述の開口部と梁８とが、接合部の外周部にほぼ四角形状で配置される。また、ストッパ４は、対向するウェハ１の非能動部（素子として動作しない部分）に対応した位置に、柱状または枠状に形成される。ストッパ４を介して素子ウェハ１と蓋ウェハ３を対向させることにより、蓋ウェハ３のキャップ部分と素子ウェハ１との間隔を一定に保たせる。なお、素子と電気的に接続されるボンディングパッド（信号取り出し部）９が、非能動部に設けられる。
【００１０】
このような蓋ウェハ３を用いることで、能動部の外周部で接合ができる。蓋ウェハ３にストッパ４を設けているので、蓋ウェハ３に反り矯正荷重を印加して接合できる。また、接合の後に、梁８を切断して不要なキャップ部分を除去することによってボンディングパッド９を露出させ、ボンディングパッド９において外部回路への接続ができる。
【００１１】
組立の際には、素子ウェハ１と蓋ウェハ３は、それぞれ治具で保持された後、アライメントされる。たとえば、赤外顕微鏡を用いて、蓋ウェハ３と、蓋ウェハ３を透過させた素子ウェハ１とを同時に検知することでアライメント可能である。
【００１２】
封止のための装置には、たとえば以下のような機構を持たせた。素子ウェハ１を保持する治具と、蓋ウェハ３を保持する治具を用意し、さらに、ウェハを所定の温度に昇温する加熱機構、これらの治具を可動し圧着させる機構、ウェハの反りを矯正する荷重機構、素子の接合を補助する荷重機構、封止環境を実現するための真空排気機構、ハンダ表面酸化膜を除去する機構を備える。
【００１３】
図３〜図５は、マイクロパッケージの作製方法を順次示す。アライメントされた治具を封止装置に導入する。まず、ハンダ表面の酸化膜を除去するために真空引き後に、還元ガスを導入した。還元ガスとしては５％水素を含有したアルゴンガスを用いた。アルゴンガスは爆発の危険を回避するための希釈ガスであり、特に機能は発しないため、ガス組成はこれに限らない。次に、たとえば４００℃、数秒に蓋ウェハ３を昇温して酸化膜を除去した。還元後、ウェハを冷却してハンダ６を固化させ、封止雰囲気とした真空状態にする（図３）。ここでは、１ｍＰａ以下に真空引きを行なった。
【００１４】
所望の封止雰囲気が実現した後、ウェハ同士を重ねて、矢印で示すようにストッパ４とキャップ部分に荷重ａ、ｂを印加する（図４）。荷重ａは主にストッパ４上に印加する。このことで、ウェハ３に内在する反りを矯正し、各素子での接合面間隔を一定に保持できる。荷重量はウェハにより異なったが、たとえば１ｋｇｆ印加した。構造破壊なくウェハ反りが矯正される荷重が選択される。
【００１５】
次に各ウェハをハンダの溶解温度以上に昇温した。封止するハンダは融点１８３℃の鉛スズを用いたため、たとえば２３０℃程度に昇温した。ここで、気密封止する全ての蓋のキャップ部分に個別に一定の荷重を印加する。荷重としてはたとえば接合面積当たり０．１ｇ／ｍｍ^２とした。封着後に、ハンダ６が十分固化する温度、たとえば１００℃以下に冷却することで、ウェハ同士の気密封止が完了する。
【００１６】
封止装置からウェハを取り出し、図５に示すように、蓋ウェハ３の不要な保持部分を除去する。この時、梁８の部分を破壊する。梁８が切断されたマイクロパッケージは、マイクロセンサまたはマイクロアクチュエータの複数の能動部分をウェハに形成した素子ウェハと、各能動部分に面する蓋部材と、各蓋部材を素子ウェハの各能動部分の周囲で素子ウェハと接合する接合部とからなる。
【００１７】
図６は、この蓋ウェハ３の不要な保持部分を除去したとき（図５に示す状態）の上面図を示す。全ての梁８をレーザで切断することで、蓋ウェハ３の不要部分が分離される。簡便には素子ウェハ１から蓋ウェハ３を剥がすことで機械的強度が小さい梁８が破壊され分離することが可能であった。この状態で、必要なキャップ部分３’のみで素子ウェハ１の素子部分を気密接合したマイクロパッケージが完成する。このマイクロパッケージは、複数の能動部分を形成した素子ウェハ１と、各能動部分に面する蓋部材３‘と、各蓋部材３’を素子ウェハ１の各能動部分の周囲で素子ウェハと接合する接合部５，６，７とからなる。さらに、電気信号を取り出すボンディングパッド９が露出しているので、ウェハ状態でデバイス特性評価、選別試験などが実施可能である。最終的に、一般的なダイシングをすることで素子が完成する。
【００１８】
この製造法では、蓋ウェハ３に荷重を加えてウェハの反りを矯正しながら、気密封止が可能となる。また、各素子の上に封止される各キャップ部分は連続する１つのウェハ３として取り扱えるため、素子と蓋のアライメントも容易であり、作業性を損なうこともない。
【００１９】
次に、蓋ウェハ３の作製について説明する。蓋ウェハ３はシリコンを用いたときには、よく知られているアルカリ溶液のウエットエッチングや６弗化硫黄ガスをベースとした高速ドライエッチング法などを用いて形成できる。梁８も同様にしてエッチング加工で形成する。シリコンの多段エッチング方法は多岐にわたるが、ここでは図７に示すように作製した。まず、シリコンウェハ３にマスク材１１を形成する。材質はたとえばクロムを用いたが、チタンなどの金属膜か酸化シリコンなども適用可能である。通常のリソグラフによる微細加工技術をもって、マスク材１１を一番深く加工する部分のみ開口し、シリコンを加工する（ａ）。続いて二番目に深くエッチングする部分のマスク材１１を開口し、シリコンを加工する（ｂ）。このとき、最初に開口した部分も同時に深堀される。同様の工程をくり返すことで、多段の深さを有するシリコンウェハが完成する（ｃ）。最後にキャップ部分にメタライズ層とハンダのパターンを形成する。簡便にはリフトオフ法を用いた蒸着法で形成できる。このようにマイクロパッケージを作製すれば、蓋ウェハが単一の材料から形成できる。
【００２０】
なお、高度な真空度を維持するために、気密部分に、たとえば鉄／ジルコン／バナジウムからなるゲッタを備えてもよい。また、低熱伝導性を有するキセノンガスやマイクロセンサの貼り付き防止のための乾燥空気、窒素ガスなどを気密封止してもよい。
【００２１】
さらには、シリコンの赤外線透過性を利用し、素子が赤外センサである場合には、キャップ部分となる面に赤外反射防止膜を形成してもよい。ゲルマニウム製のキャップも利用可能である。ガラス基板を用いて蓋ウェハを作製して、キャップ部分の可視光透過性を利用した光学素子のマイクロパッケージとしてもよい。
【００２２】
実施の形態２．
図８は、蓋ウェハ３の望ましい形状の１例を示す。蓋ウェハ２３のストッパ２４として、たとえば高耐熱性を有するポリイミド膜をキャップ部分の上に形成する。その他に、メッキで作製される金属膜などもストッパ２４として利用可能である。この構造では、素子ウェハ１に対向するキャップ部分がエッチング加工されることがない。このため、鏡面仕上げされたウェハを用いてもその鏡面が損なわれることなく作製可能である。これは蓋ウェハ２３を介して光が透過する光学素子に適している。蓋ウェハ２３に面荒れが生じると光の透過性が損なわれるためである。ポリイミド膜は高温で圧力をかけると対向するウェハと接合されることがあるが、ハンダ接合では２００℃程度で接合できるため、ポリイミドストッパ１２が素子ウェハ１に接合されることなく、蓋ウェハ３の不要部分を除去できる。
【００２３】
さらに、光の透過性を向上するために、蓋ウェハの表面側に反射防止膜を形成しておくことも有用である。反射防止膜は、封止前に作製する必要はなく、封止後で蓋ウェハ３の不要部分を除去する前に形成することが簡便である。このときパッド部分９は蓋ウェハ３の不要部分でおおわれているため、信号取り出し機能を損なうことはない。
【００２４】
実施の形態３．
図９に示す実施の形態３のマイクロパッケージの蓋ウェハ４３の構造は、素子の集積度が若干低下するものの、作製が簡便である。蓋ウェハ４３として、ウェハの中間と両側の表面に誘電体である酸化シリコンを有するものを用いる。これにより簡便な加工により蓋ウェハが形成できる。まず、開口したい部分の表面に配置された酸化シリコン膜をパターニングし、その後、よく知られたアルカリ水溶液によるシリコン結晶異方性加工を行う。簡便的には、梁４８の部分でウェハ中に配置した酸化シリコン膜を露出させないように、基板厚と結晶面を考慮して設計する。ウェハ４３は結晶異方性で加工されるため、全ての溝を垂直に加工できないため、多少集積度が低下する。作製された蓋ウェハ４３は、フッ酸などの薬液を用いてウェハの中間に設けてある不要な酸化シリコンを除去する。ストッパ４４とメタライズ部５の形成は異方性エッチの前後いずれでも可能であるが、望ましくは異方性エッチ後に不要な酸化シリコンを除去する前に実施することが好ましい。これは、蓋ウェハ３内の封止される部分と不要部分とが酸化シリコンで全て接続され強度が高い状態であるためである。
【００２５】
実施の形態４．
図１０は、実施の形態４のマイクロパッケージの構造を示す。蓋ウェハ６３の梁６８に誘電体である酸化シリコンなどの薄膜を用いる。梁６８が不要な部分は予め除去される。作製方法としては実施の形態１や３に示された方法などが適用可能である。この構造により、簡便な加工により蓋ウェハが作製できる。
【００２６】
また、蓋ウェハ３の梁８の平面形状としては、図２に示される以外にも、図１１に示す構造も可能である。この構造では、４角形状の４隅に梁８が設けられる。多数の梁８を配置することで、素子毎に印加する荷重を正確に封止部の中心にする必要がなく、封止部分に均等な荷重印加が可能になる。
【００２７】
実施の形態５．
図１２は、より精度のよいアライメント精度を有するマイクロパッケージ作製方法を示す。実施の形態１では、予めアライメントされた治具付きウェハを封止装置内で機械精度をもって重ね合わせ接合した。この実施の形態の方法では、素子ウェハ１と蓋ウェハ３にそれぞれリソグラフィによるアライメントマーク１３を作製する。アライメントマーク１３が貫通穴の場合には、レーザを透過させてレーザ強度をみることでアライメントされる。また、真空装置内に通常の接写顕微鏡や、シリコン基板を用いるときには赤外顕微鏡などを用いてアライメント可能である。アライメントマークを用いて精度よくアライメントができる。
【００２８】
実施の形態６．
図１３は、蓋ウェハ３の不要部分を除去する別の方法を示す。この方法では、蓋ウェハ３の不要部分を除去すると同時に素子ウェハも切断する。図１３に示す蓋ウェハ３において、ボンディングパッド９と離れた位置に梁８を設け、また、隣接素子の間の梁８の位置を近接させておく。蓋ウェハ３の開口部はボンディングパッド９が１列に形成されている部分に並行に設けられる。図の中央の複数の梁８を結ぶ線（左右方向の線１２）に沿って素子ウェハ１を蓋ウェハ３ごと切断する。線１２に沿った切断予定部分には、各素子に必要なものは含まれていない。これにより、梁８が分離されると同時に、不要な蓋ウェハ部分が除去できる。ウェハの切断を端から端まで行わず、ウェハ外周の素子から反対側のウェハ外周素子部分まで選択的に切断することで、不要な蓋ウェハはウェハ上に保持され、切断装置に切りかすが巻き込まれることなく加工できる。
【００２９】
実施の形態７．
図１４は、複雑な封止プロセスを用いず気密封止可能なマイクロパッケージを示す。図１４は、図１５に示した平面図のａ−ａ’断面図である。メタライズ部５は、蓋ウェハ８３のキャップ部分の下部に配置されるが、梁８８を設けない部分１４の近傍には、封止のためのハンダ６およびメタライズ部５を設けていない。この部分１４が排気穴として機能する。この構成で、実施の形態１と同様に、ウェハのアライメント、ハンダの還元、ハンダ溶着を行う。メタライズ部５を設けていない部分１４には、近傍から回り込むハンダは生じるが、この段階では気密封止されない。この完成していないウェハを、よく知られた蒸着装置を用いて、たとえばハンダ１５を真空蒸着して、排気穴（部分１４）を蒸着膜で封じる。素子内部は、蒸着時に行なう真空引きで真空状態となる。蒸着は、望ましくは蒸着源に対して傾斜させ、側面での膜付きを促進するようにして実施することが望ましい。蒸着後に不要な蓋ウェハを除去することで、マイクロパッケージが同様に完成する。このように、ハンダ接合工程と蒸着による封止工程を分けることで、ハンダ接合に必要な設備を簡略化できる。
【００３０】
特に、光学素子として利用する場合にはキャップ上に金属層を設けることは不可能になるため、キャップ上に犠牲層を用いたリフトオフ法などによる封止ハンダ除去方法などを用いることで除去可能である。
【００３１】
【発明の効果】
マイクロパッケージにおいて、素子ウェハと蓋部材を、ウェハに形成した能動部分（素子）の単位で接合できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１のマイクロパッケージの断面図
【図２】図１に示すマイクロパッケージの上面図
【図３】マイクロパッケージの製造工程を示す図
【図４】マイクロパッケージの次の製造工程を示す図
【図５】マイクロパッケージの次の製造工程を示す図
【図６】図５に示すマイクロパッケージの上面図
【図７】蓋ウェハの製作を説明するための図
【図８】実施の形態２のマイクロパッケージの断面図
【図９】実施の形態３のマイクロパッケージの断面図
【図１０】実施の形態４のマイクロパッケージの断面図
【図１１】蓋ウェハの梁の位置の別の例を示す図
【図１２】より精度のよいアライメント精度を有する作製方法を示す図
【図１３】蓋ウェハの不要な部分を除去する方法を示す図
【図１４】複雑な封止プロセスを用いずに気密封止可能なマイクロパッケージの断面図
【図１５】複雑な封止プロセスを用いずに気密封止可能なマイクロパッケージの上面図
【符号の説明】
１ 素子ウェハ、 ２ マイクロセンサ、 ３ 蓋ウェハ、 ４ ストッパ、 ６ ハンダ層、 ８ 梁部、 ９ ボンディングパッド。

Claims (7)

1. マイクロセンサまたはマイクロアクチュエータの複数の能動部分をウェハに形成した素子ウェハと、蓋部材と、素子ウェハと蓋部材とを素子ウェハの各能動部分の周囲で気密に封止する接合部とからなり、
   素子ウェハは、接合部に対して能動部分と反対の側に信号取り出し部を備え、
   蓋部材は、接合部で接合されている位置の外周部の一部が、能動部分に面する部分より厚さの薄い梁部と、前記の外周部の梁部以外に設けられる開口部とを備え、
   信号取り出し部の上の蓋部材が除かれていることを特徴とするマイクロパッケージ。
2. 前記の蓋部材は、素子の能動部分でない位置に、能動部分の蓋となる部分から一定の高さを有するスペーサを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載されたマイクロパッケージ。
3. 蓋部材において、スペーサが、その他の部分と異なる材料からなることを特徴とする請求項２に記載されたマイクロパッケージ。
4. 少なくとも素子ウェハを横切る一辺にそって、蓋部材の梁が配置され、信号取り出し部が、その一辺から外れた場所に設けられ、その一辺にそって、蓋部材と素子ウェハとが切断されていることを特徴とする請求項１に記載されたマイクロパッケージ。
5. マイクロセンサまたはマイクロアクチュエータの複数の能動部分をウェハに形成し、
   ウェハと接合される蓋部材であって、ウェハの能動部分に面する部分の外周部の一部が他の部分より厚さの薄い梁部であり、かつ、前記の外周部の梁部以外が開口部である蓋部材を作製し、
   素子ウェハを、その各能動部分の周囲で接合材で蓋部材と接合し、
   次に、蓋部材の梁部を切断する
   ことを特徴とするマイクロパッケージ製造法。
6. 蓋部材の梁部の切断の際に続いてウェハも切断することを特徴とする請求項５に記載されたマイクロパッケージ製造法。
7. 前記の接合において、接合の際に外周部の一部は接合材で接合されていない状態で梁部を切断した後に、非接合部を蒸着膜で封じることを特徴とする請求項５に記載されたマイクロパッケージ製造法。

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