(57)【要約】  本発明は、微小構造体装置の製造方法に関する。第２基板３の表面上に、ロウ材からなるボールと金属ボールとを含むペーストを塗布する塗布ステップと、ペーストを、ロウ材からなるボールの融点以上であって、かつ該ロウ材からなるボールおよび金属ボールにそれぞれ含まれる材料の化合物を介して金属ボール同士が連結される温度未満の温度に加熱する加熱ステップと、ペーストに第１基板２の表面を接触させて、第１基板と第２基板とを熱圧着し、第１基板および第２基板を、化合物と金属ボールとを介して接続する熱圧着ステップとを備えてなる。
2008108413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に微小構造体が設けられた第１基板と、
表面が前記微小構造体に対向するように設けられた第２基板と、
前記第１基板および前記第２基板の対向する前記表面同士を接合するとともに、前記微小構造体を取り囲んで封止する封止材と
を備え、
前記封止材は、フィラーを含むロウ材から成ることを特徴とする微小構造体装置。
【請求項２】
前記フィラーは、金属ボールからなることを特徴とする請求項１に記載の微小構造体装置。
【請求項３】
前記金属ボールは、銅、銀またはニッケルからなることを特徴とする請求項２に記載の微小構造体装置。
【請求項４】
前記フィラーは、中心粒径が１５μｍ〜３０μｍのボール形状であることを特徴とする請求項２または３に記載の微小構造体装置。
【請求項５】
前記フィラーは、前記封止材における重量比が２〜１５％であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の微小構造体装置。
【請求項６】
前記封止材は、複数のフィラーを含み、
平面視したときに、前記フィラー同士は離間しており、前記各フィラーは、前記ロウ材により取り囲まれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の微小構造体装置。
【請求項７】
前記第１基板の前記表面および前記第２基板の前記表面の少なくとも一方において前記封止材が接合される領域に導体パターンが設けられ、
前記導体パターンは、ニッケル、金又はパラジウムを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の微小構造体装置。
【請求項８】
前記導体パターンは、その表面に、ニッケル、金又はパラジウムからなるメッキが施されていることを特徴とする請求項７に記載の微小構造体装置。
【請求項９】
前記封止材は、銅からなるフィラーを含むＳｎ系ロウ材から成り、
前記フィラー同士は、ＳｎＣｕＮｉ系合金、ＳｎＣｕＡｕ系合金又はＳｎＣｕＰｄ系合金からなる化合物により連結されていることを特徴とする請求項８に記載の微小構造体装置。
【請求項１０】
前記第１基板と前記フィラーとの間および該フィラーと前記第２基板との間の少なくとも一方は、ＳｎＣｕＮｉ系合金、ＳｎＣｕＡｕ系合金又はＳｎＣｕＰｄ系合金からなる化合物により連結されていることを特徴とする請求項８または９に記載の微小構造体装置。
【請求項１１】
前記ロウ材は、Ｓｎ系ロウ材であり、前記金属ボールは銅からなり、前記第１基板と前記封止材との界面および前記第２基板と前記封止材との界面の少なくとも一方に、Ｃｕ６Ｓｎ５からなるＣｕＳｎ化合物層が存在することを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の微小構造体装置。
【請求項１２】
前記フィラーは、樹脂ボールまたはプラスチックボールからなることを特徴とする請求項１に記載の微小構造体装置。
【請求項１３】
前記ロウ材は、ＳｎＡｇ、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎおよびＳｎＡｇＣｕのいずれかの材料を主成分とすることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の微小構造体装置。
【請求項１４】
前記第１基板の前記表面に前記微小構造体に電気的に接続された電極が設けられ、
前記第２基板の表面および内部に設けられ、一端が前記第２基板の前記第１基板に対向する表面に導出される配線導体と、
前記電極と前記配線導体の前記一端とを接続する導電性部材と
を備え、
前記導電性部材は、前記封止材と同一の材料から成ることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の微小構造体装置。
【請求項１５】
表面に微小構造体が設けられた第１基板と、表面が前記微小構造体に対向するように設けられた第２基板と、前記第１基板および前記第２基板の対向する表面同士を接合するとともに、前記微小構造体を取り囲んで封止する封止材とを有する微小構造体装置を製造する微小構造体装置の製造方法であって、
前記第２基板の前記表面上に、ロウ材からなるボールと金属ボールとを含むペーストを塗布する塗布ステップと、
前記ペーストを、前記ロウ材からなるボールの融点以上、かつ前記ロウ材からなるボールおよび前記金属ボールをそれぞれ構成する材料の化合物が生成される温度以上であって、該化合物を介して前記金属ボール同士が連結される温度未満の温度に加熱する加熱ステップと、
前記ペーストに前記第１基板の前記表面を接触させて、前記第１基板と前記第２基板とを熱圧着し、前記第１基板および前記第２基板を、前記化合物と前記金属ボールとを介して接続する熱圧着ステップと
を備えることを特徴とする微小構造体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記塗布ステップの前に、前記第２基板の前記表面および前記第１基板の前記表面の少なくとも一方に、複数の層からなるとともに、最表層として銅からなるＣｕ金属層を有する導体パターンを形成する導体パターン形成ステップを備え、
前記塗布ステップにおいて、前記第２基板の前記表面上に、Ｓｎ系ロウ材からなるボールと銅からなる金属ボールとを含むペーストを塗布することを特徴とする請求項１５に記載の微小構造体装置の製造方法。
【請求項１７】
Ｓｎ系ロウ材からなるボールの重量に対する前記金属ボールの重量および前記Ｃｕ金属層の重量の総和の割合は、１／１０以上１／２以下であることを特徴とする請求項１６に記載の微小構造体装置の製造方法。
【請求項１８】
表面に微小構造体が設けられた第１基板と、表面が前記微小構造体に対向するように設けられた第２基板と、前記第１基板および前記第２基板の対向する表面同士を接合するとともに、前記微小構造体を取り囲んで封止する封止材とを有する微小構造体装置を製造する微小構造体装置の製造方法であって、
前記第１基板および前記第２基板を準備する準備ステップであって、対向すべき前記第１基板の前記表面および前記第２基板の前記表面の少なくとも一方には導体パターンが設けられる、前記第１基板および前記第２基板を準備する準備ステップと、
前記第２基板の前記表面上に、ロウ材からなるボールと金属ボールとを含むペーストを塗布する塗布ステップと、
前記ペーストを、前記ロウ材からなるボールの融点以上、かつ前記導体パターンを構成する材料が前記ペーストの内部に拡散する温度以上であって、前記ロウ材からなるボール、前記金属ボール、および前記導電パターンをそれぞれ構成する材料からなる化合物を介して前記金属ボール同士が連結される温度未満の温度に加熱する加熱ステップと、
前記ペーストに前記第１基板の前記表面を接触させて、前記第１基板と前記第２基板とを熱圧着し、前記第１基板および前記第２基板を、前記化合物と前記金属ボールとを介して接続する熱圧着ステップと
を備えることを特徴とする微小構造体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記導体パターンは、複数の層からなるとともに、最表層としてニッケル、金、またはパラジウムからなる金属層を有することを特徴とする請求項１８に記載の微小構造体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記塗布ステップにおいて、前記第２基板の前記表面上に、Ｓｎ系ロウ材からなるボールと銅からなる金属ボールとを含むペーストを塗布し、
前記金属ボールは、前記封止材における重量比が２〜１５％であり、
前記金属層が、金またはパラジウムからなる場合に、前記Ｓｎ系ロウ材からなるボールの重量に対する前記金属層の重量の割合は、１／３００以上１／１００以下であることを特徴とする請求項１９に記載の微小構造体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記導体パターンは、複数の層からなるとともに、最表層となるパラジウムからなるＰｄ金属層と該Ｐｄ金属層の下層となるニッケルからなるＮｉ金属層とを有することを特徴とする請求項１８に記載の微小構造体装置の製造方法。
【請求項２２】
前記塗布ステップにおいて、前記第２基板の前記表面上に、Ｓｎ系ロウ材からなるボールと銅からなる金属ボールとを含むペーストを塗布し、
前記金属ボールは、前記封止材における重量比が２〜１５％であり、
前記Ｓｎ系ロウ材からなるボールの重量に対する前記Ｐｄ金属層の重量の割合は、１／３００以上１／１００以下であり、前記Ｓｎ系ロウ材からなるボールの重量に対する前記Ｎｉ金属層の重量の割合は、１／３０以上１／１０以下であることを特徴とする請求項２１に記載の微小構造体装置の製造方法。
【請求項２３】
前記塗布ステップにおいて塗布するペーストは、フラックスを含み、
前記加熱ステップに続いて、前記第２基板の前記表面を洗浄して前記フラックスを除去する洗浄ステップを備えることを特徴とする請求項１５〜２２のいずれかに記載の微小構造体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば弾性表面波（ＳＡＷ）素子又は微小電子機械機構（ＭＥＭＳ）等の微小構造体を２つの基板間で封止する構成を備えた微小構造体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンウエハー等の半導体基板の表面に、半導体集積回路素子等の微細配線を形成する加工技術を応用して、極めて微小な電子機械機構、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electromechanical System）を形成した電子部品が注目され、実用化に向けて開発が進められている。
このようなＭＥＭＳは、汚染を防ぐために、外部から封止することが必要であり、封止材として、樹脂やガラス等の種々の材料が用いられている。とりわけロウ材、特に融点が４５０度以下である半田は、気密性に優れていること、およびＭＥＭＳに対しての影響が少ない温度領域での封止が可能であることから封止材として適している（例えば、特開２００５−２５１８９８号公報）。さらに、近年の鉛フリー化の動向より、封止材として、例えばＳｎＡｇＣｕ（錫−銀−銅）系半田が使用され始めている。
一方、近年のＭＥＭＳの開発動向においては、シリコンウエハー上若しくはガラスウエハー上に複数の微小構造体を形成した後、それを各個片チップに切断する前にＭＥＭＳ構造を封止してしまういわゆるウエハーレベルパッケージ手法が行われることが一般的である。また、ＭＥＭＳが形成されたウエハーと封止用基板とをウエハーレベルパッケージ手法で接合する場合、熱圧着による接合が一般的に用いられる。熱圧着による接合では、ウエハーおよび封止用基板を、それらの反りやうねりを修正しながら接合することができる。
しかし、ＳｎＡｇＣｕ系半田を間に挟んだ状態でウエハーと封止用基板とを熱圧着すると、ＳｎＡｇＣｕ系半田が共晶点以上の温度に加熱されるため、半田が溶けてしまい、さらに荷重によって半田が濡れ広がってしまうという問題がある。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、微小構造体の封止材としてロウ材を用いるとともに、製造過程で荷重がかけられてもロウ材が押し潰されることを抑制することができ、微小構造体を気密に封止することができる微小構造体装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の微小構造体装置は、表面に微小構造体が設けられた第１基板と、表面が微小構造体に対向するように設けられた第２基板と、第１基板および第２基板の対向する表面同士を接合する封止材とを備える。封止材は、微小構造体を取り囲んで封止する。そして、封止材は、フィラーを含むロウ材から成る。
また、本発明の微小構造体装置の製造方法は、表面に微小構造体が設けられた第１基板と、表面が微小構造体に対向するように設けられた第２基板と、第１基板および第２基板の対向する表面同士を接合するとともに、微小構造体を取り囲んで封止する封止材とを有する微小構造体装置を製造する方法である。この製造方法は、第２基板の表面上に、ロウ材からなるボールと金属ボールとを含むペーストを塗布する塗布ステップと、ペーストを、ロウ材からなるボールの融点以上、かつロウ材からなるボールおよび金属ボールをそれぞれ構成する材料の化合物が生成される温度以上であって、化合物を介して金属ボール同士が連結される温度未満の温度に加熱する加熱ステップと、ペーストに第１基板の表面を接触させて、第１基板と第２基板とを熱圧着し、第１基板および第２基板を、化合物と金属ボールとを介して接続する熱圧着ステップとを備える。
また、本発明の微小構造体装置の製造方法は、表面に微小構造体が設けられた第１基板と、表面が微小構造体に対向するように設けられた第２基板と、第１基板および第２基板の対向する表面同士を接合するとともに、微小構造体を取り囲んで封止する封止材とを有する微小構造体装置を製造する方法である。この製造方法は、第１基板および第２基板を準備する準備ステップであって、対向すべき第１基板の表面および第２基板の表面の少なくとも一方には導体パターンが設けられる、第１基板および第２基板を準備する準備ステップと、第２基板の表面上に、ロウ材からなるボールと金属ボールとを含むペーストを塗布する塗布ステップと、ペーストを、ロウ材からなるボールの融点以上、かつ導体パターンを構成する材料がペーストの内部に拡散する温度以上であって、ロウ材からなるボール、金属ボール、および導電パターンをそれぞれ構成する材料からなる化合物を介して金属ボール同士が連結される温度未満の温度に加熱する加熱ステップと、ペーストに第１基板の表面を接触させて、第１基板と第２基板とを熱圧着し、第１基板および第２基板を、化合物と金属ボールとを介して接続する熱圧着ステップとを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
図１は、本発明の第１の実施形態による微小構造体装置の構成例を示す断面図であり、図２に示した平面図のＡ−Ａ線における断面図である。
図２は、図１に示された微小構造体装置の平面図である。
図３Ａ〜図３Ｄは、本発明の第１の実施形態による微小構造体装置の製造方法の一例をそれぞれ工程順に示した図である。
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の第２の実施形態による微小構造体装置の製造方法の一例をそれぞれ工程順に示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の微小構造体装置の実施形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１および図２に示されるように、本実施形態による微小構造体装置１は、第１基板２と第２基板３とを備える。第１基板の表面２ａには、微小構造体４が設けられる。第１基板２と第２基板３とは、第１基板の表面２ａと第２基板３の表面３ａが対向するように配置される。また、微小構造体装置１は、第１基板２および第２基板３の対向する表面２ａ，３ａ同士を接合するとともに、微小構造体４を取り囲んで封止する封止材５を備える。さらに、微小構造体装置１は、第１基板２の表面２ａに設けられた電極６と、第２基板３の表面３ａに設けられた配線導体７とを電気的に接続する導電性部材８を備える。ここで、封止材５は、半田９にフィラー１０を添加することにより構成される。
微小構造体４は、例えば水晶又は半導体等から形成されているデバイスである。特に封止が必要となるデバイスの例として、ＳＡＷ素子、水晶振動子、又はＭＥＭＳがあげられる。ここで、ＭＥＭＳを例に挙げて説明すると、ＭＥＭＳは例えば光スイッチ，ディスプレイデバイス，加速度センサ，圧力センサなどの各種センサ，電気スイッチ，インダクタ，キャパシタ，共振器，アンテナ，マイクロリレー，ハードディスク用磁気ヘッド，マイク，バイオセンサー，ＤＮＡチップ，マイクロリアクタ，またはプリントヘッドなどの機能を有する。これらのＭＥＭＳは、半導体微細加工技術を基本としたいわゆるマイクロマシニング法で作る部品であり、１素子あたり１０μｍ〜数百μｍ程度の寸法を有する。
第１基板２は、シリコンまたはガリウム砒素などの半導体からなり、表面に膜形成とエッチングとを繰り返し、デバイスを形成する。また、ＭＥＭＳを形成する場合、第１基板２は半導体に限られるものではなく、パイレックス（登録商標）ガラスなどのガラス基板であってもよい。
電極６は、第１基板２上に形成されており、主に薄膜の形成方法、例えばスパッタ、または化学気相堆積（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）などの方法を用いて作製される。作製される薄膜はチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、または白金（Ｐｔ）などが挙げられ、多層薄膜になっていても良い。また、多層薄膜の場合は、最表層はＡｕ等のＳｎとの濡れ性が良好な金属であることが望ましい。
第２基板３は、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体，炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、若しくはガラスセラミック焼結体等のセラミック材料により形成される。
第２基板３は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウムとガラス粉末等の原料粉末をシート上に成形して成るグリーンシートを積層し、焼成することにより形成される。なお、第２基板３は、酸化アルミニウム質焼結体で形成するものに限らず、用途や気密封止する微小構造体４の特性等に応じて適したものを選択することが好ましい。
例えば、第２基板３は、封止材５を介して第１基板２と機械的に接合されるので、第１基板２との接合の信頼性、つまり微小構造体４の封止の気密性を高くするためには、第１基板２との熱膨張係数の差が小さい材料で形成することが好ましい。このような材料としては、例えば、ムライト質焼結体、または例えばガラス成分の種類および添加量を調整することにより熱膨張係数を第１基板２に近似させるようにした酸化アルミニウム−ホウ珪酸ガラス系等のガラスセラミック焼結体等が挙げられる。
配線導体７は、銅，銀，金，パラジウム，タングステン，モリブデン，若しくはマンガン等の金属材料により形成される。これらの形成方法としては、例えば、第２基板３がセラミックであり、かつ配線導体７が厚膜法により形成された銅である場合、銅粉末とガラス粉末に適当な有機バインダ，および溶剤を添加混合した金属ペーストを、第２基板３となるグリーンシートにスクリーン印刷等により印刷してこれをグリーンシートとともに焼成することにより形成される。
また、酸化アルミニウムフィラーとホウ珪酸ガラス系とを含んだガラスを焼結したガラスセラミック焼結体は、電気抵抗の小さい銅または銀により配線導体が形成できること、および比誘電率が低く電気信号の遅延を抑制することができるため、高周波信号を取り扱う第２基板３の材料として好ましい。
なお、第２基板３は、微小構造体４を封止するための蓋体としての機能、および導体パターン等を形成するための基体としての機能を確保できる範囲であれば基板の形状は特に限定されるものでない。
また、第２基板３の上面に、微小構造体４を内側に収めるような凹部を形成しておいてもよい。凹部内に微小構造体４の一部を収めるようにしておくと、微小構造体４を取り囲むための封止材５の高さを低く抑えることができ、微小構造体装置１の低背化に有利なものとなる。また、第１基板２および第２基板３を平面視したときの外寸法は、微小構造体装置１の小型化のため、例えば四角形状で、１辺の長さが数ｍｍ程度の大きさが望ましい。
封止材５は、枠状部材であり、封止材５で取り囲まれた内側空間に微小構造体４を収容するように、第１基板２と第２基板３との間に介在する。封止材５は、微小構造体４を上記内側空間に気密封止するための側壁として機能する。この場合、第２基板３の上面が平面状の場合、封止材５の厚みが微小構造体４の封止空間の厚みに相当するため、簡易な構造で微小構造体４の封止空間を形成することができる。
微小構造体装置１において、封止材５は、フィラー１０を含む半田９により形成されている。半田９は、例えばＳｎＡｇ系若しくはＳｎＡｇＣｕ系の半田である。より高い信頼性を確保する場合には、封止材５の高さは５０μｍ以上であることが望ましい。半田９は、セラミックスや半導体に比べて弾性率が小さいので変形が大きく、歪を内部に溜め込まない性質がある。この性質は、半田の量が多いほど顕著であるため、封止材５の高さを５０μｍ以上にすることで、歪の緩和効果が顕著となる。
また、半田９の低融点化を行う場合には、半田９に他の材料を添加すればよい。半田９が、例えばＳｎＡｇＣｕ系半田である場合には、ビスマス、亜鉛、またはパラジウムなどの微量成分を加えることにより融点を下げることができる。
フィラー１０は、例えば銅、銀、またはニッケルなどの金属球（金属ボール）で作製されている。このフィラー１０は、錫（Ｓｎ）との濡れ性がよく、Ｓｎと金属間化合物を形成し、その金属間化合物によって封止材５の耐熱性および低弾性率を実現できる金属であればよい。たとえば、金のように、Ｓｎとの間で金属間化合物（ＡｕＳｎ化合物）を形成し、かつその金属間化合物の融点がＳｎの融点よりも高い金属であればよい。
また、フィラー１０は、樹脂ボールであってもよい。フィラー１０が樹脂ボールの場合、樹脂材料としてはアクリル系などが一般的であり、特に半田部分の高周波特性が微小構造体４に影響を与えるような場合にはテフロン（登録商標）系の樹脂材料がよい。半田との濡れ性を考えた場合、樹脂ボールの表面はメッキなどの手法で金属コーティングされていても良い。樹脂材料は前述の材料系に限定されるものではなく、実装信頼性を満足することができればその他の材料系であってもよい。
なお、フィラー１０が、金属ボールである場合、半田材料の導電率を高くすることができることから、封止材５を、基準電位を供給する導体として、例えば安定した接地導体として用いることができる。また、フィラー１０を含む半田から成る封止材５は、熱伝導率が高くなることから、発熱量の大きな微小構造体４に対して有効な封止手段となる。
また、フィラー１０が、樹脂ボールまたはプラスチックボールである場合、フィラー１０のヤング率を低下させることができ、温度サイクルが半田９にかかったときにフィラー１０が自由に変形することによって、実装信頼性が向上する。
なお、半田９の種類としては、ＳｎＣｕ、またはＡｕＳｎ等であってよい。また、上述の説明では、封止材５として、フィラー１０を含む半田９を例に挙げたが、融点が４５０度を超えるロウ材であってもよい。ここで、半田はロウ材の一種であり、融点が４５０度以下のロウ材をいう。
なお、第１基板２の表面２ａおよび第２基板３の表面３ａには、封止材５との濡れ性を良くするためにパッドが形成される。このパッドは、例えば、厚膜法により形成されたＣｕ若しくはＡｇからなる膜であってよい。
次に、微小構造体装置１の製造方法について、図３Ａ〜図３Ｄに基づいて説明する。図３Ａ〜図３Ｄは、本実施形態による微小構造体装置１の製造工程における封止材５の形成方法を説明するための図である。なお、図３Ａ〜図３Ｄにおいて図１と同じ部位には同じ符号を付してある。
まず、図３Ａに示すように、第２基板３上に封止材５となるペースト２０を塗布する。ペースト２０は、Ｓｎ系半田からなるボール（以下、単に「半田ボール」という。）２１、フィラー１０およびフラックス２３からなり、スクリーンプリントなどの手法を用いて第２基板３上に形成される。典型的な半田ボール２１の粒径は、５〜３０μｍ程度である。フラックス２３は、半田ボール２１およびフィラー１０の粒子間に充填される。フラックス２３は、有機物からなり、ハロゲン系の有機成分などの金属酸化膜を除去する能力を有するものであって、同時に半田ボール２１およびフィラー１０を混錬させる場合のバインダとしての役割も果たす。フラックス２３の含有量は、その酸化膜除去能力、並びにフィラー１０が混入したペースト２０の粘度およびレオロジーなどを考慮して、ペースト２０全体に対して９〜１３重量％程度であることが一般的である。なお、第２基板３上には、半田との濡れ性を確保するために、ＣｕまたはＡｇなどの金属（本実施形態ではＣｕ）からなる導体パターンであるパッド３ｂを設けることが好ましい。なお、本実施形態のようにパッド３ｂがＣｕからなる場合、Ｓｎ系半田からなるボールの重量に対するフィラー１０の重量およびパッド３ｂの重量の総和の割合は、１／１０以上１／２以下であることが好ましい。この重量比は、封止材５の断面を削りだし、波長分散型ＥＰＭＡ（Electro Probe Micro Analysis）などの手法を用いて断面の元素分布をマッピングし、そのマッピングされた元素の面積換算から測定することができる。
次に、図３Ｂに示すように、熱処理を行うことにより半田ボール２１を溶融させて、第２基板３上に半田プリコートを形成する。この工程では、封止材５となるペースト２０にある程度の流動性を持たせた半田プリコートを作製し、次の工程で行われる、第１基板２の半田９に対する接合を容易にする。半田プリコートを形成する場合には、第２基板３上に塗布されたペースト２０をリフロー装置などの内部で温度処理して、半田ボール２１を溶融する。この段階では、半田ボール２１およびフラックス２３が溶融し、場合によっては、半田ボール２１とフィラー１０の金属間化合物２４が形成される。この金属間化合物は、Ｃｕ６Ｓｎ５から成るＣｕＳｎ化合物である。また、フラックス２３は、溶融した半田を覆うように半田プリコートの表面に配置される。
特に、半田ボール２１がＳｎＡｇＣｕ系半田からなり、フィラー１０が銅ボールから成る場合には、リフロー装置内は金属酸化物の形成を抑制するために窒素雰囲気であることが望ましい。また、フラックス２３の残留による半田プリコート内のボイドの発生を抑制するために、フラックス２３の蒸発が始まる発火点（flushing point）以上で温度を維持し、フラックス２３を半田プリコートから除去した後に、半田ボール２１の融点以上での溶融を行ってもよい。
本工程では、リフロー時の温度をある程度の温度までしか上げない。これは、フィラー１０の周りに半田ボール２１とフィラー１０の金属間化合物からなる金属間化合物層２４が成長しすぎることによって金属ボール１０同士が連結することにより半田の流動性がなくなってしまうことを抑制するためである。ＳｎＡｇＣｕ系半田とＣｕのフィラー１０の組み合わせにおいては、一般的に、リフローの温度を２５０℃未満にすることでＳｎＣｕ金属間化合物の形成が抑制されることが確認されている。
好ましくは、上記リフロー工程の後にフラックスを洗浄し、第２基板３上のフラックス残渣を取り除く。洗浄剤としては、界面活性剤、第４石油類洗浄剤、またはアルコール系の洗浄剤が用いられる。このように、フラックスを洗浄することにより、微小構造体装置１の内部の汚染を抑制することができるので、より高品質かつ高性能な微小構造体装置１を提供することができる。特に微小構造体４がＭＥＭＳの場合は、稼動部分の汚染を抑制することができるため、この効果は顕著である。
次に、図３Ｃに第１基板２を準備する工程を示す。第１基板２は、主にシリコンで作製されたＭＥＭＳ等の微小構造体４を搭載した基板である。ＭＥＭＳの３次元構造は、シリコンの微細配線技術を応用することにより作製される。具体的には、配線導体として、Ｃｕ、Ａｕ、アルミニウム（Ａｌ）等の導体からなる薄膜を形成した後に、シリコンを化学的、または物理的手法を用いてエッチングを行う。化学的手法として一般的なものはフッ酸（ＨＦ）を用いたウエットエッチング手法などがあり、物理的エッチング手法としてはＤ−ＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）などの手法がある。なお、第１基板２における半田プリコートと接する表面には、濡れ性を確保するために、金属からなる導体パターンであるパッド２ｂを設けることが好ましい。
次に、図３Ｄのように第１基板２と第２基板３とを熱圧着する。熱圧着を行うときの圧力範囲は０．１〜１０ＭＰa程度がよい。また、温度範囲は、図３Ｂの半田プリコート形成時の温度よりも高く設定され、通常、２５０℃以上の温度領域が望ましい。この工程では、金属間化合物層２４が十分に成長し、金属間化合物層２４を介して、第１基板２と第２基板３とが強固に接合される。すなわち、第１基板２と封止材５との界面および第２基板３と封止材５との界面の少なくとも一方に、Ｃｕ６Ｓｎ５から成るＣｕＳｎ化合物層が存在する。
なお、温度範囲が３５０℃以下であると、半田材料からの脱ガスや金属間化合物層２４の再溶融などの問題による実装歩留まりの低下を抑制できる。
本実施形態による微小構造体装置１によれば、封止材５がフィラー１０を含む半田９から構成されるので、製造過程で荷重がかけられても半田９が押し潰れてしまうことを抑制することができる。よって、熱圧着を利用して封止材５を形成する際に、フィラー１０により半田９の流動性が抑制され、半田９に圧力がかかったとしても半田９の材料が押し潰れてしまうことを抑制することができる。これにより、封止材５の高さが確保され、気密封止信頼性を確保することができる。
また、上述の製造方法においては、半田ボール２１をその融点を越える温度まで加熱しても、フィラー１０が添加されているためにその流動性が抑制されることから、半田ボール２１の融点以上であって、半田ボール２１と金属ボール１０との化合物を介して金属ボール１０同士が連結される温度までの間は、ある程度の粘性をもった半田プリコートの状態が保持される。この半田プリコートの状態で第１基板２を半田９に接合させることができるので、第１基板と半田９との密着性が上がり、その後の熱圧着工程を効率良く行なうことができる。よって、気密封止信頼性の優れた微小構造体装置１を実現することができる。
なお、本実施形態による微小構造体装置１では、半田プリコートが形成される工程（図３Ｂ）において、金属ボール１０同士が連結することを抑制するため、半田９とフィラー１０の混合物に対するフィラー１０の添加量が重量比で１５％以下であることが望まれる。また、添加量が重量比で２％以上である場合には、半田の流動性を低下させ、半田の耐熱性を十分に得ることができることから、熱圧着時に半田が潰れて流れてしまう問題点や耐熱性を解決することができる。
ペースト２０におけるフィラー１０の重量比は、ペースト２０の密度測定を行い、主原料となっている半田９とフィラー１０の重量比を測定することにより求められる。
熱圧着後に封止材５内のフィラー１０の重量比を測定する方法としては、封止材５の断面を削りだし、波長分散型ＥＰＭＡなどの手法を用いて断面の元素分布をマッピングし、そのマッピングされた元素の面積換算からフィラー１０の重量比を測定する方法がある。
なお、ペースト２０から得られるフィラー１０の重量比と、熱圧着後の封止材５から得られるフィラー１０の重量比との間で、誤差はほとんどない。
また、フィラー１０は、半田の流動性を適度に低下させ、熱圧着を行ったときに半田のつぶれを抑制する効果を得るために、その中心粒径は１５μｍ以上３０μｍ未満であればよい。中心粒径が１５μｍ以上であれば、第１基板２に負荷される荷重をフィラー１０が受け止めることができるので、半田９が潰れることを抑制することができる。また、中心粒径が３０μｍ未満であると、フィラー１０周辺の半田９の流動性が保たれるので、フィラー１０周辺に粗大ボイドが発生することを抑制し、所望の気密封止信頼性を満足することができる。また、中心粒径が１５μｍ以上３０μｍ未満であると、フィラー１０が熱圧着する場合の半田の変形の阻害により発生する熱圧着時の実装不良を抑制することができる。なお、中心粒径とは、レーザー回折・散乱法、若しくは動的光散乱方式等の方法により測定された粒径と各粒径の配合比率とから得られる粒度スペクトルの最大値を示す。
なお、半田材料がＳｎ系の半田の場合、形成される金属間化合物層２４が成長しすぎることによる半田内の非球形等の異常形状のボイドの発生を抑制することができ、気密信頼性が確保された状態で封止材５を形成することが可能となる。半田の材料としては、ＳｎＡｇ系若しくはＳｎＡｇＣｕ系等の、鉛フリーの半田であれば好ましいが、ＳｎＰ系半田を用いた場合あっても上述の効果を得ることができる。
また、上述の製造方法においては、熱圧着を行う場合に加圧加熱して半田の熱圧着を行うので、半田にボイドがあったとしても加圧されることによって半田の形状が変化し、ボイドをつぶしながらの実装を行うことができる。また、熱圧着を行なう際に金属間化合物２４を介して金属ボール１０同士が連結していないために、加圧の際に適度に半田が流動することが可能である。また、上述の製造方法で形成される金属間化合物は、Ｓｎよりも融点が高くなるので、封止材５としての耐熱性が向上し、より高い温度で、２次実装を行うことが可能になる。すなわち、微小構造体装置１をプリント基板等の他の基板に実装する際に用いる半田として、より融点の高い半田を用いることが可能になる。
なお、導電性部材８を封止材５と同一の材料から形成してもよい。導電性部材８を封止材５と同一の材料から形成すれば、同一プロセスでの作製が可能となり、微小構造体装置１の製造工程が少なくなるので、安価で安定した製品供給が可能となる。また、導電性部材８と封止材５とが同一プロセスで作製されることから、実装によって引き起こされる残留応力を緩和することができる。また、導電性接続材８と封止材５の高さが同じになるので微小構造体４にかかる応力が小さくなり、微小構造体４の信頼性を確保することができる。また、封止材５に基準電位を供給し、導電性接続材８を信号線として作用させた場合、両者の導電率が一致することから、インピーダンスマッチングを簡易に行うことができ、高周波ロスの少ない微小構造体装置１の実装構造を実現することができる。
本実施形態では、第１基板２の表面２ａには導体パターンであるパッド２ｂが設けられ、第２基板３の表面３ａには導体パターンであるパッド３ｂが設けられているが、これに限定されず、第１基板２の表面２ａおよび第２基板３の表面３ａのいずれか一方だけに導体パターンであるパッドが設けられていてもよい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による微小構造体装置について説明する。本実施形態による微小構造体装置が第１の実施形態による微小構造体１と異なる点は、封止材５を介した第１基板２と第２基板３との間の接合状態である。この接合状態について、図４Ａ〜図４Ｄを用いて説明する。なお、図１の断面図および図２の平面図は、本実施形態による微小構造体装置にも当てはまる。
図４Ａ〜図４Ｄは、本実施形態による微小構造体装置の製造工程における封止材５の形成方法を説明するための図である。図４Ａ〜図４Ｄに示されるように、本実施形態による微小構造体装置においては、第２基板３の表面３ａに設けられたパッド３ｂの表面にさらに金属層３ｃが設けられている。パッド３ｂは、例えば厚膜法により形成されたＣｕ若しくはＡｇの膜からなり、金属層３ｃは、パッド３ｂの表面に、例えばメッキ法によりＮｉおよびＰｄを順に被覆することにより形成される。本実施形態において、パッド３ｂおよび金属層３ｃで導体パターンが構成される。
まず、図４Ａに示すように、第２基板３上に封止材５となるペースト２０を塗布する。これは、第１の実施形態における図３Ａの工程と同様である。なお、第２基板３上には、半田との濡れ性を確保するために、表面にＰｄ膜が設けられたパッド３ｂが配置されている。ここで、ペースト２０は、例えば、Ｓｎ系半田からなる半田ボール２１、銅ボールからなるフィラー１０およびフラックス２３からなる。なお、Ｓｎ系半田からなるボールの重量に対するＰｄ金属層の重量の割合は１／３００以上１／１００以下であり、Ｓｎ系半田からなるボールの重量に対するＮｉ金属層の重量の割合は１／３０以上１／１０以下であることが好ましい。
次に、図４Ｂに示すように、熱処理を行うことにより半田ボール２１を溶融させて、第２基板３上に半田プリコートを形成する。この工程も、第１の実施形態における図３Ｂの工程と同様であるので説明を省略する。
次に、図４Ｃに示すように、第１基板２を準備する。第１基板２は、主にシリコンで作製されたＭＥＭＳ等の微小構造体４を搭載した基板である。この工程も、第１の実施形態における図３Ｂの工程と同様である。なお、第１基板２における半田プリコートと接する表面には、Ｓｎ半田との濡れ性を確保するために、金属からなるパッド２ｂが設けられる。この場合、パッド３ｂと同様に、パッド２ｂの表面に金属層が設けられてもよい。この場合、パッド２ｂおよび金属層で導体パターンが構成される。
次に、図４Ｄに示すように、第１基板２と第２基板３とを熱圧着する。熱圧着を行うときの圧力範囲は０．１〜１０ＭＰa程度がよい。温度範囲は、図４Ｂの半田プリコート形成時の温度よりも高く設定され、通常、２５０℃以上の温度領域が望ましい。この工程では、パッド３ｂからペースト中にＰｄが拡散してＳｎＣｕＰｄ化合物２５が生成されるとともに十分に成長して、ＳｎＣｕＰｄ化合物２５を介して、第１基板２と第２基板３が強固に接合される。
特に、本実施形態による微小構造体デバイスにおいては、パッド３ｂの表面にＮｉ膜，およびＰｄ膜からなる金属層３ｃが設けられているため、パット３ｂ上に設けられたＰｄ膜、半田中のＳｎ、およびフィラーのＣｕを反応させることによりＳｎＣｕＰｄ化合物を形成する。このように形成されたＳｎＣｕＰｄ化合物はＳｎＣｕ化合物よりもＳｎ半田との濡れ性が良いので高い気密信頼性を実現することが可能である。この場合のＰｄメッキは下地メッキのＮｉがＣｕと結合しないように表面に均一に形成されていることが望ましく、Ｎｉメッキ厚みは０．５〜１μｍであり、Ｐｄメッキ厚みは０．０１〜０．３μｍであることが望ましい。これらの条件を満たす場合には、下地のＮｉメッキがＰｄメッキのバリア層を貫通することを効果的に抑制し、所望のＳｎＣｕＰｄ合金を形成することができる。また、Ｎｉメッキが０．５μｍ以上でＰｄメッキが０．３μｍ以下である場合には、Ｓｎとの濡れ性が悪いＳｎＰｄ系合金が形成されることを効果的に抑制し、気密封止信頼性を十分に保持することができる。
また、半田の押し潰れ効果をより低減したい場合には、金属層３ｃの中のＮｉメッキの厚みを増しておく。このようにすると、ＳｎＣｕＰｄ系合金の形成とともにＳｎＣｕＮｉ系合金の形成が促進され、Ｓｎ系半田内に一方向に形成されやすいＳｎＣｕＮｉ系合金が形成される。この場合、Ｎｉメッキ厚みは１〜５μｍ程度が望ましい。これは、特に第２基板３が低温同時焼成セラミック（Low Temperature Co‐fired Ceramics：ＬＴＣＣ）からなり、パッド３ｂが厚膜法により形成されたＣｕ系の膜からなり、このＣｕ系の膜にＮｉ，Ｐｄの各メッキ層が被覆されてなる場合に、パッド３ｂを構成するＣｕがＳｎ系半田に固溶して、パッド３ｂの膜内に空隙ができる現象、いわゆるカーケンダルボイドの発生を抑制することができる。よって、接合部分の長期信頼性を保持し電気伝導率の増加を抑制するといったＮｉメッキ本来の目的を満足しながらも、半田中のＣｕボール、Ｓｎ系半田、およびＮｉの合金層の形成を十分に促進することができる。
本実施形態による微小構造体によれば、第１基板２および第２基板３がＳｎＣｕＰｄ系合金で連結されていることから、結晶成長の際にＳｎＣｕ系合金の場合よりも六方晶の結晶の結晶成長がより促進され、単一方向に成長する。よって、第１基板２の表面２ａから第２基板３の表面３ａの間で大きな結晶が形成されることから、半田の押し潰れをより抑制することができ、よりアスペクト比の大きな、すなわち高さを有する微小構造体４を効果的に気密封止することができる。
また、ＳｎＣｕＰｄ系合金は、その他の合金と比較してＳｎ半田との濡れ性が良く、均一にＳｎ半田との接合ができることから、気密封止信頼性が高くなる。
なお、各金属層の厚みを測定する際は、封止材５を第１基板２または第２基板３の表面に垂直な方向に切断し、その断面における各金属層の厚みを、走査型電子顕微鏡（Scann ing Electron Microscopy：ＳＥＭ）を用いて測定する。
なお、本明細書においては説明のためにＮｉ層、およびＰｄ層がメッキ法により形成されていることを前提に説明を行っているが、これ等の層は薄膜技術等で形成されても良く、合金層の形成に問題がないような組成および厚みであれば適宜プロセスを変更しても良い。
また、パッド３ｂの表面に設ける金属層３ｃの厚み、および図４Ｄの工程で処理する場合の温度等を制御することにより、合金層の形成度合いを制御することが可能である。例えば、金属層３ｃを厚くし、図４Ｄの工程での処理温度を高くすれば、合金層の形成が促進される。一方、金属層３ｃの厚みおよび処理温度を制御することにより、ＳｎＣｕ化合物とＳｎＣｕＰｄ化合物とを同時に形成するとともに、組成比を制御することも可能である。
また、形成される合金層は、ＳｎＣｕＰｄ系合金に限定されるものではなく、たとえばＳｎＣｕＡｕ系の合金層形成であってもよい。この場合に、合金層は、Ｓｎ系の半田との濡れ性がＳｎＣｕ系半田よりも良いことが好ましい。またＮｉメッキはＳｎＣｕとの結合を多くしたい場合には比較的Ｓｎ中への拡散が促進されるＰ−Ｎｉメッキであることが望ましく、これに対して、ＳｎＣｕとの結合を少なくしたい場合には、シンタリング工程を通っているＢ−Ｎｉのような比較的Ｓｎ中への拡散が起きにくい性質を持つメッキであることが望ましい。これらの場合には、半田の高さを保つ性質とＳｎ半田への濡れ性について所望の特性を満足することができる。
また、パッド３ｂは、例えば厚膜法により形成されたＣｕ若しくはＡｇの膜からなり、金属層３ｃは、パッド３ｂの表面に、薄膜法若しくはメッキ法を用いて、例えばＮｉおよびＡｕを順に被覆することにより形成されてもよい。この場合、パッド３ｂの膜がＳｎによって侵食されないようにするために、Ｎｉの厚みは１μｍ以上であることが望ましく、Ａｕの厚みは０．０１〜０．０５μｍであることが望ましい。また、パッド３ｂとして、Ｔｉ若しくはＷからなる薄膜を形成し、その表面に金属層３ｃとしてＰｔ若しくはＰｄ等のバリア層およびＡｕを順に被覆してもよい。例えば、第１基板２がシリコンからなり、第２基板がセラミックからなる場合には、第１基板２にＴｉ薄膜とその薄膜上に順に形成されたＰｔ膜およびＡｕ膜とからなる導体パターンを形成し、第２基板３に圧膜法により形成されたＣｕからなる膜とそのＣｕ膜上に順に形成されたＮｉ膜およびＡｕ膜とからなる導体パターンを形成することもできる。なお、上述の本膜構成に限定されるものではなく、たとえばＮｉ層の代わりにＣｒ層、Ｐｔ層の代わりにＡｇ層などが用いられてもよく、本発明の趣旨に反しないようなものであれば随時変更可能である。例えば、第１基板２と第２基板３とを接合する金属化合物としては、ＳｎＣｕＮｉ系合金、またはＳｎＣｕＡｕ系合金等がある。その際には、第１基板２および第２基板３の少なくとも一方に、ＮｉまたはＡｕからなる金属層を最表層に有する導体パターンを形成すればよい。また、その場合、Ｓｎ系半田からなるボールの重量に対する最表層の金属層の重量の割合は、最表層の金属層が、Ｎｉからなる場合は、１／３０以上１／１０以下であることが好ましく、最表層の金属層がＡｕからなる場合は、１／３００以上１／１００以下であることが好ましい。
本実施形態では、第１基板２の表面２ａには導体パターンであるパッド２ｂが設けられ、第２基板３の表面３ａには導体パターンであるパッド３ｂおよび金属層３ｃが設けられているが、これに限定されず、第１基板２の表面２ａおよび第２基板３の表面３ａのいずれか一方だけに導体パターンであるパッドまたはパッドおよび金属層が設けられていてもよい。
なお、上記２つの実施形態において、半田中のフィラー同士は連結しなくてもよい、すなわちフィラー同士が平面視して、接している若しくは離間していてもよい。好ましくは、平面視したときに、フィラー同士は離間しており、各フィラーは半田により取り囲まれていてもよい。また、フィラーが半田中に個々で存在していれば、半田中にフィラーが点在することになり、半田全体としてその流動性がより効果的に抑制され、半田の材料が押し潰れてしまうことを抑制することができる。
また、上述の説明では、Ｓｎ系半田を用いたが、他の種類の半田であってもよく、融点が４５０度を超えるロウ材であってもよい。
なお、上述の説明では、微小構造体装置１を個々に製造する場合について記載しているが、微小構造体４を有する複数の第１基板２を配列した第１母基板と、複数の第２基板３を配列した第２母基板を接合するいわゆるウエハースケールパッケージ形態で準備を行って、微小構造体４を封止した後に、個々の微小構造体装置１に分割するダイシングしてもよい。このように一度に複数の微小構造体装置１を作製する場合にも、微小構造体４がダイシング屑によって汚染されること抑制しつつパッケージングを行うことができる。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【国際調査報告】
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