(57)【要約】【課題】接合される２つの基板の間の接合部における強度が強い複合基板を提供する。【解決手段】複合基板（１）は、機能素子が設けられる第１基板（２）と、第１基板（２）に融着により接合されたガラスセラミック焼結体からなる第２基板（３）とを有する。第１基板（２）と第２基板（３）との界面には、結晶化したガラスが存在する。【選択図】図１
2009016862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能素子が設けられる第１基板と、
該第１基板に融着により接合されたガラスセラミックスからなる第２基板と
を有し、
前記第１基板と前記第２基板との界面に結晶化したガラスが存在する複合基板。
【請求項２】
前記第２基板は、複数のガラスセラミック層が積層されたガラスセラミック積層体であり、
前記ガラスセラミック積層体の内部に設けられた配線を有する請求項１記載の複合基板。
【請求項３】
前記第２基板は、結晶化度が７０％以上である請求項１または請求項２記載の複合基板。
【請求項４】
請求項１に記載の複合基板と
前記第１基板に設けられた機能素子と
を備える機能デバイス。
【請求項５】
前記複合基板は、前記ガラスセラミック積層体の内部に設けられた配線を備え、
前記第２基板は、複数のガラスセラミック層が積層されたガラスセラミック積層体であり、
前記配線は、前記機能素子を駆動する駆動回路の少なくとも一部をなす請求項４記載の機能デバイス。
【請求項６】
前記複合基板は、前記ガラスセラミック積層体の内部に設けられた配線を備え、
前記第２基板は、複数のガラスセラミック層が積層されたガラスセラミック積層体であり、
前記機能素子は流路を含み、
前記配線は、前記流路内の流体を加熱するヒータとして作用する請求項４記載の機能デバイス。
【請求項７】
前記機能素子を覆って封止する封止体を備える請求項４乃至請求項６のいずれか記載の機能デバイス。
【請求項８】
少なくとも１つのガラスセラミックグリーンシートと第１基板とを準備する準備工程と、
前記ガラスセラミックグリーンシートと前記第１基板とを熱圧着により密着させて一体化する密着化工程と、
前記第１基板と一体化された前記ガラスセラミックグリーンシートを焼成して、ガラスセラミックスからなる第２基板と前記第１基板とを有する複合基板を形成する焼成工程と
を備える複合基板の製造方法。
【請求項９】
前記準備工程において、ガラス粉末およびセラミックフィラーに有機バインダを混合することにより作製された前記ガラスセラミックグリーンシートを準備し、
前記密着化工程において、前記ガラスセラミックグリーンシート中の前記有機バインダを溶融させる請求項８記載の複合基板の製造方法。
【請求項１０】
少なくとも１つのガラスセラミックグリーンシートと第１基板とを準備する準備工程と、
前記ガラスセラミックグリーンシートと前記第１基板とを熱圧着により密着させて一体化する密着化工程と、
前記第１基板と一体化された前記ガラスセラミックグリーンシートを焼成して、ガラスセラミックスからなる第２基板と前記第１基板とを有する複合基板を形成する焼成工程と、
前記複合基板の前記第１基板に機能素子を形成する機能素子形成工程と
を備える機能デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記準備工程において、複数の前記ガラスセラミックグリーンシートを準備し、
前記密着化工程の前に、
前記複数のガラスセラミックグリーンシートのうち少なくとも１つに導体ペーストを塗布する塗布工程と、
前記複数のガラスセラミックグリーンシートを熱圧着により積層して、セラミック生積層体を形成する積層工程と
を有し、
前記密着化工程において、前記セラミック生積層体と前記第１基板とを密着させる請求項１０に記載の機能デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記機能素子形成工程の後で、前記複合基板上に、前記機能素子を覆って封止する封止体を接続する接続工程を備える請求項１１に記載の機能デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記準備工程において、複数の前記ガラスセラミックグリーンシートを準備し、
前記密着化工程の前に、
前記複数のガラスセラミックグリーンシートのうち少なくとも１つに導体ペーストを塗布する塗布工程と、
前記複数のガラスセラミックグリーンシートを熱圧着により積層して、セラミック生積層体を形成する積層工程と
を有し、
前記密着化工程において、前記セラミック生積層体と前記第１基板とを密着させ、
前記機能素子形成工程において、前記複合基板の前記第１基板に複数の機能素子を形成し、
前記複合基板を前記機能素子毎に個片化して、複数の機能デバイスを得る工程と
を備える請求項１０に記載の機能デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記準備工程において、前記第１基板として、あらかじめ犠牲層が形成された半導体基板を準備し、
前記機能素子形成工程において、前記犠牲層を除去する
請求項１０乃至請求項１３のいずれか記載の機能デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能素子が設けられる基板とガラスセラミックスからなる基板とが接合された複合基板、およびその複合基板を用いた機能デバイス、並びに複合基板および機能デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる半導体基板は、種々の電子機器において、幅広く用いられている。しかし、半導体基板は、電気的な絶縁性が低いことから、リーク電流の発生および高周波特性の低下等の問題があり、ガラスまたはセラミックス等の絶縁基板に接合して使用する場合がある。【０００３】
また、弾性表面波（ＳＡＷ）素子が設けられる圧電体基板等の他の基板も、機械的強度の観点から、別の基板に接合して使用する場合がある。そして、その際、剛性および耐薬品製に優れる等の理由から、セラミック基板が用いられる場合がある。【０００４】
このような半導体または圧電体等からなる基板とセラミック基板とは、例えば、２つの基板の間にフリットガラス等の無機接合層を介在させ、これを溶融させることにより接合することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記２つの基板をフリットガラスを介して接合する場合、２つの基板の各接合面における凹凸、および反りの影響により、部分的な接合不良が発生しやすいという問題があった。その結果、２つの基板の間の接合部における強度が弱くなるという問題があった。【０００６】
よって、接合される２つの基板の接合部における強度が強い複合基板、およびそのような複合基板の製造方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の複合基板は、機能素子が設けられる第１基板と、第１基板に融着により接合されたガラスセラミックスからなる第２基板とを有する。第１基板と第２基板との界面には、結晶化したガラスが存在する。【０００８】
本発明の機能デバイスは、機能素子が設けられる第１基板と、第１基板に融着により接合されたガラスセラミックスからなる第２基板と、第１基板に設けられた機能素子とを有する。第１基板と第２基板との界面には、結晶化したガラスが存在する。【０００９】
本発明の複合基板の製造方法は、少なくとも１つのガラスセラミックグリーンシートと第１基板とを準備する準備工程と、ガラスセラミックグリーンシートと第１基板とを熱圧着により密着させて一体化する工程と、第１基板と一体化されたガラスセラミックグリーンシートを焼成して、ガラスセラミックスからなる第２基板と第１基板とを有する複合基板を形成する工程とを備える。【００１０】
本発明の機能デバイスの製造方法は、少なくとも１つのガラスセラミックグリーンシートと第１基板とを準備する準備工程と、ガラスセラミックグリーンシートと第１基板とを熱圧着により密着させて一体化する工程と、第１基板とガラスセラミックグリーンシートを焼成して、ガラスセラミックスからなる第２基板と第１基板とを有する複合基板を形成する工程と、複合基板の第１基板に機能素子を形成する工程とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態による複合基板を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は、模式的な断面図である。
【図２】図１の複合基板の製造方法を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による機能デバイスを示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は、（ａ）の直線Ａ−Ａにおける断面図、（ｃ）は下面図を示している。
【図４】セラミック積層体上にシリコン結晶からなる梁状構造体を形成する方法の一例を説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態による機能デバイスの製造方法を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による機能デバイスの製造方法を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態による機能デバイスの構成例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は、（ａ）の直線Ｂ−Ｂにおける断面図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態による機能デバイスの構成例を示す側面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態による複合基板は、半導体基板２とセラミック基板３とを有する。セラミック基板３は、半導体基板２に融着により直接的に接合される。本実施の形態による複合基板１では、半導体基板２はシリコン基板であり、セラミック基板３はガラスセラミックス（結晶化ガラスとセラミックフィラーとの混合物の焼結体）からなる。この複合基板１では、図１（ｂ）に示すように、半導体基板２とセラミック基板３との界面に結晶化したガラスが存在している。【００１３】
以下に、図２を用いて、この複合基板１の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板２と複数のセラミックグリーンシート（以下、「グリーンシート」ともいう。）４ａ〜４ｃとを準備する。ここで、セラミックグリーンシートとは、ガラス粉末およびセラミック粉末に、有機バインダ、有機溶剤、および可塑剤等を混合してスラリーとし、そのスラリーを例えばドクターブレード法またはカレンダロール法により、シート状に成形したものをいう。【００１４】
上記セラミック粉末としては、例えばアルミナ、コーディエライト、β−クォーツ、またはムライトなどが挙げられ、ガラス粉末としては、例えばＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系，ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系、またはＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３―ＭｇＯ系などが挙げられる。【００１５】
上記有機バインダとしては、従来からセラミックグリーンシートに使用されているものが使用可能であり、例えばアクリル系、ポリビニルブチラール系、ポリビニルアルコール系、ポリプロピレンカーボネート系、若しくはセルロース系等の単独重合体または共重合体が挙げられる。【００１６】
グリーンシートを成形するためのスラリーに用いられる有機溶剤としては、その有機溶剤、ガラス粉末、セラミック粉末、および有機バインダを混練してグリーンシートの成形に適した粘度のスラリーが得られるように、例えば炭化水素類、エーテル類、エステル類、ケトン類、またはアルコール類等から成るものが利用される。【００１７】
次に、図２（ｂ）に示すように、複数のセラミックグリーンシート４ａ〜４ｃを３〜２０ＭＰａの圧力と５０〜８０℃の温度で加熱圧着してセラミック生積層体４を形成する。【００１８】
次に、図２（ｃ）に示すように、そのセラミック生積層体４と半導体基板２とを熱圧着により密着させて一体化する。例えば、セラミック生積層体４と半導体基板２とを合わせて、５０〜８０℃の温度で３〜１０ＭＰａの圧力をかけることにより、加熱圧着を行う。【００１９】
さらに、図２（ｄ）に示すように、半導体基板２と一体化されたセラミック生積層体４を焼成して複合基板１を得る。この場合、例えば、大気中で８００〜１０００℃の温度で焼成を行う。【００２０】
ここで、セラミック生積層体４を焼成する過程において、焼成温度がグリーンシートのガラス成分のガラス転移点温度以上になると、そのガラス成分は流動する。このとき、ガラス成分は、グリーンシートの内部におけるボイドの隙間を埋める。そして、焼成温度がガラス転移点を超えると、結晶化ガラスが結晶化を開始する。この結晶化したガラスは、ガラス成分とセラミックフィラーとの接触界面およびガラス成分と半導体基板２との接触界面から析出するため、焼成後の複合基板１において、半導体基板２とセラミック積層体３との界面にガラスの微小結晶が存在する。【００２１】
本実施の形態による複合基板１の製造方法では、セラミック生積層体４と半導体基板２とを熱圧着させる時点で、セラミック生積層体４のセラミックグリーンシートが柔軟性を有し、半導体基板２の表面の凹凸および反り等を容易に吸収することができる。よって、焼成後の複合基板１において、半導体基板２とセラミック焼結体３との接合界面における接合不良を低減することができる。【００２２】
また、本実施の形態による複合基板１の製造方法では、半導体基板２によって、セラミック生積層体４の平面方向の収縮が抑制され、セラミック生積層体４の厚み方向（積層方向）の収縮が進行する。すなわち、半導体基板２がセラミック生積層体４の平面方向の収縮を拘束する。よって、セラミック焼結体３の寸法精度を高くすることができ、結果として、複合基板１の寸法精度を高くすることができる。【００２３】
さらに、上述の製造方法により得られた複合基板１では、セラミック基板３と半導体基板２との界面に、焼成過程において析出した結晶が存在する。例えば、セラミック基板３と半導体基板２とをフリットガラスを介して接合した場合は、半導体基板２とセラミック基板３とは、フリットガラス中のガラス液相が冷却しガラスが固相化することで接合が行われる。その場合、半導体基板２とセラミック基板３の接合界面に存在するガラス成分は非晶質ガラスであるため、接合界面に結晶相は存在しない。本実施の形態による複合基板１では、半導体基板２とセラミック基板３との界面に結晶が存在するため、シリコン基板とセラミック焼結体との接合部における強度がより強くなる。【００２４】
なお、上述の説明では、複合基板１として、半導体基板２とセラミック基板３とを接合しているが、半導体基板２の代わりに、例えば水晶、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、若しくはリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ３）等からなる圧電体基板、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等からなる誘電体基板、フェライト基板等の磁性体基板、またはサファイア基板等を用いてもよい。セラミック基板と接合される基板（以下、「第１基板」ともいう。）として、これらの基板を用いた場合でも、第１基板とセラミック基板３との接合界面における接合不良を低減することができるとともに、複合基板１の寸法精度を高くすることができる。【００２５】
さらに、上記半導体基板２以外の基板を用いた場合でも、第１基板とセラミック基板との界面に、焼成過程においてガラスの結晶が析出することから、第１基板とセラミック基板との接合部における強度がより強くなる。【００２６】
（第２の実施の形態）
次に、第１の実施の形態による複合基板１を利用した機能デバイスについて説明する。なお、図３（ａ）は、図示の簡単化のために、リッド１７を省略して示している。【００２７】
図３に示されるように、本発明の第２の実施の形態による微小構造デバイス１１は、半導体基板１２とセラミック基板１３とが接合された複合基板１４Ａを有する。セラミック基板１３は、複数のセラミック層からなるセラミック積層体である。【００２８】
また、半導体基板１２の表面には、微小構造体１５が形成されている。微小構造体１５は、半導体基板１２をいわゆる半導体マイクロマシーニングプロセス（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ）を利用して加工した構造体であり、サイズとしては、例えば１００ｎｍ〜数百μｍ程度の構造体である。なお、ここでは、微小構造体１５として、微小電子機械機構（以下、「ＭＥＭＳ」という。）を例に挙げて説明する。ＭＥＭＳは、半導体の微細加工技術を駆使して作製された微小な部品（マイクロスケールのデバイス）から構成される電気機械システムである。ＭＥＭＳを備える微小構造デバイス１１は、例えば、高速のＲＦ信号の切り替えを行うＲＦ−ＭＥＭＳ、加速度センサ若しくはＧｙｒｏセンサなどの各種センサ、または微細な鏡面体を可動式に形成したマイクロミラーデバイスなどの光学デバイスである。【００２９】
また、セラミック積層体１３の内部には多層配線層１６が形成されている。さらに、微小構造デバイス１１は、微小構造体１５を保護するとともに気密封止を行うリッド１７（封止体）を備える。このリッド１７により、微小構造体１５が外部からのダストなどにより汚染されることを抑制することができる。【００３０】
複合基板１４Ａは、シリコン結晶からなる半導体基板１２とセラミック積層体１３を構成するセラミック層とが積層されて一体化された基板である。複合基板１４Ａは、半導体基板１２にセラミックグリーンシートを密着させ、そのセラミックグリーンシートを焼結させて形成することができる。ここで、セラミックグリーンシートは、ガラス粉末およびセラミック粉末に、有機バインダ、有機溶剤、および可塑剤等を混合してスラリーとし、そのスラリーを例えばドクターブレード法またはカレンダロール法により、シート状に成形したものをいう。この場合、焼成によって、セラミック層に含まれるガラス成分が半導体基板１２に融着することにより、半導体基板１２とセラミック積層体１３とは一体化される。【００３１】
半導体基板１２は、例えば、シリコンウエハを利用した単結晶または多結晶のシリコン基板である。この半導体基板１２は、微小構造体１５の設計に合わせて、部分的にシリカ層、ポリシリコン層、または金属層を有してもよい。【００３２】
複合基板１４Ａの下面には、多層配線層１６を外部の配線基板に電気的に接続する電極パッド１８が形成されている。【００３３】
以下に、図３に示した微小構造デバイス１１のように、セラミック積層体１３上にシリコン結晶からなる梁状構造体を形成する際の加工プロセスを、図４（ａ）〜図４（ｆ）を用いて説明する。【００３４】
まず、図４（ａ），（ｂ）に示すように、犠牲層１９を有する半導体基板１２にセラミック積層体１３が接合された積層基板を得る。ここで、図４（ａ）は、積層基板の断面図、図４（ｂ）は、積層基板の平面図である。この積層基板は、半導体基板１２に所望のパターン形状の溝状加工を施し、その溝部分に犠牲層１９となる金（Ａｌ）等の金属膜を埋め込み、その半導体基板１２にセラミックグリーンシートを密着させ、セラミックグリーンシートを焼結させて得られる。【００３５】
図４（ｃ），（ｄ）は、図４（ａ），（ｂ）に示した半導体基板１２上に所望の形状の金属膜からなるレジストを形成し、ドライエッチング加工を利用して一部のシリコン結晶を除去した場合の積層基板の構成を示している。【００３６】
図４（ｅ），（ｆ）は、図４（ｃ），（ｄ）に示した積層基板に対して、ドライエッチングプロセスを利用して、犠牲層１９を除去した場合の積層基板の構成を示している。このように犠牲層１９を除去することにより、シリコンからなる梁構造体を形成することができる。【００３７】
半導体基板１２の厚みは、０．０５〜０．５ｍｍとすることが望ましい。半導体基板１２の厚みを０．０５ｍｍ以上とした場合、微小構造体１５の厚みを確保できるため、微小構造体１５の強度が強く、稼動による疲労破壊などを抑えることができる。【００３８】
さらに、半導体基板１２の厚みを０．５ｍｍ以下とすることより、半導体マイクロマシーニングプロセスのエッチングプロセスにおける除去量が過剰となることなく、微小構造体１５のアスペクト比の低下、および微小構造体１５の形成コストの増大を抑制ことができる。【００３９】
このように、微小構造体１５が形成された半導体基板１２に、その半導体基板１２を覆うようにセラミック積層体１３を接合することにより、特に、微小構造体１５がＲＦ−ＭＥＭＳ等のように高周波で駆動する場合には、電源若しくはグランドノイズおよび外部電磁波ノイズに強い微小構造デバイス１１を作製することができる。【００４０】
また、セラミック積層体１３は、ガラスセラミック焼結体からなることから、多層配線層１６として、Ａｇ，Ｃｕ、Ａｕ，ＡｇＰｄ、またはＡｇＰｔを主体とする低抵抗の金属導体を用いることができるため、多層配線層１６における電気損失を抑制できる。これは、特に微小構造体１５がＲＦ−ＭＥＭＳである場合に好ましい。【００４１】
ガラスセラミック焼結体は、低熱膨張係数および高結晶化度を有することが望ましく、好ましくは、その熱膨張係数が２．５乃至３．５×１０−６／℃、その結晶化度は７０％以上とするのがよい。そのようなガラスセラミック焼結体を得るために、例えば、ガラス粉末としてコーディライト、β−クォーツ、若しくはβ―スポジュメンなどを析出する結晶化ガラス、セラミック粉末としてコーディエライト、若しくはムライトなどの低熱膨張フィラーをそれぞれ用いるのがよい。【００４２】
セラミック層の熱膨張係数が２．５乃至３．５×１０−６／℃である場合、セラミック層と半導体基板１２の熱膨張係数が十分近く、セラミック層と半導体基板１２との間に発生する熱応力を小さくすることができる。従って、半導体基板１２およびセラミック層の反り、並びに半導体基板１２におけるクラックの発生を抑制することができる。【００４３】
また、セラミック積層体１３は、結晶化度が７０％以上の材料からなることが好ましい。この場合、半導体マイクロマシーニングプロセスで利用される加工用エッチングガス、若しくはエッチング液からセラミック層が受けるダメージを十分抑制することができ、セラミック積層体１３の腐食を抑制することができる。その結果、セラミック層からの脱粒を抑制し、微小構造体１５へのダスト（脱粒）の付着による微小構造体１５の故障を抑制することができる。【００４４】
多層配線層１６は、セラミック積層体１３の内部に配置され、公知のグリーンシート積層法を用いて形成される。グリーンシート積層法は、以下の工程を有する。まず、セラミックグリーンシートにパンチングまたはレーザ加工等の公知の技術を用いて穴加工を施し、その穴にＡｇまたはＣｕ等からなる金属粉末をペースト状にしたものを充填する。その後、そのグリーンシートに導体層をスクリーン印刷等の公知の手法で形成する。そしてこれらのグリーンシートを複数層積層して焼成する。【００４５】
多層配線層１６は、微小構造体１５とプリント配線基板等の外部基板との電気導通経路として機能する。この多層配線層１６により、セラミック積層体１３の内部で配線を引き回すことができるため、電極パッド１８、すなわち２次実装電極パッド１８を複合基板１４Ａの一方の主面において所望の位置に設けた場合でも、他方の主面に形成された微小構造体１５と２次実装電極パッド１８との電気的接続を行うことができる。その結果、２次実装電極パッド１８の配置の設計自由度が高くなり、実装信頼性の向上が可能となる。【００４６】
また、セラミック多層配線技術を利用することによって、ガラス基板にビア導体を設けた場合と比較して、絶縁基板の内部に配置したビア導体と絶縁基板との間の密着性を良好に保ち、ビア導体からのリークを抑制することが可能である。特に、各セラミック層のビア導体を非直行構造にした場合、より気密信頼性を高めることができる。【００４７】
また、多層配線層１６は、微小構造体１５を駆動する駆動回路の少なくとも一部をなす配線を有することが好ましい。微小構造体１５を駆動する駆動回路の少なくとも一部がセラミック積層体１３の内部に含まれていることから、駆動回路全体を半導体基板１２の表面に形成する必要がない。そして、駆動回路と微小構造体１５とを３次元に配置できることから、微小構造デバイス１１の設計自由度を高め、微小構造デバイス１１を小型化することができる。従って、１枚のウエハに複数個の微小構造体１５を形成し、１枚のウエハから複数の微小構造デバイス１１を製造する方法では、ウエハ１枚当たりの形成可能な微小構造デバイス１１が多くなり、微小構造デバイス１１の単価当たりのコストを下げることができるという効果がある。【００４８】
また、微小構造体１５が静電駆動型ＭＥＭＳである場合、半導体基板１２のＭＥＭＳが形成された一方主面に電極（以下、「上部電極」という。）を形成し、多層配線層１６の一部を下部電極とすることにより、上部電極と下部電極との間に電圧を印加した際に発生する電界を利用して、静電駆動型ＭＥＭＳの可動部を駆動するスイッチングデバイスを形成することができる。【００４９】
下部電極がセラミック積層体１３の内部に配置されている場合、ＭＥＭＳが形成された半導体基板１２に下部電極を形成した場合と異なり、下部電極の位置および面積の影響を受けることなく、半導体基板１２に静電駆動型ＭＥＭＳおよび配線等の他の構成を設けることができることから、静電駆動型ＭＥＭＳの配置自由度および半導体マイクロマシーニングプロセスのプロセス設計自由度を高めることができるとともに、微小構造デバイス１１を小型化することができる。また、ＭＥＭＳが形成された半導体基板に下部電極を形成した場合と異なり、下部電極上に絶縁層を設け、その絶縁層上に静電駆動型ＭＥＭＳおよび配線等の他の構成を設ける必要がないことから、下部電極の凹凸の影響を受けることなく静電駆動型ＭＥＭＳおよび配線等を形成することができる。よって、静電駆動型ＭＥＭＳおよび配線等の配置自由度並びに半導体マイクロマシーニングプロセスのプロセス設計自由度を高めることができる。【００５０】
また、微小構造体１５が磁界駆動型ＭＥＭＳである場合、多層配線層１６の一部を駆動用回路としてコイル状に形成し、そのコイルパターンを流れる電流によって発生する磁界により、その磁界駆動型ＭＥＭＳの稼動電極を駆動することができる。【００５１】
駆動用コイルパターンがセラミック積層体１３の内部に配置されている場合、半導体基板１２上に駆動用コイルおよび磁界駆動型ＭＥＭＳを共に形成する場合と異なり、駆動用コイル上に他の層を介して磁界駆動型ＭＥＭＳを形成する必要がなくなることから、駆動用コイルの凹凸による影響を受けることなく磁界駆動型ＭＥＭＳおよび配線等を形成することができる。よって、磁界駆動型ＭＥＭＳおよび配線等の配置自由度並びに半導体マイクロマシーニングプロセスのプロセス設計自由度を高めることができる。また、磁界を確保するために、駆動用コイルとなるスパイラル状配線の配線長を長くしても、他の配線を３次元的に配置することができることから、微小構造デバイス１１のサイズの大型化を抑制でき、その結果、ウエハ１枚当たりに形成可能微小構造デバイス１１の数量が低下すること、および微小構造デバイス１１の単価当たりのコストが増加することを抑制することができる。【００５２】
リッド１７は、微小構造体１５を気密封止し、外部よりダストや水分の浸入を抑制する。リッド１７は、複合基板１４上にＡｕＳｎなどのロウ材、ＳｎＡｇＣｕ半田等の半田、またはガラスフリット等を用いて実装することができる。また、リッド１７は、複合基板１４との熱応力を小さくするために、パイレックス（登録商標）ガラスまたはシリコンからなることが望ましい。【００５３】
次に、このような微小構造デバイス１１の製造方法について、図５および図６に基づいて説明する。【００５４】
まず、図５（ａ）に示すように、複数のガラスセラミックグリーンシート２０を準備する。このセラミックグリーンシートは、ガラス粉末およびセラミック粉末に、有機バインダ、有機溶剤、および可塑剤等を添加混合してスラリーとし、そのスラリーを、ドクターブレード法またはカレンダロール法を採用してシート状に形成することにより得られる。【００５５】
上記セラミック粉末としては、例えばアルミナ、コーディエライト、β−クォーツ、またはムライトなどが挙げられ、ガラス粉末としては、例えばＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系、またはＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３―ＭｇＯ系などが挙げられる。ここで、セラミック粉末としてコーディエライト、ガラス粉末としてコーディエライトを７０％以上析出する結晶化ガラスをそれぞれ選択した場合、得られるガラスセラミック焼結体の熱膨張係数は２．５乃至３．５×１０−６／℃、その結晶化度は７０％以上となり、微小構造デバイス１１としてより適している。【００５６】
上記有機バインダとしては、従来からセラミックグリーンシートに使用されているものが使用可能であり、例えばアクリル系、ポリビニルブチラール系、ポリビニルアルコール系、ポリプロピレンカーボネート系、若しくはセルロース系等の単独重合体または共重合体が挙げられる。【００５７】
グリーンシートを成形するためのスラリーに用いられる有機溶剤としては、その有機溶剤、ガラス粉末、セラミック粉末、および有機バインダを混練してグリーンシート成形に適した粘度のスラリーが得られるように、例えば炭化水素類、エーテル類、エステル類、ケトン類、若しくはアルコール類等から成るものが利用される。【００５８】
次に、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）で作製したガラスセラミックグリーンシート２０に、必要に応じて金型加工、レーザ加工、マイクロドリル、若しくはパンチング等の機械的加工により貫通孔を形成する。この貫通孔に、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｇ−Ｐｔ，またはＡｇ−Ｐｄ等の金属粉末および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配線導体形成用導体ペースト２１を、スクリーン印刷等公知の手法を用いて充填する。【００５９】
次に、図５（ｃ）に示すように、これらガラスセラミックグリーンシート２０の表面にＡｇ，Ｃｕ，Ａｇ−Ｐｔ，またはＡｇ−Ｐｄ等の金属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配線導体用ペースト２２を、ガラスセラミックグリーンシート状にスクリーン印刷等により塗布し、多層配線層１６を形成する。【００６０】
次に、図５（ｄ）に示すように、多層配線層１６を形成したガラスセラミックグリーンシートを３〜２０ＭＰａの圧力と５０〜８０℃の温度で加熱圧着してセラミック生積層体２３を作製する。このとき、セラミック生積層体２３の最上層、すなわち半導体基板１２に接合される層に用いられるガラスセラミックグリーンシートは、密着時の加熱時に溶融する溶融成分を含有していることが望ましい。【００６１】
次に、図５（ｅ）に示すように、半導体基板１２とセラミック生積層体２３とを３〜１０ＭＰａの圧力と５０〜８０℃の温度で加熱圧着する。なお、本製造方法では、半導体基板１２のセラミック生積層体２３に接する表面に、電極２４が形成されている。ここで、セラミック生積層体２３の最上層が密着時の熱で溶融する溶融成分を含有している場合、半導体基板１２とセラミック生積層体２３とを低圧力でかつ良好に密着できる。また、半導体基板１２にはあらかじめ部分的に犠牲層１９を形成しておいてもよい。【００６２】
次に、図６（ａ）に示すように、半導体基板１２に加熱圧着されたセラミック生積層体２３を焼成して、複数の微小構造デバイスを含む複合基板１４Ｂを形成する。ここで、多層配線層１６がＡｇ，Ａｇ−Ｐｔ，またはＡｇ−Ｐｄ等からなる場合には、大気中で焼成を行い、多層配線層１６がＣｕからなる場合は、窒素雰囲気下で焼成を行う。また、焼成温度は、８００乃至１０００℃の範囲である。【００６３】
このとき、セラミック生積層体２３の平面方向の収縮が半導体基板１２によって抑制されるため、セラミック生積層体２３は積層方向のみに収縮し、平面方向の寸法精度を高精度に保つことができる。【００６４】
次に、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、複合基板１４Ｂの半導体基板１２に微小構造体１５として複数のＭＥＭＳを形成する。以下では、半導体基板１２がシリコン単結晶からなり、犠牲層１９がシリカからなる場合を例として説明する。【００６５】
ＭＥＭＳは、半導体基板１２において、所望の箇所をレジスト等で保護し、非保護部をエッチング等にて除去することにより形成できる。シリコン単結晶のエッチングには、例えばＫＯＨまたは水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）などを用いることができる。シリコン単結晶をエッチングした後、犠牲層１９（ＳｉＯ２）をフッ硝酸など用いてエッチングすると、シリコン単結晶とシリカ層はエッチングレートが大きく異なるため、シリカ層のみがエッチングされ、シリコン単結晶からなるＭＥＭＳ１５の一部をセラミック積層体から浮かせた状態で構成ことができる。【００６６】
次に、図６（ｄ）に示すように、各ＭＥＭＳ１５に対応した複数のリッド部を有する基板（以下、「封止基板」という。）２６を準備する。封止基板２６は、例えば複合基板１４ＢのＭＥＭＳに対応する部分に凹部を形成したシリコンウエハである。このシリコンウェハは、例えばシリコンウエハの凹部に対応する領域以外の領域をレジストで保護し、シリコンウエハをＫＯＨ溶液でエッチングすることにより形成できる。封止基板２６と複合基板１４Ｂとは、例えば、ガラスフリット材を封止基板２６上に所望のパターン形状に形成した後、封止基板２６と複合基板１４Ｂとを、所定の温度および圧力で加圧することによって接合することができる。なお、フリットガラスで封止基板２６と複合基板１４Ｂとを接合する以外にも、例えば封止基板２６および複合基板１４Ｂの各接合面に枠状の導体パターンをそれぞれ形成し、その導体パターン同士をＡｕＳｎロウ材、またはＳｎＡｇＣｕ半田を用いて接合してもよい。【００６７】
次に、図６（ｅ）に示すように、封止基板２６と複合基板１４Ｂとを、ＭＥＭＳ１５毎及びリッド１７部毎にダイシング等で個片化することにより、単一の微小構造デバイス１１を形成することができる。なお、図５（ａ）〜図５（ｅ）および図６（ａ）〜図６（ｄ）において、微小構造デバイスの単位構成がよくわかるように、各微小構造デバイスに個片化する場合の切断線を示しているが、図６（ｄ）の工程までは、封止基板２６および複合基板１４Ｂは、一つの基板である。【００６８】
また、図６（ｃ）に示されるように犠牲層１９を除去した後、半導体基板１２のセラミック積層体に対向する表面に微小構造体１５を設けて、その後、エッチングにより除去した部分をポリシリコン等の薄膜で埋める場合には、リッド１７を設ける必要がなくなる。【００６９】
本実施の形態による複合基板１の製造方法では、セラミック生積層体２３と半導体基板１２とを熱圧着させる時点で、セラミック生積層体２３のセラミックグリーンシートが柔軟性を有し、半導体基板１２の表面の凹凸および反り等を容易に吸収することができる。よって、焼成後の複合基板１４Ｂにおいて、半導体基板１２とセラミック焼結体との接合界面における接合不良を低減することができる。【００７０】
また、本実施の形態による複合基板１１の製造方法では、半導体基板１２によって、セラミック生積層体２３の平面方向の収縮が抑制され、セラミック生積層体２３の厚み方向の収縮が進行する。すなわち、半導体基板１２がセラミック生積層体２３の平面方向の収縮を拘束する。よって、セラミック焼結体の寸法精度を高くすることができ、結果として、複合基板１１の寸法精度を高くすることができる。【００７１】
また、上述の微小構造デバイスの製造方法では、半導体基板１２に密着するセラミックグリーンシートは密着時の加熱時に溶融する溶融成分を含有していることから、半導体基板１２とガラスセラミックグリーンシートとを低圧力で密着することができる。その結果、半導体基板１２とセラミックグリーンシートとに圧力をかけて密着させる際に、半導体基板１２の割れを抑制することができる。【００７２】
なお、上述の説明では、半導体基板１２とセラミック積層体１３からなるセラミック基板とを一体化して複合基板１４Ｂを形成したが、半導体基板１２と単一のセラミック層からなるセラミック基板とを一体化して複合基板１４Ｂを形成してもよい。【００７３】
（第３の実施の形態）
次に、第１の実施の形態による複合基板１を利用した別の機能デバイスについて、図７を用いて説明する。なお、図７において、図３の微小構造デバイス１１と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。【００７４】
図７に示された微小構造デバイス３１が、図３の微小構造デバイス１１と異なる点は、微小構造体１５が流路３２を有する点、および複合基板１４Ａ内に、流路３２を流れる流体に所定の作用を施す作用部３３を有する点である。ここで、微小構造体１５は、半導体の微細加工技術を駆使して作製された微小な流路を含むマイクロ化学システムやガスセンサ等の各種センサである。【００７５】
本実施の形態による微小構造デバイス３１の場合、半導体基板１２を加工することにより形成された微小流路３２に対して立体交差する微小流路をセラミック積層体１３の内部に形成することができる。従って、微小構造デバイス３１の設計自由度を高くすることができるとともに、微小構造デバイス３１を小型化することができる。また、セラミック積層体１３において半導体基板１２に接合される主面以外の主面にその流路に通じる開口を設けることにより、その開口から試薬を投入および排出できることから、流体の供給および排出も容易に行なうことができる。【００７６】
また、本実施の形態による微小構造デバイス３１は、マイクロ弁、またはマイクロポンプなどの作用部３３を設けることができる。この作用部３３としては、例えば、熱バイモルフアクチュエータなどの熱膨張係数の差によって動作するアクチュエータ、電気浸透流を利用した電気浸透流ポンプ等のマイクロポンプ、またはヒータ等がある。これらの作用部３３は、複合基板１４内の半導体基板１２に設けてもよいし、セラミック積層体１３に設けてもよい。半導体基板１２に設ける場合には、半導体マイクロマシーニングプロセスによって形成することができる。
半導体基板１２に形成されたマイクロ弁若しくはマイクロポンプは、セラミック積層体１３の内部に形成された多層配線層１６を用いてセラミック積層体１３の他方主面に設けられた電極パッド１８と電気的に接続することができるため、外部より容易に電力供給することが可能となる。【００７７】
また、図７（ｂ）に示されるように、作用部３３として、セラミック積層体１３の内部に、流路３２内の流体を加熱するヒータを設けてもよい。ヒータは、多層配線層１６と同様にグリーンシート積層法を用いて形成することができる。【００７８】
また、微小構造体１５がμＴＡＳである場合、流路３２を封止するために、流路３２を覆うように、パイレックス（登録商標）ガラスを半導体基板１２に対して陽極接合によって接合することが望ましい。陽極接合時の半導体基板１２への電圧印加はセラミック積層体１３の他方主面に設けた接合用電気供給部からシリコン基板に対し電圧を印加することによって行うことが可能である。【００７９】
本実施の形態による微小構造デバイス３１は、半導体基板１２を加工した微小流路に対して立体交差する微小流路をセラミック積層体１３の内部に形成できることから、２次元方向のみに流路を形成した微小構造デバイス（μＴＡＳなど）に比べて、設計自由度を高めることができる。その結果、微小構造デバイス３１を小型化することができる。【００８０】
また、半導体基板１２上に形成されたマイクロ弁、若しくはマイクロポンプなどの作用部３３、またはセラミック積層体１３の内部に形成されたヒータなどの作用部３３に対して、外部から電力供給する導通経路をセラミック積層体１３の内部の多層配線層１６を利用して形成できることから、微小構造デバイス３１の設計自由度を高くすることができ、微小構造デバイス３１を小型化することができる。また、２次実装電極パッド１８の配置の設計自由度が高くなり、実装信頼性の向上が可能となる。【００８１】
なお、半導体基板１２のセラミック基板に対向する表面にあらかじめ犠牲層を設けて、その後、ウェットエッチング等により、犠牲層１９のみを除去することにより、セラミック基板に対向する表面に流路３２を設けることができる。そのような場合には、流路３２を封止するパイレックス（登録商標）ガラスを設ける必要がなくなる。【００８２】
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態による複合基板１を利用した別の機能デバイスについて、図８を用いて説明する。【００８３】
図８に示されるように、本発明の第４の実施の形態による機能デバイス４１は、表面弾性波デバイスであり、圧電体基板４２とセラミック基板４３とが接合された複合基板４４を有する。また、圧電体基板４２の表面には、櫛形電極４５が形成されている。ここでは、２つの櫛形電極４５を示したが、表面弾性波を用いたデバイスに用いられる電極はこれに限らず、用途に応じて任意に設計可能である。圧電体基板４２は、例えば、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、若しくはリチウムタンタレート等からなる。【００８４】
このように圧電体基板４２を、セラミック基板４３に接合することにより、セラミック基板４２によって強度が保持されるため、圧電体基板４２の厚みを薄くすることができる。これにより、圧電体基板４２の表面に形成された櫛形電極４５の加工が容易になる。【００８５】
本実施の形態による機能デバイス４１の製造方法は、第２の実施の形態による機能デバイス１１の製造方法において、半導体基板２を圧電体基板４２にした場合と同様である。なお、機能デバイス１１の製造方法では、複合基板１４Ａの半導体基板２に加工を施してＭＥＭＳ１５を形成していたが、本実施の形態による機能デバイス４１の製造方法では、圧電体基板４２に密着させたガラスセラミックグリーンシートを焼成して複合基板４４を形成した後、例えば圧電体基板４２上に導体膜を形成し、パターンニングすることにより、櫛形電極４５を形成する。【００８６】
本実施の形態による複合基板４１によれば、圧電体基板４２とセラミック基板４３との接合界面における接合不良を低減することができるとともに、複合基板４１の寸法精度を高くすることができる。また、圧電体基板４２とセラミック基板４３との界面に、焼成過程においてガラスの結晶が析出することから、圧電体基板４２とセラミック基板４３との接合部における強度がより強くなる。【００８７】
なお、セラミック基板に接合される第１基板に設けられる機能素子とは、例えばＭＥＭＳまたは水晶振動子等のように第１基板に部分的に形成される構造体だけでなく、上述の櫛形電極４５と圧電体基板４２とを有する圧電素子のように第１基板全体を含んで構成される構造体も含む。【００８８】
なお、本発明は、上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば、種々の変形は可能である。例えば、複合基板として、サファイア基板とセラミック基板とを接合してもよい。その場合には、複合基板のサファイア基板上に、各種エピタキシャル成長法によって薄膜を形成し、その後、例えば各種電子デバイス等の電気的機能素子または光学的機能素子を設けてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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