(57)【要約】【課題】  低温で低加圧の基板封止を実現ずる。【解決手段】  半導体チップが搭載された素子基板と封止基板を接合して気密封止する方法であって、封止基板、あるいは素子基板に形成されたシール用金属膜に焼結性の金属ペーストを印刷する工程、基板を吸引固定する上下２枚の固定板と固定板の合わせ機構を有し、下側固定板は着脱可能とする装置において、素子基板を下側固定板に、封止基板を上側固定板に吸引固定し、２枚の基板の合わせを行い、密着させる工程、密着基板が載置された下側固定板を前記装置より取り出し、大気圧より減圧下で熱処理して金属ペーストの溶剤を揮発させる工程、前記密着基板を押圧する機構を有する加圧治具を構成する工程、前記加圧治具を大気圧より減圧下で熱処理する工程、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2014158003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップが搭載された素子基板と封止基板を接合して気密封止する方法であって、
封止基板、あるいは素子基板に形成されたシール用金属膜に焼結性の金属ペーストを印刷する工程、
基板を吸引固定する上下２枚の固定板と固定板の合わせ機構を有し、下側固定板は着脱可能とする装置において、素子基板を下側固定板に、封止基板を上側固定板に吸引固定し、２枚の基板の合わせを行い、密着させる工程、
密着基板が載置された下側固定板を前記装置より取り出し、大気圧より減圧下で熱処理して金属ペーストの溶剤を揮発させる工程、
前記密着基板を押圧する機構を有する加圧治具を構成する工程、
前記加圧治具を大気圧より減圧下で熱処理する工程、
を備えることを特徴とする半導体素子の気密封止方法。
【請求項２】
請求項１に記載の加圧治具を構成する工程において、下側固定板に載置された密着基板に押圧面を備えたバネガイドを載置し、バネガイドには皿バネと皿バネを圧縮する圧縮体が挿置され、圧縮体を押し下げるための押圧板と下側固定板の間にはスペーサ体を配置し、押圧板と下側固定板をスペーサ体に密着固定することにより所望のバネ力を発揮するように構成された治具。
【請求項３】
請求項１に記載の治具を熱処理する工程において、治具をモニターする温度が焼結性の金属ペーストの接合温度域で、大気圧に近い減圧を維持する領域と、さらに減圧する領域で構成することを特徴とする気密封止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は半導体チップ、半導体素子が形成された素子基板と封止基板を気密接合する方法に関し、特に真空封止する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  単一機能のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）チップが形成された素子基板、あるいは実装された素子基板を気密封止する方法としてこれまで多くの技術が提案され、実用化されてきた。陽極接合、共晶半田接合、表面活性化接合などであるが、表面活性化接合（特許文献１）は室温で基板接合できるため耐熱性の低いＭＥＭＳ素子には好適な技術である。表面活性化接合は高真空中で不活性ガスイオンを接合面に照射して清浄にし、強い加圧で基板接合するものである。なお基板はＳｉ基板やガラス基板が主に使用される。【０００３】  一方で多種のＭＥＭＳチップをＣＭＯＳ回路が形成されたＳｉ基板にマウントし、小型複合センサーを実現するニーズもある。共振型ＭＥＭＳを搭載する場合、真空封止が必要になるのでＨｅリークレベルの気密性が要求される。また耐熱性の低いＭＥＭＳチップが混在すれば接着剤で実装することになるので、多種多様なＭＥＭＳチップが実装された基板の接合に表面活性化接合は使用しにくい。素子基板の汚れやアウトガスにより清浄な面が確保できないなどの問題があるためである。これに対してサブミクロンＡｕ粒子を使用した基板封止技術が報告されており、低温・低加圧の条件が固まれば使用できる可能性が高い（非特許文献１、非特許文献２）。【０００４】  非特許文献１には、サブミクロンＡｕ粒子を溶媒に分散させたスラリーをフォトレジストによりシール状にパターン化し、ブレード研削でスラリーを平坦化する方法が開示されている。その後、１００℃でサブミクロンＡｕ粒子を予備焼結させ、フォトレジストを剥離する。接合条件は（熱処理温度、加圧、熱処理時間）＝（２００℃、５０ＭＰａ、３０分）であり、十分な接合強度とグロスリークレベルの気密封止が確保できている。しかしＨｅリークレベル（ファインリーク）の確認はされていないため、実用に供しえるかどうかは不明である。非特許文献２では、サブミクロンＡｕ粒子を溶媒に分散させたスラリーのパターン化にスクリーン印刷を使用し、接合条件として、（３００℃、７３ＭＰａ、３０分）を適用している。ここで注目しなければならないのは、サブミクロンＡｕ粒子のパターン化手段を変えると接合条件に大きな違いが出ていることである。スクリーン印刷によるパターン形成手段ではスラリーの平坦化が十分に成し得ず、基板の密着性が低下し、これを補正し緻密な接合を実現するために高い温度、強い加圧が必要になったと推測できる。しかしフォトレジストとブレード平坦研削を使用したパターン化手法に対しスクリーン印刷は極めて簡便な方法であることは間違いない。【０００５】  一般に焼結性の金属粒子（サブミクロン粒子、ナノ粒子など）を使用したペーストにおいては長時間の熱処理と加圧は緻密な接合層を形成するための必要な条件となっている。しかし５０ＭＰａから８０ＭＰａの加圧は非常に強く、基板に欠陥が生じたり、チップに応力歪をもたらす可能性を考慮すると、可能な限り小さくすることが求められる。また接合時間を短くすることは生産性向上の面では必須であるが、長時間（数時間）の焼結を必要とする低温の焼結性金属ペーストも市販されているため、これを前提とした生産方式も検��する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】  特開２００４−３３７９２７号公報
【０００７】
【非特許文献１】  Ｓ．Ｉｔｏ  ｅｔ．ａｌ．，２０１１  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＡＰＭ２０１１），ｐｐ３４２−３４７
【非特許文献２】  Ｓ．Ｉｓｈｉｚｕｋａ  ｅｔ．ａｌ，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ８８（２０１１），ｐｐ２２７５−２２７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  焼結性の金属ペーストを使用した基板接合において、低温・低加圧で気密接合を実現すること、及び生産性向上にも留意した素子製作工程を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明は、半導体チップが搭載された素子基板と封止基板を接合して気密封止する方法であって、封止基板、あるいは素子基板に形成されたシール用金属膜に焼結性の金属ペーストを印刷する工程、基板を吸引固定する上下２枚の固定板と固定板の合わせ機構を有し、下側固定板は着脱可能とする装置において、素子基板を下側固定板に、封止基板を上側固定板に吸引固定し、２枚の基板の合わせを行い、密着させる工程、密着基板が載置された下側固定板を前記装置より取り出し、大気圧より減圧下で熱処理して金属ペーストの溶剤を揮発させる工程、前記密着基板を押圧する機構を有する加圧治具を構成する工程、前記加圧治具を大気圧より減圧下で熱処理する工程、を備えることを特徴とする。【００１０】  治具を構成する工程においては、下側固定板に載置された密着基板に押圧面を備えたバネガイドを載置し、バネガイドには皿バネと皿バネを圧縮する圧縮体が挿置され、圧縮体を押し下げるための押圧板と下側固定板の間にはスペーサ体を配置し、押圧板と下側固定板をスペーサ体に密着固定することにより所望のバネ力を発揮するように構成される。【００１１】  また治具を熱処理する工程においては、治具をモニターする温度が焼結性の金属ペーストの接合温度域で、大気圧に近い減圧を維持する領域と、さらに減圧する領域で構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】  以上記載したように、ペーストの成形性（柔軟性）を利用して素子基板と封止用基板の密着を確保し、溶剤の揮発ガスの基板への吸着を最小限とするために真空中でドライベークを行い、印刷から封止に至る製造工程のスループットを向上させるために加圧治具を使用した工程のバッチ処理化（治具を多数使用して生産性向上を図る）を実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】  本発明の実施形態に係る気密封止工程を示すフローチャートである。
【図２】  素子基板と封止基板の一例を示す断面図である。
【図３】  本発明の実施形態に係る基板合わせ装置の概略図である。
【図４】  本発明の実施形態に係る加圧治具を示す断面図である。
【図５】  接合に係る熱処理特性の一例。
【図６】  真空封止の実施例
【発明を実施するための形態】
【００１４】  以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ＭＥＭＳチップを含む半導体チップが形成された基板、あるいは半導体チップを実装したものを素子基板として準備する。図２には複数の半導体チップ５を実装した素子基板４と封止基板１の例をに示す。素子基板と封止基板にはシール状金属膜３が形成される。素子基板、封止基板の材質はシリコン基板、ガラス基板、セラミック基板、金属基板などが使用でき、特に限定されない。
【００１５】  図１に本発明の気密封止工程をフローチャートで示した。Ｓ−１は焼結性金属ペーストの印刷工程である。焼結性金属ペーストは、金属ナノ粒子を有機膜で修飾し溶媒に分散させた金属ナノペースト、ナノ粒子よりやや大きいサブミクロン粒子、あるいはフィラーを有機膜を修飾せずに溶媒に分散させたサブミクロン金属ペースト、あるいはミクロンレベルの金属フレークに金属ナノ粒子を溶媒に混合分散させた金属ペーストなどがある。いずれも低温で焼結が期待できる金属ペーストである。金属はＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎｉなどが適用できる。以下本実施例では、Ａｇナノペースト（Ａｇナノ粒子には有機膜が修飾されている）を使用した例について説明していく。Ａｇナノ粒子は有機膜で修飾されている。ペースト印刷は封止基板のシール状金属膜３にスクリーン印刷かディスペンサ塗布で行うが、これを素子基板側に印刷しても構わないし、双方の基板に印刷しても構わない。シール状金属膜はＡｕ、Ａｇが好ましい。
【００１６】  Ｓ−２において素子基板と封止基板の合わせを行い、２枚の基板を密着させる。合わせに必要な最小限の機能を有する装置を図３に示す。封止基板１は上側固定板７に真空チャックで固定する。素子基板４は下側固定板９に真空チャックされる。合わせは上下２視野光学部８からの画像で行い、合わせができると上下２視野光学部を引き出して上側固定板を下降し素子基板に密着させる。その後上側固定板７の真空チャックを解放してＺ軸駆動部１３を上げる。なお基板の密着は十分に為される必要があるため、装置には加圧が掛けられる機構と荷重センサーを付加するのが良い。加圧力は金属ペーストの粘度で決められるが、０．１ＭＰａ程度、あるいはそれ以下でも十分である。
【００１７】  次に下側固定板９を合わせ装置から取り出し、真空オーブンに投入し、１００℃、５分でＡｇナノペーストの溶剤を揮発させる（Ｓ−３）。真空度は−７０〜−９０ｋＰａである。しかし真空度は特に限定されない。溶剤の揮発ガスが基板に付着しないよう蒸発し、速やかに排気されるのが良い。なお好ましくは、室温にて真空引きを開始し、その後昇温する手順が良い。
【００１８】  真空熱処理乾燥した下側固定板９（素子基板と封止基板が密着載置されている）を図４に示す加圧治具として構成する。下側固定板９にスペーサ体１６を配置し、バネガイド１９、皿バネ１８、バネ圧縮体１７をそれぞれ載置していく（Ｓ−４−１）。最後に押圧板１５を載置してハンドプレスなどで荷重をかけた状態で固定ネジ１４を締める（Ｓ−４−２）。バネ力は皿バネの圧縮量で決まるので、圧縮量はスペーサ体１６の高さとバネ圧縮体１７の厚さで決めることができる。図ではスペーサ体を一種類で示したが、厚さの異なるスペーサ体を重ねて皿バネの圧縮量を調整することができる。例えば１０μｍ厚のスペーサ体（金属箔）を準備することは容易であるから、１０μｍ単位でバネ圧縮量を設定することができる。
【００１９】  本発明では真空封止を目的としているためＳ−５では、治具を真空オーブンに投入し、Ａｇナノペーストの焼結、基板接合を行う。Ａｇナノペーストが焼結するためにはＡｇナノ粒子を修飾している有機膜を高温で燃焼、あるいは剥離させることが必要である。この温度は使用する金属ナノペーストのＴＧ−ＤＴＡ（示差熱−熱重量同時測定）で見積もられ、焼結温度や接合温度の目安にされる。従って使用するペーストによって接合温度は当然異なるものであり、温度設定以外の雰囲気、熱処理特性を決めておくのが良い。
【００２０】  図５に本実施例における熱処理特性を示す。接合温度をＴ、接合時間をｔとすると、市販されているＡｇナノペーストは、Ｔとして２００℃から３００℃で設定され、時間は１０分から１２０分の間で設定することができる。また焼結に多少の酸素を必要とするものや、Ｎ２雰囲気でも接合性にそん色のないものもある。これらを考慮すると、接合時間領域のｔ１までは大気圧よりやや減圧状態を維持することにより酸素の存在を許容し、それ以降はさらに減圧していくのが真空封止には好適である。減圧状態の維持は大気圧の９０％から９５％程度が良い。またこの領域の接合性としてはＨｅリークレベルの気密が成されておらず、グロスリークの状態でもある。そして十分に接合時間をかけることにより緻密な接合層が形成されて真空封止が成されていく。なお金属粒子に有機膜を修飾していない焼結性の金属ペースト（サブミクロン金属粒子ペーストなど）では、昇温時から真空に維持しても接合は可能である。しかし熱処理雰囲気として２段階の圧力を設定することで、金属ナノ粒子からサブミクロン金属粒子、あるいはそれを混合した焼結性の金属ペーストに共通の汎用性の高い接合方式とすることができる。
【００２１】  図５において真空切り替えの時期は接合温度（設定値）に達して以降としているが、接合温度を高く設定すると真空切り替えの時期ｔ１は接合温度に達した時点に近づけることができる。
【実施例】
【００２２】  ＴＧ−ＤＴＡ分析で約２００℃で発熱ピークがみられるＡｇナノペーストを使用した実施例である。接合サンプルとしてはＡｕ仕上げを行ったＳｉ基板２１にＡｕ仕上げを行ったＳｉキャップ２０である（図６）。Ｓｉキャップのサイズは８ｍｍ□、シールラインは幅１ｍｍである。Ｓｉ基板に形成したＡｇナノペーストの厚さは１０μｍ、接合条件は、２００℃でｔを６０分、ｔ１は２００℃に達した時点とした。結果を表１に示す。【００２１】
【表１】
2014158003.tif 000003
2014158003.tif 000004
【００２３】  低温・低加圧の基板接合で十分なＨｅリークレベルを達成することができた。またｔ１時点での封止性を事前に確認したところ、グロスリークがあるので真空封止が成されている。
【符号の説明】
【００２４】１    封止基板
２    溝部
３    シール状金属膜
４    素子基板
５    半導体チップ、ＭＥＭＳチップ
６    光学窓
７    基板固定板
８    上下２視野光学部
９    下側固定板
１０  ＸＹステージ
１１  マイクロメータヘッド
１２  吸着口
１３  Ｚ軸駆動部
１４  固定ネジ
１５  押圧板
１６  スペーサ体
１７  バネ圧縮体
１８  皿バネ
１９  バネガイド
２０  Ｓｉキャップ
２１  Ｓｉ基板
２２  Ａｇナノペースト
【図１】
2014158003.tif 000005
【図２】
2014158003.tif 000006
【図３】
2014158003.tif 000007
【図４】
2014158003.tif 000008
【図５】
2014158003.tif 000009
【図６】
2014158003.tif 000010