(57)【要約】  本発明は、真空中または制御された雰囲気下においてチャンバー内で２つの要素を互いに溶接またはシーリングする方法に関する。本発明の方法は、溶接されるべき前記２つの要素の対向表面に湿潤性領域（１０、１１）を形成する段階であって、前記領域の一方（１１）は、金の層を含み、前記他方の湿潤性領域の表面領域（Ｓ１）より大きい表面領域（Ｓ２）を有するところの段階と、前記領域の一方（１０）上に多量の適切なシーリング材料を堆積する段階であって、前記材料がインジウムを含み、前記他方の要素の湿潤性領域（１１）をそれによって堆積された材料に接触させるところの段階と、再溶融によって２つの要素を互いに効果的にシーリングするために、溶接またはシーリングされるべき要素を含むチャンバー内の温度を非酸化性雰囲気で少なくとも２５０℃まで上昇させる段階と、を含む。
2009506565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接されるべき前記２つの要素の対向表面に湿潤性領域１０、１１を形成し、
前記領域の一方１０の上に多量の適切なシーリング材料を堆積し、
前記他方の要素の湿潤性領域１１を、それによって堆積された前記材料に接触させ、
再溶融によって前記２つの要素を互い効果的にシールするために、少なくとも前記シーリング材料の溶融温度に達するまで、溶接またはシールされるべき前記２つの要素を含むチャンバーの温度を上昇させることからなる、真空中または制御された雰囲気下においてチャンバー内で２つの要素を互いに溶接またはシーリングする方法であって、
前記シーリング材料または溶接材料が堆積されない前記要素の湿潤性領域１１は、金の層からなり、
前記シーリング材料に接触して位置する前記要素の湿潤性領域１１の表面領域Ｓ２は、前記材料が堆積される湿潤性領域１０の表面領域Ｓ１より大きく、
前記シーリング材料は、インジウムからなり、
前記２つの要素のシーリングを互いに効果的に達成するための前記シーリング材料の溶融は、非酸化雰囲気で２５０℃を超える温度で行うことを特徴とする２つの要素を互いに溶接またはシーリングする方法。
【請求項２】
前記シーリング材料に位置する前記要素の湿潤性領域１１の表面領域Ｓ２、特にテープの場合にはその幅は、前記シーリング材料を受容する下層の湿潤性領域１０の表面領域Ｓ１またはそれに相当する寸法の少なくとも１．５より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の２つの要素を互いに溶接またはシーリングする方法。
【請求項３】
前記２つの要素を互いに効果的にシーリングすることを保証する前記再溶融温度は、３００℃より高いことを特徴とする、請求項１または２に記載の２つの要素を互いに溶接またはシーリングする方法。
【請求項４】
前記要素の一方は、１つ又は複数の能動部品を含む半導体基板、特にウェハであることを特徴とする、請求項１から３の何れか一項に記載の２つの要素を互いに溶接またはシーリングする方法。
【請求項５】
前記要素の一方は、カバーを含むことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の２つの要素を互いに溶接またはシーリングする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ電子技術、特にハイブリッド形成及び溶接技術に係り、さらには、漏れ防止、及び、保護カバーのハイブリッド形成及び溶接、又は、能動電気部品または電子部品上の集積回路パッケージに関する。
【０００２】
従って、本発明は、通常チップと称される、より一般的なマイクロ部品の分野に関するだけでなく、マイクロ電子機械システム（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）などのマイクロセンサやマイクロアクチュエーターに関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明で取り扱われる問題のマイクロ部品は、適切な性質の基板、例えば電子部品用においては半導体型の基板（単結晶シリコン、サファイアなど）上に通常堆積される。
【０００４】
これらの基板は、適用可能である場合にはこの部品に所望の電力供給を与えることを可能にすることに加えて、とりわけ、前記部品が、それが有する機能を生じたり制御したりすることを期待される信号の処理及び解析を可能にするために、マイクロ部品から基板の周囲に向かって放射状に広がる導電体を有する。
【０００５】
ある場合には、これらの部品は、パッケージ、保護カバーまたは同等のタイプの構造物内に封入され、それによって、衝撃、腐食、漂遊の電磁放射線に対する保護を保証することを可能にする。このカバーまたはパッケージは、前記部品によって検出されるべき電磁放射線に透過的な窓も含んでもよく、前記部品内に前記放射線を集中するための１つ又は複数のレンズを含んでもよい。
【０００６】
これらのマイクロ部品の中には、真空中または制御された雰囲気（圧力、不活性ガスなど）での動作を必要とするものもあり、適切に動作するために周囲雰囲気に対してシールされる必要があるものもある。このため、上述のパッケージまたはカバーは、制御された雰囲気または程度の差はあるが部分的な真空を取り囲む前記部品上のキャビティを画定するために利用される。
【０００７】
これらの封入せれたマイクロ部品の特定の場合には、これらの製造中に様々な技術的な問題に遭遇する。
【０００８】
第１に、画定された空間内に捉えられた雰囲気の性質に関わらず外部の影響から前記部品の効果的な分離を保証するために、カバーまたはパッケージと部品との間の接続の気密シーリングの品質の重大な問題がある。
【０００９】
この雰囲気が、シーリングの前に、一般的には部品にカバーを適合させる前に空間中に広がるという事実のために、前記空間内に限定された雰囲気の性質を制御することができるようにするための要求もある。
【００１０】
様々な技術は、電気部品または電子部品のこのような封入を達成するためにこれまで使用されている。
【００１１】
これらには、ウェハ−オン−ウェハ積層原理が含まれる。これは、電気部品または電子部品を有するウェハに、限定されるべき空間を画定することができる１つ又は複数のキャビティが形成されている他のウェハをトッピングすることを含む。
【００１２】
固定は、溶融または焼結ガラス結合によって、溶接、特に陽極ソルダーリング（アノディックソルダリング）を用いて行われる。使用される原理は気密度に関して満足いくものであるが、それは、いずれにせよ接続技術に関していくつかの問題を有する。実際、接続ワイヤーを溶接するために結合パッドにアクセスすることは、複雑であり、従って使用することができるトポロジーは、制限される。さらに、高い溶接温度が通常必要とされ、従って、このことは、相当に徹底的に画定された空間内に実装することができる電子部品の数を制限する。
【００１３】
他の代替案は、薄膜層を堆積することによってカバーを形成することを含む。能動部品に対するキャビティは、ウェハ上に形成され、次いで、薄膜シーリング技術によって閉じられる。例えば、層は、低圧化学気相蒸着（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＬＰＣＶＤ）によって成長されるか、キャビティは単に覆われる。
【００１４】
カバーの寸法は、能動部品のサイズまで低減することができる。この技術の使用は複雑であるが、そうは言うものの、それは、極端に小さい能動部品を含む多くのウェハを同時にシーリングすることができるという利点を有する。
【００１５】
最後に、他の技術は、チップカバー、すなわち各々の能動部品にカバーが与えられることによって、または、単一のウェハ上のいくつかの能動部品を覆うことができる大きなチップを用いることによって、ウェハ上にカバーまたはパッケージを溶接することを含む。
【００１６】
この技術は、古典的にはいくつかの段階で行われる。それは、制御された雰囲気を保証することができるチャンバー内または真空チャンバー内に全てがある部品上にカバーを位置合わせし、特に例えばインジウムまたは錫−鉛合金からなる溶接継ぎ手を用いて、当業者に良く知られた技術を採用するその部品上にカバーをシーリングすることからなる。
【００１７】
全てのこれらの操作が、上述のように制御された雰囲気または真空が維持されることを保証するチャンバー内で行われなければならないという事実を踏まえると、このタイプの大多数の動作が行われなければならない場合、または、マルチ部品基板が使用される場合、これらの動作を実行することを目的とする設備が極端に複雑になることは、容易に明白である。さらに、このような操作は、シールされるべきカバーの数ほど多くの回数にわたり繰り返さなければならないので、極端に時間を消費する。必要とされるコストが嵩むことになる。
【００１８】
この継続時間を最適化するために、ある解決法は、その実施形態の１つの封入された電気部品の使用を示す文献ＦＲ２７８０２００に提案されている。記載されている特定の実施形態は、図１から３に示される。
【００１９】
一般的な技術は、例えばシリコンからなるウェハ１上に電子部品３を載置するために使用される。ウェハ１の上部表面４の上及び電子部品３の周囲には、インジウムまたは錫−鉛合金からなる半田ビーズ８を収容するための湿潤性表面または領域５がある。
【００２０】
この文献は、有利には半田ビーズ８を構成するものと同一であり、カバー２がウェハ１と半田ビーズ８と共に画定することができ、所望のキャビティ９が制御された雰囲気または真空を含む、熱溶融性材料からなるバンプ７からなるくさび（ウェッジ）の存在も言及している。
【００２１】
前記キャビティ９内に所望の雰囲気を提供するために、カバー２を支持するウェッジを画定するバンプ７は、半田ビーズの外側に位置し、この組立体は、所望の制御された雰囲気または真空が存在するチャンバー内に位置する。単に温度を上げることは、バンプ７及び半田ビーズ８を構成する材料を溶融するのに十分であり、それによって、それが、それによって画定されるキャビティの気密封止を保証するために前記半田ビーズと接触するまで、カバー２が降下することをもたらす。
【００２２】
実際、バンプ７は、湿潤性表面６上にも位置する。同様に、接触、特に気密性を改善するために、カバー２の下部表面も湿潤性表面５’、６’をそれぞれ有する。
【００２３】
このような技術を用いることによって、前述した方法と比較してかなりの時間を節約することが可能になるというものである。制御された雰囲気または真空を得るための時間がカバーを堆積するために必要とされる時間をはるかに上回るので、密封時間におけるこの減少は、非常に重要である。
【００２４】
理論的なレベルにおいては、この文献によって提案される技術的な解決法は、非常に魅力的であるが、カバー−オン−チップタイプの半田ビーズを用いてカバーを固定する技術を用いることは、カバーの効果的なシーリングの操作が、制御された雰囲気で行われるべきであることを必要とする。
【００２５】
より正確には、金からなる表面上のインジウムの溶接は、液体または気体の脱酸化剤の使用を必要とし、マブマージド溶接とも称される。
【００２６】
しかしながら、形成された密封シールのために、このようなフラックスが、洗浄することができない許容できないフラックス残留物をもたらすことが実際的経験によって示されているので、溶接フラックスの使用は、禁止されている。
【００２７】
さらに、真空中でシーリングまたは溶接（ウェルディング）を行う場合、溶接継ぎ手を形成するための溶融をもたらすために温度を上げると、溶接が一般にガス放出するという事実を踏まえると、フラックスを用いることを想定することができない。
【００２８】
このようなフラックスレスの溶接継ぎ手を形成するために、カバーを適合させるための熱圧着の使用が提案されている。この技術は、溶接材料の溶融温度以下の温度で圧力を印加することを含む。前記材料は、一般に溶接操作の前に２つの側面上に位置する。
【００２９】
シーリングの集合的な性質が困難であったり、不可能であったりさえするので、この技術は、特に高価であり、時間を消費する。
【００３０】
ステンレス溶接材料の使用も、この問題を解決するために提案されている。
【００３１】
特に金−錫ＡｕＳｎ合金を用いることによって発生するコストに関して、さらには、特に温度逸脱に耐えることができなければならない最終装置の優れた信頼性を保証するために最終構造物の機械的特性に対して、使用するのに高価ではないこのような材料に対する要求がある。溶接フラックス残留物の起こり得る存在によって引き起こされるガス放出を取り除くことに対する要求もある。
【００３２】
金−錫合金は、高いヤング率を有し、従って、その機械的特性の点でこの要求を満足しない。
【００３３】
言い換えると、従来文献による周知の技術ないし周知の材料は、本発明で求められている目的を達成することができない。
【特許文献１】仏国特許発明２７８０２００号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
従って、本発明は、使用するのに高価ではないと共に最終部品の最適な信頼性を保証する溶接またはシーリング方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
真空中または制御された雰囲気下においてチャンバー内で２つの要素を互いに溶接またはシーリングする方法は、
結合表面と称される、溶接されるべき前記２つの要素の対向表面に湿潤性領域を形成し、
前記領域の一方の上に多量の適切なシーリング材料を堆積し、
前記他方の要素の湿潤性領域を、それによって堆積された前記材料に接触させ、
再溶融によって前記２つの要素を互い効果的にシールするために、少なくとも前記シーリング材料の溶融温度に達するまで、溶接またはシールされるべき前記２つの要素を含むチャンバーの温度を上昇させることからなる。
【００３６】
本発明によれは、
前記シーリング材料または溶接材料が堆積されない前記要素の湿潤性領域は、金の層からなり、
前記シーリング材料に接触して位置する前記要素の湿潤性領域の表面領域は、前記材料、すなわち、アンダーバンプメタル（ＵＢＭ）層が堆積される湿潤性領域の表面領域より大きく、
前記シーリング材料は、インジウムからなり、
前記２つの要素のシーリングを互いに効果的に達成するための前記シーリング材料の溶融は、非酸化雰囲気で２５０℃を超える温度、有利には３００℃を越える温度で行う。
【００３７】
言い換えると、本発明は、シーリング材料としてインジウムのビーズを使用することができるようにするこれらの４つの累積的な条件を含み、それらの原料のコストは、周知のように、金−錫合金のコストより低く、典型的には１０分の１である。
【００３８】
さらに、本発明は、インジウムの効果的な溶融温度を軽く超える温度でのシーリング材料の溶融をもたらすことを含む。実際、インジウムの溶融温度は１５６℃であるが、シーリングを形成するために本発明によって推奨される温度は、２５０℃、すなわち、インジウムの溶融温度の１．６倍であり、または３００℃でさえある。
【００３９】
これは、シーリングを保証するフラックスを使用する必要性と、これが、インジウムを使用することを可能にし、それらの他の特性が効果的な半田ビーズを製造するために高く評価されるという欠点とを取り除く。
【００４０】
インジウムは、軟質材料または比較的延性な材料であり、その機械的特性は、
（ａ）組立てられた要素間の溶接後のストレスを劇的に和らげ、
（ｂ）特に、このような技術を使用する検出器が曝される熱サイクルに関して、金ベースの半田と比較して高い信頼性を得ることを可能にする。
熱サイクルが剪断力を与え、従って、使用される材料の熱膨張係数の差異のために急速な破壊を与えることは良く知られている。
【００４１】
本発明の有利な一側面によれば、シーリング材料上に位置する要素の湿潤性領域の表面領域、特にテープの場合にはその幅は、少なくとも下層のＵＢＭ湿潤性領域の表面領域またはそれに相当する寸法より１．５倍大きい。
【００４２】
本発明の他の有利な側面によれば、２つの要素を互いに効果的にシーリングすることを保証する再溶融温度は、３００℃を超える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明が実施される方法及びその結果得られる利点は、添付した図面を参照して、単に例として与えられた以下の実施形態の説明によって容易に理解することができるだろう。
【００４４】
前述の通り、図１、２及び３は、従来技術を示し、図１及び３は、シーリングビーズの再溶融を引き起こす温度の上昇前後の基板とカバーの概略断面図をそれぞれ示す。図２は、基板の上面の概略図である。
図４は、従来技術による細部の概略断面図である。
図５は、本発明の一般的原理の細部の概略断面図であり、図６は、カバーがウェハにシールされる前のカバーの概略断面図である。
【００４５】
図４は、従来の技術をより詳細に示すための断面図である。
【００４６】
基板１上のアンダーバンプメタル（ＵＢＭ）層５とカバーの下部表面上の湿潤性領域５’の表面領域Ｓ１、Ｓ２が、それぞれ実質的に同一の寸法を有していることは明らかである。この例では、半田ビーズ（ソルダービーズ）８、一般的に言えばシーリング材料は、金−錫合金ＡｕＳｎからなる。
【００４７】
このようなシーリン材料を用いることに関する欠点は、上記で十分に検討しているので、再び詳細に説明する必要はない。
【００４８】
本発明を示す図５は、本発明の様々な顕著な特徴を非常に明確に示すためのものである。
【００４９】
ここでも、湿潤性領域１０、１１が使用される。しかしながら、本発明では、これらの湿潤性領域は、あらゆる他の材料を除いて金からなる。障壁層または結合表面として作用し、一般的にＴｉＮｉ、ＴｉＷ、ＴｉＰｄなどのチタンベースの合金からなる層の上部にこれらの金属の層がある。
【００５０】
これらの領域は、当業者に完全に良く知られている技術を用いて通常形成されるので、ここでは、それらを詳細に記載する必要は無い。
【００５１】
しかしながら、本発明の一側面によれば、半田ビーズ８を受容する湿潤性領域１０及びカバー２の上に形成される領域１１の寸法は、それぞれ異なる形状を有する。
【００５２】
さらに、本発明の他の側面によれば、シーリング材料は、あらゆる他の材料を除いてインジウムからなる。
【００５３】
この材料は、蒸着、スクリーン印刷、電気分解などのあらゆる手段を用いて堆積され、あるいは、本願と同日付で出願された特許出願に記載のいわゆる金属印刷またはスタンピング技術を用いてさえ堆積される。
【００５４】
要約すれば、この技術は、全ての利用可能なフルウェハ半田堆積技術を使用することを可能にしながら、あらゆるフォトマスク段階を除去することによって、シーリング材料または溶接材料を堆積することに関するコストにおいてかなりの低減を達成することができる。
【００５５】
堆積後、インジウムの層は、脱酸フラックスで再形成することができる。これは、インジウムの溶融温度より高い温度、従って、１５６℃以上、有利には１７０℃以上で行われる。
【００５６】
インジウムのこの層は、表面領域Ｓ１、この場合には幅Ｓ１を有するが、金、白金または他の貴金属材料からなる湿潤性領域１０上に堆積される。
【００５７】
対照的に、カバー２の下部表面上の限られた範囲内の金からなる湿潤性領域１１は、表面領域Ｓ２を有し、この場合、それは、金属領域１０の幅Ｓ１より大きい、典型的には幅Ｓ２の１．５倍より大きい幅Ｓ２を有するテープである。
【００５８】
基板１上にカバー２をシールする操作は、２５０℃以上の温度での再溶融によって行われる。この温度は、有利には３００℃以上であり、この操作は、非酸化性の雰囲気、典型的には真空または不活性ガス中で行われる。
【００５９】
この高温は、溶接処理中に溶融状態の半田ビーズ８と半田バンプ７との間に接触領域の材料を維持することができる金−インジウムの中間物の二元化合物の継続的な形成を可能にし、従って、気密シールに有利に作用する。
【００６０】
これは、改善された機械的特性を有して低コストのシーリングを提供し、それによって、この機械的特性は、得られる検出器の信頼性を高め、上記の引用された文献ＦＲ２７８０２００に記載されるように適用される自己整合カバー技術を用いることによって、集合的な気密シーリングを得ることを可能にする。
【００６１】
この方法は、窒素中において、シリコンウェハ上に設けられたボロメータにカバーを適合させ、光電気部品にカバーを適合させることができる。
【００６２】
上述の文献に開示されているように、半田ビーズを用いて半田バンプ（フリップチップ技術を用いた）と周囲の気密シーリングを用いた接続を同時に得ることができる。
【００６３】
従って、この技術は、単一の半導体ウェハ上に形成された多くの構成部材にカバーを集合的に且つ同時に適合させることを可能にする。それは、如何なるフラックスの洗浄も必要とせずに、これに密接に関する如何なる時間の制限もなく、マルチチップモジュールのハイブリッド形成を得ることも可能にする。
【００６４】
一例として、本発明は、場合によってはゲッター層を備える赤外線を透過するカバーを適合することによって、ＣＭＯＳウェハ上に真空中でボロメータ検出器の赤外線検出器アレイを形成することを可能にする。気密的にシールされたカバーを有するシリコンベッド上のハイブリッド光学素子の生成、適用可能な場合は、そのカバーに組み付けられる光学素子及び／又は相互接続は、言及に値する。最後に、場合によってはゲッター層を備える、カバーを適合させることによってＣＭＯＳウェハ上に真空中でカバーが集合的に適合されたＭＥＭＳの形成を言及すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】従来技術による、シーリングビーズの再溶融を引き起こす温度の上昇前の基板とカバーの概略断面図を示す。
【図２】従来技術による基板の上面の概略図である。
【図３】従来技術による、シーリングビーズの再溶融を引き起こす温度の上昇後の基板とカバーの概略断面図を示す。
【図４】従来技術による細部の概略断面図である。
【図５】本発明の一般的原理の細部の概略断面図である。
【図６】カバーがウェハにシールされる前のカバーの概略断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  ウェハ
２  カバー
３  電子部品
５、５’  湿潤性領域
６、６’  湿潤性表面
７  バンプ
８  半田ビーズ
９  キャビティ
１０  湿潤性領域
１１  湿潤性領域
【図１】
2009506565.tif 000003
【図２】
2009506565.tif 000004
【図３】
2009506565.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009506565.tif 000007
【図６】
2009506565.tif 000008
【国際調査報告】
2009506565.tif 000009
2009506565.tif 000010
2009506565.tif 000011
2009506565.tif 000012