(57)【要約】【課題】組立体の機械的脆弱性を防止しながらも、金属間化合物によってもたらされる長所、すなわち両対象の間の連結素子の融点が向上するという長所を有する2つの対象の新しいタイプの組立体を提供すること。【解決手段】両対象の間に設けられた少なくとも1つの連結素子(108)を介して互いに一体となる2つの対象(102、106)の組立体であって、前記連結素子は少なくとも第1の材料部分(116)を含み、この材料部分は第1のろう付け用金属、および第1のろう付け用金属の融点より高い融点の第2の金属で形成される相の金属間化合物を備えており、前記連結素子は少なくとも第3の金属から構成される少なくとも第2の材料部分(118)をさらに含み、前記第2の材料部分は両対象に接触している組立体。【選択図】図3
2012054553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両対象（１０２、１０６）の間に設けられた少なくとも１つの連結素子（１０８、２０８、３０８）を介して互いに一体となる２つの対象（１０２、１０６）の組立体（１０）であって、前記連結素子（１０８、２０８、３０８）は少なくとも第１の材料部分（１１６、２１６、３１６）を含み、この材料部分は第１のろう付け用金属、および第１のろう付け用金属の融点より高い融点の第２の金属で形成される相の金属間化合物を備えており、前記連結素子（１０８、２０８、３０８）は少なくとも第３の金属から構成される少なくとも第２の材料部分（１１８、２１８、３１８）をさらに含み、前記第２の材料部分（１１８、２１８、３１８）は両対象（１０２、１０６）に接触している組立体（１０）。
【請求項２】
金属間化合物を備えた少なくとも２つの第１の材料部分（１１６）を含み、２つの第１の材料部分（１１６）が、両対象（１０２、１０６）に接触しており、第２の材料部分（１１８）が２つの第１の材料部分（１１６）の間に設けられる、請求項１に記載の組立体（１０）。
【請求項３】
第２の金属から構成されており、両対象の少なくとも一方（１０６）に接触している少なくとも２つの金属壁（１１０）をさらに含み、２つの第１の材料部分（１１６）の各々が、第２の材料部分（１１８）と２つの金属壁（１１０）の一方との間に設けられる、請求項２に記載の組立体（１０）。
【請求項４】
２つの金属壁（１１０）が、両対象（１０２、１０６）に接触している、請求項３に記載の組立体（１０）。
【請求項５】
金属間化合物を備えた１つまたは複数の第１の材料部分（２１６、３１６）を含み、第１の材料部分（２１６、３１６）が、両対象（１０２、１０６）の一方に接触し、第２の材料部分（２１８、３１８）で覆われている、請求項１に記載の組立体（１０）。
【請求項６】
第２の金属から構成されており、両対象（１０２、１０６）の一方に接触している１つまたは複数の金属パッド（２１０、３１０）をさらに含み、各金属パッド（２１０、３１０）が第１の材料部分（２１６、３１６）の１つで少なくとも部分的に覆われている、請求項５に記載の組立体（１０）。
【請求項７】
第１のろう付け用金属がスズを含む、および／または第２の金属がニッケルおよび銅を含む、および／または第３の金属が金を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の組立体（１０）。
【請求項８】
両対象が、基板（１０２）およびキャップ（１０６）であり、組立体（１０）が、基板（１０２）と一体で、基板（１０２）とキャップ（１０６）との間に形成されるキャビティ（１０４）に封入された、マイクロシステム（１００）を少なくともさらに含み、連結素子（１０８、２０８、３０８）がキャビティ（１０４）の気密性側壁を形成する封止用ビードである、請求項１から７のいずれか一項に記載の組立体（１０）。
【請求項９】
２つの対象（１０２、１０６）の組立方法であって、
−両対象の一方（１０２）の上に、少なくとも第１のろう付け用金属（１１４）および第３の金属（１１２）で形成されるろう付け用素子（１１１）を作製するステップと、
−ろう付け用素子（１１１）を、第１のろう付け用金属（１１４）の融点よりも高い融点の少なくとも第２の金属（１１０、２１０、３１０）に接触させるステップと、
−ろう付け用素子（１１１）を等温凝固させることによって、両対象（１０２、１０６）をろう付けして、両対象（１０２、１０６）の間に設けられる少なくとも１つの連結素子（１０８、２０８、３０８）を形成するステップであって、前記連結素子（１０８、２０８、３０８）は少なくとも１つの第１の材料部分（１１６、２１６、３１６）を含み、この材料部分は第１のろう付け用金属および第２の金属で形成される相の金属間化合物、および第３の金属から構成される少なくとも１つの第２の材料部分（１１８、２１８、３１８）を備えており、前記第２の材料部分（１１８、２１８、３１８）は両対象（１０２、１０６）に接触しているステップと
を少なくとも含む方法。
【請求項１０】
ろう付け用素子（１１１）を第２の金属（１１０）に接触させるステップの前に、両対象の少なくとも一方（１０６）に接触している第２の金属から構成される少なくとも２つの金属壁（１１０）を作製するステップをさらに含み、
−ろう付け用素子（１１１）を第２の金属（１１０）に接触させるステップの間に、ろう付け用素子（１１１）が前記２つの金属壁（１１０）間に設けられ、
−ろう付けステップが、金属間化合物を備えた少なくとも２つの第１の材料部分（１１６）を形成し、２つの第１の材料部分（１１６）が両対象（１０２、１０６）に接触しており、第２の材料部分（１１８）を２つの第１の材料部分（１１６）の間に設け、２つの第１の材料部分（１１６）の各々を第２の材料部分（１１８）と両金属壁（１１０）の一方との間に設ける、請求項９に記載の組立方法。
【請求項１１】
ろう付け用素子（１１１）を作製するステップの前に、第２の金属から構成されており両対象の前記一方（１０２）に接触している１つまたは複数の金属パッド（２１０）を作製するステップをさらに含み、ろう付け用素子（１１１）が金属パッド（２１０）を少なくとも部分的に覆うように作製されており、ろう付けステップが、金属間化合物を備えた１つまたは複数の第１の材料部分（２１６）を形成しており、第１の材料部分（２１６）が金属パッド（２１０）を少なくとも部分的に覆い、第２の材料部分（２１８）で覆われている、請求項９に記載の組立方法。
【請求項１２】
ろう付け用素子（１１１）を作製するステップの前に、第２の金属から構成されており両対象の一方（１０６）に接触している１つまたは複数の金属パッド（３１０）を作製するステップをさらに含み、ろう付け用素子（１１１）が両対象の他方（１０２）の上に作製され、
−ろう付け用素子（１１１）を第２の金属（１１０）に接触させるステップの間に、ろう付け用素子（１１１）が金属パッド（３１０）に接触して設けられ、
−ろう付けステップが、金属間化合物を備えた１つまたは複数の第１の材料部分（３１６）を形成しており、第１の材料部分（３１６）が金属パッド（３１０）を少なくとも部分的に覆い、第２の材料部分（３１８）で覆われている、請求項９に記載の組立方法。
【請求項１３】
ろう付け用素子（１１１）の作製が、
−両対象の一方（１０２）の上に第３の金属（１１２）を堆積させるステップと、
−第３の金属（１１２）上に第１のろう付け用金属（１１４）を堆積させるステップと、
−第１のろう付け用金属（１１４）および第３の金属（１１２）を熱処理して、固体状態の拡散によって、第１のろう付け用金属および第３の金属から構成される共晶から構成されるろう付け用素子（１１１）を形成するステップ
の実施を含む、請求項９から１２のいずれか一項に記載の組立方法。
【請求項１４】
第１のろう付け用金属がスズを含み、および／または第２の金属がニッケルまたは銅を含み、および／または第３の金属が金を含む、請求項９から１３のいずれか一項に記載の組立方法。
【請求項１５】
両対象が基板（１０２）およびキャップ（１０６）であり、少なくとも１つのマイクロシステム（１００）が基板（１０２）と一体になり、ろう付けステップによって封止用ビード（１０８、２０８、３０８）を形成してキャップ（１０６）と基板（１０２）を機械的に連結し、基板（１０２）とキャップ（１０６）との間に形成されるキャビティ（１０４）の気密性側壁を形成し、そのキャビティの中にマイクロシステム（１００）が封入されるように、ろう付素子（１１１）がビードとして作製される、請求項９から１４のいずれか一項に記載の組立方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にマイクロエレクトロニクス用の対象の組立分野に関する。本発明は、支持体とキャップとの間に形成される気密性キャビティに、MEMS(微小電気機械システム)、NEMS(ナノ電気機械システム)または、さらにはMOEMS(微小光学電気機械システム)のタイプのマイクロシステムあるいはマイクロ構成部品をパッケージする、または封入するために特に適用される。
【背景技術】
【０００２】
マイクロシステムをパッケージすることにより、その小さな寸法を考慮すると外的攻撃からの保護、電気デバイスに集積される場合の安全な取り扱い、または制御雰囲気中における封入が、このマイクロシステムに可能になる。このようなパッケージには、マイクロシステムが予めその上に作製される支持体、およびキャップの間の組立作業、該支持体および該キャップ間に形成されるキャビティへのマイクロシステムの封入が含まれる。費用面の理由のため、このような組立は一般に、支持体上に作製される数個のマイクロシステムに一括して実施される。支持体は一般に基板、すなわち最大約300mmとすることができる直径を有する半導体ウエハである。キャップはまた、第2の基板で形成されてもよい。
【０００３】
こうして得られたチップ(そのキャビティ内に封入されるマイクロシステムに相当するチップ)は、次に支持体の裁断作業によって互いに分離される(および、数個のチップに共通であれば、場合によりキャップ)。したがって、支持体へのキャップのこのような組立は機械的に強固であるべきであり、マイクロシステムが制御雰囲気中で封入される場合、キャビティの外側とのいかなるガス交換をも防ぐために、気密性であるべきである。
【０００４】
支持体とキャップとの間のこの組立体は、キャビティの側壁を形成している間に、例えば、支持体とキャップとの間の密着(cohesion)および機械的保持をもたらす金属封止用ビードを介して作製される。金属ビードは一般に、ろう付け用金属、例えばスズまたはスズ基合金から作製される。
【０００５】
しかし、このような金属ビードを使用すると、支持体とキャップとの間に金属ビードを介した組立体を作製した後に、ろう付け用金属の溶融温度、すなわち融点よりも高いサーマルバジェット(thermal budgets)を必要とする技術的ステップを実施することができず(この場合、金属ビードが再度溶融されることになる)、それゆえに、先に作製したパッケージングが破壊されることになるという欠点を有する。
【０００６】
この欠点を改善するため、TLPB(「液相拡散接合」)とも呼ばれる等温凝固ろう付け法(isothermal solidification brazing method)を実施することによって、支持体とキャップとの間の組立体を作製することが可能になる。このタイプのろう付けまたははんだ付けは、純粋な金属または合金とすることができるろう付け用金属を溶融して、ろう付け用金属の融点すなわち溶融温度よりも高く、かつ、その化学組成が変化するように、液相においてろう付け用金属と反応する別の金属に接触させる。この化学反応は、溶融したろう付け用金属の完全な消費をもたらす金属間化合物(IMC)を形成する。こうして、ろう付け用金属の全体が、硬ろう(braze)またははんだを形成するIMCに化学的に変換される。これらのIMCは、ろう付け用金属およびより高い融点の金属の組合せに相当する化学組成物を有し、かつ、ろう付け用金属およびより高い融点の金属の結晶構造とは異なる結晶構造を含む。
【０００７】
例として、2つのニッケル層(より高い融点の金属)間に溶融したスズ(ろう付け用金属)を使用することが可能であり、これらの層は、作製しようとする封止用ビードのパターンに相当するパターンに応じて作製される。両ニッケル層の一方は支持体の表面上に予め作製され、また両ニッケル層の他方はキャップの表面上に予め作製されており、組立が一旦終了すると、これらの表面は互いに向かい合うようになされる。ろう付けの間、スズはニッケルと反応して(Sn、Ni)相のIMCを形成し、その結晶構造は、スズおよびニッケルの結晶構造とは異なっており、またその溶融温度は、約232℃であるスズの溶融温度よりも高い。こうして、少なくとも3つの金属層を重ね合わせることによって形成される金属封止用ビード、すなわち2つのニッケル層間に設けられた金属間性(Sn、Ni)の相の少なくとも1つの層が得られ、これらの層は支持体およびキャップに対して平行である。
【０００８】
しかし、これらのIMCにより、作製される封止用ビードの融点の向上が可能になり、それらは基板または支持体に対して平行な層に設けられて互いに境界が定められ、こうして潜在的に脆いIMC間の境界を画定するという事実を考慮しても、IMCは封止用ビードを機械的に脆弱にする。したがって、特に、作製される組立体に優れた機械的強度を必要とするマイクロシステムを封入する場合、これは問題を引き起こす恐れがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の一目的は、組立体の機械的脆弱性を防止しながらも、金属間化合物によってもたらされる長所、すなわち両対象の間の連結素子の融点が向上するという長所を有する2つの対象の新しいタイプの組立体を提供することである。
【００１０】
このために、本発明は両対象の間に設けられた少なくとも1つの連結素子を介して互いに一体となる2つの対象の組立体であって、前記連結素子は少なくとも第1の材料部分を含み、この材料部分は第1のろう付け用金属、および第1のろう付け用金属の融点より高い融点の第2の金属で形成される相の金属間化合物を備えており、前記連結素子は少なくとも第3の金属から構成される少なくとも第2の材料部分をさらに含み、前記第2の材料部分は両対象に接触している組立体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明はIMCを備えた連結素子による2つの対象の組立体であって、これらのIMCによって、これらIMCを形成するために使用されるろう付け用金属またははんだ付け用金属の融点について、連結素子の融点を向上できる組立体を提供する。さらに、第3の金属から構成される第2の材料部分は、IMCを含まなくてもよく、または連結素子の第1の部分のIMCとは異なるIMCを含んでもよく、かつ、それらIMCが機械的耐久性に関して一層優れた特性をもたらすように選択することができ、さらに両対象に接触(この接触は、両対象の間に直接的、すなわち、連結素子の第1の部分のIMCを介することなく作製される接触である)しているが、この材料部分により、両対象の間のこの第2の材料部分によって形成される機械的連結の観点から、連結素子の第1の材料部分に存在するIMCは、該連結素子を機械的に脆くしない。このように、対象に重なる平行の層として作製される連結素子に関しては、本発明による連結素子の構造によって、一層大きな機械的耐久性の獲得が可能になる。
【００１２】
第3の金属は、第2の金属およびろう付け用合金の成分の1種との合金とすることが可能である(共晶組成物を有するろう付け用合金の場合)。
【００１３】
このような組立体は、特に両対象の少なくとも一方の厚みを小さくするための、例えば1つまたは複数の機械的研削作業、および/またはその後の対象の裁断を、組立体に実施することを可能にする機械的強度をもたらす。
【００１４】
さらに、連結素子が気密性の場合、組立体の耐密性により、組立体は湿式の技術的作業を受けることが可能になる。
【００１５】
「金属間化合物」すなわちIMCとは、その化学組成が少なくとも2つの異なる金属元素の組合せに相当し、各金属元素の結晶構造とは異なる結晶構造を含む化合物を意味する。
【００１６】
第1の実施形態では、組立体は金属間化合物を備えた少なくとも2つの第1の材料部分を含んでもよく、第1の材料部分の両方は、両対象に接触しており、第2の材料部分は第1の材料部分の両方の間に設けられる。
【００１７】
この場合、組立体は、第2の金属から構成されており、両対象の少なくとも一方に接触している少なくとも2つの金属壁をさらに含んでもよく、両方の第1の材料部分の各々は、第2の材料部分と両金属壁の一方との間に設けられる。金属壁の両方は、連結素子内の第1の材料部分の所望の形状に応じて画定され得る形状を有し、こうして作製される連結素子の3次元構造、および特に、連結素子における第1の材料部分の形状および分布、すなわちIMCを制御し得る。金属壁は両方とも、IMCを含む第1の材料部分が対象と一体の面に対して垂直の「層」を形成するように作製され得る。このように、IMCを含む第1の材料部分は、連結素子の機械的強度に影響しない。この制御はまた、連結素子の最終寸法、および組立体に機械的強度を付与することになる境界面(第2の材料部分と対象との間)の性質の制御を可能にする。
【００１８】
金属壁は両方とも、両対象に接触していてもよい。このように、これら2つの金属壁はまた、両対象の間のギャップを確保するために、両対象の間の厚みウエッジ(thickness wedges)として、すなわち作製される連結素子の厚みとして働くことができる。
【００１９】
第2および第3の実施形態では、組立体は金属間化合物を備えた1つまたは複数の第1の材料部分を含んでもよく、第1の材料部分は両対象の一方に接触してもよく、第2の材料部分で覆われてもよい。
【００２０】
この場合、組立体は第2の金属から構成されており、両対象の一方に接触している1つまたは複数の金属部分または金属パッドをさらに含んでもよく、各金属パッドは第1の材料部分の1つで少なくとも部分的に覆われている。金属パッドまたは金属部分はやはり、連結素子内の第1の材料部分の所望の形状に応じて画定される形状を有することができ、こうして、連結素子の3次元構造、特に連結素子におけるIMCの形状および分布を制御し得る。IMCを含む第1の材料部分が、連結素子に沿う両対象の少なくとも一方に接触して不連続なパッドを形成するように、金属パッドは作製されてもよい。このように、IMCを含む材料部分は、連結素子の機械的強度に影響しない。この制御はまた、連結素子の最終寸法、および組立体の機械的強度を確保することになる境界面の性質の制御を可能にする。連結素子に沿ってこれらのパッドを連続的に作製することもまた可能である。
【００２１】
第1のろう付け用材料はスズを含んでよく、および/または第2の金属はニッケルまたは銅を含んでよく、および/または第3の金属は金を含んでよい。このように、マイクロシステムの封入と相性のよい融点を有する、例えば、Au-Sn 29% at.型(すなわち、29%のスズ原子および71%の金原子で形成される合金)のAu-Sn型共晶から連結素子を作製することが可能である。さらに、このような共晶はまた、低温で溶融する(したがって、マイクロシステムの封入に相性がよい)一般に酸化しやすい他のろう付け用金属または共晶とは異なり、ろう付け前にストリッピングまたは脱酸を必要としないという利点がある。一代替では、共晶Au-Si 19% at.を使用することが可能である。
【００２２】
銅またはニッケルを含む第2の金属によって、スズとの化学反応からIMCを形成させることにより、連結素子の融点の向上が可能になる。さらに、銅およびニッケルはまた、電解的に、またはPVD(物理蒸着)によって堆積させることが可能であるという長所も有する。
【００２３】
第3の金属は、第1のろう付け用金属とは異なることが有利である。しかし、本発明は第3の金属が第1のろう付け用金属と同じ性質である組立体に適用可能である。
【００２４】
対象は両方ともに基板およびキャップとすることができ、組立体は基板と一体の、基板とキャップとの間に形成されるキャビティに封入されたマイクロシステムを少なくともさらに含むことができ、連結素子はキャビティの気密性側壁を形成する封止用ビードである。このような組立体は特に、マイクロシステムを制御雰囲気中で封入することを可能にする。
【００２５】
本発明はまた、2つの対象の組立方法であって、
両対象の一方の上に、少なくとも第1のろう付け用金属および第3の金属で形成されるろう付け用素子を作製するステップと、
ろう付け用素子を、第1のろう付け用金属の融点よりも高い融点の少なくとも第2の金属に接触させるステップと、
ろう付け用素子を等温凝固させることによって、両対象をろう付けして、両対象の間に設けられる少なくとも1つの連結素子を形成するステップであって、前記連結素子は少なくとも第1の材料部分を含み、この材料部分は第1のろう付け用金属および第2の金属で形成される相の金属間化合物、および第3の金属から構成される少なくとも第2の材料部分を備えており、前記第2の材料部分は両対象に接触しているステップと
を少なくとも含む方法に関する。
【００２６】
こうして、このような方法を実施すると、
組立方法によってマイクロシステムを封入する際に、ろう付けまたははんだ付け用の金属の局在的な凝固の制御、特にマイクロシステム周辺の制御、および
組立対象の両方の間に形成される空間の制御、
を確実にすることが可能になる。
【００２７】
第1の実施形態によれば、組立方法は、ろう付け用素子を第2の金属に接触させるステップの前に、両対象の少なくとも一方に接触している第2の金属から構成される少なくとも2つの金属壁を作製するステップをさらに含むことができ、さらに、
ろう付け用素子を第2の金属に接触させるステップの間に、ろう付け用素子が前記2つの金属壁の間に設けられてもよく、
ろう付けステップが、金属間化合物を備えた少なくとも2つの第1の材料部分を形成してもよく、2つの第1の材料部分は両対象に接触してもよく、第2の材料部分を2つの第1の材料部分の間に設けることが可能であり、2つの第1の材料部分の各々を第2の材料部分と両金属壁の一方との間に設けることができる。
【００２８】
第2の実施形態によれば、組立方法は、ろう付け用素子を作製するステップの前に、第2の金属から構成されており両対象の前記一方に接触している1つまたは複数の金属パッドを作製するステップをさらに含むことができ、ろう付け用素子が金属パッドを少なくとも部分的に覆うように作製されてもよく、さらに、ろう付けステップが、金属間化合物を備えた1つまたは複数の第1の材料部分を形成してもよく、第1の材料部分は金属パッドを少なくとも部分的に覆い、第2の材料部分で覆われてよい。
【００２９】
第3の実施形態によれば、組立方法は、ろう付け用素子を作製するステップの前に、第2の金属から構成されており両対象の一方に接触している1つまたは複数の金属パッドを作製するステップをさらに含むことができ、ろう付け用素子は、両対象の他方の上に作製することができ、さらに、
ろう付け用素子を第2の金属に接触させるステップの間に、ろう付け用素子が金属パッドに接触して設けられてもよく、
ろう付けステップは、金属間化合物を備えた1つまたは複数の第1の材料部分を形成してもよく、第1の材料部分は金属パッドを少なくとも部分的に覆うことができ、第2の材料部分で覆われてよい。
【００３０】
ろう付け用素子の作製は、以下の
両対象の一方の上に第3の金属を堆積させるステップと、
第3の金属上に第1のろう付け用金属を堆積させるステップと、
第1のろう付け用金属および第3の金属を熱処理して、固体状態の拡散によって、第1のろう付け用金属および第3の金属から構成される共晶から構成されてもよいろう付け用素子を形成するステップ
の実施を含むことができる。
【００３１】
対象は両方とも、基板およびキャップとすることができ、少なくとも1つのマイクロシステムは基板と一体にすることが可能であり、ろう付けステップによって封止用ビードを形成してキャップと基板を機械的に連結し、基板とキャップとの間に形成されるキャビティの気密性側壁を形成し、そのキャビティの中にマイクロシステムが封入され得るように、ろう付素子がビードとして作製され得る。
【００３２】
本発明は、例えば真空下または制御雰囲気中において、支持体とキャップとの間に形成されるキャビティ内にマイクロシステムを封入する組立体に、特に適用可能である。本発明はまた、両対象の間に、上記で定義されたような金属間性の局在(intermetallic localisation)を有する制御された厚みウエッジを形成させることによる、特に航空用途または航空宇宙用途のピース(pieces)、例えば金属性系または金属系、およびセラミックス系のピースの組立体にも適用可能である。
【００３３】
添付の図面を参照することによって、単なる例示目的、決して限定目的ではなく提示されただけの例示的実施形態の説明を一読すれば、本発明が一層よく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による2つの対象の組立体の断面図を表す。
【図２】第1の実施形態による本発明の対象である、組立方法のステップを表す。
【図３】第1の実施形態による本発明の対象である、組立方法のステップを表す。
【図４】第1の実施形態による本発明の対象である、組立方法のステップを表す。
【図５】第2の実施形態による本発明の対象である、組立方法のステップを表す。
【図６】第2の実施形態による本発明の対象である、組立方法のステップを表す。
【図７】第2の実施形態による本発明の対象である、組立方法のステップを表す。
【図８】第2の実施形態の一代替による本発明の対象である、組立方法のステップを表す。
【図９】第3の実施形態による本発明の対象である、組立方法のステップを表す。
【図１０】第3の実施形態による本発明の対象である、組立方法のステップを表す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
これ以降に記載される異なる図の同一、同様、または等価な部分は、1つの図から別の図をより簡単に見通せるように、同じ番号が付与されている。
【００３６】
図中に表される異なる部分は、図を一層よく見えるようにするために、一貫した尺度で必ずしも描かれていない。
【００３７】
異なる可能性(代替および実施形態)は、互いに排他的なものではないと理解されるべきであり、また互いに組み合されてもよい。
【００３８】
ここでは、その上にマイクロシステム100が作製される基板102とキャップ106との間に形成されるキャビティ104に、マイクロシステム100、例えばMEMS、NEMSまたはMOEMSのデバイスを封入する2つの対象102および対象106の組立体10が、図1に表されている。基板102およびキャップ106は、ろう付け工程またははんだ付け工程によって、それらを互いに一体にすることが可能な1つまたは複数の材料から構成される。すなわち、基板102はシリコンなどの半導体から構成される一方、キャップ106は、やはりシリコンなどの半導体から構成される第2の基板によって形成される。キャップ106が基板102と一体になることを確実にする連結素子を形成する封止用ビード108によって、キャビティ104は横方向に境界が定められる。封止用ビード108の材料もまた、マイクロシステム100の気密的な封入を確実にする。すなわち、マイクロシステム100は、特定のガス雰囲気中または真空下で封入され得る。
【００３９】
第1の実施形態による、基板102にキャップ106を組立てて、組立体10を形成する方法のステップを例示する図2から図4を参照する。
【００４０】
このような組立体10を作製するには、初めに、図2に表されるように、基板102に向かい合って設けるようになされるキャップ106の面上に形成された金属部分110が存在しており、この金属部分は横方向に連続的、すなわちキャビティ104のすべての周囲に封止用ビード108の境界を定めるようになされ、封止用ビード108内に金属間化合物を形成するようになされた金属壁を形成する。これらの金属壁110は、例えばニッケルから構成されており、したがって、その後、特にろう付け用金属またははんだ付け用金属から構成され、これらの壁110に接触している共晶が、等温凝固ろう付け工程を実施することにより、ニッケルおよびろう付け用金属で形成される相の金属間化合物(IMC)を形成する。金属壁110は銅から構成されることもまた可能である。
【００４１】
ここでは、金属壁110の厚み(図2に表されたZ軸に沿った次元)、すなわち基板102の主面(マイクロシステム100は、これらの主面の1つの面上に設けられる)の平面、および金属壁110のキャップ106の主面の平面に対する垂直次元が、作製されることになる封止用ビード108の高さよりも低く、また例えば約1μmから4μmの間となる。図4は、そこに壁110が作製されるキャップ106の底面図を表す。平面(Y、Y)における金属部分によって形成されるパターンは、封止用ビード108の所望のパターンに相当する。
【００４２】
金属壁110の作製と平行して、ろう付け用素子またははんだ付け用素子111が基板102上に、ビードとして形成される。このろう付け用ビード111は、ここでは、ろう付け用金属またははんだ付け用金属、例えばスズから構成される第1の層114からなり、別の金属、例えば金から構成される第2の層112上に設けられる。
【００４３】
ろう付け用ビード111の例示的な実施形態は、以下に説明される。第1に、その上にろう付け用ビード111を作製しようとする基板102の面上に熱的酸化が行われて、基板102のこの面に、例えば、数十ナノメータから数百ナノメータの厚みのスズ酸化物の層を形成させる。次いで、この酸化物の層上に、例えばチタンから構成されるタイ層のPVD堆積、次に、例えば窒化タングステンまたはチタンから構成されるバリア層のPVD堆積が、また約数十ナノメータに等しい、または例えば約10nmから100nmの厚みで行われる。ろう付け用金属114および他の金属112との反応性がわずかである、または反応性を示さないように、すなわちIMC形成を防止するために、金属112および金属114でのろう付けの際に、化学反応しないようにバリア層の材料が選択される。前記他の金属(本明細書中では金)から構成される電解層は、次にPVDによってバリア層の上に、有利にはバリア層を堆積させるために使用される装置と同じPVD堆積装置で堆積される。電解層の厚みは、例えば約100nmに等しい。
【００４４】
次に、予め堆積させた電解層上にマスクが作製されるが、金属壁110のパターンに関連するマスクのパターン(図2に表された平面(X、Y)における)が、作製すべき所望のろう付け用ビード111のパターンに相当する。次に、電解層のフォトリソグラフィがこのマスクを介して作製される。
【００４５】
次に、第1の金の電解堆積物が作製されて、例えば約3μmの厚みを有する第2の層112を形成し、次に第2のスズの電解堆積物が作製され、例えば約2μmの厚みを有する第1の層114を形成する。層112および層114の厚みは、実質的に層112および層114の厚みの和(本明細書中では、約5μmに等しい)に相当することになるが、ろう付け用ビード111の所望の厚みに応じて、かつ所望の組成物に応じて選択される。金属層112および金属層114の下に位置しないマスクおよび電解層、バリア層、タイ層および酸化物層の部分は、次に、例えばエッチングによって除去される。
【００４６】
次に、層112および層114の両方の層の間の固体状態の拡散によって、ろう付け用ビード111の金属が共晶Au/Snを形成するように、真空下で基板102上に熱的処理が実施される。本発明の場合、層112および層114の厚みは約1.5の比を有するので、したがって、タイプAu-Sn 29% at.の共晶が得られる。
【００４７】
金属壁110は、電解堆積またはPDV堆積によってキャップ106上に作製される。金属壁110を作製するために実施されるステップは、ろう付け用ビード111を形成するステップと実質的に同様としてもよい(キャップ106の熱的酸化、タイ層、バリア層および電解層の堆積、マスク作製、フォトリソグラフィ、ニッケルの電解堆積、ならびにマスクおよび金属壁110の下に位置しない予め作製された層の部分の除去)。金属壁110の幅(X軸に沿った次元)は、これらの金属壁110の体積が、ろう付け用ビード111の体積の約5%から20%の間となるように選択される。
【００４８】
次に、基板102と一体のキャップ106を作製するため、およびキャビティ104内にマイクロシステム100を封入するために、等温凝固が実施される。このために、ろう付け用ビード111が金属壁110の両方の間に設けられるように、ろう付け用ビード111がキャップ106に接触される。その後に実施されるろう付けまたははんだ付けの間に、ビード111の共晶が、金属壁110に接触しながら溶融し、こうして金属壁110に接触して、IMCを含む材料部分116を形成する。これらのIMCは、金属壁110のニッケルとビード111のスズとの反応から生じる相(Ni、Sn)から構成される。これらの第1の材料部分116の間の、金属壁110と反応しなかった共晶の残存材料から構成される第2の材料部分118が、第1の部分116の間に形成される(図3を参照されたい)。ビード111の共晶のスズは、IMCを備えた第1の部分116を形成するために完全に、またはほとんど消費されるので、この第2の材料部分118は、ここでは金の含量が高い相(Au、Sn)で形成される。金およびニッケルが、これらに関係する二相図全体における固溶体を特徴づける。相(Ni、Sn)ではニッケルは金の代わりとすることができ、また相(Au、Sn)ではその反対である。
【００４９】
このように、ろう付けの際には、金属壁110は、凝固(封止用ビード108)の結果生じる構造、および特に封止用ビード108内のIMC116の形状および分布を制御する。この第1の実施形態では、金属壁110は垂直壁を形成し、IMC116がその垂直壁に接触して基板102およびキャップ106に垂直な層として析出する。IMC以外の封止用ビード108の一部、すなわち第2の材料部分118は、基板102とキャップ106との間に強固な機械的連結をもたらす。すなわち、封止用ビード108内にIMCが存在しても、封止用ビード108によって得られる基板102とキャップ106との間の機械的強度には影響しない。
【００５０】
先に説明した第1の実施形態の一代替では、金属壁110の厚みが、封止用ビード108の所望の厚みに実質的に等しくなるように、金属壁110を作製することが可能である。すなわち、金属壁110は、キャップ106と基板102との間の厚みウエッジとして働くことができ、こうして作製される封止用ビード108の厚みを確保する。
【００５１】
本明細書で説明され、かつ図4に示された実施形態では、金属壁110は封止用ビード108のパターンに沿って連続的に作製される。一代替では、金属壁110を不連続な部分として作製することも可能である。
【００５２】
次に、封止用ビード208によって基板102にキャップ106を組立てて、第2の実施形態による組立体10を形成する方法のステップを例示する図5から図7を参照する。この第2の実施形態では、この組立体10は、基板102とキャップ106との間に形成されており、封止用ビード208によって横方向に境界が定められるキャビティ104内に、マイクロシステム100を封入することを可能にする。
【００５３】
第1の実施形態とは反対に、IMCを形成するために、ろう付け用金属と化学反応するようになされた金属部分は、キャップ106に接触して垂直の連続的な部分、すなわち金属壁としては作製されない。この第2の実施形態では、不連続な部分としてキャップ106に向き合うようになされた基板102の面上に、複数の金属部分210が金属パッドとして作製された後、ろう付け用ビード111を作製する。これらの金属パッド210によって形成されるパターンは、作製が望まれる封止用ビード208のパターンに相当する(その上に金属パッド210が作製されている基板102の上面図に対応する図6を参照されたい)。金属パッド210の厚み(図5に表されるZ軸に沿った次元)は、数百ナノメータ、または例えば約100nmから1μmの間とすることができる。これらの金属パッド210を作製するために実施されるステップは、バリア層上にPVDによって初めに堆積させた電解層において、マスクを介したフォトリソグラフィおよびエッチングによって、パッド210の不連続的なパターンが予め画定される以外、金属壁110を作製するために実施されるステップと実質的に同様であり得る。
【００５４】
次に、ろう付け用ビード111を形成する金属層112および金属層114は、ろう付け用ビード111が金属パッド210を覆う以外、第1の実施形態と同様に、基板102上に堆積される。ここでもやはり、このろう付け用ビード111を作製するために実施されるステップは、第1の実施形態において実施されるステップと実質的に同様にすることができる(別の層の堆積、ビード111の寸法を決めるためのフォトリソグラフィ、層112および層114の電解堆積、層112および層114の下に位置しない予め作製された異なる素子の除去、層112および層114の金属から構成される共晶を形成する熱処理)。
【００５５】
次に、ビード111の溶融した共晶、より詳細には、ろう付け用金属の素子が、金属パッド210の金属と化学反応してIMCを含む材料部分216を形成し、これらの部分が金属パッド210を覆うようにするためにキャップ106をろう付け用ビード111に接触させることによって、かつ等温凝固によるろう付けまたははんだ付けによって、封止用ビード208が形成される。金属パッド210はまた、ビード111の溶融した金属の流出に対するバリアとしても働く。基板102とキャップ106との間に強固な機械的ホールド(hold)を確保するために、金属パッド210と反応しなかった残存金属は、材料部分216を覆う第2の材料部分218、および材料部分216の近傍に位置する基板102の一部を形成する。得られた封止用ビード208は、IMCを備えた材料部分216によって形成される、金含量が高く第2の材料部分218により形成される金属マトリックスによって強化された機械的固定物(anchorages)を含むものと見なし得る。
【００５６】
この第2の実施形態の第1の代替では、金属パッド210およびろう付け用ビード111を、このろう付け用ビード111のみが金属パッド210を部分的に覆うように、作製することが可能である(図8を参照されたい)。こうして、封止用ビードの周辺部に形成されたIMCの材料部分を含む封止用ビードが得られる。この場合、金属パッド210の直下で、等温凝固が開始することになり、こうして、硬ろうまたははんだの流出を制限する。さらに、基板とキャップとの間の機械的連結は、この場合、第2の金属部分、すなわち、例えば金に富む部分で主に確保される。
【００５７】
この第2の実施形態の第2の代替では、金属パッド210は連続的、すなわち形成されたビード全体に沿って、非断続的とすることができる。このように、金属部分210によって形成されるパターンは、実質的に図4に表されるパターンに相当する。
【００５８】
次に、第3の実施形態による、封止用ビード308を介して基板102にキャップ106を組立てる方法を説明する図9および図10を参照する。
【００５９】
図5から図7について先に説明された第2の実施形態による組立体に関しては、金属パッドを形成する金属部分310はキャップ106に接触し、基板102に接触することなく作製される。金属パッド310のパターン、寸法および性質は、例えば金属パッド210のそれらと同様である。ろう付け用ビード111は、第1の実施形態と同様に、基板102に接触して作製される。
【００６０】
組立体は次に、先に説明した材料部分216と実質的に類似的にビード111を金属パッド310に接触させ、次に等温凝固ろう付けを実施してIMCを含む材料部分316を形成させ、金属パッド310を覆うことによって作製される。ビード111の、金属パッド310と反応しなかった残存金属は、材料部分316を囲繞する第2の材料部分318を形成するが、さらに該残存金属は、材料部分316の近くでキャップ106、および基板102に接触しているために、基板102とキャップ106との間に強固な機械的ホールドを確保する。こうして、これが共晶合金である場合、ろう付け用金属の均一化の熱処理の間、パッド310の金属とビード111との間にはいかなる拡散反応も防止される。
【００６１】
先に説明した第2の実施形態の代替は、この場合、ろう付け用ビードだけが金属部分を部分的に覆う、および/または金属部分が連続性となるが、上で説明した第3の実施形態にも適用可能である。
【００６２】
キャップと支持体との間に形成される数個の個別のキャビティ内に、数個のマイクロシステムを一括して封入するために、先に説明した別の実施形態による組立が有利に実施される。有利なことに、基板間、キャビティ間の気密性を確保するばかりでなく、両基板の組立体の機械的強度を強化するために、例えば封止用ビード108、208または308の一つと同様に、1つまたは複数の封止用ビードがこれらの支持体およびキャップを形成する基板の周辺部に作製されることになる。こうして、両基板の一方の薄化および研磨、それに続く基板の裁断による例、またはマイクロエレクトロニクスの習慣的な他のステップなどの組立後の技術的ステップを実施することができる。
【符号の説明】
【００６３】
10  組立体
100  マイクロシステム
102  対象、基板
104  キャビティ
106  対象、キャップ
108  連結素子、封止用ビード
110  金属壁、金属、壁、金属部分
111  ろう付け用素子、はんだ付け用素子、ろう付け用ビード、ビード
112  第3の金属、層、第2の層、金属層
114  第1のろう付け用金属、金属層、金属、層、第1の層、ろう付け用金属
116  第1の材料部分、材料部分、IMC
118  第2の材料部分
208  連結素子、封止用ビード
210  金属パッド、金属部分、ビード、第2の金属
216  第1の材料部分、材料部分
218  第2の材料部分
310  金属パッド、金属部分、パッド、第2の金属
316  第1の材料部分、材料部分
【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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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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