(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路素子が形成された第１のシリコン基板と、台座となる第２のシリコン基板とを重ね合わせて接合するシリコンウェハの接合方法であって、
前記第１のシリコン基板にＡｕ−２０％Ｓｎ層を形成し、
前記第２のシリコン基板にＮｉ層を形成し、その上にＡｇ層を形成し、
前記第１のシリコン基板のＡｕ−２０％Ｓｎ層と第２のシリコン基板のＡｇ層とを重ね、所定の荷重及び温度を加えて両シリコン基板を合金接合することを特徴とするシリコンウェハの接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンウェハの接合方法に関し、詳しくは、ピエゾ抵抗型半導体圧力センサ、加速度センサ、アクチュエータ等のマイクロマシンの製造プロセスにおいて、シリコン基板同士を接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、本発明が適用されるマイクロマシンの一例として、ピエゾ抵抗型半導体圧力センサの構造を示している。このセンサは微小圧力によって生ずるセンサチップの歪みを電気信号として取り出す働きを有する。センサチップ２１と台座ガラス２２からなるセンサ本体がプラスチックパッケージ２３に低応力のシリコーン又はエポキシ系接着剤２４で固定されている。プラスチックパッケージ２３及び台座ガラス２２には、センサチップ２１に流体の圧力を導入する貫通孔２５が設けられている。センサチップ２１の肉薄部（ダイヤフラム部）２６には流体の圧力によって生ずる歪みを電気信号に変換するピエゾ抵抗素子（図示せず）が備えられている。プラスチックパッケージ２３にはリード２７がプリモールドされており、金又はアルミ製のワイヤ２８によってピエゾ抵抗素子とリード２７とが電気接続されている。
【０００３】
図７は、上記のようなセンサチップ２１と台座ガラス２２からなるセンサ本体の製造プロセスの一例を示している。ダイヤフラム部３３及びピエゾ抵抗素子３４を含む複数のセンサチップが形成されたセンサ基板（ウェハ）３１と貫通孔３５が形成された複数の台座ガラスに相当するパイレックスガラス製のガラス基板３２とが陽極接合によって接合される。その後、ダイシングによって個々のセンサ本体に切り分けられる。このようにして、図４に示したセンサチップ２１と台座ガラス２２からなるセンサ本体を製造することにより、プラスチックパッケージ２３からの応力の影響を抑え、センサチップ２１の高精度化が可能になる。
【０００４】
センサ基板３１とガラス基板３２との陽極接合は、約３００〜５００℃の真空又は窒素雰囲気中で、ガラス基板３２とセンサ基板３１との間に４００〜１０００Ｖ程度の直流電圧を印加し、数百グラムの荷重を印加することによって行われる。ガラス基板３２側に下ヒータ電極３６を設け、０Ｖ電位に維持する。一方、センサ基板３１側に陽極ピン３７を設け、４００〜１０００Ｖ程度の直流電圧を印加する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような陽極接合によってセンサ基板３１とガラス基板３２とを接合する方法では、台座ガラスとなるガラス基板３２の熱膨張係数とセンサ基板（シリコンウェハ）３１の熱膨張係数とのわずかな相違に起因する問題があった。すなわち、接合されたセンサ基板３１とガラス基板３２とをダイシングによって切り分けてできたセンサチップ２１と台座ガラス２２からなるセンサ本体には、上記の熱膨張係数の違いに起因する応力が内在しているために、センサ本体がオフセット電圧を有する。また、出力スパンの温度特性の変動も無視できない。
【０００６】
そこで、台座ガラスに代えて、センサ基板３１と同じ材質のシリコンウェハで台座を形成することが考えられる。この場合、センサ基板３１と台座となるシリコン基板（以下、台座基板という）を接合する方法として、Ａｕ−Ｓｉ共晶結合による方法がある。
【０００７】
図８は、Ａｕ−Ｓｉ共晶結合によるセンサ基板３１と台座基板４１との接合を示している。まず、センサ基板３１の接合面にスパッタリング又は蒸着によってＡｕ層４２を数μｍの厚さに形成する。この後、Ａｕ−Ｓｉ共晶温度３６３℃より高い温度（約４００℃）の雰囲気中でセンサ基板３１のＡｕ層４２と台座基板４１の接合面とを重ねて数ｋｇ／ｃｍ2から数十ｋｇ／ｃｍ2の加重を印加することにより、Ａｕ−Ｓｉ共晶結合を形成する。
【０００８】
このように、センサ基板３１と同じ材質のシリコンウェハで台座を形成すれば、従来のようにガラスで台座を形成する場合の熱膨張係数の違いに起因する問題は解消される。
【０００９】
しかしながら、Ａｕ−Ｓｉ共晶結合の場合、図８中に矢印で示すように、Ａｕ層４２中のＡｕ原子がセンサ基板３１及び台座基板４１のシリコンバルク内部へ拡散し、その結果、接合面にボイドが発生するといった別の問題がある。接合面にボイドが発生すると、接合強度が弱くなり接合界面での剥離が生ずるおそれがある。
【００１０】
本発明は上記のような問題を解決し、圧力センサにおいてセンサ基板と同じ材質のシリコンウェハで台座を形成する場合のように、シリコン基板同士を接合する際に、接合面におけるボイドの発生を抑え、接合界面での剥離等のおそれがないシリコンウェハの接合方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明によるシリコンウェハの接合方法は、第１のシリコン基板にＡｕ−２０％Ｓｎ層を形成し、第２のシリコン基板にＮｉ層を形成し、その上にＡｇ層を形成し、前記第１のシリコン基板のＡｕ−２０％Ｓｎ層と第２のシリコン基板のＡｇ層とを重ね、所定の荷重及び温度（好ましくは３００℃から４００℃）を加えて両シリコン基板を合金接合することを特徴とする。この場合は、第１のシリコン基板のＡｕ−２０％Ｓｎ層中のＡｇと第２のシリコン基板のＡｇ層中のＡｇとが、いずれも速い拡散速度で相互に熱拡散し、混じり合うことによって両基板が接合される。そして、第２のシリコン基板のＮｉ層は、Ａｇの拡散防止層として働く。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１から図３は、本発明の第１の実施形態に係るシリコンウェハの接合方法をピエゾ抵抗型半導体圧力センサの製造プロセスに適用した例を示している。
【００１７】
図１は本実施形態におけるセンサ基板１の断面を示している。センサ基板１の肉薄部（ダイヤフラム部）２には歪みを電気信号に変換するピエゾ抵抗素子３が埋め込まれている。図２に示す台座基板１１との接合面となる部分（肉厚部）には、Ａｕ原子の拡散を防止する拡散防止層（バリア層）４が形成され、この拡散防止層４の上にＡｕ層５がスパッタリング又は蒸着により数千オングストロームから数μｍの厚さになるように形成されている。拡散防止層４は、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ等の金属薄膜であり、スパッタリングにより数千オングストロームから約１μｍの厚さになるように形成されている。Ａｕ層５は、メッキによって更にその厚さを増加してもよい。実際のプロセスでは通常、センサ基板１の全体に拡散防止層４及びＡｕ層５を形成した後、レジスト付与、ドライエッチング、レジスト除去等の作業を行って、これら拡散防止層４及びＡｕ層５を部分的に除去し、その後ＫＯＨ水溶液、ＴＭＡＨ液（tetra methyl ammonium hydro oxide solution）等でセンサ基板１をケミカルエッチングして、ダイヤフラム部２を形成する。その他、サンドブラスト法、リフトオフ法等の種々の公知のプロセスを使用することができる。
【００１８】
図２は、本実施形態における台座基板１１の断面を示している。台座基板１１には、各センサの台座に１個ずつ対応するように、貫通孔１２が所定のピッチで形成されている。貫通孔１２は、図１のセンサ基板１と接合した状態で、流体の圧力をセンサのダイヤフラム部２に導入する働きを有する。貫通孔１２は、超音波ホーン加工、サンドブラスト、ケミカルエッチング等の方法によって形成することができる。
【００１９】
台座基板１１の表面には、貫通孔１２の部分を除いて、Ｓｎ層１３がスパッタリングにより数千オングストロームから約１μｍの厚さになるように形成されている。実際のプロセスでは、例えば、台座基板１１の全体にＳｎ層１３を形成した後、レジスト付与、ドライエッチング、レジスト除去等の作業を行って、部分的にＳｎ層１３を除去し、その後ＫＯＨ水溶液、ＴＭＡＨ液等で台座基板１１をケミカルエッチングして、貫通孔１２を形成することになる。また、逆に、まず台座基板１１にケミカルエッチングで貫通孔１２を形成した後、この貫通孔１２をワックスや柱状ピンを用いてマスク（穴埋め）し、次いで、メタライズしてＳｎ層１３を、貫通孔１２の部分を除いた部分に形成し、次いで貫通孔１２をマスクしていたものを取り除くようにしてもよい。
【００２０】
図３は、上記のようにして作製したセンサ基板１と台座基板１１とを重ね合わせて接合した状態を示す断面図である。センサ基板１のＡｕ層５と台座基板１１のＳｎ層１３とを重ねる。この際、センサ基板１のダイヤフラム部２の中心部と台座基板１１の貫通孔１２とがほぼ一致するように位置合わせが行われる。そして、Ａｕ−２０％Ｓｎ合金の融点２８０℃より高い温度（約３００〜４００℃）の真空又は窒素ガス雰囲気中で、センサ基板１と台座基板１１とが互いに押し合う方向に数ｋｇ／ｃｍ2から数十ｋｇ／ｃｍ2の荷重を加える。この結果、接合界面にＡｕＳｎ、ＡｕＳｎ2、ＡｕＳｎ4の金属間化合物が形成され、これによってセンサ基板１と台座基板１１とが互いに接合される。
【００２１】
この際、Ａｕ層５中のＡｕ原子がセンサ基板１の内部へ拡散しようとするが、この拡散は、拡散防止層（金属薄膜）４によって抑制される。また、Ａｕ原子が接合面を介して台座基板１１中に拡散しようとする動きは、台座基板１１の接合層であるＳｎ層１３によって抑制される。また、Ａｕと異なり、Ｓｎ層１３中のＳｎ自身は拡散速度が遅いので、台座基板１１中への拡散はほとんど問題とならない。その結果、接合面におけるボイドの発生が抑えられ、強固な接合が実現する。
【００２２】
図４は、第２の実施形態に係る接合方法を示す断面図である。この実施形態では、センサ基板１には接合層としてＡｕ−２０％Ｓｎ層６をスパッタリングにより数千オングストロームから約１μｍの厚さになるように形成する。台座基板１１には、Ｎｉ層１４をスパッタリングにより数千オングストロームから約１μｍの厚さになるように形成し、その上にＡｇ層１５をスパッタリングにより数千オングストロームから約１μｍの厚さになるように形成する。Ｎｉ層１４は、Ａｇ層１５中のＡｇ原子が台座基板１１のＳｉ中に熱拡散するのを防止する拡散防止層として機能する。
【００２３】
図４に示すように、センサ基板１のＡｕ−２０％Ｓｎ層６と台座基板１１のＡｇ層１５とを重ね合わせ、センサ基板１のダイヤフラム部２の中心部と台座基板１１の貫通孔１２とがほぼ一致するように位置合わせを行う。そして、Ａｕ−２０％Ｓｎ合金の融点２８０℃より高い温度（約３００〜４００℃）の真空又は窒素ガス雰囲気中で、センサ基板１と台座基板１１とが互いに押し合う方向に数ｋｇ／ｃｍ2から数十ｋｇ／ｃｍ2の荷重を加える。Ａｇ層１５はＡｕ−２０％Ｓｎ層６と濡れやすく、両者は容易に接合される。接合界面には、Ａｇ6Ｓｎ、Ａｇ3Ｓｎの金属間化合物が形成されている。この接合方法では、Ａｇ層１５中のＡｇ原子の台座基板１１中への熱拡散がＮｉ層１４によって抑制されるので、接合面におけるボイドの発生が抑えられ、強固な接合が実現する。すなわち、この場合のＮｉ層１４はＡｇの拡散防止層として作用する。
【００２４】
図５は、第３の実施形態に係る接合方法を示す断面図である。この実施形態では、センサ基板１には接合層としてＳｎ層７をスパッタリングにより数千オングストロームから約１μｍの厚さになるように形成する。台座基板１１には、接合層としてＩｎ層１６をスパッタリングにより数千オングストロームから約１μｍの厚さになるように形成する。
【００２５】
図５に示すように、センサ基板１のＳｎ層７と台座基板１１のＩｎ層１６とを重ね合わせ、センサ基板１のダイヤフラム部２の中心部と台座基板１１の貫通孔１２とがほぼ一致するように位置合わせを行う。そして、約１５０℃から２５０℃の真空又は窒素ガス雰囲気中で、センサ基板１と台座基板１１とが互いに押し合う方向に数ｋｇ／ｃｍ2から数十ｋｇ／ｃｍ2の荷重を加える。この結果、両者が接合され、接合界面にはＩｎ2Ｓｎ、Ｉｎ4Ｓｎの金属間化合物が形成される。
【００２６】
Ｓｎ−５０％Ｉｎの共晶温度は１２５℃であるので、既述の実施形態より低い温度（約１５０℃から２５０℃）で接合を実現することができる。また、ＩｎはＡｕやＡｇに比べて拡散速度が遅い。したがって、特に拡散防止層を用いることなく、センサ基板１及び台座基板１１への拡散によるボイドの発生が抑えられ、強固な接合が実現する。
【００２７】
なお、本発明によるシリコンウェハの接合方法はピエゾ抵抗型半導体圧力センサの製造プロセスに限らず、加速度センサやアクチュエータ等のマイクロマシンの製造プロセスにも広く適用することが可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のシリコンウェハの接合方法によれば、接合層として適切な金属薄膜を形成し、必要に応じてその下に拡散防止層としてＮｉ等の金属薄膜を形成し、接合温度等の条件を適切に選択することにより、接合層の金属原子がシリコンウェハ中に拡散することを抑制することができる。その結果、接合面におけるボイドの発生が抑えられ、強固な接合が実現する。また、この接合方法を用いて半導体圧力センサの台座部分をセンサ基板と同じ材質のシリコンウェハで形成すれば、ガラスで台座部分を形成したときのような熱膨張係数の違いによる内部応力の発生を防ぎ、センサの特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る接合方法を用いて製造するピエゾ抵抗型半導体圧力センサにおけるセンサ基板の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る接合方法を用いて製造するピエゾ抵抗型半導体圧力センサにおける台座基板の断面図である。
【図３】センサ基板と台座基板とを重ね合わせて接合した状態を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る接合方法を用いて製造するピエゾ抵抗型半導体圧力センサのセンサ基板と台座基板とを重ね合わせて接合した状態を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る接合方法を用いて製造するピエゾ抵抗型半導体圧力センサのセンサ基板と台座基板とを重ね合わせて接合した状態を示す断面図である。
【図６】従来のピエゾ抵抗型半導体圧力センサの断面図である。
【図７】従来のセンサチップと台座ガラスからなるセンサ本体の製造プロセスの一例を示す断面図である。
【図８】センサ本体の製造プロセスの別の例（比較例）を示す断面図である。
【符号の説明】
１  センサ基板(第１のシリコン基板)
２  肉薄部（ダイヤフラム部）
３  ピエゾ抵抗素子
４  拡散防止層
５  Ａｕ層
６  Ａｕ−２０％Ｓｎ層
７，１３  Ｓｎ層
１１  台座基板(第２のシリコン基板)
１２  貫通孔
１４  Ｎｉ層
１５  Ａｇ層
１６  Ｉｎ層
【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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