(57)【要約】【課題】真空処理装置の内部で、マスクの着脱を容易に行うことができ、基板表面に均一に処理が可能な基板処理方法と、この方法を用いたパッケージの気密封止方法を提供する。【解決手段】基板の表面に磁性体からなるマスクを配置し、前記基板の裏面側に磁石を設けて前記マスクを基板表面に保持し、前記マスクを保持したまま真空中で基板の表面に対して、金属蒸着、スパッタリング等の処理を行う。また、この方法を利用し、光電変換膜ガラス基板と電子源アレイを備えたガラスパッケージ基板を、互いに接する面に形成した金属薄膜を用いて高真空内で接合し、真空気密封止を行う。【選択図】図１
2017022056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の第１の主面に磁性体からなるマスクを配置し、前記基板の第２の主面側から磁力を加えて前記マスクを前記基板に保持し、前記マスクを保持したまま真空中で前記基板の第１の主面に対して所定の処理を行うことを特徴とする基板処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の基板処理方法において、前記所定の処理は、金属薄膜の形成処理であることを特徴とする基板処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載の基板処理方法において、前記所定の処理は、イオンビーム又はプラズマによる表面活性化処理であることを特徴とする基板処理方法。
【請求項４】
パッケージを構成する第１の基板の第１の主面に磁性体からなる第１のマスクを配置し、前記第１の基板の第２の主面側から磁力を加えて前記第１のマスクを前記第１の基板に保持し、前記第１のマスクを保持したまま真空中で前記第１の基板の第１の主面に対して金属薄膜を被着する工程と、
前記パッケージを構成する第２の基板の第１の主面に磁性体からなる第２のマスクを配置し、前記第２の基板の第２の主面側から磁力を加えて前記第２のマスクを前記第２の基板に保持し、前記第２のマスクを保持したまま真空中で前記第２の基板の第１の主面に対して金属薄膜を被着する工程と、
金属薄膜形成後に磁力を解除して第１と第２のマスクを外す工程と、
前記金属薄膜同士を接合させて前記第１の基板と前記第２の基板を密着させる工程と
を備えたことを特徴とするパッケージの気密封止方法。
【請求項５】
パッケージを構成する第１の基板の第１の主面に磁性体からなる第１のマスクを配置し、前記第１の基板の第２の主面側から磁力を加えて前記第１のマスクを前記第１の基板に保持し、前記第１のマスクを保持したまま真空中で前記第１の基板の第１の主面に対して表面活性化処理を行う工程と、
前記パッケージを構成する第２の基板の第１の主面に磁性体からなる第２のマスクを配置し、前記第２の基板の第２の主面側から磁力を加えて前記第２のマスクを前記第２の基板に保持し、前記第２のマスクを保持したまま真空中で前記第２の基板の第１の主面に対して表面活性化処理を行う工程と、
表面活性化処理後に磁力を解除して第１と第２のマスクを外す工程と、
表面活性化処理された領域同士を接合させて前記第１の基板と前記第２の基板を密着させる工程と
を備えたことを特徴とするパッケージの気密封止方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載のパッケージの気密封止方法において、第１と第２のマスクを外す工程は、前記第１のマスクを受け皿で取り出し、前記第２のマスクを磁力で引き上げて取り出すことを特徴とするパッケージの気密封止方法。
【請求項７】
請求項４ないし６のいずれか一項に記載のパッケージの気密封止方法において、各工程を真空処理装置の内部で連続して行うことを特徴とするパッケージの気密封止方法。
【請求項８】
請求項４ないし７のいずれか一項に記載のパッケージの気密封止方法において、前記第１の基板には光電変換膜が形成されており、前記第２の基板には電子源アレイが固定されていることを特徴とするパッケージの気密封止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の処理方法と、それを利用したパッケージの気密封止方法に関し、特に、真空中で基板に被膜形成処理や表面活性化処理を行う処理方法と、被膜形成処理等を行った基板を用いた、真空デバイスに適したパッケージの気密封止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型高感度カメラの実現に向けて、画素ごとに独立に電子ビームを放出することのできる電子放出源を並べた電子源アレイと、入射光の強さに応じて電荷を生成する光電変換膜とを、近接対向配置させた平面型撮像素子が開発されている（非特許文献１）。
【０００３】
図５に、電子放出源アレイを利用した撮像素子の概念図を示す。図５に示す撮像素子は、光電変換膜１２２を備えた透光性基板１１０、メッシュ状電極１４０、及び電子放出源アレイ２３０からなる真空デバイスであり、さらに、映像信号を読み出す外部回路を備える。
【０００４】
透光性基板１１０上（図では下面側）に透光性導電膜１２１が形成され、さらに、透光性導電膜１２１上に光電変換膜１２２が形成される。また、電子放出源アレイ２３０は、電子放出源がマトリクス状に配置されたものであり、陰極配線２３１、エミッタ電極２３２、ゲート電極２３３、集束電極２３４等を備えており、光電変換膜１２２と真空空間を隔てて対向するように保持されている。メッシュ状電極１４０は、光電変換膜１２２と電子放出源アレイ２３０との間に配設され、電源１５１により電子放出源アレイから電子を引き出して加速するための電圧が印加される。
【０００５】
撮像素子の動作について説明する。レンズを通した光（入射光像）は、図５で透光性基板１１０の上面側から入射し、透光性基板１１０及び透光性導電膜１２１を透過し、ａ−Ｓｅ等の光電変換膜１２２に到達する。この透過光により、光電変換膜１２２内に電子・正孔対が生じる。電源１５２によって、高電圧が透光性導電膜１２１に印加されると、光電変換膜１２２の中を、正孔がアバランシェ増倍現象を伴いながら電子放出源アレイ２３０の側に向けて移動し、光電変換膜１２２の電子放出源アレイ側の表面に、入射光像に対応した分布で正孔が蓄積される。
【０００６】
次に、蓄積された電荷を一画素ずつ読み取って、映像信号を作る。すなわち、電子放出源アレイ２３０の陰極２３１及びゲート電極２３３の電位を走査し、電子放出源アレイ２３０の各単位領域（画素に対応）のエミッタ電極２３２から、順次電子ビームを光電変換膜１２２に対して放出する。電子放出源アレイ２３０から放出される電子と光電変換膜１２２に蓄積された正孔とが再結合し、蓄積電荷に対応する電流が、透光性導電膜１２１を介して外部回路を流れる。
【０００７】
電子放出源アレイ２３０から放射された電子ビームの位置（各画素）に対応して、抵抗１５３に流れた電流による電圧降下の変動分をコンデンサ１５４等を介して時系列の信号として出力し、この出力信号を信号増幅・処理回路１５５で増幅、処理することで、映像信号として取り出す。こうして入射光像に対応した画像を、モニタ１６０に出力することができる。
【０００８】
電子放出源アレイ２３０を利用した撮像デバイスは、真空デバイスであるため、真空気密封止されたパッケージ内に収められている。図６に、従来の真空気密パッケージを構成する部品を示す。構成部品は、（ａ）フェースプレート（面板、又は「パッケージを構成する第１の基板」ということがある。）、（ｂ）インジウムリング、及び（ｃ）パッケージ基板（「パッケージを構成する第２の基板」ということがある。）からなる。
【０００９】
図６（ａ）は、光電変換膜を形成したフェースプレート（面板）１０の平面図と断面図である。フェースプレート１０は、透光性基板（例えば、ガラス基板）１１の電子源アレイに対向する側の面（図では下面）に、光電変換膜１２を備えている。なお、透光性基板１１と光電変換膜１２との間には透光性導電膜（図示せず）が形成されており、透光性基板１１の一部に貫通孔が設けられて、光電変換膜１２（及び透光性導電膜）から外部への取り出し電極（図示せず）が引き出されている。
【００１０】
図６（ｂ）に、インジウムリング３０の平面図と断面図を示す。インジウムリング３０は、金属のインジウム３１と、ステンレス等からなるインジウム支持リング３２とからなる。インジウム３１は比較的柔らかい金属であり、圧力により常温で変形し、フェースプレート１０及びパッケージ基板２０と密着することができる。
【００１１】
図６（ｃ）に、電子源アレイを固定したパッケージ基板２０の平面図と断面図を示す。電子源アレイ２３は、駆動回路とともに例えばシリコン基板に形成され、ガラス等からなる基板２１に固定される。電子源アレイ駆動回路に信号を印加するため、ガラス基板２１上に形成した金属薄膜配線（図示せず）と電子源アレイ２３の端子との間をワイヤ（図示せず）でつないでいる。なお、ガラス基板２１に直接電子源アレイを形成する場合もある。また、このガラス基板２１には、外囲器の一部であるガラスリング２２がフリットガラスなどで接着してある。このガラスリング２２は、メッシュ状電極を支持するのにも利用される。
【００１２】
図７に、従来のパッケージを組み立て、真空気密封止する方法を示す。図７（ａ）のように、電子源アレイを固定したパッケージ基板２０と、光電変換膜を形成したフェースプレート（面板）１０との間に、インジウムリング３０を挟み、電子源アレイと光電変換膜とを位置合わせした後、上下から圧力をかけ、冷間圧着する。図７（ｂ）のように、圧力により、インジウム３１が変形し、パッケージ基板２０のガラスリング２２及びフェースプレート１０とそれぞれ密着することで、真空気密封止とともに各部品の固定を行なっている。光電変換膜が熱に弱いため、このような冷間圧着が必要となる。なお、インジウムの酸化等を防止するため、この気密封止は真空中で行うことが望ましいが、空気中でパッケージを組み立てて封止した後に、パッケージ基板２０に形成した貫通孔を通して内部の空気の排気を行い、パッケージ内部を真空とした後、排気用貫通孔を閉じて真空気密封止を完成しても良い。圧着によってつぶれたインジウム３１は、真空気密材であるとともに光電変換膜と電子源アレイとの距離を決めるためのスペーサともなっている。また、ガラスリング２２でメッシュ電極（図示せず）を支持した場合は、インジウムリング３０をメッシュ電極の電圧供給端子として利用することができる。
【００１３】
このような、インジウムリングを利用した従来の気密封止方法には、幾つかの課題がある。
【００１４】
まず、インジウムリングの切削加工について、図８に基づいて説明する。インジウムリング３０は、インジウム３１が柔らかい金属でありキズが付きやすい等の理由から、図８（ａ）のように、ステンレスなどの支持リング３２に多めに形成し、その後、圧着直前に切削することで真空気密性を損なわせる表面の酸化膜やキズ等を取り除くとともに、図８（ｂ）に示す所望の形状のインジウム３１’を得ている。このため、所望の形にするために切削するインジウムの量が非常に多く、高価なインジウムの無駄が出るという問題点がある。また、インジウムは柔らかいため切削が難しく所望の形状を高精度に得るには、高度な熟練が必要になるため、誰もが簡単に気密封止を行うことができない。
【００１５】
次に、従来の冷間圧着における課題について説明する。図９に、冷間圧着により気密封止したパッケージを示す。図９（ａ）の拡大図に示すように、フェースプレート１０の透光性基板（ガラス基板）１１と、パッケージ基板２０のガラスリング２２とが、インジウム３１により密着する。このとき、圧着前のインジウム３１の量と形状、および圧着時の圧力によって、圧着後のインジウムの張り出し量ｄおよび厚みｌが決まる。そして、張り出し量ｄは真空気密に影響をおよぼし、厚みｌとガラスリングの高さｈによって素子の特性（主に解像度）を大きく左右する光電変換膜１２と電子源アレイ２３の距離Ｌが設定される。したがって、真空気密性および所望のＬを両立するために、圧着前のインジウムの量（または形状）および圧着時の圧力を、正確に制御する必要がある。しかしながら、前述のようにインジウムはやわらかく切削誤差が生じやすいため、素子間で距離Ｌの寸法誤差、すなわち特性のばらつきが大きく生じてしまい、歩留まりが悪い。
【００１６】
また、図９（ｂ）に示すように、仮にインジウムの量および形状や圧力が正確に制御できたとしても、圧着時の治工具の公差等により、圧着時に、相互の中心軸がわずかにずれることで、部分的にインジウムのつぶし量が変わり、光電変換膜と電子源アレイの間に傾きが生じて距離Ｌが不均一になり、素子の特性（解像度）の面内均一性を損なう場合もある。
【００１７】
このような、多くの問題点を有する従来のインジウムリングを使用した気密封止方法に代わる、新たな気密封止方法として、接合を利用して気密封止する方法が考えられる。
【００１８】
図１０に、接合によるパッケージの気密封止方法を示す。まず、図１０（ａ）に示すように、フェースプレート（面板）１０の光電変換膜１２を有する側（電子源アレイと対向する側）の接合領域に、金属薄膜４１を形成する。また、図１０（ｂ）に示すように、電子源アレイ２３を固定したパッケージ基板２０のガラスリング２２の表面に金属薄膜４２を形成する。その後、図１０（ｃ）のように、フェースプレート１０とパッケージ基板２０のガラスリング２２とを、形成した金属薄膜４１，４２が互いに密着するように組合せ、金属薄膜同士を表面活性化接合や原子拡散接合などを用いて接合し、気密封止する。この方法は、基板の接合にほとんど圧力を要さず、また、接合部の金属薄膜を極めて薄くできるため、光電変換膜と電子源アレイとの距離にばらつきが生じない等の効果がある。また、この方法は、室温での接合、若しくは処理温度を大幅に下げた接合が可能であり、例えば、光電変換膜のような熱に弱い構成部品を有する電子素子のパッケージの気密封止に適している。
【００１９】
なお、表面活性化接合とは、２つの基板の接合面を真空中で表面処理（例えば、イオンビームやプラズマなどによるスパッタエッチング等）を行うことにより、表面の原子を、化学結合を形成しやすい活性化された状態とし、その後、２つの基板を真空中で接合する方法である（非特許文献２）。また、原子拡散接合とは、接合する２つの基板の表面にスパッタ等で金属薄膜を形成し、引き続き真空中で、その金属薄膜を相互に接触させて基板を接合する方法である（非特許文献３，４）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】難波正和、他、「ＦＥＡとＨＡＲＰ光電変換膜を適用した小型超高感度撮像デバイスの開発」、表面科学、（2008年）、Vol.29、No.11、pp.707-712
【非特許文献２】Hideki Takagi, et al., "Room-temperature bonding of lithium niobate and silicon wafers by argon-beam surface activation", Applied Physics Letters, (19 April 1999), vol.74, no.16, p.2387-2389
【非特許文献３】島津武仁、他、「金属薄膜を用いた原子拡散接合の開発」、まてりあ、（2010年）、第49巻、第11号、p.521-527
【非特許文献４】T. Shimatsu, et al., "Atomic diffusion bonding of wafers with thin nanocrystalline metal files", J. Vac. Sci. Technol. B, (Jun/Aug 2010), vol.28, No.4, p.706-714
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
接合を利用した気密封止方法は、上述のように多くの利点を有するが、実施にあたっては、接合する領域に金属薄膜を形成し、さらに接合する金属面が清浄で活性な状態であることが求められる。したがって、真空蒸着やスパッタ法で金属薄膜を形成する場合、フェースプレート１０及びパッケージ基板２０にはマスクを用いて所望する箇所のみに薄膜を形成し、大気に触れないようそのまま接合する必要がある。接合用の膜を成膜した後大気にさらした場合は、接合直前に真空中でアルゴンスパッタやプラズマなどにより、金属薄膜を活性化させた直後に接合する必要がある。何れの方法にせよ、真空中でマスクを操作し、光電変換膜ないし電子源アレイなど接合部以外の箇所を保護して、成膜処理やスパッタ処理を行い、引き続き気密封止を行わなければならない。
【００２２】
図１１に、フェースプレート（パッケージを構成する第１の基板）１０に薄膜形成を行うときの従来のマスク保持方法の一例を示す。図１１（ａ）は、フェースプレート１０の透光性基板１１における、光電変換膜１２と薄膜形成する領域１３との位置関係を示す図である。図１１（ｂ）は、光電変換膜１２の保護のため、光電変換膜１２をマスク５１で覆い、薄膜形成領域１３を下に向けた状態で、真空蒸着やスパッタ等により金属薄膜４１を形成した図を示す。ここでは、光電変換膜１２を形成したフェースプレート１０を保持するホルダ６１に、ワイヤ状のマスク支持部材６５を設け、マスク５１をマスク支持部材（ワイヤ）６５で支持して、宙吊りにしている。この方法では、マスクを吊るための支持ワイヤ６５が成膜時に影となり、基板上に均一な成膜ができない。同様に、プラズマによる活性化の場合も均一に表面処理ができない。また、真空中でのマスクの取り外しが容易でなく、真空装置内での一貫操作による接合に向かない。図１１（ｃ）は、フェースプレート１０を逆向き（上向き）にし、マスク５１をその自重で基板１１上に載せる方法であるが、マスクを保持する部材がない場合は装置の振動でマスクがずれやすく、またこの向きでは真空蒸着による成膜ができない。
【００２３】
従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、真空中でのマスクの操作を容易にするとともに、スパッタや成膜の際に陰になる部分がなく、均一な処理が可能な基板処理方法を提供することにある。
【００２４】
また、本発明の別の目的は、半導体装置等に使用されるパッケージを、室温、若しくは処理温度を大幅に下げて、ほとんど圧力を要さず気密封止する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するために本発明に係る基板処理方法は、基板の第１の主面に磁性体からなるマスクを配置し、前記基板の第２の主面側から磁力を加えて前記マスクを前記基板に保持し、前記マスクを保持したまま真空中で前記基板の第１の主面に対して所定の処理を行うことを特徴とする。
【００２６】
また、前記基板処理方法において、前記所定の処理は、金属薄膜の形成処理であることが望ましい。
【００２７】
また、前記基板処理方法において、前記所定の処理は、イオンビーム又はプラズマによる表面活性化処理であることが望ましい。
【００２８】
上記課題を解決するために本発明に係るパッケージの気密封止方法は、パッケージを構成する第１の基板の第１の主面に磁性体からなる第１のマスクを配置し、前記第１の基板の第２の主面側から磁力を加えて前記第１のマスクを前記第１の基板に保持し、前記第１のマスクを保持したまま真空中で前記第１の基板の第１の主面に対して金属薄膜を被着する工程と、前記パッケージを構成する第２の基板の第１の主面に磁性体からなる第２のマスクを配置し、前記第２の基板の第２の主面側から磁力を加えて前記第２のマスクを前記第２の基板に保持し、前記第２のマスクを保持したまま真空中で前記第２の基板の第１の主面に対して金属薄膜を被着する工程と、金属薄膜形成後に磁力を解除して第１と第２のマスクを外す工程と、前記金属薄膜同士を接合させて前記第１の基板と前記第２の基板を密着させる工程とを備えたことを特徴とする。
【００２９】
また、上記課題を解決するために本発明に係るパッケージの気密封止方法は、パッケージを構成する第１の基板の第１の主面に磁性体からなる第１のマスクを配置し、前記第１の基板の第２の主面側から磁力を加えて前記第１のマスクを前記第１の基板に保持し、前記第１のマスクを保持したまま真空中で前記第１の基板の第１の主面に対して表面活性化処理を行う工程と、前記パッケージを構成する第２の基板の第１の主面に磁性体からなる第２のマスクを配置し、前記第２の基板の第２の主面側から磁力を加えて前記第２のマスクを前記第２の基板に保持し、前記第２のマスクを保持したまま真空中で前記第２の基板の第１の主面に対して表面活性化処理を行う工程と、表面活性化処理後に磁力を解除して第１と第２のマスクを外す工程と、表面活性化処理された領域同士を接合させて前記第１の基板と前記第２の基板を密着させる工程とを備えたことを特徴とする。
【００３０】
また、前記パッケージの気密封止方法において、第１と第２のマスクを外す工程は、前記第１のマスクを受け皿で取り出し、前記第２のマスクを磁力で引き上げて取り出すことが望ましい。
【００３１】
また、前記パッケージの気密封止方法において、各工程を真空処理装置の内部で連続して行うことが望ましい。
【００３２】
また、前記パッケージの気密封止方法において、前記第１の基板には光電変換膜が形成されており、前記第２の基板には電子源アレイが固定されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の基板処理方法によれば、マスクを基板の裏面から固定することができ、基板の表面側にはスパッタや成膜の際に陰になる部分がなく、均一な処理が可能となる。また、マスクを保持したまま基板を下に向けて成膜処理を行うことができ、真空蒸着等の利用が可能となる。
【００３４】
また、本発明の気密封止方法によれば、真空容器の中で、マスクの着脱を容易に操作することができ、成膜処理又は表面活性化処理と、接合処理とを連続して行うことができ、常温で容易にパッケージを真空気密封止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に用いるマスク保持方法の例を示す図である。
【図２】本発明に用いるマスク保持方法の別の例を示す図である。
【図３】本発明に用いるマスク保持方法の更に別の例を示す図である。
【図４】本発明の基板処理方法及びパッケージの真空気密方法の例を示す図である。
【図５】電子放出源アレイを利用した撮像素子の概念図を示す図である。
【図６】従来のパッケージの構成部品を示す図である。
【図７】従来のパッケージの気密封止方法を示す図である。
【図８】従来のインジウムリングの切削加工を示す図である。
【図９】従来の冷間圧着により気密封止したパッケージを示す図である。
【図１０】接合を利用したパッケージの気密封止方法を示す図である。
【図１１】従来のマスク保持方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００３７】
以下、撮像素子の真空気密封止を例として、本発明の基板処理方法及びパッケージの気密封止方法について説明する。なお、本発明は、撮像素子の気密封止方法に限らず、任意の基板処理、任意のパッケージの気密封止に応用できる。
【００３８】
図１に、本発明に用いるマスク保持方法の例を示す。図１（ａ）は、透光性基板（例えば、ガラス基板）１１と光電変換膜１２からなるフェースプレート（パッケージを構成する第１の基板）１０の断面図と平面図（下面図）であり、被処理領域（例えば、金属薄膜が形成される領域）１３が仮想線で示されている。なお、以後の説明にあたって、光電変換膜１２が形成されている側の主面を、フェースプレート１０の表面（第１の主面）と呼ぶ。
【００３９】
図１（ｂ）は、フェースプレート１０の表面上に、光電変換膜１２を覆うマスク５１を保持した状態を示している。マスク５１は、被処理領域１３を露出し、且つ、光電変換膜１２を基板処理の際に保護するように機能する。ここでは、マスク５１とガラス基板１１との間に、光電変換膜１２を収容することができるよう、空間が形成されている。したがって、マスク５１は、光電変換膜１２を覆う遮蔽部と脚部又は裾部とからなる。フェースプレート１０は、必要に応じて、その周囲にホルダ６１を設け、作業時のハンドリングを容易にする。ホルダ６１は、ガラス基板１１の主面と平行な面で分離された二つの部材（境界は図示せず）からなり、基板表側を押さえる部材と基板裏面を押さえる部材の間にガラス基板１１を挟んで保持する。
【００４０】
マスク５１は鉄等の磁性体より製作される。マスク５１の保持は、フェースプレート１０の光電変換膜１２が形成された面の反対面（裏面、第２の主面）に永久磁石ないし電磁石７１を配置し、磁力にてマスク５１を牽引し、保持する。マスク配置の位置決めは、フェースプレート１０を保持するホルダ６１を用いて治工具（図示せず）によりマスク５１の位置決めを行い、磁力にて固定した後、治工具を取り外す。この後は、マスク５１は磁力により基板１１上に安定に保持されるため、フェースプレート１０を自由な姿勢とすることができる。
【００４１】
図２に、本発明に用いるマスク保持方法の別の例を示す。図２（ａ）は、電子源アレイ２３を固定したパッケージ基板（パッケージを構成する第２の基板）２０の断面図と平面図（上面図）であり、基板（例えば、ガラス基板）２１上には、外囲器の一部であるガラスリング２２がフリットガラスなどで接着してある。パッケージ基板２０においては、ガラスリング２２の上面が被処理領域（例えば、金属薄膜が形成される領域）２４となる。なお、以後の説明にあたって、電子源アレイ２３が固定される側の主面を、パッケージ基板２０の表面（第１の主面）と呼ぶ。
【００４２】
図２（ｂ）は、パッケージ基板２０上に、電子源アレイ２３を覆うマスク５２を保持した状態を示している。マスク５２は、被処理領域２４であるガラスリング２２の上面を露出し、その内側を全て覆うように、ガラスリング２２の内径とほぼ同じ外径を有している。また、マスク５２とガラス基板２１との間に、電子源アレイ２３及び電気接続用のワイヤ（図示せず）を収容することができるよう、空間が形成されている。したがって、マスク５２は、電子源アレイを覆う遮蔽部と脚部又は裾部とからなる。なお、ここでは、電子源アレイ２３上にメッシュ電極（図示せず）が近接して一体的に設けられた構造を前提としている。マスクする対象によって、マスクの形状は適宜変更できる。パッケージ基板２０の周囲（ガラスリング２２の外側の領域）には、ホルダ６２を設け、作業時のハンドリングを容易にする。なお、パッケージ基板２０のガラス基板２１上には、金属薄膜配線（図示せず）が形成されているため、ホルダ６２は、金属薄膜配線を基板処理時に保護するマスクとしての機能も備えている。ホルダ６２は、ガラス基板２１の主面と平行な面で分離された二つの部材（境界は図示せず）からなり、基板表側を押さえる部材と基板裏面を押さえる部材の間にガラス基板２１を挟んで保持する。
【００４３】
マスク５２は鉄等の磁性体より製作される。マスク５２の保持は、パッケージ基板２０の電子源アレイ２３が形成された面の反対面（裏面、第２の主面）に永久磁石ないし電磁石７２を配置し、磁力にてマスク５２を牽引し、保持する。パッケージ基板２０はガラスリング２２を有しているため、マスク５２の位置決めは、ガラスリング２２を利用して容易にできる。マスク５２を磁力で固定した後は、マスク５２は磁力により基板２１上に安定に保持されるため、パッケージ基板２０の向きを自由に選ぶことができる。
【００４４】
図３に、本発明に用いるマスク保持方法の更に別の例を示す。図３（ａ）は、電子源アレイ２３とメッシュ電極２６を備えるパッケージ基板（パッケージを構成する第２の基板）２０’の断面図と平面図（上面図）である。基板（例えば、ガラス基板）２１上に電子源アレイ２３が固定され、その周囲に外囲器の一部である段付きガラスリング２５がフリットガラスなどで接着してある。図示のように、ガラスリング２５の上部の内側に段を設け、メッシュ電極２６とそれを保持する金属枠２７をガラスリング２５の段部に落とし込む。メッシュ電極２６への電源供給は、例えば、ガラス基板２１上に設けた配線２８をガラスリング２５の内側に金属薄膜を形成するなどして引き込み、メッシュ枠２７と接続させて行う。パッケージ基板２０’においては、段付きガラスリング２５の段部が設けられていない最上面が被処理領域（例えば、金属薄膜が形成される領域）２４となる。
【００４５】
図３（ｂ）は、パッケージ基板２０’上に、電子源アレイ２３及びメッシュ電極２６を覆うマスク５３を保持した状態を示している。マスク５３は、ガラスリング２５の段部とほぼ同じ外径を有し、その外周部をガラスリング２５の段部のメッシュ枠２７上に落とし込むように載置されており、被処理領域２４であるガラスリング２５の最上面を露出するとともに、その内側を全て覆っている。図３（ｂ）では、マスク５３はメッシュ電極２６を覆う遮蔽部と脚部又は裾部とからなり、内側に空間が形成されているが、ここではメッシュ枠２７と同形状の板（円盤）としても良い。マスク５３は段付きガラスリング２５の段部（メッシュ電極２６上）に保持されるため、マスク５３とガラス基板２１との間に、電子源アレイ２３及び電気接続用のワイヤ（図示せず）を収容することができる空間が自然に確保される。マスクする対象によって、マスクの形状は適宜変更できる。パッケージ基板２０’の周囲（ガラスリング２５の外側の領域）には、ホルダ６２を設け、作業時のハンドリングを容易にする。なお、パッケージ基板２０’のガラス基板２１上には、金属薄膜配線（図示せず）が形成されているため、ホルダ６２は、金属薄膜配線を基板処理時に保護するマスクとしての機能も備えている。ホルダ６２は、ガラス基板２１の主面と平行な面で分離された二つの部材（境界は図示せず）からなり、基板表側を押さえる部材と基板裏面を押さえる部材の間にガラス基板２１を挟んで保持する。
【００４６】
マスク５３は鉄等の磁性体より製作される。マスク５３の保持は、パッケージ基板２０’の電子源アレイ２３が形成された面の反対面（裏面、第２の主面）に永久磁石ないし電磁石７２を配置し、磁力にてマスク５３を牽引し、保持する。マスク５３の位置決めは、ガラスリング２５の段差部を利用して容易に行うことができる。マスク５３を磁力で固定した後は、マスク５３は磁力により基板２０’上（段部）に安定に保持されるため、パッケージ基板２０’の向きを自由に選ぶことができる。
【００４７】
図４に、本発明の実施例を示す。図４では、図１のフェースプレート１０と、図２に示したパッケージ基板２０との組合せを例として説明する。なお、図１のフェースプレート１０と、図３に示したパッケージ基板２０’とを組み合せることもできる。図４（ａ）は、本発明の基板処理方法の例である。
【００４８】
図１（ｂ）に示したように、フェースプレート１０の表面（第１の主面）にマスク５１を磁石７１からの磁力で保持したまま、フェースプレート１０の表面を下側に向け、マスク５１及びホルダ６１で覆われていない領域に、薄膜４１を形成する。薄膜４１は、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなど、任意の処理方法で形成することができ、例えば、Ａｕ等の金属を、５〜２０ｎｍの厚さで形成する。
【００４９】
同様に、図２（ｂ）に示した、パッケージ基板２０の表面にマスク５２を磁石７２からの磁力で保持した状態のまま、図４（ａ）のように、パッケージ基板２０の表面（第１の主面）を下側に向け、マスク５２及びホルダ６２で覆われていないガラスリング２２の表面に、薄膜４２を形成する。薄膜４２は、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなど、任意の処理方法で形成することができ、例えば、Ａｕ等の金属を、５〜２０ｎｍの厚さで形成する。
【００５０】
なお、ここでは真空蒸着法を想定して、基板表面を下側に向けたが、スパッタリング等の基板の向きが限定されない処理では、基板表面を任意の方向に向けて基板処理を行うことができる。また、図４（ａ）では、基板の処理として、金属薄膜４１，４２を被着する処理を行ったが、後述のとおり、基板又は基板上の層をプラズマ照射して活性化する処理等、マスクを用いた任意の処理を行うことができる。
【００５１】
この基板処理方法では、マスク５１，５２を基板の裏面（第２の主面）に配置した磁石７１，７２による磁力で保持しているため、基板表面側にはマスクの保持部材が不要であり、保持部材の影となる領域がないから、基板の所望の領域に均一に表面処理を行うことができる。
【００５２】
次に、図４（ａ）乃至（ｅ）に基づいて、本発明のパッケージの気密封止方法を説明する。
【００５３】
初めに、図４（ａ）のとおり、各基板の接合領域に、薄膜（例えば、厚さ５〜２０ｎｍの金属薄膜）４１，４２を形成する。
【００５４】
図４（ｂ）は、２つの基板を対向させた状態を示す。ここでは接合面に薄膜４１，４２を形成した後、そのまま大気にさらすことなく、真空中でフェースプレート１０とパッケージ基板２０とを向かい合わせる。
【００５５】
図４（ｃ）は、マスクの取り外しを説明する図である。フェースプレート１０とパッケージ基板２０とを対向させた状態で、外したマスクを受け取るため、移動機構を備えた受け皿８１，８２を両者の間に挿入する。その後、磁力を解除するため、ホルダに固定していた永久磁石７１，７２を遠ざける。電磁石７１，７２を用いていた場合は電流を０にして消磁させる。このとき、上側（ここでは、フェースプレート１０側）のマスク５１は自重により落下し、受け皿８１により受け止められる。また、下側（ここでは、パッケージ基板２０側）のマスク用の受け皿８２は磁石（永久磁石又は電磁石）７３を備えている。マスク固定用の磁石７２を外す（或いは、電磁石の磁力を減じる）と磁性体で作られたマスク５２は、磁石７３の磁力により受け皿８２側へと受け渡される。このようにすると真空装置内でマスクの取り外しが容易にできる。
【００５６】
マスク固定用の磁石７１，７２の取り外しは、機械的であってもよいし、電磁石であれば機械的移動を行うことなく、磁力を消滅させれば良い。また、下側のマスク５２の取り外しは、マスク受け皿のように移動できる機構で永久磁石７３のみを近づけてもよい。その後、真空を保ったまま、マスク受け皿８１，８２を基板の間から外へ移動させる。
【００５７】
なお、図４の例では、フェースプレート１０とパッケージ基板２０とを対向させた状態でマスクを取り外したが、図４（ａ）の薄膜形成が終了した後直ちに、フェースプレート１０とパッケージ基板２０の下方に受け皿８１を配置し、磁力を解除する（磁石７１，７２を遠ざけるか、電磁石を消磁させる）ことにより、マスク５１，５２を自重で落下させて取り外しても良い。この後、マスクを取り外した基板を向かい合わせれば、図４（ｄ）の状態となる。
【００５８】
図４（ｄ）は、マスク受け皿を移動させた後の状態であり、マスクを取り外したフェースプレート１０とパッケージ基板２０とが対向している。ここで、必要に応じて、接合のための位置合わせを行う。
【００５９】
図４（ｅ）は、接合を行った状態を示す。図４（ｄ）の対向状態から、フェースプレート１０とパッケージ基板２０とを接近させ、必要に応じて、さらに超高真空にした上で薄膜４１，４２を接触させて接合する。その後、ホルダ６１，６２を外して、真空気密封止されたパッケージが完成する。
【００６０】
この方法によれば、マスク５１，５２の保持と取り外しが真空処理装置内でできるため、上述の気密封止の一連の工程を、真空中で連続して行うことができる。したがって、パッケージ内を真空に維持したまま気密封止ができ、真空気密封止が容易に完成する。また、接合を利用して気密封止を行うため、２つの基板を密着して封止する処理には高温処理も大きな圧力も不要であり、熱に弱い電子素子に悪影響を与えることなく、気密封止を行うことができる。
【００６１】
以下、図４で説明した実施例の変形例について説明する。
【００６２】
図４では、薄膜（接合膜）としてＡｕを例示したが、金属薄膜を用いた原子拡散接合を行う場合には、金属としては、非特許文献３，４に記載されるように、Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｒｕ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ等、多様な金属が利用できる。特に、Ｔｉ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の自己拡散係数の大きい金属は、接合強度が大きく望ましい。金属薄膜の厚さは、ほぼ一原子層の０．２ｎｍでも接合が可能であり、必要に応じて２０ｎｍを超える厚さとしても良い。原子拡散接合を用いる場合は、金属薄膜を形成した後、高真空中で接合面を重ね合わせるだけで、加圧なしに接合・気密封止ができる。また、不活性ガス中であれば、大気圧であっても接合が可能である。さらに、金属が貴金属である場合は、表面酸化の影響を受けないから、空気中での原子拡散接合も可能である。
【００６３】
薄膜（接合膜）にインジウムを用いた場合は、従来のインジウム封止の改良方法として気密封止をすることができる。すなわち、スパッタリング等により成膜したインジウム薄膜は、表面が活性化されているため、そのまま真空中で図４（ｅ）の状態でわずかな加圧にて接合および気密封止を行うことができる。また、インジウムを接合領域に厚めに被着し、空気中に取り出した後に、従来と同様の加圧処理により気密封止をしても良い。
【００６４】
次に、接合方法として、表面活性化接合を利用する場合は、基板又は基板上に形成した被膜を、アルゴン等の不活性ガスのビーム又はプラズマによりスパッタエッチングを行う。スパッタエッチングにより表面の酸化膜等の汚染物を除去するとともに、基板（又は被膜）の表面を活性化し、そのまま高真空中で接合することができる。活性化処理により、表面の原子の結合手同士を直接結合させることができ、強固な接合が形成される。基板が、Ｓｉ，ＧａＡｓ等の半導体である場合、又は、ＬｉＮｂＯ3，Ａｌ2Ｏ3等の結晶基板である場合は、基板材料そのもので表面活性化接合することができる。図４（ａ）において、例えばアルゴンビームエッチングを行い、基板の接合表面を直接活性化処理し、以下、（ｂ）以降の工程を行って、基板同士を接合することができる。
【００６５】
また、金属薄膜を用いた原子拡散接合と、表面活性化処理を組み合わせることもできる。図４（ａ）で金属薄膜４１，４２を形成後、金属薄膜表面を大気にさらした場合や、金属薄膜４１，４２を形成後に、基板に光電変換膜１２や電子源アレイ２３を形成した場合は、金属表面に酸化膜等の汚染物が生じる。このような場合は、基板（フェースプレート１０、パッケージ基板２０）の金属薄膜に対して、真空処理装置内で図４（ａ）又は（ｂ）の状態で、アルゴンスパッタやプラズマやイオンビームなどを用いて汚染物除去と金属表面の活性化を行う。その後、高真空中で（ｃ）以降の作業を行えばよい。したがって、本発明において、基板の表面活性化処理とは、基板材料自体の表面を活性化する処理のみならず、基板上に形成した薄膜の表面を活性化する処理も含む。
【００６６】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各工程等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の工程を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の基板処理方法は、基板上の所定の領域をマスクし、真空処理装置内で基板又は基板上の層を処理する任意の処理に応用できる。また、本発明の気密封止方法は、撮像素子のみならず、電子ビームを用いる表示素子や進行波管の外囲器等、真空気密封止が必要なデバイスに適用できる。また、加熱を行わないことから、熱に弱い電子素子のパッケージに有用であり、広く応用が可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  フェースプレート（パッケージを構成する第１の基板）
１１  透光性基板
１２  光電変換膜
１３  被処理領域
２０  パッケージ基板（パッケージを構成する第２の基板）
２１  ガラス基板
２２  ガラスリング
２３  電子源アレイ
２４  被処理領域
２５  段付きガラスリング
２６  メッシュ電極
２７  メッシュ枠
２８  配線
３０  インジウムリング
３１  インジウム
３２  支持リング
５１，５２，５３  マスク
６１，６２  ホルダ
７１，７２，７３  磁石
８１，８２  受け皿
【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】
2017022056.tif 000008
【図７】
2017022056.tif 000009
【図８】
2017022056.tif 000010
【図９】
2017022056.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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