(57)【要約】【課題】接合後の形状を安定させ、接合界面の密着性を高め、それにより強度が増し、さらにメッキの成長界面の密着性も向上させることを安価で短時間に行う。【解決手段】上方から加圧・加熱用ジグ１１を押し当て突起物１２の頭頂部１２ａを１つの凸形状に整形する。加圧・加熱工程により頭頂部１２ａが形成された接合用突起物１２によって第１基板と第２基板の接合を行う。これにより、接合の際に、突起物１２の凸形状が複数あると凸形状間で空隙ができてしまうことを回避し、また、頭頂部１２ａを形成する角度を浅くして、接合時の変形量を減少、接合時の加重を低く、デバイスの他の薄膜層へのダメージを低減する。さらに、接合する第１基板と第２基板に傾きがあっても接合界面に生じる空隙を減らし、メッキ成長界面からの剥離を抑制して、所望の接合形状で十分な接合強度を確保できる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板上に形成された接合のための１つ以上の突起物と、前記突起物の頂上を１つの凸形状とした頭頂部とを備え、
接合対象である第２基板へ加圧を伴いながら前記頭頂部を持つ突起物を介して接合することを特徴とするパッケージ接合方法。
【請求項２】
前記突起物の接合が頭頂部の１点から接触が始まり、加圧により前記１点から周囲に向けて徐々に接合界面の空隙を前記突起物の構成物質で埋めながら接合が行われることを特徴とする請求項１記載のパッケージ接合方法。
【請求項３】
前記突起物の接合が頭頂部の１点から接触が始まり、加熱によって前記突起物の構成物質の硬度をさげ、常温時より少ない加圧により前記１点から周囲に向けて徐々に接合界面の空隙を前記突起物の構成物質で埋めながら接合が行われることを特徴とする請求項１または２記載のパッケージ接合方法。
【請求項４】
前記突起物において、１つの凸形状の頭頂部を形成するに当たり、接合前に押し当てジグを用いて形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパッケージ接合方法。
【請求項５】
前記突起物において、１つの凸形状の頭頂部を形成するに当たり、加圧により形成したことを特徴とする請求項４記載のパッケージ接合方法。
【請求項６】
前記突起物において、１つの凸形状の頭頂部を形成するに当たり、加熱により形成したことを特徴とする請求項４または５記載のパッケージ接合方法。
【請求項７】
前記突起物において、製品の駆動部，端子部，電極部等の構成部品を保護し、かつ電気的に導通を得るため、前記突起物の形状がそれらの周辺を囲むライン状、またはドット状に並んで配置されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパッケージ接合方法。
【請求項８】
前記突起物を形成するに当たりメッキを使用することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパッケージ接合方法。
【請求項９】
前記突起物の幅が０．５μｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパッケージ接合方法。
【請求項１０】
前記突起物の表面Ｒｔが０．００１μｍ以上０．０４μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパッケージ接合方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のパッケージ接合方法を用いて、第１基板と第２基板を接合し、マイクロスイッチ、加速度センサー、角速度センサー、流量センサー、マイク等内部に駆動部をもったＭＥＭＳデバイスをパッケージングしたことを特徴とする接合パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は例えば、半導体素子の実装、ＭＥＭＳ（micro electro-mechanical system）の実装やパッケージ、常温接合分野などにおいて、メッキによって形成された突起物を接合する工法に関するものである。特にメッキ形状がライン等で自由に描画されている対象物や、メッキの下地層や接合対象の素材が脆弱な場合や、接合の素子自身が脆弱で超音波接合や高加重の圧接ができない時、高温に弱いまたは薄膜の特性変化が起こるため拡散接合等が使用できない時に最適なパッケージ接合方法および接合パッケージに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来メッキで形成される突起物の用途としては、電気的・機械的に接合させるためのメッキバンプなどが使用されてきた。その接合方法は圧接、超音波接合、半田接合、拡散接合などがある。そのため、その形状には数μｍ単位の凹凸があったとしても、半田などの接合材を介したり、超音波や高加熱などのエネルギーを使い、マクロな視点で見れば接合部分を支配的にし、接合を実現してきた。
【０００３】
近年デバイスの小型化，軽量化が加速する中で、ＭＥＭＳデバイスなどの三次元構造体の組み立てをナノスケールで行う技術が求められている。例えば、ＳｉとＳｉの直接接合技術や薄膜や微小突起物での接合技術がそれに当たる。そういったナノスケールでの接合技術には、その目的もただ電気的・機械的に接合するだけではなく、その接合の幅や高さに対して製品であるデバイスの特性を満足させるための制約があるため、ナノスケールでの寸法制御技術が必要になってきている。
【０００４】
また、ウェハレベルでのパッケージ技術などでは三次元構造体の内部を中空にし、その中のガス成分を制御したりする密閉技術などが接合に求められている。このような用途での接合用突起物の形状はバンプ等の点形状ではなくライン形状での接合が求められている。接合用突起物の高さに関しては特に１μｍ〜１００μｍ程度の高さならばコストや生産性からみてメッキで形成するのが一般的である。
【０００５】
しかしながら、そのメッキの頭頂形状や幅の制御性は低く、頭頂部の表面Ｒｔは数十μｍ程度の微細な突起が乱立しているような状態であり、またメッキ形状を決めるレジストへの押し広がりも見られ、メッキ形状の幅の均一性を確保するのが困難である。このようなメッキで形成した突起物を介した接合例は、特許文献１のようなパットと相対する位置に突起を設けるか、見かけ上部分的に突起となるように周辺をエッチングし、直接金属接合する例が知られている。
【特許文献１】特開昭６１−２４５５４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記の方法では突起形状がばらつくため、接合後の高さや幅をナノスケールで制御ができない。また、突起物の頭頂形状がメッキで形成されたそのままの形状であるため、微細な空隙が接合界面に存在する。微細な空隙は組み立てられた三次元構造体の剥離起点となり、バルクよりも弱い強度で破壊が始まってしまう。
【０００７】
また、突起物をライン形状にした場合、接合時の傾きにより、十分な接触を得られない場所が存在する。図１４は従来の方法で接合した接合部分の断面形状を示す例だが、断面線６の部分を見ると図１５に示すように第１基板３上に形成されたメッキ形成用の電極薄膜２上にメッキで形成された接合用突起物１と第２基板８上に形成された接合対象パターン９との間に接合界面の空隙１０が存在する。つまり図１４に示すように、第２基板８は第１基板３との平行線７に対して傾きを持っているため、断面線６の部分において潰れ量が減少しているため空隙が発生しやすくなっている。
【０００８】
本発明は、前記従来技術の問題を解決するものであり、接合後の形状を安定させ、接合界面の密着性を高め、それにより強度が増し、さらにメッキの成長界面の密着性も向上させることを安価にかつ短時間で行うパッケージ接合方法および接合パッケージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載したパッケージ接合方法は、第１基板上に形成された接合のための１つ以上の突起物と、突起物の頂上を１つの凸形状とした頭頂部とを備え、接合対象である第２基板へ加圧を伴いながら頭頂部を持つ突起物を介して接合することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２，３に記載した発明は、請求項１のパッケージ接合方法において、突起物の接合が頭頂部の１点から接触が始まり、加圧により１点から周囲に向けて徐々に接合界面の空隙を突起物の構成物質で埋めながら接合が行われること、さらに、突起物の接合が頭頂部の１点から接触が始まり、加熱によって突起物の構成物質の硬度をさげ、常温時より少ない加圧により１点から周囲に向けて徐々に接合界面の空隙を突起物の構成物質で埋めながら接合が行われることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４〜６に記載した発明は、請求項１〜３のパッケージ接合方法に用いる突起物において、１つの凸形状の頭頂部を形成するに当たり、接合前に押し当てジグを用いて形成したこと、さらに、加圧により形成したこと、さらに、加熱により形成したことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項７〜１０に記載した発明は、請求項１〜６のパッケージ接合方法に用いる突起物において、製品の駆動部，端子部，電極部等の構成部品を保護し、かつ電気的に導通を得るため、突起物の形状がそれらの周辺を囲むライン状、またはドット状に並んで配置されたこと、さらに、突起物を形成するに当たりメッキを使用すること、突起物の幅が０．５μｍ〜５０μｍであること、突起物の表面Ｒｔが０．００１μｍ以上０．０４μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項１１に記載した接合パッケージは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のパッケージ接合方法を用いて、第１基板と第２基板を接合し、マイクロスイッチ、加速度センサー、角速度センサー、流量センサー、マイク等内部に駆動部をもったＭＥＭＳデバイスをパッケージングしたことを特徴とする。
【００１４】
前記の方法によれば、接合前に頭頂部を整形して突起物の頂上を１つの凸形状にすることで、接合する第１基板と第２基板に傾きがあっても接合界面に生じる空隙を減らすことができ、また、接合に必要な潰れ量、変形に必要な加重を減少して、デバイス（三次元構造体）を構成する他の薄膜へのダメージを軽減でき、さらに、メッキ成長界面からの剥離を抑制して、所望の接合形状で十分な強度を確保することができ、安定動作する接合パッケージを得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、安価にかつ短時間で所望の接合形状と接合強度を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施形態におけるパッケージ接合方法で使用する第１基板上に突起物を形成した例を示す図である。なお、前記従来例を示す図１４，図１５において説明した構成部材に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付してこれを示し、以下の各図においても同様とする。
【００１８】
また、図１では接合に使用する突起物１２の突起パターン１３の形状だけを図示しており、本来なら第１基板３上には接合用の突起物１２以外にも薄膜で形成されたパターンやウエットエッチ、ドライエッチ、スパッタ、蒸着等で作られた構造物が存在する。
【００１９】
図２は図１における断面線４での突起物１の断面を示している。図２に示すように第１基板３上に形成されたメッキ形成用の電極薄膜２上にメッキで形成された接合用の突起物１を形成している。また、図３は図１における断面線５での突起物１の断面を示している。図２および図３はメッキによって形成した代表的な突起物１の形状の断面形状を示している。メッキ形成では通常メッキ成長の速い電解メッキで行っているが無電解メッキであってもよい。また時間とコストはかかるが、スパッタや蒸着を使用しても同様の形状を構成することもできる。
【００２０】
メッキの材質は導電性であればどんな金属・合金・有機物でもよいが、適正のある素材は硬度が低く、抵抗値の少ないものである。本実施形態では金（Ａｕ）を使用している。金（Ａｕ）は前記特性を最も満たしている金属である。メッキの成長過程においてレジストとの接触面からメッキが成長していくため、メッキの中心より側面のメッキが早く成長し、約４μｍ程度成長させると０．３〜０．６μｍ程度レジストに接触した面に沿って高くなる傾向がある。また、メッキの形状はレジスト形状を垂直に形成したとしても、メッキが成長するに従ってレジストを押し出し、頭頂付近が広がる傾向がある。総じて頭頂の形状の幅の広がりが０．５μｍ程度、面積Ｒｔが０．８μｍ程度となっている。
【００２１】
図４は図１の第１基板３の突起パターン１３をウェハ上に配置した例である。通常の接合工程は突起物１２を形成する工程も含めて、個片チップやデバイス単位で個別に行うこともあるが、生産性・コストの観点からデバイスを複数形成したウェハ３’形状で行うのが望ましい。特に接合を真空中で行う場合、ウェハプロセスでは真空破壊の回数が削減され、また加圧・加熱プロセスやプラズマ改質プロセスやアライメントプロセスをウェハ単位で一括に行うことのできる生産性・コストのメリットは大きい。
【００２２】
図５は図１の断面線４での接合用突起物の断面形状において加圧・加熱工程を示している。上方から押し当てジグの加圧・加熱用ジグ１１を押し当てることで突起物１２の頭頂部１２ａを１つの凸形状に整形する。加圧・加熱用ジグ１１は整形する突起物１２より硬い素材であることが望ましい。本実施形態ではＳｉウェハをエッチング工程とスパッタ工程で加工したジグを使用している。また、本実施形態ではウェハレベルで加圧・加熱を行っている。
【００２３】
この工程では接合用突起物１に加圧・加熱用ジグ１１が触れるためコンタミネーションの接合界面への挟み込みを防ぐためクリーン度の高い環境で行うことが望ましい。本実施形態ではクリーン度の高い真空チャンバー内で接合直前に行っている。
【００２４】
また、印加する温度はメッキの金属によって異なるが、金（Ａｕ）の場合、金の再結晶温度以上が望ましい。本実施形態では３００℃を３０分かけて印加した。加圧は凸形状を形成する最小の加重が望ましいが、メッキ成長界面の強度向上も考えれば１ｋｇ／０．０１ｍｍ２程度必要である。凸形状を形成する場合その潰し高さはメッキの頭頂から表面Ｒｔ分を潰し、表面Ｒｔを良化させるのが望ましい。本実施形態では表面Ｒｔを０．０２μｍ以下まで良化させている。実際には表面粗さと潰し量の設計値は接合工程の潰し量もあるので最終形状のばらつき等も考慮に入れて最適な設計を行っている（表面Ｒｔ：０．００１μｍ以上０．０４μｍ以下）。
【００２５】
図６は図１の断面線４での接合用突起物の断面形状であり、加圧・加熱工程によって頭頂部１２ａが形成された断面を示している。また、図７は図１の断面線５での接合用突起物の断面形状を示している。図６に示すように、一点の凸形状（頭頂部１２ａ）がありメッキ（突起物１２）の断面形状も５角形に整形されている。仮に、突起物１２の凸形状が複数あった場合には、その凸形状間で空隙ができてしまうため１つとする。また、突起物１２に頭頂部１２ａを形成する角度は浅いほど接合時の変形量を減少でき、接合時の加重を低くでき、デバイスの他の薄膜層へのダメージを低減できる。本実施形態では、突起物の凸形状を０．５μｍの高さにし、接合時に１．５μｍ変形させている。
【００２６】
また、本実施形態では接合前にプラズマまたはイオンビームまたは原子ビームにより接合用突起物の表面の吸着物を除去している。この吸着物を除去することにより接合性が高まる。また吸着物除去後に上下のパターンを合わせるため上下ウェハのアライメントも行っている。これは、寄生容量が大きければデバイスの特性が損なわれる場合があり、通常パターンは第１基板と第２基板との間での寄生容量を最小にするためにパターン幅は０．５μｍ〜１０μｍと細くしている。さらに、接合後にパターンが横に広がってしまうと隣の配線へのショートとなり不良になってしまう。そのため接合前の縦・横形状が重要であり、潰しすぎによる幅の広がりは最小にしなければならない。本実施形態では横の広がりを２μｍに押さえており、５μｍピッチの接合でショートなしの接合が実現できる。
【００２７】
接合工程では第１基板と第２基板をアライメント後、加圧を行って接合している。接合時の加熱については必要なければ常温でもよいが、加熱を行ったほうがより少ない加重と潰し量で空隙のない良好な接合ができる。本実施形態では第２基板に耐熱性の低い部材を使用しているため、接合中の加熱は１５０℃で行っている。また、加圧は突起物の頭頂部の凸形状を潰すだけの加圧力でよく、整形時と同様の１ｋｇ／０．０１ｍｍ２程度を印加し、凸形状を潰している。
【００２８】
図８は図１の断面線５での接合用突起物の接合後の断面形状を示している。図９は図８の断面線１４での断面形状となっている。突起物１２上の凸形状（頭頂部１２ａ）が潰れ良好な接合を実現している。図１０は図８の断面線１５での断面形状を示している。第２基板８は第１基板３との平行線７に対して傾きを持っているため断面線１５の部分が断面線１４に比べ潰れ量が減少している。従来ではこのような潰れ量が減少するために空隙が発生していたが、本実施形態では突起物１２上に１つの凸形状を整形しているため、凸形状の全体を潰していないが、接触した面は空隙なく良好な接合を実現している。
【００２９】
本実施形態ではメッキを成長させているのは第１基板３となっているが基板の素材等の耐熱性・耐圧性を考慮し第２基板８に形成しても問題はない。ただし、基板がＳｉウェハ上にＴｉ薄膜とＡｕ薄膜を形成した場合、加熱によるＴｉ（チタン）の移動があり、薄膜界面の強度低下が起こるため加熱温度によっては、加圧加熱する際にＳｉ（シリコン）基板側には適していないといえる。本実施形態ではガラス基板を使用しているためそのような現象は起きない。
【００３０】
また、上下の基板はメッキ形成に支障がなければどのような素材でもよいが、主にＭＥＭＳ用であるＳｉ，Ｇｌａｓｓ，石英，水晶，セラミック，ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等を使用している。デバイスの使用環境にも依存するが、より長時間の使用保障をする場合、上下の素材の熱膨張係数をそろえたほうがよい。本実施形態ではＳｉとガラスを使用しているがガラスの熱膨張係数はＳｉと合わせたものを使用している。
【００３１】
突起物１２に頭頂部１２ａを形成するため押し付ける金型（加圧・加熱用ジグ１１）の表面Ｒａ、表面Ｒｔは接合対象（第２基板８）の表面状態にも接合性が依存するため、一概に規定することはできないが、少なくとも接合対象の面の表面Ｒａ、表面Ｒｔ以下にすることで接合性が上がることを確認している。表面粗さの定義については、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｂ０６０１に準拠するものであり、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、光波干渉式表面粗さ測定器、によって測定される表面粗さのことをいう。表面Ｒａは粗さ平面を中心平面から折り返し、その粗さ平面と中心平面によって得られた体積を面積で割った値を表す。表面Ｒａはその計算上の特性として粗さ平面の平均値となり、粗さが急激に悪化するような点が全体の少数であるとその影響は軽微となり、表面Ｒａの値には反映されない。
【００３２】
そのため、表面Ｒａを評価するためには粗さの特異点がない滑らかな面を評価するのが前提となる。しかしながら、メッキの頭頂部１２ａの凸形状など特異点が集まったような形状をしているため、表面の状態を表面Ｒａで数値化するのが困難である。メッキの頭頂形状の粗さ定義には表面Ｒｔのほうがより正確に表面状態を表している。表面Ｒｔとは評価箇所における粗さ平面の山高さの最大値と谷深さの最大値との和をいう。
【００３３】
突起物１２の突起パターン１３の形状はその接合系が必要な強度を満たすだけの接合面積を準備すればよい。その形状はどのような形状でもよいが、ＭＥＭＳ等のようにデバイス内部を中空にし、任意のガスを充填したり、真空気密が必要な場合、図１のように気密するために継ぎ目のない環形状にする。なお、環形状は直方体ではなく円や多角形でも構わない。その形状は密閉すべき場所の形状に依存して複雑な形状でも構わない。
【００３４】
また、逆に真空気密やガスを充填することで内部動作機構に対して空気抵抗が大気中に比べて変化し、動作に影響したり、密閉することで内部気体の流体特性が変わるなど悪影響を与える場合、図１１に示すように環形状の突起パターン１３に数ヶ所、空気の流れる隙間を準備することで外部との通気ができ、構造的な影響は受けるものの密閉時よりは大気圧下の特性に近づけることができる。
【００３５】
ＭＥＭＳ等の構造物の場合、隙間からのコンタミネーションの流入を嫌うため、隙間の数は内部の構造体の動作特性を満たす最小限の個数が望ましい。図１１は直方体の例で隙間を４ヵ所にしたものである。コンタミネーションの流入の懸念がない場合、動作特性を非密閉状態に可能な限り近づけるため、隙間を無数に増やし接合用の突起物１２をライン形状ではなく、図１２のようなドット形状に配置する場合もある。この例ではデバイスが動作中の流体の流れが無数のドットの隙間を流れることでパッケージの影響を軽減することができる。
【００３６】
また、デバイスに要求されている接合強度が強い場合、また接合時のダメージを軽減し、接合時に印加する加重を減少させるために突起パターン１３の幅を減少させた場合など、突起物１２の突起パターン１３全体の接合面積が必要な強度に対して不足することがある。そのような場合には、突起パターン１３を複数化することで接合面積を増加させ、デバイスが要求している接合面積を満たすことができる。図１３に示すように、突起パターン１３を２本にしたものである。図１３では２本を例としたが、必要に応じて突起パターン１３の数を増やすこともできる。また、突起パターン１３を複線化することによって、コンタミネーションの流入を防ぐためには、隙間の位置を複数ラインで一致させずに配置して、流入機会を減少させることもできる。
【００３７】
本実施形態の接合方法により、第１基板と第２基板とをパッケージングして、マイクロスイッチ、加速度センサー、角速度センサー、流量センサー、マイク等内部に駆動部をもったＭＥＭＳデバイスにおいて、接合後の形状を安定、かつ接合界面の密着性を高めて、より強度が増したデバイスを形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係るパッケージ接合方法および接合パッケージは、安価にかつ短時間で所望の接合形状と接合強度を得ることができ、メッキ形状がライン等で自由に描画されたものや、メッキの下地層や接合対象の素材が脆弱なもの、接合の素子自身が脆弱で超音波接合や高加重の圧接ができないもの、高温に弱いまたは薄膜の特性変化が起こるため拡散接合等が使用できないもの等の接合に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態におけるパッケージ接合方法で使用する第１基板上の突起物を示す図
【図２】図１における断面線４での突起物の断面を示す図
【図３】図１における断面線５での突起物の断面を示す図
【図４】図１の第１基板の突起物パターンをウェハ上に配置した例を示す図
【図５】図１の断面線４での接合用突起物の断面形状の加圧・加熱工程を示す図
【図６】図１の断面線４での接合用突起物の加圧・加熱工程により頭頂部が形成された断面を示す図
【図７】図１の断面線５での接合用突起物の断面形状を示す図
【図８】図１の断面線５での接合用突起物の接合後の断面形状を示す図
【図９】図８の断面線１４での断面形状を示す図
【図１０】図８の断面線１５での断面形状を示す図
【図１１】環形状に数ヶ所の隙間を設けた突起パターンを示す図
【図１２】ドット形状に数ヶ所の隙間を設けた突起パターンを示す図
【図１３】複線化した突起パターンを示す図
【図１４】従来の接合部分の断面形状を示す図
【図１５】従来の接合部分に生じた空隙を示す図
【符号の説明】
【００４０】
１，１２  突起物
２  電極薄膜
３  第１基板
４，５，６，１４，１５  断面線
７  平行線
８  第２基板
９  接合対象パターン
１０  空隙
１１  加圧・加熱用ジグ
１２ａ  頭頂部
１３  突起パターン
【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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【図１１】
2009283611.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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