(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
準備された蓋体に接合層、ウェッティング層及びソルダ層を順に蒸着する段階と、
前記ソルダ層上に酸化防止のためにＡｕよりなる第１保護層を蒸着して蓋体を形成する段階と、
素子が配置され、前記素子の周辺にメタル層と前記メタル層の酸化防止のための第２保護層とが形成されたパッケージベースを準備する段階と、
前記接合層、前記ウェッティング層、前記ソルダ層及び前記第１保護層が形成された前記蓋体と、前記メタル層及び前記第２保護層が形成されたパッケージベースとを組み立て１７０℃以下で加熱してシーリングする段階とを含み、
前記ソルダ層はIｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｚｎまたはこれらの合金で形成され、
前記接合層は、前記ウェッティング層を前記蓋体に載置するために設けられ、
前記ウェッティング層は、前記ソルダ層の溶融時に前記ソルダ層をウェッティングさせてその両側面に接触する層との密封性を維持させ、前記ソルダ層を構成するソルダ成分の拡散を防止することを特徴とする酸化防止ハーメチックシーリング方法。
【請求項２】
前記蓋体はガラス、石英、Ｓｉ、セラミック、コバール、４２アロイのうちいずれか一つで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の酸化防止ハーメチックシーリング方法。
【請求項３】
前記接合層はＣｒ、Ｔｉ、Ｐｄまたはこれらの合金よりなることを特徴とする請求項１に記載の酸化防止ハーメチックシーリング方法。
【請求項４】
前記ウェッティング層はＮｉ、Ｃｕ、Ａｕまたはこれらの合金よりなることを特徴とする請求項１に記載の酸化防止ハーメチックシーリング方法。
【請求項５】
ウェーハ上に接合層、ウェッティング層、ソルダ層を順に積層して蓋体用のウェーハを形成する段階と、
前記ソルダ層に酸化防止のためにＡｕよりなる第１保護層を蒸着する段階と、
前記パッケージベースウェーハ上に可動の構造物素子を製作する段階と、
前記パッケージベースウェーハ上にメタル層と前記メタル層の酸化防止のための第２保護層とを蒸着する段階と、
前記接合層、前記ウェッティング層、前記ソルダ層及び前記第１保護層が形成された前記蓋体用のウェハと、前記メタル層及び前記第２保護層が形成されたパッケージベースウェーハとを向かい合うように組み立てて１７０℃以下で加熱して前記ソルダ層に前記第１保護層が吸収されながらシーリングされるようにする段階と、
シーリングが終わったウェーハを素子単位でダイシングする段階とを含み、
前記ソルダ層は Iｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｚｎまたはこれらの合金で形成され、
前記接合層は、前記ウェッティング層を前記蓋体に載置するために設けられ、
前記ウェッティング層は、前記ソルダ層の溶融時に前記ソルダ層をウェッティングさせてその両側面に接触する層との密封性を維持させ、前記ソルダ層を構成するソルダ成分の拡散を防止することを特徴とする、ハーメチックシーリング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はハーメチックシーリング方法に係り、より詳細には可動の超小型機械構造物素子において酸化を防止して低温でシーリングできるハーメチックシーリング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に可動の超小型機械構造物（Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ；以下、ＭＥＭＳという）は、シリコンなどの基板上に非常に薄い金属膜や酸化膜、ポリマーなどの薄膜を積層して写真エッチング、蒸着及びエッチング工程などを通じて製作する。このようなＭＥＭＳは非常に薄くて超小型であるために高温及び微細なホコリ、水分またはガスなどの外部環境に非常に弱い。特に水分や副産物などによる毛細管現象、ファンデルワールス力などの表面力により粘着現象が誘発される。したがって、このような粘着現象を防止できるようにパッケージのキャビティ内の雰囲気を一定に維持する必要がある。そのためにはパッケージの密封性が保障される必要があるため、多様なハーメチックシーリング方法が研究開発されている。
【０００３】
ＭＥＭＳをシーリングする方法には、大別してウェーハレベルボンディング方法とチップレベルシーリング方法とがある。ところで、ＭＥＭＳに採用されるマイクロミラーのような素子は熱に弱くて、水分や副産物によって粘着現象がおきるなど周囲環境に非常に敏感なので、このような特性を考慮して最適のＭＥＭＳシーリング方法を選択せねばならない。
まず、ウェーハレベルでボンディングする方法には、アノードボンディング方法、ガラス及びガラスフリットボンディング方法、接着ボンディング方法、低融点工程ボンディング方法などがある。このうち、アノードボンディング方法とガラスフリットボンディング方法などによれば、４００℃以上の高温でシーリングされる。前述したように、ＭＥＭＳに採用されるマイクロミラーのような素子は熱に非常に弱いのでこのような高温処理方法は適していない。また、接着ボンディング方法によれば、接着剤に含まれていた水分及び外部環境からの水分の浸透によって完全なハーメチックシーリングが不可能である。
【０００４】
この他にチップレベルシーリング方法には、シーム溶接方法、ソルダリング（半田付け）、接着ボンディング方法などがある。シーム溶接方法は、熱による素子の損傷を減らしてハーメチックシーリングが可能であるが、部品数及び設備コストが多くかかる問題点がある。一方、Ｓｎ−Ｐｂソルダリングによるシーリング方法によれば、比較的低コストでハーメチックシーリングが可能であるが、ＭＥＭＳ工程においては比較的高温（約１８３℃以上）で溶け、工程中に形成された酸化膜によるウェッティング不良がシーリング不良につながるだけでなく、Ｐｂ成分による環境問題が引き起こされる。
【０００５】
より具体的に従来の技術を説明すれば、図１は特許文献１に開示された半導体素子パッケージに関するものである。ここでは、金属層１０２を有する光学ウィンドウ１０１をソルダプリホーム１０３により金属フレーム１０４に付着してセラミックパッケージのようなハウジング１０５にシーリングする。前記ソルダプリホーム１０３はＡｕ−Ｓｎ材質で製造されたものであり、値段が高くて汚染及び酸化防止のために適切に洗浄せねばならない面倒さがある。
また、前記光学ウィンドウ１０１はシーリング中に注入したガス雰囲気でソルダリングして製作され、前記ハウジング１０５にコバールリング(Kovar ring)が蝋付け(brazed)され、シーム溶接やレーザー溶接により前記光学ウィンドウ１０１が前記ハウジング１０５にシーリングされる。このような工程は非常に複雑で製造コストが高い短所がある。
【０００６】
図２は、特許文献２に開示されたものであり、チップＣが形成された基板１１１及びキャップ１１６の周囲に各々ソルダをウェッティングさせうる第１ないし第３薄膜シールバンド１１２、１１３、１１４を順次的に蒸着した後、前記キャップ１１６と前記基板１１１との間にソルダ１１５を位置させて加熱してシーリングする。前記ソルダ１１５はバンド状のプリホームで提供され、Ｓｎ−ＰｂあるいはＩｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｂｉなどの合金であるＰｂフリーソルダで構成される。ところで、ＰｂまたはＣｄ系ソルダは環境汚染問題を起こすため、現在はＰｂフリーソルダが好まれており、このうちＩｎが約１５６℃の比較的に低い溶融点を有し、またこれにＳｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｚｎなどを添加した合金も約１１８〜１７０℃の比較的低い溶融点を有し、かつ延性に優れて、ＭＥＭＳなどのように熱に弱い素子のハーメチックシーリングの材料として適している。
【０００７】
しかし、このようなＰｂフリーソルダは蒸着後またはシーリング工程中によく酸化されるので、これを除去するためにＨＣｌなどの強酸でエッチングするか、乾式エッチングせねばならない。したがって、製造工程が複雑になる短所がある。また、エッチング後に再び酸化されることを防止するために直ちにシーリングせねばならない製造工程上の難点があり、エッチング時に発生した水分やその他の副産物によりシーリング後の素子に欠陥が発生しうる。さらに、シーリング中に高温で熱を加える時に酸化膜が形成され、これによりウェッティング不良現象が発生し、ボイドまたはクラックなどが生じて結局完全なハーメチックシーリングが不可能になる。
【０００８】
また、酸化膜を除去するためにフラックスを使用することもあるが、このフラックスは酸性ロジンよりなっていて、超小型構造物のＡｌ及びその他の腐食性の金属を酸化させて損傷を与え、フラックスによって生成された副産物のために粘着現象が招来されることもある。
図３に示された特許文献３では、ＭＥＭＳ素子１２１が形成されたウェーハ１１９上の周辺にソルダ可能なリング１１８を形成し、キャップウェーハ１２０の上面に部分的にあるいは全面にソルダ可能なレイヤ１１７を形成する。その後、前記ソルダ可能なリング１１８とソルダ可能なレイヤ１１７とを接合して低温でソルダリングする。ここで、前記ソルダ可能なレイヤ１１７はメッキ、蒸発法、スパッタリングなどの方法により製作され、Ｓｎ−ＰｂまたはＩｎ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｂｉなどの合金であるＰｂフリーソルダよりなる。ここでも、Ｐｂフリーソルダを使用するので前述したように酸化による問題が解決されずに課題として残る。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５，５５０，３９８号明細書
【００１０】
【特許文献２】
米国特許第６，０４６，０７４号明細書
【００１１】
【特許文献３】
米国特許第６，０６２，４６１号明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点を解決するために案出されたものであり、ＭＥＭＳ素子において構造物の粘着を誘発する水分の浸透及び酸化を防止し、素子内部の雰囲気を一定に維持して素子の信頼性を向上させうる低温の酸化防止ハーメチックシーリング方法を提供するのにその目的がある。
【００１３】
第１発明は、準備された蓋体に接合層、ウェッティング層及びソルダ層を順に蒸着する段階と、前記ソルダ層上に酸化防止のためにＡｕよりなる第１保護層を蒸着して蓋体を形成する段階と、素子が配置され、前記素子の周辺にメタル層と前記メタル層の酸化防止のための第２保護層とが形成されたパッケージベースを準備する段階と、前記接合層、前記ウェッティング層、前記ソルダ層及び前記第１保護層が形成された前記蓋体と、前記メタル層及び前記第２保護層が形成されたパッケージベースとを組み立て１７０℃以下で加熱してシーリングする段階とを含み、前記ソルダ層はIｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｚｎまたはこれらの合金で形成され、前記接合層は、前記ウェッティング層を前記蓋体に載置するために設けられ、前記ウェッティング層は、前記ソルダ層の溶融時に前記ソルダ層をウェッティングさせてその両側面に接触する層との密封性を維持させ、前記ソルダ層を構成するソルダ成分の拡散を防止することを特徴とする酸化防止ハーメチックシーリング方法を提供する。
第２発明は、第１発明において、前記蓋体はガラス、石英、Ｓｉ、セラミック、コバール、４２アロイのうちいずれか一つで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の酸化防止ハーメチックシーリング方法。
【００１４】
第３発明は、第１発明において、前記接合層はＣｒ、Ｔｉ、Ｐｄまたはこれらの合金よりなることを特徴とする酸化防止ハーメチックシーリング方法を提供する。
第４発明は、第１発明において、前記ウェッティング層はＮｉ、Ｃｕ、Ａｕまたはこれらの合金よりなることを特徴とする酸化防止ハーメチックシーリング方法を提供する。
【００１５】
第５発明は、ウェーハ上に接合層、ウェッティング層、ソルダ層を順に積層して蓋体用のウェーハを形成する段階と、前記ソルダ層に酸化防止のためにＡｕよりなる第１保護層を蒸着する段階と、前記パッケージベースウェーハ上に可動の構造物素子を製作する段階と、前記パッケージベースウェーハ上にメタル層と前記メタル層の酸化防止のための第２保護層とを蒸着する段階と、前記接合層、前記ウェッティング層、前記ソルダ層及び前記第１保護層が形成された前記蓋体用のウェハと、前記メタル層及び前記第２保護層が形成されたパッケージベースウェーハとを向かい合うように組み立てて１７０℃以下で加熱して前記ソルダ層に前記第１保護層が吸収されながらシーリングされるようにする段階と、シーリングが終わったウェーハを素子単位でダイシングする段階とを含み、前記ソルダ層は Iｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｚｎまたはこれらの合金で形成され、前記接合層は、前記ウェッティング層を前記蓋体に載置するために設けられ、前記ウェッティング層は、前記ソルダ層の溶融時に前記ソルダ層をウェッティングさせてその両側面に接触する層との密封性を維持させ、前記ソルダ層を構成するソルダ成分の拡散を防止することを特徴とする、ハーメチックシーリング方法を提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。
図４を参照すれば、本発明による低温の酸化防止ハーメチックシーリング方法は、素子４が形成されたダイ３が配置されたパッケージベース１を形成する段階と、前記パッケージベース１の上部に位置してキャビティ１１を形成する蓋体１５を形成する段階と、前記パッケージベース１と蓋体１５とをシーリングする段階とを含む。
【００１７】
蓋２に蒸着され、後述のウェッティング層６を蓋２に載置するための接合層５、ウェッティング層６、シーリング温度で溶けてシーリング材として作用することによって両側面に接触する層との密封性を維持させるソルダ（半田）層７、蒸着後及びシーリング工程中に前記ソルダ層７の酸化を防止するための第１保護層８を、順次に積層して前記蓋体１５を製造する。
前記ウェッティング層６は、前記ソルダ層７がシーリング温度で溶融される時に前記ソルダ層７をウェッティング（wetting）させてその両側面に接触する層との密封性を維持させ、ソルダ成分の拡散を防止する。
【００１８】
前記蓋２はガラス、石英のような透明な材質あるいはＳｉ、セラミック、コバール(Kovar)、４２アロイなどの材質で形成でき、前記接合層５はＣｒ、Ｔｉ、Ｐｄまたはこれらの合金で形成できる。また、前記ウェッティング層６はＮｉ、Ｃｕ、Ａｕまたはこれらの合金よりなり、前記ソルダ層７はＩｎとＳｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｚｎまたはこれらの合金よりなると、ソルダ層７と直接熱的化合物を形成することができるので望ましい。前記第１保護層８はＡｕで形成される。また、前記第１保護層８は１０００Å以下の厚さを有することが望ましい。前述のように、ソルダ層７はＩｎとＳｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｚｎまたはこれらの合金であるＰｂフリーソルダで構成されており、環境汚染問題を防止することができる。このうちＩｎが約１５６℃の比較的に低い溶融点を有し、またこれにＳｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｚｎなどを添加した合金も約１１８〜１７０℃の比較的低い溶融点を有し、かつ延性に優れて、ＭＥＭＳなどのように熱に弱い素子のハーメチックシーリングの材料として適している。
【００１９】
前記層５、６、７の積層方法には、熱またはｅビーム蒸発法、スパッタリング、電気メッキ、無電解蒸着、スクリーンプリンティングなどを利用でき、各層の酸化を防止するために高真空装備で製作される。
一方、前記パッケージベース１には素子４が形成されたチップダイ３が配置され、前記チップダイ３の周辺の前記パッケージベース１にメタル層９及び酸化防止のための第２保護層１０が順に積層される。前記メタル層９はＣｒ、Ｎｉよりなり、前記第２保護層１０はＡｕよりなることが望ましい。
【００２０】
前記パッケージベースはＡｌ、ＡｌＮ及びＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ）などの材質またはコバール、Ａｌｌｏｙ４２などの金属、珪素、ガラスで製造可能である。
前記のようにパッケージベース１及び蓋体１５が準備された後、密閉された雰囲気のオーブン、チャンバ、高温プレート、炉で水素または窒素などの注入ガスで互いに組立てられる。
その後、共融点以上の温度に加熱して適切な圧力Ｆで圧着すれば前記ソルダ層７とその両面に隣接した層との熱的化合物を通じて接着され、適正時間加熱した後、冷却する。
すると、前記蓋体１５とパッケージベース１との間にキャビティ１１が形成され、シーリングが終わる。
【００２１】
前記実施例で、前記第１保護層８による酸化防止機能は次のようなメカニズムにより実現される。図５Ａを参照すれば、前記蓋２の上面に、例えば、適切な厚さのＣｒ接合層５及びＮｉウェッティング層６を蒸着する。そして、Ｉｎを含む合金よりなるソルダ層７上に蒸着装備の真空状態を壊さずにＡｕよりなる前記第１保護層８を蒸着すれば、ＡｕがＩｎと反応してＡｕＩｎ2化合物よりなる薄層８’が形成される。前記薄層８’は、前記ソルダ層７の酸化を防止する保護層の機能をして熱的に安定した化合物である。
【００２２】
前記薄層８'が形成された蓋体１５を、図５Ｂに示されたように前記パッケージベース１に組立てた後、前記ソルダ層７の溶融点以上の温度に加熱すれば、前記ソルダ層７が溶ける。
この時、前記ソルダ層７上に形成されたＡｕＩｎ2よりなる薄層８'が溶けたソルダ層７'により細かく割られて分離されながらグレーン１２'が生成される。このグレーン１２'は前記溶けたソルダ層７'内に吸収されて含まれる。
一般的に、ＡｕＩｎ2の溶融点は約５４０℃であるため低融点ソルダの溶融温度では溶けず、前記ソルダ層７'に含まれた状態で冷却され、前記ソルダ層７'はその両側面の層、すなわち、ウェッティング層６及び第２保護層１０と化合物を作って結合されてハーメチックシーリングされる。シーリングが終わったウェーハを素子単位でダイシングする。
【００２３】
本発明では、前記第１保護層８でＡｕ−ＩｎまたはＡｕ−Ｓｎ系の化合物が形成されることによって酸化防止されるので、別のフラックスを使用せずに酸化防止ができる。
さらに、本発明によるハーメチックシーリング方法はウェーハレベルでシーリングできる。
図６を参照すれば、蓋体用のウェーハ１７に接合層５、ウェッティング層６、ソルダ層７及び第１保護層８を順に蒸着し、適切なエッチング工程またはマスキング工程などを通じてパターニングする。
また、パッケージベースウェーハ２０上に可動の超小型構造物素子４を製作し、前記素子４の周辺のベースウェーハ２０にメタル層９及び第２保護層１０を蒸着する。
【００２４】
前記のように形成された蓋体用のウェーハ１７とパッケージベースウェーハ２０とを向い合うように組立てて加熱してシーリングする。
ここで、前記第１保護層８による酸化防止機能は前述した通りである。
本発明で使われる蒸着方法には、熱またはｅビーム蒸発法、スパッタリング、電気メッキ、無電解蒸着法、スクリーンプリンティング方法などが使われる。
このうちｅビーム蒸発法、スパッタリングなどの積層工程は比較的厚さ調節が容易であり、真空装備内で積層されて各層間の結合状態が良好で、かつ汚染を減らしうる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明による低温の酸化防止ハーメチックシーリング方法は、蓋体に形成されたソルダ層に保護層を積層してフラックスなしに酸化防止でき、低温でシーリングできるので、特にＭＥＭＳ素子のように熱や水分、その他の副産物に弱い素子に適している。
また、このように接合すれば、各層間の結合状態が良好で、かつ汚染を減らしうるため、シーリング後に数(ｍの均一で精密な厚さを有するソルダ接合部を得られ、酸化膜の形成を防止して溶融点の上昇を防止できるので一定の温度で品質に優れたシーリング工程を行える。
【００２６】
さらに、本発明によるシーリング方法は、ウェーハレベルのバッチ工程が可能なので低コストで均一な品質を得られ、かつ大量のハーメチックシーリングが可能な利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術によるハーメチックシーリング方法を示す図面（１）。
【図２】従来の技術によるハーメチックシーリング方法を示す図面（２）。
【図３】従来の技術によるハーメチックシーリング方法を示す図面（３）。
【図４】本発明による低温の酸化防止ハーメチックシーリング方法を説明するための図面。
【図５Ａ】本発明による低温の酸化防止ハーメチックシーリング方法によるシーリング過程を説明するための図面（１）。
【図５Ｂ】本発明による低温の酸化防止ハーメチックシーリング方法によるシーリング過程を説明するための図面（２）。
【図６】本発明による低温の酸化防止ハーメチックシーリング方法をウェーハレベルで具現した図面。
方法をウェーハレベルで具現した図面である。
【符号の説明】
１      パッケージベース
２      蓋
３      ダイ
４      素子
５      接合層
６      ウェッティング層
７      ソルダ層
８      第１保護層
９      メタル層
１０    第２保護層
１１    キャビティ
１５    蓋体
Ｆ      圧力
【図１】
0003864134.tif 000002
【図２】
0003864134.tif 000003
【図３】
0003864134.tif 000004
【図４】
0003864134.tif 000005
【図５Ａ】
0003864134.tif 000006
【図５Ｂ】
0003864134.tif 000007
【図６】
0003864134.tif 000008