基板の接合方法および半導体装置
【課題】 キャビティ内の結露の発生やリフロー等での実装時におけるパッケージクラックの発生をなくし、かつ圧着をなくしてガラス基板や半導体基板でのクラックの発生をなくすと共に、接合部の信頼性の高い基板の接合方法および半導体装置を提供する。
【解決手段】 この基板の接合方法は、２枚の基板の間においてこれらの基板を接合する予定部位の箇所に接合部材層を設ける設置ステップと、２枚の基板の少なくとも一方の外側から基板を透過する光線を照射し、光線で接合部材層を加熱する加熱ステップと、加熱した接合部材層で２枚の基板を接合する接合ステップとを有する。
【解決手段】 この基板の接合方法は、２枚の基板の間においてこれらの基板を接合する予定部位の箇所に接合部材層を設ける設置ステップと、２枚の基板の少なくとも一方の外側から基板を透過する光線を照射し、光線で接合部材層を加熱する加熱ステップと、加熱した接合部材層で２枚の基板を接合する接合ステップとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板の接合方法および半導体装置に関し、特に、２つの基板を高い気密性を保持して貼り合わせる基板の接合方法、およびこの基板の接合方法に基づいて作られる接合部を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置の接合構造は例えば特許文献１に開示されている。特許文献１による受光センサの実装構造体は、当該特許公報の図１に示されるごとく、下側の基板である半導体ウェハ上に受光センサとマイクロレンズを作り、当該半導体ウェハには光透過性保護部材が接合されている。半導体ウェハと光透過性保護部材は、受光センサとマイクロレンズを囲むように設けられた封止部材で接合される。
【０００３】
従来の半導体装置の代表的な基板の接合方法を図１２を参照して詳しく説明する。図１２は、半導体ウェハと光透過性保護部材を接合する構造を作るための状態を示す部分縦断面図である。図１２において、下側に位置する部材１０１は半導体基板であり、上側に位置する部材１０２はガラス基板である。半導体基板１０１は上記半導体ウェハに相当し、ガラス基板１０２は上記光透過性保護部材に相当する。半導体基板１０１の表面には受光素子領域１０３が形成されている。この受光素子領域１０３は、固体撮像装置を形成し、受光センサとマイクロレンズを含む。半導体基板１０１とガラス基板１０２は、水平であって、かつ隙間をあけて平行に配置されている。半導体基板１０１とガラス基板１０２との間には所定の箇所に接着樹脂１０４が配置されている。接着樹脂１０４は、上記封止部材になる部材である。接着樹脂１０４は、受光素子領域１０３の全周囲を囲むように所定パターンで配置される。接着樹脂１０４が最終的に封止部材になると、受光素子領域１０３の周囲の空間には、半導体基板１０１とガラス基板１０２によって挟まれた密閉状態のキャビティ（空洞）が形成される。
【０００４】
上記において、半導体基板１０１は加熱ステージ１０５の上に搭載されている。この状態の半導体基板１０１の上に接着樹脂１０４を介してガラス基板１０２が置かれる。半導体基板１０１とガラス基板１０２は接着樹脂１０４によって貼り合わされた関係にある。ガラス基板１０２の上にはさらに押え加熱部材１０６が配置される。
【０００５】
上記の構造において、半導体基板１０１とガラス基板１０２を接合する際、押え加熱部材１０６によって半導体基板１０１とガラス基板１０２を圧着させ、かつ加熱ステージ１０５と押さえ加熱部材１０６に熱を発生させる。加熱ステージ１０５で発生した熱は半導体基板１０１を伝導し、接着樹脂１０４に与えられる。押え加熱部材１０６で発生した熱はガラス基板１０２を伝導し、接着樹脂１０４に与えられる。接着樹脂１０４は、圧着状態で、半導体基板１０１からの熱とガラス基板１０２からの熱によって加熱され、半導体基板１０１とガラス基板１０２を接合する。
【０００６】
従来の半導体装置の基板の接合方法によれば、半導体基板１０１に形成された受光素子領域１０３に含まれる回路素子等の耐熱性が低い場合には金属接合等の高温接合を行うことができないため、前述のごとく接着樹脂１０４を利用した低温圧着を用いている。
【特許文献１】特開２００１−３５１９９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
低温圧着を利用した従来の半導体装置の基板の接合方法によれば、接着樹脂１０４の接合強度は金属接合等に比較すると低く、さらに水分等を吸収しやすいため、キャビティ内で結露を生じたり、リフロー等での実装時にパッケージクラックを起こすという問題があった。また、接合に使用される接着樹脂１０４そのものの劣化も早く、信頼性に問題があった。さらに、圧着時に高荷重の負荷を与えるために、ガラス基板１０２や半導体基板１０１にクラックが発生するという問題もあった。
【０００８】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、接着樹脂を利用した低温圧着等で発生したキャビティ内の結露の発生や、リフロー等での実装時におけるパッケージクラックの発生をなくし、かつ圧着をなくしてガラス基板や半導体基板でのクラックの発生をなくすと共に、接合部の信頼性の高い基板の接合方法および半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る基板の接合方法および半導体装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００１０】
第１の基板の接合方法（請求項１に対応）は、２枚の基板の間においてこれらの基板を接合する予定部位の箇所に接合部材層を設ける設置ステップと、２枚の基板の少なくとも一方の外側から基板を透過する光線を照射し、光線で接合部材層を加熱する加熱ステップと、加熱した接合部材層で２枚の基板を接合する接合ステップとを有する方法である。
【００１１】
第２の基板の接合方法（請求項２に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、接合部材層と一方の基板との間には第１の膜を有し、接合部材層と他方の基板との間には第２の膜を有することを特徴とする。
【００１２】
第３の基板の接合方法（請求項３に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、一方の基板に設けられた第１の膜と他方の基板に設けられた第２の膜とを接触させて接合部材層が形成されることを特徴とする。
【００１３】
第４の基板の接合方法（請求項４に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、接合部材層は、第１の膜または第２の膜のいずれか一方に取り付けられることを特徴とする。
【００１４】
第５の基板の接合方法（請求項５に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、接合部材層は金属層であることを特徴とする。
【００１５】
第６の基板の接合方法（請求項６に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、２枚の基板の間に接合部材層を設ける設置ステップは、仮固定要素を用いて仮付けを行うステップであることを特徴とする。
【００１６】
第７の基板の接合方法（請求項７に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、仮固定要素は樹脂材であること特徴とする。
【００１７】
第８の基板の接合方法（請求項８に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、接合部材層の周囲に熱分散部材を備えたことを特徴とする。
【００１８】
第９の基板の接合方法（請求項９に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、光線はレーザ光であり、スポット照射によって局所的に加熱することを特徴とする。
【００１９】
第１０の基板の接合方法（請求項１０に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、接合部材層は、２つの基板の間に閉じた空間を形成する連続的なリング形状を有するように形成されることを特徴とする。
【００２０】
第１１の基板の接合方法（請求項１１に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、加熱ステップの前に、光線を出射する光源が配置される側に位置する前記基板の表面にマスク部材を設けるステップを有し、加熱ステップでは、照射面積の広い光線を照射して選択した部位を加熱することを特徴とする。
【００２１】
第１２の基板の接合方法（請求項１２に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、２つの基板のうちの一方の基板はガラス基板であり、他方の基板は半導体基板であることを特徴とする。
【００２２】
第１の半導体装置（請求項１３に対応）は、２枚の基板を所定箇所で接合した構造を有する半導体装置であって、２枚の基板は、２枚の基板のうちの少なくともいずれか一方を透過する光線の照射で加熱された金属層によって接合されることを特徴とする。
【００２３】
第２の半導体装置（請求項１４に対応）は、上記の半導体装置において、好ましくは、２枚の基板のうち一方はガラス基板であり、他方は半導体基板であることを特徴とする。
【００２４】
第３の半導体装置（請求項１５に対応）は、上記の半導体装置において、好ましくは、ガラス基板と金属層との間には第１の膜を有し、半導体基板と金属層との間には第２の膜を有することを特徴とする。
【００２５】
第４の半導体装置（請求項１６に対応）は、上記の半導体装置において、好ましくは、半導体基板の表面には固体撮像素子が形成され、ガラス基板と半導体基板との間における固体撮像素子の前面空間は金属層で封止されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、次の効果を奏する。
特に金属を接合部材として利用し、２枚の基板のうちの少なくとも一方の光透過性を有する基板を通してレーザ光等を金属に照射し、金属を利用した局所的な集中的加熱によって金属を加熱して接合部を作るようにしたため、キャビティ内の結露発生や、リフロー等での実装時におけるパッケージクラック発生の問題が解消され、圧着をなくしてガラス基板や半導体基板等でのクラックの発生をなくすと共に、接合部の強度を高め、接合部の信頼性の高くすることができる。接合部の強度が高くなり、結露発生等の問題が解消したため、半導体回路の周囲環境の気密性を高くすることができる。
【００２７】
さらに、第１の基板の接合方法に係る本発明によれば、例えば半導体基板とガラス基板等の２枚の基板を接合するにあたり、両基板を仮固定し、接合部材層にのみレーザ光等を照射して局部的に加熱して２つの基板を接合する。仮固定の状態で接合部材層に局部的に集中して加熱して接合部を作るため、接合部材層以外の部分は不必要な熱の影響を受けず、また接合時に圧力を加えないので基板にクラック等も生じない。
第２の基板の接合方法に係る本発明によれば、第１および第２の膜は、各基板と接触する部分を保護する。
第３の基板の接合方法に係る本発明によれば、第１および第２の膜を利用して直接に接合部材として利用することが可能となり、接合のための構成が簡素となる。
第４の基板の接合方法に係る本発明によれば、接合部材としての層を、第１および第２の膜とは別に用意することができる。
第５の基板の接合方法に係る本発明によれば、接合部材を所望の金属とすることにより、金属接合部を形成し、これにより結露の問題を解消し、接合強度を高め、かつ接合部の信頼性を高めることができる。
第６の基板の接合方法に係る本発明によれば、仮付けでは、必要以上の荷重を２枚の基板に加えないので、基板でのクラック発生を防止することができる。
上記第８の基板の接合方法に係る本発明によれば、熱分散部材を付設することにより、接合部材層に集中的に与えられる熱を逃がし、熱に起因する基板のひび割れ等の発生を防止することができる。
上記第１０の基板の接合方法に係る本発明によれば、接合部材層をリング形状に形成することで、内部に形成される空間の高い気密性を実現することができる。
第１の半導体装置に係る本発明によれば、金属層で接合部を形成するようにしたため、接合強度が高く、接合の信頼性が高いものとなる。また金属層をスポット照射で加熱して接合部を作るので、熱を発生させる箇所が局所的であり、半導体回路等の他の部位への熱の影響を少なくすることができ、これにより金属接合が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００２９】
最初に、図１と図２を参照して本発明に係る基板の接合方法の特徴的な工程を説明する。図１は、本発明に係る基板の接合方法が実施される２枚の基板の設置状態を示す外観図である。
【００３０】
図１で、下側部材１１は円板形状の半導体基板（または半導体ウェハ）であり、上側部材１２は円板形状の透明なガラス基板である。半導体基板１１はシリコン基板等である。半導体基板１１とガラス基板１２は、好ましくは水平であってかつ平行な位置関係で対向させた関係に保持される。通常、半導体基板１１は基板ステージ等の上に搭載されている。図１中、半導体基板１１とガラス基板１２は、図示しない仮固定材またはジグ等により仮固定または仮付けされている。仮固定材としては例えば樹脂や金属等である。なお、上側部材はガラス基板１２に限定されず、必要な周波数の光線を透過させる光透過基板であればよい。
【００３１】
上記のごとく仮固定材で仮固定された半導体基板１１とガラス基板１２に対して、ガラス基板１２の側から、レーザ光源１３によってレーザ光１４が所定のパターンにて照射される。レーザ光源１３は、図示しない移動支持装置によって支持されている。図１に示された１つの矩形の形状１５は、一例として示されたレーザ光１４の照射後の１つの閉じたスキャン軌跡、または照射を行う予定のスキャン軌跡を示している。このスキャン軌跡１５が、照射に係る所定のパターンの一例である。レーザ光１４の照射による当該パターンは、例えば、線描画または一筆書きのスキャン動作で描かれる。
【００３２】
レーザ光１４によるスキャン軌跡１５は、レーザ光源１３を、図示しない移動支持装置で移動させることにより描かれる。なお、移動装置を備えた基板ステージによって、半導体基板１１等の側を移動させることも可能である。またレーザ光源１３と半導体基板１１等を静止した状態に保持して、レーザ光１４のみをスキャン動作させることも可能である。
【００３３】
レーザ光源１３としては、例えばＹＡＧレーザ、キセノンレーザ、または半導体レーザが使用される。ＹＡＧレーザの周対数は１．６μｍ、キセノンレーザの周波数帯域は７９０〜８３０ｎｍ、半導体レーザの周波数は例えば８１０ｎｍである。通常の使用では、ＹＡＧレーザがレーザ光源１３として好ましい。
【００３４】
実際上、円板形状の半導体基板１１の表面には、既に半導体デバイスを作る成膜技術等に基づいて極めて多数の半導体回路が形成されている。図１において、上記の矩形のスキャン軌跡１５で囲まれる矩形領域に対応する半導体基板１１の表面領域上には、多数の半導体回路のうちの１つの半導体回路が存在している。スキャン軌跡１５は１つの半導体回路の周囲をほぼ同形の形状で囲むように決められる。当該半導体回路は矩形のスキャン軌跡１５内の領域に存在する。
【００３５】
上記半導体回路は実際には寸法的に極めて小さいものであるが、図１で示された矩形のスキャン軌跡１５は拡大し誇張して図示している。多数の半導体回路は、所定のレイアウトパターンによって、上側に位置するガラス基板１２を通して見える状態にある。
【００３６】
上記の半導体回路は、例えば固体撮像素子またはその他の電子回路である。また図１では一例として２つのスキャン軌跡１５が示されている。この実施形態では、２つのスキャン軌跡１５は、１つのレーザ光源１３によって予め決められた順序で個別に光線照射されて描かれる。なお、図１では１つのレーザ光源１３が示されているが、例えば複数のレーザ光源を設けて同時にスキャンすることもできる。
【００３７】
仮固定された半導体基板１１とガラス基板１２に対して、多数の半導体回路のすべてに関してレーザ光源１３による接合のための処理が完了した後には、各半導体回路は切断・分離される。従って、スキャン軌跡１５の間には切断を行うための所要の幅が確保されている。
【００３８】
図２は、図１で示したレーザ光線１３によるレーザ光１４の照射位置に対応する半導体基板１１とガラス基板１２の要部の部分縦断面図を示す。半導体基板１１の表面には１つの半導体回路２１の一部が形成されている。半導体基板１１に対して微小な幅の隙間をあけてガラス基板１２が平行な位置関係にて対向して仮固定されている。半導体基板１１とガラス基板１２の間に設けられた仮固定材の図示は省略されている。
【００３９】
半導体基板１１とガラス基板１２との間には、半導体回路２１の縁に沿って、薄い厚みでかつ狭い幅を有する金属層２２が設けられている。金属層２２は、平面図的な形状で見ると、矩形リングを形成するライン状になっている。金属層２２と半導体基板１１との間には第１の膜２３が介設され、金属層２２とガラス基板１２との間には第２の膜２４が介設されている。 金属層２２は、半導体基板１１とガラス基板１２を接合するための接合材となる。当該金属層２２に対しては、レーザ光源１３から、ガラス基板１２等を透過してレーザ光１４が照射される。金属層２２におけるレーザ光１４が照射された部分は、レーザ光１４の照射による加熱作用で厚み方向の全体に渡って溶融し、その後固化して半導体基板１１とガラス基板１２を接合する。図２では、例えば、レーザ光１４によって第２の膜２４のガラス基板１２側の表面にスポット照射領域２５が形成されている。スポット照射領域２５は、第２の膜２４の幅方向（図２中横方向）のほぼ中央点に設定されている。レーザ光１４のスポット照射領域２５の照射位置の位置合せは、半導体基板１１に係るウェハのアライメントマークを基準にして設定される。このレーザ光１４のスポット照射によって金属層２２は加熱され、溶融する。図２における金属層２２は溶融状態にある金属層断面を示している。溶融した金属層２２が固化すると、金属層２２の当該箇所に関して半導体基板１１とガラス基板１２は接合される。
【００４０】
図２に示したレーザ光１４によるスポット照射は、前述のごとくスキャン軌跡１５に沿って移動しながら行われ、スキャン軌跡１５に対応して矩形のリング形状に形成された金属層２２のすべてが加熱・溶融される。その結果、スキャン軌跡１５の矩形リング形状に対応する形状を有した金属層２２のすべての箇所で加熱・溶融が行われ、金属層２２によって半導体基板１１とガラス基板１２が接合される。
【００４１】
レーザ光源１３から出射されるレーザ光１４によりスキャン軌跡１５に関して加熱が完了すると、半導体回路２１の周囲には、半導体基板１１とガラス基板１２と金属層２２によって囲まれ封止されたキャビティ２６が形成される。
【００４２】
次に、図３〜図６を参照して本発明の基板の接合方法の全体的なプロセスを説明する。図３〜図６のそれぞれは、半導体基板１１とガラス基板１２の間で金属接合が行われる箇所の部分縦断面図を示す。
【００４３】
図３は第１のステップを示す。図３は、図示しない基板ステージ等に、前の工程で作られた半導体基板１１が水平状態にて置かれる。半導体基板１１の表面には、多数の半導体回路２１と第１の膜２３とが所定のパターンで形成されている。この半導体基板１１に対して平行に、所要の間隔をあけて、対向した状態でガラス基板１２が配置される。ガラス基板１２は、既に前の工程により作られ、準備されている。ガラス基板１２の下面（対向面）には、第２の膜２４を介して設けられた金属層２２が所定のパターンで形成されている。半導体基板１１とガラス基板１２とが対向する配置関係において、第１の膜２３と金属層２２は対向した位置にある。
【００４４】
上記金属層２２は、第１のステップの段階では、加熱・溶融前の状態にある。従って金属層２２の断面はほぼ半円形の形状を有している。金属層２２は低融点金属であり、その材質・種類は後で説明される。
【００４５】
図４は第２のステップを示す。図４では、半導体基板１１に対してガラス基板１２を接近させ、金属層２２を第１の膜２３に接触させる。このとき、金属層２２の先端接触部は若干つぶれた状態になる。
【００４６】
図５は第３のステップを示す。図５では、ガラス基板１２の上側にレーザ光源１３を配置し、金属層２２を加熱するためにレーザ光１４を出力させる。レーザ光１４は、ガラス基板１２をほぼ透過し、第２の膜２４の上にスポット照射領域２５を形成する。第２の膜２４にレーザ光１４がスポット照射されることで金属層２２は加熱され、その被加熱部分は溶融する。金属層２２が溶融すると、金属層２２の断面形状は破線２２ａに示すように変化する。破線２２ａで示した状態が、前述の図２で説明した状態に相当する。
【００４７】
図６は第４のステップを示す。図６では、金属層２２がレーザ光１４によって加熱・溶融され、その後固化した状態を示している。固化時の金属層２２の断面形状は、図５で示した破線２２ａに基づく断面形状とほぼ同一である。この状態において、金属層２２によって半導体基板１１とガラス基板１２は接合される。金属層２２は、半導体基板１１の第１の膜に接合している。
【００４８】
その後の工程では、半導体基板１１とガラス基板１２の接合物は、各半導体回路２１ごとに取り出されるように切断される。こうして、金属層２２で接合されかつ封止されると共に、１つの半導体回路２１を含む半導体基板１１と、ガラス基板１２とから成る半導体装置３０が形成される。
【００４９】
上記のごとく、多数の半導体回路２１の各々に対応して局所的な箇所に設けられた低融点の金属層２２を集中的に加熱・溶融して、仮固定された半導体基板１１とガラス基板１２を金属接合するようにしたため、高い接合強度、および信頼性の高い接合部を実現できると共に、半導体回路２１そのものには不必要な熱を加えず、半導体回路２１にダメージを与えることがない。また基本的に樹脂を利用して圧着接合しないので、水分等は発生せず、キャビティ２６内の結露の問題も解消される。レーザ光１４の加熱作用を利用して半導体基板１１とガラス基板１２を接合するとき、両基板を圧着させる必要がないので、半導体基板１１またはガラス基板１２にクラック等が発生するのをなくすことができる。キャビティ２６は金属層２２で封止（シール）されることになるので、高い気密性が実現される。
【００５０】
またレーザ光１４による加熱で接合する前の仮固定段階で、半導体基板１１とガラス基板１２を仮固定するとき、通常の大気圧環境で仮固定してもよいし、所要真空度の真空環境で仮固定を行ってもよい。真空環境で仮固定を行って、かつレーザ光１４で金属接合を行うと、キャビティ２６内の空間を真空封止または真空密閉することができる。なおキャビティ２６内に不活性ガスを導入することもできる。
【００５１】
レーザ光源１３から出射されたレーザ光１４で金属層２２を加熱するとき、図７に示すごとく、上記のスポット照射領域２５を変更することができる。図７の（Ａ）では、レーザ光１４が第２の膜２４を透過し、そのスポット照射領域２５が金属層２２の内部に入り込んでいる。図７の（Ｂ）では、スポット照射領域２５がさらに下降し、第１の膜２３の箇所に設定される。図７の（Ａ）と（Ｂ）に示したスポット照射領域２５の位置は、レーザ光源１３に付設された焦点調整装置（図示せず）によって調整され、設定される。このようなレーザ光１４のスポット照射領域２５を調整は、金属層２２を加熱・溶融するときの条件に応じて行われる。供給する熱量が高い場合には、スポット照射領域２５は金属層２２の内部に深く入り込む。
【００５２】
またレーザ光１４のスポット照射領域２５の面積を、供給したい熱量または発生したい温度に応じて、レーザ光源１３の出力等と併せて調整することもできる。
【００５３】
さらに上側基板がガラス基板１２でなく、シリコン基板であってもよい。レーザ光線１４の波長を適宜に調整すれば、当該レーザ光線はシリコン基板を透過し、第２の膜２４、金属層２２の内部、第１の膜２３のいずれかに焦点を合せることができる。
【００５４】
次に、金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４の各々の材質について説明する。材質を説明する前に、まず、金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４の組合せを説明する。金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４の組合せの一例は図８の（Ａ）〜（Ｃ）に示される。
【００５５】
図８の（Ａ）に示した組合せ（組合せ（Ａ））は、半導体基板１１側に第１の膜２３を設け、ガラス基板１２側に金属層２２と第２の膜２４を設けた構成である。この構成は、上記実施形態で説明した基板の接合方法の構成である。
【００５６】
図８の（Ｂ）に示した組合せ（組合せ（Ｂ））は、半導体基板１１側に金属層２２と第１の膜２３を設け、ガラス基板１２側に第２の膜２４を設けた構成である。この構成は、金属層２２が予め半導体基板１１側に設けられている点に特徴がある。
【００５７】
図８の（Ｃ）に示した組合せ（組合せ（Ｃ））は、半導体基板１１側に第１の膜２３を設け、ガラス基板１２側に第２の膜２４のみを設けた構成である。この構成では、金属層２２が省略されている。その代わりに、第１の膜２３と第２の膜２４の少なくとも一方ははその厚みを大きくして形成され、金属層２２の代用物として使用される。
【００５８】
金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４の組合せの例は上記の例に限定されず、例えば３層以上の多層の組合せにすることも可能である。
【００５９】
金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４についての上記の３つの組合せ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の下で、それぞれの好ましい材質を示すと、次の通りである。
【００６０】
上記の組合せ（Ａ），（Ｂ）の場合：
金属層２２； 半田。
第１の膜２３； Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＷ（チタン・タングステン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）のうちのいずれか。
第２の膜２４； Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＷ（チタン・タングステン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）のうちのいずれか。
【００６１】
上記の組合せ（Ｃ）の場合：
第１の膜２３； Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金）のうちのいずれか。
第２の膜２４； Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金）のうちのいずれか。
【００６２】
上記の組合せ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）で共通して可能な場合：
金属層２２； 必要な場合にはＡｕ（金）。
第１の膜２３； Ｐｏｌｙ Ｓｉ（ポリシリコン）。
第２の膜２４； Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金）、Ｐｏｌｙ Ｓｉ（ポリシリコン）のうちのいずれか。
【００６３】
上記の金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４の各材質の選択は、加熱の温度領域や、使用するレーザ光１４の周波数を考慮して適宜に行われる。
【００６４】
次に図９を参照して熱緩衝層について説明する。「熱緩衝層」とは、レーザ光１４で金属層２２を局所的に加熱するときに、熱が集中しすぎてガラス基板１２等に割れが発生するのを防止するための熱分散部材である。熱緩衝層を作るためには２つの構成が考えられる。第１の構成は、図９の（Ａ）に示されるごとく第２の膜２４をその幅方向に広げることである。なお第２の膜２４の厚みを増してもよい。また第２の構成は、図９の（Ｂ）に示されるごとく、熱容量を大きくする部材４１を第２の膜２４と金属層２２の両側の側面等に沿って付加することである。このような熱緩衝層を設けることにより、ガラス基板１２の割れを防止することができる。
【００６５】
図１０を参照して、接合前の金属層２２の周囲構造の例を説明する。前述した実施形態では、説明の便宜上、金属層２２の周囲は、実際には例えば仮固定材が存在するにも拘らず、何もない空間の状態で示した。
【００６６】
これに対して、図１０の（Ａ）によれば、仮固定された状態の半導体基板１１とガラス基板１２の間において、金属支柱５１と、その間の空間に充填された樹脂５２とが示されている。金属支柱５１は、半導体基板１１とガラス基板１２の間隔を保持するスペーサとして機能する。また金属支柱５１によって半導体基板１１とガラス基板１２との間隔を制御することができる。また樹脂５２は接着剤としての作用を発揮する。金属支柱５１と樹脂５２を設けることで、レーザ光１４による加熱の際に応力緩和の作用を生じさせることができる。また図１０の（Ｂ）に示すごとく、仮固定された半導体基板１１とガラス基板１２の間の空間に樹脂５３のみを埋め込むようにすることもできる。これによっても、レーザ光１４による加熱の際に応力緩和の作用を生じさせることができる。
【００６７】
また、仮固定された半導体基板１１とガラス基板１２の間の設けられた上記の金属支柱５１および樹脂５２、あるいは樹脂５３は仮固定材として機能する。
【００６８】
図１１は、前述した金属層２２の部分の全体を示す外観斜視図である。金属層２２は、実際には、半導体基板１１とガラス基板１２との間のスペースで層状に形成されるものであるが、図１１では金属層２２の高さを誇張して図示している。半導体基板１１とガラス基板１２が仮固定された状態で、金属層２２は、半導体基板１１の表面に形成された半導体回路２１に対してこれを包囲する外周壁のごとく形成されている。金属層２２の上側の縁がレーザ光１４を照射する部分となる。半導体基板１１とガラス基板１２との間で、このような形状を有する金属層２２によって金属接合部が形成されるので、気密性が高められる。
【００６９】
本発明の実施形態は、次のように変更することもできる。
【００７０】
図３で説明した前述の実施形態では、ガラス基板１２の側のみに金属層２２を設けるように下が、ガラス基板１２と半導体基板１１の両方に同様な条件で金属層２２を設けるようにしてもよい。
【００７１】
前述の実施形態では、金属層２２は固体の金属材を用いたが、その代わりに、接合前にはペースト状であって加熱・溶融後には金属接合部となる金属材を用いることもできる。
【００７２】
さらに金属層２２を加熱するレーザ光１４には、通常のビーム状光線であって比較的に絞られたビーム径を有する光線を使用するようにしたが、ビーム径を大きくしかつマスクを使用して１つの環状の金属層２２、または多数の金属層２２を一度の光線照射で加熱するように構成することもできる。
【００７３】
半導体基板１１はシリコン基板とし、上側基板はガラス基板１２として説明したが、接合される２つの基板はこれらに限定されない。ガリウム・ヒ素基板や化合物半導体基板であっても適用することができる。
【００７４】
また上記のレーザ光線１４は、ガラス基板１２の側のみから照射するように下が、２枚の基板が両方共に光透過性を有する場合には、２枚の基板の両側からレーザ光線を照射するように構成することもできる。
【００７５】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、２枚の基板を接合して成る半導体装置の製作に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る基板の接合方法が実施されている２枚の基板の設置状態を示す外観図である。
【図２】図１で示したレーザ光照射位置に対応する半導体基板とガラス基板の要部の部分縦断面図である。
【図３】本発明の基板の接合方法の全体的プロセスにおける第１のステップでの半導体基板とガラス基板の間で金属接合が行われる箇所の部分縦断面図である。
【図４】本発明の基板の接合方法の全体的プロセスにおける第２のステップでの半導体基板とガラス基板の間で金属接合が行われる箇所の部分縦断面図である。
【図５】本発明の基板の接合方法の全体的プロセスにおける第３のステップでの半導体基板とガラス基板の間で金属接合が行われる箇所の部分縦断面図である。
【図６】本発明の基板の接合方法の全体的プロセスにおける第４のステップでの半導体基板とガラス基板の間で金属接合が行われる箇所の部分縦断面図である。
【図７】レーザ光によるスポット照射領域の他の設定位置を示す要部縦断面図である。
【図８】「第１の膜／金属層／第２の膜」の組合せの例を説明するための部分縦断面図である。
【図９】熱緩衝層を説明するための要部縦断面図である。
【図１０】接合前の金属層の周囲構造の例を説明するための要部縦断面図である。
【図１１】金属部分の全体を示す外観斜視図である。
【図１２】従来の基板の接合方法を説明するための要部縦断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１１ 半導体基板
１２ ガラス基板
１３ レーザ光源
１４ レーザ光
１５ スキャン軌跡
２１ 半導体回路
２２ 金属層
２３ 第１の膜
２４ 第２の膜
２５ スポット照射領域
２６ キャビティ
３０ 半導体装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板の接合方法および半導体装置に関し、特に、２つの基板を高い気密性を保持して貼り合わせる基板の接合方法、およびこの基板の接合方法に基づいて作られる接合部を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置の接合構造は例えば特許文献１に開示されている。特許文献１による受光センサの実装構造体は、当該特許公報の図１に示されるごとく、下側の基板である半導体ウェハ上に受光センサとマイクロレンズを作り、当該半導体ウェハには光透過性保護部材が接合されている。半導体ウェハと光透過性保護部材は、受光センサとマイクロレンズを囲むように設けられた封止部材で接合される。
【０００３】
従来の半導体装置の代表的な基板の接合方法を図１２を参照して詳しく説明する。図１２は、半導体ウェハと光透過性保護部材を接合する構造を作るための状態を示す部分縦断面図である。図１２において、下側に位置する部材１０１は半導体基板であり、上側に位置する部材１０２はガラス基板である。半導体基板１０１は上記半導体ウェハに相当し、ガラス基板１０２は上記光透過性保護部材に相当する。半導体基板１０１の表面には受光素子領域１０３が形成されている。この受光素子領域１０３は、固体撮像装置を形成し、受光センサとマイクロレンズを含む。半導体基板１０１とガラス基板１０２は、水平であって、かつ隙間をあけて平行に配置されている。半導体基板１０１とガラス基板１０２との間には所定の箇所に接着樹脂１０４が配置されている。接着樹脂１０４は、上記封止部材になる部材である。接着樹脂１０４は、受光素子領域１０３の全周囲を囲むように所定パターンで配置される。接着樹脂１０４が最終的に封止部材になると、受光素子領域１０３の周囲の空間には、半導体基板１０１とガラス基板１０２によって挟まれた密閉状態のキャビティ（空洞）が形成される。
【０００４】
上記において、半導体基板１０１は加熱ステージ１０５の上に搭載されている。この状態の半導体基板１０１の上に接着樹脂１０４を介してガラス基板１０２が置かれる。半導体基板１０１とガラス基板１０２は接着樹脂１０４によって貼り合わされた関係にある。ガラス基板１０２の上にはさらに押え加熱部材１０６が配置される。
【０００５】
上記の構造において、半導体基板１０１とガラス基板１０２を接合する際、押え加熱部材１０６によって半導体基板１０１とガラス基板１０２を圧着させ、かつ加熱ステージ１０５と押さえ加熱部材１０６に熱を発生させる。加熱ステージ１０５で発生した熱は半導体基板１０１を伝導し、接着樹脂１０４に与えられる。押え加熱部材１０６で発生した熱はガラス基板１０２を伝導し、接着樹脂１０４に与えられる。接着樹脂１０４は、圧着状態で、半導体基板１０１からの熱とガラス基板１０２からの熱によって加熱され、半導体基板１０１とガラス基板１０２を接合する。
【０００６】
従来の半導体装置の基板の接合方法によれば、半導体基板１０１に形成された受光素子領域１０３に含まれる回路素子等の耐熱性が低い場合には金属接合等の高温接合を行うことができないため、前述のごとく接着樹脂１０４を利用した低温圧着を用いている。
【特許文献１】特開２００１−３５１９９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
低温圧着を利用した従来の半導体装置の基板の接合方法によれば、接着樹脂１０４の接合強度は金属接合等に比較すると低く、さらに水分等を吸収しやすいため、キャビティ内で結露を生じたり、リフロー等での実装時にパッケージクラックを起こすという問題があった。また、接合に使用される接着樹脂１０４そのものの劣化も早く、信頼性に問題があった。さらに、圧着時に高荷重の負荷を与えるために、ガラス基板１０２や半導体基板１０１にクラックが発生するという問題もあった。
【０００８】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、接着樹脂を利用した低温圧着等で発生したキャビティ内の結露の発生や、リフロー等での実装時におけるパッケージクラックの発生をなくし、かつ圧着をなくしてガラス基板や半導体基板でのクラックの発生をなくすと共に、接合部の信頼性の高い基板の接合方法および半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る基板の接合方法および半導体装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００１０】
第１の基板の接合方法（請求項１に対応）は、２枚の基板の間においてこれらの基板を接合する予定部位の箇所に接合部材層を設ける設置ステップと、２枚の基板の少なくとも一方の外側から基板を透過する光線を照射し、光線で接合部材層を加熱する加熱ステップと、加熱した接合部材層で２枚の基板を接合する接合ステップとを有する方法である。
【００１１】
第２の基板の接合方法（請求項２に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、接合部材層と一方の基板との間には第１の膜を有し、接合部材層と他方の基板との間には第２の膜を有することを特徴とする。
【００１２】
第３の基板の接合方法（請求項３に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、一方の基板に設けられた第１の膜と他方の基板に設けられた第２の膜とを接触させて接合部材層が形成されることを特徴とする。
【００１３】
第４の基板の接合方法（請求項４に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、接合部材層は、第１の膜または第２の膜のいずれか一方に取り付けられることを特徴とする。
【００１４】
第５の基板の接合方法（請求項５に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、接合部材層は金属層であることを特徴とする。
【００１５】
第６の基板の接合方法（請求項６に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、２枚の基板の間に接合部材層を設ける設置ステップは、仮固定要素を用いて仮付けを行うステップであることを特徴とする。
【００１６】
第７の基板の接合方法（請求項７に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、仮固定要素は樹脂材であること特徴とする。
【００１７】
第８の基板の接合方法（請求項８に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、接合部材層の周囲に熱分散部材を備えたことを特徴とする。
【００１８】
第９の基板の接合方法（請求項９に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、光線はレーザ光であり、スポット照射によって局所的に加熱することを特徴とする。
【００１９】
第１０の基板の接合方法（請求項１０に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、接合部材層は、２つの基板の間に閉じた空間を形成する連続的なリング形状を有するように形成されることを特徴とする。
【００２０】
第１１の基板の接合方法（請求項１１に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、加熱ステップの前に、光線を出射する光源が配置される側に位置する前記基板の表面にマスク部材を設けるステップを有し、加熱ステップでは、照射面積の広い光線を照射して選択した部位を加熱することを特徴とする。
【００２１】
第１２の基板の接合方法（請求項１２に対応）は、上記基板の接合方法において、好ましくは、２つの基板のうちの一方の基板はガラス基板であり、他方の基板は半導体基板であることを特徴とする。
【００２２】
第１の半導体装置（請求項１３に対応）は、２枚の基板を所定箇所で接合した構造を有する半導体装置であって、２枚の基板は、２枚の基板のうちの少なくともいずれか一方を透過する光線の照射で加熱された金属層によって接合されることを特徴とする。
【００２３】
第２の半導体装置（請求項１４に対応）は、上記の半導体装置において、好ましくは、２枚の基板のうち一方はガラス基板であり、他方は半導体基板であることを特徴とする。
【００２４】
第３の半導体装置（請求項１５に対応）は、上記の半導体装置において、好ましくは、ガラス基板と金属層との間には第１の膜を有し、半導体基板と金属層との間には第２の膜を有することを特徴とする。
【００２５】
第４の半導体装置（請求項１６に対応）は、上記の半導体装置において、好ましくは、半導体基板の表面には固体撮像素子が形成され、ガラス基板と半導体基板との間における固体撮像素子の前面空間は金属層で封止されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、次の効果を奏する。
特に金属を接合部材として利用し、２枚の基板のうちの少なくとも一方の光透過性を有する基板を通してレーザ光等を金属に照射し、金属を利用した局所的な集中的加熱によって金属を加熱して接合部を作るようにしたため、キャビティ内の結露発生や、リフロー等での実装時におけるパッケージクラック発生の問題が解消され、圧着をなくしてガラス基板や半導体基板等でのクラックの発生をなくすと共に、接合部の強度を高め、接合部の信頼性の高くすることができる。接合部の強度が高くなり、結露発生等の問題が解消したため、半導体回路の周囲環境の気密性を高くすることができる。
【００２７】
さらに、第１の基板の接合方法に係る本発明によれば、例えば半導体基板とガラス基板等の２枚の基板を接合するにあたり、両基板を仮固定し、接合部材層にのみレーザ光等を照射して局部的に加熱して２つの基板を接合する。仮固定の状態で接合部材層に局部的に集中して加熱して接合部を作るため、接合部材層以外の部分は不必要な熱の影響を受けず、また接合時に圧力を加えないので基板にクラック等も生じない。
第２の基板の接合方法に係る本発明によれば、第１および第２の膜は、各基板と接触する部分を保護する。
第３の基板の接合方法に係る本発明によれば、第１および第２の膜を利用して直接に接合部材として利用することが可能となり、接合のための構成が簡素となる。
第４の基板の接合方法に係る本発明によれば、接合部材としての層を、第１および第２の膜とは別に用意することができる。
第５の基板の接合方法に係る本発明によれば、接合部材を所望の金属とすることにより、金属接合部を形成し、これにより結露の問題を解消し、接合強度を高め、かつ接合部の信頼性を高めることができる。
第６の基板の接合方法に係る本発明によれば、仮付けでは、必要以上の荷重を２枚の基板に加えないので、基板でのクラック発生を防止することができる。
上記第８の基板の接合方法に係る本発明によれば、熱分散部材を付設することにより、接合部材層に集中的に与えられる熱を逃がし、熱に起因する基板のひび割れ等の発生を防止することができる。
上記第１０の基板の接合方法に係る本発明によれば、接合部材層をリング形状に形成することで、内部に形成される空間の高い気密性を実現することができる。
第１の半導体装置に係る本発明によれば、金属層で接合部を形成するようにしたため、接合強度が高く、接合の信頼性が高いものとなる。また金属層をスポット照射で加熱して接合部を作るので、熱を発生させる箇所が局所的であり、半導体回路等の他の部位への熱の影響を少なくすることができ、これにより金属接合が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００２９】
最初に、図１と図２を参照して本発明に係る基板の接合方法の特徴的な工程を説明する。図１は、本発明に係る基板の接合方法が実施される２枚の基板の設置状態を示す外観図である。
【００３０】
図１で、下側部材１１は円板形状の半導体基板（または半導体ウェハ）であり、上側部材１２は円板形状の透明なガラス基板である。半導体基板１１はシリコン基板等である。半導体基板１１とガラス基板１２は、好ましくは水平であってかつ平行な位置関係で対向させた関係に保持される。通常、半導体基板１１は基板ステージ等の上に搭載されている。図１中、半導体基板１１とガラス基板１２は、図示しない仮固定材またはジグ等により仮固定または仮付けされている。仮固定材としては例えば樹脂や金属等である。なお、上側部材はガラス基板１２に限定されず、必要な周波数の光線を透過させる光透過基板であればよい。
【００３１】
上記のごとく仮固定材で仮固定された半導体基板１１とガラス基板１２に対して、ガラス基板１２の側から、レーザ光源１３によってレーザ光１４が所定のパターンにて照射される。レーザ光源１３は、図示しない移動支持装置によって支持されている。図１に示された１つの矩形の形状１５は、一例として示されたレーザ光１４の照射後の１つの閉じたスキャン軌跡、または照射を行う予定のスキャン軌跡を示している。このスキャン軌跡１５が、照射に係る所定のパターンの一例である。レーザ光１４の照射による当該パターンは、例えば、線描画または一筆書きのスキャン動作で描かれる。
【００３２】
レーザ光１４によるスキャン軌跡１５は、レーザ光源１３を、図示しない移動支持装置で移動させることにより描かれる。なお、移動装置を備えた基板ステージによって、半導体基板１１等の側を移動させることも可能である。またレーザ光源１３と半導体基板１１等を静止した状態に保持して、レーザ光１４のみをスキャン動作させることも可能である。
【００３３】
レーザ光源１３としては、例えばＹＡＧレーザ、キセノンレーザ、または半導体レーザが使用される。ＹＡＧレーザの周対数は１．６μｍ、キセノンレーザの周波数帯域は７９０〜８３０ｎｍ、半導体レーザの周波数は例えば８１０ｎｍである。通常の使用では、ＹＡＧレーザがレーザ光源１３として好ましい。
【００３４】
実際上、円板形状の半導体基板１１の表面には、既に半導体デバイスを作る成膜技術等に基づいて極めて多数の半導体回路が形成されている。図１において、上記の矩形のスキャン軌跡１５で囲まれる矩形領域に対応する半導体基板１１の表面領域上には、多数の半導体回路のうちの１つの半導体回路が存在している。スキャン軌跡１５は１つの半導体回路の周囲をほぼ同形の形状で囲むように決められる。当該半導体回路は矩形のスキャン軌跡１５内の領域に存在する。
【００３５】
上記半導体回路は実際には寸法的に極めて小さいものであるが、図１で示された矩形のスキャン軌跡１５は拡大し誇張して図示している。多数の半導体回路は、所定のレイアウトパターンによって、上側に位置するガラス基板１２を通して見える状態にある。
【００３６】
上記の半導体回路は、例えば固体撮像素子またはその他の電子回路である。また図１では一例として２つのスキャン軌跡１５が示されている。この実施形態では、２つのスキャン軌跡１５は、１つのレーザ光源１３によって予め決められた順序で個別に光線照射されて描かれる。なお、図１では１つのレーザ光源１３が示されているが、例えば複数のレーザ光源を設けて同時にスキャンすることもできる。
【００３７】
仮固定された半導体基板１１とガラス基板１２に対して、多数の半導体回路のすべてに関してレーザ光源１３による接合のための処理が完了した後には、各半導体回路は切断・分離される。従って、スキャン軌跡１５の間には切断を行うための所要の幅が確保されている。
【００３８】
図２は、図１で示したレーザ光線１３によるレーザ光１４の照射位置に対応する半導体基板１１とガラス基板１２の要部の部分縦断面図を示す。半導体基板１１の表面には１つの半導体回路２１の一部が形成されている。半導体基板１１に対して微小な幅の隙間をあけてガラス基板１２が平行な位置関係にて対向して仮固定されている。半導体基板１１とガラス基板１２の間に設けられた仮固定材の図示は省略されている。
【００３９】
半導体基板１１とガラス基板１２との間には、半導体回路２１の縁に沿って、薄い厚みでかつ狭い幅を有する金属層２２が設けられている。金属層２２は、平面図的な形状で見ると、矩形リングを形成するライン状になっている。金属層２２と半導体基板１１との間には第１の膜２３が介設され、金属層２２とガラス基板１２との間には第２の膜２４が介設されている。 金属層２２は、半導体基板１１とガラス基板１２を接合するための接合材となる。当該金属層２２に対しては、レーザ光源１３から、ガラス基板１２等を透過してレーザ光１４が照射される。金属層２２におけるレーザ光１４が照射された部分は、レーザ光１４の照射による加熱作用で厚み方向の全体に渡って溶融し、その後固化して半導体基板１１とガラス基板１２を接合する。図２では、例えば、レーザ光１４によって第２の膜２４のガラス基板１２側の表面にスポット照射領域２５が形成されている。スポット照射領域２５は、第２の膜２４の幅方向（図２中横方向）のほぼ中央点に設定されている。レーザ光１４のスポット照射領域２５の照射位置の位置合せは、半導体基板１１に係るウェハのアライメントマークを基準にして設定される。このレーザ光１４のスポット照射によって金属層２２は加熱され、溶融する。図２における金属層２２は溶融状態にある金属層断面を示している。溶融した金属層２２が固化すると、金属層２２の当該箇所に関して半導体基板１１とガラス基板１２は接合される。
【００４０】
図２に示したレーザ光１４によるスポット照射は、前述のごとくスキャン軌跡１５に沿って移動しながら行われ、スキャン軌跡１５に対応して矩形のリング形状に形成された金属層２２のすべてが加熱・溶融される。その結果、スキャン軌跡１５の矩形リング形状に対応する形状を有した金属層２２のすべての箇所で加熱・溶融が行われ、金属層２２によって半導体基板１１とガラス基板１２が接合される。
【００４１】
レーザ光源１３から出射されるレーザ光１４によりスキャン軌跡１５に関して加熱が完了すると、半導体回路２１の周囲には、半導体基板１１とガラス基板１２と金属層２２によって囲まれ封止されたキャビティ２６が形成される。
【００４２】
次に、図３〜図６を参照して本発明の基板の接合方法の全体的なプロセスを説明する。図３〜図６のそれぞれは、半導体基板１１とガラス基板１２の間で金属接合が行われる箇所の部分縦断面図を示す。
【００４３】
図３は第１のステップを示す。図３は、図示しない基板ステージ等に、前の工程で作られた半導体基板１１が水平状態にて置かれる。半導体基板１１の表面には、多数の半導体回路２１と第１の膜２３とが所定のパターンで形成されている。この半導体基板１１に対して平行に、所要の間隔をあけて、対向した状態でガラス基板１２が配置される。ガラス基板１２は、既に前の工程により作られ、準備されている。ガラス基板１２の下面（対向面）には、第２の膜２４を介して設けられた金属層２２が所定のパターンで形成されている。半導体基板１１とガラス基板１２とが対向する配置関係において、第１の膜２３と金属層２２は対向した位置にある。
【００４４】
上記金属層２２は、第１のステップの段階では、加熱・溶融前の状態にある。従って金属層２２の断面はほぼ半円形の形状を有している。金属層２２は低融点金属であり、その材質・種類は後で説明される。
【００４５】
図４は第２のステップを示す。図４では、半導体基板１１に対してガラス基板１２を接近させ、金属層２２を第１の膜２３に接触させる。このとき、金属層２２の先端接触部は若干つぶれた状態になる。
【００４６】
図５は第３のステップを示す。図５では、ガラス基板１２の上側にレーザ光源１３を配置し、金属層２２を加熱するためにレーザ光１４を出力させる。レーザ光１４は、ガラス基板１２をほぼ透過し、第２の膜２４の上にスポット照射領域２５を形成する。第２の膜２４にレーザ光１４がスポット照射されることで金属層２２は加熱され、その被加熱部分は溶融する。金属層２２が溶融すると、金属層２２の断面形状は破線２２ａに示すように変化する。破線２２ａで示した状態が、前述の図２で説明した状態に相当する。
【００４７】
図６は第４のステップを示す。図６では、金属層２２がレーザ光１４によって加熱・溶融され、その後固化した状態を示している。固化時の金属層２２の断面形状は、図５で示した破線２２ａに基づく断面形状とほぼ同一である。この状態において、金属層２２によって半導体基板１１とガラス基板１２は接合される。金属層２２は、半導体基板１１の第１の膜に接合している。
【００４８】
その後の工程では、半導体基板１１とガラス基板１２の接合物は、各半導体回路２１ごとに取り出されるように切断される。こうして、金属層２２で接合されかつ封止されると共に、１つの半導体回路２１を含む半導体基板１１と、ガラス基板１２とから成る半導体装置３０が形成される。
【００４９】
上記のごとく、多数の半導体回路２１の各々に対応して局所的な箇所に設けられた低融点の金属層２２を集中的に加熱・溶融して、仮固定された半導体基板１１とガラス基板１２を金属接合するようにしたため、高い接合強度、および信頼性の高い接合部を実現できると共に、半導体回路２１そのものには不必要な熱を加えず、半導体回路２１にダメージを与えることがない。また基本的に樹脂を利用して圧着接合しないので、水分等は発生せず、キャビティ２６内の結露の問題も解消される。レーザ光１４の加熱作用を利用して半導体基板１１とガラス基板１２を接合するとき、両基板を圧着させる必要がないので、半導体基板１１またはガラス基板１２にクラック等が発生するのをなくすことができる。キャビティ２６は金属層２２で封止（シール）されることになるので、高い気密性が実現される。
【００５０】
またレーザ光１４による加熱で接合する前の仮固定段階で、半導体基板１１とガラス基板１２を仮固定するとき、通常の大気圧環境で仮固定してもよいし、所要真空度の真空環境で仮固定を行ってもよい。真空環境で仮固定を行って、かつレーザ光１４で金属接合を行うと、キャビティ２６内の空間を真空封止または真空密閉することができる。なおキャビティ２６内に不活性ガスを導入することもできる。
【００５１】
レーザ光源１３から出射されたレーザ光１４で金属層２２を加熱するとき、図７に示すごとく、上記のスポット照射領域２５を変更することができる。図７の（Ａ）では、レーザ光１４が第２の膜２４を透過し、そのスポット照射領域２５が金属層２２の内部に入り込んでいる。図７の（Ｂ）では、スポット照射領域２５がさらに下降し、第１の膜２３の箇所に設定される。図７の（Ａ）と（Ｂ）に示したスポット照射領域２５の位置は、レーザ光源１３に付設された焦点調整装置（図示せず）によって調整され、設定される。このようなレーザ光１４のスポット照射領域２５を調整は、金属層２２を加熱・溶融するときの条件に応じて行われる。供給する熱量が高い場合には、スポット照射領域２５は金属層２２の内部に深く入り込む。
【００５２】
またレーザ光１４のスポット照射領域２５の面積を、供給したい熱量または発生したい温度に応じて、レーザ光源１３の出力等と併せて調整することもできる。
【００５３】
さらに上側基板がガラス基板１２でなく、シリコン基板であってもよい。レーザ光線１４の波長を適宜に調整すれば、当該レーザ光線はシリコン基板を透過し、第２の膜２４、金属層２２の内部、第１の膜２３のいずれかに焦点を合せることができる。
【００５４】
次に、金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４の各々の材質について説明する。材質を説明する前に、まず、金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４の組合せを説明する。金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４の組合せの一例は図８の（Ａ）〜（Ｃ）に示される。
【００５５】
図８の（Ａ）に示した組合せ（組合せ（Ａ））は、半導体基板１１側に第１の膜２３を設け、ガラス基板１２側に金属層２２と第２の膜２４を設けた構成である。この構成は、上記実施形態で説明した基板の接合方法の構成である。
【００５６】
図８の（Ｂ）に示した組合せ（組合せ（Ｂ））は、半導体基板１１側に金属層２２と第１の膜２３を設け、ガラス基板１２側に第２の膜２４を設けた構成である。この構成は、金属層２２が予め半導体基板１１側に設けられている点に特徴がある。
【００５７】
図８の（Ｃ）に示した組合せ（組合せ（Ｃ））は、半導体基板１１側に第１の膜２３を設け、ガラス基板１２側に第２の膜２４のみを設けた構成である。この構成では、金属層２２が省略されている。その代わりに、第１の膜２３と第２の膜２４の少なくとも一方ははその厚みを大きくして形成され、金属層２２の代用物として使用される。
【００５８】
金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４の組合せの例は上記の例に限定されず、例えば３層以上の多層の組合せにすることも可能である。
【００５９】
金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４についての上記の３つの組合せ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の下で、それぞれの好ましい材質を示すと、次の通りである。
【００６０】
上記の組合せ（Ａ），（Ｂ）の場合：
金属層２２； 半田。
第１の膜２３； Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＷ（チタン・タングステン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）のうちのいずれか。
第２の膜２４； Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＷ（チタン・タングステン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）のうちのいずれか。
【００６１】
上記の組合せ（Ｃ）の場合：
第１の膜２３； Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金）のうちのいずれか。
第２の膜２４； Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金）のうちのいずれか。
【００６２】
上記の組合せ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）で共通して可能な場合：
金属層２２； 必要な場合にはＡｕ（金）。
第１の膜２３； Ｐｏｌｙ Ｓｉ（ポリシリコン）。
第２の膜２４； Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金）、Ｐｏｌｙ Ｓｉ（ポリシリコン）のうちのいずれか。
【００６３】
上記の金属層２２と第１の膜２３と第２の膜２４の各材質の選択は、加熱の温度領域や、使用するレーザ光１４の周波数を考慮して適宜に行われる。
【００６４】
次に図９を参照して熱緩衝層について説明する。「熱緩衝層」とは、レーザ光１４で金属層２２を局所的に加熱するときに、熱が集中しすぎてガラス基板１２等に割れが発生するのを防止するための熱分散部材である。熱緩衝層を作るためには２つの構成が考えられる。第１の構成は、図９の（Ａ）に示されるごとく第２の膜２４をその幅方向に広げることである。なお第２の膜２４の厚みを増してもよい。また第２の構成は、図９の（Ｂ）に示されるごとく、熱容量を大きくする部材４１を第２の膜２４と金属層２２の両側の側面等に沿って付加することである。このような熱緩衝層を設けることにより、ガラス基板１２の割れを防止することができる。
【００６５】
図１０を参照して、接合前の金属層２２の周囲構造の例を説明する。前述した実施形態では、説明の便宜上、金属層２２の周囲は、実際には例えば仮固定材が存在するにも拘らず、何もない空間の状態で示した。
【００６６】
これに対して、図１０の（Ａ）によれば、仮固定された状態の半導体基板１１とガラス基板１２の間において、金属支柱５１と、その間の空間に充填された樹脂５２とが示されている。金属支柱５１は、半導体基板１１とガラス基板１２の間隔を保持するスペーサとして機能する。また金属支柱５１によって半導体基板１１とガラス基板１２との間隔を制御することができる。また樹脂５２は接着剤としての作用を発揮する。金属支柱５１と樹脂５２を設けることで、レーザ光１４による加熱の際に応力緩和の作用を生じさせることができる。また図１０の（Ｂ）に示すごとく、仮固定された半導体基板１１とガラス基板１２の間の空間に樹脂５３のみを埋め込むようにすることもできる。これによっても、レーザ光１４による加熱の際に応力緩和の作用を生じさせることができる。
【００６７】
また、仮固定された半導体基板１１とガラス基板１２の間の設けられた上記の金属支柱５１および樹脂５２、あるいは樹脂５３は仮固定材として機能する。
【００６８】
図１１は、前述した金属層２２の部分の全体を示す外観斜視図である。金属層２２は、実際には、半導体基板１１とガラス基板１２との間のスペースで層状に形成されるものであるが、図１１では金属層２２の高さを誇張して図示している。半導体基板１１とガラス基板１２が仮固定された状態で、金属層２２は、半導体基板１１の表面に形成された半導体回路２１に対してこれを包囲する外周壁のごとく形成されている。金属層２２の上側の縁がレーザ光１４を照射する部分となる。半導体基板１１とガラス基板１２との間で、このような形状を有する金属層２２によって金属接合部が形成されるので、気密性が高められる。
【００６９】
本発明の実施形態は、次のように変更することもできる。
【００７０】
図３で説明した前述の実施形態では、ガラス基板１２の側のみに金属層２２を設けるように下が、ガラス基板１２と半導体基板１１の両方に同様な条件で金属層２２を設けるようにしてもよい。
【００７１】
前述の実施形態では、金属層２２は固体の金属材を用いたが、その代わりに、接合前にはペースト状であって加熱・溶融後には金属接合部となる金属材を用いることもできる。
【００７２】
さらに金属層２２を加熱するレーザ光１４には、通常のビーム状光線であって比較的に絞られたビーム径を有する光線を使用するようにしたが、ビーム径を大きくしかつマスクを使用して１つの環状の金属層２２、または多数の金属層２２を一度の光線照射で加熱するように構成することもできる。
【００７３】
半導体基板１１はシリコン基板とし、上側基板はガラス基板１２として説明したが、接合される２つの基板はこれらに限定されない。ガリウム・ヒ素基板や化合物半導体基板であっても適用することができる。
【００７４】
また上記のレーザ光線１４は、ガラス基板１２の側のみから照射するように下が、２枚の基板が両方共に光透過性を有する場合には、２枚の基板の両側からレーザ光線を照射するように構成することもできる。
【００７５】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、２枚の基板を接合して成る半導体装置の製作に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る基板の接合方法が実施されている２枚の基板の設置状態を示す外観図である。
【図２】図１で示したレーザ光照射位置に対応する半導体基板とガラス基板の要部の部分縦断面図である。
【図３】本発明の基板の接合方法の全体的プロセスにおける第１のステップでの半導体基板とガラス基板の間で金属接合が行われる箇所の部分縦断面図である。
【図４】本発明の基板の接合方法の全体的プロセスにおける第２のステップでの半導体基板とガラス基板の間で金属接合が行われる箇所の部分縦断面図である。
【図５】本発明の基板の接合方法の全体的プロセスにおける第３のステップでの半導体基板とガラス基板の間で金属接合が行われる箇所の部分縦断面図である。
【図６】本発明の基板の接合方法の全体的プロセスにおける第４のステップでの半導体基板とガラス基板の間で金属接合が行われる箇所の部分縦断面図である。
【図７】レーザ光によるスポット照射領域の他の設定位置を示す要部縦断面図である。
【図８】「第１の膜／金属層／第２の膜」の組合せの例を説明するための部分縦断面図である。
【図９】熱緩衝層を説明するための要部縦断面図である。
【図１０】接合前の金属層の周囲構造の例を説明するための要部縦断面図である。
【図１１】金属部分の全体を示す外観斜視図である。
【図１２】従来の基板の接合方法を説明するための要部縦断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１１ 半導体基板
１２ ガラス基板
１３ レーザ光源
１４ レーザ光
１５ スキャン軌跡
２１ 半導体回路
２２ 金属層
２３ 第１の膜
２４ 第２の膜
２５ スポット照射領域
２６ キャビティ
３０ 半導体装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の基板の間においてこれらの基板を接合する予定部位の箇所に接合部材層を設ける設置ステップと、
前記２枚の基板の少なくとも一方の外側から前記基板を透過する光線を照射し、前記光線で前記接合部材層を加熱する加熱ステップと、
加熱した前記接合部材層で前記２枚の基板を接合する接合ステップと、
を有することを特徴とする基板の接合方法。
【請求項２】
前記接合部材層と一方の前記基板との間には第１の膜を有し、前記接合部材層と他方の前記基板との間には第２の膜を有することを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項３】
一方の前記基板に設けられた第１の膜と他方の前記基板に設けられた第２の膜とを接触させて前記接合部材層が形成されることを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項４】
前記接合部材層は、前記第１の膜または前記第２の膜のいずれか一方に取り付けられることを特徴とする請求項２記載の基板の接合方法。
【請求項５】
前記接合部材層は金属層であることを特徴とする請求項１または２記載の基板の接合方法。
【請求項６】
前記２枚の基板の間に前記接合部材層を設ける設置ステップは、仮固定要素を用いて仮付けを行うステップであることを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項７】
前記仮固定要素は樹脂材であること特徴とする請求項６記載の基板の接合方法。
【請求項８】
前記接合部材層の周囲に熱分散部材を備えたことを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項９】
前記光線はレーザ光であり、スポット照射によって局所的に加熱することを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項１０】
前記接合部材層は、前記２つの基板の間に閉じた空間を形成する連続的なリング形状を有するように形成されることを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項１１】
前記加熱ステップの前に、前記光線を出射する光源が配置される側に位置する前記基板の表面にマスク部材を設けるステップを有し、
前記加熱ステップでは、照射面積の広い前記光線を照射して選択した部位を加熱することを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項１２】
前記２つの基板のうちの一方の基板はガラス基板であり、他方の基板は半導体基板であることを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項１３】
２枚の基板を所定箇所で接合した構造を有する半導体装置であって、前記２枚の基板は、前記２枚の基板のうちの少なくともいずれか一方を透過する光線の照射で加熱された金属層によって接合されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
前記２枚の基板のうち一方はガラス基板であり、他方は半導体基板であることを特徴とする請求項１３記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記ガラス基板と前記金属層との間には第１の膜を有し、前記半導体基板と前記金属層との間には第２の膜を有することを特徴とする請求項１４記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記半導体基板の表面には固体撮像素子が形成され、前記ガラス基板と前記半導体基板との間における前記固体撮像素子の前面空間は前記金属層で封止されていることを特徴とする請求項１４記載の半導体装置。
【請求項１】
２枚の基板の間においてこれらの基板を接合する予定部位の箇所に接合部材層を設ける設置ステップと、
前記２枚の基板の少なくとも一方の外側から前記基板を透過する光線を照射し、前記光線で前記接合部材層を加熱する加熱ステップと、
加熱した前記接合部材層で前記２枚の基板を接合する接合ステップと、
を有することを特徴とする基板の接合方法。
【請求項２】
前記接合部材層と一方の前記基板との間には第１の膜を有し、前記接合部材層と他方の前記基板との間には第２の膜を有することを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項３】
一方の前記基板に設けられた第１の膜と他方の前記基板に設けられた第２の膜とを接触させて前記接合部材層が形成されることを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項４】
前記接合部材層は、前記第１の膜または前記第２の膜のいずれか一方に取り付けられることを特徴とする請求項２記載の基板の接合方法。
【請求項５】
前記接合部材層は金属層であることを特徴とする請求項１または２記載の基板の接合方法。
【請求項６】
前記２枚の基板の間に前記接合部材層を設ける設置ステップは、仮固定要素を用いて仮付けを行うステップであることを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項７】
前記仮固定要素は樹脂材であること特徴とする請求項６記載の基板の接合方法。
【請求項８】
前記接合部材層の周囲に熱分散部材を備えたことを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項９】
前記光線はレーザ光であり、スポット照射によって局所的に加熱することを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項１０】
前記接合部材層は、前記２つの基板の間に閉じた空間を形成する連続的なリング形状を有するように形成されることを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項１１】
前記加熱ステップの前に、前記光線を出射する光源が配置される側に位置する前記基板の表面にマスク部材を設けるステップを有し、
前記加熱ステップでは、照射面積の広い前記光線を照射して選択した部位を加熱することを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項１２】
前記２つの基板のうちの一方の基板はガラス基板であり、他方の基板は半導体基板であることを特徴とする請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項１３】
２枚の基板を所定箇所で接合した構造を有する半導体装置であって、前記２枚の基板は、前記２枚の基板のうちの少なくともいずれか一方を透過する光線の照射で加熱された金属層によって接合されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
前記２枚の基板のうち一方はガラス基板であり、他方は半導体基板であることを特徴とする請求項１３記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記ガラス基板と前記金属層との間には第１の膜を有し、前記半導体基板と前記金属層との間には第２の膜を有することを特徴とする請求項１４記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記半導体基板の表面には固体撮像素子が形成され、前記ガラス基板と前記半導体基板との間における前記固体撮像素子の前面空間は前記金属層で封止されていることを特徴とする請求項１４記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２１４２７１（Ｐ２００７−２１４２７１Ａ）
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１２５１（Ｐ２００６−３１２５１）
【出願日】平成１８年２月８日（２００６．２．８）
【出願人】（５０３４５６８３２）株式会社ザイキューブ (36)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月８日（２００６．２．８）
【出願人】（５０３４５６８３２）株式会社ザイキューブ (36)
【Ｆターム（参考）】
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