説明

基板の接合方法およびMEMSデバイス

【課題】正電圧の印加により陽極接合した基板接合体の、逆電圧の印加に伴う剥離を防止することができる基板の接合方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板2を陽極13としこれに接合される第1ガラス基板3を陰極14として、シリコン基板2の一方の接合面に第1ガラス基板3を陽極接合する第1接合工程と、接合したシリコン基板2および第1ガラス基板3を陽極13としこれに接合される第2ガラス基板4を陰極14として、シリコン基板2の他方の接合面に第2ガラス基板4を陽極接合する第2接合工程と、を備え、第1ガラス基板3は、その電気抵抗値が第2ガラス基板4の電気抵抗値より低いものとした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、駆動部を構成するシリコン基板の上下に封止用のガラス基板をそれぞれ陽極接合して成るMEMS(micro electro mechanical system)デバイス等における基板の接合方法およびMEMSデバイスに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、この種の基板の接合方法(陽極接合方法)として、シリコンの両側に2枚のパイレックス(登録商標)ガラスを接合するものが知られている(特許文献1参照)。この接合方法は、シリコンを陽極としこれに接合される第1のパイレックスガラスを陰極として直流電圧を印加し、シリコンの一方の接合面に第1のパイレックスガラスを陽極接合する第1工程と、接合したシリコンおよび第1のパイレックスを陽極としこれに接合される第2のパイレックスを陰極として直流電圧を印加し、シリコンの他方の接合面に第2のパイレックスガラスを陽極接合する第2工程と、を備えている。
【特許文献1】特公平07−105505号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
このような従来の陽極接合方法では、第1のパイレックスガラスを陽極接合(第1工程)したシリコンに、第2のパイレックスガラスを陽極接合(第2工程)すると、接合済みの第1のパイレックスガラスとシリコンとの間では、接合時の正電圧に対し逆電圧が印加されることになる。この場合、両ガラスに同一材質のパイレックスガラスを用いているため、逆電圧の印加により、第1のパイレックスガラスがシリコンから剥離(界面剥離)したり、接合界面に金属化合物が析出したりする問題があった。
すなわち、正電圧の印加による第1工程により、第1のパイレックスガラスの陰極側には金属陽イオンが引寄せられる一方、界面側ではイオン欠乏層が生ずる。この状態から、逆電圧を印加する(第2工程)と、今度はイオン欠乏層に金属陽イオンが移動し集積(濃縮)され、金属化合物として接合界面に析出してしまうからである(溶接学会全国大会講演概要 第65集(’99−11)参照)。
【0004】
本発明は、正電圧の印加により陽極接合した基板接合体の、逆電圧の印加に伴う剥離を有効に防止することができる基板の接合方法およびMEMSデバイスを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の基板の接合方法は、シリコン基板を陽極としこれに接合される第1ガラス基板を陰極として、シリコン基板の一方の接合面に第1ガラス基板を陽極接合する第1接合工程と、接合したシリコン基板および第1ガラス基板を陽極としこれに接合される第2ガラス基板を陰極として、シリコン基板の他方の接合面に第2ガラス基板を陽極接合する第2接合工程と、を備え、第1接合工程により第1ガラス基板の陰極側に引き寄せられた金属陽イオンが、第2接合工程において第1ガラス基板の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第2接合工程が終了するように、第1ガラス基板および第2ガラス基板を異なる材質または同一の材質のもので構成したことを特徴とする。
【0006】
この構成によれば、第1接合工程により陽極接合したシリコン基板および第1ガラス基板に対し、第2接合工程ではいわゆる逆電圧が印加されることになる。しかし、第1ガラス基板と第2ガラス基板とを異なる材質または同一の材質のもので構成し、第1接合工程により第1ガラス基板の陰極側に引き寄せられた金属陽イオンが、第2接合工程において第1ガラス基板の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第2接合工程が終了するようにしているため、第1ガラス基板の接合界面に金属化合物が析出することがない。したがって、陽極接合したシリコン基板および第1ガラス基板に、逆電圧が印加されても両者の界面剥離を有効に防止することができる。
【0007】
本発明の他の基板の接合方法は、シリコン基板を陽極としこれに接合される第1ガラス基板を陰極として、シリコン基板の一方の接合面に第1ガラス基板を陽極接合する第1接合工程と、接合したシリコン基板および第1ガラス基板を陽極としこれに接合される第2ガラス基板を陰極として、シリコン基板の他方の接合面に第2ガラス基板を陽極接合する第2接合工程と、を備え、第1ガラス基板の電気抵抗値が、第2ガラス基板の電気抵抗値より低いことを特徴とする。
【0008】
この構成によれば、第1接合工程により陽極接合したシリコン基板および第1ガラス基板に対し、第2接合工程ではいわゆる逆電圧が印加されることになる。しかし、第1ガラス基板の電気抵抗値が第2ガラス基板の電気抵抗値より低いため、第1接合工程における金属陽イオンの移動に伴うイオン欠乏層の層厚が大きくなる。このため、第2接合工程において、シリコン基板および第1ガラス基板に逆電圧が印加されても、イオン欠乏層に金属陽イオンが集積(濃縮)されるのに時間がかかり、第1ガラス基板の接合界面に金属化合物が析出するまでに第2接合工程を終了させることができる。したがって、第1ガラス基板の接合界面に金属化合物が析出することがなく、シリコン基板および第1ガラス基板に逆電圧が印加されても両者の界面剥離を有効に防止することができる。
【0009】
具体的には、上記の基板の接合方法において、第1ガラス基板は、リチウムを含むホウケイ酸ガラスで構成され、第2ガラス基板は、ナトリウムを含むホウケイ酸ガラスで構成されていることが好ましい。
【0010】
より具体的には、上記の基板の接合方法において、第1ガラス基板は、200℃における体積抵抗率が7.8Ω・cmであり、第2ガラス基板は、200℃における体積抵抗率が9.4Ω・cmであることが好ましい。
【0011】
本発明のMEMSデバイスは、上記した基板の接合方法により製造したことを特徴とする。
【0012】
この構成によれば、第1ガラス基板の接合界面に金属化合物が析出するまでに第2接合工程を終了させることができため、シリコン基板に対し、第1ガラス基板および第2ガラス基板の順で陽極接合を行う接合方法をとっても、これらを適切に且つ精度良く接合することができる。
【発明の効果】
【0013】
以上のように、本発明の基板の接合方法によれば、第1ガラス基板の陰極側に移動した金属陽イオンが、第1ガラス基板の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第2接合工程が終了するように、第1ガラス基板と第2ガラス基板とを異なる材質のもので構成しているため、陽極接合したシリコン基板および第1ガラス基板に、逆電圧が印加されても両者の界面剥離を有効に防止することができ、シリコン基板に第1ガラス基板および第2ガラス基板を、界面剥離を生ずることなく適切に陽極接合することができる。
【0014】
また、他の基板の接合方法によれば、第1ガラス基板の電気抵抗値が第2ガラス基板の電気抵抗値より低いため、第1ガラス基板の接合界面に金属化合物が析出するまでに第2接合工程を終了させることができ、シリコン基板に第1ガラス基板および第2ガラス基板を、界面剥離を生ずることなく適切に陽極接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る角速度センサ(MEMSデバイス)および角速度センサにおける基板の接合方法について説明する。この角速度センサは、シリコン等を材料として微細加工技術により製造されるMEMS(micro electro mechanical system)センサにおける1軸の角速度センサであり、平面内において正逆の往復振動により駆動し、上下の検出電極により角速度を検出する。
【0016】
図1に示すように、角速度センサ1は、シリコン基板2を第1ガラス基板3および第2ガラス基板4でサンドイッチした構造を有し、シリコン基板2に形成した駆動部6をX軸方向(図示の紙面を貫通する方向)に往復振動させるようになっている。X軸方向に往復振動(駆動)する駆動部6が、Y軸廻り(紙面の左右方向がY軸方向)の角速度を受けると、発生するコリオリ力により駆動部6がZ軸方向((紙面の上下方向)に振動する。コリオリ力により駆動部6がZ軸方向に振動すると、第1ガラス基板3に設けた第1固定検出電極7と駆動部(可動検出電極)6との間、および第2ガラス基板4に設けた第2固定検出電極8と駆動部(可動検出電極)6との間の静電容量が変化し、角速度が検出されるようになっている。
【0017】
このように構成された角速度センサ1は、第1固定検出電極7をパターン形成した第1ガラス基板3と、駆動部6を微細加工技術により作り込んだシリコン基板2と、を陽極接合し、さらに陽極接合した第1ガラス基板3およびシリコン基板2と、第2固定検出電極8をパターン形成した第2ガラス基板4と、を陽極接合して製造される。
【0018】
具体的には、図2に示すように、上記のシリコン基板2となるチップ部2Aをマトリクス状に複数形成したウェーハ20と、上記の第1ガラス基板3となる第1封止部3Aをマトリクス状に複数形成した第1封止ガラス30と、上記の第2ガラス基板4となる第2封止部4Aをマトリクス状に複数形成した第2封止ガラス40とを用意する(同図(a))。そして、先ずウェーハ20の一方の接合面に第1封止ガラス30を陽極接合し(同図(b):第1接合工程)、この状態でウェーハ20の他方の接合面に第2封止ガラス40を陽極接合し(同図(c):第2接合工程)、最後に陽極接合により貼り合せた第1封止ガラス30、ウェーハ20および第2封止ガラス40をダイシングして(同図(d):ダイシング工程)、複数の角速度センサ1を得るようになっている。
【0019】
一方、図3に示すように、上記の第1接合工程および第2接合工程における陽極接合は、真空チャンバ11内に、ヒータ12を内蔵した陽極13と、陰極14と、高電圧の直流電源15を備えた陽極接合装置10により、実施される。具体的には、ウェーハ(シリコン基板2)20と第1封止ガラス(第1ガラス基板3)30とを位置合わせし、且つウェーハ20を陽極13に第1封止ガラス30を陰極14に接触させた状態で、真空中の数百℃の温度下で数百ボルトの直流電圧を印加して、第1接合工程を実施する(図4(b)参照)。続いて、接合したウェーハ20および第1封止ガラス30を上下反転し、これに第2封止ガラス(第2ガラス基板4)40を位置合わせし、且つウェーハ20側(実際には第1封止ガラス30)を陽極13に第2封止ガラス40を陰極14に接触させた状態で、真空中の数百℃の温度下で数百ボルトの直流電圧を印加して、第2接合工程を実施する(図4(d)参照)。
【0020】
この場合、いずれの陽極接合も、ウェーハ20と第1封止ガラス30との界面およびウェーハ20と第2封止ガラス40との界面において、Si−Oの共有結合となる。すなわち、高電圧の印加により、第1封止ガラス30(第2封止ガラス40)中では、Na+、Li+等のアルカリ金属イオンが陽極側から陰極側に移動する。そのため陽極側のガラス表面にはこれらのイオン濃度が低下したイオン欠乏層が形成される(図4(b)および(d)参照)。このイオン欠乏層は、アルカリ金属イオンの移動により取り残されたOイオンを含むため強い負の電荷を帯びており、この電荷がシリコン(ウェーハ)と引き付けあってガラスとシリコンとが密着し、さらに界面での化学反応(Si−Oの共有結合)によって両者が接合する。
【0021】
ところで、実施形態の第2接合工程では、第1接合工程により陽極接合したウェーハ(シリコン基板2)20と第1封止ガラス(第1ガラス基板3)30との間に、第1接合工程とは逆の、いわゆる逆電圧が印加されることになる。逆電圧が印加されると、第1封止ガラス30中のアルカリ金属イオンが、正電圧印加時と逆の方向に移動しイオン欠乏層に達する。ガラスの材質や接合条件によっては、イオン欠乏層に達したアルカリ金属イオンがここで濃縮し、やがてシリコンとの界面にアルカリ金属化合物として析出し、界面強度劣化を生ずることが知られている。
【0022】
そこで、本実施形態では、第1接合工程により第1ガラス基板(第1封止ガラス30)3の陰極側に引き寄せられたアルカリ金属陽イオンが、第2接合工程において第1ガラス基板3の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第2接合工程が終了するように、第1ガラス基板(第1封止ガラス30)3および第2ガラス基板(第2封止ガラス40)4を異なる材質または同一の材質のもので構成するようにしている。
【0023】
すなわち、第1ガラス基板3の電気抵抗値が、第2ガラス基板4の電気抵抗値より低いもの、具体的には、第1ガラス基板3をリチウムを含むホウケイ酸ガラスで構成し、第2ガラス基板4をナトリウムを含むホウケイ酸ガラスで構成した。この場合、第1ガラス基板3は、200℃における体積抵抗率が7.8Ω・cmであり、第2ガラス基板4は、200℃における体積抵抗率が9.4Ω・cmである。また、第1ガラス基板3は、室温、1MHzにおける誘電率が6.3であり、第2ガラス基板4は、室温、1MHzにおける誘電率が4.6である。このように構成した第1ガラス基板3および第2ガラス基板4を用いて、図4に示す第1接合工程および第2接合工程を順に実施する。
【0024】
図5は、図4の接合工程において、第1ガラス基板3および第2ガラス基板4を、上記の組み合わせで陽極接合を実施した場合(同図(a))、第1ガラス基板3および第2ガラス基板4を、いずれも上記のナトリウムを含むホウケイ酸ガラスとして陽極接合を実施した場合(同図(b))、第1ガラス基板3および第2ガラス基板4をいずれも上記のリチウムを含むホウケイ酸ガラスとして陽極接合を実施した場合(同図(c))の試験結果である。
【0025】
(同図(a))の試験において、電流制限と真空度の異なる2種類の試験を行ったが、いずれも逆電圧による界面剥離は確認することができなかった。同様に、(同図(b))の試験において、印加電圧と時間、および真空度の異なる2種類の試験を行った。この場合には、いずれも逆電圧による界面剥離の兆候が観察された。さらに、(同図(c))の試験において、真空度の異なる2種類の試験を行った。この場合にも、特に問題は発生しなかった。したがって、第1ガラス基板3をリチウムを含むホウケイ酸ガラスで、第2ガラス基板4をナトリウムを含むホウケイ酸ガラスで構成した場合、および第1ガラス基板3および第2ガラス基板4をいずれも上記のリチウムを含むホウケイ酸ガラスで構成した場合には、逆電圧による影響を回避できることが確認された。
【0026】
以上のように、本実施形態によれば、第1接合工程により第1ガラス基板3の陰極側に引き寄せられたアルカリ金属陽イオンが、第2接合工程において第1ガラス基板3の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第2接合工程が終了するように、第1ガラス基板3および第2ガラス基板4を異なる材質または同一の材質のもので構成するようにしているため、陽極接合したシリコン基板2および第1ガラス基板3に、逆電圧が印加されても両者の界面剥離を有効に防止することができ、シリコン基板2に第1ガラス基板3および第2ガラス基板4を、界面剥離を生ずることなく適切に陽極接合することができる。特に、低抵抗のリチウムを含むホウケイ酸ガラスでは、第1接合工程においてイオン欠乏層の層厚が大きくなると考えられ、第2接合工程において、イオン欠乏層に移動してきたアルカリ金属陽イオンが界面に析出するまでに、接合が終了することになる。
【0027】
なお、本実施形態では、第1ガラス基板2および第2ガラス基板3に市販品を用いているため、体積抵抗率等が特定の値のものとなっているが、本発明はこれに限定されるものでない。すなわち、第1接合工程により第1ガラス基板3の陰極側に引き寄せられたアルカリ金属陽イオンが、第2接合工程において第1ガラス基板3の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第2接合工程が終了するような構成の第1ガラス基板3および第2ガラス基板4であれば、その材質およびその異同を問うものではない。また、本実施形態では、角速度センサ1を例に説明したが、本発明は、シリコン基板2の上下に第1ガラス基板3および第2ガラス基板4を陽極接合する各種のMEMSデバイスに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】実施形態に係る角速度センサの断面図である。
【図2】角速度センサの製造方法を表した説明図である。
【図3】角速度センサの製造方法に用いる陽極接合装置の模式図である。
【図4】角速度センサの接合工程を模式的に表した説明図である。
【図5】各種ガラス基板を用いて行った接合工程の試験結果を表した図である。
【符号の説明】
【0029】
1 角速度センサ 2 シリコン基板
3 第1ガラス基板 4 第2ガラス基板
10 陽極接合装置 13 陽極
14 陰極 15 直流電源
20 ウェーハ 30 第1封止ガラス
40 第2封止ガラス

【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリコン基板を陽極としこれに接合される第1ガラス基板を陰極として、前記シリコン基板の一方の接合面に前記第1ガラス基板を陽極接合する第1接合工程と、
接合した前記シリコン基板および前記第1ガラス基板を陽極としこれに接合される前記第2ガラス基板を陰極として、前記シリコン基板の他方の接合面に第2ガラス基板を陽極接合する第2接合工程と、を備え、
前記第1接合工程により前記第1ガラス基板の陰極側に引き寄せられた金属陽イオンが、前記第2接合工程において前記第1ガラス基板の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、前記第2接合工程が終了するように、前記第1ガラス基板および前記第2ガラス基板を異なる材質または同一の材質のもので構成したことを特徴とする基板の接合方法。
【請求項2】
シリコン基板を陽極としこれに接合される第1ガラス基板を陰極として、前記シリコン基板の一方の接合面に前記第1ガラス基板を陽極接合する第1接合工程と、
接合した前記シリコン基板および前記第1ガラス基板を陽極としこれに接合される第2ガラス基板を陰極として、前記シリコン基板の他方の接合面に前記第2ガラス基板を陽極接合する第2接合工程と、を備え、
前記1ガラス基板の電気抵抗値が、前記第2ガラス基板の電気抵抗値より低いことを特徴とする基板の接合方法。
【請求項3】
前記第1ガラス基板は、リチウムを含むホウケイ酸ガラスで構成され、
前記第2ガラス基板は、ナトリウムを含むホウケイ酸ガラスで構成されていることを特徴とする請求項2に記載の基板の接合方法。
【請求項4】
前記第1ガラス基板は、200℃における体積抵抗率が7.8Ω・cmであり、
前記第2ガラス基板は、200℃における体積抵抗率が9.4Ω・cmであることを特徴とする請求項2に記載の基板の接合方法。
【請求項5】
請求項2に記載の基板の接合方法により製造したことを特徴とするMEMSデバイス。

【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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【公開番号】特開2010−143792(P2010−143792A)
【公開日】平成22年7月1日(2010.7.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−323372(P2008−323372)
【出願日】平成20年12月19日(2008.12.19)
【出願人】(000005016)パイオニア株式会社 (3,620)
【出願人】(503213291)パイオニア・マイクロ・テクノロジー株式会社 (25)
【Fターム(参考)】