接合方法および接合装置ならびに接合基板
【課題】接合対象である基板を低温にて、高生産性かつ高信頼性にて密閉空間状態に接合する。
【解決手段】ガス導入口２１から水蒸気を流しながら、反応室２０内の真空度を所定値に保った状態で高周波電極２３および上部高周波電極２７に高周波を印加し、高周波電極２３とアース電極３３間、および上部高周波電極２７とアース電極３３間でプラズマ放電させ、基板１２および蓋部材１３に対して３０秒間処理する。プラズマ中に曝された基板１２および蓋部材１３の接合面上にはプラズマ中にあるイオンが照射されて、接合面はスパッタ作用にて汚染物が除去され、清浄な表面となる。次に、アース電極３３を外方へ移動させた後、上部高周波電極２７を下方に移動させ、上部高周波電極２７上の蓋部材１３と高周波電極２３上の基板１２との接合面を接触させて、加圧接合する。
【解決手段】ガス導入口２１から水蒸気を流しながら、反応室２０内の真空度を所定値に保った状態で高周波電極２３および上部高周波電極２７に高周波を印加し、高周波電極２３とアース電極３３間、および上部高周波電極２７とアース電極３３間でプラズマ放電させ、基板１２および蓋部材１３に対して３０秒間処理する。プラズマ中に曝された基板１２および蓋部材１３の接合面上にはプラズマ中にあるイオンが照射されて、接合面はスパッタ作用にて汚染物が除去され、清浄な表面となる。次に、アース電極３３を外方へ移動させた後、上部高周波電極２７を下方に移動させ、上部高周波電極２７上の蓋部材１３と高周波電極２３上の基板１２との接合面を接触させて、加圧接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の接合面同士を接合させるための接合方法および装置、ならびに、その方法および装置により製造される接合基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子，弾性表面波素子、その他各種の電子素子などにおいて、それらを大気中に存在する水分や酸素などの影響から保護する方法として、容器内部に電子素子を収納し、容器内部を密閉して電子素子を封止する技術が知られている。
【０００３】
このような電子素子を内部空間に配置して封止した電子デバイスでは、容器内部の気密性（密閉性）を向上させて水分などの浸入を、より確実に防止するための様々な技術が提案されている。例えば従来では、底面に電子素子が実装されたキャビティ（凹部）を有するセラミック基板の開口部を金属蓋で覆い、セラミック基板と金属蓋とを、はんだやガラスパウダーなどを用いて、接合および封止することが行われている。
【０００４】
一方、フリップチップボンディングにより搭載された電子素子と基板との空隙を密閉して、電子素子を封止する技術も利用されている。例えば、特許文献１では、表面弾性波デバイスの製造において、表面弾性波チップがフリップチップ接続されたパッケージ基板上を低融点ガラスを用いて封止することにより、樹脂を用いて封止する場合に比べて高い気密性を得るようにした技術が記載されている。
【０００５】
ところで、特許文献１に記載されているように、低融点ガラスにより封止したり、あるいは容器を構成する部材を、はんだやガラスパウダーにて接合する場合は、高い気密性を得ることができる反面、高温にて低融点ガラスやはんだを溶融するための加熱処理が必要となり、耐熱性の低い電子素子の封止には適していない。特に、化合物半導体などの電子素子は耐熱性が低いため、高温加熱により損傷する可能性が高い。
【０００６】
また、シリコン基板に電子素子を直接形成し、ガラス製の蓋を用いて、４００℃で加熱して陽極接合でシリコン基板とガラス製の蓋とを接合することにより密閉する方法もある。この場合は、基板同士を直接密閉接合した後、ダイシング法により個片に分離する。しかし、陽極接合では温度が高いために、耐熱性の低い部品は熱損傷を受ける可能性がある。
【０００７】
温度を低下して接合するための処理方法として、特許文献２には親水化処理して接合する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１１０４０２号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載されている接合方法では、真空中の加熱下で接合するため、基板前面に均一に加熱されないで接合される可能性が高く、チップの個片に分割したときに信頼性が劣り、最終製品の歩留まりが低下する。また、真空中で加熱接合するため、生産性が低下するという課題がある。
【０００９】
本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、接合対象である基板を低温にて、高生産性かつ高信頼性にて密閉空間状態で接合することができる接合方法および接合装置、ならびに、その方法および装置にて製造される接合基板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】
【００１０】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、基板の接合面同士を接合させるための接合方法であって、一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄工程と、前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の接合方法において、洗浄工程を大気圧より低い圧力の減圧雰囲気中で行うことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の接合方法において、洗浄工程において、圧力が１２０Ｐａ〜３００Ｐａの雰囲気中で洗浄することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の接合方法において、洗浄工程において、エネルギ波を照射するための電力を減少した後、電力をゼロにしてエネルギ波の照射を停止することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載の接合方法において、洗浄工程の前に、アルゴンガスあるいは酸素ガスあるいはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスの雰囲気中でエネルギ波により洗浄することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１記載の接合方法において、接合工程の後、接合された両基板を大気圧中で加熱する加熱工程を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項６記載の接合方法において、加熱工程における加熱温度が１００℃以上であることを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項１，４または５記載の接合方法において、エネルギ波として、プラズマ放電、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビームのいずれかを用いることを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項１記載の接合方法において、各基板の接合面を、水酸基を介在した状態で接合することを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、基板の接合面同士を接合させるための接合装置であって、一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄手段と、前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０記載の接合装置において、洗浄における雰囲気を、圧力を１２０Ｐａ〜３００Ｐａの雰囲気に設定する制御部を備えたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０または１１記載の接合装置において、洗浄手段を、エネルギ波を照射するための電力を減少した後、電力をゼロにしてエネルギ波の照射を停止させる制御部を備えたことを特徴とする。
【００２２】
請求項１３に記載の発明は、請求項１０〜１２いずれか１項記載の接合装置において、洗浄の前に、アルゴンガスあるいは酸素ガスあるいはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスの雰囲気中でエネルギ波により洗浄する手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項１４に記載の発明は、請求項１０，１２または１３記載の接合装置において、エネルギ波が、プラズマ、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビームのいずれかであることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５に記載の接合基板に係る発明は、請求項１〜９いずれか１項記載の接合方法により製造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、接合対象である対向する基板の接合面を、水を用いた雰囲気中でプラズマなどのエネルギ波を照射して洗浄することにより、低温にて接合することができる。その際、事前に不活性ガスによるプラズマ処理を行ったり、前記プラズマ処理する際の電力停止を、徐々に電力を減少させるようにすることにより、より低温接合の処理効果を向上することができる。さらに、接合後に大気中にて加熱することにより、信頼性が向上する。このようにしたことにより、基板を低温にて信頼性高く、かつ強固に接合することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は本発明に係る接合基板の実施形態である電子素子パッケージの構成を示す断面図である。
【００２８】
図１において、電子素子パッケージ１は、内部に電子素子である半導体素子１１が複数個形成された一方の接合対象としての基板１２と、半導体素子１１を収納するための複数個のキャビティ（凹）部１４を有する他方の接合対象の基板としての蓋部材１３とからなる。
【００２９】
蓋部材１３には、キャビティ部１４と、最終的に基板１２と蓋部材１３とを接合した後、チップにダイシング加工するための溝加工部１５が施されている。基板１２と蓋部材１３はＳｉ（シリコン）からなる。
【００３０】
基板１２には、半導体素子１１からの電気信号を受発信するための電気回路（図示せず）が形成されており、銅１８が埋め込まれたスルーホール１６を通して外部と電気的に接続されている。１７はダイシング加工した後の個片のチップを外部基板に実装するための電極である。
【００３１】
図２は前記構成の電子素子パッケージの製造工程を示すフローチャートであって、電子素子パッケージ１は、基板１２と蓋部材１３を接合して形成される。
【００３２】
図２において、まず、基板１２の形成工程について説明する。基板１２の基材であるＳｉ基板に複数個の半導体素子１１を形成する（Ｓ１）。次に、Ｓｉ基板にドライエッチング加工でスルーホール１６を形成する（Ｓ２）。次に、銅１８をメッキでスルーホール１６に埋め込み（Ｓ３）、最後に、スパッタ法およびレジスト塗布，露光，現像，エッチング工程を経て電極１７を形成する（Ｓ４）。
【００３３】
次に、蓋部材１３の製造工程について説明する。蓋部材１３の基材であるＳｉ基板をレジスト塗布，露光，現像工程を経て、ドライエッチング加工によりキャビティ部１４を形成する（Ｓ５）。
【００３４】
前記のようにして製造した基板１２と蓋部材１３とに対し、接合前に後述する改質処理を施し、基板１２と蓋部材１３とを接合する。
【００３５】
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態１について図３を参照して説明する。図３は本発明に係る接合装置の実施形態１である改質／接合装置の概略構成を示す断面図である。
【００３６】
図３において、反応室２０は、ガス導入口２１と真空排気口２２を有し、かつ接地されている。高周波電極２３上に、図１に示す構成の基板１２が載置され、高周波発振器２４からの電力が、図示しないマッチングチューナーおよび高周波電力供給部を通って、高周波電極２３に供給される。高周波電極２３は、絶縁リング２５により反応室２０に対して絶縁が保たれている。高周波電極２３，絶縁リング２５と反応室２０は、Ｏリング（図示せず）により真空に保たれている。２６はＯリングが１５０℃以上に加熱されないように冷却水を流すための冷却溝である。
【００３７】
２７は上部高周波電極であって、図１に示す構成の蓋部材１３を落下しないように保持する静電チャック２８が埋め込まれている。該静電チャック２８とは、静電チャック２８に電圧を印加してクーロン力で蓋部材１３を固定する冶具である。上部高周波電極２７は高周波電極２３と対向する位置に配設されており、高周波発振器２９からの電力が、図示しないマッチングチューナー，高周波電力供給部を通って上部高周波電極２７に供給される。
【００３８】
また、上部高周波電極２７は、ベローズ部材３０に固定されていて、上下に移動が可能である。上部高周波電極２７は、絶縁リング３１により反応室２０と絶縁が保たれている。上部高周波電極２７，絶縁リング３１と反応室２０は、Ｏリング（図示せず）により真空に保たれている。ベローズ部材３０と絶縁リング３１間にもＯリング（図示せず）が介在しており、反応室２０の真空を保つ構造となっている。３２は、Ｏリングが１５０℃以上に加熱されないように冷却水を流すための冷却溝である。
【００３９】
高周波発信器２９からの高周波電力が、静電チャック２８の電源（図示せず）に入力されないように、静電チャック２８と電源の配線間にはノイズフィルタ（図示せず）が組み込まれている。
【００４０】
３３はアース電極であって、アース電極用ベローズ部材３４に固定されており、アース電極用ベローズ部材３４により移動可能になっている。
【００４１】
前記高周波電極２３と前記上部高周波電極２７とが、本実施形態１における洗浄手段と接合手段の主要部をなしている。
【００４２】
以上のように構成された実施形態１の改質／接合装置における電子素子パッケージの製造工程について、以下説明する。
【００４３】
ガス導入口２１から水蒸気（水も可）を２０ｓｃｃｍ流しながら、反応室２０内の真空度を２０Ｐａに保った状態で高周波電極２３および上部高周波電極２７に２００Ｗの高周波を印加する。高周波電極２３とアース電極３３間、および上部高周波電極２７とアース電極３３間のそれぞれでプラズマ放電し、酸素イオン，水素イオン，酸素ラジカル，水素ラジカルと電子が発生する。
【００４４】
前記プラズマ処理を基板１２および蓋部材１３に対して３０秒間処理する。プラズマ中に曝された基板１２および蓋部材１３の接合面上には、プラズマ中にある酸素イオンや水素イオンが照射され、基板１２および蓋部材１３の接合面は、イオンの照射によりスパッタ作用にて汚染物が除去され、清浄な表面となる（洗浄工程）。
【００４５】
また、酸素ラジカルや水素ラジカルにより、基板１２および蓋部材１３の接合面上には、水酸基（−ＯＨ）が形成される。
【００４６】
プラズマ処理後、高周波発信器２４，２９からの高周波電力を停止し、ガス導入口２１からの水蒸気の供給を停止する。
【００４７】
次に、アース電極用ベローズ部材３４を伸長してアース電極３３を外方へ移動させ、また、ベローズ３０を圧縮させて上部高周波電極２７を下方に移動させ、上部高周波電極２７上の蓋部材１３と高周波電極２３上の基板１２とを接触させて、５×１０５Ｎ／ｍ２の圧力で加圧して接合する（接合工程）。
【００４８】
以上のように実施形態１によれば、基板１２および蓋部材１３に対して水蒸気を供給したプラズマ処理を行うことにより、基板１２および蓋部材１３の表面（接合面）は、洗浄され、かつ水酸基が形成されているため、室温での接合が可能となる。
【００４９】
これにより、室温で作製した電子素子パッケージ１をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。この電子素子パッケージ１のシェア強度を測定した結果、３．４×１０７Ｎ／ｍ２となった。また、５×１０５Ｎ／ｍ２の圧力で加圧しないで、接合した場合には、基板のそり状態によって、強度のばらつきが大きい結果となった。
【００５０】
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態２について図４を参照して説明する。図４は本発明に係る接合装置の実施形態２である改質／接合装置の概略構成を示す断面図である。
【００５１】
図４において、４０は反応室であって、図１に示す構成の基板１２が基板台４１上に載置され、蓋部材１３が上部基板台４２に固定される。上部基板台４２には、静電チャック４３が埋め込まれ、この静電チャック４３に電圧を印加することにより、蓋部材１３が静電チャック４３に吸着される。上部基板台４２は、ベローズ部材４４に取り付けられている。このベローズ部材４４を上下することにより、上部基板台４２は上下に移動することができる。４５は真空排気口である。
【００５２】
４６は基板１２を改質するための基板用中性ビーム源であり、４７は蓋部材１３を改質するための蓋部材用中性ビーム源である。両中性ビーム源４６，４７には、それぞれガス供給配管４８，４９と電力供給配線５０，５１が接続されている。ガス供給配管４８，４９と電力供給配線５０，５１は、供給コネクター５２，５３により真空度が保たれている。
【００５３】
前記基板用中性ビーム源４６と前記蓋部材用中性ビーム源４７とが本実施形態２における洗浄手段の主要部をなし、前記基板台４１と前記上部基板台４２とが本実施形態２における接合手段の主要部をなしている。
【００５４】
以上のように構成された実施形態２の改質／接合装置における電子素子パッケージの製造工程について、以下説明する。
【００５５】
反応室４０を真空度１０−５Ｐａまで真空引きした後、中性ビーム源４６，４７それぞれにガス供給配管４８，４９に水蒸気を２０ｓｃｃｍ供給し、電力供給配線５０，５１から電圧１．２ＫＶを印加する。反応室４０は、水蒸気が供給されているため、真空度は１０−２Ｐａに保たれている。中性ビーム源４６，４７中にはプラズマが発生し、各中性ビーム源４６，４７それぞれから酸素ラジカルおよび水素ラジカルが引き出される。
【００５６】
基板１２は、基板用中性ビーム源４６により酸素ラジカルおよび水素ラジカルが照射され、蓋部材１３は、蓋部材用中性ビーム源４７により酸素ラジカルおよび水素ラジカルが照射される。基板１２および蓋部材１３の接合面は、スパッタリング作用で洗浄され、かつ水素ラジカルや酸素ラジカルにより水酸基（−ＯＨ）が形成される（洗浄工程）。
【００５７】
酸素ラジカルおよび水素ラジカルを６０秒照射した後、蓋部材１３を固定している上部基板台４２を下降し、蓋部材１３を基板１２に接触させ、５×１０５Ｎ／ｍ２の圧力で加圧して接合する（接合工程）。
【００５８】
このようにして作製した電子素子パッケージ１である接合基板のシェア強度を測定した結果、３．５×１０７Ｎ／ｍ２となった。
【００５９】
以上のように本実施形態２によれば、基板１２および蓋部材１３に対して、水蒸気を供給した中性ビーム源４６，４７で処理することにより、基板１２および蓋部材１３の接合面は、スパッタリング作用で洗浄され、かつ水酸基が形成されているため、室温での接合が可能となる。室温で形成した電子パッケージ１をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。
【００６０】
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態３について図３を参照して説明する。なお、以下の説明において、図３にて既に説明した部材には同一符号を付して、その説明は省略し、実施形態３の改質／接合装置における電子素子パッケージの製造工程について説明する。
【００６１】
ガス導入口２１からアルゴンガスを１０ｓｃｃｍ流しながら、反応室２０内の真空度を２０Ｐａに保った状態で高周波電極２３および上部高周波電極２７に２００Ｗの高周波を印加する。これにより高周波電極２３とアース電極３３間、および上部高周波電極２７とアース電極３３間のそれぞれでプラズマ放電してアルゴンイオンを発生する。このプラズマ処理を基板１２および蓋部材１３に対して３０秒間処理する。プラズマ中に曝された基板１２および蓋部材１３の接合面上には、プラズマ中にあるアルゴンイオンが照射され、基板１２および蓋部材１３の接合面は、イオンの照射によりスパッタ作用で汚染物が除去され、清浄な表面となる（前洗浄工程）。
【００６２】
次に、ガス導入口２１から水蒸気を２０ｓｃｃｍ流しながら、反応室２０内の真空度を２０Ｐａに保った状態で高周波電極２３および上部高周波電極２７に２００Ｗの高周波を印加する。これにより高周波電極２３とアース電極３３間、および上部高周波電極２７とアース電極３３間のそれぞれでプラズマ放電し、酸素イオン，水素イオン，酸素ラジカル，水素ラジカルと電子を発生する。このプラズマ処理を基板１２および蓋部材１３に対して３０秒間処理する。プラズマ中に曝された基板１２および蓋部材１３の接合面上には、プラズマ中にある酸素イオンや水素イオンが照射され、このイオンの照射によるスパッタ作用によって、基板１２および蓋部材１３の接合面は、汚染物が除去されて清浄な表面となる（洗浄工程）。
【００６３】
また、酸素ラジカルや水素ラジカルにより、基板１２および蓋部材１３の接合面上には、水酸基（−ＯＨ）が形成される。
【００６４】
プラズマ処理後、高周波発信器２４，２９からの高周波電力を停止し、ガス導入口２１からの水蒸気の供給を停止する。次に、アース電極用ベローズ部材３４を伸長してアース電極３３を外方へ移動させ、また、ベローズ部材３０を圧縮して上部高周波電極２７を下方に移動し、上部高周波電極２７上の蓋部材１３と高周波電極２３上の基板１２とを接触させて、５×１０５Ｎ／ｍ２の圧力で加圧して接合する（接合工程）。
【００６５】
以上のように本実施形態３によれば、基板１２および蓋部材１３に対して、最初にアルゴンガスを供給してアルゴンイオンによりプラズマ処理して第１の洗浄を行った後、水蒸気を供給したプラズマ処理して第２の洗浄を行うことにより、基板１２および蓋部材１３の接合面が良好に洗浄され、かつ水酸基が形成されているため、室温での接合が可能となる。このように室温で形成した電子パッケージ１をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。
【００６６】
特に、実施形態１の電子パッケージに比べて、アルゴンイオンにより基板を洗浄する効果が大きく、より良好な結果が得られた。シェア強度を測定した結果、４．２×１０７Ｎ／ｍ２となった。ダイシング加工してチップに分割した場合、実施形態３では、実施形態１のチップ不良率（基板と蓋部材が剥がれる状態）よりも１．２％向上した。これは、アルゴンのスパッタ率が水素イオンや酸素イオンに比べて高いため、水酸基を形成する前に、より良好な洗浄効果が得られるためと考えられる。
【００６７】
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態４について図３を参照して説明する。なお、以下の説明において、図３にて既に説明した部材には同一符号を付して、その説明は省略し、実施形態４の改質／接合装置における電子素子パッケージの製造工程について説明する。
【００６８】
ガス導入口２１から水蒸気を２０ｓｃｃｍ流しながら、反応室２０内の真空度を２０Ｐａに保った状態で、高周波電極２３および上部高周波電極２７に２００Ｗの高周波を印加する。これにより高周波電極２３とアース電極３３間、および上部高周波電極２７とアース電極間のそれぞれでプラズマ放電して、酸素イオン，水素イオン，酸素ラジカル，水素ラジカルと電子を発生する。このプラズマ処理を基板１２および蓋部材１３に対して３０秒間処理する。プラズマ中に曝された基板１２および蓋部材１３の接合面上には、プラズマ中にある酸素イオンや水素イオンが照射され、基板１２および蓋部材１３の接合面は、イオンの照射によるスパッタ作用によって汚染物が除去され、清浄な表面となる（洗浄工程）。
【００６９】
また、酸素ラジカルや水素ラジカルにより、基板１２および蓋部材１３の接合面上には、水酸基（−ＯＨ）が形成される。
【００７０】
本実施形態４では、３０秒間プラズマ処理した後、電力を２００Ｗから０Ｗにせずに、図５に示すように、３０秒後に、高周波発信器２４，２９からの高周波電力を１０秒かけて徐々に電圧を減少させる。そして、高周波発信器２４，２９からの高周波電力を停止した後、ガス導入口２１からの水蒸気の供給を停止する。
【００７１】
次に、アース電極用ベローズ部材３４を伸長し、アース電極３３を外方へ移動させ、また、ベローズ部材３０を圧縮して上部高周波電極２７を下方に移動し、上部高周波電極２７上の蓋部材１３と高周波電極２３上の基板１２とを接触させて、５×１０５Ｎ／ｍ２の圧力で加圧して接合する（接合工程）。
【００７２】
以上のように本実施形態４によれば、基板１２および蓋部材１３に対して水蒸気を供給したプラズマ処理により、基板１２および蓋部材１３の接合面は洗浄され、かつ水酸基が形成される。また、高周波電力を徐々に減少させることにより、水酸基がプラズマにより、再度スパッタされることなく、実施形態１より水酸基の表面上の濃度を向上させることができ、室温での接合がより強固となる。
【００７３】
本実施形態４により室温で形成した電子パッケージ１をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。シェア強度を測定した結果、３．７×１０７Ｎ／ｍ２となった。
【００７４】
次に、本発明に係る接合方法の実施形態５について説明する。
【００７５】
本実施形態５における改質／接合装置は、前記実施形態１で用いた図３に示す装置と同じである。同装置において、反応室２０内の真空度の圧力を変更して接合強度を測定したところ、図６に示すように、接合強度は、圧力２０Ｐａの場合（実施形態１の場合）には３．４×１０７Ｎ／ｍ２であるのに対して、１５０Ｐａでは４．１×１０７Ｎ／ｍ２、また２００Ｐａでは４．２×１０７Ｎ／ｍ２となり、圧力が高いほど、接合強度は高い傾向となった。ただし、３５０Ｐａでは放電が安定せずに異常放電が発生した。
【００７６】
よって、圧力が１２０Ｐａ〜３００Ｐａが、接合強度においては良好であることが判明した。これは、圧力が２０Ｐａのときは、イオンによる照射が多いが、１００Ｐａ以上の圧力が高い領域では、イオンよりラジカルが増加し、より水酸基が結合したためと考えられる。
【００７７】
以上のように、本実施形態５によれば、接合時の圧力を１２０〜３００Ｐａにすることにより、より接合強度の高い信頼性ある接合を実現することができる。
【００７８】
次に、本発明の実施形態６における接合方法について説明する。
【００７９】
本発明の実施形態６における改質／接合装置において、前記実施形態１で用いた図３に示す装置と同じ条件で処理し、加圧接合した後、大気中にて電子素子パッケージ１をアニール炉に投入し、３時間加熱したときの接合強度の変化を測定したところ、図７に示すように、１００℃以上で強度が向上していた。アニール温度は、図３を参照すれば、半導体素子１１と基板１２と蓋部材１３の耐熱性を考慮して、決定しなければならないが、温度の高い方が、信頼性が向上することが判明した。
【００８０】
以上のように、本実施形態６によれば、洗浄（改質）処理して基板１２と蓋部材１３との接合後に、大気中にて１００℃以上の温度で加熱することにより、接合強度が向上し、かつ大気中にて加熱することにより、均一加熱が実現され信頼性ある接合を実現することができる。さらに、真空中での加熱を伴う接合に比べて、高生産性にすることができる。
【００８１】
なお、実施形態１〜６において、前記方法を実施し、かつ各部をコントロールするためＣＰＵ（中央演算処理ユニット）などからなる制御部を具備する。
【００８２】
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００８３】
例えば、実施形態３において水蒸気の処理の前にアルゴンガス雰囲気中でのプラズマ処理をしたが、アルゴンガスに代えて酸素ガス雰囲気中でプラズマ処理しても、スパッタリング効果や有機物を除去する効果があるため、同様の効果がある。
【００８４】
プラズマの発生にしても、実施形態１，３，４のように平行平板の電極を用いる方法や、実施形態２のように中性ビームによる改質（洗浄）方法に限定されず、他の方法、例えばイオンビームにより改質するようにしてもよい。
【００８５】
また、実施形態４において、３０秒間のプラズマ処理した後、１０秒かけて除々に電力を２００Ｗから０Ｗに減少させるようにしたが、除々に電力を減少させることが重要であり、特に１０秒に限定されない。
【００８６】
また、実施形態２に対しても、水蒸気により改質処理する前に、実施形態３のようにアルゴンガス雰囲気で処理すれば、接合面に水酸基をつける前に、スパッタリング処理効果により洗浄することができるため、より良好な改質効果が得られる。
【００８７】
また、実施形態２に対しても、水蒸気により改質処理する際に実施形態４のように、電力供給配線５０，５１への電力の供給を徐々に減少させることによって、スパッタリング処理効果を低減させながら、水酸基を供給することができ、より良好な改質効果が得られる。
【００８８】
また、実施形態１，３〜６の高周波電極２３と実施形態２の基板台３４とに、静電チャック２８，３６を埋め込むことにより、より精度良く接合することができる。
【００８９】
また、実施形態１〜６では、蓋部材１３の材質をシリコンとしたが、セラミック，ガラス（ＳｉＯ２）などの他の絶縁材料を用いても適用できる。
【００９０】
また、実施形態１〜６では、真空中で接合処理を行っているが、改質処理を行ってから大気圧に戻し、大気圧で接合することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、密閉された内部空間に電子素子を備えた電子素子パッケージにおける基板の接合面同士を接合させるための接合方法および装置に適用され、例えば、加速度センサ，圧力センサ，ＳＡＷフィルタなどの電子素子パッケージに用いて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明に係る接合基板の実施形態である電子素子パッケージの構成を示す断面図
【図２】図１に示す構成の電子素子パッケージの製造工程を示すフローチャート
【図３】本発明に係る接合装置の実施形態１，３〜６である改質／接合装置の概略構成を示す断面図
【図４】本発明に係る接合装置の実施形態２である改質／接合装置の概略構成を示す断面図
【図５】実施形態４における改質（洗浄）処理における電力と電力供給時間との関係図
【図６】実施形態５における圧力と接合強度との関係図
【図７】実施形態６におけるアニール温度と接合強度との関係図
【符号の説明】
【００９３】
１ 電子素子パッケージ
１１ 半導体素子
１２ 基板
１３ 蓋部材
２０，４０ 反応室
２１ ガス導入口
２２，４５ 真空排気口
２３ 高周波電極
２４，２９ 高周波発振器
２７ 上部高周波電極
３３ アース電極
４１ 基板台
４２ 上部基板台
４６，４７ 中性ビーム源
４８，４９ ガス供給配管
５０，５１ 電力供給配線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の接合面同士を接合させるための接合方法および装置、ならびに、その方法および装置により製造される接合基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子，弾性表面波素子、その他各種の電子素子などにおいて、それらを大気中に存在する水分や酸素などの影響から保護する方法として、容器内部に電子素子を収納し、容器内部を密閉して電子素子を封止する技術が知られている。
【０００３】
このような電子素子を内部空間に配置して封止した電子デバイスでは、容器内部の気密性（密閉性）を向上させて水分などの浸入を、より確実に防止するための様々な技術が提案されている。例えば従来では、底面に電子素子が実装されたキャビティ（凹部）を有するセラミック基板の開口部を金属蓋で覆い、セラミック基板と金属蓋とを、はんだやガラスパウダーなどを用いて、接合および封止することが行われている。
【０００４】
一方、フリップチップボンディングにより搭載された電子素子と基板との空隙を密閉して、電子素子を封止する技術も利用されている。例えば、特許文献１では、表面弾性波デバイスの製造において、表面弾性波チップがフリップチップ接続されたパッケージ基板上を低融点ガラスを用いて封止することにより、樹脂を用いて封止する場合に比べて高い気密性を得るようにした技術が記載されている。
【０００５】
ところで、特許文献１に記載されているように、低融点ガラスにより封止したり、あるいは容器を構成する部材を、はんだやガラスパウダーにて接合する場合は、高い気密性を得ることができる反面、高温にて低融点ガラスやはんだを溶融するための加熱処理が必要となり、耐熱性の低い電子素子の封止には適していない。特に、化合物半導体などの電子素子は耐熱性が低いため、高温加熱により損傷する可能性が高い。
【０００６】
また、シリコン基板に電子素子を直接形成し、ガラス製の蓋を用いて、４００℃で加熱して陽極接合でシリコン基板とガラス製の蓋とを接合することにより密閉する方法もある。この場合は、基板同士を直接密閉接合した後、ダイシング法により個片に分離する。しかし、陽極接合では温度が高いために、耐熱性の低い部品は熱損傷を受ける可能性がある。
【０００７】
温度を低下して接合するための処理方法として、特許文献２には親水化処理して接合する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１１０４０２号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載されている接合方法では、真空中の加熱下で接合するため、基板前面に均一に加熱されないで接合される可能性が高く、チップの個片に分割したときに信頼性が劣り、最終製品の歩留まりが低下する。また、真空中で加熱接合するため、生産性が低下するという課題がある。
【０００９】
本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、接合対象である基板を低温にて、高生産性かつ高信頼性にて密閉空間状態で接合することができる接合方法および接合装置、ならびに、その方法および装置にて製造される接合基板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】
【００１０】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、基板の接合面同士を接合させるための接合方法であって、一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄工程と、前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の接合方法において、洗浄工程を大気圧より低い圧力の減圧雰囲気中で行うことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の接合方法において、洗浄工程において、圧力が１２０Ｐａ〜３００Ｐａの雰囲気中で洗浄することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の接合方法において、洗浄工程において、エネルギ波を照射するための電力を減少した後、電力をゼロにしてエネルギ波の照射を停止することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載の接合方法において、洗浄工程の前に、アルゴンガスあるいは酸素ガスあるいはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスの雰囲気中でエネルギ波により洗浄することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１記載の接合方法において、接合工程の後、接合された両基板を大気圧中で加熱する加熱工程を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項６記載の接合方法において、加熱工程における加熱温度が１００℃以上であることを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項１，４または５記載の接合方法において、エネルギ波として、プラズマ放電、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビームのいずれかを用いることを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項１記載の接合方法において、各基板の接合面を、水酸基を介在した状態で接合することを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、基板の接合面同士を接合させるための接合装置であって、一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄手段と、前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０記載の接合装置において、洗浄における雰囲気を、圧力を１２０Ｐａ〜３００Ｐａの雰囲気に設定する制御部を備えたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０または１１記載の接合装置において、洗浄手段を、エネルギ波を照射するための電力を減少した後、電力をゼロにしてエネルギ波の照射を停止させる制御部を備えたことを特徴とする。
【００２２】
請求項１３に記載の発明は、請求項１０〜１２いずれか１項記載の接合装置において、洗浄の前に、アルゴンガスあるいは酸素ガスあるいはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスの雰囲気中でエネルギ波により洗浄する手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項１４に記載の発明は、請求項１０，１２または１３記載の接合装置において、エネルギ波が、プラズマ、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビームのいずれかであることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５に記載の接合基板に係る発明は、請求項１〜９いずれか１項記載の接合方法により製造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、接合対象である対向する基板の接合面を、水を用いた雰囲気中でプラズマなどのエネルギ波を照射して洗浄することにより、低温にて接合することができる。その際、事前に不活性ガスによるプラズマ処理を行ったり、前記プラズマ処理する際の電力停止を、徐々に電力を減少させるようにすることにより、より低温接合の処理効果を向上することができる。さらに、接合後に大気中にて加熱することにより、信頼性が向上する。このようにしたことにより、基板を低温にて信頼性高く、かつ強固に接合することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は本発明に係る接合基板の実施形態である電子素子パッケージの構成を示す断面図である。
【００２８】
図１において、電子素子パッケージ１は、内部に電子素子である半導体素子１１が複数個形成された一方の接合対象としての基板１２と、半導体素子１１を収納するための複数個のキャビティ（凹）部１４を有する他方の接合対象の基板としての蓋部材１３とからなる。
【００２９】
蓋部材１３には、キャビティ部１４と、最終的に基板１２と蓋部材１３とを接合した後、チップにダイシング加工するための溝加工部１５が施されている。基板１２と蓋部材１３はＳｉ（シリコン）からなる。
【００３０】
基板１２には、半導体素子１１からの電気信号を受発信するための電気回路（図示せず）が形成されており、銅１８が埋め込まれたスルーホール１６を通して外部と電気的に接続されている。１７はダイシング加工した後の個片のチップを外部基板に実装するための電極である。
【００３１】
図２は前記構成の電子素子パッケージの製造工程を示すフローチャートであって、電子素子パッケージ１は、基板１２と蓋部材１３を接合して形成される。
【００３２】
図２において、まず、基板１２の形成工程について説明する。基板１２の基材であるＳｉ基板に複数個の半導体素子１１を形成する（Ｓ１）。次に、Ｓｉ基板にドライエッチング加工でスルーホール１６を形成する（Ｓ２）。次に、銅１８をメッキでスルーホール１６に埋め込み（Ｓ３）、最後に、スパッタ法およびレジスト塗布，露光，現像，エッチング工程を経て電極１７を形成する（Ｓ４）。
【００３３】
次に、蓋部材１３の製造工程について説明する。蓋部材１３の基材であるＳｉ基板をレジスト塗布，露光，現像工程を経て、ドライエッチング加工によりキャビティ部１４を形成する（Ｓ５）。
【００３４】
前記のようにして製造した基板１２と蓋部材１３とに対し、接合前に後述する改質処理を施し、基板１２と蓋部材１３とを接合する。
【００３５】
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態１について図３を参照して説明する。図３は本発明に係る接合装置の実施形態１である改質／接合装置の概略構成を示す断面図である。
【００３６】
図３において、反応室２０は、ガス導入口２１と真空排気口２２を有し、かつ接地されている。高周波電極２３上に、図１に示す構成の基板１２が載置され、高周波発振器２４からの電力が、図示しないマッチングチューナーおよび高周波電力供給部を通って、高周波電極２３に供給される。高周波電極２３は、絶縁リング２５により反応室２０に対して絶縁が保たれている。高周波電極２３，絶縁リング２５と反応室２０は、Ｏリング（図示せず）により真空に保たれている。２６はＯリングが１５０℃以上に加熱されないように冷却水を流すための冷却溝である。
【００３７】
２７は上部高周波電極であって、図１に示す構成の蓋部材１３を落下しないように保持する静電チャック２８が埋め込まれている。該静電チャック２８とは、静電チャック２８に電圧を印加してクーロン力で蓋部材１３を固定する冶具である。上部高周波電極２７は高周波電極２３と対向する位置に配設されており、高周波発振器２９からの電力が、図示しないマッチングチューナー，高周波電力供給部を通って上部高周波電極２７に供給される。
【００３８】
また、上部高周波電極２７は、ベローズ部材３０に固定されていて、上下に移動が可能である。上部高周波電極２７は、絶縁リング３１により反応室２０と絶縁が保たれている。上部高周波電極２７，絶縁リング３１と反応室２０は、Ｏリング（図示せず）により真空に保たれている。ベローズ部材３０と絶縁リング３１間にもＯリング（図示せず）が介在しており、反応室２０の真空を保つ構造となっている。３２は、Ｏリングが１５０℃以上に加熱されないように冷却水を流すための冷却溝である。
【００３９】
高周波発信器２９からの高周波電力が、静電チャック２８の電源（図示せず）に入力されないように、静電チャック２８と電源の配線間にはノイズフィルタ（図示せず）が組み込まれている。
【００４０】
３３はアース電極であって、アース電極用ベローズ部材３４に固定されており、アース電極用ベローズ部材３４により移動可能になっている。
【００４１】
前記高周波電極２３と前記上部高周波電極２７とが、本実施形態１における洗浄手段と接合手段の主要部をなしている。
【００４２】
以上のように構成された実施形態１の改質／接合装置における電子素子パッケージの製造工程について、以下説明する。
【００４３】
ガス導入口２１から水蒸気（水も可）を２０ｓｃｃｍ流しながら、反応室２０内の真空度を２０Ｐａに保った状態で高周波電極２３および上部高周波電極２７に２００Ｗの高周波を印加する。高周波電極２３とアース電極３３間、および上部高周波電極２７とアース電極３３間のそれぞれでプラズマ放電し、酸素イオン，水素イオン，酸素ラジカル，水素ラジカルと電子が発生する。
【００４４】
前記プラズマ処理を基板１２および蓋部材１３に対して３０秒間処理する。プラズマ中に曝された基板１２および蓋部材１３の接合面上には、プラズマ中にある酸素イオンや水素イオンが照射され、基板１２および蓋部材１３の接合面は、イオンの照射によりスパッタ作用にて汚染物が除去され、清浄な表面となる（洗浄工程）。
【００４５】
また、酸素ラジカルや水素ラジカルにより、基板１２および蓋部材１３の接合面上には、水酸基（−ＯＨ）が形成される。
【００４６】
プラズマ処理後、高周波発信器２４，２９からの高周波電力を停止し、ガス導入口２１からの水蒸気の供給を停止する。
【００４７】
次に、アース電極用ベローズ部材３４を伸長してアース電極３３を外方へ移動させ、また、ベローズ３０を圧縮させて上部高周波電極２７を下方に移動させ、上部高周波電極２７上の蓋部材１３と高周波電極２３上の基板１２とを接触させて、５×１０５Ｎ／ｍ２の圧力で加圧して接合する（接合工程）。
【００４８】
以上のように実施形態１によれば、基板１２および蓋部材１３に対して水蒸気を供給したプラズマ処理を行うことにより、基板１２および蓋部材１３の表面（接合面）は、洗浄され、かつ水酸基が形成されているため、室温での接合が可能となる。
【００４９】
これにより、室温で作製した電子素子パッケージ１をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。この電子素子パッケージ１のシェア強度を測定した結果、３．４×１０７Ｎ／ｍ２となった。また、５×１０５Ｎ／ｍ２の圧力で加圧しないで、接合した場合には、基板のそり状態によって、強度のばらつきが大きい結果となった。
【００５０】
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態２について図４を参照して説明する。図４は本発明に係る接合装置の実施形態２である改質／接合装置の概略構成を示す断面図である。
【００５１】
図４において、４０は反応室であって、図１に示す構成の基板１２が基板台４１上に載置され、蓋部材１３が上部基板台４２に固定される。上部基板台４２には、静電チャック４３が埋め込まれ、この静電チャック４３に電圧を印加することにより、蓋部材１３が静電チャック４３に吸着される。上部基板台４２は、ベローズ部材４４に取り付けられている。このベローズ部材４４を上下することにより、上部基板台４２は上下に移動することができる。４５は真空排気口である。
【００５２】
４６は基板１２を改質するための基板用中性ビーム源であり、４７は蓋部材１３を改質するための蓋部材用中性ビーム源である。両中性ビーム源４６，４７には、それぞれガス供給配管４８，４９と電力供給配線５０，５１が接続されている。ガス供給配管４８，４９と電力供給配線５０，５１は、供給コネクター５２，５３により真空度が保たれている。
【００５３】
前記基板用中性ビーム源４６と前記蓋部材用中性ビーム源４７とが本実施形態２における洗浄手段の主要部をなし、前記基板台４１と前記上部基板台４２とが本実施形態２における接合手段の主要部をなしている。
【００５４】
以上のように構成された実施形態２の改質／接合装置における電子素子パッケージの製造工程について、以下説明する。
【００５５】
反応室４０を真空度１０−５Ｐａまで真空引きした後、中性ビーム源４６，４７それぞれにガス供給配管４８，４９に水蒸気を２０ｓｃｃｍ供給し、電力供給配線５０，５１から電圧１．２ＫＶを印加する。反応室４０は、水蒸気が供給されているため、真空度は１０−２Ｐａに保たれている。中性ビーム源４６，４７中にはプラズマが発生し、各中性ビーム源４６，４７それぞれから酸素ラジカルおよび水素ラジカルが引き出される。
【００５６】
基板１２は、基板用中性ビーム源４６により酸素ラジカルおよび水素ラジカルが照射され、蓋部材１３は、蓋部材用中性ビーム源４７により酸素ラジカルおよび水素ラジカルが照射される。基板１２および蓋部材１３の接合面は、スパッタリング作用で洗浄され、かつ水素ラジカルや酸素ラジカルにより水酸基（−ＯＨ）が形成される（洗浄工程）。
【００５７】
酸素ラジカルおよび水素ラジカルを６０秒照射した後、蓋部材１３を固定している上部基板台４２を下降し、蓋部材１３を基板１２に接触させ、５×１０５Ｎ／ｍ２の圧力で加圧して接合する（接合工程）。
【００５８】
このようにして作製した電子素子パッケージ１である接合基板のシェア強度を測定した結果、３．５×１０７Ｎ／ｍ２となった。
【００５９】
以上のように本実施形態２によれば、基板１２および蓋部材１３に対して、水蒸気を供給した中性ビーム源４６，４７で処理することにより、基板１２および蓋部材１３の接合面は、スパッタリング作用で洗浄され、かつ水酸基が形成されているため、室温での接合が可能となる。室温で形成した電子パッケージ１をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。
【００６０】
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態３について図３を参照して説明する。なお、以下の説明において、図３にて既に説明した部材には同一符号を付して、その説明は省略し、実施形態３の改質／接合装置における電子素子パッケージの製造工程について説明する。
【００６１】
ガス導入口２１からアルゴンガスを１０ｓｃｃｍ流しながら、反応室２０内の真空度を２０Ｐａに保った状態で高周波電極２３および上部高周波電極２７に２００Ｗの高周波を印加する。これにより高周波電極２３とアース電極３３間、および上部高周波電極２７とアース電極３３間のそれぞれでプラズマ放電してアルゴンイオンを発生する。このプラズマ処理を基板１２および蓋部材１３に対して３０秒間処理する。プラズマ中に曝された基板１２および蓋部材１３の接合面上には、プラズマ中にあるアルゴンイオンが照射され、基板１２および蓋部材１３の接合面は、イオンの照射によりスパッタ作用で汚染物が除去され、清浄な表面となる（前洗浄工程）。
【００６２】
次に、ガス導入口２１から水蒸気を２０ｓｃｃｍ流しながら、反応室２０内の真空度を２０Ｐａに保った状態で高周波電極２３および上部高周波電極２７に２００Ｗの高周波を印加する。これにより高周波電極２３とアース電極３３間、および上部高周波電極２７とアース電極３３間のそれぞれでプラズマ放電し、酸素イオン，水素イオン，酸素ラジカル，水素ラジカルと電子を発生する。このプラズマ処理を基板１２および蓋部材１３に対して３０秒間処理する。プラズマ中に曝された基板１２および蓋部材１３の接合面上には、プラズマ中にある酸素イオンや水素イオンが照射され、このイオンの照射によるスパッタ作用によって、基板１２および蓋部材１３の接合面は、汚染物が除去されて清浄な表面となる（洗浄工程）。
【００６３】
また、酸素ラジカルや水素ラジカルにより、基板１２および蓋部材１３の接合面上には、水酸基（−ＯＨ）が形成される。
【００６４】
プラズマ処理後、高周波発信器２４，２９からの高周波電力を停止し、ガス導入口２１からの水蒸気の供給を停止する。次に、アース電極用ベローズ部材３４を伸長してアース電極３３を外方へ移動させ、また、ベローズ部材３０を圧縮して上部高周波電極２７を下方に移動し、上部高周波電極２７上の蓋部材１３と高周波電極２３上の基板１２とを接触させて、５×１０５Ｎ／ｍ２の圧力で加圧して接合する（接合工程）。
【００６５】
以上のように本実施形態３によれば、基板１２および蓋部材１３に対して、最初にアルゴンガスを供給してアルゴンイオンによりプラズマ処理して第１の洗浄を行った後、水蒸気を供給したプラズマ処理して第２の洗浄を行うことにより、基板１２および蓋部材１３の接合面が良好に洗浄され、かつ水酸基が形成されているため、室温での接合が可能となる。このように室温で形成した電子パッケージ１をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。
【００６６】
特に、実施形態１の電子パッケージに比べて、アルゴンイオンにより基板を洗浄する効果が大きく、より良好な結果が得られた。シェア強度を測定した結果、４．２×１０７Ｎ／ｍ２となった。ダイシング加工してチップに分割した場合、実施形態３では、実施形態１のチップ不良率（基板と蓋部材が剥がれる状態）よりも１．２％向上した。これは、アルゴンのスパッタ率が水素イオンや酸素イオンに比べて高いため、水酸基を形成する前に、より良好な洗浄効果が得られるためと考えられる。
【００６７】
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態４について図３を参照して説明する。なお、以下の説明において、図３にて既に説明した部材には同一符号を付して、その説明は省略し、実施形態４の改質／接合装置における電子素子パッケージの製造工程について説明する。
【００６８】
ガス導入口２１から水蒸気を２０ｓｃｃｍ流しながら、反応室２０内の真空度を２０Ｐａに保った状態で、高周波電極２３および上部高周波電極２７に２００Ｗの高周波を印加する。これにより高周波電極２３とアース電極３３間、および上部高周波電極２７とアース電極間のそれぞれでプラズマ放電して、酸素イオン，水素イオン，酸素ラジカル，水素ラジカルと電子を発生する。このプラズマ処理を基板１２および蓋部材１３に対して３０秒間処理する。プラズマ中に曝された基板１２および蓋部材１３の接合面上には、プラズマ中にある酸素イオンや水素イオンが照射され、基板１２および蓋部材１３の接合面は、イオンの照射によるスパッタ作用によって汚染物が除去され、清浄な表面となる（洗浄工程）。
【００６９】
また、酸素ラジカルや水素ラジカルにより、基板１２および蓋部材１３の接合面上には、水酸基（−ＯＨ）が形成される。
【００７０】
本実施形態４では、３０秒間プラズマ処理した後、電力を２００Ｗから０Ｗにせずに、図５に示すように、３０秒後に、高周波発信器２４，２９からの高周波電力を１０秒かけて徐々に電圧を減少させる。そして、高周波発信器２４，２９からの高周波電力を停止した後、ガス導入口２１からの水蒸気の供給を停止する。
【００７１】
次に、アース電極用ベローズ部材３４を伸長し、アース電極３３を外方へ移動させ、また、ベローズ部材３０を圧縮して上部高周波電極２７を下方に移動し、上部高周波電極２７上の蓋部材１３と高周波電極２３上の基板１２とを接触させて、５×１０５Ｎ／ｍ２の圧力で加圧して接合する（接合工程）。
【００７２】
以上のように本実施形態４によれば、基板１２および蓋部材１３に対して水蒸気を供給したプラズマ処理により、基板１２および蓋部材１３の接合面は洗浄され、かつ水酸基が形成される。また、高周波電力を徐々に減少させることにより、水酸基がプラズマにより、再度スパッタされることなく、実施形態１より水酸基の表面上の濃度を向上させることができ、室温での接合がより強固となる。
【００７３】
本実施形態４により室温で形成した電子パッケージ１をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。シェア強度を測定した結果、３．７×１０７Ｎ／ｍ２となった。
【００７４】
次に、本発明に係る接合方法の実施形態５について説明する。
【００７５】
本実施形態５における改質／接合装置は、前記実施形態１で用いた図３に示す装置と同じである。同装置において、反応室２０内の真空度の圧力を変更して接合強度を測定したところ、図６に示すように、接合強度は、圧力２０Ｐａの場合（実施形態１の場合）には３．４×１０７Ｎ／ｍ２であるのに対して、１５０Ｐａでは４．１×１０７Ｎ／ｍ２、また２００Ｐａでは４．２×１０７Ｎ／ｍ２となり、圧力が高いほど、接合強度は高い傾向となった。ただし、３５０Ｐａでは放電が安定せずに異常放電が発生した。
【００７６】
よって、圧力が１２０Ｐａ〜３００Ｐａが、接合強度においては良好であることが判明した。これは、圧力が２０Ｐａのときは、イオンによる照射が多いが、１００Ｐａ以上の圧力が高い領域では、イオンよりラジカルが増加し、より水酸基が結合したためと考えられる。
【００７７】
以上のように、本実施形態５によれば、接合時の圧力を１２０〜３００Ｐａにすることにより、より接合強度の高い信頼性ある接合を実現することができる。
【００７８】
次に、本発明の実施形態６における接合方法について説明する。
【００７９】
本発明の実施形態６における改質／接合装置において、前記実施形態１で用いた図３に示す装置と同じ条件で処理し、加圧接合した後、大気中にて電子素子パッケージ１をアニール炉に投入し、３時間加熱したときの接合強度の変化を測定したところ、図７に示すように、１００℃以上で強度が向上していた。アニール温度は、図３を参照すれば、半導体素子１１と基板１２と蓋部材１３の耐熱性を考慮して、決定しなければならないが、温度の高い方が、信頼性が向上することが判明した。
【００８０】
以上のように、本実施形態６によれば、洗浄（改質）処理して基板１２と蓋部材１３との接合後に、大気中にて１００℃以上の温度で加熱することにより、接合強度が向上し、かつ大気中にて加熱することにより、均一加熱が実現され信頼性ある接合を実現することができる。さらに、真空中での加熱を伴う接合に比べて、高生産性にすることができる。
【００８１】
なお、実施形態１〜６において、前記方法を実施し、かつ各部をコントロールするためＣＰＵ（中央演算処理ユニット）などからなる制御部を具備する。
【００８２】
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００８３】
例えば、実施形態３において水蒸気の処理の前にアルゴンガス雰囲気中でのプラズマ処理をしたが、アルゴンガスに代えて酸素ガス雰囲気中でプラズマ処理しても、スパッタリング効果や有機物を除去する効果があるため、同様の効果がある。
【００８４】
プラズマの発生にしても、実施形態１，３，４のように平行平板の電極を用いる方法や、実施形態２のように中性ビームによる改質（洗浄）方法に限定されず、他の方法、例えばイオンビームにより改質するようにしてもよい。
【００８５】
また、実施形態４において、３０秒間のプラズマ処理した後、１０秒かけて除々に電力を２００Ｗから０Ｗに減少させるようにしたが、除々に電力を減少させることが重要であり、特に１０秒に限定されない。
【００８６】
また、実施形態２に対しても、水蒸気により改質処理する前に、実施形態３のようにアルゴンガス雰囲気で処理すれば、接合面に水酸基をつける前に、スパッタリング処理効果により洗浄することができるため、より良好な改質効果が得られる。
【００８７】
また、実施形態２に対しても、水蒸気により改質処理する際に実施形態４のように、電力供給配線５０，５１への電力の供給を徐々に減少させることによって、スパッタリング処理効果を低減させながら、水酸基を供給することができ、より良好な改質効果が得られる。
【００８８】
また、実施形態１，３〜６の高周波電極２３と実施形態２の基板台３４とに、静電チャック２８，３６を埋め込むことにより、より精度良く接合することができる。
【００８９】
また、実施形態１〜６では、蓋部材１３の材質をシリコンとしたが、セラミック，ガラス（ＳｉＯ２）などの他の絶縁材料を用いても適用できる。
【００９０】
また、実施形態１〜６では、真空中で接合処理を行っているが、改質処理を行ってから大気圧に戻し、大気圧で接合することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、密閉された内部空間に電子素子を備えた電子素子パッケージにおける基板の接合面同士を接合させるための接合方法および装置に適用され、例えば、加速度センサ，圧力センサ，ＳＡＷフィルタなどの電子素子パッケージに用いて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明に係る接合基板の実施形態である電子素子パッケージの構成を示す断面図
【図２】図１に示す構成の電子素子パッケージの製造工程を示すフローチャート
【図３】本発明に係る接合装置の実施形態１，３〜６である改質／接合装置の概略構成を示す断面図
【図４】本発明に係る接合装置の実施形態２である改質／接合装置の概略構成を示す断面図
【図５】実施形態４における改質（洗浄）処理における電力と電力供給時間との関係図
【図６】実施形態５における圧力と接合強度との関係図
【図７】実施形態６におけるアニール温度と接合強度との関係図
【符号の説明】
【００９３】
１ 電子素子パッケージ
１１ 半導体素子
１２ 基板
１３ 蓋部材
２０，４０ 反応室
２１ ガス導入口
２２，４５ 真空排気口
２３ 高周波電極
２４，２９ 高周波発振器
２７ 上部高周波電極
３３ アース電極
４１ 基板台
４２ 上部基板台
４６，４７ 中性ビーム源
４８，４９ ガス供給配管
５０，５１ 電力供給配線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の接合面同士を接合させるための接合方法であって、
一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄工程と、
前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合工程とを有することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記洗浄工程を大気圧より低い圧力の減圧雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【請求項３】
前記洗浄工程において、圧力が１２０Ｐａ〜３００Ｐａの雰囲気中で洗浄することを特徴とする請求項１または２記載の接合方法。
【請求項４】
前記洗浄工程において、前記エネルギ波を照射するための電力を減少した後、前記電力をゼロにして前記エネルギ波の照射を停止することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の接合方法。
【請求項５】
前記洗浄工程の前に、アルゴンガスあるいは酸素ガスあるいはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスの雰囲気中で前記エネルギ波により洗浄することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の接合方法。
【請求項６】
前記接合工程の後、接合された前記両基板を大気圧中で加熱する加熱工程を有することを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【請求項７】
前記加熱工程における加熱温度が１００℃以上であることを特徴とする請求項６記載の接合方法。
【請求項８】
前記エネルギ波として、プラズマ、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビームのいずれかを用いることを特徴とする請求項１，４または５記載の接合方法。
【請求項９】
前記各基板の接合面を、水酸基を介在した状態で接合することを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【請求項１０】
基板の接合面同士を接合させるための接合装置であって、
一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄手段と、
前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合手段とを備えたことを特徴とする接合装置。
【請求項１１】
前記洗浄における雰囲気を、圧力が１２０Ｐａ〜３００Ｐａの雰囲気に設定する制御部を備えたことを特徴とする請求項１０記載の接合装置。
【請求項１２】
前記洗浄手段を、前記エネルギ波を照射するための電力を減少した後、前記電力をゼロにして前記エネルギ波の照射を停止させる制御部を備えたことを特徴とする請求項１０または１１記載の接合装置。
【請求項１３】
前記洗浄の前に、アルゴンガスあるいは酸素ガスあるいはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスの雰囲気中で前記エネルギ波により洗浄する手段を備えたことを特徴とする請求項１０〜１２いずれか１項記載の接合装置。
【請求項１４】
前記エネルギ波が、プラズマ、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビームのいずれかであることを特徴とする請求項１０，１２または１３記載の接合装置。
【請求項１５】
請求項１〜９いずれか１項記載の接合方法により製造されたことを特徴とする接合基板。
【請求項１】
基板の接合面同士を接合させるための接合方法であって、
一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄工程と、
前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合工程とを有することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記洗浄工程を大気圧より低い圧力の減圧雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【請求項３】
前記洗浄工程において、圧力が１２０Ｐａ〜３００Ｐａの雰囲気中で洗浄することを特徴とする請求項１または２記載の接合方法。
【請求項４】
前記洗浄工程において、前記エネルギ波を照射するための電力を減少した後、前記電力をゼロにして前記エネルギ波の照射を停止することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の接合方法。
【請求項５】
前記洗浄工程の前に、アルゴンガスあるいは酸素ガスあるいはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスの雰囲気中で前記エネルギ波により洗浄することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の接合方法。
【請求項６】
前記接合工程の後、接合された前記両基板を大気圧中で加熱する加熱工程を有することを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【請求項７】
前記加熱工程における加熱温度が１００℃以上であることを特徴とする請求項６記載の接合方法。
【請求項８】
前記エネルギ波として、プラズマ、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビームのいずれかを用いることを特徴とする請求項１，４または５記載の接合方法。
【請求項９】
前記各基板の接合面を、水酸基を介在した状態で接合することを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【請求項１０】
基板の接合面同士を接合させるための接合装置であって、
一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄手段と、
前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合手段とを備えたことを特徴とする接合装置。
【請求項１１】
前記洗浄における雰囲気を、圧力が１２０Ｐａ〜３００Ｐａの雰囲気に設定する制御部を備えたことを特徴とする請求項１０記載の接合装置。
【請求項１２】
前記洗浄手段を、前記エネルギ波を照射するための電力を減少した後、前記電力をゼロにして前記エネルギ波の照射を停止させる制御部を備えたことを特徴とする請求項１０または１１記載の接合装置。
【請求項１３】
前記洗浄の前に、アルゴンガスあるいは酸素ガスあるいはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスの雰囲気中で前記エネルギ波により洗浄する手段を備えたことを特徴とする請求項１０〜１２いずれか１項記載の接合装置。
【請求項１４】
前記エネルギ波が、プラズマ、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビームのいずれかであることを特徴とする請求項１０，１２または１３記載の接合装置。
【請求項１５】
請求項１〜９いずれか１項記載の接合方法により製造されたことを特徴とする接合基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２８１１６６（Ｐ２００７−２８１１６６Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０５１８６（Ｐ２００６−１０５１８６）
【出願日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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