機能素子パッケージ
【課題】 機能素子の外周にメタライズを設けたＳｉ基板と、メタライズを設けたＳｉ基
板とを、メタライズ間に設けたはんだを熔融・接合して、気密封止する機能素子パッケー
ジにおいて、Ｓｉ基板どうしをはんだ接合しても、メタライズがＳｉ基板から剥離するこ
となく、封止気密性に優れた機能素子パッケージ構造を提供する。
【解決手段】 Ｓｉ基板とメタライズとの間にアルミナ層を設けることで、メタライズと
Ｓｉ基板との間の密着力が改善し、封止気密性に優れた機能素子パッケージを得ることが
できる。
板とを、メタライズ間に設けたはんだを熔融・接合して、気密封止する機能素子パッケー
ジにおいて、Ｓｉ基板どうしをはんだ接合しても、メタライズがＳｉ基板から剥離するこ
となく、封止気密性に優れた機能素子パッケージ構造を提供する。
【解決手段】 Ｓｉ基板とメタライズとの間にアルミナ層を設けることで、メタライズと
Ｓｉ基板との間の密着力が改善し、封止気密性に優れた機能素子パッケージを得ることが
できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔ
ｅｍｓ）技術等により、Ｓｉ基板（ここで、Ｓｉ基板とは、Ｓｉウェハ、ＳｉＯ２、ある
いは内部にＳｉＯ２絶縁層を有するＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉのサンドイッチ構造のウェハも
含む）を加工し製造される、各種のセンサ、アクチュエータ等の機能素子パッケージに関
する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ技術を用いた各種のセンサや高周波フィルタ、ミラー機能素子などの機能素子
が製造されている。例えば加速度のセンサでは、一般的に、錘を含む構造体をエッチング
技術で形成し、錘に連結した電極における静電容量変化や、錘に連結した薄い梁上に形成
した歪み検出素子の抵抗変化などを読み取ることで、錘に加わった加速度を読み取ること
ができる。高周波フィルタでは、例えばＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉ
ｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）と呼ばれる構造では、Ｓｉ基板上に空洞が形成され、この空洞
をまたぐように、電極に挟まれたＡｌＮ圧電膜が形成される。ミラーデバイスでは、Ｓｉ
のミラー部が駆動され、光路を調整することで画像を発生させる。いずれのＭＥＭＳ機能
素子においても、錘、圧電膜、あるいはミラーなどの可動部を含む。このような可動部の
動作特性は、当然のことながら、可動部を取り巻く雰囲気の影響を受ける。したがって可
動部の存在する空間の気圧は一定に保つ必要があり、気密封止が必要となる。
【０００３】
これまでは、気密封止を行いつつ、機能素子からの電気信号を外に取り出すために、セ
ラミック製のパッケージと蓋が用いられていた。このセラミックパッケージには、内部に
ワイヤーボンディングを接続するための電極パッドが形成され、この電極と連結し、かつ
リークを起こさないように、セラミックパッケージ内から外へ配線が取り出されている。
セラミックパッケージの外側では、この内部から出てきた配線と連結した電極パッドが形
成されている。
【０００４】
しかし近年、小形化、低価格化への要求は強く、それを実現する手段として、ウェハレ
ベルでのパッケージングが必要とされている。ウェハレベルでのパッケージングとは、各
種の機能素子を形成したウェハに、封止のための別のウェハを接合してパッケージングを
完了する方法である。ウェハの接合により、何千、何万という機能素子の封止を一括して
行うことができるので、低コスト化に有利である。また、フォトリソグラフィー技術によ
り、精密な封止部の設計ができるので、パッケージの小形化にも有利である。
【０００５】
ウェハを接合する手段としては、Ｓｉ−Ｓｉの直接接合、ガラスウェハとＳｉの陽極接
合など、いくつかの新しい方法も発表されているが、従来、半導体部品のパッケージング
で用いられ、実績のある接合方法としては、はんだ接合を挙げることができる。
【０００６】
本出願人は、特許文献１において、Ｓｉ基板とＳｉ基板とをはんだ接合することにより
、機能素子をウェハレベルで気密封止する機能素子パッケージ構造を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２１８８１１号 公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示された方法によれば、メタライズをＳｉ基板に設けた凹部に施し、Ｓ
ｉ基板とＳｉ基板がはんだ接合される際に、熔融したはんだが凹部に濡れ広がることで、
はんだ濡れ性に優れ接合性の高い機能素子パッケージ構造が得られるとしている。
【０００９】
本願発明者らは、特許文献１に示された構造の機能素子パッケージを作製し、高温高湿
試験に供したところ、試験後のパッケージ内部に水分が浸入してしまい、パッケージの気
密性に問題があることがわかった。はんだ接合断面を観察したところ、はんだの濡れ性お
よび接合性には問題が無いものの、一部メタライズがＳｉ基板から剥離してしまうことが
確認された。この剥離部分から水分が浸入したものと考えられる。
【００１０】
メタライズがＳｉ基板からの剥離する現象は、メタライズとＳｉ基板との熱膨張差で発
生した応力に起因するものと考えられる。応力の影響を小さくするためには、メタライズ
またははんだを薄く形成すればよいが、メタライズとはんだとの反応を考えた場合、はん
だの反応を抑制する層（例えば、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄなど）を薄くすることは困難で
あり、また、接合性を確保するためには、はんだ自体を薄くすることも困難である。
【００１１】
本願発明は上記の問題を解決するために行われたものであり、はんだ接合してもメタラ
イズがＳｉ基板から剥離しない、気密性に優れた機能素子パッケージ構造を提供するもの
である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の機能素子パッケージは、機能素子の外周に第１のメタライズが表面に施された
第１のＳｉ基板と、前記第１のメタライズに対向する位置に第２のメタライズが表面に施
された第２のＳｉ基板とを備え、前記第１のＳｉ基板と前記第２のＳｉ基板とが前記第１
のメタライズと前記第２のメタライズとの間ではんだ接合され、前記機能素子が気密封止
されていることを特徴とする機能素子パッケージにおいて、前記第１のＳｉ基板と第１の
メタライズおよび前記第２のＳｉ基板と第２のメタライズとの間に、アルミナ層を設ける
ことを特徴としている。
【００１３】
また、本願発明の機能素子パッケージは、前記第１のメタライズおよび前記第２のメタ
ライズが、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｖなどの金属の少なくとも一つを含む薄膜表面に、Ｎｉ，Ｃ
ｕ，Ｐｔ，Ｐｄなどの金属の少なくとも一つを含む薄膜が形成され、さらにその表面にＡ
ｕ膜が形成された層構造であることを特徴としている。
【００１４】
また、本願発明の機能素子パッケージは、前記第１のＳｉ基板が、Ｓｉウェハまたは内
部にＳｉＯ２絶縁層を有するＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉのサンドイッチ構造を有するウェハで
あることを特徴としている。
【００１５】
また、本願発明の機能素子パッケージは、前記はんだが、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓ
ｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉなどの合金を主成分
とすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明によれば、Ｓｉ基板とＳｉ基板とをはんだ接合して、機能素子を気密封止する
機能素子パッケージにおいて、はんだ接合部のメタライズとＳｉ基板との間にアルミナ層
を設けることで、はんだ接合してもメタライズがＳｉ基板から剥離せず、気密性に優れた
機能素子パッケージ構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例におけるウェハ状態での接合の模式図である。
【図２】実施例１における接合プロセスを示す詳細な断面構造図である。
【図３】実施例におけるアルミナ層とメタライズの層構造を示す図である。
【図４】従来技術におけるアルミナ層とメタライズの層構造を示す図である。
【図５】実施例１における密着性と剥離強度の評価結果を示す図である。
【図６】実施例２における加速度センサの断面図である。
【図７】実施例２における気密封止試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本願発明について図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。説明を
判り易くするため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。
【００１９】
（実施例１）
まず、本願発明の第１の実施例を図１と図２を用いて説明する。図１は、ウェハレベル
で気密封止を行う様子を示す、ウェハ状態での接合の模式図である。図２は気密封止部の
接合プロセスを示す、詳細な断面構造図である。
【００２０】
図１において、６は機能素子パッケージ１個分のパターンを表す。まず、第１のＳｉ基
板１に設けられた機能素子３の外周に第１のメタライズ２を形成した。一方、第２のＳｉ
基板４には、第１のメタライズ２と対向する位置に第２のメタライズ５を形成した。次に
、第１のＳｉ基板１と第２のＳｉ基板４を第１のメタライズ２と第２のメタライズ５が重
なるように位置合わせを行い、これをクランプ、あるいは螺子止めなどで治具に仮固定し
た。この治具を接合装置のチャンバ内にセットし、基板全体に数１０００Ｎ〜１００００
Ｎ（数１００ｋｇｆ〜１０２０ｋｇｆ）程度の荷重を負荷し、気密封止部に形成されたは
んだの融点以上に加熱することで、はんだを溶融させて接合を行い、ウェハレベルで気密
封止を行った。このウェハレベルで気密封止した後、個々に切断・分離し、１個毎の製品
として、機能素子３をパッケージングした構造を有する機能素子パッケージを製造した。
【００２１】
ここで機能素子３を含む第１のＳｉ基板１は、機能素子３に要求される構造もしくは特
性によって、Ｓｉウェハ、あるいは内部にＳｉＯ２絶縁層を有しＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉの
サンドイッチ構造のウェハ、いずれを用いても良い。
【００２２】
次に、気密封止部の詳細構造を、その接続プロセスもあわせて、図２（ａ）〜（ｄ）に
基づき詳細に説明する。まず接合前の状態を図２（ａ）により説明する。まず、機能素子
３を含む第１のＳｉ基板１には、フォトリソグラフィー技術によるレジストパターン形成
と、ドライエッチングやウェットエッチングの技法を用いて、凹部９と凸部１０を形成し
た。単結晶のＳｉウェハの場合は、凹部下面が曲面になることも考えられるが、凹部下面
の細かい形状は、本実施例の効果には大きな影響を及ぼさないので、曲面形状の凹部も本
実施例に含まれる。また、凹部は垂直な側面を有するが、エッチング工程におけるサイド
エッチの影響などにより、多少斜めになることもあるが、これらも本実施例に含まれる。
【００２３】
本実施例では、二列の凹部９を機能素子の外周に形成しており、図２（ａ）はその一部
の断面を示す。本実施例では凹部９の深さを７μｍとしたが、凹部９の深さははんだ８の
厚さ、体積に依存して設計する必要があり、概ね、数μｍ〜２０μｍ程度の深さが好まし
い。
【００２４】
次に、第１のＳｉ基板１との間にアルミナ層７Ａを設けた第１のメタライズ２を形成し
た。アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２のパターン形成は、主に二つの方法を用いるこ
とができる。一つは、フォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、その
上からアルミナ膜とメタライズ膜を成膜して、レジスト上の余分なメタライズを除去する
リフトオフ法であり、もう一つは、最初にアルミナ膜とメタライズ膜を成膜して、その上
からレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、レ
ジストパターンの開口部のアルミナ膜とメタライズ膜をミリングにより除去する方法であ
る。二つ目の方法では、ミリングの代わりに、ウェットエッチングでレジスト開口部のメ
タライズを除去しても良い。
【００２５】
アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２のパターン形成は、リフトオフ法の場合でも、ミ
リングもしくはウェットエッチングの場合でも、アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２を
一括のパターニング形成を行っても良いし、アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２を別々
にパターニング形成を行っても良い。また、別々にパターニング形成を行う場合、アルミ
ナ層７Ａと第１のメタライズ２を、例えば、アルミナ層７Ａをミリングでパターニング形
成し、第１のメタライズ２をリフトオフ法で形成するなど、異なる方法でパターニング形
成しても良い。さらに、アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２を別々にパターニング形成
する場合、アルミナ層７Ａのパターンに対して第１のメタライズ２のパターンを若干小さ
くするほうが、確実にアルミナ層７Ａの上に第１のメタライズ２を形成できるので好まし
い。本実施例では、アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２は一括のリフトオフ法でパター
ン形成した。
【００２６】
アルミナ層７Ａは、第１のメタライズ２と第１のＳｉ基板１の密着を強固にするために
、スパッタあるいはＣＶＤで成膜される。アルミナ層７Ａの厚さは、１０ｎｍ以上が好ま
しく、これより薄いと、アルミナ層７Ａが第１のメタライズ２と第１のＳｉ基板１の密着
を強固にする効果は小さい。アルミナ層７Ａの厚さは１０ｎｍ以上であれば、第１のメタ
ライズ２と第１のＳｉ基板１の密着を強固にする効果は得られるが、厚くしすぎると、ア
ルミナ層７Ａの内部応力が機能素子の特性に影響を与えると共に、成膜時間も長くなるの
で工業的に好ましくない。これらから、アルミナ層７Ａの好ましい厚さ範囲は、２０ｎｍ
から１００ｎｍ。さらに好ましい厚さ範囲は、２０ｎｍ〜５０ｎｍである。本実施例では
、スパッタを用いて、異なる膜厚のアルミナ層７Ａを形成した。
【００２７】
第１のメタライズ２は、アルミナ層７Ａとの接着層として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖなどの
金属の少なくとも一つを含む薄膜が、スパッタあるいは蒸着で成膜される。それらの厚さ
は、０．１μｍ〜０．３μｍ程度が好ましい。その上に、これら接着層の保護膜として、
Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの金属が成膜される。これらの厚さは、０．２〜５μｍなど
の厚さが好ましい。このプロセスでもスパッタや蒸着を使用することができるが、Ｎｉや
Ｃｕのメタライズの場合は、めっき法を適用することもできる。スパッタや蒸着の場合は
保護膜の厚さは薄くなり、めっきの場合は比較的厚くなる傾向がある。最後に、表面にＡ
ｕが成膜される。Ａｕメタライズもスパッタや蒸着法により成膜することができるが、そ
れ以外には電界、または無電解のめっきでも良い。Ａｕの厚さは、スパッタや蒸着の場合
は０．２〜０．５μｍ、めっきの場合は０．１〜３μｍなどが好ましい。
【００２８】
これらの工程は、全てスパッタや蒸着で行う場合は、成膜装置に投入した後は、大気中
に取り出すことなく、連続して成膜を行うのが一般的である。めっき法を用いる場合は、
始めに接着層のＴｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖなどの金属をスパッタあるいは蒸着で形成し、その後
の保護膜および表面のＡｕ膜は、めっき法で形成されるのが一般的である。本実施例では
、スパッタを用いて、異なる膜厚の組合せで第１のメタライズ２を形成した。
【００２９】
次に、第２のＳｉ基板４も第１のＳｉ基板１と同様に、アルミナ層７Ｂ上に第２のメタ
ライズ５を形成した。本実施例では、第１のＳｉ基板１と第２のＳｉ基板４とで、アルミ
ナ層とメタライズの層構造は同じとしたが、特性上問題が無ければ、異なる層構造として
も良い。さらに、第２のメタライズ５上には、Ａｕ−９０Ｓｎの組成からなるはんだ８を
はんだめっき法により形成した。
【００３０】
はんだ８の形成方法には、フォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し
、蒸着、スパッタなどの方法ではんだを成膜後、リフトオフ法によりはんだパターンを形
成することができる。この他には、スクリーンマスクやメタルマスクを使用して、はんだ
ペーストを印刷し、第２のＳｉ基板４全体をリフローしてはんだ８を形成しても良い。あ
るいは、第２のメタライズ５上に、はんだめっきを施すことで形成しても良い。また、溶
融吐出法と呼ばれる方法で、溶融したはんだの微粒を直接メタライズに吹き付けてはんだ
膜を形成しても良い。
【００３１】
はんだとして用いることのできる金属は、例えば、Ａｕ−２０〜３７．６Ｓｎ（ｗｔ％
）、Ａｕ−９０Ｓｎ、Ｓｎ−９Ｚｎ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｐ
ｂ−５Ｓｎ、Ｐｂ−１０Ｓｎ、Ｓｎ−３７Ｐｂ、Ｓｎ−５７Ｂｉなど、電子部品実装に広
く用いられるはんだ材を適用することができる。はんだの組成はこれらに限定されるもの
ではなく、微量な合金元素を含むものや、多少組成がずれたものでも良い。
【００３２】
上記はんだ組成について説明する。Ａｕ−Ｓｎの二元系のはんだでは、一般的にＡｕ−
２０Ｓｎ共晶が使用される。しかし、本実施例のような微量のはんだを使用する接合では
、はんだとメタライズとの反応を考慮したはんだ組成の設計が必要となる。すなわち、第
１のメタライズ２、あるいは第２のメタライズ５の表面にはＡｕが存在するため、このＡ
ｕがはんだ中に溶解することで、はんだの濡れ性が変化することがある。一般的には、は
んだの組成がＡｕ−２０ＳｎよりもＡｕリッチなレベルになると濡れ性が低下する。した
がって、その分、組成をＳｎ側にずらしておくことが有効であり、それはＡｕ−２０Ｓｎ
での共晶反応が含まれる範囲では、Ａｕ−３７．６Ｓｎまで可能である。これらのはんだ
での接続温度は、一般的には２８０℃（共晶温度）から３５０℃程度までの範囲が選択さ
れる。
【００３３】
これ以外の組成、すなわち、Ａｕ−９０Ｓｎ、Ｓｎ−９Ｚｎ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ
−３Ａｇ−０．５Ｃｕなどは、概ね、接続温度が２２０℃から２６０℃程度の範囲のもの
である。これらのはんだは、元々はんだ中にＳｎが多いので、Ａｕ−２０Ｓｎ近傍の組成
のはんだのような、Ａｕの溶解に対する詳細な組成の設計は、一般的には不要である。
【００３４】
Ｐｂ−５Ｓｎ、Ｐｂ−１０Ｓｎは、高Ｐｂで３００℃付近で接続を行う高融点のはんだ
である。このようなはんだ材を適用することも可能であるが、環境への影響を考慮してＰ
ｂフリー化を考えた場合、Ｐｂ含有はんだを使用するのは好ましくない。
【００３５】
Ｓｎ−３７Ｐｂは、２２０℃程度で接続でき、かつては最も一般的なはんだであった。
したがって、このはんだを適用することも可能ではあるが、やはりＰｂフリー化の観点か
らは好ましいくない。
【００３６】
Ｓｎ−５７Ｂｉは、融点が１３８℃近傍の低融点はんだである。接続温度を１６０〜１
８０℃程度に下げることができる。機能素子への熱影響を低減できることが利点であるが
、パッケージされた機能素子を電子機器に実装する際に、はんだ接合部の耐熱性を考慮し
た実装設計にしなければならない。
【００３７】
本実施例では、まず第１のＳｉ基板１と第２のＳｉ基板４を正確に位置を合わせ、仮固
定後にチャンバ内のヒータ上にセットし、チャンバ内をＮ２ガスで満たした雰囲気とした
。雰囲気の種類、気圧は、ＭＥＭＳ機能素子の特性から決定されるものであり、少なくと
も、接続時にはんだの酸化を起こさない雰囲気であれば良いので、真空雰囲気でも良い。
この状態が図２（ａ）である。
【００３８】
次に、凹部９により形成されたエッジ、本実施例の場合は凸部１０の角の部分を含む上
面となるが、これをはんだ８に押し付けた。まずはんだ溶融前に、５０００Ｎの荷重を基
板厚さ方向に負荷し、凸部１０をはんだ８にめり込ませた。これが図２（ｂ）である。
【００３９】
更に、荷重を負荷したまま加熱し、はんだの融点以上まで加熱した。はんだは溶融し、
溶融したはんだ８が第１のメタライズ２および第２のメタライズ５へ濡れ広がる。この状
態が図２（ｃ）である。
【００４０】
そして、凹部およびその間の凸部は、ＭＥＭＳ機能素子の外周を取り囲むように形成さ
れているので、凹部（凸部）の側面にはんだが濡れ広がることにより、ＭＥＭＳ機能素子
の外周に連続したはんだによる気密封止構造が形成される。この状態が図２（ｄ）である
。
【００４１】
本実施例では、メタライズとＳｉ基板との密着状態を確認するために、
１）メタライズとＳｉ基板との密着性。
２）第１のＳｉ基板１と第２のＳｉ基板４をはんだ接合したときの剥離強度。
を評価した。図３は、本実施例に用いたアルミナ層とメタライズの層構造を示す模式図で
あり、図３（ａ）は、Ｓｉ基板とメタライズとの間に、アルミナ層を設けたもの。図３（
ｂ）は、表面にＳｉＮもしくはＳｉＯ２を設けたＳｉ基板とメタライズとの間に、アルミ
ナ層を設けたものである。密着性の評価にはテープ剥離試験を行い、剥離強度の評価には
シェア試験を行った。
【００４２】
テープ剥離試験は、平坦なＳｉ基板上にアルミナ層とメタライズを形成したものに、ル
ーターを使って６本のクロスカットを５ｍｍ間隔で入れ、密着力２．８Ｎ／ｃｍ２の粘着
テープをクロスカット面に密着させて、できるだけ６０°に近い角度でテープの端部を引
き剥がす、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＫ５６００−５−６）のクロスカット法に準じて行い、ク
ロスカット部の膜剥面積比率からメタライズの密着性を評価した。膜の密着性は、同条件
で１０回の評価を行った結果の平均で判断を行った。
【００４３】
シェア試験は、図２で示した凹部９と凸部１０の接合断面を有する評価チップを作成し
、接合部をせん断するのに必要な力を測定することで評価を行った。シェア試験結果は、
同条件で１０回の評価を行った結果の平均で評価を行った。
【００４４】
シェア試験に供した評価チップは、第１のメタライズ２上にＡｕ−Ｓｎはんだ８を形成
した第１のＳｉ基板１と、第２のメタライズ５を形成した第２のＳｉ基板４とを、治具に
仮固定してから接合装置のチャンバ内にセットし、基板厚さ方向に３０００Ｎの荷重を負
荷しながらＡｕ−Ｓｎはんだの融点以上に加熱して、第１のＳｉ基板１と第２のＳｉ基板
４を接合したものをダイシングにより、チップに個片化したものである。個々の評価チッ
プのサイズは、１．１８ｍｍ×１．３２ｍｍとし、評価チップのメタライズ面積は、０．
００７８ｍｍ２とした。
【００４５】
本実施例では、比較例として、図４に示されるようなアルミナ層とメタライズの層構造
についても、密着性と剥離強度を実施例と同じ方法で評価した。図４（ａ）は、特許文献
１で開示されている、Ｓｉ基板上に直接メタライズを形成したもの。図４（ｂ）は、表面
にＳｉＮもしくはＳｉＯ２を設けたＳｉ基板にメタライズを形成したものである。
【００４６】
図５に、テープ剥離試験による密着性評価と、シェア試験による剥離強度評価結果を示
す。
【００４７】
実施例の条件番号１〜５は、図３（ａ）の層構造についての評価結果である。いずれの
テープ剥離試験結果も剥離面積が１０％以下と良好であり、特に、アルミナ層の厚さが２
０ｎｍ以上の条件では、剥離面積が５％以下と非常に良好であった。シェア試験結果は、
アルミナ層の厚さが１０ｎｍの条件では、シェア強度が１．５ｋｇｆとやや劣るものの、
アルミナ層の厚さが２０ｎｍ以上の条件では、シェア強度が２．５ｋｇｆとなった。シェ
ア強度２．５ｋｇｆの評価チップはＳｉ基板自体が破壊しており、Ｓｉ基板接合面からの
剥離は生じなかった。従って、メタライズの下層にアルミナ層を設けたＳｉ基板どうしは
、はんだを介して強固に接合されていることが確認できた。
【００４８】
実施例の条件番号６、７は、図３（ｂ）の層構造についての評価結果である。いずれの
テープ剥離試験結果も剥離面積が５％以下と非常に良好であった。シェア試験結果も、シ
ェア強度が２．５ｋｇｆとなり、評価チップはＳｉ基板自体が破壊してＳｉ基板接合面か
らの剥離は生じなかった。従って、メタライズの下層にアルミナ層を設け、表面にＳｉＮ
もしくはＳｉＯ２を設けたＳｉ基板どうしは、はんだを介して強固に接合されることが確
認できた。
【００４９】
比較例の条件番号１、２は、図４（ａ）の特許文献１に開示された層構造の評価結果で
ある。Ｃｒ膜厚が５０ｎｍのメタライズでは、テープ剥離試験で３５％以上の広い面でメ
タライズの剥離が確認できた。剥離界面を調べたところ、Ｓｉ基板とメタライズのＣｒ膜
間であった。Ｃｒ膜厚を４５０ｎｍに厚くしたところ、テープ剥離試験結果は若干改善し
たものの、２５％の広い面積が剥離した。シェア強度はいずれの条件も１ｋｇｆ未満と非
常に小さいものであり、Ｓｉ基板とメタライズのＣｒ膜との間で剥離を生じた。実施例の
条件番号１〜５の結果と、比較例の条件番号１、２の結果を比較して、メタライズの下層
にアルミナ層を設けることで、メタライズはＳｉ基板と強固に密着し、Ｓｉ基板どうしは
強固に接合されることが確認できた。
【００５０】
比較例の条件番号３は、図４（ｂ）のメタライズ構成についての評価結果である。テー
プ剥離試験、シェア試験ともに、表面にＳｉＮもしくはＳｉＯ２を設けたＳｉ基板とメタ
ライズとの密着性が劣る結果になった。実施例の条件番号６、７の結果と、比較例の条件
番号３の結果を比較して、メタライズの下層にアルミナ層を設けることで、メタライズは
表面にＳｉＮもしくはＳｉＯ２を設けたＳｉ基板と強固に密着し、Ｓｉ基板どうしは強固
に接合されることが確認できた。
【００５１】
（実施例２）
次に、本発明の第２の実施例を図１、図６、図７を用いて説明する。本実施例は、実施
例１のアルミナ層とメタライズの層構造を適用したＭＥＭＳ機能素子パッケージについて
、気密封止性を評価したものである。
【００５２】
本実施例のＭＥＭＳ機能素子パッケージでは、図１の第１のＳｉ基板１として下面にガ
ラス基板を接合したＳＯＩ基板を使用し、機能素子３としてピエゾ抵抗型の加速度センサ
を形成した。ピエゾ抵抗型の加速度センサの動作原理や従来の実装構造については多くの
文献で説明されているので、ここでは省略する。
【００５３】
図６に、本実施例で形成したピエゾ抵抗型の加速度センサの断面図を示す。図６（ａ）
は、Ｓｉキャップ基板１９とＳＯＩ基板１１が接合される前の状態であり、図６（ｂ）は
接合後の状態である。
【００５４】
Ｓｉキャップ基板１９には、アルミナ層１５Ｂを下層に設けたメタライズ１４Ｂ上に、
Ａｕ−Ｓｎはんだ２０を形成し、同時にキャビティ２１を形成した。
【００５５】
ＳＯＩ基板１１には、凹部１２が二列形成し、その上にメタライズ１４Ａを形成した。
そして、凹部１２の内側には、ピエゾ素子１６、配線１７を形成した。ＳＯＩ基板１１の
下面には、ガラス基板１８を接合し、ピエゾ抵抗型加速度センサの可動部として錘２４を
形成した。
【００５６】
また、ＳＯＩ基板１１には、凹部１２より内側（ピエゾ素子１６側）に電極メタライズ
１３を設けた。この電極メタライズ１３の下には、貫通電極２２を形成し、電極２３に繋
げた。
【００５７】
Ｓｉキャップ基板１９とＳＯＩ基板１１は、正確に位置を合わせて仮固定した後、接合
装置のチャンバ内のヒータ上にセットし、Ｎ２ガスで満たした雰囲気中で接合処理を行っ
た。接合は、５０００Ｎの荷重を基板厚さ方向に負荷し、はんだの熔融点以上まで加熱し
て行った。接合後のＳｉ基板は、評価チップとしてダイシングにより個片化した。個々の
評価チップサイズは、１．１８ｍｍ×１．３２ｍｍで、評価チップのメタライズ面積は、
０．００７８ｍｍ２とした。
【００５８】
次に、評価チップを高温高湿試験に供して、パッケージの気密封止が十分であるか否か
を評価した。評価は、各条件１００個の評価チップを、８５℃×８５％ＲＨの高温高湿槽
中に１０００時間放置し、放置後の評価チップの加速度センサ特性を評価した。
【００５９】
図７に、評価チップの高温高湿試験結果を示す。本実施例では、メタライズ１４Ａ、１
４Ｂとして、実施例１で評価に供した層構造を用いて評価を行った。
【００６０】
実施例の条件番号１〜５は、図３（ａ）のメタライズ構成についての評価結果である。
条件番号１のアルミナ層の厚さが１０ｎｍの条件では、１００素子中５素子のＮＧが見ら
れたものの、条件番号２〜５においてはいずれもＮＧチップの発生が見られず、気密封止
性は良好であることがわかった。
【００６１】
実施例の条件番号６，７は、図３（ｂ）のメタライズ構成についての評価結果である。
いずれの高温高湿信頼性試験結果もＮＧチップの発生は見られず、気密封止性は良好であ
ることがわかった。従って、メタライズの下層にアルミナ層を設け、表面にＳｉＮもしく
はＳｉＯ２を設けたＳｉ基板を用いて接合を行ったパッケージの気密封止性は良好である
ことが確認できた。
【００６２】
比較例の条件番号１、２は、図４（ａ）の特許文献１に開示されたメタライズ構成の評
価結果である。Ｃｒ膜厚保が５０ｎｍのメタライズでは、高温高湿信頼性試験で１００素
子中、感度異常のＮＧ素子が１０素子見られた。Ｃｒ膜厚４５０ｎｍに厚くしたところ、
高温高湿試験で１００素子中、感度異常のＮＧ素子が５素子見られた。ＮＧ素子のＳｉキ
ャップ基板１９とＳＯＩ基板１１を接合部から剥離して顕微鏡観察したところ、ＳＯＩ基
板１１表面に水分の侵入と見られる痕跡が観察された。以上から、実施例２の条件番号１
〜５の結果と、比較例の条件番号１、２の結果を比較して、メタライズ下層にアルミナ層
を設けたパッケージの気密封止性は良好であることが確認できた。
【００６３】
比較例の条件番号３は、図４（ｂ）のメタライズ構成についての評価結果である。高温
高湿試験の結果、１００素子中ＮＧ素子が１０素子見られた。ＮＧ素子のＳｉキャップ基
板１９とＳＯＩ基板１１を接合部から剥離して顕微鏡観察したところ、ＳＯＩ基板１１表
面に水分の侵入と見られる痕跡が観察された。以上から。実施例２の条件番号６、７の結
果と、比較例の条件番号３の結果を比較して、下層にアルミナ層を設けたパッケージの気
密封止性は良好であることが確認できた。
【符号の説明】
【００６４】
１ 第１のＳｉ基板、
２ 第１のメタライズ、
３ 機能素子、
４ 第２のＳｉ基板、
５ 第２のメタライズ、
６ 機能素子１個分のパターン、
７Ａ，７Ｂ アルミナ層、
８ はんだ、
９ 凹部、
１０ 凸部、
１１ ＳＯＩ基板、
１２ 凹部、
１３ 電極メタライズ、
１４Ａ，１４Ｂ メタライズ、
１５ アルミナ層
１６ ピエゾ素子、
１７ 配線、
１８ ガラス基板、
１９ Ｓｉキャップ基板、
２０ はんだ、
２１ キャビティ、
２２ 貫通電極、
２３ 電極、
２４ 錘。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔ
ｅｍｓ）技術等により、Ｓｉ基板（ここで、Ｓｉ基板とは、Ｓｉウェハ、ＳｉＯ２、ある
いは内部にＳｉＯ２絶縁層を有するＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉのサンドイッチ構造のウェハも
含む）を加工し製造される、各種のセンサ、アクチュエータ等の機能素子パッケージに関
する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ技術を用いた各種のセンサや高周波フィルタ、ミラー機能素子などの機能素子
が製造されている。例えば加速度のセンサでは、一般的に、錘を含む構造体をエッチング
技術で形成し、錘に連結した電極における静電容量変化や、錘に連結した薄い梁上に形成
した歪み検出素子の抵抗変化などを読み取ることで、錘に加わった加速度を読み取ること
ができる。高周波フィルタでは、例えばＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉ
ｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）と呼ばれる構造では、Ｓｉ基板上に空洞が形成され、この空洞
をまたぐように、電極に挟まれたＡｌＮ圧電膜が形成される。ミラーデバイスでは、Ｓｉ
のミラー部が駆動され、光路を調整することで画像を発生させる。いずれのＭＥＭＳ機能
素子においても、錘、圧電膜、あるいはミラーなどの可動部を含む。このような可動部の
動作特性は、当然のことながら、可動部を取り巻く雰囲気の影響を受ける。したがって可
動部の存在する空間の気圧は一定に保つ必要があり、気密封止が必要となる。
【０００３】
これまでは、気密封止を行いつつ、機能素子からの電気信号を外に取り出すために、セ
ラミック製のパッケージと蓋が用いられていた。このセラミックパッケージには、内部に
ワイヤーボンディングを接続するための電極パッドが形成され、この電極と連結し、かつ
リークを起こさないように、セラミックパッケージ内から外へ配線が取り出されている。
セラミックパッケージの外側では、この内部から出てきた配線と連結した電極パッドが形
成されている。
【０００４】
しかし近年、小形化、低価格化への要求は強く、それを実現する手段として、ウェハレ
ベルでのパッケージングが必要とされている。ウェハレベルでのパッケージングとは、各
種の機能素子を形成したウェハに、封止のための別のウェハを接合してパッケージングを
完了する方法である。ウェハの接合により、何千、何万という機能素子の封止を一括して
行うことができるので、低コスト化に有利である。また、フォトリソグラフィー技術によ
り、精密な封止部の設計ができるので、パッケージの小形化にも有利である。
【０００５】
ウェハを接合する手段としては、Ｓｉ−Ｓｉの直接接合、ガラスウェハとＳｉの陽極接
合など、いくつかの新しい方法も発表されているが、従来、半導体部品のパッケージング
で用いられ、実績のある接合方法としては、はんだ接合を挙げることができる。
【０００６】
本出願人は、特許文献１において、Ｓｉ基板とＳｉ基板とをはんだ接合することにより
、機能素子をウェハレベルで気密封止する機能素子パッケージ構造を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２１８８１１号 公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示された方法によれば、メタライズをＳｉ基板に設けた凹部に施し、Ｓ
ｉ基板とＳｉ基板がはんだ接合される際に、熔融したはんだが凹部に濡れ広がることで、
はんだ濡れ性に優れ接合性の高い機能素子パッケージ構造が得られるとしている。
【０００９】
本願発明者らは、特許文献１に示された構造の機能素子パッケージを作製し、高温高湿
試験に供したところ、試験後のパッケージ内部に水分が浸入してしまい、パッケージの気
密性に問題があることがわかった。はんだ接合断面を観察したところ、はんだの濡れ性お
よび接合性には問題が無いものの、一部メタライズがＳｉ基板から剥離してしまうことが
確認された。この剥離部分から水分が浸入したものと考えられる。
【００１０】
メタライズがＳｉ基板からの剥離する現象は、メタライズとＳｉ基板との熱膨張差で発
生した応力に起因するものと考えられる。応力の影響を小さくするためには、メタライズ
またははんだを薄く形成すればよいが、メタライズとはんだとの反応を考えた場合、はん
だの反応を抑制する層（例えば、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄなど）を薄くすることは困難で
あり、また、接合性を確保するためには、はんだ自体を薄くすることも困難である。
【００１１】
本願発明は上記の問題を解決するために行われたものであり、はんだ接合してもメタラ
イズがＳｉ基板から剥離しない、気密性に優れた機能素子パッケージ構造を提供するもの
である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の機能素子パッケージは、機能素子の外周に第１のメタライズが表面に施された
第１のＳｉ基板と、前記第１のメタライズに対向する位置に第２のメタライズが表面に施
された第２のＳｉ基板とを備え、前記第１のＳｉ基板と前記第２のＳｉ基板とが前記第１
のメタライズと前記第２のメタライズとの間ではんだ接合され、前記機能素子が気密封止
されていることを特徴とする機能素子パッケージにおいて、前記第１のＳｉ基板と第１の
メタライズおよび前記第２のＳｉ基板と第２のメタライズとの間に、アルミナ層を設ける
ことを特徴としている。
【００１３】
また、本願発明の機能素子パッケージは、前記第１のメタライズおよび前記第２のメタ
ライズが、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｖなどの金属の少なくとも一つを含む薄膜表面に、Ｎｉ，Ｃ
ｕ，Ｐｔ，Ｐｄなどの金属の少なくとも一つを含む薄膜が形成され、さらにその表面にＡ
ｕ膜が形成された層構造であることを特徴としている。
【００１４】
また、本願発明の機能素子パッケージは、前記第１のＳｉ基板が、Ｓｉウェハまたは内
部にＳｉＯ２絶縁層を有するＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉのサンドイッチ構造を有するウェハで
あることを特徴としている。
【００１５】
また、本願発明の機能素子パッケージは、前記はんだが、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓ
ｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉなどの合金を主成分
とすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明によれば、Ｓｉ基板とＳｉ基板とをはんだ接合して、機能素子を気密封止する
機能素子パッケージにおいて、はんだ接合部のメタライズとＳｉ基板との間にアルミナ層
を設けることで、はんだ接合してもメタライズがＳｉ基板から剥離せず、気密性に優れた
機能素子パッケージ構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例におけるウェハ状態での接合の模式図である。
【図２】実施例１における接合プロセスを示す詳細な断面構造図である。
【図３】実施例におけるアルミナ層とメタライズの層構造を示す図である。
【図４】従来技術におけるアルミナ層とメタライズの層構造を示す図である。
【図５】実施例１における密着性と剥離強度の評価結果を示す図である。
【図６】実施例２における加速度センサの断面図である。
【図７】実施例２における気密封止試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本願発明について図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。説明を
判り易くするため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。
【００１９】
（実施例１）
まず、本願発明の第１の実施例を図１と図２を用いて説明する。図１は、ウェハレベル
で気密封止を行う様子を示す、ウェハ状態での接合の模式図である。図２は気密封止部の
接合プロセスを示す、詳細な断面構造図である。
【００２０】
図１において、６は機能素子パッケージ１個分のパターンを表す。まず、第１のＳｉ基
板１に設けられた機能素子３の外周に第１のメタライズ２を形成した。一方、第２のＳｉ
基板４には、第１のメタライズ２と対向する位置に第２のメタライズ５を形成した。次に
、第１のＳｉ基板１と第２のＳｉ基板４を第１のメタライズ２と第２のメタライズ５が重
なるように位置合わせを行い、これをクランプ、あるいは螺子止めなどで治具に仮固定し
た。この治具を接合装置のチャンバ内にセットし、基板全体に数１０００Ｎ〜１００００
Ｎ（数１００ｋｇｆ〜１０２０ｋｇｆ）程度の荷重を負荷し、気密封止部に形成されたは
んだの融点以上に加熱することで、はんだを溶融させて接合を行い、ウェハレベルで気密
封止を行った。このウェハレベルで気密封止した後、個々に切断・分離し、１個毎の製品
として、機能素子３をパッケージングした構造を有する機能素子パッケージを製造した。
【００２１】
ここで機能素子３を含む第１のＳｉ基板１は、機能素子３に要求される構造もしくは特
性によって、Ｓｉウェハ、あるいは内部にＳｉＯ２絶縁層を有しＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉの
サンドイッチ構造のウェハ、いずれを用いても良い。
【００２２】
次に、気密封止部の詳細構造を、その接続プロセスもあわせて、図２（ａ）〜（ｄ）に
基づき詳細に説明する。まず接合前の状態を図２（ａ）により説明する。まず、機能素子
３を含む第１のＳｉ基板１には、フォトリソグラフィー技術によるレジストパターン形成
と、ドライエッチングやウェットエッチングの技法を用いて、凹部９と凸部１０を形成し
た。単結晶のＳｉウェハの場合は、凹部下面が曲面になることも考えられるが、凹部下面
の細かい形状は、本実施例の効果には大きな影響を及ぼさないので、曲面形状の凹部も本
実施例に含まれる。また、凹部は垂直な側面を有するが、エッチング工程におけるサイド
エッチの影響などにより、多少斜めになることもあるが、これらも本実施例に含まれる。
【００２３】
本実施例では、二列の凹部９を機能素子の外周に形成しており、図２（ａ）はその一部
の断面を示す。本実施例では凹部９の深さを７μｍとしたが、凹部９の深さははんだ８の
厚さ、体積に依存して設計する必要があり、概ね、数μｍ〜２０μｍ程度の深さが好まし
い。
【００２４】
次に、第１のＳｉ基板１との間にアルミナ層７Ａを設けた第１のメタライズ２を形成し
た。アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２のパターン形成は、主に二つの方法を用いるこ
とができる。一つは、フォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、その
上からアルミナ膜とメタライズ膜を成膜して、レジスト上の余分なメタライズを除去する
リフトオフ法であり、もう一つは、最初にアルミナ膜とメタライズ膜を成膜して、その上
からレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、レ
ジストパターンの開口部のアルミナ膜とメタライズ膜をミリングにより除去する方法であ
る。二つ目の方法では、ミリングの代わりに、ウェットエッチングでレジスト開口部のメ
タライズを除去しても良い。
【００２５】
アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２のパターン形成は、リフトオフ法の場合でも、ミ
リングもしくはウェットエッチングの場合でも、アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２を
一括のパターニング形成を行っても良いし、アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２を別々
にパターニング形成を行っても良い。また、別々にパターニング形成を行う場合、アルミ
ナ層７Ａと第１のメタライズ２を、例えば、アルミナ層７Ａをミリングでパターニング形
成し、第１のメタライズ２をリフトオフ法で形成するなど、異なる方法でパターニング形
成しても良い。さらに、アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２を別々にパターニング形成
する場合、アルミナ層７Ａのパターンに対して第１のメタライズ２のパターンを若干小さ
くするほうが、確実にアルミナ層７Ａの上に第１のメタライズ２を形成できるので好まし
い。本実施例では、アルミナ層７Ａと第１のメタライズ２は一括のリフトオフ法でパター
ン形成した。
【００２６】
アルミナ層７Ａは、第１のメタライズ２と第１のＳｉ基板１の密着を強固にするために
、スパッタあるいはＣＶＤで成膜される。アルミナ層７Ａの厚さは、１０ｎｍ以上が好ま
しく、これより薄いと、アルミナ層７Ａが第１のメタライズ２と第１のＳｉ基板１の密着
を強固にする効果は小さい。アルミナ層７Ａの厚さは１０ｎｍ以上であれば、第１のメタ
ライズ２と第１のＳｉ基板１の密着を強固にする効果は得られるが、厚くしすぎると、ア
ルミナ層７Ａの内部応力が機能素子の特性に影響を与えると共に、成膜時間も長くなるの
で工業的に好ましくない。これらから、アルミナ層７Ａの好ましい厚さ範囲は、２０ｎｍ
から１００ｎｍ。さらに好ましい厚さ範囲は、２０ｎｍ〜５０ｎｍである。本実施例では
、スパッタを用いて、異なる膜厚のアルミナ層７Ａを形成した。
【００２７】
第１のメタライズ２は、アルミナ層７Ａとの接着層として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖなどの
金属の少なくとも一つを含む薄膜が、スパッタあるいは蒸着で成膜される。それらの厚さ
は、０．１μｍ〜０．３μｍ程度が好ましい。その上に、これら接着層の保護膜として、
Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの金属が成膜される。これらの厚さは、０．２〜５μｍなど
の厚さが好ましい。このプロセスでもスパッタや蒸着を使用することができるが、Ｎｉや
Ｃｕのメタライズの場合は、めっき法を適用することもできる。スパッタや蒸着の場合は
保護膜の厚さは薄くなり、めっきの場合は比較的厚くなる傾向がある。最後に、表面にＡ
ｕが成膜される。Ａｕメタライズもスパッタや蒸着法により成膜することができるが、そ
れ以外には電界、または無電解のめっきでも良い。Ａｕの厚さは、スパッタや蒸着の場合
は０．２〜０．５μｍ、めっきの場合は０．１〜３μｍなどが好ましい。
【００２８】
これらの工程は、全てスパッタや蒸着で行う場合は、成膜装置に投入した後は、大気中
に取り出すことなく、連続して成膜を行うのが一般的である。めっき法を用いる場合は、
始めに接着層のＴｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖなどの金属をスパッタあるいは蒸着で形成し、その後
の保護膜および表面のＡｕ膜は、めっき法で形成されるのが一般的である。本実施例では
、スパッタを用いて、異なる膜厚の組合せで第１のメタライズ２を形成した。
【００２９】
次に、第２のＳｉ基板４も第１のＳｉ基板１と同様に、アルミナ層７Ｂ上に第２のメタ
ライズ５を形成した。本実施例では、第１のＳｉ基板１と第２のＳｉ基板４とで、アルミ
ナ層とメタライズの層構造は同じとしたが、特性上問題が無ければ、異なる層構造として
も良い。さらに、第２のメタライズ５上には、Ａｕ−９０Ｓｎの組成からなるはんだ８を
はんだめっき法により形成した。
【００３０】
はんだ８の形成方法には、フォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し
、蒸着、スパッタなどの方法ではんだを成膜後、リフトオフ法によりはんだパターンを形
成することができる。この他には、スクリーンマスクやメタルマスクを使用して、はんだ
ペーストを印刷し、第２のＳｉ基板４全体をリフローしてはんだ８を形成しても良い。あ
るいは、第２のメタライズ５上に、はんだめっきを施すことで形成しても良い。また、溶
融吐出法と呼ばれる方法で、溶融したはんだの微粒を直接メタライズに吹き付けてはんだ
膜を形成しても良い。
【００３１】
はんだとして用いることのできる金属は、例えば、Ａｕ−２０〜３７．６Ｓｎ（ｗｔ％
）、Ａｕ−９０Ｓｎ、Ｓｎ−９Ｚｎ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｐ
ｂ−５Ｓｎ、Ｐｂ−１０Ｓｎ、Ｓｎ−３７Ｐｂ、Ｓｎ−５７Ｂｉなど、電子部品実装に広
く用いられるはんだ材を適用することができる。はんだの組成はこれらに限定されるもの
ではなく、微量な合金元素を含むものや、多少組成がずれたものでも良い。
【００３２】
上記はんだ組成について説明する。Ａｕ−Ｓｎの二元系のはんだでは、一般的にＡｕ−
２０Ｓｎ共晶が使用される。しかし、本実施例のような微量のはんだを使用する接合では
、はんだとメタライズとの反応を考慮したはんだ組成の設計が必要となる。すなわち、第
１のメタライズ２、あるいは第２のメタライズ５の表面にはＡｕが存在するため、このＡ
ｕがはんだ中に溶解することで、はんだの濡れ性が変化することがある。一般的には、は
んだの組成がＡｕ−２０ＳｎよりもＡｕリッチなレベルになると濡れ性が低下する。した
がって、その分、組成をＳｎ側にずらしておくことが有効であり、それはＡｕ−２０Ｓｎ
での共晶反応が含まれる範囲では、Ａｕ−３７．６Ｓｎまで可能である。これらのはんだ
での接続温度は、一般的には２８０℃（共晶温度）から３５０℃程度までの範囲が選択さ
れる。
【００３３】
これ以外の組成、すなわち、Ａｕ−９０Ｓｎ、Ｓｎ−９Ｚｎ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ
−３Ａｇ−０．５Ｃｕなどは、概ね、接続温度が２２０℃から２６０℃程度の範囲のもの
である。これらのはんだは、元々はんだ中にＳｎが多いので、Ａｕ−２０Ｓｎ近傍の組成
のはんだのような、Ａｕの溶解に対する詳細な組成の設計は、一般的には不要である。
【００３４】
Ｐｂ−５Ｓｎ、Ｐｂ−１０Ｓｎは、高Ｐｂで３００℃付近で接続を行う高融点のはんだ
である。このようなはんだ材を適用することも可能であるが、環境への影響を考慮してＰ
ｂフリー化を考えた場合、Ｐｂ含有はんだを使用するのは好ましくない。
【００３５】
Ｓｎ−３７Ｐｂは、２２０℃程度で接続でき、かつては最も一般的なはんだであった。
したがって、このはんだを適用することも可能ではあるが、やはりＰｂフリー化の観点か
らは好ましいくない。
【００３６】
Ｓｎ−５７Ｂｉは、融点が１３８℃近傍の低融点はんだである。接続温度を１６０〜１
８０℃程度に下げることができる。機能素子への熱影響を低減できることが利点であるが
、パッケージされた機能素子を電子機器に実装する際に、はんだ接合部の耐熱性を考慮し
た実装設計にしなければならない。
【００３７】
本実施例では、まず第１のＳｉ基板１と第２のＳｉ基板４を正確に位置を合わせ、仮固
定後にチャンバ内のヒータ上にセットし、チャンバ内をＮ２ガスで満たした雰囲気とした
。雰囲気の種類、気圧は、ＭＥＭＳ機能素子の特性から決定されるものであり、少なくと
も、接続時にはんだの酸化を起こさない雰囲気であれば良いので、真空雰囲気でも良い。
この状態が図２（ａ）である。
【００３８】
次に、凹部９により形成されたエッジ、本実施例の場合は凸部１０の角の部分を含む上
面となるが、これをはんだ８に押し付けた。まずはんだ溶融前に、５０００Ｎの荷重を基
板厚さ方向に負荷し、凸部１０をはんだ８にめり込ませた。これが図２（ｂ）である。
【００３９】
更に、荷重を負荷したまま加熱し、はんだの融点以上まで加熱した。はんだは溶融し、
溶融したはんだ８が第１のメタライズ２および第２のメタライズ５へ濡れ広がる。この状
態が図２（ｃ）である。
【００４０】
そして、凹部およびその間の凸部は、ＭＥＭＳ機能素子の外周を取り囲むように形成さ
れているので、凹部（凸部）の側面にはんだが濡れ広がることにより、ＭＥＭＳ機能素子
の外周に連続したはんだによる気密封止構造が形成される。この状態が図２（ｄ）である
。
【００４１】
本実施例では、メタライズとＳｉ基板との密着状態を確認するために、
１）メタライズとＳｉ基板との密着性。
２）第１のＳｉ基板１と第２のＳｉ基板４をはんだ接合したときの剥離強度。
を評価した。図３は、本実施例に用いたアルミナ層とメタライズの層構造を示す模式図で
あり、図３（ａ）は、Ｓｉ基板とメタライズとの間に、アルミナ層を設けたもの。図３（
ｂ）は、表面にＳｉＮもしくはＳｉＯ２を設けたＳｉ基板とメタライズとの間に、アルミ
ナ層を設けたものである。密着性の評価にはテープ剥離試験を行い、剥離強度の評価には
シェア試験を行った。
【００４２】
テープ剥離試験は、平坦なＳｉ基板上にアルミナ層とメタライズを形成したものに、ル
ーターを使って６本のクロスカットを５ｍｍ間隔で入れ、密着力２．８Ｎ／ｃｍ２の粘着
テープをクロスカット面に密着させて、できるだけ６０°に近い角度でテープの端部を引
き剥がす、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＫ５６００−５−６）のクロスカット法に準じて行い、ク
ロスカット部の膜剥面積比率からメタライズの密着性を評価した。膜の密着性は、同条件
で１０回の評価を行った結果の平均で判断を行った。
【００４３】
シェア試験は、図２で示した凹部９と凸部１０の接合断面を有する評価チップを作成し
、接合部をせん断するのに必要な力を測定することで評価を行った。シェア試験結果は、
同条件で１０回の評価を行った結果の平均で評価を行った。
【００４４】
シェア試験に供した評価チップは、第１のメタライズ２上にＡｕ−Ｓｎはんだ８を形成
した第１のＳｉ基板１と、第２のメタライズ５を形成した第２のＳｉ基板４とを、治具に
仮固定してから接合装置のチャンバ内にセットし、基板厚さ方向に３０００Ｎの荷重を負
荷しながらＡｕ−Ｓｎはんだの融点以上に加熱して、第１のＳｉ基板１と第２のＳｉ基板
４を接合したものをダイシングにより、チップに個片化したものである。個々の評価チッ
プのサイズは、１．１８ｍｍ×１．３２ｍｍとし、評価チップのメタライズ面積は、０．
００７８ｍｍ２とした。
【００４５】
本実施例では、比較例として、図４に示されるようなアルミナ層とメタライズの層構造
についても、密着性と剥離強度を実施例と同じ方法で評価した。図４（ａ）は、特許文献
１で開示されている、Ｓｉ基板上に直接メタライズを形成したもの。図４（ｂ）は、表面
にＳｉＮもしくはＳｉＯ２を設けたＳｉ基板にメタライズを形成したものである。
【００４６】
図５に、テープ剥離試験による密着性評価と、シェア試験による剥離強度評価結果を示
す。
【００４７】
実施例の条件番号１〜５は、図３（ａ）の層構造についての評価結果である。いずれの
テープ剥離試験結果も剥離面積が１０％以下と良好であり、特に、アルミナ層の厚さが２
０ｎｍ以上の条件では、剥離面積が５％以下と非常に良好であった。シェア試験結果は、
アルミナ層の厚さが１０ｎｍの条件では、シェア強度が１．５ｋｇｆとやや劣るものの、
アルミナ層の厚さが２０ｎｍ以上の条件では、シェア強度が２．５ｋｇｆとなった。シェ
ア強度２．５ｋｇｆの評価チップはＳｉ基板自体が破壊しており、Ｓｉ基板接合面からの
剥離は生じなかった。従って、メタライズの下層にアルミナ層を設けたＳｉ基板どうしは
、はんだを介して強固に接合されていることが確認できた。
【００４８】
実施例の条件番号６、７は、図３（ｂ）の層構造についての評価結果である。いずれの
テープ剥離試験結果も剥離面積が５％以下と非常に良好であった。シェア試験結果も、シ
ェア強度が２．５ｋｇｆとなり、評価チップはＳｉ基板自体が破壊してＳｉ基板接合面か
らの剥離は生じなかった。従って、メタライズの下層にアルミナ層を設け、表面にＳｉＮ
もしくはＳｉＯ２を設けたＳｉ基板どうしは、はんだを介して強固に接合されることが確
認できた。
【００４９】
比較例の条件番号１、２は、図４（ａ）の特許文献１に開示された層構造の評価結果で
ある。Ｃｒ膜厚が５０ｎｍのメタライズでは、テープ剥離試験で３５％以上の広い面でメ
タライズの剥離が確認できた。剥離界面を調べたところ、Ｓｉ基板とメタライズのＣｒ膜
間であった。Ｃｒ膜厚を４５０ｎｍに厚くしたところ、テープ剥離試験結果は若干改善し
たものの、２５％の広い面積が剥離した。シェア強度はいずれの条件も１ｋｇｆ未満と非
常に小さいものであり、Ｓｉ基板とメタライズのＣｒ膜との間で剥離を生じた。実施例の
条件番号１〜５の結果と、比較例の条件番号１、２の結果を比較して、メタライズの下層
にアルミナ層を設けることで、メタライズはＳｉ基板と強固に密着し、Ｓｉ基板どうしは
強固に接合されることが確認できた。
【００５０】
比較例の条件番号３は、図４（ｂ）のメタライズ構成についての評価結果である。テー
プ剥離試験、シェア試験ともに、表面にＳｉＮもしくはＳｉＯ２を設けたＳｉ基板とメタ
ライズとの密着性が劣る結果になった。実施例の条件番号６、７の結果と、比較例の条件
番号３の結果を比較して、メタライズの下層にアルミナ層を設けることで、メタライズは
表面にＳｉＮもしくはＳｉＯ２を設けたＳｉ基板と強固に密着し、Ｓｉ基板どうしは強固
に接合されることが確認できた。
【００５１】
（実施例２）
次に、本発明の第２の実施例を図１、図６、図７を用いて説明する。本実施例は、実施
例１のアルミナ層とメタライズの層構造を適用したＭＥＭＳ機能素子パッケージについて
、気密封止性を評価したものである。
【００５２】
本実施例のＭＥＭＳ機能素子パッケージでは、図１の第１のＳｉ基板１として下面にガ
ラス基板を接合したＳＯＩ基板を使用し、機能素子３としてピエゾ抵抗型の加速度センサ
を形成した。ピエゾ抵抗型の加速度センサの動作原理や従来の実装構造については多くの
文献で説明されているので、ここでは省略する。
【００５３】
図６に、本実施例で形成したピエゾ抵抗型の加速度センサの断面図を示す。図６（ａ）
は、Ｓｉキャップ基板１９とＳＯＩ基板１１が接合される前の状態であり、図６（ｂ）は
接合後の状態である。
【００５４】
Ｓｉキャップ基板１９には、アルミナ層１５Ｂを下層に設けたメタライズ１４Ｂ上に、
Ａｕ−Ｓｎはんだ２０を形成し、同時にキャビティ２１を形成した。
【００５５】
ＳＯＩ基板１１には、凹部１２が二列形成し、その上にメタライズ１４Ａを形成した。
そして、凹部１２の内側には、ピエゾ素子１６、配線１７を形成した。ＳＯＩ基板１１の
下面には、ガラス基板１８を接合し、ピエゾ抵抗型加速度センサの可動部として錘２４を
形成した。
【００５６】
また、ＳＯＩ基板１１には、凹部１２より内側（ピエゾ素子１６側）に電極メタライズ
１３を設けた。この電極メタライズ１３の下には、貫通電極２２を形成し、電極２３に繋
げた。
【００５７】
Ｓｉキャップ基板１９とＳＯＩ基板１１は、正確に位置を合わせて仮固定した後、接合
装置のチャンバ内のヒータ上にセットし、Ｎ２ガスで満たした雰囲気中で接合処理を行っ
た。接合は、５０００Ｎの荷重を基板厚さ方向に負荷し、はんだの熔融点以上まで加熱し
て行った。接合後のＳｉ基板は、評価チップとしてダイシングにより個片化した。個々の
評価チップサイズは、１．１８ｍｍ×１．３２ｍｍで、評価チップのメタライズ面積は、
０．００７８ｍｍ２とした。
【００５８】
次に、評価チップを高温高湿試験に供して、パッケージの気密封止が十分であるか否か
を評価した。評価は、各条件１００個の評価チップを、８５℃×８５％ＲＨの高温高湿槽
中に１０００時間放置し、放置後の評価チップの加速度センサ特性を評価した。
【００５９】
図７に、評価チップの高温高湿試験結果を示す。本実施例では、メタライズ１４Ａ、１
４Ｂとして、実施例１で評価に供した層構造を用いて評価を行った。
【００６０】
実施例の条件番号１〜５は、図３（ａ）のメタライズ構成についての評価結果である。
条件番号１のアルミナ層の厚さが１０ｎｍの条件では、１００素子中５素子のＮＧが見ら
れたものの、条件番号２〜５においてはいずれもＮＧチップの発生が見られず、気密封止
性は良好であることがわかった。
【００６１】
実施例の条件番号６，７は、図３（ｂ）のメタライズ構成についての評価結果である。
いずれの高温高湿信頼性試験結果もＮＧチップの発生は見られず、気密封止性は良好であ
ることがわかった。従って、メタライズの下層にアルミナ層を設け、表面にＳｉＮもしく
はＳｉＯ２を設けたＳｉ基板を用いて接合を行ったパッケージの気密封止性は良好である
ことが確認できた。
【００６２】
比較例の条件番号１、２は、図４（ａ）の特許文献１に開示されたメタライズ構成の評
価結果である。Ｃｒ膜厚保が５０ｎｍのメタライズでは、高温高湿信頼性試験で１００素
子中、感度異常のＮＧ素子が１０素子見られた。Ｃｒ膜厚４５０ｎｍに厚くしたところ、
高温高湿試験で１００素子中、感度異常のＮＧ素子が５素子見られた。ＮＧ素子のＳｉキ
ャップ基板１９とＳＯＩ基板１１を接合部から剥離して顕微鏡観察したところ、ＳＯＩ基
板１１表面に水分の侵入と見られる痕跡が観察された。以上から、実施例２の条件番号１
〜５の結果と、比較例の条件番号１、２の結果を比較して、メタライズ下層にアルミナ層
を設けたパッケージの気密封止性は良好であることが確認できた。
【００６３】
比較例の条件番号３は、図４（ｂ）のメタライズ構成についての評価結果である。高温
高湿試験の結果、１００素子中ＮＧ素子が１０素子見られた。ＮＧ素子のＳｉキャップ基
板１９とＳＯＩ基板１１を接合部から剥離して顕微鏡観察したところ、ＳＯＩ基板１１表
面に水分の侵入と見られる痕跡が観察された。以上から。実施例２の条件番号６、７の結
果と、比較例の条件番号３の結果を比較して、下層にアルミナ層を設けたパッケージの気
密封止性は良好であることが確認できた。
【符号の説明】
【００６４】
１ 第１のＳｉ基板、
２ 第１のメタライズ、
３ 機能素子、
４ 第２のＳｉ基板、
５ 第２のメタライズ、
６ 機能素子１個分のパターン、
７Ａ，７Ｂ アルミナ層、
８ はんだ、
９ 凹部、
１０ 凸部、
１１ ＳＯＩ基板、
１２ 凹部、
１３ 電極メタライズ、
１４Ａ，１４Ｂ メタライズ、
１５ アルミナ層
１６ ピエゾ素子、
１７ 配線、
１８ ガラス基板、
１９ Ｓｉキャップ基板、
２０ はんだ、
２１ キャビティ、
２２ 貫通電極、
２３ 電極、
２４ 錘。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能素子の外周に第１のメタライズが表面に施された第１のＳｉ基板と、前記第１のメ
タライズに対向する位置に第２のメタライズが表面に施された第２のＳｉ基板とを備え、
前記第１のＳｉ基板と前記第２のＳｉ基板とが前記第１のメタライズと前記第２のメタラ
イズとの間ではんだ接合され、前記機能素子が気密封止されていることを特徴とする機能
素子パッケージにおいて、
前記第１のＳｉ基板と第１のメタライズおよび前記第２のＳｉ基板と第２のメタライズと
の間に、アルミナ層が設けられていることを特徴とする機能素子パッケージ。
【請求項２】
前記第１のメタライズおよび前記第２のメタライズが、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｖなどの金属
の少なくとも一つを含む薄膜表面に、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄなどの金属の少なくとも一
つを含む薄膜が形成され、さらにその表面にＡｕ膜が形成された層構造であることを特徴
とする請求項１に記載の機能パッケージ。
【請求項３】
前記第１のＳｉ基板が、Ｓｉウェハまたは内部にＳｉＯ２絶縁層を有するＳｉ／ＳｉＯ
２／Ｓｉのサンドイッチ構造を有するウェハであることを特徴とする請求項１に記載の機
能素子パッケージ。
【請求項４】
前記はんだが、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ
、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉなどの合金を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の
機能素子パッケージ。
【請求項１】
機能素子の外周に第１のメタライズが表面に施された第１のＳｉ基板と、前記第１のメ
タライズに対向する位置に第２のメタライズが表面に施された第２のＳｉ基板とを備え、
前記第１のＳｉ基板と前記第２のＳｉ基板とが前記第１のメタライズと前記第２のメタラ
イズとの間ではんだ接合され、前記機能素子が気密封止されていることを特徴とする機能
素子パッケージにおいて、
前記第１のＳｉ基板と第１のメタライズおよび前記第２のＳｉ基板と第２のメタライズと
の間に、アルミナ層が設けられていることを特徴とする機能素子パッケージ。
【請求項２】
前記第１のメタライズおよび前記第２のメタライズが、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｖなどの金属
の少なくとも一つを含む薄膜表面に、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄなどの金属の少なくとも一
つを含む薄膜が形成され、さらにその表面にＡｕ膜が形成された層構造であることを特徴
とする請求項１に記載の機能パッケージ。
【請求項３】
前記第１のＳｉ基板が、Ｓｉウェハまたは内部にＳｉＯ２絶縁層を有するＳｉ／ＳｉＯ
２／Ｓｉのサンドイッチ構造を有するウェハであることを特徴とする請求項１に記載の機
能素子パッケージ。
【請求項４】
前記はんだが、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ
、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉなどの合金を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の
機能素子パッケージ。
【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２０１０−１６５７３１（Ｐ２０１０−１６５７３１Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４７９１（Ｐ２００９−４７９１）
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（５０６３３４１７１）トレックス・セミコンダクター株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（５０６３３４１７１）トレックス・セミコンダクター株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
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