気密封止パッケージ及びこの気密封止パッケージの製造方法
【課題】デバイス用ウエハと封止ウエハとを真空中で直接接合して成る気密封止パッケージにおいて、量産においても気密封止性と電気接続性とを安定に実現できる気密封止パッケージ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】水晶振動子１１の形成された素子用ウエハと封止用ウエハとを直接接合した気密封止パッケージ１０において、水晶振動子１１に電気信号の入出力を行う電極パッド１６について、封止用ウエハに隙間領域３４を介して対向するように形成する。また、この電極パッド１６と、封止用ウエハの貫通孔配線２２との間に反応金属層５を配置して、ウエハ同士を直接接合した後、これらウエハの外側から反応金属層５にエネルギーを供給して、反応金属層５を反応させる。
【解決手段】水晶振動子１１の形成された素子用ウエハと封止用ウエハとを直接接合した気密封止パッケージ１０において、水晶振動子１１に電気信号の入出力を行う電極パッド１６について、封止用ウエハに隙間領域３４を介して対向するように形成する。また、この電極パッド１６と、封止用ウエハの貫通孔配線２２との間に反応金属層５を配置して、ウエハ同士を直接接合した後、これらウエハの外側から反応金属層５にエネルギーを供給して、反応金属層５を反応させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイスの形成された領域を気密に封止した気密封止パッケージ及びこの気密封止パッケージの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水晶振動子や振動部分を有する振動子あるいはジャイロセンサ等のデバイスは、機械加工やウエットエッチング加工され、セラミックスパッケージや金属製パッケージに搭載されていたが、近年のデバイスの小型化、高性能化の要求に対応するために、デバイスをウエハレベルで製造し、その後個片化するという、いわゆるウエハレベルパッケージング技術によって製造する方法が注目されている。即ち、水晶振動子の場合には、水晶振動子が作り込まれた水晶ウエハと、これを気密封止するための２枚のキャップの役割を持つ封止ウエハとを互いに接合し、その後例えばダイシングなどにより個片化される。また、前記振動部分を有する振動子あるいはジャイロセンサなどのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子の場合には、素子の形成されたウエハを半導体加工技術を使ってウエハレベルで製造し、このウエハと封止ウエハを接合した後、同様に個片化される。
【０００３】
ここで、ウエハ接合には、金属やガラス、接着剤を用いてデバイスの形成されたウエハ（以下、「デバイス用ウエハ」と言う）と封止ウエハとを接合する「間接接合」と、陽極接合や表面活性化接合等の手法によりデバイス用ウエハと封止ウエハとを接合する「直接接合」とが知られている。一方、デバイスの電極パッド（入出力パッド）とパッケージ外部に設けられる端子との電気接続には、例えば特許文献１のように、デバイス用ウエハと封止ウエハとの間の接合境界部から横方向に取り出す構造と、例えば特許文献２、３に記載されているように、デバイス用ウエハあるいは封止ウエハの貫通孔を使って取り出す構造とがある。
【０００４】
電気接続を接合境界部から横方向に取り出すには、配線部と接合部に段差ができるので、ウエハ同士の接合には直接接合法を用いることができないばかりか、絶縁をとる必要があるので、低融点ガラスまたは絶縁性接着剤が採用される。しかしながら、ガラスや絶縁性接着剤は接合時に発生するアウトガスにより、デバイスの特性が変化してしまう、あるいは段差部にできやすい未接合部分からのリーク等、信頼性に乏しいという問題もある。
【０００５】
一方、貫通孔配線による電気接続と、例えばＡｕ（金）同士の接合やＡｕＳｎ（スズ）はんだ等の金属シールによる間接接合とを組み合わせた気密封止パッケージングでは、ウエハ同士を接合させるためには、前記金属シールをウエハの面内に亘って加圧及び溶融させる必要がある。そのため、この手法では高温及び高圧が必要になり、接合装置が大型化するのみならず、昇降温に長時間必要になるなど製造コストに課題があるばかりか、特に接合されるウエハ同士が互いに異なる材料で構成される場合、両者の熱膨張率差によって発生する熱応力のために、デバイスの特性が変化してしまう問題もある。
【０００６】
このように、低融点ガラスやはんだなどの金属をシールに使う間接接合には上述の課題があるため、貫通孔による配線引き出しと直接接合とを組み合わせた気密封止パッケージがいくつか提案されている。例えば、特許文献４には、貫通孔配線の先端部に導電性のバンプを設けた封止ウエハ（特許文献４ではイオン結合性材料のウエハ）と、デバイス用ウエハ（特許文献４では水晶振動子）とが水酸基結合を介した直接接合により接合されたパッケージ構造について記載され、さらに特許文献５〜７には、貫通孔配線の先端部に導電性のバンプを設けた封止ウエハ（特許文献５〜７では蓋ウエハ）と、デバイス用ウエハ（特許文献５〜７では水晶振動子）とが常温での直接接合により接合されたパッケージ構造について提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４８７５８
【特許文献２】特開２００６−１７３５９９
【特許文献３】特開２００９−５９９４１
【特許文献４】特開平６−３５０３７６
【特許文献５】特開２００９−２０１０６５
【特許文献６】特開２００９−２０１０６６
【特許文献７】特開２００６−２０１０６７
【特許文献８】特表２００４−５０１０４７
【特許文献９】特表２００６−５２８５５６
【特許文献１０】特表２００７−５０２２１４
【特許文献１１】特開２００６−５５９０９
【特許文献１２】特表２００７−５２０３５２
【特許文献１３】特開２００３−２４３５５０
【特許文献１４】特開２００９−２５５１４６
【特許文献１５】特表２００９−５１９８３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献４〜７のいずれのパッケージ構造においても、ウエハ同士の接合される領域には、接着の役割を果たす接着層（低融点ガラスや金属材料など）がないために、封止ウエハあるいはデバイス用ウエハに形成される、接合面との段差、あるいは貫通孔配線の先端部に設けられるバンプについて、夫々段差形成時、バンプ形成時に高さ寸法を精密にコントロールしておかないと、気密封止ができなかったり、電気接続が不完全だったりするという問題が生じる。
【０００９】
即ち、特許文献４の場合には、図４０（ａ）、（ｂ）に示すように、封止ウエハ１００の貫通孔配線１０１の先端部と封止面との段差寸法をｔ、デバイス用ウエハ１０２の電極パッド１０３の厚み寸法をｔ１、バンプ１０４の厚み寸法をｔ２とすると、ｔ＝ｔ１＋ｔ２でなければならない。更に、デバイス用ウエハ１０２の電極パッド１０３の表面、あるいはバンプ１０４の表面は、特別な処理を施さない限りミクロな凹凸があり、決して平坦な表面を有していない。従って、仮に電極パッド１０３の厚み寸法ｔ１やバンプ１０４の厚み寸法ｔ２をｔ＝ｔ１＋ｔ２を満足するように設定できたとしても、平坦でない（ミクロな凹凸がある）面同士の直接接合では、接合部でのコンタクトが不十分で良好な電気接続ができない。直接接合では、接合時に印加される圧力はそれ程大きくないので、バンプ１０４が大きく変形することは期待できない。
【００１０】
即ち、バンプ１０４の厚み寸法ｔ２が設計値よりも厚い（ｔ２＞ｔ−ｔ１）場合は気密封止不良（図４０（ｂ））、逆にバンプ１０４の厚み寸法ｔ２が設計値よりも薄い（ｔ２＜ｔ−ｔ１）場合は電気接続不良（図４０（ａ））が発生することになる。量産時に、封止ウエハ１００に設ける段差の寸法ｔ、並びに電極パッド１０３の表面やバンプ１０４の表面の平坦性を高めつつ、厚み寸法ｔ１、ｔ２を一定に揃えるのは困難であると言わざるを得ない。接合面との段差がデバイス用ウエハ１０２に形成される特許文献５〜７についても、全く同じことが言える。
【００１１】
特許文献８〜１０には、バルク材の接合に用いられる従来のロウ材あるいははんだの代替材料である反応性多層膜について記載されており、また特許文献１１〜１５には反応性多層フォイルやＭＥＭＳデバイスについて記載されているが、既述の問題については検討されていない。
【００１２】
本発明は、前記問題を解決し、特に、デバイス用ウエハ１０２と封止ウエハ１００とを真空中で直接接合して成る気密封止パッケージにおいて、量産においても気密封止性と電気接続性とを安定に実現できる気密封止パッケージ及びその製造方法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】
【００１３】
本発明の気密封止パッケージは、
デバイス素子の形成された素子用基板と絶縁体からなる封止用基板とを直接接合により互いに接合して、前記デバイス素子の置かれる領域を気密に封止した気密封止パッケージにおいて、
前記封止用基板に隙間領域を介して対向するように前記素子用基板に形成され、前記デバイス素子に対して電気信号の入出力を行うための電極パッドと、
前記電極パッドに対向する前記封止用基板に形成され、当該封止用基板の板厚方向に貫通するように形成された導電路と、
前記電極パッドと前記導電路との間に設けられ、前記素子用基板及び前記封止用基板が互いに封止された後、これら基板の外側から伝達されるエネルギーにより溶融して、前記電極パッドと前記導電路とを互いに電気的に接続するための金属層と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
前記気密封止パッケージは、以下の構成を採っても良い。即ち、前記金属層と、当該金属層に対向する前記電極パッドまたは前記導電路との間には、隙間領域が介在している構成。前記隙間領域の高さ寸法は、１μｍ以下である構成。前記デバイス素子は、前記素子用基板に平面的に複数箇所に形成されている構成。
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分と発熱反応を起こして当該金属層を溶融させる第２の金属成分と、を備えた反応金属層であり、
前記エネルギーは、これら第１の金属成分と第２の金属成分との発熱反応を開始させるためのものである構成。
前記反応金属層は、以下の（ａ）〜（ｆ）のいずれかを含む構成。
（ａ）第１の金属成分：ニッケル 第２の金属成分；アルミニウム
（ｂ）第１の金属成分：チタン 第２の金属成分；アルミニウム
（ｃ）第１の金属成分：ジルコニウム 第２の金属成分；アルミニウム
（ｄ）第１の金属成分：ハフニウム 第２の金属成分；アルミニウム
（ｅ）第１の金属成分：ニッケル 第２の金属成分；シリコン
（ｆ）第１の金属成分：ニオブ 第２の金属成分；シリコン
【００１５】
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分と共晶化する第２の金属成分と、を備えた共晶合金層であり、
前記エネルギーは、この共晶合金層を共晶温度以上に加熱するためのものである構成。
前記共晶合金層は、以下の（ａ）〜（ｋ）のいずれかの構成を含むか、あるいは（ｅ）の構成に加えて第３の金属成分として銅を含んでいる構成。
（ａ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：スズ
（ｂ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：シリコン
（ｃ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：ゲルマニウム
（ｄ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：銅
（ｅ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：銀
（ｆ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：亜鉛
（ｇ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：ビスマス
（ｈ）第１の金属成分：鉛 第２の金属成分：スズ
（ｉ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：ゲルマニウム
（ｊ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：シリコン
（ｋ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：亜鉛
【００１６】
前記電極パッド及び前記導電路の少なくとも一方は、第１の金属成分及び第２の金属成分のうち一方の金属成分を含み、
前記共晶合金層は、第１の金属成分及び第２の金属成分を備えていることに代えて、第１の金属成分及び第２の金属成分のうち他方の金属成分により構成されている構成。
【００１７】
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分よりも融点が高い第２の金属成分とを備えた前駆体層であり、
前記エネルギーは、この前駆体層を第１の金属成分の融点以上の温度に加熱して金属間化合物を形成するためのものである構成。金属間化合物を形成した後に行われる熱処理によって当該金属間化合物が溶融しないように、この金属間化合物の融点は、前記熱処理の加熱温度よりも高い構成。
前記前駆体層は、前記導電路及び前記電極パッドにおける互いに対向する面に各々形成された第２の金属成分を含む第２の金属層と、これら第２の金属層間に介在され、前記第１の金属成分を含む第１の金属層と、を備えている構成。
第１の金属成分は、インジウム及びスズの少なくとも一つであり、
第２の金属成分は、銅、銀、金及びニッケルのうち少なくとも一つである構成。
【００１８】
前記電極パッド及び前記導電路の少なくとも一方は、第２の金属成分により構成され、
前記前駆体層は、第１の金属成分及び第２の金属成分を備えていることに代えて、第１の金属成分からなる構成。
前記金属層は、第１の金属成分を含む第１の金属層と、第２の金属成分を含む第２の金属層と、を交互に積層した積層膜である構成。
前記金属層は、インジウム及びスズの少なくとも一方により構成され、
前記エネルギーは、この金属層を当該金属層の融点以上の温度に加熱するためのものである構成。
【００１９】
前記電極パッドと前記金属層との間、及び前記導電路と前記金属層との間の少なくとも一方には、導電膜により構成されたバッファ層が介在している構成。前記素子用基板と前記封止用基板とは、互いに同じ材質である構成。前記デバイス素子はＭＥＭＳ素子である構成。
前記デバイス素子は水晶振動子であり、
前記素子用基板は、当該素子用基板を板厚方向に貫通する貫通溝が前記水晶振動子の周囲を囲むように形成されると共に、この水晶振動子を側方側から片持ちないしは両持ちで支持する支持部を備え、
前記素子用基板における前記封止用基板と反対側の面には、前記貫通溝の周囲の領域に対して直接接合により周方向に亘って気密に接合されると共に、前記水晶振動子に対して隙間領域を介して対向する補助封止用基板が配置されている構成。前記エネルギーは、電気スパーク、レーザー光及びフラッシュ光の少なくとも１つである構成。
【００２０】
本発明の気密封止パッケージの製造方法は、
デバイス素子の形成された素子用基板と絶縁体からなる封止用基板とを直接接合により互いに接合して、前記デバイス素子の置かれる領域を気密に封止した気密封止パッケージの製造方法において、
前記素子用基板に前記デバイス素子を形成する工程と、
前記封止用基板に隙間領域を介して対向するように、前記デバイス素子に対して電気信号の入出力を行う電極パッドを前記素子用基板に形成する工程と、
前記電極パッドに対向する前記封止用基板に、当該封止用基板の板厚方向に貫通する導電路を形成する工程と、
前記電極パッドと前記導電路との間に金属層を配置する工程と、
次いで、前記素子用基板及び前記封止用基板を直接接合により互いに接合する工程と、
前記素子用基板及び前記封止用基板により封止された領域の外側からエネルギーを前記金属層に供給し、当該金属層を反応させて前記電極パッドと前記導電路とを互いに電気的に接続する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、デバイス素子の形成された素子用基板と絶縁体からなる封止用基板とを直接接合した気密封止パッケージにおいて、デバイス素子に対して電気信号の入出力を行う電極パッドについて、封止用基板に隙間領域を介して対向するように形成している。また、この電極パッドと、この電極パッドに対向するように封止用基板を板厚方向に貫通して設けられた導電路との間に金属層を配置して、前記基板同士を直接接合すると共に、素子用基板及び封止用基板により封止された領域の外側からエネルギーを供給して金属層を溶融させることによって、電極パッドと導電路とを互いに電気的に接続している。そのため、気密封止パッケージの気密性を確保しながら、電極パッドと導電路とを容易に導通させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における気密封止パッケージを示す分解斜視図である。
【図２】前記気密封止パッケージを示す縦断面図である。
【図３】前記気密封止パッケージを表面側から見た平面図である。
【図４】前記気密封止パッケージを裏面側から見た平面図である。
【図５】前記気密封止パッケージの一部を拡大して示す縦断面図である。
【図６】前記気密封止パッケージが形成される各ウエハを示す斜視図である。
【図７】前記気密封止パッケージの製造方法を示すフロー図である。
【図８】前記気密封止パッケージの製造方法を示す縦断面図である。
【図９】前記気密封止パッケージの製造方法を示す縦断面図である。
【図１０】前記気密封止パッケージの製造方法を示す縦断面図である。
【図１１】前記気密封止パッケージの製造方法を示す一部拡大縦断面図である。
【図１２】前記気密封止パッケージの反応金属層を反応させる装置の一例を示す縦断面図である。
【図１３】前記第１の実施の形態の他の例を示す一部拡大縦断面図である。
【図１４】前記第１の実施の形態の他の例を示す一部拡大縦断面図である。
【図１５】前記第１の実施の形態の他の例を示す一部拡大縦断面図である。
【図１６】前記第１の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図１７】前記第１の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図１８】前記装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１９】前記装置の他の例を示す縦断面図である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態における気密封止パッケージを示す分解斜視図である。
【図２１】前記第２の実施の形態の気密封止パッケージを示す平面図である。
【図２２】前記気密封止パッケージを示す縦断面図である。
【図２３】前記気密封止パッケージを示す縦断面図である。
【図２４】前記第２の実施の形態の気密封止パッケージの製造方法を示す縦断面図である。
【図２５】前記製造方法を示す縦断面図である。
【図２６】前記製造方法を示す断面図である。
【図２７】前記第２の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図２８】前記第２の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図２９】前記第２の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図３０】前記第２の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図３１】本発明の第３の実施の形態における気密封止パッケージを示す縦断面図である。
【図３２】前記第３の実施の形態における製造方法を示す縦断面図である。
【図３３】前記第３の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図３４】前記第３の実施の形態の他の例における製造方法を示す縦断面図である。
【図３５】本発明の記第４の実施の形態における気密封止パッケージを示す縦断面図である。
【図３６】前記第４の実施の形態における製造方法を示す縦断面図である。
【図３７】前記第４の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図３８】前記第４の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図３９】前記第４の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図４０】従来の気密封止パッケージを示す一部拡大縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［第１の実施の形態：水晶、反応金属層］
本発明の気密封止パッケージの第１の実施の形態について、図１〜図６を参照して説明する。図１〜図４は、第１の実施の形態における気密封止パッケージ１０であり、図６に示すように、デバイス素子である水晶振動子１１が形成された素子用ウエハ（水晶振動子ウエハ）２を封止用ウエハ１、３により上下から挟み込むように積層し、ウエハレベルで表面活性化接合のような接合法などにより互いに直接接合した後、個片化して形成した１チップを示している。以下に、これらウエハ（基板）１〜３の接合について詳述する前に、各々のウエハ１〜３の構成について簡単に説明する。尚、図５は、素子用ウエハ２の一部（後述の反応金属層５）を拡大して模式的に示しており、図６では、各々のウエハ１〜３について、図示の簡略化のため、一つの（中央部の）領域だけに気密封止パッケージ１０の形成領域を描画している。
【００２４】
始めに、３枚のウエハ１〜３のうち中央の素子用ウエハ２について説明する。このウエハ２は、水晶により構成されており、水晶振動子１１が例えば縦横に多数形成されている。即ち、各々の水晶振動子１１における表面側（封止用ウエハ１側）及び裏面側（封止用ウエハ３側）には、例えば多結晶の金（Ａｕ）などからなる励振電極１２ａ、１２ｂが夫々形成されており、図１中Ｙ方向を左右方向と呼ぶと、水晶振動子１１は、図１、図３及び図４に示すように、左側から片持ちの状態で支持されている。具体的には、素子用ウエハ２には、当該素子用ウエハ２を板厚方向に貫通する貫通溝１３が水晶振動子１１の周囲を囲むように形成されており、水晶振動子１１は、この貫通溝１３の外側の領域である枠状体１４から伸びる支持部１５により、左側において支持されている。この例では、支持部１５は、互いに離間するように２箇所に設けられている。
【００２５】
図１中Ｘ方向を前後方向と呼ぶと、水晶振動子１１よりも左側における素子用ウエハ２の表面側には、互いに前後方向に離間するように配置された電極パッド（入出力パッド）１６ａ、１６ｂが形成されており、これら電極パッド１６ａ、１６ｂは、夫々奥側及び手前側に配置されている。奥側の電極パッド１６ａは、２本の支持部１５、１５のうち奥側の支持部１５の表面側に形成された引き回し電極１７を介して、水晶振動子１１の表面側の励振電極１２ａに接続されている。電極パッド１６ａ、１６ｂの膜厚ｔ１は、図５に示すように、例えば０．５μｍとなっている。
【００２６】
電極パッド１６ｂの下方側における素子用ウエハ２には、図２に示すように、当該素子用ウエハ２を上下に貫通する開口部１８が形成されている。この電極パッド１６ｂは、図４に示すように、開口部１８内及び手前側の支持部１５の裏面側に形成された引き回し電極１７を介して、水晶振動子１１の裏面側の励振電極１２ｂに接続されている。電極パッド１６ａ、１６ｂ及び引き回し電極１７は、各々例えば多結晶の金などの導電性金属により構成されている。尚、図２は、気密封止パッケージ１０を図３におけるＡ−Ａ線にて切断した縦断面図を示している。
【００２７】
続いて、上側の封止用ウエハ１及び下側の封止用ウエハ３について説明する。これら封止用ウエハ１、３は、各々水晶により構成されており、図１及び図２に示すように、水晶振動子１１（励振電極１２ａ、１２ｂ）や電極パッド１６ａ、１６ｂに接触しないように、これら水晶振動子１１及び電極パッド１６ａ、１６ｂに対向する領域が窪んで凹部（キャビティ）２１をなしている。この凹部２１の高さ寸法ｔは、図５に示すように、例えば１０μｍとなっている。封止用ウエハ３は、補助封止用基板をなしている。
【００２８】
封止用ウエハ１における既述の電極パッド１６ａ、１６ｂに各々対向する位置には、当該封止用ウエハ１を板厚方向に貫通するように、例えば銅（Ｃｕ）などにより構成された貫通孔配線２２、２２が導電路として形成されている。これら貫通孔配線２２、２２の上端部は、封止用ウエハ１の上面において気密封止パッケージ１０を外部の電子部品に接続するために形成された接続電極２３、２３に各々接続されている。そして、貫通孔配線２２の下方側には、図２に示すように、素子用ウエハ２の電極パッド１６に対向するように、本発明の要部の一部である既述の反応金属層５がバンプとして配置されている。
【００２９】
この反応金属層５は、外部より供給される電気スパーク、レーザー光やフラッシュ光のエネルギーによって容易に反応して発熱反応を起こし、溶融する物質により構成されている。そして、反応金属層５のある一部が反応すると、この反応により発生した反応熱が当該反応金属層５における他の部位に速やかに伝達され、反応が当該反応金属層５の全体に亘って進行する。この反応金属層５は、図５の下側に拡大して示すように、具体的には例えばチタン（Ｔｉ）からなる第１の金属膜（第１の金属成分）３１と、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる第２の金属膜（第２の金属成分）３２と、からなる積層膜３３が１〜１００層この例では９３層もの多層に亘って積層されて構成されている。これら金属膜３１、３２の各々の膜厚ｄ１、ｄ２は、各々１〜１００ｎｍこの例では５０ｎｍとなっている。従って、反応金属層５の膜厚ｔ２は、例えば９．３μｍ（＝（５０ｎｍ＋５０ｎｍ）×９３層）となっている。また、積層膜３３の膜厚（金属膜３１、３２の周期長）ｄは、例えば２〜２００ｎｍこの例では１００ｎｍとなっている。反応金属層５を平面的に（Ｘ−Ｙ平面で）見た時の面積は、例えば４０，０００μｍ２となっている。
【００３０】
ここで、図５の上側に示すように、反応金属層５と電極パッド１６との間には、高さ寸法Δｔ（Δｔ＝ｔ−ｔ１−ｔ２）の隙間領域３４が介在している。高さ寸法Δｔは、この例では０．２μｍ（＝１０μｍ−０．５μｍ−９．３μｍ）となっている。従って、各々のウエハ１〜３を互いに接合しただけでは、貫通孔配線２２と電極パッド１６とが導通していない状態となっている。このような隙間領域３４を形成した理由について、気密封止パッケージ１０の作製方法と共に図７〜図１１を参照して以下に詳述する。尚、図８〜図１１では、ある一つの気密封止パッケージ１０に着目して図示しているが、実際には気密封止パッケージ１０は、既述のようにウエハレベルで多数作製され、その後個片化される。
【００３１】
先ず、図８に示すように、各々のウエハ１〜３を個別に作製する（ステップＳ１１）。具体的には、封止用ウエハ１、３については、例えば水晶インゴットから切り出して研磨された後の水晶板に対して、フォトレジストマスクを用いたフォトリソグラフィー及びウエットエッチングやドライエッチングにより凹部２１を各々形成する。また、上側の封止用ウエハ１については、凹部２１を形成した後、同様にフォトリソグラフィー及びエッチングにより貫通孔を形成すると共に、当該貫通孔内に例えば無電解メッキにより貫通孔配線２２を埋め込む。そして、フォトリソグラフィー及びスパッタなどにより、封止用ウエハ１の表面側に接続電極２３を形成する。
【００３２】
続いて、例えば公知のデュアルソースマグネトロンスパッタ装置を用いて、封止用ウエハ１における貫通孔配線２２の下面に、既述の反応金属層５を積層する。具体的には、反応金属層５の形成される領域以外に例えば有機物からなるマスクの形成された封止用ウエハ１について、例えば当該領域が上側（スパッタ源側）を向くように、封止用ウエハ１を前記装置の真空容器内に載置する。次いで、前記真空容器内を真空雰囲気に設定した後、第１の金属ターゲットからなるスパッタ源と第２の金属ターゲットからなるスパッタ源とを順次切り替えて、既述の第１の金属膜３１と第２の金属膜３２とを交互に積層する。その後、例えば有機溶媒に封止用ウエハ１を浸漬して、マスクと共に当該マスク上に堆積した余分な金属膜を除去する。
【００３３】
また、素子用ウエハ２については、フォトリソグラフィー及びエッチングにより水晶板に貫通溝１３及び開口部１８を形成し、例えば無電解メッキにより開口部１８内に引き回し電極１７の一部となる金属体を埋め込む。次いで、素子用ウエハ２の表面に例えば有機物からなる塗布膜を形成し、この塗布膜に対して電極パッド１６、引き回し電極１７及び励振電極１２ａの配置される領域が露出するようにパターニングしてフォトレジストマスクを形成する。続いて、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やスパッタ法などを用いて金からなる金属膜を素子用ウエハ２の表面に成膜して、その後リフトオフ法により余剰な金属膜をフォトレジストマスクと共に除去する。素子用ウエハ２の裏面側についても、同様に引き回し電極１７及び励振電極１２ｂを形成する。
【００３４】
次いで、以上作製した各ウエハ１〜３を互いに直接接合する（ステップＳ１２）。具体的には、各々のウエハ１〜３において互いに接合される面を各々清浄化し、真空雰囲気中において上側のウエハ１と中央のウエハ２とを直接接合させた後、上側のウエハ１と中央のウエハ２とが接合した状態の積層ウエハと下側のウエハ３とを順次接合し、ウエハ１〜３が接合された積層ウエハ４を得る。即ち、封止用ウエハ１の下面における凹部２１の外周面と素子用ウエハ２の枠状体１４の上面とを接合させると共に、素子用ウエハ２の枠状体１４の下面と封止用ウエハ３の上面における凹部２１の外周面とを接合させる。この時、反応金属層５と電極パッド１６との間に既述の隙間領域３４が介在しているので、これら反応金属層５及び電極パッド１６が衝突（干渉）せずに、封止用ウエハ１と素子用ウエハ２とが互いに接触する。
【００３５】
上記の直接接合は、例えば表面活性化接合法により行う。具体的には、真空中で、接合面同士を対向させた状態で、接合面に向かってイオンビームあるいは中性子ビームを照射し、対向する接合面を清浄化する。その後、接合面パターンのアライメントを行い、直ちに２つのウエハを接合させる。接合時には、５〜２０ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力を印加するものの、加熱は不要である。この接合法では、ウエハ材料の破壊強度に匹敵する接合強度が得られる。また、接合するウエハ材料同士が異なっていても、熱膨張率差に由来する熱応力が発生しないため、接合によるデバイス特性の劣化がない。こうして図９に示すように、各ウエハ１〜３同士が互いに直接接合されて、各々の水晶振動子１１の置かれる領域が真空雰囲気となるように気密封止パッケージ１０が気密に封止される。この時、既に詳述したように、反応金属層５と電極パッド１６とは電気的に接触していない状態となっている。
【００３６】
続いて、図１０に示すように、例えば貫通孔配線２２の上方側における接続電極２３に対して、電気スパーク、レーザー光あるいはフラッシュ光（紫外線から可視光までの波長の光）などのエネルギーこの例では電気スパークを供給する。このエネルギーは、接続電極２３及び貫通孔配線２２を介して反応金属層５に到達し、当該反応金属層５が発熱反応を起こし、例えば１５００℃程度の温度に速やかに加熱する。既述のように、反応金属層５は外部からの刺激を受けて瞬間的に且つ局所的に発熱反応を起こして溶融するために、該反応金属層５の上下に配置された貫通孔配線２２並びに電極パッド１６ｂ材料を巻き込んで溶融する。
【００３７】
すなわち、反応金属層５が上下方向に亘って溶融すると、当該反応金属層５は、表面張力により球状になろうとする。従って、この反応金属層５の下端部は、下方側に向かって盛り上がっていき、既述の隙間領域３４を通過して電極パッド１６に到達する。そして、この反応金属層５の反応により発生した熱により、貫通孔配線２２の下端部及び電極パッド１６の上端部についても溶融するので、反応金属層５の反応終了時には、これら反応金属層５、貫通孔配線２２の下端部及び電極パッド１６の上端部は、図１１に示すように、互いに合金化して合金層６として一体化する（ステップＳ１３）。
【００３８】
従って、既述の接続電極２３、２３は、水晶振動子１１に対する電気信号の入力と、この入力信号に基づいて水晶振動子１１が発振して得られる発振信号の出力と、を行うことができるように、貫通孔配線２２、合金層６、電極パッド１６ａ、１６ｂ及び引き回し電極１７を介して、水晶振動子１１の励振電極１２ａ、１２ｂに電気的に接続される。その後、例えばダイシングなどにより、各々の気密封止パッケージ１０が個片化される（ステップＳ１４）。
【００３９】
ここで、既述の電気スパークを気密封止パッケージ１０（接続電極２３）に供給する装置について、図１２を参照して簡単に説明する。この装置は、積層ウエハ４を載置するテーブル４１と、このテーブル４１を収納する処理容器４２と、を備えている。処理容器４２の天井面には、積層ウエハ４に対して電気スパークを供給するための点火電極（イグニッション）４３が支持部材４４により昇降自在に設けられており、この点火電極４３には、スイッチ４５を介して高圧電源部４６が接続されている。そして、前記テーブル４１の下方側には、縦横に配置されたＸレール及びＹレールからなる駆動部４７が処理容器４２の床面に配置されており、この駆動部４７によって、点火電極４３に対して積層ウエハ４における各々の気密封止パッケージ１０が相対的に走査されるように、テーブル４１が水平方向に移動自在に構成されている。図１２中４８は、処理容器４２の搬送口４９の開閉を行うシャッターである。
【００４０】
この装置において既述の反応金属層５を反応させる時には、処理容器４２内に積層ウエハ４を搬入してテーブル４１上に載置する。次いで、積層ウエハ４上のある気密封止パッケージ１０が点火電極４３の下方側に位置するようにテーブル４１を移動させると共に、当該気密封止パッケージ１０の接続電極２３に点火電極４３を接触させる。続いて、スイッチ４５を閉状態にして、高圧電源部４６から例えば数百ｍＡ程度の電流を点火電極４３を介して接続電極２３に供給すると、この点火電極４３と接続電極２３との間に電気スパークが発生し、既述のように反応金属層５が反応して合金層６が形成される。こうしてテーブル４１を移動させながら各々の気密封止パッケージ１０に対して順次電気スパークを供給することにより、面内に亘って合金層６が形成される。
【００４１】
上述の実施の形態によれば、水晶振動子１１の形成された素子用ウエハ２と封止用ウエハ１、３とを直接接合した気密封止パッケージ１０において、水晶振動子１１に電気信号の入出力を行う電極パッド１６について、封止用ウエハ１に隙間領域３４を介して対向するように形成している。また、この電極パッド１６と、封止用ウエハ１の貫通孔配線２２との間に反応金属層５を配置して、ウエハ１〜３同士を直接接合した後、これらウエハ１〜３の外側から反応金属層５にエネルギーを供給して、反応金属層５を反応させている。そのため、気密封止パッケージ１０を気密に封止した状態で貫通孔配線２２、電極パッド１６及び反応金属層５を合金化できるので、気密封止パッケージ１０の気密性を確保しながら、貫通孔配線２２と電極パッド１６とを容易に電気的に接続できる。
【００４２】
本発明のポイントは、封止用ウエハ１側に形成される、接合面との段差部（凹部２１）で、素子用ウエハ２上の電極パッド１６と、封止用ウエハ１側に設けられる貫通孔配線２２との間に反応金属層５を有し、該反応金属層５は、ウエハ１〜３接合直後においては、外部着火源により発熱反応を起こす２つの金属膜３１、３２が交互に積層された反応金属層５であって、該反応金属層５の厚さ寸法ｔ２が、封止用ウエハ１側に形成される、接合面との段差ｔ、素子用ウエハ２上の電極パッド１６の厚さ寸法ｔ１とした時、ｔ２≦ｔ−ｔ１であることを特徴とし、真空中でのウエハ１〜３の直接接合後に行われる外部からの着火処理によって、貫通孔配線２２の接合部に接する部分、反応金属層５、そして素子用ウエハ２の電極パッド１６に亘る領域が、貫通孔配線２２を構成する材料と、反応金属層５を形成する材料、ならびに素子用ウエハ２上の電極パッド１６の材料とが溶融して成る合金層６となっていることを特徴とする。
【００４３】
本発明の意図するところは、水晶振動子１１が作り込まれた素子用ウエハ２と、この素子用ウエハ２を気密封止するためのキャップの役割を持つ封止用ウエハ１、３とを互いに接合するにあたり、従来は、気密封止接合と貫通孔配線２２による電気接続を同時に行っていたのに対し、本発明では、直接接合による気密封止を優先的に行い、直接接合による気密封止完了後に、貫通孔配線２２と素子用ウエハ２上の電極パッド１６との間の電気的接続を行う、というものである。即ち、直接接合による気密封止を優先するために、電気接続部は、ｔ≧ｔ１＋ｔ２を満足するように設定する。このため、ウエハ１〜３を接合した後は、気密封止性は確保されるものの、電気的には接続不良状態である。貫通孔配線２２と素子用ウエハ２側の電極パッド１６との間に配置した反応金属層５は、外部着火源により発熱反応を起こし、瞬間的且つ局所的に高温となって、反応金属層５を構成する第１の金属膜３１及び第２の金属膜３２のみならず、両側の貫通孔配線２２及び電極パッド１６と共に溶融、合金化が起こるために、貫通孔配線２２と電極パッド１６とを電気的に接続できる。
【００４４】
この時、素子用ウエハ２における電極パッド１６の形成や、封止用ウエハ１、３の凹部２１の形成、ならびに反応金属層５の積層の各製造工程のばらつきを考慮すると、ｔ＝ｔ１＋ｔ２を満足するように工程管理することは困難であるが、ｔ＞ｔ１＋ｔ２を満たすような工程管理は容易である。従って、反応金属層５を用いることにより、気密封止パッケージ１０を容易に製造できる。
【００４５】
また、反応金属層５が容易に反応して発熱反応を起こすことから、当該反応金属層５を反応させるにあたって、励振電極１２、電極パッド１６及び引き回し電極１７が溶融してしまう程あるいは水晶振動子１１の特性が劣化してしまう程の大きなエネルギーを加える必要がない。そのため、水晶振動子１１の特性劣化を抑えながら、またこれら励振電極１２、電極パッド１６及び引き回し電極１７の形状を保ったままで、接続電極２３と励振電極１２とを電気的に接続できる。また、反応金属層５が容易に反応することから、またウエハ１〜３を加圧する必要がないことから、気密封止パッケージ１０を作製する装置（直接接合装置、スパッタ装置、図１２のスパークを生成させる装置）の構成を簡略化できる。
【００４６】
ここで、反応金属層５について補足する。この反応金属層５は、反応性多層膜、反応性多層フォイル、あるいは反応性多層箔などとも呼ばれており、既述の背景の欄で述べた特許文献８〜１０に記載されているように、バルク材の加熱が必要であった従来のロウ材やはんだの代替となる材料であり、室温下であっても、接合したいバルク材料の間に反応性多層膜のフィルムを挟み、バルク材を両側から押圧し、反応性多層膜に着火することで、発熱反応が瞬時に伝搬し、局所的に温度が上がり接合を行うことができる。一方、本発明では、反応金属層５をウエハ１〜３同士の接合に用いるのではなく、電気接続部を溶融するための熱源に用いている。そのため、外部着火時に、反応金属層５が両側から押圧されている必要はない。
【００４７】
［第１の実施の形態の変形例］
続いて、第１の実施の形態の変形例について、図１３〜図１７を参照して以下に説明する。尚、以降の図１３〜図１７において、既述の第１の実施の形態と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略する。
【００４８】
図１３は、反応金属層５を電極パッド１６上に配置した例を示している。また、図１４は、反応金属層５を電極パッド１６上に配置すると共に、当該反応金属層５と電極パッド１６との間に、膜厚寸法ｔ３が例えば０．５μｍの第１のバッファー層５１を設けた例を示している。この第１のバッファー層５１は、電極パッド１６と反応金属層５との密着性を高める、あるいは反応金属層５が発熱反応を起こす際に、電極パッド１６と反応金属層５との合金化を促進する役割を持つ。従って、第１のバッファー層５１は、電極パッド１６と合金を形成しやすい材料により構成され、例えば電極パッド１６が金の場合には、シリコンあるいは金を含む合金（例えば金−スズ合金、金−ゲルマニウム合金など）またはアルミニウムなどが用いられる。
【００４９】
この例では、反応金属層５が反応すると、貫通孔配線２２、反応金属層５、第１のバッファー層５１及び電極パッド１６が溶融して合金化し、既述の第１の実施の形態よりも反応金属層５と電極パッド１６との合金化反応が容易に起こる。この場合には、電気スパークのエネルギーは、接続電極２３、貫通孔配線２２及び貫通孔配線２２と反応金属層５との間の隙間領域３４を介して反応金属層５に伝達される。
【００５０】
図１５は、既述の図１４における第１のバッファー層５１に加えて、例えば金、金−スズ合金あるいはシリコンなどからなる第２のバッファー層５２を貫通孔配線２２の下面側に形成した例を示している。この第２のバッファー層５２は、厚さ寸法ｔ４がｔ≧ｔ１＋ｔ２＋ｔ４となるように形成されており、反応金属層５が発熱反応を起こす際に、貫通孔配線２２と反応金属層５との合金化を促進する役割を持つ。この例では、反応金属層５が発熱反応を起こすと、電極パッド１６、貫通孔配線２２、第１のバッファー層５１及び第２のバッファー層５２が溶融して合金化する。この時、第１のバッファー層５１を設けずに、第２のバッファー層５２を配置しても良い。
【００５１】
図１６は、封止用ウエハ１、３に凹部２１を設けることに代えて、素子用ウエハ２側に凹部２１を設けた例を示している。即ち、封止用ウエハ１、３は、各々平板状に形成され、素子用ウエハ２は、表面側及び裏面側が各々逆メサ状に加工されて各々凹部２１、２１が形成されている。図１７は、封止用ウエハ１については平板状に形成すると共に、素子用ウエハ２及び封止用ウエハ３については表面側に各々凹部２１を形成した例を示している。即ち、各ウエハ１〜３は、反応金属層５、電極パッド１６、バッファー層５１、５２が封止用ウエハ１と素子用ウエハ２との接触（接合）を阻害しないように、反応金属層５と貫通孔配線２２または電極パッド１６との間に隙間領域３４が介在するように形成される。これら図１６及び図１７の各例についても、貫通孔配線２２と電極パッド１６との間に第１のバッファー層５１や第２のバッファー層５２を設けても良い。
【００５２】
また、以上の各例では、素子用ウエハ２において２つの電極パッド１６ａ、１６ｂを各々封止用ウエハ１側（上方側）に配置したが、例えば一方の電極パッド１６ｂについては封止用ウエハ３側（下方側）に配置すると共に、当該電極パッド１６ｂに対して反応金属層５を介して対向するように、封止用ウエハ３に貫通孔配線２２を形成しても良い。
更に、水晶振動子１１を左側から支持部１５によって片持ちで支持したが、当該水晶振動子１１の右側にも支持部１５を形成し、いわば水晶振動子１１を両持ちで支持するようにしても良い。
【００５３】
ここで、反応金属層５の発熱反応を引き起こす外部着火源としては、既述の電気スパークを発生させる装置以外にも、レーザ光やパルス状の温度変化を与える装置を用いても良い。以下に、このような装置について説明する。尚、既述の図１２と同じ構成の部位については同じ符号を付して説明を省略する。
【００５４】
図１８は、積層ウエハ４に対してレーザー光を照射する装置を示しており、既述の図１２に示した装置における点火電極４３に代えて、レーザ光を照射する照射部６１を設けた例を示している。図１８中、６２はレーザー光の発振部である。この装置では、積層ウエハ４をテーブル４１に載置すると共に、接続電極２３に対してレーザー光を照射すると、接続電極２３及び貫通孔配線２２を介してレーザー光の熱が反応金属層５に伝達され、当該反応金属層５が既述のように反応する。そして、既述の例と同様に、照射部６１に対して積層ウエハ４が相対的にスキャンされる。
【００５５】
図１９は、積層ウエハ４に対してＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）する装置を示しており、既述の図１２の装置における点火電極４３に代えて、処理容器４２の上方側には、紫外線から可視光までの波長のフラッシュ光を下方側に向けて照射するためのフラッシュランプ６３が設けられている。このフラッシュランプ６３の下方側における処理容器４２の天井面には、例えばガラスや石英などからなる透明窓６４が配置されている。
この装置では、テーブル４１に積層ウエハ４を載置して、次いで積層ウエハ４にフラッシュ光を照射すると、当該積層ウエハ４上の反応金属層５が面内に亘って一括して反応する。
【００５６】
［第２の実施の形態：ＭＥＭＳ、反応金属層］
以上の各例では、デバイス素子として水晶振動子１１を例に挙げたが、第２の実施の形態では、このデバイス素子としてＭＥＭＳ素子７０を用いた例について説明する。このＭＥＭＳ素子７０についても、以下に説明するように、半導体加工技術を用いて各々作製された素子用ウエハ２と封止用ウエハ１とをウエハレベルで直接接合して、次いで反応金属層５を反応させた後、ダイシングなどにより個片化される。第２の実施の形態では、各ウエハ１、２は、各々多結晶シリコンにより構成されており、特に断らない限り、これらウエハ１、２により構成される部位についても同様に多結晶シリコンにより構成されているものとする。また、第１の実施の形態と同じ部位や工程については説明を省略する。
【００５７】
ＭＥＭＳ素子７０は、図２０〜図２３に示すように、概略円板状のディスク７１からなる振動体と、このディスク７１を振動させるために当該ディスク７１の側方側に配置された励振電極７２と、を備えている。ディスク７１の下面側中央部には、棒状に伸びる支持部７３の一端側が接続されており、この支持部７３の他端側は、素子用ウエハ２の表面において図２２中左右方向（Ｘ方向）に伸びる概略板状のバイアス電極７４に支持されている。尚、図２２は、図２１におけるＡ−Ａ線にて切断した縦断面を示している。このバイアス電極７４は、ディスク７１に対してバイアス用の電圧を印加するためのものであり、当該バイアス電極７４における右側の端部がディスク７１の下方領域よりも右側に伸び出している。バイアス電極７４の厚み寸法は、例えばｔ１この例では２μｍとなっている。バイアス電極７４と素子用ウエハ２との間には、例えば二酸化シリコンからなる絶縁膜（図示せず）が介在している。励振電極７２及びバイアス電極７４は、各々電極パッドをなす。尚、図２３は、図２１におけるＢ−Ｂ線にて切断した縦断面を示している。
【００５８】
既述の励振電極７２は、概略角柱状に形成されており、ディスク７１を挟んで前後方向（Ｙ方向）に相対向するように２箇所に設けられている。各々の励振電極７２、７２は、ディスク７１側の側面部がディスク７１の外縁に倣うように、またこの外縁との間に空隙７５が形成されるように、当該側面部が上下方向に亘って円弧状に切り欠かれている。ディスク７１の厚み寸法は、例えばＴ１となっている。各々の励振電極７２、７２と素子用ウエハ２との間には、図示しない絶縁膜が配置されている。
【００５９】
封止用ウエハ１は、図２１〜図２３に示すように、素子用ウエハ２におけるディスク７１及び励振電極７２、７２の形成された領域を収納するように、且つ当該領域の外側において周方向に亘って下端部が素子用ウエハ２と接触するように、下面側に凹部２１が形成されている。図２２において、例えば励振電極７２、７２における各々の左端の部位と封止用ウエハ１の下端面との間の寸法は例えばＴとなっており、バイアス電極７４の右端の部位と封止用ウエハ１の下端面との間の寸法は例えばｔこの例では１０μｍとなっている。
【００６０】
そして、前記部位に対向する封止用ウエハ１には、各々貫通孔配線２２が形成されており、これら貫通孔配線２２の下面側には、厚さ寸法がｔ２この例では７．８μｍの反応金属層５が各々設けられている。この例では、反応金属層５における第１の金属膜３１及び第２の金属膜３２は、夫々例えばチタン及びアルミニウムにより構成されている。これら金属膜３１、３２の膜厚ｄ１、ｄ２は、各々５０ｎｍとなっている。また、積層膜３３の繰り返し数は、７８となっている。
【００６１】
以上の凹部２１、励振電極７２、７２、バイアス電極７４及び反応金属層５は、各寸法がｔ２≦ｔ−ｔ１及びｔ２≦Ｔ−Ｔ１となるように形成されている。従って、反応金属層５と励振電極７２、７２との間及び反応金属層５とバイアス電極７４との間には、高さ寸法がΔｔ（Δｔ＝ｔ−ｔ１−ｔ２＝Ｔ−Ｔ１−ｔ２）の隙間領域３４が各々形成されている。貫通孔配線２２の上面側には、図２０に示すように、既述の接続電極２３が各々形成されている。
【００６２】
この第２の実施の形態において気密封止パッケージ１０を製造する時には、図２４に示すように、始めに各ウエハ１、２に対して半導体加工技術を用いて個別に作製する。具体的には、素子用ウエハ２については、インゴットから切り出して研磨したシリコンウエハに対して、多結晶シリコン膜や絶縁膜の成膜、フォトリソグラフィー、エッチング、犠牲膜の成膜及び熱酸化処理などを組み合わせて、既述のディスク７１や励振電極７２を作製する。また、封止用ウエハ１については、シリコンウエハに対して、同様にフォトリソグラフィー、エッチング、スパッタ及び電解メッキを組み合わせて、凹部２１、貫通孔配線２２、反応金属層５及び接続電極２３を形成する。この例では、貫通孔配線２２は、例えば銅（Ｃｕ）により構成される。
【００６３】
次いで、図２５に示すように、素子用ウエハ２と封止用ウエハ１とを真空雰囲気において互いに直接接合する。この時、励振電極７２、７２と反応金属層５との間及びバイアス電極７４と反応金属層５との間には、既述のように隙間領域３４が各々介在しているので、これら励振電極７２、７２、バイアス電極７４及び反応金属層５がウエハ１、２同士の接触に干渉せず（邪魔にならず）、従って貫通孔配線２２と励振電極７２、７２及びバイアス電極７４との間は電気的に導通していない。
【００６４】
続いて、ウエハ１、２同士を接合した積層ウエハ４に対して電気スパークなどのエネルギーを供給すると、図２６に示すように、反応金属層５が既述の例と同様に反応して、貫通孔配線２２と励振電極７２、７２及びバイアス電極７４とが互いに導通する。そして、面内に亘って反応金属層５を反応させた後、ダイシングなどによって気密封止パッケージ１０が個片化される。
【００６５】
こうして励振電極７２、７２に接続電極２３を介して交流電圧を印加すると共に、バイアス電極７４に接続電極２３を介して直流のバイアス電圧を印加すると、静電結合によってディスク７１がある周波数において輪郭振動で振動する。そして、ディスク７１の振動は、静電結合を介して励振電極７２、７２から電気信号として取り出される。この第２の実施の形態においても、既述の各例と同様の効果が得られる。
【００６６】
第２の実施の形態についても、図２７のように、反応金属層５を素子用ウエハ２側に配置しても良いし、図２８及び図２９に示すように、貫通孔配線２２と励振電極７２、７２やバイアス電極７４との間に、バッファー層５１、５２を介在させても良い。第２のバッファー層５２は、この例ではチタン、クロム、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム、ジルコニウムあるいはタングステン（Ｗ）などにより構成される。また、図３０に示すように、封止用ウエハ１については平板状に形成しても良い。この場合には、素子用ウエハ２に凹部２１を形成すると共に、バイアス電極７４の表面の高さ位置が励振電極７２、７２の表面と高さ位置と同じ寸法となるように、当該バイアス電極７４の下方側に例えば絶縁体からなる支持部７６を配置する。
【００６７】
［その他の例］
反応金属層５における第１の金属膜３１と第２の金属膜３２としては、以下の（ａ）〜（ｆ）のいずれかを含むように構成される。従って、以下の（ａ）〜（ｆ）の積層膜３３の少なくとも２つを組み合わせて用いても良い。
（ａ）第１の金属膜：ニッケル 第２の金属膜；アルミニウム
（ｂ）第１の金属膜：チタン 第２の金属膜；アルミニウム
（ｃ）第１の金属膜：ジルコニウム（Ｚｒ） 第２の金属膜；アルミニウム
（ｄ）第１の金属膜：ハフニウム（Ｈｆ） 第２の金属膜；アルミニウム
（ｅ）第１の金属膜：ニッケル 第２の金属膜；シリコン
（ｆ）第１の金属膜：ニオブ（Ｎｂ） 第２の金属膜；シリコン
【００６８】
第１の金属膜３１及び第２の金属膜３２の膜厚については、互いに異なる膜厚に設定にしても良い。また、反応金属層５における各金属膜３１、３２の各層の膜厚、金属膜３１に対する金属膜３２の膜厚比、積層膜３３の積層枚数については、電極パッド１６の材質、膜厚ｔ１、貫通孔配線２２の材質、凹部２１の高さ膜厚ｔなどに依存して設計パラメータとして適宜選択される。また、反応金属層５の発熱反応によって当該反応金属層５や貫通孔配線２２あるいは電極パッド１６が昇温する温度は、前記金属膜３１、３２の組み合わせや、積層膜３３の繰り返し数及び反応金属層５の膜厚ｔ２に影響される。
【００６９】
ここで、反応金属層５の構成材料が同じであれば、積層膜３３の繰り返し数が多いほど、また膜厚ｔ２が厚いほど、当該反応金属層５の発熱反応により到達する温度が高くなるので、各金属膜３１、３２の膜厚を薄くすると共に、ｔ＜ｔ１＋ｔ２の範囲内で可能な限り、前記繰り返し数を多くすると共に、膜厚ｔ２を厚くすることが望ましい。
【００７０】
また、既述の例ではｔ２＜ｔ−ｔ１となるように凹部２１、反応金属層５及び電極パッド１６の各寸法を設定したが、膜厚ｔ１及びｔ２があまりにも小さすぎると、反応金属層５の溶融によっても貫通孔配線２２と電極パッド１６とをコンタクトさせにくくなってしまうことから、ｔａ＜ｔ１＋ｔ２＜ｔとなるように各寸法を設定することが好ましい。膜厚ｔａは、具体的には膜厚ｔで規定すると例えば０．０１×ｔ〜０．１×ｔ程度であり、実際の寸法としては例えば０．１μｍ〜１μｍ程度である。更に、この反応金属層５のＸ−Ｙ平面における面積についても、小さすぎると電極パッド１６または貫通孔配線２２に到達するまでの体積にはなり難いため、１００μｍ×１００μｍ〜３００μｍ×３００μｍ程度であることが好ましい。また、ｔ２＝ｔ−ｔ１となるように各寸法を設定しても良い。
【００７１】
更に、既述の各例ではウエハレベルで多数の気密封止パッケージ１０を製造した後個片化したが、ウエハ１〜３（１、２）同士を互いに直接接合した後個片化して、その後反応金属層５を反応させるようにしても良いし、更にまた、各ウエハ１〜３（１、２）を夫々個片化した後、これらウエハ１〜３（１、２）を互いに直接接合し、その後反応金属層５を反応させても良い。また、反応金属層５としては、金属膜３１、３２の積層体に代えて、これら金属膜３１、３２を夫々構成する金属粉末を互いに混合した混合粉末を用いても良い。この場合には、前記混合粉末にバインダーを混練してシート状に成形し、次いで仮焼によりバインダーを除去した状態の成形体が用いられる。
【００７２】
また、積層ウエハ４に対して電気スパークなどのエネルギーを供給する時は、封止用ウエハ１側を上に向けて反応金属層５を反応させたが、封止用ウエハ３側を上に向けて、当該封止用ウエハ３を介してエネルギーを反応金属層５に伝達するようにしても良い。更に、反応金属層５にエネルギーを供給することにより当該反応金属層５、貫通孔配線２２及び電極パッド１６を合金化したが、これら反応金属層５、貫通孔配線２２及び電極パッド１６が合金化していなくても、反応金属層５が少なくとも溶融あるいは軟化することによって貫通孔配線２２と電極パッド１６とを電気的に接続していれば良い。更にまた、ウエハ１〜３（１、２）を直接接合した後、反応金属層５を反応させたが、これらウエハ１〜３（１、２）を直接接合しながら反応金属層５を反応させても良い。
【００７３】
［第３の実施の形態：共晶金属層］
既述の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、水晶振動子１１やＭＥＭＳ素子７０における各電極（電極パッド１６、励振電極７２及びバイアス電極７４）と貫通孔配線２２とを互いに電気的に接続するにあたり、反応金属層５を用いたが、以下に説明する第３の実施の形態では、この反応金属層５に代えて、共晶金属層８０を用いている。即ち、前記各電極と貫通孔配線２２との間を導通させる時に、これら水晶振動子１１やＭＥＭＳ素子７０と貫通孔配線２２との間に金属からなる液相を形成するにあたって、第３の実施の形態では共晶を利用している。以下に、共晶金属層８０について、第１の実施の形態で述べた水晶振動子１１を例に挙げて説明する。尚、既述の第１の実施の形態と同じ部位については同じ符号を付して説明を省略する。
【００７４】
図３１に示すように、貫通孔配線２２の下面側には、厚さ寸法ｔ２が例えば５００ｎｍとなるように設定された共晶金属層８０が設けられている。この共晶金属層８０は、図３２の下段に示すように、例えば金などからなる第１の金属成分である第１の金属膜８１と、例えばスズなどからなる第２の金属成分である第２の金属膜８２と、が交互に積層された構成を採っている。これら第１の金属膜８１及び第２の金属膜８２は、第１の金属膜８１と第２の金属膜８２との重量比が８：２となるように、即ち共晶金属層８０における各金属膜８１、８２が共晶を起こす組成比となるように、例えば各々の膜厚寸法が設定されている。従って、この場合における共晶金属層８０の共晶温度は、例えば２７８℃となっている。この実施の形態では、段差ｔ及び厚さ寸法ｔ１が夫々８００ｎｍ及び２００ｎｍとなっており、電極パッド１６の下側には、例えばクロムなどからなる図示しない密着層が例えば１０ｎｍ程度の厚さ寸法となるように形成されている。従って、高さ寸法Δｔは、９０ｎｍ（＝８００−５００−２００−１０）となっている。
【００７５】
この共晶金属層８０を用いた場合においても、各ウエハ１〜３を互いに直接接合する（ステップＳ１２）と、電極パッド１６と貫通孔配線２２とは、互いに離間していて導通しない。次いで、共晶金属層８０が共晶温度以上の処理温度例えば２９０℃程度となるように、外部からエネルギーを加える（ステップＳ１３）。具体的には、図１９に示したＲＴＡ装置や、通常の加熱炉（電気炉）、拡散炉あるいは図１２、図１３及び図１８の装置などを用いて、積層ウエハ４の全体を前記処理温度に加熱する。このエネルギーにより、第１の金属膜８１と第２の金属膜８２とは、図３２に示すように、共晶合金となるように（互いに混ざり合うように）溶融して液相となる。こうして共晶金属層８０を冷却することにより、当該共晶金属層８０を介して、同様に電極パッド１６と貫通孔配線２２とが導通する。この時、電極パッド１６や貫通孔配線２２の溶融温度や水晶振動子１１の特性が劣化してしまう温度まで加熱していないので、当該水晶振動子１１の特性劣化や例えば貫通孔配線２２の断線などが防止される。
【００７６】
共晶金属層８０を共晶化させる時の処理温度としては、共晶温度よりも５℃〜２０℃程度高い温度であれば良い。また、共晶金属層８０を構成する第１の金属膜８１と第２の金属膜８２との組成比について、当該共晶金属層８０が全て共晶合金化しなくても、電極パッド１６と貫通孔配線２２との間を電気的に接続できる程度の液相が生成するように、前記重量組成比が例えば金：スズ＝７６：２４〜８２：１８程度になるように設定しても良い。更に、第１の金属膜８１及び第２の金属膜８２について、既述のようにこれら金属膜８１、８２を積層した構成に代えて、元素状あるいは粉末状で金属層８１、８２を互いに混合させた共晶金属層８０または一度共晶化させた合金体をシート状に形成した共晶金属層８０を用いても良い。
【００７７】
また、共晶金属層８０について、貫通孔配線２２側に配置したが、既述の図１３のように、電極パッド１６側に配置しても良い。更に、図１４及び図１５のように、共晶金属層８０と電極パッド１６との間、及び共晶金属層８０と貫通孔配線２２との間の少なくとも一方に、例えばチタン、クロム、タンタル、アルミニウム、ジルコニウム及びタングステンのいずれかからなるバッファー層５１（５２）を介在させても良い。電極パッド１６が金により構成されている時には、この電極パッド１６と共晶金属層８０との間に配置するバッファー層５１としては、シリコンや金を含む合金例えば金―スズ合金、金―ゲルマニウム合金あるいはアルミニウムなどを用いても良い。
【００７８】
バッファー層５１（５２）を配置することにより、当該バッファー層５１（５２）を介して電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間における合金化が促進されるので、共晶金属層８０と電極パッド１６との間の導通を確実に容易に行うことができる。また、バッファー層５１（５２）を用いることにより、バッファー層５１（５２）の膜厚分だけ共晶金属層８０の薄膜化を図ることができる。従って、共晶金属層８０として例えば金などの高価な元素を用いる場合には、気密封止パッケージ１０のコストダウンを図ることができる。
【００７９】
この時、第１の金属膜８１と第２の金属膜８２との間だけでなく、電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間において合金化反応が生じる場合には、バッファー層５１（５２）として、例えばモリブデン（Ｍｏ）、タンタル、タングステン、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）あるいはチタンータングステン化合物（ＴｉＷ）などの高融点材料を用いても良い。即ち、電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間において合金化反応が生じると、用いる材料によっては、これら電極パッド１６や貫通孔配線２２が浸食されて隙間領域３４側に移動して、電極パッド１６と貫通孔配線２２との間の導通が取れなくなってしまう場合がある。そこで、このような場合には、バッファー層５１（５２）は、電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間の密着性を高めることに代えて、あるいは電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間の密着性を高めると共に、これら電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間における合金化反応を防止するためのバリア金属層としての役割を果たすことになる。また、図１６や図１７のように、凹部２１を素子用ウエハ２側に設けても良い。
【００８０】
また、第１の金属成分及び第２の金属成分としては、既述の金―２０重量％スズの構成に代えて、他の共晶合金を形成する２元系の共晶金属層８０を用いても良い。具体的には、共晶金属層８０として、以下の表１に示す（ａ）〜（ｋ）のうちのいずれかを含む構成としても良い。尚、この表１における右側の欄には、各々の共晶金属層８０の共晶温度を示しており、既に説明した共晶金属層８０についても（ａ）として併記している。
【００８１】
（表１）
【００８２】
この表１において、ハイフン（−）の左側及び右側の元素が夫々第１の金属成分及び第２の金属成分を示しており、当該右側の元素に付した数字が共晶金属層８０に含まれる第２の金属成分の割合（重量パーセント）を意味している。また、３元系の共晶金属層８０を用いても良く、表１の（ｌ）には、第３の金属成分として銅を用いた例を示しており、これら第１の金属成分、第２の金属成分及び前記第３の金属成分の組成比についても、既述の組成範囲となるように各々設定しても良い。これら（ａ）〜（ｌ）のうち、既述の水晶振動子１１においては、共晶金属層８０の熱処理時に水晶振動子１１がキューリー点を越えないように、共晶温度が例えば４００℃以下の共晶金属層８０が用いられる。
【００８３】
更に、以上説明した共晶金属層８０をＭＥＭＳ素子７０に適用しても良い。具体的には、例えばバイアス電極７４の厚み寸法ｔ１が２μｍ、バイアス電極７４の上端面と封止用ウエハ１の下端面との間の寸法ｔが１０μｍであり、貫通孔配線２２が銅により構成されている場合には、共晶金属層８０として表１の（ａ）〜（ｌ）のうち例えば（ｃ）の構成を用いても良い。共晶金属層８０は、貫通孔配線２２側あるいは励振電極７２及びバイアス電極７４側に配置される。そして、共晶金属層８０の厚さ寸法ｔ２が例えば７．８μｍに設定されると共に、例えば３８０℃にて共晶金属層８０が溶融され、貫通孔配線２２と励振電極７２及びバイアス電極７４とが夫々互いに導通する。
このＭＥＭＳ素子７０の場合においても、表１に示した共晶金属層８０のいずれか一つあるいは表１の共晶金属層８０の複数を組み合わせて用いても良いし、同様にバッファー層５１（５２）を用いても良い。
【００８４】
ここで、表１に挙げた金属膜８１、８２のうち例えば銅や金などは、電極パッド１６や貫通孔配線２２を構成する材料となっている。従って、共晶金属層８０における第１の金属膜８１及び第２の金属膜８２のいずれか一方について、これら電極パッド１６や貫通孔配線２２の一方に兼用させても良い。この場合には、共晶金属層８０は、第１の金属膜８１及び第２の金属膜８２を備えることに代えて、これら第１の金属膜８１及び第２の金属膜８２の他方により構成しても良い。具体的には、図３３に示すように、共晶金属層８０をスズにより構成すると、例えば２５０℃程度の熱処理を行うことにより、当該共晶金属層８０が溶融する。そして、図３４に示すように、電極パッド１６側では金―スズからなる共晶合金が形成され、貫通孔配線２２側では銅―スズからなる共晶合金が形成される。こうして共晶金属層８０を介して電極パッド１６と貫通孔配線２２とが導通する。
【００８５】
［第４の実施の形態：金属間化合物］
この第４の実施の形態では、電極パッド１６や、励振電極７２及びバイアス電極７４と貫通孔配線２２とを互いに電気的に接続するにあたり、反応金属層５や共晶金属層８０に代えて、金属間化合物を利用している。具体的には、水晶振動子１１の例について説明すると、図３５に示すように、電極パッド１６と貫通孔配線２２との間には、加熱によって金属間化合物を形成する前駆体層９０が介在している。この前駆体層９０は、例えばインジウム（融点：１５６℃）及びスズ（融点：２３１℃）の少なくとも一方この例ではインジウムにより構成された第１の金属成分を含む第１の金属膜９１と、この第１の金属膜９１よりも融点の高い第２の金属膜９２とにより構成されている。第２の金属膜９２は、例えば銅、銀、金及びニッケルの少なくともいずれかを含んでおり、この例では銀により構成されている。
【００８６】
電極パッド１６の上面及び貫通孔配線２２の下面には、各々厚み寸法ｔＬ及び厚み寸法ｔＨ１が各々例えば０．５μｍに設定された第２の金属膜９２が各々形成されており、貫通孔配線２２の下側の第２の金属膜９２の裏面側には、厚み寸法ｔＨ２が例えば２μｍに設定された第１の金属膜９１が配置されている。尚、電極パッド１６及び貫通孔配線２２と第２の金属膜９２との間には、膜厚寸法が例えば０．１μｍのクロムなどからなる図示しない密着層が各々介在している。この例では、膜厚ｔ１及び高さ寸法ｔが夫々０．５μｍ及び４μｍであり、従ってｔ≧ｔ１＋ｔＨ１＋ｔＨ２＋ｔＬ（４≧０．５＋０．５＋２＋０．５＝３．５、厚み寸法ｔＨ１、ｔＬは前記密着層の膜厚寸法を各々含む）となっている。
【００８７】
この第４の実施の形態においても、各ウエハ１〜３を互いに直接接合する（ステップＳ１２）と、第１の金属膜９１と電極パッド１６側の第２の金属膜９２との間には、高さ寸法Δｔの隙間領域３４が形成されるので、これら第１の金属膜９１と第２の金属膜９２とは導通しない。次いで、第３の実施の形態と同様の手法により、積層ウエハ４に対して第１の金属膜９１の融点以上の処理温度例えば１６０℃〜２５０℃程度この例では１７５℃で２時間の熱処理を行うと、図３６に示すように、始めに第１の金属膜９１が溶融して、既述の隙間領域３４が埋められていく。そして、第１の金属膜９１と第２の金属膜９２とが互いに液相拡散して、これら金属膜９１、９２がある一定比となった金属間化合物（例えばＡｇ3ＩｎやＡｇＩｎ2）９３が形成される。こうして積層ウエハ４を冷却することにより、金属間化合物９３を介して電極パッド１６と貫通孔配線２２とが互いに電気的に接続される。
【００８８】
この時、第２の金属膜９２の厚み寸法ｔＬ、ｔＨ１を既述のように設定していることから、電極パッド１６の上面及び貫通孔配線２２の下面は、各々第２の金属膜９２により被覆されたままとなり、即ち未反応の第２の金属膜９２が電極パッド１６側及び貫通孔配線２２側に僅かに残るので、第１の金属膜９１とは接触しない。そのため、電極パッド１６及び貫通孔配線２２と第１の金属膜９１との反応（電極パッド１６や貫通孔配線２２への第１の金属膜９１の拡散）が抑制される。また、金属間化合物９３を形成する時の熱処理温度として、第１の金属膜９１の融点と第２の金属膜９２の融点との間の温度、言い換えると電極パッド１６や貫通孔配線２２が溶融せず、且つ水晶振動子１１へのダメージを抑制できる温度にしている。そのため、電極パッド１６と貫通孔配線２２とが導通するように隙間領域３４を埋めつつも、例えば水晶振動子１１の特性劣化を抑えることができる。尚、第１の金属膜９１の厚み寸法ｔＨ２によって（厚い場合）は、既述の金属間化合物９３と共に未反応の第１の金属膜９１が残る場合もある。
【００８９】
ここで、前駆体層９０の熱処理によって生成した既述の金属間化合物９３は、融点が例えば８８０℃程度であり、第１の金属膜９１や第２の金属膜９２の融点と比べて極めて高い。従って、気密封止パッケージ１０を形成した後、当該パッケージ１０を例えば電子部品に搭載する（固定すると共に電気的に接続する）ためにはんだを用いて熱処理を行う時、数百℃程度の熱処理を行っても、金属間化合物９３は溶融しない。そのため、電極パッド１６と貫通孔配線２２とが前記熱処理によって絶縁されることを防止できる。
【００９０】
この第４の実施の形態においても、高さ寸法ｔに応じて、熱処理によって隙間領域３４が埋められるように各厚み寸法ｔＨ１、ｔＨ２、ｔＬを適宜設定しても良い。また、第１の金属膜９１及び第２の金属膜９２の組み合わせとしては、水晶振動子１１に許容される熱処理温度を勘案して適宜選択される。図３５における第１の金属膜９１について、貫通孔配線２２側の第２の金属膜９２の下面側に形成することに代えて、電極パッド１６側の第２の金属膜９２の上層側に配置しても良い。
【００９１】
以上の第４の実施の形態では、第１の金属膜８１としてインジウムを例に挙げて説明したが、この第１の金属膜８１としてインジウムに代えてスズを用いる場合には、金属間化合物９３を形成する時の熱処理温度及び熱処理時間としては、例えば以下の表２に示す値に設定しても良い。
【００９２】
（表２）
【００９３】
従って、第１の金属膜９１及び第２の金属膜９２として夫々スズ及び銅や銀、あるいは金を用いる時には、これら第１の金属膜９１と第２の金属膜９２との組成比によっては、前駆体層９０は、既述の第３の実施の形態における共晶金属層８０を構成する場合もある。このような場合には、前駆体層９０（共晶金属層８０）に対して熱処理を行うと、前記組成比によって、金属間化合物９３及び共晶金属層８０のいずれか一方からなる単一層や、金属間化合物９３及び共晶金属層８０の混合物が生成する。
【００９４】
以上説明した金属間化合物９３の融点が気密封止パッケージ１０を形成した後に行われる熱処理の温度よりも高いことは既に述べたが、この融点について、金属間化合物９３の代表的な例について以下の表３に示しておく。
（表３）
【００９５】
次に、第４の実施の形態の変形例について、以下に説明する。図３７は、電極パッド１６の上面及び貫通孔配線２２の下面に各々第１の金属膜９１を形成すると共に、貫通孔配線２２側の第１の金属膜９１の下面に第２の金属膜９２を介在させた例を示している。即ち、第４の実施の形態では、電極パッド１６と貫通孔配線２２との間に、前駆体層９０の熱処理によって生成する金属間化合物９３が隙間領域３４を埋める（電極パッド１６と貫通孔配線２２との間を導通させる）ように、第１の金属膜９１及び第２の金属膜９２を形成すれば良い。
【００９６】
また、図３８は、貫通孔配線２２の下面側に第２の金属膜９２を形成すると共に、この第２の金属膜９２の下面側に第１の金属膜９１を配置して、１層の第１の金属膜９１と１層の第２の金属膜９２とにより前駆体層９０を構成した例を示しており、この場合においても既述の各例と同様の作用効果が得られる。このような構成においても、第１の金属膜９１と第２の金属膜９２との上下方向の順番を互いに入れ替えても良いし、あるいはこれら第１の金属膜９１と第２の金属膜９２とからなる前駆体層９０を電極パッド１６上に配置しても良い。
【００９７】
ここで、第２の金属膜９２を金により構成しても良いことは既に述べたが、図３８では、第１の金属膜９１に対して隙間領域３４を介して下方側に位置する電極パッド１６を金により構成しているので、当該電極パッド１６は、前駆体層９０の一部をなしているとも言える。即ち、図３８は、既述の図３５において、電極パッド１６の上面の第２の金属膜９２について、銀に代えて金により構成すると共に、当該第２の金属膜９２を電極パッド１６と一体化した構成を採っているとも言える。
【００９８】
更に、図３９は、前駆体層９０について、第１の金属膜９１により構成すると共に、貫通孔配線２２の下面側に形成した例を示している。即ち、図３８で説明したように、電極パッド１６が金により構成されている時には、当該電極パッド１６が前駆体層９０の一部を構成していると言える。また、この前駆体層９０の上方側の貫通孔配線２２が銅により構成されており、従って貫通孔配線２２についても前駆体層９０の一部をなしていると言える。従って、この前駆体層９０に対して熱処理を行うと、前駆体層９０が溶融すると共に、この前駆体層９０が電極パッド１６側及び貫通孔配線２２側に拡散して、当該前駆体層９０、電極パッド１６及び貫通孔配線２２によって金属間化合物９３が形成される。具体的には、貫通孔配線２２側では、インジウム及び銅からなる金属間化合物９３が形成され、電極パッド１６側ではインジウム及び金からなる金属間化合物９３が形成され、こうして既述の例と同様の作用効果が得られる。
【００９９】
ここで、図３９において、電極パッド１６や貫通孔配線２２がインジウムやスズからなる前駆体層９０と金属間化合物９３を形成しない金属により構成されている場合であっても、熱処理により前駆体層９０が溶融すると、隙間領域３４を埋めるようにインジウムやスズからなる液相が形成される。従って、本発明で用いる金属層としては、これらインジウム及びスズのいずれか一方を用いても良いし、インジウム及びスズの混合体を用いても良い。この第４の実施の形態においても、前駆体層９０を第１の金属膜９１及び第２の金属膜９２により構成する場合には、これら金属膜９１、９２を粉末状で混合した前駆体層９０を用いても良い。
第４の実施の形態においても、電極パッド１６と前駆体層９０との間及び、貫通孔配線２２と前駆体層９０との間の少なくとも一方に、バッファー層５１（５２）を介在させても良い。
【０１００】
この第４の実施の形態をＭＥＭＳ素子７０に適用しても良い。即ち、例えばバイアス電極７４の厚み寸法ｔ１が２μｍ、バイアス電極７４の上端面と封止用ウエハ１の下端面との間の寸法ｔが４μｍであり、貫通孔配線２２が銅により構成されている場合には、前駆体層９０を以下のように配置しても良い。具体的には、励振電極７２の表面、バイアス電極７４の表面及び貫通孔配線２２の下面に各々第２の金属膜９２を形成すると共に、貫通孔配線２２側の第２の金属膜９２の下層側に第１の金属膜８１を形成する。そして、これら厚み寸法ｔＨ１、ｔＨ２、ｔＬは、既述の図３５と同じ値に各々設定される。こうして熱処理を行うことにより金属間化合物９３が形成されて励振電極７２及びバイアス電極７４と貫通孔配線２２とが各々互いに電気的に接続される。ＭＥＭＳ素子７０の場合にも、バッファー層５１（５２）やクロムからなる密着層を用いても良いし、既述の図３７〜図３９などのように前駆体層９０を構成しても良い。
【０１０１】
以上述べた第１の金属膜３１、８１、９１及び第２の金属膜３２、８２、９２としては、既述の金属からなる単体により構成しても良いし、他の金属を不純物レベルあるいは熱処理による液相の形成が阻害されない程度に混入しても良い。また、反応金属層５や共晶金属層８０について、前駆体層９０と同様に、電極パッド１６及び貫通孔配線２２側に各々設けても良い。
【符号の説明】
【０１０２】
１、３ 封止用ウエハ
２ 素子用ウエハ
５ 反応金属層
１０ 気密封止パッケージ
１１ 水晶振動子
１２ａ １２ｂ 励振電極
１６ａ、１６ｂ 電極パッド
２１ 凹部
２２ 貫通孔配線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイスの形成された領域を気密に封止した気密封止パッケージ及びこの気密封止パッケージの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水晶振動子や振動部分を有する振動子あるいはジャイロセンサ等のデバイスは、機械加工やウエットエッチング加工され、セラミックスパッケージや金属製パッケージに搭載されていたが、近年のデバイスの小型化、高性能化の要求に対応するために、デバイスをウエハレベルで製造し、その後個片化するという、いわゆるウエハレベルパッケージング技術によって製造する方法が注目されている。即ち、水晶振動子の場合には、水晶振動子が作り込まれた水晶ウエハと、これを気密封止するための２枚のキャップの役割を持つ封止ウエハとを互いに接合し、その後例えばダイシングなどにより個片化される。また、前記振動部分を有する振動子あるいはジャイロセンサなどのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子の場合には、素子の形成されたウエハを半導体加工技術を使ってウエハレベルで製造し、このウエハと封止ウエハを接合した後、同様に個片化される。
【０００３】
ここで、ウエハ接合には、金属やガラス、接着剤を用いてデバイスの形成されたウエハ（以下、「デバイス用ウエハ」と言う）と封止ウエハとを接合する「間接接合」と、陽極接合や表面活性化接合等の手法によりデバイス用ウエハと封止ウエハとを接合する「直接接合」とが知られている。一方、デバイスの電極パッド（入出力パッド）とパッケージ外部に設けられる端子との電気接続には、例えば特許文献１のように、デバイス用ウエハと封止ウエハとの間の接合境界部から横方向に取り出す構造と、例えば特許文献２、３に記載されているように、デバイス用ウエハあるいは封止ウエハの貫通孔を使って取り出す構造とがある。
【０００４】
電気接続を接合境界部から横方向に取り出すには、配線部と接合部に段差ができるので、ウエハ同士の接合には直接接合法を用いることができないばかりか、絶縁をとる必要があるので、低融点ガラスまたは絶縁性接着剤が採用される。しかしながら、ガラスや絶縁性接着剤は接合時に発生するアウトガスにより、デバイスの特性が変化してしまう、あるいは段差部にできやすい未接合部分からのリーク等、信頼性に乏しいという問題もある。
【０００５】
一方、貫通孔配線による電気接続と、例えばＡｕ（金）同士の接合やＡｕＳｎ（スズ）はんだ等の金属シールによる間接接合とを組み合わせた気密封止パッケージングでは、ウエハ同士を接合させるためには、前記金属シールをウエハの面内に亘って加圧及び溶融させる必要がある。そのため、この手法では高温及び高圧が必要になり、接合装置が大型化するのみならず、昇降温に長時間必要になるなど製造コストに課題があるばかりか、特に接合されるウエハ同士が互いに異なる材料で構成される場合、両者の熱膨張率差によって発生する熱応力のために、デバイスの特性が変化してしまう問題もある。
【０００６】
このように、低融点ガラスやはんだなどの金属をシールに使う間接接合には上述の課題があるため、貫通孔による配線引き出しと直接接合とを組み合わせた気密封止パッケージがいくつか提案されている。例えば、特許文献４には、貫通孔配線の先端部に導電性のバンプを設けた封止ウエハ（特許文献４ではイオン結合性材料のウエハ）と、デバイス用ウエハ（特許文献４では水晶振動子）とが水酸基結合を介した直接接合により接合されたパッケージ構造について記載され、さらに特許文献５〜７には、貫通孔配線の先端部に導電性のバンプを設けた封止ウエハ（特許文献５〜７では蓋ウエハ）と、デバイス用ウエハ（特許文献５〜７では水晶振動子）とが常温での直接接合により接合されたパッケージ構造について提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４８７５８
【特許文献２】特開２００６−１７３５９９
【特許文献３】特開２００９−５９９４１
【特許文献４】特開平６−３５０３７６
【特許文献５】特開２００９−２０１０６５
【特許文献６】特開２００９−２０１０６６
【特許文献７】特開２００６−２０１０６７
【特許文献８】特表２００４−５０１０４７
【特許文献９】特表２００６−５２８５５６
【特許文献１０】特表２００７−５０２２１４
【特許文献１１】特開２００６−５５９０９
【特許文献１２】特表２００７−５２０３５２
【特許文献１３】特開２００３−２４３５５０
【特許文献１４】特開２００９−２５５１４６
【特許文献１５】特表２００９−５１９８３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献４〜７のいずれのパッケージ構造においても、ウエハ同士の接合される領域には、接着の役割を果たす接着層（低融点ガラスや金属材料など）がないために、封止ウエハあるいはデバイス用ウエハに形成される、接合面との段差、あるいは貫通孔配線の先端部に設けられるバンプについて、夫々段差形成時、バンプ形成時に高さ寸法を精密にコントロールしておかないと、気密封止ができなかったり、電気接続が不完全だったりするという問題が生じる。
【０００９】
即ち、特許文献４の場合には、図４０（ａ）、（ｂ）に示すように、封止ウエハ１００の貫通孔配線１０１の先端部と封止面との段差寸法をｔ、デバイス用ウエハ１０２の電極パッド１０３の厚み寸法をｔ１、バンプ１０４の厚み寸法をｔ２とすると、ｔ＝ｔ１＋ｔ２でなければならない。更に、デバイス用ウエハ１０２の電極パッド１０３の表面、あるいはバンプ１０４の表面は、特別な処理を施さない限りミクロな凹凸があり、決して平坦な表面を有していない。従って、仮に電極パッド１０３の厚み寸法ｔ１やバンプ１０４の厚み寸法ｔ２をｔ＝ｔ１＋ｔ２を満足するように設定できたとしても、平坦でない（ミクロな凹凸がある）面同士の直接接合では、接合部でのコンタクトが不十分で良好な電気接続ができない。直接接合では、接合時に印加される圧力はそれ程大きくないので、バンプ１０４が大きく変形することは期待できない。
【００１０】
即ち、バンプ１０４の厚み寸法ｔ２が設計値よりも厚い（ｔ２＞ｔ−ｔ１）場合は気密封止不良（図４０（ｂ））、逆にバンプ１０４の厚み寸法ｔ２が設計値よりも薄い（ｔ２＜ｔ−ｔ１）場合は電気接続不良（図４０（ａ））が発生することになる。量産時に、封止ウエハ１００に設ける段差の寸法ｔ、並びに電極パッド１０３の表面やバンプ１０４の表面の平坦性を高めつつ、厚み寸法ｔ１、ｔ２を一定に揃えるのは困難であると言わざるを得ない。接合面との段差がデバイス用ウエハ１０２に形成される特許文献５〜７についても、全く同じことが言える。
【００１１】
特許文献８〜１０には、バルク材の接合に用いられる従来のロウ材あるいははんだの代替材料である反応性多層膜について記載されており、また特許文献１１〜１５には反応性多層フォイルやＭＥＭＳデバイスについて記載されているが、既述の問題については検討されていない。
【００１２】
本発明は、前記問題を解決し、特に、デバイス用ウエハ１０２と封止ウエハ１００とを真空中で直接接合して成る気密封止パッケージにおいて、量産においても気密封止性と電気接続性とを安定に実現できる気密封止パッケージ及びその製造方法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】
【００１３】
本発明の気密封止パッケージは、
デバイス素子の形成された素子用基板と絶縁体からなる封止用基板とを直接接合により互いに接合して、前記デバイス素子の置かれる領域を気密に封止した気密封止パッケージにおいて、
前記封止用基板に隙間領域を介して対向するように前記素子用基板に形成され、前記デバイス素子に対して電気信号の入出力を行うための電極パッドと、
前記電極パッドに対向する前記封止用基板に形成され、当該封止用基板の板厚方向に貫通するように形成された導電路と、
前記電極パッドと前記導電路との間に設けられ、前記素子用基板及び前記封止用基板が互いに封止された後、これら基板の外側から伝達されるエネルギーにより溶融して、前記電極パッドと前記導電路とを互いに電気的に接続するための金属層と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
前記気密封止パッケージは、以下の構成を採っても良い。即ち、前記金属層と、当該金属層に対向する前記電極パッドまたは前記導電路との間には、隙間領域が介在している構成。前記隙間領域の高さ寸法は、１μｍ以下である構成。前記デバイス素子は、前記素子用基板に平面的に複数箇所に形成されている構成。
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分と発熱反応を起こして当該金属層を溶融させる第２の金属成分と、を備えた反応金属層であり、
前記エネルギーは、これら第１の金属成分と第２の金属成分との発熱反応を開始させるためのものである構成。
前記反応金属層は、以下の（ａ）〜（ｆ）のいずれかを含む構成。
（ａ）第１の金属成分：ニッケル 第２の金属成分；アルミニウム
（ｂ）第１の金属成分：チタン 第２の金属成分；アルミニウム
（ｃ）第１の金属成分：ジルコニウム 第２の金属成分；アルミニウム
（ｄ）第１の金属成分：ハフニウム 第２の金属成分；アルミニウム
（ｅ）第１の金属成分：ニッケル 第２の金属成分；シリコン
（ｆ）第１の金属成分：ニオブ 第２の金属成分；シリコン
【００１５】
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分と共晶化する第２の金属成分と、を備えた共晶合金層であり、
前記エネルギーは、この共晶合金層を共晶温度以上に加熱するためのものである構成。
前記共晶合金層は、以下の（ａ）〜（ｋ）のいずれかの構成を含むか、あるいは（ｅ）の構成に加えて第３の金属成分として銅を含んでいる構成。
（ａ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：スズ
（ｂ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：シリコン
（ｃ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：ゲルマニウム
（ｄ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：銅
（ｅ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：銀
（ｆ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：亜鉛
（ｇ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：ビスマス
（ｈ）第１の金属成分：鉛 第２の金属成分：スズ
（ｉ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：ゲルマニウム
（ｊ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：シリコン
（ｋ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：亜鉛
【００１６】
前記電極パッド及び前記導電路の少なくとも一方は、第１の金属成分及び第２の金属成分のうち一方の金属成分を含み、
前記共晶合金層は、第１の金属成分及び第２の金属成分を備えていることに代えて、第１の金属成分及び第２の金属成分のうち他方の金属成分により構成されている構成。
【００１７】
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分よりも融点が高い第２の金属成分とを備えた前駆体層であり、
前記エネルギーは、この前駆体層を第１の金属成分の融点以上の温度に加熱して金属間化合物を形成するためのものである構成。金属間化合物を形成した後に行われる熱処理によって当該金属間化合物が溶融しないように、この金属間化合物の融点は、前記熱処理の加熱温度よりも高い構成。
前記前駆体層は、前記導電路及び前記電極パッドにおける互いに対向する面に各々形成された第２の金属成分を含む第２の金属層と、これら第２の金属層間に介在され、前記第１の金属成分を含む第１の金属層と、を備えている構成。
第１の金属成分は、インジウム及びスズの少なくとも一つであり、
第２の金属成分は、銅、銀、金及びニッケルのうち少なくとも一つである構成。
【００１８】
前記電極パッド及び前記導電路の少なくとも一方は、第２の金属成分により構成され、
前記前駆体層は、第１の金属成分及び第２の金属成分を備えていることに代えて、第１の金属成分からなる構成。
前記金属層は、第１の金属成分を含む第１の金属層と、第２の金属成分を含む第２の金属層と、を交互に積層した積層膜である構成。
前記金属層は、インジウム及びスズの少なくとも一方により構成され、
前記エネルギーは、この金属層を当該金属層の融点以上の温度に加熱するためのものである構成。
【００１９】
前記電極パッドと前記金属層との間、及び前記導電路と前記金属層との間の少なくとも一方には、導電膜により構成されたバッファ層が介在している構成。前記素子用基板と前記封止用基板とは、互いに同じ材質である構成。前記デバイス素子はＭＥＭＳ素子である構成。
前記デバイス素子は水晶振動子であり、
前記素子用基板は、当該素子用基板を板厚方向に貫通する貫通溝が前記水晶振動子の周囲を囲むように形成されると共に、この水晶振動子を側方側から片持ちないしは両持ちで支持する支持部を備え、
前記素子用基板における前記封止用基板と反対側の面には、前記貫通溝の周囲の領域に対して直接接合により周方向に亘って気密に接合されると共に、前記水晶振動子に対して隙間領域を介して対向する補助封止用基板が配置されている構成。前記エネルギーは、電気スパーク、レーザー光及びフラッシュ光の少なくとも１つである構成。
【００２０】
本発明の気密封止パッケージの製造方法は、
デバイス素子の形成された素子用基板と絶縁体からなる封止用基板とを直接接合により互いに接合して、前記デバイス素子の置かれる領域を気密に封止した気密封止パッケージの製造方法において、
前記素子用基板に前記デバイス素子を形成する工程と、
前記封止用基板に隙間領域を介して対向するように、前記デバイス素子に対して電気信号の入出力を行う電極パッドを前記素子用基板に形成する工程と、
前記電極パッドに対向する前記封止用基板に、当該封止用基板の板厚方向に貫通する導電路を形成する工程と、
前記電極パッドと前記導電路との間に金属層を配置する工程と、
次いで、前記素子用基板及び前記封止用基板を直接接合により互いに接合する工程と、
前記素子用基板及び前記封止用基板により封止された領域の外側からエネルギーを前記金属層に供給し、当該金属層を反応させて前記電極パッドと前記導電路とを互いに電気的に接続する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、デバイス素子の形成された素子用基板と絶縁体からなる封止用基板とを直接接合した気密封止パッケージにおいて、デバイス素子に対して電気信号の入出力を行う電極パッドについて、封止用基板に隙間領域を介して対向するように形成している。また、この電極パッドと、この電極パッドに対向するように封止用基板を板厚方向に貫通して設けられた導電路との間に金属層を配置して、前記基板同士を直接接合すると共に、素子用基板及び封止用基板により封止された領域の外側からエネルギーを供給して金属層を溶融させることによって、電極パッドと導電路とを互いに電気的に接続している。そのため、気密封止パッケージの気密性を確保しながら、電極パッドと導電路とを容易に導通させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における気密封止パッケージを示す分解斜視図である。
【図２】前記気密封止パッケージを示す縦断面図である。
【図３】前記気密封止パッケージを表面側から見た平面図である。
【図４】前記気密封止パッケージを裏面側から見た平面図である。
【図５】前記気密封止パッケージの一部を拡大して示す縦断面図である。
【図６】前記気密封止パッケージが形成される各ウエハを示す斜視図である。
【図７】前記気密封止パッケージの製造方法を示すフロー図である。
【図８】前記気密封止パッケージの製造方法を示す縦断面図である。
【図９】前記気密封止パッケージの製造方法を示す縦断面図である。
【図１０】前記気密封止パッケージの製造方法を示す縦断面図である。
【図１１】前記気密封止パッケージの製造方法を示す一部拡大縦断面図である。
【図１２】前記気密封止パッケージの反応金属層を反応させる装置の一例を示す縦断面図である。
【図１３】前記第１の実施の形態の他の例を示す一部拡大縦断面図である。
【図１４】前記第１の実施の形態の他の例を示す一部拡大縦断面図である。
【図１５】前記第１の実施の形態の他の例を示す一部拡大縦断面図である。
【図１６】前記第１の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図１７】前記第１の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図１８】前記装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１９】前記装置の他の例を示す縦断面図である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態における気密封止パッケージを示す分解斜視図である。
【図２１】前記第２の実施の形態の気密封止パッケージを示す平面図である。
【図２２】前記気密封止パッケージを示す縦断面図である。
【図２３】前記気密封止パッケージを示す縦断面図である。
【図２４】前記第２の実施の形態の気密封止パッケージの製造方法を示す縦断面図である。
【図２５】前記製造方法を示す縦断面図である。
【図２６】前記製造方法を示す断面図である。
【図２７】前記第２の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図２８】前記第２の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図２９】前記第２の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図３０】前記第２の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図３１】本発明の第３の実施の形態における気密封止パッケージを示す縦断面図である。
【図３２】前記第３の実施の形態における製造方法を示す縦断面図である。
【図３３】前記第３の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図３４】前記第３の実施の形態の他の例における製造方法を示す縦断面図である。
【図３５】本発明の記第４の実施の形態における気密封止パッケージを示す縦断面図である。
【図３６】前記第４の実施の形態における製造方法を示す縦断面図である。
【図３７】前記第４の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図３８】前記第４の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図３９】前記第４の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【図４０】従来の気密封止パッケージを示す一部拡大縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［第１の実施の形態：水晶、反応金属層］
本発明の気密封止パッケージの第１の実施の形態について、図１〜図６を参照して説明する。図１〜図４は、第１の実施の形態における気密封止パッケージ１０であり、図６に示すように、デバイス素子である水晶振動子１１が形成された素子用ウエハ（水晶振動子ウエハ）２を封止用ウエハ１、３により上下から挟み込むように積層し、ウエハレベルで表面活性化接合のような接合法などにより互いに直接接合した後、個片化して形成した１チップを示している。以下に、これらウエハ（基板）１〜３の接合について詳述する前に、各々のウエハ１〜３の構成について簡単に説明する。尚、図５は、素子用ウエハ２の一部（後述の反応金属層５）を拡大して模式的に示しており、図６では、各々のウエハ１〜３について、図示の簡略化のため、一つの（中央部の）領域だけに気密封止パッケージ１０の形成領域を描画している。
【００２４】
始めに、３枚のウエハ１〜３のうち中央の素子用ウエハ２について説明する。このウエハ２は、水晶により構成されており、水晶振動子１１が例えば縦横に多数形成されている。即ち、各々の水晶振動子１１における表面側（封止用ウエハ１側）及び裏面側（封止用ウエハ３側）には、例えば多結晶の金（Ａｕ）などからなる励振電極１２ａ、１２ｂが夫々形成されており、図１中Ｙ方向を左右方向と呼ぶと、水晶振動子１１は、図１、図３及び図４に示すように、左側から片持ちの状態で支持されている。具体的には、素子用ウエハ２には、当該素子用ウエハ２を板厚方向に貫通する貫通溝１３が水晶振動子１１の周囲を囲むように形成されており、水晶振動子１１は、この貫通溝１３の外側の領域である枠状体１４から伸びる支持部１５により、左側において支持されている。この例では、支持部１５は、互いに離間するように２箇所に設けられている。
【００２５】
図１中Ｘ方向を前後方向と呼ぶと、水晶振動子１１よりも左側における素子用ウエハ２の表面側には、互いに前後方向に離間するように配置された電極パッド（入出力パッド）１６ａ、１６ｂが形成されており、これら電極パッド１６ａ、１６ｂは、夫々奥側及び手前側に配置されている。奥側の電極パッド１６ａは、２本の支持部１５、１５のうち奥側の支持部１５の表面側に形成された引き回し電極１７を介して、水晶振動子１１の表面側の励振電極１２ａに接続されている。電極パッド１６ａ、１６ｂの膜厚ｔ１は、図５に示すように、例えば０．５μｍとなっている。
【００２６】
電極パッド１６ｂの下方側における素子用ウエハ２には、図２に示すように、当該素子用ウエハ２を上下に貫通する開口部１８が形成されている。この電極パッド１６ｂは、図４に示すように、開口部１８内及び手前側の支持部１５の裏面側に形成された引き回し電極１７を介して、水晶振動子１１の裏面側の励振電極１２ｂに接続されている。電極パッド１６ａ、１６ｂ及び引き回し電極１７は、各々例えば多結晶の金などの導電性金属により構成されている。尚、図２は、気密封止パッケージ１０を図３におけるＡ−Ａ線にて切断した縦断面図を示している。
【００２７】
続いて、上側の封止用ウエハ１及び下側の封止用ウエハ３について説明する。これら封止用ウエハ１、３は、各々水晶により構成されており、図１及び図２に示すように、水晶振動子１１（励振電極１２ａ、１２ｂ）や電極パッド１６ａ、１６ｂに接触しないように、これら水晶振動子１１及び電極パッド１６ａ、１６ｂに対向する領域が窪んで凹部（キャビティ）２１をなしている。この凹部２１の高さ寸法ｔは、図５に示すように、例えば１０μｍとなっている。封止用ウエハ３は、補助封止用基板をなしている。
【００２８】
封止用ウエハ１における既述の電極パッド１６ａ、１６ｂに各々対向する位置には、当該封止用ウエハ１を板厚方向に貫通するように、例えば銅（Ｃｕ）などにより構成された貫通孔配線２２、２２が導電路として形成されている。これら貫通孔配線２２、２２の上端部は、封止用ウエハ１の上面において気密封止パッケージ１０を外部の電子部品に接続するために形成された接続電極２３、２３に各々接続されている。そして、貫通孔配線２２の下方側には、図２に示すように、素子用ウエハ２の電極パッド１６に対向するように、本発明の要部の一部である既述の反応金属層５がバンプとして配置されている。
【００２９】
この反応金属層５は、外部より供給される電気スパーク、レーザー光やフラッシュ光のエネルギーによって容易に反応して発熱反応を起こし、溶融する物質により構成されている。そして、反応金属層５のある一部が反応すると、この反応により発生した反応熱が当該反応金属層５における他の部位に速やかに伝達され、反応が当該反応金属層５の全体に亘って進行する。この反応金属層５は、図５の下側に拡大して示すように、具体的には例えばチタン（Ｔｉ）からなる第１の金属膜（第１の金属成分）３１と、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる第２の金属膜（第２の金属成分）３２と、からなる積層膜３３が１〜１００層この例では９３層もの多層に亘って積層されて構成されている。これら金属膜３１、３２の各々の膜厚ｄ１、ｄ２は、各々１〜１００ｎｍこの例では５０ｎｍとなっている。従って、反応金属層５の膜厚ｔ２は、例えば９．３μｍ（＝（５０ｎｍ＋５０ｎｍ）×９３層）となっている。また、積層膜３３の膜厚（金属膜３１、３２の周期長）ｄは、例えば２〜２００ｎｍこの例では１００ｎｍとなっている。反応金属層５を平面的に（Ｘ−Ｙ平面で）見た時の面積は、例えば４０，０００μｍ２となっている。
【００３０】
ここで、図５の上側に示すように、反応金属層５と電極パッド１６との間には、高さ寸法Δｔ（Δｔ＝ｔ−ｔ１−ｔ２）の隙間領域３４が介在している。高さ寸法Δｔは、この例では０．２μｍ（＝１０μｍ−０．５μｍ−９．３μｍ）となっている。従って、各々のウエハ１〜３を互いに接合しただけでは、貫通孔配線２２と電極パッド１６とが導通していない状態となっている。このような隙間領域３４を形成した理由について、気密封止パッケージ１０の作製方法と共に図７〜図１１を参照して以下に詳述する。尚、図８〜図１１では、ある一つの気密封止パッケージ１０に着目して図示しているが、実際には気密封止パッケージ１０は、既述のようにウエハレベルで多数作製され、その後個片化される。
【００３１】
先ず、図８に示すように、各々のウエハ１〜３を個別に作製する（ステップＳ１１）。具体的には、封止用ウエハ１、３については、例えば水晶インゴットから切り出して研磨された後の水晶板に対して、フォトレジストマスクを用いたフォトリソグラフィー及びウエットエッチングやドライエッチングにより凹部２１を各々形成する。また、上側の封止用ウエハ１については、凹部２１を形成した後、同様にフォトリソグラフィー及びエッチングにより貫通孔を形成すると共に、当該貫通孔内に例えば無電解メッキにより貫通孔配線２２を埋め込む。そして、フォトリソグラフィー及びスパッタなどにより、封止用ウエハ１の表面側に接続電極２３を形成する。
【００３２】
続いて、例えば公知のデュアルソースマグネトロンスパッタ装置を用いて、封止用ウエハ１における貫通孔配線２２の下面に、既述の反応金属層５を積層する。具体的には、反応金属層５の形成される領域以外に例えば有機物からなるマスクの形成された封止用ウエハ１について、例えば当該領域が上側（スパッタ源側）を向くように、封止用ウエハ１を前記装置の真空容器内に載置する。次いで、前記真空容器内を真空雰囲気に設定した後、第１の金属ターゲットからなるスパッタ源と第２の金属ターゲットからなるスパッタ源とを順次切り替えて、既述の第１の金属膜３１と第２の金属膜３２とを交互に積層する。その後、例えば有機溶媒に封止用ウエハ１を浸漬して、マスクと共に当該マスク上に堆積した余分な金属膜を除去する。
【００３３】
また、素子用ウエハ２については、フォトリソグラフィー及びエッチングにより水晶板に貫通溝１３及び開口部１８を形成し、例えば無電解メッキにより開口部１８内に引き回し電極１７の一部となる金属体を埋め込む。次いで、素子用ウエハ２の表面に例えば有機物からなる塗布膜を形成し、この塗布膜に対して電極パッド１６、引き回し電極１７及び励振電極１２ａの配置される領域が露出するようにパターニングしてフォトレジストマスクを形成する。続いて、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やスパッタ法などを用いて金からなる金属膜を素子用ウエハ２の表面に成膜して、その後リフトオフ法により余剰な金属膜をフォトレジストマスクと共に除去する。素子用ウエハ２の裏面側についても、同様に引き回し電極１７及び励振電極１２ｂを形成する。
【００３４】
次いで、以上作製した各ウエハ１〜３を互いに直接接合する（ステップＳ１２）。具体的には、各々のウエハ１〜３において互いに接合される面を各々清浄化し、真空雰囲気中において上側のウエハ１と中央のウエハ２とを直接接合させた後、上側のウエハ１と中央のウエハ２とが接合した状態の積層ウエハと下側のウエハ３とを順次接合し、ウエハ１〜３が接合された積層ウエハ４を得る。即ち、封止用ウエハ１の下面における凹部２１の外周面と素子用ウエハ２の枠状体１４の上面とを接合させると共に、素子用ウエハ２の枠状体１４の下面と封止用ウエハ３の上面における凹部２１の外周面とを接合させる。この時、反応金属層５と電極パッド１６との間に既述の隙間領域３４が介在しているので、これら反応金属層５及び電極パッド１６が衝突（干渉）せずに、封止用ウエハ１と素子用ウエハ２とが互いに接触する。
【００３５】
上記の直接接合は、例えば表面活性化接合法により行う。具体的には、真空中で、接合面同士を対向させた状態で、接合面に向かってイオンビームあるいは中性子ビームを照射し、対向する接合面を清浄化する。その後、接合面パターンのアライメントを行い、直ちに２つのウエハを接合させる。接合時には、５〜２０ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力を印加するものの、加熱は不要である。この接合法では、ウエハ材料の破壊強度に匹敵する接合強度が得られる。また、接合するウエハ材料同士が異なっていても、熱膨張率差に由来する熱応力が発生しないため、接合によるデバイス特性の劣化がない。こうして図９に示すように、各ウエハ１〜３同士が互いに直接接合されて、各々の水晶振動子１１の置かれる領域が真空雰囲気となるように気密封止パッケージ１０が気密に封止される。この時、既に詳述したように、反応金属層５と電極パッド１６とは電気的に接触していない状態となっている。
【００３６】
続いて、図１０に示すように、例えば貫通孔配線２２の上方側における接続電極２３に対して、電気スパーク、レーザー光あるいはフラッシュ光（紫外線から可視光までの波長の光）などのエネルギーこの例では電気スパークを供給する。このエネルギーは、接続電極２３及び貫通孔配線２２を介して反応金属層５に到達し、当該反応金属層５が発熱反応を起こし、例えば１５００℃程度の温度に速やかに加熱する。既述のように、反応金属層５は外部からの刺激を受けて瞬間的に且つ局所的に発熱反応を起こして溶融するために、該反応金属層５の上下に配置された貫通孔配線２２並びに電極パッド１６ｂ材料を巻き込んで溶融する。
【００３７】
すなわち、反応金属層５が上下方向に亘って溶融すると、当該反応金属層５は、表面張力により球状になろうとする。従って、この反応金属層５の下端部は、下方側に向かって盛り上がっていき、既述の隙間領域３４を通過して電極パッド１６に到達する。そして、この反応金属層５の反応により発生した熱により、貫通孔配線２２の下端部及び電極パッド１６の上端部についても溶融するので、反応金属層５の反応終了時には、これら反応金属層５、貫通孔配線２２の下端部及び電極パッド１６の上端部は、図１１に示すように、互いに合金化して合金層６として一体化する（ステップＳ１３）。
【００３８】
従って、既述の接続電極２３、２３は、水晶振動子１１に対する電気信号の入力と、この入力信号に基づいて水晶振動子１１が発振して得られる発振信号の出力と、を行うことができるように、貫通孔配線２２、合金層６、電極パッド１６ａ、１６ｂ及び引き回し電極１７を介して、水晶振動子１１の励振電極１２ａ、１２ｂに電気的に接続される。その後、例えばダイシングなどにより、各々の気密封止パッケージ１０が個片化される（ステップＳ１４）。
【００３９】
ここで、既述の電気スパークを気密封止パッケージ１０（接続電極２３）に供給する装置について、図１２を参照して簡単に説明する。この装置は、積層ウエハ４を載置するテーブル４１と、このテーブル４１を収納する処理容器４２と、を備えている。処理容器４２の天井面には、積層ウエハ４に対して電気スパークを供給するための点火電極（イグニッション）４３が支持部材４４により昇降自在に設けられており、この点火電極４３には、スイッチ４５を介して高圧電源部４６が接続されている。そして、前記テーブル４１の下方側には、縦横に配置されたＸレール及びＹレールからなる駆動部４７が処理容器４２の床面に配置されており、この駆動部４７によって、点火電極４３に対して積層ウエハ４における各々の気密封止パッケージ１０が相対的に走査されるように、テーブル４１が水平方向に移動自在に構成されている。図１２中４８は、処理容器４２の搬送口４９の開閉を行うシャッターである。
【００４０】
この装置において既述の反応金属層５を反応させる時には、処理容器４２内に積層ウエハ４を搬入してテーブル４１上に載置する。次いで、積層ウエハ４上のある気密封止パッケージ１０が点火電極４３の下方側に位置するようにテーブル４１を移動させると共に、当該気密封止パッケージ１０の接続電極２３に点火電極４３を接触させる。続いて、スイッチ４５を閉状態にして、高圧電源部４６から例えば数百ｍＡ程度の電流を点火電極４３を介して接続電極２３に供給すると、この点火電極４３と接続電極２３との間に電気スパークが発生し、既述のように反応金属層５が反応して合金層６が形成される。こうしてテーブル４１を移動させながら各々の気密封止パッケージ１０に対して順次電気スパークを供給することにより、面内に亘って合金層６が形成される。
【００４１】
上述の実施の形態によれば、水晶振動子１１の形成された素子用ウエハ２と封止用ウエハ１、３とを直接接合した気密封止パッケージ１０において、水晶振動子１１に電気信号の入出力を行う電極パッド１６について、封止用ウエハ１に隙間領域３４を介して対向するように形成している。また、この電極パッド１６と、封止用ウエハ１の貫通孔配線２２との間に反応金属層５を配置して、ウエハ１〜３同士を直接接合した後、これらウエハ１〜３の外側から反応金属層５にエネルギーを供給して、反応金属層５を反応させている。そのため、気密封止パッケージ１０を気密に封止した状態で貫通孔配線２２、電極パッド１６及び反応金属層５を合金化できるので、気密封止パッケージ１０の気密性を確保しながら、貫通孔配線２２と電極パッド１６とを容易に電気的に接続できる。
【００４２】
本発明のポイントは、封止用ウエハ１側に形成される、接合面との段差部（凹部２１）で、素子用ウエハ２上の電極パッド１６と、封止用ウエハ１側に設けられる貫通孔配線２２との間に反応金属層５を有し、該反応金属層５は、ウエハ１〜３接合直後においては、外部着火源により発熱反応を起こす２つの金属膜３１、３２が交互に積層された反応金属層５であって、該反応金属層５の厚さ寸法ｔ２が、封止用ウエハ１側に形成される、接合面との段差ｔ、素子用ウエハ２上の電極パッド１６の厚さ寸法ｔ１とした時、ｔ２≦ｔ−ｔ１であることを特徴とし、真空中でのウエハ１〜３の直接接合後に行われる外部からの着火処理によって、貫通孔配線２２の接合部に接する部分、反応金属層５、そして素子用ウエハ２の電極パッド１６に亘る領域が、貫通孔配線２２を構成する材料と、反応金属層５を形成する材料、ならびに素子用ウエハ２上の電極パッド１６の材料とが溶融して成る合金層６となっていることを特徴とする。
【００４３】
本発明の意図するところは、水晶振動子１１が作り込まれた素子用ウエハ２と、この素子用ウエハ２を気密封止するためのキャップの役割を持つ封止用ウエハ１、３とを互いに接合するにあたり、従来は、気密封止接合と貫通孔配線２２による電気接続を同時に行っていたのに対し、本発明では、直接接合による気密封止を優先的に行い、直接接合による気密封止完了後に、貫通孔配線２２と素子用ウエハ２上の電極パッド１６との間の電気的接続を行う、というものである。即ち、直接接合による気密封止を優先するために、電気接続部は、ｔ≧ｔ１＋ｔ２を満足するように設定する。このため、ウエハ１〜３を接合した後は、気密封止性は確保されるものの、電気的には接続不良状態である。貫通孔配線２２と素子用ウエハ２側の電極パッド１６との間に配置した反応金属層５は、外部着火源により発熱反応を起こし、瞬間的且つ局所的に高温となって、反応金属層５を構成する第１の金属膜３１及び第２の金属膜３２のみならず、両側の貫通孔配線２２及び電極パッド１６と共に溶融、合金化が起こるために、貫通孔配線２２と電極パッド１６とを電気的に接続できる。
【００４４】
この時、素子用ウエハ２における電極パッド１６の形成や、封止用ウエハ１、３の凹部２１の形成、ならびに反応金属層５の積層の各製造工程のばらつきを考慮すると、ｔ＝ｔ１＋ｔ２を満足するように工程管理することは困難であるが、ｔ＞ｔ１＋ｔ２を満たすような工程管理は容易である。従って、反応金属層５を用いることにより、気密封止パッケージ１０を容易に製造できる。
【００４５】
また、反応金属層５が容易に反応して発熱反応を起こすことから、当該反応金属層５を反応させるにあたって、励振電極１２、電極パッド１６及び引き回し電極１７が溶融してしまう程あるいは水晶振動子１１の特性が劣化してしまう程の大きなエネルギーを加える必要がない。そのため、水晶振動子１１の特性劣化を抑えながら、またこれら励振電極１２、電極パッド１６及び引き回し電極１７の形状を保ったままで、接続電極２３と励振電極１２とを電気的に接続できる。また、反応金属層５が容易に反応することから、またウエハ１〜３を加圧する必要がないことから、気密封止パッケージ１０を作製する装置（直接接合装置、スパッタ装置、図１２のスパークを生成させる装置）の構成を簡略化できる。
【００４６】
ここで、反応金属層５について補足する。この反応金属層５は、反応性多層膜、反応性多層フォイル、あるいは反応性多層箔などとも呼ばれており、既述の背景の欄で述べた特許文献８〜１０に記載されているように、バルク材の加熱が必要であった従来のロウ材やはんだの代替となる材料であり、室温下であっても、接合したいバルク材料の間に反応性多層膜のフィルムを挟み、バルク材を両側から押圧し、反応性多層膜に着火することで、発熱反応が瞬時に伝搬し、局所的に温度が上がり接合を行うことができる。一方、本発明では、反応金属層５をウエハ１〜３同士の接合に用いるのではなく、電気接続部を溶融するための熱源に用いている。そのため、外部着火時に、反応金属層５が両側から押圧されている必要はない。
【００４７】
［第１の実施の形態の変形例］
続いて、第１の実施の形態の変形例について、図１３〜図１７を参照して以下に説明する。尚、以降の図１３〜図１７において、既述の第１の実施の形態と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略する。
【００４８】
図１３は、反応金属層５を電極パッド１６上に配置した例を示している。また、図１４は、反応金属層５を電極パッド１６上に配置すると共に、当該反応金属層５と電極パッド１６との間に、膜厚寸法ｔ３が例えば０．５μｍの第１のバッファー層５１を設けた例を示している。この第１のバッファー層５１は、電極パッド１６と反応金属層５との密着性を高める、あるいは反応金属層５が発熱反応を起こす際に、電極パッド１６と反応金属層５との合金化を促進する役割を持つ。従って、第１のバッファー層５１は、電極パッド１６と合金を形成しやすい材料により構成され、例えば電極パッド１６が金の場合には、シリコンあるいは金を含む合金（例えば金−スズ合金、金−ゲルマニウム合金など）またはアルミニウムなどが用いられる。
【００４９】
この例では、反応金属層５が反応すると、貫通孔配線２２、反応金属層５、第１のバッファー層５１及び電極パッド１６が溶融して合金化し、既述の第１の実施の形態よりも反応金属層５と電極パッド１６との合金化反応が容易に起こる。この場合には、電気スパークのエネルギーは、接続電極２３、貫通孔配線２２及び貫通孔配線２２と反応金属層５との間の隙間領域３４を介して反応金属層５に伝達される。
【００５０】
図１５は、既述の図１４における第１のバッファー層５１に加えて、例えば金、金−スズ合金あるいはシリコンなどからなる第２のバッファー層５２を貫通孔配線２２の下面側に形成した例を示している。この第２のバッファー層５２は、厚さ寸法ｔ４がｔ≧ｔ１＋ｔ２＋ｔ４となるように形成されており、反応金属層５が発熱反応を起こす際に、貫通孔配線２２と反応金属層５との合金化を促進する役割を持つ。この例では、反応金属層５が発熱反応を起こすと、電極パッド１６、貫通孔配線２２、第１のバッファー層５１及び第２のバッファー層５２が溶融して合金化する。この時、第１のバッファー層５１を設けずに、第２のバッファー層５２を配置しても良い。
【００５１】
図１６は、封止用ウエハ１、３に凹部２１を設けることに代えて、素子用ウエハ２側に凹部２１を設けた例を示している。即ち、封止用ウエハ１、３は、各々平板状に形成され、素子用ウエハ２は、表面側及び裏面側が各々逆メサ状に加工されて各々凹部２１、２１が形成されている。図１７は、封止用ウエハ１については平板状に形成すると共に、素子用ウエハ２及び封止用ウエハ３については表面側に各々凹部２１を形成した例を示している。即ち、各ウエハ１〜３は、反応金属層５、電極パッド１６、バッファー層５１、５２が封止用ウエハ１と素子用ウエハ２との接触（接合）を阻害しないように、反応金属層５と貫通孔配線２２または電極パッド１６との間に隙間領域３４が介在するように形成される。これら図１６及び図１７の各例についても、貫通孔配線２２と電極パッド１６との間に第１のバッファー層５１や第２のバッファー層５２を設けても良い。
【００５２】
また、以上の各例では、素子用ウエハ２において２つの電極パッド１６ａ、１６ｂを各々封止用ウエハ１側（上方側）に配置したが、例えば一方の電極パッド１６ｂについては封止用ウエハ３側（下方側）に配置すると共に、当該電極パッド１６ｂに対して反応金属層５を介して対向するように、封止用ウエハ３に貫通孔配線２２を形成しても良い。
更に、水晶振動子１１を左側から支持部１５によって片持ちで支持したが、当該水晶振動子１１の右側にも支持部１５を形成し、いわば水晶振動子１１を両持ちで支持するようにしても良い。
【００５３】
ここで、反応金属層５の発熱反応を引き起こす外部着火源としては、既述の電気スパークを発生させる装置以外にも、レーザ光やパルス状の温度変化を与える装置を用いても良い。以下に、このような装置について説明する。尚、既述の図１２と同じ構成の部位については同じ符号を付して説明を省略する。
【００５４】
図１８は、積層ウエハ４に対してレーザー光を照射する装置を示しており、既述の図１２に示した装置における点火電極４３に代えて、レーザ光を照射する照射部６１を設けた例を示している。図１８中、６２はレーザー光の発振部である。この装置では、積層ウエハ４をテーブル４１に載置すると共に、接続電極２３に対してレーザー光を照射すると、接続電極２３及び貫通孔配線２２を介してレーザー光の熱が反応金属層５に伝達され、当該反応金属層５が既述のように反応する。そして、既述の例と同様に、照射部６１に対して積層ウエハ４が相対的にスキャンされる。
【００５５】
図１９は、積層ウエハ４に対してＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）する装置を示しており、既述の図１２の装置における点火電極４３に代えて、処理容器４２の上方側には、紫外線から可視光までの波長のフラッシュ光を下方側に向けて照射するためのフラッシュランプ６３が設けられている。このフラッシュランプ６３の下方側における処理容器４２の天井面には、例えばガラスや石英などからなる透明窓６４が配置されている。
この装置では、テーブル４１に積層ウエハ４を載置して、次いで積層ウエハ４にフラッシュ光を照射すると、当該積層ウエハ４上の反応金属層５が面内に亘って一括して反応する。
【００５６】
［第２の実施の形態：ＭＥＭＳ、反応金属層］
以上の各例では、デバイス素子として水晶振動子１１を例に挙げたが、第２の実施の形態では、このデバイス素子としてＭＥＭＳ素子７０を用いた例について説明する。このＭＥＭＳ素子７０についても、以下に説明するように、半導体加工技術を用いて各々作製された素子用ウエハ２と封止用ウエハ１とをウエハレベルで直接接合して、次いで反応金属層５を反応させた後、ダイシングなどにより個片化される。第２の実施の形態では、各ウエハ１、２は、各々多結晶シリコンにより構成されており、特に断らない限り、これらウエハ１、２により構成される部位についても同様に多結晶シリコンにより構成されているものとする。また、第１の実施の形態と同じ部位や工程については説明を省略する。
【００５７】
ＭＥＭＳ素子７０は、図２０〜図２３に示すように、概略円板状のディスク７１からなる振動体と、このディスク７１を振動させるために当該ディスク７１の側方側に配置された励振電極７２と、を備えている。ディスク７１の下面側中央部には、棒状に伸びる支持部７３の一端側が接続されており、この支持部７３の他端側は、素子用ウエハ２の表面において図２２中左右方向（Ｘ方向）に伸びる概略板状のバイアス電極７４に支持されている。尚、図２２は、図２１におけるＡ−Ａ線にて切断した縦断面を示している。このバイアス電極７４は、ディスク７１に対してバイアス用の電圧を印加するためのものであり、当該バイアス電極７４における右側の端部がディスク７１の下方領域よりも右側に伸び出している。バイアス電極７４の厚み寸法は、例えばｔ１この例では２μｍとなっている。バイアス電極７４と素子用ウエハ２との間には、例えば二酸化シリコンからなる絶縁膜（図示せず）が介在している。励振電極７２及びバイアス電極７４は、各々電極パッドをなす。尚、図２３は、図２１におけるＢ−Ｂ線にて切断した縦断面を示している。
【００５８】
既述の励振電極７２は、概略角柱状に形成されており、ディスク７１を挟んで前後方向（Ｙ方向）に相対向するように２箇所に設けられている。各々の励振電極７２、７２は、ディスク７１側の側面部がディスク７１の外縁に倣うように、またこの外縁との間に空隙７５が形成されるように、当該側面部が上下方向に亘って円弧状に切り欠かれている。ディスク７１の厚み寸法は、例えばＴ１となっている。各々の励振電極７２、７２と素子用ウエハ２との間には、図示しない絶縁膜が配置されている。
【００５９】
封止用ウエハ１は、図２１〜図２３に示すように、素子用ウエハ２におけるディスク７１及び励振電極７２、７２の形成された領域を収納するように、且つ当該領域の外側において周方向に亘って下端部が素子用ウエハ２と接触するように、下面側に凹部２１が形成されている。図２２において、例えば励振電極７２、７２における各々の左端の部位と封止用ウエハ１の下端面との間の寸法は例えばＴとなっており、バイアス電極７４の右端の部位と封止用ウエハ１の下端面との間の寸法は例えばｔこの例では１０μｍとなっている。
【００６０】
そして、前記部位に対向する封止用ウエハ１には、各々貫通孔配線２２が形成されており、これら貫通孔配線２２の下面側には、厚さ寸法がｔ２この例では７．８μｍの反応金属層５が各々設けられている。この例では、反応金属層５における第１の金属膜３１及び第２の金属膜３２は、夫々例えばチタン及びアルミニウムにより構成されている。これら金属膜３１、３２の膜厚ｄ１、ｄ２は、各々５０ｎｍとなっている。また、積層膜３３の繰り返し数は、７８となっている。
【００６１】
以上の凹部２１、励振電極７２、７２、バイアス電極７４及び反応金属層５は、各寸法がｔ２≦ｔ−ｔ１及びｔ２≦Ｔ−Ｔ１となるように形成されている。従って、反応金属層５と励振電極７２、７２との間及び反応金属層５とバイアス電極７４との間には、高さ寸法がΔｔ（Δｔ＝ｔ−ｔ１−ｔ２＝Ｔ−Ｔ１−ｔ２）の隙間領域３４が各々形成されている。貫通孔配線２２の上面側には、図２０に示すように、既述の接続電極２３が各々形成されている。
【００６２】
この第２の実施の形態において気密封止パッケージ１０を製造する時には、図２４に示すように、始めに各ウエハ１、２に対して半導体加工技術を用いて個別に作製する。具体的には、素子用ウエハ２については、インゴットから切り出して研磨したシリコンウエハに対して、多結晶シリコン膜や絶縁膜の成膜、フォトリソグラフィー、エッチング、犠牲膜の成膜及び熱酸化処理などを組み合わせて、既述のディスク７１や励振電極７２を作製する。また、封止用ウエハ１については、シリコンウエハに対して、同様にフォトリソグラフィー、エッチング、スパッタ及び電解メッキを組み合わせて、凹部２１、貫通孔配線２２、反応金属層５及び接続電極２３を形成する。この例では、貫通孔配線２２は、例えば銅（Ｃｕ）により構成される。
【００６３】
次いで、図２５に示すように、素子用ウエハ２と封止用ウエハ１とを真空雰囲気において互いに直接接合する。この時、励振電極７２、７２と反応金属層５との間及びバイアス電極７４と反応金属層５との間には、既述のように隙間領域３４が各々介在しているので、これら励振電極７２、７２、バイアス電極７４及び反応金属層５がウエハ１、２同士の接触に干渉せず（邪魔にならず）、従って貫通孔配線２２と励振電極７２、７２及びバイアス電極７４との間は電気的に導通していない。
【００６４】
続いて、ウエハ１、２同士を接合した積層ウエハ４に対して電気スパークなどのエネルギーを供給すると、図２６に示すように、反応金属層５が既述の例と同様に反応して、貫通孔配線２２と励振電極７２、７２及びバイアス電極７４とが互いに導通する。そして、面内に亘って反応金属層５を反応させた後、ダイシングなどによって気密封止パッケージ１０が個片化される。
【００６５】
こうして励振電極７２、７２に接続電極２３を介して交流電圧を印加すると共に、バイアス電極７４に接続電極２３を介して直流のバイアス電圧を印加すると、静電結合によってディスク７１がある周波数において輪郭振動で振動する。そして、ディスク７１の振動は、静電結合を介して励振電極７２、７２から電気信号として取り出される。この第２の実施の形態においても、既述の各例と同様の効果が得られる。
【００６６】
第２の実施の形態についても、図２７のように、反応金属層５を素子用ウエハ２側に配置しても良いし、図２８及び図２９に示すように、貫通孔配線２２と励振電極７２、７２やバイアス電極７４との間に、バッファー層５１、５２を介在させても良い。第２のバッファー層５２は、この例ではチタン、クロム、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム、ジルコニウムあるいはタングステン（Ｗ）などにより構成される。また、図３０に示すように、封止用ウエハ１については平板状に形成しても良い。この場合には、素子用ウエハ２に凹部２１を形成すると共に、バイアス電極７４の表面の高さ位置が励振電極７２、７２の表面と高さ位置と同じ寸法となるように、当該バイアス電極７４の下方側に例えば絶縁体からなる支持部７６を配置する。
【００６７】
［その他の例］
反応金属層５における第１の金属膜３１と第２の金属膜３２としては、以下の（ａ）〜（ｆ）のいずれかを含むように構成される。従って、以下の（ａ）〜（ｆ）の積層膜３３の少なくとも２つを組み合わせて用いても良い。
（ａ）第１の金属膜：ニッケル 第２の金属膜；アルミニウム
（ｂ）第１の金属膜：チタン 第２の金属膜；アルミニウム
（ｃ）第１の金属膜：ジルコニウム（Ｚｒ） 第２の金属膜；アルミニウム
（ｄ）第１の金属膜：ハフニウム（Ｈｆ） 第２の金属膜；アルミニウム
（ｅ）第１の金属膜：ニッケル 第２の金属膜；シリコン
（ｆ）第１の金属膜：ニオブ（Ｎｂ） 第２の金属膜；シリコン
【００６８】
第１の金属膜３１及び第２の金属膜３２の膜厚については、互いに異なる膜厚に設定にしても良い。また、反応金属層５における各金属膜３１、３２の各層の膜厚、金属膜３１に対する金属膜３２の膜厚比、積層膜３３の積層枚数については、電極パッド１６の材質、膜厚ｔ１、貫通孔配線２２の材質、凹部２１の高さ膜厚ｔなどに依存して設計パラメータとして適宜選択される。また、反応金属層５の発熱反応によって当該反応金属層５や貫通孔配線２２あるいは電極パッド１６が昇温する温度は、前記金属膜３１、３２の組み合わせや、積層膜３３の繰り返し数及び反応金属層５の膜厚ｔ２に影響される。
【００６９】
ここで、反応金属層５の構成材料が同じであれば、積層膜３３の繰り返し数が多いほど、また膜厚ｔ２が厚いほど、当該反応金属層５の発熱反応により到達する温度が高くなるので、各金属膜３１、３２の膜厚を薄くすると共に、ｔ＜ｔ１＋ｔ２の範囲内で可能な限り、前記繰り返し数を多くすると共に、膜厚ｔ２を厚くすることが望ましい。
【００７０】
また、既述の例ではｔ２＜ｔ−ｔ１となるように凹部２１、反応金属層５及び電極パッド１６の各寸法を設定したが、膜厚ｔ１及びｔ２があまりにも小さすぎると、反応金属層５の溶融によっても貫通孔配線２２と電極パッド１６とをコンタクトさせにくくなってしまうことから、ｔａ＜ｔ１＋ｔ２＜ｔとなるように各寸法を設定することが好ましい。膜厚ｔａは、具体的には膜厚ｔで規定すると例えば０．０１×ｔ〜０．１×ｔ程度であり、実際の寸法としては例えば０．１μｍ〜１μｍ程度である。更に、この反応金属層５のＸ−Ｙ平面における面積についても、小さすぎると電極パッド１６または貫通孔配線２２に到達するまでの体積にはなり難いため、１００μｍ×１００μｍ〜３００μｍ×３００μｍ程度であることが好ましい。また、ｔ２＝ｔ−ｔ１となるように各寸法を設定しても良い。
【００７１】
更に、既述の各例ではウエハレベルで多数の気密封止パッケージ１０を製造した後個片化したが、ウエハ１〜３（１、２）同士を互いに直接接合した後個片化して、その後反応金属層５を反応させるようにしても良いし、更にまた、各ウエハ１〜３（１、２）を夫々個片化した後、これらウエハ１〜３（１、２）を互いに直接接合し、その後反応金属層５を反応させても良い。また、反応金属層５としては、金属膜３１、３２の積層体に代えて、これら金属膜３１、３２を夫々構成する金属粉末を互いに混合した混合粉末を用いても良い。この場合には、前記混合粉末にバインダーを混練してシート状に成形し、次いで仮焼によりバインダーを除去した状態の成形体が用いられる。
【００７２】
また、積層ウエハ４に対して電気スパークなどのエネルギーを供給する時は、封止用ウエハ１側を上に向けて反応金属層５を反応させたが、封止用ウエハ３側を上に向けて、当該封止用ウエハ３を介してエネルギーを反応金属層５に伝達するようにしても良い。更に、反応金属層５にエネルギーを供給することにより当該反応金属層５、貫通孔配線２２及び電極パッド１６を合金化したが、これら反応金属層５、貫通孔配線２２及び電極パッド１６が合金化していなくても、反応金属層５が少なくとも溶融あるいは軟化することによって貫通孔配線２２と電極パッド１６とを電気的に接続していれば良い。更にまた、ウエハ１〜３（１、２）を直接接合した後、反応金属層５を反応させたが、これらウエハ１〜３（１、２）を直接接合しながら反応金属層５を反応させても良い。
【００７３】
［第３の実施の形態：共晶金属層］
既述の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、水晶振動子１１やＭＥＭＳ素子７０における各電極（電極パッド１６、励振電極７２及びバイアス電極７４）と貫通孔配線２２とを互いに電気的に接続するにあたり、反応金属層５を用いたが、以下に説明する第３の実施の形態では、この反応金属層５に代えて、共晶金属層８０を用いている。即ち、前記各電極と貫通孔配線２２との間を導通させる時に、これら水晶振動子１１やＭＥＭＳ素子７０と貫通孔配線２２との間に金属からなる液相を形成するにあたって、第３の実施の形態では共晶を利用している。以下に、共晶金属層８０について、第１の実施の形態で述べた水晶振動子１１を例に挙げて説明する。尚、既述の第１の実施の形態と同じ部位については同じ符号を付して説明を省略する。
【００７４】
図３１に示すように、貫通孔配線２２の下面側には、厚さ寸法ｔ２が例えば５００ｎｍとなるように設定された共晶金属層８０が設けられている。この共晶金属層８０は、図３２の下段に示すように、例えば金などからなる第１の金属成分である第１の金属膜８１と、例えばスズなどからなる第２の金属成分である第２の金属膜８２と、が交互に積層された構成を採っている。これら第１の金属膜８１及び第２の金属膜８２は、第１の金属膜８１と第２の金属膜８２との重量比が８：２となるように、即ち共晶金属層８０における各金属膜８１、８２が共晶を起こす組成比となるように、例えば各々の膜厚寸法が設定されている。従って、この場合における共晶金属層８０の共晶温度は、例えば２７８℃となっている。この実施の形態では、段差ｔ及び厚さ寸法ｔ１が夫々８００ｎｍ及び２００ｎｍとなっており、電極パッド１６の下側には、例えばクロムなどからなる図示しない密着層が例えば１０ｎｍ程度の厚さ寸法となるように形成されている。従って、高さ寸法Δｔは、９０ｎｍ（＝８００−５００−２００−１０）となっている。
【００７５】
この共晶金属層８０を用いた場合においても、各ウエハ１〜３を互いに直接接合する（ステップＳ１２）と、電極パッド１６と貫通孔配線２２とは、互いに離間していて導通しない。次いで、共晶金属層８０が共晶温度以上の処理温度例えば２９０℃程度となるように、外部からエネルギーを加える（ステップＳ１３）。具体的には、図１９に示したＲＴＡ装置や、通常の加熱炉（電気炉）、拡散炉あるいは図１２、図１３及び図１８の装置などを用いて、積層ウエハ４の全体を前記処理温度に加熱する。このエネルギーにより、第１の金属膜８１と第２の金属膜８２とは、図３２に示すように、共晶合金となるように（互いに混ざり合うように）溶融して液相となる。こうして共晶金属層８０を冷却することにより、当該共晶金属層８０を介して、同様に電極パッド１６と貫通孔配線２２とが導通する。この時、電極パッド１６や貫通孔配線２２の溶融温度や水晶振動子１１の特性が劣化してしまう温度まで加熱していないので、当該水晶振動子１１の特性劣化や例えば貫通孔配線２２の断線などが防止される。
【００７６】
共晶金属層８０を共晶化させる時の処理温度としては、共晶温度よりも５℃〜２０℃程度高い温度であれば良い。また、共晶金属層８０を構成する第１の金属膜８１と第２の金属膜８２との組成比について、当該共晶金属層８０が全て共晶合金化しなくても、電極パッド１６と貫通孔配線２２との間を電気的に接続できる程度の液相が生成するように、前記重量組成比が例えば金：スズ＝７６：２４〜８２：１８程度になるように設定しても良い。更に、第１の金属膜８１及び第２の金属膜８２について、既述のようにこれら金属膜８１、８２を積層した構成に代えて、元素状あるいは粉末状で金属層８１、８２を互いに混合させた共晶金属層８０または一度共晶化させた合金体をシート状に形成した共晶金属層８０を用いても良い。
【００７７】
また、共晶金属層８０について、貫通孔配線２２側に配置したが、既述の図１３のように、電極パッド１６側に配置しても良い。更に、図１４及び図１５のように、共晶金属層８０と電極パッド１６との間、及び共晶金属層８０と貫通孔配線２２との間の少なくとも一方に、例えばチタン、クロム、タンタル、アルミニウム、ジルコニウム及びタングステンのいずれかからなるバッファー層５１（５２）を介在させても良い。電極パッド１６が金により構成されている時には、この電極パッド１６と共晶金属層８０との間に配置するバッファー層５１としては、シリコンや金を含む合金例えば金―スズ合金、金―ゲルマニウム合金あるいはアルミニウムなどを用いても良い。
【００７８】
バッファー層５１（５２）を配置することにより、当該バッファー層５１（５２）を介して電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間における合金化が促進されるので、共晶金属層８０と電極パッド１６との間の導通を確実に容易に行うことができる。また、バッファー層５１（５２）を用いることにより、バッファー層５１（５２）の膜厚分だけ共晶金属層８０の薄膜化を図ることができる。従って、共晶金属層８０として例えば金などの高価な元素を用いる場合には、気密封止パッケージ１０のコストダウンを図ることができる。
【００７９】
この時、第１の金属膜８１と第２の金属膜８２との間だけでなく、電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間において合金化反応が生じる場合には、バッファー層５１（５２）として、例えばモリブデン（Ｍｏ）、タンタル、タングステン、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）あるいはチタンータングステン化合物（ＴｉＷ）などの高融点材料を用いても良い。即ち、電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間において合金化反応が生じると、用いる材料によっては、これら電極パッド１６や貫通孔配線２２が浸食されて隙間領域３４側に移動して、電極パッド１６と貫通孔配線２２との間の導通が取れなくなってしまう場合がある。そこで、このような場合には、バッファー層５１（５２）は、電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間の密着性を高めることに代えて、あるいは電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間の密着性を高めると共に、これら電極パッド１６や貫通孔配線２２と共晶金属層８０との間における合金化反応を防止するためのバリア金属層としての役割を果たすことになる。また、図１６や図１７のように、凹部２１を素子用ウエハ２側に設けても良い。
【００８０】
また、第１の金属成分及び第２の金属成分としては、既述の金―２０重量％スズの構成に代えて、他の共晶合金を形成する２元系の共晶金属層８０を用いても良い。具体的には、共晶金属層８０として、以下の表１に示す（ａ）〜（ｋ）のうちのいずれかを含む構成としても良い。尚、この表１における右側の欄には、各々の共晶金属層８０の共晶温度を示しており、既に説明した共晶金属層８０についても（ａ）として併記している。
【００８１】
（表１）
【００８２】
この表１において、ハイフン（−）の左側及び右側の元素が夫々第１の金属成分及び第２の金属成分を示しており、当該右側の元素に付した数字が共晶金属層８０に含まれる第２の金属成分の割合（重量パーセント）を意味している。また、３元系の共晶金属層８０を用いても良く、表１の（ｌ）には、第３の金属成分として銅を用いた例を示しており、これら第１の金属成分、第２の金属成分及び前記第３の金属成分の組成比についても、既述の組成範囲となるように各々設定しても良い。これら（ａ）〜（ｌ）のうち、既述の水晶振動子１１においては、共晶金属層８０の熱処理時に水晶振動子１１がキューリー点を越えないように、共晶温度が例えば４００℃以下の共晶金属層８０が用いられる。
【００８３】
更に、以上説明した共晶金属層８０をＭＥＭＳ素子７０に適用しても良い。具体的には、例えばバイアス電極７４の厚み寸法ｔ１が２μｍ、バイアス電極７４の上端面と封止用ウエハ１の下端面との間の寸法ｔが１０μｍであり、貫通孔配線２２が銅により構成されている場合には、共晶金属層８０として表１の（ａ）〜（ｌ）のうち例えば（ｃ）の構成を用いても良い。共晶金属層８０は、貫通孔配線２２側あるいは励振電極７２及びバイアス電極７４側に配置される。そして、共晶金属層８０の厚さ寸法ｔ２が例えば７．８μｍに設定されると共に、例えば３８０℃にて共晶金属層８０が溶融され、貫通孔配線２２と励振電極７２及びバイアス電極７４とが夫々互いに導通する。
このＭＥＭＳ素子７０の場合においても、表１に示した共晶金属層８０のいずれか一つあるいは表１の共晶金属層８０の複数を組み合わせて用いても良いし、同様にバッファー層５１（５２）を用いても良い。
【００８４】
ここで、表１に挙げた金属膜８１、８２のうち例えば銅や金などは、電極パッド１６や貫通孔配線２２を構成する材料となっている。従って、共晶金属層８０における第１の金属膜８１及び第２の金属膜８２のいずれか一方について、これら電極パッド１６や貫通孔配線２２の一方に兼用させても良い。この場合には、共晶金属層８０は、第１の金属膜８１及び第２の金属膜８２を備えることに代えて、これら第１の金属膜８１及び第２の金属膜８２の他方により構成しても良い。具体的には、図３３に示すように、共晶金属層８０をスズにより構成すると、例えば２５０℃程度の熱処理を行うことにより、当該共晶金属層８０が溶融する。そして、図３４に示すように、電極パッド１６側では金―スズからなる共晶合金が形成され、貫通孔配線２２側では銅―スズからなる共晶合金が形成される。こうして共晶金属層８０を介して電極パッド１６と貫通孔配線２２とが導通する。
【００８５】
［第４の実施の形態：金属間化合物］
この第４の実施の形態では、電極パッド１６や、励振電極７２及びバイアス電極７４と貫通孔配線２２とを互いに電気的に接続するにあたり、反応金属層５や共晶金属層８０に代えて、金属間化合物を利用している。具体的には、水晶振動子１１の例について説明すると、図３５に示すように、電極パッド１６と貫通孔配線２２との間には、加熱によって金属間化合物を形成する前駆体層９０が介在している。この前駆体層９０は、例えばインジウム（融点：１５６℃）及びスズ（融点：２３１℃）の少なくとも一方この例ではインジウムにより構成された第１の金属成分を含む第１の金属膜９１と、この第１の金属膜９１よりも融点の高い第２の金属膜９２とにより構成されている。第２の金属膜９２は、例えば銅、銀、金及びニッケルの少なくともいずれかを含んでおり、この例では銀により構成されている。
【００８６】
電極パッド１６の上面及び貫通孔配線２２の下面には、各々厚み寸法ｔＬ及び厚み寸法ｔＨ１が各々例えば０．５μｍに設定された第２の金属膜９２が各々形成されており、貫通孔配線２２の下側の第２の金属膜９２の裏面側には、厚み寸法ｔＨ２が例えば２μｍに設定された第１の金属膜９１が配置されている。尚、電極パッド１６及び貫通孔配線２２と第２の金属膜９２との間には、膜厚寸法が例えば０．１μｍのクロムなどからなる図示しない密着層が各々介在している。この例では、膜厚ｔ１及び高さ寸法ｔが夫々０．５μｍ及び４μｍであり、従ってｔ≧ｔ１＋ｔＨ１＋ｔＨ２＋ｔＬ（４≧０．５＋０．５＋２＋０．５＝３．５、厚み寸法ｔＨ１、ｔＬは前記密着層の膜厚寸法を各々含む）となっている。
【００８７】
この第４の実施の形態においても、各ウエハ１〜３を互いに直接接合する（ステップＳ１２）と、第１の金属膜９１と電極パッド１６側の第２の金属膜９２との間には、高さ寸法Δｔの隙間領域３４が形成されるので、これら第１の金属膜９１と第２の金属膜９２とは導通しない。次いで、第３の実施の形態と同様の手法により、積層ウエハ４に対して第１の金属膜９１の融点以上の処理温度例えば１６０℃〜２５０℃程度この例では１７５℃で２時間の熱処理を行うと、図３６に示すように、始めに第１の金属膜９１が溶融して、既述の隙間領域３４が埋められていく。そして、第１の金属膜９１と第２の金属膜９２とが互いに液相拡散して、これら金属膜９１、９２がある一定比となった金属間化合物（例えばＡｇ3ＩｎやＡｇＩｎ2）９３が形成される。こうして積層ウエハ４を冷却することにより、金属間化合物９３を介して電極パッド１６と貫通孔配線２２とが互いに電気的に接続される。
【００８８】
この時、第２の金属膜９２の厚み寸法ｔＬ、ｔＨ１を既述のように設定していることから、電極パッド１６の上面及び貫通孔配線２２の下面は、各々第２の金属膜９２により被覆されたままとなり、即ち未反応の第２の金属膜９２が電極パッド１６側及び貫通孔配線２２側に僅かに残るので、第１の金属膜９１とは接触しない。そのため、電極パッド１６及び貫通孔配線２２と第１の金属膜９１との反応（電極パッド１６や貫通孔配線２２への第１の金属膜９１の拡散）が抑制される。また、金属間化合物９３を形成する時の熱処理温度として、第１の金属膜９１の融点と第２の金属膜９２の融点との間の温度、言い換えると電極パッド１６や貫通孔配線２２が溶融せず、且つ水晶振動子１１へのダメージを抑制できる温度にしている。そのため、電極パッド１６と貫通孔配線２２とが導通するように隙間領域３４を埋めつつも、例えば水晶振動子１１の特性劣化を抑えることができる。尚、第１の金属膜９１の厚み寸法ｔＨ２によって（厚い場合）は、既述の金属間化合物９３と共に未反応の第１の金属膜９１が残る場合もある。
【００８９】
ここで、前駆体層９０の熱処理によって生成した既述の金属間化合物９３は、融点が例えば８８０℃程度であり、第１の金属膜９１や第２の金属膜９２の融点と比べて極めて高い。従って、気密封止パッケージ１０を形成した後、当該パッケージ１０を例えば電子部品に搭載する（固定すると共に電気的に接続する）ためにはんだを用いて熱処理を行う時、数百℃程度の熱処理を行っても、金属間化合物９３は溶融しない。そのため、電極パッド１６と貫通孔配線２２とが前記熱処理によって絶縁されることを防止できる。
【００９０】
この第４の実施の形態においても、高さ寸法ｔに応じて、熱処理によって隙間領域３４が埋められるように各厚み寸法ｔＨ１、ｔＨ２、ｔＬを適宜設定しても良い。また、第１の金属膜９１及び第２の金属膜９２の組み合わせとしては、水晶振動子１１に許容される熱処理温度を勘案して適宜選択される。図３５における第１の金属膜９１について、貫通孔配線２２側の第２の金属膜９２の下面側に形成することに代えて、電極パッド１６側の第２の金属膜９２の上層側に配置しても良い。
【００９１】
以上の第４の実施の形態では、第１の金属膜８１としてインジウムを例に挙げて説明したが、この第１の金属膜８１としてインジウムに代えてスズを用いる場合には、金属間化合物９３を形成する時の熱処理温度及び熱処理時間としては、例えば以下の表２に示す値に設定しても良い。
【００９２】
（表２）
【００９３】
従って、第１の金属膜９１及び第２の金属膜９２として夫々スズ及び銅や銀、あるいは金を用いる時には、これら第１の金属膜９１と第２の金属膜９２との組成比によっては、前駆体層９０は、既述の第３の実施の形態における共晶金属層８０を構成する場合もある。このような場合には、前駆体層９０（共晶金属層８０）に対して熱処理を行うと、前記組成比によって、金属間化合物９３及び共晶金属層８０のいずれか一方からなる単一層や、金属間化合物９３及び共晶金属層８０の混合物が生成する。
【００９４】
以上説明した金属間化合物９３の融点が気密封止パッケージ１０を形成した後に行われる熱処理の温度よりも高いことは既に述べたが、この融点について、金属間化合物９３の代表的な例について以下の表３に示しておく。
（表３）
【００９５】
次に、第４の実施の形態の変形例について、以下に説明する。図３７は、電極パッド１６の上面及び貫通孔配線２２の下面に各々第１の金属膜９１を形成すると共に、貫通孔配線２２側の第１の金属膜９１の下面に第２の金属膜９２を介在させた例を示している。即ち、第４の実施の形態では、電極パッド１６と貫通孔配線２２との間に、前駆体層９０の熱処理によって生成する金属間化合物９３が隙間領域３４を埋める（電極パッド１６と貫通孔配線２２との間を導通させる）ように、第１の金属膜９１及び第２の金属膜９２を形成すれば良い。
【００９６】
また、図３８は、貫通孔配線２２の下面側に第２の金属膜９２を形成すると共に、この第２の金属膜９２の下面側に第１の金属膜９１を配置して、１層の第１の金属膜９１と１層の第２の金属膜９２とにより前駆体層９０を構成した例を示しており、この場合においても既述の各例と同様の作用効果が得られる。このような構成においても、第１の金属膜９１と第２の金属膜９２との上下方向の順番を互いに入れ替えても良いし、あるいはこれら第１の金属膜９１と第２の金属膜９２とからなる前駆体層９０を電極パッド１６上に配置しても良い。
【００９７】
ここで、第２の金属膜９２を金により構成しても良いことは既に述べたが、図３８では、第１の金属膜９１に対して隙間領域３４を介して下方側に位置する電極パッド１６を金により構成しているので、当該電極パッド１６は、前駆体層９０の一部をなしているとも言える。即ち、図３８は、既述の図３５において、電極パッド１６の上面の第２の金属膜９２について、銀に代えて金により構成すると共に、当該第２の金属膜９２を電極パッド１６と一体化した構成を採っているとも言える。
【００９８】
更に、図３９は、前駆体層９０について、第１の金属膜９１により構成すると共に、貫通孔配線２２の下面側に形成した例を示している。即ち、図３８で説明したように、電極パッド１６が金により構成されている時には、当該電極パッド１６が前駆体層９０の一部を構成していると言える。また、この前駆体層９０の上方側の貫通孔配線２２が銅により構成されており、従って貫通孔配線２２についても前駆体層９０の一部をなしていると言える。従って、この前駆体層９０に対して熱処理を行うと、前駆体層９０が溶融すると共に、この前駆体層９０が電極パッド１６側及び貫通孔配線２２側に拡散して、当該前駆体層９０、電極パッド１６及び貫通孔配線２２によって金属間化合物９３が形成される。具体的には、貫通孔配線２２側では、インジウム及び銅からなる金属間化合物９３が形成され、電極パッド１６側ではインジウム及び金からなる金属間化合物９３が形成され、こうして既述の例と同様の作用効果が得られる。
【００９９】
ここで、図３９において、電極パッド１６や貫通孔配線２２がインジウムやスズからなる前駆体層９０と金属間化合物９３を形成しない金属により構成されている場合であっても、熱処理により前駆体層９０が溶融すると、隙間領域３４を埋めるようにインジウムやスズからなる液相が形成される。従って、本発明で用いる金属層としては、これらインジウム及びスズのいずれか一方を用いても良いし、インジウム及びスズの混合体を用いても良い。この第４の実施の形態においても、前駆体層９０を第１の金属膜９１及び第２の金属膜９２により構成する場合には、これら金属膜９１、９２を粉末状で混合した前駆体層９０を用いても良い。
第４の実施の形態においても、電極パッド１６と前駆体層９０との間及び、貫通孔配線２２と前駆体層９０との間の少なくとも一方に、バッファー層５１（５２）を介在させても良い。
【０１００】
この第４の実施の形態をＭＥＭＳ素子７０に適用しても良い。即ち、例えばバイアス電極７４の厚み寸法ｔ１が２μｍ、バイアス電極７４の上端面と封止用ウエハ１の下端面との間の寸法ｔが４μｍであり、貫通孔配線２２が銅により構成されている場合には、前駆体層９０を以下のように配置しても良い。具体的には、励振電極７２の表面、バイアス電極７４の表面及び貫通孔配線２２の下面に各々第２の金属膜９２を形成すると共に、貫通孔配線２２側の第２の金属膜９２の下層側に第１の金属膜８１を形成する。そして、これら厚み寸法ｔＨ１、ｔＨ２、ｔＬは、既述の図３５と同じ値に各々設定される。こうして熱処理を行うことにより金属間化合物９３が形成されて励振電極７２及びバイアス電極７４と貫通孔配線２２とが各々互いに電気的に接続される。ＭＥＭＳ素子７０の場合にも、バッファー層５１（５２）やクロムからなる密着層を用いても良いし、既述の図３７〜図３９などのように前駆体層９０を構成しても良い。
【０１０１】
以上述べた第１の金属膜３１、８１、９１及び第２の金属膜３２、８２、９２としては、既述の金属からなる単体により構成しても良いし、他の金属を不純物レベルあるいは熱処理による液相の形成が阻害されない程度に混入しても良い。また、反応金属層５や共晶金属層８０について、前駆体層９０と同様に、電極パッド１６及び貫通孔配線２２側に各々設けても良い。
【符号の説明】
【０１０２】
１、３ 封止用ウエハ
２ 素子用ウエハ
５ 反応金属層
１０ 気密封止パッケージ
１１ 水晶振動子
１２ａ １２ｂ 励振電極
１６ａ、１６ｂ 電極パッド
２１ 凹部
２２ 貫通孔配線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイス素子の形成された素子用基板と絶縁体からなる封止用基板とを直接接合により互いに接合して、前記デバイス素子の置かれる領域を気密に封止した気密封止パッケージにおいて、
前記封止用基板に隙間領域を介して対向するように前記素子用基板に形成され、前記デバイス素子に対して電気信号の入出力を行うための電極パッドと、
前記電極パッドに対向する前記封止用基板に形成され、当該封止用基板の板厚方向に貫通するように形成された導電路と、
前記電極パッドと前記導電路との間に設けられ、前記素子用基板及び前記封止用基板が互いに封止された後、これら基板の外側から伝達されるエネルギーにより溶融して、前記電極パッドと前記導電路とを互いに電気的に接続するための金属層と、を備えたことを特徴とする気密封止パッケージ。
【請求項２】
前記金属層と、当該金属層に対向する前記電極パッドまたは前記導電路との間には、隙間領域が介在していることを特徴とする請求項１に記載の気密封止パッケージ。
【請求項３】
前記隙間領域の高さ寸法は、１μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の気密封止パッケージ。
【請求項４】
前記デバイス素子は、前記素子用基板に平面的に複数箇所に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項５】
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分と発熱反応を起こして当該金属層を溶融させる第２の金属成分と、を備えた反応金属層であり、
前記エネルギーは、これら第１の金属成分と第２の金属成分との発熱反応を開始させるためのものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項６】
前記反応金属層は、以下の（ａ）〜（ｆ）のいずれかを含むことを特徴とする請求項５に記載の気密封止パッケージ。
（ａ）第１の金属成分：ニッケル 第２の金属成分：アルミニウム
（ｂ）第１の金属成分：チタン 第２の金属成分：アルミニウム
（ｃ）第１の金属成分：ジルコニウム 第２の金属成分：アルミニウム
（ｄ）第１の金属成分：ハフニウム 第２の金属成分：アルミニウム
（ｅ）第１の金属成分：ニッケル 第２の金属成分：シリコン
（ｆ）第１の金属成分：ニオブ 第２の金属成分：シリコン
【請求項７】
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分と共晶化する第２の金属成分と、を備えた共晶合金層であり、
前記エネルギーは、この共晶合金層を共晶温度以上に加熱するためのものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項８】
前記共晶合金層は、以下の（ａ）〜（ｋ）のいずれかの構成を含むか、あるいは（ｅ）の構成に加えて第３の金属成分として銅を含んでいることを特徴とする請求項７に記載の気密封止パッケージ。
（ａ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：スズ
（ｂ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：シリコン
（ｃ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：ゲルマニウム
（ｄ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：銅
（ｅ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：銀
（ｆ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：亜鉛
（ｇ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：ビスマス
（ｈ）第１の金属成分：鉛 第２の金属成分：スズ
（ｉ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：ゲルマニウム
（ｊ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：シリコン
（ｋ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：亜鉛
【請求項９】
前記電極パッド及び前記導電路の少なくとも一方は、第１の金属成分及び第２の金属成分のうち一方の金属成分を含み、
前記共晶合金層は、第１の金属成分及び第２の金属成分を備えていることに代えて、第１の金属成分及び第２の金属成分のうち他方の金属成分により構成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の気密封止パッケージ。
【請求項１０】
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分よりも融点が高い第２の金属成分とを備えた前駆体層であり、
前記エネルギーは、この前駆体層を第１の金属成分の融点以上の温度に加熱して金属間化合物を形成するためのものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１１】
金属間化合物を形成した後に行われる熱処理によって当該金属間化合物が溶融しないように、この金属間化合物の融点は、前記熱処理の加熱温度よりも高いことを特徴とする請求項１０に記載の気密封止パッケージ。
【請求項１２】
前記前駆体層は、前記導電路及び前記電極パッドにおける互いに対向する面に各々形成された第２の金属成分を含む第２の金属層と、これら第２の金属層間に介在され、前記第１の金属成分を含む第１の金属層と、を備えていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の気密封止パッケージ。
【請求項１３】
第１の金属成分は、インジウム及びスズの少なくとも一つであり、
第２の金属成分は、銅、銀、金及びニッケルのうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１４】
前記電極パッド及び前記導電路の少なくとも一方は、第２の金属成分により構成され、
前記前駆体層は、第１の金属成分及び第２の金属成分を備えていることに代えて、第１の金属成分により構成されていることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１５】
前記金属層は、第１の金属成分を含む第１の金属層と、第２の金属成分を含む第２の金属層と、を交互に積層した積層膜として構成されていることを特徴とする請求項５ないし１４のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１６】
前記金属層は、インジウム及びスズの少なくとも一方により構成され、
前記エネルギーは、この金属層を当該金属層の融点以上の温度に加熱するためのものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１７】
前記電極パッドと前記金属層との間、及び前記導電路と前記金属層との間の少なくとも一方には、導電膜により構成されたバッファ層が介在していることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか一つの気密封止パッケージ。
【請求項１８】
前記素子用基板と前記封止用基板とは、互いに同じ材質により構成されていることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１９】
前記デバイス素子はＭＥＭＳ素子であることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項２０】
前記デバイス素子は水晶振動子であり、
前記素子用基板は、当該素子用基板を板厚方向に貫通する貫通溝が前記水晶振動子の周囲を囲むように形成されると共に、この水晶振動子を側方側から片持ちないしは両持ちで支持する支持部を備え、
前記素子用基板における前記封止用基板と反対側の面には、前記貫通溝の周囲の領域に対して直接接合により周方向に亘って気密に接合されると共に、前記水晶振動子に対して隙間領域を介して対向する補助封止用基板が配置されていることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項２１】
前記エネルギーは、電気スパーク、レーザー光及びフラッシュ光の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１ないし２０のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項２２】
デバイス素子の形成された素子用基板と絶縁体からなる封止用基板とを直接接合により互いに接合して、前記デバイス素子の置かれる領域を気密に封止した気密封止パッケージの製造方法において、
前記素子用基板に前記デバイス素子を形成する工程と、
前記封止用基板に隙間領域を介して対向するように、前記デバイス素子に対して電気信号の入出力を行う電極パッドを前記素子用基板に形成する工程と、
前記電極パッドに対向する前記封止用基板に、当該封止用基板の板厚方向に貫通する導電路を形成する工程と、
前記電極パッドと前記導電路との間に金属層を配置する工程と、
次いで、前記素子用基板及び前記封止用基板を直接接合により互いに接合する工程と、
前記素子用基板及び前記封止用基板により封止された領域の外側からエネルギーを前記金属層に供給し、当該金属層を溶融させて前記電極パッドと前記導電路とを互いに電気的に接続する工程と、を含むことを特徴とする気密封止パッケージの製造方法。
【請求項１】
デバイス素子の形成された素子用基板と絶縁体からなる封止用基板とを直接接合により互いに接合して、前記デバイス素子の置かれる領域を気密に封止した気密封止パッケージにおいて、
前記封止用基板に隙間領域を介して対向するように前記素子用基板に形成され、前記デバイス素子に対して電気信号の入出力を行うための電極パッドと、
前記電極パッドに対向する前記封止用基板に形成され、当該封止用基板の板厚方向に貫通するように形成された導電路と、
前記電極パッドと前記導電路との間に設けられ、前記素子用基板及び前記封止用基板が互いに封止された後、これら基板の外側から伝達されるエネルギーにより溶融して、前記電極パッドと前記導電路とを互いに電気的に接続するための金属層と、を備えたことを特徴とする気密封止パッケージ。
【請求項２】
前記金属層と、当該金属層に対向する前記電極パッドまたは前記導電路との間には、隙間領域が介在していることを特徴とする請求項１に記載の気密封止パッケージ。
【請求項３】
前記隙間領域の高さ寸法は、１μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の気密封止パッケージ。
【請求項４】
前記デバイス素子は、前記素子用基板に平面的に複数箇所に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項５】
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分と発熱反応を起こして当該金属層を溶融させる第２の金属成分と、を備えた反応金属層であり、
前記エネルギーは、これら第１の金属成分と第２の金属成分との発熱反応を開始させるためのものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項６】
前記反応金属層は、以下の（ａ）〜（ｆ）のいずれかを含むことを特徴とする請求項５に記載の気密封止パッケージ。
（ａ）第１の金属成分：ニッケル 第２の金属成分：アルミニウム
（ｂ）第１の金属成分：チタン 第２の金属成分：アルミニウム
（ｃ）第１の金属成分：ジルコニウム 第２の金属成分：アルミニウム
（ｄ）第１の金属成分：ハフニウム 第２の金属成分：アルミニウム
（ｅ）第１の金属成分：ニッケル 第２の金属成分：シリコン
（ｆ）第１の金属成分：ニオブ 第２の金属成分：シリコン
【請求項７】
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分と共晶化する第２の金属成分と、を備えた共晶合金層であり、
前記エネルギーは、この共晶合金層を共晶温度以上に加熱するためのものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項８】
前記共晶合金層は、以下の（ａ）〜（ｋ）のいずれかの構成を含むか、あるいは（ｅ）の構成に加えて第３の金属成分として銅を含んでいることを特徴とする請求項７に記載の気密封止パッケージ。
（ａ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：スズ
（ｂ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：シリコン
（ｃ）第１の金属成分：金 第２の金属成分：ゲルマニウム
（ｄ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：銅
（ｅ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：銀
（ｆ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：亜鉛
（ｇ）第１の金属成分：スズ 第２の金属成分：ビスマス
（ｈ）第１の金属成分：鉛 第２の金属成分：スズ
（ｉ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：ゲルマニウム
（ｊ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：シリコン
（ｋ）第１の金属成分：アルミニウム 第２の金属成分：亜鉛
【請求項９】
前記電極パッド及び前記導電路の少なくとも一方は、第１の金属成分及び第２の金属成分のうち一方の金属成分を含み、
前記共晶合金層は、第１の金属成分及び第２の金属成分を備えていることに代えて、第１の金属成分及び第２の金属成分のうち他方の金属成分により構成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の気密封止パッケージ。
【請求項１０】
前記金属層は、第１の金属成分と、この第１の金属成分よりも融点が高い第２の金属成分とを備えた前駆体層であり、
前記エネルギーは、この前駆体層を第１の金属成分の融点以上の温度に加熱して金属間化合物を形成するためのものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１１】
金属間化合物を形成した後に行われる熱処理によって当該金属間化合物が溶融しないように、この金属間化合物の融点は、前記熱処理の加熱温度よりも高いことを特徴とする請求項１０に記載の気密封止パッケージ。
【請求項１２】
前記前駆体層は、前記導電路及び前記電極パッドにおける互いに対向する面に各々形成された第２の金属成分を含む第２の金属層と、これら第２の金属層間に介在され、前記第１の金属成分を含む第１の金属層と、を備えていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の気密封止パッケージ。
【請求項１３】
第１の金属成分は、インジウム及びスズの少なくとも一つであり、
第２の金属成分は、銅、銀、金及びニッケルのうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１４】
前記電極パッド及び前記導電路の少なくとも一方は、第２の金属成分により構成され、
前記前駆体層は、第１の金属成分及び第２の金属成分を備えていることに代えて、第１の金属成分により構成されていることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１５】
前記金属層は、第１の金属成分を含む第１の金属層と、第２の金属成分を含む第２の金属層と、を交互に積層した積層膜として構成されていることを特徴とする請求項５ないし１４のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１６】
前記金属層は、インジウム及びスズの少なくとも一方により構成され、
前記エネルギーは、この金属層を当該金属層の融点以上の温度に加熱するためのものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１７】
前記電極パッドと前記金属層との間、及び前記導電路と前記金属層との間の少なくとも一方には、導電膜により構成されたバッファ層が介在していることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか一つの気密封止パッケージ。
【請求項１８】
前記素子用基板と前記封止用基板とは、互いに同じ材質により構成されていることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項１９】
前記デバイス素子はＭＥＭＳ素子であることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項２０】
前記デバイス素子は水晶振動子であり、
前記素子用基板は、当該素子用基板を板厚方向に貫通する貫通溝が前記水晶振動子の周囲を囲むように形成されると共に、この水晶振動子を側方側から片持ちないしは両持ちで支持する支持部を備え、
前記素子用基板における前記封止用基板と反対側の面には、前記貫通溝の周囲の領域に対して直接接合により周方向に亘って気密に接合されると共に、前記水晶振動子に対して隙間領域を介して対向する補助封止用基板が配置されていることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項２１】
前記エネルギーは、電気スパーク、レーザー光及びフラッシュ光の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１ないし２０のいずれか一つに記載の気密封止パッケージ。
【請求項２２】
デバイス素子の形成された素子用基板と絶縁体からなる封止用基板とを直接接合により互いに接合して、前記デバイス素子の置かれる領域を気密に封止した気密封止パッケージの製造方法において、
前記素子用基板に前記デバイス素子を形成する工程と、
前記封止用基板に隙間領域を介して対向するように、前記デバイス素子に対して電気信号の入出力を行う電極パッドを前記素子用基板に形成する工程と、
前記電極パッドに対向する前記封止用基板に、当該封止用基板の板厚方向に貫通する導電路を形成する工程と、
前記電極パッドと前記導電路との間に金属層を配置する工程と、
次いで、前記素子用基板及び前記封止用基板を直接接合により互いに接合する工程と、
前記素子用基板及び前記封止用基板により封止された領域の外側からエネルギーを前記金属層に供給し、当該金属層を溶融させて前記電極パッドと前記導電路とを互いに電気的に接続する工程と、を含むことを特徴とする気密封止パッケージの製造方法。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【公開番号】特開２０１３−５５６３２（Ｐ２０１３−５５６３２Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９７７４７（Ｐ２０１２−９７７４７）
【出願日】平成２４年４月２３日（２０１２．４．２３）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月２３日（２０１２．４．２３）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
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