JP2004095876A - ウェーハレベルパッケージの構造および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高真空を確保でき、従来技術による構造よりも低コストで構成できるウェーハレベルパッケージの構造および製造方法を提供すること。
【解決手段】ウェーハ上に形成される第１の配線および素子を該ウェーハとキャップとで閉ざされた所定の空間を形成するパッケージングにおいて、ウェーハとキャップとは第２の配線を介して接合されるウェーハレベルパッケージ。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシニング技術を用いて製造される、基板ウェーハ上に形成された表面組織とこの表面組織を覆うキャップとを有する複合エレメントの構造および製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
配線、素子からなる表面組織が配置される基板ウェーハのダイシングを行なう前に、表面組織をパッケージングする方法に関して、たとえば特表２００２−５００９６１号公報や特許第３３０３１４６号に開示されている。
【０００３】
特表２００２−５００９６１号公報では、ケイ素基板上に構造化されたマイクロメカニックな少なくとも１つの表面組織と、この少なくとも１つの表面組織を覆う１つのキャップとを備えている構造エレメントに関し、キャップがガラスウェーハにより形成される構成が述べられている。
【０００４】
また特許第３３０３１４６号には、ウエハ・レベルで加速度計をパッケージする方法が開示されている。この特許第３３０３１４６号では、ウエハを個々のチップにダイシングする前に半導体基板ウエハ上に製造されたデバイスの封入が可能な半導体ウエハ・レベル・パッケージであり、デバイスが空洞内で気密封止されるように、キャップ・ウエハは、所定パターンのフリット・ガラスを結合材として半導体基板ウエハに結合する。フリット・ガラス・シール全体に伸びていてデバイスと接続する電極とは、キャップ・ウエハ内の孔によって、電気接続を可能にする構成がとられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記する公知技術には以下の問題点を生ずる。上記従来技術である特表２００２−５００９６１号公報においては、マイクロメカニックな表面組織が、多結晶質のケイ素層内に形成されており、このケイ素層の表面がガラスウェーハと陽極酸化により接合する。このため、多結晶質のケイ素層表面には、ガラスウェーハとの接合前に、高精度な平坦化処理を施すことが要求され、製造コストの高い工程となる。またこの方法により構成された構造エレメントは１ｍｂａｒまでの真空度を達成することが可能であるが、たとえば、振動型ヨーレートセンサに適用する場合、センサとして機能する振動体の共振中に、Ｑファクターが周辺の真空度に敏感に影響されるため、より高真空の構造であることが望ましい。
【０００６】
また別に、特許第３３０３１４６号に開示された技術においては、半導体基板ウエハ、キャップ・ウエハおよびフリット・ガラス壁の組合せによって、所定寸法の空洞内にデバイスが気密封止される構造となっている。フリット・ガラス壁はシルク・スクリーン法によって被着されるが、この場合、有機質結合材とフリット・ガラスとの混合物によって構成されるスラリーを、シルクスクリーンを通して被着させている。半導体基板ウエハとキャップ・ウエハを結合する際において、
有機質結合材からはガスが気化するので、空洞内の真空度が確保できないため上記振動型ヨーレートセンサにはこの構造は望ましくない。また、フリット・ガラス壁をキャップ・ウエハに被着させるには、キャップ・ウエハ、フリット・ガラス壁および半導体基板ウエハを加熱融着させているが、フリット・ガラス壁の一部が溶融して壁高さを一定に確保することが難しく、そのため空洞が所定寸法に均一管理できず、さらに最悪の場合には、空洞の気密が確保できないためのシール不良が発生する。また、低融点ガラスを接着剤として用いる接合結合のため、不可避的に特定の量の低融点ガラスが、キャップ・ウエハと表面組織を備える半導体基板ウエハとの間に押し出されて拡がるため、相対的に半導体基板ウエハとキャップ・ウエハの接合面積が大きくなり、そのためエレメントが大きくなってしまう。
【０００７】
したがって、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高真空を確保でき、従来技術による構造よりも低コストで構成できるウェーハレベルパッケージの構造および製造方法を提供することを技術的課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために講じた技術的手段は、
ウェーハ上に形成される第１の配線および素子を該ウェーハとキャップとで閉ざされた所定の空間を形成するパッケージングにおいて、前記ウェーハと前記キャップとは前記ウェーハに形成される第２の配線を介して接合されるウェーハレベルパッケージとする。
【０００９】
従来技術においてはキャップであるガラス部材を基板上に熱融着させていたが、本発明においてはキャップとウェーハとの接合は、第２の配線を介して行なう構造とする。
【００１０】
さらに、請求項２において講じた技術的手段は、
前記キャップは金属で構成されるウェーハレベルパッケージとする。
【００１１】
従来のガラス部材によるキャップに替わり、金属で構成されるウェーハレベルパッケージとすることで、安価に構成部材を構成することが可能となる。
【００１２】
請求項３において講じた技術的手段は、
前記キャップは前記第２の配線と接する部位の周辺に弾性部を有するウェーハレベルパッケージとする。
【００１３】
請求項２に示されるキャップには、第２の配線と接する部位の周辺に弾性部を有するので、ウェーハ表面の平坦度が悪く撓んだ状態においても、弾性部で吸収されるのでキャップとウェーハとの接合がなされやすい。
【００１４】
請求項４において講じた技術的手段は、
前記弾性部はプレス成形により形成されるウェーハレベルパッケージとする。
【００１５】
キャップは金属で構成され、プレス成形によって弾性部を形成することにより安価に精度良くキャップを製造することができる。
【００１６】
請求項５において講じた技術的手段は、
前記キャップは端部に少なくとも１箇所に位置決め調整手段が形成されるウェーハレベルパッケージとする。
【００１７】
ウェーハ上に形成される表面組織を覆うキャップは、接合時には表面組織との位置合わせが必要となる。その場合、位置合わせの調整が簡便に行なえるようにキャップは端部に少なくとも１箇所に位置決め調整手段が形成される。
【００１８】
請求項６において講じた技術的手段は、
前記位置決め調整手段は弾性体で形成されるウェーハレベルパッケージとする。
【００１９】
請求項４における位置決め調整手段には伸縮自在な弾性体で形成されるのが望ましい。
【００２０】
請求項７において講じた技術的手段は、
前記第２の配線は金属材料による配線であるウェーハレベルパッケージとする。
【００２１】
第２の配線は、金属材料による配線で形成されるので、マイグレーション抑制や接合強度保持を確保できる。
【００２２】
請求項８において講じた技術的手段は、
前記第２の配線は、軟化点が６００℃以下のガラス部材であるウェーハレベルパッケージとする。
【００２３】
第２の配線はパッケージ構造の大きさの制約のない場合には、金属配線のほかにガラス部材で構成されてもよい。ガラス部材を使用する場合においては、配線や素子からなる表面組織に不具合を生じないように、６００℃以下の軟化点である材料が選ばれる。
【００２４】
請求項１０において講じた技術的手段は、
前記空間には非蒸発型のゲッターが配設されるウェーハレベルパッケージとする。
【００２５】
たとえば高真空封止雰囲気が必要なヨーレートセンサの場合には、空間内に非蒸発型のゲッターが配設されるのが望ましい。
【００２６】
請求項１１において講じた技術的手段は、
前記ゲッターは前記キャップと前記ウェーハとの接合時の印加温度以下の温度雰囲気で活性化するウェーハレベルパッケージとする。内蔵したゲッターは接合時の印加温度以下で活性化するものを使用することにより、製造工程削減とコスト低減を可能とする。
【００２７】
請求項１３において講じた技術的手段は、
前記空間の内部に基準電位を供給する配線を有し、前記キャップに前記基準電位に対して決められた電位を印加する構造を備えたウェーハレベルパッケージとする。
【００２８】
本発明のキャップは金属で構成されるので、キャップに基準電位に対して決められた電位を印加する構造を備えれば、外部の電気的ノイズに対して、パッケージ内部の表面組織のノイズ耐性を向上することができる。
【００２９】
請求項１４において講じた技術的手段は、
ウェーハとキャップとで閉ざされた所定の空間を形成してなる複数のパッケージングにおいて、前記ウェーハと前記キャップとは第２の配線を介して接合される際、前記ウェーハの表面に対して前記キャップに略垂直方向の独立した力を印加するウェーハレベルパッケージの製造方法とする。
【００３０】
ウェーハ上に複数の表面組織が形成される際、ウェーハの表面に対して前記キャップに略垂直方向の独立して力を印加するウェーハレベルパッケージの製造方法とする。キャップ上に個別に力を加える方法で製造することで、キャップに規定の力を正確に与えやすく生産における均一性、再現性が向上する。
【００３１】
請求項１５において講じた技術的手段は、
前記独立した力が磁界により前記キャップに作用するウェーハレベルパッケージの製造方法とする。
【００３２】
ウェーハレベルパッケージの製造方法に関して、具体的には真空チャンバー内において行なわれる場合には、チャンバー内が異物で汚染されないように考慮しなければならない。このような環境においては、磁界により作用する力を利用して加圧する方法でパッケージを行なえば、摺動部の少ない装置で構成できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本発明における実施例を図１、図２、図３、図４、および図５を用いて説明する。図１は基板１と基板１上に形成された配線および素子を有する複数の表面組織１２と、複数の表面組織１２を覆うメタルキャップ４とを有する複合エレメント１６の平面図を示している。また、図２は図１のひとつの表面組織１２にメタルキャップ４が接合された横断面図である。ここで複合エレメント１６は基板１、メタルキャップ４、表面組織１２および基板と金属を接合する接合材５よりなり、複数の封止された空間２を同時に形成し、封止された空間２の内部と外部を電気的に接続する配線３を有する。複数の封止された空間２を同時に形成することで、生産性が向上し複合エレメント１６の低コスト化が可能となる。また、封止された空間２の内部と外部を電気的に接続する配線３を有することにより、外部から電気信号で内部表面組織１２を駆動することが可能となる。表面組織１２を覆うキャップとして金属を使用することは、その加工が通常の精密プレス加工およびメッキ等で可能であり安価に実現できるため、複合エレメント１６の低コスト化に寄与する。また上記工法により形成されるキャップであるメタルキャップ４は、メタルキャップ４の一部がばねとして機能するように弾性力を持たせた構造として形成できる。複合エレメント１６はメタルキャップ４により封止された空間２を有し、封止された空間２を有する構造の製造工程は基板１とメタルキャップ４の接合が、一般的には真空中で行われる。これにより封止された空間２は接合時においてもあるレベルの真空状態が確保できる。
【００３４】
ここで、接合材５は熱軟化性の接合材であり、接合材５が金と錫からなる合金ではメタルキャップ４との密着性が良く、３００℃から４００℃での低温にて接合ができ、かつ基板１製造工程との組合せがよい。この場合に基板１の表面に配置する金属膜材料には、基板１および接合材５との良好なコンタクト性能が要求される。それぞれのコンタクト性能を複数の異種金属膜により実現する場合では、さらに異種金属膜間での反応を防止する金属膜も必要となる。たとえば、基板とのコンタクト材料としてアルミニウム膜、金と錫の合金を代表とする接合材５との接合材料として金膜、反応防止材料としてニッケル膜やチタンニッケル複合膜などを組み合わせることができる。これらの金属膜は半導体製造において積層構造電極材料を利用することにより実現できる。また、コストの安価な軟化点が６００℃以下のガラスを接合材５とする場合もある。図３は、図２の構造にゲッターを内蔵した例の概略横断面図である。封止された空間２内に非蒸発型のゲッター７を内蔵させることにより、空間２内の圧力をさらに高真空状態とすることが可能となる。複合エレメント１６が共振型ヨーレートセンサエレメントの場合、共振中にＱファクターが周辺の真空度に敏感に影響されるため、封止された空間２内を高真空にすることによりセンサ特性の変動が少ない優れた性能を達成できる。また、空間２内を高真空にすることで高いＱファクターが得られ表面組織１２を低電圧で駆動することが可能となる。内蔵したゲッター７は接合時の印加温度以下で活性化するものを使用することにより、製造工程削減とコスト低減が可能となる。図４と図５は、それぞれに接合前のメタルキャップ４の概略的な上面平面図と横断面図を模式的に示すものである。図４において、接合前のメタルキャップ４は、同一基板上に形成される他の封止された空間２の壁部となるメタルキャップ４と同一部材を介し連結され、かつ、他のメタルキャップ４に対しＸ、Ｙ方向に変位可能であり、また、Ｚ軸に回転可能な構造とする。
【００３５】
図５においては、メタルキャップ４は、Ｘ、Ｙ軸に回転可能であり、また、Ｚ方向に変位可能な構造である。接合前のメタルキャップ４を同一基板１上に形成される他の封止された空間の壁部となるメタルキャップ４と連結することは、接合時でのトレイへの配置が簡便となるし、また、トレイを使用することなく複数の封止された空間２を同時に形成することが可能である。他のキャップに対して少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸の一軸に回転可能、または、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ方向の一方向に変位可能な構造を有することは、接合する基板１のもつ歪やメタルキャップ４の寸法バラツキによる影響を抑え、生産性を高めることが可能である。
【００３６】
本発明の別の実施例を図６、図７、図８、および図９で示す。図６は基板１上に形成された複数の表面組織１２と複数の表面組織１２を覆うメタルキャップ４とを有する複合エレメント１６の上面図を示している。また、図７は、その一断面を接合工程時に使用するトレイ１１も含め示したものである。ここで複合エレメント１６は基板１とメタルキャップ４と表面組織１２および基板と金属を接合する接合材５よりなる。基板１上に封止された複数の空間２の壁部を成すメタルキャップ４が接合前におのおの分離されている。メタルキャップ４と基板１の接合時にメタルキャップ４はトレイ１１上に配置され、メタルキャップ４と基板１の接合面に平行な面内でおのおのの変位を制御可能とすることで高い接合合せ精度を保つことが可能となる。また、基板１とメタルキャップ４の接合は、形成される複数の封止された空間２の壁部を成すメタルキャップ４ごとに、接合トレイ１１に設けられた貫通孔１３より基板１方向への独立して力を印加して行われる。独立した力を印加可能とすることは、基板１の歪やメタルキャップ４の高さ寸法のバラツキに影響されること無く、メタルキャップ４に規定の力を正確に与えることができる。これにより生産における均一性、再現性が向上する。
【００３７】
図８は上記にて説明した基板１とメタルキャップ４と接合トレイの接合前の状態を示している。また、図９に示すようにメタルキャップ４が磁性体であり、磁界によりメタルキャップ４に基板１方向への力を印加する場合もある。力の印加源を磁界にすることにより基板１とメタルキャップ４の接合を行うチャンバー内の機械的摺動部が減り、接合装置が小型、簡便となり安定度を増すことが可能となる。
【００３８】
さらに本発明の別の実施例を図１０に示す。図においてメタルキャップ４と基板１の接合部の少なくと内側若しくは外側に破線状又は連続した溝８を基板１側に有し、かつ、封止された空間２の内部に基準電位を供給する配線とメタルキャップ４に基準電位に対し決められた電位を印加する構造１０を備えている。溝８を形成することにより接合にて生じる接合材５の広がりを抑制でき、基板１側に設けた接合部１４の幅を比較的狭くすることが可能となる、と同時に、接合により押出された接合材５の影響が表面組織１２および内部と外部を電気的に接続する配線３におよぶ事が無くなり、複合エレメントの小型化、低コストが可能となる。また、封止された内部に静電容量変化を検出する表面組織１２がある場合、メタルキャップ４の電位が安定することにより、容量結合によるノイズが低減できる。同時に電気的外乱の影響を低減できる。
【００３９】
本発明の別の実施例を図１１に示す。図において封止された空間２内に非蒸発型のゲッター７が内蔵されており、かつゲッター７を加熱するためのヒータ９を有している。これにより接合時の印加温度だけではゲッター７の活性化が不十分であった場合においても、接合後にヒータ９によりゲッター７の再活性化が可能となる。
【００４０】
なお本発明は封止された空間の構造および製造方法に関する発明であるが、接合部の接合材を部分的に欠落させること、または上記キャップの、本来封止された空間の壁部に貫通孔を設けて、内部の機械的保護および電気的シールドとして用いることも可能である。本実施例においては、上記キャップひとつにつきひとつの封止された空間をなしているが、上記ひとつのキャップで複数の封止された空間を形成してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば以上説明したように、ウェーハ上に所定の空間を形成するパッケージングにおいて、精度よく小型に第２の配線を介してウェーハとキャップとは接合されるウェーハレベルパッケージが可能となる。従来のガラス部材によるキャップに替わり、金属で構成されるウェーハレベルパッケージとすることで、安価に構成部材を構成することが可能となる。またキャップは、接合材と接する部位の周辺に弾性部を有するので、ウェーハ表面の平坦度が悪く撓んだ状態においても、弾性部で吸収されるのでキャップとウェーハとの接合がなされやすい。金属で構成されるキャップは、プレス成形によって弾性部を形成されれば、安価に精度良くキャップを製造することができる。そしてウェーハ上に形成される表面組織を覆うキャップは、接合時には表面組織との位置合わせが必要となる。その場合、位置合わせの調整が簡便に行なえるようにキャップは端部に少なくとも１箇所に位置決め調整手段が形成される。ウェーハとキャップとの接合には、第２の配線を介して行なわれるので、ウェーハとキャップは異なる材料であっても、うまく接合が可能となる。ゲッターが空間内に内蔵される構成においては、さらに真空度が向上できるので、たとえば表面組織が振動型ヨーレートセンサの場合、センサ性能の向上が可能となる。
【００４２】
本発明のキャップは金属で構成されるので、キャップに基準電位に対して決められた電位を印加する構造を備えれば、外部の電気的ノイズに対して、パッケージ内部の表面組織のノイズ耐性を向上することができる。ウェーハレベルパッケージの製造方法に関して真空チャンバー内において行なわれる場合には、チャンバー内が異物で汚染されないように考慮しなければならない。このような環境においては、磁性体による磁界により作用する力を利用して加圧する方法でパッケージを行なえば、摺動部が不要となる装置で構成できる。
【００４３】
以上本発明のウェーハレベルパッケージの構造および製造方法は工程を簡便に構成でき、かつ使用部品のコスト低減を可能とされる構成となり、多大な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における複合エレメントであって、基板のダイシング前の概略的な上面図である。
【図２】本発明の別の実施の形態における本発明により完成された複合エレメントの概略的な横断面図である。
【図３】本発明の別の実施の形態における本発明により完成された複合エレメントであり、封止された空間内に非蒸発型のゲッターが装着された状態の概略的な横断面図である。
【図４】本発明に係る複合エレメントの金属部の一部を概略的に示す上面平面図である。
【図５】本発明に係る複合エレメントの金属部の一部を概略的に示す上面平面図と横断面図である。
【図６】本発明に係る複合エレメントにおいて、接合前におのおの分離状態の金属が接合され、基板ダイシング前の状態にある概略的な上面平面図である。
【図７】本発明により完成された複合エレメントにおいて、封止された空間内に非蒸発型のゲッターが装着され、かつ、接合工程にて金属を配置するトレイも含めた概略的な横断面図である。
【図８】本発明の接合方法に適用された概略的な構成図である。
【図９】本発明で適用された磁界を用いた接合方法の概略的な構成図である。
【図１０】本発明により完成された複合エレメントであり、金属と基板の接合部の基板側に溝を有し、かつ、金属に対し決められた電位を印加する構造を備えた概略的な横断面図である。
【図１１】本発明により完成された複合エレメントであり、内蔵された非蒸発型のゲッターを加熱するヒータ構造を備えた概略的な横断面図である。
【符号の説明】
１：基板（ウェーハ）
２：空間
３：前記封止された空間の内部と外部を電気的に接続する配線
４：メタルキャップ（キャップ）
５：接合材（第２の配線）
６：金属の凹部
７：ゲッター
８：金属と基板の接合部で基板側に設けられた溝
９：ヒータ
１０：金属に基準電位に対して決められた電位を印加する構造
１１：トレイ
１２：表面組織（第１の配線および素子）
１３：貫通孔
１４：金属と基板の接合部で基板側に設けられた接合部
１５：弾性部
１６：複合エレメント

Claims (16)

1. ウェーハ上に形成される第１の配線および素子を該ウェーハとキャップとで閉ざされた所定の空間を形成するパッケージングにおいて、前記ウェーハと前記キャップとは前記ウェーハに形成される第２の配線を介して接合されること、を特徴とするウェーハレベルパッケージ。
2. 前記キャップは金属で構成されること、を特徴とする請求項１に記載のウェーハレベルパッケージ。
3. 前記キャップは前記第２の配線と接する部位の周辺に弾性部を有すること、を特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のウェーハレベルパッケージ。
4. 前記弾性部はプレス成形により形成されること、を特徴とする請求項３に記載のウェーハレベルパッケージ。
5. 前記キャップは端部に少なくとも１箇所に位置決め調整手段が形成されること、を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のウェーハレベルパッケージ。
6. 前記位置決め調整手段は弾性体で形成されること、を特徴とする請求項５に記載のウェーハレベルパッケージ。
7. 前記第２の配線は金属材料による配線であること、を特徴とする請求項１に記載のウェーハレベルパッケージ。
8. 前記第２の配線は、軟化点が６００℃以下のガラス部材であること、を特徴とする請求項１に記載のウェーハレベルパッケージ。
9. 前記第２の配線は、熱軟化性の材料で構成されること、を特徴とする請求項７に記載のウェーハレベルパッケージ。
10. 前記空間には非蒸発型のゲッターが配設されること、を特徴とする請求項１に記載のウェーハレベルパッケージ。
11. 前記ゲッターは前記キャップと前記ウェーハとの接合時の印加温度以下の温度雰囲気で活性化すること、を特徴とする請求項１０に記載のウェーハレベルパッケージ。
12. 前記空間には前記ゲッターを加熱するヒータを配設されること、を特徴とする請求項１０あるいは請求項１１に記載のウェーハレベルパッケージ。
13. 前記空間の内部に基準電位を供給する配線を有し、前記キャップに前記基準電位に対して決められた電位を印加する構造を備えたこと、を特徴とする請求項２に記載のウェーハレベルパッケージ。
14. ウェーハとキャップとで閉ざされた所定の空間を形成してなる複数のパッケージングにおいて、前記ウェーハと前記キャップとは第２の配線を介して接合される際、前記ウェーハの表面に対して前記キャップに略垂直方向の独立した力を印加すること、を特徴とするウェーハレベルパッケージの製造方法。
15. 前記独立した力が磁界により前記キャップに作用すること、
    を特徴とする請求項１４に記載のウェーハレベルパッケージの製造方法。
16. 前記ウェーハと接合される際、前記キャップはトレイ上に配置されて接合面に略平行な面内で変位を制御されること、を特徴とする請求項１４あるいは請求項１５に記載のウェーハレベルパッケージの製造方法。

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