JP2005504953A - 反応ホウケイ酸混合物を用いた結合構造 - Google Patents

Abstract

【解決手段】環境センサ（２）その他の本体が関連するリード線（６）とともに、反応ホウケイ酸混合物（ＲＢＭ）（１８、２０）を介して酸化性基板（４）に取り付けられ、高温反応プロセス中にＲＢＭと基板間に形成される酸化インターフェース（２２）により本体は基板に固定される。酸化性本体にも酸化インターフェース（２４）が形成されて固定する接合力が増強される。ＲＢＭはＳｉＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃混合体であり、付着用にはＢ₂Ｏ₃部が少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも７５重量％であり、カプセル化用には少なくとも５０重量％である。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本出願は、本発明者により1999年5月21日及び2000年8月28日にそれぞれ出願された米国特許出願シリアル番号09/316239及び09/645383に関連する。
本発明はセラミック、半導体及び金属材料を互いに結合、ボンディングする技術に関し、特に環境センサアレー及び関連リード線を共通の基板に固定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の製造等の用途では、与えられた表面領域上の温度や、放射、あるいはガス組成やガス濃度等の環境因子についてその絶対値及び均一性を検出する必要がある。このために、複数のセンサを基板の所望エリアにおいて検出が必要な場所に配置する。各センサは、通常、検出量の各値を適切に関係づけるように予め較正されており、リード線を介して遠隔の検出出力応答設備に接続され、出力応答設備からは検出環境特性の計測情報が出力され、あるいは製造工程における他の要素が制御される。
【０００３】
半導体やＬＣＤを製造する際に、処理装置における絶対温度及び温度均一性は製造歩留まりを達成する上で重要な変数である。この種の処理装置には、炉（例えば、急速加熱処理（ＲＴＰ）を行うチューブやベルトやトレイの構造を有する炉）、真空スパッタリング及び蒸着装置、化学的気相成長（ＣＶＤ）反応器、プラズマ、反応性イオン及びウェット化学エッチング装置、スピナー、チルプレート、ホットプレート及びストリッパによるフォトレジスト及びフォトガラスの塗布及び剥離、及びデバイスや集積回路（ＩＣ）の試験に用いられるウエハ及びプレートチャック等が含まれる。
【０００４】
温度センサは、代表的にＫ、Ｒ、又はＳタイプの熱電対（ＴＣ）あるいは薄膜白金抵抗温度検出器（ＴＦＲＴＤ）である。ＴＣ接合又はＴＦＲＴＤは代表的に基板の空胴内に埋め込まれ、空胴内で接合材により固定される。ＴＣ用接合材は一般にＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃の混合物であり、代表的にＳｉＯ₂は６０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃は４０重量％である。ＴＦＲＴＤセンサは代表的に２つの空胴を必要とし、１つはセンサ用、もう１つはリード線接合強化用であり、両空胴用接合材は代表的にエポキシである。
【０００５】
センサ用リード線は、最高温度定格１１００℃の石英マイクロチューブ又はシリカ編みスリーブ、あるいは最高定格温度２５０℃のテフロン（登録商標）スリーブに被覆される。リード線は各センサから引き出され、基板上又は外部で共通に束ねられる。
【０００６】
空胴はＴＣの正確な温度較正のために必要であり、その理由はＴＣ接合点及びＴＣ接合点から少なくとも約２．５cm分のリード線は高精度測定のために温度測定容積内部に設けなければならないからである。ＴＦＲＴＤ等の面センサについては対象と密に接触することで高精度温度測定ができるので正確な温度較正のために空胴を設ける必要はない。しかしながら、ＴＦＲＴＤのケースでも、取付を安定にするために空胴を用いるのが一般的である。
【０００７】
センサ用として代表的に使用される基板はガラス、セラミック、及び半導体ウエハ等であり、かなり脆弱である。さらに、半導体ウエハは概して単結晶であり、機械的な侵入により破損しやすい。したがって、基板に空胴を形成することによりそうでない場合に比べ遙かに脆くなり、製造歩留まりが低下する。
【０００８】
もう１つの問題として、センサと基板との機械的接合がしばしば壊れやすい。この理由は、現在採用している接合材によるボンディングは閉じ込め又は重合体付着によってなされており、また、各リード線は基板に一箇所か二箇所で結合しているだけでリード線に応力が掛かるとセンサが空胴から簡単に外れるからである。結果として、基板に５個以上のセンサを設けたシステムでは一回使用しただけで１以上のセンサが弛んだり、外れたりすることが少なくない。
【０００９】
リード線は他のリード線との接触による短絡を防止するとともに、基板との化学反応を防止するために被覆する必要がある。しかしながら、現在利用できる被覆材はリード線を重くする一方で、高温プロセス環境が粒子で汚染される原因になる。
【００１０】
代表的に温度が一番高くなる基板表面に配線されるリード線は周囲の環境と反応しやすい。すなわち、特定の構造が損傷なしに機能できる環境はリード線材が環境との反応に対して有する抵抗や環境の浸透により制約される。例えば、タイプＫのＴＣ線は５００℃以上では不活性な水素環境下でのみ安定し、タイプＳのＴＣ線は７００℃を超えると不活性な酸化性雰囲気にのみ安定している。さらに、いずれのＴＣ線も反応性プロセスガス環境下では安定しない。
【００１１】
センサを基板にボンディングするのに使用するＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂混合体はつや出しのみを生じがちであり、シリコン、ガリウム砒素ウエハ等のほとんどの酸化性表面との反応は概して活発でない。このため、センサを基板に固定する接合は弱くなりやすい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は高温下でも本体を基板に確実に保持でき、本体及び関連するリード線を有害な環境から保護するためにカプセル化可能なパッケージングシステムを提供することである。本発明は、一般に、酸化性基板に取り付けた際、高温（少なくとも約４６０℃）下にさらされる本体に適用可能であるが、特に、温度その他の環境センサ及び関連するリード線を半導体ウエハに固定するのに有効である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
反応ホウケイ酸混合物（ＲＢＭ）は少なくとも部分的に本体をカプセル化し、高温反応プロセス中にＲＢＭと基板間に形成される酸化インターフェースを介して本体を基板に固定する。本体は非酸化性であってよく、その場合、本体はＲＢＭによりカプセル化され、ＲＢＭと本体側の基板との間に形成される酸化インターフェースを介して固定される。本体自体が酸化性の場合、酸化インターフェースはＲＢＭと本体間にも形成され、ボンディングが増強される。
【００１４】
ＲＢＭは基板と直に接触する本体上に広がってよく、あるいは本体をＲＢＭで完全にカプセル化するようにしてもよい。ＲＢＭを温度センサの上下に形成した構造の場合、センサ下側のＲＢＭ層は基板とセンサ間の熱伝導が十分確保される程度に薄くする。ＲＢＭとしてはＢ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂混合体が好ましく、Ｂ₂Ｏ₃の含有量が反応温度、所望接合力及び粘度に依存する。
【００１５】
環境センサ用リード線はその長さの少なくとも一部に沿ってリード線をＲＢＭでカプセル化することにより、基板に固定してもよい。ＲＢＭはリード線を互いに電気的に絶縁するので、リード線を外装する必要がなくなる。またこれにより、基板に対して単一の共通レベルあるいは多層の束による多数リード線構成が容易になる。
【００１６】
本発明の他の特徴及び利点は図面を参照してなされる以下の説明から当業者には明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の一実施形態を示すもので、環境センサ２のアレーが半導体ウエハ４等の基板表面に配置されて所望の環境変数、例えば温度、放射、圧力、ガス組成又はガス濃度を検出する。用語「基板」は図１において半導体ウエハを指しているが、このタイプの構造には限定されず、一般には、後述するように他の本体が固定される任意種類の本体を包含する。
【００１８】
センサはウエハ上に配線される各リード線により出力装置８、例えば各種センサの値を視覚的に表示する表示器に電気的に接続される。図１に示す各リード線６は複数のリード線を表しており、線数はセンサの種類に応じて通常２、３又は４本である。リード線６はウエハから個別に取り出され、あるいは束１０に集められ、例えば図示のように１７個のセンサシステム用として、多層スタックに重ねられたリード線を構成する。多数のセンサを使用する場合、リード線はウエハ上又は外に置かれる端子ブロック１２に接続され、端子ブロック１２からの出力線１４によりリード線は出力装置８に接続される。また、適当なリード線によりセンサに対する入力刺激又は駆動を行うことができる。
【００１９】
１７個のセンサを図示するが、例示にすぎず、より多数、又は少数のセンサを使用してもよい。リード線の経路やリード線束１０の位置はリード線数と同様に設計の選択事項にすぎない。円形の基板を図示しているが任意の所望形状、サイズでよい。
【００２０】
センサを基板に固定する１つの方法を図２に示す。この具体例において、センサはＳｉＣ検出素子（図示せず）を搭載したＡｌＮチップ１６として構成される。この種のセンサは２０００年１１月３０日公開の、本発明者によるＰＣＴ特許出願PCT/US00/07557号に記載されており、この文献の内容をリファレンスとして本書に組み込む。センサはＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃の反応ホウケイ酸混合物（ＲＢＭ）を介してウエハ４に固定される。図２に示すＲＢＭは２ステップで形成される。ウエハ面上の第一の層１８はＡｌＮチップ１６の下領域からチップ１６外側のウエハ４まで広がり、第二の層２０はチップ１６の上領域からチップ１６外側の第一のＲＢＭ層１８上に広がる。ＲＢＭの組成及び処理について以下詳しく説明する。第一のＲＢＭ層１８は、代表的に１０００Å以下の厚の酸化インターフェース２２を形成することによりウエハ４と化学結合する。このＲＢＭ層１８はチップ１６をウエハ４から化学的かつ電気的に絶縁するが、温度センサのケースでは基板からウエハに熱が十分に伝導される程度に薄くする。
【００２１】
両ＲＢＭ層１８及び２０はＲＢＭの反応中にチップ１６に対する酸化インターフェース２４を形成することによりチップ１６と化学結合する。上層ＲＢＭ２０は、下層ＲＢＭ１８を超えて外側のウエハ４面と接する部分において、反応プロセス中にウエハ４との間に酸化インターフェースを形成し、ＲＢＭ／ウエハ間の酸化インターフェース２２を広げる。Ｓｉ、ＧａＡｓ等で構成されるウエハ４との間に形成される酸化インターフェースはこのようなウエハ材より酸化しにくいＡｌＮチップ１６との間に形成される酸化インターフェースより厚い。このようにごく一部のウエハ材のみが費やされるため検出能力に影響はほとんどない。
【００２２】
図２に示す構成はＴＣ接合に適している。ウエハからの熱伝導を増大したいのであれば、図示のようにＴＣ接合をウエハの空胴内に配置し、ＲＢＭ層で固定するとよい。
酸化インターフェースはチップをウエハに強固に固定する。チップ保持は従来のエポキシ及びボンディング技術に比べ著しく強化される。ある種のセンサについては熱伝導を高めるためにウエハの空胴内に配置するのが好ましいが、空胴はセンサやリード線を機械的に付着する上で必要なく、この目的のためには完全に削除してよい。
【００２３】
ＲＢＭはチップ１６の小部分を酸化するが、チップを有効に封入することにより、そうしなかったときに高温下の酸化性環境（環境）でチップが広範に酸化されるのを防止する。例えばタングステンのように非常に酸化されやすい素材は加熱下の環境により完全に酸化されてしまうが、ＲＢＭでこれを保護するようにすれば、ＲＢＭを形成するために、熱反応プロセス中に素材の小部分のみが酸化されるのに留まる。
【００２４】
本発明の他の実施形態を図３に示す。このケースでは、センサチップ１６ａは金や白金のような非酸化性材質から形成される。チップ１６ａはウエハ４と直に接触し、単層のＲＢＭ２６がコーティングされ、この単層ＲＢＭ２６はチップ１６ａの外側のウエハ４まで広がっている。反応時にチップの外側のＲＢＭはウエハ４との間に薄膜の酸化インターフェースを形成するが、チップ１６ａとの間には酸化物を形成しない。このケースにおいて、チップ１６ａはＲＢＭに捕捉されており、ＲＢＭはＲＢＭ／ウエハ間酸化インターフェースを介してウエハ４にチップ１６ａを確実に固定し、環境からチップを保護する。
【００２５】
これまでのところ、下側ウエハに固定される環境センサについて本発明を説明してきたが、一般に本発明は任意の種類の本体を酸化性基板に固定するのに適用できる。本体自体が酸化性であれば、ＲＢＭは本体と基板の双方と化学結合するので非常に強い付着構造が得られる。基板のみが酸化性である場合、本体は捕捉により支持されるため、一般に基板と本体の双方と結合する構成には及ばないが、従来のエポキシやＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃によるボンディングと比較すると相当強力なものになる。
【００２６】
図４は別の実施形態を表し、環境ガスや放射測定等のためにセンサチップ１６ｂを環境に露出させている。このケースにおいて、ＲＢＭ３０は基板４の表面からチップ１６ｂの縁を経てチップ表面のかなりの長さまで広がってチップを基板に固定する。しかしながら、ＲＢＭはチップ１６ｂの途中で終わっており、チップ表面の一部３２は環境に露出している。ＲＢＭは反応時に基板との間に保持用の酸化インターフェースを形成するとともに、チップが酸化性の材質の場合はチップとの間にも酸化インターフェースを形成する。図４は非酸化性チップのケースであるためチップ／ＲＢＭ間の酸化インターフェースは示されない。
【００２７】
センサチップ等の本体を基板に保持すること以外に、ＲＢＭを使用するとセンサに関連するリード線を基板に保持できて都合がよい。これを図５に、単層、４線の束のリード線３６について示す。リード線３６はＲＢＭ内において互いに間隔をあけられて完全に封じ込まれており、ＲＢＭは反応時に下側の基板４との間に酸化インターフェース４０を形成する。ＲＢＭはリード線に間隔をつけて互いに絶縁させるとともに基板に対して保持する。図のＲＢＭは反応後のものであるが、反応プロセス中にリード線の間隔を保ち、正しい位置にリード線を保持するのに用いるフォーム４２を破線で示す。この目的のためにフォーム４２に設けた、下方を向いた刃先状突起４４はリード線の各上方部に沿って延びる。フォームは反応プロセス中、ＲＢＭ、リード線及び基板上の所定位置で固定され、その後、取り外される。
【００２８】
図６に示すように、多層の束にすると多数のリード線を好都合に収納できる。３２本のリード線４６を図示してあるが、これは図１における１７個のセンサ構成においてセンサ毎のリード線数を２本とした場合に対応する。なお、センサの種類が異なればリード線数も変わり得る。リード線は４層４８ａ、４８ｂ、４８ｃ及び４８ｄで構成される。上側各層は直ぐ下の層よりリード線数が少なく、リード線の位置は層間で互い違いにずらして配置されてより保全性構造になっている。図６の具体例において、線束の下から数えて第一層、第二層、第三層、第四層のリード線数はそれぞれ１０、９、８、７本である。全てのリード線は互いに離され、基板に対して定位置に保持されており、これを行うＲＢＭ５０は各リード線の長さの少なくとも一部を封入し、ＲＢＭの反応中に基板４との間で形成される酸化インターフェースを介して基板４に固定される。
【００２９】
リード線４６をカプセル化することで、ＲＢＭ５０はリード線の被覆を不要にすることができる。これにより装置の全重量が軽減されるとともに、高温下で被覆から発生する粒子状汚染を防止することができる。
【００３０】
ＲＢＭ５０がリード線４６と化学結合するかしないかはリード線４６が酸化性かどうかに依存する。リード線との化学的な結合が実際に発生する場合、形成される酸化インターフェースは一般に１０００Å以下の厚さであるので、リード線の大部分は導電用としてそのまま利用できる。
【００３１】
ここに記載したＲＢＭは一般に２以上の酸化性本体を付着するのに利用できる。一例として、図７に温度センサ構造５６を搭載したプロセス温度センサ搭載ウエハ（ＰＴＩＷ）５２を示す。ＰＴＩＷ５２には温度センサを機械的ストレス及び放射から保護するとともにデバイス全体の強度を増す第二の半導体ウエハ５８が被せられる。２枚のウエハ５４及び５８の対向面に接して温度センサ５６を囲むＲＢＭ層６０を介して両ウエハ５４、５８は互いに付着される。ＲＢＭ６０は高温下の反応時にウエハ５４及び５８との間にそれぞれ酸化インターフェース６２及び６４を形成して両ウエハをボンディングする。熱は両ウエハを通ってセンサに伝わる。センサの有無にかかわらず、２以上の酸化性ウエハ又はその他の本体はＲＢＭを介して互いに付着される。両ウエハは、例えばＳｉ／Ｓｉ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／Ｓｉのように同様あるいは異なる材質でよい。所望であれば、ＲＢＭは全構造の全体又は所望の一部を封入するように広げてよい。
【００３２】
伝統的にホウケイ酸組成は商業用ガラスやうわ塗りとして、例えばビーカー等に用いられるパイレックス（登録商標）ガラスや、クラウンガラス、フリントガラス等で利用されてきた。しかしながら、本発明が提案するような高温保持の目的に使用されたことはない。
【００３３】
適切に選択したＲＢＭ材質及び製造技術により、想定される環境下で劣化しやすいセンサ、他の本体及び関連するリード線に対する環境障壁としてＲＢＭを構成することができる。適切に構成したＲＢＭは、ＳｉＯ₂をエッチングすることで知られるＨＦを除く全ての気体又は液体環境から対象材質を保護することができる。
【００３４】
判明した点として、適切な混合比のＢ₂Ｏ₃を用いたＳｉＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃混合物であるＲＢＭは、環境劣化を受けやすいＴＣ接合、白金ＲＴＤチップ等のセンサや関連するリード線に対する環境障壁になる、また、この種のＲＢＭは、普通使用される材質について、低速又は急速加熱サイクル時にリード線、センサとこれらが取り付けられる基板との間で発生する熱膨張率の違いに対応することができる、また、ＲＢＭを形成するのに要する熱エネルギーはセンサ、リード線、基板に損傷を与えない。ＲＢＭは少なくとも１３００℃まで電気的絶縁体として機能し、１３００℃以上の温度領域で化学的かつ機械的に安定である。また、ＲＢＭは少なくとも１２００℃の温度領域における熱反応時に形成される酸化インターフェースを介して酸化性材質に対する強力な付着を保持する。
【００３５】
この目的のために重要なＢ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂の性質を以下に示す。
・結晶質融点はＢ₂Ｏ₃が４６０℃、ＳｉＯ₂が１６１０℃である。
・ガラス軟化点はＳｉＯ₂が１６６５℃である。
【００３６】
・両材質とも優れた電気絶縁体であり、連続置換型ガラス混合物を形成する。
・ＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃の混合比を適当に選択することにより、ＲＢＭの熱膨張係数（ＴＣＥ）を特定の材質のセンサ及び基板に整合させることができる。
【００３７】
・両者を混合し、ドライパウダーとして表面に付けて表面とバルクで同時に反応させることができる。あるいは、ペーストとして塗布することもできるが、スピッティングを避けるため反応前に乾燥させる。
【００３８】
・結晶質分子量はＢ₂Ｏ₃が６９．６２グラム／モル、がＳｉＯ₂６０．０８グラム／モルである。
図８にＲＢＭのＴＣＥをＳｉＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃の平均配位数の関数として示す。「平均配位数」はＲＢＭにおけるＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃のモル比率の尺度であり、３．０が１００％のＢ₂Ｏ₃に対応し、４．０が１００％のＳｉＯ₂に対応し、中間の平均配位数はモル比率の線形関数である。図示のように、ＴＣＥはＢ₂Ｏ₃の比率の増加に対して指数的に増大する。
【００３９】
限定する意味でないが、代表的なセラミック基板には、Ａｌ₂Ｏ₃、ケイ酸アルミナ、ホウケイ酸アルミナ、ＡｌＮ、ＢｅＯ、Ｂ₄Ｃ、ＢＮ、Ｃ、多孔質セラミック、ガラスセラミック、マイカ、ＳｉＯ₂（ガラス及び水晶）、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｒＯ、ＴｉＢ₂、ＴｉＯ_X、（ＷＣ）₉₄、Ｃｏ₆、Ｙ₂Ｏ₃、マグネシア安定化ＺｒＯ₂、イットリア安定化ＺｒＯ₂、及びＺｒＯ₂が含まれる。また、限定する意味でないが、代表的な半導体基板には、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＩｎＴｅ、ＨｇＣｄＴｅ、及びＳｉＣが含まれる。
【００４０】
リード線のＴＣＥは、金属性基板を除けば、一般に基板のＴＣＥより大きい。例えば、タイプＫのＴＣは９０重量％Ｎｉ／１０重量％Ｃｒのワイヤと９５重量％Ｎｉ／５重量％ＡｌＳｉのワイヤとから構成される。各ワイヤのＴＣＥはＮｉのＴＣＥにほぼ等しく、５００℃で約１６×１０^-6／°Ｋである。一方、ＳｉのＴＣＥは５００℃で約４．１×１０^-6／°Ｋである。したがって、ＲＢＭは加熱サイクル中に発生する基板とワイヤ間の熱膨張率の違いに対応する必要がある。このため、ＲＢＭの軟化温度は低いのがよく、軟化によって急速加熱サイクル中における熱膨張率の違いを吸収して自ら「治癒」することができる。したがってＲＢＭとしては７０重量％以上のＢ₂Ｏ₃を含有するものが求められる。
【００４１】
ＲＢＭの出発材料であるＢ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂は粉末、粒又は結晶である。付着や捕捉用途としては、個別に細かく磨りつぶした後で混合する。環境障壁用途では、Ｂ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を最初に混合し、混合物を細かい粉に挽く。いずれの場合も、粉砕後の粒子の大きさは５００ミクロン以下であるのが好ましく、小さい程よい。混合物はセンサと基板の表面に乾燥したドライパウダーとして、あるいは有機溶剤に分散して与えることができるが、スピッティングを防止するため反応前に乾燥させる。
【００４２】
反応はＢ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂混合体及びこれが載せられたコンポーネントを、好ましくは酸化性環境あるいは不活性（Ａｒ又はＮ₂）環境において、少なくとも４６０℃で加熱することにより生じる。反応温度は１３００℃を超えないようにする。加熱は慣用の急速加熱処理により達成される。コンポーネントが極力高速にＢ₂Ｏ₃の融点を通過する場合に反応の進行が最適になる。好ましい加熱方式としてＩＲ加熱を利用した急速加熱アニール処理が考えられる。
【００４３】
一般に、反応温度が高いと反応は活発になりやすい。したがって、ＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃の混合を十分に行っていなかったり、十分に小さな粒子サイズにまで粉砕していなかった場合に反応処理後に残る未反応Ｂ₂Ｏ₃の残留を低減することができる。また、高い反応温度はＲＢＭガラスの形成を促進する。このＲＢＭガラスは、グレーズとして機能するのではなく、ＲＢＭが適用された本体を完全にカプセル化する。反応温度が低いときは、混合物中のＢ₂Ｏ₃の比率を増やしてＲＢＭと本体間の付着特性を良好に保つようにするとよい。
【００４４】
反応温度はＲＢＭが適用される材質の熱容量による制約を受けることが少なくない。例えば、ＧａＡｓは概ね約９００℃以上で加熱すべきでなく、またデバイス構造を搭載したシリコン基板は約１１００℃以上で加熱すべきでなく、行うとしてもごく短時間に限られる。
【００４５】
混合体のＳｉＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃混合比に影響を及ぼす因子として、反応温度以外にＲＢＭの所望ボンディング力及び粘度が含まれる。Ｂ₂Ｏ₃の比率を下げるとＲＢＭの粘度が増すので、ボンディング力も強化される。一方で、粘度が高いためにＲＢＭのＴＣＥが低下し、流れにくくなる。したがって、材質間のＴＣＥにかなりの違いがあるような場合、広い温度範囲に亘る動作により材質間に深刻な膨張の相違が発生するため、この種の材質の組合せに対するボンディング許容度は低下する。一般的にいって、ＳｉＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃混合比の選定は反応温度、所望ボンディング力及び粘度間のバランスに配慮して行う。
【００４６】
図９にセンサをウエハ基板に実装する実装方法を示す。この方法は図２に示す構造を形成するのに利用できる。最初のステップ６６で、ウエハをマスクしてＲＢＭ形成用の領域のみ露出させる。代わりに、ウエハ全体にＲＢＭを適用してもよく、特にセンサ及び関連するリード線専用のウエハを用いる場合に行われる。次のステップ６８において、所望のホウケイ酸混合物（ＢＭ）を、マスク有りの場合はウエハ露出面に、マスク無しの場合はウエハ全面に付ける。このＢＭ層の厚さは０．１mm〜１０mmの範囲内であり、この範囲の下限値は温度センサに用いると良くウエハ／センサ間の熱伝導が損なわれない。
【００４７】
次のステップ７０において、センサ及びリード線を未反応ＢＭ層上に敷設し、リード線がセンサからウエハの外まで（あるいはウエハ上の端子ブロックまで）配線されるようにする。ついで未反応ＢＭ粉末（ウェット又はドライ）の第二層をセンサ、リード線及び最初のＢＭ層の上に形成し、続いて図５に示すようなフォーム（型）をリード線上に取り付けてスペースをリード線間に確保した状態でリード線及びセンサを最初の未反応ＢＭ層に対して保持する（ステップ７４）。
【００４８】
次にこの組立体をオーブン又は炉に入れて少なくとも１５秒間、少なくとも５００℃に達するまで加熱ランプ波形がＢ₂Ｏ₃の融点４６０℃を極力急速に通過するようにして加熱する（ステップ７６）。この加熱よってＢＭは硬化し、薄膜の酸化物層を介して下側の酸化面と化学結合し、ＲＢＭと結合材質との間に強力な機械的接合が得られる。最初のセンサのための手順は、フォームを取り外し、要素の検査、品質評価を行うと完了する。
【００４９】
リード線が単層でウエハに配線可能な限り、この方法により多数のセンサを同時にウエハに実装することができる。多層のリード線束が求められる場合、上述したようにして最下層の全センサ及びリード線を実装してからマスクを取り外す。ついで新しいマスクを付けて、最初のリード線層上のＲＢＭと、次の組のセンサ及び関連するリード線が占めることになるウエハ領域を露出させる。第二層のリード線は関連するセンサからウエハ面上を経て、最初のリード線層に達した箇所で図６に示すように最初のリード線層を覆っているＲＢＭの上面にクロスオーバーする。次に同様にして、第二組のセンサ及びリード線にＢＭ層をコーティングし、未反応ＢＭを硬化させる。ステップ８０に示すようにこのプロセスを後続するリード線層及び関連するセンサ毎に反復する。
【００５０】
本発明は、種々のチップをセラミック及び半導体面に実装した様々な試験において有効に実証された。
【実施例１】
【００５１】
ＳｉＣ温度センサを搭載したＡｌＮチップを上述した方法で、Ｂ₂Ｏ₃の重量％が５０〜７５のＲＢＭを利用してＳｉウエハに実装した。得られた構造体を環境のチューブ炉に導入し、６００℃、８００℃、１０００℃及び１２００℃で加熱した。各試験において構造体を炉に５分間放置してから取り出し、金属製コールドプレートに載せたが、炉から取り出してコールドプレートに移すまでの最大時間は３０秒とした。全ケースでチップがウエハに付着したままであった。しかしながら、６００℃の試験を除き、コールドプレートに載置したときの熱ショックでウエハに亀裂が入った。
【実施例２】
【００５２】
試験１のものと同種のチップを上記ＲＢＭによりＧａＡｓウエハに実装した。得られた構造体を不活性環境のチューブ炉に導入し、試験１と同様に加熱、冷却した（ただし、１２００℃の試験はＧａＡｓの融点を超えることから行わなかった）。全チップともＧａＡｓウエハに付着したままになり、コールドプレートに載置したときの熱ショックで全ＧａＡｓウエハに亀裂（割れ）が生じた。
【実施例３】
【００５３】
白金ＴＦＲＴＤの表面実装をエミュレートするために、ＳｉＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃のＲＢＭによりＡｌ₂Ｏ₃セラミックチップをＳｉウエハに実装し、試験１と同様の試験を行った。ＲＢＭに占めるＢ₂Ｏ₃の重量％が少なくとも７５％ある全ケースでチップはウエハに付着したままになったが、それより低い重量％では付着しなかった。６００℃の試験を除き、コールドプレートに載置したときの熱ショックで全ウエハに亀裂が入った。
【実施例４】
【００５４】
ＲＢＭにより小さなＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、及びＡｌＮチップをＡｌ₂Ｏ₃セラミックダイに実装し、試験１の手順で試験を行った。ＲＢＭに占めるＢ₂Ｏ₃の重量％が少なくとも７５％ある全ケースでチップはセラミックダイに付着したままになったが、それより低い重量％では付着しなかった。コールドプレートに載置したときの熱ショックで全てのセラミックダイに亀裂が入った。
【実施例５】
【００５５】
ＲＢＭによりＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、及びＡｌＮチップを熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）ダイに実装し、試験１と同様の試験を行った。Ａｌ₂Ｏ₃以外ではＲＢＭに占めるＢ₂Ｏ₃の重量％が少なくとも７０％ある全ケースで、Ａｌ₂Ｏ₃ではＲＢＭに占めるＢ₂Ｏ₃の重量％が少なくとも７５％あるケースで、チップはＰＢＮダイに付着したままになった。
【実施例６】
【００５６】
ＲＢＭによりＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＰＢＮ、及びＡｌＮチップを黒鉛に実装し、試験１と同様の試験を行った。結果は試験５と同様であった。
【実施例７】
【００５７】
ＲＢＭによりＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＰＢＮ、ＡｌＮ、及び黒鉛チップを溶融石英（ＳｉＯ₂ガラス）に実装し、試験１と同様の試験を行った。Ａｌ₂Ｏ₃以外ではＲＢＭに占めるＢ₂Ｏ₃の重量％が少なくとも７０％ある全ケースで、Ａｌ₂Ｏ₃ではＲＢＭに占めるＢ₂Ｏ₃の重量％が少なくとも７５％あるケースで、チップは溶融石英に付着したままになった。コールドプレートに載置したときの熱ショックで全ての溶融石英（ガラス）基板に亀裂が入った。
【実施例８】
【００５８】
ＲＢＭによりＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、及びＡｌＮチップを結晶性ＳｉＯ₂に実装し、試験１と同様の試験を行った。結果は試験７と同様であった。
ＲＢＭは非酸化物材質上で最適に機能することが判明した。酸化物のケース、特にＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂について、付着力は非酸化物基板の場合より弱かった。しかしながら、ＳｉＯ₂に対する付着力は結晶質Ａｌ₂Ｏ₃に対するものより強かった。
【実施例９】
【００５９】
ＲＢＭが高温下で有する熱カプセル化容量を検査するために、膜厚約１０００Åのタングステン薄膜をＡｌＮセラミックダイ上に形成し、Ｂ₂Ｏ₃重量％が５０％以上の未反応Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂粉末を部分的にコーティングした。この構造体を環境のチューブ炉に導入し、１０００℃で５分間加熱してから取り出し、空気中に放置して自然冷却した。ＲＢＭで覆われていない部分のタングステンは、黄色に変色し、電気的検査で絶縁体として示されたことから明らかなように、完全に酸化した。ＲＢＭはＨＦによりタングステンのコーティング部からエッチングされた。しかしながら、前にコーティングしてあったタングステンは依然として原状を保ち、その導電率はコーティング及び加熱処理前の値と変わらなかった。タングステンの酸化は空気中で急速に進むものであるので、この試験からＲＢＭの機能（ability）としてＲＢＭの形成中及び形成後において金属の酸化を防止することが明らかになるとともに、混合粉末からＲＢＭへの反応速度が非常に速いことが強く示唆される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上、本発明の様々な実施形態について図示し、説明してきたが、当業者には種々の変更、代替形態が想到し得る。したがって、本発明は特許請求の範囲にのみ基づいて制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】共通基板上に配置される環境センサアレー及び関連するリード線の平面図である。
【図２】ＲＢＭにより完全に包み込まれ、基板に付着された酸化性センサチップの断面図である。
【図３】ＲＢＭを被せることにより基板に対して封入された非酸化性センサチップの断面図である。
【図４】ＲＢＭにより部分的に封入され基板に付着されたセンサの断面図である。
【図５】ＲＢＭにより基板に付着され互いに絶縁された単層のリード線の断面図である。
【図６】ＲＢＭにより基板に付着され互いに絶縁された多層のリード線の断面図である。
【図７】ＲＢＭによりキャップウエハに付着されたプロセス温度計測用ウエハの断面図である。
【図８】ＳｉＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃のＲＢＭについて各成分の比含有量に対する熱膨張係数を示すグラフである。
【図９】本発明に基づいて本体を基板に固定する方法を示すフローチャートである。

Claims (10)

1. 酸化性の基板（４）と、
   上記基板に固定すべき本体（１６）と、
   上記基板に対する酸化インターフェース（２２）を介して上記基板に上記本体を固定する反応ホウケイ酸混合物（ＲＢＭ）（１８、２０）と、
   を含むパッケージングシステム。
2. 上記ＲＢＭは上記本体と上記基板の間に広がることを特徴とする、請求項１記載のパッケージングシステム。
3. 上記本体は酸化性であり、酸化インターフェース（２４）により上記ＲＢＭを上記本体に固定することを特徴とする、請求項１又は２記載のパッケージングシステム。
4. 基板（４）と、
   少なくとも１つの導電性リード線（３６）と、
   少なくとも一部の長さに亘り上記リード線の各々を上記基板に固定する反応ホウケイ酸混合物（ＲＢＭ）（３８）と、
   を含むリード線システム。
5. 基板（４）と、
   環境センサ（１６）と、
   上記センサ上及び上記基板の少なくとも上記センサに隣接する部分上に広がり、上記センサを上記基板に固定する反応ホウケイ酸混合物（ＲＢＭ）（１８、２０）と、
   を含む環境検出システム。
6. さらに、
   上記センサからの信号に応答する出力装置（８）と、
   上記センサを上記出力装置に接続する少なくとも１つのリード線（６）とを有し、
   上記ＲＢＭは上記リード線を少なくとも部分的に封入して上記基板に固定することを特徴とする、請求項５記載の環境検出システム。
7. 上記基板は酸化性であり、上記ＲＢＭは上記基板に対する酸化インターフェースを介して上記基板に上記センサを固定することを特徴とする、請求項５又は６記載の環境検出システム。
8. さらに、ＲＢＭにより、少なくとも部分的にカプセル化され、上記基板に固定された付加的センサのアレー（２）と、上記付加的センサ用の個々のリード線（６）であって、個々のセンサを上記出力装置に接続するとともに、その長さの少なくとも一部に沿ってリード線ＲＢＭ（３８）によりカプセル化されて上記基板に固定されたリード線とを有することを特徴とする、請求項６記載の環境検出システム。
9. 酸化性の本体（１６）と、
   上記本体をカプセル化して上記本体が酸化性環境と反応するのを防止する反応ホウケイ酸混合物（ＲＢＭ）（１８、２０）と、を含むカプセル化パッケージ。
10. 上記ＲＢＭはＢ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂の反応混合物であって上記Ｂ₂Ｏ₃が当該混合物の少なくとも７０重量％であることを特徴とする、請求項１、２、４、５、６、８、９のいずれか１項記載の構造。

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