JP2008093801A - 封止接合性能評価装置、封止接合性能評価装置の製造方法、封止接合性能評価方法、及び封止接合性能評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】封止接合の封止性能を簡易的に評価する。
【解決手段】開口部３を有するフレーム部４と、フレーム部４の開口部３内に支持された複数の振動体５ａ，５ｂ，５ｃと、フレーム部４の上面に形成された光透過性のキャップ部６と、フレーム部４の下面に接合されたシリコン基板７とを備え、開口部３はキャップ部６とシリコン基板７とにより気密封止されている。そして、振動体５ａ，５ｂ，５ｃを振動させ、キャップ部６を介して振動体５ａ，５ｂ，５ｃに光を照射し、振動体５ａ，５ｂ，５ｃにおいて反射した光を受光し、受光した光から振動体の共振特性を測定し、測定された共振特性から開口部３内の真空度を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの封止接合領域の封止性能を評価するための封止接合性能評価装置、封止接合性能評価装置の製造方法、封止接合性能評価方法、及び封止接合性能評価システムに関する。

近年の半導体製造プロセス技術の進歩に伴い、機械要素や３次元構造体を中空領域内に設け、封止接合によって中空領域内を気密保持する封止実装構造を形成することが可能になった。このような封止実装構造によれば、機械要素や３次元構造体を実装プロセス時や使用時の外乱から保護することができる。この封止実装構造の製造プロセス開発では、中空領域内の気密性を確保する上で封止接合の封止性能評価が必要不可欠となる。このため従来までは、封止接合領域を顕微鏡で観察したり、中空領域内にピラニゲージを設けリークテストを行ったりすることにより、封止接合の封止性能評価が行われていた（非特許文献１参照）。
"A Sensitive Pirani Vacuum Sensor and the electrothermal SPICE modeling", Sensor and Actuators, A53(1996), 273-277

しかしながら、封止接合領域を顕微鏡で観察することにより封止接合の封止性能を評価する方法によれば、封止接合の合否は判断することができても、封止性能を評価することができないために、封止構造の製造プロセスを開発するための知見が得られにくい。一方、中空領域内にピラニゲージを設けることにより封止接合の封止性能を評価する方法によれば、ピラニゲージの出力を取り出すための端子を形成する必要が生じたり、その他の構成要素のレイアウトに制約が加わったりすることによって、製造プロセスが複雑になることから、封止接合の封止性能を簡易に評価することが困難になる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、封止接合の封止性能を簡易的に評価可能な封止接合性能評価装置、封止接合性能評価装置の製造方法、封止接合性能評価方法、及び封止接合性能評価システムを提供することにある。

本願発明の発明者らは、鋭意研究を重ねてきた結果、封止接合によって封止された中空構造内に設けられた振動体を振動させ、振動体に光を照射し、振動体において反射した光を受光し、受光した光から振動体の共振特性を測定し、測定された共振特性から中空領域内の真空度を算出し、算出された真空度に基づいて封止接合の封止性能を評価することにより、封止接合の封止性能を簡易的に評価できることを知見した。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態となる封止接合性能評価装置の構成及びその製造方法について説明する。

始めに、図１乃至図３を参照して、本発明の一実施形態となる封止接合性能評価装置の構成について説明する。

〔封止接合性能評価装置の構成〕
本発明の一実施形態となる封止接合性能評価装置１は、図１に示すように、後述する製造方法によって半導体ウェハ２上に複数形成される。図１に示す例では、封止接合性能評価装置１は、４インチ半導体ウェハ（１００ｍφ）の有効エリア（８５ｍｍφ，破線部領域）内に複数形成され、封止接合性能評価装置１間で封止構造の寸法等を変化させることにより最適な封止構造を評価可能なように構成されている。

各封止性能評価装置１は、図２に示すように、四角形状の開口部３を有するフレーム部４と、開口部３内に片持ち支持された長さが異なる複数の振動体５ａ，５ｂ，５ｃと、フレーム部４の上面に陽極接合された光透過性のキャップ部６と、フレーム部４の下面に封止接合されたシリコン基板７（封止接合構造）とを備え、キャップ部６とシリコン基板７とにより開口部３の上下面を気密封止することにより中空領域が形成されている。

フレーム部４は、シリコン基板８と活性層９により埋込酸化膜１０（膜厚０．５μｍ程度）を挟持した公知のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板により形成され、振動体５ａ，５ｂ，５ｃは後述する製造方法により活性層９を加工することによって形成されている。また、キャップ部６のフレーム部４側表面（下面）には、振動体５ａ，５ｂ，５ｃが上下方向（ｚ軸方向）に振動可能なように凹部１１が形成されている。

このような構成を有する封止接合性能評価装置１によれば、図３に示すような封止接合性能評価システムを利用することにより、フレーム部４（シリコン基板８）とシリコン基板７間の封止接合の封止性能を簡易的に評価することができる。具体的には、フレーム部４とシリコン基板７間の封止接合の封止性能を評価する際は、始めに、半導体ウェハ２をチャンバー２１内のステージ２２上に載置し、ステージ２２の上面に配置された圧電板２３に通電することによって半導体ウェハ２全体を揺動させて振動体５ａ，５ｂ，５ｃを励振させる。

次に、振動体５ａ，５ｂ，５ｃを励振させた状態でキャップ部６を介してレーザドップラー振動計２４から振動体５ａ，５ｂ，５ｃに光を照射し、振動体５ａ，５ｂ，５ｃの表面において反射した光をカメラ２５で受光し、受光した光から振動体の共振特性（共振の機械的Ｑ値）を測定し、測定された共振特性から開口部３内の真空度を算出する。そして、測定された真空度に基づいてフレーム部４とシリコン基板７間の封止接合の封止性能を評価する。一般に、上記共振特性は、圧力依存性を有することから、予めこの圧力依存性を評価しておくことにより共振特性の圧力依存性に従って開口部３内の真空度を算出することができる（例えばSensors & Actuators A61, 249(1997)参照）。

なお、上記共振特性は、振動体５ａ，５ｂ，５ｃの面積（長さや幅）に応じて変化するために、各振動体５ａ，５ｂ，５ｃの共振特性から算出可能な真空度は振動体５ａ，５ｂ，５ｃの長さに応じて異なる。具体的には、面積が小さな振動体は低真空度でも高い機械的Ｑ値を示すが、その機械的Ｑ値は比較的低真空度で飽和する。これに対して、面積が大きな振動体は低真空度では共振しなくなるが、機械的Ｑ値は高真空度で飽和する。従って、開口部３内に面積が異なる複数の振動体（図２に示す例では、幅も長さも異なる複数の振動体）を設けることにより、測定可能な真空度の範囲が広がり（０．１［Ｐａ］〜大気圧）、フレーム部４とシリコン基板７間の封止接合の封止性能をより広範囲に評価することができる。

また、図３に示す封止性能評価システムでは、チャンバー２１は圧力センサ２６，ガス導入部２７，及びガス排出部２８を備え、チャンバー２１内の真空度を変化させることができると共に、圧力センサ２６によりチャンバー２１内の真空度を測定することができる。さらに、レーザドップラー振動計２４及びカメラ２５は、ＸＹＺステージ３０に取り付けられ、３次元方向に移動可能なように構成されている。

次に、図４乃至図１０を参照して、上記封止接合性能評価装置１の製造方法をキャップ部６の製造工程とフレーム部４の製造工程に分けて順に説明する。

〔キャップ部の製造工程〕
上記キャップ部６を製造する際は、始めに、図４（ａ）に示すようなガラス基板６ａを用意し、ガラス基板６ａの表面にＣｒスパッタ層３１及びＡｕスパッタ層３２を順に形成した後、図４（ｂ）に示すように、Ａｕスパッタ層３２の表面領域のうち、凹部１１を形成する領域Ｒ１以外の領域にレジスト膜３３をパターンニングする。

次に、図４（ｃ）に示すように、レジスト膜３３をマスクとしてウェットエッチング処理を施すことにより表面に露出しているＣｒスパッタ層３１とＡｕスパッタ層３２を除去する。次に、図５（ｄ）に示すようにウェットエッチング処理によりレジスト膜３３を除去した後、Ｃｒスパッタ層３１とＡｕスパッタ層３２をマスクとしてウェットエッチング処理を施すことによりガラス基板６ｂをエッチングして凹部１１を形成する。そして最後に、ウェットエッチング処理によりＡｕスパッタ層３２とＣｒスパッタ層３１を順に除去することによりキャップ部６の製造工程は終了する。

なお、上記製造方法によりキャップ部６を製造した場合、Ｃｒスパッタ層３１とＡｕスパッタ層３２が形成されていたガラス基板６ａ表面にピンホールが形成されることがある。本願発明の発明者らは、ピンホールが形成される原因は、Ｃｒスパッタ層３１やＡｕスパッタ層３２にピンホールが存在し、このピンホールからガラス基板６ａにエッチング液が浸透したためであると考える。

そこでキャップ部６は以下の製造方法により製造することがより望ましい。すなわち、レジスト膜３３を介してウェットエッチング処理を施すことにより表面に露出しているＣｒスパッタ層３１とＡｕスパッタ層３２を除去した後（図４（ｃ）に示す状態）、図６（ａ）に示すようにＣｒスパッタ層３１，Ａｕスパッタ層３２，及びレジスト膜３３をマスクとしてウェットエッチング処理を施すことによりガラス基板６ａをエッチングして凹部１１を形成する。そして図６（ｂ）に示すように、ウェットエッチング処理によりレジスト膜３３を除去した後、図６（ｃ）に示すようにウェットエッチング処理によりＣｒスパッタ層３１とＡｕスパッタ層３２を除去することによりキャップ部６を製造する。

このような製造方法によれば、レジスト膜３３がＣｒスパッタ層３１やＡｕスパッタ層３２に存在するピンホール又は密着不良部からガラス基板６ａにエッチング液が浸透することを抑制するために、Ｃｒスパッタ層３１とＡｕスパッタ層３２が形成されていたガラス基板６ａ表面にピンホールが形成されることを抑制し、歩留まりを向上させることができる。さらに、エッチング処理によってＣｒスパッタ層３１及びＡｕスパッタ層３２の側面がくずれ、Ｃｒスパッタ層３１及びＡｕスパッタ層３２のパターン精度が低下することを抑制できる。

〔フレーム部の製造工程〕
フレーム部４を製造する際は、始めに、図７（ａ）に示すように裏面に絶縁膜３４（膜厚１μｍ程度）を有すると共に活性層９に振動体５ａ，５ｂ，５ｃの形状が形成されたＳＯＩ基板とキャップ部６を陽極接合する。

次に、図７（ｂ）に示すように、絶縁膜３４の表面領域のうち、振動体５ａ，５ｂ，５ｃの下方に相当する領域Ｒ３以外の領域にレジスト膜３３をパターンニングした後、図７（ｃ）に示すように表面に露出している絶縁膜３４をエッチング処理により除去する。

次に、図８（ｄ）に示すように振動体５ａ，５ｂ，５ｃの下方に相当する領域にあるシリコン基板８をドライエッチング処理により除去した後、図８（ｅ）に示すようにレジスト膜３３を除去する。そして最後に裏面側で露出している埋込酸化膜１０をウェットエッチング処理により除去することによりフレーム部４の製造工程は完了する。

なお、上記製造方法によれば、シリコン基板８のドライエッチング処理時にシリコン基板８の側壁や底面に生成されたシリコン堆積物がその後の埋込酸化膜１０のウェットエッチング処理時に浮遊し、シリコン基板８の底部や振動体５ａ，５ｂ，５ｃに付着することにより、封止接合の歩留まりが低下したり、振動体５ａ，５ｂ，５ｃの振動が妨げられる可能性がある。

そこでフレーム部４は以下の製造方法により製造することがより望ましい。すなわち、フレーム部４を製造する際は、始めに、図９（ａ）に示すように裏面に絶縁膜３４を有すると共に活性層９に振動体５ａ，５ｂ，５ｃの形状が形成されたＳＯＩ基板とキャップ部６とを陽極接合する。

次に、図９（ｂ）に示すように絶縁膜３４をエッチング処理により除去した後、図９（ｃ）に示すように、シリコン基板８の表面領域のうち、振動体５ａ，５ｂ，５ｃの下方に相当する領域Ｒ３以外の領域にレジスト膜３３をパターンニングする。

次に、図１０（ｄ）に示すように表面に露出しているシリコン基板８をドライエッチング処理により除去した後、図１０（ｅ）に示すように裏面側に露出している埋込酸化膜１０をドライエッチング処理により除去する。そして最後に、図１０（ｆ）に示すようにレジスト膜３３を除去することにより、フレーム部４の製造工程は完了する。

このような製造方法によれば、シリコン基板８のドライエッチング処理時に側壁や底面に生成されたシリコン堆積物がその後の埋込酸化膜１０のエッチング処理時にシリコン基板８の底部や振動体５ａ，５ｂ，５ｃに付着することを抑制できる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態の封止接合性能評価装置１は、フレーム部４の下面にシリコン基板７を接合することにより、シリコン基板８とシリコン基板７間の封止接合の封止性能を評価するものであったが、シリコン基板８の下面に金属膜を形成することにより金属膜とシリコン基板７間の封止接合の封止性能を評価してもよい。但し、通常の製造プロセスによりシリコン基板８の下面に金属膜を形成した場合、振動体５ａ，５ｂ，５ｃに金属膜が付着することにより振動体５ａ，５ｂ，５ｃの振動性能に影響が出る可能性がある。

従って、金属膜とシリコン基板７間の封止接合の封止性能を評価する場合には、以下に示す製造方法によりシリコン基板８の下面に金属膜を形成することが望ましい。すなわち、シリコン基板８の下面に金属膜を形成する際は、始めに、図１１（ａ）に示すようにフレーム部４とキャップ部６を陽極接合した後、図１１（ｂ）に示すように、シリコン基板８の表面領域のうち、振動体５ａ，５ｂ，５ｃの下方に相当する領域Ｒ３以外の領域にレジスト膜３３をパターンニングする。

次に、図１１（ｃ）に示すように表面に露出しているシリコン基板８を適当な厚みを残してDeep-RIEエッチング処理により除去した後、図１２（ｄ）に示すようにレジスト膜３３を除去する。次に、図１２（ｅ）に示すようにシリコン基板８の裏面に金属膜３５を形成した後、図１２（ｆ）に示すように、金属膜３５の表面領域のうち、金属膜３５を残す領域（封止接合領域）以外の領域にレジスト膜３３をパターンニングする。

次に、図１３（ｇ）に示すようにレジスト膜３３をマスクとして金属膜３５を除去した後、図１３（ｈ）に示すようにレジスト膜３３を除去する。次に、図１３（ｉ）に示すように、フレーム部４の裏面領域のうち、振動体５ａ，５ｂ，５ｃの下方に対応する領域以外の領域にレジスト膜３３をパターンニングした後、図１４（ｊ）に示すようにレジスト膜３３をマスクとしてシリコン基板８を除去する。そして最後に、レジスト膜３３を除去することにより、一連の製造工程は終了する。このような製造方法によれば、振動体５ａ，５ｂ，５ｃに金属膜３５が付着することを抑制できる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる封止接合性能評価装置のウェハ上におけるレイアウト例を示す図である。 本発明の実施形態となる封止接合性能評価装置の構成を示す上面図及び断面図である。 本発明の実施形態となる封止接合性能評価システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態となるキャップ部の製造工程の流れを示す断面工程図である。 図４に示す断面工程図の続きを示す断面工程図である。 本発明の実施形態となるキャップ部の製造工程の応用例の流れを示す断面工程図である。 本発明の実施形態となるフレーム部の製造工程の流れを示す断面工程図である。 図７に示す断面工程図の続きを示す断面工程図である。 本発明の実施形態となるフレーム部の製造工程の応用例の流れを示す断面工程図である。 図９に示す断面工程図の続きを示す断面工程図である。 本発明の実施形態となる封止接合性能評価装置の応用例の製造工程の流れを示す断面工程図である。 図１１に示す断面工程図の続きを示す断面工程図である。 図１２に示す断面工程図の続きを示す断面工程図である。 図１３に示す断面工程図の続きを示す断面工程図である。

符号の説明

１：封止接合性能評価装置
２：ウェハ
３：開口部
４：フレーム部
５ａ，５ｂ，５ｃ：振動体
６：キャップ部
６ａ：ガラス基板
７，８：シリコン基板
９：活性層
１０：埋込酸化膜
１１：凹部
２１：チャンバー
２２：ステージ
２３：圧電板
２４：レーザドップラー振動計
２５：カメラ
２６：圧力センサ
２７：ガス導入部
２８：ガス排出部
３０：ＸＹＺステージ
３１：Ｃｒスパッタ層
３２：Ａｕスパッタ層
３３：レジスト膜
３４：裏面絶縁膜
３５：金属膜

Claims (11)

1. 開口部を有するフレーム部と、
   前記フレーム部の開口部内に支持された振動体と、
   前記フレーム部の上面に形成された光透過性のキャップ部と、
   前記フレーム部の下面に接合された封止接合構造とを備え、
   前記開口部は前記キャップ部と前記封止接合構造とにより気密封止され、
   前記振動体を振動させた状態で前記キャップ部を介して振動体に光を照射し、振動体において反射した光を受光し、受光した光から振動体の共振特性を測定し、測定された共振特性から前記開口部内の真空度を算出することにより、前記フレーム部と前記封止接合構造間の封止性能が評価可能なように形成されていることを特徴とする封止接合性能評価装置。
2. 請求項１に記載の封止接合性能評価装置において、前記開口部内には面積が異なる複数の振動体が支持されていることを特徴とする封止接合性能評価装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の封止接合性能評価装置において、前記キャップ部の前記フレーム側表面には凹部が形成されていることを特徴とする封止接合性能評価装置。
4. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の封止接合性能評価装置において、前記フレーム部はシリコン基板と活性層により埋込酸化膜を挟持したＳＯＩ基板により形成され、前記振動体は当該ＳＯＩ基板の活性層により形成されていることを特徴とする封止接合性能評価装置。
5. 請求項４に記載の封止接合性能評価装置の製造方法であって、
   前記キャップ部の前記フレーム側表面に凹部を形成する工程と、
   前記ＳＯＩ基板の活性層に振動体形状を形成する工程と、
   前記凹部と前記振動体が対向するように前記キャップ部と前記ＳＯＩ基板とを陽極接合する工程と、
   前記振動体下方のシリコン基板及び埋込酸化膜を除去することにより振動体を振動可能な状態にする工程と、
   前記シリコン基板の下面に前記封止接合構造を接合する工程と
   を有することを特徴とする封止接合性能評価装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の封止接合性能評価装置の製造方法であって、前記キャップ部を形成する工程は、ガラス基板表面に金属層とレジスト膜をマスクとして順に形成し、当該マスクを介してガラス基板をエッチングすることにより前記凹部を形成し、エッチング終了後にマスクを除去する工程を有することを特徴とする封止接合性能評価装置の製造方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載の封止接合性能評価装置の製造方法において、前記振動体を振動可能な状態にする工程は、前記シリコン基板をドライエッチング処理により除去する工程と、前記埋込絶縁膜をドライエッチング処理により除去する工程とを順に実行することにより行われることを特徴とする封止接合性能評価装置の製造方法。
8. 請求項５乃至請求項７のうち、いずれか１項に記載の封止接合性能評価装置の製造方法であって、前記ＳＯＩ基板として裏面に絶縁膜を有するＳＯＩ基板を用いることを特徴とする封止接合性能評価装置の製造方法。
9. 請求項４に記載の封止接合性能評価装置の製造方法において、
   前記キャップ部の前記フレーム側表面に凹部を形成する工程と、
   前記ＳＯＩ基板の活性層に振動体を形成する工程と、
   前記凹部と前記振動体が対向するように前記キャップ部と前記ＳＯＩ基板とを陽極接合する工程と、
   所定の厚さを残して前記振動体下方のシリコン基板を除去する工程と、
   シリコン基板表面に金属膜を形成する工程と、
   封止接合構造を形成する領域以外の領域の金属膜を除去する工程と、
   前記振動体下方のシリコン基板及び埋込酸化膜を除去する工程と
   を有することを特徴とする封止接合性能評価装置の製造方法。
10. 封止接合によって封止された中空構造内に設けられた振動体を振動させるステップと、
    前記振動体に光を照射するステップと、
    前記振動体において反射した光を受光するステップと、
    受光した光から前記振動体の共振特性を測定し、測定された共振特性から前記中空領域内の真空度を算出するステップと、
    算出された真空度に基づいて前記封止接合の封止性能を評価し、評価結果に基づいて封止接合のプロセス条件を決定するステップと
    を有することを特徴とする封止接合性能評価方法。
11. 開口部を有するフレーム部と、フレーム部の開口部内に支持された振動体と、フレーム部の上面に形成された光透過性のキャップ部と、フレーム部の下面に接合された封止接合構造とを有し、開口部はキャップ部と封止接合構造とにより気密封止されている封止接合性能評価装置と、
    前記封止接合性能評価装置を振動させることにより前記振動体を励振させる振動付与部と、
    前記キャップ部を介して振動体に光を照射する照射部と、
    前記振動体において反射した光を受光する受光部と、
    前記受光部が受光した光から振動体の共振特性を測定し、測定された共振特性から前記開口部内の真空度を算出する算出部と
    を備えることを特徴とする封止接合性能評価システム。

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