JP2008105162A - 機能素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＥＭＳによる機能素子のウェハレベルパッケージングにおける、陽極接合による接合部の気密性を向上させ、安価なＭＥＭＳ機能素子を提供する。
【解決手段】 Ｓｉを主体とする基板を加工法を用いて形成した機能素子と、この機能素子の外周に形成された封止メタライズ膜と、この封止メタライズ膜に陽極接合により接合されるガラス基板を備える。この封止メタライズ膜の表面部には、Ａｌを主成分とするメタライズ膜上に、Ｓｎ、Ｔｉのうち、少なくとも一つを主成分とするメタライズ膜、またはこれらを組み合わせたメタライズ膜が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）になる機能素子に関するものである。ＭＥＭＳでは、Ｓｉを主体とする基板をエッチングにより加工しての高周波フィルタの製造、各種のセンサ、アクチュエータなどの製造がなされている。

ＭＥＭＳの分野では、エッチング技術を駆使してＳｉを主体とする基材を加工して、高周波センサ、加速度や角速度のセンサ、アクチュエータなどの機能素子を形成する。基材にはＳｉウェハが使用されることもあるし、ウェハ内部に絶縁層を有する、いわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハが使用されることもある。

携帯電話などで使用される高周波フィルタには、代表的なものにＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタがある。しかし、近年、ＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ ＢｕｌＫ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）フィルタなども用いられる。ＳＡＷフィルタでは、圧電素子基板上に機能素子を形成する。一方、ＦＢＡＲフィルタでは、Ｓｉを主体とする基板上に、圧電膜を形成して機能素子を製造する点が特徴の一つである。このような高周波フィルタでは、機能素子の特性、信頼性確保のために、機能素子部を気密封止する必要がある。

ＭＥＭＳ製品の中でも、加速度などのセンサでは、機能素子を形成する第１の方式として、機能素子の動きの変化から機器全体に負荷された加速度を計測する方式がある。この場合、機能素子用の電極として、エッチングにより錘や櫛歯状の電極を形成している。第２の方式として、予め梁上に形成しておいた抵抗体へ負荷される歪みによって発生する抵抗変化から、加速度を読み取る方式がある。この場合、Ｓｉを主体とする基板にエッチングによる貫通加工を施し、薄い梁を介して錘を把持する構造を形成し、当該梁上に抵抗体を形成している。いずれの方式においても、電極や錘の動きがパッケージ内の気圧の影響を受けるので、パッケージの気密封止が必要である。又、近年、第３の方式として、温度検知センサによって機能素子内の温度分布を測定し加速度を検出する方法が開発されている。この例は、Ｓｉを主体とする基板上に、中空構造を形成し、その上に薄い網目状の梁が形成する。その梁の所定の位置に温度検知センサを形成し、又、一部に熱源を形成しておく。こうして、パッケージ内部の気体が、熱源により熱せられた状態で、加速度が負荷されると気体が流動する。その温度分布を計測することで、負荷された加速度を検出する。このような機能素子でも、パッケージの気密封止が必要である。

いずれにしても、ＭＥＭＳのような可動部を有するセンサや、高周波フィルタなどでは、特性を一定に保つために、パッケージの気密封止は不可欠なものとなっている。

このような気密封止を行うための従来の技術としては、機能素子をセラミック製のパッケージに実装し、その上から、金属、セラミック、ガラスなどの蓋を、はんだあるいは低融点ガラスを用いて接続する方法がある。しかしこれらの方法は、一般的には、個別に素子を実装するものである。

近年、ＭＥＭＳの機能素子の実装コストを低減する方法のひとつとして、ウェハの状態で封止を完了させる試みが為されている。このためには、機能素子を形成したＳｉを主体とする基板に、別のウェハを接合し、気密封止を行うことが必要である。こうした例として、例えば非特許文献１などを挙げることが出来る。

DIGEST OF TECHNICAL PAPERS 2002 ;IEEE International Solid-State Circuits Conference 0-7803-7335-9/02/2002 IEEE

ウェハ接合により機能素子を気密封止しようとする方法として、非特許文献１に挙げた例がある。この方法は次の手順を取っている。即ち、Ｓｉウェハ上の機能素子の外周にＡｕめっきを厚く施し、更に、別のＳｉウェハをこれに重ねて、加圧しながらＡｕ−Ｓｉの共晶温度（３６１℃）以上に加熱する。こうしてＡｕ−Ｓｉ共晶融体を形成して、両ウエハを相互に接合する。しかし、この方法では、ウェハ上にＡｕめっきによる封止部のパターンを厚く形成せねばならず、Ａｕを多く使用する。そのためのコストが非常に高いという難点がある。

本発明は、Ａｕなどの貴金属の使用量を抑え、低コストな金属膜（当該技術分野では、メタライズと通称している。以下、メタライズ膜と略記する）を機能素子の外周に形成し、別のウェハを接合して気密封止を得るものである。

本発明の骨子は、機能素子の外周に封止メタライズ膜を形成し、この封止メタライズ膜にガラス基板の陽極接合を行う。封止メタライズ膜の構成は、表面部には、Ａｌを主成分とするメタライズ膜を形成し、その上に、Ｓｎ、Ｔｉのうち、少なくとも一つを主成分とするメタライズ膜、またはこれらを組み合わせたメタライズ膜を形成する。

機能素子は通例、少なくとも表面がＳｉである基板が用いられる。より具体的には、Ｓｉ基板あるいは、ＳＯＩ基板などである。そして、この場合、少なくとも表面がＳｉである基板、第１の封止用金属膜及びガラス基板による陽極接合時の反応生成物層が、当該陽極接合後の前記第１の封止用金属膜とガラス基板の界面に形成されている。このことによって、十分な封止が可能となる。陽極接合時の反応生成物層が形成されることは、以下の他の諸形態でも基本的に同様である。

前記第１の封止用金属膜の代表的な例は、少なくとも、Ａｌを主成分とする金属膜と、Ｔｉを主成分とする金属膜との積層体を用いる例である。この場合、前記金属膜の積層体とガラス基板との間に、陽極接合時の反応生成物層が形成されている。この反応生成物層はＴｉを主成分とするメタライズ膜ということが出来る。

前記第１の封止用金属膜の別な例は、少なくとも、Ａｌを主成分とする金属膜と、Ｓｎを主成分とする金属膜との積層体を用いる例である。この場合、Ａｌを主成分とする金属膜と、前記ガラス基板との間に、陽極接合時の反応生成物層が形成されている。この反応生成物層はＳｎを主成分とするメタライズ膜ということが出来る。

前記第１の封止用金属膜の、更に別な例は、少なくとも、Ａｌを主成分とする金属膜と、Ｔｉ層、Ａｕ層、及びＳｎを主成分とする金属膜との積層体を用いる例である。そして、Ａｌを主成分とする金属膜と、前記ガラス基板との間に、陽極接合時の反応生成物が形成されている。この反応生成物層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎの少なくとも一者を主成分とする化合物膜を有するということが出来る。

又、前記基板に、第１の封止用金属膜に対する接着層が設けられることが実用上有用である。その代表的な例は、Ｔｉ膜である。

機能素子の電極の取り出しに関しては、機能素子を形成したウェハ側に同様のメタライズ膜の構成で電極を形成し、ガラス基板には貫通穴を形成しておき、貫通穴が電極の内部に位置するように位置合わせを行い、貫通穴の周囲のガラス基板を電極メタライズ膜に陽極接合することで、気密封止を行いながら、電極を取り出すことができる。

より具体的にその代表例を述べれば次の通りである。即ち、前記ガラス基板は、前記機能素子を囲む第１の封止用金属膜の内側に、貫通孔を有し、前記少なくとも表面がＳｉである基板上に、配線用金属膜が更に形成され、当該配線用金属膜は前記機能素子に電気的に接続され、前記配線用金属膜に接して第２の封止用金属膜が更に形成されている。

前記第２の封止用金属膜の、基板に対する平面的な位置が、前記ガラス基板の貫通孔の位置に対応している。そして、前記機能素子部が前記ガラス基板と対向した状態で、前記少なくとも表面がＳｉである基板と前記ガラス基板とが、前記第２の封止用金属膜を介しても陽極接合により接合され、且つ前記少なくとも表面がＳｉである基板、前記第１及び第２の封止用金属膜及び前記ガラス基板による陽極接合時の反応生成物層が、当該陽極接合後の前記第１及び第２の封止用金属膜と前記ガラス基板の界面に形成されている。

本発明によれば、安価なＭＥＭＳによる機能素子を提供することが出来る。これは、ＭＥＭＳによる機能素子をウェハ状態で一括して気密封止を行うことが出来ることに起因する。

本願発明の諸実施例を説明するが、さき先立って、前記メタライズ膜の詳細を説明する。Ａｌメタライズ膜の成分は、基本的に純Ａｌが好適である。しかし、Ａｌメタライズ膜の硬さ、結晶の制御などの目的で、他の元素を添加しても良い。その場合、Ａｌ成分が９０ｗｔ％以上となるように、他の元素の添加量を１０ｗｔ％以下とするのが実際的である。Ａｌメタライズ膜に１０ｗｔ％以上の他の元素を添加すると、それらとＡｌの合金、化合物などが多く発生するようになり、Ａｌメタライズ膜の表面粗さが大きくなる懸念があるためである。尚、メタライズ膜の硬さや結晶の制御の目的で添加される他の元素には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅなどがある。具体的な要請に応じて、これらの元素の少なくとも一者をＡｌへの添加することもある。尚、前記Ｔｉ層、Ｓｎ層、Ａｕ層なども、不純物を、通例の意味において含有する場合も当然存在する。

Ａｌメタライズ膜上に形成するＴｉの厚さは、基本的にＡｌメタライズ膜の表面の凹凸よりも厚くする。その理由は、陽極接合の途中で、Ｔｉがガラス中に拡散し、出っ張った部分のＴｉが削れるようにして接合が進行するためである。出っ張り部が完全に無くなり、メタライズ膜全域が接合されるまでＴｉが全域で残るようにするには、Ｔｉの厚さをＡｌメタライズ膜の凹凸よりも厚くする必要がある。詳細には、後述する実施例における陽極接合の詳細な説明の部分において、具体例に即して説明する。尚、Ａｌメタライズ膜の選択は、以下の発明の形態においても同様に考えて十分である。

Ｔｉメタライズ膜も基本的にＴｉであるが、これに不純物が含まれることはある。

上記Ｓｎ、Ｔｉのうち、少なくとも一つを主成分とするメタライズ膜、又はこれらを組み合わせたメタライズ膜は、前述の陽極接合時の反応生成物膜に相当し、以下の形態における製造工程によって形成される。
（１）第１の製造方法は、次の工程を有するものである。Ｓｉを主体とする基板上に、Ａｌを主成分とするメタライズ膜を形成する工程と、連続してＴｉメタライズ膜を形成する工程を有し、更に表面部のＴｉメタライズ膜にガラス基板を陽極接合により接合する工程を有する。こうして、Ｔｉを主成分とするメタライズ膜が形成される。その詳細な形態は、実施例において詳述する。
（２）第２の製造方法は、次の工程を有するものである。Ｓｉを主体とする基板上に、Ａｌを主成分とするメタライズ膜を形成する工程と、連続してＳｎメタライズ膜を形成する工程があり、表面部のＳｎ膜を溶融させながらガラス基板を陽極接合により接合する工程を有する。こうして、Ｓｎを主成分とするメタライズ膜が形成される。
（３）第３の製造方法は、次の工程を有するものである。Ｓｉを主体とする基板上に、Ａｌを主成分とするメタライズ膜を形成する工程と、連続してＴｉ及びＡｕメタライズ膜を形成する工程があり、これに続いてＳｎメタライズ膜をＡｕメタライズ膜上に形成する工程を有し、ＳｎとＡｕの合金を溶融させながらガラス基板を陽極接合により接合する工程を有する。こうして、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｎのうち、少なくとも一つを主成分とする化合物が形成されている。その具体的な形態は、実施例において詳述する。

本発明の諸形態の界面構成を見るならば、Ａｌを主成分とするメタライズ膜の結晶粒界の陥没部とガラス基板の間の部分が、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｕのうち、少なくとも一つを主成分とする化合物で充填されている機能素子であるといい得る。

＜実施例１＞
本発明の第一の実施例について図1〜図７を用いて説明する。図１は、機能素子のウエハレベルでのパッケージングの概要を示す斜視図、図２は、同様のウエハレベルでのパッケージングの概要を示す斜視図であるが、ダイシングのラインを例示している。即ち、図1のＳｉ基板１上には、機能素子２が形成され、その外周に封止用のメタライズ膜３が形成されている。この封用のメタライズ膜３にガラス基板４を陽極接合により接合する。陽極接合後に、図２に例示するように、封止用のメタライズ膜の間に示されたダイシングライン３０に沿って切断され、各機能素子２に分割される。図２には、例として１列のダイシングラインを記載した。各機能素子間でダイシングされることはいうまでもない。製造されるデバイスにより異なるが、Ｓｉ基板１は、単結晶のＳｉウェハの場合もあるし、ＳＯＩウェハの場合もあり、いずれの場合もＳｉを主体とした基材となる。本願明細書では、こうした諸形態を含めてＳｉを主体とした基材と称する。

機能素子の詳細な構造を図３Ｃを用いて説明する。図３Ｃは、代表的な機能素子の断面図である。Ｓｉ基板１上に、配線および電極８に挟まれたＡｌＮ圧電膜９が形成されている。その下には、Ｓｉ基板１をエッチングすることで形成されたキャビティ５が存在する。配線および電極８と電気的に接続された貫通電極６が、Ｓｉ基板１を貫通するように形成されている。又、Ｓｉ基板１の反対側の表面には、はんだ接続などに用いる電極パッド７が形成されている。これら機能素子の外周には、機能素子の存在する側のＳｉ基板１表面に、封止用のメタライズ膜３が形成されている。この封止メタライズ膜３には、ガラス基板４が陽極接合により接合されている。尚、Ｓｉ基板１は、表面に絶縁のための酸化物層などが形成されているが、図示はしていない。

封止用のメタライズ膜の構成を図４に示す。図４は、図３Ｃにおける領域Ａの拡大図である。Ｓｉ基板１上に、密着のためのＴｉ膜１０、その上にＡｌ膜１１とＴｉ膜１２が形成されており、このＴｉ膜１２にガラス基板４が陽極接合により接合されている。

図３Ａより図３Ｃを参酌する。このような構造を形成するプロセスの例について説明する。まず、フォトリソグラフィー技術により、Ｓｉ基板１上に貫通電極６用の貫通穴を形成するためのレジストマスクを形成する。次にドライエッチング技術を用いて、Ｓｉ基板１に貫通穴３０を形成する。絶縁の為、Ｓｉ基板１に対して、熱酸化を行って表面に熱酸化膜３１を形成する。次いで、貫通穴３０の内部およびその周囲に、Ｔｉなどをスパッタなどでメタライズする。こうして、金属膜３２が形成される。次に、貫通穴３０内部に金属６を充填する。Ｃｕ、Ｎｉなどの金属のめっきを施すのが好適である。この貫通電極部６は機能素子の気密性に影響を与えるので、隙間無く充填することが必要である。その後、Ｓｉ基板１の両面を研磨し、出っ張った金属めっきを除去して平坦化させる。尚、以下の図面では、図が煩雑になるので、熱酸化膜３１及び金属膜３２の図示は省略する。

次に、ウェットあるいはドライのエッチングを用いて、キャビティ５を形成する(図３Ａ)。Ｓｉ基板１にＳＯＩウェハを用いた場合は、基板の中間に存在するＳｉＯ_２がエッチストップとなるため、均一な深さのキャビティが得られやすい。Ｓｉウェハを用いる場合は、キャビティの底部に若干のエッチング荒れを生じることもある。

その後、後工程で除去するが、当面の工程でキャビティが邪魔にならないようにするための犠牲層をキャビティ内に埋め込む。その後の工程に十分な耐性のあるレジスト材などを用いることができる。さらに、Ｓｉ基板１の表面を研磨して平坦化する。

次に、配線および電極８、電極パッド７のパターンをフォトリソグラフィー技術により形成する。この工程は、例えば、Ｔｉをスパッタでメタライズした後に、Ｎｉ／ＡｕめっきをＴｉ表面に施す、という方法を用いる。この場合、Ｔｉ（０．１）、Ｎｉ（２）、Ａｕ（２）などの厚さとする。（括弧内はメタライズ膜の厚さで単位はμｍである。以後、同様）。他の方法としては、Ｔｉ（０．１）／Ｐｔ（０．２）／Ａｕ（０．５）、Ｔｉ（０．１）／Ｎｉ（０．５）／Ａｕ（０．５）などのメタライズ膜をスパッタや蒸着法により供給し、パターン化は、ミリングやリフトオフ法で行うこともできる。なお、配線および電極８を形成する場合は、ＡｌＮ圧電膜９の下の電極を先に形成し、ＡｌＮ圧電膜を形成後、その上からもう一方の電極のメタライズ膜を被せて形成する。電極パッド７は、これらの工程において、配線および電極８と同様に形成する。

ＡｌＮ圧電膜は、フォトリソグラフィー技術と薄膜形成技術を用いて、配線および電極８上に形成する。

次に、封止用のメタライズ膜３を形成する（図３Ｂ）。金属の供給方法は、スパッタ、蒸着などが好適である。パターン形成は、フォトリソグラフィー技術によるミリング、リフトオフ、あるいはウェットエッチングを適用することができる。図４の場合は、Ｔｉ１０として厚さ（０．１）を形成し、Ａｌ１１として厚さ（５）を形成し、その上にＴｉ１２として厚さ（０．２）を形成する。Ａｌにより厚さを確保することで、機能素子がガラス基板４に接触しないようにする。尚、Ａｌは、上記に述べたようなドライの手法以外にも、めっき法を適用して、厚く形成することもできる。尚、本実施例におけるＡｌメタライズ膜の凹凸は、０．２μｍ以下なので、その上に形成するＴｉは、０．２μｍとしている。

その後、キャビティ５内に形成した犠牲層を溶剤で溶かして除去する。ここまでの工程で、機能素子が形成される。

次いで、ガラス基板４を封止メタライズ膜３に陽極接合により接合する（図３Ｃ）。

これ以降の工程は、ガラス基板４を封止メタライズ膜３に陽極接合により接合して、気密封止を行うことに関する。ここで陽極接合について詳細に説明する。陽極接合とは、一般的にはＳｉウェハにガラス基板を重ね合わせ、Ｓｉウェハの下面とガラス基板の上面に電極を押し当て、全体を４００℃程度に加熱しながら、Ｓｉ側を陽極、ガラス側を陰極として電圧を印加して接合する技術である。加熱することで、ガラスに含まれるＮａなどのアルカリ成分が拡散しやすい状況になる。ここで、陽極のＳｉと陰極のガラス側に電圧を印加することで、これらアルカリ成分がイオン化して拡散する。Ｎａの陽イオンは、ガラス基板の上面側、即ち、陰極側に引き寄せられ、Ｓｉウェハとの接合界面近傍では、陽イオン欠乏層が形成されると言われている。元々このような領域は、電荷的には中性であったが、電圧による陽イオンの強制的な拡散によりプラスの電荷が減少しており、相対的にマイナスに帯電していると考えられる。この帯電は、Ｓｉウェハとの間に更に強力な静電引力を発生させ、これがＳｉウェハとガラス基板を強固に密着させる。同時に、Ｓｉとガラスの界面では、ガラス中に含まれる酸素がＳｉを酸化することで、強固な接合が形成される。

陽極接合を封止に適用することの利点は、ガラスを直接、封止用のメタライズ膜に接合するので、余分なコストが発生しない。又、封止用メタライズ膜も、図４で説明したように、高コストな貴金属を大量に使用しないので、低コストな気密封止が可能なことである。特にＡｌとＴｉを組み合わせた、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉのメタライズ膜を用いる場合は、製造コスト低減に役立つ。それは、これらのメタライズ膜が一般的な半導体デバイスの製造に使用されるものであることから、新規のメタライズ膜形成のための設備投資が不要な場合が多い為である。

ガラスとＳｉの陽極接合の場合、両者の接合面がそれぞれ粗さ１ｎｍなどに研磨されていれば、接合部で気密封止を行うことは比較的容易である。一方、Ｓｉウェハ上にメタライズ膜を形成し、このメタライズ膜とガラス基板の陽極接合を行う場合、必ずしもＳｉとガラスのようなほぼ平坦な面同士の接合ではないので、高い気密性を実現するのは容易ではない。

図５から図７に、封止用メタライズ膜３の陽極接合における、接合界面状態を模式的に示す断面図を示す。各図での符号の意味はこれまでのそれと同様である。５は接合前のメタライズ膜の断面構造である。Ｓｉ基板１上にＴｉ１０、Ａｌ１３及びＴｉ１２の各層が積層されている。ここでは、特にＡｌは結晶粒１３と結晶粒界１４が存在し、結晶粒界１４が若干陥没していることがわかる。Ｔｉメタライズ膜においても、微細な結晶粒が無数に形成されるので、同じように結晶粒界が形成される。しかし、Ａｌメタライズ膜の方が厚いので、粒界の陥没はＡｌの方が深くなる。

そもそも、このようにＡｌメタライズ膜を形成し、その上にＴｉメタライズ膜を形成したのは、まず封止メタライズ膜には、ある程度の厚さが求められるためである。Ｔｉメタライズ膜を厚くしないのは、Ｔｉは膜応力が高く、極端に厚くすると剥がれることがあるためである。この点、Ａｌは軟らかいので、膜応力が小さく、厚く形成しても剥がれは起こりにくい。厚くした結果として、結晶粒界の陥没部が形成され、ガラス基板４を載せても、隙間が発生する。この隙間が陽極接合を行った後も、気密性を損なう原因となる場合がある。また、薄いＴｉ膜では、抵抗が高いので、Ａｌ膜を形成することで、抵抗を下げることにも役立つ。こうして観点より、一般的に、Ａｌ膜は０．１μｍより５μｍ程度、Ｔｉ膜は０．０１μｍより０．３μｍ程度が好適である。

Ａｌメタライズ膜上にＴｉ膜を形成して、ガラス基板４を重ねた状態の断面図を図６に示す。まだ陽極接合は行っていないので、隙間１５が存在する。これを陽極接合すると、図７のようになる。ガラスと接触している部分でＴｉがイオン化し、ガラス中に拡散する。Ａｌ結晶粒によって発生した出っ張りが、削られるように接合が進行する。例えば、接合温度を４００℃、電圧を１０００Ｖなどとして陽極接合を行うと、急激に接合が進行し、Ｔｉも拡散する。そして、図７に例示する部分拡大図のようにＡｌ結晶粒界の陥没部をＴｉやＴｉ-Ａｌ化合物（ＴｉとＡｌが反応したもの）が埋まり、界面にはＴｉ酸化物が層状に形成されて、気密性の高い接合部が得られる。本実施例の効果が得られる接合条件の範囲は、接合に使用されるガラスにもよるが、一般的に陽極接合に使用されるホウ珪酸ガラスの場合は、接合温度は、概ね２６０℃以上５００℃以下、接合電圧は４００Ｖ以上１５００Ｖ以下である。基本的に接合温度、接合電圧は高い方が接合しやすい。ただし、Ａｌが溶融する６６０℃以上に加熱すると、デバイス全体が破壊される恐れがある。こうした破壊の問題や、その他の部分の耐熱性も考慮して、接合温度は５００℃以下が好適である。また、あまりに高い電圧を印加すると、ガラスが絶縁破壊を起こしてデバイスが破壊される恐れがあるので、概ね１５００Ｖ以下が好適である。

封止用メタライズ膜表面がＡｌの場合でも、結晶粒界の陥没部を埋める工夫があれば、気密性を向上させることができるが、本実施例において、Ｔｉメタライズ膜を表面に形成したのは、図７に示す反応を積極的に利用するためである。Ａｌとガラス基板の陽極接合では、ガラス中へのＡｌの拡散はＴｉほど多くはない。また、ガラスに含まれる酸素と反応して酸化物層が形成されるが、Ａｌの場合はこの酸化物層が薄く、Ｔｉでは比較的厚く形成される。このような違いは、形成される酸化物の結晶学的構造などに起因すると思われる。ガラスの酸素は、Ｔｉ酸化物中を拡散して、Ｔｉ側に成長していると考えられるので、Ｔｉ酸化物が膨張し、陥没部を埋める反応を促進すると思われる。

以上のことから、Ｓｉを主体とする基材を加工して形成した機能素子と、機能素子の外周に形成された封止用メタライズ膜と、封止用メタライズ膜に陽極接合により接合されるガラス基板を備え、封止用メタライズ膜の表面部には、Ａｌを主成分とするメタライズ膜上に、Ｔｉを主成分とするメタライズ膜を形成することで、低コストな気密封止を行うことができる。

＜実施例２＞
本発明の第２の実施例について図８と図９を用いて説明する。本実施例は、第１の実施例における封止用メタライズ膜３の部分を置き換えたもので、他の構造、プロセスは第１の実施例と同様である。

図８は、Ａｌ結晶粒２１の上にＴｉ２２、Ａｕ２３、Ｓｎ２４を形成した場合の断面図である。本実施例でＳｎを表面に形成する理由は、Ｓｎの融点２３２℃以上の加熱で陽極接合を行い、溶融したＳｎによってＡｌ結晶粒界を起因とする陥没部を埋めることである。

Ａｌ結晶粒２１上に、Ｔｉ２２、Ａｕ２３を形成する理由は、蒸着法などを用いてＳｎ２４の膜を形成する場合に、Ｓｎ２４が剥がれないようにするためである。しかし、Ａｌ２１を形成後、大気中に取り出すことなくＳｎ２４を連続して形成することができるならば、必ずしもＴｉ２２とＡｕ２３は必要ない。一般的に、Ａｌ膜は０．１μｍより５μｍ程度、Ｔｉ膜は０．０１μｍより０．３μｍ程度、Ａｕ膜は０．０５μｍより０．５μｍ程度、Ｓｎ膜は０．１μｍより２μｍ程度が好適である。

陽極接合後の状態の断面図を図９に示す。まず、Ｓｎが溶融し、Ａｌ結晶粒界を埋める以外のＳｎは、封止部の外にはみ出す。Ａｕ２４はＳｎ中に溶解し、Ｓｎは低濃度のＡｕを含有している。Ｔｉ２２は、実施例１と同様に、ガラス中に拡散し、Ｔｉ酸化物２６になる。図９の部分拡大図に例示するように、接合部には、Ｔｉ酸化物２５、Ｔｉ-Ａｌ化合物２８、Ａｌ酸化物２９、そしてＳｎが他の金属と反応して形成されるＳｎ化合物２７などが形成される。

実施例１では、ガラスへのＴｉの拡散により、封止メタライズ膜に存在した陥没部の隙間を消滅させるものであったが、本実施例の特徴は、Ｓｎを溶融させることで陥没部を埋めるので、比較的低い温度でも気密性が得られることである。Ｓｎの融点は２３２℃なので、これよりも高い温度で接合を行えば、本実施例の効果が得られる。接合条件の範囲は、実施例１と同様に、接合温度は、概ね２６０℃以上５００℃以下、接合電圧は４００Ｖ以上１５００Ｖ以下などであるが、Ｓｎの溶融を利用して気密封止を行うことができるので、例えば３００℃、１０００Ｖなどの接合条件が好適である。

＜実施例３＞
本発明の第３の実施例について図１０を用いて説明する。本例は、機能素子の外部電極をガラス基板の貫通孔から取り出す形態の例である。図１０の素子の断面図に見られるように、ガラス基板４に予め貫通穴１０１を形成しておく。一方、Ｓｉ基板１側には、ＡｌＮ圧電膜９につながる配線および電極８上に、封止用メタライズ膜３−１及び３−２を前記ガラス基板４に予め貫通穴１０１に対応する位置及びその外側の二箇所に形成する。そして、貫通穴１０１の周囲のガラスと封止メタライズ膜３を陽極接合により接合する。Ｓｉ基板１に貫通電極を形成せずとも、貫通穴１０１を経由して、外部電極と接続することができるので、更に、低コスト化に有利である。

ガラス基板４は、機能素子の外周にある封用メタライ膜３−１と、ＡｌＮ圧電膜と電気的に接続された封止用メタライズ膜３−２に接合されることで気密性を高めることができる。貫通穴１０１は、完全に封止用メタライズ膜３−１がＳｉ基板側を覆う面内に位置するようにして、貫通穴１０１の周囲のガラス基板は、封止用メタライズ膜３−２と完全に陽極接合されるようにする。

封止用メタライズ膜３−１及び３−２は、実施例１及び２で述べたものと同様の構造とすることができるが、外周の封止用メタライズ膜３−１の下には、配線および電極８と同様の構成のメタライズ膜を形成することで、封止用メタライズ膜３−１及び３−２の高さを均一にすることができる。

本実施例においても、実施例１と同様に、接合温度は、概ね２６０℃以上５００℃以下、接合電圧は４００Ｖ以上１５００Ｖ以下が好適である。

以上に述べた実施例のように、封止用メタライズ膜を機能素子の外周に形成し、この封止用メタライズ膜にガラス基板を陽極接合を行うことで、低コストな機能素子を提供することができる。本発明の封止用メタライズ膜の構成は、実施例で特に述べたＦＢＡＲフィルタに限定されるものではなく、気密封止が必要なＭＥＭＳデバイス全般に適用することができる。

＜実施例４＞
本発明の第４の実施例について、図１１を用いて説明する。図１１はピエゾ素子を用いた装置の断面図である。特許文献１において、加速度センサの気密封止構造が述べられている。特許文献１の図７では、加速度センサの上下に蓋となる基板を接着剤において接合した図が、従来技術として述べられている。又、この中において、Ｓｉと熱膨張率がほぼ等しいガラス基板を用いて、陽極接合によりガラス基板を、機能素子を形成した基板に接合し、気密封止を行う方法についても述べられている。しかし、この文献の中において、気密封止を行いつつ、電極を取り出す構造については、詳細には述べられていない。

本実施例は、ガラス基板を陽極接合により、機能素子を形成したＳｉ基板に接合し、気密封止を行いながら、電極を取り出す構造を提供するものである。

図１１のように、Ｓｉ基板１１１をエッチング加工することにより錘１１２と梁１１３を形成する。梁１１３には、あらかじめピエゾ素子１１４が形成されている。ピエゾ素子１１４に連結した配線１１５があり、配線１１５には電極の役割を有する封止用メタライズ膜１１６−２が連結して形成される。尚、その外周にも、封止用メタライズ膜１１６−１が形成されている。封止用メタライズ膜の数は、ＭＥＭＳの機能素子によってことなるが、基本的に機能素子の外周に第１の封止用メタライズ膜が形成され、この第２の封止用メタライズ膜の内側に電極の役割を有する封止用メタライズ膜を形成する。そして、この電極の封止用メタライズ膜がＳｉ基板を覆う範囲内に、ガラス基板の貫通穴が位置するように接合される。この点については、実施例３と同様である。

本実施例では、Ｓｉ基板１１１を加工して加速度センサとしての機能素子を形成した後に、ガラス基板１１７ではさみ、陽極接合により接合を行い、気密封止を行うものである。封止用メタライズ膜の構成は、実施例１および実施例２で述べた構造を適用することができる。本実施例においても、実施例１と同様に、接合温度は、概ね２６０℃以上５００℃以下、接合電圧は４００Ｖ以上１５００Ｖ以下が好適である。

図１は、本発明に係る機能素子のウェハレベルパッケージングの概略を示す斜視図である。 図２は、ダイシング位置を例示した、本発明に係る機能素子のウェハレベルパッケージングの概略を示す斜視図である。 図３Ａは、本発明の第一の実施例に係る機能素子の製造工程順に示した断面図である。 図３Ｂは、本発明の第一の実施例に係る機能素子の製造工程順に示した断面図である。 図３Ｃは、本発明の第一の実施例に係る機能素子の製造工程順に示した断面図である。 図４は、本発明の第一の実施例に係る封止用メタライズ膜の積層構造を示す断面図である。 図５は、本発明の第一の実施例に係る封止用メタライズ膜の詳細を示断面図である。 図６は、本発明の第一の実施例に係る封止用メタライズ膜の陽極接合時の挙動を示す断面図である。 図７は、本発明の第一の実施例に係る封止用メタライズ膜の気密封止が得られるメカニズムを説明する断面図である。 図８は、本発明の第二の実施例に係る封止用メタライズ膜の詳細を示す断面図である。 図９は、本発明の第ニの実施例に係る封止用メタライズ膜の気密封止が得られるメカニズムを説明する断面図である。 図１０は、本発明の第３の実施例に係る機能素子を示す断面図である。 図１１は、本発明の第４の実施例に係る機能素子を示す断面図である。

符号の説明

１：Ｓｉ基板、２：機能素子、３：封止メタライズ膜、４：ガラス基板、５：キャビティ、６：貫通電極、７：電極パッド、８：配線および電極、９：ＡｌＮ圧電膜、１０：Ｔｉ、１１：Ａｌ、１２：Ｔｉ、１３：Ａｌ結晶粒、１４：Ａｌ結晶粒界、１５：隙間、１６：Ｔｉの拡散によりできたＴｉ酸化物、１７：Ｔｉ酸化物、１８：Ｔｉ−Ａｌ化合物、２０：Ｔｉ、２１：Ａｌ結晶粒、２２：Ｔｉ、２３：Ａｕ、２４：Ｓｎ、２５：ガラス基板、２６：Ｔｉ酸化物、２７：Ｓｎ化合物、２８：Ｔｉ−Ａｌ化合物、２８：Ａｌ酸化物、１０１：貫通穴、１１１：Ｓｉ基板、１１２：錘、１１３：梁、１１４：ピエゾ素子、１１５：配線、１１６：封止メタライズ膜、１１７：ガラス基板。

Claims (7)

1. 機能素子部と、前記機能素子部を囲む第１の封止用金属膜と、少なくとも表面がＳｉである基板と、及びガラス基板とを、少なくとも有し、
   前記機能素子部及び前記第１の封止用金属膜は、前記少なくとも表面がＳｉである基板上に形成され、且つ
   前記機能素子部が前記ガラス基板と対向した状態で、前記少なくとも表面がＳｉである基板と前記ガラス基板とが、前記第１の封止用金属膜を介して陽極接合により接合された機能素子であって、
   前記第１の封止用金属膜と前記ガラス基板との陽極接合時の反応生成物層が、当該陽極接合後の前記第１の封止用金属膜と前記ガラス基板の界面に形成されていることを特徴とする機能素子。
2. 前記第１の封止用金属膜は、少なくとも、Ａｌを主成分とする金属膜及び、Ａｌを主成分とする金属膜とＴｉ膜との積層体と前記ガラス基板との陽極接合時の反応生成物層とを有することを特徴とする請求項１に記載の機能素子。
3. 前記第１の封止用金属膜は、少なくとも、Ａｌを主成分とする金属膜及び、Ａｌを主成分とする金属膜とＳｎ膜との積層体と前記ガラス基板との陽極接合時の反応生成物層とを有することを特徴とする請求項１に記載の機能素子。
4. 前記第１の封止用金属膜は、少なくとも、Ａｌを主成分とする金属膜及び、Ａｌを主成分とする金属膜とＴｉ層、Ａｕ層及びＳｎ膜との積層体と前記ガラス基板との陽極接合時の反応生成物層とを有することを特徴とする請求項１に記載の機能素子。
5. 前記少なくとも表面がＳｉである基板に、前記第１の封止用金属膜に対する接着層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の機能素子。
6. 前記Ａｌを主成分とする金属膜の結晶粒界の陥没部と前記ガラス基板との間隙部分が、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｕのうちの少なくとも一つを主成分とする化合物で充填されていることを特徴とする請求項１に記載の機能素子。
7. 前記ガラス基板は、前記機能素子を囲む第１の封止用金属膜の内側に、貫通孔を有し、
   前記少なくとも表面がＳｉである基板上に、配線用金属膜が更に形成され、当該配線用金属膜は前記機能素子に電気的に接続され、前記配線用金属膜に接して第２の封止用金属膜が更に形成され、
   前記第２の封止用金属膜の、基板に対する平面的な位置が、前記ガラス基板の貫通孔の位置に対応しており、
   前記機能素子部が前記ガラス基板と対向した状態で、前記少なくとも表面がＳｉである基板と前記ガラス基板とが、前記第２の封止用金属膜を介しても陽極接合により接合され、且つ
   前記第１及び第２の封止用金属膜及び前記ガラス基板による陽極接合時の反応生成物層が、当該陽極接合後の前記第１及び第２の封止用金属膜と前記ガラス基板の界面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の機能素子。

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