JP2008505768A - Ｍｅｍｓパッケージ用に低温で形成される、耐熱性を有する気密封止部 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＥＭＳパッケージ用に低温で形成される、耐熱性を有する気密封止部を提供する。
【解決手段】 マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）のように気密封止されるデバイスの中には、処理温度が高いとそれに影響されてしまうものもある。しかし封止部は、例えばデバイス動作中などに接する可能性がある高温に対して耐性を有していなければならない。気密封止部の形成は、低融点（ＬＭＰ）成分（例えばインジウム（Ｉｎ）やスズ（Ｓｎ）など）と高融点（ＨＭＰ）成分（例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）など）を含有するハンダ混合物に基づいて行う、フラックスを用いないハンダ付けによって行うとしてもよい。ＬＭＰ／ＨＭＰ比は、ＨＭＰ成分が多くなるように設定される。接合処理および熱アニ−ル処理を完了すると、ＬＭＰ成分は基本的になくなって、成分元素であるＨＭＰ／ＬＭＰ成分の処理温度よりも高い融点を持つ金属間化合物（ＩＭＣ）になる。
【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は気密封止に関し、特に封止パッケージングで用いられる耐熱性のハンダ混合物に関する。

バラクタ、スイッチおよび共振器のようなＭＥＭＳ素子の中には、環境に影響を受けやすく汚染されやすいものがある。このため、特に高周波（ＲＦ）ＭＥＭＳ素子の場合は、気密封止を行う必要が出てくる場合がある。このようにパッケージングすることによって、ＭＥＭＳ素子を外部環境から保護する。封止材料は、ＭＥＭＳデバイスを汚染する可能性があるような揮発性物質を発生するものであってはならない。このため、フラックスを用いたハンダ付け法は適切な方法でない場合がある。

ＭＥＭＳ素子用の封止パッケージングに従来から用いられている方法をいくつか紹介する。防衛産業では、封止可能な中空部を有するセラミックパッケージを用いることがある。この方法は信頼性が高いが、市販商品には、多くの場合費用の点から利用することができない。

これ以外の方法としては、ガラスフリットを用いてＭＥＭＳ素子を備えるウェハとカバーを接合する方法がある。しかし、この方法では高温で接合処理を行うので、一部のＭＥＭＳデバイスで用いられる素子について不適切である可能性がある。また、ガラスフリットが占有する面積が広いので、完成品のサイズが大きくなってしまい、コストが増加してしまう。さらに、ガラスフリットを用いて接合する場合、電気接続用にワイヤ接合を用いるが、これは高周波デバイスなどでは適切でない可能性がある。

ＭＥＭＳスイッチデバイスを示す上面図である。

図１のＭＥＭＳスイッチデバイスを示す側面図である。

本発明の一実施形態に係る、横方向に延伸する電気フィードスルーを有する、気密封止されたＭＥＭＳデバイス（例えばスイッチ）を示す。

本発明の別の実施形態に係る、垂直方向に延伸するフィードスルーまたはビアを有する、気密封止されたＭＥＭＳデバイスを示す。

本発明の実施形態に係る、金属間化合物（ＩＭＣ）から成る気密封止を形成するべく行われる接合処理およびアニーリング処理を示す。

ＭＥＭＳダイアレイを示す。

気密封止キャップを持つ、図６に示したＭＥＭＳダイアレイを示す。

図１および図２はそれぞれ、カンチレバービームおよび金属コンタクトを有するＭＥＭＳ直列スイッチを示す上面図および側面図である。本発明の実施形態を説明するべく図示されたこのようなＭＥＭＳスイッチは、バラクタや共振器のような別のＭＥＭＳ素子に利用されることもあり、封止状態にパッケージングされる。

両図に示すように、該スイッチは絶縁層１０１を有する基板１００の上に形成されるとしてもよい。基板１００のある面に金属化信号線１０２が形成され、基板１００の第２面上で、且つ絶縁層１０１の上に第２信号線１０４が形成されるとしてもよい。第２信号線１０４には、アンカー１０３を介してカンチレバービーム１０６が固定されるとしてもよい。第１信号線１０２の下には、例えばフィールド酸化（ＦＯＸ）方法によってバンプ（電極）１０８が形成されているとしてもよい。基板１００の上には、カンチレバービーム１０６内に形成された上側静電駆動プレート１１１の下方に位置するように、下側静電駆動プレート１１０が形成されるとしてもよい。駆動プレート１１０に電圧が印加されると、上側駆動プレート１１１およびカンチレバービーム１０６が下方に引っ張られ、バンプ１０８と第１信号線１０２がカンチレバービーム１０６に接触する。この結果、該スイッチが閉じられて、第１信号線１０２および第２信号線１０４の間に電気信号経路が成立することになる。

図３は、気密封止されたＭＥＭＳデバイス２００を示す簡略図である。このＭＥＭＳデバイスが備えるスイッチ２０２は上述した構成を持つ。ＭＥＭＳスイッチ２０２は、半導体基板２０４上に形成されるとしてもよい。半導体基板２０４には、ＭＥＭＳスイッチ２０２を取り囲む封止部２０８を介して、キャップ２０６が接合されるとしてもよい。封止部２０８は、ＭＥＭＳスイッチ２０２を気密封止スペース２０９内に収納するように、リングまたは閉じたループの形状を持つとしてもよい。封止部２０８内を延伸する１以上の導電体２１０および２１２は、ＭＥＭＳデバイス２００の外面に達している。導電体２１０および２１２には１以上のワイヤ接合部２１４が接続されるとしてもよい。

ワイヤ接合部２１４は良好な電気接続を確立するためにはある程度のスペースを必要とするので、その分だけ半導体基板には余分の領域が必要であるとしてもよい。図４は、ＭＥＭＳスイッチ素子２０２と外部を別の方法で電気接続した状態を示す。このような場合、複数の接合パッド３００が半導体基板２０４上に形成されるとしてもよい。ＭＥＭＳ素子２０２は、封止リング２０８に取り囲まれている。一実施形態によると、封止リング２０８によって、ＭＥＭＳ素子２０２を内部中空部２０９に収納して保護するための気密封止が形成される。封止リング２０８は、キャップ２０６上の接着層２１１と基板２０４上の接着層２１３の間に設けられるとしてもよい。接着層２１１および２１４の形成材料は、例えばクロム（Ｃｒ）などを用いるとしてもよい。接合パッド３００とＭＥＭＳ素子２０２の間の電気接続は図示されていない。このような電気接続が半導体基板２０４の上もしくは内部にさまざまな電気接続を設けることによって実現できることは、当業者には明らかである。一実施形態によると、キャップ２０６は、基板２０４上に設けられた接合パッド３００に対応する接合パッド３０２を有する。キャップ２０６内には導電ビア３０４が設けられている。一実施形態によると、導電ビア３０４によって、接合パッド３００がＭＥＭＳデバイス内部とＭＥＭＳデバイスの外面に設けられた接合パッド３０２の間を接合する。接合パッド３００と３０２の間には、ハンダ結合部３０５が形成されるとしてもよい。ＭＥＭＳデバイスと電気インターフェースの接合を容易に行えるように、導電ビア３０４の上にハンダボール３０６が設けられるとしてもよい。

上述したが、ＭＥＭＳデバイスの中には高温に影響を受けやすいものもあるので、破損しないよう気密封止処理は低温で行うのが望ましい。しかし一方、このような処理によって形成される封止部は、例えばデバイス動作中に接する可能性がある高温に対する耐性を備えていなければならない。ここで、このように気密封止されたＭＥＭＳデバイスは、例えば高周波（ＲＦ）チップ内でスイッチとして用いるシステムの一部であるとしてもよい。ＲＦチップの温度は非常に高い場合がある。

本発明の実施形態によると、気密封止部の形成は、低融点（ＬＭＰ）成分（例えばインジウム（Ｉｎ）やスズ（Ｓｎ）など）と高融点（ＨＭＰ）成分（例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）など）を含有するハンダ混合物に基づいて行う、フラックスを用いないハンダ付けによって行うとしてもよい。

ＬＭＰ／ＨＭＰ比は、ＨＭＰ成分が多くなるように設定される。ＬＭＰ成分は基本的になくなって、成分元素であるＨＭＰ／ＬＭＰ成分の接合温度および熱アニーリング温度よりも高い融点を持つ金属間化合物（ＩＭＣ）になる。このため、接合処理およびアニーリング処理が完了すると、封止結合部はＨＭＰ成分および上述したように形成されるＩＭＣを含み、ＨＭＰ成分とＩＭＣの融点はＬＭＰよりも高いので、高温に対する耐性を有するようになる。

ＩＭＣの形成は、２つの異なる金属が互いに拡散して、２つの成分元素の化合物である所定の特性を持った物質を生成することによって行われるとしてもよい。従来の合金は一般的に、１以上の金属元素を含む不規則状態の固溶体を含み、通常はベースとなる物質に加えられた物質の割合によって表記される。これに対し、金属間化合物は、固有もしくは限定された化学組成を持つ、明瞭な原子式に基づいて示される化学化合物である。使用されるＨＭＰ／ＬＭＰ材料は多岐にわたるが、例えば、銀／インジウム（Ａｇ／Ｉｎ）、金／インジウム（Ａｕ／Ｉｎ）および銅／スズ（Ｃｕ／Ｓｎ）などがある。

図５は、本発明の一実施形態に係る、ＩＭＣを形成するための接合処理および熱アニーリング処理を示す。同図の左側に示すように、キャップ２０６（図３および図４を参照のこと）上に形成された接着層２１１の上に、比較的厚みの大きい、高融点（ＨＭＰ）材料（例えば銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ））から成る層５００が設けられている。ＨＭＰ層５００が銅などの非貴金属で形成されている場合は、ＨＭＰ層５００が酸化しないよう、ＨＭＰ層５００の上に、Ａｕなどから成る非常に厚みの小さい保護層５０５を堆積するとしてもよい。接着層２１１、ＨＭＰ材料５００および保護層５０５をまとめてキャップ封止パッド４００と呼んでもよい。基板２０４（図３および図４を参照のこと）上に設けられた接着層２１３の上に、厚みの大きいＨＭＰ層５００および低融点（ＬＭＰ）材料（例えばインジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）など）から形成される比較的厚みの小さい層５０２が設けられている。厚みの小さい（例えば０．０５μｍ〜０．１０μｍ）保護層５０１を、ＬＭＰ材料５０２が酸化しないように、ＬＭＰ材料５０２の上に設けるとしてもよい。保護層５０１はＡｕから成るとしてもよい。薄層５０１は、堆積されると、ＬＭＰ材料５０２に拡散していき、厚みの小さいＩＭＣ層を形成するとしてもよい。接着層２１３、ＨＭＰ層５００、ＬＭＰ材料５０２および層５０１をまとめて基板封止パッド４０２と呼んでもよい。キャップ封止パッド４００と基板封止パッド４０２を互いに接触させ、所定の温度で所定時間接合するとしてもよい。

接合処理において、ＬＭＰ材料５０２はリフロー（溶解）する。薄層５０１は、その下に形成されている厚みの大きいＩｎまたはＳｎから成る層が溶解し始めると、破損してしまう。この接合処理に続いて、アニーリング処理を第２温度において所定時間行って、気密封止リングを形成する。接合処理およびアニーリング処理において、ＬＭＰ材料５０２は基本的になくなるまでＨＭＰ材料５００に拡散していく。図５の左側に示すように、上述の処理によって形成される気密封止リング２０８はＨＭＰ材料５００から成る２層と新たに形成されたＩＭＣ材料５０４から成る１層を有する。

下の表に、さまざまな材料に関して、ＨＭＰ／ＬＭＰの質量比と層厚比の例を示す。また、接合処理およびアニーリング処理の処理温度および処理時間の範囲の例を示す。

上の表から分かるように、ＨＭＰ材料５００およびＬＭＰ材料５０２に対して接合処理およびアニーリング処理を行うことによって、ＩＭＣ接合部が形成され、その溶融温度は該ＩＭＣ接合部の形成処理における処理温度よりもはるかに高くなっている。このため、図３および図４に示すように、このような方法を用いれば、ＭＥＭＳデバイス２０２が耐えうる比較的低い処理温度で気密封止リング２０８を形成することができる。さらに、気密封止リング２０８は、はるかに高い処理温度で処理を行っても再び溶融することはない。

上記では、ＬＭＰ材料５０２およびＨＭＰ材料５００が基板２０４上に設けられ、ＨＭＰ材料５００がキャップ２０６上に設けられるとしたが、この構造を変更して、本発明のほかの実施形態においては、熱処理前には、ＬＭＰ材料５０２およびＨＭＰ材料５００がキャップ２０６上に設けられ、ＨＭＰ材料５００が基板２０４上に設けられた状態としてもよい。

図６に示すように、１枚の基板もしくはウェハ２０４の上に、ＭＥＭＳダイアレイを形成するとしてもよい。この場合、第１ＭＥＭＳダイ６００Ａは、別のＭＥＭＳダイ６００Ｂにすぐ近くに隣接するように、形成されるとしてもよい。同図に示すように、ＭＥＭＳダイ６００Ａおよび６００Ｂは、ＬＭＰ材料５０２を含む基板封止パッド４０２（図５を参照のこと）を備えるとしてもよい。さらに、キャップ２０６はキャップ封止パッド４００（図５を参照のこと）を備えるとしてもよい。図６に示すキャップ２０６は、１個のキャップとして構成されているが、ダイ６００Ａおよび６００Ｂを同時に被覆できるように、キャップ２０６はウェハ状態の複数のキャップのアレイを含むとしてもよい。キャップ２０６を取り上げて、封止パッド４００および４０２。

図７に示すように、上述した接合処理およびアニーリング処理を完了すると、ＩＭＣ材料を含む封止リング２０８が、気密封止部２０９内にＭＥＭＳデバイス２０２を収納する。ＭＥＭＳダイ６００Ａおよび６００Ｂは後に、ダイシング処理によってシンギュレーションされるとしてもよい。

以上に説明した本発明の実施形態は、要約書の記載内容も含め、本発明のすべてを網羅するものではなく、従って本発明を開示した具体的な形態に限定するものでもない。説明の便宜上、本発明の具体的な実施形態および例を記載したが、当業者には自明であるように、本発明の範囲内においてさまざまな変形例を実施することができる。

このような変形例は、上記の詳細な説明に基づき実施することが可能である。本願請求項で用いている用語は、本明細書および請求項で開示した具体的な実施形態に本発明を限定するものと解釈されるべきではない。本発明の範囲は本願請求項によってのみ規定される。請求項はすでに確立された請求項解釈の原則に従って解釈されたい。

Claims (21)

1. 耐熱性を有する気密封止部を備える装置であって、
   基板と、
   前記基板上に設けられた環境に影響されるデバイスと、
   前記デバイスの上方に取り付けられるキャップと、
   前記キャップと前記基板の間に設けられた気密封止部と
   を備え、当該気密封止部は
   高融点（ＨＭＰ）成分と、前記ＨＭＰ成分および低融点（ＬＭＰ）成分を所定の処理温度で処理することによって形成される金属間化合物（ＩＭＣ）を有し、当該ＩＭＣの溶融温度は前記処理温度よりも高い
   装置。
2. 前記ＨＭＰ成分は銅（Ｃｕ）を含有し、前記ＬＭＰ成分はスズ（Ｓｎ）を含有し、ＨＭＰ／ＬＭＰの質量比は１．６より大きく、ＨＭＰ／ＬＭＰの層厚比は１．４より大きい
   請求項１に記載の装置。
3. 前記ＨＭＰ成分および前記ＬＭＰ成分の処理温度は約２３０℃から約３００℃の範囲内にあり、前記ＩＭＣの融点は約６００℃である
   請求項２に記載の装置。
4. 前記ＨＭＰ成分は銀（Ａｇ）を含有し、前記ＬＭＰ成分はインジウム（Ｉｎ）を含有し、ＨＭＰ／ＬＭＰの質量比は２．８より大きく、ＨＭＰ／ＬＭＰの層厚比は２．０より大きい
   請求項１に記載の装置。
5. 前記ＨＭＰ成分および前記ＬＭＰ成分の処理温度は約１４０℃から約２５０℃の範囲内にあり、前記ＩＭＣの融点は約７００℃である
   請求項４に記載の装置。
6. 前記ＨＭＰ成分は金（Ａｕ）を含有し、前記ＬＭＰ成分はインジウム（Ｉｎ）を含有し、ＨＭＰ／ＬＭＰの質量比は１．７より大きく、ＨＭＰ／ＬＭＰの層厚比は０．６５より大きい
   請求項１に記載の装置。
7. 前記ＨＭＰ成分および前記ＬＭＰ成分の処理温度は約１６０℃から約２５０℃の範囲内にあり、前記ＩＭＣの融点は約４９０℃である
   請求項６に記載の装置。
8. 耐熱性を有する気密封止部を形成する方法であって、
   デバイスを取り囲む基板の上に基板接着層を堆積することと、
   前記基板接着層の上に低融点（ＬＭＰ）成分および高融点（ＨＭＰ）成分のうちのいずれかを堆積することと、
   キャップの上にキャップ接着層を堆積することと、
   前記キャップ接着層の上に、ＬＭＰ成分およびＨＭＰ成分のうち、前記基板接着層上に設けたものとは異なる方を堆積することと、
   前記ＬＭＰ成分上に、前記ＨＭＰ成分から成る薄い層を堆積することと、
   前記基板の上方に前記キャップを位置合わせすることと、
   接合温度において前記基板に前記キャップを接合することと、
   アニーリング温度において前記キャップと前記基板をアニーリングし、前記接合温度および前記アニーリング温度よりも高い溶融温度を持つ金属間化合物（ＩＭＣ）を形成することと
   を含む方法。
9. 前記ＨＭＰ成分は銅（Ｃｕ）を含有し、前記ＬＭＰ成分はスズ（Ｓｎ）を含有し、ＨＭＰ／ＬＭＰの質量比は１．６より大きく、ＨＭＰ／ＬＭＰの層厚比は１．４より大きい
   請求項９に記載の方法。
10. １時間〜３時間かけて行われる前記アニーリングにおいて前記アニーリング温度は約２３０℃から約２８０℃の範囲内にあり、前記接合温度は約２３０℃から約３００℃の範囲内にあり、前記ＩＭＣの前記溶融温度は約６００℃である
    請求項９に記載の方法。
11. 前記ＨＭＰ成分は銀（Ａｇ）を含有し、前記ＬＭＰ成分はインジウム（Ｉｎ）を含有し、ＨＭＰ／ＬＭＰの質量比は２．８より大きく、ＨＭＰ／ＬＭＰの層厚比は２．０より大きい
    請求項９に記載の方法。
12. １時間〜２４時間かけて行われる前記アニーリングにおいて前記アニーリング温度は約１４０℃から約１８０℃の範囲内にあり、前記接合温度は約２００℃から約２５０℃の範囲内にあり、前記ＩＭＣの前記溶融温度は約７００℃である
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記ＨＭＰ成分は金（Ａｕ）を含有し、前記ＬＭＰ成分はインジウム（Ｉｎ）を含有し、ＨＭＰ／ＬＭＰの質量比は１．７より大きく、ＨＭＰ／ＬＭＰの層厚比は０．６５より大きい
    請求項９に記載の方法。
14. １時間〜５時間かけて行われる前記アニーリングにおいて前記アニーリング温度は約１６０℃から約１８０℃の範囲内にあり、前記接合温度は約１７０℃から約２５０℃の範囲内にあり、前記ＩＭＣの前記融点は約４９０℃である
    請求項１３に記載の方法。
15. 前記基板接着層および前記キャップ接着層はクロム（Ｃｒ）を含有する
    請求項９に記載の方法。
16. 気密封止されたマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）であって、
    基板上に設けられたＭＥＭＳデバイスと、
    前記ＭＥＭＳデバイスの上方に取り付けられるキャップと、
    前記キャップと前記基板の間に設けられた気密封止リングであって、高融点（ＨＭＰ）成分と、前記ＨＭＰ成分および低融点（ＬＭＰ）成分から形成される金属間化合物（ＩＭＣ）を有する封止リングと
    を備えるＭＥＭＳ。
17. 前記ＨＭＰ成分は銅（Ｃｕ）を含有し、前記ＬＭＰ成分はスズ（Ｓｎ）を含有し、ＨＭＰ／ＬＭＰの質量比は１．６より大きく、ＨＭＰ／ＬＭＰの層厚比は１．４より大きい
    請求項１６に記載のＭＥＭＳ。
18. 前記ＨＭＰ成分は銀（Ａｇ）を含有し、前記ＬＭＰ成分はインジウム（Ｉｎ）を含有し、ＨＭＰ／ＬＭＰの質量比は２．８より大きく、ＨＭＰ／ＬＭＰの層厚比は２．０より大きい
    請求項１６に記載のＭＥＭＳ。
19. 前記ＨＭＰ成分は金（Ａｕ）を含有し、前記ＬＭＰ成分はインジウム（Ｉｎ）を含有し、ＨＭＰ／ＬＭＰの質量比は１．７より大きく、ＨＭＰ／ＬＭＰの層厚比は０．６５より大きい
    請求項１６に記載のＭＥＭＳ。
20. 前記封止リングは、前記キャップと前記基板の上に設けられたクロム（Ｃｒ）を含む接着層の間に形成されている
    請求項１６に記載のＭＥＭＳ。
21. 前記ＭＥＭＳデバイスはＲＦチップ上に含まれている
    請求項１６に記載のＭＥＭＳ。

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