JP2009202261A - 微小構造体装置および微小構造体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性の優れた封止材を有する微小構造体装置、およびその微小構造体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】表面に微小構造体４が設けられた第１基板２と、微小構造体４に対向する表面を備えた第２基板３と、第１基板２および第２基板３の対向する表面同士を接合するとともに、微小構造体４を取り囲んで封止する封止材５とを備え、封止材５は、第１基板２および第２基板３の対向する表面にそれぞれ設けられた環状の金属層１０と、各金属層の間で各金属層に沿って環状に設けられるとともに、金属層１０，１１同士を接続するＣｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層１２とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば弾性表面波（ＳＡＷ）素子又は微小電子機械機構（ＭＥＭＳ）等の微小構造体を２つの基板間で封止する構成を備えた微小構造体装置およびその製造方法に関する。

近年、シリコンウエハー等の半導体基板の主面に、半導体集積回路素子等の微細配線を形成する加工技術を応用して、極めて微小な電子機械機構、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を形成した電子部品が注目され、実用化に向けて開発が進められている。

このようなＭＥＭＳは、汚染を防ぐために、外部から封止することが必要であり、封止材として、樹脂、またはガラス等の種々の材料が用いられている。とりわけ半田およびロウ材は、気密性に優れていること、およびＭＥＭＳに対しての影響が少ない温度領域での封止が可能であること等から封止材としてよく用いられている（例えば、特許文献１）。そして、近年の鉛フリー化の動向より、封止材として、例えばＳｎＡｇＣｕ（錫−銀−銅）系半田が使用され始めている。
特開２００５−２５１８９８号公報

しかし、ＳｎＡｇＣｕ系半田は共晶点が２１７度と比較的低く、このＳｎＡｇＣｕ系半田を用いた電子部品を他の基板に実装する際に加熱すると、再溶融して封止材の形状が変化し、気密封止が損なわれる可能性があった。また、この実装の際に気密が保たれたとしても、封止材の形状の変化により封止の信頼性が劣化するという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、耐熱性の優れた封止材を有する微小構造体装置、およびその微小構造体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の微小構造体装置は、表面に微小構造体が設けられた第１基板と、微小構造体に対向する表面を備えた第２基板と、第１基板および第２基板の対向する表面同士を接合するとともに、微小構造体を取り囲んで封止する封止材とを備え、封止材は、第１基板および第２基板の対向する表面にそれぞれ設けられた環状の金属層と、前記各金属層の間で該各金属層に沿って環状に設けられるとともに、前記金属層同士を接続するＣｕＳｎ化合物層とを有する。

また、上記微小構造体において、好ましくは、第１基板の表面に設けられた微小構造体に電気的に接続される電極と、第２基板の表面および内部の少なくとも一方に設けられ、一部が前記第２基板の前記表面に導出された配線導体と、前記電極と前記配線導体の前記一部とを電気的に接続する導電性部材とを備え、導電性部材は、封止材と同一の材料から成る。

また、本発明の第１の微小構造体の製造方法は、表面に微小構造体が設けられた第１基板と、微小構造体に対向する表面を備えた第２基板と、第１基板および第２基板の対向する表面同士を接合するとともに、微小構造体を取り囲んで封止する封止材とを備えたものであって、第１基板の表面に、微小構造体を取り囲む環状の第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、第２基板の前記表面に、環状の第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、第１基板の第１金属層と前記第２基板の前記第２金属層とを対向させて配置する配置工程と、第１金属層および前記第２金属層を加熱して接合する加熱工程とを有し、第１金属層形成工程および前記第２金属層形成工程において、第１金属層および第２金属層を複数の金属層を積層することによりそれぞれ形成し、銅からなるＣｕ金属層および錫からなるＳｎ金属層が、第１金属層および前記第２金属層の少なくとも一方に含まれ、加熱工程において、第１金属層を構成する少なくとも１つの金属層と第２金属層を構成する少なくとも１つの金属層との間にＣｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層を形成する。

また、上記第１の微小構造体の製造方法は、好ましくは、第１金属層形成工程および第２金属層形成工程において、第１金属層を構成する各金属層および第２金属層を構成する各金属層を、薄膜法、めっき、または薄膜法とめっきによりそれぞれ形成する。この微小構造体装置の製造方法を「第２の微小構造体装置の製造方法」という。

また、上記第１または第２の微小構造体装置の製造方法は、好ましくは、第１金属層形成工程または第２金属層形成工程において、第１金属層または第２金属層の一部として、銅からなるＣｕ金属層と錫からなるＳｎ金属層との積層構造を形成する。この微小構造体装置の製造方法を「第３の微小構造体装置の製造方法」という。

また、上記第１乃至第３のいずれかの微小構造体装置の製造方法において、好ましくは、第１金属層および第２金属層の少なくとも一方は、ニッケルからなるＮｉ金属層、金からなるＡｕ金属層、またはパラジウムからなるＰｄ金属層を有し、加熱工程において、ＳｎＣｕＮｉ化合物、ＳｎＣｕＡｕ化合物、またはＳｎＣｕＰｄ化合物を有する前記ＣｕＳｎ化合物層を形成する。この微小構造体装置の製造方法を「第４の微小構造体装置の製造方法」という。

また、上記第１乃至第３のいずれかの微小構造体装置の製造方法において、好ましくは、ＣｕＳｎ金属層の厚みの総和に対するＳｎＣｕ金属層の厚みの総和の割合は、１／２：２以上２／３以下である。この微小構造体装置の製造方法を「第５の微小構造体装置の製造方法」という。

また、上記第１乃至第３のいずれかの微小構造体装置の製造方法において、好ましくは、ｎ金属層の厚みの総和に対する前記Ｃｕ金属層の厚みの総和の割合は１／３以上１／２以下であり、前記Ｓｎ金属層の厚みの総和に対する前記ニッケル、金、またはパラジウムからなる金属層の厚みの総和の割合は１／３０以上１／２０以下である。この微小構造体装置の製造方法を「第６の微小構造体装置の製造方法」という。

また、本発明の第７の微小構造体装置の製造方法は、表面に微小構造体が設けられた第１基板と、微小構造体に対向する表面を備えた第２基板と、第１基板および第２基板の対向する表面同士を接合するとともに、微小構造体を取り囲んで封止する封止材とを備えたものであり、第１基板の表面に、微小構造体を取り囲む環状の第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、第２基板の表面に、環状の第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、第１金属層または第２金属層に半田若しくはロウ材を介して銅からなる固体金属を接合する工程と、第１金属層と前記固体金属とを対向させて配置する工程と、第１金属層、第２金属層、および固体金属を加熱して第１金属層と固体金属とを接合する加熱工程とを備え、第１金属層形成工程および第２金属層形成工程において、第１金属層および第２金属層を複数の金属層を積層することによりそれぞれ形成し、第１金属層および第２金属層の少なくとも一方は、錫からなるＳｎ金属層を有し、加熱工程において、第１金属層を構成する少なくとも１つの金属層と第２金属層を構成する少なくとも１つの金属層との間にＣｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層を形成する。

また、上記第７の微小構造体装置の製造方法は、好ましくは、第１金属層形成工程および第２金属層形成工程において、第１金属層を構成する各金属層および第２金属層を構成する各金属層を、薄膜法、めっき、または薄膜法とめっきによりそれぞれ形成する。この微小構造体装置の製造方法を「第８の微小構造体装置の製造方法」という。

また、上記第７または第８の微小構造体装置の製造方法において、第１金属層形成工程または第２金属層形成工程において、第１金属層または第２金属層の一部として、ニッケルからなるＮｉ金属層、金からなるＡｕ金属層、またはパラジウムからなるＰｄ金属層を形成し、加熱工程において、ＳｎＣｕＮｉ化合物、ＳｎＣｕＡｕ化合物、またはＳｎＣｕＰｄ化合物を有するＣｕＳｎ化合物層を形成することを特徴とする。この微小構造体装置の製造方法を「第９の微小構造体装置の製造方法」という。

また、上記第７または第８の微小構造体装置の製造方法において、好ましくは、Ｓｎ金属層の錫の重量に対する固体金属の銅の重量の割合は１／３以上１／２以下であることを特徴とする。この微小構造体装置の製造方法を「第１０の微小構造体装置の製造方法」という。

また、上記第９の微小構造体装置の製造方法において、好ましくは、Ｓｎ金属層の錫の重量に対する固体金属の銅の重量の割合は１／３以上１／２以下であり、Ｓｎ金属層の錫の重量に対するＮｉ金属層、Ａｕ金属層、またはＰｄ金属層のニッケル、金、またはパラジウムの重量の割合は１／２０以上１／１０以下であることを特徴とする。

本発明の微小構造体装置によれば、耐熱性の優れた封止材を有する微小構造体装置を実現できる。

また、本発明の微小構造体の製造方法によれば、耐熱性の優れた封止材を有する微小構造体装置を製造することができる。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の微小構造体装置の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態による微小構造体装置の構成例を示す（ａ）断面図および（ｂ）平面図である。ここで、（ａ）の断面図は、（ｂ）の平面図の点線Ａ−Ａにおける断面図である。図１に示されるように、本実施の形態による微小構造体装置１は、第１基板２と第２基板３とを備える。第１基板２の表面２ａには、微小構造体４が設けられ、第１基板２の微小構造体４が設けられた表面２ａと第２基板３の表面３ａとが対向するように配置される。また、微小構造体装置１は、第１基板２の表面２ａと第２基板３の表面３ａとを接合するとともに、微小構造体４を取り囲んで封止する封止材５を備える。さらに、微小構造体装置１は、第１基板２の表面２ａに設けられた電極６と、第２基板３の内部に設けられ、その一端が第２基板３の表面３ａに導出された配線導体７と、第２基板３の表面３ａに導出された配線導体７の一端に接続された接続パッド７ａと、接続パッド７ａを介して電極６と配線導体７とを電気的に接続する導電性部材８を備える。

微小構造体４は、例えば水晶又は半導体等から形成されているデバイスである。特に封止が必要となるデバイスの例として、ＳＡＷ素子、水晶振動子、又はＭＥＭＳがあげられる。ここで、ＭＥＭＳを例に挙げて説明すると、ＭＥＭＳは例えば光スイッチ，ディスプレイデバイス，加速度センサ，圧力センサなどの各種センサ，電気スイッチ，インダクタ，キャパシタ，共振器，アンテナ，マイクロリレー，ハードディスク用磁気ヘッド，マイク，バイオセンサー，ＤＮＡチップ，マイクロリアクタ，プリントヘッドなどの機能を有する。これらのＭＥＭＳは、半導体微細加工技術を基本としたいわゆるマイクロマシニング法で作る部品であり、１素子あたり１０μｍ〜数百μｍ程度の寸法を有する。

第１基板２は、シリコンやガリウム砒素などの半導体からなり、表面に膜形成とエッチングを繰り返し、デバイスを形成する。また、ＭＥＭＳを形成する場合、第１基板２は半導体に限られるものではなく、パイレックス（登録商標）ガラスなどのガラス基板であってもよい。

電極６は、第１基板２上に形成されており、主に薄膜の形成方法、例えばスパッタ、または化学気相堆積（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）などの方法を用いて作製される。作製される薄膜はチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、若しくは白金（Ｐｔ）などが挙げられ、多層薄膜になっていても良い。また、多層薄膜の場合は、最表層はＡｕ等のＳｎとの濡れ性が良好な金属であることが望ましい。

第２基板３は、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体，炭化珪素質焼結体、化珪素質焼結体、若しくはガラスセラミックス焼結体等のセラミックス材料により形成される。

第２基板３は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウムとガラス粉末等の原料粉末をシート上に成形して成るグリーンシートを積層し、焼成することにより形成される。なお、第２基板３は、酸化アルミニウム質焼結体で形成するものに限らず、用途や気密封止する微小構造体４の特性等に応じて適したものを選択することが好ましい。

例えば、第２基板３は、封止材５を介して第１基板２と接合されるので、第１基板２との接合の信頼性、つまり微小構造体４の封止の気密性を高くするためには、ムライト質焼結体、または例えばガラス成分の種類および添加量を調整することにより熱膨張係数を第１基板２に近似させるようにした酸化アルミニウム−ホウ珪酸ガラス系等のガラスセラミックス焼結体等のような、第１基板２との熱膨張係数の差が小さい材料で形成することが好ましい。

配線導体７は、銅，銀，金，パラジウム，タングステン，モリブデン，若しくはマンガン等の金属材料により形成される。これらの形成手段としては、例えば、第２基板３がセラミックスであり、かつ配線導体７が銅である場合、銅粉末とガラス粉末に適当な有機バインダー，および溶剤を添加混合した金属ペーストを、第２基板３となるグリーンシートにスクリーン印刷等により印刷してこれをグリーンシートとともに焼成することにより形成される。

また、酸化アルミニウムフィラーにホウ珪酸ガラス系を含んだガラスを焼結したガラスセラミック焼結体は、電気抵抗の小さい銅若しくは銀で配線導体が形成できること、また、比誘電率が低く電気信号の遅延を抑制することができるため、高周波信号を取り扱う第２基板３の材料として好ましい。

なお、第２基板３の形状は、微小構造体４を封止するための蓋体としての機能や、導体パターン等を形成するための基体としての機能を確保できる範囲であれば特に限定されるものでない。

また、第２基板３の上面に、微小構造体４を内側に収めるような凹部を形成しておいてもよい。凹部内に微小構造体４の一部を収めるようにしておくと、微小構造体４を取り囲むための封止材５の高さを低く抑えることができ、微小構造体装置１の低背化に有利なものとなる。また、第１基板２および第２基板３を平面視したときの外寸法は、微小構造体装置１の小型化のため、例えば四角形状で、一辺の長さが数ｍｍ程度の大きさが望ましい。

封止材５は、枠状であり、その内側に微小構造体４を収めるように、第１基板２と第２基板３との間に介在する。封止材５は、微小構造体４をその内側に気密封止するための側壁として機能する。この場合、第２基板３の上面が平面状の場合、封止材５の厚みが微小構造体４の封止空間の厚みに相当するため、簡易な構造で微小構造体４の封止空間を形成することができる。

図２は、図１に示した微小構造体装置１の封止材５の部分拡大図である。図２に示されるように、封止材５は、第１基板２および第２基板３の対向する表面２ａ，３ａにそれぞれ設けられた複数の金属層からなる環状の第１基板側金属層１０および第２基板側金属層１１と、第１基板側金属層１０と第２基板側金属層１１との間で第１および第２基板側金属層１０，１１に沿って環状に設けられ、第１基板側金属層１０と第２基板側金属層１１とを接続するＣｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層１２とを有する。このＣｕ_６Ｓｎ_５は融点が４００℃以上であり、封止材５の耐熱性を向上させる効果がある。

第１基板側金属層１０は、第１基板２上に設けられたＴiからなる金属層１０ａと金属層１０ａ上に積層されたＣｕからなる金属層１０ｂとを有する。また、第２基板側金属層１１は、例えば、第２基板３上に設けられたＣｕもしくはＡｇからなる金属層１１ａと金属層１１ａ上に積層されたＳｎからなる金属層１１ｂとを有する。

次に、図３を参照して、微小構造体装置１の製造方法について説明する。図３は、微小構造体装置１の製造方法を説明するための図である。ここでは、説明を簡単にするために、第１基板２、第２基板３および封止材５を図示し、微小構造体装置１のその他の構成要素を省略する。

まず、図３（ａ）に示すように、第１基板２上に第１金属層２２を形成し、第２基板３上に第２金属層２３を形成する。第１金属層２２は、第１基板２上にＴｉからなる金属層２２ａを形成した後、その金属層２２ａ上にＣｕからなる金属層（以下、「Ｃｕ金属層」ともいう。）２２ｂを積層することにより形成する。また、第２金属層２３は、例えば、第２基板３上にＣｕもしくはＡｇからなる金属層２３ａを形成した後、その金属層２３ａ上にＳｎからなる金属層（以下、「Ｓｎ金属層」ともいう。）２２ｂを積層することにより形成する。これらの第１金属層２２および第２金属層２３は、例えば、金属蒸着若しくはスパッタなどの乾式薄膜形成方法、またはメッキ法などの湿式薄膜形成方法を用いてそれぞれ形成される。ここで、Ｓｎからなる金属層２２ｂを形成する場合には、めっき法を用いることが多く、特に電解メッキでの形成を行うことが望ましい。また、Ｃｕからなる金属層２３ｂを形成する場合には、ＣＶＤ、スパッタ、金属蒸着、またはメッキ法などの方法を利用することができる。特に、金属層２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂの厚み精度、膜の均一性、および膜強度の少なくとも１つを優先する場合にはスパッタ法が好ましく、ある程度の厚みが必要な場合または高い生産性を優先する場合等にはメッキ法が望ましい。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１基板２および第２基板３を対向させて配置し、第
１および第２基板２，３間で位置合わせをする。第１基板２および第２基板３間の位置合わせは、第１基板２および第２基板３の一方が透明基板の場合は、各基板２，３に位置合わせ用のターゲットマークを薄膜もしくはメッキ法で作製し、ターゲットマークを光学的に同時に観察することにより行う。ターゲットマークは、そのターゲットマークを形成する第１基板２および第２基板３の少なくとも一方が、セラミック基板の場合はいわゆる同時焼成技術を用いて作製された厚膜導体であってもよい。ターゲットマークは、円形形状や十字形状であることが一般的で、位置合わせ精度に対してターゲットマークの大きさが最長辺もしくは直径において同程度であることが望ましい。例えば、５０μｍの位置合わせ精度を求める場合は、ターゲットマークとしても５０μｍ程度であることが望ましい。第１基板２および第２基板３の両基板が不透明基板である場合には、２枚の基板間にプリズム等の光学反射装置を挿入して位置合わせを行うインターメディエイト方式、または一方の基板に貫通孔を設けて貫通孔から他方基板の位置合わせマークを光学的に確認する手法等であってもよい。

次に、図３（ｃ）に示すように、第１基板２と第２基板３とを熱圧着法により接合する。このとき、第１金属層２２および第２金属層２３を加熱して接合する。第１基板２および第２基板３の接合を行う際には、第１基板２および第２基板３に荷重および温度をかけるが、ＣｕＳｎ化合物層を効果的に生成する場合には、荷重は、６インチ基板に対して５００〜２０００Ｎがよい。５００Ｎ以上の接合荷重では基板２，３に発生している反りを修正することが容易であり、２０００Ｎ以下では接合材５の濡れ広がり等の問題が発生することを抑制できる。接合温度に関しては、高耐熱のＣｕ_６Ｓｎ_５の化合物を生成するために、２３５℃〜２８５℃の間が望ましい。２３５℃以上では、Ｓｎが溶融して接合が行われ易く、２８５℃以下の温度では、Ｃｕ_６Ｓｎ_５の化合物が適度に形成されて、過剰な形成により接合強度が低下することを抑制できる。また、接合温度が２８５℃以下であると、Ｃｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層１２以外の層が形成されにくくなる。このようにして第１基板２と第２基板３は、熱圧着により接合されて、図３（ｄ）に示すような封止材５が形成される。

本実施の形態による微小構造体装置１によれば、封止材５が、第１基板２および第２基板３の対向する表面２ａ，３ａにそれぞれ設けられた環状の金属層１０，１１と、各金属層１０，１１の間で各金属層１０，１１に沿って環状に設けられるとともに、金属層１０，１１同士を接続するＣｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層１２とを有することから、耐熱性の優れた封止材５を有する微小構造体装置を実現することができる。

本実施の形態による微小構造体装置１の製造方法において、第１金属層２２または第２金属層２３を構成する各金属層を、薄膜法またはめっきにより形成すると、各金属層を平面方向に均一に形成することができる。これにより、第１および第２金属層２２，２３同士の接合面積が増し、封止材５の耐熱性および接続強度がより大きくなる。

なお、封止材５が最終的にＣｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層１２を含むのであれば、熱圧着前の第１基板２の表面２ａに形成される第１金属層２２および第２基板３の表面３ａに形成される第２金属層２３は、その他の構成であってもよい。例えば、図４に示すように、第１金属層２２が、Ｓｎ金属層２２ｂ，２２ｄとＣｕ金属層２２ｃとの積層構造を有していてもよい。この場合に、第２金属層２３は、Ｓｎ金属層およびＣｕ金属層の少なくとも一方を有していてもよく、両方とも有していなくてもよい。また、第１金属層２２ではなく、第２金属層２３が、Ｓｎ金属層とＣｕ金属層との積層構造を有していてもよい。また、この場合に、第１金属層２２は、Ｓｎ金属層およびＣｕ金属層の少なくとも一方を有していてもよく、両方とも有していなくてもよい。さらに、第１金属層２２および第２金属層２３の両方が、Ｓｎ金属層とＣｕ金属層との積層構造を有していてもよい。

なお、第１金属層２２および第２金属層２３におけるＳｎ金属層の厚みの総和に対するＣｕ金属層の厚みの総和の割合を、１／２以上２／３以下にすると、熱圧着時に、溶融した全てのＳｎ層がＣｕ層と反応し、ＳｎＣｕ化合物層１２に変化することから、封止材５の耐熱性がより向上する。

なお、上述の説明および図３では、第１金属層２２の金属層２２ｂと第２金属層２３の金属層２３ｂとが反応してＳｎＣｕ化合物層１２に変化し、第１金属層２２の金属層２２ａが第１基板側金属層１０に対応し、第２金属層２３の金属層２３ａが第２基板側金属層１１に対応するとしているが、金属層２２ｂと金属層２３ｂとがそれぞれ全て反応せずに、対応する金属層２２ａまたは金属層２３ａ上に一部残る場合もある。例えば、金属層２２ａ上にＳｎ層、および金属層２３ａ上にＣｕ層がそれぞれ残存し、そのＳｎ層とＣｕ層との間にＳｎＣｕ化合物層１２が形成された場合でも、封止材５の耐熱性は向上する。また、金属層２２ａ上のＳｎ層と金属層２３ａ上のＣｕ層のいずれか一方が残存する場合でも、封止材５の耐熱性が向上する点は同様である。

また、第１金属層２２および第２金属層２３の一方は、ニッケルからなるＮｉ金属層、金からなるＡｕ金属層、またはパラジウムからなるＰｄ金属層を有していてもよい。この場合は、第１金属層２２および第２金属層２３を加熱して接合する際に、ＳｎＣｕＮｉ化合物、ＳｎＣｕＡｕ化合物、またはＳｎＣｕＰｄ化合物を有するＣｕＳｎ化合物層を形成する。図５は、上記第１金属層２２および第２金属層２３と、それらを接合した場合に形成される封止材５の部分拡大図である。図５に示されるように、第１金属層２２は、例えば４層からなり、第１基板２上に設けられたＴｉからなる金属層２２ａと、金属層２２ａ上に積層されたＰｔまたはＰｄからなる金属層２２ｂと、金属層２２ｂ上に積層されたＡｕからなる金属層２２ｃと、金属層２２ｃ上に積層されたＣｕからなる金属層２２ｄを有する。また、第２金属層２３は、例えば３層からなり、第２基板３上に設けられたＣｕまたはＡｇからなる金属層２３ａと、金属層２３ａ上に積層されたＮｉからなる金属層２３ｂと、金属層２３ｂ上に積層されたＳｎからなる金属層２３ｃとを有する。

これらの第１金属層２２および第２金属層２３を加熱して接合する場合、各金属層２２，２３の最表層のＣｕ金属層およびＳｎ金属層が溶融して接続され、第１基板側金属層１０と第２基板側金属層１１との間にＳｎＣｕＮｉ化合物を有するＣｕＳｎ化合物層１２が形成される。ＳｎＣｕＮｉ化合物は、ＳｎＣｕ化合物よりも結晶が単一方向に成長しやすく、本実施の形態による微小構造体装置１においては、第１基板２と第２基板３の対向方向に成長するため、封止材５の高さを保持して第１基板２と第２基板３とを十分に離間させたい場合により有効である。

ここで、第１金属層２２および第２金属層２３におけるＳｎ金属層の厚みの総和に対するＣｕ金属層の厚みの総和の割合は１／２以上１／３以下であり、Ｓｎ金属層の厚みの総和に対するニッケルからなる金属層の厚みの総和の割合は１／３０以上１／２０以下とすると、形成されるＳｎＣｕＮｉ化合物の形状が柱状結晶となり、かつ必要以上に結晶成長しないことから、熱圧着時に封止材５が押し潰れることを抑制しつつ、封止信頼性にはそれほど影響を及ぼさずに熱圧着を行うことができる。

なお、第１金属層２２または第２金属層２３を構成する金属層の層数、各金属層の材料および各層の配置の仕方を選択することにより、ＳｎＣｕＡｕ化合物またはＳｎＣｕＰｄ化合物を含むＣｕＳｎ化合物層１２を形成することができる。さらに、上記層数、材料、および配置の仕方等の条件を変えることにより、ＳｎＣｕＮｉ化合物、ＳｎＣｕＡｕ化合物およびＳｎＣｕＰｄ化合物のいずれか１つを含む所望のＣｕＳｎ化合物層１２を作製することができる。

なお、導電性部材８を、封止材５と同一の材料にすれば、封止材５による微小構造体４の封止および導電性部材８による電極６と接続パッド７ａの電気的接続を一度の工程で行うことができる。すなわち、図３（ｃ）の工程において、第１金属層２２および第２金属層２３を接合するとともに、電極６および接続パッド７ａを導電性部材８によって接続することができる。また、封止材５が導電材料である場合には、封止空間の内部を電気的に外界から電気的に遮断することができ、微小構造体４の動作信頼性を保持することができる。

次に、図６を参照して、微小構造体装置１の別の製造方法について説明する。図６は、微小構造体装置１の別の製造方法を説明するための図である。ここでは、説明を簡単にするために、第１基板２、第２基板３および封止材５を図示し、微小構造体装置１のその他の構成要素を省略する。

まず、図６（ａ）に示すように、第１基板２上に第１金属層３２を形成し、第２基板３上に第２金属層３３を形成する。第１金属層３２は、第１基板２上にＴｉからなる金属層３２ａを形成した後、その金属層３２ａ上にＳｎからなる金属層３２ｂを積層することにより形成する。また、第２金属層３３は、例えば、ＡｇもしくはＣｕからなる。そして、第２金属層３３上に、半田若しくはロウ材（図示せず）を介してＣｕからなる固体金属３４（Ｃｕカラム）を接合する。

次に、図６（ｂ）に示すように、第１基板２および第２基板３を対向させて配置し、第
１および第２基板２，３間で位置合わせをする。

そして、図６（ｃ）に示すように、第１基板２と第２基板３とを熱圧着法により接合する。このとき、第１金属層３２および第２金属層３３、および固体金属３４を加熱して接合する。すると、図６（ｄ）に示すような、第１基板側金属層１０と第２基板側金属層１１との間にＣｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層１２を有する封止材５が形成される。

なお、第１金属層３２および第２金属層３３におけるＳｎ金属層の錫の重量に対する固体金属３３の銅の重量の割合を、１／３以上１／２以下にすると、熱圧着時に、溶融した全てのＳｕが固体金属中のＣｕと反応し、ＳｎＣｕ化合物層１２に変化することから、封止材５中の液相を完全に固相とすることができ、気密性に優れた封止材５を実現することができる。

なお、固体金属３４を、第１金属層３２ではなく、第２金属層３３に接合してもよい。

また、第１金属層３２および第２金属層３３の少なくとも一方が、ニッケルからなるＮｉ金属層、金からなるＡｕ金属層、またはパラジウムからなるＰｄ金属層を有していてもよい。この場合は、第１金属層３２、第２金属層３３、固体金属３４を加熱して接合する際に、ＳｎＣｕＮｉ化合物、ＳｎＣｕＡｕ化合物、またはＳｎＣｕＰｄ化合物を有するＣｕＳｎ化合物層１２が形成される。

図７は、この場合の第１金属層３２および第２金属層３３と、それらを接合した場合に形成される封止材５の部分拡大図である。図７に示されるように、第１金属層３２は、例えば４層からなり、第１基板２上に設けられたＴｉからなる金属層３２ａと、金属層３２ａ上に積層されたＰｔまたはＰｄからなる金属層３２ｂと、金属層３２ｂ上に積層されたＡｕからなる金属層３２ｃと、金属層３２ｃ上に積層されたＳｎからなる金属層３２ｄを有する。また、第２金属層３３は、例えば２層からなり、第２基板３上に設けられたＣｕまたはＡｇからなる金属層３３ａと、金属層３３ａ上に積層されたＮｉからなる金属層２３ｂとを有する。この金属層２３ｂ上に例えば銀からなる半田若しくはロウ材３５を介して金属固体３４が接合される。

これらの第１金属層３２および第２金属層３３を加熱して接合する場合、金属層３２の最表層のＳｎ金属層および固体金属３４が溶融して接続され、第１基板側金属層１０と第２基板側金属層１１との間にＳｎＣｕＮｉ化合物を有するＣｕＳｎ化合物層１２が形成される。ＳｎＣｕＮｉ化合物は、ＳｎＣｕ化合物よりも結晶が単一方向に成長しやすく、本実施の形態による微小構造体装置１においては、第１基板２と第２基板３の対向方向に成長するため、封止材５の高さを保持して第１基板２と第２基板３とを十分に離間させたい場合により有効である。

なお、第１金属層３２及び第２金属層３３を構成する金属層の層数、各金属層の材料および配置の仕方は、上述したものに限らない。例えば、第１金属層３２は、例えば３層からなり、第１基板２上に設けられたＴｉからなる金属層３２ａと、金属層３２ａ上に積層されたＰｔまたはＰｄからなる金属層３２ｂと、金属層３２ｂ上に積層されたＡｕからなる金属層３２ｃとを有し、この金属層３２ｃ上に例えばＳｎからなる半田若しくはロウ材３５を介してＣｕからなる金属固体３４が接合されてもよい。また、その際に、第２金属層３３は、３層からなり、第２基板３上に設けられたＣｕまたはＡｇからなる金属層３３ａと、金属層３３ａ上に積層されたＮｉからなる金属層３３ｂと、この金属層３３ｂ上に積層されたＳｎからなる金属層３３ｃとを有していてもよい。

また、第１金属層３２または第２金属層３３を構成する金属層の層数、各金属層の材料および配置の仕方を選択することにより、ＳｎＣｕＮｉ化合物、ＳｎＣｕＡｕ化合物およびＳｎＣｕＰｄ化合物の少なくともいずれかを含むＣｕＳｎ化合物層１２を形成することができる。

ここで、第１金属層３２および第２金属層３３におけるＳｎ金属層の錫の重量に対する固体金属３４のＣｕの重量の割合は１／３以上１／２以下であり、Ｓｎ金属層の錫の重量に対するニッケル、金、またはパラジウムの重量の割合は１／２０以上１／１０以下とすると、形成されるＳｎＣｕＮｉ化合物、ＳｎＣｕＡｕ化合物、またはＳｎＣｕＰｄ化合物の形状が柱状結晶となり、かつ必要以上に結晶成長しないことから、熱圧着時に封止材５が押し潰れることを抑制しつつ、封止信頼性にはそれほど影響を及ぼさずに熱圧着を行うことができる。

なお、ウェハスケールパッケージングを行い、アレイ形状で微小構造体装置を得た場合には、図３（ｄ），図６（ｄ）に示すように、第１基板２と第２基板３が接合された後、切断（ダイシング）工程を有する。例えば、第１の基板２がセラミック製の基板で第２の基板３がシリコン製の基板の場合は、切断時の条件が異なるのでまずセラミック基板を切断し、シリコン基板を切断された溝の部分から切り離すいわゆるステップカットを行ってもよい。この場合の切断条件は、セラミック側の切断条件は切断ブレードの砥石粒径＃４００〜８００程度、厚み０．１〜０．２ｍｍ、切断スピード０．５〜４ｍｍ／ｓ、がよくシリコン側の切断ブレードの切断条件は切断ブレードの砥石粒径＃１０００〜２０００程度、厚み０．０５〜０．１ｍｍ、切断スピード１０〜２０ｍｍ／ｓがよい。また生産性を考慮し、両基板共に一括で切断する場合には中間程度の切断ブレードを選択し、切断スピードを１ｍｍ／ｓ以下に設定することにより良好な切断断面を得ることができる。このようにして個片化された微小構造体装置１を得ることができる。

また、各金属層の厚みを測定する際は任意の微小構造体装置の接合体部分を垂直に断面加工する。その後、Ｓｃａｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ）などを用いて各層の厚みを測定する。外観に変化が無いような金属層同士を観察する場合にはＥｌｅｃｔｒｏ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＥＰＭＡ）等で元素同定を行いマッピングを行うことによって厚みを特定する。特にメッキ等の結晶構造に異方性を生じやすい膜形成方法はＳｃａｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＩＭ）や結晶方位解析を用いて測定すると厚みの特定が容易にできる。また０．１μｍをきるような厚みの解析を行う場合には、Ａｒ等のイオンでサンプルを直接ドライエッチングする表面処理方法を用いた後にＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＴＥＭ）等を用いることによって精密な厚み解析を行うことができる。

本発明の実施の形態による微小構造体装置の構成例を示す断面図である。 図１に示した微小構造体装置の封止材の部分拡大図である。 微小構造体装置の製造方法を説明するための図である。 第１金属層および第２金属層の別の構成例を示す図である。 第１金属層および第２金属層と、それらを接合した場合に形成される封止材の部分拡大図である。 微小構造体装置の別の製造方法を説明するための図である。 第１金属層および第２金属層の別の構成例と、それらを接合した場合に形成される封止材の部分拡大図である。

符号の説明

１：微小構造体装置
２：第１基板
３：第２基板
４：微小構造体
５：封止材
６：電極
７：配線導体
８：導電性部材
１０：第１金属層
１１：第２金属層
１２：ＣｕＳｎ化合物層

Claims (13)

1. 表面に微小構造体が設けられた第１基板と、前記微小構造体に対向する表面を備えた第２基板と、前記第１基板および前記第２基板の対向する前記表面同士を接合するとともに、前記微小構造体を取り囲んで封止する封止材とを備え、
   前記封止材は、前記第１基板および前記第２基板の対向する前記表面にそれぞれ設けられた環状の金属層と、前記各金属層の間で該各金属層に沿って環状に設けられるとともに、前記金属層同士を接続するＣｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層とを有する微小構造体装置。
2. 前記第１基板の前記表面に設けられた前記微小構造体に電気的に接続される電極と、
   前記第２基板の前記表面および内部の少なくとも一方に設けられ、一部が前記第２基板の前記表面に導出された配線導体と、
   前記電極と前記配線導体の前記一部とを電気的に接続する導電性部材と
   を備え、
   前記導電性部材は、前記封止材と同一の材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の微小構造体装置。
3. 表面に微小構造体が設けられた第１基板と、前記微小構造体に対向する表面を備えた第２基板と、前記第１基板および前記第２基板の対向する前記表面同士を接合するとともに、前記微小構造体を取り囲んで封止する封止材とを備えた微小構造体装置の製造方法であって、
   前記第１基板の前記表面に、前記微小構造体を取り囲む環状の第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、
   前記第２基板の前記表面に、環状の第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、
   前記第１基板の前記第１金属層と前記第２基板の前記第２金属層とを対向させて配置する配置工程と、
   前記第１金属層および前記第２金属層を加熱して接合する加熱工程と
   を有し、
   前記第１金属層形成工程および前記第２金属層形成工程において、前記第１金属層および前記第２金属層を複数の金属層を積層することによりそれぞれ形成し、銅からなるＣｕ金属層および錫からなるＳｎ金属層が、前記第１金属層および前記第２金属層の少なくとも一方に含まれ、
   前記加熱工程において、前記第１金属層を構成する少なくとも１つの金属層と前記第２金属層を構成する少なくとも１つの金属層との間にＣｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層を形成する微小構造体装置の製造方法。
4. 前記第１金属層形成工程および第２金属層形成工程において、前記第１金属層を構成する前記各金属層および前記第２金属層を構成する前記各金属層を、薄膜法、めっき、または薄膜法とめっきによりそれぞれ形成する請求項３に記載の微小構造体装置の製造方法。
5. 前記第１金属層形成工程または前記第２金属層形成工程において、前記第１金属層または前記第２金属層の一部として、銅からなるＣｕ金属層と錫からなるＳｎ金属層との積層構造を形成する請求項３または請求項４に記載の微小構造体装置。
6. 前記第１金属層および前記第２金属層の少なくとも一方は、ニッケルからなるＮｉ金属層、金からなるＡｕ金属層、またはパラジウムからなるＰｄ金属層を有し、
   前記加熱工程において、ＳｎＣｕＮｉ化合物、ＳｎＣｕＡｕ化合物、またはＳｎＣｕＰｄ化合物を有する前記ＣｕＳｎ化合物層を形成する請求項３から請求項５のいずれかに記載の微小構造体装置。
7. 前記Ｃｕ金属層の厚みの総和に対する前記Ｓｎ金属層の厚みの総和の割合は、１／２以上２／３以下である請求項３から請求項５のいずれかに記載の微小構造体装置。
8. 前記Ｓｎ金属層の厚みの総和に対する前記Ｃｕ金属層の厚みの総和の割合は１／３以上１／２以下であり、前記Ｓｎ金属層の厚みの総和に対する前記ニッケル、金、またはパラジウムからなる金属層の厚みの総和の割合は１／３０以上１／２０以下である請求項６に記載の微小構造体装置。
9. 表面に微小構造体が設けられた第１基板と、前記微小構造体に対向する表面を備えた第２基板と、前記第１基板および前記第２基板の対向する前記表面同士を接合するとともに、前記微小構造体を取り囲んで封止する封止材とを備えた微小構造体装置の製造方法であって、
   前記第１基板の前記表面に、前記微小構造体を取り囲む環状の第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、
   前記第２基板の前記表面に、環状の第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、
   前記第１金属層または前記第２金属層に半田若しくはロウ材を介して銅からなる固体金属を接合する工程と、
   前記第１金属層と前記固体金属とを対向させて配置する工程と、
   前記第１金属層、前記第２金属層、および前記固体金属を加熱して前記第１金属層と前記固体金属とを接合する加熱工程と
   を備え、
   前記第１金属層形成工程および前記第２金属層形成工程において、前記第１金属層および前記第２金属層を複数の金属層を積層することによりそれぞれ形成し、前記第１金属層および前記第２金属層の少なくとも一方は、錫からなるＳｎ金属層を有し、
   前記加熱工程において、前記第１金属層を構成する少なくとも１つの金属層と前記第２金属層を構成する少なくとも１つの金属層との間にＣｕ_６Ｓｎ_５を主成分とするＣｕＳｎ化合物層を形成する微小構造体装置の製造方法。
10. 前記第１金属層形成工程および第２金属層形成工程において、前記第１金属層を構成する前記各金属層および前記第２金属層を構成する前記各金属層を、薄膜法、めっき、または薄膜法とめっきによりそれぞれ形成する請求項９に記載の微小構造体装置の製造方法。
11. 前記第１金属層形成工程または第２金属層形成工程において、前記第１金属層または前記第２金属層の一部として、ニッケルからなるＮｉ金属層、金からなるＡｕ金属層、またはパラジウムからなるＰｄ金属層を形成し、
    前記加熱工程において、ＳｎＣｕＮｉ化合物、ＳｎＣｕＡｕ化合物、またはＳｎＣｕＰｄ化合物を有する前記ＣｕＳｎ化合物層を形成する請求項９または請求項１０に記載の微小構造体装置の製造方法。
12. 前記Ｓｎ金属層の錫の重量に対する前記固体金属の銅の重量の割合は１／３以上１／２以下である請求項９または請求項１０に記載の微小構造体装置の製造方法。
13. 前記Ｓｎ金属層の錫の重量に対する前記固体金属の銅の重量の割合は１／３以上１／２以下であり、前記Ｓｎ金属層の錫の重量に対する前記Ｎｉ金属層、Ａｕ金属層、またはＰｄ金属層のニッケル、金、またはパラジウムの重量の割合は１／２０以上１／１０以下である請求項１１に記載の微小構造体装置の製造方法。