JP2010143792A - 基板の接合方法およびｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】正電圧の印加により陽極接合した基板接合体の、逆電圧の印加に伴う剥離を防止することができる基板の接合方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板２を陽極１３としこれに接合される第１ガラス基板３を陰極１４として、シリコン基板２の一方の接合面に第１ガラス基板３を陽極接合する第１接合工程と、接合したシリコン基板２および第１ガラス基板３を陽極１３としこれに接合される第２ガラス基板４を陰極１４として、シリコン基板２の他方の接合面に第２ガラス基板４を陽極接合する第２接合工程と、を備え、第１ガラス基板３は、その電気抵抗値が第２ガラス基板４の電気抵抗値より低いものとした。
【選択図】図４

Description

本発明は、駆動部を構成するシリコン基板の上下に封止用のガラス基板をそれぞれ陽極接合して成るＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）デバイス等における基板の接合方法およびＭＥＭＳデバイスに関するものである。

従来、この種の基板の接合方法（陽極接合方法）として、シリコンの両側に２枚のパイレックス（登録商標）ガラスを接合するものが知られている（特許文献１参照）。この接合方法は、シリコンを陽極としこれに接合される第１のパイレックスガラスを陰極として直流電圧を印加し、シリコンの一方の接合面に第１のパイレックスガラスを陽極接合する第１工程と、接合したシリコンおよび第１のパイレックスを陽極としこれに接合される第２のパイレックスを陰極として直流電圧を印加し、シリコンの他方の接合面に第２のパイレックスガラスを陽極接合する第２工程と、を備えている。
特公平０７−１０５５０５号公報

このような従来の陽極接合方法では、第１のパイレックスガラスを陽極接合（第１工程）したシリコンに、第２のパイレックスガラスを陽極接合（第２工程）すると、接合済みの第１のパイレックスガラスとシリコンとの間では、接合時の正電圧に対し逆電圧が印加されることになる。この場合、両ガラスに同一材質のパイレックスガラスを用いているため、逆電圧の印加により、第１のパイレックスガラスがシリコンから剥離（界面剥離）したり、接合界面に金属化合物が析出したりする問題があった。
すなわち、正電圧の印加による第１工程により、第１のパイレックスガラスの陰極側には金属陽イオンが引寄せられる一方、界面側ではイオン欠乏層が生ずる。この状態から、逆電圧を印加する（第２工程）と、今度はイオン欠乏層に金属陽イオンが移動し集積（濃縮）され、金属化合物として接合界面に析出してしまうからである（溶接学会全国大会講演概要 第６５集（’９９−１１）参照）。

本発明は、正電圧の印加により陽極接合した基板接合体の、逆電圧の印加に伴う剥離を有効に防止することができる基板の接合方法およびＭＥＭＳデバイスを提供することを課題としている。

本発明の基板の接合方法は、シリコン基板を陽極としこれに接合される第１ガラス基板を陰極として、シリコン基板の一方の接合面に第１ガラス基板を陽極接合する第１接合工程と、接合したシリコン基板および第１ガラス基板を陽極としこれに接合される第２ガラス基板を陰極として、シリコン基板の他方の接合面に第２ガラス基板を陽極接合する第２接合工程と、を備え、第１接合工程により第１ガラス基板の陰極側に引き寄せられた金属陽イオンが、第２接合工程において第１ガラス基板の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第２接合工程が終了するように、第１ガラス基板および第２ガラス基板を異なる材質または同一の材質のもので構成したことを特徴とする。

この構成によれば、第１接合工程により陽極接合したシリコン基板および第１ガラス基板に対し、第２接合工程ではいわゆる逆電圧が印加されることになる。しかし、第１ガラス基板と第２ガラス基板とを異なる材質または同一の材質のもので構成し、第１接合工程により第１ガラス基板の陰極側に引き寄せられた金属陽イオンが、第２接合工程において第１ガラス基板の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第２接合工程が終了するようにしているため、第１ガラス基板の接合界面に金属化合物が析出することがない。したがって、陽極接合したシリコン基板および第１ガラス基板に、逆電圧が印加されても両者の界面剥離を有効に防止することができる。

本発明の他の基板の接合方法は、シリコン基板を陽極としこれに接合される第１ガラス基板を陰極として、シリコン基板の一方の接合面に第１ガラス基板を陽極接合する第１接合工程と、接合したシリコン基板および第１ガラス基板を陽極としこれに接合される第２ガラス基板を陰極として、シリコン基板の他方の接合面に第２ガラス基板を陽極接合する第２接合工程と、を備え、第１ガラス基板の電気抵抗値が、第２ガラス基板の電気抵抗値より低いことを特徴とする。

この構成によれば、第１接合工程により陽極接合したシリコン基板および第１ガラス基板に対し、第２接合工程ではいわゆる逆電圧が印加されることになる。しかし、第１ガラス基板の電気抵抗値が第２ガラス基板の電気抵抗値より低いため、第１接合工程における金属陽イオンの移動に伴うイオン欠乏層の層厚が大きくなる。このため、第２接合工程において、シリコン基板および第１ガラス基板に逆電圧が印加されても、イオン欠乏層に金属陽イオンが集積（濃縮）されるのに時間がかかり、第１ガラス基板の接合界面に金属化合物が析出するまでに第２接合工程を終了させることができる。したがって、第１ガラス基板の接合界面に金属化合物が析出することがなく、シリコン基板および第１ガラス基板に逆電圧が印加されても両者の界面剥離を有効に防止することができる。

具体的には、上記の基板の接合方法において、第１ガラス基板は、リチウムを含むホウケイ酸ガラスで構成され、第２ガラス基板は、ナトリウムを含むホウケイ酸ガラスで構成されていることが好ましい。

より具体的には、上記の基板の接合方法において、第１ガラス基板は、２００℃における体積抵抗率が７．８Ω・ｃｍであり、第２ガラス基板は、２００℃における体積抵抗率が９．４Ω・ｃｍであることが好ましい。

本発明のＭＥＭＳデバイスは、上記した基板の接合方法により製造したことを特徴とする。

この構成によれば、第１ガラス基板の接合界面に金属化合物が析出するまでに第２接合工程を終了させることができため、シリコン基板に対し、第１ガラス基板および第２ガラス基板の順で陽極接合を行う接合方法をとっても、これらを適切に且つ精度良く接合することができる。

以上のように、本発明の基板の接合方法によれば、第１ガラス基板の陰極側に移動した金属陽イオンが、第１ガラス基板の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第２接合工程が終了するように、第１ガラス基板と第２ガラス基板とを異なる材質のもので構成しているため、陽極接合したシリコン基板および第１ガラス基板に、逆電圧が印加されても両者の界面剥離を有効に防止することができ、シリコン基板に第１ガラス基板および第２ガラス基板を、界面剥離を生ずることなく適切に陽極接合することができる。

また、他の基板の接合方法によれば、第１ガラス基板の電気抵抗値が第２ガラス基板の電気抵抗値より低いため、第１ガラス基板の接合界面に金属化合物が析出するまでに第２接合工程を終了させることができ、シリコン基板に第１ガラス基板および第２ガラス基板を、界面剥離を生ずることなく適切に陽極接合することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る角速度センサ（ＭＥＭＳデバイス）および角速度センサにおける基板の接合方法について説明する。この角速度センサは、シリコン等を材料として微細加工技術により製造されるＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）センサにおける１軸の角速度センサであり、平面内において正逆の往復振動により駆動し、上下の検出電極により角速度を検出する。

図１に示すように、角速度センサ１は、シリコン基板２を第１ガラス基板３および第２ガラス基板４でサンドイッチした構造を有し、シリコン基板２に形成した駆動部６をＸ軸方向（図示の紙面を貫通する方向）に往復振動させるようになっている。Ｘ軸方向に往復振動（駆動）する駆動部６が、Ｙ軸廻り（紙面の左右方向がＹ軸方向）の角速度を受けると、発生するコリオリ力により駆動部６がＺ軸方向（（紙面の上下方向）に振動する。コリオリ力により駆動部６がＺ軸方向に振動すると、第１ガラス基板３に設けた第１固定検出電極７と駆動部（可動検出電極）６との間、および第２ガラス基板４に設けた第２固定検出電極８と駆動部（可動検出電極）６との間の静電容量が変化し、角速度が検出されるようになっている。

このように構成された角速度センサ１は、第１固定検出電極７をパターン形成した第１ガラス基板３と、駆動部６を微細加工技術により作り込んだシリコン基板２と、を陽極接合し、さらに陽極接合した第１ガラス基板３およびシリコン基板２と、第２固定検出電極８をパターン形成した第２ガラス基板４と、を陽極接合して製造される。

具体的には、図２に示すように、上記のシリコン基板２となるチップ部２Ａをマトリクス状に複数形成したウェーハ２０と、上記の第１ガラス基板３となる第１封止部３Ａをマトリクス状に複数形成した第１封止ガラス３０と、上記の第２ガラス基板４となる第２封止部４Ａをマトリクス状に複数形成した第２封止ガラス４０とを用意する（同図（ａ））。そして、先ずウェーハ２０の一方の接合面に第１封止ガラス３０を陽極接合し（同図（ｂ）：第１接合工程）、この状態でウェーハ２０の他方の接合面に第２封止ガラス４０を陽極接合し（同図（ｃ）：第２接合工程）、最後に陽極接合により貼り合せた第１封止ガラス３０、ウェーハ２０および第２封止ガラス４０をダイシングして（同図（ｄ）：ダイシング工程）、複数の角速度センサ１を得るようになっている。

一方、図３に示すように、上記の第１接合工程および第２接合工程における陽極接合は、真空チャンバ１１内に、ヒータ１２を内蔵した陽極１３と、陰極１４と、高電圧の直流電源１５を備えた陽極接合装置１０により、実施される。具体的には、ウェーハ（シリコン基板２）２０と第１封止ガラス（第１ガラス基板３）３０とを位置合わせし、且つウェーハ２０を陽極１３に第１封止ガラス３０を陰極１４に接触させた状態で、真空中の数百℃の温度下で数百ボルトの直流電圧を印加して、第１接合工程を実施する（図４（ｂ）参照）。続いて、接合したウェーハ２０および第１封止ガラス３０を上下反転し、これに第２封止ガラス（第２ガラス基板４）４０を位置合わせし、且つウェーハ２０側（実際には第１封止ガラス３０）を陽極１３に第２封止ガラス４０を陰極１４に接触させた状態で、真空中の数百℃の温度下で数百ボルトの直流電圧を印加して、第２接合工程を実施する（図４（ｄ）参照）。

この場合、いずれの陽極接合も、ウェーハ２０と第１封止ガラス３０との界面およびウェーハ２０と第２封止ガラス４０との界面において、Ｓｉ−Ｏの共有結合となる。すなわち、高電圧の印加により、第１封止ガラス３０（第２封止ガラス４０）中では、Ｎａ＋、Ｌｉ＋等のアルカリ金属イオンが陽極側から陰極側に移動する。そのため陽極側のガラス表面にはこれらのイオン濃度が低下したイオン欠乏層が形成される（図４（ｂ）および（ｄ）参照）。このイオン欠乏層は、アルカリ金属イオンの移動により取り残されたＯイオンを含むため強い負の電荷を帯びており、この電荷がシリコン（ウェーハ）と引き付けあってガラスとシリコンとが密着し、さらに界面での化学反応（Ｓｉ−Ｏの共有結合）によって両者が接合する。

ところで、実施形態の第２接合工程では、第１接合工程により陽極接合したウェーハ（シリコン基板２）２０と第１封止ガラス（第１ガラス基板３）３０との間に、第１接合工程とは逆の、いわゆる逆電圧が印加されることになる。逆電圧が印加されると、第１封止ガラス３０中のアルカリ金属イオンが、正電圧印加時と逆の方向に移動しイオン欠乏層に達する。ガラスの材質や接合条件によっては、イオン欠乏層に達したアルカリ金属イオンがここで濃縮し、やがてシリコンとの界面にアルカリ金属化合物として析出し、界面強度劣化を生ずることが知られている。

そこで、本実施形態では、第１接合工程により第１ガラス基板（第１封止ガラス３０）３の陰極側に引き寄せられたアルカリ金属陽イオンが、第２接合工程において第１ガラス基板３の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第２接合工程が終了するように、第１ガラス基板（第１封止ガラス３０）３および第２ガラス基板（第２封止ガラス４０）４を異なる材質または同一の材質のもので構成するようにしている。

すなわち、第１ガラス基板３の電気抵抗値が、第２ガラス基板４の電気抵抗値より低いもの、具体的には、第１ガラス基板３をリチウムを含むホウケイ酸ガラスで構成し、第２ガラス基板４をナトリウムを含むホウケイ酸ガラスで構成した。この場合、第１ガラス基板３は、２００℃における体積抵抗率が７．８Ω・ｃｍであり、第２ガラス基板４は、２００℃における体積抵抗率が９．４Ω・ｃｍである。また、第１ガラス基板３は、室温、１ＭＨｚにおける誘電率が６．３であり、第２ガラス基板４は、室温、１ＭＨｚにおける誘電率が４．６である。このように構成した第１ガラス基板３および第２ガラス基板４を用いて、図４に示す第１接合工程および第２接合工程を順に実施する。

図５は、図４の接合工程において、第１ガラス基板３および第２ガラス基板４を、上記の組み合わせで陽極接合を実施した場合（同図（ａ））、第１ガラス基板３および第２ガラス基板４を、いずれも上記のナトリウムを含むホウケイ酸ガラスとして陽極接合を実施した場合（同図（ｂ））、第１ガラス基板３および第２ガラス基板４をいずれも上記のリチウムを含むホウケイ酸ガラスとして陽極接合を実施した場合（同図（ｃ））の試験結果である。

（同図（ａ））の試験において、電流制限と真空度の異なる２種類の試験を行ったが、いずれも逆電圧による界面剥離は確認することができなかった。同様に、（同図（ｂ））の試験において、印加電圧と時間、および真空度の異なる２種類の試験を行った。この場合には、いずれも逆電圧による界面剥離の兆候が観察された。さらに、（同図（ｃ））の試験において、真空度の異なる２種類の試験を行った。この場合にも、特に問題は発生しなかった。したがって、第１ガラス基板３をリチウムを含むホウケイ酸ガラスで、第２ガラス基板４をナトリウムを含むホウケイ酸ガラスで構成した場合、および第１ガラス基板３および第２ガラス基板４をいずれも上記のリチウムを含むホウケイ酸ガラスで構成した場合には、逆電圧による影響を回避できることが確認された。

以上のように、本実施形態によれば、第１接合工程により第１ガラス基板３の陰極側に引き寄せられたアルカリ金属陽イオンが、第２接合工程において第１ガラス基板３の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第２接合工程が終了するように、第１ガラス基板３および第２ガラス基板４を異なる材質または同一の材質のもので構成するようにしているため、陽極接合したシリコン基板２および第１ガラス基板３に、逆電圧が印加されても両者の界面剥離を有効に防止することができ、シリコン基板２に第１ガラス基板３および第２ガラス基板４を、界面剥離を生ずることなく適切に陽極接合することができる。特に、低抵抗のリチウムを含むホウケイ酸ガラスでは、第１接合工程においてイオン欠乏層の層厚が大きくなると考えられ、第２接合工程において、イオン欠乏層に移動してきたアルカリ金属陽イオンが界面に析出するまでに、接合が終了することになる。

なお、本実施形態では、第１ガラス基板２および第２ガラス基板３に市販品を用いているため、体積抵抗率等が特定の値のものとなっているが、本発明はこれに限定されるものでない。すなわち、第１接合工程により第１ガラス基板３の陰極側に引き寄せられたアルカリ金属陽イオンが、第２接合工程において第１ガラス基板３の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、第２接合工程が終了するような構成の第１ガラス基板３および第２ガラス基板４であれば、その材質およびその異同を問うものではない。また、本実施形態では、角速度センサ１を例に説明したが、本発明は、シリコン基板２の上下に第１ガラス基板３および第２ガラス基板４を陽極接合する各種のＭＥＭＳデバイスに適用可能である。

実施形態に係る角速度センサの断面図である。 角速度センサの製造方法を表した説明図である。 角速度センサの製造方法に用いる陽極接合装置の模式図である。 角速度センサの接合工程を模式的に表した説明図である。 各種ガラス基板を用いて行った接合工程の試験結果を表した図である。

符号の説明

１ 角速度センサ ２ シリコン基板
３ 第１ガラス基板 ４ 第２ガラス基板
１０ 陽極接合装置 １３ 陽極
１４ 陰極 １５ 直流電源
２０ ウェーハ ３０ 第１封止ガラス
４０ 第２封止ガラス

Claims (5)

1. シリコン基板を陽極としこれに接合される第１ガラス基板を陰極として、前記シリコン基板の一方の接合面に前記第１ガラス基板を陽極接合する第１接合工程と、
   接合した前記シリコン基板および前記第１ガラス基板を陽極としこれに接合される前記第２ガラス基板を陰極として、前記シリコン基板の他方の接合面に第２ガラス基板を陽極接合する第２接合工程と、を備え、
   前記第１接合工程により前記第１ガラス基板の陰極側に引き寄せられた金属陽イオンが、前記第２接合工程において前記第１ガラス基板の接合界面側に生じたイオン欠乏層に移動し集積している間に、前記第２接合工程が終了するように、前記第１ガラス基板および前記第２ガラス基板を異なる材質または同一の材質のもので構成したことを特徴とする基板の接合方法。
2. シリコン基板を陽極としこれに接合される第１ガラス基板を陰極として、前記シリコン基板の一方の接合面に前記第１ガラス基板を陽極接合する第１接合工程と、
   接合した前記シリコン基板および前記第１ガラス基板を陽極としこれに接合される第２ガラス基板を陰極として、前記シリコン基板の他方の接合面に前記第２ガラス基板を陽極接合する第２接合工程と、を備え、
   前記１ガラス基板の電気抵抗値が、前記第２ガラス基板の電気抵抗値より低いことを特徴とする基板の接合方法。
3. 前記第１ガラス基板は、リチウムを含むホウケイ酸ガラスで構成され、
   前記第２ガラス基板は、ナトリウムを含むホウケイ酸ガラスで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の基板の接合方法。
4. 前記第１ガラス基板は、２００℃における体積抵抗率が７．８Ω・ｃｍであり、
   前記第２ガラス基板は、２００℃における体積抵抗率が９．４Ω・ｃｍであることを特徴とする請求項２に記載の基板の接合方法。
5. 請求項２に記載の基板の接合方法により製造したことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。

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