JP2013116831A - シリコン−ガラス複合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】陽極接合装置に荷重印加機構が不要であり、陽極接合装置が大型で高額なものとなることがなく、生産性の高い、シリコン−ガラス複合体の製造方法を提供する。
【解決手段】有底溝２を備えるシリコン基板１に、第１の気圧の雰囲気中で、有底溝２を覆うように重ね合わされたガラス材３が接合される第１の接合工程と、第１の気圧の雰囲気よりも気圧が高い第２の気圧の雰囲気中で、ガラス材３が接合されたシリコン基板１をガラス材３の軟化温度以上に加熱する加熱工程と、シリコン基板１とガラス材３とが陽極接合される第２の接合工程と、がこの順に実施される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、シリコンとガラスとにより構成されている、シリコン−ガラス複合体の製造方法に関する。

ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスや半導体デバイスなどにおいて、ガラス基板とシリコン基板との接合方法として、陽極接合法が採用されている。陽極接合法では、ガラス基板とシリコン基板とが重ね合わされた積層体が加熱され、積層体が加熱された状態でガラス基板とシリコン基板との間に電圧が印加されることで、ガラス基板とシリコン基板とが共有結合により接合される。

陽極接合法は、ガラス基板とシリコン基板との接合だけではなく、ガラスからなる部材とシリコン基板との接合においても利用されている（例えば、特許文献１を参照のこと。）。特許文献１には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハからなり、溝が形成されたセンサ基板と、ガラス基板からなる封止キャップとの接合方法として、センサ基板と封止キャップとを陽極接合法により接合する第１段階と、封止キャップの軟化温度近傍で所定の荷重を印加した状態で陽極接合法により接合する第２段階とを順に行う接合方法が記載されている。この接合方法では、第２段階において、軟化した封止キャップの一部が流動し、流動した封止キャップの一部が溝を埋めながら、陽極接合が進行する。

特開２０１０−１０７３２５号公報

陽極接合法では、ガラス基板とシリコン基板とが重ね合わされた積層体を加熱する必要がある。そのため、陽極接合法では、昇温や降温に時間が掛かり、生産性が低くなりがちである。そこで、通常は、陽極接合装置におけるステージの拡張や電界印加機構の増設により、陽極接合装置の１バッチ当りの処理数が増やされ、生産性の向上が図られている。

一方、上述した特許文献１に記載の接合方法では、第２段階において、所定の荷重を印加した状態で陽極接合法により接合するため、陽極接合装置は荷重印加機構が必要である。したがって、陽極接合装置の１バッチ当りの処理数を増加させるためには、ステージのさらなる拡張と複数の荷重印加機構の設置とが必要である。そのため、生産性を向上するためには、陽極接合装置が大型で高額なものとなってしまう。このため、製造コストが高くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、陽極接合装置に荷重印加機構が不要であり、陽極接合装置が大型で高額なものとなることがなく、生産性の高い、シリコン−ガラス複合体の製造方法を提供することにある。

本発明に係るシリコン−ガラス複合体の製造方法は、第１の接合工程と、加熱工程と、第２の接合工程と、がこの順に実施される。第１の接合工程では、有底溝を備えるシリコン基板に、第１の気圧の雰囲気中で、有底溝を覆うように重ね合わされたガラス材が接合される。加熱工程では、第１の気圧の雰囲気よりも気圧が高い第２の気圧の雰囲気中で、ガラス材が接合されたシリコン基板がガラス材の軟化温度以上に加熱される。第２の接合工程では、シリコン基板とガラス材とが陽極接合される。本発明に係るシリコン−ガラス複合体の製造方法は、加熱工程において、有底溝に軟化したガラス材の一部が流動し、有底溝を充填すると好適である。

本発明に係るシリコン−ガラス複合体の製造方法は、有底溝を充填しているガラス材をシリコン基板の一部から露出させるように、ガラス材とシリコン基板とが研削される工程が、第２の接合工程の後に実施されると好適である。

本発明に係るシリコン−ガラス複合体の製造方法は、シリコン基板は導電性を有し、第２の接合工程は、ガラス材に接して電極材が配置され、電極材とシリコン基板との間に電界が印加されることにより、シリコン基板とガラス材とが陽極接合される工程であると好適である。

本発明に係るシリコン−ガラス複合体の製造方法は、第２の気圧は大気圧であると好適である。

本発明に係るシリコン−ガラス複合体の製造方法は、第１の接合工程は、シリコン基板とガラス材とが陽極接合される工程であると好適である。

本発明によれば、シリコン−ガラス複合体の製造において、従来技術のような荷重の印加が不要であり、陽極接合装置が荷重印加機構を備えている必要もない。よって、陽極接合装置が大型で高額なものとなることがなく、容易に生産性を高くすることができる。また、高い抗折強度のシリコン−ガラス複合体を実現できる。

本発明の実施形態に係るシリコン−ガラス複合体の製造方法で製造される、シリコン−ガラス複合体の構成例を説明する図である。 本発明の実施形態に係るシリコン−ガラス複合体の製造方法で製造される、シリコン−ガラス複合体を備えるモジュールの構成例を説明する図である。 本発明の実施形態に係るシリコン−ガラス複合体の製造方法を説明する図である。

図１は、本発明の実施形態に係るシリコン−ガラス複合体の製造方法で製造される、シリコン−ガラス複合体１０の構成例を説明する図である。図１（Ａ）は、シリコン−ガラス複合体１０の平面図である。図１（Ｂ）は、シリコン−ガラス複合体１０の側面図である。図１（Ｃ）は、シリコン−ガラス複合体１０の底面図である。

シリコン−ガラス複合体１０は、天面１０Ａと、底面１０Ｂと、正面１０Ｃと、背面１０Ｄと、左側面１０Ｅと、右側面１０Ｆとを備え、矩形平板状である。以下、天面１０Ａと底面１０Ｂとが対向する方向を厚み方向と称する。正面１０Ｃと背面１０Ｄとが対向する方向を長さ方向と称する。左側面１０Ｅと右側面１０Ｆとが対向する方向を幅方向と称する。

シリコン−ガラス複合体１０は、シリコン基板部１１Ａ，１１Ｂとガラス部１２とを備えている。シリコン基板部１１Ａ，１１Ｂとガラス部１２とは、幅方向に配列されていて、それぞれの厚み方向の寸法は均一である。

ガラス部１２は、絶縁性のガラスからなり、長さ方向に長尺な角棒状に形成されている。シリコン基板部１１Ａとシリコン基板部１１Ｂとは、それぞれ低抵抗シリコンからなり、導電性を有する。シリコン基板部１１Ａとシリコン基板部１１Ｂとは、長さ方向に長尺な平板状に形成されている。ガラス部１２は、シリコン基板部１１Ａとシリコン基板部１１Ｂとの間に設けられている。また、ガラス部１２は、天面１０Ａと、底面１０Ｂと、正面１０Ｃと、背面１０Ｄとに露出している。

図２は、シリコン−ガラス複合体１０を備えるモジュール３０の構成例を説明する図である。

モジュール３０は、シリコン−ガラス複合体１０を含むインターポーザー３２と、２つの端子電極を有するチップ部品３１とを備えている。インターポーザー３２は、シリコン−ガラス複合体１０と、シリコン基板部１１Ａとシリコン基板部１１Ｂとの上面に形成されている搭載用電極と、シリコン基板部１１Ａとシリコン基板部１１Ｂとの下面に形成されている実装電極とを備えている。チップ部品３１はシリコン−ガラス複合体１０の天面１０Ａ側に搭載されていて、２つの端子電極がシリコン基板部１１Ａとシリコン基板部１１Ｂとの上に形成されている搭載用電極に接続されている。シリコン基板部１１Ａとシリコン基板部１１Ｂとがガラス部１２により絶縁されているため、モジュール３０は、実装電極を端子として、他の基板に実装可能になっている。

図３は、本発明の実施形態に係るシリコン−ガラス複合体１０の製造方法を説明する図である。シリコン−ガラス複合体１０は、以下に説明する第１工程から第５工程を順に実施して製造される。

第１工程では、まず、低抵抗シリコンからなり、矩形平板状のシリコン基板１が用意される。図３（Ｓ１）に、第１工程におけるシリコン基板１の平面図と、該平面図中に示す一点鎖線Ａ−Ａ’を通る部分の断面図とを示す。第１工程では、エッチング法などにより、シリコン基板１に有底溝２が形成される。有底溝２は、シリコン基板１の天面側に開口部を有する。有底溝２は、シリコン基板１を平面視して、シリコン基板１の天面内において、直線状に形成されている。即ち、有底溝２は、シリコン基板１を平面視して、シリコン基板１の基板外縁部よりも内側に有底溝２の全体が納まるように形成されている。

第２工程では、まず、絶縁性のガラスからなり、矩形平板状のガラス板３が用意される。ガラス板３は、シリコン基板１の天面側に重ね合わされる。このとき、有底溝２の開口部は、ガラス板３により覆われる。ガラス板３は、ガラス材に相当する。図３（Ｓ２）に、第２工程におけるガラス板３が重ね合わされたシリコン基板１の平面図と、該平面図中に示す一点鎖線Ａ−Ａ’を通る部分の断面図とを示す。第２工程は、第１の接合工程に相当する。第２工程では、シリコン基板１とガラス板３とが重ね合わされた状態で、高真空雰囲気中において、シリコン基板１とガラス板３とが陽極接合される。具体的には、ガラス板３の天面側に電極板２１を重ね合わせた状態で電極板２１とシリコン基板１との間に電圧を印加することで、シリコン基板１とガラス板３とが陽極接合され、シリコン基板１とガラス板３との接合体が形成される。高真空雰囲気は、第１の気圧の雰囲気に相当する。これにより、シリコン基板１に形成された有底溝２の内部空間が高真空な状態で気密封止されることになる。

図３（Ｓ３）に、第３工程におけるガラス板３が陽極接合されたシリコン基板１の平面図と、該平面図中に示す一点鎖線Ａ−Ａ’を通る部分の断面図とを示す。第３工程は、加熱工程に相当する。第３工程では、シリコン基板１とガラス板３との接合体を、ガラス板３の軟化温度以上、例えばガラス板３の融点近傍の温度に加熱した状態で、大気圧雰囲気中に一定時間以上放置することにより、ガラス板３を軟化させ、軟化したガラス板３の一部を流動させる。有底溝２の内部空間の気圧は高真空であり、有底溝２の外部空間の気圧は大気圧であることから、有底溝２の内部空間と外部空間には気圧差が存在する。第３工程では、有底溝２の内部空間と外部空間との気圧差により、軟化したガラス板３の一部が有底溝２の内部空間に流動し、有底溝２の内部空間を充填する。一定時間の経過後、シリコン基板１とガラス板３との接合体が冷却されることにより、軟化したガラス板３が硬化し、ガラス部１２が形成される。大気圧雰囲気は、第２の気圧の雰囲気に相当する。よって、第２の気圧の雰囲気は、第１の気圧の雰囲気よりも気圧が高いことになる。

図３（Ｓ４）に、第４工程におけるガラス板３が陽極接合されたシリコン基板１の平面図と、該平面図中に示す一点鎖線Ａ−Ａ’を通る部分の断面図とを示す。第４工程は、第２の接合工程に相当する。第４工程では、ガラス部１２とシリコン基板１とが陽極接合される。具体的には、ガラス板３の天面側に電極板２１を重ね合わせた状態で電極板２１とシリコン基板１との間に電圧を印加することで、シリコン基板１とガラス板３とが再度陽極接合されるとともに、ガラス部１２とシリコン基板１とが陽極接合される。この工程は、大気圧雰囲気や高真空雰囲気など、どのような外気圧のもとで実施しても良い。

図３（Ｓ５）に、第５工程におけるシリコン−ガラス複合体１０の平面図と、シリコン−ガラス複合体１０の側面図とを示す。第５工程では、シリコン基板１とガラス板３との接合体を全ての面から研削（例えば研磨）し、ガラス部１２を、天面１０Ａと、底面１０Ｂと、正面１０Ｃと、背面１０Ｄとに露出させる。

以上の第１工程から第５工程を経て、シリコン−ガラス複合体１０は製造される。本実施形態では、第３工程（加熱工程）で、有底溝２の内部空間と外部空間との気圧差を利用して、シリコン基板１の有底溝２の内部空間に軟化したガラス板３の一部が流動し、有底溝２の内部空間を充填することで、ガラス部１２を形成するため、従来技術のような荷重の印加が不要であり、陽極接合装置が荷重印加機構を備えている必要もない。よって、陽極接合装置が大型で高額なものとなることがなく、容易に生産性を高くすることができる。

また、第４工程（第２の接合工程）で、ガラス部１２とシリコン基板１とを陽極接合法により強固に接合するので、ガラス部１２とシリコン基板１との間を強固に接合して、バルクウエハと同等の抗折強度を持つシリコン−ガラス複合体１０を構成することができる。したがって、先に説明したモジュール３０のように、チップ部品３１を搭載するインターポーザー３２の一部として、シリコン−ガラス複合体１０を利用しても、モジュール３０の信頼性を確保することが可能になる。

以上に説明したように本発明は実施できるが、実施形態の記載はあくまで例示であり、本発明の作用効果は特許請求の範囲に記載した製造方法であれば、どのような製造方法であっても得ることができる。例えば、第５工程でガラス材とシリコン基板との接合体を研削せずに、ガラス部がシリコン−ガラス複合体の底面に露出していない形状としてもよい。また、第２工程（第１の接合工程）は、陽極接合を用いず、他の接合方法（接着など）を用いても良い。また、第２工程（第１の接合工程）の気圧と第３工程（加熱工程）の気圧とは、第３工程の気圧が第２工程の気圧よりも高ければどのような気圧であっても良い。

１…シリコン基板
２…有底溝
３…ガラス板
１０…シリコン−ガラス複合体
１０Ａ…天面
１０Ｂ…底面
１０Ｃ…前面
１０Ｄ…後面
１０Ｅ…左側面
１０Ｆ…右側面
１１Ａ，１１Ｂ…シリコン基板部
１２…ガラス部
２１…電極板
３０…モジュール
３１…チップ部品
３２…インターポーザー

Claims (6)

1. 有底溝を備えるシリコン基板に、第１の気圧の雰囲気中で、前記有底溝を覆うように重ね合わされたガラス材が接合される第１の接合工程と、
   前記第１の気圧の雰囲気よりも気圧が高い第２の気圧の雰囲気中で、前記ガラス材が接合された前記シリコン基板が前記ガラス材の軟化温度以上に加熱される加熱工程と、
   前記シリコン基板と前記ガラス材とが陽極接合される第２の接合工程と、
   がこの順に実施される、シリコン−ガラス複合体の製造方法。
2. 前記加熱工程において、前記有底溝に軟化した前記ガラス材の一部が流動し、前記有底溝を充填する、請求項２に記載のシリコン−ガラス複合体の製造方法。
3. 前記有底溝を充填している前記ガラス材を前記シリコン基板の一部から露出させるように、前記ガラス材と前記シリコン基板とが研削される工程が、前記第２の接合工程の後に実施される、請求項２に記載のシリコン−ガラス複合体の製造方法。
4. 前記シリコン基板は導電性を有し、
   前記第２の接合工程は、前記ガラス材に接して電極材が配置され、前記電極材と前記シリコン基板との間に電界が印加されることにより、前記シリコン基板と前記ガラス材とが陽極接合される工程である、請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン−ガラス複合体の製造方法。
5. 前記第２の気圧は大気圧である、請求項１〜４のいずれかに記載のシリコン−ガラス複合体の製造方法。
6. 前記第１の接合工程は、前記シリコン基板と前記ガラス材とが陽極接合される工程である、請求項１〜５のいずれかに記載のシリコン−ガラス複合体の製造方法。

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