JP2013219237A

JP2013219237A - 真空パッケージおよびその製造方法

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Publication number: JP2013219237A
Application number: JP2012089400A
Authority: JP
Inventors: Hisatoshi Hata; 久敏秦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2013-10-24

Abstract

【課題】製造コストを抑えた真空パッケージおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体素子２が設けられた底部と、底部の周囲を囲む側壁部とを有するセラミックパッケージ１と、薄膜ゲッター１２が設けられた蓋部８とを含み、セラミックパッケージの側壁部に設けられたメタライズ１３ａと、蓋部に設けられたメタライズ１３ｂとの間がはんだにより接合されて、半導体素子を内部に封止する真空パッケージにおいて、薄膜ゲッターは、蓋部にはんだで接合された基板１０上に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は真空パッケージおよびその製造方法に関し、特に、非冷却赤外線イメージセンサが実装され、薄膜ゲッターを内蔵する、真空封止された真空パッケージおよびその製造方法に関する。

真空パッケージ内の真空度を維持するために、パッケージ内部に気体を吸着するゲッターが設置される。近年の小型セラミックパッケージでは、従来の厚膜ゲッターに代わり薄膜ゲッターが用いられる（例えば、特許文献１参照）。具体的には、蓋をパッケージに固定するためのメタライズと薄膜ゲッターとがウエハ上に形成され、これをウエハから切り出すことで、複数の、薄膜ゲッターを備えた蓋が形成される。続いてメタライズを用いて蓋とパッケージとを接合して内部を真空封止することで、真空パッケージが得られる。

特表２００７−５３７０４０号公報

真空封止を行うためにメタライズはウエハとの高い密着力が要求されるが、ウエハ表面の汚染等で密着力が低い場合やメタライズ上の傷やメタライズ自体の欠け等により真空封止に適しない蓋が発生する。蓋が真空封止に適しているか否かは、実際に蓋をパッケージに接合するまで判断が難しい。このため、蓋にメタライズとともに薄膜ゲッターを形成したにもかかわらず使用できない蓋が発生する。特にメタライズの歩留りが悪い場合は、使用されない薄膜ゲッターも多くなり、製造コストが高くなるという問題があった。

そこで、本発明は、使用に適したメタライズを有する蓋にのみ薄膜ゲッターを形成することにより製造コストを抑えた真空パッケージおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、半導体素子が設けられた底部と、底部の周囲を囲む側壁部とを有するセラミックパッケージと、薄膜ゲッターが設けられた蓋部とを含み、セラミックパッケージの側壁部に設けられたメタライズと、蓋部に設けられたメタライズとの間がはんだにより接合されて、半導体素子を内部に封止する真空パッケージにおいて、薄膜ゲッターは、蓋部に設けられたメタライズにはんだで接合された基板上に設けられる。

また、本発明は、半導体素子を内部に封止した真空パッケージの製造方法であって、半導体素子が設けられた底部と、底部の周囲を囲む側壁部とを有し、側壁部に第１メタライズを備えたセラミックパッケージを準備する工程と、第２メタライズと第３メタライズとを備えた蓋部を準備する工程と、一方の面に薄膜ゲッターを有し、他方の面に第４メタライズを有する基板を準備する工程と、蓋の第２メタライズの上に第１はんだを載置すると共に、第３メタライズの上に第４メタライズが第２はんだを挟んで重なるように基板を載置する工程と、加熱することにより、第１はんだと第２はんだとを溶融させる溶融工程と、セラミックパッケージの第１メタライズと、蓋の第１はんだとを接触させる接触工程と、冷却することにより、第１メタライズと第２メタライズとの間を第１はんだにより接合して、セラミックパッケージと蓋の内部に半導体素子を封止するとともに、薄膜ゲッターを有する基板を蓋部に接合する工程と、を含むことを特徴とする真空パッケージの製造方法でもある。

以上のように、本発明にかかる真空パッケージでは、使用に適した蓋にのみ薄膜ゲッターを形成することにより、真空パッケージの製造コストを下げることができる。

また、蓋とセラミックパッケージの接合と同時に、薄膜ゲッターを有する基板を蓋にはんだで接合するため、簡単な工程で、しかも蓋のわれを防止でき、信頼性の高い真空パッケージの提供が可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージの平面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージの断面図である。本発明の実施の形態１にかかる複数の蓋が形成された基板の平面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージの封止工程の概略図である。本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージの断面図である。本発明の実施の形態２にかかる薄膜ゲッターの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる薄膜ゲッターの平面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージの上面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’における紙面に平行な方向に見た場合の断面図である。図１においては、内部の構造が理解しやすいように蓋８は省略されている。

図１、２に示すように、真空パッケージ１００は、底部と、底部の周囲を囲む側壁部とを有するセラミックパッケージ１を含む。セラミックパッケージ１の上には、例えば非冷却型の赤外線センサのような半導体素子２がダイボンド剤３により固定されている。半導体素子２の上のパッド４と、セラミックパッケージ１の上のパッド５とは、例えばアルミニウムからなるワイヤ６により接続されている。セラミックパッケージ１にはパッド５と電気的に接続された外部ピン７が形成されている。セラミックパッケージ１の周囲には封止用のメタライズ１３ａが設けられている。

なお、図１に示す２ａは、半導体素子２が赤外線センサである場合の、受光領域を示し、２ｂは、蓋８に形成される薄膜ゲッター１２の位置を示す。このように、半導体素子２が赤外線センサである場合は、受光領域２ａと薄膜ゲッター１２の位置２ｂとをずらすことにより、薄膜ゲッター１２が半導体素子２に入射する光を遮らないようにしている。半導体素子２が加速度センサのような他の素子の場合は、２ａと２ｂが重なってもかまわない。

蓋８の両面には赤外線の透過率を向上させるための反射防止膜９ａ、９ｂが形成されている。半導体素子２が赤外線センサ等で無い場合は、反射防止膜９ａ、９ｂを形成しなくても良い。

蓋８には、セラミックパッケージ１のメタライズ１３ａに対応する領域にメタライズ１３ｂが設けられるとともに、薄膜ゲッター１２が設けられた基板１０を取り付けるためのメタライズ１１が設けられている。メタライズ１３ｂとメタライズ１１は、同一の工程で、同一材料から形成されることが好ましい。メタライズ１３ａ、１３ｂ、１１は、例えば下層からＣｒ、Ｎｉ、Ａｕ、またはＴｉ、Ｎｉ、Ａｕの積層膜からなる。

セラミックパッケージ１のメタライズ１３ａと、蓋８のメタライズ１３ｂとは、はんだ（図示せず）により接合される。同じく、蓋８のメタライズ１１と、基板１０に設けられたメタライズ１４とは、はんだ（図示せず）により接合される。基板１０の上には薄膜ゲッター１２が設けられている。薄膜ゲッター１２は、例えばジルコニウム、チタニウム、ホウ素、コバルト、カルシウム、ストロンチウム、トリウム等からなる。また基板１０は、シリコンやガラスからなる。

図３は、複数の蓋８が形成された基板１０の平面図である。基板１０は、例えばシリコンからなる。各蓋８の領域には、メタライズ１１、１３ｂが形成されている。メタライズ１１、１３ｂは、例えば基板１０上にフォトレジストのマスクを形成した後、蒸着法やスパッタ法を用いて選択的に形成される。基板１０の上にメタライズ１１、１３ｂが形成された後に、ダイシングにより分割されて、蓋８が得られる。なお、上述のように、基板１０の両面には、必要に応じて反射防止膜９ａ、９ｂが形成される。

１枚の基板１０から切り出した蓋８からいくつかを選択し、メタライズ１３ｂの上にはんだを乗せて真空中でリフローを行う。その後に、メタライズの剥離の有無やはんだの濡れ状態を検査することで、その基板１０から切り出された蓋８が封止に適しているか否かを判断する。

この検査により封止に適していないと判断した場合は、その基板１０から切り出された蓋８は封止工程には使用しない。一方、封止に適していると判断した場合は、以下の封止工程を行う。

図４を用いて、本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージ１００の封止工程について説明する。図４中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

図４（ａ）に示すように、下部ヒーター３０と上部ヒーター３１を準備し、その中に、セラミックパッケージ１と蓋８がセットされる。セラミックパッケージ１の内側には半導体素子２が設けられ、周囲にはメタライズ１３ａが設けられている。一方、蓋８の上には、メタライズ１１、１３ｂが設けられている。メタライズ１３ｂの上にははんだ３３が載置される。また、メタライズ１１の上にははんだ３２が載置され、その上に基板１０が載置される。なお、基板１０の裏面上のメタライズ１２と表面上の薄膜ゲッター１２は省略してある。

次に、セラミックパッケージ１と蓋８をセットした下部および上部ヒーター３０、３１を、真空チャンバ内に入れて排気して真空状態にした後、下部および上部ヒーター３０、３１を加熱する。

下部および上部ヒーター３０、３１は、まず薄膜ゲッター１２の活性化温度、例えば３５０℃まで加熱し、１０分間保持して活性化を行う。

続いて、はんだ３２、３３の融点より５０°程度高い温度まで、下部および上部ヒーター３０、３１を加熱し、その温度に保持する。これにより、はんだ３２、３３は溶融状態となる。

この状態で、図４（ｂ）に示すように、下方より荷重ピン３４を上方に移動させて、蓋８を押し上げ、メタライズ１３ｂ上のはんだ３３と、メタライズ１３ａとを接触させて保持した後、下部および上部ヒーター３０、３１の温度を下げる。これにより、メタライズ１３ｂとメタライズ１３ａとがはんだ３３を介して接合させる。また、基板１０とメタライズ１１も、はんだ３２を介して接合される。なお、メタライズ１３ｂ上のはんだ３３と、メタライズ１３ａとを接触させた状態で、はんだ３３を溶融させてもかまわない。

なお、半導体素子２と蓋８との距離は、薄膜ゲッター１２が形成された基板１０の厚さより大きく、薄膜ゲッター１２が半導体素子２と接触しないようにしている。

かかる方法では、薄膜ゲッター１２が形成された基板１０をはんだ３２を介して蓋８の上に固定するため、蓋８にかかる応力が小さくなり、板厚の薄い蓋８を用いることも可能である。即ち、従来の厚膜ゲッターでは、金属プレート上に焼結法で厚膜ゲッターが形成され、厚膜ゲッターを蓋に固定するために溶接法が用いられていた。このため、溶接工程で蓋が割れるおそれがあり、板厚の大きな蓋を用いざるをえなかった。これに対して、この方法では、基板１０と蓋８ははんだ３２により接合されるため、蓋８の板厚を小さくできるとともに、製造歩留りも向上する。

このように、本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージでは、メタライズが良好に形成された蓋にのみ薄膜ゲッターを形成するため、ジルコニウム等からなる薄膜ゲッターを無駄にすることがなくなり、製造コストの低減が可能となる。

また、基板上に形成された薄膜ゲッターを、はんだを用いて蓋に接合するため、蓋にかかる応力を低減でき、蓋の板厚を薄くできる。

実施の形態２．
図５は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージの断面図である。図１と同様に、図１のＡ−Ａ’に該当する部分での断面図であり、図５中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージ２００では、基板１０の表面に複数の凹部２１が形成され、その上に薄膜ゲッター１２が形成されている。これにより、基板１０の表面が平坦な場合に比較して薄膜ゲッター１２の表面積が大きくなり、真空パッケージ中での気体の吸着量を増やすことができ、真空パッケージ中の真空度を高く維持できる。特に、真空パッケージの中に受光素子を設ける場合には、受光素子への入射光を妨げないために薄膜ゲッターの大きさは制限されるため、薄膜ゲッターの表面積を大きくすることが有効である。

次に、図６を用いて、真空パッケージ２００の薄膜ゲッターの製造工程について説明する。まず、（ａ）に示すように、例えば（１００）面を有する単結晶シリコンウエハからなる基板１０を準備し、（ｂ）に示すように、一方の面に、蒸着等を用いて、例えばＣｒ、Ｎｉ、Ａｕの積層膜からなるメタライズ１１を形成する。

次に、（ｃ）に示すように、他方の面にフォトレジストを形成して写真製版を行い、レジストマスク２０を形成する。

次に、（ｄ）に示すように、レジストマスク２０をエッチングマスクに用いて、ＫＯＨまたはＴＭＡＨにより基板１０をウエットエッチングし、凹部２１を形成する。凹部２１はシリコンの異方性エッチングによりテーパー角は５５°となる。なお、例えばＸｅＦ_２ガスを用いたドライエッチングを用いてもかまわない。

次に、（ｅ）に示すように、レジストマスク２０をアセトン等により除去する。

最後に、（ｆ）に示すように、例えばジルコニウムからなる薄膜ゲッター１２をスパッタ法で形成する。上述のように凹部２１のテーパー角が５５°であるため、凹部２１の内部まで薄膜ゲッター１２が形成できる。

図７は、図６（ｆ）の薄膜ゲッター１２の平面図である。碁盤の目のように凹部２１が形成されている。薄膜ゲッター１２の面積を大きくする手段として、他の手段、例えば基板１０の表面にラインアンドスペース構造を形成する、基板１０の断面を鋸状にするなどの手段を用いても良い。

かかる製造方法では、シリコンプロセスで用いられる一般的なエッチング工程で基板１０の表面に凹部２１が形成できるとともに、例えばパッケージの内壁に凹部を設ける場合のような機械的加工を必要としないため、歩留り良く凹部２１を形成できる。

以上のように、本発明の実施の形態にかかる真空パッケージでは、蓋８と、薄膜ゲッター１２が設けられた基板１０とを別個に製造するため、蓋８のメタライズが不良と判断された場合には蓋８には薄膜ゲッター１２を作製しない。このため、例えばジルコニウムからなる薄膜ゲッター１２を無駄にすることがなく、製造コストの低減が可能となる。

また、基板１０の表面に凹部２１を形成することにより、薄膜ゲッター１２の表面積を大きくして気体の吸着量を増やせるため、安価で信頼性の高い真空パッケージを製造できる。

なお、薄膜ゲッター１２が形成された基板１０は、真空パッケージの封止工程で同時に蓋８の上に固定されるため、製造工程が複雑になることはない。特に、従来の焼結体ゲッターを蓋上に固定する方法では溶接工程が必要であり、蓋が割れる恐れがあったが、本実施の形態にかかる方法でははんだで固定するため、蓋が割れることは無く、信頼性の高い真空パッケージを提供できる。

１セラミックパッケージ、２半導体素子、３ダイボンド剤、４、５パッド、６ワイヤ、７外部ピン、８蓋、９ａ、９ｂ反射防止膜、１０基板、１１メタライズ、１２薄膜ゲッター、１３ａ、１３ｂ、１４メタライズ、２０レジストマスク、２１凹部、３０下部ヒーター、３１上部ヒーター、３２、３３はんだ、３４荷重ピン、１００、２００真空パッケージ。

Claims

半導体素子が設けられた底部と、底部の周囲を囲む側壁部とを有するセラミックパッケージと、薄膜ゲッターが設けられた蓋部とを含み、
該セラミックパッケージの側壁部に設けられたメタライズと、該蓋部に設けられたメタライズとの間がはんだにより接合されて、該半導体素子を内部に封止する真空パッケージであって、
該薄膜ゲッターは、該蓋部にはんだで接合された基板上に設けられたことを特徴とする真空パッケージ。
上記基板の表面が複数の凹部を有し、その上に上記薄膜ゲッターが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の真空パッケージ。
上記基板と上記蓋部とは、該基板に設けられたメタライズと、該蓋部に設けられたメタライズとの間が上記はんだにより接合されたことを特徴とする請求項１または２に記載の真空パッケージ。
上記基板は、シリコンまたはガラスからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空パッケージ。
上記メタライズは、Ｃｒ、Ｎｉ、ＡｕまたはＴｉ、Ｎｉ、Ａｕからなる積層膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空パッケージ。
上記半導体素子は、非冷却型の赤外線センサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の真空パッケージ。
半導体素子を内部に封止した真空パッケージの製造方法であって、
半導体素子が設けられた底部と、該底部の周囲を囲む側壁部とを有し、該側壁部に第１メタライズを備えたセラミックパッケージを準備する工程と、
第２メタライズと第３メタライズとを備えた蓋部を準備する工程と、
一方の面に薄膜ゲッターを有し、他方の面に第４メタライズを有する基板を準備する工程と、
該蓋の該第２メタライズ上に第１はんだを載置すると共に、該第３メタライズの上に該第４メタライズが第２はんだを挟んで重なるように該基板を載置する工程と、
加熱することにより、該第１はんだと該第２はんだとを溶融させる溶融工程と、
該セラミックパッケージの該第１メタライズと、該蓋の第１はんだとを接触させる接触工程と、
冷却することにより、該第１メタライズと該第２メタライズとの間を該第１はんだにより接合して、該セラミックパッケージと該蓋の内部に該半導体素子を封止するとともに、該薄膜ゲッターを有する該基板を該蓋部に接合する工程と、を含むことを特徴とする真空パッケージの製造方法。
上記溶融工程後に上記接触工程を行うこと、または上記接触工程後に上記溶融工程を行うことを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
更に、上記薄膜ゲッターを所定の温度に保持して活性化させる工程を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の製造方法。