JP2016082060A - パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】接合部の構造が簡素で、高い製造歩留りと、接合さらには気密封止に関する高信頼性の実現に貢献できるウェハレベルのパッケージが提供される。【解決手段】パッケージは、第１基板と、第２基板と、前記第１基板に配置される金属配線と、前記第２基板に設けられる凸部と、前記凸部に設けられる突起部と、を有し、前記突起部は、前記突起部の少なくとも先端部が前記金属配線中に埋設される状態で、前記金属配線に接合される。【選択図】図１

Description

本発明は、パッケージに関する。

赤外線センサにおいては、減圧雰囲気で封止されたパッケージを備えることが一般的である。この理由を下記に説明する。例えば、ボロメータ型の赤外線センサの場合、受光した赤外線をボロメータ素子の熱に変換し、これによって変化する抵抗値を読み取って、赤外線強度の大小を判定している。このとき、ボロメータ素子の周辺雰囲気が減圧雰囲気でないと、伝導によって熱が散逸して感度が劣化するためである。その他の、例えば、ダイオード型のセンサの場合も同様である。

減圧雰囲気で封止できるパッケージは、そうでないパッケージと比較して、構造が複雑であり、製造コストが高いという問題がある。

これを解決する手段として、ウェハレベルパッケージという方法が提案されている。例えば、特許文献１に開示されているように、複数の赤外線センサが形成されたウェハと、これと対向するキャップウェハとを、減圧下にて半田を用いて接合し、接合後に個々の赤外線センサに切り分けるものである。この方法によれば、複数の気密封止パッケージを同時に製造できるので、製造コストを低くすることができる。

ウェハ同士を半田を用いないで接合する方法としては、例えば、特許文献２に開示されているように、常温接合法を用いて、赤外線センサの形成されたウェハの筒部端面と、これに対向するキャップウェハの平面とを直接的に接合する方法がある。なお、常温接合法の具体的な説明は、特許文献３に開示されている。

特許文献４には、カバーガラスとチップ基板の間にスペーサを挿入し、スペーサの両面上にそれぞれ設けられた接着剤を介して、スペーサをカバーガラスとチップ基板にそれぞれ接着することによって、カバーガラスとチップ基板の間にスペーサによって封止された空間を形成する方法が開示されている。

特表平９−５０６７１２号公報 特許第３５１９７２０号公報 特許第２７９１４２９号公報 特開２００７−８８２９１号公報

以下に関連技術の分析を与える。

特許文献１に開示されているように、ウェハ間の接合に半田を用いる場合には、赤外線ウェハが形成されたウェハおよびキャップウェハにおいて、半田を形成する箇所に、密着層となる金属や、半田の拡散を防止する金属を予め形成しておくことが求められる。このため、接合部の構造が複雑になるという問題がある

特許文献２又は３に開示されているように、シリコンとシリコンとを接合してウェハ同士を接合する場合には、接合部分が平坦であることが求められる。平坦性が十分でないと、気密性が十分ではなく、減圧雰囲気の維持ができなくなったり、製造歩留りが悪くなったりするという問題がある。また、接合部である、ウェハの表面やウェハの筒部端面に凹凸がある場合、接合不良が発生したり、さらには空隙が発生して、筒部によって囲まれて所定の素子が封止される空間に気密不良が発生したりするおそれがある。

特許文献４のようにスペーサを用いる場合には、スペーサを、カバーガラスとチップ基板の両方にそれぞれ接着する手間がかかり、又接合部の構成要素が多くて構造が複雑であるという問題がある。

かくして、接合部の構造が簡素で、高い製造歩留りと、接合さらには気密封止に関する高信頼性の実現に貢献できるウェハレベルのパッケージを提供することが望まれる。

本開示の第１の視点によれば、第１基板と、第２基板と、前記第１基板に配置される金属配線と、前記第２基板に設けられる凸部と、前記凸部に設けられる突起部と、を有し、前記突起部は、前記突起部の少なくとも先端部が前記金属配線中に埋設される状態で、前記金属配線に接合される、ことを特徴とするパッケージが提供される。

第１の視点によれば、接合部の構造が簡素で、高い製造歩留りと、接合さらには気密封止に関する高信頼性の実現に貢献できるウェハレベルのパッケージが提供される。

第１実施形態に係るパッケージの断面構成を例示する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態に係るパッケージの製造方法を説明するための工程図である。 図２（Ａ）に例示した主基板（第１基板）の平面構成を例示する図である。 第１実施形態のパッケージ（赤外線デバイス）の平面構成を例示する図である。 図４のＡ−Ａ’線で切断した断面構成を例図する図である。 第２実施形態に係るパッケージが有する接合部の断面構成を例示する図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第３実施形態に係るパッケージが有する種々の突起部の縦断面構成を例示する図である。

以下では、本発明の実施形態に共通する基本概念を説明し、つづいて各実施形態について説明する。なお、以下の説明において、括弧内の参照符号は、本発明の基本概念をより明確とするために一例として示したものであって、本発明を限定するために解釈されるべきものでないことは勿論である。

図１は、各実施形態に共通な基本概念を模式的に例示している。図１を参照すると、第２基板（２０）の凸部（２１）に、さらに突起部（２２）が設けられる。突起部（２２）の少なくとも先端部が第１基板（１０）の金属配線（１４）中に埋設される状態で、突起部（２２）は金属配線（１４）に接合される。金属配線（１４）および突起部（２２）から構成される接合部（１４，２２）を環状に形成することによって、第１および第２基板（１０，２０）の間に、封止される空間（２３）を形成し、空間（２３）内に所定の素子を配置することができる。

第１および第２基板（１０，２０）の接合方法を例示する。第１基板（１０）と第２基板（２０）との相互位置を調整し、減圧雰囲気下で加圧し、加圧の過程で、第２基板（２０）の凸部（２１）の突起部（２２）の少なくとも先端部が、第１基板（１０）上の金属配線（１４）の中に埋め込まれる。

接合部（１４，２２）による第１の効果は、接合部（１４，２２）の構造が簡素であり、接合部（１４，２２）を有するパッケージ、例えば、気密封止パッケージの生産性が高いことである。

その理由は、接合部（１４，２２）を、第１基板（１０）の金属配線（１４）と、第２基板（２０）の突起部（２２）とから構成することができるからである。金属配線（１４）は、第１基板（１０）に形成されるデバイスの最上層配線と同時に形成できるため、金属配線（１４）を形成するための工程を新たに追加しなくてもよい。

第２の効果は、接合部（１４，２２）の接合、さらには接合部（１４，２２）によって形成される空間（２３）の気密封止に関する信頼性が高く、よって、パッケージの製造歩留りが高く、製造コストが低いことである。

その理由を下記に説明する。第１基板（１０）の表面には、デバイスの形成過程で、平坦性の不十分さやバラツキ、すなわち不可避的な凹凸が発生してしまう。しかしながら、このような凹凸は、突起部（２２）の金属配線（１４）に対する埋設量の増減によって、自然に吸収される。埋設量の増減にかわらず、突起部（２２）の少なくとも先端部は金属配線（１４）に埋め込まれているため、接合部（１４，２１）に空隙が発生することが防止される。また、比較的幅広な凸部（２１）によって、第１基板（１０）と第２基板（２０）間に十分な高さが確保され、一方、凸部（２１）よりも狭い突起部（２２）は、金属配線（１４）中に埋め込まれ易い。このため、空間（２３）は、上述した減圧雰囲気下での加圧終了後も、減圧雰囲気を安定して保持することができる。このようにして、第１および第２基板（１０，２０）間の接合、さらには空間（２３）の気密封止に関する信頼性が高くなるため、気密封止パッケージの製造歩留りが高くなり製造コストが低下する。

以上より、各実施形態のパッケージは、赤外線センサを減圧雰囲気内に封止する気密封止パッケージとして好適である。

以下、図面を参照して、例示的な実施形態について詳しく説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明は、かかる構成に限定されるものでないことは勿論である。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るパッケージの断面構成を例示する図である。図１を参照すると、第１基板（以下これを「主基板」と称する）１０には、赤外線素子形成領域１１、読出回路形成領域１２、パッド１３、および金属配線１４が設けられる。

赤外線素子形成領域１１上の赤外線素子１５に記憶された情報は、読出回路形成領域１２上の読出回路に伝達され、パッド１３を通じて外部に取り出される。読出回路形成領域１２には、最上層配線１６の下に、図には明示されていないが、赤外線素子１５からの情報を処理するトランジスタおよび配線などが形成されている。

同様に、赤外線素子１５およびパッド１３の下にも、図には明示されていないが、情報伝達用のトランジスタおよび配線が形成されている。パッド１３と金属配線１４は、読出回路の最上層配線１６と同時に形成できる。このように、気密封止に用いられる金属配線１４は、新規に工程を追加する必要がなく形成できるので、パッケージの製造コストを低くすることができる。接合信頼性および製造コスト等を考慮すると、金属配線１４の好ましい膜厚は、例えば０．５〜２μｍの範囲である。

主基板１０と概ね平行に配置される第２基板（以下これを「対向基板」と称する）２０は、例えばシリコン基板であって、凸部２１が一体的に形成されている。凸部２１の頂面には、突起部２２が一体的に形成されている。突起部２２の幅は、凸部２１の幅より狭く、金属配線１４に埋め込まれている。この埋め込みによって、主基板１０と対向基板２０の間に、環状の凸部２１と環状の金属配線１４とによって囲まれた空間２３が形成される。空間２３は、気密空間であり、減圧雰囲気を維持することができる。

赤外線素子１５を配置するための高さを確保すると共にパッケージの小型化を図ることを考慮すると、凸部２１の好ましい高さは、例えば３０〜１００μｍの範囲である。凸部２１の基端部の好ましい幅は、例えば２０〜２００μｍの範囲である。埋め込み性および製造容易性等を考慮すると、突起部２２の好ましい幅は、金属配線１４の好ましい膜厚と同等であり、例えば０．５〜２０μｍの範囲であって、凸部２１の幅よりも十分に狭くすることが好ましい。突起部２２の好ましい高さは、金属配線１４の好ましい膜厚と同等であって、例えば０．５〜２μｍの範囲である。

次に、第１実施形態のパッケージ（赤外線デバイス）の製造方法を説明する。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態に係るパッケージの製造方法を説明するための工程図である。図３は、図２（Ａ）に例示した主基板の平面構成を例示する図である。図４は、第１実施形態のパッケージ（赤外線デバイス）の平面構成を例示する図である。

図２（Ａ）は、接合前の主基板１０と対向基板２０の断面図を例示している。主基板１０には、赤外線素子形成領域１１、読出回路形成領域１２、パッド１３および金属配線１４が既に設けられている。対向基板２０には、環状の凸部２１と、環状の突起部２２が既に設けられている。なお、凸部２１および突起部２２は、対向基板２０を、機械的、化学的又は機械化学的方法によって加工することにより、形成することができる。

続いて、主基板１０と対向基板２０とを接合装置に導入し、周辺雰囲気を減圧にした後、金属配線１４と突起部２２が重なるように位置合わせを行い、常温接合法を用いて接合する。常温接合法の一例を説明すると、室温の減圧ないし真空雰囲気下で、接合面に、不活性ガスイオンビーム又は不活性ガス高速原子ビームを照射してスパッタエッチングして清浄化し、次に、接合面同士を重ね合わせ、無加圧又は低加圧で強固な接合を形成する。

接合後は図２（Ｂ）に例示するように、突起部２２が金属配線１４に埋め込まれる。突起部２２は、凸部２１に比べて幅が狭いため、金属配線１４中に埋め込まれ易い。好ましくは、金属配線１４の材質をアルミ合金として、金属配線１４を比較的軟らかく（変形し易く）形成し、突起部２２をさらに埋め込まれ易くする。

主基板１０の表面は、図には明示されていないが、その下部にある不図示のトランジスタおよび配線の有無を反映した凹凸が存在している。こうした凹凸は、例えば、数十ｎｍから数百ｎｍレベルの凹凸であるため、特に常温接合においては接合部（１４，２２）における空隙発生の原因となり得、さらには空間２３の気密不良の原因となり得る。

しかしながら、上記凹凸は、突起部２２が金属配線１４に埋め込まれる量の多少によって吸収されるので、接合部（１４，２２）における空隙の発生が防止される。これにより、空間２３は、減圧下に安定して維持される。

続いて、図２（Ｃ）に示すように、主基板１０を不図示のダイシング装置に保持し、対向基板２０をダイシングライン２４の位置で図面に垂直方向に切断する。次に、対向基板２０をダイシング装置に保持し、主基板１０をダイシングライン２５，２６の位置で図面に垂直方向に切断する。また、主基板１０を、その表面上の所定の位置で切断することにより（図３参照）、図４に例示するような、個々のパッケージ３０（気密封止パッケージ、チップサイズな赤外線デバイス）が切り離されて完成する。

図５は、図４のＡ−Ａ’線で切断した断面構成を例図する図である。図４を参照すると、金属配線１４は、閉じたループ状（環状）の平面形状を有していることがわかる。凸部２１および突起部２２（図１参照）は、金属配線１４の平面形状に対応して、環状に形成される。

図５を参照すると、赤外線素子１５（図１参照）からの情報は、パッド１３を通して外部に取り出すことができる。詳細には、読出回路の最上層配線１６とパッド１３を、金属配線１４を迂回して接続するため、パッド１３および最上層配線１６の下にヴィアホール３２をそれぞれ設ける。赤外線素子１５に記憶された情報は、読出回路形成領域１２の読出回路に伝達され、最上層配線１６、ヴィアホール３２、下層配線３１、ヴィアホール３２、およびパッド１３を通じて外部に取り出すことができる。

第１実施形態のパッケージによる効果を下記に例示する：
（１）デバイスが作成された主基板１０上の最上層配線を用いて、主基板１０と対向基板２０の接合部（１４，２２）の一方を構成する金属配線１４が、シールリング状にパターンニングすることができる。これによって、金属配線１４の形成工程が省力化される。
（２）対向基板２０には、主基板１０の金属配線１４に対応する位置に、凸部２１が形成される。凸部２１によって、主基板１０と対向基板２０の間に、接合部（１４，２２）によって封止されて形成される空間２３の高さが十分に確保される。
（３）凸部２１には、幅が狭く、金属配線１４に埋め込まれ易い突起部２２が形成される。
（４）突起部２２が金属配線１４に埋め込まれるよう、主基板１０と対向基板２０は、減圧雰囲気下で常温接合することができる。
（５）主基板１０の表面の凹凸は、突起部２２が金属配線１４に埋め込まれる量の多少によって吸収されるので、接合部（１４，２２）に空隙を生じることが防止される。これにより、空間２３は、減圧下に安定して維持される。

［第２実施形態］
第１実施形態に係る図１では、突起部２２の全体が金属配線１４中に埋め込まれている。第２実施形態では、これに代えて、突起部２２が部分的に、金属配線１４中に埋め込まれている例を説明する。

図６は、第２実施形態に係るパッケージが有する接合部の断面構成を例示する図である。図６を参照すると、突起部２２の先端部２２ａのみが、金属配線１４中に埋め込まれている。このような、突起部２２の部分的な埋め込みによっても、接合および気密封止に関する信頼性を確保することができる。なお、環状な突起部２２の部分的な埋め込みは、環状方向に全部でもよく一部でもよい。

［第３実施形態］
第１実施形態に係る図１では、突起部２２の縦断面形状が略台形に例示されているが、突起部２２の形状はこれに限定されるものではない。第３実施形態では、突起部２２の形状に関する種々の変形例を説明する。図７（Ａ）〜（Ｄ）は、第３実施形態に係るパッケージが有する種々の突起部の縦断面構成を例示する図である。

図７（Ａ）〜（Ｄ）を参照すると、突起部２２の縦断面形状は、例えば、矩形状、半球状（半楕円状を含む）、および階段状にすることができる。また、図７（Ｅ）に示すように、突起部２２は複数個形成されてもよく、例えば二重環状に形成されてもよい。

なお、上記の特許文献等の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

１０ 第１基板、主基板
１１ 赤外線素子形成領域
１２ 読出回路形成領域
１３ パッド
１４ 金属配線
１５ 赤外線素子
１６ 読出回路部の最上層配線
２０ 第２基板、対向基板
２１ 凸部
２２ 突起部
２２ａ 先端部
２３ 空間、封止空間
２４，２５，２６ ダイシングライン
３０ パッケージ、気密封止パッケージ、赤外線デバイス
３１ 下層配線
３２ ヴィアホール

Claims (10)

1. 第１基板と、
   第２基板と、
   前記第１基板に配置される金属配線と、
   前記第２基板に設けられる凸部と、
   前記凸部に設けられる突起部と、
   を有し、
   前記突起部は、前記突起部の少なくとも先端部が前記金属配線中に埋設される状態で、前記金属配線に接合される、ことを特徴とするパッケージ。
2. 前記金属配線の厚さは、前記突起部の高さ以上であることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
3. 前記突起部の縦断面形状は、台形状、矩形状、半球状、および階段状のいずれか一であることを特徴とする請求項１又は２に記載のパッケージ。
4. 前記突起部は、前記凸部が前記金属配線から離間するよう、前記凸部に設けられる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載のパッケージ。
5. 前記第１および第２基板間に、互いに接合される前記金属配線と前記突起部によって気密封止される空間が設けられ、前記空間に、前記第１基板上に設けられる所定の素子形成領域が配置される、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載のパッケージ。
6. 前記所定の素子形成領域は、赤外線検出用であり、
   前記第１基板は、赤外線センサを有するウエハであり、
   前記パッケージは、赤外線センサの気密封止用である、ことを特徴とする請求項５に記載のパッケージ。
7. 前記金属配線は、前記第１基板上に配置される回路の最上層配線であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一に記載のパッケージ。
8. 前記金属配線は、閉ループ状の平面形状を有する、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一に記載のパッケージ。
9. 前記金属配線は、アルミ合金を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載のパッケージ。
10. 前記第２基板は、シリコン基板であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載のパッケージ。

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