JP4795112B2 - 接合基材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、バンプの形成や、キャップとデバイスとの接合、または気密封止を行なうシールの形成が、短時間に、かつ、容易に行なえる接合基材の製造方法に関するものである。

従来、バンプの形成や、キャップとデバイスを接合する目的で使用されるシールの形成方法として電気めっき法が知られている。この電気めっき法を使用して、バンプやシールとなる金属凸部を形成する方法の例を、図６及び図７を用いて説明する。図６は、電気めっき法によって形成された金属凸部（バンプ又はシール）を示す断面図であり、図７は、電気めっき法によって該金属凸部を形成する方法のフローチャートである。
図７に示すよう、まず、（ｉ）シード層成膜工程において、電極５２が形成された基板５１の上に、金属凸部の材料と電極５２の材料との双方に密着性の良いシード層５３を形成する。シード層５３の被着は、通常の薄膜形成技術を使用して行なう。次いで、（ｉｉ）フォトリソグラフィ工程において、めっき用パターニングを形成する。また、（ｉｉｉ）めっき処理工程において、めっき処理によって金属凸部５４を形成する。次に、（ｉｖ）レジスト剥離工程において、不要になったレジストを除去する。そして、（ｖ）シード層除去工程において、不要部分のシード層をエッチングする。その後、（ｖｉ）熱処理工程において、金属凸部５４に熱処理を施す。これにより、図６に示すような、電気めっきによる金属凸部５４が形成される。

ところが、上記電気めっき法では、次のような問題点があった。
まず、第一に、時間がかかる。第二に、合金を作製するにあたって成分比のコントロールが困難である。第三に、選択できる金属の幅が非常に狭まってしまう。第四に、繊細なめっき液管理が必要である。第五に、膜厚が面内で一様にすることは困難である。

そこで、電気めっき法を使用せずにバンプを形成する手段として、基板に形成された下地電極上に、該下地電極よりも面積が広い第１の半田を食み出し形成し、その後、第１の半田の上側に第１の半田よりも低い融点を持つ第２の半田を積層形成し、然る後、上記第１の半田の融点よりも高温で上記第１と第２の半田を加熱し、第１と第２の半田を融合凝集して半田バンプを形成するようにした方法が提案されている（特許文献１参照）。

ところが、このような手段においては、金属凸部の形成に際して、該金属凸部形成領域である下地電極よりも広い面積を必要とするため、金属凸部形成領域（下地電極）同士が平面的に近接している場合は、金属凸部を形成するための十分な面積を確保することができず、適用できないこともある。
特開平１０−５０７１３号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、金属凸部形成領域同士が平面的に近接している場合にも適用できると共に、電気めっき法に比べて短時間に、かつ、容易に金属凸部を形成できる接合基材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る接合基材の製造方法は、基板を構成し、絶縁性を有する面上の少なくとも一部に導電層を形成する工程Ａと、前記基板と前記導電層とを覆い、該導電層の所定の領域を露呈するように開口部を備えた、Ｔｉ、Ｃｒ、又はＳｉＯ _２ からなる保護層を形成する工程Ｂと、前記基板を溶融金属中に浸漬させて、前記開口部に凸部を形成する工程Ｃと、前記保護層を除去する工程Ｄと、を順に少なくとも備えることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る接合基材の製造方法は、請求項１において、前記工程Ｄの後、平坦化処理として再溶融熱処理を行う工程Ｅを、さらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、基板上に形成された導電層の所定の領域を露呈するように開口部を備えた保護層を形成し、この基板を溶融金属中に浸漬させて前記開口部に凸部を形成する。このように、前記基板を溶融金属中に浸漬させることで、前記開口部内に前記溶融金属が流入し、前記導電層と接合された凸部が形成される。つまり、凸部は、開口部の底面を構成する導電層の露呈された表面と、開口部の側面を構成する保護層の露呈された断面とによって決まる三次元的な凹部空間内に構成されることになる。
したがって、凸部はこの凹部空間内に収まるように構成されるので、その隣接間隔は凹部空間によって決定され、それぞれの凸部の形成領域となる導電層同士が平面的に近接している場合であっても、十分な凸部の形成領域を高さ方向に確保して所望の大きさ（高さ）の凸部を形成することができると共に、電気めっき法に比べて短時間で、かつ、容易に凸部を形成できる接合基材の製造方法を提供することができる。しかも、高さ方向に展開する保護層の厚さや、該保護層に形成された開口部の大きさ（径）によって、凹部空間の大きさが決まるので、凸部の大きさ（高さや広さ）を容易に制御することができる。
たとえば、保護層に設ける開口部の形状を変更することにより、凸部を、上方から見て円形や楕円形、リング状としてもよい。

以下、最良の形態に基づき、本発明に係る接合基材の製造方法の一例を、図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明に係る接合基材の製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。図３は、本発明で用いる基板に導電層を形成したパターンの一例を示す図であり、（ａ）の断面図は、（ｂ）の平面図に示すＡ−Ａ線に沿った断面を表している。

はじめに、基板１を準備する。この基板１は、絶縁性を有する面を備えたものであり、ガラスやセラミック等の絶縁体からなる絶縁体基板の他、基板１を構成する面上に絶縁層２を有するシリコン（Ｓｉ）等の半導体からなる半導体基板であっても良い。

絶縁層２は、基板１上に回路パターンが形成されている場合、導電層３によって悪影響が生じないように防止するものである。この絶縁層２は、少なくとも基板１上の導電層３形成部分に形成される。したがって、基板１自身が絶縁体であった場合、絶縁層２は不要となる。
また、絶縁層２は、たとえば基体１の表層部を酸化して、酸化膜を形成することにより形成したものであっても良い。

次に、絶縁層２が形成された面上の少なくとも一部に、導電層３を形成する［図１（ａ）］。この導電層３は、絶縁層２が形成された基板１と濡れ性の高い、たとえばＡｕ／Ｎｉ／Ｃｒ膜からなる金属膜をスパッタ成膜した後、パターニングを行うことにより形成する。その際、導電層３のパターニングは、たとえば図３に示すように、リング状となるように行なっても良い。

引き続き、バンプを載せたい領域に、フォトレジスト４でパターニングを行う［図１（ｂ）］。フォトレジスト４には、感光性材料を用い、パターニングして、たとえばリフトオフ用マスクを形成する。これは、凸部を形成したい領域にリフトオフ法を用いてマスクを除去し、前記凸部の材料となる半田と濡れ性の高い金属であるＡｕを露出させるためである。

次いで、絶縁層２が形成された基板１と導電層３を覆うように、全面に保護層５を形成する［図１（ｃ）］。保護層５をなす材料としては、たとえば、Ｔｉ、Ｃｒ、ＳｉＯ_２ 等からなる溶融金属と濡れ性の低い材料が好ましく、スパッタ法やＣＶＤ法等により形成することができる。これにより、後述する開口部５のみに容易に凸部を形成することができる。

その後、前記導電層３の所定の領域が露呈するように、前記フォトレジスト４（すなわち、リフトオフ用マスク）の剥離を行い、凸部を形成したい領域に開口部６を形成してＡｕを露出させる［図１（ｄ）］。したがって、保護層５は導電層３の所定の領域（一部）を露呈するように開口部５を備えており、凸部を形成したい領域以外の他の面は、保護層５で覆われている。

ここで、気密性、機械的強度を確保するにあたって、開口部６は様々なパターンが考えられる。たとえば、図４や図５に示すパターン例が挙げられる。すなわち、図４は、リング状の導電層３に重なり、かつ、その幅内に収まるように、矩形状の開口部６Ａを互いに離間させてリング状に配した例であり、図５は、リング状の導電層３に重なり、かつ、その幅内に収まるように、導電層３と略同心をなす１つのリング状の開口部６Ｂを配した例である。これにより、シール性の良い接合基材を容易に作製することができる。
したがって、開口部６の様々なパターンに応じて、後述する凸部を、開口部形状と同じ形状に制御（形成）することが可能となる。

また、本実施形態では、リフトオフ法を用いて開口部を形成したが、先に全面に保護層を形成しておき、その後、フォトリソグラフィ技術によって凸部を形成したい領域のみを開口するマスクを形成して開口部を形成するようにしても良い。

次に、前記基板１を、Ａｕが拡散するのに十分な時間溶融金属中に浸漬して開口部６内へ溶融金属を流入させ、これを引き上げることで前記開口部６に凸部７Ａを形成する［図２（ａ）］。凸部７Ａの材料となる溶融金属としては、たとえばＡｕ−２０ｗｔ％Ｓｎ共晶半田が挙げられる。
その後、保護層５を除去する［図２（ｂ）］。

これにより、めっきを使用することなく容易に、バンプやシールとなる凸部を作製することができる。しかも、いわゆるディップ法により凸部を形成するので、基板の一面だけでなく、他面にも保護層でパターニングをしておけば、両面同時に凸部の形成を行なうこともできる。
また、この方法で形成された凸部の高さは、母材や凸部の材料となる半田の表面張力、母材と半田の界面張力のバランス、すなわち母材と半田の濡れ性によって決まるので、開口径で容易に凸部の高さを制御することができる。このことは、凸部の体積が制御可能であることを意味し、予め計算しておけば、再溶融熱処理工程後にシール状に濡れ拡がった半田の高さも制御することが可能となる。したがって、開口径を小さくすれば、凸部の大きさを小さく、低くすることができ、パッケージの小型化、バンプの高密度化の観点から非常に有利である。

さらに、平坦化処理を行い、シール状の凸部７Ｂを形成する［図２（ｃ）］。平坦化処理としては、たとえば再溶融処理が好適である。この再溶融化処理を行なうと、凸部７Ａが加熱されて溶融・変形し、保護層５を除去した領域ではＡｕパターン上に凸部７ＡのＡｎ−Ｓｎが濡れ拡がって溶着するシールができる。

しかし、導電層３の最表面がＡｕの場合に再溶融を行なうと、Ａｎ−Ｓｎからなる半田に導電層３表面のＡｕが溶食されてしまうため、半田の組成比が変化してしまう。そして、この組成比の変化に起因して融点（液相線）が上昇したり、ＡｎとＳｎの化合物の形成により機械的強度が弱くなったりする可能性がある。
そこで、そのときには、予め半田のＡｎ−Ｓｎ組成比を共晶よりもＳｎ側にずらしておいて、再溶融熱処理後に共晶に近づけるようにすると良い。
このように平坦化処理を行うことによって、他基板との接続性が向上し、接合面全体の均一性が図れるものとなる。

また、本発明では、開口部６に凸部７Ａを形成した後、さらにフォトリソグラフィ技術を利用したパターニングを行い（不図示）、その後に保護層５を除去するようにしても良い。パターニング後に保護層５を除去すると、上記パターニングで保護しなかった領域の保護層が除去される。また、その後の再溶融熱処理により凸部７Ａを溶融させると、保護層５を除去した領域ではＡｎ−Ｓｎが濡れ拡がりシールができる。一方、保護層５を除去しなかった領域では保護層５（あるいはフォトレジスト）により濡れ拡がりが妨げられるためバンプ形状がそのまま残るものとなる。これにより、バンプとシールを同時に形成することもできる。

以上のように、本発明では凸部の材料となる溶融金属と結合しない保護層でパターニングされた基板を溶融金属に浸漬し、開口部に凸部を形成させた後、フォトリソグラフィ、保護層除去、再溶融熱処理を行なうことで、バンプとシールを同時に形成させることができると共に、めっき法やペースト法、蒸着法に比べて、短時間に、かつ、容易に、さらに安価に凸部を形成することができる。しかも、再溶融により接合面積全体に均一に濡れが拡がるため、強密着力で、高信頼性の気密封止が期待できる。

また、本発明は、開口部をリング状とし凸部をリング状に形成することで、電気的導通とＭＥＭＳパッケージとしてのハーメチックシールが同時に形成でき、密封される接合と電気的導通が同時に実現できる。
さらに、本発明では、フラックスを含まないため、洗浄工程は必要なく、ボイドや腐食による凸部の劣化なども無い。しかも、ボイドやフラックス残りがない凸部が形成できるので、強い密着強度を有した凸部を得ることができる。

本発明は、基板に形成された配線パターンと実装基板を繋ぐためのバンプや、配線パターンが形成されたキャップと各種ＭＥＭＳデバイスとを接合するための部材、または気密封止を目的とした封止シール等の金属凸部を備えた各種接合ワークの製造方法に適用できる。

本発明に係る接合基材の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。 図１に続く工程を順に示す断面図である。 導電層のパターン例を示す図である。 導電層の一部を露呈させる開口部の一例を示す図である。 導電層の一部を露呈させる開口部の他の例を示す図である。 従来の方法（電気めっき法）により形成した金属凸部を示す図である。 図６の金属凸部を形成する方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 基板（半導体基板）、２ 絶縁層、３ 導電層、４ フォトレジスト（リフトオフ用マスク）、５ 保護層、６（６Ａ、６Ｂ） 開口部、７Ａ、７Ｂ 凸部。

Claims (2)

1. 基板を構成し、絶縁性を有する面上の少なくとも一部に導電層を形成する工程Ａと、
   前記基板と前記導電層とを覆い、該導電層の所定の領域を露呈するように開口部を備えた、Ｔｉ、Ｃｒ、又はＳｉＯ _２ からなる保護層を形成する工程Ｂと、
   前記基板を溶融金属中に浸漬させて、前記開口部に凸部を形成する工程Ｃと、
   前記保護層を除去する工程Ｄと、
   を順に少なくとも備えることを特徴とする接合基材の製造方法。
2. 前記工程Ｄの後、平坦化処理として再溶融熱処理を行う工程Ｅを、
   さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の接合基材の製造方法。

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