JP4915677B2

JP4915677B2 - センサ装置の製造方法

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Publication number: JP4915677B2
Application number: JP2008138761A
Authority: JP
Inventors: 幸司辻; 宜志竹川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: JP2009289838A

Description

本発明は、センサ装置の製造方法に関するものである。

従来から、ウェハレベルパッケージング技術を利用するセンサ装置（例えば、加速度センサ、ジャイロセンサ、赤外線センサなど）の製造方法が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１）。

ここにおいて、上記特許文献１には、図１１に示すように、第１のシリコン基板１０’を用いて形成され一表面側にセンサ素子（図示例では、可動ゲートＭＯＳトランジスタ）３’が形成されたセンサ基板１’と、第２のシリコン基板２０’を用いて形成されセンサ基板１’の上記一表面側に接合されたキャップ基板２’とを備えたセンサ装置が記載され、図１２に示すようにセンサ基板１’とキャップ基板２’とをウェハレベルで接合してから個々のセンサ装置に分割するようにしたセンサ装置の製造方法が記載されている。

図１１に示した構成のセンサ装置は、センサ基板１’の上記一表面側におけるセンサ素子３’の形成領域の周囲に枠状（矩形枠状）のポリシリコン薄膜からなる第１の接合層１４’が形成される一方、キャップ基板２’におけるセンサ基板１’との対向面側において第１の接合層１４’に対応する部位に枠状凸部（脚部）２１’が突設され、枠状凸部２１’の先端面にＡｕ膜からなる第２の接合層２４’が形成されており、製造時にセンサ基板１’の第１の接合層１４’とキャップ基板２’の第２の接合層２４’とを接触させてＡｕ−Ｓｉ系の共晶温度以上の温度に加熱することにより第１の接合層１４’と第２の接合層２４’とを共晶接合している。

また、上記特許文献１には、ポリシリコン薄膜からなる第１の接合層１４’表面の自然酸化膜に起因した接合不良の発生を防止するための手段として、接合直前にフッ酸により自然酸化膜を除去する方法や、接合直前にエッチングガスとしてＣＦ_４系ガスを利用して自然酸化膜を除去する方法や、キャップ基板２’の第２の接合層２４’の表面に上記共晶温度以下で溶融する材料の薄膜（例えば、Ｓｉ薄膜やＧｅ薄膜やＳｎ薄膜など）を形成しておき、接合時に第２の接合層２４’を溶融させることにより第１の接合層１４’表面の自然酸化膜を破って固液界面を形成する方法が開示されている。
特開平８−３１６４９７号公報

ところで、上記特許文献１に記載のセンサ装置の製造方法では、センサ基板１’を第１のシリコン基板１０’を用いて形成するとともにキャップ基板２’を第２のシリコン基板２０’を用いて形成しているので、センサ基板１’とキャップ基板２’とを異種材料基板により形成する場合に比べて、センサ基板１’に生じる応力を低減することができて、センサ素子の温度特性を改善でき、高精度化を図ることができる。

しかしながら、上記特許文献１に記載のセンサ装置の製造方法において、接合直前にフッ酸により自然酸化膜を除去する方法を採用する場合には、フッ酸により自然酸化膜をエッチングした後の水洗工程や乾燥工程などを行っている間や大気に曝されている間に自然酸化膜が形成されてしまうので、自然酸化膜が除去された状態で接合することが難しく、また、接合直前にエッチングガスとしてＣＦ_４系ガスを利用して自然酸化膜を除去する方法を採用する場合には、接合装置が大掛かりになり、製造コストが高くなり、また、固液界面を形成する方法を採用する場合には、接合前のポリシリコン薄膜からなる第１の接合層１４’表面の自然酸化膜の状態（厚みや組成など）がばらついており、自然酸化膜が残った部分は共晶とはならないので、接合強度が低くなるとともに接合強度がばらついてしまう。要するに、上記特許文献１に記載のセンサ装置の製造方法では、接合信頼性が低く、センサ特性がばらついてしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、センサ基板とキャップ基板との接合信頼性を高めることができるセンサ装置の製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、第１のシリコン基板を用いて形成され一表面側にセンサ素子が形成されたセンサ基板と、第２のシリコン基板を用いて形成されセンサ基板の前記一表面側に接合されたキャップ基板とで構成されるセンサ装置の製造方法であって、センサ基板の上記一表面側においてセンサ素子を囲んで形成された枠状の第１の接合層とキャップ基板において第１の接合層に対応する部位に形成した枠状凸部の先端面の全周に亘って形成された枠状の第２の接合層とを介してセンサ基板とキャップ基板とを接合する接合工程の前段階工程として、第１の接合層として第１のシリコン基板の一表面側の絶縁膜上にシリコン膜と当該シリコン膜からのシリコンの拡散が可能な第１の密着膜と第１のＡｕ膜との積層膜を第１のＡｕ膜を最表層として形成する第１の接合層形成工程および第２の接合層として第２のシリコン基板の一表面側に枠状凸部からのシリコンの拡散が可能な第２の密着膜と第２のＡｕ膜の積層膜を第２のＡｕ膜を最表層として形成する第２の接合層形成工程を備え、前記接合工程では、第１の接合層と第２の接合層とを接触させてセンサ基板およびキャップ基板に荷重を印加した状態でＡｕ−Ｓｉ系の共晶温度以上に加熱し、その後、前記荷重を印加した状態でセンサ基板およびキャップ基板を前記共晶温度よりも低い温度に冷却することを特徴とする。

この発明によれば、接合工程の前段階工程では、第１の接合層として第１のシリコン基板の上記一表面側の絶縁膜上にシリコン膜と当該シリコン膜からのシリコンの拡散が可能な第１の密着膜と第１のＡｕ膜との積層膜を第１のＡｕ膜を最表層として形成するとともに、第２の接合層として第２のシリコン基板の一表面側に枠状凸部からのシリコンの拡散が可能な第２の密着膜と第２のＡｕ膜の積層膜を第２のＡｕ膜を最表層として形成するので、接合工程前に第１の接合層および第２の接合層それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、接合工程では、第１の接合層と第２の接合層とを接触させてセンサ基板およびキャップ基板に荷重を印加した状態でＡｕ−Ｓｉ系の共晶温度以上に加熱し、その後、前記荷重を印加した状態でセンサ基板およびキャップ基板を前記共晶温度よりも低い温度に冷却するので、センサ基板とキャップ基板との接合強度を高めることができるとともに接合強度のばらつきを少なくでき、接合信頼性を高めることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１の接合層形成工程では、前記第１の接合層における前記シリコン膜と前記第１のＡｕ膜とで構成される部分のＳｉの割合が２０ａｔ％以上となるように前記第１の接合層を形成することを特徴とする。

この発明によれば、製造ばらつきにより前記第１の接合層における前記シリコン膜と前記第１のＡｕ膜とで構成される部分のＳｉの割合が少なくなる方向にばらついても、前記絶縁膜と前記枠状凸部との間に形成される接合部において前記絶縁膜との密着力を保つために前記絶縁膜に接する必要のあるＳｉの割合が低くなりすぎるのを防止することができ、製造ばらつきによる接合強度の低下や気密性の低下の発生を抑制することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記第１の接合層形成工程では、前記第１の密着膜の形成にあたって前記シリコン膜の表面に形成されている自然酸化膜を非酸化雰囲気中で除去してから前記第１の密着膜を形成するようにし、前記第２の接合層形成工程では、前記第２の密着膜の形成にあたって前記第２のシリコン基板に形成されている自然酸化膜を非酸化雰囲気中で除去してから前記第２の密着膜を形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記第１の接合層の前記シリコン膜と前記第１の密着膜との間に自然酸化膜が形成されるのを防止することができるとともに、前記第２のシリコン基板の前記枠状凸部と前記第２の接合層の前記第２の密着膜との間に自然酸化膜が形成されるのを防止することができるので、前記センサ基板と前記キャップ基板との接合強度がより向上し、封止性も向上するから、前記センサ素子の特性がより安定する。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記第１の接合層形成工程と前記第２の接合層形成工程との少なくとも一方では、前記Ａｕ膜の形成にあたって、下地Ａｕ層をスパッタ法、あるいは、蒸着法により形成し、下地Ａｕ層上に電気めっきにより厚膜Ａｕ層を形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記第１の接合層と前記第２の接合層との少なくとも一方の前記Ａｕ膜の厚さを厚くすることができ、前記センサ基板と前記キャップ基板との接合強度を高めることができ、前記第１の接合層の表面に段差があっても前記センサ基板と前記キャップ基板とを安定して接合することができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記接合工程よりも前に前記センサ基板と前記キャップ基板との一方に前記共晶温度で活性化されるゲッタを形成しておき、前記接合工程は、前記センサ基板と前記キャップ基板との接合を真空中で行うことを特徴とする。

この発明によれば、前記センサ基板と前記キャップ基板とで構成される気密パッケージ内の不要な残留ガス成分を低減できて、気密パッケージ内の高真空化を図れ、しかも、前記接合工程においてゲッタを活性化することができるので、ゲッタを活性化するための工程を別途に設ける必要がなく、製造プロセスの簡略化を図れる。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記接合工程では、前記第１の接合層と前記第２の接合層とを接合させる前に、真空中において前記共晶温度とゲッタの活性化温度との両方よりも低い温度で前記センサ基板および前記キャップ基板それぞれに吸着しているガス成分を除去する脱ガス処理を行い、前記センサ基板と前記キャップ基板との接合が終わるまで雰囲気を真空に保つことを特徴とする。

この発明によれば、前記第１の接合層と前記第２の接合層との接合前に脱ガス処理を行うので、前記センサ基板と前記キャップ基板とで構成される気密パッケージ内の不要な残留ガス成分をより一層低減できて、気密パッケージ内の高真空化を図れる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記接合工程が終了するまでの全工程を前記センサ基板および前記キャップ基板それぞれについてウェハレベルで行うことで前記センサ装置を複数備えたウェハレベルパッケージ構造体を形成するようにし、当該ウェハレベルパッケージ構造体から前記センサ装置に分割する分割工程を備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記センサ基板および前記キャップ基板それぞれをウェハレベルで形成し接合工程もウェハレベルで一括して行うことができるので、製造コストの低コスト化を図れる。

請求項１の発明では、センサ基板とキャップ基板との接合信頼性を高めることができるという効果がある。

以下、センサ装置の基本構成について簡単に説明した後、センサ装置の製造方法について説明する。

センサ装置は、図３および図４に示すように、第１のシリコン基板１０を用いて形成され一表面側にセンサ素子３が形成されたセンサ基板１と、第２のシリコン基板２０を用いて形成されセンサ基板１の上記一表面側に接合部５により接合されたキャップ基板２とで構成される気密パッケージＰＧを有している。

センサ基板１は、一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板からなる第１のシリコン基板１０の上記一表面上にシリコン酸化膜１１が形成されるとともに、第１のシリコン基板１０の上記一表面側にセンサ素子３が形成され、センサ素子３に電気的に接続された引き出し配線１２がシリコン酸化膜１１上に形成され、さらに、シリコン酸化膜１１の表面側にシリコン酸化膜１１および引き出し配線１２の一部を覆うシリコン酸化膜からなる絶縁膜１３が形成されている。ここにおいて、本実施形態では、引き出し配線１２のうち絶縁膜１３に形成した開孔部１３ａにより露出した部位がパッド１２ａを構成している。なお、本実施形態では、引き出し配線１２の材料としてＡｌを採用しているが、引き出し配線１２の材料はＡｌに限らず、例えば、Ａｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｕ、ＴｉＳｉ、ＷＳｉ、ポリシリコンなどを採用してもよい。また、引き出し配線１２は、必ずしもシリコン酸化膜１１上に形成する必要はなく、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に形成した拡散層配線により構成してもよい。

また、キャップ基板２と接合する前のセンサ基板１は、絶縁膜１３上に、センサ素子３を囲んで形成された枠状（本実施形態では、矩形枠状）の第１の接合層１４を有している。ここにおいて、第１の接合層１４は、絶縁膜１３上のポリシリコン層からなるシリコン膜１４ａと、当該シリコン膜１４ａ上に形成され当該シリコン膜１４ａからのシリコンの拡散が可能なＴｉ膜からなる第１の密着膜１４ｂと、当該第１の密着膜１４ｂ上に形成された第１のＡｕ膜１４ｃとの積層膜により構成されており、第１のＡｕ膜１４ｃが最表層となっている。なお、第１の密着膜１４ｂの材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｐｔや、それらの合金でもよい。

なお、本実施形態では、第１のシリコン基板１０の厚さを５２５μｍ、金属配線１２の厚さを１μｍ、絶縁膜１３の厚さを３μｍ、シリコン膜１４ａの厚さを０．２μｍ、第１の密着膜１４ｂの厚さを０．０１５μｍ、第１のＡｕ膜１４ｃの厚さを０．４μｍに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。

センサ素子３の種別や構造は特に限定するものではないが、センサ素子３としては、例えば、図５に示すように、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に形成され同図における左側の金属配線１２に電気的に接続された第１の金属薄膜（例えば、Ａｌ薄膜など）からなる固定電極３１と、固定電極３１に対向配置され同図における右側の金属配線１２に電気的に接続された第２の金属薄膜（例えば、Ａｌ薄膜など）からなる可動電極３２と、当該可動電極３２における固定電極３１との対向面側とは反対側に積層されたシリコン酸化膜からなる絶縁層３３とを備え、第１のシリコン基板１０の厚み方向の加速度を検出する静電容量型の加速度センサ素子を形成すればよい。なお、図５に示した構成のセンサ素子３では、固定電極３１および可動電極３２の厚さを０．３μｍ、絶縁層３３の厚さを２μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。

また、センサ素子３としては、例えば、図６に示すように、第１のシリコン基板１０の上記一表面側において第１のシリコン基板１０から離間して配置され赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部３５と、温度検知部３５における第１のシリコン基板１０との対向面側とは反対側に積層された断熱部３６とを備えた赤外線センサ素子でもよい。なお、センサ素子３としての赤外線センサ素子は、第１のシリコン基板１０の上記一表面に温度検知部３５と当該第１のシリコン基板１０とを熱絶縁するためのキャビティが形成された構成を採用してもよい。

温度検知部３５は、温度に応じて電気抵抗値が変化するボロメータ形のセンシングエレメントであり、Ｔｉ膜からなるセンサ層により構成されており、両端部それぞれが互いに異なる引き出し配線１２，１２に電気的に接続されている。なお、図６に示した構成のセンサ素子３では、温度検知部３５を厚さが０．０１μｍのＴｉ膜、断熱部３６を厚さが２μｍのシリコン酸化膜により構成してあるが、こられの材料および厚さは一例であって特に限定するものではない。

なお、センサ層の材料としては、Ｔｉに限らず、例えば、アモルファスＳｉ、ＶＯ_ｘなどを採用してもよい。また、温度検知部３５は、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントに限らず、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメント、サーモパイル型のセンシングエレメント、焦電型のセンシングエレメントなどを採用してもよく、いずれのセンシングエレメントを採用した場合でも、材料を適宜選択することで一般的な薄膜形成技術を利用して形成することができる。ここで、温度に応じて誘電率の変化するセンシングエレメントの材料としては、例えば、ＰＺＴ、ＢＳＴなどを採用すればよい。

また、断熱部３６は、シリコン酸化膜により構成されているが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜、ポーラスシリカ膜、シリカエアロゲル膜などや、これらの積層膜により構成してもよい。なお、断熱部３６をポーラスシリカ膜により構成する場合には、ゾルゲル溶液を第２のシリコン基板２０の上記一表面側に回転塗布してから、熱処理で乾燥させ、その後、パターニングを行えばよい。また、断熱部３６をシリカエアロゲル膜により構成する場合には、ゾルゲル溶液を第２のシリコン基板２０の上記一表面側に回転塗布してから、超臨界乾燥処理で乾燥させ、その後、パターニングを行えばよい。

センサ基板１と接合する前のキャップ基板２は、一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板からなる第２のシリコン基板２０におけるセンサ基板１に対向する上記一表面側においてセンサ基板１の第１の接合層１４に対応する部位に枠状凸部２１が形成され、枠状凸部２１の先端面の全周に亘って第２の接合層２４が形成されている。なお、枠状凸部２１は、第２のシリコン基板２０の上記一表面における枠状凸部２１の形成予定領域の内側部位を所定深さまでエッチングすることにより形成されている。また、第２のシリコン基板２０の他表面側にはシリコン酸化膜２２が形成されている。

第２の接合層２４は、第２のシリコン基板２０の枠状凸部２１の先端面上に形成され枠状凸部２１からのシリコンの拡散が可能なＴｉ膜からなる第２の密着膜２４ｂと、当該第２の密着膜２４ｂ上に形成された第２のＡｕ膜２４ｃとの積層膜により構成されており、第２のＡｕ膜２４ｃが最表層となっている。また、第２のＡｕ膜２４ｃは、スパッタ法もしくは蒸着法により形成された比較的薄い下地Ａｕ層２４ｃ_１と、下地Ａｕ層２４ｃ_１上に電気めっきにより形成された比較的厚い厚膜Ａｕ層２４ｃ_２とで構成されているが、必ずしも２層構造を採用する必要はなく、単層構造を採用してもよい。なお、第２の密着膜２４ｂの材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｐｔや、それらの合金でもよい。

本実施形態では、第２のシリコン基板２０の厚さを５２５μｍ、シリコン酸化膜の厚さを０．５μｍ、第２の密着膜１４ｂの厚さを０．０１５μｍ、下地Ａｕ層２４ｃ_１の厚さを０．１μｍ、厚膜Ａｕ層２４ｃ_２の厚さを５μｍに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。

また、キャップ基板２は、センサ基板１との対向面側における第２の接合層２４の内側の適宜部位に層状のゲッタ４が形成されている。ここで、ゲッタ４の材料としては、例えば、Ｚｒの合金やＴｉの合金などを採用すればよい。なお、ゲッタ４としては、活性化温度が３００℃の非蒸発ゲッタを採用しているが、ゲッタ４は、センサ素子３が破壊されたり熱ダメージを受けにくい活性化温度のものであればよく、活性化温度が２５０℃〜４５０℃程度の範囲内のものを用いてもよい。

センサ基板は、センサ基板１の第１の接合層１４とキャップ基板２の第２の接合層２４とを接触させて接合することにより、上述の接合部５が形成されている。

以下、本実施形態のセンサ装置の製造方法について説明する。

ところで、本実施形態のセンサ装置の製造方法では、センサ基板１の上記一表面側においてセンサ素子３を囲んで形成された枠状の第１の接合層１４とキャップ基板２において第１の接合層１４に対応する部位に形成した枠状凸部２１の先端面の全周に亘って形成された枠状の第２の接合層２４とを介してセンサ基板１とキャップ基板２とを接合する接合工程の前段階工程として、第１の接合層１４として第１のシリコン基板１０の上記一表面側の絶縁膜１３上にシリコン膜１４ａと当該シリコン膜１４ａからのシリコンの拡散が可能な第１の密着膜１４ｂと第１のＡｕ膜１４ｃとの積層膜を第１のＡｕ膜１４ｃを最表層として形成する第１の接合層形成工程および第２の接合層２４として第２のシリコン基板２０の枠状凸部２１の先端面上に当該枠状凸部２１からのシリコンの拡散が可能な第２の密着膜２４ｂと第２のＡｕ膜２４ｃの積層膜を第２のＡｕ膜２４ｃを最表層として形成する第２の接合層形成工程を備えている。

ここにおいて、第１の接合層形成工程は、図７（ａ）に示すように第１のシリコン基板１０の上記一表面側にシリコン酸化膜１１、センサ素子３、引き出し配線１２、および絶縁膜１３を形成した後に行われるものであり、まず、シリコン膜１４ａの基礎となるポリシリコン層を例えばＬＰＣＶＤ法により成膜し、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記ポリシリコン層をパターニングすることにより上記ポリシリコン層の一部からなるシリコン膜１４ａを形成することによって、図７（ｂ）に示す構造を得る。シリコン膜１４ａは、プラズマＣＶＤ法により成膜したアモルファスシリコン層をパターニングしたものでもよい。なお、シリコン酸化膜１１、センサ素子３、引き出し配線１２、および絶縁膜１３の形成方法は周知の膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術などを適宜組み合わせて利用すればよい。

上述のように第１のシリコン基板１０の上記一表面側にシリコン膜１４ａを形成した後、非酸化雰囲気中である真空中で、シリコン膜１４ａの表面に形成されている自然酸化膜をＡｒのＲＦプラズマを利用した逆スパッタにより除去し、続いて、第１の密着膜１４ｂの基礎となる密着層（例えば、Ｔｉ層）、第１のＡｕ膜１４ｃの基礎となるＡｕ層をスパッタ法により連続して成膜し、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して密着層とＡｕ層との積層膜をパターニングすることにより、第１の密着膜１４ｂおよび第１のＡｕ膜１４ｃを形成することによって、図７（ｃ）に示す構造のセンサ基板１を得る。したがって、自然酸化膜の除去、第１の密着膜１４ｂの基礎となる密着層の成膜、および第１のＡｕ膜１４ｃの基礎となるＡｕ層の成膜を、同一のスパッタ装置のチャンバ内で連続して行うことができるので、シリコン膜１４ａの表面の自然酸化膜を除去した後、シリコン膜１４ａの表面が大気に曝されることがなく、当該表面に自然酸化膜が再び形成されるのを防止することができる。なお、上述の非酸化雰囲気は、真空に限らず、例えば、還元性ガス雰囲気や、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気でもよい。また、本実施形態では、センサ基板１の形成にあたって、第１の接合層１４を形成する第１の接合層形成工程が終わるまでウェハレベルで行うことにより、図８に示すようにセンサ基板１が多数形成された第１のウェハ１００を得るようにしている。

また、第２の接合層形成工程は、図９（ａ）に示すように第２のシリコン基板２０の上記他表面側に熱酸化膜からなるシリコン酸化膜２２を形成した後に行われるものであり、まず、非酸化雰囲気中である真空中で、第２のシリコン基板２０の上記一表面側に形成されている自然酸化膜をＡｒのＲＦプラズマを利用した逆スパッタにより除去し、続いて、第２の密着膜２４ｂの基礎となる密着層（例えば、Ｔｉ層）、下地Ａｕ層２４ｃ_１の基礎となるＡｕ層をスパッタ法により連続して成膜し、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して密着層とＡｕ層との積層膜をパターニングすることにより、第２の密着膜２４ｂおよび下地Ａｕ層２４ｃ_１を形成することによって、図９（ｂ）に示す構造を得る。したがって、自然酸化膜の除去、第２の密着膜２４ｂの基礎となる密着層の成膜、および下地Ａｕ層２４ｃ_１の基礎となるＡｕ層の成膜を、同一のスパッタ装置のチャンバ内で連続して行うことができるので、第２のシリコン基板２０の上記一表面の自然酸化膜を除去した後、第２のシリコン基板２０の上記一表面が大気に曝されることがなく、上記一表面に自然酸化膜が再び形成されるのを防止することができる。

その後、第２のシリコン基板２０の上記一表面側の第２の接合層２４形成予定領域以外の部位をレジスト層で保護してから、下地Ａｕ層２４ｃ_１上に電気めっきにより厚膜Ａｕ膜２４ｃ_２を形成し、その後、レジスト層を除去することによって、図９（ｃ）に示す構造を得る。

その後、第２のシリコン基板２０を上記一表面側から所定のエッチング液（例えば、８５℃に加熱したＴＭＡＨ溶液など）により上記所定深さだけエッチングすることで枠状凸部２１を形成することによって、図９（ｄ）に示す構造を得る。なお、エッチング液は、加熱したＴＭＡＨ溶液に限らず、ＫＯＨ水溶液などの他のアルカリ系溶液でもよい。また、第２のシリコン基板２０を上記一表面側からエッチングする方法は、エッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングに限らず、反応性イオンエッチング装置や誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置などを用いた乾式の異方性エッチングでもよい。

その後、第２のシリコン基板２０の上記一表面側において第２の接合層２４に囲まれている領域の所定部位にゲッタ４を形成することによって、図９（ｅ）に示す構造のキャップ基板２を得る。なお、本実施形態では、キャップ基板２の形成にあたって、ゲッタ４を形成する工程が終わるまでウェハレベルで行うことにより、図１０に示すようにキャップ基板２が多数形成された第２のウェハ２００を得るようにしている。

センサ基板１とキャップ基板２とを接合する接合工程では、まず、図１（ａ）に示すように常温下（２５℃）で所定真空度（例えば、０．０００１Ｐａ）の真空中において、第１の接合層１４と第２の接合層２４とを接触させてセンサ基板１およびキャップ基板２に所定の荷重を印加する。なお、本実施形態では、上述の各ウェハ１００，２００のウェハサイズが４インチであり、所定の荷重を２ＭＰａとしてあるが、２ＭＰａに限らず、センサ素子３が破壊されない荷重であればよく、例えば１〜１００ＭＰａ程度の範囲で適宜設定すればよい。また、また、所定の荷重は、単位面積当たりの荷重が所望の荷重になるようにウェハサイズに応じて適宜設定すればよい。

その後、上記所定真空度の真空中においてセンサ基板１およびキャップ基板２に上記所定の荷重を印加した状態でＡｕ−Ｓｉ系の共晶温度（３６３℃）とゲッタ４の活性化温度との両方よりも低い所定の温度である脱ガス温度（例えば、２８０℃）に加熱して当該脱ガス温度を所定の脱ガス処理時間（例えば、１時間）だけ維持することにより、センサ基板１およびキャップ２それぞれに吸着しているガス成分を除去する脱ガス処理を行う。図１（ｂ）中の矢印はガス成分を模式的に示している。なお、脱ガス温度は、温度ばらつきを考慮して、上記共晶温度とゲッタ４の活性化温度とのうち低い温度よりも２０℃程度低い温度に設定することが好ましい。また、脱ガス処理時間については、脱ガスを十分に行う上では長いほうが効果的であるが、製造時間および製造コストが高くなるので、例えば、３０分〜２時間程度の範囲内で適宜設定すればよい。

上述の脱ガス処理の後、上記所定真空度の真空中においてセンサ基板１およびキャップ基板２に上記所定の荷重を印加した状態で上記共晶温度以上であり且つ上記活性化温度よりも高い規定温度（例えば、４００℃）に加熱して当該規定温度を規定時間だけ維持することにより、シリコン膜１４ａのＳｉを第１の密着膜１４ｂを通して第１のＡｕ膜１４ｃへ拡散させるとともに第２のシリコン基板２０のＳｉを第２の密着膜２４ｂを通して第２のＡｕ膜２４ｃへ拡散させて第１の接合層および第２の接合層を溶融させる。図１（ｃ）中の矢印はＳｉの拡散を模式的に示している。なお、上記規定温度は、センサ基板１の構成要素が破壊されたり熱ダメージを受けたりしないように適宜設定すればよく、上述のセンサ基板１のように引き出し配線１２の材料としてＡｌを採用している場合には、４００℃程度に設定すればよく、温度ばらつきを考慮して、上記共晶温度と上記活性化温度とのうち高い温度よりも２０℃程度高い温度に設定することが好ましい。また、上記規定時間は、数秒〜２時間程度の範囲内で適宜設定すればよい。

その後、上記所定真空度の真空中においてセンサ基板１およびキャップ基板２に上記所定の荷重を印加した状態でセンサ基板１およびキャップ基板２を上記共晶温度よりも低い温度（例えば、２５℃）に冷却することにより図１（ｄ）に示すように接合部５を形成し、その後、上記所定の荷重の印加を終了し、外部雰囲気を真空から大気圧にする。

ところで、本実施形態のセンサ装置の製造方法では、接合工程が終了するまでの全工程をセンサ基板１およびキャップ基板２それぞれについてウェハレベルで行うことでセンサ装置を複数備えたウェハレベルパッケージ構造体を形成するようにし、当該ウェハレベルパッケージ構造体からセンサ装置に分割する分割工程を行うようにしているので、センサ基板１およびキャップ基板２それぞれをウェハレベルで形成し接合工程もウェハレベルで一括して行うことができるから、製造コストの低コスト化を図れる。

以上説明したセンサ装置の製造方法によれば、接合工程の前段階工程では、第１の接合層１４として第１のシリコン基板１０の上記一表面側の絶縁膜１３上にシリコン膜１４ａと当該シリコン膜１４ａからのシリコンの拡散が可能な第１の密着膜１４ｂと第１のＡｕ膜１４ｃとの積層膜を第１のＡｕ膜１４ｃを最表層として形成するとともに、第２の接合層２４として第２のシリコン基板２０の上記一表面側に枠状凸部２１からのシリコンの拡散が可能な第２の密着膜２４ｂと第２のＡｕ膜２４ｃの積層膜を第２のＡｕ膜２４ｃを最表層として形成するので、接合工程前に第１の接合層１４および第２の接合層２４それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、接合工程では、第１の接合層１４と第２の接合層２４とを接触させてセンサ基板１およびキャップ基板２に荷重を印加した状態で上記共晶温度以上に加熱し、その後、上記荷重を印加した状態でセンサ基板１およびキャップ基板２を上記共晶温度よりも低い温度に冷却するので、センサ基板１とキャップ基板２との接合強度を高めることができるとともに接合強度のばらつきを少なくでき、接合信頼性を高めることができる。また、上述の製造方法では、下地Ａｕ層２４ｃ_１の基礎となるＡｕ層をスパッタ法により形成しているが、スパッタ法に限らず、蒸着法により形成してもよい。ここで、スパッタ法では、成膜時に用いるアルゴンガスの脱ガスが発生するのに対して、蒸着法により形成すれば、成膜時にアルゴンガスを用いないので、気密パッケージＰＧの高真空化の点で有利となる。

ところで、図２に示すＡｕ−Ｓｉ系の状態図から分かるように、例えば、Ｓｉが２８ａｔ％、Ａｕが７２ａｔ％の割合で４００℃に加熱すると、ＡｕＳｉ固溶体とＳｉ初晶とが存在することとなり、センサ基板１の絶縁膜１３と接合部５との密着力は、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１３とシリコンとで保たれているが、シリコンの割合が２０ａｔ％（原子％）未満になると、Ａｕと絶縁膜１３とが接する割合が多くなり、上記規定温度から冷却すると、密着力が悪くなる。一方、シリコンの割合が２０ａｔ％以上であれば、製造ばらつきなどによりシリコンの量がばらついても、絶縁膜１３と接合部５との密着力を確保するために必要なシリコンと絶縁膜１３とが接する割合を確保することができ、接合強度の低下を防止できて気密性を確保することができる。

そこで、上述の第１の接合層形成工程では、第１の接合層１４におけるシリコン膜１４ａと第１のＡｕ膜１４ｃとで構成される部分のＳｉの割合が２０ａｔ％以上となるように第１の接合層１４を形成している。しかして、製造ばらつきにより第１の接合層１４におけるシリコン膜１４ａと第１のＡｕ膜１４ｃとで構成される部分のＳｉの割合が少なくなる方向にばらついても、絶縁膜１３と枠状凸部２１との間に形成される接合部５において絶縁膜１３との密着力を保つために絶縁膜１３に接する必要のあるＳｉの割合が低くなりすぎるのを防止することができ、製造ばらつきによる接合強度の低下や気密性の低下の発生を抑制することができる。

また、上述のセンサ装置の製造方法によれば、第の接合層形成工程において第１の接合層１４のシリコン膜１４ａと第１の密着膜１４ｂとの間に自然酸化膜が形成されるのを防止することができるとともに、第２の接合層形成工程において第２のシリコン基板２０の枠状凸部２１と第２の接合層２４の第２の密着膜２４ｂとの間に自然酸化膜が形成されるのを防止することができるので、センサ基板１とキャップ基板２との接合強度がより向上し、封止性も向上するから、センサ素子３の特性がより安定する。

また、上述のセンサ装置の製造方法によれば、第２の接合層形成工程では、第２のＡｕ膜２４ｃの形成にあたって、下地Ａｕ層２４ｃ_１をスパッタ法により形成し、下地Ａｕ層２４ｃ_１上に電気めっきにより厚膜Ａｕ層２４ｃ_２を形成しているので、第２の接合層２４の第２のＡｕ膜２４ｃの厚さを厚くすることができて、センサ基板１とキャップ基板２との接合強度を高めることができ、センサ基板１の引き出し配線１２などに起因して第１の接合層１４の表面に段差があってもセンサ基板１とキャップ基板２とを安定して接合することができる。なお、上述の製造方法では、第２の接合層形成工程において、第２のＡｕ膜２４ｃの形成にあたって下地Ａｕ層２４ｃ_１と厚膜Ａｕ層２４ｃ_２とを形成しているが、第１の接合層形成工程において第１のＡｕ膜１４ｃの形成にあたって下地Ａｕ層をスパッタ法により形成してから厚膜Ａｕ層を電気めっきにより形成するようにしてもよく、第２の接合層形成工程と第１の接合層形成工程との少なくとも一方でこのような２段階形成プロセスを採用することにより、センサ基板１の引き出し配線１２などに起因して第１の接合層１４の表面に段差があってもセンサ基板１とキャップ基板２とを安定して接合することができる。

また、上述のセンサ装置の製造方法によれば、接合工程よりも前に、キャップ基板２に上記共晶温度で活性化されるゲッタ４を形成しておき、接合工程は、センサ基板１とキャップ基板２との接合を真空中で行うようにしているので、気密パッケージＰＧ内の不要な残留ガス成分を低減できて、気密パッケージＰＧ内の高真空化を図れ、しかも、接合工程においてゲッタ４を活性化することができるので、ゲッタ４を活性化するための工程を別途に設ける必要がなく、製造プロセスの簡略化を図れる。なお、ゲッタ４は、キャップ基板２に限らず、接合工程よりも前に、センサ基板１とキャップ基板２との少なくとも一方に形成しておけばよい。

また、上述のセンサ装置の製造方法によれば、接合工程では、第１の接合層１４と第２の接合層２４とを接合させる前に、真空中において上記共晶温度とゲッタ４の活性化温度との両方よりも低い温度でセンサ基板１およびキャップ基板２それぞれに吸着しているガス成分を除去する脱ガス処理を行い、センサ基板１とキャップ基板２との接合が終わるまで雰囲気を真空に保つようにしているので、気密パッケージＰＧ内の不要な残留ガス成分をより一層低減できて、気密パッケージＰＧ内の高真空化を図れる。

なお、上述のセンサ装置の製造方法では、気密パッケージＰＧ内を真空としているが、センサ装置の種別によっては気密パッケージＰＧ内を必ずしも真空とする必要はなく、例えば不活性ガス雰囲気とする場合もあるので、この場合には、上述のようなゲッタ４を形成する必要はなく、ゲッタ４に関係するプロセス条件をなくして所望の雰囲気中でセンサ基板１とキャップ基板２とを接合する接合工程を行うようにすればよい。また、上述の例では、センサ装置のパッケージとして気密パッケージＰＧについて説明したが、パッケージは、必ずしも気密である必要はない。

また、上述の実施形態ではセンサ素子３として加速度センサ素子および赤外線センサ素子を例示したが、センサ素子３は、これらに限らず、例えば、ジャイロセンサでもよい。

実施形態のセンサ装置の製造方法の説明図である。同上の製造方法の説明図である。同上のセンサ装置のセンサ基板とキャップ基板との接合前の概略断面図である。同上のセンサ装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｄ）は（ａ）の概略水平断面図であるである。同上のセンサ基板の一例の概略断面図である。同上のセンサ基板の他の例の概略断面図である。同上のセンサ基板の形成方法の説明図である。同上のセンサ基板の形成方法の説明図である。同上のキャップ基板の形成方法の説明図である。同上のキャップ基板の形成方法の説明図である。従来例のセンサ装置の概略断面図である。同上のセンサ装置の製造方法の説明図である。

符号の説明

１センサ基板
２キャップ基板
３センサ素子
４ゲッタ
１０第１のシリコン基板
１３絶縁膜
１４第１の接合層
１４ａシリコン膜
１４ｂ第１の密着膜
１４ｃ第２のＡｕ膜
２０第２のシリコン基板
２１枠状凸部
２４第２の接合層
２４ｂ第２の密着膜
２４ｃ第２のＡｕ膜
２４ｃ_１下地Ａｕ層
２４ｃ_２厚膜Ａｕ層
ＰＧ気密パッケージ

Claims

第１のシリコン基板を用いて形成され一表面側にセンサ素子が形成されたセンサ基板と、第２のシリコン基板を用いて形成されセンサ基板の前記一表面側に接合されたキャップ基板とで構成されるセンサ装置の製造方法であって、センサ基板の上記一表面側においてセンサ素子を囲んで形成された枠状の第１の接合層とキャップ基板において第１の接合層に対応する部位に形成した枠状凸部の先端面の全周に亘って形成された枠状の第２の接合層とを介してセンサ基板とキャップ基板とを接合する接合工程の前段階工程として、第１の接合層として第１のシリコン基板の一表面側の絶縁膜上にシリコン膜と当該シリコン膜からのシリコンの拡散が可能な第１の密着膜と第１のＡｕ膜との積層膜を第１のＡｕ膜を最表層として形成する第１の接合層形成工程および第２の接合層として第２のシリコン基板の一表面側に枠状凸部からのシリコンの拡散が可能な第２の密着膜と第２のＡｕ膜の積層膜を第２のＡｕ膜を最表層として形成する第２の接合層形成工程を備え、前記接合工程では、第１の接合層と第２の接合層とを接触させてセンサ基板およびキャップ基板に荷重を印加した状態でＡｕ−Ｓｉ系の共晶温度以上に加熱し、その後、前記荷重を印加した状態でセンサ基板およびキャップ基板を前記共晶温度よりも低い温度に冷却することを特徴とするセンサ装置の製造方法。
前記第１の接合層形成工程では、前記第１の接合層における前記シリコン膜と前記第１のＡｕ膜とで構成される部分のＳｉの割合が２０ａｔ％以上となるように前記第１の接合層を形成することを特徴とする請求項１記載のセンサ装置の製造方法。
前記第１の接合層形成工程では、前記第１の密着膜の形成にあたって前記シリコン膜の表面に形成されている自然酸化膜を非酸化雰囲気中で除去してから前記第１の密着膜を形成するようにし、前記第２の接合層形成工程では、前記第２の密着膜の形成にあたって前記第２のシリコン基板に形成されている自然酸化膜を非酸化雰囲気中で除去してから前記第２の密着膜を形成することを特徴とする請求項１または請求項２記載のセンサ装置の製造方法。
前記第１の接合層形成工程と前記第２の接合層形成工程との少なくとも一方では、前記Ａｕ膜の形成にあたって、下地Ａｕ層をスパッタ法、あるいは、蒸着法により形成し、下地Ａｕ層上に電気めっきにより厚膜Ａｕ層を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセンサ装置の製造方法。
前記接合工程よりも前に前記センサ基板と前記キャップ基板との一方に前記共晶温度で活性化されるゲッタを形成しておき、前記接合工程は、前記センサ基板と前記キャップ基板との接合を真空中で行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセンサ装置の製造方法。
前記接合工程では、前記第１の接合層と前記第２の接合層とを接合させる前に、真空中において前記共晶温度とゲッタの活性化温度との両方よりも低い温度で前記センサ基板および前記キャップ基板それぞれに吸着しているガス成分を除去する脱ガス処理を行い、前記センサ基板と前記キャップ基板との接合が終わるまで雰囲気を真空に保つことを特徴とする請求項５記載のセンサ装置の製造方法。
前記接合工程が終了するまでの全工程を前記センサ基板および前記キャップ基板それぞれについてウェハレベルで行うことで前記センサ装置を複数備えたウェハレベルパッケージ構造体を形成するようにし、当該ウェハレベルパッケージ構造体から前記センサ装置に分割する分割工程を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のセンサ装置の製造方法。