JP5828406B2 - 基板の接合方法 - Google Patents
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Description
一般に、MEMSのような電子部品のパッケージにおいては、第一の基板と第二の基板の少なくとも一方に電子部品を搭載すると共に、前記電子部品を内包するように、第一の基板及び第二の基板が接合部を介して互いに接合されており、この接合部の一部に、電気的な接続のために電極パッドが設けられ、第一の基板及び第二の基板を互いに接合する際に、双方の基板の接合部に設けられた電極パッドを互いに接触して、電気的な接続が行なわれるようになっている。
このようなMEMSにおける基板接合方法は、例えば特許文献1及び特許文献2に開示されている。
このようなデバイスは、第一の基板の接続電極部及び第二の基板の接続電極部の少なくとも一方に多孔質金属(バンプ)を形成し、第一及び第二の基板の接続電極部同士がバンプを挟んで対向するように、第一及び第二の基板を重ね合わせて、第一及び第二の基板を陽極接合すると同時に、多孔質金属を介して第一及び第二の基板の接続電極部間を電気的に接続することにより、製造される。
従って、例えば常温あるいは室温付近での接合を行なうことはできず、加熱のために別途設備が必要であった。
このため、異種基板の接合のためには、低温接合が適しており、従来、低温・低応力の接合方法としては、プラズマ表面活性化接合,低温接着層となる合金ハンダの使用,多孔質金属層を構成する金属のナノ構造化が知られている。
好ましくは、第三の段階における電解メッキで使用される電解メッキ液が、シアンを含まない電解メッキ液である。
好ましくは、第六の段階における表面処理が、プラズマの照射により行なわれる。
好ましくは、第七の段階において、第二の基板上に密着層を含む層を形成し、密着層を含む層上にAu薄膜又はナノポーラスAuを形成する。
好ましくは、第八の段階において、加圧が、25℃〜150℃の温度にて、加圧圧力10〜50MPa,加圧時間30〜60分の条件のもとで行なわれる。
図1は、本発明による基板の接合方法の一実施形態により接合された二枚の基板から成る試料10を示している。
図1において、試料10は、二枚の基板、即ち第一の基板11及び第二の基板20と、第一の基板11の表面(図示の場合、下面)に順次に形成された密着層12,Au(金)薄膜13及びナノポーラスAu層14と、第二の基板20の表面(図示の場合、上面)に形成されたAu薄膜21と、から構成されており、ナノポーラスAu層14とAu薄膜21とが互いに接合され、電気的に接続されている。第二の基板20と、Au薄膜21との間には密着層を含む薄膜が挿入されていてもよい。
なお、密着層12と、第二の基板20とAu薄膜21との間に挿入される密着層とは、接着効果を備えていればよく、Ti以外の材料、例えばCr(クロム)、Ta(タンタル),W(タングステン)等から成る薄膜であってもよいことは明らかである。密着層は、Cr、Ta,Wの層以外にこれらの元素を一つ以上含む合金からなる材料で形成してもよい。密着層は、1層ではなく多層膜で構成してもよい。
まず、図2(A)に示すように、第一の基板11の表面に、厚さ20nmのTi薄膜から成る密着層12がスパッタリングにより形成され、続いて密着層12の上から、厚さ100nmのAu薄膜13が同様にスパッタリングにより形成される。
尚、電解メッキ液は、電解メッキ中に、Au及びSnイオンを供給する作用を有していれば、他の構成であってもよいことは明らかである。
脱合金化は、室温でHNO3(69%濃度)中に所定の時間、例えば二日間浸されることにより、Snエッチングにより行なわれる。これにより、AuSn合金中のSn成分が殆ど除去され、Snが存在していた部分が空孔となることにより、ナノポーラスAu層14となる。
この接合工程によって、図1に示す試料10が作製される。
実験は、電解メッキ時間を25分とした実験例1〜3と電解メッキ時間を15分とした実験例4について行なった。これらの実験例1〜4について、電解メッキ条件、即ち攪拌速度,アノードと試料10との間の距離及び電流密度はすべて同じ(4mA/cm2)とした。各実験例1〜4について、それぞれ脱合金化の前後に、試料10をピースに切断し、イオンミリングによりサンプル片を作製した。脱合金化の前後の合金の組成について、エネルギー分散型のX線分析(Energy Dispersive Xray spectroscopy、EDXと呼ばれる。)により測定を行なったところ、図3の図表及び図4のグラフに示す結果が得られた。
図3において、脱合金化前のAuSn合金に関して、実験例1〜3に示すように、電解メッキ時間25分では、安定的に50%を超えるSn成分が得られたのに対して、実験例4では、電解メッキ時間15分で、Sn成分は約40%であった。これは、電解メッキの初期では、AuがSnよりも速く堆積され、堆積時間が増えるにつれてSn成分が増加して、Au/Snがほぼ1に近づくからである。
ここで、Au/Snが1であるということは、Sn成分の除去後に、Sn成分が存在していた場所が空孔になることにより、ナノポーラスAu層14の有孔性が十分に大きいということを意味している。
図5は、上記条件による電解メッキで形成されたナノポーラスAu層14のSEM写真による平面図を示している。図5(a)に示すように、ナノポーラスAu層14の有孔性は明らかであり、大きな表面積を保証することになる。また、図5(b)のより大きく拡大したSEM写真によれば、孔の寸法は、100nmのオーダーであり、ランダムに配置された空孔は、電解メッキにより堆積されたAuSn合金のSn成分の配置から生ずるものである。
図7(a)から(d)には、それぞれ接合温度150℃,100℃,50℃及び25℃で接合されたサンプルの断面図が示されており、上側がナノポーラスAu層14が成形されたSiチップであり、また下側が密着層12及びAu薄膜13が形成されたSiチップである。
図示のように、上記の室温を含む接合温度にてナノポーラスAuとAu薄膜13が互いに接合されていることが観察された。即ち、150℃からほぼ室温である25℃までの温度範囲において、低温接合が可能であることが分かる。
これは、アルゴンプラズマ処理によるナノポーラスAuとAu薄膜13の接合面の清浄化及び活性化によるものと考えられる。従来のナノポーラスAu薄膜13の接合には200℃以上の接合温度が必要であり、またAu−Au接合あるいはCu−Cu接合の場合には、接合温度が通常300℃以上であることと比較して、本発明によれば、接合温度が劇的に低くなっていることが分かる。
図8は、本発明による電子部品30のパッケージの第一の実施形態の構成を示している。図8において、電子部品のパッケージ30は、第一の基板31と第二の基板32を有し、第一の基板31及び第二の基板32の少なくとも一方に電子部品31a,32aを搭載すると共に、これらの電子部品31a,32aを内包するように第一の基板31と第二の基板32とを接合部33を介して接合することにより構成されている。
ここで、図示の場合、第一の基板31上に電子部品31aとしてのLSIがSi基板等の半導体基板上に形成されており、LSIの配線層31bとSiO2等の絶縁膜31cを備えている。第二の基板32には、点線で示すように、電子部品32aとしてMEMSが形成されていてもよい。
ここで、接合部33の厚さは、電子部品31a,32aを内包できる厚さに設定すればよく、特に電子部品32aとしてのMEMSを内包する場合には、MEMSとなる振動子や片持ち梁等の動作に支障がないような厚さに設定されている。
また、第一の基板31及び第二の基板32の材料が異なる場合でも、熱膨張係数の差により機械的応力が発生せず、所謂ミスマッチの問題が回避され得る。
さらに、第一の基板31と第二の基板32とは、互いに異なる材料、例えば一方がSi基板等の半導体基板であって、他方がセラミック基板またはガラス基板等であってもよい。
尚、第一の基板31及び第二の基板32の少なくとも一方、図示の場合には、第一の基板31に、外部回路との接続のための電極パッドまたは端子31dを有しており、電極パッドまたは端子31dは、第一の基板31上に形成された配線層31eを介して電子部品31aと電気的に接続されている。
図9において、第一の基板31に電子部品31aを搭載し、第一の基板31と第二の基板32とを接合部33を介して接合して電子部品31aを封止する場合について説明しているが、第二の基板32に電子部品32aを搭載して、第一の基板31と第二の基板32とを接合部33を介して接合して、電子部品32aを封止する場合についても同様である。
即ち、図9(A)に示すように、第一の基板31上に形成された電子部品31a(LSI)を取り囲む領域に、ナノポーラスAu層33aを形成する。ナノポーラスAu層33aは、例えば図2(A)〜(D)に示した方法を利用して形成され、その接合面が例えばアルゴンプラズマ処理により清浄化及び活性化される。図示の場合、電子部品31の一部として、配線層31b及び絶縁層31cのみが示されている。
具体的には、図9(C)に示すように、電子部品31aを搭載し且つナノポーラスAu層33aが形成された第一の基板31を、接合機の試料ステージ34上に載置し、第一の基板31と第二の基板32により電子部品31aを内包するように、第二の基板32を第一の基板31に対向させて位置合わせし、第二の基板32上に加圧ツール35を載置する。
そして、加圧ツール35により、矢印で示すように、第二の基板32を第一の基板31に対して押圧して、第二の基板32の下面(Au薄膜)を第一の基板31上のナノポーラスAu層33aに対して所定の圧力で当接させ、所定の接合時間の間、この状態を保持する。図示の場合、加圧は、上方側の第二の基板32から行っているが、第一の基板31と第二の基板32との両方を加圧してもよい。
図10において、電子部品のパッケージ40は、図8に示した電子部品のパッケージ30と同様の構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
電子部品のパッケージ40と、図8に示した電子部品のパッケージ30とは、接合部33の代わりに、接合部41を備えている点でのみ異なる構成である。
ナノポーラスAu層41aは、図8に示した電子部品のパッケージ30におけるナノポーラスAu層33aと同様の構成であり、同様に形成されているが、その厚さは約半分程度に設定されている。
これにより、接合部41、即ちナノポーラスAu層41aとシール部41bは、全体として接合部33とほぼ同じ厚さに選定されている。
さらに、シール部41bは、そのナノポーラスAu層41aに対向する表面に接合媒介物としてのAu薄膜(図示せず)を備えている。
第二の基板32は、例えばSi基板等の半導体基板であって、第一の基板31に対向する面の外周側で、ナノポーラスAu層41aに対向する領域に、シール部41bが形成されていると共に、LSI回路,CMSLSI回路,MEMS,空隙が形成されている。
第二の基板32に空隙等を設ける場合には、第二の基板32の材料として、半導体だけでなく、金属基板,ガラス基板やセラミック基板等の無機物から成る基板を使用することができる。
尚、接合部41は、第一の基板31に形成されたナノポーラスAu層41aと第二の基板32に形成されたシール部41bから構成されているが、これとは逆に、ナノポーラスAu層41aが第二の基板32に、またシール部41bが第一の基板31に形成されていてもよい。
図11において、第一の基板31に電子部品31aを搭載し、第一の基板31と第二の基板32とを接合部41を介して接合して電子部品31aを封止する場合について説明しているが、第二の基板32に電子部品32aを搭載して、第一の基板31と第二の基板32とを接合部41を介して接合して、電子部品32aを封止する場合についても同様である。
即ち、図11(A)に示すように、第一の基板31上に形成された電子部品31a(LSI)を取り囲む領域に、ナノポーラスAu層41aを形成する。ナノポーラスAu層41aは、同様に図2(A)〜(D)に示した形成方法を利用して形成され、接合面が例えばアルゴンプラズマ処理により清浄化及び活性化される。
具体的には、図11(C)に示すように、電子部品31aを搭載し且つナノポーラスAu層41aが形成された第一の基板31を、接合機の試料ステージ34上に載置し、第一の基板31と第二の基板32により電子部品31aを内包するように、第二の基板32を第一の基板31に対向させて位置合わせし、第二の基板32上に加圧ツール35を載置する。
そして、加圧ツール35により、矢印で示すように、第二の基板32を第一の基板31に対して押圧して、第二の基板32の下面(Au薄膜)のシール部41bを第一の基板31上のナノポーラスAu層41aに対して所定の圧力で当接させ、所定の接合時間の間、この状態を保持する。図示の場合、加圧は、上方側の第二の基板32から行っているが、第一の基板31と第二の基板32との両方を加圧してもよい。
図12において、電子部品のパッケージ50は、第一の基板51と第二の基板52を有し、第一の基板51及び第二の基板52にそれぞれ設けられた第一の接合部51a及び第二の接合部52aと、第一の接合部51aと第二の接合部52aが互いに接合されるシール部53とを含んでおり、さらに第二の基板52上には、MEMS52bが形成されている。
尚、シール部53の厚さは、MEMS52bとなる振動子や片持ち梁等の動作に支障がないような厚さに設定すればよい。
まず、図13(A)において、第一の基板51にCMOSから成るLSI(図示せず)を形成すると共に、第一の接合部51aとなる領域に、密着層及びシード層としてのAu薄膜(共に図示せず)そしてナノポーラスAu層を形成し、第一の接合部51aとする。このナノポーラスAu層は、図2(A)〜(D)に示すように形成され、その接合面が例えばアルゴンプラズマ処理により清浄化及び活性化が実施される。
このような構成の電子部品のパッケージ50によれば、第一の基板51にはCMOSLSIが、また第二の基板52にはMEMS52bが、それぞれ単独で作製され、第一の基板51と第二の基板52との接合によって、一体化され得る。
図14において、電子部品のパッケージ60は、第一の基板61と第二の基板62を有し、第一の基板61及び第二の基板62にそれぞれ設けられた第一の接合部61a及び第二の接合部62aと、第一の接合部61aと第二の接合部62aが互いに接合されるシール部63とを含んでおり、さらに第二の基板62上には、MEMS62bが形成されている。
第一の基板61において、第二の基板62に設けられた第二の接合部62aと接合される領域には、貫通配線部61bが形成されている。貫通配線部61bの第二の接合部62aと接合される領域が第一の接合部61aである。ここで、貫通配線部61bの最上部は、外部回路と接続するための電極パッドまたは端子として利用される。
さらに、第一の基板61には、受動部品として、インダクタ,抵抗,コンデンサ等を内蔵することも可能である。例えばLTCC基板から成る第一の基板61は、この基板の内部に内蔵された縦配線,横配線、これらの配線に接続されたインダクタ等の受動部品から構成されていてもよい。
まず、図15(A)に示すように、第一の基板61を、例えばLTCC基板やガラス基板等を使用して形成し、密着層及びシード層としてのAu薄膜(共に図示せず)とナノポーラスAu層を形成し、貫通配線部61bと共に第一の接合部61aとする。このナノポーラスAu層は、図2(A)〜(D)に示すように形成され、その接合面が例えばアルゴンプラズマ処理により清浄化及び活性化が実施される。
かくして、電子部品のパッケージ60の内部が封止され、電子部品のパッケージ60が完成する。なお、第一の接合部61a及び第二の接合部62aとしてのナノポーラスAu層は、第一の接合部61a,第二の接合部62aの何れか一方のみに形成されてもよく、また双方に形成されてもよい。
このような構成の電子部品のパッケージ70によれば、図14に示した電子部品のパッケージ60と同様に作用する。
例えば、上述した実施形態においては、ナノポーラスAu層の下に形成される密着層がTi薄膜から構成されているが、これに限らず、接着効果が得られるものであれば、他の材料から成る薄膜であってもよい。
11,31,51,61:第一の基板
12:密着層
13:Au薄膜
14:ナノポーラスAu層
15:レジストパターン
16:Au合金(AuSn)層
20,32,52,62:第二の基板
21:Au薄膜
30,40,50,60,70:電子部品のパッケージ
31,32a:電子部品
31b:配線層(LSI)
31c:絶縁膜(LSI)
31d:電極パッドまたは端子
31e:配線層
33:接合部
33a:ナノポーラスAu層
34:試料ステージ(接合機)
35:加圧ツール(接合機)
41:接合部
41a:ナノポーラスAu層
41b:シール部
51a,61a:第一の接合部
52a,62a:第二の接合部
52b,62b:MEMS
53,63:シール部
61b:貫通配線部
Claims (6)
- 第一の基板を、第二の基板に接合するための基板接合方法において、
前記第一の基板上に密着層を形成して前記密着層上にAu薄膜を形成する第一の段階と、
前記Au薄膜上に、電解メッキのマスクのためにパターンマスクを形成する第二の段階と、
前記パターンマスクによりパターン化されたAu合金を前記電解メッキにより前記Au薄膜上に形成する第三の段階と、
前記パターンマスクを除去する第四の段階と、
前記Au合金のうちAu以外の金属成分を選択的に除去して、前記Au合金をナノポーラスAuとする第五の段階と、
前記ナノポーラスAuの表面を表面処理により活性化する第六の段階と、
前記第二の基板上のAu薄膜又はナノポーラスAuの表面を活性化する第七の段階と、
前記第一の基板及び前記第二の基板を対向させて、前記第一の基板上のナノポーラスAuを第二の基板上のAu薄膜又はナノポーラスAuに当接させた状態で加圧する第八の段階と、
を含んでいることを特徴とする、基板の接合方法。 - 前記第一の基板がシリコン基板であって、前記第二の基板がセラミック基板又はガラス基板であることを特徴とする、請求項1に記載の基板の接合方法。
- 前記第三の段階における電解メッキで使用される電解メッキ液が、シアンを含まない電解メッキ液であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の基板の接合方法。
- 前記第六の段階における表面処理が、プラズマの照射により行なわれることを特徴とする、請求項1乃至3の何れかに記載の基板の接合方法。
- 前記第七の段階において、前記第二の基板上に密着層を含む層を形成し、該密着層を含む層上に前記Au薄膜又はナノポーラスAuを形成することを特徴とする、請求項1乃至4の何れかに記載の基板の接合方法。
- 前記第八の段階において、加圧が、25℃〜150℃の温度にて、加圧圧力10〜50MPa,加圧時間30〜60分の条件のもとで行なわれることを特徴とする、請求項1乃至5の何れかに記載の基板の接合方法。
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