JP6141684B2 - 半導体素子および半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子およびその製造技術に関し、特に、複数の可動部が配列された半導体素子に適用して有効な技術に関する。

特開２０１２−３０３４２号公報（特許文献１）には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成された、複数の可動部（ミラー素子）を有するパッケージが記載されている。

特開２０１２−３０３４２号公報

ＭＥＭＳ技術を用いた半導体素子の一つとして、画素に対応する複数の微細なミラー素子（可動部）が配列された画像形成素子がある。そして、画像形成素子のミラー形成面に光を照射し、複数のミラー素子のそれぞれの光の反射角度を調整することで画像を形成する技術がある。上記画像形成素子は、デジタルミラーデバイス(ＤＭＤ；Digital Micromirror Device）と呼ばれる。この画像形成素子は、半導体集積回路の形成技術の応用技術であるＭＥＭＳ技術を適用して複数のミラー素子やミラー素子の駆動回路を形成することで、素子の小型化を図ることができる。

ここで、複数のミラー素子の微細化が進むと、ミラー素子の雰囲気の湿度を制御する必要が生じることが判った。例えば、ミラー素子の近傍で結露し、水滴がミラー素子に付着すると、水滴の表面張力によりミラー素子の動作が制限され、ミラー素子の角度調整の精度が低下する。上記したように、デジタルミラーデバイスと呼ばれる画像形成素子は、画素毎に光の反射角度を調整することで画像を形成するので、ミラー素子の角度調整の精度が低下すると、画像品質の信頼性が低下する原因になる。

そこで、本願発明者は、複数のミラー素子が形成された領域を気密空間にして、気密空間内を減圧状態、あるいは不活性ガスが充填された状態にすることで、ミラー素子の近傍での結露を抑制する技術について検討した。ミラー素子の近傍での結露を抑制するためには、複数のミラー素子を支持する基板と、複数のミラー素子を覆うカバー部材との間に設けられ、複数のミラー素子が形成された領域を封着する封着部には、高い気密性が要求される。

しかし、封着部に配置される部材を硬化させる時に、高温での加熱プロセスが必要になる場合、加熱時の熱で複数のミラー素子のそれぞれに、反り変形が生じる場合があることが判った。この場合、ミラー素子の反り変形により反射角度が変化するので、画像品質の信頼性が低下する原因になる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、画像形成素子により形成される画像品質の信頼性を向上させる技術を提供することにある。

本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態による半導体素子は、チップ搭載領域が設けられている第１面、および前記チップ搭載領域の周囲を連続的に囲むように前記第１面に設けられている第１部材を備える第１基板を有する。また、半導体素子は、第２面、前記第２面の反対側に位置する第３面、および前記第２面の第１領域に配列されている複数の可動部を備え、前記第３面が前記第１基板の前記第１面と対向するように、前記第１基板の前記チップ搭載領域上に固定されている半導体チップを有する。また、半導体素子は、第４面、前記第４面の反対側に位置する第５面、および前記第４面のうちの前記半導体チップの前記第２面と対向する第２領域を連続的に囲むように設けられている第２部材を備え、前記第４面が前記第１基板の前記第１面および前記半導体チップの前記第２面と対向するように、前記第１基板の前記第１面側に固定されている第２基板を有する。また、前記第１部材と前記第２部材とは、全周に亘って厚さ方向に重なるように配置されている。また、前記複数の可動部、前記第１部材、および前記第２部材は、それぞれ金属材料から成り、前記第１部材または前記第２部材の電気伝導率は、前記複数の可動部の電気伝導率よりも小さい。

また、一実施の形態による半導体素子の製造方法は、（ａ）チップ搭載領域が設けられている第１面、および前記チップ搭載領域の周囲を連続的に囲むように前記第１面に設けられている第１部材を備える第１基板を準備する工程を有している。また、半導体素子の製造方法は、（ｂ）第２面、前記第２面の反対側に位置する第３面、および前記第２面の第１領域に配列されている複数の可動部を備える半導体チップを、前記第３面が前記第１基板の前記第１面と対向するように、前記第１基板の前記チップ搭載領域上に固定する工程を有する。また、半導体素子の製造方法は、（ｃ）前記（ｂ）工程の後、第４面、前記第４面の反対側に位置する第５面、および前記第４面に設けられている第２部材を備える第２基板を、前記第４面が前記第１基板の前記第１面および前記半導体チップの前記第２面と対向するように、前記第１基板の前記第１面側に固定する工程を有する。また、前記複数の可動部、前記第１部材、および前記第２部材は、それぞれ金属材料から成り、前記第１部材または前記第２部材の電気伝導率は、前記複数の可動部の電気伝導率よりも小さい。また、前記（ｃ）工程では、前記第１部材と前記第２部材は、全周に亘って厚さ方向に重なるように配置した状態で、電磁誘導加熱により、前記第１部材および前記第２部材のうちのいずれか一方、または両方を加熱する。

上記した一実施の形態によれば、半導体素子の信頼性を向上させることができる。

一実施の形態の画像形成素子が組み込まれた、画像形成システムの構成を模式的に示す説明図である。 図１に示す画像表示素子のミラー配置面側を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図２に示す半導体チップを覆っている基板を取り除いて、画像形成素子の内部構造を示す平面図である。 図４に示す半導体チップを拡大して示す平面図である。 断面視におけるミラー素子の傾斜動作の方向を模式的に示す説明図である。 図３に示す半導体チップを覆っている基板の下面側を示す平面図である。 図３に示す封着部を拡大して示す拡大断面図である。 図２に示す画像形成素子の組立フローを示す説明図である。 図９に示す第１基板準備工程で準備する基板のチップ搭載面側を示す平面図である。 図１０に示す基板のチップ搭載領域上に半導体チップを搭載した状態を示す平面図である。 図１１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１１に示す半導体チップと基板とを電気的に接続した状態を示す平面図である。 図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１４に示す基板上に、半導体チップを覆う基板を搭載した状態を示す断面図である。 図９に示す第２基板搭載工程で、封着部を連結する直前の状態を示す拡大断面図である。 図１５に示す封着部がチャンバ内で封着される状態を示す断面図である。 図８に対する変形例を示す拡大断面図である。 図７に対する変形例を示す平面図である。 図３に対する変形例を示す断面図である。 図９に対する変形例であって、図２０に示す画像形成素子の組立フローを示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施の形態を説明するための全図において同一または類似の機能を有するものは同一または類似の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。以下の実施の形態では、複数の可動部を有する半導体素子の例として、複数のミラー素子を有する画像形成素子を挙げて説明する。

＜画像形成システムの概要＞
まず、図１を用いて、本実施の形態の画像形成素子ＤＭＤ１を用いて画像を形成する画像形成システムについて、簡単に説明する。図１は、本実施の形態の画像形成素子が組み込まれた、画像形成システムの構成を模式的に示す説明図である。なお、図１では、画像形成方法を判り易く示すため、システムの構造を単純化して示している。したがって、システムの構成は、図１に示す態様には限定されず、例えば、図１に示す構成に加えて、他の光学部品を追加することもできる。

本実施の形態の画像形成素子ＤＭＤ１は、例えば行列状に配列された、複数のミラー素子ＭＭを備えている。この複数のミラー素子ＭＭは、それぞれ独立して反射角度が調整可能になるように構成されており、形成する画像の画素数に対応して設けられている。

図１に示す画像表示システムでは、光源ＬＳからレンズＬＺ１を介して画像形成素子ＤＭＤ１に光を照射すると、画像形成素子ＤＭＤ１が備える複数のミラー素子ＭＭにより光が反射される。複数のミラー素子ＭＭは、それぞれ独立して反射角度を制御できるので、画像形成素子ＤＭＤ１に照射された光は、ミラー素子ＭＭの反射角度に応じた方向に、反射される。

このため、画像形成素子ＤＭＤ１に照射された光のうちの一部は、レンズ（例えば投射レンズ）ＬＺ２を経由して表示部ＤＰに向かって照射され、表示部ＤＰにおいて画素を形成する。表示部ＤＰは例えばスクリーンである。一方、画像形成素子ＤＭＤ１に照射された光のうちの他の一部は、レンズＬＺ２とは異なる方向に向かって反射され、表示部ＤＰには届かない。図１に示す画像表示システムでは、複数の画素に対応したミラー素子のそれぞれについて、上記の制御を行うことにより、表示部ＤＰに画像を形成する。

なお、上記した画像表示システムでは、白黒表示の画像の他、カラー表示の画像も形成することができる。カラー表示の画像を形成する場合、例えば、赤色、緑色、青色の波長域の光を複数のミラー素子ＭＭに照射して、カラー画像を形成する。また、上記３色に加えて、黄色の波長域の光を複数のミラー素子ＭＭに向かって照射する場合もある。また、複数色の光を照射する方法は、光の波長域毎に独立した光源を準備して照射する方法の他、図示しないカラーフィルタを光源とミラー素子ＭＭの間に配置して、各色の波長域を時分割する方法を適用することもできる。

＜画像形成素子の構造＞
次に、図１に示す画像表示システムに組み込まれた画像形成素子ＤＭＤ１の構造について説明する。図２は、図１に示す画像表示素子のミラー配置面側を示す平面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。また、図４は、図２に示す半導体チップを覆っている基板を取り除いて、画像形成素子の内部構造を示す平面図である。また、図５は図４に示す半導体チップを拡大して示す平面図である。また、図６は、断面視におけるミラー素子の傾斜動作の方向を模式的に示す説明図である。また、図７は、図３に示す半導体チップを覆っている基板の下面側を示す平面図である。また、図８は、図３に示す封着部を拡大して示す拡大断面図である。

図２および図３に示すように、本実施の形態の画像形成素子ＤＭＤ１は、基板１と、基板１に搭載されている半導体チップ２と、基板１の上面１ｔ側に、半導体チップ２を覆うように配置されている基板３と、を有している。

基板１は、チップ搭載領域１ｄｂが設けられている上面１ｔ、および上面１ｔの反対側に位置する下面１ｂを有している。上面１ｔのチップ搭載領域１ｄｂには、半導体チップ２が接着部材４（図３参照）を介して接着固定されている。

また、図４に示すように、基板１の上面１ｔには、チップ搭載領域１ｄｂの周囲を連続的に囲むように部材１ｓｅが設けられている。言い換えれば、平面視において、半導体チップ２は、部材１ｓｅにより周囲を囲まれている。部材１ｓｅは、基板１と基板３（図３参照）の間に配置され、半導体チップ２の周囲の空間が気密状態になるように基板１と基板３とを封着固定する、封着部５の一部を構成する。また、部材１ｓｅは、平面視において、半導体チップ２の周囲を連続的に囲むように配置される金属製の環状部材（枠形状部材ともいう）である。なお、本実施の形態で記載する気密状態とは、図３に示す空間７の内部で結露が生じない程度に外部からの気体の流入を防いだ状態を指す。

また、基板１は、半導体チップ２と電気的に接続される電極である、複数の端子１ｐｄ１を有している。複数の端子１ｐｄ１は、部材１ｓｅと半導体チップ２との間、言い換えれば、部材１ｓｅとチップ搭載領域１ｄｂとの間に配置されている。複数の端子１ｐｄ１のそれぞれには、例えば金線などの導電性部材である、ワイヤ６が接続され、複数の端子１ｐｄ１と半導体チップ２とは、ワイヤ６を介して電気的に接続されている。複数の端子１ｐｄ１を、半導体チップ２と電気的に接続するため、図３に示すように、半導体チップ２および複数の端子１ｐｄ１のそれぞれは、基板１、基板３、および封着部５で囲まれた気密な空間７の内部に配置されている。

また、基板１は、画像形成素子ＤＭＤ１の外部端子である、複数の端子１ｐｄ２を有している。また、複数の端子１ｐｄ２は、画像形成素子ＤＭＤ１の外部端子に相当するので、図３に示すように、基板１、基板３、および封着部５で囲まれた空間７の外部に配置されている。このため、図３に示すように、基板１は、空間７内に設けられた複数の端子１ｐｄ１と空間７の外部に設けられた複数の端子１ｐｄ２とを電気的に接続する導通経路として、複数の配線１ｗが形成されている。言い換えれば、複数の端子１ｐｄ２は、基板１に形成された複数の配線１ｗを介して、複数の端子１ｐｄ１と電気的に接続されている。

なお、図３では、複数の配線１ｗが基板１の内部に形成されている例を示しているが、配線１ｗは、封着部５と接触しないように設けることができれば、基板１の内部に形成しなくても良い。例えば基板１の下面１ｂ側に配線１ｗを形成し、基板１を厚さ方向（図３に示す例では、Ｚ方向）に貫通する貫通導体を介して配線１ｗと端子１ｐｄ１とを電気的に接続することもできる。

また、図示は省略するが、複数の端子１ｐｄ２にフレキシブル配線板などの図示しないインタフェース配線を接続することにより、画像形成素子ＤＭＤ１は、例えば制御装置などの図示しない外部機器と電気的に接続される。

このように、基板１は、複数のミラー素子ＭＭが形成された半導体チップ２と、外部機器とを電気的に接続する複数の配線１ｗが形成された、配線基板である。基板１の基材は、例えば、アルミナ（酸化アルミニウム；Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミック材料、あるいは、珪素（Ｓｉ）などの半導体材料から成る。また、基板１に形成される複数の端子１ｐｄ１、端子１ｐｄ２、および配線１ｗなどの導電性部材は、例えば銅（Ｃｕ）などの金属材料から成る。

また、基板１の上面１ｔに形成された部材１ｓｅは、封着部５の気密性が確保できる材料であれば特に限定されないが、部材１ｓｅを効率的に形成する観点からは、基板１に形成されている複数の端子１ｐｄ１や端子１ｐｄ２と同じ材料で形成することが好ましい。部材１ｓｅと端子１ｐｄ１、端子１ｐｄ２とを同じ材料で形成することにより、部材１ｓｅ、端子１ｐｄ１、および端子１ｐｄ２を、一括して形成することができる。

また、図３に示すように、基板１の上面１ｔに搭載される半導体チップ２は、ミラー形成面である上面２ｔ、および上面２ｔの反対側に位置する下面２ｂを有している。半導体チップ２は、下面２ｂと基板１の上面１ｔとが対向した状態で、基板１の上面１ｔ側に接着固定されている。

図５に示すように、半導体チップ２は、上面２ｔの中央部に、複数のミラー素子ＭＭが配列されているミラー配置領域２ｍａを備えている。ミラー配置領域２ｍａには複数のミラー素子ＭＭが規則的に配列されている。図５に示す例では、複数のミラー素子ＭＭは行列状（マトリクス状、あるいはアレイ状とも言う）に配列されている。複数のミラー素子ＭＭのそれぞれは、平面視において四角形を成し、一辺の長さは、例えば、１０μｍ程度である。また、複数のミラー素子ＭＭは、ミラー素子ＭＭの反射面が半導体チップ２の上面２ｔに対して傾斜した時に、隣り合うミラー素子同士が接触しないようになっている。

また、図６に模式的に示すように、ミラー素子ＭＭは、半導体チップ２の上面２ｔ上に、上面２ｔに対して傾動可能な状態で支持されている。図６では、図示を省略したが、ミラー素子ＭＭは、図示しない支持部材によって、例えば、ミラー素子ＭＭの側面または下面が支持されている。ミラー素子ＭＭおよびミラー素子の周辺部材に対して微細加工を施す方法としては、ＭＥＭＳ技術を適用することができる。ＭＥＭＳ技術では、半導体ウエハに半導体集積回路を形成する技術を応用して、半導体チップの上面２ｔ上に、機械的に動作するミラー素子ＭＭと、ミラー素子ＭＭの動作を電気的に制御する駆動回路ＤＲ１とを形成することができる。

ミラー素子ＭＭの動作の制御は、例えば、静電引力を利用して行うことができる。図６に示す例では、ミラー素子ＭＭと半導体チップ２の上面２ｔの間には、ミラー素子ＭＭの傾斜動作を駆動する駆動回路ＤＲ１の一部を構成する、駆動電極２ｄｅ１と駆動電極２ｄｅ２とが形成されている。駆動電極２ｄｅ１、駆動電極２ｄｅ２のうちのいずれか一方に駆動電圧を印加すると、導体部材で形成されているミラー素子ＭＭとの間で、静電引力が生じ、ミラー素子ＭＭを傾斜させることができる。本実施の形態では、ミラー素子ＭＭ、およびミラー素子ＭＭを駆動する駆動回路ＤＲ１の一部を構成する駆動電極２ｄｅ１および駆動電極２ｄｅ２は、それぞれ同じ金属材料により成り、例えばアルミニウム（Ａｌ）を主体とする金属材料から成る。

また、図５に示すように、半導体チップ２の周縁部には、半導体チップ２の外部端子用の電極である、複数の端子２ｐｄが形成されている。複数の端子２ｐｄのうちの少なくとも一部は、図６に示す駆動回路ＤＲ１と電気的に接続されている。また、複数の端子２ｐｄのそれぞれは、図４に示すようにワイヤ６を介して基板１の端子１ｐｄ１と電気的に接続されている。

ここで、図１に示す画像表示システムにおいて、単に画像を形成する機能としては、図５に示す半導体チップ２があれば足りる。しかし、ミラー素子ＭＭを露出させた状態では、ミラー素子ＭＭの雰囲気の湿度を制御する必要が生じることが判った。例えば、ミラー素子ＭＭの近傍で結露し、水滴がミラー素子ＭＭに付着すると、水滴の表面張力によりミラー素子ＭＭの動作が制限され、ミラー素子ＭＭの角度調整の精度が低下する。

そこで、本実施の形態では、図３に示すように、複数のミラー素子ＭＭが形成された半導体チップ２を覆うように基板３を設け、半導体チップ２の周囲の封着部５において、基板１と基板３とを封着している。また、複数のミラー素子ＭＭが配置されている空間７を気密空間にして、空間７内を減圧状態、あるいは不活性ガスが充填された状態にしている。これにより、空間７内の湿度は、空間７の周囲の湿度よりも小さくなっている。詳しくは、本実施の形態の画像形成素子ＤＭＤ１は、画像形成素子ＤＭＤ１の使用環境温度の範囲内では結露が生じないように、空間７の内部の水分が低減されている。したがって、ミラー素子ＭＭの近傍での結露を抑制できる。

図３に示すように、基板３はミラー素子ＭＭとの対向面である下面３ｂ、および下面３ｂの反対側に位置する上面３ｔを有している。基板３は、複数のミラー素子ＭＭを覆うように配置されているので、可視光を透過させる必要がある。本実施の形態では、基板３は、酸化珪素（ＳｉＯ_２）を主成分とするガラスから成る。

また、図７に示すように基板３の下面３ｂのうち、半導体チップ２（図３参照）の上面２ｔ（図３参照）と対向する、チップ対向領域３ｃｆの周囲には、チップ対向領域３ｃｆの周囲を連続的に囲むように部材３ｓｅが設けられている。言い換えれば、平面視において、半導体チップ２（図３参照）は、部材３ｓｅにより周囲を囲まれている。部材３ｓｅは、平面視において、半導体チップ２（図３参照）の周囲を連続的に囲むように配置される金属製の環状部材（枠形状部材ともいう）である。また、部材３ｓｅは、基板１（図３参照）と基板３の間に配置され、半導体チップ２の周囲の空間が気密状態になるように基板１と基板３とを封着固定する、封着部５の一部を構成する。

このため、図４に示す部材１ｓｅと、図７に示す部材３ｓｅとは、全周に亘って厚さ方向に重なるように配置されている。部材３ｓｅを基板３の下面３ｂに固定する方法は、特に限定されないが、図８に示す例では、部材３ｓｅは、接着部材９を介して基板３の下面３ｂに接着固定されている。

本実施の形態に対する変形例としては、部材１ｓｅと部材３ｓｅとを接触させた状態で接合することもできるが、本実施の形態の例では、図８に示すように部材１ｓｅと部材３ｓｅとの間に、半田材料から成る接続部材８を介在させている。つまり、部材１ｓｅと部材３ｓｅとは、接続部材８を介して接続されている。部材１ｓｅと部材３ｓｅとの間に、半田材料から成る接続部材８を介在させる場合、封着部５を封着する際に、半田材料の表面張力を利用することで、部材１ｓｅと部材３ｓｅの位置合わせを容易に行うことができる。この場合、基板３と半導体チップ２との位置関係を高精度で位置合わせすることができる。これにより、例えば図２に示す画像形成素子ＤＭＤ１を、図示しない実装基板に実装する際には、基板３の位置を基準として実装基板との位置合わせを行うことができる。

また、半田材料である接続部材８を介して部材１ｓｅと部材３ｓｅを接続する場合、半田材料を加熱溶融させることで、接続部材８の形状を容易に変形させることができる。したがって、部材１ｓｅと部材３ｓｅの間に、隙間が生じ難くなるので、図３に示す空間７内の気密性を向上させることができる。この気密性を向上させる効果は、接続部材８として半田材料を用いる場合の他、例えばペースト状の樹脂接着剤など、封着部５を連結する際に、部材１ｓｅおよび部材３ｓｅよりも柔らかい接続部材を用いる場合に得られる。ただし、半田材料は、ペースト状の樹脂接着剤よりも軟化した時の表面張力が大きい。したがって、半田材料から成る接続部材８を介在させる方が、部材１ｓｅと部材３ｓｅの間の隙間が生じ難くなる。

また、本実施の形態の例では、基板３には、配線や端子などの導体パターンは形成されていない。この場合、上記した基板１に形成された部材１ｓｅとは異なり、部材３ｓｅの形成効率の観点からは、特に材料選択上の制約はない。しかし、図３に示す接続部材８として半田材料を用いる場合には、接続部材との接合性を考慮して、部材３ｓｅを金属材料で形成することが好ましい。

また、本実施の形態では、封着部５を加熱することにより封着部５の構成部材を接合する。しかし、封着部５を加熱する際に、ミラー素子ＭＭ（図３参照）の温度が高温になると、ミラー素子ＭＭに反り変形が生じ易くなる。この場合、ミラー素子ＭＭの反射角度が変化するので、画像品質の信頼性が低下する原因になる。

そこで、本実施の形態では、図３に示す封着部５の構成部材を加熱する際に、電磁誘導加熱を利用して、部材３ｓｅを加熱する。この時、部材３ｓｅの電気伝導率は、ミラー素子ＭＭの電気伝導率よりも小さくなっている。すなわち、部材３ｓｅは、ミラー素子ＭＭを構成する材料よりも抵抗が小さい材料から成る。

例えば、ミラー素子ＭＭが、ポリシリコンやアルミニウムなどを主体とする材料から成る場合、部材３ｓｅは、アルミニウムよりも電気伝導率が小さい金属材料で構成する。本実施の形態では、部材３ｓｅは、鉄（Ｆｅ）に、ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）を配合した合金である、コバール（Ｋｏｖａｒ）から成る。コバールの電気伝導率は、アルミニウムの電気伝導率の１％よりも小さい。また、コバールの電気伝導率は、図８に示す部材１ｓｅを構成する金属材料である銅の電気伝導率よりも小さい。

電磁誘導加熱方式では、被加熱体の電気伝導率が小さい方が加熱され易い。したがって、本実施の形態のように部材３ｓｅの電気伝導率がミラー素子ＭＭの電気伝導率よりも小さい状態で、封着部５の構成部材を電磁誘導加熱方式により加熱すれば、ミラー素子ＭＭの温度上昇を抑制しつつ、かつ、部材３ｓｅを選択的に加熱することができる。この時、部材１ｓｅの主成分である銅は、アルミニウムよりもさらに電気伝導率が大きいので、部材１ｓｅは、電磁誘導加熱によっては殆ど加熱されない。しかし、封着部５を接続する際には、加熱された部材３ｓｅからの熱伝達によって、部材１ｓｅを加熱することができる。

また、コバールは、例えばミラー素子ＭＭを構成する材料や、部材１ｓｅを構成する材料よりも、線膨張係数の値が、基板３を構成するガラスに近い。このため、画像形成素子ＤＭＤ１が加熱され、あるいは冷却された時に、部材３ｓｅと基板３の接合部に応力が印加され難い。言い換えれば、部材３ｓｅと基板３の線膨張係数を近づけることで、画像形成素子ＤＭＤ１の温度サイクル寿命を延ばすことができる。上記温度サイクル寿命とは、画像形成素子ＤＭＤ１を図示しない実装基板に実装した後、環境温度を繰り返し変化させて、封着部５における故障発生率と繰り返し回数の関係を評価する指標である。

また、温度サイクル負荷が印加された時に生じる応力の影響により、封着部５が破壊してしまうことを抑制する観点からは、封着部５が応力緩和機能を備えていることが好ましい。本実施の形態では、図８に示すように部材３ｓｅの厚さＴ１は、部材３ｓｅの幅Ｗ１よりも大きい。ここで、部材３ｓｅの厚さＴ１とは、基板１と基板３のうちの一方から他方に向かうＺ方向における部材３ｓｅの長さを言う。また、部材３ｓｅの幅Ｗ１とは、図７に示すように、平面視において、部材３ｓｅの延在方向（例えばＹ方向）と直交する方向（例えばＸ方向）における部材３ｓｅの長さを言う。

図８に示すように、部材３ｓｅの厚さを厚くすると、温度サイクル負荷が印加された時に、部材３ｓｅが弾性変形し易くなる。部材３ｓｅが弾性変形すると、温度サイクル負荷により生じる応力を部材３ｓｅによって緩和することができるので、応力により、封着部５が損傷することを抑制できる。つまり、温度サイクル負荷が印加された時に生じる応力の影響により、封着部５が破壊してしまうことを抑制する観点からは、図８に示すように部材３ｓｅの厚さＴ１は、部材３ｓｅの幅Ｗ１よりも大きくなっていることが好ましい。

＜画像形成素子の製造方法＞
次に、図１〜図８を用いて説明した画像形成素子の製造方法について説明する。図９は、図２に示す画像形成素子の組立フローを示す説明図である。

まず、図９に示す第１基板準備工程では、図１０に示す基板１を準備する。図１０は、図９に示す第１基板準備工程で準備する基板のチップ搭載面側を示す平面図である。本工程で準備する基板１には、図２〜図４を用いて説明した基板１の各構成部材が、予め形成されている。

図１０に示すように、基板１の上面１ｔは、チップ搭載領域１ｄｂを備えている。チップ搭載領域１ｄｂの周囲には、基板１は、半導体チップ２（図４参照）と電気的に接続される電極である、複数の端子１ｐｄ１がチップ搭載領域１ｄｂの周囲を断続的に囲むように配列されている。また、基板１の上面１ｔには、チップ搭載領域１ｄｂの周囲（図１０に示す例では複数の端子１ｐｄ１の周囲）を連続的に囲むように部材１ｓｅが形成されている。また、基板１の上面１ｔには、図４に示す画像形成素子ＤＭＤ１の外部端子である、複数の端子１ｐｄ２が形成されている。また、図１０に示す複数の端子１ｐｄ１と複数の端子１ｐｄ２とは図３に示す配線１ｗを介して電気的に接続されている。

基板１の構成部材のうち、上面１ｔに形成される金属パターンである複数の端子１ｐｄ１、複数の端子１ｐｄ２、および部材１ｓｅは、同じ金属材料を用いて一括して形成されている。複数の端子１ｐｄ１、複数の端子１ｐｄ２、および部材１ｓｅを構成する主たる金属材料は、端子１ｐｄ１および端子１ｐｄ２の電気的特性を考慮して、例えば銅（Ｃｕ）から成る。

ただし、本実施の形態に対する変形例としては、種々の金属材料を用いることができる。例えば、銅に代えて、アルミニウムなどの金属材料を用いることができる。また例えば、主成分として銅を使用する場合であっても、銅からなる基材の表面に、例えばニッケル（Ｎｉ）などの金属膜を積層することもできる。この場合、銅からなる基材の酸化を抑制できる。また、部材１ｓｅに半田材料を接合する場合には、表面にニッケルの金属膜を形成することで、半田部材の濡れ性を向上させることができる。

次に、図９に示す半導体チップ搭載工程では、図１１および図１２に示すように、半導体チップ２の下面２ｂが基板１の上面１ｔと対向するように、半導体チップ２を基板１のチップ搭載領域１ｄｂ上に固定する。図１１は、図１０に示す基板のチップ搭載領域上に半導体チップを搭載した状態を示す平面図である。また、図１２は、図１１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

本工程では、例えば基板１のチップ搭載領域１ｄｂ上に、接着部材４を塗布した後、半導体チップ２の下面２ｂを接着部材４に押し付ける。そして、例えば加熱あるいは紫外線照射により、接着部材４にエネルギーを加えて硬化させると半導体チップ２が基板１上に接着固定される。また、変形例としては、以下の態様も適用できる。すなわち、半導体チップ２の下面２ｂに予めフィルム状の接着部材４を貼り付けておき、接着部材４を基板１の上面１ｔに押し付けて、半導体チップ２を基板１上に接着固定する。

接着部材４は、例えば熱硬化性樹脂、あるいは紫外線硬化性樹脂などを含む樹脂製の部材を用いることができる。樹脂製の接着部材４を用いる場合、接着部材４が硬化する際に、樹脂に含まれていた有機成分がガス化して排出される場合があるが、本工程では、半導体チップ２の周囲の空間は、密封されていないので、この樹脂製の接着部材４を用いることができる。また、接着部材４を構成する材料の変形例として、半田材料を用いることもできる。しかし、樹脂製の接着部材４の場合、例えば、熱硬化性樹脂を用いた場合であっても、半田材料と比較すると、相対的に低い温度で半導体チップ２を基板１上に接着固定することができる。したがって、半導体チップ搭載工程における加熱温度を低減し、半導体チップ２のミラー素子ＭＭの変形を抑制する観点からは、樹脂製の接着部材４を用いることが好ましい。

本工程で基板１上に搭載する半導体チップ２は、図３、図５および図６を用いて既に説明したので、重複する説明は省略する。

次に、図９に示すワイヤボンディング工程では、図１３および図１４に示すように、半導体チップ２と基板１に形成された複数の端子１ｐｄ１とを電気的に接続する。図１３は、図１１に示す半導体チップと基板とを電気的に接続した状態を示す平面図である。また、図１４は、図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

本工程では、半導体チップ２の上面２ｔに形成された複数の端子２ｐｄと、基板１の上面１ｔに形成された複数の端子１ｐｄ１とを、複数のワイヤ６を介して、それぞれ電気的に接続する。ワイヤ６は、例えば金（Ａｕ）や銅などの導電性材料を線状に形成した導電性部材であって、一方の端部が半導体チップ２の端子２ｐｄに、他方の端部が基板１の端子１ｐｄ１に、それぞれ接合されている。

次に、図９に示す第２基板搭載工程では、図１５に示すように、基板３を準備して、基板３の下面３ｂが半導体チップ２の上面２ｔと対向するように、基板３を基板１の上面１ｔ上に固定する。図１５は、図１４に示す基板上に、半導体チップを覆う基板を搭載した状態を示す断面図である。また、図１６は、図９に示す第２基板搭載工程で、封着部を連結する直前の状態を示す拡大断面図である。また、図１７は、図１５に示す封着部がチャンバ内で封着される状態を示す断面図である。

本工程で基板１上に搭載される基板３は、図１６に示すように、下面３ｂ側に、予め部材３ｓｅが形成されている。図１６に示すように、接着部材９を介して部材３ｓｅを予め接着固定しておく場合には、接着部材９を硬化させる際に、高温で加熱することができる。したがって、部材３ｓｅと基板３との接合部における接合強度を向上させる観点から、接着部材９の構成材料の線膨張係数は、基板３および部材３ｓｅの線膨張係数に近いことが好ましい。

例えば、部材１ｓｅを銅などの金属材料で形成する場合には、少なくとも接着部材９の線膨張係数は、部材１ｓｅの線膨張係数よりも基板３の線膨張係数に近いことが好ましい。このような観点から、例えば接着部材９としては、例えば、ガラスフリットと呼ばれる材料を用いることが好ましい。ガラスフリットは、珪砂、長石、あるいは石灰などの二酸化珪素から成る材料を高温で溶解させた後、急激に冷却することで得られるガラス片であって、ペースト状の樹脂と混合することで、接着剤として使用することができる。このガラスフリットからなる接着部材９は、接着固定時に高温での加熱を要するが、基板３を基板１上に搭載する前は、高温で加熱しても図１５に示す半導体チップ２には熱影響は及ばない。

また、図１６に示す例では、部材３ｓｅの先端面３ｓｐに、接続部材８が形成されている。接続部材８は、例えば錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）半田、所謂、フリー半田である錫（Ｓｎ）半田、錫−ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）半田、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）半田などの半田材料から構成されている。本実施の形態では、上記したように、電磁誘導加熱方式により、部材３ｓｅを選択的に加熱するので、部材３ｓｅの先端面３ｓｐに予め接続部材８を形成しておくことにより、接続部材８を容易に加熱することができる。

また、図１６に示すように、本工程では、部材３ｓｅの先端面３ｓｐと部材１ｓｅの表面１ｓｐとが対向するような位置関係で、基板１上に基板３を配置する。言い換えれば、本工程では、部材１ｓｅと部材３ｓｅとが厚さ方向に重なるように基板１上に基板３を配置する。また、図１５に示す空間７の気密性を向上させる観点から、本工程では、平面視において、部材１ｓｅと部材３ｓｅとが全周に亘って重なるように基板１上に基板３を配置する。

そして、部材３ｓｅの先端面３ｓｐと部材１ｓｅの表面１ｓｐとが対向した状態で、部材３ｓｅを電磁誘導加熱方式により加熱する。また、図１６に模式的に矢印を付して示すように、部材３ｓｅと部材１ｓｅの距離を近づけて、接続部材８を部材１ｓｅの表面に押し付ける。接続部材８が部材１ｓｅと接触し、接触界面に接続部材８と部材１ｓｅの合金層が形成されると、接続部材８と部材１ｓｅの接触界面は、所謂、濡れた状態になる。これにより、基板３の下面３ｂと基板１の上面１ｔとは、封着部５を介して連結され、図１５に示す基板３、基板１、および封着部５で囲まれた空間７は、空間７の外部と遮断された気密空間になる。

また、接続部材８として、半田材料を用いる場合、接続部材８と部材１ｓｅが接触した後は、半田材料の表面張力の影響により、部材１ｓｅと部材３ｓｅの位置合わせが自動的に行われる。したがって、基板１上に基板３を配置する際の位置合わせ精度は、接続部材８と部材１ｓｅとを接触させることができる程度の精度で良い。この場合でも、半田材料の表面張力による自動位置合わせ機能（以下、セルフアライメント機能と呼ぶ）によって、部材３ｓｅと部材１ｓｅの間に全周に亘って接続部材８を介在させることができる。このため、空間７の気密性を向上させることができる。

また、図１７に示すように、本工程は、チャンバ１０の気密室１０ａ内に半導体チップ２が搭載された基板１および基板３を配置して、封着部５を加熱することが好ましい。気密室１０ａ内は、例えば気密室１０ａの外部よりも減圧された状態になっており、気密室１０ａの外部よりも湿度が低くなっている。あるいは、気密室１０ａ内には、例えば窒素ガスなどの不活性ガスが充填されており、気密室１０ａの外部よりも湿度が低くなっている。

このように、外部と比較して湿度が低い状態の気密室１０ａ内で、封着部５を加熱することで、空間７内の湿度が低い状態で密封することができる。また、接続部材８として半田材料を用いる場合、半田材の表面や、部材１ｓｅの表面に酸化膜が形成されると、これを取り除く必要がある。しかし、図１７に示すように、チャンバ１０の気密室１０ａ内に半導体チップ２が搭載された基板１および基板３を配置した状態で封着部５を加熱する場合、気密室１０ａ内の酸素濃度を気密室１０ａの外部よりも低くした状態にすることができる。これにより、例えばフラックスなどの活性材料を用いなくても、接続部材８と部材１ｓｅを接合することができる。この場合、フラックス成分の残渣や、加熱時に発生するガスが、密封された空間７内に残留することを抑制できる点で好ましい。

また、酸素濃度を低減させた気密室１０ａ内で封着部５を封着する場合には、例えば溶接などの方法を採用することは困難である。しかし、本実施の形態によれば、図１７に示すように、例えばチャンバ１０の周囲に、電磁誘導加熱用のコイル１１を配置し、該コイル１１に電流を流すと、電磁誘導により特に電気伝導率が小さい部材３ｓｅが加熱される。そして部材３ｓｅからの熱伝達により、接続部材８および部材１ｓｅが加熱され、封着部５を形成することができる。

なお、図１７では、チャンバ１０の周囲にコイル１１を配置する例を示しているが、部材３ｓｅを電磁誘導加熱することができれば、コイル１１の位置は、図１７に示す態様には限定されない。例えば、チャンバ１０の内部にコイル１１を配置することができる。

以上の各工程により、図１〜図８を用いて説明した画像形成素子ＤＭＤ１が得られる。その後、必要な検査を行った後、端子１ｐｄ２（図２参照）に図示しないフレキシブル配線板などの図示しないインタフェース配線が接続され、画像形成素子は、例えば図１に示す画像表示システムに組み込まれる。あるいは、必要な検査を行った後、画像形成素子は梱包され、出荷される。

＜変形例＞
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

例えば、上記実施の形態では、図８に示す部材３ｓｅを電磁誘導加熱方式により選択的に加熱して、接続部材８および部材１ｓｅは、部材３ｓｅからの熱伝達により加熱する実施態様について説明した。しかし、変形例としては、部材１ｓｅおよび部材３ｓｅの両方を、それぞれミラー素子ＭＭ（図４参照）を構成する金属材料よりも電気伝導率が小さい金属材料（例えばコバール）で構成することもできる。この場合、図９に示す第２基板搭載工程では、部材１ｓｅおよび部材３ｓｅの両方を電磁誘導加熱方式により加熱することになる。また、更なる変形例としては、部材１ｓｅを構成する金属材料の電気伝導率を、部材３ｓｅを構成する金属材料の電気伝導率よりも小さくすることもできる。この場合、図９に示す第２基板搭載工程では、主として部材１ｓｅが加熱されることになる。

また、上記実施の形態では、部材３ｓｅと部材１ｓｅの間に接続部材８を介在させて封着部５を連結する実施態様について説明した。しかし、変形例として、図１８に示すように、部材３ｓｅの先端面３ｓｐと、部材１ｓｅの表面１ｓｐとを接触させて、接合することができる。図１８は図８に対する変形例を示す拡大断面図である。

部材３ｓｅの先端面３ｓｐと部材１ｓｅの表面１ｓｐとを、それぞれ研磨して平坦度を向上させれば、部材３ｓｅおよび部材１ｓｅを加熱した状態で接触させることにより、熱圧着させることができる。この場合、部材３ｓｅと部材１ｓｅを異なる金属材料で構成すれば、接合界面には合金層が形成される。また、部材３ｓｅと部材１ｓｅを同じ金属材料で構成すれば、接合界面を一体化させることができる。図１８に示す例では、部材１ｓｅと部材３ｓｅは、同じ金属材料（例えばコバール）で構成された例を示している。

ただし、図１８に示す変形例の場合、平面視において、部材１ｓｅと部材３ｓｅの位置がずれて、重なっていない領域が生じた場合には、図３に示す空間７の気密性が低下する。したがって、図１８に示す変形例の場合には、図９に示す第２基板搭載工程において、高精度の位置合わせが要求される。

また、上記実施の形態では、図７に示すように、封着部５が平面視において外縁部が四角形の枠形状を成す例を取り上げて説明した。しかし、封着部５の平面形状は種々の変形例を適用することができる。例えば、図１９に示す変形例のように部材３ｓｅが、チップ対向領域３ｃｆの輪郭に沿って、蛇行するように延びる形状となっていても良い。図１９は図７に対する変形例を示す平面図である。図１９に示すように部材３ｓｅを蛇行させた場合、画像形成素子に温度サイクル負荷が印加された時に、蛇行した部材３ｓｅが変形することにより、応力を緩和し易くなる。したがって、図１９に示す変形例の場合、画像形成素子の温度サイクル寿命をさらに伸ばすことができる。

また、図示は省略するが、この場合、部材３ｓｅと対向配置される部材１ｓｅ（図８参照）も、平面視において、半導体チップ２（図４参照）の輪郭に沿って、蛇行するように延びていることが好ましい。

また、それぞれ蛇行する部材３ｓｅと部材１ｓｅの位置を確実に重ねわせることは難しい。したがって、図８に示すように、部材１ｓｅと部材３ｓｅとの間に、半田材料あるいは硬化前にペースト状を成す樹脂接着剤などで構成される、接続部材８を介在させることが好ましい。また、表面張力によるセルフアライメント機能によって、図３に示す空間７の気密性を向上させる観点からは、半田材料から成る接続部材８を介在させることが特に好ましい。

また、上記実施の形態では、図３に示すように、基板１上に複数のミラー素子ＭＭを備えている半導体チップ２を搭載する例を取り上げて説明した。しかし、例えば、図２０に示す変形例の画像形成素子ＤＭＤ２のように基板１に、複数のミラー素子ＭＭを形成することもできる。図２０は、図３に対する変形例を示す断面図である。また、図２１は、図９に対する変形例であって、図２０に示す画像形成素子の組立フローを示す説明図である。

図２０に示す画像形成素子ＤＭＤ２は、複数のミラー素子ＭＭが基板１の上面１ｔに形成されている点で、図３に示す画像形成素子ＤＭＤ２と相違する。また、複数のミラー素子ＭＭを基板１に形成する場合、図３に示す接着部材４やワイヤ６、端子１ｐｄ２などを形成しなくても良い。したがって、画像形成素子ＤＭＤ２の平面サイズは、上記実施の形態で説明した画像形成素子ＤＭＤ１の平面サイズよりも小型化できる。

また、図２１に示すように、画像形成素子ＤＭＤ２（図２０参照）の製造工程では、第１基板準備工程において、複数のミラー素子ＭＭを基板１の上面１ｔに形成するので、上記実施の形態で説明した、半導体チップ搭載工程、およびワイヤボンディング工程を省略できる。

図２０に示す変形例である半導体素子の技術的思想を抽出すれば、下記の通り表現できる。

第１領域が設けられている第１面、前記第１面の第１領域に配列されている複数の可動部およびチップ搭載領域の周囲を連続的に囲むように前記第１面に設けられている第１部材を備える第１基板と、
第２面、前記第２面の反対側に位置する第３面、および前記第２面のうちの前記第１領域と対向する第２領域を連続的に囲むように設けられている第２部材を備え、前記第２面が前記第１基板の前記第１面と対向するように、前記第１基板の前記第１面側に固定されている第２基板と、
を有し、
前記第１部材と前記第２部材とは、全周に亘って厚さ方向に重なるように配置されており、
前記複数の可動部、前記第１部材、および前記第２部材は、それぞれ導電性材料から成り、
前記第１部材または前記第２部材の電気伝導率は、前記複数の可動部の電気伝導率よりも小さい、半導体素子。

また、上記した各変形例同士を組み合わせて適用することもできる。

画像形成素子などの半導体素子および画像素子を組み込んだ画像表示システムに利用可能である。

１ 基板
１ｂ 下面
１ｄｂ チップ搭載領域
１ｐｄ１、１ｐｄ２ 端子
１ｓｅ 部材
１ｓｐ 表面
１ｔ 上面
１ｗ 配線
２ 半導体チップ
２ｂ 下面
２ｄｅ１、２ｄｅ２ 駆動電極
２ｍａ ミラー配置領域
２ｐｄ 端子
２ｔ 上面
３ 基板
３ｂ 下面
３ｃｆ チップ対向領域
３ｓｅ 部材
３ｓｐ 先端面
３ｔ 上面
４ 接着部材
５ 封着部
６ ワイヤ
７ 空間
８ 接続部材
９ 接着部材
１０ チャンバ
１０ａ 気密室
１１ コイル
ＤＭＤ１、ＤＭＤ２ 画像形成素子（半導体素子）
ＤＰ 表示部
ＤＲ１ 駆動回路
ＬＳ 光源
ＬＺ１、ＬＺ２ レンズ
ＭＭ ミラー素子（可動部）
Ｔ１ 厚さ
Ｗ１ 幅

Claims (10)

1. チップ搭載領域が設けられている第１面、および前記チップ搭載領域の周囲を連続的に囲むように前記第１面に設けられている第１部材を備える第１基板と、
   第２面、前記第２面の反対側に位置する第３面、および前記第２面の第１領域に配列されている複数の可動部を備え、前記第３面が前記第１基板の前記第１面と対向するように、前記第１基板の前記チップ搭載領域上に固定されている半導体チップと、
   第４面、前記第４面の反対側に位置する第５面、および前記第４面のうちの前記半導体チップの前記第２面と対向する第２領域を連続的に囲むように設けられている第２部材を備え、前記第４面が前記第１基板の前記第１面および前記半導体チップの前記第２面と対向するように、前記第１基板の前記第１面側に固定されている第２基板と、
   を有し、
   前記第１部材と前記第２部材とは、全周に亘って厚さ方向に重なるように配置されており、
   前記複数の可動部、前記第１部材、および前記第２部材は、それぞれ導電性材料から成り、
   前記第１部材または前記第２部材の電気伝導率は、前記複数の可動部の電気伝導率よりも小さい、半導体素子。
2. 請求項１において、
   前記第１部材と前記第２部材との間には、前記第１部材と前記第２部材の双方に接合される接続部材が配置されている、半導体素子。
3. 請求項２において、
   前記第１部材は第１金属材料から成り、前記第２部材は第２金属材料から成る、半導体素子。
4. 請求項３において、
   前記半導体チップは、前記複数の可動部を駆動する駆動回路、および前記駆動回路と電気的に接続されている複数の第１電極を備え、
   前記第１基板は、前記複数の第１電極と電気的に接続されている複数の第２電極を備え、
   前記複数の第２電極のそれぞれは、前記第１金属材料から成る、半導体素子。
5. 請求項３において、
   前記第２部材の電気伝導率は、前記第１部材の電気伝導率よりも小さい、半導体素子。
6. 請求項１において、
   前記第１部材と前記第２部材との間には、前記第１部材と前記第２部材の双方に接合される半田材が配置されている、半導体素子。
7. 請求項１において、
   前記第２部材の厚さは、前記第２部材の幅よりも大きい、半導体素子。
8. 請求項１において、
   平面視において、前記第２部材は、蛇行するように延びている、半導体素子。
9. （ａ）チップ搭載領域が設けられている第１面、および前記チップ搭載領域の周囲を連続的に囲むように前記第１面に設けられている第１部材を備える第１基板を準備する工程、
   （ｂ）第２面、前記第２面の反対側に位置する第３面、および前記第２面の第１領域に配列されている複数の可動部を備える半導体チップを、前記第３面が前記第１基板の前記第１面と対向するように、前記第１基板の前記チップ搭載領域上に固定する工程、
   （ｃ）前記（ｂ）工程の後、第４面、前記第４面の反対側に位置する第５面、および前記第４面に設けられている第２部材を備える第２基板を、前記第４面が前記第１基板の前記第１面および前記半導体チップの前記第２面と対向するように、前記第１基板の前記第１面側に固定する工程、
   を有し、
   前記複数の可動部、前記第１部材、および前記第２部材は、それぞれ金属材料から成り、
   前記第１部材または前記第２部材の電気伝導率は、前記複数の可動部の電気伝導率よりも小さく、
   前記（ｃ）工程では、
   前記第１部材と前記第２部材とを、全周に亘って厚さ方向に重なるように配置した状態で、電磁誘導加熱により、前記第１部材および前記第２部材のうちのいずれか一方、または両方を加熱する、半導体素子の製造方法。
10. 請求項９において、
    前記（ｃ）工程では、前記第１部材と前記第２部材は、前記第１部材と前記第２部材の間に配置された接続部材を介して接合され、
    前記第１基板と前記第２基板とを固定する前の前記接続部材は、前記第１部材および第２部材よりも柔らかい、半導体素子の製造方法。

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