JP6931912B2 - ウェハレベルパッケージの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のウェハ基材の積層構造によって、各種のデバイス素子を気密封止するウェハレベルパッケージの製造方法に関するものである。

各種のデバイス素子を気密封止するための電子部品パッケージとして、並行平板に研磨した水晶、ガラス、シリコンなどのウェハ基材を積層して、内部に各種のデバイス素子を複数内蔵した積層板を作製し、その積層板をダイシング等によって分割して形成するウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）が知られている。

特許文献１乃至３にはＷＬＰによって形成された水晶デバイスが開示されている。この種の水晶デバイスは、各種振動モードの水晶振動片とこの水晶振動片を囲うようにして一端が支持される支持部材とからなる機能基板と、前記水晶振動片を封止する一対の封止基板とを水晶ウェハからエッチング等によって打ち抜き形成し、機能基板を一対の封止基板で挟み込んで気密封止することによって形成されている。

また、デバイス素子に形成される電極は、導電性が高く化学的に安定な金（Ａｕ）等のメインメタルが多く使用されるが、このようなメインメタルは水晶やシリコン等のウェハ基材との密着強度が良好ではない。このため、酸化力が高く接合性の良好なクロム（Ｃｒ）等のコンタクトメタルを先にウェハ基材上に形成し、このコンタクトメタル上にＡｕ等のメインメタルを形成することによって２層の電極層を形成している（特許文献４）。

特開２００４−３２８４４２号公報 特許第４７０７０２１号公報 特開２０１６−１６７６６１号公報 特開２００３−１０１３７２号公報

一般に水晶、ガラス、シリコン等を使ったウェハ基材を、複数積層接合してＷＬＰを実現する場合、接合層となるＡｕ膜とウェハ基材の間に密着性の良好なＣｒ等のコンタクトメタルが使用される。一方で拡散接合をより安定させるには、接合時に適度の加熱と加圧が必要とされている。また、真空度の高い気密空間を実現するためには、接合の前処理として、高温で不要な水分や揮発ガス分の脱気が必要となる。

しかしながら、このような高温の加熱工程を要するとなると、コンタクトメタルがメインメタル（Ａｕ）に拡散して合金化が生じる。この合金化によって、ウェハ基材の接合面にコンタクトメタルが析出し、これにより酸化膜が形成され、接合性が大幅に悪化するといった問題が生じていた。このように、デバイス素子が封入される中空の気密空間を高真空で実現するためには、多くの問題点があった。

特に前記デバイス素子の中でも、水晶振動子や水晶発振器などに代表される水晶デバイスにあっては、振動モードによって、この高真空により等価直列抵抗（Ｒ１）の低減を図れることや、前記水晶デバイスは、加熱やエージングによりコンタクトメタルがメインメタルに拡散して合金化することにより、電極の弾性係数が変化して、発振周波数が変動してしまうことも知られている。

一方前記拡散の影響を抑えるには、コンタクトメタルの膜厚を薄くして改善することが実験により確認されているが、これによって水晶からなるウェハ基材（水晶ブランク）との密着性の低下と共に、Ｒ１値が大きくなる原因にもなっていた。

特に振動腕に溝を有する音叉型振動子にあっては、小型化に伴い溝の壁部分の厚みが減少し、これによって電極間距離が狭まる傾向にあった。このため、電極の総厚と水晶振動腕の溝壁厚が近づくことになり、拡散により合金化した電極の弾性係数の変動によって発振周波数に与える影響が大きくなっていた。また、厚みすべり振動子にあっては、高周波になるほど水晶ブランクの厚みが薄くなるため、拡散で合金化した電極の弾性係数の変動によって発振周波数の変動へ与える影響がこちらも大きくなる傾向があった。

上述したように、水晶ブランク上に形成される電極の材質や構造によって、発振周波数特性が微妙に変化するため、単に従来の電極構造を採用しただけでは性能要求を満たさない場合がある。また、水晶デバイスのパッケージングの際には、振動モードによっては高真空が要求されるが、エージング耐性を高めないと、製造プロセスでアニール脱ガス工程を十分行うことができないため、必要な真空度に達しないことから、設計通りの振動特性が得られず、製品の歩留まりの低下を引き起こしていた。

従来のＷＬＰの製造工程では、複数枚のウェハを重ねた状態で温度を上げ、金属拡散接合によってＡｕ−Ａｕ接合を行っていたが、これでは１００Ｐａの真空度にしかならず、音叉型振動子や幅縦・長さ縦結合振動子などの１０Ｐａ以下の高真空状態での封止が要求される水晶デバイスにおいては十分な真空度が得られないといった問題があった。

特許文献１では、封止基板の一部に通気孔を予め設けておき、減圧環境下で機能基板を一対の封止基板で接合した後に、前記通気孔を外側から閉塞することで前記水晶振動片を気密封止している。また、特許文献２では、機能基板や封止基板の一部に通気孔を設け、封止基板で機能基板を接合した後に、前記通気孔を半田やスズ等で閉塞している。

しかしながら、ウェハ状の機能基板や封止基板に対して直接通気孔を開設しようとすると、変形やクラック等が生じると共に、前記通気孔を後から閉塞させるための部材が必要となるなど、別途材料費や工数がかかるといった問題があった。

そこで、本発明の目的は、各種のデバイス素子を一対の封止基板によって拡散接合する際に、接合強度を高めつつ、デバイス素子の性能を最大限に引き出すような高い真空度で気密封止が可能なウェハレベルパッケージの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のウェハレベルパッケージの製造方法は、少なくとも一つの機能基板と、この機能基板を封止する少なくとも一対の封止基板との接合面同士の接合により内部にデバイス素子を有する気密空間が形成されるウェハレベルパッケージの製造方法において、前記機能基板及び封止基板の接合面に、コンタクトメタル、拡散抑制層、メインメタルの順に積層された少なくとも３層構造の接合層を形成し、前記機能基板及び封止基板をそれぞれの接合面同士が対向するように気密空間内に配置し、前記気密空間内を所定の温度に加熱し各基板に付着している水分を気化させたのち、気密空間内を所定の真空度に保ち、前記機能基板及び一対の封止基板を加熱及び加圧することにより前記機能基板及び封止基板の接合面を拡散接合し、前記デバイス素子を気密封止する。

本発明のウェハレベルパッケージの製造方法によれば、接合層がコンタクトメタルと、コンタクトメタルの上に形成される拡散抑制層と、拡散抑制層の上に形成されるメインメタルとの少なくとも３層構造によって形成されていることで、封止前に加熱工程を設けたとしても、金（Ａｕ）等のメインメタルの表面にクロム（Ｃｒ）等のコンタクトメタルが析出することなく、複数のウェハ基材の接合面同士を金属拡散接合によって強固に接合することができる。これによって、デバイス素子を封止する高真空度の気密空間を形成することができる。

また、複数のデバイス素子が形成される集合機能基板と、複数の封止基板が形成される一対の集合封止基板とをそれぞれ一括して形状加工し、加熱減圧環境下において、集合機能基板を一対の集合封止基板で挟むように所定の隙間を空けて配置した状態から、３枚の集合基板を略同時に一工程で金属拡散接合することができる。これによって、前記デバイス素子が封止される気密空間の真空度が高められ、安定したデバイス機能を発揮することができる。また、同一性能を有した機能部品を一括して量産可能となる。

本発明のウェハレベルパッケージの断面図及び接合部分の拡大断面図である。 ウェハレベルパッケージによって形成された水晶デバイスのリッド基板側から見た分解斜視図である。 上記ウェハレベルパッケージのベース基板側から見た分解斜視図である。 図１及び図２に示すＡ−Ａ断面図及び電極層の拡大断面図である。 各種金属の拡散係数を示すグラフである。 拡散抑制層に使用される金属の各種評価結果を示す表である。 Ｃｒ膜厚と周波数変化量との関係を示すグラフである。 Ｃｒ膜厚と等価直列抵抗（Ｒ１）との関係を示すグラフである。 各種金属と等価直列抵抗（Ｒ１）との関係を示すグラフである。 各種金属の加熱時間と周波数変化量との関係を示すグラフである。 拡散抑制層にＰｔを使用した場合の音叉型振動子の温度特性を示すグラフである。 拡散抑制層にＲｕを使用した場合の音叉型振動子の温度特性を示すグラフである。 拡散抑制層に使用するＲｕの厚みを１５０Åと２５０Åとで比較した温度特性を示すグラフである。 ＷＬＰの全工程を示すフロー図である。 ＷＬＰの形状加工工程図である。 ＷＬＰの電極形成工程図である。 ＷＬＰの加熱及び真空引き工程図である。 ＷＬＰの拡散接合工程図である。 ＷＬＰのシールドパターン形成工程図である。 ＷＬＰのパッド電極形成工程図である。 ＷＬＰのダイシング工程図である。 パッケージ内における真空度と等価直列抵抗との関係を示すグラフである。 ＷＬＰの接合プロセスと達成真空度との関係を示す表である。 従来の２層構造の接合層における特性評価表である。 拡散抑制層にＰｔ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｗを使用し、厚みを変えた場合の特性評価表である。

以下、本発明のウェハレベルパッケージの製造方法について説明する。最初に、本発明の製造方法によって形成されるウェハレベルパッケージの構成を示す。なお、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではなく、各種材料についても水晶に限定されるものではない。ウェハレベルパッケージ（以下、ＷＬＰという）は、並行平板に研磨したウェハ状の水晶、ガラス、シリコンなどを積層して、内部に一又は二以上のデバイス素子が収容される中空の気密空間を形成し、積層された複数のウェハ基材をダイシング等で分割することによって形成される。

図１は各種のデバイス素子が一体形成される機能基板３２を一対の封止基板（ベース基板３３及びリッド基板３４）で挟んで積層し、拡散接合することによって、デバイス素子が封入される気密空間４４が形成されるＷＬＰ３１の断面構造を示したものである。図２乃至図４は一例として、前記デバイス素子が水晶振動片１１によって構成されるＷＬＰ３１の内部構造を示したものである。

図１に示したように、本発明のＷＬＰ３１は、機能基板３２、ベース基板３３及びリッド基板３４のそれぞれの接合面に接合層４０が形成されている。この接合層４０は、コンタクトメタルＥ１と、このコンタクトメタルＥ１の上に形成される拡散抑制層Ｅ２と、この拡散抑制層Ｅ２の上に形成されるメインメタルＥ３とからなる少なくとも３層の積層構造となっている。前記コンタクトメタルＥ１は、水晶、シリコン、ガラス等のウェハ基材に対して密着性の高い金属材料が使用される。この材料としては、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）又はこれらの金属を好ましくは５０％以上含む合金によって形成される。また、メインメタルＥ３は、導電性の高い金属材料が使用される。この材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）又はこれらの金属を好ましくは５０％以上含む合金によって形成される。

前記拡散抑制層Ｅ２は、コンタクトメタルＥ１からメインメタルＥ３への拡散を抑制する効果を有する金属材料が使用される。このような金属材料としては、メインメタルＥ３より低い拡散係数を有する貴金属類又はコンタクトメタルＥ１より低い拡散係数を有する卑金属類の中から選択することができる。貴金属類としては、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）などがあり、卑金属類としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などがある。

前記貴金属類については、Ａｕとの比較で５００度以上の温度上昇がないと、同等の拡散係数にはならない。これは、貴金属類がＡｕに比べて拡散が進み難いことを示しており、通常、３００℃以上の加熱を行うことのない水晶振動子の製造工程にあっては、十分に拡散を抑制することができる。さらに、Ａｕと白金族でもあるこれらの金属が合金化しても安定性の高い状態が維持され、Ｃｒの拡散のような悪影響が生じなくなる。

また、前記卑金属類については、Ｃｒよりさらに拡散係数が低く、Ａｕとの比較で１０００度以上の温度上昇がないと、同等の拡散係数にはならない。このため、Ｃｒ間又はＡｕ間についても拡散を抑制する作用が高まる。加えて、貴金属の場合は、仮にＡｕと合金化して析出しても耐酸性が高く、卑金属の場合は、表面の金が合金化し難いため、どちらも酸化が抑制されることとなる。

前記接合層４０は、ウェハ基材の表面にコンタクトメタルＥ１、拡散抑制層Ｅ２、メインメタルＥ３の順に連続でスパッタリング、蒸着、ＣＶＤのいずれかによって成膜される。

図５は、対自己金属における各種金属の温度と拡散係数Ｄとの関係を示したものである。この図５に示したデータから、耐酸性に優れている貴金属については、メインメタルＥ３と拡散係数が同等以下のＰｔ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ａｇ、卑金属については、コンタクトメタルＥ１と拡散係数が同等以下のＮｉ，Ｍｏ，Ｗを選んで、図６に示す各種の評価をおこなった。評価は、接合強度、加工容易性、製造後の各種特性について行い、◎（最良）、〇（良好）、△（可）、×（不可）の４段階で示した。この評価試験によれば、拡散抑制層Ｅ２の材料として、貴金属類ではＲｕが最も適している。また、Ｒｕ以外にはＰｔ、Ｐｄなども適用可能であることが分かる。一方、卑金属類ではＭｏが最も適している。また、Ｍｏ以外にはＷも適用可能であることが分かる。なお、上記貴金属及び卑金属などの金属系以外の材料としては、バリア誘電体膜、バリア酸化物膜、ＺｎＯ、ＴｉＯ^２、ＢａＯなどが挙げられる。なお、比較例として、拡散抑制層Ｅ２にＮｉ、Ａｇを用いて実験を行った。

次に、デバイス素子が水晶振動片１１で構成されたＷＬＰ３１を図２及乃至図４に基づいて説明する。このＷＬＰ３１は、機能基板３２と、この機能基板３２を上下両面から挟み込んで封止する一対の封止基板（ベース基板３３及びリッド基板３４）とからなる複数のウェハ基材によって形成されている。前記各基板は、ウェハ基材をエッチング及びダイシングすることによって、前記機能基板３２、ベース基板３３及びリッド基板３４を形成し、減圧環境下においてそれぞれの基板の表面に電極層１９，２０及び接合層４０が形成されている。

前記機能基板３２は、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系において、Ｘ−Ｙ平面をＸ軸回転で−７〜＋７度回転させたカット角で板状に薄くスライスすることによって形成される。そして、フォトリソ工程によってマスクパターンを形成し、水晶エッチングを施すことによって、基部１２と、この基部１２から平行に延びる一対の振動腕部１３，１４とからなる音叉型の水晶振動片１１と、この水晶振動片１１の外周を取り囲む四角形状の支持枠３６と、この支持枠３６の一端と前記基部１２の一端とを連結する連結部３７とが形成される。このように、水晶振動片１１は、支持枠３６との間に設けられている平面的な中空部３５内に連結部３７を介して配置されている。

前記振動腕部１３，１４は、基部１２の一端からＹ軸方向に延び、Ｘ軸方向に平行する一対の細長い四角柱体であり、表面側（＋Ｚ面）及び裏面側（−Ｚ面）にそれぞれのＹ軸方向に沿って溝部１５，１６が設けられる。この溝部１５，１６は、振動腕部１３，１４の＋Ｚ面を長手（Ｙ軸）方向と−Ｚ面を長手（Ｙ軸）方向に沿って設けられる。このような溝部１５，１６を設けたことによって、振動腕部１３，１４には表面側及び裏面側に対向する一対の壁部１７，１８が形成される。また、前記各壁部１７，１８の内側面及び溝部１５，１６の底面には、電極層１９，２０が形成される。

また、ベース基板３３及びリッド基板３４も同様に、エッチングによって、四角形状の外周枠４１と、前記水晶振動片１１を収容するための凹部４３が形成される。なお、前記機能基板３２、ベース基板３３及びリッド基板３４の形状は、微細加工に適したレーザやパウダービームを用いた切断や打ち抜きによって形成することもできる。

前記機能基板３２、ベース基板３３及びリッド基板３４の接合は、支持枠３６の両面、ベース基板３３及びリッド基板３４のそれぞれの外周枠４１の各全周面に形成される接合層４０同士を拡散接合することによって行われる。

前記接合層４０は、機能基板３２の支持枠３６、ベース基板３３及びリッド基板３４のそれぞれの外周枠４１の接合面に形成されている。この接合層４０は、機能基板３２の支持枠３６の上下面と、この支持枠３６の上下面にそれぞれ対向するベース基板３３及びリッド基板３４の外周枠４１にそれぞれ絶縁領域を介して一体形成されている。また、水晶振動片１１の一対の振動腕部１３，１４の外周面に沿って形成されている一対の電極層１９，２０は、基部１２を介して支持枠３６の表面に沿って延び、さらにベース基板３３及びリッド基板３４の外周枠４１の表面を絶縁部４５によって四極化された状態でベース基板３３の裏面側にパッドパターンとして繋がっている。図３に示したように、前記ベース基板３３には、側面端子４６を介して接地電極ＧＮＤ１，ＧＮＤ２が設けられている。前記ＧＮＤ１は、図２に示したように、リッド基板３４の上面にシールドパターンとして設けられており、金属リッドと同様の効果をもたらしている。前記ベース基板３３の上面に設けられているＧＮＤ１，ＧＮＤ２，１９，２０の４箇所のパッドパターンは、絶縁部４５によって部分的に絶縁された四隅の側面端子４６を介してそれぞれ独立している。また、前記ＧＮＤ１及びこのＧＮＤ１に繋がる側面端子４６、前記ベース基板３３の上面に設けられている４箇所のパッドパターン及びこのパッドパターンに繋がる側面端子４６の形成及びメッキ加工は、少なくとも機能基板３２、ベース基板３３及びリッド基板３４の接合後に行われる。

図４に示したように、前記電極層１９，２０は前述した接合層４０と同様に、コンタクトメタルＥ１、拡散抑制層Ｅ２及びメインメタルＥ３の３層構造となっている。

次に、上記構成のＷＬＰ３１において、拡散抑制層Ｅ２にＰｔ又はＲｕを用いた場合の実験結果を示す。比較例として、コンタクトメタルＥ１とメインメタルＥ３との２層構造の電極における耐熱性及び等価直列抵抗（Ｒ１）をコンタクトメタルＥ１の膜厚ｔ１との関係を図７及び図８に示す。ここでは、コンタクトメタルにＣｒ、メインメタルにＡｕを使用している。図７に示したように、耐熱性に関しては、Ｃｒの膜厚ｔ１を１００Åから５０Å以下にすることで周波数変動が減少しており、耐熱性が向上していることが分かるが、図８に示したように、Ｒ１に関して逆に大きくなり悪化することとなる。

図９には、一般的な音叉型水晶振動子の場合に耐熱性の向上効果が得られる５０Åの膜厚ｔ１を有するＣｒによる従来の２層構造の電極層におけるＲ１と、Ｐｔ又はＲｕを拡散抑制層とした３層構造の電極層におけるＲ１とを比較した実験データが示されている。図９に示されているグラフは、等価直列抵抗（Ｒ１）の平均値をドットで、標準偏差を幅で示している。この実験データによれば、従来の２層構造の電極層ではＲ１が約７５ＫΩと高いのに対し、Ｐｔ又はＲｕを拡散抑制層とした３層構造の電極層はＲ１が６０ＫΩ以下と低く、Ｒ１が良好となっていることが分かる。このように、ＰｔとＲｕとは略同程度のＲ１を有しているが、後述するように、耐熱性及び加工の容易性に関しては、Ｒｕの方が優れている。

次に、Ｃｒの膜厚ｔ１を５０Åに設定し、１２５℃の恒温槽に１０００時間まで投入して行ったときの耐熱試験における水晶振動子の周波数変化量の推移を、従来の２層構造の電極と比較した結果を図１０に示す。ここでの周波数の測定は、恒温槽から１時間以上常温・常湿中に放置した後に行った。なお、周波数の変化量は、（投入時間後の周波数−投入前の周波数）／投入前の周波数×１０^６［ｐｐｍ］で表す。

従来のＣｒ−Ａｕの２層構造の電極を有する水晶振動子の場合にあっては、通常、Ｃｒの膜厚ｔ１を１００ű５０％、Ａｕの膜厚ｔ３を１０００ű５０％に設定される。この条件の下で、ＣｒとＡｕとの間に４種の金属材料Ｐｔ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｗからなる拡散抑制層Ｅ２を形成した場合、それぞれの膜厚ｔ２を１５０ű５０％とすることによって、従来のＣｒ−Ａｕの２層の電極構造に比べて周波数変化量を約３分の１程度に抑えることができる。このことは、メインメタルＥ３であるＡｕの拡散が前記金属材料による拡散抑制層Ｅ２に抑制されていることを示す。

図１０に示したように、１２５℃の前記耐熱試験のデータによれば、貴金属の中ではＲｕの方がＰｔに比べて周波数変化量が小さく耐熱性に優れている。一方、卑金属の中ではＷが最も周波数変化量が低く、耐熱性の点においては優れているが、図６に示したように、加工容易性の点を考慮するとＭｏの方が好ましい。

また、音叉型振動子にあっては、２次温度特性を有していることが知られている。図１１は拡散抑制層Ｅ２にＰｔを使用した３層構造の電極層を有する音叉型振動子の２次温度特性を示したものであり、図１２は拡散抑制層Ｅ２にＲｕを使用した３層構造の電極層を有する音叉型振動子の２次温度特性を示したものである。図１１及び図１２に示した結果から、拡散抑制層Ｅ２の厚みを１５０ű５０％の範囲に設定することで、頂点温度がＰｔの場合には２５．４℃となり、Ｒｕの場合には２５．１℃となる。これは、一般的に良好と言われる頂点温度２５±５℃の範囲内であるが、若干Ｒｕの方がＰｔに比べて周波数温度特性が良好であるといえる。

図１３は、拡散抑制層Ｅ２に使用するＲｕの厚みを１５０Åと２５０Åにした場合の３層構造の電極層を有する音叉型振動子の２次温度特性を比較したものである。この特性から拡散抑制層Ｅ２を厚くすると頂点温度が下がる傾向になることが分かる。このように、２５０Åでは２５±５℃の範囲から外れるため、１５０ű５０％の範囲に設定することが好ましい。

以上、説明したように、本発明のウェハレベルパッケージによれば、コンタクトメタルとメインメタルとの間にＰｔやＲｕ等の拡散抑制層を積層した電極層を形成することによって、メインメタルの合金化によって生じる弾性係数の変化を抑制し、エージングやリフロー等による負荷に対しても周波数変化を抑えることができる。また、コンタクトメタルの膜厚を厚くすることができるので、電極層とウェハ基材との密着性が向上し、等価直列抵抗（Ｒ１）などの電気的特性が向上する。

このようにして形成された電極層１９，２０にあっては、メインメタルＥ３の拡散による弾性係数の変化が抑えられるので、発振周波数の変動の少ない水晶振動片１１を形成することができる。特に、前記水晶振動片１１を備えたＷＬＰ３１にあっては、機能基板３２に形成される水晶振動片１１の性能を最大限に引き出すために、高真空中での封止が必要となっている。このためには、機能基板３２をベース基板３３及びリッド基板３４によって接合する際、接合作業を行う真空チャンバ内を高温に加熱し、注入したガスを外部に排出する工程を要するが、本発明のような拡散抑制層Ｅ２を含む３層構造の接合層４０を形成することで、各基板を接合する際の加熱温度や加熱時間を拡散抑制層のない従来の２層構造の接合層に比べて高く、且つ、長く設定することができる。これによって、チャンバ内を高温に設定すると共に、ガスを十分に排出することが可能となることから、高い真空度を維持した環境内で各基板同士を拡散接合することができる。

次に、上記ＷＬＰの製造方法を図１４乃至図２４に基づいて説明する。図１４は工程の全体フローを示したものであり、図１５乃至図２１は各工程別の概要を示したものである。上記ＷＬＰ３１は、複数の機能基板３２が形成される集合機能基板５２、複数のベース基板３３が形成される集合ベース基板５３及び複数のリッド基板３４が形成される集合リッド基板５４の３枚の集合基板を用いる。

図１５及び図１６に示すように、集合機能基板５２には、四角形状の支持枠３６と、この支持枠３６の内側に連結部３７を介して延びる音叉型の水晶振動片１１とからなる機能部５５が複数形成される。各機能部５５は、フォトリソ工程によって形成されたマスクパターンを介して水晶エッチングを施すことによって打ち抜き形成されると共に、前記水晶振動片１１の表面に一対の電極層１９，２０が形成され、支持枠３６の上下面には一対の励振電極層１９，２０にそれぞれ対応して電気的に接続される接合層４０が形成される。

一方、集合ベース基板５３及び集合リッド基板５４には、各機能部５５に設定される支持枠３６に対応する外周枠４１と、この外周枠４１の内側を所定の深さにエッチングによって凹設した凹部４３とからなる封止部５６がそれぞれ複数形成される。前記それぞれの外周枠４１には、前記集合機能基板５２に形成された接合層４０と同一構造の接合層４０が形成される。

前記電極層１９，２０及び接合層４０は、図１及び図２に示したように、ウェハ基材上にコンタクトメタルＥ１、拡散抑制層Ｅ２、メインメタルＥ３の順にスパッタリング又は蒸着等によって積層して形成する。

また、上記工程における集合機能基板５２、集合ベース基板５３及び集合リッド基板５４には、各機能部５５及び封止部５６の四隅の外側に共通のリード電極（図示せず）を形成するためのスルーホール５７が貫通して設けられる。前記機能部５５、封止部５６及びスルーホール５７の加工は、フォトリソ工程によって形成されたマスクパターンを介してエッチングを施すことによって打ち抜き形成されている。

次に、図１７に示すように、チャンバ６０内に集合ベース基板５３、集合機能基板５２、集合リッド基板５４を所定の間隔を設けて対向配置する。この状態で、チャンバ６０内を真空引きし、必要に応じて不活性ガスを注入すると共に、チャンバ６０内を２５０度以上の高温に一定時間加熱する。この加熱によって、各集合基板５２，５３，５４の表面に付着している水分を気化させる。不活性ガスを注入した場合には、一定時間経過後チャンバ６０内を真空ポンプ等によって真空引きし、注入した不活性ガスを外部に排出する。

次に、図１８に示すように、所定の真空度に達した状態のチャンバ６０内で、集合機能基板５２を集合ベース基板５３及び集合リッド基板５４で挟むようにして加圧する。この加圧によって、各集合基板５２，５３，５４の接合面に形成されている接合層４０が拡散接合によって接合される。

次に、図１９及び図２０に示すように、集合ベース基板５３の各封止部５６（図１６参照）の外側に集合機能基板５２の各機能部５５の一対の電極層１９，２０から延びる一対のパッド電極（１９，２０）と、一対の接地電極ＧＮＤ１，ＧＮＤ２が形成される。また、集合リッド基板５４の各封止部５６（図１６参照）中央部に前記接地電極の一方と繋がるシールド電極が形成される。

最後に、図２１に示すように、スルーホール５７に沿って側面端子４６と集合ベース基板５３のパッド電極及び集合リッド基板５４のＧＮＤ１とにメッキ加工が施される。その後、各機能部５５及び封止部５６の外径に沿って３枚の集合基板をダイシングすることによって、個片化された複数のＷＬＰ３１が完成する。

従来のＷＬＰの接合面にあっては、コンタクトメタルとメインメタルとの２層構造となっていたため、接合前に２００℃以上の加熱を行うことでメインメタルの表面にコンタクトメタルが析出してしまい、各基板のメインメタルどうしの接合強度が不足していた。また、加熱温度が２００℃未満の場合には水分等の乾燥が不十分となり、接合後のパッケージ内真空度は１００Ｐａ程度にするのが限界であった。

これに対して、本発明では、コンタクトメタルとメインメタルとの間に拡散抑制層を含む３層構造の接合層となっているため、機能基板、ベース基板及びリッド基板にかける温度を従来よりも高く設定することができると共に、加熱時間を多く設定することができる。その結果、チャンバ内のガスを十分に排出することが可能となり、前記機能基板をベース基板及びリッド基板によって金属拡散接合した後のパッケージ内真空度を２０Ｐａ以下にすることができる。

図２２は図１乃至図３に示したＷＬＰ３１の内部の真空度（Ｐａ）と等価直列抵抗（Ｒ１）との関係を示したものである。これによると、真空度が悪化（気圧が上昇）するのに伴い、Ｒ１が大きくなることが分かる。特に音叉型振動子や幅縦・長さ縦振動子などの水晶デバイスは、真空度がＲ１に大きな影響を与えることが知られており、同様に真空度が周波数特性にも大きな影響を与えることが知られている。

図２３はＷＬＰの各接合プロセスと真空度との関係を示したものである。メインメタルは耐酸性や耐腐食性が要求されるので、Ａｕ等の金属を使用することが好ましく、また、その厚みを増すほど接合強度が高くなることが知られている。しかしながら、コスト面で不利となっていた。本発明の製造方法によって形成されるＷＬＰは、拡散抑制層を含んだ３層構造の電極が設けられるので、従来の２層構造の電極に比べて拡散を大幅に低減することができるので、上述したように、Ａｕの場合であれば、１０００ű５０％の厚みでも十分高い接合強度を維持することができる。

また、コンタクトメタルに関しては、拡散抑制層を介在することによって、従来よりも薄くした場合であっても、乾燥、脱ガス時の加熱、結合時の加熱及びその後のエージングに対しても拡散が抑制されるため、電極としての接合強度を十分維持することができる。

図２４はコンタクトメタルにＣｒを使用した従来の２層構造の接合層を有するパッケージの特性評価を示したものである。また、図２５はコンタクトメタルに５０Åの厚みのＣｒを使用した場合において、Ｐｔ，Ｒｕ，Ｍｏ，Ｗの４種の拡散抑制層の厚みを変化したときの特性評価を示したものである。図２４によれば、接合不良による気密性が悪化すると共に、等価直列抵抗（Ｒ１）が悪化し、エージングによる周波数変動が大きくなる。これに対して、図２５によれば、拡散抑制層にＲｕを用い、厚みを１００Å〜３００Åとすることで、Ｒ１の改善、エージング耐性の向上効果が顕著となっている。また、Ｒｕは加工容易性の点においても優れている。

本実施形態では、機能基板を一対の封止基板で挟んだ３枚構成のＷＬＰ及びその製造方法について説明したが、機能基板がベース基板を兼ねた構造のものであれば、これに１枚の封止基板を用いた２枚構成のＷＬＰを形成することができる。また、機能が異なる２種以上のデバイス素子からなる２枚以上の機能基板を用いた３枚以上のＷＬＰを形成することができる。本発明のＷＬＰの製造方法にあっては、ウェハ基材の枚数に関わらず適用することができる。

従来のＷＬＰの接合面にあっては、コンタクトメタルとメインメタルとの２層構造となっていたため、接合前に２００℃以上の加熱を行うことでメインメタルの表面にコンタクトメタルが析出してしまい、各基板のメインメタルどうしの接合強度が不足していた。また、加熱温度が２００℃未満の場合には水分等の乾燥が不十分となり、接合後のパッケージ内真空度は１００Ｐａ程度にするのが限界であった。

これに対して、本発明では、コンタクトメタルとメインメタルとの間に拡散抑制層を含む３層の接合層となっているため、機能基板３２、ベース基板３３及びリッド基板３４にかける温度を従来よりも高く設定することができると共に、加熱時間を多く設定することができる。その結果、チャンバ内のガスを十分に排出することが可能となり、前記機能基板をベース基板及びリッド基板によって拡散接合した後のパッケージ内真空度を２０Ｐａ以下にすることができる。

本実施形態では、機能基板３２に形成されるデバイス素子を音叉型の水晶振動片１１としたが、音叉型以外の屈曲、伸張（縦）、幅縦・長さ縦結合、厚みすべり、弾性表面波、Ｌａｍｂ波等の振動モードの水晶振動片であっても同様の構造及び製造方法を用いることができる。特に屈曲、伸張、幅縦・長さ縦結合の振動モードを備えた水晶振動片にあっては、高真空が要求されるので、本発明の構造及び製造方法が特に有効である。

Ｅ１ コンタクトメタル
Ｅ２ 拡散抑制層
Ｅ３ メインメタル
ｔ１，ｔ２，ｔ３ 膜厚
ＧＮＤ１，ＧＮＤ２ 接地電極
１１ 水晶振動片
１２ 基部
１３，１４ 振動腕部
１５，１６ 溝部
１７，１８ 壁部
１９，２０ 電極層
３１ ＷＬＰ（ウェハレベルパッケージ）
３２ 機能基板
３３ ベース基板
３４ リッド基板
３５ 中空部
３６ 支持枠
３７ 連結部
４０ 接合層
４１ 外周枠
４３ 凹部
４４ 気密空間
４５ 絶縁部
４６ 側面端子
５２ 集合機能基板
５３ 集合ベース基板
５４ 集合リッド基板
５５ 機能部
５６ 封止部
５７ スルーホール
６０ チャンバ

Claims (5)

1. 少なくとも一つの機能基板と、この機能基板を封止する少なくとも一対の封止基板との接合面同士の接合により内部にデバイス素子を有する気密空間が形成されるウェハレベルパッケージの製造方法において、
   前記機能基板及び封止基板の接合面に、コンタクトメタル、拡散抑制層、メインメタルの順に積層された少なくとも３層構造の接合層を形成し、
   前記機能基板及び封止基板をそれぞれの接合面同士が対向するように気密空間内に配置し、
   前記気密空間内を所定の温度に加熱し各基板に付着している水分を気化させたのち、気密空間内を所定の真空度に保ち、前記機能基板及び一対の封止基板を加熱及び加圧することにより前記機能基板及び封止基板の接合面を拡散接合し、前記デバイス素子を気密封止するウェハレベルパッケージの製造方法であって、
   前記気密空間内を所定の温度に加熱する加熱温度は、前記機能基板及び封止基板の接合面を拡散接合する際の加熱温度よりも高く設定されるウェハレベルパッケージの製造方法。
2. 機能基板が複数形成される少なくとも一つの集合機能基板と、封止基板が複数形成される一対の集合封止基板とを用い、
   前記集合機能基板にデバイス素子からなる機能部を複数形成する工程と、
   前記一対の集合封止基板に前記各機能部に対応する枠部及びこの枠部内に前記デバイス素子を収容する凹部からなる封止部をそれぞれ複数形成する工程と、
   前記各機能部及びこれと対応する一対の封止部の接合面にコンタクトメタル、拡散抑制層、メインメタルを順に積層した少なくとも３層構造の接合層を形成する工程と、
   前記集合機能基板の上下面にそれぞれ隙間を設けて一対の集合封止基板を対向させ、高温加熱することで、前記集合機能基板及び前記一対の集合封止基板に付着している水分を気化させる加熱工程と、
   前記気化した水分を放出させながら真空引きする工程と、
   前記集合機能基板と一対の集合封止基板とを加熱しながら加圧することによって接合する拡散接合工程と、
   接合された前記集合機能基板及び一対の集合封止基板を前記機能部及び封止部に沿ってダイシングする工程と、を備え、
   前記加熱工程における加熱温度は、拡散接合工程における加熱温度よりも高く設定されるウェハレベルパッケージの製造方法。
   たウェハレベルパッケージの製造方法。
3. 前記加熱工程は、不活性ガス中、真空中のいずれかの条件下で、２５０℃以上の温度をかけて行う請求項２に記載のウェハレベルパッケージの製造方法。
4. 前記メインメタルが金、銀、パラジウム、アルミニウムの中から選択される少なくとも一の金属又は一の金属を含む合金である請求項１又は２に記載のウェハレベルパッケージの製造方法。
5. 前記拡散抑制層がルテニウムである請求項１又は２に記載のウェハレベルパッケージの製造方法。
   

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