KR102280006B1 - 관통 구멍을 밀봉하기 위한 구조 및 방법, 그리고, 관통 구멍을 밀봉하기 위한 전사 기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀봉 공간을 형성하는 1조의 기재와, 밀봉 공간과 연통하는 관통 구멍과, 관통 구멍을 밀봉하는 밀봉 부재를 포함하는 밀봉 구조에 관한 것이다. 관통 구멍이 형성되는 기재의 표면 위에, 금 등의 벌크형 금속을 포함하는 하지 금속막을 형성하고, 상기 밀봉 부재가 하지 금속막에 접합해 관통 구멍을 밀봉하고 있다. 이 밀봉 부재는, 하지 금속막에 접합되고 순도 99.9질량％ 이상의 금으로 이루어지는 금속 분말의 압축체를 포함하는 밀봉 재료와, 금을 포함하는 두께 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하의 벌크형 금속을 포함하는 덮개형 금속막을 포함한다. 그리고, 밀봉 재료는, 하지 금속막과 접하는 외주측의 치밀화 영역과, 관통 구멍에 접하는 중심측의 다공질 영역을 포함한다. 또한, 치밀화 영역 내의 공공의 형상을 규정하고, 공공의 직경 방향의 수평 길이(l)와 치밀화 영역의 폭(W)의 관계를 l≤0.1W로 한다.

Description

관통 구멍을 밀봉하기 위한 구조 및 방법, 그리고, 관통 구멍을 밀봉하기 위한 전사 기판

본 발명은 MEMS 디바이스나 반도체 디바이스 등의 기밀 밀봉이 요구되는 패키지 부재에 대해 적용되는 밀봉 구조에 관한 것이다. 상세하게는, 소자가 탑재되는 밀봉 공간에 연통되는 관통 구멍이 마련된 기재에 대해, 관통 구멍을 폐색하여 밀봉 공간을 기밀 밀봉하기 위한 구조에 관한 것이다.

압력 센서, 가속도 센서 등의 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 디바이스나 각종 반도체 디바이스는, 공기 중의 습기나 산소에 의한 소자의 산화, 열화를 방지하기 위해서, 패키지에 봉입된 상태에서 사용되고 있다. 이와 같은 패키지의 제조 공정으로서는, 소자가 고정된 베이스에 덮개가 되는 캡을 중첩해서 양자를 접합하여 기밀 밀봉한다. 캡에는, 미리 납재가 융착되어 있고, 납재를 다시 용융시켜 베이스와 접합함으로써 내부의 밀봉 공간을 형성할 수 있다.

상기한 바와 같이 납재를 사용하여 베이스와 캡을 접합하는 경우, 납재의 용융 시에 미량이지만 포함되는 가스 성분의 방출에 의해, 공간 내부의 진공도·청정도가 변화할 가능성이 있다. 여기서, 기밀 밀봉 패키지의 내부 공간의 진공도·청정도는, 적용되는 소자에 따른 레벨로 설정되어 있다. 그리고, 소자의 종류에 따라서는, 밀봉 공간 내에 극미량의 가스 성분의 잔류라 해도 허용되지 않는 것도 있다.

그래서, 밀봉 공간을 형성한 후에, 내부의 진공도·청정도를 조정 가능하게 하기 위한 밀봉 구조로서, 캡 또는 베이스에 미리 관통 구멍이 설정된 것이 있다. 이 밀봉 구조에서는, 캡과 베이스를 접합한 후에, 밀봉 공간 내를 진공으로 배기하고, 관통 구멍에 납재를 충전하여 관통 구멍을 밀봉하는 구조가 알려져 있다(특허문헌 1).

일본 특허 공개 제2007-165494호 공보 일본 특허 제5065718호 명세서

상기 관통 구멍이 설정된 밀봉 구조에서는, 베이스와 캡을 접합할 때에 납재로부터 가스 성분이 방출되어도, 그 후에 배기 처리를 행함으로써 밀봉 공간의 진공도를 높일 수 있다. 그러나, 이 밀봉 구조라 해도 관통 구멍의 폐색에 사용되는 납재의 영향이 염려된다. 관통 구멍 밀봉용 납재의 사용량은 그다지 많지는 않지만, 고도의 진공도·청정도가 요구되는 소자를 밀봉하는 경우에 대해서는 문제가 된다고 생각되기 때문이다. 또한, 납재로 관통 구멍을 밀봉할 때, 용융된 납재가 밀봉 공간 내에 침입하여, 최악의 경우, 소자에 부착되어 소자를 파손시킬 위험성이 있다는 것도, 납재의 영향이 염려되는 요인으로 되고 있다.

또한, 납재는, 그 종류에 따라서 상이하기도 하지만 작업 온도가 높아지는 경향이 있다. 패키지 밀봉용 납재로서는, 신뢰성·내식성이 양호한 Au-Sn계 납재가 일반적으로 사용되고 있다. AuSn계 납재의 융점은 약 280℃ 전후이며, 밀봉 작업 온도는 300℃ 이상으로 설정되는 경우가 많다. 패키지 내의 소자 보호의 관점으로 보면, 패키지의 가열은 저온으로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 근년의 각종 디바이스의 소형화·박형화에 대한 요구에 대응하기 위해, 그것들의 제조 프로세스에도 변화가 보이고 있다. 디바이스에 대한 소자의 실장 방법으로는, 개별적으로 제조된 베이스·캡에 칩을 패키징하는 기존 방식으로부터, 웨이퍼 레벨 패키지로의 대응이 진행되고 있다. 웨이퍼 레벨 패키지는, 웨이퍼를 칩으로 분리시키지 않고, 웨이퍼 위에서 밀봉재의 설치로부터 디바이스의 조립까지를 완료시키는 프로세스이다. 따라서, 웨이퍼 레벨 패키지에서는, 1매의 웨이퍼에 복수의 밀봉 영역이 설정되게 된다. 그리고, 1매의 웨이퍼에 설정된 복수의 밀봉 영역을 동시에 밀봉할 필요가 있다. 현재, 이와 같은 프로세스에 유연하게 대응할 수 있는 밀봉 방법이 필요해지고 있다.

본 발명은 이상과 같은 배경 하에 이루어진 것이며, 관통 구멍을 갖는 밀봉 공간을 기밀 밀봉하기 위한 밀봉 구조에 대해, 밀봉 공간 내의 오염을 억제함과 함께 저온에서 밀봉을 달성할 수 있는 것을 제공한다. 또한, 웨이퍼 레벨 패키지와 같이, 복수의 밀봉 공간이 설정된 기재에 대해, 효율적으로 밀봉 가능한 방법에 대해서도 밝힌다.

상기 과제를 해결하는 본 발명은 밀봉 공간을 형성하는 1조의 기재와, 상기 1조의 기재 중 적어도 하나에 형성되어 상기 밀봉 공간과 연통하는 적어도 하나의 관통 구멍과, 상기 관통 구멍을 밀봉하는 밀봉 부재를 포함하는 밀봉 구조이며, 상기 관통 구멍이 형성되는 상기 기재의 표면 위에, 금, 은, 팔라듐, 백금 중 적어도 어느 것으로 이루어지는 벌크형 금속을 포함하고, 적어도 상기 관통 구멍의 주변부를 포위하도록 형성된 하지 금속막을 구비하고, 상기 밀봉 부재는, 상기 하지 금속막에 접합하면서 상기 관통 구멍을 밀봉하고 있고, 상기 밀봉 부재는, 상기 하지 금속막에 접합되고, 순도 99.9질량％ 이상의 금으로 이루어지는 금속 분말의 압축체를 포함하는 밀봉 재료와, 상기 밀봉 재료에 접합되고, 적어도 상기 밀봉 재료와 접하는 면이 금으로 이루어지는 두께 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하의 벌크형 금속을 포함하는 덮개형 금속막을 포함하고, 상기 밀봉 재료는, 상기 하지 금속막과 접하는 외주측의 치밀화 영역과, 상기 관통 구멍에 접하는 중심측의 다공질 영역을 포함하고, 상기 치밀화 영역의 임의 단면에 있어서의 공공의 직경 방향의 수평 길이(l)와, 상기 치밀화 영역의 폭(W)의 관계가 l≤0.1W인 밀봉 구조로 했다.

본 발명에 관한 밀봉 구조는, 관통 구멍을 밀봉하기 위한 밀봉 부재로서, 소정의 금속 분말의 압축체를 적용한다. 이 점에 있어서, 납재를 주체로 한 종래 기술과는 상이하다. 여기서, 본원 발명에서 적용하는 금속 분말의 압축체에 관해서는, 본원 출원인은, 이미, 특허문헌 2에서 밀봉 재료로서의 유용성을 나타내고 있다. 특허문헌 2에 의하면, 이 금속 분말 압축체는, 소정의 순도, 입경의 금속 분말과 용제를 포함하는 금속 페이스트를 도포하고, 소성함으로써 생성되는 금속 분말 소결체를 전구체로 하고 있다. 그리고, 이 전구체인 금속 분말 소결체를 가압함으로써, 치밀화가 생겨 금속 분말 압축체가 형성된다. 가압에 의한 소결체의 치밀화의 기구는, 금속 분말의 소성 변형·결합이라는 물리적 변화와, 열적 에너지에 의해 생기는 재결정이라는 금속 조직적인 변화의 협동에 의해 치밀화가 진행된다. 그리고, 이와 같이 하여 형성된 금속 분말 압축체는, 높은 기밀성을 발휘하는 것을 기대할 수 있어, 관통 구멍의 밀봉 부재로서의 가능성이 시사된다.

여기서, 본 발명자들의 검토에 의하면, 금속 분말 소결체를 직접, 기재의 관통 구멍에 씌워서 압축한 경우, 기재와 접하는 관통 구멍 주변부의 소결체는 치밀화가 진행되지만, 관통 구멍과 연통되는 소결체는 충분히 압축되지 못하여 다공질 조직을 남기고, 그대로로는 충분한 기밀성이 확보되지 않는다는 것이 확인되었다. 또한, 치밀화한 관통 구멍 주변부의 압축체에 대해서도, 어느 정도의 치밀화는 기대할 수 있지만, 내부에 공공(보이드)이 존재하고 있다. 이 공공은, 소결체를 충분히 압축해 압축체의 치밀함(밀도)을 높여도 완전히 해소되지는 않는다. 그리고, 이 공공이 요인이 되어, 압축체의 기밀성에 부족이 생길 우려가 있다.

그래서, 본 발명자들은, 상기 금속 분말 압축체를 밀봉 부재로서 적용하는 밀봉 구조에 대해 보다 확실한 기밀 밀봉을 달성할 수 있는 것에 대해 검토했다. 그 결과, (1) 금속 분말 소결체의 구성 금속을 금으로 한정하는 것, (2) 금속 분말 소결체의 상하에, 하지 금속막과 덮개형 금속막이라는 두 벌크형 금속막을 배치하고, 그것들 사이에서 금속 분말 소결체를 가압하여 금속 분말 압축체를 형성하는 것, (3) 상기 덮개형 금속막에 대해서는, 금속 분말 소결체와 접하는 면의 재질을 금속 분말 소결체와 동일한 금속, 즉 금으로 구성함과 함께, 그 두께에 대해 엄밀한 범위를 설정하는 것, 의 3점의 개량에 의해, 비교적 두께가 얇지만 효과적인 기밀 밀봉 작용을 갖는 금속 분말 압축체가 된다는 것을 알아 내었다.

여기서, 이와 같이 하여 개량된 금속 분말 압축체이지만, 그 내부에서는 공공이 완전히 소실되는 것은 아니다. 본 발명자들에 의하면, 금속 분말 압축체의 기밀 밀봉 작용은, 그 치밀성이나 공공의 유무만으로 달성되는 것은 아니고, 공공의 형상·치수도 기밀 밀봉 작용에 영향을 미칠 수 있다. 본 발명자들에 의해 개량된 금속 분말 압축체는, 이 공공의 형상·치수와 같은 요소가 고려된다. 그리고, 본 발명의 밀봉 구조에서는, 금속 분말 압축체의 밀봉에 기여하는 부분에 있어서의 모든 공공이 소정 조건을 만족시키고 있다.

본 발명은 금을 포함하는 금속 분말 소결체의 상하에 두 벌크형 금속막(하지 금속막과 금을 포함하는 덮개형 금속막)을 배치하고, 그들에 의해 형성된 밀봉 재료(금속 분말 압축체)이며, 치수 제어된 공공을 포함하는 것을 주요 구성으로 하는 밀봉 구조이다. 본 발명에서는, 덮개형 금속막과 밀봉 재료(금속 분말 압축체)의 조합을 밀봉 부재라 칭한다. 이하, 본 발명에 관한 밀봉 구조에 대해, 하지 금속막, 밀봉 부재(금속 분말 압축체와 덮개형 금속막)의 구성, 및, 밀봉 재료 내에 형성된 공공의 구성에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명에 있어서, 밀봉 공간을 형성하는 1조의 기재란, 기밀 밀봉 패키지를 구성하는 베이스와 캡을 조합시킨 독립된 패키지 외에, 기밀 밀봉 패키지를 동시에 복수 형성하기 위해서, 밀봉 공간이 복수 설정된 기판의 조합도 포함하는 개념이다. 본 발명은 웨이퍼 레벨 패키지에도 응용 가능한 기술이기 때문이다. 1조의 기재란, 둘 이상의 기재의 조합이라는 뜻이다.

또한, 본 발명은 밀봉 공간에 연통되는 관통 구멍을 폐색·밀봉하기 위한 밀봉 구조에 관한 것이고, 기재에 형성된 관통 구멍의 존재가 전제가 된다. 관통 구멍은, 밀봉 공간에 적어도 하나 설정되어 있으면 되며, 그 위치, 치수, 및 형상은 한정되지 않는다. 또한, 밀봉 공간을 형성하는 1조의 기재에 대해, 어느 기재에 설정되는지도 한정되어 있지 않다.

(A) 하지 금속막

본 발명에 관한 밀봉 구조에 있어서, 하지 금속막은, 밀봉 재료의 기재에 대한 밀착성을 확보하고, 기재와의 접합 계면에 있어서의 기밀성을 향상시키기 위하여 설치된다. 이 하지 금속막은, 금, 은, 팔라듐, 백금 중 적어도 어느 것으로 이루어진다. 밀봉 재료인 금속 분말과 서로 열 확산하여 밀착 상태를 발현시키기 위하여 이들 금속이 적용된다. 하지 금속막의 순도는, 고순도인 것이 바람직하지만, 금속 분말 압축체일수록 고순도가 아니어도 된다. 바람직한 순도는, 99질량％ 이상으로 한다. 하지 금속막은, 더 바람직하게는, 관통 전극을 구성하는 금속 분말의 금속과 동일한 재질의 금속이 바람직하다. 하지 금속막은, 벌크체의 금속을 포함하고, 도금(전해 도금, 무전해 도금), 스퍼터링, 증착, CVD법 등에 의해 형성된 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, 벌크체는, 본 발명의 금속 분말 압축체 및 그의 전구체인 금속 분말 소결체를 구별하기 위한 상태를 의미하며, 소위 벌크(덩어리)형 금속이다. 용해·주조나 석출법 등으로 제조된 금속이며, 당해 금속의 밀도에 대해 0.97배 이상의 치밀질의 금속을 의도하는 것이다.

하지 금속막은, 적어도 관통 구멍의 주변부를 포위하게 되어 있으면 되고, 관통 구멍의 외측 에지에 따라 프레임형·링형의 상태인 것이어도 된다. 이 경우, 하지 금속막의 폭은, 접합되는 밀봉 재료와 동일 폭 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 하지 금속막은 기재 전체면에 형성되어 있어도 된다.

또한, 하지 금속막은, 그 밀착성을 높이기 위하여, 다른 금속막을 통하여 기판 위에 성막된 것이어도 된다. 다른 금속막의 재질로서는, 티타늄, 크롬, 텅스텐, 티타늄-텅스텐 합금, 니켈, 백금, 팔라듐 중 어느 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이들 다른 금속막도, 도금, 스퍼터링, 증착, CVD법 등에 의해 형성된 것이 바람직하다.

하지 금속막의 두께는, 0.01㎛ 이상 10㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 기재에 대한 밀착성 확보를 위한 최저한의 두께와, 디바이스의 소형화에 대응하기 위한 상한을 나타내는 범위이다. 상기 다른 금속막을 적용하는 경우, 그 두께도 포함하여 0.01㎛ 이상 10㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

(B) 밀봉 부재

(B-1) 밀봉 재료(금속 분말 압축체)

이상 설명한 하지 금속막에 접합되는 밀봉 부재는, 밀봉 재료와 덮개형 금속막을 포함한다.

밀봉 재료는, 순도 99.9질량％ 이상의 금을 포함하는 금속 분말의 압축체로 이루어진다. 이 금속 분말 압축체는, 평균 입경이 0.01㎛ 내지 1.0㎛인 금 분말이 소결되어 이루어지는 소결체를 압축함으로써 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 밀봉 재료의 구성 재료는 금으로 한정된다. 종래 기술(특허문헌 2)에서는 금 이외의 금속(은, 백금, 팔라듐)을 적용할 수 있지만, 본 발명에서는 금을 포함하는 금속 분말만이 대상으로 된다.

밀봉 재료는, 관통 구멍을 폐색해 밀봉 공간을 기밀 밀봉하기 위한 것이므로, 그 횡단면적은 당연히 관통 구멍의 횡단면적보다 커진다. 밀봉 재료의 횡단면의 면적은, 바람직하게는 관통 구멍의 횡단면의 면적의 1.2배 이상 50배 이하로 한다. 또한, 이 횡단면적은, 관통 구멍의 직경 방향의 면적이다.

또한, 밀봉 재료의 두께는, 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 10㎛를 초과하는 밀봉 재료는, 밀봉 공정의 가압력 부족이나 균일성이 저하될 우려가 있어, 밀봉 불충분이 될 가능성이 있는 데다가, 금 비용의 상승을 초래한다.

또한, 기판의 저 프로파일화를 도모하는 면에서는 밀봉 재료를 얇게 하는 것이 바람직하다. 본 발명은 이 요구에도 대응 가능하며, 밀봉 재료를 5㎛ 이하로 해도 충분한 밀봉 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 0.1㎛ 미만의 밀봉 재료는 접합 계면에 간극이 남기 쉬워, 밀봉 작용이 떨어진다. 밀봉 재료의 두께는, 더 바람직하게는 0.5㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(B-2) 덮개형 금속막

그리고, 본 발명에 관한 밀봉 구조에서는, 적어도 상기 밀봉 재료와 접하는 면이 금으로 이루어지는 덮개형 금속막이 접합되어 있다. 덮개형 금속막의 적용에 의해 밀봉 재료의 상방의 기밀성이 확보되어 있다. 밀봉 재료는, 압축 후에도 관통 구멍과 연통하는 중심부에 있어서 다공질 구조인 채 그대로로 되어 있다. 덮개형 금속막은 이 다공질 부분의 일단을 밀봉함으로써, 관통 구멍의 밀봉을 완성시키기 위한 부재(덮개)로 되어 있다.

덮개형 금속막은, 밀봉 재료인 금속 분말에 대해, 특별하게 높은 밀착 상태를 발현시키기 위하여, 표면에 금이 적용된다. 표면의 재질을 금으로 한정하는 것은, 금속 분말 소결체와 동일한 재질의 금속막으로 압축을 행함으로써, 밀봉 효과가 높은 밀봉 재료를 형성하기 위해서이다. 그 순도는, 고순도인 것이 바람직하지만, 금속 분말 압축체 정도의 고순도가 아니어도 된다. 바람직한 순도는, 99질량％ 이상으로 한다. 덮개형 금속막도 벌크체의 금속을 포함하고, 도금(전해 도금, 무전해 도금), 스퍼터링, 증착, CVD법 등에 의해 형성된 것이 바람직하다. 또한, 덮개형 금속막은, 적어도 밀봉 재료와 접하는 면이 금인 것이 필수로 되지만, 표면이 금이라면 은, 팔라듐, 백금 중 적어도 어느 것을 조합한 다층의 막 구조로 해도 문제없다.

본 발명에서는, 밀봉 재료와 접하는 표면이 금인 얇은 덮개형 금속막과 하지 금속막의 협동에 의해, 공공의 치수·형상의 제어를 행하면서 밀봉 재료(금속 분말 압축체)를 형성한다. 이 덮개형 금속막의 두께는, 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하로 하고, 바람직하게는 0.1㎛ 이상 3㎛ 이하로 한다. 덮개형 금속막을 다층 구조로 하는 경우에도, 전체적으로 이 범위 내로 한다.

(C) 밀봉 재료의 구조와 공공의 치수 조건

본 발명에 관한 밀봉 구조에 있어서, 금속 분말 압축체를 포함하는 밀봉 재료는, 하지 금속막에 접촉하는 외주측의 영역과, 관통 구멍에 접촉하는 중심측의 영역에서 치밀성이 상이하다. 즉, 밀봉 재료는, 관통 구멍과 대략 동등한 단면 형상의 통체와, 그 외주 측면을 덮는 통체의 이중 구조로 되어 있다. 본 발명에서는, 전자를 다공질 영역, 후자를 치밀화 영역이라고 칭한다. 다공질 영역에서는 압축체의 전구체인 금속 분말 소결체가 포함하고 있던 공공이 비교적 많이 잔류하고 있다. 한편, 치밀화 영역에서는, 압축에 의해 반수 이상의 공공은 소실되고, 다공질 영역보다도 치밀한 구조를 갖는다. 이와 같은 치밀성의 상이가 생기는 것은, 밀봉 재료의 형성 과정에 있어서, 외주측의 치밀화 영역은 하지 금속막과 덮개형 금속막의 양쪽의 사이에 끼워진 상태로 가압을 받고 있기 때문이다. 상하로 벌크형 금속막에 접촉하고 있는 부분의 금속 분말은, 상하 방향으로부터 가압되어 균일하게 소성 변형·재결정화하여 치밀성이 증가된다. 한편, 관통 구멍의 상방에 위치하는 부분에서는, 상방의 덮개형 금속막과 열확산으로 접합되어 있을 뿐, 가압되고 있지 않다는 점에서, 소결체의 보이드가 많이 잔류한 상태로 되어 있다.

이와 같이 치밀성이 상이한 두 영역을 포함하는 밀봉 재료에 있어서, 본 발명에서는, 치밀화 영역의 상태에 대해 특징을 갖는다. 치밀화 영역에서는, 금속 분말 소결체를 압축했을 때 공공끼리 결합하면서 소실되지만, 모든 공공이 소실되는 일은 없고, 어느 정도의 공공이 잔존하고 있다. 이 공공은, 복수의 공공이 결합된 부정형 형상으로 된다. 금속 분말 압축체에 있어서는, 공공이 적고 공공률(공극률)이 낮아지면, 기밀성이 상승한다고 생각하는 것이 일반적이다. 물론, 공공률은 낮은 것이 바람직하다는 것은 부정할 수 없기는 하지만, 단순하게 그것만으로 기밀성이 도모되지는 않는 경우가 있다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 공공이 어느 정도 잔류해도, 그것들의 형상으로서 연속성이 없는 폐쇄 공공의 상태에 있고, 공공의 사이즈가 일정 조건을 구비함으로써 기밀성의 확보가 가능해진다. 본 발명자들은, 밀봉 재료(금속 분말 압축체)의 형성에 있어서, 얇은 금 분말의 소결체를, 얇은 금박막(덮개형 금속막)으로 압축함으로써, 적합한 형상의 공공이 된다는 것을 알아내었다.

이 공공의 조건에 대해, 구체적으로는, 치밀화 영역의 임의 단면에 있어서의 공공의 직경 방향의 수평 길이(l)와, 치밀화 영역의 폭(W)의 관계가 l≤0.1W가 될 것이 요구된다. 이 공공의 조건에 대해 도 1을 사용하면서 설명하면, 먼저, 치밀화 영역에 대해, 적어도 하나의 공공에 대해 전체를 관찰 가능한 시야 범위에서 단면 관찰이 행하여진다. 임의 단면이라고 하고 있는 바와 같이, 관찰 시의 절단 부위나 절단 방향을 특정하는 것은 아니다. 공공의 수평 길이란, 공공의 관찰된 단면에 있어서의 수평 방향(가로 방향)의 투영 길이이다. 한편, 치밀화 영역의 폭(W)에 대해서는, 수평 방향(가로 방향)의 폭이며, 치밀화 영역이 연속되는 영역의 폭이다. 치밀화 영역은 기판의 관통 구멍과의 관계에서 프레임형·링형으로 되는 것이 상정되므로, 치밀화 영역의 폭은 그 프레임·링의 폭이 된다(도 1 참조). 이 치밀화 영역의 폭은, 복수 개소를 측정해 평균값을 적용하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명에서는, 공공의 직경 방향의 수평 길이(l)와, 치밀화 영역의 폭(W)의 관계에 대해 l≤0.1W의 조건이 적용된다. 이 조건은, 관찰한 단면 내의 모든 공공에 부과되는 조건이다. l>0.1W를 초과하는 공공이 존재하는 경우, 밀봉 재료의 치밀화 영역에서도 리크가 생길 가능성이 높아진다. 공공은, 면적의 대소가 아니라, 그 길이가 영향을 미친다. 또한, 공공의 길이 l의 하한은 특별히 한정되지 않고 작은 것이 바람직하지만, 한계가 있다고 생각되어, W의 0.001배보다 짧은 공공이 형성될 가능성은 낮다. 따라서, 바람직하게는 l≤0.001W로 한다.

또한, 본 발명에서는, 치밀화 영역 내의 공공의 형상에 대한 규정(l≤0.1W)을 요건으로 하고, 공공의 양(공공률)에 대해서는 한정되지 않는다. 무엇보다, 공공률이 과도하게 높으면, 적합한 형상의 공공이 형성되는 밀봉 효과도 없어진다. 따라서, 본 발명에서는, 치밀화 영역의 임의 단면에 있어서의 공공률로서 면적률로 20％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 15％ 이하로 한다. 또한, 공공률은 낮은 것이 바람직하지만, 본 발명에 있어서는 어느 정도의 공공의 존재가 상정되어 있다. 그리고, 공공률로 15％ 내지 20％의 공공이 있어도 기밀성을 확보할 수 있다.

이상의 공공의 형상(외접원의 직경) 및 공공률의 측정에 대해서는, SEM 등의 현미경에 의해 단면 관찰을 행하고, 그 단면 조직 사진을 기초로 하여, 공공의 외형에 기초하여 수평 길이를 측정한다. 이 때, 공공을 의도적으로 배제하는 관찰 시야의 설정을 행하면 안된다. 또한, 관찰 시야에 대해서는 10 내지 30㎛²의 범위에서 설정하는 것이 바람직하다. 관찰 배율은, 20000 내지 30000배로 하는 것이 바람직하다.

공공률은, 단면 조직 사진에 기초하여, 공공의 합계 면적과 관찰 시야 면적으로부터 산출할 수 있다. 단면 관찰에 대해서는, 임의의 부위에서 임의의 방향으로부터 관찰하면 되는 이들의 측정에는, 화상 해석 소프트웨어 등의 계산기 소프트웨어를 사용해도 된다.

또한, 이상 설명한 치밀화 영역에서의 공공 형상의 조건(l≤0.1W)이나 공공률의 적합 범위에 대해, 밀봉 재료의 중심부의 다공질 영역의 공공에 관한 규정은 불필요하다. 다공질 영역에 밀봉 특성의 발휘는 기대되고 있지 않기 때문이다. 단, 본 발명에서 상기한 바와 같은 치밀화 영역이 형성되었을 때, 다공질 영역의 공공률은 20 내지 30％로 되어 있는 경우가 많다.

(D) 본 발명의 밀봉 구조에 의한 밀봉 방법과 전사 기판

다음에, 본 발명에 관한 밀봉 구조를 적용한 밀봉 공간의 기밀 밀봉 방법에 대해 설명한다. 본 발명에서는, 관통 구멍이 형성된 기재에 하지 금속막을 성막함과 함께, 2층 구조(밀봉 재료/덮개형 금속막)의 밀봉 부재를 접합하고, 관통 구멍을 폐색하여 밀봉 공간을 기밀 밀봉한다. 밀봉 부재의 중심적 요소인 밀봉 재료는, 금속 분말 소결체를 압축하여 형성된다. 그리고, 밀봉 재료의 전구체인 금속 분말 소결체는, 소정의 입경의 금속 분말이 용제에 분산된 금속 페이스트를 소결시킴으로써 형성할 수 있다. 따라서, 기재의 관통 구멍에 하지 금속막을 성막하여 금속 페이스트를 도포·소결하고, 또한 덮개형 금속막을 성막한 후에 가압함으로써 본 발명에 관한 밀봉 구조를 형성할 수 있다.

상기한 본 발명에 관한 기밀 밀봉 방법에서는, 각각의 밀봉 공간에 대해, 하지 금속막을 성막, 금속 분말 소결체·덮개형 금속막의 적층·압축을 행하여 밀봉 부재를 형성한다. 이 방법은 본 발명의 밀봉 방법의 기본이기는 하지만, 웨이퍼 레벨 패키지와 같은 1매의 기재에 복수의 밀봉 공간이 형성되어 있는 경우, 각각의 관통 구멍에 순차 밀봉 구조를 형성하는 것이라면 효율이 좋다고는 할 수 없다. 그래서, 본 발명자들은, 밀봉 재료의 전구체인 금속 분말 소결체의 특성을 살려, 복수의 관통 구멍에 대해 동시에 밀봉할 수 있는 방법을 알아내었다.

즉, 본 발명에 관한 밀봉 방법은, 밀봉 영역을 형성하는 기재의 관통 구멍 위치에 대응하는 위치에, 적어도 밀봉 재료와 접하는 면이 금으로 이루어지는 두께 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하의 벌크형 금속을 포함하는 덮개형 금속막과, 순도가 99.9질량％ 이상이며 평균 입경이 0.01㎛ 이상 1.0㎛ 이하인 금을 포함하는 금속 분말이 소결되어 이루어지는 금속 분말 소결체를 구비하는 전사 기판을 준비하는 공정과, 관통 구멍이 형성된 상기 기재의 표면에, 적어도 관통 구멍의 주변부를 포위하도록 하지 금속막을 형성하는 공정과, 상기 금속 분말 소결체가 상기 하지 금속막에 접하면서, 상기 관통 구멍을 밀봉하도록, 상기 전사 기판과 상기 기재를 대향시켜 중첩하는 공정과, 상기 전사용 기판을 압박하고, 상기 금속 분말 소결체로부터 밀봉 재료를 형성함과 함께 상기 하지 금속막에 접합시키는 공정을 포함하는 밀봉 방법이다.

이 밀봉 방법에서는, 기밀 밀봉의 대상이 되는 기재와는 별도의 부재인 기판(전사 기판)을 준비하고, 여기에 밀봉 재료의 전구체가 되는 금속 분말 소결체를 미리 형성해 둔다. 그리고, 밀봉 작업 시에, 전사 기판을 밀봉 공간이 형성되는 기재에 밀어붙여 가압함으로써, 금속 분말 소결체를 압축하면서 형성된 밀봉 재료를 기재에 전사한다. 이 전사 기판을 적용하는 밀봉 방법은, 금속 분말 소결체가 압축되었을 때, 밀봉 대상이 되는 기재에 형성된 하지 금속막에 대해 강한 접합력이 생기는 것을 이용한 프로세스이다. 그리고, 전사 기판에 의한 밀봉 방법에는, 미리 전사 기판에 덮개형 금속막과 금속 분말 소결체를 복수 형성함으로써, 관통 구멍이 복수 있는 기재의 밀봉을 1회의 전사 조작으로 실행할 수 있다는 이점이 있다. 이하, 본 발명에 관한 전사 기판을 이용한 밀봉 방법에 대해 설명한다.

밀봉 방법에 있어서 준비되는 전사 기판은, 기판과, 밀봉 영역을 형성하는 기재의 관통 구멍 위치에 대응하는 위치에 형성된 돌기부와, 적어도 돌기부 위에 형성되고, 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하의 벌크형 금속을 포함하는 덮개형 금속막과, 덮개형 금속막 위에 형성되고, 순도가 99.9질량％ 이상이며 평균 입경이 0.01㎛ 내지 1.0㎛인 금으로 이루어지는 금속 분말이 소결되어 이루어지는 금속 분말 소결체를 포함한다.

이 본 발명에 관한 전사 기판은, 기판 위의 임의의 위치에 돌기부를 형성하고, 그 위에 덮개형 금속막, 금속 분말 소결체를 순차 적층함으로써 제조할 수 있다.

전사 기판의 기판은, 상기한 바와 같이, 실리콘, 유리, 세라믹스 등을 포함하는 판재이다. 이 기판은, 밀봉 대상이 되는 기재의 관통 구멍 위치에 대응하는 위치에 돌기부를 갖는다. 돌기부를 형성하여 그 위에 밀봉 재료 등을 형성함으로써, 후의 전사 공정 시에 당해 부위에서 우선적인 가압을 생기게 하여 효과적으로 밀봉 재료 등의 전사가 이루어진다. 또한 전사 기판의 위치 결정도 하기 쉬워진다.

돌기부는, 그 단면적이 대응하는 관통 구멍의 단면적의 1.2배 이상이면 되고, 돌기부의 단면적이 커지면 전사 접합 시의 총하중이 증대된다는 점에서, 상한을 30배로 했다. 돌기부는 밀봉 재료를 관통 구멍에 전사시키기 위한 구조 부재이며, 밀봉 재료와 거의 동일 치수가 되기 때문이다. 또한, 돌기부의 높이는, 1㎛ 내지 20㎛로 되어 있는 것이 바람직하다. 돌기부의 형성에 있어서는, 기판에 도금 등으로 돌기를 형성해도 되지만, 기판을 에칭 가공(건식 에칭, 습식 에칭) 또는 연삭 가공 등을 하여 기판과 일체적인 돌기부로 해도 된다.

기판 위에 돌기부를 형성한 후, 덮개형 금속막을 형성한다. 상기한 바와 같이, 덮개형 금속막 표면은 순도가 99.9질량％ 이상인 금을 포함한다. 도금(전해 도금, 무전해 도금), 스퍼터링, 증착, CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 덮개형 금속막의 두께는, 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 바람직하게는 0.05㎛ 이상 3㎛ 이하로 한다.

그리고, 덮개형 금속막 위에 금속 분말 소결체를 형성한다. 금속 분말 소결체는, 순도 99.9질량％ 이상이며 평균 입경이 0.01㎛ 내지 1.0㎛인 금을 포함하는 금속 분말이 소결된 것이다. 이 금속 분말 소결체는, 상기 순도 및 입경의 금속 분말과 유기 용제를 포함하는 금속 페이스트를 소성함으로써 형성된다. 그리고, 구성되는 금속 분말의 벌크 금속의 밀도에 대한 비(소결체/벌크 금속)가 0.6 내지 0.7정도인 다공질체이다. 금속 분말의 순도를 99.9％ 이상으로 하고 있는 것은, 소결체 및 압축체로 할 때에, 금속 입자의 소성 변형과 재결정화가 촉진되는 것을 고려했기 때문이다. 또한, 금속 분말의 평균 입경을 0.01㎛ 내지 1.0㎛로 하는 것은, 0.01㎛ 미만의 입경이면, 금속 페이스트 속에서 응집하기 쉬워져, 균일 도포가 곤란해지기 때문이다. 1.0㎛를 초과하는 입경의 금속 분말이면, 기밀 밀봉에 필요한 치밀한 압축체를 형성하기 어려워지기 때문이다.

금속 페이스트에서 사용되는 유기 용제로서는, 에스테르알코올, 테르피네올, 파인오일, 부틸카르비톨아세테이트, 부틸카르비톨, 카르비톨, 이소보르닐시클로헥산올(제품명으로서 테르솔브 MTPH: 일본 테르펜 가가꾸 가부시키가이샤제 등이 있음), 2,4-디에틸-1,5-펜탄디올(제품명으로서 닛고우 MARS: 닛본 고료 야꾸힌 가부시키가이샤제 등이 있음), 디히드로·테르피네올(제품명으로서 닛고우 MHD: 닛본 고료 야꾸힌 가부시키가이샤제 등이 있음)이 바람직하다. 또한, 금속 페이스트는, 첨가제를 포함해도 된다. 이 첨가제로서는, 아크릴계 수지, 셀룰로오스계 수지, 알키드 수지로부터 선택되는 1종 이상이 있다. 예를 들어, 아크릴계 수지로서는, 메타크릴산메틸 중합체를, 셀룰로오스계 수지로서는, 에틸셀룰로오스를, 알키드 수지로서는, 무수 프탈산 수지를 각각 들 수 있다. 이들 첨가제는, 금속 페이스트 중에서의 금속 분말의 응집을 억제하는 작용을 갖고, 금속 페이스트를 균질인 것으로 한다. 첨가제의 첨가량은, 금속 페이스트에 대해 2질량％ 이하의 비율로 하는 것이 바람직하다. 안정된 응집 억제 효과를 유지하면서, 금속 분말 함유량을 관통 구멍 충전에 충분한 범위 내로 할 수 있다. 금속 페이스트의 금속 분말과 유기 용제의 배합 비율에 대해서는, 금속 분말을 80질량％ 내지 99질량％로 하고 유기 용제를 1질량％ 내지 20질량％로 배합하는 것이 바람직하다.

금속 분말 소결체는, 덮개형 금속막이 형성된 기판에 상기에 금속 페이스트를 도포하여 소성함으로써 형성된다. 금속 페이스트의 도포 두께에 대해서는, 금속 분말의 배합 비율에 따라 상이하지만, 그 후의 소결과 가압에 의한 치밀화를 고려하여, 1㎛ 내지 30㎛의 두께로 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 기판에 대한 금속 페이스트의 도포 방법에 대해서는, 특별히 한정은 없다.

금속 페이스트 도포 후, 금속 분말 소결체를 생성하기 위한 가열 온도는, 150℃ 내지 300℃로 하는 것이 바람직하다. 150℃ 미만이면, 금속 분말을 충분히 소결할 수 없기 때문이고, 300℃를 초과하면, 소결이 과도하게 진행되어, 금속 분말간의 네킹의 진행에 의해 너무 단단해진다. 또한, 소성 시의 분위기는, 대기, 불활성 가스(질소, 아르곤, 헬륨), 1％ 내지 5％의 수소를 혼합한 불활성 가스 등이 선택된다. 또한 소성 시간은 30분 내지 8시간으로 하는 것이 바람직하다. 소결 시간이 너무 길면, 소결이 과도하게 진행되어, 금속 분말간의 네킹의 진행에 의해 너무 단단해진다고 하는 문제가 생기기 때문이다. 이 금속 페이스트의 소성에 의해 금속 분말은 소결 고화되어 금속 분말 소결체가 된다. 이 소성 후의 금속 분말 소결체는, 벌크형 금속에 대해 밀도가 0.6배 내지 0.7배인 다공질체로 되어 있다.

또한, 본 발명에 관한 전사 기판에서는, 상기 조건에서 소결 후의 상태에 있어서의 금속 분말 소결체의 두께가 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 1㎛ 이상 15㎛ 이하로 한다. 그리고, 이상 설명한 공정에 의해, 덮개형 금속막 및 밀봉 재료를 형성·전사하기 위한 전사 기판이 얻어진다.

또한, 전사 기판의 구성에 대해, 덮개형 금속막, 금속 분말 소결체(금속 페이스트)는, 적어도 기판의 돌기부 위에 형성되어 있으면 된다. 전사해야 할 밀봉 재료 등은, 적어도 돌기부 위에 있으면 되기 때문이다. 단, 돌기부 주위의 기판면에 금속 분말 소결체 등이 형성되어 있어도 된다. 후술하는 바와 같이, 금속 분말 소결체가 치밀화해 압축체가 되는 범위는, 덮개형 금속막과 하지 금속막 사이의 돌기부 선단 영역에 한정되므로, 돌기부 주위의 기판면에 금속 분말 소결체 등이 있어도 문제는 없다.

다음에, 본 발명에 관한 전사 기판을 사용한 밀봉 방법에 대해 설명한다. 이 밀봉 방법에서는, 이상과 같이 하여 제조된 전사 기판을 제작 또는 입수하여 준비하는 한편, 밀봉 대상이 되는 기재에 대해 적절하게 밀봉 공간을 형성한다. 기재의 의의에 대해서는, 상기한 바와 같이, 베이스와 캡을 포함하는 단일 패키지여도 되고, 복수의 밀봉 공간을 갖는 웨이퍼의 조합이어도 된다. 어느 형태에서, 기재를 조합하여 밀봉 공간을 형성하고, 그 내부를 진공화한다. 본 발명은, 밀봉 공간을 형성하기 위한 기재의 접합 방법으로는, 납재, 양극 접합, 유리 융착, 금속 페이스트 접합 등을 들 수 있지만 한정되지는 않는다. 또한, 밀봉 공간을 진공화하는 경우, 그 진공도·청정도에 대해서도 전혀 한정하지 않는다. 밀봉 공간의 진공도는, 내부의 소자 성능이나 요구 정밀도에 의해 좌우된다.

그리고, 밀봉 공간을 형성한 기재에 대해, 적어도 관통 구멍을 포위하는 하지 금속막을 형성한다. 상기한 바와 같이, 하지 금속막은, 금, 은, 팔라듐, 백금 중 적어도 어느 것으로 이루어지는 벌크형 금속을 포함한다. 하지 금속막은, 도금(전해 도금, 무전해 도금), 스퍼터링, 증착, CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 하지 금속막의 두께는, 0.01㎛ 이상 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 하지 금속막은, 관통 구멍을 갖는 기재에 전면적으로 형성해도 되고, 적절하게 마스킹을 행하여 관통 구멍의 주변부에만 프레임형·링형으로 형성해도 된다. 또한, 하지 금속막의 형성은, 기재에 밀봉 공간을 형성하기 전에 행해도 된다.

이상과 같이 하여, 밀봉 공간의 형성 및 하지 금속막의 형성이 이루어진 기재에, 상기 전사 기판을 밀어 붙여 가압·가열함으로써, 기재 위의 하지 금속막에 금속 분말 압축체를 포함하는 밀봉 재료와 덮개형 금속이 접합·전사되어 본 발명의 밀봉 구조가 형성된다. 이 밀봉 재료의 형성 프로세스에서는, 하지 금속막과 덮개형 금속막 사이에 끼워진 금속 분말 소결체가, 그들 두 벌크형 금속막에 밀착된 상태에서 압축되어 치밀화된다. 금속 분말 소결체는, 치밀화됨과 함께 하지 금속막에 견고하게 접합한다. 이 전사 공정에 있어서, 전사 기판의 가압 조건은 80MPa 내지 200MPa로 하는 것이 바람직하다.

또한, 밀봉 재료를 전사하기 위한 가압은, 전사 기판 및 기재 중 적어도 어느 것을 가열하여 행하는 것이 바람직하다. 금속 분말의 재결정을 촉진하고, 치밀한 밀봉 재료를 빠르게 형성하기 위함이다. 이 가열 온도는, 80℃ 내지 300℃로 하는 것이 바람직하다. 300℃ 이하의 비교적 저온에서의 밀봉이 가능함은, 금속 분말 소결체라고 하는 저온에서도 치밀화가 가능한 밀봉 재료를 적용한 것 외에도, 하지 금속막 및 덮개형 금속막의 벌크형 금속막을 적절하게 배치하였기 때문이다.

밀봉 재료를 전사시킨 후, 전사 기판을 철거함으로써, 본 발명에 관한 밀봉 구조가 형성되고, 밀봉 공간의 기밀 밀봉이 완료된다. 본 발명에서는, 전사 기판의 제조 과정에서, 금속 분말 소결체로부터 가스 성분(유기 용제)이 제거되어 있으므로, 밀봉 재료를 전사하고 있는 동안에 밀봉 공간이 오염될 일은 없고, 밀봉 직전의 진공도를 유지할 수 있다.

또한, 사용 완료 전사 기판은, 기판 위에 금속 분말이 잔류하고 있는 경우가 있다. 이 사용 완료 전사 기판은, 적절하게 세정을 행하고, 다시, 덮개형 금속막 등을 형성함으로써 재사용 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 밀봉 구조는, 밀봉 공간을 오염시키지 않고 비교적 저온에서 관통 구멍을 밀봉할 수 있다. 본 발명에 관한 전사 기판은, 이 밀봉 구조를 효율적으로 형성할 수 있고, 웨이퍼 레벨 패키지와 같은 하나의 기재에 복수의 밀봉 공간이 설정되는 대상에도 대응할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 밀봉 구조에 있어서의 밀봉 재료 구성 및 그 내부의 공공의 치수 조건을 설명하는 도면.
도 2는 제1 실시 형태에서의 전사 기판의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 3은 제1 실시 형태에서의 기재(밀봉 공간)의 형성 공정을 설명하는 도면.
도 4는 제1 실시 형태에서의 전사 기판을 사용한 밀봉 공간의 밀봉 공정을 설명하는 도면.
도 5는 제1 실시 형태에서 형성한 밀봉 재료의 단면 조직을 나타내는 SEM 사진.

제1 실시 형태: 이하, 본 발명의 적합한 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태에서는 순도 99.9％의 금을 포함하는 금속 분말이 적용된 밀봉 재료를 구비하는 전사 기판을 제조함과 함께, 밀봉 대상이 되는 기재의 가공을 행한 후, 기재의 관통 구멍을 밀봉하는 시험을 행했다.

(i) 전사 기판의 제조

도 2는, 본 실시 형태에서의 전사 기판의 제조 공정을 설명하는 도면이다. 먼저, 실리콘 웨이퍼제의 기판을 준비하고, 밀봉할 기재의 관통 구멍의 직경 및 위치(피치)에 맞춘 돌기부를 건식 에칭에 의해 형성했다(도 2의 (a)). 돌기부의 치수는, 직경 500㎛, 높이 10㎛인 원기둥형 돌기이다.

다음에, 실리콘 웨이퍼제 기판의 돌기부의 정상면에, 덮개형 금속막으로서 금을 스퍼터링으로 성막했다(막 두께 0.5㎛, 도 2의 (b)). 본 실시 형태에서는, 이 덮개형 금속막의 성막 처리를 기판 전체면에 실시하여, 각 박막이 확실하게 돌기부의 정상면에 성막되도록 했다. 또한, 상술한 바와 같이, 실용상은, 돌기부의 정상에 금막(덮개형 금속막)이 형성되어 있으면 된다.

그리고, 덮개형 금속막 위에 금속 분말 소결체를 형성하기 위해서 금속 페이스트를 도포했다. 금속 페이스트는, 습식 환원법에 의해 제조된 금 분말(평균 입경 0.3㎛, 순도 99.9％)을, 유기 용제인 이소보르닐시클로헥산올(테르솔브 MTPH)에 혼합하여 조제한 것을 사용했다(금 분말의 혼합 비율 90질량％). 금속 페이스트의 도포는, 돌기부를 포위하도록 개공된 메탈 마스크로 기판을 덮어서 인쇄법으로 행했다(도 2의 (c)). 금속 페이스트 도포 후, 기판을 200℃에서 2시간 가열하고, 금속 분말을 소결시켜, 돌기부의 정상면에 두께 5㎛의 금속 분말 소결체를 형성함으로써, 전사 기판을 완성시켰다(도 2의 (d)).

(ⅱ) 기재의 전처리

본 실시 형태에서 밀봉 처리를 행하는 기재는, 실리콘 웨이퍼(상부 기재)와 글래스 웨이퍼(하부 기재)이며, 2매 1조로 밀봉 공간을 형성한다(도 3의 (a)). 기재의 두께는, 모두 0.5㎜이다. 실리콘 웨이퍼에 밀봉 공간이 되는 캐비티가 복수(72개) 형성되어 있고, 이 캐비티에 연통되는 관통 구멍이 형성되어 있다. 한편, 글래스 웨이퍼는, 평탄한 판재이다. 실리콘 웨이퍼의 캐비티 치수는 한변이 2㎜인 정사각형이며, 관통 구멍은 직경 100㎛의 단면 원형의 구멍이다.

밀봉 공간의 형성은, 실리콘 웨이퍼와 글래스 웨이퍼를 위치 결정 후, 종래 기술인 양극 접합으로 맞붙였다(도 3의 (b)). 위치 결정에는, 본드 얼라이너(BA8, 서쓰 마이크로 텍사제)를, 양극 접합에는, 웨이퍼 본더(SB8e, 서쓰 마이크로 텍사제)를 사용했다. 접합 조건은, 진공 분위기(10Pa)에서 400℃, -800V, 30분간, 가벼운 압박 하로 했다.

기재를 접합하여 밀봉 공간을 형성한 후, 실리콘 웨이퍼의 관통 구멍의 주변에 하지 금속막으로서 금을 성막했다(도 3의 (c)). 본 실시 형태에서는, 하지 금속막을 웨이퍼 전체면에 형성, 밀착성 확보를 위하여 티타늄/백금막을 형성한 후, 금을 스퍼터링 했다. 금막 두께는 0.5㎛이다.

(ⅲ) 기재의 밀봉 공간의 기밀 밀봉

(i)에서 제조한 전사 기판을 사용하여, 기재의 밀봉 공간의 관통 구멍을 밀봉했다. 전사 기판과 기재의 위치 정렬에는, 본드 얼라이너(BA8, 서쓰 마이크로 텍사제)를 사용하여, 도 4의 (a)와 같이, 전사 기판의 돌기부가 관통 구멍에 대응하도록 위치 결정했다. 그 후, 웨이퍼 본더(SB8e, 서쓰 마이크로 텍사제)를 사용하여, 진공 분위기(10Pa)로 감압 후, 전사 기판을 기재에 밀어붙여 가압하여, 전사 기판과 기재를 히터를 구비한 지그로 가열했다. 이 때의 전사 조건은, 돌기부의 정상면의 압력이 100MPa, 가열 조건은, 승온 속도 30℃/min로 200℃까지 가열했다.

전사 기판이 200℃에 도달한 후, 하중을 가한 채 10분 유지했다(도 4의 (b)). 그 후, 제하하여 전사 기판을 이동시켰다. 전사 기판 철거 후의 기재를 관찰한바, 전사 기판의 밀봉 부재 및 덮개형 금속막이 관통 구멍에 접합되어 있음이 확인되었다(도 4의 (c)). 밀봉 재료는 압축 변형되어, 두께는 1㎛로 되어 있었다.

도 5는, 본 실시 형태에서 형성한 밀봉 구조에 대해, 밀봉 재료인 금속 분말 압축체의 외주부인 치밀화 영역과, 중심부인 다공질 영역의 단면 사진이다. 본 실시 형태에서는, 치밀화 영역의 폭 W의 평균값은, 200㎛였다.

도 5의 단면 사진은, 제작된 밀봉 구조를 집속 이온 빔 장치(FIB)로 단면 가공 및 연마하고, SEM 관찰(30000배, 45° 경사)한 사진이다. 도 5로부터, 치밀화 영역과 다공질 영역의 치밀화의 정도의 차가 명확하게 되어 있다. 다공질 영역에서는, 복수의 공극(보이드)이 연속하여 연결되어 있다. 한편, 치밀화 영역에도 미소한 공극이 있기는 하지만, 각각 독립된 상태에 있다.

이 도 5를 기초로 하여 임의 단면에 있어서의 공공의 수평 길이를 검토했다. 도 5의 단면 사진 내에서 관찰된 공공에 대해, 화상에서 시인할 수 있는 모든 공공의 양단의 수평 길이(l)를 모두 계측했다. 그 결과, 이 계측마다 치밀화 영역인 외주측의 폭(W)에 대해 l≤0.1W가 되는 것이 확인되었다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 관측된 l의 최솟값은, W의 약 0.005배이며, 최댓값이 W의 약 0.01배였다.

또한, 단면 사진의 화상으로부터 치밀화 영역에서의 공극률을, 화상 해석 소프트웨어(아사히 가세이 엔지니어링(주)제 상품명 「A 상군(ver.2.54)」)로 산출했다. 화상 해석에 있어서는, 화상을 2치화 처리 해석하고, 공공과 금속 입자로 분리했다. 이 화상 해석의 구체적인 수순으로서는, 화상 해석 소프트웨어의 「조직 해석 툴」에 기초하여, 대상 화상에 있어서의 「조직수」를 2로 설정하면서, 원래 화상을 확인하면서 2치화를 위한 임계값을 150 내지 160의 범위 내에서 정했다. 그리고, 툴의 연산에 의해 공극률을 산출했다. 그 결과, 본 실시 형태의 치밀화 영역의 공극률은 10.4％라는 결과를 얻었다.

다음에, 관통 구멍을 밀봉한 기재에 대해, 밀봉 공간의 기밀성을 확인했다. 확인은, 헬륨 리크 테스트(벨자법)를 행했다. 이 평가에 대해서는, 헬륨 리크 테스트가 10^-9Pa·㎥/s 이하를 합격으로 했지만, 본 실시 형태에서의 헬륨 리크 테스트는, 10^-11Pa·㎥/s 내지 10^-13Pa·㎥/s이었다. 이 결과, 본 실시 형태의 밀봉 구조에서는 밀봉 공간이 유효하게 기밀 밀봉되었음을 확인할 수 있었다.

제2 실시 형태: 여기에서는, 제1 실시 형태와 동일 기재(밀봉 공간)에 대해, 밀봉 재료의 구성 재료 및 두께, 덮개형 금속막의 구성·두께를 조정하면서 밀봉 구조를 형성했다. 제1 실시 형태에서의 금속 페이스트의 용매, 금속 함유량 등은 동일하게 하여, 금속 분말의 입경, 종류, 도포 두께를 변경하여 전사 기판을 제작했다. 그리고, 제1 실시 형태와 동일하게 하여 실리콘 웨이퍼(상부 기재)와 글래스 웨이퍼(하부 기재)를 접합하여 밀봉 공간을 형성하고, 그 관통 구멍을 밀봉했다. 표 1에, 본 실시 형태에서 시작한 각종 밀봉 구조의 구성, 치밀화 영역에서의 공공의 수평 길이와 폭 W의 관계, 및, 리크 테스트의 결과를 나타낸다.

표 1로부터, 금 분말을 밀봉 재료로 한 밀봉 구조로 양호한 기밀 밀봉 특성이 얻어지고 있다. No. 17 내지 19의 금 이외의 금속 분말을 밀봉 재료로 하면, 어느 정도의 밀봉은 할 수 있지만 리크 테스트에서 불합격이 되었다. 무엇보다, 금 분말을 적용하는 경우에도, 그 입경이 과대해지는 경우(No.4)에 있어서, 기밀성이 저하되고 있다. 이것은, 하지·덮개형 금속막의 존재가 있어도, 금속 분말이 조대하면 공공의 형상이 바람직하지 않은 상태에서 압축체가 형성되어 버리기 때문이라고 생각된다.

그리고, 본 발명에서는 덮개형 금속의 종류나 두께도 밀봉 성능에 영향을 미친다. 덮개상 형성막이 5㎛를 초과하는 경우(No.11), 충분한 밀봉 구조가 형성되지 않았다. No. 1 내지 No. 4의 결과로부터, 덮개형 금속막의 두께는 5㎛이면 충분한 두께라고 판단했다. 또한, 덮개형 금속으로서 금 이외의 금속을 적용한 경우(No.14)도, 밀봉 시험의 결과가 불합격이며, 금의 적용이 필수라고 판단되었다. 단, 덮개형 금속막의 구성에 대해서는, 밀봉 재료와 접하는 측의 면을 Au로 함으로써, 기밀 밀봉은 달성할 수 있다.

밀봉 재료의 두께에 대해 검토하면, 10㎛의 비교적 두꺼운 경우에도 충분한 밀봉 효과를 확인할 수 있었다. 또한, 5㎛ 이하의 얇은 밀봉 재료에서도 효과적임이 확인되었다. 따라서, 본 발명은 기판·제품의 저 프로파일화를 위하여 밀봉 재료 등을 얇게 해도 유효함을 확인할 수 있었다. 단, 밀봉 재료가 과도하게 얇은 경우(No.8)에 있어서는, 기밀 밀봉을 할 수 없었다.

이상의 검토 결과로부터, 적절한 기밀 밀봉 특성을 발휘시키기 위해서는, 밀봉 재료의 치밀화 영역에서의 공공의 형상으로서 최대 공공의 직경 방향의 수평 길이의 최댓값 제어가 중요해진다는 것이 확인되었다.

본 발명은 관통 구멍을 구비하는 밀봉 공간의 밀봉 방법에 대해, 관통 구멍을 밀봉하는 매체로서 소정의 금속 분말 압축체를 적용하는 것이다. 본 발명에서는, 납재 융착이나 양극 접합 등의 종래 기술에서는 문제였던 아웃 가스 발생이 없으므로, 밀봉 공간을 오염시킬 우려 없이, 비교 저온에서 관통 구멍을 밀봉할 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 밀봉 구조는, 적절하게 전사 기판의 형태로 형성 가능하고, 밀봉 구조를 효율적으로 형성할 수 있으므로 웨이퍼 레벨 패키지와 같은 하나의 기재에 복수의 밀봉 공간이 설정되는 대상에도 대응할 수 있다. 본 발명은 압력 센서, 가속도 센서 등의 MEMS 디바이스나 각종 반도체 디바이스의 기밀 밀봉에 유효하다.

Claims (10)

1. 밀봉 공간을 형성하는 1조의 기재와, 상기 1조의 기재 중 적어도 하나에 형성되어 상기 밀봉 공간과 연통하는 적어도 하나의 관통 구멍과, 상기 관통 구멍을 밀봉하는 밀봉 부재를 포함하는 밀봉 구조이며,
   상기 관통 구멍이 형성되는 상기 기재의 표면 위에, 금, 은, 팔라듐, 백금 중 적어도 어느 것으로 이루어지는 벌크형 금속을 포함하고, 적어도 상기 관통 구멍의 주변부를 포위하도록 형성된 하지 금속막을 구비하고,
   상기 밀봉 부재는, 상기 하지 금속막에 접합하면서 상기 관통 구멍을 밀봉하고 있고,
   상기 밀봉 부재는, 상기 하지 금속막에 접합되고, 순도 99.9질량％ 이상의 금으로 이루어지는 금속 분말의 압축체를 포함하는 밀봉 재료와,
   상기 밀봉 재료에 접합되어, 적어도 상기 밀봉 재료와 접하는 면이 금으로 이루어지는 두께 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하의 벌크형 금속을 포함하는 덮개형 금속막을 포함하고,
   상기 밀봉 재료는, 상기 하지 금속막과 접하는 외주측의 치밀화 영역과, 상기 관통 구멍에 접하는 중심측의 다공질 영역을 포함하고,
   상기 치밀화 영역의 임의 단면에 있어서의 공공의 직경 방향의 수평 길이(l)와, 상기 치밀화 영역의 폭(W)의 관계가 l≤0.1W인, 밀봉 구조.
2. 제1항에 있어서, 밀봉 재료의 두께가, 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하인, 밀봉 구조.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하지 금속막의 두께가, 0.01㎛ 이상 10㎛ 이하인, 밀봉 구조.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 치밀화 영역의 임의 단면에 있어서의 공공률이 면적률로 20％ 이하인, 밀봉 구조.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 밀봉 재료의 횡단면의 단면적이, 관통 구멍의 횡단면의 단면적의 1.2배 이상 50배 이하인, 밀봉 구조.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 밀봉 재료는, 순도가 99.9질량％ 이상이며, 평균 입경이 0.01㎛ 내지 1.0㎛인 금으로 이루어지는 금속 분말의 소결체를 압축함으로써 형성된 것인, 밀봉 구조.
7. 제1항 또는 제2항에 기재된 밀봉 구조를 형성하는 밀봉 방법이며,
   밀봉 영역을 형성하는 기재의 관통 구멍 위치에 대응하는 위치에, 적어도 밀봉 재료와 접하는 면이 금으로 이루어지는 두께 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하의 벌크형 금속을 포함하는 덮개형 금속막과, 순도가 99.9질량％ 이상이며 평균 입경이 0.01㎛ 이상 1.0㎛ 이하인 금을 포함하는 금속 분말이 소결되어 이루어지는 금속 분말 소결체를 구비하는 전사 기판을 준비하는 공정과,
   관통 구멍이 형성된 상기 기재의 표면에, 적어도 관통 구멍의 주변부를 포위하도록 하지 금속막을 형성하는 공정과,
   상기 금속 분말 소결체가 상기 하지 금속막에 접하면서, 상기 관통 구멍을 밀봉하도록, 상기 전사 기판과 상기 기재를 대향시켜 중첩하는 공정과,
   상기 전사 기판을 압박하고, 상기 금속 분말 소결체로부터 밀봉 재료를 형성함과 함께 상기 하지 금속막에 접합시키는 공정을 포함하는, 밀봉 방법.
8. 제7항에 있어서, 전사 기판 및 기재 중 적어도 어느 것을 80℃ 내지 300℃에서 가열하면서, 상기 전사 기판을 압박하는, 밀봉 방법.
9. 제7항에 기재된 밀봉 방법으로 사용되는 전사 기판이며,
   기판과,
   상기 기판 위의 기재의 관통 구멍 위치에 대응하는 위치에 형성된 돌기부와,
   적어도 상기 돌기부 위에 형성되고, 적어도 상기 밀봉 재료와 접하는 면이 금으로 이루어지는 두께 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하의 벌크형 금속을 포함하는 덮개형 금속막과,
   상기 덮개형 금속막 위에 형성되고, 순도가 99.9질량％ 이상이며 평균 입경이 0.01㎛ 내지 1.0㎛인 금으로 이루어지는 금속 분말이 소결되어 이루어지는 금속 분말 소결체를 구비하는, 전사 기판.
10. 제9항에 있어서, 금속 분말 소결체의 두께가, 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하인, 전사 기판.

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