JP2004235465A

JP2004235465A - 接合方法、接合装置及び封止部材

Info

Publication number: JP2004235465A
Application number: JP2003022553A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Yuasa; 光博湯浅
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19
Also published as: US20050260828A1

Abstract

【課題】ＭＥＭＳデバイス用パッケージングにおいて、熱膨張率の異なる材料であっても、短時間の処理で強固な接合を可能とすること。
【解決手段】ＭＥＭＳ回路が形成されたシリコン基板１とこれを封止する石英基板２とを仮貼り合わせし、加圧治具４で加圧しながら、シリコン基板１に吸収されるが加圧治具４及び石英基板２に吸収されない波長の光を、ランプ５によりシリコン基板１と石英基板２との界面に照射して、界面を加熱することにより、接合を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
デバイスのパッケージング技術又は接合技術に関し、特にＭＥＭＳデバイスにおけるパッケージング技術又は接合技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、マイクロマシンやＭＥＭＳデバイスでは、チップ内に可動部材を有し壊れやすい構造をもつものも多いことから、半導体とは異なってダイシング工程の前に封止しておくことが有効と考えられ、ウェハプロセスでのパッケージングの試みがなされている。
【０００３】
例えば、シリコンウエハ上に形成されたＭＥＭＳ部品をガラスで覆って接合し、パッケージングするような例があり、このような異種材料の接合には、一般的には陽極接合が用いられている。
【０００４】
図６に陽極接合の概念図を示す。陽極接合は、支持ステージ３０上に載置されたシリコンウエハ１０にナトリウム不純物を含んだガラス２０（ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ等）を貼り合わせ、加圧治具４０により圧力をかけながら、温度を数百度（通常４００℃程度）に上げた状態で５００〜１０００Ｖの電界をかけ、ガラス中のイオン移動を利用して界面にＳｉＯ⁻ を生成させ、ガラスとシリコンを接合させる技術である。すなわち、シリコンを正極、ガラスを負極として、直流電源５０により電圧をかけるとガラス中のナトリウムは＋イオンであるから負側に移動するとともに、シリコンとの界面には負のＳｉＯ⁻ イオンを含む空間電荷層が形成され、界面で大きな静電引力が働き、共有結合が形成される。
【０００５】
また、高温に加熱することなく接合する常温接合技術も提案されている。これは、２枚の基板の接合面をプラズマやイオンビームで清浄化し活性化した後常温で貼り合わせるものである。さらに、常温で接合した後に炉で加熱して強固に接合する方法も考えられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２００２−６４２６８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、陽極接合は、数百℃程度に加熱することが必要で、試料をセットしてから圧力・電圧をかけながら昇降温させる時間（数時間程度）がかかり、量産技術としては問題がある。また、室温から数百℃まで、熱膨張率がほぼ一致する材料間でしか適用できない。さらに、ナトリウムは半導体回路に悪影響を与えるため、半導体デバイスと混載されたＭＥＭＳには適用が困難である。
【０００８】
また、常温接合では、接合力は界面での分子間力のみであり、貼り合わせる材料の組合わせによっては十分ではなく、また、たとえば温度や振動に関して過酷な環境で用いられるデバイスにおける信頼性が十分ではない。
【０００９】
さらに、常温接合の後に炉で加熱する方法にあっては、陽極接合と同様に、プロセスの長時間化、熱膨張率の一致が必要等の問題が生じる。その他、ＭＥＭＳデバイスが形成されているチップを高温加熱すれば、たとえ強力な接合が可能であったとしても、チップに形成されているＭＥＭＳデバイスがダメージを受けることにもなる。
【００１０】
このような問題点に鑑み、本発明は、熱膨張率の異なる材料であっても、短時間の処理で強固な接合が可能な接合方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、第１の基板と第２の基板を重ね合わせて、第１の基板に吸収されるが、第２の基板に吸収されない波長の光を、第１の基板と第２の基板との界面に照射して接合する方法及び装置を提供する。
【００１２】
接合に際しては、第１の基板と第２の基板とを加圧すればさらによい。第１の基板と第２の基板とを加圧する加圧部材には、加圧圧力を計測するセンサを備えることもできる。
また、第１の基板の光照射側とは反対側に温度調整装置を備えるようにしてもよい。
【００１３】
第２の基板としては石英、ガラス又は樹脂からなる封止部材を用いることができ、封止部材は、ウェハと同一形状でアライメントマークを有するようにしてもよく、ＭＥＭＳ部品との干渉を防ぐ凹部を形成してもよい。さらに、封止部材には接合面を除いて適宜遮光材を形成することもできる。
さらに、熱可塑性を有するプラスチックフィルムや光照射により基板に接合する接着剤を有するプラスチックフィルムを封止部材とすることもできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１、２に示す実施形態は、ＭＥＭＳ部品が形成されたシリコンを石英の封止部材でパッケージングするものである。
【００１５】
図１は、本発明の１実施形態の接合装置を示す概略図であり、図２（ａ）は、石英からなる封止部材の概略正面図であり、図２（ｂ）はそのＡ−Ａ断面の概略図である。
【００１６】
シリコン基板１には、例えば５ｍｍ×５ｍｍのチップ上にＭＥＭＳ部材が作りこまれてＭＥＭＳ回路が構成されている。封止部材の石英基板２は、図２に示すように、ウェハと同形状で、シリコン基板１のチップに対応して、チップ内のＭＥＭＳ部品と干渉しないように５ｍｍ×５ｍｍの凹部２１が形成され、かつアライメントマーク２２〜２５が形成されている。シリコン基板１の石英と接合する面がＭＥＭＳ部品より高い場合、すなわちＭＥＭＳ部品と石英基板とが干渉するおそれがない場合には、石英基板に凹部２１を設ける必要はない。また、遮光材２６が凹部内面に塗布されている。
【００１７】
本例では、接合装置にシリコン基板１と石英基板２とを導入する前段階で仮貼り合わせを行う。仮貼り合わせでは、シリコン基板１の表面及び封止部材２のそれぞれの表面が、Ａｒプラズマで清浄化され、アライメントマーク２２〜２５に基づいて両基板が重ねあわされる。なお、本例では、Ａｒプラズマで清浄化して仮貼り合わせを行ったが、このような仮貼り合わせは必須のものではなく、単にアライメントを行って重ね合わせておくだけでもよい。
【００１８】
図１に示すように、接合装置は、接合される基板１及び２を載置するステージ３と、基板１及び２に圧力を加える加圧装置４と、基板１及び２の界面に光照射するランプ５を備えている。仮貼り合わせが完了したシリコン基板１と石英基板２とを、シリコン基板１側をステージ３に載置して固定する。ステージ３には真空又は静電チャック（図示せず）が付属しており、シリコン側をステージ３に固定する。また、ステージ３には、冷媒７を流して基板を冷却する温度調節装置６が内蔵されており、装置の動作中例えば２０℃に温度調節される。温度調節のためのセンサは冷媒の温度を検出するものでも、基板の温度を計測するものでもよい。次いで石英側から石英治具すなわち加圧装置４を用いて加圧しながら、加圧装置４側に設けられたランプ５を点灯して基板に照射して、シリコン基板１と石英基板２とを接合する。
【００１９】
加圧装置４には圧力センサ（図示せず）が設けられ、少なくとも接合作業が開始する前に、３点以上で加圧圧力が均一なものかどうかを確認する。圧力センサは加圧される基板の圧力を直接検知してもよいし、多点で加圧する加圧機構の出力をみるものでもよい。
【００２０】
ランプ５から照射される光は、石英治具である加圧部材４及び封止部材の石英基板２ではほとんど吸収されないが、シリコン基板１では吸収される波長が選ばれている。従って、石英基板２は、加熱されないため熱膨張は生じない。一方、シリコン基板１側では表面で光が吸収されるため表面即ち石英基板２とシリコン基板１の界面が活性化され、シリコンと石英中の酸素分子が共有結合し、強固な結合が可能となる。シリコン基板１は冷却されていることと光の吸収が表面で行われることから、シリコン基板１全体が加熱されることはなく、したがって、シリコン基板１の熱膨張も生じない。また、ランプ５による表面の加熱は非常に短時間で可能であり、プロセス時間を短くできる。
【００２１】
さらに、遮光材２６を凹部底面及び側面に配置して、ＭＥＭＳ部品に光が照射されないようにしたから、加熱の必要がないところには光は照射されず、ＭＥＭＳ部品又は半導体回路に光照射による悪影響を防止することができる。当然のことながら遮光材２６は必須のものではなく、遮光材２６を配置するかしないか、又はその配置個所は、種々の条件を勘案して決められるものである。
【００２２】
本例では、シリコン基板１をステージ３に載置したが、石英基板２をステージ３に載置するようにすることも可能である。この場合は、ステージ３を照射光を吸収しない材料で構成して、照射光をステージ側から、シリコン基板１と石英基板２の界面に照射するようにすればよい。いずれにしろ、光を吸収しない側から基板間の界面に光照射ができるように配置すればよい。
また、本例では、封止部材の材料は石英を採用したが、ガラスであっても樹脂であってもよい。
【００２３】
図３に、封止部材の他の実施形態であるテープ状のプラスチックフィルム８を示す。テープ状のプラスチックフィルム８は、所定個所に接着剤を備えている点で前述の実施形態における封止部材とは異なる。プラスチックフィルム８には、シリコン基板１に対応するアライメントマーク８１〜８４が施され、シリコン基板上に形成された５ｍｍ×５ｍｍのＭＥＭＳチップに対応して、５ｍｍ×５ｍｍ部分がチップを覆うように区画され、その周囲に接着剤が予め配置されている。
【００２４】
図４に、プラスチックフィルム８がシリコン基板１に接着剤９により貼り合わされた概略断面図を示す。接着剤９は、５ｍｍ×５ｍｍの区画の周囲を接合するように配置されている。
【００２５】
プラスチックフィルム８は、図３に示すように巻回されて保持され、ウェハプロセスのパッケージングが必要なときに引き出して、アライメントマーク８１〜８４によりアライメントを行いつつ、ＭＥＭＳ部品を有するシリコン基板１を覆う。アライメントされたプラスチックフィルム８により覆われたシリコン基板１は、ステージに載置され、加圧部材により加圧しながら、プラスチックフィルム８側から光を照射することにより接着剤９を加熱し、プラスチックフィルム８をシリコン基板１に接合する。
【００２６】
プラスチックフィルム８は先の例と同様に光を吸収しない。本例の場合、接着剤９は光を吸収するものであってもよい。いずれにせよ、照射される光はシリコン基板１の表面又は接着剤９を加熱することになる。この結果プラスチックフィルム８の接合部分に配置された接着剤９が加熱されて接着可能となり、シリコン基板１とプラスチックフィルム８とが接合する。接合の後シリコン基板１の形状に沿って切り離されて、プラスチックフィルム８によるパッケージングが完了する。なお、プラスチックフィルム８は、アライメントが終了して重ね合わされた後、接合する前に切り離されることもできる。
【００２７】
図５は、本発明のさらに他の実施形態である熱可塑性プラスチックフィルム１１を用いた封止部材の概略断面図である。接合方法自体は、図３及び図４に示した実施形態と同様であるので、説明は省略する。本例の熱可塑性プラスチックフィルム１１には、凹部１２が形成されているが、接着剤層は設けられていない。凹部１２は、シリコン基板上のチップに対応して多数設けられ、シリコン基板を覆うときにチップ内のＭＥＭＳ部品と干渉しないようになっている。熱可塑性プラスチックフィルム１１は、先の例と同様に光を吸収しない材料で構成されている。したがって、シリコン基板と重ねあわされて、加圧され、熱可塑性プラスチックフィルム１１側から光照射されると、熱可塑性プラスチックフィルム自体は加熱されることなく、シリコン基板が加熱され、シリコン基板の熱は、凹部１２を囲む熱可塑性プラスチックフィルムの突出部１３に伝わり、シリコン基板と接する部分が溶解して接合することになる。
【００２８】
プラスチックフィルム８及び９の接合部分以外に、図２（ｂ）に示したのと同様の遮光材を適宜配置すれば、ＭＥＭＳ回路等に不必要な光が照射されないようにすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、高温又は長時間の加熱をしないで接合することができ、熱膨張率の異なる材料であっても、短時間の処理で強固な接合が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態である接合装置の概略図である。
【図２】（ａ）は、本発明の１実施形態である封止部材の概略正面図であり、（ｂ）は、その概略断面図である。
【図３】本発明の封止部材の他の実施形態であるテープ状プラスチックフィルムを示す概略図である。
【図４】本発明によるテープ状プラスチックフィルムとシリコン基板１との接合状態を示す概略断面図である。
【図５】本発明の封止部材のさらに他の実施形態である熱可塑性プラスチックフィルムを示す概略断面図である。
【図６】従来の陽極接合の概略図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板
２…石英基板
３…ステージ
４…加圧装置
５…ランプ
６…温度調節装置
７…冷媒
８…プラスチックフィルム
９…接着剤

Claims

第１の基板と第２の基板を重ね合わせるステップと、
第１の基板に吸収されるが、第２の基板に吸収されない波長の光を、第１の基板と第２の基板との界面に照射して接合するステップとを備える接合方法。
前記接合するステップにおいて、第１の基板と第２の基板とが加圧される請求項１に記載の接合方法。
第１の基板と第２の基板とを重ね合わせて接合する接合装置であって、
第１の基板に吸収されるが、第２の基板に吸収されない波長の光を、第１の基板と第２の基板との界面に照射する光照射装置を備える接合装置。
前記波長の光を吸収しない材料で構成され、前記第１の基板と前記第２の基板とを加圧する加圧装置を備える請求項３に記載の接合装置。
前記加圧装置による加圧圧力を計測するセンサを備える請求項４に記載の接合装置。
前記第１の基板の光照射側とは反対側に温度調節装置を備える請求項３〜５のいずれか１項に記載の接合装置。
請求項１に記載の接合方法において前記第２の基板として使用される、石英、ガラス又は樹脂からなる封止部材。
前記第１の基板と同一形状でアライメントマークを有する請求項７に記載の封止部材。
前記第１の基板に形成される部材との干渉を防ぐ凹部を有する請求項７又は８に記載の封止部材。
請求項１に記載の接合方法において前記第２の基板として使用される、熱可塑性を有するプラスチックフィルムからなる封止部材。
請求項１に記載の接合方法において前記第２の基板として使用される、光照射により接着可能となる接着剤を有するプラスチックフィルムからなる封止部材。
前記接着剤は、それ自体が光照射により加熱され接着可能となる請求項１１に記載の封止部材。
前記接着剤は、光照射により第一の基板が加熱されることにより加熱され接着可能となる請求項１１に記載の封止部材。
アライメントマークを有する請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の封止部材。
所定個所に遮光材を有する請求項７〜１４のいずれか１項に記載の封止部材。