JP2007059760A - 素子の接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 目的の組成比率を有する合金層が得られ、この合金層を介して素子を基材や他の素子に精度良く接合でき、十分な接合強度が得られる、素子の接合方法を提供する。
【解決手段】 第１の素子１ａ，２１と、第２の素子３１或いは基材３との間に、第１の金属からなる第１金属層４ａ，３２と、この第１金属層と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層５ａ，２２，３３ａとを形成し、第１の素子を第２の素子或いは基材に接触させて所定の温度で加熱することにより、この第１及び第２金属層を相互に固相拡散させて合金層７ａ，３７ａにして溶融させ、その後冷却することにより、第１素子を第２素子或いは基材に合金層７ａ，３７ａを介して接合する。
【選択図】 図３
【解決手段】 第１の素子１ａ，２１と、第２の素子３１或いは基材３との間に、第１の金属からなる第１金属層４ａ，３２と、この第１金属層と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層５ａ，２２，３３ａとを形成し、第１の素子を第２の素子或いは基材に接触させて所定の温度で加熱することにより、この第１及び第２金属層を相互に固相拡散させて合金層７ａ，３７ａにして溶融させ、その後冷却することにより、第１素子を第２素子或いは基材に合金層７ａ，３７ａを介して接合する。
【選択図】 図３
Description
本発明は、半導体レーザ素子等の素子の接合方法に関する。
従来、その動作時に発熱を伴う素子を、基材や他の素子に接合する場合、この素子が発生した熱を基材や他の素子に効率的に放熱するために、一般的に、合金層を介して接合することが行われている。接合材である合金は、他の接合材である導電ペースト(導電粒子を樹脂中に分散させたもの)に比べて、熱伝導率が高いため、放熱性に優れている。
このような接合方法は、例えば、半導体レーザ装置や光ピックアップ装置において、半導体レーザ素子を基材や他の素子に接合する場合に用いられている。
そして、このような接合方法が、特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載されている接合方法は、Ａｇ−Ｓｎ(銀−錫)合金からなる半田箔を用いて、半導体レーザ素子を放熱体に接合する方法である。そして、この接合方法により、それ以前に発生していた半田溜まりによる素子の電気的短絡やレーザ光の遮光といった問題が解決するとされている。
特開平５−４１５６３号公報
このような接合方法は、例えば、半導体レーザ装置や光ピックアップ装置において、半導体レーザ素子を基材や他の素子に接合する場合に用いられている。
そして、このような接合方法が、特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載されている接合方法は、Ａｇ−Ｓｎ(銀−錫)合金からなる半田箔を用いて、半導体レーザ素子を放熱体に接合する方法である。そして、この接合方法により、それ以前に発生していた半田溜まりによる素子の電気的短絡やレーザ光の遮光といった問題が解決するとされている。
しかしながら、特許文献１に記載されている接合方法は、半田箔を素子の外形サイズと同等のサイズに切断するものであるが、量産においてこれを精度良く切断することは困難である。さらに、この切断された半田箔片を所定の位置に精度良く搭載することは困難である。そして、素子と半田箔片との位置がずれた状態で素子を放熱体に接合すると、素子と放熱体との接合強度が不十分になったり、動作時に素子が発生した熱を放熱体に効率よく放熱できないという問題が生じる。
また、このように合金からなる半田箔は、一般的に、蒸着法やスパッタリング法により形成されるが、形成された半田箔の合金の組成比率は、目的の比率と異なる場合があり、成膜条件に対して厳しい管理が必要になる。
また、酸化されやすいＳｎを含む半田箔の表面及びその表面近傍部は、大気中の酸素と反応して酸化するため、素子を接合する際、この酸化された領域が接合強度を低下させる可能性がある。
また、このように合金からなる半田箔は、一般的に、蒸着法やスパッタリング法により形成されるが、形成された半田箔の合金の組成比率は、目的の比率と異なる場合があり、成膜条件に対して厳しい管理が必要になる。
また、酸化されやすいＳｎを含む半田箔の表面及びその表面近傍部は、大気中の酸素と反応して酸化するため、素子を接合する際、この酸化された領域が接合強度を低下させる可能性がある。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、目的の組成比率を有する合金層が得られ、この合金層を介して素子を基材や他の素子に精度良く接合でき、高い接合強度が得られる、素子の接合方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本願各発明は次の手段を有する。
１）合金層（７ａ）を介して半導体素子（１ａ）を基材（３）に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、前記前工程は、前記半導体素子（１ａ）の接合面となる面上又は前記基材（３）の接合面となる面上に、第１の金属からなる第１金属層（４ａ）と、加熱した際に前記第１金属層（４ａ）と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層（５ａ）とを積層形成する金属層形成工程を備えており、前記後工程は、前記半導体素子（１ａ）の接合面となる面上又は前記基材（３）の接合面となる面上に積層形成した前記第１金属層（４ａ）と前記第２金属層（５ａ）とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層（４ａ）と前記第２金属層（５ａ）とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層（７ａ）にして溶融させる合金層溶融工程と、前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層（７ａ）を冷却固化して、前記合金層（７ａ）を介して前記半導体素子（１ａ）を前記基材（３）に接合する接合工程とを備えており、前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法である。
２）合金層（７ａ）を介して半導体素子（１ａ）を基材（３）に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、前記前工程は、前記半導体素子（１ａ）の接合面となる面上又は前記基材（３）の接合面となる面上に、第１の金属からなる第１金属層（４ａ）を積層形成する第１金属層形成工程と、前記基材（３）の接合面となる面上又は前記半導体素子（１ａ）の接合面となる面上に、加熱した際に前記第１金属層（４ａ）と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層（５ａ）を積層形成する第２金属層形成工程とを備えており、前記後工程は、前記半導体素子（１ａ）の接合面となる面上又は前記基材（３）の接合面となる面上に積層形成した前記第１金属層（４ａ）と前記第２金属層（５ａ）とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層（４ａ）と前記第２金属層（５ａ）とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層（７ａ）にして溶融させる合金層溶融工程と、前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層（７ａ）を冷却固化して、前記合金層（７ａ）を介して前記半導体素子（１ａ）を前記基材（３）に接合する接合工程とを備えており、前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法である。
３）合金層（７ｄ）を介して半導体素子（１ｄ）を基材（１３）に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、前記前工程は、前記半導体素子（１ｄ）の接合面となる面上及び前記基材（１３）の接合面となる面上にそれぞれ、第１の金属からなる第１金属層と、加熱した際に前記第１金属層と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層とを積層形成する金属層形成工程を備えており、前記後工程は、前記半導体素子（１ｄ）の接合面となる面上及び前記基材（１３）の接合面となる面上にそれぞれ積層形成した前記第１金属層と前記第２金属層とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層と前記第２金属層とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層（７ｄ）にして溶融させる合金層溶融工程と、前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層（７ｄ）を冷却固化して、前記合金層（７ｄ）を介して前記半導体素子（１ｄ）を前記基材（１３）に接合する接合工程とを備えており、前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法である。
４）合金層（７ｄ）を介して半導体素子（１ｄ）を基材（１３）に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、前記前工程は、前記基材（１３）の接合面となる面上に、第１の金属からなる第１金属層（１４）と、加熱した際に前記第１金属層（１４）と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層（１５）とを積層形成する第１金属層形成工程と、前記半導体素子（１ｄ）の接合面となる面上に、前記第２金属層（１２）を積層形成する第２金属層形成工程とを備えており、前記後工程は、前記基材（１３）の接合面となる面上に積層形成した前記第１金属層（１４）と前記第２金属層（１５）と、前記半導体素子の接合面となる面上に積層形成した前記第２金属層（１２）とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層（１４）と前記第２金属層（１２，１５）とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層（７ｄ）にして溶融させる合金層溶融工程と、前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層（７ｄ）を冷却固化して、前記合金層（７ｄ）を介して前記半導体素子（１ｄ）を前記基材（１３）に接合する接合工程とを備えており、前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法である。
５）前記第１金属層（４ａ，１２＋１４）及び前記第２金属層（５ａ，１４）の各厚さをｔ１及びｔ２、前記合金層（７ａ，７ｄ）における前記第１の金属の組成重量比率及び比重をｘ１及びｙ１、前記合金層（７ａ，７ｄ）における前記第２の金属の組成重量比率及び比重をｘ２及びｙ２とするとき、ｘ１／ｘ２＝（ｔ１×ｙ１）／(ｔ２×ｙ２)の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の素子の接合方法である。
６）前記第１金属層（４ａ，１２＋１４）の厚さｔ１及び前記第２金属層（５ａ，１４）の厚さｔ２の合計厚さｔ１＋ｔ２を、１〜４μｍの範囲内とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の素子の接合方法である。
７）前記第１の金属はＡｕ（金）またはＡｇ（銀）であり、前記第２の金属はＳｎ（錫）であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の素子の接合方法である。
１）合金層（７ａ）を介して半導体素子（１ａ）を基材（３）に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、前記前工程は、前記半導体素子（１ａ）の接合面となる面上又は前記基材（３）の接合面となる面上に、第１の金属からなる第１金属層（４ａ）と、加熱した際に前記第１金属層（４ａ）と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層（５ａ）とを積層形成する金属層形成工程を備えており、前記後工程は、前記半導体素子（１ａ）の接合面となる面上又は前記基材（３）の接合面となる面上に積層形成した前記第１金属層（４ａ）と前記第２金属層（５ａ）とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層（４ａ）と前記第２金属層（５ａ）とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層（７ａ）にして溶融させる合金層溶融工程と、前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層（７ａ）を冷却固化して、前記合金層（７ａ）を介して前記半導体素子（１ａ）を前記基材（３）に接合する接合工程とを備えており、前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法である。
２）合金層（７ａ）を介して半導体素子（１ａ）を基材（３）に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、前記前工程は、前記半導体素子（１ａ）の接合面となる面上又は前記基材（３）の接合面となる面上に、第１の金属からなる第１金属層（４ａ）を積層形成する第１金属層形成工程と、前記基材（３）の接合面となる面上又は前記半導体素子（１ａ）の接合面となる面上に、加熱した際に前記第１金属層（４ａ）と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層（５ａ）を積層形成する第２金属層形成工程とを備えており、前記後工程は、前記半導体素子（１ａ）の接合面となる面上又は前記基材（３）の接合面となる面上に積層形成した前記第１金属層（４ａ）と前記第２金属層（５ａ）とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層（４ａ）と前記第２金属層（５ａ）とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層（７ａ）にして溶融させる合金層溶融工程と、前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層（７ａ）を冷却固化して、前記合金層（７ａ）を介して前記半導体素子（１ａ）を前記基材（３）に接合する接合工程とを備えており、前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法である。
３）合金層（７ｄ）を介して半導体素子（１ｄ）を基材（１３）に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、前記前工程は、前記半導体素子（１ｄ）の接合面となる面上及び前記基材（１３）の接合面となる面上にそれぞれ、第１の金属からなる第１金属層と、加熱した際に前記第１金属層と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層とを積層形成する金属層形成工程を備えており、前記後工程は、前記半導体素子（１ｄ）の接合面となる面上及び前記基材（１３）の接合面となる面上にそれぞれ積層形成した前記第１金属層と前記第２金属層とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層と前記第２金属層とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層（７ｄ）にして溶融させる合金層溶融工程と、前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層（７ｄ）を冷却固化して、前記合金層（７ｄ）を介して前記半導体素子（１ｄ）を前記基材（１３）に接合する接合工程とを備えており、前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法である。
４）合金層（７ｄ）を介して半導体素子（１ｄ）を基材（１３）に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、前記前工程は、前記基材（１３）の接合面となる面上に、第１の金属からなる第１金属層（１４）と、加熱した際に前記第１金属層（１４）と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層（１５）とを積層形成する第１金属層形成工程と、前記半導体素子（１ｄ）の接合面となる面上に、前記第２金属層（１２）を積層形成する第２金属層形成工程とを備えており、前記後工程は、前記基材（１３）の接合面となる面上に積層形成した前記第１金属層（１４）と前記第２金属層（１５）と、前記半導体素子の接合面となる面上に積層形成した前記第２金属層（１２）とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層（１４）と前記第２金属層（１２，１５）とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層（７ｄ）にして溶融させる合金層溶融工程と、前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層（７ｄ）を冷却固化して、前記合金層（７ｄ）を介して前記半導体素子（１ｄ）を前記基材（１３）に接合する接合工程とを備えており、前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法である。
５）前記第１金属層（４ａ，１２＋１４）及び前記第２金属層（５ａ，１４）の各厚さをｔ１及びｔ２、前記合金層（７ａ，７ｄ）における前記第１の金属の組成重量比率及び比重をｘ１及びｙ１、前記合金層（７ａ，７ｄ）における前記第２の金属の組成重量比率及び比重をｘ２及びｙ２とするとき、ｘ１／ｘ２＝（ｔ１×ｙ１）／(ｔ２×ｙ２)の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の素子の接合方法である。
６）前記第１金属層（４ａ，１２＋１４）の厚さｔ１及び前記第２金属層（５ａ，１４）の厚さｔ２の合計厚さｔ１＋ｔ２を、１〜４μｍの範囲内とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の素子の接合方法である。
７）前記第１の金属はＡｕ（金）またはＡｇ（銀）であり、前記第２の金属はＳｎ（錫）であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の素子の接合方法である。
本発明によれば、素子の接合方法において、目的の組成比率を有する合金層が得られ、この合金層を介して素子を基材や他の素子に精度良く接合でき、高い接合強度が得られるという効果を奏する。
本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜図６を用いて説明する。
一般的に、素子を基材等に接合するための合金層の材料として、共晶組成を有する合金である、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％合金、及びＡｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％合金が用いられる。
以下に、これらの合金を用いた第１実施例〜第４実施例について、それぞれ順を追って説明する。
ここで、各実施例の各工程をわかりやすく区別するために、各工程名に、第１実施例ではＡを、第２実施例ではＢを、第３実施例ではＣを、第４実施例ではＤを付している。
また、第１実施例〜第３実施例における実施の形態がほぼ同じであるので、図１〜図３を兼用して、説明する。
一般的に、素子を基材等に接合するための合金層の材料として、共晶組成を有する合金である、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％合金、及びＡｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％合金が用いられる。
以下に、これらの合金を用いた第１実施例〜第４実施例について、それぞれ順を追って説明する。
ここで、各実施例の各工程をわかりやすく区別するために、各工程名に、第１実施例ではＡを、第２実施例ではＢを、第３実施例ではＣを、第４実施例ではＤを付している。
また、第１実施例〜第３実施例における実施の形態がほぼ同じであるので、図１〜図３を兼用して、説明する。
＜第１実施例＞
まず、第１実施例として、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金からなる合金層７ａを介して、素子１ａを基材３に接合する方法を、Ａ１工程〜Ａ３工程として、図１〜図３を用いて説明する。
図１は、本発明の素子の接合方法の第１実施例におけるＡ１工程を説明するための模式図であり、（ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。
図２及び図３は、本発明の素子の接合方法の第１実施例におけるＡ２工程及びＡ３工程を説明するための模式的断面図である。
まず、第１実施例として、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金からなる合金層７ａを介して、素子１ａを基材３に接合する方法を、Ａ１工程〜Ａ３工程として、図１〜図３を用いて説明する。
図１は、本発明の素子の接合方法の第１実施例におけるＡ１工程を説明するための模式図であり、（ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。
図２及び図３は、本発明の素子の接合方法の第１実施例におけるＡ２工程及びＡ３工程を説明するための模式的断面図である。
（Ａ１工程）［図１参照］
素子１ａがマトリクス状に複数形成されたウエハ２ａを準備する。第１実施例では、素子１ａの外形サイズは、約０．２５ｍｍ角である。また、ウエハ２ａは、直径が約８ｉｎｃｈ（約２０３．２ｍｍ）、厚さが約０．３ｍｍの円板である。
このウエハ２ａにおいて、後述する基材３と接合する面に、真空成膜法により、Ｓｎ（錫）層４ａ及びＡｕ(金)層５ａを順次積層する。
ここで、真空成膜法とは、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等を示す。
素子１ａがマトリクス状に複数形成されたウエハ２ａを準備する。第１実施例では、素子１ａの外形サイズは、約０．２５ｍｍ角である。また、ウエハ２ａは、直径が約８ｉｎｃｈ（約２０３．２ｍｍ）、厚さが約０．３ｍｍの円板である。
このウエハ２ａにおいて、後述する基材３と接合する面に、真空成膜法により、Ｓｎ（錫）層４ａ及びＡｕ(金)層５ａを順次積層する。
ここで、真空成膜法とは、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等を示す。
詳しくは、ウエハ２ａにおける後述する基材３と接合する面に、真空成膜法により、その厚さが約４００ｎｍになるようにＳｎ層４ａを成膜し、さらにこのＳｎ層４ａの表面に、その厚さが約６００ｎｍになるようにＡｕ層５ａを成膜する。このＳｎ層４ａ及びＡｕ層５ａは、真空成膜装置内における真空雰囲気中で連続して成膜される。
即ち、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａが成膜されたウエハ２ａを真空成膜装置から取り出す際、ウエハ２ａは大気に晒されるが、この大気中の酸素によって酸化されやすいＳｎ層４ａは酸化されにくいＡｕ層５ａにより覆われているため、このＡｕ層５ａは酸化防止膜として機能して、Ｓｎ層４ａが酸化されることを防止する。
このＳｎ層４ａ及びＡｕ層５ａは、ウエハ状態の複数の素子１ａに同時に形成されるので、生産性が良好である。
即ち、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａが成膜されたウエハ２ａを真空成膜装置から取り出す際、ウエハ２ａは大気に晒されるが、この大気中の酸素によって酸化されやすいＳｎ層４ａは酸化されにくいＡｕ層５ａにより覆われているため、このＡｕ層５ａは酸化防止膜として機能して、Ｓｎ層４ａが酸化されることを防止する。
このＳｎ層４ａ及びＡｕ層５ａは、ウエハ状態の複数の素子１ａに同時に形成されるので、生産性が良好である。
（Ａ２工程）［図２参照］
上述のＳｎ層４ａ及びＡｕ層５ａが形成されたウエハ２ａを、劈開，切断により分断して、複数の素子１ａを得る。
上述のＳｎ層４ａ及びＡｕ層５ａが形成されたウエハ２ａを、劈開，切断により分断して、複数の素子１ａを得る。
（Ａ３工程）［図３参照］
上述の素子１ａを、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａを介して、基材３に接触させる。
そして、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａを所定の温度で加熱することにより、このＳｎ層４ａとＡｕ層５ａとを相互に固相拡散させて、ＳｎとＡｕとの合金からなる合金層７ａにし、この合金層７ａを溶融させる。
第１実施例では、この加熱温度を２９０℃に設定した。その理由については、後で詳述する。
その後、加熱を止めることで合金層７ａの温度が下がって合金層７ａが固化することにより、素子１ａは合金層７ａを介して基材３に接合される。
また、この合金層７ａの厚さは約１μｍである。
上述の素子１ａを、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａを介して、基材３に接触させる。
そして、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａを所定の温度で加熱することにより、このＳｎ層４ａとＡｕ層５ａとを相互に固相拡散させて、ＳｎとＡｕとの合金からなる合金層７ａにし、この合金層７ａを溶融させる。
第１実施例では、この加熱温度を２９０℃に設定した。その理由については、後で詳述する。
その後、加熱を止めることで合金層７ａの温度が下がって合金層７ａが固化することにより、素子１ａは合金層７ａを介して基材３に接合される。
また、この合金層７ａの厚さは約１μｍである。
ここで、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａの各厚さと合金層７ａの合金組成との関係について、説明する。
第１実施例では、上述したように、Ｓｎ層４ａの厚さｔ１ａを約４００ｎｍに、Ａｕ層５ａの厚さｔ２ａを約６００ｎｍに設定した。即ち、Ｓｎ層４ａの厚さｔ１ａとＡｕ層５ａの厚さｔ２ａとの厚さ比率ｔ１ａ／ｔ２ａを、４０／６０に設定した。
また、周知のように、Ｓｎの密度ｄ１は約７．３ｇ／ｃｍ３であり、Ａｕの密度ｄ２は約１９．３ｇ／ｃｍ３である。
従って、同一面積Ｓ（ｃｍ２）におけるＳｎ層４ａの重さｗ１ａ、及びＡｕ層５ａの重さｗ２ａは、ｗ１ａ＝ｄ１×Ｓ×ｔ１ａ≒２．９Ｅ−４（ｇ：グラム）、及びｗ２ａ＝ｄ２×Ｓ×ｔ２ａ≒１１．６Ｅ−４（ｇ：グラム）となる。
よって、Ｓｎ層４ａの重さｗ１ａとＡｕ層５ａの重さｗ２ａとの重量比率ｗ１ａ／ｗ２ａは、約２０／８０となる。
第１実施例では、上述したように、Ｓｎ層４ａの厚さｔ１ａを約４００ｎｍに、Ａｕ層５ａの厚さｔ２ａを約６００ｎｍに設定した。即ち、Ｓｎ層４ａの厚さｔ１ａとＡｕ層５ａの厚さｔ２ａとの厚さ比率ｔ１ａ／ｔ２ａを、４０／６０に設定した。
また、周知のように、Ｓｎの密度ｄ１は約７．３ｇ／ｃｍ３であり、Ａｕの密度ｄ２は約１９．３ｇ／ｃｍ３である。
従って、同一面積Ｓ（ｃｍ２）におけるＳｎ層４ａの重さｗ１ａ、及びＡｕ層５ａの重さｗ２ａは、ｗ１ａ＝ｄ１×Ｓ×ｔ１ａ≒２．９Ｅ−４（ｇ：グラム）、及びｗ２ａ＝ｄ２×Ｓ×ｔ２ａ≒１１．６Ｅ−４（ｇ：グラム）となる。
よって、Ｓｎ層４ａの重さｗ１ａとＡｕ層５ａの重さｗ２ａとの重量比率ｗ１ａ／ｗ２ａは、約２０／８０となる。
そこで、合金層７ａの組成をＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy：Ｘ線光電子分光法）により定量分析した結果、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ａは、均一な組成になっていることを確認した。
次に、接合における加熱条件について、説明する。
合金層７ａとなる層は、融点が約２３２℃のＳｎからなるＳｎ層４ａと、融点が約１０６３℃のＡｕからなるＡｕ層５ａとにより構成されている。各融点は周知である。このため、素子１ａを基材３に接合させるためには、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａが共に溶融する温度、即ち、１０６３℃以上の温度が必要と推測される。
しかし、実際には、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａは、相互に固相拡散して合金化するので、これらの層４ａ，５ａが合金化した後の合金層７ａはその合金の融点で溶融する。
合金層７ａとなる層は、融点が約２３２℃のＳｎからなるＳｎ層４ａと、融点が約１０６３℃のＡｕからなるＡｕ層５ａとにより構成されている。各融点は周知である。このため、素子１ａを基材３に接合させるためには、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａが共に溶融する温度、即ち、１０６３℃以上の温度が必要と推測される。
しかし、実際には、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａは、相互に固相拡散して合金化するので、これらの層４ａ，５ａが合金化した後の合金層７ａはその合金の融点で溶融する。
そこで、発明者らが鋭意実験した結果、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａが相互に固相拡散する温度は、２１３℃以上であることが見出された。
また、上述したように、第１実施例の合金層７ａはＡｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなり、この合金の融点は周知のように約２８１℃なので、第１実施例では、加熱温度をこの融点よりも高い温度である２９０℃に設定した。
即ち、第１実施例は、この温度（２９０℃）により、まず、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａが相互に固相拡散して合金層７ａになると共に溶融し、その後、加熱を止めてこの合金層７ａを冷却することにより、この合金層７ａを介して素子１ａを基材３に接合させるものである。
また、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａを、固相拡散する温度以上の温度であり合金層７ａの融点未満の温度、例えば２２０℃に加熱して合金層７ａを形成し、この合金層７ａの組成をＸＰＳにより定量分析した結果、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ａは、均一な組成になっていることを確認した。
また、上述したように、第１実施例の合金層７ａはＡｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなり、この合金の融点は周知のように約２８１℃なので、第１実施例では、加熱温度をこの融点よりも高い温度である２９０℃に設定した。
即ち、第１実施例は、この温度（２９０℃）により、まず、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａが相互に固相拡散して合金層７ａになると共に溶融し、その後、加熱を止めてこの合金層７ａを冷却することにより、この合金層７ａを介して素子１ａを基材３に接合させるものである。
また、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａを、固相拡散する温度以上の温度であり合金層７ａの融点未満の温度、例えば２２０℃に加熱して合金層７ａを形成し、この合金層７ａの組成をＸＰＳにより定量分析した結果、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ａは、均一な組成になっていることを確認した。
従って、上述した結果から、Ｓｎ層４ａの厚さｔ１ａとＡｕ層５ａの厚さｔ２ａとの厚さ比率ｔ１ａ／ｔ２ａを４０／６０に設定し、Ｓｎ層４ａ及びＡｕ層５ａを相互に固相拡散する温度以上に加熱することによって
、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなる合金層７ａが得られることを確認した。
そして、発明者らが鋭意実験した結果、この厚さ比率ｔ１ａ／ｔ２ａが大きいほど、これに比例して、合金層７ａのＳｎの重量比率も大きいことを確認した。
、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなる合金層７ａが得られることを確認した。
そして、発明者らが鋭意実験した結果、この厚さ比率ｔ１ａ／ｔ２ａが大きいほど、これに比例して、合金層７ａのＳｎの重量比率も大きいことを確認した。
＜第２実施例＞
次に、第２実施例として、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％合金からなる合金層７ｂを介して、素子１ｂを基材３に接合する方法を、Ｂ１工程〜Ｂ３工程として、図１〜図３を用いて説明する。
図１は、本発明の素子の接合方法の第２実施例におけるＢ１工程を説明するための模式図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は断面図である。
図２及び図３は、本発明の素子の接合方法の第２実施例におけるＢ２工程及びＢ３工程を説明するための模式的断面図である。
次に、第２実施例として、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％合金からなる合金層７ｂを介して、素子１ｂを基材３に接合する方法を、Ｂ１工程〜Ｂ３工程として、図１〜図３を用いて説明する。
図１は、本発明の素子の接合方法の第２実施例におけるＢ１工程を説明するための模式図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は断面図である。
図２及び図３は、本発明の素子の接合方法の第２実施例におけるＢ２工程及びＢ３工程を説明するための模式的断面図である。
（Ｂ１工程）［図１参照］
素子１ｂがマトリクス状に複数形成されたウエハ２ｂを準備する。素子１ｂ及びウエハ２ｂの外形サイズは、第１実施例と同様である。
このウエハ２ｂにおいて、後述する基材３と接合する面に、真空成膜法により、Ｓｎ（錫）層４ｂ及びＡｕ（金）層５ｂを順次積層する。
素子１ｂがマトリクス状に複数形成されたウエハ２ｂを準備する。素子１ｂ及びウエハ２ｂの外形サイズは、第１実施例と同様である。
このウエハ２ｂにおいて、後述する基材３と接合する面に、真空成膜法により、Ｓｎ（錫）層４ｂ及びＡｕ（金）層５ｂを順次積層する。
詳しくは、ウエハ２ｂにおける後述する基材３と接合する面に、真空成膜法により、その厚さが約９６０ｎｍになるようにＳｎ層４ｂを成膜し、さらにこのＳｎ層４ｂの表面に、その厚さが約４０ｎｍになるようにＡｕ層５ｂを成膜する。このＳｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂは、真空成膜装置内における真空雰囲気中で連続して成膜される。
即ち、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂが成膜されたウエハ２ｂを真空成膜装置から取り出す際、ウエハ２ｂは大気に晒されるが、この大気中の酸素によって酸化されやすいＳｎ層４ｂは酸化されにくいＡｕ層５ｂにより覆われているため、このＡｕ層５ｂは酸化防止膜として機能して、Ｓｎ層４ｂが酸化されることを防止する。
このＳｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂは、ウエハ状態の複数の素子１ｂに同時に形成されるので、生産性が良好である。
即ち、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂが成膜されたウエハ２ｂを真空成膜装置から取り出す際、ウエハ２ｂは大気に晒されるが、この大気中の酸素によって酸化されやすいＳｎ層４ｂは酸化されにくいＡｕ層５ｂにより覆われているため、このＡｕ層５ｂは酸化防止膜として機能して、Ｓｎ層４ｂが酸化されることを防止する。
このＳｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂは、ウエハ状態の複数の素子１ｂに同時に形成されるので、生産性が良好である。
（Ｂ２工程）［図２参照］
上述のＳｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂが形成されたウエハ２ｂを、劈開，切断により分断して、複数の素子１ｂを得る。
上述のＳｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂが形成されたウエハ２ｂを、劈開，切断により分断して、複数の素子１ｂを得る。
（Ｂ３工程）［図３参照］
上述の素子１ｂを、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂを介して、基材３に接触させる。
そして、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂを所定の温度で加熱することにより、このＳｎ層４ｂとＡｕ層５ｂとを相互に固相拡散させて、ＳｎとＡｕとの合金からなる合金層７ｂにし、この合金層７ｂを溶融させる。
第２実施例では、この加熱温度を２２５℃に設定した。その理由については、後で詳述する。
その後、加熱を止めることで合金層７ｂの温度が下がって合金層７ｂが固化することにより、素子１ｂは合金層７ｂを介して基材３に接合される。
また、この合金層７ｂの厚さは約１μｍである。
上述の素子１ｂを、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂを介して、基材３に接触させる。
そして、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂを所定の温度で加熱することにより、このＳｎ層４ｂとＡｕ層５ｂとを相互に固相拡散させて、ＳｎとＡｕとの合金からなる合金層７ｂにし、この合金層７ｂを溶融させる。
第２実施例では、この加熱温度を２２５℃に設定した。その理由については、後で詳述する。
その後、加熱を止めることで合金層７ｂの温度が下がって合金層７ｂが固化することにより、素子１ｂは合金層７ｂを介して基材３に接合される。
また、この合金層７ｂの厚さは約１μｍである。
ここで、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂの各厚さと合金層７ｂの合金組成との関係について、説明する。
第２実施例では、上述したように、Ｓｎ層４ｂの厚さｔ１ｂを約９６０ｎｍに、Ａｕ層５ｂの厚さｔ２ｂを約４０ｎｍに設定した。即ち、Ｓｎ層４ｂの厚さｔ１ｂとＡｕ層５ｂの厚さｔ２ｂとの厚さ比率ｔ１ｂ／ｔ２ｂを、９６／４に設定した。
また、周知のように、Ｓｎの密度ｄ１は約７．３ｇ／ｃｍ３であり、Ａｕの密度ｄ２は約１９．３ｇ／ｃｍ３である。
従って、同一面積Ｓ（ｃｍ２）におけるＳｎ層４ｂの重さｗ１ｂ、及びＡｕ層５ｂの重さｗ２ｂは、ｗ１ｂ＝ｄ１×Ｓ×ｔ１ｂ≒７．０Ｅ−４（ｇ：グラム）、及びｗ２ｂ＝ｄ２×Ｓ×ｔ２ｂ≒０．７７Ｅ−４（ｇ：グラム）となる。
よって、Ｓｎ層４ｂの重さｗ１ｂとＡｕ層５ｂの重さｗ２ｂとの比率ｗ１ｂ／ｗ２ｂは、約９０／１０となる。
第２実施例では、上述したように、Ｓｎ層４ｂの厚さｔ１ｂを約９６０ｎｍに、Ａｕ層５ｂの厚さｔ２ｂを約４０ｎｍに設定した。即ち、Ｓｎ層４ｂの厚さｔ１ｂとＡｕ層５ｂの厚さｔ２ｂとの厚さ比率ｔ１ｂ／ｔ２ｂを、９６／４に設定した。
また、周知のように、Ｓｎの密度ｄ１は約７．３ｇ／ｃｍ３であり、Ａｕの密度ｄ２は約１９．３ｇ／ｃｍ３である。
従って、同一面積Ｓ（ｃｍ２）におけるＳｎ層４ｂの重さｗ１ｂ、及びＡｕ層５ｂの重さｗ２ｂは、ｗ１ｂ＝ｄ１×Ｓ×ｔ１ｂ≒７．０Ｅ−４（ｇ：グラム）、及びｗ２ｂ＝ｄ２×Ｓ×ｔ２ｂ≒０．７７Ｅ−４（ｇ：グラム）となる。
よって、Ｓｎ層４ｂの重さｗ１ｂとＡｕ層５ｂの重さｗ２ｂとの比率ｗ１ｂ／ｗ２ｂは、約９０／１０となる。
そこで、合金層７ｂの組成をＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy：Ｘ線光電子分光法）により定量分析した結果、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ｂは、均一な組成になっていることを確認した。
次に、接合における加熱条件について、説明する。
合金層７ｂとなる層は、融点が約２３２℃のＳｎからなるＳｎ層４ｂと、融点が約１０６３℃のＡｕからなるＡｕ層５ｂとにより構成されている。各融点は周知である。このため、素子１ｂを基材３に接合させるためには、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂが共に溶融する温度、即ち、１０６３℃以上の温度が必要と推測される。
しかし、実際には、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂは、相互に固相拡散して合金化するので、その合金の融点で溶融する。
合金層７ｂとなる層は、融点が約２３２℃のＳｎからなるＳｎ層４ｂと、融点が約１０６３℃のＡｕからなるＡｕ層５ｂとにより構成されている。各融点は周知である。このため、素子１ｂを基材３に接合させるためには、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂが共に溶融する温度、即ち、１０６３℃以上の温度が必要と推測される。
しかし、実際には、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂは、相互に固相拡散して合金化するので、その合金の融点で溶融する。
そこで、発明者らが鋭意実験した結果、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂが相互に固相拡散する温度は、２１３℃以上であることが見出された。
また、上述したように、第２実施例の合金層７ｂはＡｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％の合金からなり、この合金の融点は周知のように約２１７℃なので、第２実施例では、加熱温度をこの融点よりも高い温度である２２５℃に設定した。
即ち、第２実施例は、この温度（２２５℃）により、まず、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂが相互に固相拡散して合金層７ｂになると共に溶融し、その後、加熱を止めてこの合金層７ｂを冷却することにより、この合金層７ｂを介して素子１ｂを基材３に接合させるものである。
また、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂを、固相拡散する温度以上の温度であり合金層７ｂの融点未満の温度、例えば２１５℃に加熱して合金層７ｂを形成し、この合金層７ｂの組成をＸＰＳにより定量分析した結果、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ｂは、均一な組成になっていることを確認した。
また、上述したように、第２実施例の合金層７ｂはＡｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％の合金からなり、この合金の融点は周知のように約２１７℃なので、第２実施例では、加熱温度をこの融点よりも高い温度である２２５℃に設定した。
即ち、第２実施例は、この温度（２２５℃）により、まず、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂが相互に固相拡散して合金層７ｂになると共に溶融し、その後、加熱を止めてこの合金層７ｂを冷却することにより、この合金層７ｂを介して素子１ｂを基材３に接合させるものである。
また、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂを、固相拡散する温度以上の温度であり合金層７ｂの融点未満の温度、例えば２１５℃に加熱して合金層７ｂを形成し、この合金層７ｂの組成をＸＰＳにより定量分析した結果、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ｂは、均一な組成になっていることを確認した。
従って、上述した結果から、Ｓｎ層４ｂの厚さｔ１ｂとＡｕ層５ｂの厚さｔ２ｂとの厚さ比率ｔ１ｂ／ｔ２ｂを、９６／４に設定し、Ｓｎ層４ｂ及びＡｕ層５ｂを相互に固相拡散する温度以上に加熱することによって、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％の合金からなる合金層７ｂが得られることを確認した。
そして、発明者らが鋭意実験した結果、この厚さ比率ｔ１ｂ／ｔ２ｂが大きいほど、これに比例して、合金層７ｂのＳｎの重量比率も大きいことを確認した。
そして、発明者らが鋭意実験した結果、この厚さ比率ｔ１ｂ／ｔ２ｂが大きいほど、これに比例して、合金層７ｂのＳｎの重量比率も大きいことを確認した。
次に、第３実施例として、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％合金からなる合金層７ｃを介して、素子１ｃを基材３に接合する方法を、Ｃ１工程〜Ｃ３工程として、図１〜図３を用いて説明する。
図１は、本発明の素子の接合方法の第３実施例におけるＣ１工程を説明するための模式図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は断面図である。
図２及び図３は、本発明の素子の接合方法の第３実施例におけるＣ２工程及びＣ３工程を説明するための模式的断面図である。
図１は、本発明の素子の接合方法の第３実施例におけるＣ１工程を説明するための模式図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は断面図である。
図２及び図３は、本発明の素子の接合方法の第３実施例におけるＣ２工程及びＣ３工程を説明するための模式的断面図である。
（Ｃ１工程）［図１参照］
素子１ｃがマトリクス状に複数形成されたウエハ２ｃを準備する。素子１ｃ及びウエハ２ｃの外形サイズは、第１実施例と同様である。
このウエハ２ｃにおいて、後述する基材３と接合する面に、真空成膜法により、Ｓｎ（錫）層４ｃ及びＡｇ(銀)層９を順次積層する。
素子１ｃがマトリクス状に複数形成されたウエハ２ｃを準備する。素子１ｃ及びウエハ２ｃの外形サイズは、第１実施例と同様である。
このウエハ２ｃにおいて、後述する基材３と接合する面に、真空成膜法により、Ｓｎ（錫）層４ｃ及びＡｇ(銀)層９を順次積層する。
詳しくは、ウエハ２ｃにおける後述する基材３と接合する面に、真空成膜法により、その厚さが約９７５ｎｍになるようにＳｎ層４ｃを成膜し、さらにこのＳｎ層４ｃの表面に、その厚さが約２５ｎｍになるようにＡｇ層９を成膜する。このＳｎ層４ｃ及びＡｇ層９は、真空成膜装置内における真空雰囲気中で連続して成膜される。
このＳｎ層４ｃ及びＡｇ層９は、ウエハ状態の複数の素子１ｃに同時に形成されるので、生産性が良好である。
このＳｎ層４ｃ及びＡｇ層９は、ウエハ状態の複数の素子１ｃに同時に形成されるので、生産性が良好である。
（Ｃ２工程）［図２参照］
上述のＳｎ層４ｃ及びＡｇ層９が形成されたウエハ２ｃを、劈開，切断により分断して、複数の素子１ｃを得る。
上述のＳｎ層４ｃ及びＡｇ層９が形成されたウエハ２ｃを、劈開，切断により分断して、複数の素子１ｃを得る。
（Ｃ３工程）［図３参照］
上述の素子１ｃを、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９を介して、基材３に接触させる。
そして、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９を所定の温度で加熱することにより、このＳｎ層４ｃとＡｇ層９とを相互に固相拡散させて、ＳｎとＡｇとの合金からなる合金層７ｃにし、この合金層７ｃを溶融させる。
第３実施例では、この加熱温度を２２５℃に設定した。その理由については、後で詳述する。
その後、加熱を止めることで合金層７ｃの温度が下がって合金層７ｃが固化することにより、素子１ｃは合金層７ｃを介して基材３に接合される。
また、この合金層７ｃの厚さは約１μｍである。
上述の素子１ｃを、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９を介して、基材３に接触させる。
そして、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９を所定の温度で加熱することにより、このＳｎ層４ｃとＡｇ層９とを相互に固相拡散させて、ＳｎとＡｇとの合金からなる合金層７ｃにし、この合金層７ｃを溶融させる。
第３実施例では、この加熱温度を２２５℃に設定した。その理由については、後で詳述する。
その後、加熱を止めることで合金層７ｃの温度が下がって合金層７ｃが固化することにより、素子１ｃは合金層７ｃを介して基材３に接合される。
また、この合金層７ｃの厚さは約１μｍである。
ここで、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９の各厚さと合金層７ｃの合金組成との関係について、説明する。
第３実施例では、上述したように、Ｓｎ層４ｃの厚さｔ１ｃを約９７５ｎｍに、Ａｇ層９の厚さｔ３を約２５ｎｍに設定した。即ち、Ｓｎ層４ｃの厚さｔ１ｃとＡｇ層９の厚さｔ３との厚さ比率ｔ１ｃ／ｔ３を、９７５／２５に設定した。
また、周知のように、Ｓｎの密度ｄ１は約７．３ｇ／ｃｍ３であり、Ａｇの密度ｄ３は約１０．５ｇ／ｃｍ３である。
従って、同一面積Ｓ（ｃｍ２）におけるＳｎ層４ｃの重さｗ１ｃ、及びＡｇ層９の重さｗ３は、ｗ１ｃ＝ｄ１×Ｓ×ｔ１ｃ≒７．１Ｅ−４（ｇ：グラム）、ｗ３＝ｄ３×Ｓ×ｔ３≒０．２６Ｅ−４（ｇ：グラム）となる。
よって、Ｓｎ層４ｃの重さｗ１ｃとＡｇ層９の重さｗ３との比率ｗ１ｃ／ｗ３は、約９６．５／３．５となる。
第３実施例では、上述したように、Ｓｎ層４ｃの厚さｔ１ｃを約９７５ｎｍに、Ａｇ層９の厚さｔ３を約２５ｎｍに設定した。即ち、Ｓｎ層４ｃの厚さｔ１ｃとＡｇ層９の厚さｔ３との厚さ比率ｔ１ｃ／ｔ３を、９７５／２５に設定した。
また、周知のように、Ｓｎの密度ｄ１は約７．３ｇ／ｃｍ３であり、Ａｇの密度ｄ３は約１０．５ｇ／ｃｍ３である。
従って、同一面積Ｓ（ｃｍ２）におけるＳｎ層４ｃの重さｗ１ｃ、及びＡｇ層９の重さｗ３は、ｗ１ｃ＝ｄ１×Ｓ×ｔ１ｃ≒７．１Ｅ−４（ｇ：グラム）、ｗ３＝ｄ３×Ｓ×ｔ３≒０．２６Ｅ−４（ｇ：グラム）となる。
よって、Ｓｎ層４ｃの重さｗ１ｃとＡｇ層９の重さｗ３との比率ｗ１ｃ／ｗ３は、約９６．５／３．５となる。
そこで、合金層７ｃの組成をＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy：Ｘ線光電子分光法）により定量分析した結果、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ｃは、均一な組成になっていることを確認した。
次に、接合における加熱条件について、説明する。
合金層７ｃとなる層は、融点が約２３２℃のＳｎからなるＳｎ層４ｃと、融点が約９６１℃のＡｇからなるＡｇ層９とにより構成されている。各融点は周知である。このため、素子１ｃを基材３に接合させるためには、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９が共に溶融する温度、即ち、９６１℃以上の温度が必要と推測される。
しかし、実際には、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９は、相互に固相拡散して合金化するので、その合金の融点で溶融する。
合金層７ｃとなる層は、融点が約２３２℃のＳｎからなるＳｎ層４ｃと、融点が約９６１℃のＡｇからなるＡｇ層９とにより構成されている。各融点は周知である。このため、素子１ｃを基材３に接合させるためには、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９が共に溶融する温度、即ち、９６１℃以上の温度が必要と推測される。
しかし、実際には、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９は、相互に固相拡散して合金化するので、その合金の融点で溶融する。
そこで、発明者らが鋭意実験した結果、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９が相互に固相拡散する温度は、２１８℃以上であることが見出された。
また、上述したように、第３実施例の合金層７ｃはＡｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％の合金からなり、この合金の融点は周知のように約２２１℃なので、第３実施例では、加熱温度をこの融点よりも高い温度である２２５℃に設定した。
即ち、第３実施例は、この温度（２２５℃）により、まず、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９が相互に固相拡散して合金層７ｃとなると共に溶融し、その後、加熱を止めてこの合金層７ｃを冷却することにより、この合金層７ｃを介して素子１ｃを基材３に接合させるものである。
また、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９を、固相拡散する温度以上の温度であり合金層７ｂの融点未満の温度、例えば２１９℃に加熱して合金層７ｃを形成し、この合金層７ｃの組成をＸＰＳにより定量分析した結果、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ｃは、均一な組成になっていることを確認した。
また、上述したように、第３実施例の合金層７ｃはＡｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％の合金からなり、この合金の融点は周知のように約２２１℃なので、第３実施例では、加熱温度をこの融点よりも高い温度である２２５℃に設定した。
即ち、第３実施例は、この温度（２２５℃）により、まず、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９が相互に固相拡散して合金層７ｃとなると共に溶融し、その後、加熱を止めてこの合金層７ｃを冷却することにより、この合金層７ｃを介して素子１ｃを基材３に接合させるものである。
また、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９を、固相拡散する温度以上の温度であり合金層７ｂの融点未満の温度、例えば２１９℃に加熱して合金層７ｃを形成し、この合金層７ｃの組成をＸＰＳにより定量分析した結果、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ｃは、均一な組成になっていることを確認した。
従って、上述した結果から、Ｓｎ層４ｃの厚さｔ１ｃとＡｇ層９の厚さｔ３との厚さ比率ｔ１ｃ／ｔ３を、９７．５／２．５に設定し、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９を相互に固相拡散する温度以上に加熱することによって、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％の合金からなる合金層７ｃが得られることを確認した。
そして、発明者らが鋭意実験した結果、この厚さ比率ｔ１ｃ／ｔ３が大きいほど、これに比例して、合金層７ｃのＳｎの重量比率も大きいことを確認した。
そして、発明者らが鋭意実験した結果、この厚さ比率ｔ１ｃ／ｔ３が大きいほど、これに比例して、合金層７ｃのＳｎの重量比率も大きいことを確認した。
＜第４実施例＞
次に、第４実施例として、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金からなる合金層７ｄを介して、素子１ｄを基材１３に接合する方法をＤ１工程〜Ｄ３工程として、図４〜図６を用いて説明する。第４実施例では、合金層７ｄが、素子１ｄに形成された第１の接合層１６と、基材１３に形成された第２の接合層１７とからなることを特徴としている。
第１実施例〜第３実施例では、説明をわかりやすくするために、素子側のみにＳｎ層及びＡｕ層を形成し、基材側には金属層を形成しなかった。
しかしながら、実際は、基材の表面には、接合された素子に電源を供給するための配線パターン及び接続パッドが形成されている。即ち、この接続パッドとは、第２の接合層１７を示す。
従って、この第４実施例は、第１実施例〜第３実施例よりもより現実的な実施例である。
図４〜図６は、本発明の素子の接合方法の第４実施例におけるＤ１工程〜Ｄ３工程をそれぞれ説明するための模式図である。
次に、第４実施例として、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金からなる合金層７ｄを介して、素子１ｄを基材１３に接合する方法をＤ１工程〜Ｄ３工程として、図４〜図６を用いて説明する。第４実施例では、合金層７ｄが、素子１ｄに形成された第１の接合層１６と、基材１３に形成された第２の接合層１７とからなることを特徴としている。
第１実施例〜第３実施例では、説明をわかりやすくするために、素子側のみにＳｎ層及びＡｕ層を形成し、基材側には金属層を形成しなかった。
しかしながら、実際は、基材の表面には、接合された素子に電源を供給するための配線パターン及び接続パッドが形成されている。即ち、この接続パッドとは、第２の接合層１７を示す。
従って、この第４実施例は、第１実施例〜第３実施例よりもより現実的な実施例である。
図４〜図６は、本発明の素子の接合方法の第４実施例におけるＤ１工程〜Ｄ３工程をそれぞれ説明するための模式図である。
（Ｄ１工程）［図４参照］
その厚さが約３００ｎｍであるＡｕ(金)層１２からなる第１の接合層１６が形成された素子１ｄを準備する。このＡｕ層１２は、素子１ｄがマトリクス状に複数形成されたウエハに、真空成膜法を用いて形成される。第４実施例では、素子１ｄの外形サイズは、約０．２５ｍｍ角である。
その厚さが約３００ｎｍであるＡｕ(金)層１２からなる第１の接合層１６が形成された素子１ｄを準備する。このＡｕ層１２は、素子１ｄがマトリクス状に複数形成されたウエハに、真空成膜法を用いて形成される。第４実施例では、素子１ｄの外形サイズは、約０．２５ｍｍ角である。
（Ｄ２工程）［図５参照］
基材１３における素子１ｄと接合する面に、真空成膜法により、その厚さが約４００ｎｍになるようにＳｎ層１４を成膜し、さらにこのＳｎ層１４の表面に、その厚さが約３００ｎｍになるようにＡｕ層１５を成膜する。
このＡｕ層１５は酸化防止膜として機能して、Ｓｎ層１４が酸化されること防止する。
その後、素子１ｄの外形とほぼ同じ外形となるように、フォトリソ法を用いてＳｎ層１４及びＡｕ層１５からなる第２の接合層１７を形成する。
基材１３における素子１ｄと接合する面に、真空成膜法により、その厚さが約４００ｎｍになるようにＳｎ層１４を成膜し、さらにこのＳｎ層１４の表面に、その厚さが約３００ｎｍになるようにＡｕ層１５を成膜する。
このＡｕ層１５は酸化防止膜として機能して、Ｓｎ層１４が酸化されること防止する。
その後、素子１ｄの外形とほぼ同じ外形となるように、フォトリソ法を用いてＳｎ層１４及びＡｕ層１５からなる第２の接合層１７を形成する。
（Ｄ３工程）［図６参照］
素子１ｄを、第１の接合層１６の外形と第２の接合層１７の外形とが略一致するように、第１の接合層１６及び第２の接合層１７を介して、基材１３に接触させる。そして、第１の接合層１６及び第２の接合層１７を所定の温度で加熱することにより、この第１の接合層１６と第２の接合層１７とを相互に固相拡散させて、ＳｎとＡｕとの合金からなる合金層７ｄにし、この合金層７ｄを溶融させる。
第４実施例では、この加熱温度を２９０℃に設定した。その理由については、後で詳述する。
その後、加熱を止めることで合金層７ｄの温度が下がって合金層７ｄが固化することにより、素子１ｄは合金層７ｄを介して基材１３に接合される。
また、この合金層７ｄの厚さは約１μｍである。
素子１ｄを、第１の接合層１６の外形と第２の接合層１７の外形とが略一致するように、第１の接合層１６及び第２の接合層１７を介して、基材１３に接触させる。そして、第１の接合層１６及び第２の接合層１７を所定の温度で加熱することにより、この第１の接合層１６と第２の接合層１７とを相互に固相拡散させて、ＳｎとＡｕとの合金からなる合金層７ｄにし、この合金層７ｄを溶融させる。
第４実施例では、この加熱温度を２９０℃に設定した。その理由については、後で詳述する。
その後、加熱を止めることで合金層７ｄの温度が下がって合金層７ｄが固化することにより、素子１ｄは合金層７ｄを介して基材１３に接合される。
また、この合金層７ｄの厚さは約１μｍである。
ここで、第１の接合層１６であるＡｕ層１２、及び第２の接合層１７であるＳｎ層１４及びＡｕ層１５の各厚さと合金層７ｄの合金組成との関係について、説明する。
第４実施例では、上述したように、Ａｕ層１２の厚さｔ４ａを約３００ｎｍに、Ｓｎ層１４の厚さｔ１ｄを約４００ｎｍに、Ａｕ層１５の厚さｔ４ｂを約３００ｎｍに設定した。即ち、Ａｕ層１２，１５の合計の厚さ（ｔ４ａ＋ｔ４ｂ）とＳｎ層１４の厚さｔ１ｄとの厚さ比率（ｔ４ａ＋ｔ４ｂ）／ｔ１ｄを、６０／４０に設定した。
また、周知のように、Ａｕの密度ｄ２は約１９．３ｇ／ｃｍ３であり、Ｓｎの密度ｄ１は約７．３ｇ／ｃｍ３である。
従って、同一面積Ｓ（ｃｍ２）におけるＡｕ層１２，１５の合計の重さｗ２ｄ、及びＳｎ層１４の重さｗ１ｄは、ｗ２ｄ＝ｄ２×Ｓ×（ｔ４ａ＋ｔ４ｂ）≒１１．６Ｅ−４（ｇ：グラム）、及びｗ１ｄ＝ｄ１×Ｓ×ｔ１ｄ≒２．９Ｅ−４（ｇ：グラム）となる。
よって、Ａｕ層１２，１５の合計の重さｗ２ｄとＳｎ層１４の重さｗ１ｄとの比率ｗ２ｄ／ｗ１ｄは、約８０／２０となる。
第４実施例では、上述したように、Ａｕ層１２の厚さｔ４ａを約３００ｎｍに、Ｓｎ層１４の厚さｔ１ｄを約４００ｎｍに、Ａｕ層１５の厚さｔ４ｂを約３００ｎｍに設定した。即ち、Ａｕ層１２，１５の合計の厚さ（ｔ４ａ＋ｔ４ｂ）とＳｎ層１４の厚さｔ１ｄとの厚さ比率（ｔ４ａ＋ｔ４ｂ）／ｔ１ｄを、６０／４０に設定した。
また、周知のように、Ａｕの密度ｄ２は約１９．３ｇ／ｃｍ３であり、Ｓｎの密度ｄ１は約７．３ｇ／ｃｍ３である。
従って、同一面積Ｓ（ｃｍ２）におけるＡｕ層１２，１５の合計の重さｗ２ｄ、及びＳｎ層１４の重さｗ１ｄは、ｗ２ｄ＝ｄ２×Ｓ×（ｔ４ａ＋ｔ４ｂ）≒１１．６Ｅ−４（ｇ：グラム）、及びｗ１ｄ＝ｄ１×Ｓ×ｔ１ｄ≒２．９Ｅ−４（ｇ：グラム）となる。
よって、Ａｕ層１２，１５の合計の重さｗ２ｄとＳｎ層１４の重さｗ１ｄとの比率ｗ２ｄ／ｗ１ｄは、約８０／２０となる。
そこで、合金層７ｄの組成をＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy：Ｘ線光電子分光法）により定量分析した結果、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ｄは、均一な組成になっていることを確認した。
次に、接合における加熱条件について、説明する。
合金層７ｄとなる層は、融点が約１０６３℃のＡｕからなるＡｕ層１２，１５と、融点が約２３２℃のＳｎからなるＳｎ層１４とにより構成されている。各融点は周知である。このため、素子１ｄを基材１３に接合させるためには、Ａｕ層１２，１５及びＳｎ層１４が共に溶融する温度、即ち、１０６３℃以上の温度が必要と推測される。
しかし、実際には、Ａｕ層１２，１５及びＳｎ層１４は、相互に固相拡散して合金化するので、その合金の融点で溶融する。
合金層７ｄとなる層は、融点が約１０６３℃のＡｕからなるＡｕ層１２，１５と、融点が約２３２℃のＳｎからなるＳｎ層１４とにより構成されている。各融点は周知である。このため、素子１ｄを基材１３に接合させるためには、Ａｕ層１２，１５及びＳｎ層１４が共に溶融する温度、即ち、１０６３℃以上の温度が必要と推測される。
しかし、実際には、Ａｕ層１２，１５及びＳｎ層１４は、相互に固相拡散して合金化するので、その合金の融点で溶融する。
そこで、発明者らが鋭意実験した結果、Ａｕ層１２，１５及びＳｎ層１４が相互に固相拡散する温度は、２１３℃以上であることが見出された。
また、上述したように、第４実施例の合金層７ｄはＡｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなり、この合金の融点は周知のように約２８１℃なので、第４実施例では、加熱温度をこの融点よりも高い温度である２９０℃に設定した。
即ち、第４実施例は、この温度(２９０℃)により、まず、Ａｕ層１２，１５及びＳｎ層１４が相互に固相拡散して合金層７ｄになると共に溶融し、その後、加熱を止めてこの合金層７ｄを冷却することにより、この合金層７ｄを介して素子１ｄを基材１３に接合させるものである。
また、Ａｕ層１２，１５及びＳｎ層１４を固相拡散する温度以上の温度であり合金層７ｄの融点未満の温度、例えば２２０℃に加熱して合金層７ｄを形成し、この合金層７ａの組成をＸＰＳにより定量分析した結果、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ａは、均一な組成になっていることを確認した。
また、上述したように、第４実施例の合金層７ｄはＡｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなり、この合金の融点は周知のように約２８１℃なので、第４実施例では、加熱温度をこの融点よりも高い温度である２９０℃に設定した。
即ち、第４実施例は、この温度(２９０℃)により、まず、Ａｕ層１２，１５及びＳｎ層１４が相互に固相拡散して合金層７ｄになると共に溶融し、その後、加熱を止めてこの合金層７ｄを冷却することにより、この合金層７ｄを介して素子１ｄを基材１３に接合させるものである。
また、Ａｕ層１２，１５及びＳｎ層１４を固相拡散する温度以上の温度であり合金層７ｄの融点未満の温度、例えば２２０℃に加熱して合金層７ｄを形成し、この合金層７ａの組成をＸＰＳにより定量分析した結果、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金であることを確認した。また、この合金層７ａは、均一な組成になっていることを確認した。
従って、上述した結果から、Ａｕ層１２，１５の合計の厚さ（ｔ４ａ＋ｔ４ｂ）とＳｎ層１４の厚さｔ１ｄとの厚さ比率（ｔ４ａ＋ｔ４ｂ）／ｔ１ｄを、６０／４０に設定し、Ａｕ層１２，１５及びＳｎ層１４を相互に固相拡散する温度以上に加熱することによって、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなる合金層７ｄが得られることを確認した。
そして、発明者らが鋭意実験した結果、この厚さ比率（ｔ４ａ＋ｔ４ｂ）／ｔ１ｄが大きいほど、これに比例して、合金層７ｄのＡｕの重量比率も大きいことを確認した。
そして、発明者らが鋭意実験した結果、この厚さ比率（ｔ４ａ＋ｔ４ｂ）／ｔ１ｄが大きいほど、これに比例して、合金層７ｄのＡｕの重量比率も大きいことを確認した。
＜変形例＞
次に、変形例として、素子２１を素子３１に接合し、さらにこの素子３１を基材４３に接合する方法を、Ｅ１工程〜Ｅ５工程として、図７〜図１１を用いて説明する。
図７〜図１１は、変形例におけるＥ１工程〜Ｅ５工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
次に、変形例として、素子２１を素子３１に接合し、さらにこの素子３１を基材４３に接合する方法を、Ｅ１工程〜Ｅ５工程として、図７〜図１１を用いて説明する。
図７〜図１１は、変形例におけるＥ１工程〜Ｅ５工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
（Ｅ１工程）［図７参照］
その厚さが約３００ｎｍであるＡｕ(金)層２２からなる第１の接合層２３が形成された素子２１を準備する。このＡｕ層２２は、素子２１がマトリクス状に複数形成されたウエハに、真空成膜法を用いて形成される。変形例では、素子２１の外形サイズは、約０．２５ｍｍ角である。
その厚さが約３００ｎｍであるＡｕ(金)層２２からなる第１の接合層２３が形成された素子２１を準備する。このＡｕ層２２は、素子２１がマトリクス状に複数形成されたウエハに、真空成膜法を用いて形成される。変形例では、素子２１の外形サイズは、約０．２５ｍｍ角である。
（Ｅ２工程）［図８参照］
一面に厚さが約４００ｎｍのＳｎ(錫)層３２と厚さが約３００ｎｍのＡｕ(金)層３３ａとからなる第２の接合層３４ａが形成され、この一面に対して反対側の面に、厚さが約２０ｎｍのＡｕ層３３ｂからなる第３の接合層３４ｂが形成された素子３１を準備する。
このＳｎ(錫)層３２、及びＡｕ層３３ａ，３３ｂは、素子３１がマトリクス状に複数形成されたウエハに、真空成膜法を用いて順次形成される。
変形例では、素子３１の外形サイズは、約０．２５ｍｍ角である。
一面に厚さが約４００ｎｍのＳｎ(錫)層３２と厚さが約３００ｎｍのＡｕ(金)層３３ａとからなる第２の接合層３４ａが形成され、この一面に対して反対側の面に、厚さが約２０ｎｍのＡｕ層３３ｂからなる第３の接合層３４ｂが形成された素子３１を準備する。
このＳｎ(錫)層３２、及びＡｕ層３３ａ，３３ｂは、素子３１がマトリクス状に複数形成されたウエハに、真空成膜法を用いて順次形成される。
変形例では、素子３１の外形サイズは、約０．２５ｍｍ角である。
（Ｅ３工程）［図９参照］
上述の第１の接合層２３が形成された素子２１を、第１の接合層２３及び第２の接合層３４ａを介して、上述の第２の接合層３４ａ及び第３の接合層３４ｂが形成された素子３１に接触させる。そして、第１の接合層２３及び第２の接合層３４ａを所定の温度で加熱することにより、この第１の接合層２３と第２の接合層３４ａとを相互に固相拡散させて、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなる合金層３７ａを形成し、この合金層３７ａを溶融させる。
変形例では、この加熱温度を２９０℃に設定した。
その後、加熱を止めることで合金層３７ａの温度が下がって合金層３７ａが固化することにより、素子２１は合金層３７ａを介して素子３１に接合される。
また、この合金層３７ａの厚さは約１μｍである。
この合金層３７ａがＡｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなる理由、及び加熱温度を２９０℃に設定した理由については、第４実施例で説明した理由と同じである。
上述の第１の接合層２３が形成された素子２１を、第１の接合層２３及び第２の接合層３４ａを介して、上述の第２の接合層３４ａ及び第３の接合層３４ｂが形成された素子３１に接触させる。そして、第１の接合層２３及び第２の接合層３４ａを所定の温度で加熱することにより、この第１の接合層２３と第２の接合層３４ａとを相互に固相拡散させて、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなる合金層３７ａを形成し、この合金層３７ａを溶融させる。
変形例では、この加熱温度を２９０℃に設定した。
その後、加熱を止めることで合金層３７ａの温度が下がって合金層３７ａが固化することにより、素子２１は合金層３７ａを介して素子３１に接合される。
また、この合金層３７ａの厚さは約１μｍである。
この合金層３７ａがＡｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の合金からなる理由、及び加熱温度を２９０℃に設定した理由については、第４実施例で説明した理由と同じである。
（Ｅ４工程）［図１０及び図１１参照］
図１０に示すように、基材４３の素子３１を接合する面に、真空成膜法により、その厚さが約９６０ｎｍになるようにＳｎ層４２を成膜し、さらにこのＳｎ層４２の表面に、その厚さが約２０ｎｍになるようにＡｕ層４３を成膜する。
その後、素子３１の外形（変形例では約０．２５ｍｍ角）とほぼ同じ外形となるように、フォトリソ法を用いてＳｎ層４２及びＡｕ層４３からなる第４の接合層４５を形成する。
図１０に示すように、基材４３の素子３１を接合する面に、真空成膜法により、その厚さが約９６０ｎｍになるようにＳｎ層４２を成膜し、さらにこのＳｎ層４２の表面に、その厚さが約２０ｎｍになるようにＡｕ層４３を成膜する。
その後、素子３１の外形（変形例では約０．２５ｍｍ角）とほぼ同じ外形となるように、フォトリソ法を用いてＳｎ層４２及びＡｕ層４３からなる第４の接合層４５を形成する。
次に、図１１に示すように、上述のＥ３工程を経た素子３１を、第３の接合層３４ｂの外形と第４の接合層４５の外形とが略一致するように、第３の接合層３４ｂ及び第４の接合層４５を介して、上述の基材４３に接触させる。そして、第３の接合層３４ｂ及び第４の接合層４５を所定の温度で加熱することにより、この第３の接合層３４ｂと第４の接合層４５とを相互に固相拡散させて、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％の合金からなる合金層３７ｂにし、この合金層３７ｂを溶融させる。なお、合金層３７ｂがＡｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％の合金からなる理由は、第２実施例及び第４実施例で説明した理由により説明される。
また、この加熱温度は、合金層３７ｂの融点(約２１７℃)以上の温度であって、かつ、合金層３７ａが溶融しない温度(即ち、合金層３７ａの融点：約２８１℃)未満の温度である。
即ち、この温度範囲（合金層３７ｂの融点以上であり合金層３７ａの融点未満である温度範囲）になるように加熱温度を設定することによって、合金層３７ａを溶融させることなく、合金層３７ｂのみを溶融させることが可能である。
また、合金層３７ｂを溶融させる際、加熱温度が上述した温度範囲よりも高いと、合金層３７ａも溶融するので、この溶融によって、素子２１と素子３１とが相互にずれる場合がある。この場合、素子２１と素子３１と接合面積が減少するため、素子２１と素子３１と接合強度が悪化するという問題が発生する。
そこで、変形例では、この加熱温度を２２５℃に設定した。
その後、加熱を止めることで合金層３７ｂの温度が下がって合金層３７ｂが固化することにより、素子３１は合金層３７ａ及び合金層３７ｂを介して基材４３に接合される。
また、この合金層３７ｂの厚さは約１μｍである。
即ち、この温度範囲（合金層３７ｂの融点以上であり合金層３７ａの融点未満である温度範囲）になるように加熱温度を設定することによって、合金層３７ａを溶融させることなく、合金層３７ｂのみを溶融させることが可能である。
また、合金層３７ｂを溶融させる際、加熱温度が上述した温度範囲よりも高いと、合金層３７ａも溶融するので、この溶融によって、素子２１と素子３１とが相互にずれる場合がある。この場合、素子２１と素子３１と接合面積が減少するため、素子２１と素子３１と接合強度が悪化するという問題が発生する。
そこで、変形例では、この加熱温度を２２５℃に設定した。
その後、加熱を止めることで合金層３７ｂの温度が下がって合金層３７ｂが固化することにより、素子３１は合金層３７ａ及び合金層３７ｂを介して基材４３に接合される。
また、この合金層３７ｂの厚さは約１μｍである。
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。
例えば、第１実施例乃至第４実施例、及び変形例では、合金層７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，３７ａ，３７ｂを、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％合金、及びＡｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％合金のいずれかにより構成したが、これらの組成比率に限定されるものではない。
合金層がＡｕ−Ｓｎ合金からなる場合、Ａｕ層とＳｎ層とを、同一面積において所定の厚さ比率になるように成膜することによって、所定の重量比率を有するＡｕ−Ｓｎ合金からなる合金層を得ることができる。
即ち、Ａｕ層に対するＳｎ層の厚さ比率を大きくすれば、この厚さ比率に比例して、Ａｕ−Ｓｎ合金のＳｎの重量比率は大きくなる。
また、接合層がＡｇ−Ｓｎ合金からなる場合についても同様である。
合金層がＡｕ−Ｓｎ合金からなる場合、Ａｕ層とＳｎ層とを、同一面積において所定の厚さ比率になるように成膜することによって、所定の重量比率を有するＡｕ−Ｓｎ合金からなる合金層を得ることができる。
即ち、Ａｕ層に対するＳｎ層の厚さ比率を大きくすれば、この厚さ比率に比例して、Ａｕ−Ｓｎ合金のＳｎの重量比率は大きくなる。
また、接合層がＡｇ−Ｓｎ合金からなる場合についても同様である。
また、第１実施例では、合金層７ａの組成をＡｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％とし、Ｓｎ層４ａの厚さｔ１ａとＡｕ層５ａの厚さｔ２ａとの厚さ比率ｔ１ａ／ｔ２ａを４０／６０に設定したが、これに限定されるものではない。
発明者らが鋭意実験した結果、Ｓｎ層４ａの厚さｔ１ａとＡｕ層５ａの厚さｔ２ａとの厚さ比率ｔ１ａ／ｔ２ａを、５９／４１〜３２／６８の範囲内、即ち、合金層７ａのＡｕの組成比率が６５〜８５重量％の範囲内であれば、このＡｕ−Ｓｎ合金は、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金と結果的に同様の溶融が得られることが確認されている。
発明者らが鋭意実験した結果、Ｓｎ層４ａの厚さｔ１ａとＡｕ層５ａの厚さｔ２ａとの厚さ比率ｔ１ａ／ｔ２ａを、５９／４１〜３２／６８の範囲内、即ち、合金層７ａのＡｕの組成比率が６５〜８５重量％の範囲内であれば、このＡｕ−Ｓｎ合金は、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金と結果的に同様の溶融が得られることが確認されている。
また、第２実施例では、合金層７ｂの組成をＡｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％とし、Ｓｎ層４ｂの厚さｔ１ｂとＡｕ層５ｂの厚さｔ２ｂとの厚さ比率ｔ１ｂ／ｔ２ｂを９６／４に設定したが、これに限定されるものではない。
発明者らが鋭意実験した結果、Ｓｎ層４ｂの厚さｔ１ｂとＡｕ層５ｂの厚さｔ２ｂとの厚さ比率ｔ１ｂ／ｔ２ｂを９３．２／６．８〜９４．５／５．５の範囲内、即ち、合金層７ｂのＡｕの組成比率が６．８〜１３．４重量％の範囲内であれば、このＡｕ−Ｓｎ合金は、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％合金と同様の溶融が得られることが確認されている。
発明者らが鋭意実験した結果、Ｓｎ層４ｂの厚さｔ１ｂとＡｕ層５ｂの厚さｔ２ｂとの厚さ比率ｔ１ｂ／ｔ２ｂを９３．２／６．８〜９４．５／５．５の範囲内、即ち、合金層７ｂのＡｕの組成比率が６．８〜１３．４重量％の範囲内であれば、このＡｕ−Ｓｎ合金は、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％合金と同様の溶融が得られることが確認されている。
また、第３実施例では、合金層７ｃの組成をＡｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％とし、Ｓｎ層４ｃの厚さｔ１ｃとＡｇ層９の厚さｔ３との厚さ比率ｔ１ｃ／ｔ３を、９７５／２５に設定したが、これに限定されるものではない。
発明者らが鋭意実験した結果、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％とし、Ｓｎ層４ｃの厚さｔ１ｃとＡｇ層９の厚さｔ３との厚さ比率ｔ１ｃ／ｔ３を９８．６／１．４〜９５．７／４．３の範囲内、即ち、合金層７ｃのＡｇの組成比率が２〜６重量％の範囲内であれば、このＡｇ−Ｓｎ合金は、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％合金と同様の溶融が得られることが確認されている。
発明者らが鋭意実験した結果、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％とし、Ｓｎ層４ｃの厚さｔ１ｃとＡｇ層９の厚さｔ３との厚さ比率ｔ１ｃ／ｔ３を９８．６／１．４〜９５．７／４．３の範囲内、即ち、合金層７ｃのＡｇの組成比率が２〜６重量％の範囲内であれば、このＡｇ−Ｓｎ合金は、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％合金と同様の溶融が得られることが確認されている。
第１実施例乃至第４実施例、及び変形例では、合金層７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，３７ａ，３７ｂそれぞれを形成するための層の厚さの合計が約１μｍになるように設定したが、これに限定されるものではない。
ここで、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が４μｍの場合と、１０μｍの場合とにおいて、Ａｕ層及びＳｎ層を２１７℃に加熱して相互に固相拡散させて、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金からなる合金層をそれぞれ形成した。
そして、この各合金層の組成をＸＰＳにより分析した結果を、図１２に示す。
図１２（ａ）は、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が４μｍの場合における、厚さ方向に対するＡｕとＳｎとの組成比率の変化を表したグラフである。また、図１２（ｂ）は、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が１０μｍの場合における、厚さ方向に対するＡｕとＳｎとの組成比率の変化を表したグラフである。
図１２（ａ）より、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が４μｍの場合では、ＡｕとＳｎとの組成比率が厚さ方向に対してほぼ均一である。このことから、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が４μｍの場合では、ＡｕとＳｎとが十分に固相拡散されている合金層が得られていることがわかる。
また、発明者らが鋭意実験した結果から、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が４μｍ以下の範囲であれば、ＡｕとＳｎとが十分に固相拡散されることを確認している。
図１２（ａ）は、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が４μｍの場合における、厚さ方向に対するＡｕとＳｎとの組成比率の変化を表したグラフである。また、図１２（ｂ）は、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が１０μｍの場合における、厚さ方向に対するＡｕとＳｎとの組成比率の変化を表したグラフである。
図１２（ａ）より、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が４μｍの場合では、ＡｕとＳｎとの組成比率が厚さ方向に対してほぼ均一である。このことから、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が４μｍの場合では、ＡｕとＳｎとが十分に固相拡散されている合金層が得られていることがわかる。
また、発明者らが鋭意実験した結果から、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が４μｍ以下の範囲であれば、ＡｕとＳｎとが十分に固相拡散されることを確認している。
一方、図１２（ｂ）より、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が１０μｍの場合では、ＡｕとＳｎとの組成比率が厚さ方向に対して徐々に変化している。このことから、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が１０μｍの場合では、得られた合金層はＡｕとＳｎとが十分に固相拡散されていないものであると判断できる。
ＡｕとＳｎとが十分に固相拡散されていない合金層は、層自体の機械的強度が低いため、このような合金層を介して素子と基材とを接合すると、その接合強度は低くなってしまう。
また、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が１μｍ未満の場合は、得られた合金層自体の強度が低下する。
よって、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金からなり、組成の均一な合金層を得るためには、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計を１〜４μｍの範囲内に設定することが好ましい。
ＡｕとＳｎとが十分に固相拡散されていない合金層は、層自体の機械的強度が低いため、このような合金層を介して素子と基材とを接合すると、その接合強度は低くなってしまう。
また、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が１μｍ未満の場合は、得られた合金層自体の強度が低下する。
よって、Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％合金からなり、組成の均一な合金層を得るためには、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計を１〜４μｍの範囲内に設定することが好ましい。
また、第２実施例と同様にして、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％合金からなる合金層についても、同様の実験を行った結果、この合金層の厚さが４μｍ以下の範囲であれば、ＡｕとＳｎとが十分固相拡散されることを確認している。
また、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が１μｍ未満の場合は、得られた合金層自体の強度が低下する。
よって、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％合金からなり、組成の均一な合金層を形成するためには、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計を１〜４μｍの範囲内に設定することが好ましい。
また、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計が１μｍ未満の場合は、得られた合金層自体の強度が低下する。
よって、Ａｕ１０重量％−Ｓｎ９０重量％合金からなり、組成の均一な合金層を形成するためには、Ａｕ層及びＳｎ層の厚さの合計を１〜４μｍの範囲内に設定することが好ましい。
次に、第３実施例と同様にして、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％合金からなり、その厚さが４μｍである合金層を作製した。この合金層を形成するための加熱温度は２２０℃である。
この合金層の組成をＸＰＳにより分析した結果を図１３に示す。図１３は、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％合金からなり、その厚さが４μｍである合金層の厚さ方向に対するＡｇとＳｎとの組成比率の変化を表したグラフである。
図１３より、この合金層は、ＡｇとＳｎとの組成比率が厚さ方向に対してほぼ均一である。このことから、この合金層では、ＡｇとＳｎとが十分固相拡散されていると判断できる。
また、発明者らが鋭意実験した結果から、この合金層の厚さが４μｍ以下の範囲であれば、ＡｇとＳｎとが十分固相拡散されることを確認している。
また、Ａｇ層及びＳｎ層の厚さの合計が１μｍ未満の場合は、得られた合金層自体の強度が低下する。
よって、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％合金からなり、組成の均一な合金層を形成するためには、Ａｇ層及びＳｎ層の厚さの合計を１〜４μｍの範囲内に設定することが好ましい。
図１３より、この合金層は、ＡｇとＳｎとの組成比率が厚さ方向に対してほぼ均一である。このことから、この合金層では、ＡｇとＳｎとが十分固相拡散されていると判断できる。
また、発明者らが鋭意実験した結果から、この合金層の厚さが４μｍ以下の範囲であれば、ＡｇとＳｎとが十分固相拡散されることを確認している。
また、Ａｇ層及びＳｎ層の厚さの合計が１μｍ未満の場合は、得られた合金層自体の強度が低下する。
よって、Ａｇ３．５重量％−Ｓｎ９６．５重量％合金からなり、組成の均一な合金層を形成するためには、Ａｇ層及びＳｎ層の厚さの合計を１〜４μｍの範囲内に設定することが好ましい。
また、第４実施例及び変形例では、素子及び基材の各接合層の面積を略同じにしたが、これに限定されるものではない。例えば、素子及び基材の各接合層の面積及び組成が異なる場合、各接合層を接触させて加熱した際、各接合層はその面に対して直交方向に相互に固相拡散するが、同時にその面に対して平行方向にも固相拡散する。しかし、実際には、図１２を用いて説明した理由により、平行方向への固相拡散する距離も約１０μｍ以下である。一方、接合層の外形サイズは実施例では約０．２５ｍｍ角、即ち、２５０μｍ角であり、平行方向への固相拡散による合金層の組成比のずれはほとんど無視できる。
また、第１実施例乃至第４実施例、及び変形例では、Ｓｎ層を形成した後に、Ａｕ層またはＡｇ層を形成したが、形成する順序はこれに限定されるものではない。但し、Ａｕ層を形成した後にこのＡｕ層上にＳｎ層を形成する場合は、表層であるＳｎ層が酸化しやすいため、注意が必要である。
また、第１実施例乃至第３実施例において、素子１ａ，１ｂ，１ｃに形成されたＳｎ層４ａ，４ｂ及びＡｕ層５ａ，５ｂ、または、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９を、所定の温度に加熱して、相互に固相拡散させて合金化させて各合金層を形成した後に、素子１ａ，１ｂ，１ｃをこの合金層を介して基材３に接合しても良い。
また、第１実施例乃至第３実施例において、素子１ａ，１ｂ，１ｃではなく基材３にＳｎ層４ａ，４ｂ及びＡｕ層５ａ，５ｂ、または、Ｓｎ層４ｃ及びＡｇ層９を形成しても良い。
また、第１実施例乃至第３実施例において、素子１ａ，１ｂ，１ｃにＳｎ層４ａ，４ｂ，４ｃを形成し、基材３にＡｕ層５ａ，５ｂ、Ａｇ層９を形成しても良い。逆に、素子１ａ，１ｂ，１ｃにＡｕ層５ａ，５ｂ、Ａｇ層９を形成し、基材３にＳｎ層４ａ，４ｂ，４ｃを形成しても良い。
また、第４実施例において、素子１ｄにＳｎ層１４及びＡｕ層１５を形成し、基材１３にＡｕ層１２を形成しても良い。
また、第４実施例において、素子１ｄ及び基材１３の両方に、Ｓｎ層及びＡｕ層の両方を形成しても良い。
本発明に係る素子の接合方法は、動作時の発熱量が大きい半導体レーザ素子を基材上の受光素子などに接合する光ピックアップ装置や、同半導体レーザ素子をステムなどに接合する半導体レーザ装置などに対して、非常に有効である。
この場合、例えば、半導体レーザ素子は素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，２１に相当し、受光素子は素子３１に相当し、基材及びステムは基材３，１３，４３に相当する。
この場合、例えば、半導体レーザ素子は素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，２１に相当し、受光素子は素子３１に相当し、基材及びステムは基材３，１３，４３に相当する。
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，２１，３１ 素子 、 ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ ウエハ 、 ３，１３，４３ 基材 、 ４ａ，４ｂ，４ｃ，１４，３２，４２ Ｓｎ層 、 ５ａ，５ｂ，１２，１５，２２，３３ａ，３３ｂ，４３ Ａｕ層 、 ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，３７ａ，３７ｂ 合金層 、 ９ Ａｇ層 、 １６，１７，２３，３４ａ，３４ｂ，４５ 接合層 、 ｄ１，ｄ２，ｄ３ 密度 、 Ｓ 面積 、 ｔ１ａ，ｔ１ｂ，ｔ１ｃ，ｔ１ｄ，ｔ２ａ，ｔ２ｂ，ｔ３，ｔ４ａ，ｔ４ｂ 厚さ 、 ｗ１ａ，ｗ１ｂ，ｗ１ｃ，ｗ１ｄ，ｗ２ａ，ｗ２ｂ，ｗ２ｄ，ｗ３ 重さ
Claims (7)
- 合金層を介して半導体素子を基材に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、
前記前工程は、
前記半導体素子の接合面となる面上又は前記基材の接合面となる面上に、第１の金属からなる第１金属層と、加熱した際に前記第１金属層と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層とを積層形成する金属層形成工程を備えており、
前記後工程は、
前記半導体素子の接合面となる面上又は前記基材の接合面となる面上に積層形成した前記第１金属層と前記第２金属層とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層と前記第２金属層とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層にして溶融させる合金層溶融工程と、
前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層を冷却固化して、前記合金層を介して前記半導体素子を前記基材に接合する接合工程とを備えており、
前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法。 - 合金層を介して半導体素子を基材に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、
前記前工程は、
前記半導体素子の接合面となる面上又は前記基材の接合面となる面上に、第１の金属からなる第１金属層を積層形成する第１金属層形成工程と、
前記基材の接合面となる面上又は前記半導体素子の接合面となる面上に、加熱した際に前記第１金属層と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層を積層形成する第２金属層形成工程とを備えており、
前記後工程は、
前記半導体素子の接合面となる面上又は前記基材の接合面となる面上に積層形成した前記第１金属層と前記第２金属層とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層と前記第２金属層とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層にして溶融させる合金層溶融工程と、
前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層を冷却固化して、前記合金層を介して前記半導体素子を前記基材に接合する接合工程とを備えており、
前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法。 - 合金層を介して半導体素子を基材に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、
前記前工程は、
前記半導体素子の接合面となる面上及び前記基材の接合面となる面上にそれぞれ、第１の金属からなる第１金属層と、加熱した際に前記第１金属層と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層とを積層形成する金属層形成工程を備えており、
前記後工程は、
前記半導体素子の接合面となる面上及び前記基材の接合面となる面上にそれぞれ積層形成した前記第１金属層と前記第２金属層とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層と前記第２金属層とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層にして溶融させる合金層溶融工程と、
前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層を冷却固化して、前記合金層を介して前記半導体素子を前記基材に接合する接合工程とを備えており、
前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法。 - 合金層を介して半導体素子を基材に接合するために前工程と後工程とを有する素子の接合方法であって、
前記前工程は、
前記基材の接合面となる面上に、第１の金属からなる第１金属層と、加熱した際に前記第１金属層と相互に固相拡散する第２の金属からなる第２金属層とを積層形成する第１金属層形成工程と、
前記半導体素子の接合面となる面上に、前記第２金属層を積層形成する第２金属層形成工程とを備えており、
前記後工程は、
前記基材の接合面となる面上に積層形成した前記第１金属層と前記第２金属層と、前記半導体素子の接合面となる面上に積層形成した前記第２金属層とを所定の温度で加熱して、前記第１金属層と前記第２金属層とを相互に固相拡散し前記第１の金属と前記第２の金属との合金からなる前記合金層にして溶融させる合金層溶融工程と、
前記合金層溶融工程により溶融した前記合金層を冷却固化して、前記合金層を介して前記半導体素子を前記基材に接合する接合工程とを備えており、
前記所定の温度を前記合金の融点以上の温度とすることを特徴とする素子の接合方法。 - 前記第１金属層及び前記第２金属層の各厚さをｔ１及びｔ２、前記合金層における前記第１の金属の組成重量比率及び比重をｘ１及びｙ１、前記合金層における前記第２の金属の組成重量比率及び比重をｘ２及びｙ２とするとき、ｘ１／ｘ２＝（ｔ１×ｙ１）／(ｔ２×ｙ２)の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の素子の接合方法。
- 前記第１金属層の厚さｔ１及び前記第２金属層の厚さｔ２の合計厚さｔ１＋ｔ２を、１〜４μｍの範囲内とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の素子の接合方法。
- 前記第１の金属はＡｕ（金）またはＡｇ（銀）であり、前記第２の金属はＳｎ（錫）であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の素子の接合方法。
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2005
- 2005-08-26 JP JP2005245491A patent/JP2007059760A/ja active Pending
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