JP2007162107A - ハンダ膜及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ハンダ膜の融解時間を短縮することにより、ハンダ工程の高速化を実現し、かつ半導体素子等に対する熱影響を確実に回避するとともに、融解温度及び融解時間の安定化による膜品質及び均質性の向上に貢献する。
【解決手段】 Ａｕ−Ｓｎ合金１０を基板２０に蒸着してハンダ膜１を形成するに際し、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕを５０〜８０〔重量％〕含むとともに、ＡｕとＳｎを二つの蒸発源３１ｘ，３１ｙからそれぞれ同時に蒸発させて蒸着を行うことによりＡｕ−Ｓｎ合金１０を形成し、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕとＳｎの結晶成分として、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ，ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂を含有するハンダ膜１を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子等を実装する基板に蒸着するＡｕ−Ｓｎ合金によるハンダ膜及びその形成方法に関する。

従来、実装基板に蒸着するＡｕ−Ｓｎ合金によるハンダ膜としては、特開２００１−５７４６８号公報に開示される回路装置に用いるハンダ膜が知られている。

このハンダ膜は、回路素子を接続する基板表面に形成されているメタライズ層の上に、平均組成のＳｎが４５〔アトミック％〕以上、５５〔アトミック％〕以下となり、かつ残部がＡｕとなるＡｕ−Ｓｎ合金を含む金属材料によりバリア層を形成し、このバリア層の上に、平均組成のＳｎが２９〔アトミック％〕以上、４５〔アトミック％〕以下となり、かつ残部がＡｕとなるＡｕ−Ｓｎ合金のはんだ層（ハンダ膜）を形成したものであり、このはんだ層には、ＡｕとＳｎとの合金の結晶構造の異なる２種類の結晶成分が含まれている。
特開２００１−５７４６８号

しかし、上述した従来の回路装置に用いるハンダ膜（及びその形成方法）は、次のような問題点があった。

即ち、基板表面に蒸着するはんだ層には、Ａｕ−Ｓｎ合金が用いられるが、このＡｕ−Ｓｎ合金は、Ａｕ（金）とＳｎ（錫）の組成比によって融点が異なり、通常、融点の低い共晶点付近の組成が用いられる。なお、Ａｕ−Ｓｎ合金の共晶点は、Ａｕが８０〔重量％〕付近と１０〔重量％〕付近の二カ所が存在する。融点のみを問題にする場合、合金の組成が重要な要因となり、図９に示すＡｕ−Ｓｎ合金の合金状態図によれば、Ａｕが８０〔重量％〕のＡｕ−Ｓｎ合金は、ＡｕとＳｎとの結晶構造の異なる２種類の結晶成分であるＡｕ₅Ｓｎ（＝ζ´）とＡｕＳｎ（＝δ）により構成される。各結晶成分には、共晶点（Ｑ１，Ｑ２）よりも高い融点があり、共晶点温度が２８０〔℃〕に達した場合でも、各結晶成分が徐々に融解しながら全体と混合し、その後、最終的に全体が完全に融解する。

したがって、従来のハンダ膜は、融解時間が遅くなる傾向があるため、ハンダ工程の高速化を図るにも限界があり、しかも半導体素子等に対する熱影響を無視できないとともに、融解温度及び融解時間にバラツキを生じ易く、膜品質及び均質性の低下要因となるなど、特に、近時における高速加熱及び高速処理の要求されるボンディング工程等に対して十分に対応できない。なお、図９中、ζ´，ζ，δ，ε，ηは金属間化合物、（Ａｕ）は結晶構造を変えないでＡｕにＳｎが固溶した状態、Ｌはリキッド状態、Ａは（Ａｕ）とＬの混合した状態、Ｂはζ´とδの混合した状態、Ｃはεと金属Ｓｎの混合した状態、Ｄはδとεの混合した状態をそれぞれ示している。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決したハンダ膜及びその形成方法の提供を目的とするものである。

本発明に係るハンダ膜１は、上述した課題を解決するため、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を基板２０に蒸着して形成したハンダ膜であって、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕを５０〜８０〔重量％〕含み、かつＡｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕとＳｎの結晶成分として、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ，ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂を含有することを特徴とする。したがって、本発明に係るハンダ膜１の形成方法は、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を基板２０に蒸着してハンダ膜１を形成するに際し、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕを５０〜８０〔重量％〕含むとともに、ＡｕとＳｎを二つの蒸発源３１ｘ，３１ｙからそれぞれ同時に蒸発させて蒸着を行うことによりＡｕ−Ｓｎ合金１０を形成し、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕとＳｎの結晶成分として、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ，ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂を含有するハンダ膜１を形成するようにしたことを特徴とする。

本発明は、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕとＳｎの結晶成分に特徴を有し、ハンダ膜１を構成するＡｕ−Ｓｎ合金１０には、結晶成分として、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ及びＡｕＳｎに加えて、第三の結晶成分であるＡｕＳｎ₂が含有する。一般に、この種のハンダ膜を構成するＡｕが８０〔重量％〕のＡｕ−Ｓｎ合金は、図９に示す合金状態図のように、二種類の結晶成分であるＡｕ₅ＳｎとＡｕＳｎを含有する。したがって、それぞれの結晶成分には、共晶点よりも高い融点があり、共晶点温度が２８０〔℃〕に達した場合でも、各結晶成分が徐々に融解しながら全体と混合し、その後、最終的に全体が完全に融解するため、融解時間Ｔｒが遅くなる。本発明は、融解時間Ｔｒをより短縮させるため、Ａｕ−Ｓｎ合金１０に、少なくとも三種以上の結晶成分、即ち、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ（＝ζ´），ＡｕＳｎ（＝δ）及びＡｕＳｎ₂（＝ε）の三種の結晶成分を含ませることを企図したものであり、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕを５０〜８０〔重量％〕含ませるとともに、少なくとも、三種の結晶成分は、ＡｕとＳｎを基板２０に蒸着する際の物理的挙動に大きく依存することに着目した。

この場合、発明の好適な態様により、ＡｕとＳｎを基板２０に蒸着する際の物理的条件は、少なくとも、基板２０の温度（制限温度）Ｔｂを所定温度以下、望ましくは９０〔℃〕以下に制限するとともに、ＡｕとＳｎの蒸着速度Ｖｊは所定速度範囲、望ましくはそれぞれ１〜１０〔Å／ｓｅｃ〕の範囲に設定することができる。また、基板２０を、基板回転ドーム３２に取付けるとともに、この基板回転ドーム３２を回転させる回転速度Ｖｄは、所定回転速度範囲、望ましくは１０〜１００〔ｒｐｍ〕の範囲に設定することができる。一方、Ａｕ−Ｓｎ合金１０は、複数回に分けた蒸着を行うことにより、複数の薄膜層１０ａ…を積層して形成できる。この際、各薄膜層１０ａ…は、厚みを０．５〔μｍ〕以下に選定するとともに、Ａｕ−Ｓｎ合金１０の最上層１０ｕ及び／又は一部の中間層（薄膜層１０ａ…）には、Ａｕ層を設けることができる。

このような構成及び手法による本発明に係るハンダ膜１及びその形成方法によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） ハンダ膜１は、ＡｕとＳｎの結晶成分として、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ，ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂を含有するため、ハンダ膜１の融解時間Ｔｒを飛躍的に短縮できる。この結果、ハンダ工程の高速化を実現し、また、半導体素子等に対する熱影響を確実に回避できるとともに、融解温度及び融解時間Ｔｒの安定化による膜品質及び均質性の向上に貢献でき、特に、近時における高速加熱及び高速処理の要求されるボンディング工程等にも十分に対応することができる。

（２） 好適な態様により、複数の薄膜層１０ａ…を積層してＡｕ−Ｓｎ合金１０の全体を形成すれば、各薄膜層１０ａ…の一つに微妙な組成の偏りを生じた場合であっても薄膜層１０ａ…全体によりバラツキが平均化されるため、ハンダ膜１の融解特性をより安定化させることができる。

（３） 好適な態様により、各薄膜層１０ａ…の厚みＬｄを、０．５〔μｍ〕以下にすれば、成長が抑制される微細な結晶による緻密なハンダ膜１が得られるため、高速で融点以上に加熱した際における完全融解までの時間を短縮できる。

（４） 好適な態様により、Ａｕ−Ｓｎ合金１０の最上層１０ｕに、Ａｕ層を設ければ、使用時に融解特性を不安定化させるハンダ膜１の酸化を防止することができる。

（５） 好適な態様により、Ａｕ−Ｓｎ合金１０の複数の薄膜層１０ａ…における一部の中間層にＡｕ層を設ければ、融解性（溶け具合）をより高めることができる。

（６） 好適な態様により、ＡｕとＳｎを基板２０に蒸着する際の物理的条件を、少なくとも、基板２０の温度Ｔｂを所定温度以下、望ましくは９０〔℃〕以下に制限するとともに、ＡｕとＳｎの蒸着速度Ｖｊを所定速度範囲、望ましくはそれぞれ１〜１０〔Å／ｓｅｃ〕の範囲に設定すれば、本発明に係るハンダ膜１の形成方法を、より確実に実施できる。

（７） 好適な態様により、基板２０を、基板回転ドーム３２に取付けるとともに、この基板回転ドーム３２を回転させる回転速度Ｖｄを、所定回転速度範囲、望ましくは１０〜１００〔ｒｐｍ〕の範囲に設定すれば、本発明に係るハンダ膜１の形成方法を、より確実に実施できるとともに、ハンダ膜１の膜品質及び均質性の向上に寄与できる。

次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係るハンダ膜１及びこのハンダ膜１を形成することができる真空蒸着装置３０の構成について、図３及び図４を参照して説明する。

図３は、基板２０の表面に形成した本実施形態に係るハンダ膜１を示す。なお、このハンダ膜１の基本的な形成手法は、本出願人が既に提案した特願２００５−１７９３３３号の製造方法を利用できる。

この場合、基板２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた基板本体２１の表裏面に、薄膜電極となるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層２２，２３を有する。なお、Ｔｉは基板本体２１との密着性を確保し、Ｐｔは基板本体２１へのハンダ浸食を防止し、Ａｕはハンダに対する密着性及び濡れ性を確保する。

ハンダ膜１は、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を基板２０に蒸着して形成する。Ａｕ−Ｓｎ合金１０は、後述するように、Ａｕ（金）を５０〜８０〔重量％〕含み、かつＡｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕとＳｎ（錫）の結晶成分として、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ，ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂を含有する。また、ハンダ膜１を構成するＡｕ−Ｓｎ合金１０は、複数回に分けた蒸着を行うことにより、複数の薄膜層（合金層）１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…を積層して形成し、各薄膜層１０ａ…は、厚みＬｄを０．５〔μｍ〕以下に選定するとともに、Ａｕ−Ｓｎ合金１０の最上層１０ｕには、Ａｕ層を設ける。なお、図３は、五つの薄膜層１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅを例示するが、この層数は任意である。例示の場合、薄膜層１０ｅが最上層１０ｕとなるため、この薄膜層１０ｅを他の薄膜層（合金層）１０ａ…と異なるＡｕ層により形成する。

このように、複数の薄膜層１０ａ…を積層してＡｕ−Ｓｎ合金１０の全体を形成すれば、各薄膜層１０ａ…の一つに微妙な組成の偏りを生じた場合であっても薄膜層１０ａ…全体によりバラツキが平均化されるため、ハンダ膜１の融解特性をより安定化させることができる。また、各薄膜層１０ａ…は、厚みＬｄを０．５〔μｍ〕以下にすれば、成長が抑制される微細な結晶による緻密なハンダ膜１が得られるため、高速で融点以上に加熱した際における完全融解までの時間を短縮することができる。特に、各薄膜層１０ａ…の厚みＬｄが０．５〜０．２〔μｍ〕では、高速加熱により融点到達後、１〜２〔秒〕程度で融解し、かつバラツキも小さくなり、半導体素子等を高速で実装する工程において有利になるとともに、各薄膜層１０ａ…の厚みＬｄが０．２〔μｍ〕以下では、結晶の粒径も０．２〔μｍ〕以下に抑制されるため、高速加熱により融点到達後、１〔秒〕以下の瞬時に融解し、半導体素子等を高速で実装する工程の更なる高速化に寄与できる。さらに、Ａｕ−Ｓｎ合金１０の最上層１０ｕに、Ａｕ層を設ければ、使用時に融解特性を不安定化させるハンダ膜１の酸化を防止できる利点がある。

一方、図４は、ハンダ膜１を形成する真空蒸着装置３０を示す。この真空蒸着装置３０は、二源蒸発法により、ＡｕとＳｎを二つの蒸発源からそれぞれ同時に蒸発させて同時蒸着を行うことができる。真空蒸着装置３０は蒸発源３１ｘ，３１ｙを備える。一方の蒸発源３１ｘには、複数のハースを備え、各ハースには各薄膜層１０ａ…の膜厚に必要な量のＡｕ材料を収容する。また、他方の蒸発源３１ｙにも、複数のハースを備え、各ハースには各薄膜層１０ａ…の膜厚に必要な量のＳｎ材料を収容する。したがって、各ハースは、各薄膜層１０ａ…を形成する毎に、例えば、ハースライナーにより各ハースを回転させて切換える。なお、積層数に対応させたハースを準備する場合を例示したが、その他、単一のハースとし、一層の薄膜層１０ａ…の成膜が終了する毎に、ハースの近傍に設置した材料補給機構から各材料を各ハースに補給し、順次所望の層数まで積層することも可能である。なお、この場合、一層当たりの厚みは、補給する各材料の供給量により制御すればよい。

さらに、各蒸発源３１ｘ，３１ｙの近傍には、各蒸発源３１ｘ，３１ｙに対してそれぞれ電子ビームを投射する電子ビーム投射部３４ｘ，３４ｙを設置するとともに、各蒸発源３１ｘ，３１ｙの上方には、多数（例えば、２０〜４０枚）の基板２０…を取付ける基板回転ドーム３２を配設する。この基板回転ドーム３２は、回転駆動部３２ｄにより回転する。また、基板回転ドーム３２（基板２０）の近傍には、蒸着速度及び蒸着量のモニターを行う水晶センサ３５ｘ，３５ｙを配設する。３６は、真空蒸着装置３０の全体の制御を司るコントローラであり、上述した電子ビーム投射部３４ｘ，３４ｙ，回転駆動部３２ｄ及び水晶センサ３５ｘ，３５ｙを接続する。この場合、コントローラ３６は、電子ビーム投射部３４ｘ，３４ｙを、それぞれ独立制御することにより合金組成を調整することができる。なお、材料を加熱する方式としては、例示の電子ビーム方式の他、抵抗加熱方式も利用可能である。抵抗加熱方式には、ボートタイプを用いた直接加熱方式及びセラミック製坩堝の周囲にタングステンワイヤヒータを巻いた間接加熱方式等が存在するが、いずれの方式も選択可能である。

次に、真空蒸着装置３０を用いた本実施形態に係るハンダ膜１の形成方法について、図１〜図９を参照して説明する。

本実施形態に係るハンダ膜１の形成方法では、ＡｕとＳｎを基板２０に蒸着する際の物理的条件（物理的挙動）が重要となる。このため、予め、実験により、基板２０の温度（制限温度）Ｔｂ，ＡｕとＳｎの蒸着速度Ｖｊ，基板回転ドーム３２の回転速度Ｖｄに対するそれぞれの条件出しを行った。具体的には、これらの各物理的条件の変化に対応するＡｕ−Ｓｎ合金を構成するＡｕとＳｎの結晶成分及びＡｕ−Ｓｎ合金の融解時間の変化を検証した。

図５が検証のための実験データ、図６が実験の処理手順を示す工程図である。検証に用いる試料は、図５に示すように、物理的条件を異ならせた十種類の試料Ｍ１〜Ｍ１０を用いるとともに、各種類毎に三つのサンプル（１〜３）を用意した。試料のうち、Ｍ２〜Ｍ５及びＭ７〜Ｍ１０は、本実施形態に係る形成方法により製作したハンダ膜のサンプルであり、Ｍ１とＭ６は、従来一般的に用いられている一源蒸着法により製作したハンダ膜のサンプルである。なお、一源蒸着法は、予め蒸着材料として、Ａｕ−Ｓｎ合金を用意し、このＡｕ−Ｓｎ合金を一つの蒸発源から蒸発させて蒸着を行う方法である。

まず、試料には、狙い組成（ＡｕとＳｎの重量比率）として、Ａｕを７５，７０〔重量％〕に選定したＡｕ−Ｓｎ合金を用いる。なお、Ａｕ−Ｓｎ合金の組成は、共晶点の一つであるＡｕが８０〔重量％〕付近を用いるか、好ましくは、Ａｕが５０〜８０〔重量％〕の範囲を用いることが望ましい。

Ａｕを５０〜８０〔重量％〕とする理由は次のとおりである。即ち、Ａｕ−Ｓｎ合金のハンダ膜の結晶成分がＡｕ₅Ｓｎ，ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂の三成分の場合、Ａｕの組成範囲は、４５〜８９〔重量％〕となり、この範囲は、Ａｕ₅Ｓｎ及びＡｕＳｎの二成分の場合と大きく異なる。三成分を含有することによって、Ａｕの組成範囲は、図９に示す合金状態図において、ζ´〜ε（ＡｕＳｎ₂）までの範囲となる。したがって、Ａｕが５５〔重量％〕の場合、二成分であれば、ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂の結晶成分により構成され、Ａｕ₅Ｓｎは含まれないが、三成分であれば、Ａｕ₅Ｓｎも含まれる。また、Ａｕが７５〔重量％〕の場合、二成分であれば、Ａｕ₅ＳｎとＡｕＳｎの比率は一つの組合わせとなるが、三成分であれば、Ａｕ₅Ｓｎが４７〜６７〔重量％〕の範囲で組合わせ可能となり、一成分の比率が決まれば、他の二成分の比率も決まることになる。

そして、同一組成の場合、三成分は、二成分よりもＡｕ₅Ｓｎの比率が高く、かつＡｕＳｎの比率が低い値になるとともに、二成分の合金状態図における融点よりも低い温度で融解する傾向が見られる。即ち、Ａｕが６５〔重量％〕以下の場合、二成分では、４００〔℃〕付近の融点となるが、三成分では、４００〔℃〕よりも融点は低くなる。したがって、Ａｕが４５〔重量％〕付近（合金状態図のε付近）までは、融解性が良好となる。ただし、この付近では、ＡｕＳｎ₂の結晶成分の特性が支配的になり、ハンダ膜の強度や信頼性の面で実用的ではないため、有効な範囲は５０〔重量％〕以上となる。一方、Ａｕが８０〔重量％〕以上では、融点の上昇カーブが急となり、実装時の下地膜Ａｕや半導体側Ａｕの影響を受けて融点がより高い方へシフトすることから実用的でない。よって、Ａｕは５０〜８０〔重量％〕の範囲が望ましい。

また、基板２０の制限温度Ｔｂを選定した。基板２０は、最初の常温状態から蒸着の進行に伴う加熱により温度が上昇する。制限温度Ｔｂは、基板２０の温度が制限温度Ｔｂを超えないように制御するための温度である。したがって、基板２０の温度が制限温度Ｔｂに達した場合には、一時的に蒸着処理を停止させたり、或いは窒素やアルゴン等の不活性ガスを導入するなどにより基板２０の冷却を速め、基板２０の温度が制限温度Ｔｂを超えないように制御する。冷却用に不活性ガスを導入した場合には、所定の真空度に真空引きした後、蒸着を再開すればよい。なお、真空蒸着装置３０には、基板回転ドーム３２に対してユニットクーラから冷却液を循環させる不図示の基板冷却機構を備えている。設定する制限温度Ｔｂとしては、従来より一般的に用いられる９０〔℃〕に加え、７０，５０〔℃〕を選定し、これにより、ハンダ膜に与える基板温度の影響を検証した。

さらに、Ａｕを７５，７０〔重量％〕を選定したため、Ａｕ，Ｓｎの各蒸着速度Ｖｊを図５に示すように選定した。この場合、試料Ｍ１及びＭ６を一源蒸着法で用いる一般的な蒸着速度である４．０〔Å／ｓｅｃ〕に設定し、他の試料Ｍ２…及びＭ７…に対しては１〜１０〔Å／ｓｅｃ〕間における任意の蒸着速度Ｖｊを選定することにより、ハンダ膜に与える蒸着速度Ｖｊの影響を検証した。

一方、基板回転ドーム３２の回転速度Ｖｄは、低速の場合、Ａｕ−Ｓｎ合金を構成するＡｕ，Ｓｎの含有量（含有率）に偏りを生じ、かつ均質性を確保できないため、ある程度の回転速度を確保するとともに、従来より一般的に用いられている回転速度５０〔ｒｐｍ〕を、試料Ｍ１及びＭ６に適用し、他の試料Ｍ２…及びＭ７…に対しては１００〔ｒｐｍ〕以下の任意の回転速度Ｖｄを選定することにより、ハンダ膜に与える回転速度Ｖｄの影響を検証した。

次に、検証を行うための試料（サンプル）の製作方法について説明する。なお、予め真空蒸着装置３０の基板回転ドーム３２には、ハンダ膜が未形成の基板２０…を試料種毎に取付けるとともに、蒸発源３１ｘのハースにはＡｕ材料を収容し、蒸発源３１ｙのハースにはＳｎ材料を収容する（ステップＳ１）。形成するハンダ膜は単層とし、膜厚の目安は４〜５〔μｍ〕程度を選定する。このため、各蒸発源３１ｘ，３１ｙのハースには、形成する膜厚に対応した量の材料を収容する。

また、試料種に対応する基板回転ドーム３２の回転速度Ｖｄ、基板２０に対する制限温度Ｔｂ、ＡｕとＳｎの蒸着速度Ｖｊをそれぞれ設定する（ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４）。なお、蒸着真空室３３の真空度は１０^-4〔Ｐａ〕に設定する。

そして、真空蒸着装置３０を作動させ、基板２０…にＡｕ−Ｓｎ合金を蒸着させる（ステップＳ５）。この場合、コントローラ３６は、基板回転ドーム３２を設定した回転速度Ｖｄで回転制御するとともに、予め設定した条件により電子ビーム投射装置３４ｘ，３４ｙを制御する。これにより、電子ビーム投射装置３４ｘ，３４ｙから各蒸発源３１ｘ，３１ｙに対して電子ビームが投射され、ハース内のＡｕ，Ｓｎが同時に加熱される。加熱されたＡｕ，Ｓｎは同時に蒸発し、ＡｕとＳｎは合金となって基板２０…に蒸着し、二源蒸着法によるハンダ膜が形成される。

なお、ハンダ膜が形成されたなら、蒸着条件の確認（調整）を行う（ステップＳ６）。具体的には、基板２０に成膜される膜厚（蒸着速度）と水晶センサ３５ｘ…によりモニターする膜厚（蒸着速度）にズレを生じるため、両者の比率が正確か否かを確認し、比率の調整（再設定）を行う。また、基板２０にＡｕ−Ｓｎ合金を蒸着させた際における膜厚を実測して補正を行う（ステップＳ７）。具体的には、水晶センサ３５ｘ，３５ｙから得られるＡｕとＳｎの各積算膜厚を読取るとともに、基板２０に形成されたＡｕ−Ｓｎ合金の膜厚を測定する。この場合、実際の膜厚のほうが数〔％〕程度薄くなるため、その補正を行う。

これらの調整及び補正を行い、目的とする正規のハンダ膜が得られたなら、検証用の試料とする（ステップＳ８）。そして、同様の製作手順により、前述した八種類の試料Ｍ２〜Ｍ５，Ｍ７〜Ｍ１０（三枚ずつ計二十四枚）の試料を製作する（ステップＳ９）。なお、同様に一源蒸着法を用いた二種類の試料Ｍ１とＭ６を製作する。

次いで、試料の製作が終了したなら、各試料Ｍ１〜Ｍ１０におけるハンダ膜の結晶成分を測定する（ステップＳ１０）。図５に示す結晶成分の数値〔重量％〕は、Ｘ線回折装置を利用して解析し、得られたデータから推定して求めたものである。図７に、試料Ｍ４をＸ線回折装置により解析した解析データを示す。また、図８には従来の一源蒸着法により製作した試料Ｍ１をＸ線回折装置により解析した解析データを示す。なお、Ｘ線回折は、試料にＸ線をあてる角度（２θ）を変えながら、反射されるＸ線をカウントするものであり、結晶方向によって特定の面方向のピークが幾つか観察される。この場合、面方向によってピーク強度の大きさが異なるため、必ずしも大きなピークの方向に結晶成分があるとは限らない。このため、結晶成分の数値は、検出されるピークの種類と各材料及び各結晶のデータベース（標準試料）を参考にして求めた。

図７及び図８から明らかなように、従来の一源蒸着法により製作したハンダ膜からは、結晶成分Ａｕ₅ＳｎとＡｕＳｎのピークのみ検出され、ＡｕＳｎ₂の結晶成分は検出されない。一源蒸着法の場合、Ａｕ−Ｓｎ合金を蒸着材料として一つの蒸発源から蒸発させるため、一方の成分（Ａｕ又はＳｎ）に偏った蒸発とはならない。したがって、Ａｕが７０及び７５〔重量％〕の場合、Ａｕ₅ＳｎとＡｕＳｎのみの結晶成分となる通常のＡｕ−Ｓｎ合金に対する合金状態図に従った結晶成分の配分比率になると推測されることから、試料Ｍ１の条件及び合金状態図から結晶成分Ａｕ₅ＳｎとＡｕＳｎの比率を求めた。

これに対して、本実施形態により製作したハンダ膜からは、結晶成分Ａｕ₅ＳｎとＡｕＳｎに加えて、第三のピークであるＡｕＳｎ₂の結晶成分が検出された。したがって、Ａｕの成分比率が既知でも、通常の合金状態図では解析が困難となることから、Ａｕを７５〔重量％〕とした複数の試料についてピーク値分布を集計するとともに、それぞれの結晶が取り得る比率の範囲内で正規分布しているものと仮定して検量線を作成し、各ピーク値から成分比率を定量推定して求めた。

さらに、各試料Ｍ１〜Ｍ１０におけるハンダ膜の融解時間Ｔｒを測定する（ステップＳ１１）。融解時間Ｔｒは、各試料を３８０〔℃〕付近まで約７秒間で高速昇温し、ハンダ膜が融解を開始し、完全に融解するまでの時間を測定した。Ａｕが７５〔重量％〕のＡｕ−Ｓｎ合金は、合金状態図によれば、３４０〔℃〕付近であるが、実際に融点まで正確に高速加熱し、正確に融点温度を保持するのは困難であるため、融点よりもやや高い３８０〔℃〕付近まで加熱して保持した。融解の開始時点は、上面からの観察画像において、Ａｕ−Ｓｎ合金のハンダ膜の表面に形状変化が生じた時点を融解開始時とし、表面が滑らかな完全な液体として確認できた時点を融解の終了とした。なお、実験時の酸化を防止するため、窒素雰囲気の中で行った。

図５に、測定した結晶成分の数値〔重量％〕及び融解時間Ｔｒ〔秒〕を示す。また、図１にＡｕの組成を７５〔重量％〕に設定した試料Ｍ１〜Ｍ５の融解時間Ｔｒ〔秒〕，結晶成分の数値〔重量％〕及び各物理的条件の設定した数値をグラフで示すとともに、図２にＡｕの組成を７０〔重量％〕に設定した試料Ｍ６〜Ｍ１０の融解時間Ｔｒ〔秒〕，結晶成分の数値〔重量％〕及び各物理的条件の設定した数値をグラフで示す。

実験結果において、試料Ｍ１とＭ６は、従来の一般的な手法である、一源蒸着法によるものであるが、この場合、Ａｕの組成が７５，７０〔重量％〕共に、融解時間Ｔｒは５〜８〔秒〕と長く、また、結晶成分は、Ａｕ₅ＳｎとＡｕＳｎの二種類のみであり、ＡｕＳｎ₂の結晶成分は存在しない。

これに対して、試料Ｍ２〜Ｍ５，Ｍ７〜Ｍ１０は、Ａｕの組成が７５及び７０〔重量％〕の双方共に、融解時間Ｔｒは１〜２〔秒〕と短く、また、結晶成分は、Ａｕ₅ＳｎとＡｕＳｎの二種類に加え、第三の結晶成分であるＡｕＳｎ₂（第三結晶）が存在し、Ａｕ−Ｓｎ合金のハンダ膜には、三種類の結晶成分を包含する。なお、図９の合金状態図に、ＡｕＳｎ₂（＝ε）を示す。

特に、実験結果によれば、図１及び図２に示すように、Ａｕ−Ｓｎ合金により構成するハンダ膜においては、第三結晶の有無が、融解時間Ｔｒの長さを決定し、第三結晶が有る場合の融解時間Ｔｒは、無い場合の融解時間Ｔｒに比べ、１／５〜１／４に短縮される。一方、第三結晶の有無は、蒸着する際における物理的挙動（物理的条件）により大きく影響され、第三結晶を含有させるには、基板回転ドーム３２を回転させる回転速度Ｖｄを、所定回転速度範囲に設定するとともに、ＡｕとＳｎの蒸着速度Ｖｊを所定速度範囲に設定し、さらに基板２０の温度Ｔｂを所定温度以下に設定する必要がある。

この場合、実験結果から、基板回転ドーム３２の回転速度Ｖｄは、遅くするほど、第三結晶が増える傾向にある。しかし、基板回転ドーム３２の回転速度Ｖｄは、低速の場合、Ａｕ−Ｓｎ合金を構成するＡｕ，Ｓｎの含有量（含有率）に偏りを生じ、かつ均質性を確保できないため、ある程度の回転速度を確保する必要があり、基板回転ドーム３２の回転速度Ｖｄは、所定回転速度範囲、例示の場合には、１０〜１００〔ｒｐｍ〕の範囲に設定する必要がある。また、Ａｕ，Ｓｎの蒸着速度Ｖｊは、速くするほど、第三結晶が増える傾向にある。したがって、Ａｕ，Ｓｎの蒸着速度Ｖｊは、所定速度以上に設定する必要があり、例示の場合には、それぞれ１〜１０〔Å／ｓｅｃ〕の範囲に設定する必要がある。さらに、基板２０の制限温度Ｔｂは、低くするほど、第三結晶が増える傾向にある。したがって、基板２０の制限温度Ｔｂは、所定温度以下に設定する必要があり、例示の場合には、９０〔℃〕以下に設定する必要がある。

よって、蒸着する際におけるこのような物理的条件の条件出しを行い、本実施形態による成形方法、即ち、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕを７５或いは７０〔重量％〕含み、かつＡｕとＳｎを基板２０に蒸着する際の物理的条件を、少なくとも、基板温度を所定の制限温度Ｔｂ以下に制限するとともに、ＡｕとＳｎの蒸着速度Ｖｊを所定速度範囲に設定し、Ａｕ−Ｓｎ合金１０を構成するＡｕとＳｎの結晶成分として、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ，ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂を含有するハンダ膜１を形成するようにすれば、ハンダ膜１の融解時間Ｔｒを飛躍的に短縮できる。この結果、ハンダ工程の高速化を実現し、また、半導体素子等に対する熱影響を確実に回避できるとともに、融解温度及び融解時間の安定化による膜品質及び均質性の向上に貢献でき、特に、近時における高速加熱及び高速処理の要求されるボンディング工程等にも十分に対応することができる。

また、このような成形方法に加え、前述した図３に示すハンダ膜１、即ち、複数回に分けた蒸着を行うことにより、複数の薄膜層（合金層）１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…を積層した積層構造のＡｕ−Ｓｎ合金１０を形成すれば、積層構造による前述した利点との相乗効果を得ることができる。

以上、最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，手法，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。

例えば、Ａｕ−Ｓｎ合金１０は、複数の薄膜層１０ａ…を積層して形成する場合を示したが、単層により形成する場合を排除するものではない。また、Ａｕ−Ｓｎ合金１０の最上層１０ｕにＡｕ層を設けた場合を例示したが、最上層１０ｕの代わりに一部の中間層（薄膜層１０ａ…）に設けてもよいし、最上層１０ｕと一部の中間層の双方に設けてもよい。中間層に設けることにより融解性（溶け具合）をより高めることができる。なお、本発明は、ＡｕとＳｎの結晶成分として、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ，ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂の三種類の結晶成分を含有することを条件とする。したがって、四種類以上の結晶成分の含有を排除するものではない。実際、物理的条件によっては、四種類目の結晶成分（ζ´（Ａｕ₅Ｓｎ）〜η（ＡｕＳｎ₄）：図９参照）の可能性がある。しかし、結晶成分が三種類の場合は、ハンダ膜の特性で下限とした５０〔重量％〕以下でも良好なハンダ特性を得ることができる。さらに、本発明に係るハンダ膜１は、半導体素子等を実装する基板２０に形成する場合を例示したが、各種用途の基板に形成することができる。

本発明の最良の実施形態に係るハンダ膜を検証するＡｕが７５重量％の実験データグラフ、 同ハンダ膜を検証するＡｕが７０重量％の実験データグラフ、 同ハンダ膜を示す模式的断面構成図、 同ハンダ膜の形成方法を実施できる真空蒸着装置の模式的構成図、 同ハンダ膜を検証する実験データ表、 同ハンダ膜を検証する実験の処理手順を示す工程図、 同ハンダ膜をＸ線回析装置により解析した解析データ図、 従来の一源蒸着法により形成したハンダ膜をＸ線回析装置により解析した解析データ図、 同ハンダ膜の結晶成分等を説明するＡｕ−Ｓｎ合金の合金状態図、

符号の説明

１ ハンダ膜
１０ Ａｕ−Ｓｎ合金
２０ 基板
３１ｘ… 蒸発源
３２ 基板回転ドーム
１０ａ… 薄膜層
１０ｕ 最上層
Ｔｂ 温度（制限温度）
Ｖｊ 蒸着速度
Ｖｄ 回転速度

Claims (13)

1. Ａｕ−Ｓｎ合金を基板に蒸着して形成したハンダ膜において、前記Ａｕ−Ｓｎ合金を構成するＡｕを５０〜８０〔重量％〕含み、かつ前記Ａｕ−Ｓｎ合金を構成するＡｕとＳｎの結晶成分として、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ，ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂を含有することを特徴とするハンダ膜。
2. 前記Ａｕ−Ｓｎ合金は、複数の薄膜層を積層して形成することを特徴とする請求項１記載のハンダ膜。
3. 前記薄膜層は、厚みを０．５〔μｍ〕以下に選定することを特徴とする請求項２記載のハンダ膜。
4. 前記Ａｕ−Ｓｎ合金は、最上層にＡｕ層を設けることを特徴とする請求項２記載のハンダ膜。
5. 前記Ａｕ−Ｓｎ合金は、前記複数の薄膜層における一部の中間層にＡｕ層を設けることを特徴とする請求項２記載のハンダ膜。
6. Ａｕ−Ｓｎ合金を基板に蒸着してハンダ膜を形成するハンダ膜の形成方法において、前記Ａｕ−Ｓｎ合金を構成するＡｕを５０〜８０〔重量％〕含むとともに、ＡｕとＳｎを二つの蒸発源からそれぞれ同時に蒸発させて蒸着を行うことにより前記Ａｕ−Ｓｎ合金を形成し、前記Ａｕ−Ｓｎ合金を構成するＡｕとＳｎの結晶成分として、少なくとも、Ａｕ₅Ｓｎ，ＡｕＳｎ及びＡｕＳｎ₂を含有するハンダ膜を形成することを特徴とするハンダ膜の形成方法。
7. ＡｕとＳｎを基板に蒸着する際の物理的条件を、少なくとも、前記基板の温度を所定温度以下に制限するとともに、ＡｕとＳｎの蒸着速度を所定速度範囲に設定することを特徴とする請求項６記載のハンダ膜の形成方法。
8. 前記基板の温度は、９０〔℃〕以下に制限することを特徴とする請求項７記載のハンダ膜の形成方法。
9. 前記蒸着速度は、１〜１０〔Å／ｓｅｃ〕の範囲に設定することを特徴とする請求項７記載のハンダ膜の形成方法。
10. 前記基板を、基板回転ドームに取付けるとともに、この基板回転ドームを回転させる回転速度を、所定回転速度範囲に設定することを特徴とする請求項６記載のハンダ膜の形成方法。
11. 前記回転速度は、１０〜１００〔ｒｐｍ〕の範囲に設定することを特徴とする請求項１０記載のハンダ膜の形成方法。
12. 前記Ａｕ−Ｓｎ合金は、複数回に分けた蒸着を行うことにより、複数の薄膜層を積層して形成することを特徴とする請求項５記載のハンダ膜の形成方法。
13. 前記薄膜層は、厚みを０．５〔μｍ〕以下に選定することを特徴とする請求項１２記載のハンダ膜の形成方法。

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