JP2008300425A - Bonding method of silicon crystals, and silicon crystal product - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はシリコン結晶(単結晶、多結晶)の接合方法、及びその方法で接合されたシリコン結晶製品に関し、より詳しくは、半導体製造装置などに使用されているシリコン部品やシリコン冶具の効果的な組み立てと、部品点数の低減を実現したシリコン結晶の接合方法及びシリコン結晶製品に関する。 The present invention relates to a silicon crystal (single crystal, polycrystal) bonding method and a silicon crystal product bonded by the method. More specifically, the present invention relates to effective silicon parts and silicon jigs used in semiconductor manufacturing equipment. The present invention relates to a silicon crystal bonding method and a silicon crystal product that realize assembly and reduction of the number of parts.
半導体製造装置ではその内部で高純度シリコンウエハーを収納して熱処理、膜形成、化学腐食、露光などの多種多様な工程を経て高度な半導体素子が製造されている。これらの中でシリコンウエハーに不純物をドーピングする熱拡散工程や酸化膜、窒化膜を形成するCVD工程においては、直径200mm、300mmのシリコンウエハーを収納するボートやステージが必要である。これらの収納部品は従来から石英ガラス(SiO2)や炭化珪素(SiC)が用いられてきているが、これらは半導体素子製造時に移動したり高温に曝されたり特殊なガスに触れるなどして部品の成分が微粒子となって周囲に飛散する。ところが半導体素子は年々高性能化・高精密化しており、工程中で飛散した石英ガラスや炭化珪素の微粒子からの汚染があると素子の品質が安定せず製品歩留まりの低下を招くという問題点がある。そのために最近はシリコンウエハーと同じ材質のシリコン結晶でボートやステージの部品を用いる動きがでてきた。つまりシリコン結晶で半導体製造装置内の部品をまかなうことができると、工程中での不純物汚染は大幅に減り半導体素子の理想的な製造が可能となってくる。 In a semiconductor manufacturing apparatus, a high-purity silicon wafer is accommodated therein, and advanced semiconductor elements are manufactured through various processes such as heat treatment, film formation, chemical corrosion, and exposure. Among these, in a thermal diffusion process for doping impurities into a silicon wafer and a CVD process for forming an oxide film and a nitride film, a boat and a stage for storing silicon wafers having diameters of 200 mm and 300 mm are required. Conventionally, quartz glass (SiO2) and silicon carbide (SiC) have been used for these storage components, but these components are moved by being exposed to high temperatures or exposed to special gases during the manufacture of semiconductor devices. Ingredients become fine particles and scatter around. However, the performance and precision of semiconductor devices are increasing year by year, and contamination from quartz glass and silicon carbide particles scattered during the process causes the quality of the device to become unstable, leading to a decrease in product yield. is there. For this reason, there has recently been a movement to use boat and stage parts with silicon crystals made of the same material as silicon wafers. That is, if the silicon crystal can cover the parts in the semiconductor manufacturing apparatus, the impurity contamination in the process is greatly reduced, and an ideal semiconductor device can be manufactured.
現在、半導体製造装置で主に使われている石英ガラス製のボートやステージの組み立ては、酸素・水素ガスバーナーで熔融接合する方法で行われている。石英ガラスの様な酸化物でしかもガラス質なものは、空気中でガスバーナーを用いて熔融加工・接合することが古くから行われてきた。 At present, assembling of quartz glass boats and stages, which are mainly used in semiconductor manufacturing equipment, is performed by a method of fusion bonding with an oxygen / hydrogen gas burner. An oxide such as quartz glass and a glassy material has long been melted and bonded using a gas burner in the air.
ところがシリコンは結晶質であり、その融点1414℃での熔融接合は不可能である。しかも1000℃以上になると表面が酸化されるので空気中での取り扱いはできない。従って、半導体製造装置内のシリコン部品の固定・接合を行うには、特定の清浄ガス雰囲気下で熔融接合以外の方法を取らねばならない。また半導体製造工程での不純物汚染が起きる材料は使えないし、更にシリコンウエハーの熱処理や膜形成時の温度(400℃〜1100℃)に耐える接合・固定が要求される。そこで現在、シリコン部品の固定はシリコン製のボルト、ナット及び楔を用いていて行っている(特許文献1参照)。 However, silicon is crystalline and cannot be melt-bonded at its melting point of 1414 ° C. Moreover, since the surface is oxidized at temperatures above 1000 ° C, it cannot be handled in air. Therefore, in order to fix and bond the silicon parts in the semiconductor manufacturing apparatus, a method other than fusion bonding must be taken under a specific clean gas atmosphere. Also, materials that cause impurity contamination in the semiconductor manufacturing process cannot be used, and bonding and fixing that can withstand the temperature (400 ° C. to 1100 ° C.) during heat treatment and film formation of the silicon wafer are required. Therefore, at present, silicon parts are fixed using silicon bolts, nuts, and wedges (see Patent Document 1).
ところがこのようなシリコン製の機械的手段(シリコン製のボルト、ナット、楔などの固定部品)による固定は、a:使用中温度サイクルによりボルトや楔は緩んでくるので作業毎に調整が必要である、b:固定のためのボルトや楔など余計な部品が必要である、c:破損や消耗した時に修理が困難である、d:組み立て工数、固定部品の加工でコストがかさむ、などの問題点を抱えている。 However, fixing with silicon mechanical means (silicon bolts, nuts, wedges, and other fixed parts) is a: Bolts and wedges loosen due to the temperature cycle during use, so adjustment is required for each operation. There are problems such as b: extra parts such as bolts and wedges for fixing are required, c: repair is difficult when damaged or worn, d: man-hours for assembling, and cost for processing fixed parts I have a point.
本発明は、前記従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、シリコン製の機械的手段を用いずに複数のシリコン結晶を所要の耐熱性及び強度で固定できるようにすることである。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and its purpose is to fix a plurality of silicon crystals with required heat resistance and strength without using silicon mechanical means. It is to be.
請求項1の発明は、シリコンの融点よりも低い温度でシリコンと融合する接合材を接合対象である複数のシリコン結晶の間に配置する工程と、前記接合材及びシリコン結晶を前記接合材の融点以上かつシリコンの融点未満の温度に加熱する工程と、その加熱された接合材及びシリコン結晶を冷却し固化させる工程とを有するシリコン結晶を接合する方法である。
請求項2の発明は、請求項1記載のシリコン結晶を接合する方法において、前記接合材がゲルマニウムであることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1記載のシリコン結晶を接合する方法において、前記接合材がシリコン・ゲルマニウム合金であることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1記載のシリコン結晶を接合する方法において、前記接合材が二酸化ゲルマニウムであることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載のシリコン結晶を接合する方法において、前記接合材の形状が粉末状又はペースト状又は薄板状又は粒状又は棒状又はリング状であることを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載のシリコン結晶を接合する方法において、前記複数の結晶の一方が前記接合材を入れるための窪みを有することを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項2又は3記載のシリコン結晶を接合する方法において、前記接合材及びシリコン結晶を不活性ガス又は水素ガス又はそれらの混合ガス雰囲気下で加熱することを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項4記載のシリコン結晶を接合する方法において、前記接合材及びシリコン結晶を酸素ガス又は水蒸気又はそれらの混合ガス雰囲気下で加熱することを特徴とする。
請求項9の発明は、請求項1〜8のいずれかの方法により接合された複数のシリコン結晶を有するシリコン結晶製品である。
The invention of
According to a second aspect of the present invention, in the method for bonding silicon crystals according to the first aspect, the bonding material is germanium.
According to a third aspect of the present invention, in the method for bonding silicon crystals according to the first aspect, the bonding material is a silicon-germanium alloy.
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for bonding silicon crystals according to the first aspect, the bonding material is germanium dioxide.
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for bonding silicon crystals according to any one of the first to fourth aspects, the shape of the bonding material is a powder shape, a paste shape, a thin plate shape, a granular shape, a rod shape, or a ring shape. It is characterized by.
A sixth aspect of the present invention is the method for bonding silicon crystals according to any one of the first to fifth aspects, wherein one of the plurality of crystals has a recess for containing the bonding material.
The invention of claim 7 is the method for bonding silicon crystals according to
According to an eighth aspect of the present invention, in the method for bonding silicon crystals according to the fourth aspect, the bonding material and the silicon crystals are heated in an atmosphere of oxygen gas, water vapor, or a mixed gas thereof.
The invention of claim 9 is a silicon crystal product having a plurality of silicon crystals joined by the method of any one of claims 1-8.
(作用)
本発明によれば、シリコンの融点よりも低い温度でシリコンと融合する接合材を接合対象である複数のシリコン結晶の間に配置し、その接合材及びシリコン結晶をその接合材の融点以上かつシリコンの融点未満の温度に加熱することで接合材とシリコンとを融合させ、その後に冷却し固化させることにより、複数のシリコン結晶を接合する。
(Function)
According to the present invention, a bonding material that fuses with silicon at a temperature lower than the melting point of silicon is disposed between a plurality of silicon crystals to be bonded, and the bonding material and the silicon crystal are equal to or higher than the melting point of the bonding material and silicon. The bonding material and silicon are fused together by heating to a temperature lower than the melting point, and then cooled and solidified to bond a plurality of silicon crystals.
本発明によれば、シリコン製のボルト、ナット及び楔などの固定部品を用いることなく、複数のシリコン結晶を直接接合することが可能になる。このため、半導体製造装置などに使われるシリコン部品やシリコン冶具などを全てシリコン結晶部材へ転換することが可能となり、それらの価格低減が図れる。 According to the present invention, it is possible to directly join a plurality of silicon crystals without using fixing parts such as silicon bolts, nuts and wedges. For this reason, it becomes possible to convert all the silicon parts, silicon jigs, etc. used for a semiconductor manufacturing apparatus etc. into a silicon crystal member, and the price of them can be reduced.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
半導体製造装置内で用いられるシリコン部品の固定をシリコン製の固定部品を用いずに行う場合に解決すべき課題として以下の3項目が挙げられる。
第一の課題は接合部の耐熱温度を1100℃程度確保することである。
第二の課題は接合部分にシリコン以外の素材を用いた場合、これによる不純物汚染を防止することである。当然、この接合材には1100℃程度の耐熱性が要求される。この接合材に何を選択するかが最も重要な課題である。
第三課の課題はシリコン結晶の接合時の雰囲気の設定である。シリコンは温度上昇とともに塩素、臭素などのハロゲンガス、酸素、窒素、水蒸気などの空気中成分ガスと容易に反応しその表面状態が他のシリコン化合物に転換し、シリコン同士の接合を阻害する要因となる。そのために接合時の雰囲気をどの様な成分にして接合を容易にできるかが重要である。
The following three items are listed as problems to be solved when the silicon parts used in the semiconductor manufacturing apparatus are fixed without using the silicon-made fixing parts.
The first problem is to secure the heat resistant temperature of the joint at about 1100 ° C.
The second problem is to prevent impurity contamination caused by a material other than silicon used for the joint portion. Naturally, this bonding material is required to have a heat resistance of about 1100 ° C. What is selected as the bonding material is the most important issue.
The subject of the third section is the setting of the atmosphere when bonding silicon crystals. As the temperature rises, silicon easily reacts with component gases in the air such as chlorine, bromine, etc., oxygen, nitrogen, water vapor, etc., and its surface state is converted to other silicon compounds, which is a factor that hinders bonding between silicon. Become. Therefore, it is important what kind of component the atmosphere at the time of joining can be joined easily.
本実施形態では上記第一の課題を解決するため、接合に用いる素材にゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム合金、二酸化ゲルマニウムの三種類を選択した。 In the present embodiment, in order to solve the first problem, three types of materials, germanium, silicon-germanium alloy, and germanium dioxide, are selected as materials used for bonding.
まずゲルマニウム及びシリコン・ゲルマニウム合金の接合について述べる。
一般にシリコンはあらゆる金属元素と高温で容易に反応し合金を作ることが知られている。そして、それらの組み合わせの内、シリコンとゲルマニウムはどの様な比率でも合金ができる全率固溶型で混合をする唯一の組み合わせである。
First, the joining of germanium and silicon-germanium alloy will be described.
In general, silicon is known to easily react with all metal elements at high temperatures to form an alloy. Of these combinations, silicon and germanium are the only combinations that are mixed in a solid solution type that can be alloyed in any ratio.
図1はゲルマニウム−シリコンの相図を示し、これよりゲルマニウム100%の融点936℃からシリコン100%の融点1414℃まで、液相域〜液相・固相混在域〜固相域がなだらかな勾配で変化していることが分かる。従って、シリコン結晶の間にゲルマニウムを挟み、そのままゲルマニウムの融点936℃以上に上げると、挟まれたゲルマニウムは融けてシリコンと合金化し、その後温度を下げると図1の相図に従った組成分布をとって固化する。つまり、ゲルマニウムとシリコンとの共融混合物が形成され、それが固化する。
Fig. 1 shows the phase diagram of germanium-silicon. From this, the gradient from the liquid phase region to the liquid phase / solid phase mixed region to the solid phase region has a gentle gradient from 100%
例えば接合温度を1050℃に上げると、液体ゲルマニウムはシリコンを溶かし込んで図1の点aに示されているシリコン量約12at%の組成になる。しばらく時間を置くと、接合層は点a→点bの範囲で固相・液相が共存し、固化は点bのシリコン濃度35at%で始まり、点c方向への温度降下により一定の濃度で固化する。実際は最初のゲルマニウムの量や放置時間などにより、接合部分にはシリコン部分へ向かった濃度分布が存在する。接合素材にシリコン・ゲルマニウム合金を使う場合は、接合温度は図1に従って、用いる合金の組成に応じた融点を設定すればよい。 For example, when the bonding temperature is raised to 1050 ° C., the liquid germanium dissolves silicon and becomes a composition having a silicon amount of about 12 at% shown at point a in FIG. After a while, the solid phase and the liquid phase coexist in the range from point a to point b in the bonding layer, and solidification starts at a silicon concentration of 35 at% at point b, and at a constant concentration due to a temperature drop in the direction of point c. Solidify. Actually, there is a concentration distribution toward the silicon portion at the junction due to the amount of germanium and the standing time. When a silicon-germanium alloy is used as the bonding material, the melting temperature may be set according to the composition of the alloy used according to FIG.
このように、接合される両側のシリコン自身が、ゲルマニウムに取り込まれたかたちでシリコンの接合を行う自己合金化接合には幾つかの利点がある。その一つは、シリコンとゲルマニウムとでは熱膨張係数が異なり、これらを1000℃程度に上げると接合部分に熱応力がかかり破損の要因が増すが、この接合部分がシリコンとゲルマニウムの中間成分になることで熱応力が緩和され、機械強度の低下を免れる。更なる利点は、接合温度を上げることにより接合層のシリコン濃度は相図に従って増加し、それにつれて固化温度はシリコンの融点1414℃へ向かって上がるという特性による。この特性により、接合処理温度を変化させることで、シリコン部品の耐熱温度を1000℃から1300℃程度の間で制御できるという利点がでてくる。
Thus, there are several advantages in self-alloying bonding in which silicon on both sides to be bonded itself is bonded to germanium. For one thing, the thermal expansion coefficients of silicon and germanium are different, and if they are raised to about 1000 ° C, thermal stress is applied to the joint and the cause of damage increases, but this joint becomes an intermediate component between silicon and germanium. As a result, the thermal stress is relieved and the mechanical strength is prevented from decreasing. A further advantage is due to the property that by increasing the bonding temperature, the silicon concentration of the bonding layer increases according to the phase diagram, with the solidification temperature increasing towards the melting point of
三つ目の接合材である二酸化ゲルマニウムを用いたシリコン結晶の接合について述べる。二酸化ゲルマニウム(GeO2)は融点が1116℃で、石英ガラス(二酸化シリコン:SiO2)と同じく固化するとガラスになることが知られている。また二酸化ゲルマニウムは水素ガス中で1000℃程度に加熱すると容易に還元され金属ゲルマニウムとなるために、安定した二酸化ゲルマニウムを保持するには酸化雰囲気で加熱しなければならない。一方、シリコンは酸素や水蒸気の存在下で加熱すると、表面が酸化され二酸化シリコンの薄膜が容易に形成される。この二酸化シリコンと二酸化ゲルマニウムとは相図の上ではゲルマニウム−シリコンのような全率固溶型ではないが、本接合方法は互いが酸化物でしかもガラス化し融合して結合することを利用する。つまり、二酸化ゲルマニウムと二酸化シリコンとの共融混合物を形成し、それを固化させる。 A description will be given of silicon crystal bonding using germanium dioxide, which is the third bonding material. It is known that germanium dioxide (GeO2) has a melting point of 1116 ° C. and becomes a glass when solidified, like quartz glass (silicon dioxide: SiO2). Further, since germanium dioxide is easily reduced to metal germanium when heated to about 1000 ° C. in hydrogen gas, it must be heated in an oxidizing atmosphere in order to maintain stable germanium dioxide. On the other hand, when silicon is heated in the presence of oxygen or water vapor, the surface is oxidized and a silicon dioxide thin film is easily formed. Although silicon dioxide and germanium dioxide are not completely solid solution types like germanium-silicon on the phase diagram, this bonding method utilizes the fact that they are oxides and vitrified and fused together. That is, a eutectic mixture of germanium dioxide and silicon dioxide is formed and solidified.
次に第二の課題である接合部分にシリコン以外の素材を用いた場合の不純物汚染の解決方法を説明する。シリコン半導体素子は、超高純度シリコン単結晶に特定の元素を極微量添加してその特別な機能を発揮している。そのために素子の製造工程での不純物汚染の回避は最重要命題である。例えば不純物汚染の中でも最も避けなければならないのは、素子の電気的特性に直ちに影響を与える元素周期律表で三価のアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga),インジウム(In)や五価のリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)などの元素である。逆に比較的安全な元素は元素周期律表で四価の炭素(C)、ゲルマニウム(Ge)、錫(Sn)、である。これらはシリコンと同属の四価のために電気的に中性で素子の電気的動作に対する影響が最も少ない。これらの中でも特にゲルマニウムは初期の半導体の素材として使われ、最近はシリコン・ゲルマニウム混合結晶の高性能半導体が実用化されている。従ってゲルマニウムはシリコン半導体素子に対する影響が最も少ない元素であり、本発明で半導体製造装置用部品の接合にゲルマニウム又はシリコン・ゲルマニウム合金を見出したことは最良の選択といえる。 Next, a solution method for impurity contamination when a material other than silicon is used for the joint portion, which is the second problem, will be described. A silicon semiconductor element exhibits a special function by adding a trace amount of a specific element to an ultra-high purity silicon single crystal. Therefore, avoiding impurity contamination in the device manufacturing process is the most important proposition. For example, the most important element of impurity contamination is the periodic table of elements that immediately affects the electrical characteristics of the device, with trivalent aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), and pentavalent phosphorus. Elements such as (P), arsenic (As), and antimony (Sb). Conversely, relatively safe elements are tetravalent carbon (C), germanium (Ge), and tin (Sn) in the periodic table. Since these are tetravalent in the same group as silicon, they are electrically neutral and have the least influence on the electrical operation of the device. Among these, germanium is particularly used as a material for early semiconductors, and recently, high-performance semiconductors composed of silicon / germanium mixed crystals have been put into practical use. Therefore, germanium is an element having the least influence on the silicon semiconductor element, and it can be said that the discovery of germanium or a silicon-germanium alloy in the joining of the parts for semiconductor manufacturing apparatus in the present invention is the best choice.
また接合材に二酸化ゲルマニウムを用いる場合、仮にその微粉末が半導体製造過程で発生した場合は、石英ガラス製部品や冶具を用いた場合と同様な汚染が懸念される。ところが石英ガラス製部品や冶具の場合は全体が石英ガラスでできているが、シリコン結晶接合の場合は全体がシリコンで接合部分のみが二酸化ゲルマニウムである。しかも接合部分の体積や表面積は全体の千分の一以下で更に露出部分は殆ど無いために、二酸化ゲルマニウムによる汚染は最小限に留まることになる。このようなことを勘案すると、二酸化ゲルマニウム接合材のシリコン半導体素子への影響は、ゲルマニウム及びシリコン・ゲルマニウム合金に次いで不純物汚染の問題は少ないと予想できる。 Further, when germanium dioxide is used as the bonding material, if the fine powder is generated in the semiconductor manufacturing process, there is a concern that the same contamination as when quartz glass parts or jigs are used. However, in the case of quartz glass parts and jigs, the whole is made of quartz glass, but in the case of silicon crystal bonding, the whole is silicon and only the bonding portion is germanium dioxide. In addition, since the volume and surface area of the joint portion are less than one thousandth of the whole and there are almost no exposed portions, contamination by germanium dioxide is kept to a minimum. In consideration of this, it can be expected that the influence of the germanium dioxide bonding material on the silicon semiconductor element is less likely to cause impurity contamination next to germanium and silicon-germanium alloy.
次に第三の課題であるシリコン結晶接合時に互いの表面を接合に適した状態を保つことの解決方法について説明する。
まず接合材にゲルマニウム及びシリコン・ゲルマニウム合金を用いる場合は、シリコン結晶の接合表面が酸化しないような工程を踏むことや雰囲気ガスを選択することである。特にシリコンは水蒸気存在下では500℃前後から、酸素雰囲気では1000℃前後から酸化が始まり、シリコン結晶表面は安定な酸化膜で覆われシリコン同士の接合はできない。そこでこれらの酸化膜形成を避けるために、接合処理電気炉の接合部品収納容器内は常温より400℃程度まで真空ポンプを用いて高真空を保持する。その後高純度不活性ガス又は高純度水素ガス又はそれらの混合ガスを導入して一気圧にし、これらのガスを常時流しながら温度を400℃程度から接合温度の1000℃以上に上昇させる。このようにすると、シリコン表面の酸化膜形成は最小限に抑えられる。特に高純度水素ガスにより還元雰囲気にすると、接合材のゲルマニウムの酸化物形成を抑制できゲルマニウム又はシリコン・ゲルマニウム合金の接合材を用いたシリコン結晶接合を効果的に行うことができる。
Next, a solution for keeping the surfaces suitable for bonding at the time of silicon crystal bonding, which is the third problem, will be described.
First, when using germanium and a silicon-germanium alloy as a bonding material, it is necessary to take a process that does not oxidize the bonding surface of the silicon crystal or to select an atmospheric gas. In particular, silicon begins to oxidize from around 500 ° C. in the presence of water vapor and from around 1000 ° C. in an oxygen atmosphere, and the silicon crystal surface is covered with a stable oxide film, and silicon cannot be bonded to each other. Therefore, in order to avoid the formation of these oxide films, the inside of the joining component storage container of the joining electric furnace is kept at a high vacuum from room temperature to about 400 ° C. using a vacuum pump. Thereafter, a high purity inert gas, a high purity hydrogen gas or a mixed gas thereof is introduced to a pressure of 1 atm, and the temperature is raised from about 400 ° C. to a bonding temperature of 1000 ° C. or higher while these gases are constantly flowing. In this way, the formation of an oxide film on the silicon surface can be minimized. In particular, when a reducing atmosphere is formed with high-purity hydrogen gas, formation of germanium oxide in the bonding material can be suppressed, and silicon crystal bonding using a bonding material of germanium or a silicon-germanium alloy can be effectively performed.
一方、接合材に二酸化ゲルマニウムを用いる場合は、シリコン結晶の接合表面を故意に酸化させる必要がある。そこでこの場合のシリコン結晶の接合は、高純度酸素雰囲気を保つとともに、温度を二酸化ゲルマニウムの融点1116℃より高く、約1150℃から1200℃程度に保つ必要がある。この温度に上昇する過程でシリコン結晶の接合面には酸化膜が形成され、1116℃以上になると融けた二酸化ゲルマニウムは接合面の隙間に濡れて浸入していく。その後温度を下げると接合面は極薄い二酸化ゲルマニウムガラスとして固化し、双方のシリコン結晶は表面の二酸化シリコンと接着した二酸化ゲルマニウムを介して強固に接合される。 On the other hand, when germanium dioxide is used for the bonding material, it is necessary to intentionally oxidize the bonding surface of the silicon crystal. Therefore, in this case, it is necessary to maintain a high-purity oxygen atmosphere and to maintain the temperature at a temperature higher than the melting point of germanium dioxide of 1116 ° C. and about 1150 ° C. to 1200 ° C. In the process of rising to this temperature, an oxide film is formed on the bonding surface of the silicon crystal, and when it reaches 1116 ° C. or higher, the melted germanium dioxide gets wet into the bonding surface and enters. Thereafter, when the temperature is lowered, the bonding surface is solidified as an ultrathin germanium dioxide glass, and both silicon crystals are firmly bonded via germanium dioxide bonded to the surface silicon dioxide.
次に三種類の接合材の形状について述べる。
シリコン結晶を接合する部分は、シリコン部品の形状、位置関係、力の分布の仕方、精度など、其々異なった様相をとる。従ってそこで使われる接合材の形状は粉末状、ペースト状、薄板状、粒状、球状、棒状、リング状などを呈し、用途に適した形状のものを使用するのが効果的である。
Next, the shapes of the three types of bonding materials will be described.
The portion where the silicon crystal is bonded has different aspects such as the shape, positional relationship, force distribution method, and accuracy of the silicon component. Therefore, the shape of the bonding material used therein is powdery, pasty, thin plate, granular, spherical, rod-shaped, ring-shaped, etc., and it is effective to use a shape suitable for the application.
ゲルマニウム及びシリコン・ゲルマニウム合金及び二酸化ゲルマニウムの各々の粉末状のものは市販されているので、それらをそのまま用いればよい。ペースト状にするには市販の粉末を1ミクロン以下程度に粉砕し、これにメタノールなどの有機溶剤を少量添加しペースト状にすればよい。また、これらの接合材の薄板状、粒状、球状、棒状、リング状を得るには一般的には各素材のインゴットを作り、これより切断、研摩などの加工をして作る。しかし、この方法では材料の無駄が多く、加工の手間も多くかかりコスト的に採用することは難しい。そこで本発明者等は無機の結晶・ガラス素材を、鋳物を作る場合と同じように自在な形状にする技術「整形結晶化技術」を保有している。(特許第2947529:整形結晶の製造方法及び装置)この技術を用いることで、三種類の接合材の薄板状、粒状、球状、棒状、リング状は容易に作成でき、しかもこのプロセスでは原料の殆ど全てを利用できるためにコストも下がり、接合材への利用方法として最適と思われる。 Germanium, silicon-germanium alloy, and germanium dioxide powders are commercially available, and may be used as they are. In order to obtain a paste, a commercially available powder may be pulverized to about 1 micron or less, and a small amount of an organic solvent such as methanol may be added thereto to make a paste. Further, in order to obtain a thin plate shape, a granular shape, a spherical shape, a rod shape, and a ring shape of these bonding materials, in general, an ingot of each material is made, and a cutting, polishing, and the like are performed from this. However, this method has a lot of waste of materials and requires a lot of processing, and it is difficult to adopt it in terms of cost. Therefore, the present inventors possess a technology “shaping crystallization technology” that makes an inorganic crystal / glass material into a free shape as in the case of casting. (Patent No. 2947529: Manufacturing method and apparatus for shaped crystal) By using this technology, three types of joining materials can be easily created in the form of thin plates, granules, spheres, rods, and rings. Since all can be used, the cost is reduced, which seems to be the most suitable method for joining materials.
以下、各種形状のシリコン結晶同士を接合する方法について具体的に説明する。
図2は棒状シリコン結晶同士を接合する方法を説明するための図である。ここでAは斜視図であり、B〜Dは棒状シリコン結晶の軸線を通る鉛直面で切断した断面図である。A、Bに示すように、一方の棒状シリコン結晶1に窪み1aを設け、他方の棒状シリコン結晶2に突起2aを設ける。また突起2aの先端には、接合材3を入れるための窪み2bを設ける。窪み1aの表面(内面)、及び突起2aの表面(外面)が接合面となり、接合材3は接合面の近傍に配置される。
Hereinafter, a method for bonding silicon crystals having various shapes will be described in detail.
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of joining rod-like silicon crystals together. Here, A is a perspective view, and B to D are cross-sectional views cut along a vertical plane passing through the axis of the rod-like silicon crystal. As shown in A and B, one bar-shaped
Bに示すように窪み2bの内部に接合材3を入れた後に、Cに示すように棒状シリコン結晶1及び2を嵌め合わせる。この状態を保ったままで電気炉に入れ、接合材3に適した温度と雰囲気にする。所定の条件に達すると接合材3が融け、Dに示すように接合面の隙間4に浸入する。この状態から冷却することで棒状シリコン結晶1と2とは強固に接合される。なお、ここでは断面が円形の棒状シリコン結晶を示したが、四角形、三角形、或いはその他の形状でも同様な接合ができる。
After the
図3は棒状シリコン結晶の上下両端に板状シリコン結晶を接合する方法の一例を説明するための図である。ここでAは上端に接合する板状結晶の平面図であり、Bは棒状結晶を板状結晶に嵌め込んだ状態を棒状結晶の軸線を含む鉛直面で切断した断面図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining an example of a method for joining plate-like silicon crystals to the upper and lower ends of a rod-like silicon crystal. Here, A is a plan view of a plate-like crystal bonded to the upper end, and B is a cross-sectional view of a state in which the rod-like crystal is fitted in the plate-like crystal, cut along a vertical plane including the axis of the rod-like crystal.
A、Bに示すように、上端に接合する板状結晶11には棒状結晶13を嵌め込むための穴11bと、その穴11bの中心部の上方に連通した小径の穴11aとを設ける。下端に接合する板状結晶12にも同様に棒状結晶13を嵌め込むための穴(図示せず)を設ける。棒状結晶13の下端には接合材14を入れるための窪み13aを設ける。
As shown in A and B, the plate-
Bに示すように、窪み13a内に接合材14を入れ、板状結晶12に嵌め込んで固定する。また、棒状結晶13の上端に板状結晶11を嵌め込み、その上端の穴11aに接合材14を入れる。この状態を保ったまま電気炉に入れ、接合材14に適した温度と雰囲気にし、所定の条件に達すると、接合材14が融けて接合面の隙間に浸入する。この状態から冷却することで、棒状シリコン結晶13と板状シリコン結晶11及び12とは強固に接合される。なお、ここでも棒状結晶13の断面形状は円形に限らず、四角形、三角形、或いはその他の形状でも同様な接合ができる。また板状結晶11及び12の平面形状は矩形に限らず、円形、三角形、或いはその他の形状でもよい。
As shown to B, the joining
図4は棒状シリコン結晶の上下両端に板状シリコン結晶を接合する方法の別の一例を説明するための図である。ここでAは上端に接合する板状結晶の平面図であり、Bは棒状結晶を板状結晶に嵌め込んだ状態を棒状結晶の軸線を含む鉛直面で切断した断面図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining another example of a method for bonding plate-like silicon crystals to upper and lower ends of a rod-like silicon crystal. Here, A is a plan view of a plate-like crystal bonded to the upper end, and B is a cross-sectional view of a state in which the rod-like crystal is fitted in the plate-like crystal, cut along a vertical plane including the axis of the rod-like crystal.
Aに示すように、上端に接合する板状結晶11には棒状結晶23を嵌め込むための穴21bと、その穴21bの周縁部の上方に連通した4個の小径の穴21aとを設ける。下端に接合する板状結晶22にも同様に棒状結晶23を嵌め込むための穴(図示せず)と、環状の窪み22aとを設ける。環状の窪み22aは棒状結晶13を嵌め込むための穴の開口部の口径を拡げたものとも言える。
As shown in A, the plate-
Bに示すように、窪み22a内に接合材24を入れ、棒状結晶23を嵌め込んで固定する。また、棒状結晶23の上端に板状結晶21を嵌め込み、その上端の窪み21aに接合材24を入れる。この状態を保ったまま電気炉に入れ、接合材24に適した温度と雰囲気にし、所定の条件に達すると、接合材24が融けて接合面の隙間に浸入する。この状態から冷却することで、棒状シリコン結晶23と板状シリコン結晶21及び22とは強固に接合される。ここでも棒状結晶23の断面形状は円形に限らず、四角形、三角形、或いはその他の形状でも同様な接合ができる。また板状結晶22及び22の平面形状は矩形に限らず、円形、三角形、或いはその他の形状でもよい。
As shown in B, the
図5は棒状シリコン結晶を横にした状態で板状シリコン結晶を接合する方法を説明するための図である。棒状シリコン結晶33の左端は板状シリコン結晶31を貫通した状態で固定され、右端は板状シリコン結晶32内に固定される。この図において、Aは板状シリコン結晶31及び32を棒状シリコン結晶33に嵌め込んだ状態を板状シリコン結晶31の厚さ方向の中心部を通る鉛直面で切断した断面図であり、Bは棒状シリコン結晶33の軸線を含む鉛直面で切断した断面図である。
FIG. 5 is a view for explaining a method of joining the plate-like silicon crystals with the rod-like silicon crystals lying sideways. The left end of the rod-
板状結晶31には棒状シリコン結晶33を嵌め込むための貫通穴(図示せず)を空け、その貫通穴の奥行き方向(板状結晶31の厚さ方向)の中心部上に接合材34を入れるための小穴31aを空ける。一方、板状結晶32には棒状シリコン結晶33を嵌め込むための貫通していない穴を空ける。また、棒状シリコン結晶33の右端には接合材34を入れるための窪み33aを設ける。
A through-hole (not shown) for fitting the rod-
棒状シリコン結晶33の右端の窪み33a内に接合材34を入れた後に右端を板状シリコン結晶32に嵌め込み、左側を板状シリコン結晶31に嵌め込み、左端を貫通させる。次いで板状結晶31の小穴31a内に接合材34を入れる。この状態を保ったまま電気炉に入れ、接合材34に適した温度と雰囲気にし、所定の条件に達すると、接合材が融けて接合面の隙間に浸入する。この状態から冷却することで、棒状シリコン結晶33と板状シリコン結晶31及び32とは強固に接合される。ここでも棒状結晶33の断面形状は円形に限らず、四角形、三角形、或いはその他の形状でも同様な接合ができる。
After the
図6は2枚の円板状シリコン結晶を接合する例を示す。この図においてAは円板状シリコン結晶41の平面図及び断面図並びにその上に配置される円板状シリコン結晶42の断面図であり、B、Cは接合の工程を示す図である。
FIG. 6 shows an example of joining two disk-like silicon crystals. In this figure, A is a plan view and a cross-sectional view of the disk-
Aに示すように、一方の円板状シリコン結晶41の表面には接合材を入れるための半球状の窪み41aを中心部に1個、周辺部に8個の計9個設ける。そして、窪み41a内に接合材を入れた後に円板状シリコン結晶41の上面に平坦な円板状シリコン結晶42を重ねる。これによりBに示す状態となる。次いで、重ねた状態を保持したまま図示しない手段により上下を反転させ、Cに示す状態にする。この反転により、接合材43は接合面である板状シリコン結晶41と42の接触面よりも上方に存在するようになる。ここで円板状シリコン結晶41の中央に錘(図示せず)を載せておく。この状態を保ったまま電気炉に入れ、接合材43に適した温度と雰囲気にし、所定の条件に達すると、接合材43が融けて接合面の隙間に浸入する。この状態から冷却することで、2枚の板状シリコン結晶41及び42は強固に接合される。ここで円板状結晶41、42に限らず、平面形状が四角形、三角形、或いはその他の形状でも同様な接合ができる。また窪み41aの形状も半球状に限らず、他の形状でもよい。
As shown in A, the surface of one disk-
図7は電流経路を定めるスリットが形成された角板状シリコン結晶に棒状のシリコン製電極を接合してシリコンヒーターを製作する方法を説明するための図である。この図において、Aは角板状シリコン結晶の平面図であり、Bは接合工程を示す正面図である。 FIG. 7 is a view for explaining a method of manufacturing a silicon heater by bonding a rod-shaped silicon electrode to a square plate-like silicon crystal in which a slit for defining a current path is formed. In this figure, A is a plan view of a square plate-like silicon crystal, and B is a front view showing a bonding process.
Aに示すように、角板状シリコン結晶51の上面には電流経路を定めるためのスリット51bが形成されている。また、角板状シリコン結晶51の電流経路の両端、即ち角板状シリコン結晶51の上面の対角線上の二つの隅には接合材を入れるための穴51aが形成されている。
As shown in A, a
そしてBに示すように、穴51aの真下にシリコン製電極52が位置するようにシリコン製電極52の上面を角板状シリコン結晶51の下面に接触させる。次いで穴51a内に接合材53を入れ、その状態を保ったまま電気炉に入れ、前述したような接合材に適した温度と雰囲気にし、所定の条件に達すると、接合材53が融けて接合面(シリコン製電極52の上面と角板状シリコン結晶51の下面)の隙間に浸入する。この状態から冷却することで、角板状シリコン結晶51と電極52とは強固に接合される。ここで角板状結晶51に限らず、平面形状が円形、三角形、或いはその他の形状でも同様な接合ができる。
Then, as shown in B, the upper surface of the
次に本発明の実施例について説明する。本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。 Next, examples of the present invention will be described. The present invention is not limited by these examples.
〔実施例1〕
接合材に市販の99.999%(5N)ゲルマニウム粉末を用いた。このゲルマニウム粉末約100mgを大きさが縦40mm×横50mm×厚さ24mmの矩形板状シリコン単結晶の中央に均一に配置し、この上に直径20mm、高さ30mmの円柱状シリコン単結晶を載せた。これを電気炉に入れ、真空ポンプで排気した後、炉内部を水素ガス約20%添加したアルゴンガスで1気圧にし、温度を毎時700℃の速度で1000℃まで上げた。このガスは1000℃までは毎分500ccを継続して流した。
[Example 1]
Commercially available 99.999% (5N) germanium powder was used as the bonding material. About 100 mg of this germanium powder is uniformly placed in the center of a rectangular plate-shaped silicon single crystal having a size of 40 mm long × 50 mm wide × 24 mm thick, and a cylindrical silicon single crystal having a diameter of 20 mm and a height of 30 mm is placed thereon. It was. This was put into an electric furnace and evacuated with a vacuum pump. The inside of the furnace was made 1 atmosphere with argon gas added with about 20% hydrogen gas, and the temperature was raised to 1000 ° C. at a rate of 700 ° C. per hour. This gas was continuously flowed at 500 cc / min up to 1000 ° C.
1000℃に到達した時点で、矩形板状シリコン単結晶と円柱状シリコン単結晶に挟まれたゲルマニウムはその融点936℃より約60℃以上高くなっている。ここで円柱状シリコン単結晶の上部から軽く力をかけた後、毎時約1000℃の速度で常温へ戻した。取り出された矩形板状シリコン単結晶と円柱状シリコン単結晶との接着強さを測定したところ10kg/cm2以上となり、強固に接合されていることを確認した。 When the temperature reaches 1000 ° C., germanium sandwiched between the rectangular plate-like silicon single crystal and the columnar silicon single crystal is higher than its melting point of 936 ° C. by about 60 ° C. or more. Here, a light force was applied from the top of the cylindrical silicon single crystal, and then returned to room temperature at a rate of about 1000 ° C. per hour. When the adhesion strength between the extracted rectangular plate-like silicon single crystal and the cylindrical silicon single crystal was measured, it was 10 kg / cm 2 or more, and it was confirmed that they were firmly bonded.
〔実施例2〕
接合材に市販の99.99%(4N)二酸化ゲルマニウム粉末を用いた。この二酸化ゲルマニウム粉末約50mgを大きさが縦40mm×横50mm×厚さ24mmの矩形板状シリコン単結晶の中央に均一に配置し、この上に直径20mm、高さ30mmの円柱状シリコン単結晶を載せた。これを電気炉に入れ、真空ポンプで排気した後、炉内部を酸素ガス約20%添加した純水アルゴンガスで1気圧にし、温度を毎時700℃の速度で1200℃まで上げた。このガスは1200℃までは毎分500ccを継続して流した。
[Example 2]
Commercial 99.99% (4N) germanium dioxide powder was used as the bonding material. Approximately 50 mg of this germanium dioxide powder is uniformly placed in the center of a rectangular plate-shaped silicon single crystal having a size of 40 mm long × 50 mm wide × 24 mm thick, and a cylindrical silicon single crystal having a diameter of 20 mm and a height of 30 mm is placed thereon. I put it. This was put into an electric furnace and evacuated with a vacuum pump. The inside of the furnace was made 1 atmosphere with pure water argon gas added with about 20% oxygen gas, and the temperature was increased to 1200 ° C. at a rate of 700 ° C. per hour. This gas was continuously flowed at 500 cc per minute up to 1200 ° C.
1200℃に到達した時点で、矩形板状シリコン単結晶と円柱状シリコン単結晶に挟まれた二酸化ゲルマニウムはその融点1116℃より約80℃以上高くなっている。ここで円柱状シリコン単結晶上部から軽く力をかけた後、毎時約1000℃の速度で常温へ戻した。取り出された矩形板状シリコン単結晶と円柱状シリコン単結晶との接着強さを測定したところ、実施例1と同じく10kg/cm2以上となり、強固に接合されていることを確認した。 When the temperature reaches 1200 ° C., germanium dioxide sandwiched between the rectangular plate-like silicon single crystal and the cylindrical silicon single crystal is higher than its melting point 1116 ° C. by about 80 ° C. or more. Here, a light force was applied from the top of the cylindrical silicon single crystal, and then the temperature was returned to room temperature at a rate of about 1000 ° C. per hour. When the adhesive strength between the extracted rectangular plate-like silicon single crystal and the cylindrical silicon single crystal was measured, it was 10 kg / cm 2 or more, as in Example 1, and it was confirmed that they were firmly joined.
1,2,13,23,33・・・棒状シリコン結晶、3・・・接合材、4・・・接合面の隙間、11,12,21,22,31,32・・・板状シリコン結晶、41,42・・・円板状シリコン結晶、51・・・角板状シリコン結晶、52・・・シリコン製電極。 1, 2, 13, 23, 33 ... Rod-like silicon crystal, 3 ... Bonding material, 4 ... Gap between joint surfaces, 11, 12, 21, 22, 31, 32 ... Plate-like silicon crystal , 41, 42... Disc-shaped silicon crystal, 51... Square-plate silicon crystal, 52.
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