JP2014188536A - 金属材の拡散接合方法および金属材の拡散接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な厚さの合金層が形成されることにより、機械的、電気的な信頼性に優れた接合が可能な、金属材の拡散接合方法および金属材の拡散接合装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第１の金属材と、第２の金属材とを離間させた状態で、前記第１の金属材の一方の面と、前記第２の金属材の一方の面と、を還元性ガスに曝す曝露工程と、前記第１の金属材の一方の面と、前記第２の金属材の一方の面とを当接させ、加圧する加圧工程と、を有し、前記曝露工程において、前記還元性ガスは、前記第１の金属材の一方の面上において、前記第１の金属材の一方の面の面方向に沿って、前記第１の金属材の一方の面の外側に流れており、前記第２の金属材の一方の面上において、前記第２の金属材の一方の面の面方向に沿って、前記第２の金属材の一方の面の外側に流れている、金属材の拡散接合方法。
【選択図】図２

Description

この発明は、金属材の拡散接合方法および金属材の拡散接合装置に関する。

拡散接合は、金属材同士を当接させ、所定の温度に加熱した状態で所定時間加圧することで、接合界面で原子を相互拡散させて、全体の変形を抑制しつつ接合させる技術である。異種金属材間の接合が可能なことや、接合変形率が小さいこと等の理由から、半導体基板の配線、微小な精密部品や複雑形状の部品の製造等に用いることが注目されている。

従来、拡散接合方法を用いて金属材を接合するためには、金属材同士を当接させ、４００〜７００℃程度で加熱した状態で、数十分から数時間の間加圧する必要があった。これは、金属材の表面が酸化していることにより、接合界面における金属材原子の相互拡散が阻害され、十分な接合強度を得るために高い加熱温度と時間を要するためである。

これに対して、非特許文献１に示す方法によれば、金属材の表面をギ酸に曝すことにより、金属材の表面の酸化被膜を還元できる。その結果、従来よりも低い温度で、かつ短い時間で金属材を接合できる。

N. Unami, H. Noma, K. Sakuma, A. Shigetou, S. Shoji and J. Mizuno, "Investigations of Fluxless Flip-chip Bonding Using Vacuum Ultraviolet and Formic Acid Vapor Surface Treatment", APM 2011, Xiamen, China

しかし、非特許文献１に示す金属材の拡散接合方法においては、金属材の表面をギ酸に曝すことにより、ギ酸と金属材の表面に形成された酸化被膜とが反応して化合物が生成される。該化合物は、金属材の表面に再付着し、金属材の表面が、付着する該化合物によって凹凸を有することとなる。そのため、金属材同士の接合界面に形成される合金層の厚さが不均一になり、接合界面の機械的、電気的な信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みて成されたものであって、均一な厚さの合金層が形成されることにより、機械的、電気的な信頼性に優れた接合が可能な、金属材の拡散接合方法および金属材の拡散接合装置を提供することを目的とする。

本発明の金属材の拡散接合方法は、第１の金属材と、第２の金属材とを離間させた状態で、前記第１の金属材の一方の面と、前記第２の金属材の一方の面と、のうち少なくとも一方を還元性ガスに曝す曝露工程と、前記第１の金属材の一方の面と、前記第２の金属材の一方の面とを当接させ、加圧する加圧工程と、を有し、前記曝露工程において、前記還元性ガスは、前記第１の金属材の一方の面上において、前記第１の金属材の一方の面の面方向に沿って、前記第１の金属材の一方の面の外側に流れており、前記第２の金属材の一方の面上において、前記第２の金属材の一方の面の面方向に沿って、前記第２の金属材の一方の面の外側に流れている。

前記還元性ガスの流れは、前記第１の金属材の一方の面上から、前記第１の金属材の一方の面より下方側に向かう流れであり、前記第２の金属材の一方の面上から、前記第２の金属材の一方の面より下方側に向かう流れであってもよい。

前記曝露工程において、前記第１の金属材の一方の面と、前記第２の金属材の一方の面と、の両方を前記還元性ガスに曝してもよい。

前記還元性ガスの流れは、前記第１の金属材の一方の面より上方側から、前記第１の金属材の一方の面上に向かう流れであり、前記第２の金属材の一方の面より上方側から、前記第２の金属材の一方の面上に向かう流れであってもよい。

前記第１の金属材と、前記第２の金属材とを、前記第１の金属材および前記第２の金属材の表面に形成された酸化被膜が、前記還元性ガスと反応して還元される最低温度である還元開始温度以上に加熱する第１加熱工程を有していてもよい。

前記第１の金属材と、前記第２の金属材とを、前記加圧工程における加圧下において、前記第１の金属材と、前記第２の金属材と、が拡散接合される温度以上に加熱する第２加熱工程を有していてもよい。

前記還元性ガスは、酸性であってもよい。

前記還元性ガスは、ギ酸を含んでいてもよい。

本発明の金属材の拡散接合装置は、第１の金属材が設置される第１のホルダーと、前記第１のホルダーに対向して設けられ、第２の金属材が設置される第２のホルダーと、前記第１の金属材と前記第２の金属材とが離間する第１位置と、前記第１の金属材と前記第２の金属材とが当接する第２位置との間で、前記第１のホルダーと前記第２のホルダーとの少なくとも一方を移動させる移動機構と、前記第１の金属材と前記第２の金属材とを加熱する加熱機構と、前記第１位置において、前記第１の金属材と前記第２の金属材との間に還元性ガスの流れを生成するフロー機構と、を備える。

少なくとも前記第１のホルダーと、前記第２のホルダーとを収容するチャンバーを備え、前記フロー機構は、前記第１のホルダーにおいて前記第１の金属材を設置する面の面方向の一方側に位置する前記チャンバーの外壁に設けられた還元性ガス流入口と、前記面方向の他方側に位置する前記チャンバーの外壁に設けられた還元性ガス流出口と、を備えていてもよい。

前記還元性ガス排出口は、前記第１のホルダーおよび前記第２のホルダーより下方側に設けられていてもよい。

前記還元性ガス流入口は、前記第１のホルダーおよび前記第２のホルダーより上方側に設けられていてもよい。

前記加熱機構は、前記第１のホルダーおよび前記第２のホルダーに備えられていてもよい。

本発明によれば、均一な厚さの合金層が形成されることにより、機械的、電気的な信頼性に優れた接合が可能な、金属材の拡散接合方法および金属材の拡散接合装置を提供できる。

本実施形態の金属材の拡散接合装置を示す概略図である。 本実施形態の金属材の拡散接合方法を示す断面図である。 本実施例におけるスペクトル分析結果を示すグラフである。 本実施例における金属膜の接合界面を示す走査型電子顕微鏡写真である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る金属材の拡散接合方法および金属材の拡散接合装置について説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。
なお、本実施形態は、後述する還元性ガスＧｒをギ酸とした場合を例示するものである。

本明細書における、「拡散接合」とは、ＪＩＳＺ３００１−２「溶接用語−第２部：溶接方法 ４．２．７固相接合」に定義された「母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で、塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法。」を意味する。
本実施形態において、母材は金属材（金属膜）である。

本明細書における、「還元性ガス」とは、還元性を有する物質の気体が含まれたガスを意味し、酸性を有する物質の気体との混合ガスも含まれるものとする。混合される気体は、１種類であっても、２種類以上であってもよい。還元性を有する物質としては、たとえば、ホルムアルデヒドやアセトアルデヒドなどのアルデヒド類、水素、塩素、フッ素、があげられる。また、酸性を有する物質としては、たとえば、塩酸などの無機酸や、酢酸などの有機酸があげられる。還元性および酸性の両方を有する物質としては、たとえば、ギ酸、シュウ酸があげられる。

（拡散接合装置）
図１は、本実施形態の金属材の拡散接合装置１００を示す概略図である。
本実施形態の金属材の拡散接合装置１００は、図１に示すように、チャンバー２０と、支持台２７と、第１の基板ホルダー（第１のホルダー）１０ａと、第２の基板ホルダー（第２のホルダー）１０ｂと、制御装置２５と、移動機構２４と、を備えている。

チャンバー２０は、フロー機構２１と、不活性ガス流入口２２と、を備える。
フロー機構２１は、還元性ガス流入口２１ａと、還元性ガス排出口２１ｂと、を備える。還元性ガス流入口２１ａは、チャンバー２０の外壁の、図示右側（面方向の一方側）の、第２の基板ホルダー１０ｂより上方側（後述する離間状態Ｐ１における位置より上方側）に設けられている。還元性ガス流入口２１ａには、還元性を有する物質の液体Ｌが入った容器が接続されており、液体Ｌに不活性ガスＧｉをバブリングすることによって、液体Ｌの一部を蒸発させて還元性ガスＧｒを発生させ、還元性ガスＧｒをチャンバー２０内に還元性ガスＧｒを流入できるようになっている。
還元性ガス排出口２１ｂは、チャンバー２０の外壁の、第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂを挟んだ逆側である、図示左側（面方向の他方側）の、第１の基板ホルダー１０ａより下方側に設けられている。還元性ガス排出口２１ｂには、不図示の真空ポンプが接続されている。

不活性ガス流入口２２は、チャンバー２０の外壁のどの位置に設けられていてもよく、特に限定されない。たとえば、図１では、チャンバー２０の外壁における、図示左側の上方側に設けられている。

第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂは、それぞれが接合対象となる金属材を保持するものであって、チャンバー２０内に設けられ、それぞれ加熱機構２６を備えている。
第１の基板ホルダー１０ａは、支持台２７上に設置されている。第１の基板ホルダー１０ａの上側の面には、一面に第１の金属膜（第１の金属材）１２ａが形成された第１の基板１１ａが、第１の金属膜１２ａが形成された一面が鉛直方向上側となるようにして設置されている。

第２の基板ホルダー１０ｂは、第１の基板ホルダー１０ａと上下方向に対向するようにして設置されている。第２の基板ホルダー１０ｂは、移動機構２４に支持されている。第２の基板ホルダー１０ｂの下側の面には、一面に第２の金属膜（第２の金属材）１２ｂが形成された第２の基板１１ｂが、第２の金属膜１２ｂが形成された一面が鉛直方向下側となるようにして（第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとが対向するようにして）設置されている。

第１の基板１１ａおよび第２の基板１１ｂの材質は、後述する加圧工程、第１加熱工程および第２加熱工程に耐えられる範囲内において、特に限定されず、たとえば、シリコン基板を用いることができる。

第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの材質は、特に限定されない。たとえば、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｉｎ、およびこれらの合金等を選択できる。第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの形成方法は、特に限定されず、たとえば、蒸着法を用いることができる。
第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面（一方の面）には、空気に曝されることによって、酸化被膜が形成されている。

第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂに備えられた加熱機構２６は、第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂを、後述する第１加熱工程および第２加熱工程において必要な温度以上に加熱できる範囲内において、特に限定されない。

移動機構２４は、第２の基板ホルダー１０ｂを上方から支持している。移動機構２４が上下動することにより、第２の基板ホルダー１０ｂが上下方向に移動する。第２基板ホルダー１０ｂの位置は、後述する曝露工程を行う離間状態Ｐ１における位置（第１位置）と、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとが当接し、後述する加圧工程および第２加熱工程を行う当接状態Ｐ２の位置（第２位置）と、の間で変更可能である。

離間状態Ｐ１においては、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとは離間しており、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとの間には流動空間１４が形成されている。第２の基板ホルダー１０ｂの、離間状態Ｐ１における位置（最も高い位置）は、チャンバー２０に備えられた還元性ガス流入口２１ａよりも下方の位置となっている。離間状態Ｐ１における、第１の金属膜１２ａの上側の面と第２の金属膜１２ｂの下側の面との距離Ｄ１（流動空間１４の鉛直方向長さ）は、長すぎると第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの両方を還元性ガスＧｒに曝すのが困難となる。そのため、たとえば、距離Ｄ１は、５０ｍｍ以下であると好ましい。

当接状態Ｐ２において、移動機構２４をさらに鉛直方向下向きに移動させようとすることで、第２の基板ホルダー１０ｂに、鉛直方向下向きの圧力を加えることができる。移動機構２４としては、所定の圧力まで圧力を加えることができる範囲内において、特に限定されず、たとえば、油圧式や機械式のものを選択できる。所定の圧力としては、たとえば、１．６×１０^８Ｐａである。

制御装置２５は、移動機構２４、加熱機構２６、フロー機構２１のそれぞれと接続されており、それぞれの機構を制御することができる。

（拡散接合方法）
次に、上記の金属材の拡散接合装置１００を用いて、第１の金属膜１２ａと、第２の金属膜１２ｂとを拡散接合する方法について、図１，２を参照して説明する。

図２は、本実施形態の金属材の拡散接合方法を示す図であって、図１の拡散接合装置１００を部分的に示した断面図である。
本実施形態の金属材の拡散接合方法は、雰囲気置換工程と、曝露工程と、第１加熱工程と、加圧工程と、第２加熱工程と、を有する。
図２（ａ）は、曝露工程および第１加熱工程を示す断面図である。図２（ｂ）は、加圧工程および第２加熱工程を示す断面図である。図２（ａ）においては、第２の基板ホルダー１０ｂの位置は、図１に示す離間状態Ｐ１における位置となっており、図２（ｂ）においては、第２の基板ホルダー１０ｂの位置は、図１に示す当接状態Ｐ２における位置となっている。

雰囲気置換工程は、チャンバー２０内の空気を不活性ガスＧｉに置換する工程である。
後述する曝露工程において第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に形成された酸化被膜を還元した後に、再び第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に酸化被膜が形成されるのを抑制するために、チャンバー２０内から酸素を排除する。

図１に示すように、チャンバー２０内の空気を還元性ガス排出口２１ｂから排出し、その後、不活性ガス流入口２２から、不活性ガスＧｉをチャンバー２０内に流入させる。空気の排出には、不図示の真空ポンプを用いる。不活性ガスＧｉとしては、特に限定されず、たとえば、高純度窒素を用いることができる。
雰囲気置換工程においては、第２の基板ホルダーの位置は、離間状態Ｐ１の位置であっても、当接状態Ｐ２の位置であってもよく、またはその中間の位置であってもよい。

次に、曝露工程は、図２（ａ）に示すように、第１の基板１１ａの上面に形成された第１の金属膜１２ａと、第２の基板１１ｂの下面に形成された第２の金属膜１２ｂと、を離間させた状態で還元性ガスＧｒ（ギ酸）に曝す工程である。

まず、移動機構２４を用いて、第２の基板ホルダー１０ｂを離間状態Ｐ１の位置に移動させ、流動空間１４を形成する。
そして、図１に示すように、還元性ガス流入口２１ａから還元性ガスＧｒをチャンバー２０内に流入させる。還元性ガスＧｒは、還元性を有する物質の液体（ギ酸またはギ酸溶液）Ｌに不活性ガスＧｉをバブリングさせることによって、発生させる。そのため、還元性ガスＧｒと共に不活性ガスＧｉも還元性ガス流入口２１ａからチャンバー２０内に流入する。
また、還元性ガスＧｒをチャンバー２０内に流入させると共に、不図示の真空ポンプを用いて、還元性ガス排出口２１ｂから、還元性ガスＧｒおよび不活性ガスＧｉをチャンバー２０の外部へ排出する。

これにより、図２（ａ）に示す矢印方向に沿って、還元性ガスＧｒが流れるダウンフローが形成される。
本明細書における、「ダウンフロー」とは、流動空間１４から、第１の金属膜１２ａの上面（酸化被膜が形成されている面）よりも下方側に流れる還元性ガスＧｒの流れを意味する。

すなわち、還元性ガスＧｒは、流動空間１４の流入側（一方側）１４ａから流動空間１４に流入され、流入側１４ａと反対側の流出側（他方側）１４ｂから流出される。このとき、還元性ガスＧｒが流動空間１４に流入するまでの還元性ガスＧｒの流れは、第２の基板ホルダー１０ｂが設置されているよりも上方から、流動空間１４の流入側１４ａに向かう流れとなる。また、還元性ガスＧｒが流動空間１４から流出した後の還元性ガスＧｒの流れは、流動空間１４の流出側１４ｂから第１の基板ホルダー１０ａよりも下方に向かう流れとなる。
形成された還元性ガスＧｒのダウンフローによって、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂが還元性ガスＧｒに曝される。

次に、第１加熱工程は、図２（ａ）に示すように、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂが還元性ガスＧｒに曝されている状態で、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂを加熱する工程である。

加熱機構２６を動作させ、第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂを加熱する。これにより、第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂにそれぞれ設置された第１の基板１１ａおよび第２の基板１１ｂが加熱され、その結果、第１の基板１１ａおよび第２の基板１１ｂの表面にそれぞれ形成された、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂが加熱される。
加熱は、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの温度が、それぞれの金属膜の表面に形成された酸化被膜が還元性ガスＧｒと反応して還元し始める温度（還元開始温度）以上の温度となるように行う。還元開始温度は、たとえば、金属膜がＳｎである場合には、１５０℃である。

上記工程により、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に形成された酸化被膜が還元性ガスＧｒと反応し、還元される。このとき、還元性ガスＧｒと酸化被膜とが反応することにより化合物１５が生成される。化合物１５は、還元性ガスＧｒのダウンフローによって、流出側１４ｂから、流動空間１４の外部へと排出される。

次に、加圧工程は、図２（ｂ）に示すように、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとを当接させて、加圧する工程である。
移動機構２４によって、第２の基板ホルダー１０ｂを鉛直方向下向きに距離Ｄ１の分だけ移動させて、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとが当接する当接状態Ｐ２にする。そして、さらに移動機構２４によって、第２の基板ホルダー１０ｂを移動させる方向（図２（ｂ）の矢印方向）に圧力を加える。これにより、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとが当接している接合界面１６に金属膜同士が密着するようにして圧力が加えられる。加圧は、次の第２加熱工程が終了するまで行う。

次に、第２加熱工程は、加圧工程により加圧されている状態の第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂを加熱する工程である。加熱機構２６を制御し、第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂを加熱する。加熱する温度としては、たとえば、金属膜がＳｎである場合には、１５０℃とできる。

上記工程により、当接している第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの原子が接合界面１６において相互に拡散し、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの接合界面１６に合金層が形成される。

以上の工程により、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとが、拡散接合によって接合される。

雰囲気置換工程におけるチャンバー２０内の空気を排出した際の真空度と、曝露工程における還元性ガスＧｒの濃度と、を調整することで、曝露工程における第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に形成された酸化被膜の還元される割合の最大値（還元限界）を調整できる。これらのパラメーターによって、還元性ガスＧｒによって酸化被膜が還元される速度と、チャンバー２０内に残存した酸素によって酸化被膜が形成される速度との平衡点が変化するためである。

還元性ガスＧｒの濃度は、還元性ガスＧｒのフローの速度（第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂが曝される単位時間あたりのフロー量）によって調整可能である。還元性ガスＧｒのフローの速度は、還元性ガス流入口２１ａから流入する単位時間あたりの流入量を変えることによっても、離間状態Ｐ１における流動空間１４の鉛直方向の距離Ｄ１を変えることによっても調整可能である。

曝露工程において、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとを還元性ガスＧｒに曝す時間を長くすることにより、還元限界の範囲内において、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に形成された酸化被膜をより多く還元できる。これにより、加圧工程および第２加熱工程の時間を短くでき、第２加熱工程において最低限必要となる加熱温度を下げることができる。

第２加熱工程において、加熱温度を高くすることにより、加圧工程および第２加熱工程の時間を短くすることができる。

上記各パラメーターを相互に調整することによって、拡散接合に要する時間や温度を調整することが可能である。

以上に詳細に説明した、本実施形態の金属材の拡散接合方法によれば、還元性ガスＧｒを流動させて、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂを還元性ガスＧｒに曝す。そのため、還元性ガスＧｒと、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に形成されている酸化被膜と、が反応して生成される化合物１５が、還元性ガスＧｒの流れによって、流動空間１４の外側に排出される。これにより、化合物１５が第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に再付着することが抑制され、化合物１５の再付着による第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの凹凸形成が抑制される。そして、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂを還元性ガスＧｒに曝した後に、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂを当接させて、加圧・加熱することで、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとの接合界面１６に、均一な厚さの合金層が形成される。したがって、信頼性に優れた金属材の拡散接合方法が実現できる。

また、本実施形態では、還元性ガス排出口２１ｂが、第１の基板ホルダー１０ａより下方側に設けられている。そのため、還元性ガスＧｒの流れは、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの面上から、流動空間１４を介して、下方側に流れるダウンフローとなる。したがって、化合物１５が流動空間１４から排出されやすくなり、化合物１５の第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂへの再付着を抑制できる。

また、本実施形態では、還元性ガス流入口２１ａが、還元性ガス排出口２１ｂと第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂを挟んで逆側の、第２の基板ホルダー１０ｂより上方側に設けられている。そのため、還元性ガス流入口２１ａと、流動空間１４と、還元性ガス排出口２１ｂと、がチャンバー２０の略対角線上に配置されている。したがって、還元性ガス流入口２１ａから流入した還元性ガスＧｒは、流動空間１４を介して、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの面上より下方側に流れるダウンフローを形成しやすい。

また、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂを還元性ガスＧｒに曝すことによって、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面の酸化被膜を還元できる。これにより、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂを当接させ、加圧した後に、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂを加熱する温度が低温であっても、第１の金属膜１２ａの原子と第２の金属膜１２ｂの原子とが接合界面１６で相互に拡散しやすく、短時間で十分な接合強度を有する合金層を形成できる。したがって、低温で、かつ短時間での金属材の拡散接合が実現できる。

また、金属膜表面の酸化被膜を除去する方法としては、アルゴンイオンビームやプラズマ照射等を用いたドライエッチングが広範に用いられているが、これらの方法は、高真空雰囲気が必要である。これに対して、本実施形態の金属材の拡散接合方法によれば、大気圧雰囲気下であっても、還元性ガスＧｒと酸化被膜との還元反応が生じるため、簡便である。

また、還元性ガスＧｒを一定の流量で流動空間１４内に供給できるため、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとの両方を安定して還元性ガスＧｒに曝すことができ、還元反応の速度や酸化被膜表面における還元反応の均一性を向上することができる。

また、本実施形態において例示した、還元性ガスＧｒとしてギ酸を用いる金属材の拡散接合方法によれば、還元性ガスＧｒがギ酸であるため酸性を有している。そのため、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に付着している皮脂等の有機汚染物を溶解できる。したがって、有機汚染物による第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面の凹凸が軽減され、接合界面１６に、均一な厚さの合金層が形成される金属材の拡散接合が実現できる。

また、本実施形態において例示した、還元性ガスＧｒとしてギ酸を用いる金属材の拡散接合装置１００によれば、ギ酸は腐食性が低い。そのため、安全性が高く、大型スクラバー等の大型除害装置が不要である。そのため、金属材の拡散接合装置の製造が簡便である。

また、本実施形態によれば、条件によって、たとえば、２６０℃で拡散接合することが可能である。２６０℃は、はんだ接合温度と同程度の温度である。そのため、はんだ接合に耐える材料であれば、併用することができる。また、条件次第では、２６０℃より低い温度での拡散接合も可能であるため、はんだ接合には用いることができない低融点を有する材料等も用いることができる。

また、本実施形態の金属の拡散接合装置１００によれば、加熱機構２６が第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂにそれぞれ設けられているため、第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂ上に設けられた第１の基板１１ａおよび第２の基板１１ｂに熱を加えることが容易であり、その結果、第１の基板１１ａおよび第２の基板１１ｂの表面上に形成された第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂに熱を加えることが容易である。

なお、本実施形態においては、下記の構成を採用してもよい。

移動機構２４は、第１の基板ホルダー１０ａに設けてもよい。この場合においては、第１の基板ホルダー１０ａを移動させることにより、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとを当接させる。

移動機構２４は、第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂの両方に設けてもよい。この場合においては、第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂを移動させることにより、第１の金属膜１２ａと第２の金属膜１２ｂとを当接させる。

第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂは、それぞれの基板を設置する面が鉛直方向と平行になるようにして、左右方向に対向して設けてもよい。この場合においては、還元性ガス流入口２１ａが流動空間１４の真上に、還元性ガス排出口２１ｂが流動空間１４の真下になるようにして、設けられてもよい。

加熱機構２６は、第１の基板ホルダー１０ａおよび第２の基板ホルダー１０ｂに設けられていなくてもよい。たとえば、チャンバー２０に設けられ、チャンバー２０内全体を加熱できるようなものであってもよい。

還元性ガス流入口２１ａは、ダウンフローを発生させられる範囲内において、第２の基板ホルダー１０ｂよりも下方側に設けられていてもよい。たとえば、流動空間１４と略同一の高さの位置に設けられていてもよい。

曝露工程においては、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に化合物１５が再付着しない範囲内において、還元性ガスＧｒの流れは、ダウンフローでなくてもよい。たとえば、流動空間１４を介して左右方向に直線的に流れるような流れであってもよい。この場合においては、還元性ガス流入口２１ａおよび還元性ガス排出口２１ｂは、流動空間１４と略同一の高さの位置に設けることができる。

第１加熱工程は、曝露工程の前に行ってもよく、または同時に行ってもよい。
また、第２加熱工程は、加圧工程の前に行ってもよく、または同時に行ってもよい。
このとき、第１加熱工程と、第２加熱工程とが連続して行われる場合においては、制御装置２５によって、加熱温度を第２加熱工程における加熱温度に変化させた時点で、第２加熱工程に切り替わる。また、第１加熱工程および第２加熱工程における加熱温度が同一である場合には、第２加熱工程に切り替わる時点を外部から観測することはできないが、加熱している間のいずれかの時点において、第２加熱工程に切り替わっている。

曝露工程においては、還元性ガスＧｒの入ったボンベを還元性ガス流入口２１ａに接続する等によって、還元性ガスＧｒをチャンバー２０内に流入してもよい。また、同様にして還元性ガスＧｒと不活性ガスＧｉとの混合ガスをチャンバー２０内に流入してもよい。

曝露工程において、還元性ガスＧｒと、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に形成された酸化被膜と、が常温で反応する場合には、第１加熱工程は省略してもよい。

曝露工程において、第１の金属膜１２ａおよび第２の金属膜１２ｂの表面に形成された酸化被膜が還元され、常温で拡散接合が可能な場合においては、第２加熱工程は省略してもよい。

曝露工程において、第１の金属膜１２ａと、第２の金属膜１２ｂと、のうちどちらか一方だけを還元性ガスＧｒに曝してもよい。

（実施例）
本実施例においては、第１の金属膜１２ａをＳｎの薄膜電極（錫薄膜電極）、第２の金属膜１２ｂをＣｕの薄膜電極（銅薄膜電極）、還元性ガスＧｒをギ酸、不活性ガスＧｉを高純度窒素、第１の基板１１ａおよび第２の基板１１ｂをシリコン基板とし、本実施形態の金属材の拡散接合方法の検証を行った。

まず、雰囲気置換工程において、チャンバー２０内の空気を排出し、チャンバー２０内を真空度が１×１０^−１Ｐａの真空状態とした後、チャンバー２０内に高純度窒素を流入し、大気圧とした。
次に、曝露工程および第１加熱工程において、錫薄膜電極および銅薄膜電極を２００℃に加熱し、５分間、ギ酸のダウンフローに曝した。

図３は、本実施例における、錫薄膜電極の表面をＸ線電子分光法で測定した、錫と錫酸化物とのスペクトル分析結果である。図３（ａ）は、錫薄膜電極をギ酸に曝す前、図３（ｂ）は、５分間、ギ酸に曝した後のものである。横軸は、結合エネルギー（単位：ｅＶ）を示しており、縦軸は光電子強度（規格化）を示している。光電子強度は、図３（ａ）（ｂ）共に錫酸化物の光電子強度で規格化したものである。それぞれ、錫に対応する光電子分光スペクトルＳａ，Ｓｂ、錫酸化物に対応する光電子分光スペクトルＯａ，Ｏｂが示されている。

測定は、ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ社製のＸ線電子分光分析装置（機種５４００ＭＣ）を用いて行った。励起Ｘ線は、ＡｌのＫα線とし、１．０×１０^−７Ｐａ以上、４．０×１０^−７Ｐａ以下の雰囲気下において、出力４００Ｗで照射した。

錫に対応する光電子分光スペクトルＳａ，Ｓｂと、錫酸化物に対応する光電子分光スペクトルＯａ，Ｏｂとの光電子強度のピーク面積比から、薄膜電極をギ酸に曝す前後それぞれにおける、錫薄膜電極に含まれる錫と錫酸化物の構成比（Ａｔｏｍｉｃ％）を算出した。その結果、図３（ａ）においては、錫の構成比は１％、錫酸化物の構成比は９９％であったのに対して、図３（ｂ）においては、錫の構成比は７％、錫酸化物の構成比は９３％であった。これより、ギ酸によって、酸化被膜が還元され、錫の構成比が６％増加したことが確かめられた。

次に、加圧工程において、錫薄膜電極と、銅薄膜電極とを当接させ、１．６×１０^８Ｐａに加圧した。
次に、第２加熱工程において、加圧した状態で、５分間、錫薄膜電極および銅薄膜電極を２６０℃に加熱した。
以上の工程により、錫薄膜電極と、銅薄膜電極とを、本実施形態の金属材の拡散接合方法を用いて接合した。

図４は、拡散接合後の金属膜の接合界面を示す走査型電子顕微鏡写真である。図４（ａ）は、金属膜の接合界面を示す断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）の部分拡大図である。図４（ｂ）から、錫と銅の薄膜電極の接合界面に形成された合金層の厚さを計測した。
具体的な計測方法としては、図４（ｂ）に示す、走査型電子顕微鏡写真の左右両端における、合金層の下端（合金層と錫との境界）を結んだ線の法線方向を、合金層の厚さ方向と定義し、図４（ｂ）における合金層の厚さを２０点計測した。そして、計測した値を用いて、図４（ｂ）の縮尺から、実際の合金層の厚さを算出した。
その結果、本実施例における合金層の算術平均厚さは０．６μｍであり、相対標準偏差は２１％であった。なお、相対標準偏差の値が低いほど、厚さのばらつきが小さく、厚さの均一性が高いことを意味する。

これに対して、金属膜をギ酸に曝す際にダウンフローを形成しないことを除き、同一の条件で行った拡散接合方法では、同様にして計測した合金層の厚さの相対標準偏差は、３０％以上であった。したがって、本実施例によれば、合金層の厚さの相対標準偏差を、ダウンフローを形成しない場合に比べて低くでき、合金層の厚さの均一性を向上できることが確かめられた。

以上のことから、本実施例によれば、錫と銅の薄膜電極をダウンフローによってギ酸に曝すことで、ギ酸とそれぞれの薄膜電極表面に形成されている酸化被膜との化合物が薄膜電極表面に再付着することを抑制できる結果、従来の拡散接合よりも合金層が均一な厚さとなる拡散接合方法を実現できることが確かめられた。

また、本実施例によれば、還元性ガスＧｒとしてギ酸を用いて、高純度窒素の大気圧雰囲気下で５分間、錫と銅の薄膜電極を曝すことで、拡散接合（加圧工程、第２加熱工程）に要する時間と温度を５分間、２６０℃にまで低減できることが確かめられた。

また、本実施例によれば、雰囲気置換工程において、チャンバー２０内を真空にする際に、１×１０^−１Ｐａ程度の低い真空度でよい。また、その後の各工程は上述したように、大気圧雰囲気下で行われ、還元性ガスＧｒ（ギ酸）を流動させる以外の目的でチャンバー内から排気を行うことがない。そのため、チャンバー２０内を高い真空度の真空にする必要がなく、大型ターボ分子真空ポンプの設置や、加熱機構等を、高真空状態に耐えるものとする必要がない。したがって、拡散接合装置を製造することが簡便である。

１０ａ，１０ｂ…基板ホルダー（ホルダー）、１２ａ，１２ｂ…金属膜（金属材）、２０…チャンバー、２１…フロー機構、２１ａ…流入口、２１ｂ…排出口、２４…移動機構、２６…加熱機構、１００…拡散接合装置、Ｇｒ…還元性ガス

Claims (13)

1. 第１の金属材と、第２の金属材とを離間させた状態で、前記第１の金属材の一方の面と、前記第２の金属材の一方の面と、のうち少なくとも一方を還元性ガスに曝す曝露工程と、
   前記第１の金属材の一方の面と、前記第２の金属材の一方の面とを当接させ、加圧する加圧工程と、
   を有し、
   前記曝露工程において、前記還元性ガスは、前記第１の金属材の一方の面上において、前記第１の金属材の一方の面の面方向に沿って、前記第１の金属材の一方の面の外側に流れており、前記第２の金属材の一方の面上において、前記第２の金属材の一方の面の面方向に沿って、前記第２の金属材の一方の面の外側に流れている、金属材の拡散接合方法。
2. 前記曝露工程において、前記第１の金属材の一方の面と、前記第２の金属材の一方の面と、の両方を前記還元性ガスに曝す、請求項１に記載の金属材の拡散接合方法。
3. 前記還元性ガスの流れは、前記第１の金属材の一方の面上から、前記第１の金属材の一方の面より下方側に向かう流れであり、前記第２の金属材の一方の面上から、前記第２の金属材の一方の面より下方側に向かう流れである、請求項１または２に記載の金属材の拡散接合方法。
4. 前記還元性ガスの流れは、前記第１の金属材の一方の面より上方側から、前記第１の金属材の一方の面上に向かう流れであり、前記第２の金属材の一方の面より上方側から、前記第２の金属材の一方の面上に向かう流れである、請求項３に記載の金属材の拡散接合方法。
5. 前記第１の金属材と、前記第２の金属材とを、前記第１の金属材および前記第２の金属材の表面に形成された酸化被膜が、前記還元性ガスと反応して還元される最低温度である還元開始温度以上に加熱する第１加熱工程を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の金属材の拡散接合方法。
6. 前記第１の金属材と、前記第２の金属材とを、前記加圧工程における加圧下において、前記第１の金属材と、前記第２の金属材と、が拡散接合される温度以上に加熱する第２加熱工程を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の金属材の拡散接合方法。
7. 前記還元性ガスは、酸性である、請求項１から６のいずれか１項に記載の金属材の拡散接合方法。
8. 前記還元性ガスは、ギ酸を含む、請求項７に記載の金属材の拡散接合方法。
9. 第１の金属材が設置される第１のホルダーと、
   前記第１のホルダーに対向して設けられ、第２の金属材が設置される第２のホルダーと、
   前記第１の金属材と前記第２の金属材とが離間する第１位置と、前記第１の金属材と前記第２の金属材とが当接する第２位置との間で、前記第１のホルダーと前記第２のホルダーとの少なくとも一方を移動させる移動機構と、
   前記第１の金属材と前記第２の金属材とを加熱する加熱機構と、
   前記第１位置において、前記第１の金属材と前記第２の金属材との間に還元性ガスの流れを生成するフロー機構と、
   を備える金属材の拡散接合装置。
10. 少なくとも前記第１のホルダーと、前記第２のホルダーとを収容するチャンバーを備え、
    前記フロー機構は、前記第１のホルダーにおいて前記第１の金属材を設置する面の面方向の一方側に位置する前記チャンバーの外壁に設けられた還元性ガス流入口と、
    前記面方向の他方側に位置する前記チャンバーの外壁に設けられた還元性ガス流出口と、を備える、請求項９に記載の金属材の拡散接合装置。
11. 前記還元性ガス排出口は、前記第１のホルダーおよび前記第２のホルダーより下方側に設けられている、請求項１０に記載の金属材の拡散接合装置。
12. 前記還元性ガス流入口は、前記第１のホルダーおよび前記第２のホルダーより上方側に設けられている、請求項１１に記載の金属材の拡散接合装置。
13. 前記加熱機構は、前記第１のホルダーおよび前記第２のホルダーに備えられている、請求項９から１２のいずれか１項に記載の金属材の拡散接合装置。