JP3733708B2 - アルミニウムを用いるシリコンウェハーの接合方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば高圧シリコンダイオードの製造工程におけるシリコンウェハーの積層を接合するためなどに適用される接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子部品等の接合には、低い温度での接合が可能で比較的接合界面の接着性の信頼も高い、錫−鉛系のはんだ材によるはんだ付けが歴史的にも古くから用いられている。高圧シリコンダイオードにおいても例外ではない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
近年、錫−鉛系はんだ中の鉛が地球環境汚染等で問題視されている。高圧シリコンダイオードにおいても例外ではない。一方、はんだメーカにおいては鉛を含まないはんだ材料の開発に注力しているのが現状であると共に、市場に出回りつつある鉛を含まないはんだは、接合条件および接合界面の信頼性においても未だに研究段階である。
【0004】
本発明の目的は、上述の問題を解決し、鉛による地球環境汚染を抑えた接合材により接合界面の信頼性の高い半導体素子の製造を可能にする接合方法を提供することにある。
【0005】
また、接合において精度の良い温度コントロールを要せず、量産性もよい接合方法も提供する。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明のシリコンウェハーの接合方法は、2枚以上のシリコンウェハーと、前記シリコンウェハーの間に配置されたアルミニウムとからなる構成部材を加圧状態で加熱する工程と、冷却する工程と、を備えている。
【0007】
この加熱する工程は、シリコンとアルミニウムの合金化が始まる温度直下まで昇温する工程であり、冷却する工程は、シリコンとアルミニウムの共晶温度以下の温度までに冷却し、かつその温度に保持し合金化させ、室温まで冷却する工程であることが好ましい。
【0009】
さらに、別の態様では、上記加熱する工程は、550℃以上577℃未満の温度に加熱し、その温度に25〜40分保持して、シリコンとアルミニウムとを合金化させる工程であることが好ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【0016】
ここで用いられているアルミニウムとは、アルミニウムを主成分とするアルミニウム材料も含んでいる。
【0017】
2枚以上のシリコンウェハーの接合すべき面を対向させ、その間に同サイズのアルミニウム箔を挿入、もしくはシリコンウェハーに、アルミニウムを蒸着し、加圧状態で、アルミニウムの融点以下の温度に加熱することにより、シリコンウェハーのシリコンとアルミニウム箔、もしくは蒸着したアルミニウムが反応し、合金化を始める。そして、冷却する。アルミニウム蒸着面とアルミニウム蒸着面は拡散接合をする。シリコンウェハーのサイズとしては、限定はされないが、直径7.62〜12.7cmである。挿入するアルミニウムの厚さは、3〜15μm、好ましくは、5〜10μmであり、蒸着されたアルミニウムの厚さは、1〜5μm、好ましくは、2〜3μmである。また、加圧力は2〜30kg/cm2 、好ましくは、5〜20kg/cm2 である。
【0018】
上述したような、シリコンウェハーとアルミニウムからなる構成部材を加熱し、冷却する工程には3通りある。
【0019】
1つめは、アルミニウムとシリコンの共晶点である577℃より高い温度まで加熱し、その温度で保持し、次いで室温に冷却するものである。ここでの好ましい加熱温度は、577〜600℃であり、保持時間は、1〜15分、好ましくは2〜3分である。
【0020】
2つめは、アルミニウムとシリコンの共晶点である577℃より高い温度、かつ合金化が始まる温度直下まで加熱し、合金化が始まると同時に、577℃以下で合金化を促進させる温度領域に降温し、その温度で保持し、次いで室温に冷却するものである。ここでの好ましい加熱温度は577〜約595℃であり、降温する温度は550〜575℃、好ましくは570〜572℃である。保持時間は、1〜15分、好ましくは、2〜3分である。
【0021】
3つめは、アルミニウムとシリコンの共晶点より低い温度まで加熱し、その温度で保持し、そして室温に冷却するものである。ここでの好ましい加熱温度は、550℃以上577℃未満である。保持時間は、3〜45分、好ましくは25〜40分である。
【0022】
上述のようにして接合された構成部材は、未接合部もしくはボイドのない健全な接合部を有する。
【0023】
さらに、精密な温度コントロールを必要としない第二の接合方法としては、まず、2枚以上のシリコンウェハーの接合すべき面を対向させ、その間にニッケルとアルミニウムもしくはアルミニウムの代替金属を薄層として配置し、加圧状態で、昇温させる。ここで、「薄層」とは、箔および蒸着膜のことである。このシリコンウェハーの接合面間のニッケルと、アルミニウムもしくはアルミニウム代替金属の配置状態としては、3通りある。1つめは、2枚以上のニッケルめっきを施したシリコンウェハー同士を接合すべき面を対向させ、その間に同サイズのアルミニウム(または代替金属)の箔を挿入するものである。2つめは、シリコンウェハーにニッケルめっきを施し、さらにアルミニウム(または代替金属)を蒸着し、このシリコンウェハー同士を接合すべき面を対向させるものである。3つめは、シリコンウェハーのニッケルめっき、アルミニウム(または代替金属)の蒸着工程でのシリコンウェハーの破損防止対策とし、前述の2つの処理は行わず、代わりにシリコンウェハーと同サイズのアルミニウム(または代替金属)の箔にニッケルメッキを施し、接合すべき面を対向させ、かつ2枚以上積層させたシリコンウェハーの間に挿入するものである。これらの構成部材を加圧状態で、昇温させた結果、シリコンとニッケル、およびニッケルとアルミニウム(または代替金属)とが相互拡散をおこし、あるいは、3金属のごく一部が互いに相互拡散する。
【0024】
ここで、アルミニウムの代替金属としては、錫、銅、銀、黄銅、およびアルミニウム合金などが挙げられ、好ましくは、錫、銅、および銀である。また、昇温させる温度は、450〜700℃、好ましくは、550〜600℃である。シリコンウェハーのサイズとしては、限定はされないが、直径7.62〜12.7cmである。ニッケルめっきの厚さは、0.5〜5μm、好ましくは、1〜2μmである。挿入するアルミニウムの厚さは、3〜15μm、好ましくは、5〜10μmであり、蒸着されたアルミニウムの厚さは、1〜5μm、好ましくは、2〜3μmである。また、加圧力は、2〜30kg/cm2 、好ましくは、5〜20kg/cm2 である。
【0025】
加圧昇温し、相互拡散させたのち、冷却させた結果、未接合部もしくは、ボイドの無い健全な接合部が得られる。なお、第二の接合法により接合された接合部は金属間化合物を形成するため、融点は、接合温度より高いことが特徴である。
【0026】
以下、実施例を述べるが、本願発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0027】
実施例1
図1に示す本実施例は、直径3インチ、板厚200μmのシリコンウェハー(1)の接合すべき面を対向させ10枚積層させた。その際シリコンウェハーの接合すべき面の間に直径3インチ、厚さ15μmのアルミニウム箔(2)を挿入し、真空装置を有し、かつその真空状態内で加熱と加圧とを行える接合装置の加熱加圧部に上記構成の構成部材を配置し、3インチのシリコンウェハーに対し700kgの荷重を付加した。その後、ロータリーポンプによる真空引き、窒素ガス流入の置換操作を3回繰り返し、真空装置内の酸素、水蒸気などを十分に追放した後、窒素ガスを10リットル/min流し続け、室温から約50℃/minの昇温速度で600℃まで昇温した。600℃到達後、その温度で3分間にわたって保持し、室温まで冷却し接合された構成部材を取り出した。取り出した構成部材の外周部にはアルミニウムとシリコンの共晶合金が、はみ出し凝固していた。
【0028】
本実施例では、約50℃/minの昇温速度であったが、この昇温中に接合装置に取り付けられているリニアーゲージにより、595℃近傍にて接合部材を含めた加圧構成部材に高さの減少が約130μm見られた。この減少分は、取り出した接合部材の外周部に見られた、はみ出したアルミニウムとシリコンの共晶合金であった。
【0029】
実施例2
図2に示すように、直径3インチ、板厚200μmのシリコンウェハー(1)に、アルミニウム(3)を1μm蒸着し、接合すべき面を対向させ、10枚積層させ、後は、実施例1と同条件で接合を行った。本実施例で接合した構成部材の外観は、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。
【0030】
実施例3
本実施例は、実施例1の到達設定温度600℃に対し、合金化が始まる約595℃より5℃低い590℃に設定した。
【0031】
構成部材および到達温度590℃に昇温するまでの条件は、実施例1と同様にした。590℃到達後、窒素ガスを100リットル/minと流量増加し、アルミニウムとシリコンの共晶温度である577℃より5℃低い572℃近傍まで急冷し、その温度で3分間にわたって保持すると同時に窒素ガス流量を10リットル/minに戻した。その後、室温まで冷却し、構成部材を取り出した。本実施例で接合した構成部材の外観は、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。
【0032】
実施例4〜6
ここでは、シリコンウェハー(1)にアルミニウムを蒸着(3)し、接合すべき面を対向させ10枚積層させ接合を行った。接合構成を図2に示す。
【0033】
図2からも分かるように上下2枚のシリコンウェハーは、接合面のみ蒸着を行い、間の8枚は、両面にアルミニウムを蒸着した。
【0034】
アルミニウムの蒸着厚さは、1μm、2μm、および5μmの3種類を用い、それぞれ実施例4、5、および6とした。接合条件は、実施例3と同様に行った。3種類の厚さのアルミニウム蒸着シリコンを用いた構成部材の外観はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。
【0035】
実施例7〜9
ここでは、実施例3で用いた構成部材の構成を用いて、到達温度をアルミニウムとシリコンの共晶温度577℃より約5℃低い572℃に設定し、接合を行った。設定温度到達までの条件は、実施例3と同様に行った。
【0036】
設定温度に到達後の到達温度での保持時間を、3分、15分、および30分とし、それぞれ実施例7、8、および9とした。各々の保持時間経過後、室温まで冷却し、構成部材を取り出した。得られた構成部材の外観はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。
【0037】
実施例10〜12
ここでは、実施例4で用いた構成部材の構成を用い、到達温度をアルミニウムとシリコンの共晶温度577℃より約5℃低い572℃に設定し、接合を行った。設定温度到達までの条件は、実施例3と同様に行った。
【0038】
設定温度に到達後の到達温度での保持時間を、3分、15分、および30分とし、それぞれ実施例10、11、および12とした。各々の保持時間経過後、室温まで冷却し、構成部材を取り出した。得られた構成部材の外観はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。
【0039】
実施例13〜15
ここでは、実施例5で用いた構成部材の構成を用い、到達温度をアルミニウムとシリコンの共晶温度577℃より約5℃低い572℃に設定し、接合を行った。設定温度到達までの条件は、実施例3と同様に行った。
【0040】
設定温度に到達後の到達温度での保持時間を、3分、15分、および30分とし、それぞれ実施例13、14、および15とした。各々の保持時間経過後、室温まで冷却し、構成部材を取り出した。得られた構成部材の外観はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。
【0041】
実施例16〜18
ここでは、実施例6で用いた構成部材の構成を用い、到達温度をアルミニウムとシリコンの共晶温度577℃より約5℃低い572℃に設定し、接合を行った。設定温度到達までの条件は、実施例3と同様に行った。
【0042】
設定温度に到達後の到達温度での保持時間を、3分、15分、および30分とし、それぞれ実施例16、17、および18とした。各々の保持時間経過後、室温まで冷却し、構成部材を取り出した。得られた構成部材の外観はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。
【0043】
実施例1〜18で接合したそれぞれの構成部材の接合状態を詳細に調査するため断面観察を行った。その結果、アルミニウム箔を用いて共晶点以上(600℃)に加熱し、その温度で保持して、その後室温に冷却して接合した構成部材(実施例1)の接合界面は、図4(A)のように、接合面積の約35%程度に相当する空洞(7)が、確認された。この空洞つまりボイドは、次のように発生する。600℃に加熱することにより、シリコンウェハーのシリコンの一部とアルミニウムの全部が595℃近傍で短時間で反応し、アルミニウムとシリコンの共晶合金(5)が生成される。そして、この生成した共晶合金は、ボリュームが有りすぎ、また加圧下にあるため、シリコンウェハーの間に保有出来ず、外周部へのはみ出し(6)も起こる。そして、このはみ出しも瞬間に発生するので、ボイドも併発する。しかし、同じ条件でアルミニウム蒸着を用いて接合した構成部材(実施例2)の接合界面は、図4(B)のように、未接合部ならびにボイドなどの接合部欠陥は見られなかった。
【0044】
共晶点より高く、かつ合金化が始まる温度直下に加熱し、その後共晶点より低い温度に降温して、その温度で保持してから室温に冷却して接合した構成部材(実施例2〜6)の接合界面は、図4(B)のように、未接合部およびボイドなどの接合欠陥は見られなかった。
【0045】
また、共晶点より低い温度に加熱し、その温度で保持し、室温に冷却して接合された構成部材のうち、保持時間が30分の実施例9、12、15、および18は、アルミニウム箔あるいはアルミニウム蒸着の厚さに関係なく、図4(B)のように十分な接合性が認められた。しかし、保持時間が3分、15分の実施例7、8、10、11、13、14、16、および17は、接合面積の5〜15%の未接合部分が認められ、接合時間不足である。
【0046】
実施例19
図3に示すように、ニッケルめっき(4)が1μm施された直径3インチ、厚さ200μmのシリコンウェハー(1)を接合すべき面を対向させ、10枚積層させた。その際シリコンウェハーの接合すべき面の間に直径3インチ、厚さ10μmのアルミニウム箔(2)を挿入し、真空装置を持ち、かつその真空状態内で加熱と加圧とを行える接合装置の加熱加圧部に上記構成の構成部材を配置し、3インチのシリコンウェハーに対し700kgの荷重を付加した。その後、ロータリーポンプによる真空引き、窒素ガス流入の置換操作を3回繰り返し、真空装置内の酸素、水蒸気などを十分に追放した後、窒素ガスを10リットル/min流し続け、室温から約50℃/minの昇温速度で700℃まで昇温した。700℃到達後、その温度を3分間保持し、室温まで冷却し構成部材を取り出した。
【0047】
実施例20〜21
到達温度を600℃および500℃にした以外は、実施例19と同様に構成部材を製造し、それぞれ実施例20および21とした。
【0048】
実施例19〜21の異なる3点の到達温度によって接合された構成部材はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない非常に良好なものであった。断面観察からも、異なる3点の到達温度によって接合された構成部材の接合界面は、図4(C)に示すように、未接合部ならびにボイド等の接合部欠陥は見られなかった。また、断面部を電子プローブマイクロアナライザーにより分析を行ったところ、実施例19〜21で用いた部材中最も融点の低いアルミニウムは、単体での存在は認められず、定量分析値およびアルミニウム−ニッケル系2元状態図から金属間化合物形態は、NiAl3 (8)と判断でき、融点は1100℃以上に達する。
【0049】
実施例22
ここでは、シリコンウェハーの両面に1μmのニッケルめっきと次に5μmのアルミニウム蒸着を行い、シリコンウェハーを接合すべき面を対向させ、10枚積層させた。その後、実施例19に示す接合法により、到達温度を600℃に設定し同様の接合を行った。実施例19と同様に外観上も良好であり、断面観察からも図4(C)に示すように、未接合部ならびにボイド等の接合部欠陥は、見られなかった。
【0050】
実施例23
ここでは、シリコンウェハーと同一直径で、厚さ10μmのアルミニウム箔の両面にニッケルを1μmめっきし、接合すべき面を対向させ10枚積層させたシリコンウェハーの間に挿入し、到達温度を600℃に設定し、実施例19〜22と同様の接合を行った。本実施例でも、外観上も断面観察からも、図4(C)に示すように未接合部ならびにボイド等の接合部欠陥は、見られず良好な接合性を示した。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、地球環境汚染等で問題視されている鉛を含有する錫−鉛系のはんだを使うことなく、アルミニウムを用いたシリコンとの共晶反応、または拡散接合により、シリコンウェハー同士の積層接合を可能にしたものであり、接合界面の欠陥も皆無に近い接合性を得る。また、ニッケルめっきを用いることにより、さらに、精度の良い温度コントロールを必要とせず、量産性も向上することができる。さらに、ニッケルを用いた構成部材の拡散接合により、接合部の融点が、接合温度より高くなる。また、このシリコンウェハーにメッキされてニッケルの密着性を向上させるために行う熱処理を行わずに、拡散接合により兼ね備えることにより、工程を一つ減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1、3、および実施例7〜9の構成部材を示す断面図である。
【図2】本発明の実施例2、4〜6、および10〜18の構成部材を示す断面図である。
【図3】本発明の実施例19〜23の構成部材を示す断面図である。
【図4】(A)〜(C)はそれぞれ接合された構成部材の断面の模式図である。
【符号の説明】
1 シリコンウェハー
2 アルミニウム箔
3 蒸着アルミニウム
4 ニッケルめっき
5 アルミニウムとシリコンの共晶合金
6 はみ出したアルミニウムとシリコンの共晶合金
7 ボイド
8 NiAl3 +Si(またはアルミニウムとシリコンの合金)
Claims (2)
- 2枚以上のシリコンウェハーと、前記シリコンウェハーの間に配置されたアルミニウムとからなる構成部材を加圧状態で加熱する工程と、冷却する工程と、を備えることを特徴とするシリコンウェハーの接合方法であって、
前記加熱する工程が、シリコンとアルミニウムの合金化が始まる温度直下まで昇温する工程であり、前記冷却する工程は、シリコンとアルミニウムの共晶温度以下の温度までに冷却し、かつその温度に保持し合金化させ、室温まで冷却する工程であることを特徴とする方法。 - 2枚以上のシリコンウェハーと、前記シリコンウェハーの間に配置されたアルミニウムとからなる構成部材を加圧状態で加熱する工程と、冷却する工程と、を備えることを特徴とするシリコンウェハーの接合方法であって、
前記加熱する工程が、550℃以上577℃未満の温度に加熱し、その温度に25〜40分保持して、シリコンとアルミニウムとを合金化させる工程であることを特徴とする方法。
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