JPH0513326A - 物質の接合方法と構造物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】極めて強固でかつ信頼性の高い物質接合方法及
び該方法を用いた構造物を提供すること。 【構成】上記目的は、物質Ａ１の表面に点状あるいは線
状の突起もしくは凸状部分５を形成し、該突起もしくは
凸状部分５形成面に接合すべき物質Ｂ２(複数の物質を
含む)を接触もしくは近接させた後、物質Ａ１の突起も
しくは凸状部分５の周りに上記物質Ａ１及びＢ２の双方
に同時に成長可能な物質あるいは析出して原子的に物質
Ａ１及びＢ２と結合できる物質を流体として供給するこ
とにより物質Ａ１と物質Ｂ２とを結合させることによっ
て達成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３次元構造を持つ電子
デバイス、光デバイスその他種々の複合構造体の構成に
利用可能な、同種あるいは異種の物質を原子的結合力に
よって結合する方法および該方法によって構成される構
造物に関する。

【０００２】

【従来の技術】物質同士を接合して何らかの構造物(機
能的構造物を含む)を構成する場合に、接着材が用いら
れたり、あるいは、被接合物の接触部分を一部溶融させ
て一体化する溶接技術が用いられる。これらの内、有機
性の接着材を用いる場合には、被接着物が接着材に濡れ
ることが重要な要素であり、その接合機構は接着材を構
成する有機分子の一部が被接着物表面の分子の一部と共
有的結合をすることによるためと考えられている。従っ
て、この場合の接着強さは共有結合の頻度と結合強さと
によって左右される。しかし、有機物であるために、接
着の温度耐性は弱く高々200℃程度に止まる。また、溶
接技術の場合には、金属材料の接合でしばしば行われて
いるように、被接合物質の融点以上に加熱する必要があ
り、その際、大気雰囲気中では酸化されるので、希ガス
雰囲気中で行うか、あるいは種々のフラックスが用いら
れるが、そのため、溶接部に不純物としての水蒸気、酸
素、水素等のガスや、被溶接金属が形成する新たな合金
組成が介在して、溶接脆弱化の原因となることがある。

【０００３】これに対して、結晶成長や析出を利用する
接合は、従来余り例をみないが、溶接に比べて遥かに低
温での接合が可能である。結晶成長による結合の代表的
な例として、結晶物質の上に同質あるいは異質の結晶を
積み重ねて接合する方法としていわゆるエピタキシャル
結晶成長(以下、エピ成長と略称する)がある。この場
合、基板となる結晶表面をメカノケミカル研磨等の無歪
加工あるいは加工変質層を最小限にできる高度な加工技
術によって平坦化し、種々のエピ成長技術、例えば液相
結晶成長法(LPE)、気相結晶成長法(VPE)、分子線結晶成
長法(MBE)などによって結晶成長を行わせる。これらの
方法では、成長させるべき結晶層と基板との界面が原子
的に整合するように、あるいは、故意にある程度の歪を
持たせるように、原料組成が調整されて、原料表面にも
たらされる。また、通常の場合、これらの結晶成長では
基板全面に同種あるいは異種の結晶成長を行い、その後
のリソグラフィ、エッチング等の加工によって有用な素
子に仕上げられる。しかし、これらの結晶成長法では結
晶成長速度が0.1〜３μm/時間であるため、比較的薄
い、高々数μmの厚さの素子を作成するのに適した方法
ではあるが、数十μmの厚さをもたせる素子あるいは結
晶構造物を想定した場合には成長に要する時間が極めて
長くなり、成長装置の加熱機構、ガス供給機構の変動等
に起因して供給組成の安定性に問題を生じる恐れがあ
る。

【０００４】また、化合物半導体による光素子と電子素
子とをモノリシック集積したいわゆる OEIC では、光素
子(レーザ、受光素子)の素子全体の層厚さが３〜５μm
必要であるのに対して、電子素子(電界効果トランジス
タ：FET)では１μm以下の厚さでよい。一例として、1.5
μm帯型レーザとFETとを半絶縁性基板(SI‐基板)の上に
モノリシック集積する場合を考えると、まず第８図の基
板17上に n 型バッファ層(１μm)18、n 型下部クラッド
層(1.5μm)19、活性層(0.08μm)20、p 型上部クラッド
層(1.5μm)21、p 型電極形成層(0.3μm)22を成長させた
後、幅数μm、長さ300μm程度のストライプ状共振器を
n 型バッファ層18まで掘り込んだメサ状23に加工する。
次に、FETをこのレーザと電気的に分離した構成とする
ために、メサ加工で掘り込んだ部分に約1.5μmの半絶縁
性結晶24を成長させ、さらにその上に、FETのチャンネ
ルとなる n 型能動層(0.2μm)25を成長させる。これら
が集積素子を形成するためのエピ成長工程であり、FET
形成プロセス、レーザの n型電極取り出しスルーホール
形成などの工程を経て、両素子の配線を行い、全工程が
終了する。半絶縁性結晶の埋込み層厚さは、FET 層の容
量を下げるためには２μm以上とすることが理想である
が、スルーホール形成のためには1.5μm以上とすること
はできない。このため、両素子を金属配線で結ぶには素
子の高さが違いすぎて、配線の段差切れを生じるなどの
問題があった。これらを解消するために、予め基板に凹
部を形成しておき、光素子をその部分に形成した後電子
素子を形成する方法、あるいは、ポリイミドなどの耐熱
・絶縁性樹脂を埋め込んで段差を低減する方法などが採
用されているが、これらの方法はプロセス工程数を増す
だけでなく、素子全体が二次元的に大きくならざるを得
ないために必然的に配線長が長くなり、配線容量が増加
して高周波特性を劣化させる原因となっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の問題点は、受光
素子と増幅用の FET をモノリシック集積する場合にも
同様であり、その解決策の一つとして、受光素子と FET
とをそれぞれ別の結晶基板上に形成しておき、共通の
電極を対向させて該電極同士を半田バンプで接続する方
法がある。しかし、半田は低温で融解するために素子の
発熱や環境の温度変化の影響を受けやすく、信頼性に欠
ける。さらに、接合する素子間の間隔が半田バンプの量
によって規定されるために、ミクロンサイズの領域に均
一な量のバンプを形成しなければならない。もし半田バ
ンプの量が多いときには、接合面からはみでた半田が毛
管現象によって電極以外の所まで広がってしまい、短絡
の原因となるという難点があった。

【０００６】本発明の目的は、上記従来技術の有してい
た課題を解決して、極めて強固なかつ信頼性の高い物質
接合方法及び該方法を用いた構造物を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、物質Ａの表
面に点状あるいは線状の突起もしくは凸状部分を形成
し、該突起もしくは凸状部分形成面に接合すべき物質Ｂ
(複数の物質を含む)を接触もしくは近接させた後、必要
な場合若干の圧力を加えた状態で、物質Ａの突起もしく
は凸状部分の周りに上記物質Ａ及びＢの双方に同時に成
長可能な物質あるいは析出して原子的に物質Ａ及びＢと
結合できる物質を流体として供給することことにより物
質Ａと物質Ｂとを結合させる方法とすることによって達
成することができる。

【０００８】

【作用】同質あるいは異質の物質を接触もしくは近接さ
せ、必要な場合若干の圧力を加えた状態で、その部分に
両物質に対して共通に成長あるいは析出し得る物質を流
体の状態で供給することによって、両物質を原子的に接
合させ、極めて強固なかつ信頼性の高い接合を実現する
ことができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の物質の接合方法と構造物とに
ついて実施例によって具体的に説明する。

【００１０】

【実施例１】図１及び図２は本発明の一実施例に係る物
質Ａ１、物質Ｂ２の断面配置図及び物質Ｂ２の上面から
の透視図である。本実施例の場合、物質Ａ１として表面
に受光素子３を形成した n 型 InP 基板を、物質Ｂ２と
して表面部に増幅器としてのFET ４を形成した n 型 In
P基板を用い、また、上記受光素子３は基板１の裏面か
ら入射される信号光に感応する構成になっていて一つの
電極は基板１の裏面から取り出す構造、 FET ４も一つ
の電極は基板２の裏面から取り出す構造とした。ここ
で、基板１には逆Ｖ字形(台形)の凸部５(高さ約３μm)
を設けてあり、基板１と基板２との接触はこの凸部のみ
で行われ、基板１と基板２との間隔はこの凸部の高さで
規定されることになるが、高さ自体は、凸部を形成する
加工工程の容易さに左右されることがあっても、接合方
法そのものを限定するものではない。また、この凸部
は、図２に示すように、平面的には全体が流線型の舟形
としてある。

【００１１】上記のように基板１及び２を接触させた状
態を保ちつつ、560〜650℃の温度範囲まで加熱しなが
ら、両基板の間隙に有機金属トリメチルインジウム(TM
I)ガスとフォスフィン(PH₃)との混合ガス、あるいは、
これらの混合ガスを水素ガスもしくは不活性ガス(希ガ
ス)で希釈したガス、を図２の矢印で示した方向に流入
させると、図３の６に示すように、基板１の凸部５の周
辺で InP の結晶成長が起り、基板１及び２が接合され
る。この時に、基板の表面部７でも結晶成長が起るが、
所謂毛管現象によって６の成長が７の成長よりも数倍速
いために、接合は効果的に行われる。また、供給したガ
スは舟形に形成した凸部の外側に沿って流れるために、
接合部の内側では結晶成長は起らず、従って、受光素子
や FET の表面に InP の結晶が堆積して素子の性能を損
なうことはない。たとえ供給ガスの一部が接合部の内側
に入り込むことがあっても、各素子の表面を酸化珪素あ
るいは窒化珪素の薄膜でパッシベートしておくことによ
って、結晶成長を妨げることができる。また、供給する
ガス中にセレン化水素あるいは硫化水素といった InPに
対して n 型のドーパントを混合しておくと、n 型の結
晶によって接合することができるため、同極性の結晶で
電極が結合されたことになる。

【００１２】

【実施例２】本実施例は本発明の方法によって形成され
た半導体構造物が特定のガスを保持できる中空部を有す
る場合の例を示す。

【００１３】図４は本実施例の概略構成を示す断面図
で、ガスを閉じ込めるべき方形状の凹部９を有し、該凹
部９の周辺に凸部５が形成されているシリコン基板８
と、該基板８に結合するシリコン基板10とからなること
を示す。

【００１４】本構造物の形成に際しては、まず、両基板
８及び10を僅かに離した状態で、凹部９に保持させるべ
きガス雰囲気(本実施例の場合はヘリウム)中に置く。こ
のとき、雰囲気のガス圧力 p₁ は接合時の温度における
雰囲気圧力 p₂ よりも小さくなるようにしておく。何故
ならば、接合によって凹部９にヘリウムガスが密封され
るので、もし密封部の圧力が外部よりも高いと破裂ある
いは接合個所からの亀裂の発生が生じる恐れがあること
による。上記のようにして密封すべきガスが凹部９に入
った後に基板８と基板10とを接触させて凹部の内部と外
部とを遮断し、その状態で約850℃まで加熱して、接触
部の周囲にシラン(SiH₄)ガスを流すと、図５の11に示す
ように、シリコンの結晶成長が基板８及び10の双方に発
生して接合が生じ、ガスが凹部９に密封される。

【００１５】なお、この例から容易に推測できるよう
に、凹部９にガスを封入せずに、真空に近い減圧の状態
にしたまま接合することもできる。

【００１６】

【実施例３】図６は本発明構造体の他の実施例の概略構
成を示す断面図で、溝27を有し、該溝の一部に n 型の
低抵抗領域13が形成されている半絶縁ガリウム‐ひ素基
板12と、同じくガリウム‐ひ素からなる基板16とを、基
板12の表面に設けた凸部５で接合してなることを示す。
また、図７は基板12の構成を示す斜視図である。

【００１７】この構造体を形成する場合には、まず基板
12と基板16とを接触させ、アルシン(AsH₃)雰囲気中約65
0℃に加熱した状態でトリエチルガリウムあるいはトリ
メチルガリウムなどの有機金属ガリウム原料を流入させ
ると、接触している凸部５の周辺でガリウム‐ひ素の結
晶成長が起り、溝27に蓋ができて図６の構造体が完成す
る。

【００１８】ここで、両基板12及び16に形成してある電
極15を用いて所定の電界を加えておき、溝27に流体を流
すと、流体の有している誘電定数によって電界が変調を
受けるので、逆に、この変調の程度によって流量を検知
することができる。従って、ミクロンオーダーでこのよ
うな構造物を作成することができる。

【００１９】上記三つの実施例から推測できるように、
接合に用いられる物質を含む流体はガス体に限定される
ものではなく、液体であってもよい。また、被接合物を
接触させる凸部を形成する面は、例えば結晶性物質では
特定の結晶面(ジンクブレンド型では(111)B)の成長速度
が他の低指数面に比べて低いため、結晶方位を考慮し
て、結晶成長の困難な面を出さないようなプロセス上の
工夫が必要であることは言うまでもない。

【００２０】

【発明の効果】以上述べてきたように、物質の接合方法
及び構造物を本発明構成の接合方法及び構造物とするこ
とによって、従来技術の有していた課題を解決して、よ
り信頼性の高い物質接合方法及び構造物を提供すること
ができた。

【００２１】具体的には、(１)従来平面的に集積化され
ていた電子素子同士、あるいは電子素子と光素子とを三
次元的に集積することが可能となり、素子間の距離を短
くできるため、素子の高速駆動が可能となり、また、素
子全体の体積を小さくすることができ、信頼性も向上す
ること、(２)接合すべき材質の融点よりも遥かに低い温
度での接合が可能となるため、接合体の内部に真空状態
あるいはガスを密封することも可能となり、μmオーダ
のガス封入型シンチレータ、導波路型ガスレーザ装置な
どが作成できること、(３)接合体の内部に直線状だけで
なく曲線状及びそれらを組み合わせた複雑な空洞あるい
は溝を形成できるので、マイクロマシンに用いられる流
体の通路、あるいはその溝の一部に検知機能を持たせた
流量制御器を作成できること、などの効果を挙げること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の被接合物質の概略構成を示
す断面図。

【図２】図１の構成を上から見た透視図。

【図３】図１及び２の接合後の状態を示す断面図。

【図４】本発明の他の実施例の被接合物質の構成を示す
断面図。

【図５】図４の接合後の状態を示す断面図。

【図６】本発明のさらに他の実施例の構造体の構成を示
す断面図。

【図７】図７の基板12の概略構成を示す斜視図。

【図８】従来のレーザと電界効果トランジスタとの集積
方法の一例を示す断面図。

【符号の説明】

１…受光素子を形成した InP 基板、２…電子素子を形
成した InP 基板、３…受光素子、４…FET、５…凸部、
６…凸部５の周辺に成長したInP結晶、７…基板表面に
成長したInP結晶、８…方形溝を形成したシリコン基
板、９…方形溝、10…方形溝の蓋となるシリコン基板、
11…接合のための結晶成長部分、12…ガリウム‐ひ素基
板、13…低抵抗層を形成した部分、14…接合のための結
晶成長部分、15…電極、16…ガリウム‐ひ素基板、17…
半絶縁性基板、18… n 型バッファ層、19… n 型クラッ
ド層、20…活性層、21… p 型クラッド層、22… p 型低
抵抗層、23…メサ、24…半絶縁 InP 層、25… n 型能動
層、 26…配線、27…溝。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物質Ａの表面に点状あるいは線状の突起も
   しくは凸状部分を形成し、該突起もしくは凸状部分形成
   面に接合すべき物質Ｂ(複数の物質を含む)を接触もしく
   は近接させた後、必要な場合若干の圧力を加えた状態
   で、物質Ａの突起もしくは凸状部分の周りに上記物質Ａ
   及びＢの双方に同時に成長可能な物質あるいは析出して
   原子的に物質Ａ及びＢと結合できる物質を流体として供
   給することにより物質Ａと物質Ｂとを結合させることを
   特徴とする物質の接合方法。
2. 【請求項２】上記物質Ａ及びＢが n 型 InP 基板であ
   り、上記両物質の双方に同時に成長可能な物質あるいは
   析出して原子的に物質Ａ及びＢと結合できる物質を形成
   する流体がトリメチルインジウムガスとフォスフィンと
   の混合ガスあるいはこれらの混合ガスを水素ガスもしく
   は不活性ガスで希釈したガスであることを特徴とする請
   求項１記載の物質の接合方法。
3. 【請求項３】上記物質Ａ及びＢがシリコン基板であり、
   上記両物質の双方に同時に成長可能な物質あるいは析出
   して原子的に物質Ａ及びＢと結合できる物質を形成する
   流体がシランガスであることを特徴とする請求項１記載
   の物質の接合方法。
4. 【請求項４】上記物質Ａ及びＢがガリウム‐ひ素基板で
   あり、上記両物質の双方に同時に成長可能な物質あるい
   は析出して原子的に物質Ａ及びＢと結合できる物質を形
   成する流体がアルシン雰囲気中に流入させたトリエチル
   ガリウムあるいはトリメチルガリウムなどの有機金属ガ
   リウム原料であることを特徴とする請求項１記載の物質
   の接合方法。
5. 【請求項５】表面に点状あるいは線状の突起もしくは凸
   状部分を有する物質Ａと物質Ａの上記突起もしくは凸状
   部分形成面上に配設した物質Ｂとからなり、物質Ａの上
   記突起もしくは凸状部分と物質Ｂとによって形成される
   接触部が上記両物質に同時に成長可能な物質の結晶成長
   あるいは原子的に両物質と結合できる物質の析出によっ
   て結合されていることを特徴とする構造物。
6. 【請求項６】上記物質Ａ及びＢが n 型 InP 基板であ
   り、上記両物質に同時に成長可能な物質あるいは原子的
   に両物質と結合できる物質が InP であることを特徴と
   する請求項５記載の構造物。
7. 【請求項７】上記物質Ａ及びＢがシリコン基板であり、
   上記両物質に同時に成長可能な物質あるいは原子的に両
   物質と結合できる物質がシリコンであることを特徴とす
   る請求項５記載の構造物。
8. 【請求項８】上記物質Ａ及びＢがガリウム‐ひ素基板で
   あり、上記両物質に同時に成長可能なあるいは原子的に
   両物質と結合できる物質がガリウム‐ひ素であることを
   特徴とする請求項５記載の構造物。