JPH0699317A - 接合方法 - Google Patents

接合方法

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JPH0699317A
JPH0699317A JP23918192A JP23918192A JPH0699317A JP H0699317 A JPH0699317 A JP H0699317A JP 23918192 A JP23918192 A JP 23918192A JP 23918192 A JP23918192 A JP 23918192A JP H0699317 A JPH0699317 A JP H0699317A
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JP
Japan
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splicing
bonding
sputtering
splicing surfaces
joining
Prior art date
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JP23918192A
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English (en)
Inventor
Akiomi Kono
顕臣 河野
Riyuujirou Udou
竜二郎 有働
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】無酸素銅製の上部被接合材1及び下部被接合材
2をロードロック室3を介してマグネットフィードスル
ー4を用いて超真空対応の接合チャンバ5内に導入す
る。上部被接合材1及び下部被接合材2を接合チャンバ
5内に相対向して設置した後、接合チャンバ5内を10
~10torr 以下にまで排気系6を用いて排気する。その
後、ガス純化装置7を通した超高純度Arガスを二つの
アトム源8,9に導入し、チャンバ5内真空度を2×1
0~4torrにする。その後、アトム源8,9に圧電を印加
してArアトムを上部被接合材1及び下部被接合材2に
照射する。 【効果】各種機能部品の接合・組立において、熱による
信頼性の低下や材料特性の損失が生じないよう低温(理
想的には常温)で接合するニーズが増大する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体部品,電子部品,
光部品など、熱や変形(歪み)を極力与えずに高精度に
接合する必要がある部品への利用が有効な接合方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】従来技術として、特開昭56−53886 号公
報に開示されている方法がある。従来は、Ar等のガス
雰囲気内で一対のイオンガスを用いて二つの接合面をス
パッタリングし、その後、微小歪圧接していた。
【0003】電子部品,光部品,精密機構部品などで
は、材料や製造プロセスからくる熱的制限あるいは変形
(歪み)防止の点から、各部品の接合・組立に有機接着
剤や融点の低いはんだが一般に用いられる。しかし、接
着剤では、湿度の影響をうけ長時間放置されたり熱サイ
クルをうけると接着強度が顕著に低下し、部品全体の信
頼性低下を引き起こす。さらに、はんだ付けでは、ボイ
ドの発生,フラックスの残渣等不純物の影響,接合部で
の金属間化合物の生成,クリープ現象,マイグレーショ
ン等による強度低下など信頼性の面で問題となる場合が
ある。
【0004】また、最近の電子部品は多層積層構造を用
いて高密度化しており、接合箇所の増加にともない従来
のはんだ付け温度よりさらに低い温度で接合する必要も
でてきた。
【0005】一方、製品の高機能化を目的として、セラ
ミックスやアモルファス合金などの新素材の適用が盛ん
になってきた。その際これらの新素材は金属と接合して
使用されることが多い。しかし、セラミックスと金属の
接合では、一般に高温で接合されることが多く、両者の
熱膨張率の差に起因して熱応力が発生し、接合部の強度
信頼性が問題となる。また、アモルファス合金の接合で
は、その再結晶温度以上では結晶化するため接合温度は
制限される。したがって、セラミックスやアモルファス
合金の接合においても極力低い温度で接合する必要があ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】材料表面同士を相互に
原子レベル程度の距離にまで接近させると化学結合が形
成される。すなわち、金属原子が相互に近づくと自由電
子が共通化し結晶格子点に存在する金属イオンと相互作
用して結合が起こる。したがって、原理的には清浄で、
かつ平坦な二つの表面を十分に近づければ可能である。
しかし、実際の表面には自由電子が存在するので外界の
物質と反応しやすく参加皮膜や水分,油脂分,有機物質
などの吸着層(汚染層)が存在し、活性な状態ではない
ため十分な結合力は生じない。さらに、現実の表面はい
かに平坦に加工しようとも原子レベルでは凹凸状態にな
っており、表面同士を相互に重ね合わせても接触部はほ
とんどない。そこで、Arイオンなどの粒子ビームで接
合面をスパッタリングして清浄化(活性化)する。さら
に接合面同士を完全に密着させるため、接合面は予め超
平滑に加工しておかなければならない。しかし、サブミ
クロンオーダの表面粗さは残り、また、接合面全体には
うねりが存在する。したがって、完全密着のために加圧
する必要がある。
【0007】本発明の目的は、被接合材に大きな圧力を
加えることなく、かつ低い温度で接合するための方法を
提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】Arなどのイオンやアト
ムビームを接合面に照射することは従来法と同じである
が、本発明では、接合面の汚染層(酸化皮膜,水分,油
膜分など)を除去するだけでなく接合面を清浄化した
後、さらに活性な超微粒子膜を接合面に再汚染させるこ
となく形成させる点にポイントがある。活性な層の形成
法として、粒子ビームで接合材、あるいは、ターゲット
材をスパッタリングし、相手側の接合面に活性な超微粒
子膜を形成する。この際、再汚染防止のためスパッタリ
ングの雰囲気は酸素分圧,水分,油脂分の極めて低い超
高純度雰囲気でなければならない。すなわち、活性化処
理及び超微粒子膜の形成は超高真空対応のチャンバ内に
つくられた超高純度雰囲気内で連続して行なわなければ
ならない。
【0009】従来法では、接合面を超平滑に仕上げた
り,加圧力を大きくして接合面の塑性変形により接合面
同士を密着させていたが、実用上問題が多い。本発明で
は、接合面のスパッタリングによりある程度表面を平滑
にする。しかし、完全ではないので、さらにスパッタリ
ングにより超微粒子化した金属を接合面に付着させる。
これは一種の蒸着で容易に接合面の凹凸を平坦化するこ
とができる。
【0010】従来法では接合面の汚染層をスパッタリン
グにより除去して清浄にしただけであったが、本発明で
は、超高純度雰囲気内でのスパッタリングで形成された
超微粒子膜を利用して接合面の凹凸を平坦化するととも
に活性度を高めより接合性を向上させる。
【0011】
【作用】
(1) 接合面を粒子ビームで照射することにより接合面
の汚染層が除去できる。
【0012】(2) 汚染層除去後、片方の接合面あるい
はターゲット材のスパッタリングにより超微粒子を生成
し接合面に付着させることにより、接合表面の凹凸を平
坦化できる。さらに、この接合面へのスパッタリングに
よる超微粒子膜の形成で接合面をより活性化できる。接
合面上に形成された超微粒子膜はスパッタリングにより
堆積したものであるからその密度は低い。しかし、超微
粒子膜は非常に活性であるため接合面同士を重ね合わせ
た時のわずかな加圧で焼結し接合面は接合する。
【0013】(3) 上述のように活性な超微粒子膜は常
温で焼結するが、超微粒子膜の材質により焼結のしやす
さは異なる。そこで、焼結性の低い場合は接合面を加熱
するとよい。すなわち、加熱により原子の拡散が顕著と
なり、接合面間にある超微粒子膜の焼結が促進され、接
合性は向上する。
【0014】以上のような作用から、低い温度でほとん
ど加圧もしないで接合が達成できる。
【0015】
【実施例】
〈実施例1〉図1を用いて説明する。
【0016】無酸素銅製の上部被接合材1及び下部被接
合材2をロードロック室3を介してマグネットフィード
スルー4を用いて超真空対応の接合チャンバ5内に導入
する。したがって、接合チャンバを大気開放する必要が
ないため、短時間で接合チャンバ内を所定の真空度にま
で排気できる。上部被接合材1及び下部被接合材2は接
合チャンバ5内に相対向して設置した後、接合チャンバ
5内を10~10torr 以下にまでターボ分子ポンプ,チタ
ンゲッターポンプ,イオンポンプからなる排気系6を用
いて排気する。なお、上部及び下部被接合材の接合表面
粗さは1μm以下に予め機械加工で仕上げられている。
その後、ガス純化装置7を通した超高純度Arガス(酸
素2ppb,一酸化炭素2ppb,二酸化炭素2ppb,水50p
pb以下)を二つのアトム源8,9に導入し、チャンバ5
内真空度を2×10~4torrにする。その後、アトム源
8,9に電圧を印加してArアトムを上部被接合材1及
び下部被接合材2に照射する。この時、各アトム源8,
9は各接合面の法線に対して45度の方向に位置してい
る。照射時間は被接合材表面の汚染層厚さに依存する
が、本実験例では、照射電圧2.0kV ,照射電流30
0mAで10分間照射して被接合面上の汚染層を除去し
た。本実施例では、スパッタリングによる銅の除去速度
は約50nm/min であることから500nm除去した
ことになり接合表面は清浄(活性)になり、また、その
表面粗さはかなり平坦化される。次に、上部アトム源8
をアトム源移動機構10により下方に移動するととも
に、ステージ11により下部被接合材2を接合面とAr
照射軸とのなす角度が45度となる左方の位置に移動す
る。その後、上部アトム源8を動作させArアトムを下
部被接合材2の接合面に30分間照射する。この時、下
部被接合表面よりCuの超微粒子が飛び出し、超微粒子
は上部被接合材1の接合面に付着,堆積して活性な超微
粒子膜が形成される。したがって、上部被接合面には活
性なCu薄膜が形成されると共に、Cu超微粒子膜で接
合面の凹凸はうめられ平坦化される。なお、Cu超微粒
子膜形成のためのアトム源照射電圧及び電流はそれぞれ
3kV,500mAとしたため、スパッタリング速度は
大きく、約1000nm厚さの膜が上部被接合材表面に
形成された。次にステージ11により下部被接合材2を
上部被接合材の真下の位置に移動し、上部被接合材移動
機構12により上部被接合材1を下部被接合材2に重ね
合わせ加圧する。この時の加圧力は100g/mm2 と非
常に小さい。このようにして接合したCu部材の引張試
験を行うと、5kg/mm2と高い接合強度が得られた。
さらに接合強度を向上するには、上部被接合材と下部被
接合材を重ね合わせた後、接合部を実用上問題とならな
い温度(これは対象物によって異なる)に加熱してやれ
ば良い。これは、接合面間での原子の拡散が促進し、超
微粒子の焼結が進行し、ミクロ的ボイドが消滅して接合
強度は向上する。加熱源は、モリブデンヒータ,レーザ
など種々である。ここでは150℃の加熱で接合強度は
15kg/mm2 であった。
【0017】本実施例では粒子ビームの発生にアトム源
を用いたがイオン源でも良い。
【0018】〈実施例2〉図2を用いて説明する。
【0019】実施例1と同じ真空チャンバ内にSi21
とジルコニア22を並べて設置した後、真空チャンバ内
を10~10torr まで排気する。その後、超高純度Arガ
スをガス導入管23を通して、アトム源24に導入し、
チャンバ内を2×10~4torrにする。この後、アトム源
24を動作させAr原子をSi21及びジルコニア22
表面に照射(照射条件2kV,300mA,2分間)す
る。本実施例でイオン源を用いず電気的に中性なアトム
源を用いたのはSi21及びジルコニア22(絶縁物)
にチャージアップが起こらないようにするためである。
ここで、照射時間が短いのは、Si21及びジルコニア
22表面の水分,油脂分のみを除去するだけで良いから
である。次に、アトム源24へのArガスの供給をや
め、ガス導入管25を通してイオン源26にガスを導入
し、チャンバ内真空度を2×10~4torrに保つ。その後、
アトム源26を作動させ、ArイオンをAuターゲット
27に照射する(照射条件:3kV,500mA,30
分間照射)する。この時、ターゲットよりAuの超微粒
子が飛び出しSi21及びジルコニア22表面に膜とし
て形成される。次に、Si21を反転,移動機構28に
よりSi21を上方へ反転移動する。さらに、ステージ
29によりジルコニア22をSi21の直下へ移動し
て、突き上げ機構30によりジルコニア22を上方へ持
ち上げSi21とジルコニア22とを重ね合わせる。その
後、加熱機構31でジルコニア22を100℃に加熱
し、5分間保持する。この時の重ね合わせ圧力は100
g/mm2と小さい。Auの超微粒子は100℃程度の加
熱により、凝集,焼結し、高い接合強度が得られる。本
実施例ではSiとジルコニアを5kg/mm2 の接合強度
で接合できた。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、各種機能部品の接合・
組立において、熱による信頼性の低下や材料特性の損失
が生じないよう低温(理想的には常温)で接合するニー
ズが増大し、このようなニーズに対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の接合方法の一実施例の説明図。
【図2】本発明の接合方法の他の実施例の説明図。
【符号の説明】
1…上部被接合材、2…下部被接合材、3…ロードロッ
ク室、4…マグネットフィードスルー、5…接合チャン
バ、6…排気系、7…ガス清浄器、8…上部アトム源、
9…下部アトム源上部。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超高純度雰囲気内で二つの接合面を粒子ビ
    ームで照射した後、再度、前記粒子ビームでいずれか前
    記一方の接合面をスパッタリングして前記他方の接合面
    へ超微粒子膜を形成し、前記両接合面を重ね合わせてわ
    ずかに加圧して接合することを特徴とする接合方法。
JP23918192A 1992-09-08 1992-09-08 接合方法 Pending JPH0699317A (ja)

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