JPH0777280B2 - ボンディング方法 - Google Patents

ボンディング方法

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JPH0777280B2
JPH0777280B2 JP4322341A JP32234192A JPH0777280B2 JP H0777280 B2 JPH0777280 B2 JP H0777280B2 JP 4322341 A JP4322341 A JP 4322341A JP 32234192 A JP32234192 A JP 32234192A JP H0777280 B2 JPH0777280 B2 JP H0777280B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はボンディング技法に関
し、特に、半導体レーザーデバイスなどのボンディング
後の動作において熱を発生するデバイスのボンディング
技法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザーデバイスの動作の間、す
なわち半導体レーザーデバイスが光放射を生成している
間、当該デバイスはかなり大量の熱を発生する。この熱
は直ちにかつ効率的に当該デバイスから除去されなけれ
ばならない、さもないとその温度上昇が望ましくないレ
ベルにまで達し、利用可能なデバイス寿命が低減してし
まうことになる。
【０００３】米国特許第４，７７２，９３５号は、ヘッ
ダを有するパッケージへのシリコン集積回路の熱圧着プ
ロセスを示している。当該プロセスにおいては、複数個
のダイ（個々のチップ）に切断される前に、シリコンウ
エハ（基板）の主表面上に以下の連続層が形成される；
（１）チタンよりなる接着層；（２）バリア層（タング
ステンからなることが望ましい）；（３）ボンディング
層（金よりなることが望ましい）。さらに、望ましく
は、金よりなるストレス緩和層があらかじめタングステ
ン接着層とウエハの主表面との間に形成される。その
後、基板は複数個のダイに切断され、各々が例えばセラ
ミックヘッダ（”サブマウント”）に対してボンディン
グされる。ダイがヘッダにボンディングされる前に、ヘ
ッダの主表面はまず金の層によってコートされ、その後
望ましくは金と錫の共晶物はんだよりなるボンディング
層によってコートされる。接着層の目的は、タングステ
ンバリア層の基板への接着を促進することである。バリ
ア層の目的は、基板からのシリコンのもともと共晶物で
あったはんだボンディング層へのマイグレーションを抑
制することである。なぜなら、このようなマイグレーシ
ョンははんだボンディング層の融点の望ましくない上昇
を引き起こし、そのために、ボンディングされる表面を
濡らすようにはんだボンディング層が融解していなけれ
ばならない熱圧着ボンディングプロセスにおいてウエハ
の温度を望ましくないような高温にまで上昇させること
を必要とするからである。金ボンディング層の目的は、
バリア層をボンディングを脆弱にする酸化から保護する
ことである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前掲の米国特許におい
ては、はんだボンディング層の厚みは０．５から１ｍｉ
ｌ、すなわち１２．７から２５．４μｍと報告されてい
る。他の層が比較的薄い厚さを有している中でこのよう
な比較的厚い層厚は、比較的高出力（１００ｍＷ以上）
のレーザーに関しては望ましくない。なぜなら、著しく
高い熱コンダクタンスが必要であり、レーザーとサブマ
ウントの間のその他のボンディング層全体の厚みとして
著しく薄いものが必要となるからである。
【０００５】他方、金−錫はんだ層が良好かつ充分な熱
コンダクタンスの観点から望まれるように薄く、すなわ
ち約４μｍ以下に出来た場合には、ボンディングプロセ
スの間にはんだの表面が余りにも早期から冷却される
（凝固する）という問題が生ずる。このボンディングプ
ロセスの間には、はんだの温度をその融点以上に上昇さ
せるのに充分な量の熱が供給される。この融点は、金−
錫はんだが共晶物（金が８０重量％、錫が２０重量％）
を構成する場合には２８０℃以上であり、これが望まれ
る最低融点である。前記早期冷却は、錫が（はじめは共
晶組成あるいは錫の方が多い共晶に近い組成を有してい
た）はんだ表面からマイグレーションし、そのことによ
って（はんだ表面がもはや共晶あるいは共晶に近い組成
を有しないことから）はんだ表面の融点（凝固点）が急
激に上昇（共晶組成を有する場所の近傍の錫の組成比の
少ない側で錫の組成が１重量％減少するごとにおよそ３
０℃）してしまうために生ずる。その結果、好ましくな
いことであるがはんだの表面領域がボンディングの間に
固化（”凝固”）してしまう。なぜなら、ボンディング
プロセスは、この凝固を妨げるのに充分高温であり同時
にデバイスを害さないために必要とされるほど充分低温
である状態では実行され得ないからである。このはんだ
の早期凝固はデバイスの（バリア層上の）金ボンディン
グ層の表面のはんだによる”濡れ”を不充分にしてしま
い、結果的にデバイスのサブマウントへのボンディング
が不充分となる。よって、その後のデバイス動作の間、
（”濡れ”が不充分なことによって生じた）不充分なボ
ンディングによる不充分な熱コンダクタンスに起因する
有害なオーバーヒートがデバイスに生じ、この不充分な
機械的接着特性のためにデバイスがサブマウントから脱
着する可能性が生ずることになる。
【０００６】他方、金−錫はんだは、例えばインジウ
ム、鉛−錫、鉛−インジウム、鉛−インジウム−銀はん
だなどの他のはんだよりも、その比較的高いヤング弾性
係数及び得られる接合が機械的により安定（強固）であ
ることにより、好まれている。さらに、金−錫はんだで
形成された接合は好ましいことにより低いクリープ特性
を有している。このことは金−錫はんだの比較的高い融
点（２８０℃以上）に起因する。さらに、金−インジウ
ムはんだはレーザーを接着するためには高すぎる融点
（およそ４５７℃）を有する。このような高温において
はボンディングの間にレーザーが傷められてしまう。
【０００７】それゆえ、金−錫はんだを用いつつ従来技
術に係る欠点を被ることの無いボンディング技法が望ま
れている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】第一及び第二の主体を金
−錫はんだを用いて接着することに係る前述の欠点は、
以下の段階に従って形成された金−錫はんだ混成層を用
いることによって緩和される：各々少なくとも３層から
なる金及び錫の互層を複数個前記第一の主体の表面上あ
るいは前記第一の主体の表面上に配置された補助層上に
順次堆積する段階；この際、前記混成層の最上層は金で
あり、この金よりなる最上層の底面に中間の錫層が物理
的に直接接触している。
【０００９】前記混成層の前記層数にわたって平均した
組成は、錫を多く含む金及び錫の共晶であり、金の平均
含有量は７５から７８重量％の範囲である。最上層の金
の層厚のその次の錫の層厚に対する比は、およそ０．８
未満であることが望ましい。さらに、この比は望むらく
は０．３未満ではあるが、０．２以上であることが望ま
しい。
【００１０】混成層の全体として平均した組成は、金が
７５から７８重量％の範囲にある、すなわちわずかに金
が少ない（すなわちわずかに錫の多い）（ほとんど）共
晶混合物であることが望ましい。互層の総数は３より多
くてもかまわない：総数１０層及び総数１１層の互層よ
りなる試料が実際に作製された。はんだ混成層の全体と
しての（全ての金及び錫層を含む）層厚はおよそ４μｍ
未満であることが望ましい。さらに、この層は、熱及び
圧力が印加された条件下における主体の接着の間に金−
錫はんだ混成層の融点（凝固点）の好ましくない上昇を
最小にするために、ほとんど共晶の、より詳細に述べれ
ば（わずかに）錫の多い共晶組成を有している。なぜな
ら、錫の含有比がわずかに変化した場合の（錫のマイグ
レーションによる）融点上昇レートは金が多い（すなわ
ち錫が少ない）共晶組成の場合の方がより高いからであ
る。
【００１１】はんだ混成層内の互層の総数にかかわら
ず、その総厚みは４μｍ未満であることが望ましく、こ
の混成層の最上層は金の層であることが望ましい。よっ
て、金層と錫層の総数を加えた全体としての層数は、最
下層が金である場合には奇数であるが最下層が錫である
場合には偶数である。さらに、最終（露出表面）層がそ
の直下の錫の層と比較して薄い金の層であるため、デバ
イスの接着の間の熱及び圧力の印加に応答して、はんだ
表面の金の少ない（すなわち錫の多い）領域のはんだの
組成がはんだ表面からの錫のマイグレーションによりほ
ぼ共晶組成になる。同時に、はんだ表面の劣化が最終の
（薄い）金の層の酸化防止特性によって妨げられる。こ
のようにして、その後のデバイスの動作の間、デバイス
のサブマウントへのボンディングは強固なままであり、
デバイスの動作中当該デバイスからサブマウントへの良
好な熱流が存在し、デバイスのサブマウントへの良好な
接着及びそれに起因する安定な機械的アラインメントが
実現される。
【００１２】さらに、本発明に従って、接着層上に配置
されたバリア層−通常、錫上に配置されたニッケル−に
よる補助層が形成される。この補助層は、金−錫はんだ
混成層と前記第一の主体の表面との間に配置される。
【００１３】金−錫はんだ混成層の底部層は金であるこ
とが望ましく、従って混成層の総層数が奇数であること
が望ましい；この底部層は、ボンディングの間、金の多
い界面にその下層の（通常、ニッケルよりなる）バリア
層を供給する。このようにして、錫とバリア層材料との
間の望ましくない相互作用が遅延させられる；同時に、
錫のバリア層へのマイグレーションも遅延させられ、こ
れらのことによって金−錫はんだ混成層の早期冷却が希
望されるように遅延させられる。
【００１４】前記第二の主体の（ボンディングされるべ
き）表面も、同様に接着層、その接着層上にバリア層、
そのバリア層上に同様のはんだ混成層あるいは金層を有
することが望ましい。
【００１５】
【実施例】図１において、通常、ＩｎＰ基板に形成され
た半導体レーザー構造１０は、およそ０．０１５μｍの
厚みを有する金−ゲルマニウム合金からなる底部コンタ
クト電極層１０．５を有しており、全体として半導体レ
ーザーデバイス１００が形成されている。電極層１０．
５上には、通常、０．０５から０．１０μｍの範囲の厚
みを有するチタン層よりなる接着層１１が配置されてい
る。この接着層１１の上には、通常、０．０５から０．
１０μｍの範囲の厚みを有するプラチナよりなるバリア
層１２が配置されている。このバリア層１２の上には、
通常、およそ０．５μｍの厚みを有する金よりなるバイ
ンダ層１３が配置されている。
【００１６】サブマウント２０は、ボンディング手続き
が実行された後、金属はんだあるいはエポキシによって
銅よりなるスタッドあるいはセラミックボードに固着さ
れる。このサブマウントは、通常、シリコン、セラミッ
ク、あるいは低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）によっ
て形成されたダイアモンドよりなる。通常、このサブマ
ウント２０はおよそ２５０μｍの厚みを有している。サ
ブマウント２０の少なくとも一部の上部表面上（すなわ
ち、デバイス１００がボンディングされる場所）に、通
常およそ０．１０μｍの厚みを有するチタンよりなる接
着層２１が配置されている。この接着層２１上には、通
常０．３０μｍの厚みを有するニッケルよりなるバリア
層２２が配置されている。ニッケルの代わりに、タング
ステン、クロム、ルテニウム、あるいはモリブデン等の
他の材料もバリア層２２として用いられ得る。
【００１７】バリア層２２の上には、双方とも金よりな
る底部層２３．１から始まって上部層２３．１１に終わ
る、金−錫よりなる複数個の互層によって構成されたは
んだ混成層２３が配置されている。例えば、層２３．
１、２３．２、．．．、２３．１１の厚みは、代表的に
は、層２３．１は、約０．４００μｍの金、層２３．２
は、０．２００μｍの錫、層２３．３は、０．２５０μ
ｍの金、層２３．４は、０．３００μｍの錫、層２３．
５は、０．３２５μｍの金、層２３．６は、０．３００
μｍの錫、層２３．７は、０．３７５μｍの金、層２
３．８は、０．３５０μｍの錫、層２３．９は、０．２
５０μｍの金、層２３．１０は、０．３５０μｍの錫、
層２３．１０は、０．１００μｍの金であり、全体とし
て１１層よりなる。ここで金の総厚みは１．７０μｍに
等しく、錫は１．５０μｍであり、全体では３．２０μ
ｍである。すなわち、錫を２５重量％含んでいることに
なり（共晶構造ではおよそ２０重量％の錫が含まれてい
る）、混成層２３全体で平均して錫の多い（金の少な
い）共晶に近い組成を有していることになる。はんだ混
成層２３の底部層が金の代わりに錫である場合には、奇
数個の層ではなく偶数個の層より構成されることにな
る。例えば、錫及び金の互層の層厚が、他の特定の実施
例に従って、（底部から頂部に向かって）それぞれ０．
２００μｍの錫、０．６５０μｍの金、０．３００μｍ
の錫、０．３２５μｍの金、０．３００μｍの錫、０．
３７５μｍの金、０．３５０μｍの錫、０．２５０μｍ
の金、０．３５０μｍの錫、及び０．１００μｍの金で
あり、全体で１０の互層となる。金の総厚みはやはり
１．７０μｍに等しく、錫の総厚みも１．５０μｍであ
り、はんだ混成層２３は３．２０μｍの（層厚全体にわ
たって平均して）錫の多い共晶構造を有することにな
る。この層厚にバリア層２２及び接着層２３の層厚を加
えると、全体としてわずか３．６０μｍになるだけであ
る。
【００１８】最上部層２３．１１の厚さのその次の層２
３．１０（すなわち、その上部表面が最上部層２３．１
１の底部表面と物理的に接触している層）の厚さに対す
る比は、０．１００÷０．３５０＝０．２８６であり、
すなわち０．３以下である。この比は、他の実施例、す
なわち総数１０の互層よりなる実施例においても適用さ
れる。従って、双方の実施例とも、平均の組成は（その
共晶構造の組成に比較して）充分に金が少なくそれゆえ
錫の多いものであり、その後の圧縮ボンディング（すな
わち、レーザーデバイス１００上に配置された金の層１
３とのボンディング）の間、すなわち初期の層２３．１
０から初期の最上部の（金の）層２３．１１への錫のマ
イグレーションの間、はんだ混成層２３の表面も望まれ
ていない、金の多い共晶混合物、すなわち高い融点（凝
固点）のために早期凝固をしてしまう混合物、にはなら
ない。他方、最上部層２３．１１は、その下層の錫の層
２３．１０が、ボンディングの間の融解に先立って、錫
の層２３．１０が金によってコートされていない場合の
ように酸化されないように保護する目的から、金である
ことが有利である。
【００１９】層１１、１２、及び１３は、全て、従来技
術に係る連続蒸着あるいは適切な金属系ターゲットを用
いた連続スパッタリングによって形成されうる；層２
１、２２及び２３．１、２３．２、．．．、２３．１１
も同様に従来技術に係る蒸着あるいはスパッタリングに
よって形成されうる。
【００２０】これらの層の形成の後、圧縮力Ｆ−通常、
１から３ＭＰａの範囲の圧力−がレーザーデバイス１０
０及びサブマウント２０の露出させられた表面に印加さ
れ、同時にはんだ混成層２３がおよそ３２０℃の温度に
約１０秒間加熱されることによって、熱及び圧力が印加
された下でのボンディングが実行される。このようにし
て、はんだ混成層２３は融解し、バインダ層１３の表面
を濡らす。印加された熱及び圧力が終了すると、混成層
２３．１、２３．２、．．．、２３．１１が融解し溶融
して錫の多い金−錫共晶混合物を形成し、レーザーデバ
イス１００とサブマウント２０との間のボンディングが
形成される。
【００２１】以上、本発明が実施例に則して説明されて
きたが、種々の修正が本発明の範囲を逸脱することなく
なされうる。例えば、レーザーデバイス１００上に配置
された単一の層１３の代わりに、混成層２３のような混
成層が用いられうる。さらに、混成層２３として１０層
未満の総層数を有する混成層も用いられうる：全体で７
層から１５層が好ましいが、３層から６層のものも利用
可能である。最後に、およそ０．３以下、という代わり
に、最上部層２３．１１とその次の層２３．１０との層
厚比としておよそ０．８までの値が用いられうる；さら
に３．６μｍ−すなわち４μｍ未満−の代わりに、混成
層２３の層厚として５μｍまでの値が用いられうる。い
ずれの場合においても、混成層の底部層（及び最上部
層）は金よりなることが望ましく、よって混成層を構成
する複数個の層の個数は奇数であることが望ましい。
【００２２】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。
【００２３】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、金
−錫はんだを用いつつ、従来技術に係る欠点を克服した
ボンディング技法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例に従うボンディング方法の垂
直断面図。この図においては、層２３．１、２３．
２、．．．２３．１１のそれぞれの相対的な厚みが大体
実際のものと同様のスケールで描かれている以外は、そ
れぞれの大きさは等縮尺ではない。
【符号の説明】
１０ 半導体レーザー構造 １０．５ 電極層 １１ 接着層 １２ バリア層 １３ バインダ層 ２０ サブマウント ２１ 接着層 ２２ バリア層 ２３ 金−錫はんだ混成層 ２３．１、２３．３、２３．５、２３．７、２３．９、
２３．１１ 金層 ２３．２、２３．４、２３．６、２３．８、２３．１０
錫層 １００ 半導体レーザー
フロントページの続き (72)発明者 チェン−スン リー アメリカ合衆国 07060 ニュージャージ ー ノース プレインフィールド、ビー７ ノース ドライヴ 375 (72)発明者 キン リィエン タイ アメリカ合衆国 07922 ニュージャージ ー バークレー ハイツ、ハイランド サ ークル 95 (72)発明者 ユ−マン ウォン アメリカ合衆国 18106 ペンシルヴェニ ア ウェスコスヴィル、マラナサ ウェイ 5001

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金層（２３．１、２３．３、２３．５・
    ・・）と錫層（２３．２、２３．４、２３．６・・・）
    よりなる複数個の層を交互に含む第一のはんだ混成層
    （２３）を、第一の主体（２０）上に形成するステップ
    を有する、第一の主体（２０）及び第二の主体（１０）
    とをボンディングする方法において、 前記複数の層の数は３以上で、 前記複数の層は、前記第一の主体の上部表面上に配置さ
    れた補助層（２１または、２２）の上部表面上に形成さ
    れており、 前記混成層（２３）が、最上部に金層（２３．１１）を
    有するように形成されており、 中間の錫層（２３．１０）が、前記最上部金層（２３．
    １１）の底部表面に直接物理的に接触しており、 前記はんだ混成層の前記総数全体にわたって平均した組
    成が、約７５から７８重量％の金を含む、金と錫とより
    なる錫の多い共晶混合物であり、 前記最上部の金層（２３．１１）の層厚のその次の錫層
    （２３．１０）の層厚に対する比が、０．８未満である
    ことを特徴とするボンディング方法。
  2. 【請求項２】 前記比が、およそ０．２から０．３の範
    囲にあることを特徴とする請求項第１項に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記第一のはんだ混成層が、およそ４μ
    ｍ未満の総層厚を有することを特徴とする請求項第１項
    あるいは第２項に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記主体がダイアモンドよりなることを
    特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記複数個の層が１０層以上であること
    を特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の方
    法。
  6. 【請求項６】 前記複数個の層が７層以上であることを
    特徴とする請求項第１項あるいは第２項に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記第二の主体の露出させられた表面を
    前記第一の主体の前記最上部層へ、前記はんだ−金属混
    成層が融解するために充分な熱及び圧力の下で、物理的
    に押し付けるステップを更に有することを特徴とする請
    求項第１項あるいは第２項に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記第二の主体の前記露出させられた表
    面が金よりなることを特徴とする請求項第７項に記載の
    方法。
  9. 【請求項９】 前記方法が、さらに、前記第二の主体の
    露出させられた表面を前記第一の主体の前記最上部層
    へ、前記はんだ混成層が融解するために充分な熱及び圧
    力の下で、物理的に押し付けるステップを更に有するこ
    とを特徴とする請求項第４項に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記層数が奇数であることを特徴とす
    る請求項第１項あるいは第２項に記載の方法。
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