JPH1197618A - シリコンウェハーの接合方法 - Google Patents
シリコンウェハーの接合方法Info
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- JPH1197618A JPH1197618A JP25683497A JP25683497A JPH1197618A JP H1197618 A JPH1197618 A JP H1197618A JP 25683497 A JP25683497 A JP 25683497A JP 25683497 A JP25683497 A JP 25683497A JP H1197618 A JPH1197618 A JP H1197618A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 鉛による地球環境汚染を抑えた接合剤により
接合の信頼性の高い半導体素子の製造を可能にする。 【解決手段】 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アルミニウムの融点以下の温度
に加熱し、冷却して接合する。また、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
アルミニウムおよびニッケルとからなる構成部材を加圧
状態で７００℃以下の温度に加熱し、冷却して接合す
る。
接合の信頼性の高い半導体素子の製造を可能にする。 【解決手段】 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アルミニウムの融点以下の温度
に加熱し、冷却して接合する。また、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
アルミニウムおよびニッケルとからなる構成部材を加圧
状態で７００℃以下の温度に加熱し、冷却して接合す
る。
Description
【０００１】
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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】この加熱する工程が、アルミニウムの融点
以下温度まで加熱し、かつその温度に保持して、シリコ
ンとアルミニウムとを合金化させる工程であると好まし
い。
以下温度まで加熱し、かつその温度に保持して、シリコ
ンとアルミニウムとを合金化させる工程であると好まし
い。
【０００８】ここでのアルミニウムは、アルミニウム箔
として、またはシリコンに蒸着して配置されているとよ
い。
として、またはシリコンに蒸着して配置されているとよ
い。
【０００９】さらに、この方法において加熱する工程
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
あってもよく、また、加熱する工程は、シリコンとアル
ミニウムの共晶温度より低い温度まで昇温し、かつその
温度に保持する工程でも接合可能である。
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
あってもよく、また、加熱する工程は、シリコンとアル
ミニウムの共晶温度より低い温度まで昇温し、かつその
温度に保持する工程でも接合可能である。
【００１０】また、上記課題を達成するための本発明の
シリコンウェハーの他の接合方法は、ニッケルでメッキ
された２枚以上のシリコンウェハーと、前記ニッケルメ
ッキされたシリコンウェハーの間に配置されたアルミニ
ウム、錫、銅、および銀のうち１種からなる薄層とから
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。
シリコンウェハーの他の接合方法は、ニッケルでメッキ
された２枚以上のシリコンウェハーと、前記ニッケルメ
ッキされたシリコンウェハーの間に配置されたアルミニ
ウム、錫、銅、および銀のうち１種からなる薄層とから
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。
【００１１】この加熱する工程が、７００℃以下の温度
まで加熱し、かつその温度に保持して、シリコンとニッ
ケルおよび前記薄層を構成する金属とを拡散接合させる
工程であるとより好ましい。
まで加熱し、かつその温度に保持して、シリコンとニッ
ケルおよび前記薄層を構成する金属とを拡散接合させる
工程であるとより好ましい。
【００１２】また、この薄層は、箔として、またはシリ
コンウェハー上のニッケルめっきに蒸着して配置されて
いるとよい。
コンウェハー上のニッケルめっきに蒸着して配置されて
いるとよい。
【００１３】さらに、上記課題を達成するための本発明
のシリコンウェハーの他の接合方法は、２枚以上のシリ
コンウェハーと、ニッケルメッキされ、前記シリコンウ
ェハーの間に配置されたアルミニウム、錫、銅、および
銀のうち１種からなる薄層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。
のシリコンウェハーの他の接合方法は、２枚以上のシリ
コンウェハーと、ニッケルメッキされ、前記シリコンウ
ェハーの間に配置されたアルミニウム、錫、銅、および
銀のうち１種からなる薄層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。
【００１４】この加熱する工程が、７００℃以下の温度
まで加熱し、かつその温度に保持して、シリコンとニッ
ケルおよび前記薄層を構成する金属とを拡散接合させる
工程であるとより好ましい。
まで加熱し、かつその温度に保持して、シリコンとニッ
ケルおよび前記薄層を構成する金属とを拡散接合させる
工程であるとより好ましい。
【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。
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。
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７．６
２〜１２．７ｃｍ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。
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７．６
２〜１２．７ｃｍ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、０．５〜５μ
ｍ、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、５〜１０μ
ｍであり、蒸着されたアルミニウムの厚さは、１〜５μ
ｍ、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／ｃ
ｍ2 である。
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、０．５〜５μ
ｍ、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、５〜１０μ
ｍであり、蒸着されたアルミニウムの厚さは、１〜５μ
ｍ、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／ｃ
ｍ2 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。
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。
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１
０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。
のシリコンウェハー（１）の接合すべき面を対向させ１
０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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、２μ
ｍ、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。
ｍ、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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（６
００℃）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。
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（６
００℃）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。
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。
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。
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。
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。
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。
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１０μ
ｍ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。
ｍ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。
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。
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。
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。
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。
の断面の模式図である。
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）
の合金）
Claims (12)
- 【請求項１】 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。 - 【請求項２】 前記加熱する工程が、アルミニウムの融
点以下の温度まで加熱し、かつその温度に保持して、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
を特徴とする請求項１に記載のシリコンウェハーの接合
方法。 - 【請求項３】 前記アルミニウムが、アルミニウム箔と
して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の
シリコンウェハーの接合方法。 - 【請求項４】 前記アルミニウムが、シリコンに蒸着し
て配置されていることを特徴とする請求項２に記載のシ
リコンウェハーの接合方法。 - 【請求項５】 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
する請求項３または４に記載のシリコンウェハーの接合
方法。 - 【請求項６】 前記加熱する工程が、シリコンとアルミ
ニウムの共晶温度より低い温度まで昇温し、かつその温
度に保持する工程であることを特徴とする請求項３また
は４に記載のシリコンウェハーの接合方法。 - 【請求項７】 ニッケルでメッキされた２枚以上のシリ
コンウェハーと、前記ニッケルメッキされたシリコンウ
ェハーの間に配置されたアルミニウム、錫、銅、および
銀のうち１種からなる薄層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。 - 【請求項８】 前記加熱する工程が、７００℃以下の温
度まで加熱し、かつその温度に保持して、シリコンとニ
ッケルおよび前記薄層を構成する金属とを拡散接合させ
る工程であることを特徴とする請求項７に記載のシリコ
ンウェハーの接合方法。 - 【請求項９】 前記薄層が、箔として配置されているこ
とを特徴とする請求項８に記載のシリコンウェハーの接
合方法。 - 【請求項１０】 前記薄層が、シリコンウェハー上のニ
ッケルめっきに蒸着して配置されていることを特徴とす
る請求項８に記載のシリコンウェハーの接合方法。 - 【請求項１１】 ２枚以上のシリコンウェハーと、ニッ
ケルメッキされ、前記シリコンウェハーの間に配置され
たアルミニウム、錫、銅、および銀のうち１種からなる
薄層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。 - 【請求項１２】 前記加熱する工程が、７００℃以下の
温度まで加熱し、かつその温度に保持して、シリコンと
ニッケルおよび前記薄層を構成する金属とを拡散接合さ
せる工程であることを特徴とする請求項１１に記載のシ
リコンウェハーの接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25683497A JP3733708B2 (ja) | 1997-09-22 | 1997-09-22 | アルミニウムを用いるシリコンウェハーの接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25683497A JP3733708B2 (ja) | 1997-09-22 | 1997-09-22 | アルミニウムを用いるシリコンウェハーの接合方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005144452A Division JP4333634B2 (ja) | 2005-05-17 | 2005-05-17 | シリコンウェハーの接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1197618A true JPH1197618A (ja) | 1999-04-09 |
| JP3733708B2 JP3733708B2 (ja) | 2006-01-11 |
Family
ID=17298082
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25683497A Expired - Lifetime JP3733708B2 (ja) | 1997-09-22 | 1997-09-22 | アルミニウムを用いるシリコンウェハーの接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3733708B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007048787A (ja) * | 2005-08-05 | 2007-02-22 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | はんだ接合方法 |
| JP2009135486A (ja) * | 2008-11-07 | 2009-06-18 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | はんだ接合方法 |
| CN111739808A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-10-02 | 黄山市恒悦电子有限公司 | 一种环保螺栓型电力电子整流芯片成型工艺 |
| WO2023210253A1 (ja) * | 2022-04-27 | 2023-11-02 | 三菱マテリアル株式会社 | シリコン部材、および、シリコン部材の製造方法 |
-
1997
- 1997-09-22 JP JP25683497A patent/JP3733708B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007048787A (ja) * | 2005-08-05 | 2007-02-22 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | はんだ接合方法 |
| JP4677849B2 (ja) * | 2005-08-05 | 2011-04-27 | 富士電機システムズ株式会社 | はんだ接合方法 |
| JP2009135486A (ja) * | 2008-11-07 | 2009-06-18 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | はんだ接合方法 |
| CN111739808A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-10-02 | 黄山市恒悦电子有限公司 | 一种环保螺栓型电力电子整流芯片成型工艺 |
| CN111739808B (zh) * | 2020-07-07 | 2024-03-29 | 黄山市恒悦电子有限公司 | 一种环保螺栓型电力电子整流芯片成型工艺 |
| WO2023210253A1 (ja) * | 2022-04-27 | 2023-11-02 | 三菱マテリアル株式会社 | シリコン部材、および、シリコン部材の製造方法 |
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