JPWO2020065700A1 - 金属接合体および金属接合体の製造方法、並びに半導体装置および導波路 - Google Patents

金属接合体および金属接合体の製造方法、並びに半導体装置および導波路 Download PDF

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Abstract

Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層（７）の両面にＣｕ−Ｚｎ層（６）が接合された金属接合体（５）であって、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層（７）は、全体を１００ａｔｍ％としたときに、Ｃｕ成分を１ａｔｍ％以上１０ａｔｍ％以下、Ｚｎ成分を１ａｔｍ％以上４０ａｔｍ％以下および残部をＡｇ成分とし、Ｃｕ−Ｚｎ層（６）は、全体を１００ａｔｍ％としたときに、Ｚｎ成分を１０ａｔｍ％以上４０ａｔｍ％以下および残部をＣｕ成分としている。そのため、アルミニウム系に限られることなく金属基材同士を接合することができると共に、機械的強度の高い金属接合体（５）を得ることができる。

Description

この発明は、半導体装置や導波路などに用いられる金属接合体および金属接合体の製造方法などに関する。
半導体装置においては、金属配線部材などの金属同士を接合する方法として、はんだ接合が一般的に用いられている。近年省エネルギ―化の観点から、電力損失の少ないシリコンカーバイド（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などを半導体素子に用いた半導体装置の開発が盛んに行われておいる。これらの半導体素子は２００℃以上の高温でも動作するため、半導体装置の動作温度もが年々上昇している。このような情勢において、従来のはんだ接合では耐熱性や寿命信頼性を確保することが困難である。はんだ接合に替わる接合方法として、焼結性金属や金属ペーストを用いた接合方法が提案されている。しかしながら、焼結性金属や金属ペーストは、被接合部材より強度が低い、もしくは多孔質な接合層を形成するため破壊が進みやすいという特徴をもっており、寿命信頼性の向上には課題が残る。
一方、３０〜３００ＧＨｚ帯のミリ波通信用などのアンテナ用導波路においては、金属部材同士を締結する方法として、ねじ止め、はんだ接合あるいはろう付けが用いられている。しかしながら、ねじ止めの場合は、ねじ止めのための貼り出し部が必要となりサイズ拡大や重量増加となる。また、はんだ接合の場合は、はんだ材そのものの強度不足や接合部以外の部分へのはんだ材のはみ出しなどの問題がある。さらには、ろう付けの場合は、ろう付け時の加熱による導波路部材の熱変形などの問題がある。
従来の金属同士の接合方法に替わる方法として、金属の固相拡散を利用した接合方法が提案されている。例えば、アルミニウム系基材の表面にＡｇ層およびＳｎ層を形成し、Ｓｎ層同士を接触させて加圧・加熱することで接合部にＡｌ−Ａｇ−Ｓｎ相を形成させてアルミニウム系基材同士を接合させた金属接合体が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１５５１０８号公報（４−６頁、図１）
しかしながら、従来の金属同士の接合方法においては、基材がアルミニウム系に限られており、銅や鉄などの他の金属基材に用いることができない。また、基材の表面に形成したＡｇ層とＳｎ層とは酸化還元電位の差により異種金属間の接触腐食を起こしやすいため、湿度の高い環境や塩分を含んだ環境での使用に問題がある。さらには、Ｓｎを含んだ接合部分は、Ａｌ単独やＡｇ単独で構成された接合部よりも機械的強度が低下する。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アルミニウム系に限られることなく金属基材同士を接合することができる金属接合体であって、異種金属間の接触腐食の影響が小さく、機械的強度の高い金属接合体を得ることを目的とする。
この発明に係る金属接合体は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層の両面にＣｕ−Ｚｎ層が接合された金属接合体であって、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層は、全体を１００ａｔｍ％としたときに、Ｃｕ成分を１ａｔｍ％以上１０ａｔｍ％以下、Ｚｎ成分を１ａｔｍ％以上４０ａｔｍ％以下および残部をＡｇ成分とし、Ｃｕ−Ｚｎ層は、全体を１００ａｔｍ％としたときに、Ｚｎ成分を１０ａｔｍ％以上４０ａｔｍ％以下および残部をＣｕ成分としたものである。
また、この発明に係る金属接合体の製造方法は、Ｃｕ−Ｚｎ層、Ｃｕ層およびＡｇ層が順次形成された積層体を接合して金属接合体を形成する金属接合体の製造方法であって、積層体のＡｇ層を互いに対向させて接触させる工程と、Ａｇ層同士が接触された積層体を加圧しながら３００℃以上４００℃以下の温度で加熱処理する工程とを備えたものである。
この発明に係る金属接合体は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層の両面にＣｕ−Ｚｎ層が接合されたているので、アルミニウム系に限られることなく金属基材同士を接合することができると共に、機械的強度の高い金属接合体を得ることができる。
また、この発明に係る金属接合体の接合方法は、Ｃｕ層およびＡｇ層が順次積層されているので、異種金属間の接触腐食の影響が小さい。
この発明の実施の形態１を示す金属接合体の接合方法の説明図である。 この発明の実施の形態１を示す金属接合体の特性を示す一覧表である。 この発明の実施の形態１を示す金属接合体の特性図である。 この発明の実施の形態１を示す金属接合体の特性図である。 この発明の実施の形態２を示す導波路の接合方法の説明図である。 この発明の実施の形態２を示す導波路の断面図である。 この発明の実施の形態３を示す半導体装置の接合方法の説明図である。
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係る金属接合体の接合方法の説明図である。図１（ａ）に示す金属接合体は、接合を開始する前の状態を示しており、それぞれの金属製の基材１の表面にＣｕ−Ｚｎ層２、Ｃｕ層３およびＡｇ層４が順次形成されている。図１（ｂ）は、それぞれの基材１をＡｇ層４同士で接触させた状態を示している。ここで、金属製の基材１の形状は例えば立方体のブロックであり、この金属製の基材１の一部もしくは全体の表面に金属層を順次形成している。
図１（ｂ）に示した状態で、加圧しながら３００℃以上４００℃未満の温度で加熱処理して、Ｃｕ−Ｚｎ層２、Ｃｕ層３およびＡｇ層４で固相接合させる。図１（ｃ）は、固相接合させて完成させた金属接合体５を示している。この金属接合体５は、基材１同士がＣｕ−Ｚｎ層６とＡｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層７とで接合されている。ここで、固相接合とは、基材の表面に積層された各金属層を溶融することなく固相（固体）状態で加熱し軟化させ、さらに加圧して塑性変形を与えて接合することを意味する。
固相接合で形成されたＣｕ−Ｚｎ層６は、図１（ａ）に示すＣｕ−Ｚｎ層２とＣｕ層３との間でＺｎ原子が移動して全体としてＣｕ−Ｚｎの合金層となったものである。また、固相接合で形成されたＡｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層７は、図１（ａ）に示すＡｇ層４にＣｕ−Ｚｎ層２およびＣｕ層３からＣｕ原子およびＺｎ原子が移動してＡｇ−Ｃｕ−Ｚｎの合金層となったものである。ここで、Ａｇ層４からＣｕ層３およびＣｕ−Ｚｎ層２へのＡｇ原子の移動は殆ど起こらない。
加圧条件としては、０．１ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下で、基材が変形しない条件であることが好ましい。とくに、加熱している状態であれば、基材などの形状への影響も考慮する必要があるものの、接合界面の金属層を軟化および変形させることで接合にプラスに寄与する点と、金属層が形成されている母材の変形というマイナス面を抑制する点の双方バランスをとるため、０．５ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下が好ましい。接合に要する時間は、加熱温度と加圧力とに応じて適宜設定すればよいが、一般的に１分以上１２時間未満であり、より好ましくは１０分以上３時間以内である。なお、固相接合によってＣｕ―Ｚｎ層およびＡｇ―Ｃｕ―Ｚｎ層を形成した後は加熱を停止し、自然放熱により冷却することが好ましい。
Ｃｕ−Ｚｎ層２、Ｃｕ層３およびＡｇ層４を形成する方法としては、例えば、電解めっき法、無電解めっき法、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、スパッタ法などの方法を用いることができる。また、Ｃｕ−Ｚｎ層２の膜厚は、０．１〜５μｍ、Ｃｕ層３の膜厚は、０．１〜５μｍ、Ａｇ層４の膜厚は、０．１〜１５μｍが望ましい。
金属製の基材１としては、特に限定はされないが、銅、鉄、ステンレス、アルミニウム、亜鉛などの金属やそれらの合金などを用いることができる。
以下、本実施の形態の金属接合体について、実施例および比較例を用いてさらに詳細に説明する。
Ｃｕ基材の表面にＣｕ−Ｚｎ層を形成し、そのＣｕ−Ｚｎ層の表面にＣｕ層を形成し、そのＣｕ層の表面にＡｇ層を形成した部材を２個用意した。Ｃｕ−Ｚｎ層の膜厚は５μｍとし、Ｃｕ−Ｚｎ層の組成比は、Ｚｎ原子の比率を４０ａｔｍ％とした。Ｃｕ層の膜厚は１μｍ、Ａｇ層の膜厚は５μｍとした。各金属層は、スパッタ法で成膜した。この２個の部材を、Ａｇ層同士を密着させて大気圧下で加圧および加熱することで固相接合を行い、金属接合体を作製した。各サンプル（実施例、比較例）の加圧および加熱条件は、後述する。
ここで、本実施の形態において、Ｃｕ―Ｚｎ層とはＣｕおよびＺｎを主成分とする合金層を、Ｃｕ層とはＣｕを主成分とする層を、Ａｇ層とはＡｇを主成分とする層を意味する。これらの層においては、各層の主成分のみで９９質量％以上含まれることが好ましいが、残部に不可避不純物が含まれることは問題とならない。
このようにして作製された各サンプルに対して、引張試験機（インストロン製、４４００R）を用いて接合強度を測定した。なお、引張試験に供したサンプルは、上述の金属製の基材とは異なるサンプルで接合強度を測定した。引張試験に供したサンプルの形状は、試験治具との兼ね合いから、直径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍのＣｕ製の丸棒を用い、この丸棒の断面の円形状の表面に各実施例、比較例の金属層を形成したものを２個重ねて接合したものである。接合条件は、金属製の基材と同じ条件とした。その引張方向は接合面に垂直方向、つまり丸棒の長尺方向である。接合強度の基準として、金属層としてＡｇ層のみを形成したサンプルも作製し、その接合強度を測定したところ２２０ＭＰａであった。
接合面積率は、対象とする部材の接合面の面積に対する破断面の面積の比率で定義される。各サンプルの接合面積率は、引張試験による破断に伴い破断面が凹凸となったディンプルの形成面積を算出するとともに、同時に製作した別のサンプルの接合面に垂直に切断した接合部断面における接合部と未接合部（空隙部）の比率から算出した。各サンプルの接合強度は、次の式を用いて接合面積率が１００％の場合の接合強度を算出し、Ａｇ層のみで接合したときの接合強度を基準とした相対値で比較した。
接合強度＝測定値（ＭＰａ）×（１００／接合面積率（％））／２２０（ＭＰａ）
このようにして得られた接合強度（相対値）が１より大きい場合は接合信頼性が高いと判断し、１以下の場合はＡｇ接合と同等かそれ以下であるので接合信頼性は低いと判断した。
また、各サンプルの接合面に垂直な断面に関して、Ｃｕ―Ｚｎ層のＺｎ原子の比率、Ａｇ―Ｃｕ―Ｚｎ層のＣｕ原子の比率（ａｔｍ％）およびＺｎ原子の比率（ａｔｍ％）を、走査型電子顕微鏡の波長分散型Ｘ線分光法による組成分析機能を用いて測定した。
図２は、本実施の形態の実施例および比較例の一覧表である。図２の表において、各サンプルに対して、そのサンプルの作製条件として接合温度、加圧力および接合時間を示している。また、図２の表には、接合面積率、測定された接合強度および接合強度（相対値）も併せて示している。さらに、Ｃｕ―Ｚｎ層のＺｎ原子の比率、Ａｇ―Ｃｕ―Ｚｎ層のＣｕ原子の比率およびＺｎ原子の比率も併せて示している。
図３は、本実施の形態の実施例および比較例からＡｇ―Ｃｕ―Ｚｎ層のＣｕ原子の比率に対する接合強度比を示した特性図である。図３は、本実施の形態の実施例１〜４および比較例１、２の特性値を示している。図３から、Ａｇ―Ｃｕ―Ｚｎ層のＣｕ原子の比率が、１〜１０ａｔｍ％の範囲で接合強度比が１以上であることがわかる。
図４は、本実施の形態の実施例および比較例からＡｇ―Ｃｕ―Ｚｎ層のＺｎ原子の比率に対する接合強度比を示した特性図である。図３は、本実施の形態の実施例３、５、６および比較例３、４の特性値を示している。図３から、Ａｇ―Ｃｕ―Ｚｎ層のＺｎ原子の比率が、１〜４０ａｔｍ％の範囲で接合強度比が１以上であることがわかる。
なお、本実施の形態の実施例および比較例すべてにおいて、Ｃｕ―Ｚｎ層のＺｎ原子の比率は、１０〜４０ａｔｍ％の範囲であった。
以上の結果から、本実施の形態のＡｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層の両面にＣｕ−Ｚｎ層が接合された金属接合体においては、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層は、全体を１００ａｔｍ％としたときに、Ｃｕ成分を１ａｔｍ％以上１０ａｔｍ％以下、Ｚｎ成分を１ａｔｍ％以上４０ａｔｍ％以下および残部をＡｇ成分とし、Ｃｕ−Ｚｎ層は、全体を１００ａｔｍ％としたときに、Ｚｎ成分を１０ａｔｍ％以上４０ａｔｍ％以下および残部をＣｕ成分としたときに、単なるＡｇ接合以上の接合強度を得ることができる。
また、本実施の形態の金属接合体の接合方法においては、接合を開始する前の基材の表面にはＣｕ−Ｚｎ層、Ｃｕ層およびＡｇ層が順次形成されているので、異種金属間の接触腐食の影響が小さい。
さらに、本実施の形態の金属接合体の接合方法においては、固相接合を利用している。そのため、加圧しながら加熱するときの加熱温度は、接合部材を溶融させるような６００℃以上の高温を必要としない。
実施の形態２．
図５は、この発明を実施するための実施の形態２を示す導波路の接合方法の説明図である。本実施の形態では、内部に断面が方形の空洞を備えた方形導波路（方形導波管ともいう）を例にとって説明する。
図５は、本実施の形態における導波路の断面図を示している。図５（ａ）に示す導波路は、接合を開始する前の状態を示しており、金属製の上部材１１と、この上部材１１と接合されて内部に方形の空洞を形成することができる下部材１２とで構成されている。この上部材１１および下部材１２は長尺状であり、マイクロ波を伝搬する方向を長手方向としている。
この上部材１１および下部材１２は、黄銅で構成されている。上部材１１および下部材１２を構成する黄銅は、Ｃｕ−Ｚｎ系の合金であり、Ｃｕ成分が６０ａｔｍ％〜７０ａｔｍ％、Ｚｎ成分が３０ａｔｍ％〜４０ａｔｍ％および１ａｔｍ％以下のＰｂやＦｅなどの添加物並びに不可避不純物が含まれている。本実施の形態では、例えばＣｕ成分が約７０ａｔｍ％（Ｚｎ成分が約３０ａｔｍ％）の黄銅であるＣ２６００を用いることができる。
上部材１１と下部材１２とを接合するための接触面には、それぞれＣｕ層３およびＡｇ層４が順次形成されている。実施の形態１においては、Ｃｕ層の下にＣｕ−Ｚｎ層を形成していたが、本実施の形態においては、被接合部材である上部材１１および下部材１２がＣｕ−Ｚｎ系の合金であるため、この合金の表面がＣｕ−Ｚｎ層に相当する。
図５（ｂ）は、上部材１１と下部材１２とをＡｇ層４同士で接触させた状態を示している。図５（ｂ）に示した状態で、２０ＭＰａの加圧力で加圧しながら３５０℃の温度で２時間加熱処理して、上部材１１および下部材１２の表面のＣｕ層３およびＡｇ層４で固相接合させる。図５（ｃ）は、固相接合させて完成させた導波路１３を示している。この導波路１３は、上部材１１と下部材１２とが上部材１１および下部材１２の表面であるＣｕ−Ｚｎ層６とＡｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層７とで接合されている。
このように構成された導波路において、Ｃｕ−Ｚｎ層６は、上部材１１および下部材１２を構成するＣ２６００と同じ成分であることから、Ｚｎ成分は約３０ａｔｍ％である。また、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層７の成分分析を行ったところ、この層の成分は、全体を１００ａｔｍ％としたときに、Ｃｕ成分は４．０ａｔｍ％、Ｚｎ成分は２．５ａｔｍ％であった。これらの成分比率は、加圧条件が同等である実施の形態１の実施例２の結果に近かった。
このように構成された導波路は、実施の形態１と同様に、単なるＡｇ接合以上の接合強度を得ることができる。
なお、本実施の形態においては、上部材１１と下部材１２とを接合するための接触面のみにそれぞれＣｕ層３およびＡｇ層４を順次形成した例を示した。しかし、実際にＣｕ層やＡｇ層を形成する方法として電気めっき法、真空蒸着法やスパッタ法を採用する場合、接触面以外にもそれらの層が形成される。
図６は、本実施の形態における別の導波路を示している。図６に示す導波路は、接合を開始する前の状態を示しており、金属製の上部材１１および下部材１２の接合面以外の表面にもＣｕ層３およびＡｇ層４が順次形成されている。
このように構成された導波路においても、図５に示したような工程によって導波路を製造することができる。
なお、接合面以外のＣｕ層およびＡｇ層は、機械加工で切削してもよい。また、Ｃｕ層やＡｇ層を形成するときに接合面以外をマスキングして、接合面以外にそれらの層が形成されないようにしてもよい。
また、本実施の形態では、板状の上部材と断面が凹部形状の下部材との組み合わせで導波路の空洞を構成していたが、上部材と下部材とが共に断面が凹部形状であってもよい。
実施の形態３．
図７は、この発明を実施するための実施の形態３を示す半導体装置の接合方法の説明図である。本実施の形態の半導体装置は、半導体素子を金属接合体を介して絶縁基板に接合したものである。半導体素子としては、Ｓｉ（シリコン）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ダイヤモンドなどを主成分とする半導体素子が挙げられる。また、絶縁基板としては、セラミックス基板やＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄ）基板などが挙げられる。
図７は、本実施の形態における半導体装置の断面図を示している。図７（ａ）に示す半導体装置は、接合を開始する前の状態を示しており、半導体素子２１の下面、すなわち絶縁基板２２と対向する面の表面にＣｕ−Ｚｎ層２、Ｃｕ層３およびＡｇ層４が順次形成されている。同様に、絶縁基板２２の上面、すなわち半導体素子２１と対向する面の表面にＣｕ−Ｚｎ層２、Ｃｕ層３およびＡｇ層４が順次形成されている。図７（ｂ）は、半導体素子２１と絶縁基板２２とをＡｇ層４同士で接触させた状態を示している。図７（ｂ）に示した状態で、２０ＭＰａの加圧力で加圧しながら３５０℃の温度で２時間加熱処理して、Ｃｕ−Ｚｎ層２、Ｃｕ層３およびＡｇ層４で固相接合させる。図７（ｃ）は、固相接合させて完成させた半導体装置２３を示している。この半導体装置２３は、半導体素子２１と絶縁基板２２とがＣｕ−Ｚｎ層６とＡｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層７とで接合されている。
このように構成された半導体装置は、実施の形態１と同様に、単なるＡｇ接合以上の接合強度を得ることができる。
なお、図７（ｃ）では、半導体素子２１の下部の部位のみ金属接合体としてＣｕ―Ｚｎ層およびＡｇ―Ｃｕ―Ｚｎ層が形成された図となっているが、絶縁基板２２上でかつ半導体素子２１と接合されない部位に関してもＣｕ―Ｚｎ層およびＡｇ―Ｃｕ―Ｚｎ層が形成される場合もある。
また、本実施の形態においては、半導体素子２１の接合面にはＣｕ―Ｚｎ層２、Ｃｕ層３およびＡｇ層４を順次形成しているが、半導体素子２１とＣｕ−Ｚｎ層２との間には密着性付与層としてＴｉ層などを形成してもよい。
さらに、本実施の形態においては、半導体素子と絶縁基板とを接合する例を示したが、半導体素子を接合する基板は絶縁基板に限られず、Ｃｕ基板や表面にＮｉメッキが施されたＣｕ基板などであってもよい。
１ 基材、 ２ Ｃｕ−Ｚｎ層、 ３ Ｃｕ層、 ４ Ａｇ層、 ５ 金属接合体、 ６ Ｃｕ−Ｚｎ層、 ７ Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層、 １１ 上部材、 １２ 下部材、 １３ 導波路、 ２１ 半導体素子、 ２２ 絶縁基板、 ２３ 半導体装置

Claims (5)

  1. Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層の両面にＣｕ−Ｚｎ層が接合された金属接合体であって、
    前記Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ層は、全体を１００ａｔｍ％としたときに、Ｃｕ成分が１ａｔｍ％以上１０ａｔｍ％以下、Ｚｎ成分が１ａｔｍ％以上４０ａｔｍ％以下および残部がＡｇ成分であり、
    前記Ｃｕ−Ｚｎ層は、全体を１００ａｔｍ％としたときに、Ｚｎ成分が１０ａｔｍ％以上４０ａｔｍ％以下および残部がＣｕ成分である
    ことを特徴とする金属接合体。
  2. 半導体素子と絶縁基板とが
    請求項１の金属接合体で接合されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 長尺状の上部材と、
    この上部材と請求項１の金属接合体で接合され、前記上部材と空洞を形成する長尺状の下部材とで構成されている
    ことを特徴とする導波路。
  4. Ｃｕ−Ｚｎ層、Ｃｕ層およびＡｇ層が順次形成された積層体を接合して金属接合体を形成する金属接合体の製造方法であって、
    前記積層体の前記Ａｇ層を互いに対向させて接触させる工程と、
    前記Ａｇ層同士が接触された前記積層体を加圧しながら３００℃以上４００℃未満の温度で加熱処理する工程と
    を備えたことを特徴とする金属接合体の製造方法。
  5. 前記Ｃｕ層の厚さが、０．１μｍ以上５μｍ以下であり、
    前記Ａｇ層の厚さが、０．１μｍ以上１５μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項４に記載の金属接合体の製造方法。
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