(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被半田接合物の接合面に不活性金属を被覆形成する半田接合用膜形成装置であって、清浄化膜形成室内に、前記不活性金属を前記接合面に膜形成するためのスパッタ電極を複数個有し、前記スパッタ電極は前記スパッタ電極に対応する複数個の半導体スイッチング素子を介してスパッタ直流電源に接続され、接合面を清浄化処理するための逆スパッタ清浄化電極が前記スパッタ電極に対抗して配置され、前記スパッタ電極と前記逆スパッタ清浄化電極の間に分離シャッターが配置されていることを特徴する半田接合用清浄化膜形成装置。
【請求項２】
被半田接合物の接合面の清浄化及び前記接合面に不活性金属を被覆形成する清浄化膜形成室と、内部を真空にできる仕込み室とを具備する半田接合用清浄化膜形成装置であって、前記仕込み室と前記清浄化膜形成室とは搬送路によってつながれており、前記搬送路は開閉バルブを有し、前記仕込み室内に被半田接合物を縦及び横にそれぞれ複数個収納する被接合板を格納する被接合板格納部及び前記被接合板を前記清浄化膜形成室へ搬送及び返送する搬送装置を有し、前記仕込み室は室内圧力制御装置及び前記被接合板格納部と前記搬送装置との前記被接合板の相互移動をさせる移動装置を有し、前記清浄化膜形成室は室内圧力制御装置と雰囲気調整を行う雰囲気制御装置とを有し、前記清浄化膜形成室内にはスパッタ電極に設けたターゲットと逆スパッタ清浄化電源に接続された逆スパッタ清浄化電極とが対抗して配置され、前記ターゲットと前記逆スパッタ清浄化電極の間には高融点金属のシャッターが配置され、前記不活性金属の膜形成を行う前記スパッタ電極には負極のスパッタ直流電源が設けられ、前記スパッタ電極は少なくとも二つ有し、前記スパッタ電極のそれぞれに対応して前記スパッタ電極は半導体スイッチング素子を介して前記スパッタ直流電源に接続され、前記半導体スイッチング素子は前記半導体スイッチング素子の開閉を制御する切り換え制御部に接続され、前記切り換え制御部，前記清浄化膜形成室の前記室内圧力制御装置，前記スパッタ直流電源，前記雰囲気制御装置，前記逆スパッタ清浄化電源及び前記仕込み室の室内圧力制御装置を統括的に制御する統括制御部を有することを特徴する半田接合用清浄化膜形成装置。
【請求項３】
被半田接合物の接合面の清浄化及び前記接合面に不活性金属を被覆形成する清浄化膜形成室と、内部を真空にできる仕込み室とを具備する半田接合用清浄化膜形成装置であって、前記搬送路を開閉する手段、前記仕込み室内に被半田接合物を縦及び横にそれぞれ複数個収納する被接合板を格納する手段、前記被接合板を前記清浄化膜形成室へ搬送及び返送する搬送手段、前記仕込み室の室内圧力を制御する手段、前記被接合板を格納部から取り出し又は収納する手段、前記清浄化膜形成室の室内圧力を制御する手段、前記清浄化膜形成室の雰囲気調整を行う手段、前記清浄化膜形成室内で前記不活性金属の膜形成を行う手段、前記清浄化膜形成室内で被半田接合物の接合面の清浄化を行う手段、前記不活性金属の膜形成で磁界を発生させる少なくとも二つを有するスパッタ電極のスイッチングを制御する手段、前記不活性金属の膜形成及び被半田接合物の接合面の清浄化を統括的に制御する手段を有することを特徴する半田接合用清浄化膜形成装置。
【請求項４】
請求項２〜請求項３のいずれかに記載の半田接合用清浄化膜形成装置において、前記清浄化膜形成室の室内圧力を検出する手段、前記清浄化膜形成室の雰囲気を検出する手段、前記仕込み室の室内圧力を検出する手段を有し、前記清浄化膜形成室の室内圧力の検出信号と前記清浄化膜形成室の雰囲気の検出信号と前記仕込み室の室内圧力の検出信号とから前記被半田接合物と前記仕込み室との搬送及び返送，前記被半田接合物の接合面の清浄化及び不活性金属の膜形成を制御することを特徴とする半田接合用清浄化膜形成装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の半田接合用清浄化膜形成装置において、少なくとも２つ有するスパッタ電極に供給する電力のスイッチング周期及び電力の分配比が、任意に設定できることを特徴とする半田接合用清浄化膜形成装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の半田接合用清浄化膜形成装置と、接合チャンバーを真空に排気できる手段，接合基板をプログラム温度制御できる手段，真空加熱保持後チャンバー内に窒素あるいは不活性ガスを導入し圧力と冷却をプログラム制御できる手段及び接合基盤の温度とチャンバー内圧力とチャンバー内の冷却とを総括的にプログラム制御できる手段を備えた真空加熱ガス冷却圧力制御接合炉とを有することを特徴とする界面清浄化半田接合装置。
【請求項７】
被半田接合物の接合面に不活性金属を被覆形成する半田接合用膜形成方法であって、清浄化膜形成室内で、逆スパッタ清浄化処理により前記接合面の清浄化を行い、前記不活性金属を前記接合面に膜形成するための複数個のスパッタ電極に、複数個の前記スパッタ電極に対応して設置された複数個の半導体スイッチング素子を切り替えることによって、順次電力を供給し、前記複数個のスパッタ電極よりも数の多い被接合板上に前記不活性金属の被覆形成を行うことを特徴する半田接合用清浄化膜形成方法。
【請求項８】
被半田接合物の接合面に不活性金属を被覆形成する半田接合用膜形成方法であって、清浄化膜形成室内で、逆スパッタ清浄化処理により前記接合面の清浄化を行い、前記不活性金属を前記接合面に膜形成するための複数個のスパッタ電極に、順次電力が供給され、前記不活性金属が飛散し、前記被半田接合物の前記接合面に飛散した前記不活性金属が被半田接合物の接合面に均一に堆積し、前記不活性金属の被覆を形成することを特徴する半田接合用清浄化膜形成方法。
【請求項９】
半田接合前に、被半田接合物の接合面の清浄化及び前記接合面に不活性金属を被覆形成する半田接合のための清浄化膜形成方法であって、被半田接合物を格納し搬出できる仕込み室と清浄化膜形成室とは搬送路によってつながれており、前記搬送路を閉じ、仕込み室内に被半田接合物を縦及び横にそれぞれ複数個収納して被接合板を格納し、前記仕込み室及び前記清浄化膜形成室の室内圧力を設定値にし、前記搬送路を開け、前記被半田接合物を前記清浄化膜形成室へ搬送し、前記搬送路を閉じ、前記清浄化膜形成室の雰囲気調整を行い、前記清浄化膜形成室で前記被半田接合物の接合面の清浄化を行い、前記不活性金属の膜形成で磁界を発生させる少なくとも二つを有するスパッタ電極のスイッチングを制御して前記不活性金属の膜形成を行い、前記清浄化膜形成室の室内圧力を設定値にし、前記搬送路を開け、前記被半田接合物を前記仕込み室へ返送し、前記搬送路を閉じる工程を順次実施することを特徴する清浄化膜形成方法。
【請求項１０】
半田接合前に、被半田接合物の接合面の清浄化及び前記接合面に不活性金属を被覆形成する半田接合のための清浄化膜形成方法であって、被半田接合物を格納し搬出できる仕込み室と清浄化膜形成室とは搬送路によってつながれており、前記搬送路を閉じ、仕込み室内に被半田接合物を縦及び横にそれぞれ複数個収納して被接合板を格納し、前記仕込み室及び前記清浄化膜形成室の室内圧力を設定値にし、前記搬送路を開け、前記被半田接合物を前記清浄化膜形成室へ搬送し、前記搬送路を閉じ、前記清浄化膜形成室の雰囲気調整を行い、前記清浄化膜形成室で前記被半田接合物の接合面の清浄化を行い、前記不活性金属の膜形成で磁界を発生させる少なくとも二つを有するスパッタ電極のスイッチングを制御して前記不活性金属の膜形成を行い、その後、真空加熱ガス冷却圧力制御接合炉で加熱，保持及び冷却する半田接合の際に半田の溶融温度±３０℃の温度範囲では加熱速度又は冷却速度を３℃／ｍｉｎ以下とし、半田の溶融温度±３０℃以外の温度範囲では加熱速度又は冷却速度を３℃／ｍｉｎ以上とすることを特徴とする界面清浄化半田接合装置。
【請求項１１】
半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置の製造方法において、請求項１に記載の半田接合用清浄化膜形成装置により、前記半導体素子裏面，前記絶縁基板の表裏及び前記放熱板の片面を清浄化し、不活性金属の膜を形成した後、前記半導体素子裏面とパタ−ニングされた前記絶縁基板表面および前記絶縁基板の裏面と前記放熱板とを半田接合したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置において、請求項１に記載の半田接合用清浄化膜形成装置により、前記半導体素子裏面，前記絶縁基板の表裏及び前記放熱板の片面が清浄化され、清浄化された面に不活性金属の膜が形成された後、前記半導体素子裏面とパタ−ニングされた前記絶縁基板表面および前記絶縁基板の裏面と前記放熱板とが半田によって接合されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置において、請求項１に記載の半田接合用清浄化膜形成装置により、接合面の清浄化及び酸化防止膜形成が行われ、前記半導体素子裏面とパタ−ニングされた前記絶縁基板表面および前記絶縁基板の裏面と前記放熱板とが半田によって接合され、接合面の接合欠陥が面積率で、１．７％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置において、請求項１に記載の半田接合用清浄化膜形成装置により、接合面の清浄化が行われ、前記半導体素子裏面，前記絶縁基板の表裏及び前記放熱板の片面に不活性金属の膜が形成され、前記半導体素子裏面とパタ−ニングされた前記絶縁基板表面および前記絶縁基板の裏面と前記放熱板とが半田によって接合され、接合面の接合欠陥が面積率で、０．０１〜１．２％であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置において、請求項１に記載の半田接合用清浄化膜形成装置により、接合面の清浄化が行われ、前記半導体素子裏面，前記絶縁基板の表裏及び前記放熱板の片面に不活性金属の膜が形成され、前記半導体素子裏面とパタ−ニングされた前記絶縁基板表面および前記絶縁基板の裏面と前記放熱板とが半田によって接合され、接合面の接合欠陥が面積率で、０．０３〜０．８％であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は接合面を清浄化し、不活性金属で被覆した後、接合面に半田簿を挟み加熱接合する半田接合方法に係り、特に、工業的に高能率で接合できる高品質な半田接合の方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半田接合技術は広く産業界に利用され、特にパワー半導体、ＬＳＩの製造工程で不可決の技術である。パワー半導体、ＬＳＩの半田接合は一般に水素還元雰囲気でフラックス等を使用しないで加熱接合している。これはフラックスによる耐圧の低下や腐食等の影響を避けるためである。しかし、一般に用いられているＳｎ−Ｐｂ共晶半田の接合温度は２３０℃前後で行なわれているため、接合母材と半田箔の界面は十分還元されず酸化物や不純物が残る。また、水素還元雰囲気では半田や接合母材に吸着した有機物または固溶した不純ガスは十分放出できない。これらの因子によりボイドやブロホールなどの欠陥が発生し信頼性が著しくて低下する。
【０００３】
特開平２−３０３６７６には、ろう材と被接合金属の少なくとも一方の表面不活性膜をエッチング処理により除去清掃し、その活性面を露出させてろう付けする接合方法が記載されている。
【０００４】
特開平４−２２０１６９には、被接合材の接合面に不活性ガスあるいは金属の粒子ビ−ムを照射し、接合面を洗浄する接合方法が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術では、微量に存在する酸素等により、被接合材の接合面の洗浄後に酸化膜が形成され、ボイドやブロホールなどの欠陥が発生し、接合部の信頼性が悪い。
【０００６】
また、被接合材の接合面でぬれ性が低く、ボイドやブロホールなどの欠陥が発生しやすく、接合部の信頼性が悪くなってしまう。
【０００７】
従来、ボイドやブロホールなどの欠陥は、狭い面積の接合においても接合面での面積率で約１．８％以上をしめており、品質がわるかった。
【０００８】
さらに、従来技術は小数の半導体等の半田付け方法しか考慮されておらず、大量生産することの考慮がされていなかった。特に、品質向上のためには、時間のかかる洗浄過程及び皮膜形成過程を追加しなければならず、また大量の被接合材の接合面を均一に短時間で洗浄処理及び皮膜形成処理をすることは考慮されておらず、大量かつ品質の良い接合品を生産することが困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、ボイドやブロホールなどの欠陥の発生を防止し、品質向上を図ると共に、短時間でしかも接合品を多量に製造できる大量生産に適した半田接合用清浄化膜形成方法及び装置を提供し、工業的に高能率及び高品質で接合できる半田接合方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の目的は、ボイドやブロホールなどの欠陥が少ない、品質が向上し、かつ短時間でしかも大量に生産される半導体装置を得ることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半田接合用清浄化膜形成装置は、被半田接合物の接合面に不活性金属を被覆形成する半田接合用膜形成装置であって、前記不活性金属を前記接合面に膜形成するためのスパッタ電極を複数個有し、前記スパッタ電極は前記スパッタ電極に対応する複数個の半導体スイッチング素子を介してスパッタ直流電源に接続されていることを特徴する。
【００１２】
本発明の半田接合用清浄化膜形成装置は、被半田接合物の接合面の清浄化及び前記接合面に不活性金属を被覆形成する清浄化膜形成室と、内部を真空にできる仕込み室とを具備する半田接合用清浄化膜形成装置であって、前記仕込み室と前記清浄化膜形成室とは搬送路によってつながれており、前記搬送路は開閉バルブを有し、前記仕込み室内に被半田接合物を縦及び横にそれぞれ複数個収納する被接合板を格納する被接合板格納部及び前記被接合板を前記清浄化膜形成室へ搬送及び返送する搬送装置を有し、前記仕込み室は室内圧力制御装置及び前記被接合板格納部と前記搬送装置との前記被接合板の相互移動をさせる移動装置を有し、前記清浄化膜形成室は室内圧力制御装置と雰囲気調整を行う雰囲気制御装置とを有し、前記清浄化膜形成室内にはスパッタ電極に設けたターゲットと逆スパッタ清浄化電源に接続された逆スパッタ清浄化電極とが対抗して配置され、前記ターゲットと前記逆スパッタ清浄化電極の間には高融点金属のシャッターが配置され、前記不活性金属の膜形成を行う前記スパッタ電極には負極のスパッタ直流電源が設けられ、前記スパッタ電極は少なくとも二つ有し、前記スパッタ電極のそれぞれに対応して前記スパッタ電極は半導体スイッチング素子を介して前記スパッタ直流電源に接続され、前記半導体スイッチング素子は前記半導体スイッチング素子の開閉を制御する切り換え制御部に接続され、前記切り換え制御部，前記清浄化膜形成室の前記室内圧力制御装置，前記スパッタ直流電源，前記雰囲気制御装置，前記逆スパッタ清浄化電源及び前記仕込み室の室内圧力制御装置を統括的に制御する統括制御部を有することを特徴する。
【００１３】
本発明の半田接合用清浄化膜形成装置被半田接合物の接合面の清浄化及び前記接合面に不活性金属を被覆形成する清浄化膜形成室と、内部を真空にできる仕込み室とを具備する半田接合用清浄化膜形成装置であって、前記搬送路を開閉する手段、前記仕込み室内に被半田接合物を縦及び横にそれぞれ複数個収納する被接合板を格納する手段、前記被接合板を前記清浄化膜形成室へ搬送及び返送する搬送手段、前記仕込み室の室内圧力を制御する手段、前記被接合板を格納部から取り出し又は収納する手段、前記清浄化膜形成室の室内圧力を制御する手段、前記清浄化膜形成室の雰囲気調整を行う手段、前記清浄化膜形成室内で前記不活性金属の膜形成を行う手段、前記清浄化膜形成室内で被半田接合物の接合面の清浄化を行う手段、前記不活性金属の膜形成で磁界を発生させる少なくとも二つを有するスパッタ電極のスイッチングを制御する手段、前記不活性金属の膜形成及び被半田接合物の接合面の清浄化を統括的に制御する手段を有することを特徴する。
【００１４】
また、本発明の半田接合用清浄化膜形成装置は、前記清浄化膜形成室の室内圧力を検出する手段、前記清浄化膜形成室の雰囲気を検出する手段、前記仕込み室の室内圧力を検出する手段を有し、前記清浄化膜形成室の室内圧力の検出信号と前記清浄化膜形成室の雰囲気の検出信号と前記仕込み室の室内圧力の検出信号とから前記被半田接合物と前記仕込み室との搬送及び返送，前記被半田接合物の接合面の清浄化及び不活性金属の膜形成を制御することが望ましい。
【００１５】
さらに、本発明の半田接合用清浄化膜形成装置は、少なくとも２つ有するスパッタ電極に供給する電力のスイッチング周期及び電力の分配比が、任意に設定できることが望ましい。
【００１６】
本発明の界面清浄化半田接合装置は、上記の半田接合用清浄化膜形成装置と、接合チャンバーを真空に排気できる手段，接合基板をプログラム温度制御できる手段，真空加熱保持後チャンバー内に窒素あるいは不活性ガスを導入し圧力と冷却をプログラム制御できる手段及び接合基盤の温度とチャンバー内圧力とチャンバー内の冷却とを総括的にプログラム制御できる手段を備えた真空加熱ガス冷却圧力制御接合炉とを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の半田接合用清浄化膜形成方法は、被半田接合物の接合面に不活性金属を被覆形成する半田接合用膜形成方法であって、前記不活性金属を前記接合面に膜形成するための複数個のスパッタ電極に、複数個の前記スパッタ電極に対応して設置された複数個の半導体スイッチング素子を切り替えることによって、順次電力を供給し、不活性金属の被覆形成を行うことを特徴する。
【００１８】
本発明の半田接合用清浄化膜形成方法は、被半田接合物の接合面に不活性金属を被覆形成する半田接合用膜形成方法であって、前記不活性金属を前記接合面に膜形成するための複数個のスパッタ電極に、順次電力が供給され、前記不活性金属が飛散し、前記被半田接合物の前記接合面に飛散した前記不活性金属が被半田接合物の接合面に均一に堆積し、前記不活性金属の被覆を形成することを特徴する。
【００１９】
本発明の清浄化膜形成方法は、半田接合前に、被半田接合物の接合面の清浄化及び前記接合面に不活性金属を被覆形成する半田接合のための清浄化膜形成方法であって、被半田接合物を格納し搬出できる仕込み室と清浄化膜形成室とは搬送路によってつながれており、前記搬送路を閉じ、仕込み室内に被半田接合物を縦及び横にそれぞれ複数個収納して被接合板を格納し、前記仕込み室及び前記清浄化膜形成室の室内圧力を設定値にし、前記搬送路を開け、前記被半田接合物を前記清浄化膜形成室へ搬送し、前記搬送路を閉じ、前記清浄化膜形成室の雰囲気調整を行い、前記清浄化膜形成室で前記被半田接合物の接合面の清浄化を行い、前記不活性金属の膜形成で磁界を発生させる少なくとも二つを有するスパッタ電極のスイッチングを制御して前記不活性金属の膜形成を行い、前記清浄化膜形成室の室内圧力を設定値にし、前記搬送路を開け、前記被半田接合物を前記仕込み室へ返送し、前記搬送路を閉じる工程を順次実施することを特徴する。
【００２０】
本発明の界面清浄化半田接合装置は、半田接合前に、被半田接合物の接合面の清浄化及び前記接合面に不活性金属を被覆形成する半田接合のための清浄化膜形成方法であって、被半田接合物を格納し搬出できる仕込み室と清浄化膜形成室とは搬送路によってつながれており、前記搬送路を閉じ、仕込み室内に被半田接合物を縦及び横にそれぞれ複数個収納して被接合板を格納し、前記仕込み室及び前記清浄化膜形成室の室内圧力を設定値にし、前記搬送路を開け、前記被半田接合物を前記清浄化膜形成室へ搬送し、前記搬送路を閉じ、前記清浄化膜形成室の雰囲気調整を行い、前記清浄化膜形成室で前記被半田接合物の接合面の清浄化を行い、前記不活性金属の膜形成で磁界を発生させる少なくとも二つを有するスパッタ電極のスイッチングを制御して前記不活性金属の膜形成を行い、その後、真空加熱ガス冷却圧力制御接合炉で加熱，保持及び冷却する半田接合の際に半田の溶融温度±３０℃の温度範囲では加熱速度又は冷却速度を３℃／ｍｉｎ以下とし、半田の溶融温度±３０℃以外の温度範囲では加熱速度又は冷却速度を３℃／ｍｉｎ以上とすることを特徴とする。
【００２１】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置の製造方法において、前記半導体素子裏面，前記絶縁基板の表裏及び前記放熱板の片面を清浄化し、不活性金属の膜を形成した後、前記半導体素子裏面とパタ−ニングされた前記絶縁基板表面および前記絶縁基板の裏面と前記放熱板とを半田接合したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の半導体装置は、半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置において、前記半導体素子裏面，前記絶縁基板の表裏及び前記放熱板の片面が清浄化され、清浄化された面に不活性金属の膜が形成された後、前記半導体素子裏面とパタ−ニングされた前記絶縁基板表面および前記絶縁基板の裏面と前記放熱板とが半田によって接合されたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の半導体装置は、半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置において、前記半導体素子裏面とパタ−ニングされた前記絶縁基板表面および前記絶縁基板の裏面と前記放熱板とが半田によって接合され、接合面の接合欠陥が面積率で、１．７％以下であることを特徴とする。
【００２４】
本発明の半導体装置は、半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置において、前記半導体素子裏面，前記絶縁基板の表裏及び前記放熱板の片面に不活性金属の膜が形成され、前記半導体素子裏面とパタ−ニングされた前記絶縁基板表面および前記絶縁基板の裏面と前記放熱板とが半田によって接合され、接合面の接合欠陥が面積率で、０．０１〜１．２％であることを特徴とする半導体装置たことを特徴とする。
【００２５】
本発明の半導体装置は、半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置において、前記半導体素子裏面，前記絶縁基板の表裏及び前記放熱板の片面に不活性金属の膜が形成され、前記半導体素子裏面とパタ−ニングされた前記絶縁基板表面および前記絶縁基板の裏面と前記放熱板とが半田によって接合され、接合面の接合欠陥が面積率で、０．０３〜０．８％であることを特徴とする半導体装置たことを特徴とする。
【００２６】
【作用】
接合基板を一度に大量かつ品質を保ちに処理するため、半田接合前に、被半田接合物の接合面の清浄化を行い、前記接合面に不活性金属を被覆形成する作業を大量生産に適用が可能となった本願発明の作用を以下に述べる。
【００２７】
（１）接合基板を縦及び横に複数個ならべて、一括して清浄化及び膜成形を行うことが、大量生産にとって望ましく、複数個の接合基板を均一に膜形成するには大面積のマグネトロンターゲット電極が必要であるが、従来のマグネトロンターゲット電極では、Ｎ極とＳ極間は磁束分布から１００ｍｍが限界であり、接合基板を複数個ならべても必要な磁界が発生せず、均一に膜を形成し表面被覆することは困難であった。従来は、長方形のマグネトロンターゲット電極、すなわち、一方向に接合基板を複数個ならべることが限界であった。
【００２８】
すなわち、ターゲット電極を大形化しても、Ｎ極とＳ極間を広げることはできないので、必要とする磁界が接合基板全体に発生せず、均一な膜厚分布が得られない。
【００２９】
そこで、本発明は、長方形のマグネトロンターゲット電極を複数個並べて配置し、それぞれにスイツチとスイッチング制御部を設け、スイッチング制御部からのスイッチング信号により順次切り換えて各ターゲット電極にスパッタ電源からの電力を供給し、広範囲にわたりほぼ同等の磁界となり、大面積にたいし均一に膜を形成し表面被覆することが可能となった。この際、スパッタ電極は、２個以上で、効率上多くすることが望ましいが、多くし過ぎると装置がかなり大型化していしまうので、３〜８個が適切であり、３〜５個がより望ましい。
【００３０】
さらに、少なくとも２つ有するスパッタ電極に供給する電力のスイッチング周期及び電力の分配比が、任意に設定できることが望ましい。電力のスイッチング周期及び電力の分配比の調整により、膜厚の調整が可能となる。この際、スイッチング周期は、均一な膜形成のために速い方が良く、２秒以下が好ましいが、０．５〜１．５秒がより好ましい。また、電力の分配比は、それぞれ同一が好ましいが、膜厚さの形成状態から調整することが望ましい。すなわち、膜の形成状態が悪く、膜厚が薄い部分があれば、電力の分配比を多くするか電力供給時間を多くすれば良い。膜厚は、０．０５μｍ以上が必要であり、０．２５〜０．７５μｍが好ましく、膜厚の均一性は、０．２５〜０．７５μｍの範囲内では、約０．１〜０．２μｍの変動があっても差し支えない。
【００３１】
接合基板を縦及び横に複数個設ける接合板では、縦及び横により多く配置することが大量生産的に好ましく、縦及び横に数十個（２０〜５０個）にすることが好ましい。また、装置の小型化の面からは、縦及び横に数個（３〜８個）にすることが好ましい。接合基板の境界部分には、マスクを上部に設け、余分な不活性金属が侵入しないようにすることが好ましい。
【００３２】
長方形型の複数個のスパッタ電極を列状に並べた場合、接合板を同列にする必要は無い。すなわち、それぞれのスパッタ電極の中心と接合基板及び接合板の中心は一致していなくても良く、複数個のスパッタ電極面の面積と並べられた全接合板の面積とが同じかもしくは複数個のスパッタ電極面の面積の方が広い方が望ましい。
【００３３】
したがって、接合基板を縦及び横に複数個ならべて、一括して清浄化及び膜成形を行うことができるため、大量生産が可能となる。
【００３４】
（２）清浄化作業のための逆スパッタ電極及び膜形成作業のためのスパッタ電極が設けられ、また、清浄化と膜形成を分離する高融点金属のシャッタ−を設けることにより、清浄化作業と膜形成作業とが同室で可能となり、工程短縮、特に作業前後の設置、移動及び準備等の時間が短縮される。この際、高融点金属のシャッタ−の材料としては、Ｍｏ等を使用することが望ましい。
【００３５】
（３）前記搬送路を閉じ、仕込み室内に被半田接合物を縦及び横にそれぞれ複数個収納して被接合板を格納し、前記仕込み室及び前記清浄化膜形成室の室内圧力を設定値にし、前記搬送路を開け、前記被半田接合物を前記清浄化膜形成室へ搬送し、前記搬送路を閉じ、前記清浄化膜形成室の雰囲気調整を行い、前記清浄化膜形成室で前記被半田接合物の接合面の清浄化を行い、前記不活性金属の膜形成で磁界を発生させる少なくとも二つを有するスパッタ電極のスイッチングを制御して前記不活性金属の膜形成を行い、前記清浄化膜形成室の室内圧力を設定値にし、前記搬送路を開け、前記被半田接合物を前記仕込み室へ返送し、前記搬送路を閉じる工程を順次実施することで、清浄化膜形成室と仕込み室とが外部（大気）から常に遮断された状態で清浄化作業及び膜形成作業が可能である。すなわち、多くの被接合板を仕込み室に準備しておけば、準備した量を外気に振れずに処理ができ、接合部の品質向上が可能となる。仕込み室に準備する接合板は、大量生産の観点から、数十個とすることが好ましい。また、格納する容量にもよるが、仕込み室を一部屋だけでなく、清浄化膜形成室の前後左右に４部屋設けてもかまわない。
【００３６】
（４）清浄化膜形成室の室内圧力を検出し、清浄化膜形成室の雰囲気を検出し、仕込み室の室内圧力を検出して、それぞれの検出した信号から被半田接合物を清浄化膜形成室と仕込み室との搬送及び返送，被半田接合物の接合面の清浄化及び不活性金属の膜形成を制御することで、より適切な清浄化及び膜形成を行うことができる。
【００３７】
（５）界面清浄化半田接合装置は、上記の半田接合用清浄化膜形成装置と、接合チャンバーを真空に排気できる手段，接合基板をプログラム温度制御できる手段，真空加熱保持後チャンバー内に窒素あるいは不活性ガスを導入し圧力と冷却をプログラム制御できる手段及び接合基盤の温度とチャンバー内圧力とチャンバー内の冷却とを総括的にプログラム制御できる手段を備えた真空加熱ガス冷却圧力制御接合炉とを有するため、清浄化、膜形成及び半田接合の一連の作業がスム−ズに、ロス時間無く、実施できるようになった。
【００３８】
（６）清浄化及び膜形成後、真空加熱ガス冷却圧力制御接合炉で加熱，保持及び冷却する半田接合する。接合面の欠陥発生は、この際の半田の溶融温度±３０℃の温度範囲での加熱速度又は冷却速度の影響を受けやすい。
【００３９】
図８に、融点が約１６０℃である半田を用い、除熱開始温度に対する接合欠陥率の変化を示す。除熱速度を１℃／ｍｉｎとし、面積率で欠陥発生率を調べた結果、融点の約１６０℃付近、すなわち（融点−３０）〜（融点＋３０）℃の温度以上から欠陥率が増加しているのがわかった。
【００４０】
半田付けのすべての加熱，保持及び冷却過程で除熱及び除冷することが品質確保ために好ましいが、大量生産の作業時間短縮の面からは、急熱及び急冷が好ましい。したがって、加熱速度又は冷却速度の影響を著しく受ける温度範囲のみ除熱及び除冷し、その範囲以外の温度では、急熱及び急冷することが望ましい。
【００４１】
すなわち、除熱及び除冷する温度範囲は、半田の溶融温度±３０℃が好ましく、作業時間に余裕があれば、半田の溶融温度±４０℃，±５０℃のように範囲を広げることがより好ましい。
【００４２】
また、ここで、除熱及び除冷の速度は、３℃／ｍｉｎ以下が好ましく、０．５〜１℃／ｍｉｎ程度がより好ましい。急熱及び急冷の速度は、３℃／ｍｉｎ以上が適切であり、４〜７℃／ｍｉｎが好ましく、５℃前後である４．５〜５．５℃／ｍｉｎがより好ましい。
【００４３】
（７）半導体装置は、半導体素子と、パタ−ニングされたセラミック絶縁基板と、放熱板を有する半導体装置において、半導体素子裏面，絶縁基板の表裏及び放熱板の片面が清浄化され、清浄化された面に不活性金属の膜が形成された後、半導体素子裏面とパタ−ニングされた絶縁基板表面および絶縁基板の裏面と放熱板とが半田によって接合される。このため、高品質な接合部によって構成された半導体装置が得られる。この際、接合面の接合欠陥は、従来不可能であった面積率で、１．７％以下にすることができる。接合面の接合欠陥は、０．０１〜１．２％又は０．０３〜０．８％内にすることができる。
【００４４】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の１実施例について図１〜図５を用いて詳細に説明する。
【００４５】
図１は本発明の界面清浄化半田接合装置の概略図を示す。清浄化膜形成装置は、仕込み室１６及び清浄化膜形成室１５から構成され、界面清浄化半田接合装置は、前記清浄化膜形成装置と独立して真空窒素冷却ガス圧制御接合炉２２から構成されている。
【００４６】
本実施例では、形成する膜を銀とした。
【００４７】
被接合板２６としては、図２に示すように被半田接合物である接合基板２５を縦及び横それぞれ５個づつならべ、合計２５個を収納した。この際、接合基板２５どうしの間の上部にはマスク２７を設けた。この接合基板２５を２５個収納した被接合板２６は、幅約７００ｍｍ，長さ７００ｍｍであった。
【００４８】
仕込み室１６内には、被接合板２６を５枚格納できる被接合板格納部１１と、その被接合板２６を清浄化膜形成室１５に搬送するための被接合板搬送装置７がある。
【００４９】
また、清浄化膜形成室１５には長方形型（２００ｍｍ×８００ｍｍ）のマグネトロン式ターゲットのスパッタ電極３が３個並べられている。これらそれぞれの電極にはＩＧＢＴ半導体スイッチ２がそれぞれ３個設置され、ＩＧＢＴ半導体スイッチ２を介してスパッタ直流電源（１５ＫＷ）９に接続されている。
【００５０】
これらのＩＧＢＴ半導体スイッチ２は、ターゲット電力切り換え制御部１の切り換え信号により、ターゲット電力を順次スイッチングして各スパッタ電極３に供給される。
【００５１】
これによりターゲット６は順次スパッタされ、飛散した銀のスパッタ粒子は被接合板２６内の大面積を均一に付着する。またスパッタ電極３と対抗して大面積（７００ｍｍ×７００ｍｍ）の逆スパッタ清浄化電極４が設置され逆スパッタ清浄化高周波電源（１．５ＫＷ）１０が接続されている。これらの電極の間に膜形成と清浄化処理を分離する分離シヤッター５が配置されいる。このシャッターはプリスパッタ時に大電力をシャッターに投入しても変形しにくいＭｏなどの耐熱金属でできている。このように同一室内にスイッチング多電極マグネトロンスパッタ電極３、大面積逆スパッタ清浄化電極４、分離シャッター５を配置することにより、接合基板２５を多数収めた被接合板２６を清浄化と銀被覆を一括処理することができる。また逆スパッタ電極４には、電極と絶縁された搬送装置８が付加されおり、この搬送装置８は、仕込み室１６からの被接合板２６の受渡と逆スパッタ清浄化電極４に被接合板２６を設置および清浄化膜形成室１５から仕込み室１６に搬送する動作をする。以上の各要素は総括制御装置１７からのプログラム信号を受けて定められたシーケンスで動作する構成となっている。
【００５２】
次に上記装置を用い、清浄化し、銀を被覆したシーケンス動作の１例を説明する。
【００５３】
図３−（ａ）及び図３−（ｂ）は清浄化銀被覆の動作シーケンスの１例である。  ここで、清浄化銀被覆室とは、清浄化膜形成室１５に相当する。また、仕込み室１６（予備室）と清浄化銀被覆室の排気は動作しているものとする。
【００５４】
清浄化銀被覆のシーケンスをスタートさせると、仕込み室１６と清浄化銀被覆室の設定圧力を検出し、もしＹＥＳならば、接合基板２５を数十個収納した被接合板２６を被接合板格納部１１から取り出し、被接合板２６の搬送装置７に乗せて、清浄化銀被覆室の搬送装置８に受渡す。搬送機構８は、逆スパッタ清浄化電極４に被接合板２６を配置する。
【００５５】
次に清浄化銀被覆室の設定圧力を再確認し、もしＹＥＳならば、清浄化と銀被覆処理するため、マスフロコントロール装置１４からＡｒガスを清浄化銀被覆室に導入する。次にＡｒ雰囲気ガス圧力が設定圧力かどうかを確認し、もしＹＥＳならば、設定された時間プリスパッタと逆スパッタ清浄化を行なう。次に分離シャッター５が開になり、設定された時間スパッタで銀被覆される。次にＡｒ閉、シャッター閉となる。次に仕込み室１６、清浄化銀被覆室の設定圧力を検出し、もしＹＥＳならば、清浄化銀被覆室の搬送装置８から仕込み室１６の搬送装置７に受け渡して、被接合板格納部１１に格納される。次に被接合板２６の処理枚数を確認し、セットアップならば一連の動作は終了する。
【００５６】
上記のシーケンスと装置の有効性を調べるため、次の条件で効果を確認した。
【００５７】
仕込み室１６の設定到達圧力：７×１０~4Ｐａ、清浄化膜形成室１５（清浄化銀被覆室）の設定到達圧力：１．４×１０~4Ｐａ、清浄化銀被覆Ａｒガス雰囲気圧力：７×１０~1Ｐａ、清浄化時間：１００Ｓｅｃ、銀膜形成時間：５０Ｓｅｃ，スパッタ電力：１５ＫＷ、逆スパッタＲＦ清浄化電力：１ＫＷ、ターゲット電力スイッチング周期：０．９Ｓｅｃ、電力分配比：１：１：１、搬送時間：２ｍｉｎ、返送時間：２ｍｉｎ、被接合板枚数：５枚の条件で、図３−（ａ）及び図３−（ｂ）のシーケンスをスタートさせた。
【００５８】
その結果、被接合板５枚を４７分で処理できた。１枚の被接合板２６に接合基板２５が２５個が収められているので、接合基板２５が１個あたりの清浄化と銀被覆に要する時間は２５Ｓｅｃであり、量産装置として十分対応できることがわかった。
【００５９】
次に清浄化された接合基板２５に半田箔を挟み、加熱接合する真空窒素冷却ガス圧力制御半田接合炉２２について説明する。
【００６０】
真空窒素冷却ガス圧力制御半田接合炉２２では、複数個の接合基板２５を収納した被接合板２６を接合治具に固定し、被接合板２６と接合治具２０が対抗するヒータ１９の間に配置されている。この炉内を１０~4Ｐａ以下に排気する排気ポンプ１３、排気後加熱保持冷却するための温度制御装置２１、保持後窒素ガスを導入し圧力を１０~1〜１００Ｐａ／ｍｉｎの範囲で制御する窒素ガス雰囲気圧力制御装置１８、これらの各要素を総括的に制御する接合総括制御装置２４から構成されている。各要素は接合総括制御装置２４でプログラムされた信号により、決められた動作をし、次の動作に移行するように構成されている。
【００６１】
次に、この装置を用いて接合した図４の加熱接合のシーケンスの一例を説明する。１５０℃まで接合基板２５が設定温度に追随できる範囲で、できるだけ早い加熱速度（５℃／ｍｉｎ）で加熱する。それ以降保持温度２３０℃まで除熱（１℃／ｍｉｎ）、１０ｍｉｎ保持、冷却は保持温度から１５０℃まで除冷（１℃／ｍｉｎ）これ以降急冷（５℃／ｍｉｎ）または自然冷却した。
【００６２】
また、保持後冷却開始と同時に窒素ガスを１Ｐａ／ｍｉｎの圧力で室内に導入し接合基板２５をガス圧着する。この一連の動作を接合総括制御装置２４からのプログラム指令により各要素は定められた動作しシーケンスが進行する。
【００６３】
上記のシーケンスで加熱冷却は、できるだけ早いほうが能率化のために望ましい。しかし加熱速度が早いほど接合欠陥が増加し、また冷却速度が早いほど残留応力が増加することが実験結果から得られている。種々実験した結果、接合欠陥に及ぼす加熱冷却速度の影響は半田溶融点−３０℃から溶融点＋３０℃範囲からがもっとも大きいことがわかった。したがって時間短縮のため溶融点−３０℃から溶融点＋３０℃の範囲から除熱除冷（１℃ｍｉｎ）し、他の温度域を急熱急冷（５℃／ｍｉｎ）することが効果的である。
【００６４】
本実施例はＳｎ−Ｐｂ共晶半田（溶融点１８０℃）の例を示したが、他の組成の半田においても同様の結果が得られる。また加熱保持後、窒素を導入し圧力を制御しながら大気圧としているが、これは窒素ガス加圧力による接合の信頼性向上を目的としている。しかし、急速に加圧すると半田が飛び散りうまく接合できない。これを防止するため窒素圧力をプログラム制御（１Ｐａ／ｍｉｎ）した。
【００６５】
半田接合後に、接合状態を見るために、超音波探傷を実施した結果を図６に示す。探傷条件は、周波数：２５ＭＨｚ，探傷ピッチ：０．５ｍｍある。本発明による接合を実施した図６の結果、直径１ｍｍ以下の微細な欠陥が３個所程度存在するだけで、面積率で、接合欠陥率は、０．０３％であり、非常に接合欠陥率が少ないことがわかる。同様の条件で超音波探傷を実施した従来例を比較するために、図７に示す。図７の従来例では、面積率で、接合欠陥率は、５．３０％であり、この２件を比較すると、本発明での接合欠陥率は、約１／１７０に減少している。従来技術では、接合欠陥発生率を約１．８％にまで減少させることが限界であり、本発明では、従来以下、すなわち１．７％以下にすることができる。本発明では、０．０１〜１．２％にすることができ、０．０３〜０．８％内にすることも可能である。仮りに、接合欠陥分布が、正規分布に従う場合、図９のように分布すると考えられる。すなわち、本発明により接合欠陥が、減少し、かつ、品質のバラツキが、減少することがわかる。
【００６６】
次にパワーＩＧＢＴの接合に応用した例を説明する。
【００６７】
図５−（ａ）及び図５−（ｂ）に接合プロセスを示す。
【００６８】
パワーＩＧＢＴは、半導体素子部２８とＡｌＮなどからできたセラミツク絶縁板部３２、ＭｏあるいはＣｕ板にＮｉメッキされた放熱板３９等から構成されている。
【００６９】
以下に示す清浄化銀被覆と接合シ−ケンスは図３−（ａ），図３−（ｂ）及び図４を基本とした。接合基板２５に該当する半導体素子部２８及びセラミツク絶縁板部３２を図２に示すように、被接合板２６に収納し、半導体素子部２８裏面のＮｉ系薄膜面３１とセラミツク絶縁板部３２の銅にＮｉメッキされた配線パターン３６の面をＡｒイオンで酸化被膜等を除去し、接合界面を清浄化する。
【００７０】
清浄化された面に酸化防止とぬれ性改善のため０．５μｍ銀をスパッタで被覆する。
【００７１】
これらを清浄化銀被覆室から取り出し、被接合板２６から接合基板２５を取外して大気中でセラミツク絶縁部３２の清浄化されたＮｉメッキ配線パタ−ン３６と半導体素子部の清浄化面３１の間にＳｎ−アンチモン半田箔３７をセットする。これを真空窒素冷却ガス圧制御接合炉で接合（保持温度２７０℃）する。
【００７２】
次に接合炉から大気中に取り出し半導体素子部２８のＡｌ薄膜端子３０とセラミツク絶縁部３２のＮｉ配線パターン３６とをボンデングワイヤ３８でボンデングする。
【００７３】
次に、ボンデングされた基板と放熱板３９を図２のように被接合板２６に収納し、図５−（ｂ）に示すように、ボンデングされた基板の裏面と放熱板３９を清浄化し銀を０．５μｍ被覆して接合界面の酸化防止をする。そして、ボンデングされた基板と放熱板３９を被接合板２６から取外し、清浄化し銀被覆された面の間にＳｎ−Ｐｂ共晶半田箔４０をセットし、真空窒素冷却ガス圧制御接合炉（保持温度２３０℃）で接合する。接合された一体に端子を付けをパッケージに封入し製品となる。上記はパワーＩＧＢＴの接合工程を示したが、パワーＦＥＴトランジスタ、パワーＩＣにも同様に応用できる。
【００７４】
【発明の効果】
以上の結果から、本発明は以下に示す効果がある。
【００７５】
１）複数個の接合基板を収めた一体を被接合板とし、被接合板内の複数個の接合基板を一括して清浄化と膜形成処理をするため高能率化できる。
【００７６】
２）スパッタ電極を多電極化し、各電極に高速で順次切り換えてスパッタ電力を供給することにより被接合板内の大面積を均一にしかも高能率で膜形成することができる。
【００７７】
３）仕込み室、清浄化膜形成室の設定到達圧力、清浄化と銀被覆の設定Ａｒ雰囲気圧力を検出判断しシーケンス動作をするため高能率の全自動化ができる。
【００７８】
４）加熱保持後窒素ガスを導入しガス加圧制御することにより接合の信頼性を向上させることができる。
【００７９】
５）半田の溶融点−３０℃から溶融点＋３０℃の範囲から３℃／ｍｉｎ以下（約１℃／ｍｉｎ）で除熱除冷し、他の温度域は３℃／ｍｉｎ以上（５℃／ｍｉｎ）急熱急冷することにより接合欠陥と残留応力を減少させると共に接合処理時間を短縮できる。すなわち、品質の向上、かつ接合時間短縮ができる
６）通常、量産品の場合には、品質管理において、ロット管理を行う。品質のバラツキが大きいロット不良が生じた場合、不良品の識別等が困難である。しかし、本発明では、上記の１）〜５）により、接合状態において、品質の向上は、勿論品質のバラツキの減少ができたため、大量生産品における品質管理（ロット管理）が容易になる。
【００８０】
７）上記の１）〜５）により、接合面を清浄化し銀被覆した後、接合面に半田簿を挟み加熱接合する半田接合法において、工業的に高能率で高品質の半田接合ができる半田接合装置として効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である界面清浄化半田接合装置を示す。
【図２】本発明の一実施例である被接合板の構成を示す。
【図３】本発明の一実施例である清浄化銀被覆のシーケンスを示す図。
【図４】本発明の一実施例である真空窒素ガス圧制御接合のシーケンスを示す。
【図５】本発明の一実施例であるＩＧＢＴの接合プロセスを示す。
【図６】本発明により接合した接合面の欠陥探傷結果を示す。
【図７】従来の接合面の欠陥探傷結果を示す。
【図８】半田接合時の加熱速度に関する接合欠陥発生率を示す。
【図９】本発明及び従来の接合欠陥発生率を示す。
【符号の説明】
１…ターゲット電力切り換え制御部、２…ＩＧＢＴ半導体スイッチング素子、３…スパッタ電極、４…逆スパッタ清浄化電極、５…分離シャッター、６…ターゲット、７…仕込み室被接合板搬送装置、８…清浄化膜形成室被接合板搬送装置、９…スパッタ直流電源、１０…逆スパッタ清浄化高周波電源、１１…被接合板格納部、１２…接合基板と被接合板、１３…排気ポンプ、１４…マスフロコントロール装置、１５…清浄化膜形成室、１６…仕込み室、１７…総括制御装置、１８…窒素ガス雰囲気圧力制御装置、１９…ヒータ、２０…接合基板と接合治具、２１…温度制御装置、２２…真空窒素冷却ガス圧制御接合炉、２３…ゲートバルプ、２４…接合総括制御装置、２５…接合基板、２６…被接合板、２７…マスク、２８…半導体素子部、２９…半導体素子、３０…Ａｌ薄膜端子、３１…Ｎｉ系薄膜、３２…セラミツク絶縁板部、３３…ＡｌＮなどのセラミック、３４…銅、３５…Ｎｉメッキ、３６…ＣｕにＮｉメッキされた配線パタ−ン、３７…Ｓｎ−アンチモン半田箔、３８…ボンデングワイヤ、３９…Ｍｏ、Ｃｕ等でできた放熱板、４０…Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田箔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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