(57)【要約】【課題】低温環境下で容易な接合工程と高温動作環境下であっても劣化の少ない良好な接合構造体の製造方法を提供する。【解決手段】接合構造体１００の製造方法は、積層体Ｌを用意する工程と、仮接合工程と、本接合工程とを包含する。積層体を用意する工程において、積層体は金属膜を介して、第１部材と、第２部材とが積層されている。仮接合工程は、第１部材１１０と第２部材１２０とに物理的に力を加えて第１部材１１０と第２部材１２０とを接合する。本接合工程は、積層体Ｌを加熱し、金属膜１３０を構成する金属をストレスマイグレーションによって拡散成長させ、第１部材１１０と第２部材１２０とを接合する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属膜を介して、第１部材と、第２部材とを積層させた積層体を用意する工程と、
前記第１部材と前記第２部材とに物理的に力を加えて前記第１部材と前記第２部材とを接合する仮接合工程と、
前記積層体を加熱し、前記金属膜を構成する金属をストレスマイグレーションによって拡散成長させ、前記第１部材と前記第２部材とを接合する本接合工程と
を包含する、接合構造体の製造方法。
【請求項２】
前記仮接合工程において、前記第１部材と前記第２部材とに、超音波が発生する振動によって物理的に力を加えて前記第１部材と前記第２部材とを接合する、請求項１に記載の接合構造体の製造方法。
【請求項３】
前記仮接合工程において、前記積層体を前記本接合工程における加熱温度よりも低い温度で加熱する予備加熱工程を含む、請求項２に記載の接合構造体の製造方法。
【請求項４】
前記予備加熱工程において前記積層体を加熱する時間は、前記本接合工程において前記積層体を加熱する時間よりも短い、請求項３に記載の接合構造体の製造方法。
【請求項５】
前記仮接合工程において、加熱するとともに前記第１部材と前記第２部材とに加圧する、請求項１に記載の接合構造体の製造方法。
【請求項６】
前記仮接合工程において、少なくとも前記第１部材の端部と前記第２部材の端部とに物理的に力を加える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の接合構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の部材を互いに接触させて接合することにより、複数の部材を一体化させることが知られている。例えば、半導体素子を基板に実装する際には、半導体素子と基板とが接合材によって接合される。
【０００３】
従来、接合材として鉛を含有したはんだが広く用いられてきた。昨今、環境保護の問題から鉛を含有しないはんだ（鉛フリーはんだ）の研究が進められている。しかしながら、鉛フリーはんだは２５０℃以上の高温動作環境下では、熱応力によって接合対象物が破損したり、はんだ接合界面にボイドが生じたりすることがある。
【０００４】
そこで、金属ナノ粒子を含有するペーストが検討されている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、ペーストを絶縁基板に塗布した後、ペーストに半導体チップを載せて加熱することにより、半導体チップを絶縁基板に接合する方法が開示されている。特許文献１では、ペーストは、金属ナノ粒子、有機分散材、分散剤捕捉材および揮発性有機成分を含有しており、加熱時に、ペーストからガスを揮発させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の手法では、ペーストを調製する際に複数種の成分を混合させる必要があり、ペーストの調製が煩雑で、簡便に接合を行うことができない。また、特許文献１の手法では、コストが増大してしまうことになる。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低温環境下で容易な接合工程と高温動作環境下であっても劣化の少ない良好な接合構造体の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る接合構造体の製造方法は、積層体を用意する工程と、仮接合工程と、本接合工程とを包含する。前記積層体を用意する工程において、前記積層体は金属膜を介して、第１部材と、第２部材とが積層されている。前記仮接合工程は、前記第１部材と前記第２部材とに物理的に力を加えて前記第１部材と前記第２部材とを接合する。前記本接合工程は、前記積層体を加熱し、前記金属膜を構成する金属をストレスマイグレーションによって拡散成長させ、前記第１部材と前記第２部材とを接合する。
【０００９】
ある実施形態では、前記仮接合工程において、前記第１部材と前記第２部材とに、超音波が発生する振動によって物理的に力を加えて前記第１部材と前記第２部材とを接合する。
【００１０】
ある実施形態では、前記仮接合工程において、前記積層体を前記本接合工程における加熱温度よりも低い温度で加熱する予備加熱工程を含む。
【００１１】
ある実施形態では、前記予備加熱工程において前記積層体を加熱する時間は、前記本接合工程において前記積層体を加熱する時間よりも短い。
【００１２】
ある実施形態では、前記仮接合工程において、加熱するとともに前記第１部材と前記第２部材とに加圧する。
【００１３】
ある実施形態では、前記仮接合工程において、少なくとも前記第１部材の端部と前記第２部材の端部とに物理的に力を加える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、低温環境下で容易な接合工程と高温動作環境下であっても劣化の少ない良好な接合構造体の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の接合構造体の模式図である。
【図２】本実施形態の接合構造体の製造方法を示す模式図である。
【図３】本実施形態の接合構造体の模式図である。
【図４】本実施形態の接合構造体の製造方法を示す模式図である。
【図５】（ａ）は、本実施形態の積層体の模式的な分解斜視図である。（ｂ）は、本実施形態の接合構造体の模式的な斜視図である。
【図６】（ａ）は、本実施形態の金属膜の表面のＳＥＭ写真を示す図である。（ｂ）は、本実施形態の金属膜の表面の断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図７】本実施形態の接合構造体の金属膜近傍の断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図８】（ａ）は、本実施形態の接合構造体の金属膜近傍の断面のＳＥＭ写真を示す図である。（ｂ）は、比較例の接合構造体の金属膜近傍の断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図９】本実施形態の接合構造体の高温保持試験結果を示す図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の接合構造体の高温保持試験結果の金属膜近傍の断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図１１】（ａ）は、本実施形態の接合構造体の超音波深傷装置の観察結果を示す写真である。（ｂ）および（ｃ）は、本実施形態の接合構造体の金属膜近傍の光学顕微鏡の観察結果を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００１７】
図１を参照して、本発明に係る接合構造体１００の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の接合構造体１００の模式図を示す。接合構造体１００は、部材１１０と、金属膜１３０と、部材１２０とを備える。本明細書の以下の説明において、部材１１０、部材１２０をそれぞれ、第１部材１１０、第２部材１２０と記載することがある。
【００１８】
金属膜１３０は、第１部材１１０と第２部材１２０とを接合している。接合構造体１００では、第１部材１１０、金属膜１３０および第２部材１２０がこの順番に積層されている。
【００１９】
本実施形態の接合構造体１００において、金属膜１３０を構成する金属がストレスマイグレーションによって拡散成長することにより、第１部材１１０と第２部材１２０とが金属膜１３０を介して接合されている。具体的には、金属膜１３０の内部では応力勾配が発生し、金属膜１３０を構成する金属が拡散成長して接合状態が維持されている。ストレスマイグレーションは、第１部材１１０と金属膜１３０との界面、金属膜１３０と第２部材１２０との界面、および、金属膜１３０の内部のいずれかにおいて発生する。
【００２０】
接合構造体１００における接合は、金属膜１３０において発生するストレスマイグレーションによって実現される。ストレスマイグレーションとは、温度ストレスが印加された状態で金属原子が移動する現象である。異なる熱膨張率を有する材料を接触させた状態で温度が変化した場合に、温度変化に伴う熱膨張の違いから材料内部に応力勾配が生じた結果、熱膨張率の高い材料の金属原子が移動する。ストレスマイグレーションは、欠陥（例えば、ボイド又はクラック）を生じさせることがあり、半導体デバイス等の故障原因になることが知られている。
【００２１】
本実施形態の接合構造体１００は、このようなストレスマイグレーションを敢えて利用することにより、良好な接合を実現している。具体的には、熱膨張率の差が大きい２種類の材料を接触させた状態で温度を変化させると、金属膜１３０に応力勾配が発生する。この勾配によりストレスマイグレーションが生じて、金属膜１３０の金属が表面から溢れ出すように拡散する。金属膜１３０の金属が拡散成長すると、金属は、第１部材１１０と金属膜１３０との界面、金属膜１３０と第２部材１２０との界面、又は、金属膜１３０の内部の界面の凹凸の空隙を埋めて一体化し、金属膜１３０によって第１部材１１０と第２部材１２０とが良好に接合される。なお、ストレスマイグレーションの発生は、接合断面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）などの装置を用いて撮影することで確認できる。また、接合部形成においては、接合雰囲気中の表面反応により、ナノ粒子やアモルファス状ナノ組織を形成させ、接合ネッキングの成長を促進させることもできる。本明細書において、加熱することによって、金属膜１３０を構成する金属をストレスマイグレーションによって拡散成長させ、第１部材１１０と第２部材１２０とを接合することを本接合と記載することがある。
【００２２】
これまで、２つの部材を接合する場合、高温での熱処理（例えば、焼結）を行うことが一般的であった。これに対して、本実施形態では、上述したように、金属膜１３０を構成する金属のストレスマイグレーションを利用して第１部材１１０と第２部材１２０とを接合している。ストレスマイグレーションは、一般的な焼結温度よりも低い温度で発生するため、本実施形態の接合構造体１００は、低温環境下であっても良好な接合を実現できる。また、第１部材１１０及び第２部材１２０のいずれかの耐熱性が低い場合でも、第１部材１１０及び第２部材１２０を良好に接合できる。また、加熱炉などの大規模な装置を必要としないので、簡易なプロセスで低コストに接合を行うことができる。さらに、安価で汎用性のある金属を利用して接合を行うことができる。
【００２３】
さらに、本実施形態では、本接合を行う前に、第１部材１１０と第２部材１２０とに物理的に力を加えて第１部材１１０と第２部材１２０とを接合する。例えば、第１部材１１０と第２部材１２０とに、超音波が発生する振動によって物理的に力を加えて第１部材１１０と第２部材１２０とを接合する。本明細書において、本接合を行う前に、第１部材１１０と第２部材１２０とに物理的に力を加えて第１部材１１０と第２部材１２０とを接合をすることを仮接合と記載することがある。仮接合をすると、手で押した程度では離れない程度の強度で第１部材１１０と第２部材１２０とは接合される。仮接合をした第１部材１１０と第２部材１２０との強度は、例えば、数ＭＰａである。
【００２４】
以下、接合構造体１００を構成する第１部材１１０、金属膜１３０、及び第２部材１２０について説明する。
【００２５】
（第１部材１１０）
第１部材１１０は任意の部材であってもよい。例えば、第１部材１１０は基板である。基板は、金属基板であってもよく、絶縁基板であってもよい。また、第１部材１１０は、半導体素子であってもよい。
【００２６】
金属基板を構成する物質は、例えば、銅、亜鉛、金、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、コバルト、鉄、アルミナ、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、ステンレス鋼、イオンバー合金（鉄、ニッケル、マンガンおよび炭素を構成成分とする合金）、またはコバール合金（鉄、ニッケル、コバルト、マンガンおよびシリコンを構成成分とする合金）である。また、絶縁基板を構成する物質は、例えば、ガラス、シリカガラス、シリコン、炭素、セラミックス、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド、シリコン上に形成したガリウムナイトライド、シリコンナイトライドまたはアルミニウムナイトライドである。半導体素子を構成する材質は、例えば、シリコン、炭素、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド、シリコン上に形成したガリウムナイトライド、シリコンナイトライド、または、アルミニウムナイトライドである。
【００２７】
（第２部材１２０）
第２部材１２０は任意の部材であってもよい。例えば、第２部材１２０は基板である。基板は、金属基板であってもよく、絶縁基板であってもよい。第２部材１２０を構成する材質としては、例えば、上記の第１部材１１０を構成する材質と同様のものが挙げられる。
【００２８】
あるいは、第２部材１２０は、半導体素子または配線であってもよい。半導体素子を構成する材質は、例えば、シリコン、炭素、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド、シリコン上に形成したガリウムナイトライド、シリコンナイトライド、または、アルミニウムナイトライドである。配線を構成する物質は、例えば、銅、亜鉛、金、パラジウム、アルミニウム、ニオブ、ニッケル、コバルト、モリブデン、タングステン、チタン、または、鉄である。汎用性およびコストパフォーマンスに優れ、金属膜１３０との接着を容易にするために、配線を構成する金属は銅または鉄であることが好ましい。
【００２９】
（金属膜１３０）
金属膜１３０を構成する金属は、例えば、銅、銀、亜鉛、金、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、コバルト、又は鉄である。汎用性及びコストパフォーマンスに優れ、ストレスマイグレーションを容易に発生し得る熱膨張率を有するために、金属膜１３０を構成する金属は、銅、銀、亜鉛、アルミニウム、コバルト、又はニッケルが好ましい。
【００３０】
金属膜１３０は、複数の金属層の積層された構成を有してもよい。金属膜１３０が積層構造を有する場合、複数の金属層を構成する金属の各々は、同じ種類の金属であってもよいし、異なる種類の金属であってもよい。また、この場合は、ストレスマイグレーションによって拡散成長する金属が、第１部材１１０と金属膜１３０との界面、金属膜１３０の層間の界面、又は、金属膜１３０と第２部材１２０との界面の凹凸を埋めるように移動する。
【００３１】
金属膜１３０の厚さは、接合強度に優れ、容易にストレスマイグレーションを発生するために、０．５μｍ以上３０．０μｍ以下であることが好ましい。
【００３２】
金属膜１３０を構成する金属の熱膨張率（線膨張率）は、第１部材１１０を構成する材質の熱膨張率（線膨張率）よりも高いことが好ましい。特に、第１部材１１０を構成する材質の熱膨張率に対する金属膜１３０を構成する金属の熱膨張率の比（金属膜１３０を構成する金属の熱膨張率／第１部材１１０を構成する材質の熱膨張率）は２．０以上であることが好ましい。例えば、金属膜１３０を構成する金属の熱膨張率は、１０．０×１０-6以上であり、第１部材１１０を構成する材質の熱膨張率は、例えば、０．１×１０-6以上１０．０×１０-6未満である。特に、第１部材１１０を構成する材質の熱膨張率に対する金属膜１３０を構成する金属の熱膨張率の比（金属膜１３０を構成する金属の熱膨張率／第１部材１１０を構成する材質の熱膨張率）が２．０以上であることが好ましい。
【００３３】
金属膜１３０を構成する金属の結晶状態は、微細結晶（サブミクロンを単位とする程度の微細結晶状態）、又は、柱状晶であることが好ましい。結晶状態が柱状晶であると、金属膜１３０を構成する金属が表面に対して鉛直方向に対して顕著に拡散成長するため、結晶状態が粗大な等軸晶である金属膜と比較すると、ストレスマイグレーションによる緻密かつ良好な金属膜間接合界面を形成できる。
【００３４】
接合構造体１００において、第２部材１２０が配線である場合、金属膜１３０を構成する金属と第２部材１２０を構成する材質との好適な組み合わせ（金属膜１３０／第２部材１２０）は、ストレスマイグレーションを効果的に発生させて接合状態を良好とするために、例えば、銀／モリブデン、銀／タングステン、銀／ニオブ、銀／チタン、銅／モリブデン、銅／タングステン、銅／ニオブ、又は、銅／チタン、である。
【００３５】
以下、第１部材１１０を構成する材質の熱膨張率、及び、金属膜１３０および第２部材１２０を構成する材質の熱膨張率の一例を示す。なお、ここでは、熱膨張率は線膨張率であり、熱膨張率の単位は「１／Ｋ」である。
【００３６】
第１部材１１０を構成する材質の熱膨張率の一例
シリコン：２．６×１０-6
シリコンカーバイド：３．７×１０-6
ガリウムナイトライド：３．０×１０-6
シリコンナイトライド：３．０×１０-6
アルミニウムナイトライド：５．０×１０-6
アルミナ：７．２×１０-6
【００３７】
金属膜１３０、第２部材１２０を構成する金属の熱膨張率の一例
アルミニウム：２３．０×１０-6
鉄：１２．０×１０-6
コバルト：１３．０×１０-6
ニッケル：１２．８×１０-6
金：１４．３×１０-6
銅：１６．８×１０-6
亜鉛：３０．２×１０-6
銀：１８．９×１０-6
パラジウム：１１．８×１０-6
タングステン：４．５×１０-6
モリブデン：４．８×１０-6
ニオブ：８．０×１０-6
チタン：１１×１０-6
【００３８】
なお、金属膜１３０を構成する金属は酸化しておらず、金属膜１３０の表面には酸化膜がほとんど存在しないことが好ましい。なぜなら、金属膜１３０において応力勾配を発生したとしても、酸化の生じた金属では拡散接合が充分には起こらず、接合不良の主要因となるからである。表面酸化を避けるために、接合のための加熱は還元雰囲気又は真空雰囲気で行ってもよい。あるいは、接合は、金属の表面における酸化還元反応を促進する条件（温度または雰囲気）で行うことが好ましい。ただし、微量な酸素の存在は、良好にストレスマイグレーションを発生させることに寄与する場合もあり、金属膜１３０が微量の酸素を含んでいてもよい。
【００３９】
以下に、図２を参照して、本実施形態の接合構造体１００の製造方法を説明する。図２は、本実施形態の接合構造体１００の製造方法を示す模式図である。本実施形態の接合構造体１００の製造方法は、金属膜形成工程と、積層体作製工程と、仮接合工程と、本接合工程とを包含する。
【００４０】
（金属膜形成工程）
図２（ａ）に示すように、第１部材１１０および第２部材１２０を用意する。
【００４１】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１部材１１０の表面に金属膜１３０Ａを形成する。金属膜１３０Ａは、例えば、スパッタリング処理、めっき、又は蒸着によって形成される。スパッタリング処理の手法は特に限定されず、例えば、ＲＦ（高周波）スパッタリング、ＤＣ（直流）スパッタリングを採用することができる。また、めっき方法は特に限定されず、例えば、電解めっき、又は無電解めっきを採用することができる。あるいは、蒸着方法は、特に限定されず、例えば、抵抗加熱を用いた真空蒸着を採用することができる。なお、金属膜１３０Ａは、複数の金属層から形成されてもよい。
【００４２】
また、図２（ｂ）に示すように、第２部材１２０の表面に金属膜１３０Ｂを形成する。典型的には、金属膜１３０Ｂを構成する金属は、金属膜１３０Ａを構成する金属と同じであるが、金属膜１３０Ｂを構成する金属は、金属膜１３０Ａを構成する金属と異なってもよい。金属膜１３０Ｂの形成も、金属膜１３０Ａと同様に、例えば、スパッタリング処理、めっき、又は蒸着のような手法を用いることができる。なお、金属膜１３０Ｂは、複数の金属層から形成されてもよい。
【００４３】
（積層体作製工程）
次に、図２（ｃ）に示すように、第１部材１１０上の金属膜１３０Ａおよび第２部材１２０上の金属膜１３０Ｂが互いに接触するように、第１部材１１０および第２部材１２０を積層させて積層体Ｌを作製する。この場合、積層体Ｌは、第１部材１１０、金属膜１３０Ａ、１３０Ｂおよび第２部材１２０の積層された構成を有する。
【００４４】
（仮接合工程）
次に、図２（ｄ）に示すように、第１部材１１０と第２部材１２０とに物理的に力を加えて第１部材１１０と第２部材１２０とを接合する。例えば、仮接合工程において、超音波接合装置によって、第１部材１１０と第２部材１２０とに、超音波が発生する振動によって物理的に力を加えて第１部材１１０と第２部材１２０とを接合する。
【００４５】
例えば、超音波接合装置の超音波の出力の値は、１５Ｗである。超音波の出力の値の下限は、超音波の出力が安定し、第１部材１１０と第２部材１２０とが接合し得る値である。超音波の出力の値の上限は、第１部材１１０と第２部材１２０とが壊れない値である。一般的な超音波接合における超音波の出力の値が数百Ｗであるのに対して、仮接合工程における超音波の出力の値は、比較的小さい。また、例えば、超音波接合装置の圧力の値は、１０Ｎである。また、例えば、超音波接合装置の超音波を発生させる時間は、１．０ｓである。
【００４６】
このように、本接合を行う前に、第１部材１１０と第２部材１２０とに対して仮接合を行う事によって、第１部材１１０と第２部材１２０とを密着させることができる。すなわち、金属膜１３０Ａと金属膜１３０Ｂとの接触面積を増やすことができる。
【００４７】
なお、仮接合工程において、少なくとも第１部材１１０の端部と第２部材１２０の端部とに物理的に力を加えることが好ましい。第１部材１１０の端部と第２部材１２０の端部とに物理的に力を加えることによって、接合が困難な端部に対しても良好に接合を行うことができる。
【００４８】
（本接合工程）
次に、図２（ｅ）に示すように、積層体Ｌを加熱することによって、金属膜１３０によって第１部材１１０と第２部材１２０とを接合した接合構造体１００を作製する。積層体Ｌを加熱すると、第１部材１１０上の金属膜１３０Ａを構成する金属及び／又は第２部材１２０上の金属膜１３０Ｂを構成する金属がストレスマイグレーションによって拡散成長し、金属膜１３０Ａと金属膜１３０Ｂとの界面間の空間を金属で埋めて、第１部材１１０および第２部材１２０を接合する。
【００４９】
なお、金属膜１３０において、金属膜１３０Ａおよび金属膜１３０Ｂに由来する２つの層の界面が明確に特定可能であってもよく、あるいは、特定可能でなくてもよい。積層体Ｌの加熱温度は、１００℃以上４００℃以下であることが好ましく、１５０℃以上３００℃以下であることがさらに好ましい。
【００５０】
なお、仮接合工程において、本接合工程における加熱温度よりも低い温度で積層体Ｌを加熱する予備加熱工程を含むことが好ましい。例えば、予備加熱工程は、第１部材１１０と第２部材１２０とに物理的に力を加える前に行われる。さらに、予備加熱工程において積層体Ｌを加熱する時間は、本接合工程において積層体Ｌを加熱する時間よりも短いことが好ましい。例えば、本接合工程が、加熱温度２５０℃、加熱時間６０分であるのに対し、予備加熱工程は、加熱温度１５０℃、加熱時間５分である。
【００５１】
予備加熱工程を行うことによって、金属膜１３０Ａおよび金属膜１３０Ｂにおいて、ストレスマイグレーションの発生が促進される。したがって、金属膜１３０Ａと金属膜１３０Ｂとの接触面積が増加する。その結果、超音波接合装置によって、仮接合させる際、第１部材１１０と第２部材１２０とを良好に接合させることができる。
【００５２】
なお、上述した説明では、金属膜１３０、１３０Ａ、１３０Ｂは第１部材１１０又は第２部材１２０上に直接形成されたが、本発明はこれに限定されない。金属膜１３０、１３０Ａ、１３０Ｂは、接着層１４０Ａ、１４０Ｂを介して第１部材１１０または第２部材１２０上に形成されてもよい。
【００５３】
図３に、本実施形態の接合構造体１００の模式図を示す。接合構造体１００は、第１部材１１０、金属膜１３０および第２部材１２０に加えて、接着層１４０Ａ、１４０Ｂを備えている。接着層１４０Ａは、第１部材１１０と金属膜１３０との間に位置しており、接着層１４０Ｂは、金属膜１３０と第２部材１２０との間に位置している。接着層１４０Ａ、１４０Ｂにより、第１部材１１０と金属膜１３０との間の接着、および、金属膜１３０と第２部材１２０との間の接着を強固にできる。
【００５４】
接着層１４０Ａ、１４０Ｂを構成する材質は、例えば、チタンまたはチタンナイトライドである。また、接着層１４０Ａ、１４０Ｂの厚さは、例えば、０．０１μｍ以上０．０５μｍ以下である。
【００５５】
なお、図３に示した接合構造体１００では、金属膜１３０の両側に接着層１４０Ａ、１４０Ｂが設けられたが、金属膜１３０の一方の側に、接着層１４０Ａまたは接着層１４０Ｂの一方のみが設けられてもよい。このように、接合構造体１００において、第１部材１１０と金属膜１３０との間、又は、金属膜１３０と第２部材１２０との間に接着層を形成してもよい。
【００５６】
以下、図４を参照して本実施形態の接合構造体１００の製造方法の別の一例を説明する。図４は、本実施形態の接合構造体１００の製造方法を示す模式図である。なお、図４を参照した製造方法は、接着層１４０Ａと接着層１４０Ｂとを形成する点を除いて図２を参照して上述した製造方法と同様であり、冗長を避けるために重複する記載を省略する。
【００５７】
（金属膜形成工程）
図４（ａ）に示すように、第１部材１１０および第２部材１２０を用意する。
【００５８】
次に、図４（ｂ）に示すように、第１部材１１０の表面に接着層１４０Ａを形成する。さらに、接着層１４０Ａの表面に金属膜１３０Ａを形成する。また、第２部材１２０の表面に接着層１４０Ｂを形成する。さらに、接着層１４０Ｂの表面に金属膜１３０Ｂを形成する。接着層１４０Ａおよび接着層１４０Ｂは、金属膜１３０Ａおよび金属膜１３０Ｂと同様に、例えば、スパッタリング処理、めっき、又は蒸着によって形成される。
【００５９】
（積層体作製工程）
次に、図４（ｃ）に示すように、第１部材１１０および接着層１４０Ａ上の金属膜１３０Ａと、第２部材１２０および接着層１４０Ｂ上の金属膜１３０Ｂとが互いに接触するように、第１部材１１０および第２部材１２０を積層させて積層体Ｌを作製する。この場合、積層体Ｌは、第１部材１１０、接着層１４０Ａ、金属膜１３０Ａ、金属膜１３０Ｂ、接着層１４０Ｂおよび第２部材１２０の積層された構成を有する。
【００６０】
（仮接合工程）
次に、図４（ｄ）に示すように、図２（ｄ）と同様に、第１部材１１０と第２部材１２０とに物理的に力を加えて第１部材１１０と第２部材１２０とを接合する。
【００６１】
（本接合工程）
次に、図４（ｅ）に示すように、図２（ｅ）と同様に、積層体Ｌを加熱することによって、金属膜１３０によって第１部材１１０と第２部材１２０とを接合した接合構造体１００を作製する。
【００６２】
以下に、図５を参照して、本実施形態の接合構造体１００の実施形態についてさらに説明する。図５（ａ）は、本実施形態の積層体Ｌの模式的な分解斜視図である。図５（ｂ）は、本実施形態の接合構造体１００の模式的な斜視図である。図５（ｂ）に示す接合構造体１００は、図３を参照して上述した接合構造体１００と同様であり、冗長を避けるために重複する記載を省略する。なお、図５（ａ）および図５（ｂ）において、接着層１４０Ａおよび接着層１４０Ｂは省略している。
【００６３】
図５（ｂ）に示すように、接合構造体１００は、第１部材１１０と、第２部材１２０と、金属膜１３０と、接着層１４０Ａ、１４０Ｂ（図示せず）とを備える。第２部材１２０は、端部１２０ａと、端部１２０ｂと、端部１２０ｃと、端部１２０ｄとを有する。
【００６４】
第１部材１１０は、シリコン基板である。第２部材１２０は、シリコンチップである。金属膜１３０、１３０Ａ、１３０Ｂは、銀膜である。接着層１４０Ａ、１４０Ｂはチタン層である。
【００６５】
本実施形態の接合構造体１００は、以下のように作製される。
【００６６】
（金属膜形成工程）
第１部材１１０として、シリコン基板を準備した。シリコン基板の一方の主面に、接着層１４０Ａとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。チタン層の表面に、金属膜１３０Ａとして、厚さ約１μｍの銀膜を形成した。
【００６７】
また、第２部材１２０として、シリコンチップを準備した。シリコンチップの一方の主面に、接着層１４０Ｂとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。チタン層の表面に、金属膜１３０Ｂとして厚さ約１μｍの銀膜をスパッタリング処理によって形成した。
【００６８】
（積層体作製工程）
続いて、シリコン基板の銀膜をシリコンチップの銀膜と接触するように配置して積層体Ｌを作製した。
【００６９】
（仮接合工程）
続いて、積層体Ｌを大気圧雰囲気において、１５０℃で５分間加熱した（予備加熱工程）。
【００７０】
続いて、超音波接合装置によって、第１部材１１０と第２部材１２０とに、超音波が発生する振動によって物理的に力を加えて第１部材１１０と第２部材１２０とを仮接合した。詳しくは、超音波接合装置の振動部（例えば、ホーン）をシリコンチップの上面に押し当てながら、振動させることによって第１部材１１０と第２部材１２０とを仮接合した。超音波接合装置の振動部の大きさは、シリコンチップの大きさよりも大きかった。シリコンチップの大きさは、例えば、３ｍｍ角であった。超音波接合装置の超音波の出力の値は、１５Ｗであった。超音波接合装置の圧力の値は、１０Ｎであった。超音波接合装置の超音波を発生させる時間は、１．０ｓであった。
【００７１】
（本接合工程）
積層体Ｌを大気圧雰囲気において、２５０℃で６０分間加熱した。加熱により、本実施形態の接合構造体１００を製造した。
【００７２】
図６を参照して、金属膜１３０Ａについてさらに説明する。図６（ａ）は、本実施形態の金属膜１３０Ａの表面のＳＥＭ写真を示す図である。図６（ｂ）は、本実施形態の金属膜１３０Ａの表面の断面のＳＥＭ写真を示す図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、スパッタリング処理によって金属膜１３０Ａ（銀膜）を形成した直後のＳＥＭ写真を示している。
【００７３】
図６（ａ）に示すように、金属膜１３０Ａの表面は、約１００ｎｍの銀粒子の結晶１３１で覆われている。
【００７４】
図６（ｂ）に示すように、本実施形態では、結晶状態は、微細結晶の柱状晶である。結晶状態が微細結晶の柱状晶であると、金属膜１３０Ａを構成する金属が表面方向に顕著に拡散成長するため、結晶状態が粗大な等軸晶である金属膜と比較すると、より容易にストレスマイグレーションを発生させることができ、接合状態が良好となる。
【００７５】
図７を参照して、本実施形態の接合構造体１００の接合状態を説明する。図７は、本実施形態の接合構造体１００の金属膜１３０近傍の断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【００７６】
図７に示すように、接合構造体１００は、良好に接合されていることが確認された。
【００７７】
図８を参照して、本実施形態の接合構造体１００と比較例の接合構造体１０００について比較する。図８（ａ）は、本実施形態の接合構造体１００の金属膜１３０近傍の断面のＳＥＭ写真を示す図である。図８（ｂ）は、従来の接合構造体１０００の金属膜１１３０近傍の断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【００７８】
図８（ａ）に示すように、接合構造体１００は、良好に接合されていることが確認された。
【００７９】
一方、図８（ｂ）に示す、比較例の接合構造体１０００は、エチレングリコール溶媒によって無加圧で金属膜１１３０を接合することによって作製されている。比較例の接合構造体１０００は、金属膜１１３０に未接合の部分１２００が存在していることが確認された。
【００８０】
図９、図１０を参照して、高温保持試験結果について説明する。図９は、本実施形態の接合構造体１００の高温保持試験結果を示す図である。図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、本実施形態の接合構造体１００の高温保持試験結果の金属膜１３０近傍の断面のＳＥＭ写真を示す図である。図９において、横軸は時間を示し、縦軸は強度を示す。
【００８１】
図９は、２５０℃の温度に保持した状態で１０００時間加熱した際の接合構造体１００の金属膜１３０の接合強度を示す。接合強度は、初期では５０ＭＰａであり、加熱時間２００時間では４６ＭＰａであり、加熱時間５００時間では４９ＭＰａであり、加熱時間１０００時間では５０ＭＰａである。図９に示すように、接合構造体１００を長時間加熱した場合でも、初期の接合強度の値と比較してほとんど変化が無く、接合構造体１００は良好に接合されていることが確認された。
【００８２】
図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）は、それぞれ、２５０℃の温度に保持した状態で０時間、２００時間、５００時間、１０００時間加熱した際の金属膜１３０近傍の断面のＳＥＭ写真を示す。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）に示すように、接合構造体１００を長時間加熱した場合でも、未接合の箇所の発生は抑制されており、接合構造体１００は良好に接合されていることが確認された。
【００８３】
図１１を参照して、本実施形態の接合構造体１００の接合状態を説明する。図１１（ａ）は、本実施形態の接合構造体１００の超音波深傷装置の観察結果を示す写真である。図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、本実施形態の接合構造体１００の金属膜近傍の光学顕微鏡の観察結果を示す写真である。
【００８４】
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す第２部材１２０の中央部１２０ｅにおける接合構造体１００の金属膜近傍の光学顕微鏡の観察結果を示す。第２部材１２０の中央部１２０ｅにおいて、未接合の箇所の発生は抑制されており、接合構造体１００は良好に接合されていることが確認された。
【００８５】
図１１（ｃ）は、図１１（ａ）に示す第２部材１２０の端部１２０ｂにおける接合構造体１００の金属膜近傍の光学顕微鏡の観察結果を示す。第２部材１２０の端部１２０ｂにおいて、未接合の箇所の発生は抑制されており、接合構造体１００は良好に接合されていることが確認された。
【００８６】
このように、本実施形態の接合構造体１００によれば、接合が困難な第２部材１２０の端部においても、良好に接合が行われる。したがって、接合構造体１００は、第２部材１２０の全面にわたって良好に接合が行われる。
【００８７】
以上、図面（図１〜図１１）を参照しながら本発明の実施形態を説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である（例えば、下記に示す（１）〜（２））。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の厚み、長さ、個数等は、図面作成の都合上から実際とは異なる。また、上記の実施形態で示す各構成要素の材質や形状、寸法等は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００８８】
（１）図２および図４を参照して説明したように、本発明の接合構造体１００の製造方法では、仮接合工程において、第１部材１１０と第２部材１２０とに、超音波が発生する振動によって物理的に力を加えて第１部材１１０と第２部材１２０とを接合していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、仮接合工程において、加熱するとともに第１部材１１０と第２部材１２０とに加圧することによって物理的に力を加えて第１部材１１０と第２部材１２０とを接合してもよい。例えば、加圧は、第１部材１１０と第２部材１２０との上に重りを載せることによって行われる。あるいは、加圧は、第１部材１１０と第２部材１２０とを機械を用いてプレスすることによって行われる。あるいは、加圧は、水圧または風圧によって行われてもよい。
【００８９】
（２）図１および図３を参照して説明したように、接合構造体１００では、第１部材１１０または第２部材１２０のいずれにも金属膜１３０（金属膜１３０Ａおよび金属膜１３０Ｂ）が形成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、金属膜１３０は、第１部材１１０または第２部材１２０のいずれか一方のみに形成されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明に係る接合構造体の製造方法は、複数の部材を一体化する構成を実現するために好適に用いられる。
【符号の説明】
【００９１】
１００    接合構造体
１１０    第１部材
１２０    第２部材
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ  端部
１２０ｅ  中央部
１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ  金属膜
Ｌ        積層体
【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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【図１０】
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【図１１】
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