(57)【要約】【課題】表面粗さに関係なく、金属又は金属化合物の基板同士の接合を可能とする方法を提供すること。【解決手段】金属又は金属化合物の基板とシリコンを主とする基板を接合して接合体を製造するに際し、あるいは、金属又は金属化合物の基板同士を接合して接合体を製造するに際し、金属又は金属化合物の基板の表面にシリコン化合物を形成する金属を被覆し、該被覆面に他方の基板を接触配置して熱処理する、好ましくは、接触面を局所的に加熱することからなる接合体の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属又は金属化合物の基板とシリコンを主とする基板を接合して接合体を製造するに際し、金属又は金属化合物の基板の表面にシリコン化合物を形成する金属を被覆し、該被覆面にシリコンを主とする基板を接触配置して熱処理を行うことを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項２】
金属又は金属化合物の基板と他の金属又は金属化合物の基板を接合して接合体を製造するに際し、金属又は金属化合物の基板の表面にそれぞれシリコン化合物を形成する金属を被覆し、該被覆面同士を接触配置して熱処理を行うことを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項３】
金属又は金属化合物の基板が、シリコン板であることを特徴とする請求項１又は２記載の接合体の製造方法。
【請求項４】
シリコン化合物（シリサイド）を形成する金属が、チタン（Ti）、ジルコニウム（Zr）、ハフニウム（Hf）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、鉄（Fe）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、亜鉛（Zn）、ニオブ（Nb）、ルテニウム（Ru）、ロジウム（Rh）、パラジウム（Pd）、タンタル（Ta）、タングステン（W）、オスミウム（Os）、イリジウム（Ir）及び白金（Pt）からなる群から選ばれる一種又は二種以上の金属であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の接合体の製造方法。
【請求項５】
金属又は金属化合物の基板表面を被覆しシリコン化合物を形成する金属層が、２ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の接合体の製造方法。
【請求項６】
熱処理が、基板界面の局所的な加熱処理であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合体の製造方法に関し、特に、表面粗さや接合させる基板の種類に制限されない接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）やＮＥＭＳ（Nano Electro Mechanical Systems）の分野では、フォトリソグラフィーに代表される微細加工技術が主に注目され、接合技術は補助的なものとして捉えられている。しかしながら、ＭＥＭＳの製造工程において、接合技術は、微細加工技術が抱える様々な問題を解決し、複雑な三次元構造を実現するための重要な役割を果たすものとして期待されている。更に、ＭＥＭＳでは、微少な可動部分を保護し、信頼性を確保するためのパッケージング技術が非常に重要とされており、特に、加速度センサやジャイロセンサなどのパッケージでは、高い信頼性を持つ接合技術が必要とされている。
【０００３】
ＭＥＭＳ・ＬＳＩの分野では、組立やパッケージングなどの実装工程コストの割合が非常に大きく、コストダウンの面でも接合技術の果たす役割は非常に大きい。その一方で、残留応力の発生や接着剤の付着などは、デバイスの特性に大きく影響するので、接合プロセスは様々な制約を受けることが問題視されている。現在、実現可能な接合技術の一つとして、表面活性化法が挙げられている。この表面活性化による常温接合は、接合プロセスを高真空中で行うことにより、清浄でより反応性の高い表面の接合を行うもので、常温で接合が可能となることを特徴としている。しかし、この表面活性化法は、数十ｎｍ程度以下の表面粗さを持つものでのみ接合が可能であり、接合の可否が表面状態に強く依存するという大きな欠点を持っている。
【０００４】
なお、一般的に、異種金属材料同士を、接合界面に金属間化合物を含む化合物層を形成させることによって接合させる方法は知られている。例えば、特許文献１には、異種金属材料である鉄基合金とアルミニウム基合金を、Ｆｅ−Ａｌ系の金属間化合物で接合した異種金属接合部材が開示されている。また、特許文献２には、ＳｎとＳｎより高い融点を有する金属を、接合剤としてＣｕとＳｎの金属間化合物を用いて接合した接合体が開示されている。しかしながら、シリコンを主とする基板をシリコン化合物を形成する金属を用いて接合するという方法は、本発明者の知る限りこれまでに提案されたことはなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６１５００号公報
【特許文献２】特開特開２００８−２２１２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、前記接合技術の問題点を解消し、表面粗さに関係なく、金属又は金属化合物の基板同士の接合を可能とする方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様の一つは、金属又は金属化合物の基板とシリコンを主とする基板を接合して接合体を製造するに際し、金属又は金属化合物の基板の表面にシリコン化合物（シリサイド）を形成する金属を被覆し、該被覆面にシリコンを主とする基板を接触配置して熱処理を行うことを特徴とする接合体の製造方法である。
【０００８】
そして、本発明の他の態様は、金属又は金属化合物の基板と他の金属又は金属化合物の基板を接合して接合体を製造するに際し、金属又は金属化合物の基板の表面にそれぞれシリコン化合物（シリサイド）を形成する金属を被覆し、該被覆面同士を接触配置して熱処理を行うことを特徴とする接合体の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の接合方法によれば、表面粗さが数μｍ〜約１０μｍのものでも接合可能であるので、接合する部材の表面状態を選ばない接合技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明において、金属のシリコン化合物（シリサイド）を用いた接合方法を説明するための図である。
【図２】本発明において、金属―金属化合物（金属間化合物）を用いた接合方法を説明するための図である。
【図３】界面に近赤外線を照射することで加熱を行う接合方法を説明するための図である。
【図４】熱伝導率の高い金属膜を通して局所的な加熱を行う接合方法を説明するための図である。
【図５】シリコン化合物を形成する金属膜でマイクロヒーターを形成させ、ジュール熱で局所的な加熱を行う接合方法を説明するための図である。
【図６】高周波誘導加熱法で局所的な加熱を行う接合方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、金属又は金属化合物の基板とシリコンを主とする基板を接合するに際し、あるいは、金属又は金属化合物の基板と他の金属又は金属化合物の基板を接合するに際し、界面にシリコン化合物（シリサイド）を形成する金属を用いて接合体を製造するものである。金属又は金属化合物の基板としては特に限定はないが、シリコン板であるのが好ましい。
【００１２】
シリコン化合物を形成する金属としては、チタン（Ti）、ジルコニウム（Zr）、ハフニウム（Hf）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、鉄（Fe）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、亜鉛（Zn）、ニオブ（Nb）、ルテニウム（Ru）、ロジウム（Rh）、パラジウム（Pd）、タンタル（Ta）、タングステン（W）、オスミウム（Os）、イリジウム（Ir）及び白金（Pt）からなる群から選ばれる一種又は二種以上の金属が好ましい。特にチタン、ジルコニウム、ハフニウムが好ましい。
【００１３】
金属又は金属化合物の基板表面を被覆しシリコン化合物（シリサイド）を形成する層が、２ｎｍ〜１０μｍであるのが好ましい。
【００１４】
本発明の態様の一つの、金属又は金属化合物の基板とシリコンを主とする基板を接合する場合は、基板上に成膜したシリサイドを形成する金属膜と、シリコンを主成分とする基板を接触させて加熱することによって、両基板の界面にシリサイドを形成させて接合体が得られる。
【００１５】
本発明のもう一つの態様の、金属又は金属化合物の基板と他の金属又は金属化合物の基板を接合する場合は、基板上に成膜したシリサイドを形成する金属膜同士を接触させて加熱することによって、接触した金属膜の界面に金属―金属化合物（金属間化合物）を形成させて接合体が得られる。
【００１６】
本発明において、シリサイドを形成する金属膜を被覆させる基板の材料には、シリコンを主成分とする基板だけでなく、ガラス、セラミックス、石英、サファイア、SOI、SiC、Ge、 GaAs、GaP、SiNx、GaN、AlGaN、InP等を用いることができる。
【００１７】
金属―金属化合物（金属間化合物）形成の材料は、金属―金属化合物（金属間化合物）を形成する組み合わせであれば、種類は問わない。
【００１８】
シリサイドもしくは金属間化合物を形成させるための熱処理（加熱）方法は、いずれも基板界面（基板と基板の間に形成されている金属被服膜又は層も含む）の局所的な加熱方法が望ましい。局所的な加熱方法は、近赤外線の照射を用いた加熱、熱伝導率の高い金属膜を用いた加熱、マイクロヒーターを使用したジュール熱による加熱、高周波誘導加熱法による加熱が適当である。
【００１９】
なお、シリサイド化に必要とされている温度は５００℃程度が適当であるが、デバイス内のＬＳＩ回路は、３００〜４００℃を超えるとその特性を変化させてしまう問題が生じる。従って、本発明を適用するに当たっては、対象とする基材の状況を考慮して、加熱方法・手段として適宜適当なものを選択する必要がある。
【００２０】
以下、図を参照しながら本発明を詳述する。
【００２１】
図１は、本発明の一つめの実施の態様にかかる金属のシリコン化合物（シリサイド）を用いた接合方法を表す工程図である。
【００２２】
先ず、図１(a)に表すように、金属又は金属化合物の基板101上に、スパッタ法、蒸着法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＡＬＤ（原子層堆積）法、ＣＶＤ（化学蒸着）法などにより、シリサイドを形成する金属膜102を成膜する。次に、図１(b)に表すように、金属膜102を堆積させた基板101と、接合させたいシリコンを主成分とする基板103を図１(c)のように重ね合わせ、加熱する。
【００２３】
図１(d)に表すように、加熱により金属とシリコンが反応し、接合面で金属のシリコン化合物（シリサイド）104が形成される。図１(d)の工程において、堆積させる金属膜102の種類、堆積させる金属膜102の膜厚、加熱温度および加熱時間を制御することによって、図１(e)のようにシリサイド104の形成方法を制御することができる。すなわち、接合の状態を任意に調整することが可能となる。
【００２４】
また、図１(f)に示すように、シリサイドを形成する金属膜102を堆積させた基板101の部材を、シリコンを主成分とする基板とした場合では、図１(g)や図１(h)のような反応を示す。ここで、図１(g)もしくは図１(h)のどちらの反応を示すかは、堆積させた金属膜102の種類、堆積させる金属膜102の膜厚、加熱温度および加熱時間によって変化する。
【００２５】
図２は、本発明のもう一つの実施の態様にかかる金属―金属化合物（金属間化合物）を用いた接合方法を表す工程図である。
【００２６】
図２(a)に表すように、ガラス、セラミックス、石英、サファイア、SOI、SiC、Ge、 GaAs、 GaP、 SiNx、 GaN、AlGaN、InPなどの基板201上に、スパッタ法、蒸着法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＡＬＤ（原子層堆積）法、ＣＶＤ（化学蒸着）法などにより、シリサイドを形成する金属膜202を成膜する。
【００２７】
次に、図２(b)に表すように、金属膜202を堆積させたガラス、石英、サファイア、SOI、SiC、GaN、AlGaN、InPなどの基板201と、シリサイドを形成する金属膜204を堆積させたガラス、セラミックス、石英、サファイア、SOI、SiC、Ge、 GaAs。 GaP、 SiNx、 GaN、AlGaN、InP などの基板203を図２(c)のように重ね合わせ、加熱する。
【００２８】
図２(d)に表すように、加熱により金属膜202と金属膜204が反応し、接合面で金属―金属化合物（金属間化合物）205が形成される。もしくは、図２(e)のように、金属202や金属203が反応せずに界面に残る場合もある。 
【００２９】
図２(d)の工程において、堆積させる金属膜202と金属膜203の種類、堆積させる金属膜202と204の膜厚、加熱温度および加熱時間を制御することによって、金属―金属化合物（金属間化合物）205の形成方法を図２(f)や図２(g)のように制御することができる。すなわち、接合の状態を任意に調整することが可能となる。
【００３０】
図１と図２には、表面が滑らかな状態のもので説明したが、本発明は、表面が数μｍの表面粗さをもつものを接合する場合にも適用できる。加えて、図１と図２においては２枚基板の接合の例を示したが、３枚以上であっても同様に接合することができる。
【００３１】
熱処理は、例えば、以下のようにして行うことができる。
【００３２】
図３は、近赤外線を照射することで加熱を行う方法である。図３(a)に表すように、基板401上に、シリコン化合物を形成する金属膜402を成膜する。次に、図３(b)に表すように、金属膜402を堆積させた基板401と、接合させたいシリコンを主成分とする基板403を図１(c)のように重ね合わせる。その後、基板403を透過する近赤外線を用いて、402と403の界面を局所的に加熱し、図３(d)のように接合面を形成させる。
【００３３】
図４は、熱伝導率の高い金属膜を通して局所的な加熱を行う方法である。図４(a)に表すように、基板501上に、シリコン化合物を形成する金属膜502を成膜する。次に、図４(b)に表すように、金属膜502を堆積させた基板501と、接合させたいシリコンを主成分とする基板503を図４(c)のように重ね合わせる。その後、金属膜502に熱を加え、502と503の界面を局所的に加熱し、図４(d)のように接合面を形成させる。
【００３４】
図５は、シリコン化合物を形成する金属膜でマイクロヒーターを形成させ、ジュール熱で局所的な加熱を行う方法である。図５(a)に表すように、基板601上に、シリコン化合物を形成する金属膜602を成膜し、マイクロヒーターを形成する。次に、図５(b)に表すように、金属膜602を堆積させた基板601と、接合させたいシリコンを主成分とする基板603を図５(c)のように重ね合わせる。その後、金属膜602に電流を流すことによってジュール熱を発生させ、602と603の界面を局所的に加熱し、図５(d)のように接合面を形成させる。
【００３５】
図６は、高周波誘導加熱法で局所的な加熱を行う方法である。図６(a)に表すように、基板701上に、シリコン化合物を形成する金属膜702を成膜する。次に、図６(b)に表すように、金属膜702を堆積させた基板701と、接合させたいシリコンを主成分とする基板703を図６(c)のように重ね合わせる。その後、重ね合わせた基板を交流電流が流れるコイルの中に入れ、高周波誘導加熱法により702と703の界面を局所的に加熱し、図６(d)のように接合面を形成させる。
【００３６】
本発明においては、シリコン表面に形成されたＬＳＩ回路を損傷させないために、金属―シリコン界面の局所的な加熱が非常に有効な方法である。以下、シリコンとハフニウム金属を例にして、その理論的な根拠を説明する。
【００３７】
熱容量とは、ある物質の温度を1℃上昇させるために必要な熱エネルギーを意味する。シリコンとハフニウム金属の1mol当たりの熱容量は、シリコンが20.0[J/K・mol]で、ハフニウムが25.6[J/K・mol]であり、1mol当たりで換算すると、熱容量はハフニウム金属の方が大きく、従って、ハフニウム金属はシリコンより温まりにくいことがわかる。物質がある大きさを持った物体として捉えられる場合には、ある物体の熱容量は、その物体の質量に比例する。そこで、単位質量当たりに換算した熱容量Cは比熱cと呼ばれる。比熱cと熱容量Cの関係は物体の質量をmとして、C＝c×mとして表すことができる。      
【００３８】
[５ｍｍ角のシリコンチップの熱容量]
接合に使用するシリコン基板が、通常のＳＥＭＩ規格（厚さ５２５μｍ）である場合、５ｍｍ角の大きさのシリコンチップの体積は、次の式で求められる。
５×１０−３ｍ×５×１０−３ｍ×５２５×１０−６ｍ＝１．３１×１０−８ｍ３
次に、シリコンの比重（２．３３×１０３ｋｇ／ｍ３）を用いて、上記体積のときのシリコンの重さを求めると、次のようになる。
２．３３×１０３ｋｇ／ｍ３×１．３１×１０−８ｍ３＝３．０５×１０−５ｋｇ
ここで、シリコンの比熱（７００Ｊ／ｋｇ・Ｋ）を用いて、５ｍｍ角の大きさのシリコンチップの熱容量を求めると、
７００Ｊ／ｋｇ・Ｋ×３．０５×１０−５ｋｇ＝２．１４×１０−２Ｊ／Ｋ
となる。
【００３９】
[５ｍｍ角、膜厚２００ｎｍのハフニウム金属の熱容量]
一方、５ｍｍ角の大きさのシリコンチップ上に、膜厚２００ｎｍのハフニウム金属を堆積させた場合、堆積させたハフニウム金属の体積は、次の式で求められる。
５×１０−３ｍ×５×１０−３ｍ×２００×１０−９ｍ＝５．００×１０−１２ｍ３
次に、ハフニウム金属の比重(１３．３１×１０３ｋｇ／ｍ３)を用いて、上記体積のときのハフニウム金属の重さは、次の式で求めることができる。
１３．３１×１０３ｋｇ／ｍ３×５．００×１０−１２ｍ３＝６．６６×１０−８ｋｇ
ここで、ハフニウムの比熱(１４０Ｊ／ｋｇ・Ｋ)を用いて、５ｍｍ角の大きさのシリコンチップの上に堆積させたハフニウム金属の熱容量を求めると、
１４０Ｊ／ｋｇ・Ｋ×６．６６×１０−８ｋｇ＝９．３２×１０−６Ｊ／Ｋとなる。
【００４０】
[ＬＳＩを接合させることを想定した局所加熱方式の利点]
以上の計算で求めたとおり、通常のＬＳＩで用いられるチップの大きさで比較すると、シリコンの熱容量は２．１４×１０−２Ｊ／Ｋ、ハフニウム金属の熱容量は９．３２×１０−６Ｊ／Ｋとなり、金属−シリコン界面を局所的に効率良く加熱することで、シリコンチップ全体を温度上昇させることなく、接合が可能となることがわかる。これは、シリコン表面に形成されたＬＳＩ回路を損傷させることがないため、非常に有効な方法である。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明を、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００４２】
＜実施例１＞
シリコン基板の上に、膜厚２００ｎｍのハフニウム金属膜を堆積させた試料と、シリコン基板を重ね合わせ、５〜１０Ｐａ以下の真空中で、加熱温度５００℃、ホールド時間９０分、昇降温レート１００℃／分の条件で加熱を行った。加熱後の試料を観察すると共に、接合部分を剥離した際の顕微鏡写真を観察した。その結果、接合が十分に可能となることが確認され、また、剥離後の顕微鏡写真から、堆積させたハフニウム金属がシリコンと反応し、金属のシリコン化合物（シリサイド）が界面に形成されることによって、基板同士の接合が可能となることが確認された。
【００４３】
＜実施例２＞
シリコン基板の上に膜厚２００ｎｍのハフニウム金属膜を堆積させた試料表面に、表面粗さ２〜４μｍの傷をつけた試料と、シリコン基板を重ね合わせ、５〜１０Ｐａ以下の真空中で、加熱温度８００℃、ホールド時間９分、昇降温レート１００℃／分の条件で加熱を行った。加熱後の試料を観察すると共に、接合部分を剥離した際の顕微鏡写真を観察した。その結果、２〜４μｍの表面粗さを有する試料においても接合が可能となることが確認された。また、剥離後の顕微鏡写真から、表面が平坦な試料と同様、堆積させたハフニウム金属がシリコンと反応し、金属−シリコン化合物（シリサイド）が界面に形成されることによって、基板同士の接合が可能となることが確認された。
【符号の説明】
【００４４】
１０１  金属又は金属化合物の基板
１０２  シリサイドを形成する金属膜
１０３  シリコンを主成分とする基板
１０４  シリサイド
２０１  金属又は金属化合物の基板
２０２  シリサイドを形成する金属膜
２０３  金属又は金属化合物の基板
２０４  シリサイドを形成する金属膜
２０５  金属間化合物
【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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