(57)【要約】【課題】  ダイボンド接合温度範囲内である３２０℃以下の加熱温度下で、被接合部材及びはんだ材を還元し、従来よりも高品質で信頼性の高いはんだ接合層を有し、熱放散性に優れた半導体装置を得る。【解決手段】  少なくとも１つの被接合部材と少なくとも１つのはんだ材とを含む積層体を、金属線を備える減圧炉内に投入する準備工程と、前記準備工程後、前記減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、前記金属線を加熱して、原子状水素を発生させる、熱線式加熱工程と、前記熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして、接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程と、前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程とを含む、半導体装置の製造方法。【選択図】  図１
2015070052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの被接合部材と少なくとも１つのはんだ材とを含む積層体を、金属線を備える減圧炉内に投入する準備工程と、
前記準備工程後、前記減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、
前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、前記金属線を加熱して、原子状水素を発生させる、熱線式加熱工程と、
前記熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして、接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程と、
前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程と
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記気泡除去工程において、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして前記金属線を加熱し、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程を１回以上、断続的に繰り返して含む、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記熱線式加熱工程において、金属線を１５００℃以上であって２０００℃以下に加熱する、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記熱線式加熱工程が、１０秒〜５分にわたって実施される、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記熱線式加熱工程における前記負圧の水素雰囲気が、１〜１００Ｐａの水素雰囲気である、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱線式加熱工程における、前記金属線と、前記積層体との距離が、３０〜１５０ｍｍである、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記熱線式加熱工程において、水素分子ガスが、前記金属線と接触した後、前記積層体に向けて供給されるように、減圧炉内に供給される、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記気泡除去工程後、接合温度に保持したまま再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする再還元工程をさらに含む、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記再還元工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にしたまま前記積層体を急冷する冷却工程をさらに含む、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記冷却工程後、前記減圧炉内を真空排気する二次減圧工程と、
前記二次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の不活性ガス雰囲気にした後、前記減圧炉を開放する工程と
をさらに含む、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記熱線式加熱工程から前記加熱工程までを、複数回繰り返して含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記気泡除去工程から再還元工程までを、複数回繰り返して含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記積層体が、少なくとも２つの被接合部材間にはんだ材を介した積層体である、請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記はんだ材が、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、またはＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ系はんだであり、前記被接合部材の被接合表面がＡｇである、請求項１〜１３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記半導体装置が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ半導体モジュールである、請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
接合面がＡｇである少なくとも１つの被接合部材と、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、またはＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ系はんだである少なくとも１つのはんだ材とを含む積層体を、金属線を備える減圧炉内に投入する工程と、
前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、前記金属線を加熱して、原子状水素を発生させ、前記被接合部材及び前記はんだ材を還元する工程と
を含む、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。本発明は、特には、接合母材、はんだ材の表面酸化物を改質し、良好な接合が得られる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題からＳｎ−Ｐｂ系はんだの代替として、鉛成分を含まない鉛フリーはんだが採用されるようになっている。ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールやＩＰＭ（Intelligent Power Module：インテリジェントパワーモジュール）などのパワーモジュールに適用するはんだ材としては、現在知られている各種組成の鉛フリーはんだの中でも、取りわけ接合性（はんだ濡れ性）、機械的特性、伝熱抵抗などの面で比較的バランスがよく、かつ製品への実績もあるＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだが多く使われている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
また、ヒートシンクの上に絶縁基板、さらにその上に半導体チップをはんだ接合した階層接続構造において、下位の接合部には高温系の鉛フリーはんだとしてＳｎ−Ｓｂ系はんだを使用し、上位接合部にはＳｎ−Ｓｂ系はんだよりも融点が低いＳｎ−Ａｇ系はんだにＣｕなどの元素を添加した組成の鉛フリーはんだを使用するはんだ接合構造も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、絶縁基板にはんだマウントした半導体チップ（ＩＧＢＴ）の上面電極に配線部材としてヒートスプレッダを兼ねたリードフレームをはんだ接合し、半導体チップの発生熱をリードフレームに逃がして発熱密度の集中を防ぐようにした構造も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
他方、ダイボンド接合では、減圧、水素または窒素雰囲気の置換を行うことではんだ中のボイドを低減し、また水素中に長時間さらすことで、酸化物を水素にて還元し、良好な接合を得る方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。また、水素プラズマを用い、水素ラジカルを生成することで、酸化物や有機物を除去する方法が知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００６】
他にも、耐熱金属のフィラメントグリッドを用いて活性分子種を生成し、これにより金属表面の酸化物を除去した後、はんだ付けを行う、乾式はんだ付けのために金属表面を処理する方法が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００７】
また、接触分解反応によって生成した原子状水素による接合前のはんだの洗浄への適用例が開示されている（例えば、非特許文献３、非特許文献４参照）。さらに、錫を主成分とする鉛フリーはんだ合金を微粉末状で、ホットワイヤー法によって発生した原子状水素を用いて、還元及びエッチングを行なうことを特徴とする鉛フリーはんだ合金の処理方法も知られている（例えば、特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３５９７８号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６７０２号公報
【特許文献３】特開２００３-２９７８６０号公報
【特許文献４】米国特許明細書５４０９５４３
【特許文献５】特許第４９９１０２８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】両角、他２名、「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」、富士時報、富士電機株式会社、平成１３年２月１０日、第７４巻、第２号、p１４５〜１４８
【非特許文献２】中森ほか、「水素ラジカルによるはんだボールのリフロープロセス」、エレクトロニクス実装学会誌、Vol.8、No.3、pp.225-232（2005）
【非特許文献３】表面科学Vol. 31、 No. 4、 pp. 196-201、 2010
【非特許文献４】エレクトロニクス実装学会講演大会講演論文集, 22nd, pp.167-168(2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだの融点は、Ｓｎ−Ａｇ系であると２２０℃程度、Ｓｎ−Ｓｂ系であれば２４０℃程度であり、古くから用いられている２９０℃程度の融点をもつＰｂ系はんだ材料に比べて、溶融温度が低い。２５０℃以下の雰囲気下では、水素分子ガスによる酸化物還元能力はあまり期待できず、はんだ溶融前の状態で水素分子ガスに長時間さらすことによる酸化物の還元（除去）は難しい。水素分子ガスの還元能力を向上させるため、加熱温度をさらに高温化する手法も存在するが、シリコンチップの熱損傷が懸念される。
【００１１】
また、プラズマにより水素ラジカルを生成する方法では、水素ラジカルは直進性があり、照射された面と垂直な面にだけ、表面改質の効果が発揮されることが知られている。
【００１２】
一方、特許文献４に開示された発明は、連続炉を用いており、十分な真空度を達成できないために、原子状水素の生成量が少なく、金属酸化物に対する還元力も十分ではない。そのために電子抑制のための装置を使用して原子状水素を選択的にワークに集める必要があり、装置が複雑になり、水素やエネルギーの損失も大きいという不利益がある。
【００１３】
また、特許文献５に開示された方法は、接合に先だってはんだ合金のみを回転ドラム式の装置で処理する方法であり、はんだ接合をも含む効率的な接合組立を実現するものではない。非特許文献３、４が開示する方法は、実験的手法にすぎず、半導体装置の効率的な量産には現実的に適用することができるものではない。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ダイボンド接合温度範囲内である３２０℃以下の加熱温度下で、被接合部材及びはんだ材を還元し、従来よりも高品質で信頼性の高いはんだ接合層を有し、熱放散性に優れた半導体装置を得ることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、一実施の形態によれば、半導体装置の製造方法であって、少なくとも１つの被接合部材と少なくとも１つのはんだ材とを含む積層体を、金属線を備える減圧炉内に投入する準備工程と、前記準備工程後、前記減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、前記金属線を加熱して、原子状水素を発生させる、熱線式加熱工程と、前記熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして、接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程と、前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程とを含む。
【００１６】
前記半導体装置の製造方法における前記気泡除去工程において、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして前記金属線を加熱し、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程を１回以上、断続的に繰り返して含むことが好ましい。
【００１７】
前記半導体装置の製造方法における前記熱線式加熱工程において、金属線を１５００℃以上であって２０００℃以下に加熱することが好ましい。
【００１８】
前記半導体装置の製造方法における前記熱線式加熱工程が、１０秒〜５分にわたって実施されることが好ましい。また、前記熱線式加熱工程における前記負圧の水素雰囲気が、１〜１００Ｐａの水素雰囲気であることが好ましい。さらに、前記熱線式加熱工程における、前記金属線と、前記積層体との距離が、３０〜１５０ｍｍであることが好ましい。さらにまた、前記熱線式加熱工程において、水素分子ガスが、前記金属線と接触した後、前記積層体に向けて供給されるように、減圧炉内に供給されることが好ましい。
【００１９】
前記半導体装置の製造方法において、前記気泡除去工程後、接合温度に保持したまま再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする再還元工程をさらに含むことが好ましい。また、前記再還元工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にしたまま前記積層体を急冷する冷却工程をさらに含むことが好ましい。さらにまた、前記冷却工程後、前記減圧炉内を真空排気する二次減圧工程と、前記二次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の不活性ガス雰囲気にした後、前記減圧炉を開放する工程とをさらに含むことが好ましい。
【００２０】
前記半導体装置の製造方法においては、前記熱線式加熱工程から前記加熱工程までを、複数回繰り返して含むことが好ましい。あるいは、もしくはそれに加えて、前記半導体装置の製造方法において、前記気泡除去工程から前記再還元工程までを、複数回繰り返して含むことが好ましい。
【００２１】
前記半導体装置の製造方法において、前記積層体が、少なくとも２つの被接合部材間にはんだ材を介した積層体であることが好ましい。また、前記はんだ材が、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、またはＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ系はんだであり、前記被接合部材の被接合表面がＡｇであることが好ましい。さらには、前記半導体装置が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ半導体モジュールであることが好ましい。
【００２２】
本発明は、また別の実施形態によれば、半導体装置の製造方法であって、接合面がＡｇである少なくとも１つの被接合部材と、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、またはＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ系はんだである少なくとも１つのはんだ材とを含む積層体を、金属線を備える減圧炉内に投入する工程と、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、前記金属線を加熱して、原子状水素を発生させ、前記被接合部材及び前記はんだ材を還元する工程とを含む。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、十数分以内といった短時間で、従来よりも高品質で信頼性の高いはんだ接合層を有し、熱放散性に優れた半導体装置を得ることができる。特には、熱線式加熱工程により、ダイボンド接合温度範囲内である３２０℃以下の加熱温度下で、被接合部材及びはんだ材を、積層した状態のまま還元することができ、かつ、従来知られている方法と比較して、大きな還元効果を得ることができる。また、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、水素分子ガスや、不活性ガスの使用量が少なくて済み、またフラックスを使用する必要がない。そのため、処理時間の短縮と高い接合品質、運転コストの低減効果や、環境負荷の低減といった種々の効果を得ることが出来る。さらに、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、量産される複数の製品間でのばらつきをなくし、品質を安定化させることができるという利点も有する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明にかかる半導体装置の製造方法における、温度プロファイル、チャンバー内雰囲気および圧力、金属線通電、並びに処理動作の一例を示すチャートである。
【図２】図２は、本発明にかかる接合組立装置において、はんだ付けをおこなう、被接合体及びはんだからなる積層体の構成を模式的に示した図である。
【図３】図３は、本発明にかかる半導体装置の製造方法における、熱線式加熱工程を模式的に示す図である。
【図４】図４は、本発明にかかる接合組立装置を概略的に説明する図である。
【図５】図５は、金属線１２と熱板１６との位置関係を示す図であって、図５（ａ）は、減圧炉１１内において、金属線１２上方から炉底の向きに見た場合の、金属線１２と熱板１６との位置関係を示す図であり、図５（ｂ）は、減圧炉の正面から見た場合の、金属線１２と熱板１６との位置関係を示す図である。
【図６】図６は、熱線式加熱工程前後の、Ａｇ基板の表面形態を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真であって、図６（ａ）は熱線式加熱工程を実施しない未処理のＡｇ基板表面、図６（ｂ）は熱線式加熱工程を２分実施した後のＡｇ基板表面、図６（ｃ）は熱線式加熱工程を１０分実施した後のＡｇ基板表面の写真である。
【図７】図７は、熱線式加熱工程前後の、Ａｇ基板表面の硫化物の変化についての、Ｘ線光電子分光法分析結果を示すスペクトル図である。
【図８】図８は、熱線式加熱工程前後の、Ａｇ基板表面の塩化物の変化についての、Ｘ線光電子分光法分析結果を示すスペクトル図である。
【図９】図９は、実施例および比較例によるチップダイボンド接合部のボイド率を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
【００２６】
本発明は、一実施の形態によれば、半導体装置の製造方法に関する。本実施形態による半導体装置の製造方法は、少なくとも１つの被接合部材と少なくとも１つのはんだ材とを含む積層体を、金属線を備える減圧炉内に投入する準備工程と、前記準備工程後、前記減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、前記金属線を加熱して、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程と、前記熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして、接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程と、前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程と、任意選択的に、前記気泡除去工程後、接合温度に保持したまま再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする再還元工程と、前記再還元工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にしたまま前記積層体を急冷する冷却工程と、前記冷却工程後、前記減圧炉内を真空排気する二次減圧工程と、前記二次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の不活性ガス雰囲気にした後、前記減圧炉を開放する工程とを含む。
【００２７】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、製造対象となる半導体装置の一例としては、ＩＧＢＴモジュールやＩＰＭなどのパワーモジュールが挙げられる。特には、少なくとも１つの被接合部材と少なくとも１つのはんだ材との接合体を備えてなる半導体装置であってよく、典型的には、少なくとも２つの被接合部材間にはんだ材を介した積層構造体を備えてなる半導体装置であってよく、より典型的には、金属回路板を有するセラミック等の絶縁基板上に、シリコンチップ等の素子がはんだ付けされたものを、金属ベース上にはんだ付けしてなる積層構造体を備えてなる半導体装置である。
【００２８】
図２を参照すると、本発明による接合組立対象となる積層体１０は、典型的には、金属ベース１上に、絶縁基板２を、絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材３を介して積層し、さらにその上にシリコンチップ４を、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材５を介して積層してなる。図２においては、半導体素子の一例として、シリコンチップを挙げて説明したが、本発明において接合対象となりうる半導体素子は、シリコンチップには限定されず、ＳｉＣチップ、ＧａＮチップが挙げられるが、これらには限定されない。以下の説明においては、図２に示す積層体１０を、被接合部材ならびにはんだ材の一例として説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２９】
半導体素子のコレクタ電極面、金属ベース、及び絶縁基板の表面を構成する典型的な被接合部材（接合母材）としては、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び／またはこれらの一以上を主成分とする合金が挙げられるが、これらには限定されない。
【００３０】
典型的なはんだ材としては、鉛フリーはんだ、好ましくは融点が約１９０〜２９０℃の鉛フリーはんだを用いることができ、より好ましくは融点が約２１０〜２９０℃の鉛フリーはんだを用いることができる。好ましい実施態様として、融点が約１９０〜２９０℃の鉛フリーのＳｎ含有はんだを用いる。Ｓｎ含有鉛フリーはんだには、Ｓｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ（融点：約１９０〜２９０℃），Ｓｎ−Ｂｉ系（融点：約２７０℃）などが含まれる。より好ましくはＳｎ−Ａｇ系はんだである。Ｓｎ−Ａｇ系はんだには、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓ、およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅなどが含まれる。より好ましくは、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．１Ｎｉ−０．０５Ｇｅはんだ、またはＳｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｃｕはんだである。同様に、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだも、パワーデバイスのダイボンド接合には広く用いられる。Ｓｎ−Ｓｂ系はんだには、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉなどが含まれる。好ましくは、Ｓｎ−５Ｓｂ、Ｓｎ−８Ｓｂ、Ｓｎ−１３Ｓｂ、Ｓｎ−８Ｓｂ−３Ａｇ、Ｓｎ−８Ｓｂ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−８Ｓｂ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ−Ｎｉ０．０３〜０．０７ｗｔ．％などである。また、はんだ材は、はんだ板であってもよく、ペースト状はんだであってもよく、その形態は限定されない。
【００３１】
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法における各工程を、図１を参照して説明する。図１は、本発明にかかる半導体装置の製造方法における、温度プロファイル、チャンバー内雰囲気および圧力、金属線通電、並びに処理動作の一例を示すチャートである。
【００３２】
前準備として、図２に示すように、複数の被接合部材およびはんだ材を積層し、積層体１０を形成する。準備工程では、積層体を、金属線を備える減圧炉内に投入する。積層体の減圧炉への投入は、適切な装置で行うこともできるし、人が行うこともできる。具体的には、この積層体１０を、図３に示すように、減圧炉１１内の搬送ステージ１３上に載せる。搬送ステージ１３は、積層体１０を加熱するための熱板１６、および積層体１０冷却するための冷却板１５の間を行き来する構成となっている。
【００３３】
搬送ステージ１３上に積層体１０を載せ、図１に示すチャートにしたがってはんだ付けを開始する。準備工程後、前記減圧炉内を真空排気する一次減圧工程（タイミングＴ０からＴ１）では、まず減圧炉１１が密封され、炉内の減圧が開始される（タイミングＴ０）。この脱気処理時には、搬送ステージ１３は、熱板１６および冷却板１５のいずれからも離れた待機状態にある。タイミングＴ０〜Ｔ８の全工程において、減圧炉１１内の圧力を調整しながら、排気を継続することが好ましい。
【００３４】
前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、減圧炉内の金属線を加熱して、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程を行う（タイミングＴ１からＴ２）。かかる工程はまた、負圧の水素雰囲気において、原子状水素により被接合部材及びはんだ材を還元する一次還元工程ということもできる。
【００３５】
本明細書において、負圧とは、１０１．３×１０３Ｐａより小さい圧力をいうものとする。本明細書において、水素分子ガスとは、気体状の水素分子をいい、金属線１２の加熱により生成される原子状水素と区別して用いられる。水素分子ガスの流量は、例えばマスフローコントローラーなどで制御される。また、本明細書において、減圧炉１１内の金属線１２とは、１０００℃以上、好ましくは１５００℃以上、さらに好ましくは１６００℃以上であって、好ましくは２０００℃以下に加熱することが可能な線状の金属部材であって、水素分子ガスの接触分解反応により、還元性の原子状水素（水素原子ともいう）を生成することができるものをいい、例えば、タングステン線などを使用することができる。金属線１２の詳細な態様については、図４に示す接合加熱装置の説明において、詳述する。
【００３６】
熱線式加熱工程では、減圧炉１１内の真空度が、１〜１０Ｐａ、例えば５．７３１９Ｐａに達すると、減圧炉１１内に水素分子ガスの導入が開始される（タイミングＴ１）。また、搬送ステージが、熱板１６の上方であって、熱板１６により直接に加熱されない位置へ移動する。すなわち、搬送ステージは、金属線と積層体とが、熱線式加熱において適切な位置関係ならびに距離を確保することができる場所に移動する。減圧炉１１内の圧力が、１〜１００Ｐａ、好ましくは、１〜５０Ｐａになると、金属線１２は通電により加熱される。図１のチャートにおいては、金属線１２に通電されるタイミングあるいは通電可能なタイミングを、「金属線通電」として示した。金属線１２の温度が例えば１６００℃に達すると、減圧炉１１内の水素分子ガスが分解され、高い還元能力を有する原子状水素の状態となる。なお、他の実施形態においては、搬送ステージが、熱板１６の上方であって、熱板１６により加熱される位置において、積層体１０を加熱しながら、金属線への通電が行われてもよい。
【００３７】
金属線１２の好ましい加熱温度は、金属線１２を構成する金属材料もしくは合金材料によって異なり、例えば、金属線として、タングステンを用いる場合には、１６００〜１８００℃とすることができる。積層体１０を構成する各部材表面の還元処理に必要な金属線１２の加熱継続時間（タイミングＴ１とタイミングＴ２までの時間）は、例えば、１０秒〜５分とすることができ、好ましくは、３０秒〜１２０秒とすることができる。金属線１２の好ましい加熱時間は、金属線１２を構成する金属材料もしくは合金材料によっても異なり、例えば、金属線として、タングステンを用いる場合には、３０秒〜１２０秒とすることができる。また、この時の金属線１２と積層体１０との距離は、３０〜１５０ｍｍとすることが好ましく、５０〜１００ｍｍとすることがより好ましい。金属線１２の加熱温度、通電時間、及び、金属線１２と積層体１０との距離を適切な範囲に設定することで、金属線１２を構成する金属材料による積層体１０の汚染などを防止することができる。
【００３８】
図３にこのような水素分子ガス（Ｈ２）及び原子状水素（Ｈ）を模式的に示す。原子状水素（Ｈ）は、金属線１２に面した積層体１０の上面のみならず、搬送ステージ１３と積層体１０との接触面や、積層体を構成する各部材の接触面にも行き渡り、これらの面も効果的に還元することができる。本発明における熱線式加熱工程で発生させる原子状水素は、水素ラジカルで示されるような直進性はなく、粘性流体と同様な挙動を示し、直接照射されない面についても、表面改質効果が発揮される点で有利である。このように、金属線の通電によって、積層体１０の各部材表面の還元が促進され、表面酸化物１０ａ、１０ｂが除去される。
【００３９】
この間、減圧炉１１内の圧力は、例えば、１〜１００Ｐａ、好ましくは１０〜５０Ｐａに保持されるように、水素分子ガス流量を制御しながら、炉内の減圧（排気）も継続させる。これにより、原子状水素による還元反応の結果、生成されて減圧炉内の雰囲気に放出される物質、例えば、水や水素化合物に属する硫化水素、塩化水素などが、減圧炉１１外に排出されることとなる。また、金属線１２が通電されている期間においては、同時に熱板１６により積層体１０を構成する各部材が加熱され、積層体１０を構成するはんだ材３、５の温度は、部材にもよるが、約１００〜２００℃となる。このように、熱線式加熱工程では、従来の水素分子ガスによる還元に必要とされていた温度よりも低い温度で還元の効果を実現することができる。なお、熱線式加熱工程においては、原子状水素源として炉内に導入される水素分子ガスに替えて、あるいは水素分子ガスに加えて、アンモニアガス、四フッ化炭素、六フッ化硫黄などのハロゲン含有ガスを使用することもできる。
【００４０】
タイミングＴ２において、金属線１２への通電を停止し、金属線加熱を終了する。また、搬送ステージ１３が、熱板１６の上方であって、熱板１６により加熱される位置に移動する。熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程を実施する（タイミングＴ２からＴ３）。かかる工程はまた、熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして前記積層体の各部材の少なくとも被接合表面を還元する二次還元工程ということもできる。本明細書において、正圧とは、１０１．３×１０３Ｐａより大きい圧力をいうものとする。加熱工程では、減圧炉１１内に水素分子ガスを導入して、炉内を、正圧の水素雰囲気にする。積層体１０は搬送ステージ１３を介して加熱され、目標とする接合温度に到達するまでその状態で保持される。図１における、タイミングＴ３〜Ｔ５における一定温度が、接合温度を示すものである。昇温速度は、昇温速度は、毎秒約１〜３０℃とすることができ、約５〜１０℃とすることが好ましい。
【００４１】
ここで、熱板１６の温度は、はんだの液相線温度に対して約２５℃程度以上高い温度であるのが好ましい。例えば、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材５として、液相線温度が２２１℃のＳｎ−３．５Ａｇはんだを用い、かつ絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材３として、液相線温度が２４３℃のＳｎ−８Ｓｂはんだを用いる場合、熱板１６の温度は、熱板１６の面内のばらつきを考慮して、２７０〜２８０℃とすることができる。また、例えば、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材５として、液相線温度が２２１℃のＳｎ−Ａｇ系はんだを用い、かつ絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材３として、液相線温度が２１９℃のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用いる場合、上記記述にしたがえば、熱板１６の温度は、２４５〜２５０℃である。しかし２５０℃以上で水素分子の還元力の効果が明らかに発揮されることを鑑みれば、十分に還元力が発揮されるための熱板１６の加熱温度は、２９０℃以上であって、３５０℃以下であることが好ましい。なお、半導体素子が、ＳｉＣチップである場合には、熱板１６の加熱温度は、例えば、２９０℃〜５００℃程度であってよいが、特定の加熱温度には限定されない。
【００４２】
目標の接合温度に到達するまでの昇温過程（タイミングＴ２〜Ｔ３）において、減圧炉１１内の圧力が、正圧であるため、積層体１０の各部材の隙間に、水素分子ガスが浸透しやすくなり、水素分子ガスによる還元作用も進行する。したがって、絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材３、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材５、絶縁基板２および金属ベース１の各表面の還元が促進され、被接合表面、例えばワイヤボンディングをおこなう表面などの濡れ性が確保される。また、各はんだ材３、５が溶融し、そのときに生じた気泡に水素分子ガスが充填され、それによって気泡が活性化する。すなわち、気泡中にあるガス成分が水素に置換され、その後のタイミングＴ３〜Ｔ５における気泡除去工程、及び再還元工程よって十分に活性化される。はんだ材３、５が溶融している間は、減圧炉１１内の酸素濃度は例えば３０ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下に保たれ、かつ露点は−３０℃以下、好ましくは−５０℃以下に保たれる。
【００４３】
前記加熱工程後、積層体１０の構成部材が目標の接合温度に達すると、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程を実施する（タイミングＴ３からＴ４）。気泡除去工程では、再び減圧炉１１内の減圧が開始される（タイミングＴ３）。そして、減圧炉１１内の真空度が例えば１０Ｐａに達した後、さらに、例えば、３０秒〜１分間、減圧が継続される。それによって、減圧炉１１内の真空度はおおよそ１Ｐａに達する。この減圧の継続により、はんだ材と被接合部材との間の濡れ不足によって発生する気泡、およびはんだ材中に含まれる溶存ガスによって発生する気泡の両方がほとんど除去される。ここで、減圧の継続時間（Ｔ３〜Ｔ４）を３０秒〜１分間としたのは、急激な減圧など行う場合には，液体中に発生した気泡が急激に外部に排出される際に、泡が弾ける作用と同様にはんだが飛散し、はんだボールや外周部にはんだの飛散が発生する懸念があるからであり、かつ、減圧を１分間より長く継続してもさらなる気泡除去効果が得られないからである。
【００４４】
タイミングＴ３からＴ４までの間は、水素分子ガスを減圧炉１１内に導入することなく、単に減圧のみを行ってもよい。あるいは、タイミングＴ３で減圧を開始した後、いったん真空度を、例えば１〜１０Ｐａ程度にまでした後、タイミングＴ４までに間に、再度、熱線式加熱工程を１回以上実施しても良い。すなわち、炉内に水素分子ガスを供給し、炉内圧力を、１〜１００Ｐａ、好ましくは１０〜５０Ｐａとした後、金属線１２に通電して、原子状水素による還元処理を行う。このとき、タイミングＴ３からＴ４までの間に、１回だけ、金属線１２に通電してもよいし、通電と、通電の停止とを１セットとして、これを複数セット繰り返しても良い。すなわち、減圧炉１１内を、負圧の水素雰囲気にして金属線１２を加熱し、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程を１回以上、断続的に繰り返して含んでもよい。通電と、通電の停止とを１セットとして繰り返す場合、金属線１２に通電されるタイミングにおいて、炉内圧力が、１〜１００Ｐａ、好ましくは１０〜５０Ｐａとなり、通電を停止するタイミングにおいて、真空に近い圧力、例えば、１〜１０Ｐａとなるように、水素流量及び炉内圧力を制御することができる。また、通電の時間は、前述のように１０秒〜５分とすることができ、通電を停止する時間は、３０秒〜１２０秒とすることが好ましい。金属線１２への通電と、通電の停止とを繰り返す場合には、繰り返し回数は２〜５回とすることが好ましいが、特定の回数には限定されない。なお、図１において、タイミングＴ３からＴ４で「金属線通電」としたのは、この区間で通電を継続することを必須とするものではなく、この区間において通電可能であることを示すものである。
【００４５】
前記気泡除去工程後、接合温度に保持したまま再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする再還元工程を実施する（タイミングＴ４〜Ｔ５）。かかる工程は、タイミングＴ１〜Ｔ２における原子状水素による一次還元工程、タイミングＴ２〜Ｔ３における水素分子ガスによる二次還元工程に次ぐ還元工程であり、三次還元工程ともいう。再還元工程では、まず、炉内に再び水素分子ガスが導入される（タイミングＴ４）。減圧炉１１内の圧力が正圧に達した後、さらに、３０秒〜１分間以上５分程度継続して水素分子ガスが導入される（Ｔ４〜Ｔ５）。但しこの時間は対象の加熱する積層体の大きさによって変わるため、この時間に限定されるものではない。水素分子ガスの導入を継続する理由は、上述した１分間の減圧継続時にはんだ材３、５中の気泡がはんだ材３、５の外に除去される際にはんだ材３、５中に残るトンネル状の孔（気泡が通った跡）を、水素分子ガスの還元作用により塞ぐためである。つまり、はんだ材３、５中の気泡には酸化成分の気体が充満しているので、この気泡が通過する際に接触したはんだ部分は酸化してしまう。そのため、気泡の通過部分のはんだが濡れずに、トンネル状の開気泡が残ってしまう場合があった。タイミングＴ４〜Ｔ５で再還元工程を実施することで、この開気泡の中に水素分子ガスが充満することによって、酸化した内面が還元され、はんだの濡れがよくなり、開気泡がはんだで埋まることになる。
【００４６】
また、水素分子ガスの導入を継続するもう一つの理由は、水素分子ガスによる還元と熱板１６による加熱保持により、はんだ材５の表面張力を低減させ、それによってはんだフィレット形状を安定化させて、はんだ亀裂発生寿命を向上させるためである。水素分子ガス導入の継続をおこなわないで、炉内減圧の後、直ちに冷却を開始してはんだ材を凝固させると、はんだ材の表面張力が大きいため、はんだフイレット形状が不均一になり、温度サイクルなどによるはんだ亀裂の発生寿命が短くなってしまう場合がある。はんだ材５の表面張力を小さくするには、タイミングＴ４〜Ｔ５において、はんだ材５を接合温度で加熱保持するか、水素分子ガスにはんだ材５をさらす時間を長くするか、またはそれらを組み合わせればよい。ただし、水素分子ガスの導入を１分間より長く継続しても、気泡が通った跡の孔を埋める効果や、はんだフィレット形状の安定化効果にあまり違いはみられないため、水素分子ガス導入の継続時間は、３０秒〜１分間とすることが好ましい。
【００４７】
本発明のある実施形態においては、前記熱線式加熱工程から加熱工程（Ｔ１〜Ｔ３）を複数回繰り返して含んでも良い。すなわち、このタイミングＴ１〜Ｔ３の操作を１サイクルとして、Ｔ１〜Ｔ３を複数サイクル、例えば２〜５サイクル繰り返しても良い。Ｔ１〜Ｔ３を複数サイクル繰り返すことで、はんだ溶融前に、効率的に金属表面を改質することができる。
【００４８】
あるいは、上記タイミングＴ１〜Ｔ３の操作の繰り返しはせずに、もしくはＴ１〜Ｔ３の操作の繰り返しとともに、タイミングＴ３〜Ｔ５の気泡除去工程及び再還元工程を複数回繰り返しても良い。一例として、大面積基板を接合する場合や、気泡が抜けにくい場合には、Ｔ３〜Ｔ５の気泡除去工程及び再還元工程の操作を１サイクルとして、Ｔ３〜Ｔ５を複数サイクル、例えば２〜５サイクル繰り返す構成としてもよい。このようにして減圧と加圧を繰り返すことによって、溶融中のはんだに揺動が起こり、気泡が抜けやすくなるので、気泡除去効果が得られるためである。ただし、気泡除去工程の繰り返し回数が５回までは回数の増加とともに気泡率が小さくなるが、６サイクル以上繰り返してもそれ以上の効果は得られない場合が多い。
これらの繰り返し操作に加えて、Ｔ１〜Ｔ５を複数回繰り返す構成とすることも出来る。
【００４９】
再還元工程後、減圧炉１１内を正圧の水素雰囲気にしたまま積層体１０を急冷する冷却工程を実施する（タイミングＴ５〜Ｔ６）。冷却工程では、搬送ステージ１３が、熱板１６から冷却板１５に移動され、積層体１０の冷却が開始される（タイミングＴ５）。積層体１０は、例えば、毎分３００℃の速度で冷却される。この際、炉内では、正圧の水素雰囲気が維持される。
【００５０】
冷却板１５の温度および冷却時間は、はんだの冷却速度（凝固速度）を考慮して選定される。すなわち、本実施の形態では、熱膨張係数の異なるシリコンチップ４と絶縁基板２と金属ベース１とが同時にはんだ付けされるため、はんだ付けが完了した状態では、熱膨張係数の最も大きい金属ベース１が絶縁基板２の側に凸状となるように反ってしまう場合がある。その影響で、はんだ接合層を介して接合された積層体１０には、最大０．３ｍｍ程度の反りが生じ得る。この反りが、次のワイヤボンディング工程まで持ち越されると、電気特性不良の発生原因となるので、ワイヤボンディング前に反りを除去する必要がある。そのためには、絶縁基板２と金属ベース１との間のはんだ接合層を短時間にクリープさせればよい。
【００５１】
クリープ速度を速くするために、冷却速度を毎分２５０℃以上、例えば毎分３００℃とするのが好ましい。本出願人による、特開2003-297860号公報では、冷却速度が毎分２５０℃以上であれば、２４時間以内に金属ベース１の反りが０〜−０．１ｍｍの範囲（“−”は絶縁基板２側に凸であることを表す）に収まり、ワイヤボンディングへの悪影響をなくすことができることが示されている。換言すれば、冷却速度が毎分２５０℃未満では、金属ベース１の反りを十分に戻すことができず、ワイヤボンディングに悪影響を及ぼすおそれがある。また、はんだのクリープを速くして接合後の積層体１０の残留応力をできるだけ前の工程で除去すれば、金属ベース１の変形を安定化させることができる。従って、冷却板１５の温度および冷却時間は、はんだの冷却速度が毎分２５０℃以上となるように選定される。
【００５２】
そして、前記冷却工程後、前記減圧炉内を真空排気する二次減圧工程を実施する（タイミングＴ６〜Ｔ７）。二次減圧工程では、積層体１０の温度が例えば５０〜６０℃になったら、減圧炉１１内の水素の排気が開始される（タイミングＴ６）。
【００５３】
前記二次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の窒素雰囲気にした後、前記減圧炉を開放する工程を実施する（タイミングＴ７〜Ｔ８）。かかる工程では、水素の排気により、減圧炉１１内の真空度が、例えば１〜１０Ｐａになったら、減圧炉１１内に窒素ガスが導入される（タイミングＴ７）。そして、減圧炉１１内が窒素ガスで置換され、炉内の水素濃度が爆発限界以下に達した後、減圧炉１１が開放される（タイミングＴ８）。図１のタイミングＴ０〜Ｔ８の一連の操作は、繰り返し工程の回数にもよるが、概ね１５分以内で完了することができる。そして、この一連の操作により、気泡のない高品質なはんだ接合層を有する半導体装置が得られる。なお、ここでは、窒素雰囲気を一例として説明したが、窒素に限定されず、任意の不活性ガスを用い、不活性ガス雰囲気とすることができる。
【００５４】
ところで、例えば、シリコンチップ４等の素子が５ｍｍ角以下の大きさである場合には、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材５の大きさも５ｍｍ角以下である。このように、シリコンチップおよびはんだ材の大きさが著しく小さいと、はんだ付けの前準備に時間がかかったり、シリコンチップ４とはんだ材５との位置合わせが十分でなく、接合不良が発生したりするおそれがある。そこで、このようなサイズのシリコンチップ４をはんだ接合する場合には、上述と同様の方法を実施して予備はんだをおこない、シリコンチップ４の裏面、例えばコレクタ電極面に、予めシリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ５を設けておくのが望ましい。特に、はんだ材として、酸化しやすいＳｎを主成分とし、Ｐｂを含まないはんだを用いる場合、減圧炉１１内の酸素濃度が数十ｐｐｍ以下と極低酸素雰囲気であるため、予備はんだ後のはんだの表面酸化膜を極力少なくすることができる。そして、同様に、本発明に係る半導体装置の製造方法により、予備はんだによりシリコンチップ４の裏面に設けたはんだを介して、絶縁基板２にシリコンチップ４をはんだ付けすることができる。なお、予備はんだは、上記のような小さいサイズのシリコンチップ４等の素子に対してだけ行なわれる処理ではなく、より大きなサイズのシリコンチップ４等の素子など、任意の素子に対して行なわれる場合があり、このような場合においても、本発明に係る半導体装置の製造方法は効果的に適用することができる。
【００５５】
次に、本発明による半導体装置の製造方法において使用することができる接合組立装置について説明する。図４に、接合組立装置の一例の概略図を示す。図４に示す接合組立装置は、減圧炉１１内に、金属線１２と、搬送ステージ１３と、冷却板１５と、熱板１６と、を主として備えてなる。
【００５６】
減圧炉１１は、炉本体１１０およびこれにパッキン１１２を介して被せられ、炉内部を気密状態に保つ蓋体１１１から主として構成される。減圧炉１１には、炉内に水素分子ガスａを供給するための水素分子ガス導入管１７、炉内に窒素ガスｂなどの不活性ガスを供給するための不活性ガス導入管１８、および排気口１１３が設けられている。炉本体１１０の底部には、熱板１６と冷却板１５とが、離間して設置されている。搬送ステージ１３は、搬送レール１４により、熱板１６と冷却板１５との間を行き来することができるように構成されている。搬送ステージ１３はまた、図示しない別の機構により、鉛直方向上下にも可動に構成される。
【００５７】
減圧炉１１内の上部、好ましくは、蓋体１１１を構成する減圧炉１１の天井部であって、熱板１６の上方には、金属線１２が取り付けられる。金属線１２は、金属線１２を通電により加熱する加熱手段である炉外の図示しない交流もしくは直流電力供給源に接続されている。なお、この交流もしくは直流電力供給源としては、金属線１２への供給電力を調整する機能を備えた電源装置を減圧炉１１の外部に備えることが好ましい。このとき、金属線１２の周囲は、耐熱性の部材で、かつ絶縁性を確保するように構成する。金属線１２の周囲は、非常に高温となり、また、電流及び電圧が印加されるためである。なお、金属線１２の取り付け位置は、金属線が後述する所定の箇所に位置するのであれば、減圧炉１１の天井部に取り付けられている必要はなく、減圧炉１１の側壁部に取り付けられていても、減圧炉１１の底部から適当な手段で支持されていても良い。また、金属線１２は熱や酸化により劣化しうるため、金属線１２は交換可能に減圧炉１１に取り付けられていることが好ましい。
【００５８】
金属線１２は、１０００℃以上、好ましくは１５００℃以上、さらに好ましくは１６００℃以上であって、好ましくは２０００℃以下に加熱することが可能な線状の金属部材であって、水素分子ガスの接触分解反応により、還元性の原子状水素を生成することができるものである。金属線１２は、複数回繰り返して使用することが可能であり、例えば、約１０００回程度繰り返して使用することが可能であるが、繰り返し使用回数は特定の回数には限定されるものではない。金属線を構成する材料は、例えば、タングステン、タンタル、モリブデン、バナジウム、白金、トリウム、ジルコニウム、イットリウム、ハフニウム、パラジウム、ニッケル、レニウム、あるいはこれらの一以上を主成分とする合金であってよく、タングステンを用いることが好ましいが、上記機能を有するものであれば、特定の金属には限定されない。
【００５９】
金属線１２は、直径が、例えば、０．１〜１ｍｍ、好ましくは、０．３〜０．８ｍｍのものを使用することができるが、このような直径には限定されない。金属線１２は、単線であってもよく、２以上の金属線を組み合わせて複線にしたものであってよく、単線もしくは複線とした金属線１２を、別々に、複数本設けても良い。またこのような、単線もしくは複線にした金属線１２を、例えば、ジグザグ形状（Ｚ字形状、Ｕ字形状）、らせん状（渦巻き状）、網目状、格子状、またはこれらを適宜、組み合わせた形状としたものであってもよい。特定の形状には限定されないが、金属線の表面積が大きくなるようにすることが好ましい。水素分子ガスと金属線１２との接触面積を大きくすることで、より多くの還元性の原子状水素を生成させるためである。
【００６０】
また、金属線１２の取り付け位置については、搬送ステージ１３が位置Ｂにあるとき、搬送ステージ１３上に載置する積層体１０と金属線１２との鉛直方向の距離が、１５０ｍｍ以内であって、３０ｍｍ以上とすることが好ましく、５０〜１００ｍｍとすることがより好ましい。積層体１０と金属線１２との鉛直方向の距離とは、後述するように積層体１０と金属線１２とが均一になるような位置関係で設けられている場合の金属線１２の径の中心と加熱接合する積層体１０の上面との距離をいうものとする。なお、積層体１０と金属線１２との鉛直方向の距離は、搬送ステージ１３の鉛直方向上下の調節機構により調節することもできる。特には、金属線１２による水素分子ガスの分解活性や、積層体１０を構成するはんだの温度を、後述する適切な条件に保つように、当業者が適宜調節することができるように構成される。
【００６１】
減圧炉１１内において、搬送ステージ１３が、位置Ｂもしくは位置Ｃにあるとき、金属線１２と、接合対象である積層体１０との距離が、均一になるような位置関係であることが好ましい。金属線１２と積層体１０との距離が不均一であると、金属線１２は高温に加熱されるため、積層体１０への輻射熱が影響し、積層体１０の温度上昇を伴う可能性があるためである。また、減圧炉１１内における、金属線１２と熱板１６との水平方向の位置関係は、接合対象である積層体１０の形状を網羅する範囲で、片よりなく金属線を設置することが好ましく、熱板１６表面全域を網羅する範囲で設置することがより好ましい。金属線との接触で分解された水素分子ガスは金属線の全方位に放射状に発生するが、距離に応じ減衰するためである。図５（ａ）は、減圧炉１１内において金属線１２上方から炉底の向きに見た場合の、金属線１２と熱板１６との好ましい位置関係を示す図であり、図５（ｂ）は、減圧炉の正面から見た場合の、金属線１２と熱板１６との好ましい位置関係を示す図である。なお、図が煩雑になるのを避けるために、搬送ステージ１３の記載は省略している。また、金属線１２と熱板１６との関係は、必ずしもこの態様に限定されるものではなく、例えば、少なくとも接合対象となる積層体１０の表面全域を網羅する範囲で設置されていればよい。
【００６２】
図示する実施形態では、金属線１２は、熱板１６の上方のみに取り付けられているが、これに加えて、熱板１６の四方を取り囲むように、好ましくは、熱板１６の加熱面に対して垂直かつ減圧炉１１の側壁に平行に金属線１２を取り付けてもよい。この場合でも、金属線１２と積層体１０との距離を、上記適切な距離範囲に保つことにより、原子状水素による還元効果を得ることができる。
【００６３】
冷却板１５は、冷却面を少なくとも有し、冷却温度及び速度を調節可能な任意の冷却機構を備えるものであれば、典型的なはんだ付け装置で一般的に使用されるものであってよい。冷却板１５は、一例として、炉外の、冷却板１５の冷却水ｄを循環させるチラー２０に接続されていてもよい。この場合、炉本体１１０の、好ましくは底部であって、冷却板１５の下方には、冷却水の循環のための図示しない出入口が設けられていてもよい。なお、冷却板１５は、他の機構で積層体を冷却するものであっても良い。また、熱板１６は、加熱面を少なくとも有し、加熱温度及び速度を調節可能な任意の加熱機構を備えるものであれば、典型的なはんだ付け装置で一般的に使用されるものであってよい。例えば、熱板１６としては、搬送ステージ１３を介して、積層体１０を、常温〜４００℃の範囲で加熱可能なヒーター等であってよい。
【００６４】
冷却板１５と、熱板１６とは、減圧炉１１の底部に、離間して設置される。冷却板１５と、熱板１６とは、例えば、１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度の距離をおいて、設置されることが好ましい。また、冷却板１５の冷却面と、熱板１６の加熱面が、減圧炉１１内の底部から、略同一の高さに位置するように設置されることが好ましい。また、冷却板１５の冷却面と、熱板１６の加熱面は、略同一の面積を有することが好ましい。なお、図示する実施形態では、冷却板１５、熱板１６は、それぞれ、減圧炉１１内の底部から離間して設置されている。冷却板１５、熱板１６から炉本体への熱移動を避け、効率の良い冷却もしくは加熱を行うためである。しかしながら、このような設置態様に替えて、好適な断熱材を配置して、冷却板１５、熱板１６を減圧炉１１内の底部に接触して設置することもできる。
【００６５】
図示しない任意選択的な構成として、冷却板１５と、熱板１６との間に、断熱壁として機能する仕切り板を設けてもよい。また、熱板１６の外周に断熱壁を設けても良い。かかる構成により、熱板１６と冷却板１５とが近接した領域における温度の不均一部分をなくすことができる。かかる構成により、保温効果を奏することができる。
【００６６】
搬送ステージ１３は、本発明の方法における各工程の間、積層体１０を保持し、積層体１０の移動手段として機能する。搬送ステージ１３及びその駆動機構は、典型的なはんだ付け装置で一般的に使用されるものであってよい。搬送ステージ１３は、熱板１６と冷却板１５との間を、搬送レール１４により、水平方向に移動可能に構成される。すなわち、図４における左右方向に移動することができ、位置Ａ、Ｂ間、位置Ｃ、Ｄ間を移動することができる。また、図示しない機構により、鉛直方向にも移動可能に構成され、位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ間を移動することができる。すなわち、図４における上下方向にも移動することができる。搬送ステージ１３の鉛直方向の可動範囲は、０ｍｍ〜５０ｍｍとすることが好ましい。また、この可動範囲は、金属線１２と搬送ステージ１３との鉛直方向距離を、３０ｍｍ〜１５０ｍｍ、好ましくは、５０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲で調整することができるものであることが好ましい。搬送ステージ１３は、その上に着脱可能な均熱板（図示せず）を備えることが好ましい。均熱板は、接合対象となる積層体１０を保持することができ、均熱化に供するものであればよく、例えば、２〜３ｍｍのカーボン板からなる均熱板を使用することができる。
【００６７】
水素分子ガス導入管１７及び不活性ガス導入管１８は、減圧炉本体１１１に取り付けられる。水素分子ガス導入管１７及び不活性ガス導入管１８は、それぞれ、炉外の図示しない水素分子ガス供給源および不活性ガス供給源にそれぞれ接続されて、減圧炉１１内に、水素分子ガス導入管１７及び不活性ガス導入管１８を供給する。なお、水素分子ガス導入管１７は、水素分子ガスのみならず、その他の活性種生成ガスを、単独であるいは水素分子ガスとともに導入する機能を果たす場合もある。ここで、活性種生成ガスとは、金属線１２により接触分解されて、高い還元性を有する、不対電子を有する元素を生成し得るガスをいい、例えば、アンモニア、四フッ化炭素、六フッ化硫黄などのハロゲン含有ガス等が挙げられるが、これらには限定されない。あるいは、他の活性種生成ガスを減圧炉１１内に導入するための、図示しないさらに別の管が設けられていてもよい。また、不活性ガス導入管１８は、典型的には窒素ガス導入管であるが、その他の不活性ガスを導入するものであってもよい。
【００６８】
水素分子ガス導入管１７は、金属線１２の上方、すなわち、蓋体１１１と金属線１２との間に噴出部が位置するように設置する。図が煩雑になるのを避けるために図示省略するが、水素分子ガス導入管の噴出部は、金属線全体へ万遍なく水素分子ガスを吹き付けられる範囲に配管を設置し、金属線１２に向けた方向に吹き出し孔を設ける。図４に示す形態の場合には、具体的には、真下に向けた方向に吹き出し孔を設ける。吹き出した水素分子ガスは、金属線１２を通過し、その過程で原子状水素に分解され、積層体１０へ到達することができる。一方、不活性ガス導入管１８は、炉１１内に、窒素ガスなどの不活性ガスを略均一に導入して、炉内雰囲気を置換することができるように構成されていればよく、特定の態様には限定されない。
【００６９】
減圧炉１１は、内部を真空に耐えることができ、かつ気密性を保持することができる炉体であればよく、その容量等は限定されるものではない。内部が、原子状水素もしくはその他の活性種により劣化されにくい材料で構成されていることが好ましく、例えば、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などのステンレスや表面処理を施したステンレス及びアルミニウム合金で構成することができる。減圧炉１１の排気口１１３は炉内を真空引きするために用いられるほか、炉内で積層体１０の構成部材の還元の結果生成する、酸素含有化合物や、硫化物、塩化物などを含んだ水素含有化合物等の排出口ともなる。排気口１１３には、真空ポンプ等の減圧装置３０が接続される。
【００７０】
減圧炉１１内には、さらに、図示しない圧力測定装置及び／または温度測定装置を備えてもよい。炉内の全圧、及び任意選択的に水素分圧を、圧力測定装置を用いてモニタリングすることで、及び／または積層体１０を構成する部材や金属線１２の温度を温度測定装置を用いてモニタリングすることで、減圧炉１１内部における反応の調節が可能になる。
【００７１】
本発明に係る半導体装置の製造方法を、図４に示す接合組立装置にて実施する場合、図１のタイミングＴ０〜Ｔ１では、搬送ステージ１３は、位置Ａにあり、タイミングＴ１にて位置Ａから位置Ｂへ搬送される。そして、タイミングＴ２にて位置Ｂから位置Ｃへ搬送される。その後、タイミングＴ５までは、搬送ステージ１３は、位置Ｃにある。さらにタイミングＴ５で再び搬送が開始され、タイミングＴ８まで、搬送ステージ１３は、位置Ｄにある。なお、実施形態によっては、搬送ステージ１３が、タイミングＴ１にて位置Ａから位置Ｃへ搬送される場合もある。
【００７２】
なお、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記接合組立装置を用いることを必須とするものではなく、当業者であれば、本明細書の記載に従って、他の態様による装置を構成して、上記方法を実施することができる。例えば、図４の減圧炉の蓋体部と底部とが逆さになった構成を備えた接合組立装置とすることも可能であり、その場合には、水素分子ガスを底部から流し、炉底部に取り付けられた金属線が原子状水素を発生して、その上方に位置する積層体を還元する態様であってもよい。この場合、搬送ステージは、上方から積層体を支持し、冷却板および熱板は、上方から積層体を加熱する構成であってよい。
【実施例】
【００７３】
以下に本発明を、実施例を用いてより詳細に説明する。以下の実施例は本発明を例示する目的であって、本発明を限定するものではない。
【００７４】
［参考例］
本発明に係る半導体装置の製造方法のうち、Ｃｕセラミクス基板に対し、熱線加熱工程、すなわち図１のチャートに示すタイミングＴ０〜Ｔ２を実施した。ここで、Ｃｕセラミクス基板とは、セラミクス基板の表面に電極層（被接合部材の層）としてＣｕ層が形成された絶縁基板をいうものとする。Ｔ１〜Ｔ２間の減圧条件は、１０〜３Ｐａ、ガス種類は水素分子ガス（Ｈ２ガス）１００％とし、水素分子ガス流量は５０ｓｃｃｍ（８．３３５×１０−２Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃ）とした。金属線としては、直径０．５ｍｍ、長さ９０ｃｍのジグザグ状タングステンを用いた。金属線に印加した電流は、１２．４Ａ、金属線加熱温度は、１６００℃、金属線とＣｕセラミクス基板との距離は、５０ｍｍとした。熱線式加熱工程を行った結果、厚さが１００ｎｍあったＣｕ酸化物が除去され、直接照射されていない裏面についても同様に酸化物が還元されていることを確認した。
【００７５】
同様の実験を、Ａｇ基板でも行った。本明細書において、Ａｇ基板とは、シリコンをベース材料とし、Ａｇを表面電極に配した素子をいうものとする。金属線加熱時間を、２分、１０分と変えて熱線式加熱工程を実施した。図６は電界放射型走査型電子顕微鏡にてＡｇ基板表面を観察した結果である。図６（ａ）未処理（金属線加熱時間０）に対して、図６（ｂ）２分では表面形態に変化は無く、図６（ｃ）１０分では、表面の粒形状がなくなり、空孔が多数発生していることがわかる。空孔の発生は、表面改質により成膜された粒状の堆積物であるＡｇの膜が、再結晶したことを示している。熱線式加熱工程におけるＡｇ基板の温度は１００℃程度であり、Ａｇの再結晶温度と一般的に言われている、融点の約１／２の４８０℃からは程遠い。したがって、この結果は、熱線式加熱工程で発生した原子状水素により、Ａｇ粒の表面改質がなされたことを示している。
【００７６】
同様に熱線式加熱工程を実施したサンプルの表面分析をＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分光法）にて最表面の還元有無などを調査した結果を図７、８に示す。ＥＳＣＡでは０．５ｎｍ程度の分解能を保有する。大気雰囲気下に置いたＡｇの最表面は硫化銀（Ａｇ２Ｓ）、塩化銀（ＡｇＣｌ）が主たる構成元素があるのに対して、熱線式加熱を行うことで、２分後にはＳ、Ｃｌのスペクトルは確認されないことから、硫化銀や塩化銀に由来するＳやＣｌが確認されず、１０分でも同様の結果であることがわかった。供試の実験では２分以上で表面改質の効果が発揮されていることが確認されたが、１分程度からその効果が発揮されると考えられる。
【００７７】
［実施例］
本発明による半導体装置の製造方法にしたがって、ダイボンド接合部を備える積層体を製造し、その接合特性を評価した。金属線の仕様、印加電流、加熱温度、及び金属線と接合体との距離は、参考例と同様とした。また、Ｔ１〜Ｔ２間の減圧条件、ガス種類、水素分子ガス流量も参考例と同様とした。２５ｍｍ×３５ｍｍのＣｕセラミクス基板に、φ９．５×０．１５ｍｍのＳｎ−Ａｇ３．５ｗｔ％はんだと、９．５ｍｍ×１５０μｍのＡｇ電極をもつＳｉチップを積層して、減圧炉に投入した。加熱前に、２分間、１０Ｐａに減圧した。次いで、減圧炉に水素分子ガスを流し、炉内雰囲気を、１０１．３ｋＰａ（大気圧）の水素雰囲気に置換した状態で、３００〜３１０℃に６分間保持した。３００〜３１０℃に保持している最中に、５０Ｐａに減圧し、水素と置換することで再還元を狙った温度プロファイルにて接合した。
【００７８】
［比較例］
熱線式加熱工程を実施しない以外は、上記実施例と同様にして、ダイボンド接合部を備える積層体を製造し、比較例とした。
【００７９】
ダイボンド接合部のボイド率は、超音波探傷装置を用いて、ボイド率を測定し、チップ面積に対して、合計したボイド占有面積をボイド率としてカウントした。比較例の平均値を１とした規画値を図９に示す。供試したサンプル数は２０個で、２０個の平均と最大、最小をグラフに示した。グラフでは、処理前は大気中で６ケ月保管した硫化、塩化物がＥＳＣＡ分析にて約２．０ａｔ．％程度汚染したものを用いた。処理後では、ＥＳＣＡ分析では検出限界以下であり、表面改質されていることを確認している。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、ＩＧＢＴモジュールや、ＩＰＭなどのパワーモジュールの製造において好ましく使用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１    金属ベース
２    絶縁基板
３    絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材
４    シリコンチップ
５    シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材
１０  積層体
１０ａ、ｂ  積層体の表面酸化物
１１  減圧炉
１１０  炉本体
１１１  蓋体
１１２  パッキン
１１３  排気口
１２  金属線
１３  搬送ステージ
１４  搬送レール
１５  冷却板
１６  熱板
１７  水素分子ガス導入管
１８  不活性ガス導入管
２０  チラー
３０  減圧装置
ａ    水素分子ガス
ｂ    不活性ガス
ｃ    排気
ｄ    冷却水
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図６】
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