(57)【要約】【課題】鉛フリー化はんだ材において、箔化が容易であり、かつ３００℃を少し超える温度でのはんだ付け性が良好であること。また、鉛を含む従来のはんだ材と同等以上の耐熱性および接合強度でウェハ同士を接合すること。【解決手段】鉛を含まないＳｎ−Ｓｂ系やＳｎ−Ａｇ系のはんだ材の微粉末と、極性の弱いイソプロピルアルコール等の溶剤と、この溶剤に可溶で、かつ一端にカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有するコハク酸等の炭化水素化合物とを混合してスラリー状とし、これを鉛フリー化はんだ材として、スピンコーティング法、吹き付け法、ローラ塗布法、印刷法などによりウェハ表面に塗布する。そして、ウェハを複数枚積層し、加圧しながら加熱してはんだ付けをおこない、耐熱性を向上させる。さらに、再度、加圧しながら加熱してはんだ接合層を合金化し、耐熱性および接合強度の向上を図る。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛を含まないはんだ材の微粉末原料を、該はんだ材の固相線温度以下で、かつ前記固相線温度よりも１０℃低い温度以上の温度で薄板状に焼結した焼結体であることを特徴とする鉛フリー化はんだ材。
【請求項２】
水、アルコールまたはエーテルからなる溶剤に、該溶剤に可溶で、かつ一端にカルボキシル基を有し、フラックスの代わりとなる炭化水素化合物と、鉛を含まないはんだ材の微粉末原料とを混ぜ、混練してスラリー状とした鉛フリー化はんだ材を、ローラ塗布法、スピンコーティング法、印刷法または吹き付け法を含むはんだ塗布方法によりウェハ表面に均一に塗布することを特徴とするはんだ接合方法。
【請求項３】
水、アルコールまたはエーテルからなる溶剤に、該溶剤に可溶で、かつ一端にカルボキシル基を有し、フラックスの代わりとなる炭化水素化合物と、鉛を含まないはんだ材の微粉末原料とを混ぜ、混練してスラリー状とした鉛フリー化はんだ材が表面に塗布されたウェハを複数枚重ね合わせ、該ウェハ群を、はんだ融点の３０〜１２０℃、好ましくは８０℃程度高い温度で、１〜１０ＭＰａ、好ましくは１．５〜５ＭＰａの圧力で、加圧、加熱することを特徴とする請求項２に記載のはんだ接合方法。
【請求項４】
鉛を含まないはんだ材をはんだ槽に入れてはんだ浴とし、該はんだ浴中に、複数枚のウェハを互いの間に隙間をあけた状態で保持して浸漬し、その状態で超音波を作用させるとともに、前記ウェハ群を揺動させて、前記隙間中にはんだをいきわたらせることを特徴とするはんだ接合方法。
【請求項５】
前記ウェハ群を、複数の貫通孔が均等に設けられた有底筒状の治具に入れ、該治具に蓋をして前記はんだ浴に浸漬することを特徴とする請求項４に記載のはんだ接合方法。
【請求項６】
前記ウェハ群を、複数のスリットが均等に設けられた有底筒状の治具に入れ、該治具に蓋をして前記はんだ浴に浸漬することを特徴とする請求項４に記載のはんだ接合方法。
【請求項７】
前記ウェハ群を、底板と該底板から上方に伸びる複数本の棒状部材とからなる篭状の治具に入れ、該治具に蓋をして前記はんだ浴に浸漬することを特徴とする請求項４に記載のはんだ接合方法。
【請求項８】
前記ウェハ群の端にダミーウェハを並べることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一つに記載のはんだ接合方法。
【請求項９】
水、アルコールまたはエーテルからなる溶剤に、該溶剤に可溶で、かつ一端にカルボキシル基を有し、フラックスの代わりとなる炭化水素化合物と、鉛を含まないはんだ材の微粉末原料とを混ぜ、混練してスラリー状とした鉛フリー化はんだ材を介して重ね合わされた前記ウェハ群を、はんだ融点の３０〜１２０℃、好ましくは８０℃程度高い温度で、１〜１０ＭＰａ、好ましくは１．５〜５ＭＰａの圧力で、加圧、加熱することを特徴とする請求項４〜８のいずれか一つに記載のはんだ接合方法。
【請求項１０】
上記請求項１に記載の鉛フリー化はんだ材を、複数のウェハ間に挟み、該ウェハ群を真空雰囲気中ではんだ材の固相線温度よりも５０〜８０℃高い温度に加熱してはんだ焼結体を溶融することを特徴とするはんだ接合方法。
【請求項１１】
さらに、前記ウェハ群を２４時間、２００℃に保持することを特徴とする請求項３、９または１０に記載のはんだ接合方法。
【請求項１２】
予め、前記ウェハの表面を、Ａｕ、またはＡｕと同様に酸化しにくく、かつはんだ付け可能な金属で被覆しておくことを特徴とする請求項２〜１１のいずれか一つに記載のはんだ接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛フリー化はんだ材およびはんだ接合方法に関し、特に複数枚の半導体ウェハがはんだ接合された構成のウェハ積層体の製造に適用して好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉛をベースにした錫系のはんだ材は、柔らかい鉛を含むため、数〜数十μｍ程度の厚さの箔化が容易であるという特性を有する。そのため、このはんだ材は、従来より、半導体装置のはんだ付けなどに多用されている。しかし、鉛による環境汚染を抑制するため、２００４年あるいは２００７年には、使用可能なはんだ材は、鉛を含まないはんだ材、すなわち鉛フリー化はんだ材に完全に切り替わると言われており、鉛フリー化はんだ材の開発が進められている。
【０００３】
現段階において、鉛フリー化はんだ材として、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材やＳｎ−Ｓｂ系はんだ材が知られている。また、本出願人は、ウェハ積層体を製造する際のウェハの接合方法として、ウェハとウェハの間にアルミニウム層、またはアルミニウム層とニッケル層を挟み、加圧状態で加熱することにより、ウェハ同士を接合する方法について、先に出願している（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−９７６１８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材やＳｎ−Ｓｂ系はんだ材では、鉛を含まないため、箔化が困難であるという問題点がある。また、これらのはんだ材では、固相線温度が２４０〜２５０℃と低いため、はんだ耐熱処理（２６０℃×１０秒（３回））時に封止樹脂内ではんだ材が完全に溶融してしまい、それが再凝固する際にボイド層が形成されることにより、接合強度が低くなるという問題点がある。また、はんだ材を箔化する代わりに、はんだクリームを用いることが考えられるが、３００℃を少し超える程度の高温処理時にフラックス等の活性剤が炭化してしまい、はんだ付け性が悪くなるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、箔化が容易で、かつ３００℃を少し超える温度での炭化によるはんだ付け性の悪化を回避することができる鉛フリー化はんだ材を提供するとともに、その鉛フリー化はんだ材を用いることによって、鉛を含む従来のはんだ材と同等以上の耐熱性および接合強度で接合することができるはんだ接合方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる鉛フリー化はんだ材は、水、アルコールまたはエーテルからなる溶剤に、該溶剤に可溶で、かつ一端にカルボキシル基を有し、フラックスの代わりとなる炭化水素化合物と、鉛を含まないはんだ材の微粉末原料とを混ぜ、混練してスラリー状とした鉛フリー化はんだ材を、ローラ塗布法、スピンコーティング法、印刷法または吹き付け法を含むはんだ塗布方法によりウェハ表面に均一に塗布し、それを複数枚重ね合わせ、該ウェハ群を、はんだ融点の３０〜１２０℃、好ましくは８０℃程度高い温度で、１〜１０ＭＰａ、好ましくは１．５〜５ＭＰａの圧力で、加圧、加熱することを特徴とする。
【０００８】
また、上記目的を達成するため、本発明にかかるはんだ接合方法は、上述した鉛を含まないはんだ材をはんだ槽に入れてはんだ浴とし、該はんだ浴中に、複数枚のウェハを互いの間に隙間をあけた状態で保持して浸漬し、その状態で超音波を作用させるとともに、前記ウェハ群を揺動させて、前記隙間中にはんだをいきわたらせたウェハ群を、はんだ融点の３０〜１２０℃、好ましくは８０℃程度高い温度で、１〜１０ＭＰａ、好ましくは１．５〜５ＭＰａの圧力で、加圧、加熱することを特徴とする。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本発明にかかる鉛フリー化はんだ材は、鉛を含まないはんだ材の微粉末原料を、該はんだ材の固相線温度以下で、かつ前記固相線温度よりも１０℃低い温度以上の温度で薄板状に焼結した焼結体であることを特徴とする。この場合には、この焼結体を、複数のウェハ間に挟み、該ウェハ群を真空雰囲気中ではんだ材の固相線温度よりも５０〜８０℃高い温度に加熱してはんだ焼結体を溶融することを特徴とする。
【００１０】
また、上記目的を達成するため、本発明にかかるはんだ接合方法は、はんだ接合後に、ウェハ群を２４時間、２００℃に保持して固相拡散をおこなうことを特徴とする。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、本発明にかかるはんだ接合方法では、予め、前記ウェハの表面を、Ａｕ、またはＡｕと同様に酸化しにくく、かつはんだ付け可能な金属で被覆しておくことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。本発明にかかる鉛フリー化はんだ材は、鉛を含まない微粉末のはんだ材と、極性の弱いアルコール等の溶剤と、この溶剤に可溶で、かつ一端にカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有する炭化水素化合物とを混合したものである。炭化水素化合物の溶解量は、たとえば溶剤１００ｇに対して１０ｇ程度、またはそれよりも少ないのが適当である。
【００１３】
原料となるはんだ材は、ＳｎをベースとしたＳｎ−Ｓｂ系やＳｎ−Ａｇ系のはんだ材、たとえばＳｎ−３０Ｓｂ−３０Ａｇはんだ材やＳｎ−２０Ａｇ−５Ｃｕはんだ材などである。粉末の中心径は、４０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である。溶剤は、たとえば比較的安全性の高いイソプロピルアルコールである。また、他のアルコールはもちろん、水やエーテルなどを溶剤として用いることもできる。イソプロピルアルコールの化学式はつぎのとおりである。
【００１４】
【化１】
2004146462.tif 000002
【００１５】
炭化水素化合物は、溶剤に溶けてスラリー状となり、かつ融点が２００℃程度であるとよい。好ましくは脂肪族系の炭化水素化合物であるとよい。一般に、アルキル基をＲとすると、Ｒ−ＣＯＯＨで表される有機酸のうち、アルキル基Ｒの大きいものや、芳香族のものは、水に不溶性であるため、腐食性が比較的弱く、また金属との反応生成物（金属石けん）の融点が一般に低いので、フラックスとして作用し、金属表面へのはんだ付けが容易となる。
【００１６】
そこで、本発明にかかる鉛フリー化はんだ材では、アルキル基Ｒにおける炭素Ｃの数は１〜３程度であるのが適当である。なお、アルキルカルボン酸がフラックスとして作用するため、本発明にかかる鉛フリー化はんだ材には、松やに等のフラックスは不要である。また、上述した有機酸は、好ましくは高温で水素と炭酸系のガスに分解し易い化学構造を有しており、融点以下の温度で昇華するという特性を有しているとよい。そうすれば、はんだ付け温度（たとえば３００℃程度）で炭素が焼きついてはんだ付け部位に残渣として残ることがない。
【００１７】
以上の点を踏まえると、有機物としてコハク酸が適当である。コハク酸の化学式はつぎのとおりである。
【００１８】
【化２】
2004146462.tif 000003
【００１９】
また、フマル酸が適当である。フマル酸の化学式はつぎのとおりである。
【００２０】
【化３】
2004146462.tif 000004
【００２１】
また、リンゴ酸が適当である。リンゴ酸の化学式はつぎのとおりである。
【００２２】
【化４】
2004146462.tif 000005
【００２３】
また、オキサル酢酸が適当である。オキサル酢酸の化学式はつぎのとおりである。
【００２４】
【化５】
2004146462.tif 000006
【００２５】
また、ピルビン酸が適当である。ピルビン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００２６】
【化６】
2004146462.tif 000007
【００２７】
また、アラニンが適当である。アラニンの化学式はつぎのとおりである。
【００２８】
【化７】
2004146462.tif 000008
【００２９】
また、アスパラギン酸が適当である。アスパラギン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００３０】
【化８】
2004146462.tif 000009
【００３１】
また、マレイン酸が適当である。マレイン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００３２】
【化９】
2004146462.tif 000010
【００３３】
また、イタコン酸が適当である。イタコン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００３４】
【化１０】
2004146462.tif 000011
【００３５】
また、クエン酸が適当である。クエン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００３６】
【化１１】
2004146462.tif 000012
【００３７】
また、ｃｉｓ−アコニット酸が適当である。ｃｉｓ−アコニット酸の化学式はつぎのとおりである。
【００３８】
【化１２】
2004146462.tif 000013
【００３９】
また、イソクエン酸が適当である。イソクエン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００４０】
【化１３】
2004146462.tif 000014
【００４１】
また、オキサルコハク酸が適当である。オキサルコハク酸の化学式はつぎのとおりである。
【００４２】
【化１４】
2004146462.tif 000015
【００４３】
また、α−ケトグルタル酸が適当である。α−ケトグルタル酸の化学式はつぎのとおりである。
【００４４】
【化１５】
2004146462.tif 000016
【００４５】
また、グルタミン酸が適当である。グルタミン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００４６】
【化１６】
2004146462.tif 000017
【００４７】
また、フマル酸が適当である。フマル酸の化学式はつぎのとおりである。
【００４８】
【化１７】
2004146462.tif 000018
【００４９】
また、乳酸が適当である。乳酸の化学式はつぎのとおりである。
【００５０】
【化１８】
2004146462.tif 000019
【００５１】
また、シュウ酸が適当である。シュウ酸の化学式はつぎのとおりである。
【００５２】
【化１９】
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【００５３】
また、マロン酸が適当である。マロン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００５４】
【化２０】
2004146462.tif 000021
【００５５】
また、アジピン酸が適当である。アジピン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００５６】
【化２１】
2004146462.tif 000022
【００５７】
また、酒石酸が適当である。酒石酸の化学式はつぎのとおりである。
【００５８】
【化２２】
2004146462.tif 000023
【００５９】
以上例示したアルキルカルボン酸を単独で用いてもよいし、いずれか２つ以上を混合して用いてもよい。たとえば、溶液であるピルビン酸と、結晶性粉末であるコハク酸との混合物を用いてもよい。
【００６０】
図１〜図３は、本発明にかかるはんだ接合方法を適用して製造されるウェハ積層体の製造プロセスの概略を説明するための図であり、ウェハ積層体の断面構成を示している。図１に示すように、まず、複数枚のウェハ１１を鉛フリー化はんだ層１２を介して積層し、ウェハ−はんだ材積層体１０を形成する。
【００６１】
ついで、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧しながら加熱することにより鉛フリー化はんだ層１２を溶融し、図２に示すように、はんだ接合層２２を介してウェハ１１をはんだ接合してなるウェハ接合体２０を得る。このときのはんだ付け条件は、はんだ融点の３０〜１２０℃、好ましくは８０℃程度高い温度で、１〜１０ＭＰａ、好ましくは１．５〜５ＭＰａの圧力である。このような条件とした理由は、３０℃がウェハ全体が接合される最低温度であり、１２０℃が接合にボイドが発生し接合強度が著しく低下し始める温度だからである。また、１ＭＰａがウェハ全体が接合される圧力であり、１０ＭＰａがウェハが割れる圧力だからである。この加圧、加熱処理によって、はんだ接合層２２の耐熱性が向上する。
【００６２】
ついで、上述したはんだ付け条件よりも温度および圧力がともに少し高い条件で、ウェハ接合体２０を再び加圧しながら加熱することによりはんだ接合層２２からはんだ成分を除去して合金化し、図３に示すように、合金層３２を介してウェハ１１を接合してなるウェハ積層体３０を得る。この合金化処理によって、ウェハ積層体３０の耐熱性および接合強度がさらに向上する。さらに、たとえば２００℃で２４時間の固相拡散をおこない、低融点相をなくす。
【００６３】
図１に示すウェハ−はんだ材積層体１０を得る方法としてつぎの３つの方法がある。第１の方法は、スラリー状の鉛フリー化はんだ材をウェハに塗布し、それを複数枚重ね合わせる方法である。図４に示すように、まず、容器４１に、たとえば３０Ｓｂ−３０Ａｇ−残部Ｓｎはんだ材や２０Ａｇ−５Ｃｕ−残部Ｓｎはんだ材等の微粉末およびコハク酸で飽和したイソプロピルアルコール溶液を用意し、撹拌器４２でよくかき混ぜる。その後、上澄液４３を捨て、容器４１の底に沈んだスラリー状はんだ４４を得る。
【００６４】
そして、図５に示すように、ガイド穴５１より真空引きして真空チャック５２にウェハ１１を固定し、それをモータ５３により回転させながら、吐出ノズル５４からウェハ表面にスラリー状はんだ４４を滴下してスピンコーティングする。あるいは、スピンコーティングに代えて、図６に示すように、回転するウェハ１１の表面に噴霧ノズル６１からスラリー状はんだ４４を吹き付けるようにしてもよい。また、図７に示すように、下送りガイドローラ７１によりウェハ１１を送りながら、吐出ノズル５４から吐出されたスラリー状はんだ４４を、上塗布ローラ７２によりウェハ表面に塗布するようにしてもよい。いずれの方法によっても、ウェハ表面にスラリー状はんだ４４を、特に限定しないが、たとえば５〜３０μｍの厚さで積層するのが適当である。
【００６５】
ウェハ表面にスラリー状はんだ４４を均一に積層したら、１．３３３２２×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気、Ｈ２雰囲気、または５〜５０％のＨ２と残りがＮ２よりなる混合ガス雰囲気中で、スラリー状はんだ４４の融点近くの温度（２００〜２３０℃）に加熱して、スラリー状はんだ４４に含まれているアルコールや有機物を完全に除去する。それによって、図８に示すように、ウェハ表面に、はんだ粉結体層８１が軽く融着した積層体が得られる。このはんだ粉結体層８１の厚さは、特に限定しないが、たとえば５〜３０μｍであるのが適当である。
【００６６】
また、上述した飽和溶液を用いる代わりに、つぎのようにしてもよい。図９に示すように、容器４１にイソプロピルアルコールとコハク酸を、たとえばイソプロピルアルコール３部に対してコハク酸７部の割合で入れ、撹拌器４２でよくかき混ぜる。これに、Ｓｎをベースとし、かつ鉛を含まないＳｎ−Ｓｂ系やＳｎ−Ａｇ系のはんだ材の粉末を、９０ｗｔ％の重量比で入れ、撹拌器４２でよく混合する。なお、イソプロピルアルコールとコハク酸との割合は、イソプロピルアルコールが１ｗｔ％以上に対してコハク酸が１ｗｔ％以上で、かつ、はんだ材に対して総量で１０ｗｔ％以下であればよい。
【００６７】
このようにして得られたスラリー状はんだ９４は、上述した飽和溶液を用いた場合よりも粘性が高いので、図１０に示すように、印刷法によりウェハ表面にスラリー状はんだ９４を積層する。すなわち、真空チャック５２に固定したウェハ１１上に印刷マスク１０１を載せ、その上からスラリー状はんだ９４をスキージ１０２により塗り広げることにより、ウェハ１１上に印刷はんだ層１０３が形成される。なお、図１０において符号１０４は乳剤である。
【００６８】
そして、加熱処理をおこなって、印刷はんだ層１０３に含まれているアルコールや有機物を完全に除去する。このときの雰囲気は、上述した飽和溶液を用いた場合と同じである。処理温度は、印刷はんだ層１０３の融点以上の温度である。このようにして、図８に示すようなウェハ１１とはんだ粉結体層８１とからなる積層体が得られる。この場合も、はんだ粉結体層８１の厚さは、特に限定しないが、たとえば５〜３０μｍであるのが適当である。
【００６９】
上述したスピンコーティング法、吹き付け法、ローラ塗布法、印刷法などにより作製した、図８に示す積層体を、複数枚重ね合わせることによって、図１に示すウェハ−はんだ材積層体１０が得られる。はんだ粉結体層８１は鉛フリー化はんだ層１２に相当する。
【００７０】
図１に示すウェハ−はんだ材積層体１０を得る第２の方法は、複数枚のウェハを、互いの間に隙間をあけた状態ではんだ浴中に浸漬する方法である。この方法によれば、一度で複数枚のウェハを積層したウェハ−はんだ材積層体１０が得られる。図１１に示すように、ヒータ１１１および超音波発振子１１２を備えたはんだ槽１１３に、本発明にかかる鉛フリー化はんだ材よりなるはんだ浴１１４を満たす。
【００７１】
そして、図１２に示すように、円筒状の治具１２１内に、複数枚のウェハ１１を互いの間に隙間をあけて立てた状態で入れ、治具１２１に蓋１２２をし、これを図１１のはんだ浴１１４に浸漬する。その際に、超音波発振子１１２を作動させるとともに、治具１２１を揺動させて、ウェハ１１の間の隙間にはんだが均一に入り込むようにする。その後、はんだ浴１１４から治具１２１を引き上げることによって、均一な厚さの鉛フリー化はんだ層１２を介して複数枚のウェハ１１が積層されたウェハ−はんだ材積層体１０が得られる。
【００７２】
この第２の方法では、ウェハ１１の間に隙間を設けるために、たとえば隣り合うウェハ１１の外周部位の一部の間にスペーサ片１２３を挟む。このスペーサ片１２３は、はんだ浴１１４と同じ組成の合金または単一金属よるなる所望の厚さの薄板でできている。スペーサ片１２３の厚さは、２０〜１００μｍ、好ましくは４０μｍであり、楔効果を保てる程度である。また、ウェハ列の両外側にダミーウェハを並べる。
【００７３】
治具１２１および蓋１２２は、たとえばステンレスでできている。治具１２１の中へはんだ浴１１４が均一に流れ込むようにするため、たとえば図１３に示すように、治具１２１の側面１３１および底面１３２には、直径５〜１０ｍｍの貫通孔１３３が均一に開けられている。また、蓋１２２にも同様に貫通孔１３３が開けられている。あるいは、貫通孔１３３の代わりに、たとえば図１４に示すように、治具１２１の側面１４１に幅５〜１０ｍｍのスリット１４２が均等な間隔で設けられていてもよい。また、たとえば図１５に示すように、治具１２１を、側板を設けずに、底板１５１と柱となる複数本の棒状部材１５２で構成し、蓋１２２を被せることによって篭になる構成としてもよい。
【００７４】
図１に示すウェハ−はんだ材積層体１０を得る第３の方法は、特に図示しないが、スラリー状の鉛フリー化はんだ材を用いずに、スラリー状の鉛フリー化はんだ材の原料として用いたＳｎ−Ｓｂ系やＳｎ−Ａｇ系のはんだ微粉末の焼結体を作製し、それをウェハ間に挟む方法である。焼結温度は、用いたはんだ材の固相線温度以下で、かつ固相線温度よりも１０℃低い温度以上の温度、たとえば２００℃である。この温度で加熱しながらはんだ微粉末の圧粉体を加圧し、焼結体を得る。焼結体の厚さは０．１〜１ｍｍである。この焼結体をウェハ間に挟んで積層したウェハ−はんだ材積層体１０を加圧しながら１．３３３２２×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気中で固相線温度よりも５０〜８０℃高い温度に加熱すると、焼結体が溶融し、ウェハ同士がはんだ接合される。
【００７５】
以上のようにしてウェハ−はんだ材積層体１０が得られたら、つぎにウェハ−はんだ材積層体１０を加圧しながら加熱して、図２に示すウェハ接合体２０を得る。そのためには、たとえば図１６に示すように、加熱加圧はんだ付け装置１６０を用いる。この装置の上側プレス体１６１の上面均一加熱加圧板１６２と下側プレス体１６３の下面均一加熱加圧板１６４との間に、ウェハ−はんだ材積層体１０を挟む。そして、プレスアーム１６５により上側プレス体１６１を下降させて、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧する。この状態で、上下のプレス体１６１，１６３にそれぞれ埋め込まれたヒータ１６６，１６７により、ウェハ−はんだ材積層体１０を加熱する。なお、この加熱は誘導加熱としてもよい。
【００７６】
あるいは、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧するために、図１７および図１８にそれぞれ平面図および側面図を示すように、加圧積層治具１７０を用いてもよい。この場合、治具１７０の底板１７１と天板１７２との間にウェハ−はんだ材積層体１０を挟む。そして、底板１７１と天板１７２とをつなぐ柱となる複数本の棒状部材１７３の頂部のねじ切り部に螺合させたナット１７４を締めて、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧する。
【００７７】
上述した加圧積層治具１７０を用いた場合には、たとえば図１９に示すように、ベルトコンベア炉１９０のベルト１９１上に、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧した状態の加圧積層治具１７０を並べ、それを、回転体１９２によるベルト１９１の送りによって、ヒータ１９３の下を移動させて加熱するようにしてもよい。あるいは、図２０に示すように、真空加熱機２００を用い、その真空チャンバー２０１内の試料ステージ２０２上に、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧した状態の加圧積層治具１７０を置き、イオンポンプ２０３およびクライオポンプ２０４によりチャンバー２０１内を真空引きし、ヒータ２０５により加熱する。このとき、チャンバー２０１内にＨ２やＮ２などの不活性ガスを導入してもよい。
【００７８】
以上のようにしてウェハ接合体２０が得られたら、つぎにウェハ接合体２０を再び加圧しながら加熱して、図３に示すウェハ積層体３０を得る。そのためには、たとえば再び図１６に示す加熱加圧はんだ付け装置１６０を用いる。これによって、ウェハ接合体２０のはんだ接合層２２からはんだ成分が除去されて合金層３２が形成される。
【００７９】
この合金層３２は、ウェハ１１の両側の表面層に設けられたたとえばＮｉ−Ｐ層２１６（図２１参照）中のＮｉ元素と、たとえば２０Ａｇ−５Ｃｕ−残部Ｓｎはんだ材のＳｎとが反応して、Ｎｉ３Ｓｎ４という合金を生成することによりできる。本発明者らが調べたところ、合金化する前のウェハ接合体２０では、そのはんだ接合層２２の厚さは１０〜３０μｍであったが、合金化した後のウェハ積層体３０における合金層３２の厚さは１０μｍ以下であった。
【００８０】
特に限定しないが、上述したようにウェハ１１は多層構造となっている。図２１に、その製造プロセスを簡単に示す。まず、シリコンウェハ２１１を用意し［図２１（ａ）］、その両面に燐をドーピングして、その表面層にｎ＋層を形成する。ついで、ウェハ２１１の片面を研削し、その研削面にホウ素をドーピングする。その後、高温の拡散処理をおこない、ウェハ１１の一方の面にｎ＋層２１２を形成するとともに、もう一方の面にｐ＋層２１３を形成する［図２１（ｂ）］。
【００８１】
つづいて、ウェハ１１の両面にＮｉ−Ｐの無電解めっきを施してＮｉ−Ｐ層２１４を形成する［図２１（ｃ）］。そして、熱処理をおこなって、Ｎｉ−Ｓｉ層２１５を形成し［図２１（ｄ）］、その表面にＮｉ−Ｐ層２１６を形成する。さらに、Ｎｉ−Ｐ層２１６の表面にＡｕ層２１７を形成して、ウェハ１１ができあがる［図２１（ｅ）］。なお、Ａｕ層２１７に代えて、Ａｕと同様に酸化しにくく、かつはんだ付け可能な金属の層をウェハ１１の最表面に設けてもよい。
【００８２】
つぎに、各種ウェハ積層体を用いて本発明者らがおこなった引張り強度の試験の結果について説明する。試験対象のウェハ積層体として、つぎの１〜４の実施例と、比較として従来例を用いた。実施例１は、３０Ｓｂ−３０Ａｇ−残部Ｓｎはんだ材およびコハク酸で飽和したイソプロピルアルコール溶液からなるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を用いた、合金化する前のウェハ接合体２０である。
【００８３】
実施例２は、イソプロピルアルコール３部とコハク酸７部と３０Ｓｂ−３０Ａｇ−残部Ｓｎはんだ材との混合物からなるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を用いた、合金化する前のウェハ接合体２０である。実施例３は、３０Ｓｂ−３０Ａｇ−残部Ｓｎはんだ材の微粉末を焼結して用いた、合金化する前のウェハ接合体２０である。実施例４は、２０Ａｇ−５Ｃｕ−残部Ｓｎはんだ材を原料とするスラリー状の鉛フリー化はんだ材を用いた、合金化した後のウェハ積層体３０である。
【００８４】
従来例は、ウェハ同士をＰｂＳｎ系のはんだ箔により接合したものである。引張り試験をおこなうにあたっては、各種ウェハ積層体の積層したウェハ数を２０とした。そして、各種ウェハ積層体をワイヤソーによりおおよそ０．５ｍｍ角のチップに切断し、その両端にリード線をはんだ付けし、引張り試験機（島津製作所製ＥＺ−Ｔｅｓｔ）を用いた。その結果を図２２に示す。
【００８５】
図２２からわかるように、実施例１〜４のいずれも従来例と同等程度か、それ以上の強度を有していた。特に、合金化した実施例４では、強度が大幅に向上した。また、特に図示しないが、初期的電気特性および信頼性に関しても、実施例１〜４のいずれも従来例との差異は見られなかった。
【００８６】
上述した実施の形態によれば、鉛を含まないＳｎ系のはんだ材の微粉末をコハク酸等とともにイソプロピルアルコール等の溶剤に混ぜてスラリー状のはんだ材とすることにより、はんだ材の箔化が容易であり、かつ松やに等のフラックスを含まないため、高温での炭化によりはんだ付け性が悪化するのを回避することができる。また、この鉛フリー化はんだ材を用いることによって、鉛を含む従来のはんだ材と同等以上の耐熱性および接合強度を得ることができる。
【００８７】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、上述した溶剤や有機物は一例であり、また、その量なども一例であるため、本発明は上記記載に限定されるものではない。また、スラリー状の鉛フリー化はんだ材の塗布方法として、上述したローラ塗布法、スピンコーティング法、印刷法または吹き付け法以外にも、筆による塗布方法や、ディスペンサーを用いた方法などを採用することができる。
【００８８】
【発明の効果】
本発明によれば、箔化が容易で、かつ高温での炭化によるはんだ付け性の悪化が起こらない鉛フリー化はんだ材が得られる。また、この鉛フリー化はんだ材を用いることによって、鉛を含む従来のはんだ材と同等以上の耐熱性および接合強度で接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるはんだ接合方法を適用して製造されるウェハ積層体の製造段階における構成を示す断面図である。
【図２】本発明にかかるはんだ接合方法を適用して製造されるウェハ積層体の製造段階における構成を示す断面図である。
【図３】本発明にかかるはんだ接合方法を適用して製造されるウェハ積層体の製造段階における構成を示す断面図である。
【図４】本発明にかかるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を調整している状態を模式的に示す断面図である。
【図５】図４で調整したスラリー状の鉛フリー化はんだ材を塗布している状態を模式的に示す断面図である。
【図６】図４で調整したスラリー状の鉛フリー化はんだ材を塗布している状態を模式的に示す断面図である。
【図７】図４で調整したスラリー状の鉛フリー化はんだ材を塗布している状態を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明にかかるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を塗布したウェハを模式的に示す断面図である。
【図９】本発明にかかるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を調整している状態を模式的に示す断面図である。
【図１０】図９で調整したスラリー状の鉛フリー化はんだ材を塗布している状態を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明にかかるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を満たしたはんだ槽を模式的に示す断面図である。
【図１２】図１１に示すはんだ槽のはんだ浴中にウェハを浸漬する際に使用される治具を模式的に示す断面図である。
【図１３】図１２に示す治具の外観の一例を模式的に示す斜視図である。
【図１４】図１２に示す治具の外観の他の例を模式的に示す斜視図である。
【図１５】図１２に示す治具の外観のさらに他の例を模式的に示す斜視図である。
【図１６】本発明にかかるはんだ接合方法において使用される加熱加圧はんだ付け装置を模式的に示す断面図である。
【図１７】本発明にかかるはんだ接合方法において使用される加圧積層治具を模式的に示す平面図である。
【図１８】図１７に示す加圧積層治具の側面図である。
【図１９】本発明にかかるはんだ接合方法において使用されるベルトコンベア炉を模式的に示す断面図である。
【図２０】本発明にかかるはんだ接合方法において使用される真空加熱機を模式的に示す断面図である。
【図２１】本発明にかかるはんだ接合方法により接合されるウェハの製造プロセスを説明するための図である。
【図２２】実施例および従来について引張り強度試験をおこなった結果を示す図である。
【符号の説明】
１１　ウェハ
４４，９４　スラリー状はんだ（スラリー状の鉛フリー化はんだ材）
１１３　はんだ槽
１１４　はんだ浴
１２１　治具
１２２　蓋
１３３　貫通孔
１４２　スリット
１５１　底板
１５２　棒状部材
２１７　Ａｕ層
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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