(57)【要約】【課題】高温の加熱や高圧の加圧を必要としない常温接合であって、強固な接合を得ることができ、従来の常温接合に必要であった高い剛性や気密性を有する設備を要しない接合法およびそれに使用する接合装置を提供する。【解決手段】被接合物の被接合面を活性化する工程１、および活性化された該被接合面同士を接近させることにより接合を得る工程２を有する常温接合法において、少なくとも工程１終了後より工程２終了までの間、該被接合面に不活性ガスを連続的に供給することを特徴とする常温接合法およびそれに使用する常温接合装置。【選択図】      図１
2004358502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合物の被接合面を活性化する工程１、および活性化された該被接合面同士を接近させることにより接合を得る工程２を有する常温接合法において、少なくとも工程１終了後より工程２終了までの間、該被接合面に不活性ガスを連続的に供給することを特徴とする常温接合法。
【請求項２】
被接合物の被接合面の活性化が、イオンまたはラジカルと被接合面との接触反応により行われることを特徴とする請求項１に記載の常温接合法。
【請求項３】
不活性ガスが、窒素ガスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の常温接合法。
【請求項４】
被接合物の被接合面を活性化する手段、連続的に不活性ガスを該被接合面上に供給する手段、および該被接合面同士を接近させることにより接合を得る手段を有することを特徴とする常温接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は常温接合法および常温接合装置に関する。具体的には、接合物の被接合面上の酸化膜や吸着分子層などを除去して活性化することにより、高温の加熱や高圧の加圧を要せずに、被接合面同士の接合を得ることができる常温接合法およびそれに使用する常温接合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
２つの物体を接合する方法として、種々の方法が提案され開発されているが、その多くは、加熱による高温での反応または加圧による変形のいずれかを利用している。しかし、このような方法はいずれも熱履歴を生じるものであり、高温に対して脆弱な物体の接合や熱膨張係数のかけ離れた物体同士の接合には適用しにくい。
【０００３】
そこで、物体の表面にある酸化膜や吸着分子層を除去することによって該表面を活性化し、その活性化された表面同士を原子レベルまで接近させて原子間力で接合を得る常温接合法が提案されている。（溶接学会全国大会講演概要  第６９集、２００１年１０月、Ｆ３〜Ｆ８、非特許文献１）
【０００４】
物体の実在の表面は、酸化膜や吸着分子層に覆われている。従って、該表面同士を接近させても、加熱や加圧による変形を行わないかぎり、該酸化膜や該吸着分子層により妨げられて、接合が得られない。そこで、酸化膜や吸着分子層にプラズマ放電によるイオン衝撃を与える、ラジカル照射するなどの方法により、該酸化膜や吸着分子層を除去し、活性化された表面を露出させる。そして、この表面同士を原子レベルまで接近させて、固体を形成する原子が本来持っている結合力（原子間力）を利用して接合を得ることが常温接合法の原理である。この方法により、高温の加熱や高圧の加圧を必要とせずに、強力な接合を得ることができるので、高温に対して脆弱なもの、例えば集積回路デバイスの接合や、熱膨張係数のかけ離れた物体同士の接合に好ましく適用されている。
【０００５】
【非特許文献１】
溶接学会全国大会講演概要  第６９集、２００１年１０月、Ｆ３〜Ｆ８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし酸化膜や吸着分子層の除去により活性化された被接合面は、大気にさらされると、大気中の酸素などの活性分子により容易に酸化され、また大気中の異物を吸着する。そして、酸化膜や吸着分子層が再び形成される。そこで、上記の常温接合においては、接合が得られるまで、酸素などの活性分子による酸化や異物の吸着を避けて、活性化された表面の活性状態を維持する必要がある。そのため、接合を行う環境を高真空下に置く方法が採用されている。すなわち、高真空下に置かれた装置内で、イオン衝撃やラジカル照射などによる被接合面を活性化し、活性化された被接合面同士を接近させて接合を行う方法である。
【０００７】
しかし、この方法を実施するためには、高真空を達成するための設備や、減圧に対する剛性や気密性などを考慮した装置が必要であり、これが大きなコストアップの要因となっている。また、被接合物の形態も、その設備の内積に影響されることになり、長大な物体の接合のためには、大きな内積を有する設備が必要となる。
【０００８】
そこで装置内を、高真空にする代わりに、不活性な物質で満たし、接合が行われる環境を不活性（酸化膜や吸着分子層が形成されない環境）にする方法も考えられる。すなわち、被接合面の活性化や活性化された被接合面同士の接合を、不活性な物質、例えばアルゴン、窒素などの不活性ガスで満たされた装置内で行う方法である。この方法によれば、高真空を達成するための設備や減圧に対する装置の剛性は必要なく、その点ではコストの低減が可能であるが、設備の気密性は必要であり、また被接合物の形態がその設備の内積に影響される点では、高真空下で実施する方法と同様である。
本発明は、高温の加熱や高圧の加圧を必要としない常温接合法であって、上記の従来技術の問題を解決し、強固な接合を得ることができる常温接合法およびそれに使用される常温接合装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、検討の結果、活性化された被接合面上に、接合が終了するまで連続的に不活性ガスを供給する方法により、この目的が達成できることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
本発明は、被接合物の被接合面を活性化する工程１、および活性化された該被接合面同士を接近させることにより接合を得る工程２を有する常温接合法において、少なくとも工程１終了後より工程２終了までの間、被接合面に不活性ガスを連続的に供給することを特徴とする常温接合法である。
【００１１】
本発明は、また、被接合物の被接合面を活性化する手段、連続的に不活性ガスを該被接合面上に供給する手段、および該被接合面同士を接近させることにより接合を得る手段を有することを特徴とする常温接合装置である。
【００１２】
本発明の常温接合法は、被接合物の被接合面を活性化する工程１を有するが、この活性化の方法としては、従来の表面活性化による常温接合法に用いられている活性化の方法と同じ方法を採用することできる。
例えば、イオンまたはラジカルと被接合面との接触反応により、被接合面上にある酸化膜や吸着分子層を除去することにより行うことができる。
【００１３】
イオンまたはラジカルを被接合面に接触反応させて被接合面を活性化させる具体的方法としては、例えばプラズマ放電することによりプラズマ状態を発生させ、プラズマから発生するイオンやラジカルと酸化膜や吸着分子層の原子とを反応させる方法が挙げられる。また、イオンやラジカルに、１方向への速度を与える力を加えて、被接合面上に照射する方法などが挙げられる。
プラズマを発生させる方法としては、常温、常圧の状態でプラズマを発生することができる常温プラズマ（コールドプラズマ）法が好ましい。
【００１４】
被接合面の活性化のための工程１は、ケミカルエッチングや電解研磨などによる前処理を行い、ある程度表面の平滑度を向上させた後に行う方が、イオンまたはラジカルの接触反応による被接合面の活性化がより充分に行われるので好ましい。
【００１５】
イオンやラジカルを接触反応させて被接合面を活性化させる条件についても、従来の表面活性化による常温接合法に用いられている条件と同様な条件を採用することができる。
【００１６】
工程１により被接合面が活性化された後は、接合が得られるまで、被接合面には、不活性ガスが連続的に供給される。
活性化された被接合面では、非常に容易に酸化などが起こりやすい。そこで、被接合面が活性化された後、不活性ガスの供給の開始までの時間は可能なかぎり短くする必要がある。好ましくは工程１が行われている間に、より好ましくは工程１の開始前に、不活性ガスの連続的な供給を開始する。
【００１７】
不活性ガスの供給は連続的に行われる。上記のように、活性化された被接合面では、非常に容易に酸化などが起こりやすいので、不活性ガスの供給の中断により酸化膜などが形成されると良好な接合が得られにくくなる。ここにいう不活性ガスの連続的供給には前記の趣旨が反映させられる範囲において、不活性ガスの供給が短時間中断される場合も含まれるが、この場合でも供給の中断時間は可能なかぎり短くする必要がある。
【００１８】
供給される不活性ガスは、活性化された被接合面と反応する成分や、該被接合面に吸収される成分などを含まないものである限り、特に限定されない。不活性ガスの例としては、アルゴンなどの希ガスや、窒素などが挙げられる。通常、安価な窒素ガスが好ましく用いられる。
【００１９】
不活性ガスの供給方法は、被接合面上に充分不活性ガスが行き渡り、被接合面の近傍の大気が該不活性ガスにより排除され、酸化膜や吸着分子層の形成を防ぐことができる方法であれば特に限定されない。例えば、被接合面の近傍に不活性ガスの吹出し口を設け、該吹出し口から不活性ガスを被接合面上に吹付ける方法などが挙げられる。
不活性ガスの供給量は、被接合面の近傍の大気を排除し、酸化膜や吸着分子層の形成を防ぐことができる量以上である必要がある。この具体的な必要量は、不活性ガスの供給方法、例えば吹出し口の数や形状、吹出し口と被接合面の位置関係などにより変化する。
【００２０】
本発明では、工程１において活性化された被接合面同士を、原子レベルまで、すなわち原子間力による接合が得られるまで、接近させる（工程２）。本発明の常温接合法において、原子レベルまでの接近を容易にするために、加熱や加圧を行ってもよいが、従来の加熱や加圧による接合において必要とされる高温や高い圧力は、本発明の接合法では、必要とされない。すなわち、本発明では、常温、常圧で、接合が得られる。
被接合面同士を接近させる方法もとくに限定されないが、例えば、接合される物体の合計の厚みより少し小さいスリットを有する２本のロールの間に、該物体を重ねて通し、圧延、加圧を行う方法などが挙げられる。
【００２１】
上記の本発明の常温接合法は、例えば、本発明の常温接合装置を用いて実施できる。本発明の常温接合装置において被接合面を活性化する手段としては、上記のように、プラズマ放電を行なう装置、特に常温プラズマ放電装置が例示される。連続的に不活性ガスを被接合面上に供給する手段としては、不活性ガスの供給管とその吹出し口を備えたものが例示される。この手段は、被接合面上の大気が充分排除されるような位置に設置され、とくに被接合面の活性化の工程１の前から被接合面上に不活性ガスが供給されるように設置されることが好ましい。例えば、上記の不活性ガス吹出し口は、被接合面の近傍に配置されることが好ましい。被接合面同士を接近させることにより接合を得る手段としては、上記のように、２本のロールが例示される。
【００２２】
本発明の常温接合法により、また本発明の常温接合装置を用いて接合される物体としては、金属からなる物体や、シリコンウエハ−などの半導体が例示される。ここで、金属としては銅やアルミニウムなどが挙げられる。例えば、銅箔やアルミ箔などを本発明により接合することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の具体的形態を、図面を用いて説明するが、本発明の範囲はこの形態により限定されるものではない。
【００２４】
図１は、本発明の常温接合装置の一例の概要を示す概念図である。この装置では、２枚の銅箔１、２が接合される。銅箔１、２は、図１の左方から供給されて、連続的に矢印の方向に移動する。
図１の左方から供給された銅箔１、２は、表面の平滑度をある程度出すためケミカルエッチング剤３によるケミカルエッチングがされる。ケミカルエッチング剤３は、ケミカルエッチング剤の吐出装置４の吐出口より、銅箔１、２の被接合面上に吹付けられる。
【００２５】
ケミカルエッチングがされた銅箔１、２の被接合面上や近傍には、窒素ガス５が連続的に吹付けられ被接合面上の大気が除去される。窒素ガス５は、窒素ガス供給管７を通って供給され、吹出し口６より銅箔１、２の被接合面上に吹付けられている。図中の８は、常温プラズマ放電装置により放電されている常温プラズマを示し、この常温プラズマにより、銅箔１、２の被接合面上の酸化膜や吸着分子層が除去され、活性化された被接合面が露出される。
【００２６】
図２は、図１の常温接合装置に用いられている常温プラズマ放電装置の概要を示す概念図である。図中、銅箔１、２は紙面の下方より上方に向かって連続的に移動している。銅箔１、２の間には、窒素ガス供給管７および吹出し口６が設けられている。銅箔１、２の外側には、電極１０、１１が設けられており、電極１０、１１間の高圧放電により、常温プラズマが発生し、該常温プラズマにより銅箔１、２の被接合面上の酸化膜や吸着分子層が除去される。
【００２７】
活性化された被接合面の露出後、速やかに、被接合面同士が２本のロール９により圧延、加圧される。この圧延、加圧により被接合面同士が接近し、接合が得られる。この加圧に必要な圧力は、銅の組成変形に必要な圧力よりもはるかに小さい圧力でよい。
【００２８】
図１においては、常温プラズマ放電装置８により放電された常温プラズマの左右で、被接合面への窒素ガス５の吹付けが行われている。すなわち図１の例では、常温プラズマによる活性化工程（工程１）の前から窒素ガス５の吹付けが行われ、活性化工程（工程１）後においても、ロール９により接合が得られるまで連続的に行われる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の常温接合法によれば、高温の加熱や高圧の加圧を必要としない常温接合による強固な接合を得ることができる。また、従来の常温接合に必要であった高い剛性や気密性を有する設備は必要ないので、接合のコストを低減できる。また被接合物の形態も、設備の内積に影響されないとの利点もある。
本発明の常温接合装置は、本発明の常温接合法を実施するための装置であって、この装置を用いることにより上記の効果を十分に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の常温接合装置の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の常温接合装置に用いられている常温プラズマ放電装置の概念図である。
【符号の説明】
１、２    銅箔
３    ケミカルエッチング剤
４    吐出装置
５    窒素ガス
６    吹出し口
７    窒素ガス供給管
８    常温プラズマ
９    ロール
１０、１１  電極
【図１】
2004358502.tif 000003
【図２】
2004358502.tif 000004