(57)【要約】【課題】金属ガラスを含むアモルファス金属を用いて、接合方法及び電子部品のパッケージを提供する。【解決手段】第１の被接合部材２と第２の被接合部材４との間にアモルファス金属３を配設する工程と、アモルファス金属３をアモルファス金属３の結晶化温度領域迄加熱する加熱工程と、を含み、加熱工程の結晶化温度領域で第１の被接合部材２と第２の被接合部材４とをアモルファス金属３を介して接合する。アモルファス金属３を、スパッタ、蒸着、鍍金、プリンティング、溶射、及び噴射の何れかの方法で第１の被接合部材２及び第２の被接合部材４の少なくとも一方に堆積してもよい。アモルファス金属３の結晶化温度領域における発熱現象によって第１及び第２の被接合部材２，４をアモルファス金属３を介して接合できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の被接合部材と第２の被接合部材との間にアモルファス金属を配設するアモルファス金属配設工程と、
上記アモルファス金属を該アモルファス金属の結晶化温度領域迄加熱する加熱工程と、を含み、
上記加熱工程の結晶化温度領域で上記第１の被接合部材と上記第２の被接合部材とを上記アモルファス金属を介して接合することを特徴とする、接合方法。
【請求項２】
前記アモルファス金属を、スパッタ、蒸着、鍍金、プリンティング、溶射及び噴射の何れかの方法で前記第１の被接合部材及び第２の被接合部材の少なくとも一方に堆積することを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記第１の被接合部材及び前記第２の被接合部材の少なくとも一方と前記アモルファス金属との間にさらに、断熱部材を配設することを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
【請求項４】
前記アモルファス金属配設工程において、前記アモルファス金属の片側又は両側にさらに、金属又は合金から成る接合部材を配設し、
前記第２工程の結晶化温度領域で前記アモルファス金属の発熱によって前記第１の被接合部材と第２の被接合部材とを前記アモルファス金属及び前記接合部材によって接合することを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
【請求項５】
前記加熱工程の前に、前記アモルファス金属の還元処理又はプラズマ処理を行って該アモルファス金属の表面を洗浄することを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
【請求項６】
前記結晶化温度領域迄の加熱を、伝導加熱、マイクロ波、電磁気誘導及び光の何れかの方法で行うことを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
【請求項７】
前記結晶化温度領域迄の加熱を、前記第１の被接合部材及び第２の被接合部材の全体の加熱又は部分的な加熱で行うことを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
【請求項８】
前記アモルファス金属を、異なる結晶化温度を有する二つ以上の多層膜又はその混合体とすることを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
【請求項９】
前記アモルファス金属を金属ガラスとすることを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
【請求項１０】
第１の基板と第２の基板を有し、該第１の基板及び第２の基板の少なくとも一方に電子部品を搭載すると共に、該電子部品を内包するように第１の基板と第２の基板とを接合部を介して接合して成る電子部品のパッケージにおいて、
上記接合部がアモルファス金属で成ることを特徴とする、電子部品のパッケージ。
【請求項１１】
前記接合部は、さらに金属又は合金から成る接合部材が配設されていることを特徴とする、請求項１０に記載の電子部品のパッケージ。
【請求項１２】
前記第１の基板及び第２の基板の少なくとも一方と前記アモルファス金属との側にさらに、断熱部材が配設されていることを特徴とする、請求項１０に記載の電子部品のパッケージ。
【請求項１３】
前記アモルファス金属が、異なる結晶化温度を有する二つ以上の多層膜又はその混合体で形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の電子部品のパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶化温度を有するアモルファス金属の結晶化反応を利用した接合方法及びこの方法によって製造した電子部品のパッケージに関する。さらに、詳しくは本発明は、被接合部材の間に結晶化温度を有するアモルファス金属を挟んで、直接或いは間接的な加熱によってアモルファス金属を結晶化させるときに、結晶化反応に伴って生じるアモルファス金属の発熱エネルギーを用いた接合方法とこの接合方法によって製造した電子部品のパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、チップ化された半導体装置、つまり半導体チップは、ワイヤボンドタイプのケーシングに収容されることによって気密封止されている。半導体チップには、ケーシングに接続するための端子としての電極パッドが設けられ、半導体チップの電極パッドとケーシングに設けられている端子とが金線や銅線からなるボンディングワイヤによって電気的に接続される。これにより、ケーシングの端子からなる配線がケーシングの外にある複数のピンに取り出され、これらのピンがプリント基板等の配線に接続されて、一定の機能を有する回路が形成されている。このような実装技術では、ボンディングワイヤやその両端における端子周辺の配線が必要となり、比較的大きなサイズのパッケージとなってしまい、高密度な実装が難しかった。
【０００３】
そこで、ボンディングワイヤを用いないで半導体チップ自体をケーシングの一部として利用する、所謂、ウエハレベルパッケージ（Wafer Level Package、ＷＬＰとも呼ばれている。）が、小型化で高密度な実装が実現できる技術として、携帯電話端末に搭載される大規模集積回路（ＬＳＩ）の実装技術として既に用いられている。
【０００４】
ウエハレベルパッケージのように、半導体チップ自体をケーシングの一部として用いる接合技術、つまりウエハレベルの接合技術は、ワイヤボンディング及びコストの高いケーシングが不要であるため、低価格で大量生産ができる。このため、近年、マイクロマシン（Micro Electro Mechanical System、以下、ＭＥＭＳと呼ぶ。）でも採用されている技術である。
【０００５】
ウエハレベルの接合技術は、近時、高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）、マイクロ流路デバイス、ＭＥＭＳ等のデバイス製造にも利用されている。特に最近では、世界的な潮流としてＭＥＭＳ技術とＬＳＩ技術との融合が検討されている。
【０００６】
４００℃以下の低温プロセスを用いることで、ケーシングの気密封止と、ケーシングと半導体チップとの電気的接続を、１回の接合プロセスで実現可能とする技術は、世界中で活発な研究開発が行われている。気密封止のためにシール材としてＡｕ-Ｓｎ（金−錫）等の共晶合金を用いて、基板同士を機械的に接合すると共に、且つ、半導体チップの金属パッドと外部端子との電気的な接続を同時にできる接合手法は、実用化技術として特に求められている。従来、気密封止と電気的な接続の両者を同時に満足できる接合法は、金属拡散接合と共晶合金を用いた接合等があるが、密封性能、歩留まり、接合強度等のさらなる向上が望まれている。
【０００７】
半導体のケーシングにおいては、接合物質を挟んで同種又は異種の物質を接合する技術が使用されており、その需要が益々増えている状況にあり、ナノフォイルなどを利用した技術が報告されている（非特許文献１参照）。
【０００８】
ところで、近年、金属ガラスの実用化研究が、日本国内のみならず世界中で活発に行われている。金属ガラスは新しい材料であり、非晶質、つまりアモルファス合金で、ガラス転移点を示す。つまり、金属ガラスは、ガラス転移温度と結晶化温度の間に存在する過冷却液体領域で、粘性流動特性を呈しガラスのように塑性変形を示す。金属ガラスは、結晶質金属にはない超高強度、高弾性伸び、低ヤング率、高耐食性といった種々の優れた特性を有している。
【０００９】
そして、金属ガラス同士を接合する場合、棒状や塊状のバルク状態での接合が報告されており、押圧のような動的な摩擦接合手法等が用いられている（特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平５−１３１２７９号公報
【特許文献２】特開平１１−３３７４６号公報
【特許文献３】特開２０１０−１３１６３１号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Y. -C. Lin, J. Brauer, L. Hofmann, M. Baum, J. Fromel, M. Wiemer, M. Esashi, T. Gessner, “Nanofabrication of reactive structure for low temperature bonding”, Proceedings of the 2009 IEEE international conference on nano/molecular medicine and engineering, pp. 110-114, 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来のウエハレベルパッケージにおいて、共晶金属からなる半田等を用いた接合技術では、可逆的反応である融点を利用して接合するので、接合を形成する半田の融点まで温度が上昇すると、接合した部分が解けてしまう。これでは、接合物質の融点より高い温度での加工は不可能である。また、半田の融点で接合を行う場合、融解反応が吸熱反応であるため、接合が終わるまで外からエネルギーを提供し続けなければならないので、被接合部材にダメージを与えるおそれがあり、好ましくない。
【００１３】
金属ガラスを用いた接合も一部が特許文献１〜３に報告されているが、大きな構造物を押圧等の動的な摩擦接合手法等で接合することしか試みられておらず、半導体素子やＭＥＭＳのパッケージやケーシング等の微細構造の接合には未だ適用されていない。
【００１４】
本発明は上記課題に鑑み、金属ガラスを含むアモルファス金属を用いて、被接合部材を接合することが可能な接合方法を提供することを第１の目的とし、金属ガラスを含むアモルファス金属を用いて接合した電子部品のパッケージを提供することを第２の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、非可逆的反応であるアモルファス材料の結晶化現象の発熱反応に着目し、様々な結晶化温度を有するアモルファス材料を用いＳｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの被接合部材を、加熱によって発熱エネルギーを生じるアモルファス金属の結晶化反応によって接合を実現した。
また、アモルファス金属の結晶化は発熱反応であるため、発熱したエネルギーが結晶化を促進させ、自発的に結晶化が終わるまで結晶化が進んでしまうので、アモルファス金属の一部分の結晶化が始まると全体に広がるという特徴がある。この現象により、例えば、接合のために接合物質の全部を融点まで加熱しなければならない従来の方法に比べ、部分的な加熱で全体の接合が出来ることになる。本発明者らは、この現象に着目し、種々検討し実験を行った結果、アモルファス金属特有の特質により、被接合部材の温度を低く保つことができ、被接合部材に対するダメージを最小限にすることに成功し、本発明を完成させた。
【００１６】
上記第１の目的を達成するため、本発明の接合方法は、第１の被接合部材と第２の被接合部材との間にアモルファス金属を配設するアモルファス金属を配設する工程と、アモルファス金属をアモルファス金属の結晶化温度領域迄加熱する加熱工程と、を含み加熱工程の結晶化温度領域で第１の被接合部材と第２の被接合部材とをアモルファス金属を介して接合することを特徴とする。
【００１７】
上記構成において、アモルファス金属を、好ましくは、スパッタ、蒸着、鍍金、プリンティング、溶射、及び噴射の何れかの方法で第１の被接合部材及び第２の被接合部材の少なくとも一方に堆積する。
第１の被接合部材及び第２の被接合部材の少なくとも一方とアモルファス金属との間にさらに、好ましくは、断熱部材を配設することを特徴とする。
アモルファス金属を配設する工程において、好ましくは、アモルファス金属の片側又は両側にさらに、金属又は合金から成る接合部材を配設し、第２工程の結晶化温度領域でアモルファス金属の発熱によって第１の被接合部材と第２の被接合部材とをアモルファス金属及び接合部材によって接合する。
加熱工程の前に、好ましくは、アモルファス金属の還元処理又はプラズマ処理を行ってアモルファス金属の表面を洗浄する。
結晶化温度領域迄の加熱を、好ましくは、伝導加熱、マイクロ波、電磁気誘導及び光の何れかの方法で行う。
結晶化温度領域迄の加熱を、好ましくは、第１の被接合部材及び第２の被接合部材の全体の加熱又は部分的な加熱で行う。
アモルファス金属を、好ましくは、異なる結晶化温度を有する二つ以上の多層膜又はその混合体とする。
アモルファス金属を、好ましくは、金属ガラスとする。
【００１８】
上記第２の目的を達成するため、本発明の電子部品のパッケージは、第１の基板と第２の基板を有し、第１の基板及び第２の基板の少なくとも一方に電子部品を搭載すると共に、電子部品を内包するように第１の基板と第２の基板とを接合部を介して接合して成る電子部品のパッケージにおいて、接合部がアモルファス金属で成ることを特徴とする。
【００１９】
上記構成において、接合部には、好ましくは、さらに金属又は合金から成る接合部材が配設されている。
第１の基板及び第２の基板の少なくとも一方とアモルファス金属との側にさらに、好ましくは、断熱部材が配設されている。
アモルファス金属が、好ましくは、異なる結晶化温度を有する二つ以上の多層膜又はその混合体で形成されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明において、結晶化温度を有するアモルファス金属の結晶化反応を用いて接合を行う場合、結晶化の現象が非可逆的であるため、結晶化温度領域の加熱で接合が形成できるので加工の温度領域が広くなる利点がある。さらに、従来の融点を使う結晶物質の接合が吸熱反応であるのに対し、アモルファス金属の結晶化は発熱反応であるため、発熱したエネルギーが結晶化を促進させ、自発的に結晶化が終わるまで結晶化が進んでしまうので、アモルファス金属の一部分の結晶化が始まると全体に広がるという特徴がある。この現象によって、例えば、従来の半田の融点を使う接合において、半田や結晶物質の全部を融点まで加熱する方法に比較して、部分的な加熱で全体の接合が形成できるという利点が生じる。これにより、被接合部材の温度を低く保つことができ、被接合部材に対するダメージを最小限にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の接合方法の工程図である。
【図２】図１に示した接合方法で作製した電子部品のパッケージの構造を示す断面図である。
【図３】実施例のＡｕ基金属ガラス合金のＸ線回折を測定した結果を示す図である。
【図４】実施例のＡｕ基金属ガラス合金のＤＳＣ曲線を示す図である。
【図５】図４のＡｕ基金属ガラス合金のＤＳＣ曲線において、結晶化温度（Ｔｘ）における発熱量を示す図である。
【図６】実施例の接合工程を順次に示す斜視図である。
【図７】実施例の接合の断面においてＸ線回折を測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る接合方法の工程図である。図１は、（Ａ）に示す第１の基板２に電子部品８を搭載し、この第１の基板２と（Ｂ）に示す第２の基板４とを、（Ｃ）に示すように接合して、電子部品を封止する工程を示している。
【００２３】
先ず、第１の基板２と第２の基板４の少なくとも一方の面に、電子部品８を囲繞するようにアモルファス金属３と、このアモルファス金属３上に接合部材５を形成する。
図１（Ａ）では、第１の基板２に電子部品８としてＬＳＩが形成されている。この第１の基板２で電子部品８を取り囲む領域にアモルファス金属３及び接合部材５を形成する。なお、図１（Ａ）では、ＬＳＩ８の一部の構成である絶縁膜９、配線層８Ａを表し、その構成の全ての表示を省略している。本実施形態では、アモルファス金属３として金属ガラス薄膜を用いる。接合部材５として半田層を用いる。以下の説明でアモルファス金属３及び接合部材５を、それぞれ金属ガラス薄膜及び半田層として説明する。
【００２４】
次に、第１の基板２と対向して設けられ、それらの間に封止領域を形成するための部材として、図１（Ｂ）に示す電子部品を覆う第２の基板４を準備する。第２の基板４を第１の基板２に重ねた際に、第１の基板２の金属ガラス薄膜３に接触する第２の基板４表面の対向する領域に半田層５を形成する。
【００２５】
次に、第１の基板２の電子部品８の実装面と第２の基板４の半田層５を形成した面とを対向させ、第１の基板２と第２の基板４との間に電子部品８が内包されるように、金属ガラス薄膜３と半田層５とを対向させて位置合わせする。そして、図１（Ｃ）に矢印で示すように、第１の基板２と第２の基板４とに圧力を印加する。この圧接状態を維持しながら、金属ガラス薄膜３の結晶化温度まで第１の基板２と第２の基板４とを加熱する。
【００２６】
具体的には、図１（Ｃ）に示すように、電子部品８を搭載しかつ金属ガラス薄膜３及び半田層５が形成されている第１の基板２を試料ステージ１１に載置する。そして、第１の基板２と第２の基板４とで電子部品８を内包するよう、第２の基板４を第１の基板２の上に積み重ねる。重ね合わせの際、位置合わせする。そして、第２の基板４上に加圧ツール１２を載置する。加圧ツール１２を利用して、第１の基板２と第２の基板４とに所定の圧力を所定の時間印加する。図１（Ｃ）において矢印で示すように、加圧ツール１２によって第１の基板２と第２の基板４とを圧接し、さらに金属ガラス薄膜３の結晶化温度まで加熱する。
【００２７】
加熱処理によって金属ガラス薄膜３を結晶化温度まで昇温することで、金属ガラス薄膜３が発熱状態となり、さらに加圧ツール１２によって金属ガラス薄膜３が押圧されることで、半田層５が加熱される。半田層５が融点又は共晶点温度以上になると、第１の基板２に形成した半田層５と第２の基板４に形成した半田層５とが共に溶けた状態になり、所定時間加圧することで、接合部６（図１（Ｃ）参照）が形成される。そして、この接合部６と第１の基板２及び第２の基板４とが冷却される。金属ガラス薄膜３が電子部品８の外周を囲繞するように形成されている場合には、この金属ガラス薄膜３と半田層５とが加熱されて融合して接合部６となる。これにより、第１の基板２と第２の基板４とを接合部６で接合して電子部品８を気密封止することができる。第１の基板２と第２の基板４を接合部材に対して被接合部材とも呼ぶ。
ここで、電子部品８には金属ガラスの結晶温度になるように局所的に加熱した場合には、接合部６となる領域だけが高温になるので、電子部品８、特に温度敏感な電子部品８には熱ダメージを与えないようにすることができる。
【００２８】
以上のように、金属ガラス薄膜３及び半田層５で第１の基板２及び第２の基板４を接合することで電子部品８を封止する。
【００２９】
図１では、（Ａ）に示す第１の基板２に電子部品８を搭載し、この第１の基板２と（Ｂ）に示す第２の基板４とを、（Ｃ）に示すように接合して電子部品８を封止する工程を示している。図１（Ｂ）に破線で示すように、第２の基板４にさらに電子部品４Ａ或いは第２の基板４にだけ電子部品４Ａを搭載し、この電子部品４Ａを第１の基板２と第２の基板４との間に封止するための接合も、本実施形態の接合方法を利用できる。
また、第１の基板２に金属ガラス薄膜３を形成せずに半田層５だけを形成し、第２の基板４に電子部品８を取り囲むようにしてもよい。つまり、第１の基板２と第２の基板４とを接合したときに電子部品８を取り囲むことができる第２の基板４の領域に、金属ガラス薄膜３と、この金属ガラス３上に半田層５と、を形成しておき、第１の基板２と第２の基板４とを電子部品８を内包するようにして対向させて位置合わせしてもよい。
【００３０】
上記第２の基板４には金属ガラス薄膜３の下に酸化膜や熱絶縁膜を設けてもよい。酸化膜や熱絶縁膜は、金属ガラス薄膜３を結晶化温度領域で加熱する場合に、第１の基板２や第２の基板に熱を逃げ難くする。つまり、酸化膜や熱絶縁膜は断熱部材として作用する。
【００３１】
第２の基板４に電子部品４Ａが形成されている場合も、同様に電子部品４Ａを封止することができることについては、これ以上説明を要しないであろう。また、図１では、第１の基板２に金属ガラス薄膜３を設けたが、金属ガラス薄膜３を第１の基板２と第２の基板４に両方に配置してもよい。
【００３２】
図２は、図１に示す接合方法で作製した電子部品のパッケージ１の構造を示す断面図である。
図２に示すように、電子部品のパッケージ１は、第１の基板２と第２の基板４とを有する。第１の基板２及び第２の基板４の少なくとも一方に電子部品８，４Ａを搭載している。電子部品８，４Ａを内包するように、第１の基板２と第２の基板４とが接合部６を介して接合している。接合部６は、アモルファス金属３と半田層５と構成されている。図２では、電子部品８としてのＬＳＩがＳｉ基板などの半導体基板である第１の基板２上に形成されている場合を示しており、ＬＳＩの配線層８ＡとＳｉＯ２などの絶縁膜９だけを示し、ＬＳＩの構成部材の全体表示を省略している。図２に点線で示す電子部品４Ａは、ＭＥＭＳとして第２の基板４に形成されていてもよい。
【００３３】
接合部６の厚さは、電子部品８，４Ａを内包できる厚さに設定される。電子部品としてＭＥＭＳを内包する場合には、ＭＥＭＳとなる振動子や片持ち梁等の動作に支障がないよう、言い換えれば、第１の基板２と第２の基板４との間にＭＥＭＳが機能を発揮できるようなギャップを画成するよう、接合部６の厚さが設定される。
【００３４】
上記実施形態では、第１の基板２に金属ガラス薄膜３と、金属ガラス薄膜３上に半田層５を形成したが、第１の基板２に金属ガラス薄膜３だけを形成して、金属ガラス薄膜３と第２の基板２のＳｉとを接合してもよい。これにより、金属ガラス薄膜３を結晶化温度まで昇温することで、金属ガラス薄膜３が発熱状態となり、かつ、加圧ツール１２で押圧されることにより、金属ガラス薄膜３とＳｉとを接合することができる。第２の基板２は、Ｓｉ以外の基板でもよく、セラミック基板やガラス基板でもよい。
【００３５】
本発明において、アモルファス金属３は、全体的に非平衡相あるいは部分的に非平衡相を含む物質であり、結晶化反応により発熱反応を伴うものである。アモルファスからなる部材は、如何なる形状でもよく、薄膜、粉末、フォイル（箔）、シート、液体、ゲル、バルク、これらの多層膜及び混合体を含む。
【００３６】
アモルファス金属３は、所謂、金属ガラスを用いることができる。金属ガラスは２種以上の金属からなり、ガラス遷移温度と結晶化温度を有する非晶質、つまりアモルファスからなる合金である。
【００３７】
本明細書で「金属ガラス」とは、ガラス遷移温度と結晶化温度を有するアモルファス金属３として、金属をベースにした合金系である。金属ガラスの主成分となる元素としては、Ｐｄ（パラジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、希土類元素等が上げられる。金属ガラスは、室温から８００℃近傍までの幅広いガラス遷移温度と結晶化温度を有している。本発明では、例えばＰｄを主成分とする金属ガラス合金をＰｄ基金属ガラス合金と呼び、希土類元素を主成分とする金属ガラス合金をランタノイド基金属ガラス合金と呼ぶ。
【００３８】
ランタノイド基金属ガラスは、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ（ネオジム）、Pｍ（プロメチウム）、Ｓｍ（サマリウム），Ｅｕ（ユウロピウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム），Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｌｕ（ルテチウム）などを主成分にした金属ガラスである。
【００３９】
金属ガラスでは、結晶化開始温度（Ｔｘ）とガラス遷移温度（Ｔｇ）との温度間隔ΔＴｘ（＝Ｔｘ−Ｔｇ）は、過冷却液体領域（ΔＴｘ）と呼ばれている。広い過冷却液体領域（ΔＴｘ）及び大きな換算ガラス化温度（Ｔｇ／Ｔ１）を有する金属ガラス合金は、結晶化に対する高い安定性を示して、大きな非晶質形成能を有することが知られている。Ｔ１は、金属ガラスの液相線温度である。非晶質形成能は、ガラス形成能（ＧＦＡ）とも呼ばれている。金属ガラス合金は、従来の非晶質のアモルファス合金のように薄帯、ファイバー、微粉末に限らず、金型鋳造法により直径又は厚さがｍｍオーダーのバルク状非晶質合金材を作製することが可能である。
【００４０】
「ガラス遷移温度（Ｔｇ）」とは、Differential scanning calorimeter（DSC）やDifferential thermo analysis（DTA）などの熱分析法で、加熱過程で固体から過冷却液体領域になるときの吸熱現象が始まる温度を示している。
【００４１】
過冷却液体領域（ΔＴｘ）とは、結晶化に対する抵抗力、すなわち非晶質の安定性及び加工性を示すもので、例えば０．３Ｋ／秒の加熱速度で示差走査熱量分析（ＤＳＣ：Differential Scanning Calorimetry）を行うことで得られるガラス遷移温度Ｔｇと結晶化温度Ｔｘの差で定義される値である。
【００４２】
「結晶化温度（Ｔｘ）」とは、Differential scanning calorimeter（DSC）やDifferential thermo analysis（DTA）などの熱分析法で、加熱過程で結晶化反応による発熱現象が始まる温度を示す。
【００４３】
「結晶化反応による発熱エネルギー」とは、アモルファス金属３が結晶化反応によって準安定状態から結晶の安定状態に変わる際、アモルファス金属３から出てくるエネルギーを示している。このエネルギーはＤＳＣを用いた熱分析で得られる加熱温度と発熱との関係を示す図において、結晶化温度近傍の発熱ピークが占める面積に相当している。
【００４４】
次に接合部材５について説明する。
接合部材５は、結晶化反応により発熱反応を発現したときに、加熱され溶融する部材である、各種の金属や金属からなる合金を材料とすることができる。金属としては、Ｉｎ（インジウム），Ｓｎのような低融点金属や、ＡｕとＳｎからなる合金、又はＡｕとＳｎからなる共晶合金等が使用できる。
【００４５】
本発明の接合方法は、被接合部材２，４の間に結晶化温度を有するアモルファス金属３を挟んで、直接或いは間接的な加熱によりアモルファス金属３を結晶化させることで、結晶化反応に伴う発熱エネルギーを用いて被接合部材２、４、つまり第１の基板２と第２の基板４との接合を行う技術を提供することができる。
特に、本発明は、非可逆的現象である結晶化反応を用いるため、接合後にアモルファス金属３の結晶化温度より２倍ほど高い融点までアモルファス金属３が安定しているので、加工の温度領域が広くなる利点がある。
【００４６】
本発明では、アモルファス金属３の結晶化は発熱反応であるため、発熱したエネルギー自体が結晶化を促進させ自発的に結晶化が終わるまで結晶化が進むため、アモルファス金属３の一部分が結晶化し始まると全体に広がるという特徴がある。この現象は、例えば、接合のために半田の全部を融点まで加熱しなければならない従来の方法に比べ、部分的な加熱で全体の接合を形成することが可能である。このため、被接合部材２，４の温度を低く保つことができ、被接合部材２、４に対する熱的な損傷（ダメージ）を最小限にすることに有効である。
【００４７】
本発明は、例えば、結晶化温度が３００℃近傍のランタノイド基金属ガラスをアモルファス金属３として使う場合、３００℃付近までの結晶化温度まで加熱することで結晶化が始まる。そして、アモルファス金属３の結晶化反応に伴う発熱エネルギーが自発的に結晶化を進め、この発熱現象から熱がさらにアモルファス金属３の温度を上昇させてアモルファス金属３と被接合部材２，４との接合ができる。さらに、金属ガラスの場合は、結晶化温度以前にガラス遷移温度を有するため、結晶化反応の前に過冷却液体領域において急激に粘性が下がるため、被接合部材２，４とアモルファス金属３との密封性と濡れ性が高くなる特徴がある。この特徴から、被接合部材２，４の接合面が平坦でない場合及び複雑構造を持っている場合にも、被接合部材２，４とアモルファス金属３とを接合できる。
【００４８】
本発明では、金属ガラス薄膜３の結晶化反応が瞬時に起こり、被接合部材２、４の熱伝導率が低い場合或いは接合物質の量が十分多い場合は、結晶化反応による発熱エネルギーが接合面に溜まり、温度が被接合部材２，４及びアモルファス金属３の融点以上に上がることで、化学反応が起こり、強い接合を形成することも特徴の一つである。
【００４９】
本発明は、酸素との親和性が高いランタノイド元素を含んだアモルファス金属３として使う場合、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２などのセラミックスの接合において、セラミックスの低い熱伝導率により結晶化反応よる発熱エネルギーが接合面に溜まり易い。このため、セラミックスを被接合部材２，４の少なくとも一方とした場合、結晶化反応よる発熱エネルギーによって、被接合部材２，４及びアモルファス金属３を融点以上の温度に短時間で上昇させることが可能であり、さらに、ランタノイド元素を含んだアモルファス金属３による酸素との強い親和力で接合性が強化されるという特徴がある。
【００５０】
本発明で使用できる加熱の手段は、直接的な加熱方法で、被接合部材２、４とアモルファス金属３を加熱炉に入れる、或いはホットプレートの上に置いて加熱させることができる。加熱は直接的な加熱方法ではなく、伝導加熱でもよい。
【００５１】
間接的な加熱方法で、マイクロ波を吸収しやすいアモルファス金属３の場合、被接合部材２、４及びアモルファス金属３の全体或いは一部分にマイクロ波を照射し、アモルファス金属３だけ、被接合部材２，４だけ、又は被接合部材２，４及びアモルファス金属３を加熱することができる。
【００５２】
電磁気誘導により加熱できる被接合部材２，４とアモルファス金属３の場合、被接合部材２，４とアモルファス金属３の全体或いは一部分に電磁気誘導させて加熱できる。つまり、被接合部材２，４だけ、アモルファス金属３だけ、又は被接合部材２，４及びアモルファス金属３を加熱することができる。
【００５３】
光やレーザを照射する場合、被接合部材２，４、被接合部材２，４とアモルファス金属３の全体、或いは一部分に光やレーザを照射してもよい。被接合部材２，４のアモルファス金属３やアモルファス金属３及び半田層４だけの部分加熱でもよい。このような接合部６にだけ加熱を行う場合には、接合部６以外の被接合部材２，４がマイクロ波、電磁気誘導、光、レーザなどで加熱されない。これにより、接合部６以外の被接合部材２，４は温度上昇がないので、接合部６以外の被接合部材２，４のダメージを最小限にすることができる。
【００５４】
さらに、アモルファス金属３の一部分のみ結晶化させることで、全てのアモルファス金属３の結晶化が進むという特徴から、加熱装置の小型化ができる。例えば、大型の被接合部材２，４を加熱炉に入れないで、携帯のマイクロ波発生装置を用いてマイクロ波を被接合部材２，４の一部分に照射することだけで、接合部６を形成できる。
【００５５】
結晶化温度領域における加熱は、アモルファス金属３や金属又は合金からなる接合部材５が酸化されないような雰囲気で行うとよい。窒素のような不活性ガス雰囲気が使用できる。結晶化温度領域における加熱は、真空中で行ってもよい。
【００５６】
結晶化温度を有するアモルファス金属３を被接合部材２，４の間に挟む方法は、アモルファスフォイル状或いはシート状にすることで、接合面積が広い被接合部材２，４に適用できる。
【００５７】
アモルファス金属３やアモルファス金属３と接合部材５を併用する場合、これらの材料は、スパッタ、蒸着、鍍金、プリンティング、噴射などを用いて、被接合部材２，４の全体或いは一部分に堆積することができる。これらの方法によれば、複雑な構造の接合や精密接合を必要とする被接合部材２，４の接合に適用できる。例えば、半導体製造工程に良く使われるマスキング、エッチング、リフトオフ等の技術を使い、アモルファス金属３を必要とする部分に正確に付着させることで、細かい電極などの接合にも応用ができる。
【００５８】
これにより、電子部品同士の機械的且つ電気的接合から異なった機能をもつモジュール間のハイブリッド化が可能になる。さらに、アモルファス金属３を鍍金で付着させると、フォイル状、シート状、蒸着、プリンティング、噴射と違い、アモルファス金属３の三次元的な付着ができるので、三次元的に複雑構造を持つ被接合部材２，４の接合にも有効である。
【００５９】
アモルファス金属３やアモルファス金属３と接合部材５を堆積した後に、金属ガラス薄膜３や接合部材５の表面に形成される金属酸化物の除去又は減少を行う工程をさらに追加してもよい。金属酸化物の除去又は減少は、還元処理又はプラズマ処理をする工程である。このような還元処理工程は、水素ガス又は水素ガスを発生させる雰囲気で処理すればよい。このような処理工程としては、ＬＳＩのＣｕ配線の処理に用いられる蟻酸処理が挙げられる。Ｗ（タングステン）等のホットフィラメントによって発生した原子状水素を用いた還元処理でもよい。プラズマ処理工程は、Ａｒ（アルゴン）等を励起したプラズマで処理すればよい。つまり、前処理工程としては、金属接合を行う前のプラズマ活性化処理が挙げられる。この処理工程によって、金属ガラス薄膜３，５の表面が清浄になる。
下記に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例】
【００６０】
最初に、接合に用いたＡｕ基金属ガラス合金の製造方法及び金属ガラスの特性について説明する。
Ａｕ基金属ガラス合金の原料となる高純度金属を必要な組成に合わせて、電子天秤を用いて１ｍｇ単位まで測り、合計３０ｇになるように秤量した。
次に、この原料を高純度アルゴン雰囲気中でアーク溶解法を用いて溶融状態とし、母合金を作製した。具体的には、秤量した３０ｇの原料を銅製のハスの上に載せ、真空度が１０−３Ｐａになるまで真空引きした後、高純度のＡｒガスを１気圧付近まで導入した。そして、Ｔｉを溶かして残存酸素を除去した後に、原料をアーク溶解してボタン状の合金を作製した。その際、原料が均一になるように５回裏返しながら溶解した。
【００６１】
次に、銅製の金型を用いた金型鋳造法によって高純度アルゴン雰囲気中で棒状合金を作製した。具体的には、５ｇ程度に分割した合金を石英製ノズルに入れて、真空度１０−３Ｐａになるまで真空を引いた後、高純度のＡｒガスを約１気圧導入し、高周波溶解法で合金を溶かし、板状になっている銅製の金型に噴射することによって、四角形の板状のＡｕ基金属ガラスからなる試料を作製した。このＡｕ基金属ガラスの組成は、Ａｕ４９Ａｇ５．５Ｃｕ２６．９Ｐｄ２．３Ｓｉ１６．３であった。
【００６２】
図３は、実施例のＡｕ基金属ガラス合金のＸ線回折を測定した結果を示す図である。図３の縦軸はＸ線回折強度（任意目盛）を示し、横軸は角度２θ（°）を示している。図３から明らかなように、実施例のＡｕ基金属ガラス合金は２θが４０〜４５°の範囲で非常に幅の広い回折ピークを有しており、結晶からの回折を示す鋭い回折ピークが全く観察されないことから、非晶質であることが分かる。
【００６３】
実施例で作製した試料のＡｕ基金属ガラス合金の過冷却液体領域（ΔＴｘ）の測定のために、０．６７Ｋ／秒の加熱速度で示差走査熱量計を用いてＤＳＣ測定を行った。
図４は、実施例のＡｕ基金属ガラス合金のＤＳＣ曲線を示す図である。図４の縦軸は熱量、横軸は温度（Ｋ）である。なお、通常のＤＳＣ曲線で相転移が起きる現象を調べる際には、結晶化温度（Ｔｘ）のように発熱反応が観測される。図中のＴｘに示す縦軸方向における上向き矢印は発熱を表現している。これに対して、金属ガラスでは吸熱反応が生起する過冷却液体領域を意識して、図中のガラス遷移温度Ｔｇに示す縦軸方向における下向き矢印は吸熱を表現している。
図４から明らかなように、実施例のＡｕ基金属ガラス合金のガラス遷移温度Ｔｇは４１５Ｋ（１４２℃）であり、結晶化開始温度Ｔｘは４５０Ｋ（１７７℃）であった。
【００６４】
図５は、図４のＡｕ基金属ガラス合金のＤＳＣ曲線に関し、結晶化温度（Ｔｘ）での発熱量を示す図である。図５の縦軸は熱量、横軸は温度（Ｋ）である。図５に示すように、矢印で示す面積がＡｕ基金属ガラス合金を結晶化温度まで加熱したときの発熱量である。図示の場合の発熱量は、１４．４Ｊ／ｇであった。
【００６５】
次に、Ａｕ基金属ガラス合金とＡｕ及びＳｎとからなる接合について説明する。
図６は実施例の接合工程を順次に示す斜視図である。
図６（Ａ）に示すように、第１のＡｕ基金属ガラス合金３の板状の試料に、厚さが７０ｎｍのＣｒと厚さが５００ｎｍのＡｕ５をスパッタリング法で堆積した。第１のＡｕ基金属ガラス合金３の大きさは、５ｍｍ×５ｍｍであり、厚さは５００μｍである。
次に、第２のＡｕ基金属ガラス合金３の板状の試料に、厚さが３０ｎｍのＴｉと厚さが１９０ｎｍのＳｎ５をスパッタリング法で堆積した。第２のＡｕ基金属ガラス合金３の寸法は、第１のＡｕ基金属ガラス合金３の寸法と同じである。
【００６６】
ボンディング工程の前に金属酸化物を除去するために、前処理として蟻酸処理を行った。蟻酸処理は、１００℃で蟻酸の圧力を２ｋＰａとして、３００秒間処理した。
【００６７】
次に、図６（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、第１のＡｕ基金属ガラス合金３に第２のＡｕ基金属ガラス合金５と断熱部材となるＳｉＯ２板１５とを順に乗せた。
引き続き、図６（Ｃ）に示すように、第１のＡｕ基金属ガラス合金３からなる試料と第２のＡｕ基金属ガラス合金３からなる試料とを加圧ツール１２で押圧しながら、Ａｕ基金属ガラス合金の結晶化温度領域の２００℃迄に加熱して、加圧ツール１２に３７１Ｎの圧力を１５分間印加してボンディングを行った。実施例では、第１及び第２のＡｕ基金属ガラス合金３からなる試料同士は強固に接合された。
【００６８】
図７は実施例の接合の断面においてＸ線回折を測定した結果を示す図である。図７の縦軸はＸ線回折強度（任意目盛）を示し、横軸は角度２θ（°）を示している。
図７から明らかなように、実施例では、Ａｕ基金属ガラス合金に加え、ＡｕとＳｎのピ−クも測定された。これから、Ａｕ基金属ガラス合金３の発熱によって、Ａｕ５とＳｎ５とが共晶となる温度、つまり２８０℃迄加熱されて接合が形成されることが分かった。
【００６９】
（比較例）
実施例で用いたＡｕ基金属ガラスをＳｉ基板に代えた以外は、実施例と同様にして、接合を試みた。第１及び第２のＳｉ基板は、Ａｕ基金属ガラスと同じ寸法とした。第１のＳｉ基板には、実施例と同様にして厚さが７０ｎｍのＣｒと厚さが５００ｎｍのＡｕとをスパッタリング法で堆積した。第２のＳｉ基板には、実施例と同様にして厚さが３０ｎｍのＴｉと厚さが１９０ｎｍのＳｎとをスパッタリング法で堆積した。
【００７０】
次に、第１及び第２のＳｉ基板表面の蟻酸処理を行った。
そして、実施例と同様にして第１及び第２のＳｉ基板を２００℃迄に加熱して、加圧ツールに３７１Ｎの圧力を、１５分間印加してボンディングを行った。この比較例１の場合には、第１の基板及び第２のＳｉ基板との接合ができなかった。
【００７１】
比較例で、第１の基板と第２のＳｉ基板との接合ができなかったのは、加熱温度の２００℃は、Ｓｎの融点である２３２℃及びＡｕの融点である１０６４℃、また共晶合金が形成される温度である２１７℃及び２８０℃の何れよりも低いからと推定される。
【００７２】
上記実施例では、比較的厚いＡｕ基金属ガラスを被接合部材２、４とアモルファス金属３とを兼ねるようにして接合を行った。実施例の結果から、被接合部材２，４としてＳｉ基板を使用し、このＳｉ基板上にＡｕ基金属ガラス薄膜３をスパッタ法で形成し、他は実施例と同様にすれば、実施例と同様に被接合部材２，４となるＳｉ基板同士を接合できることは明らかである。
【００７３】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。外部回路との電気的接続のためにパッケージに設ける端子は、第１及び第２の基板の何れに設けてもよく、パッケージの用途に応じて適宜に設計すればよい。
【符号の説明】
【００７４】
１：パッケージ
２：第１の基板
２Ａ：端子
２Ｂ:配線層
３：金属ガラス薄膜
３Ａ、：第１の接合部
４、：第２の基板
５：接合部材
６：接合部
７：空隙
８：電子部品
８Ａ:配線層
９：絶縁膜
１２：加圧ツール
１５：ＳｉＯ２板
【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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