(57)【要約】      （修正有）【課題】異種材質間の接合を含む広範な材質間の接合に使用することができ，かつ，接合対象とする基体に物理的なダメージを与えることなく大気圧下で接合を行うことができる接合方法を提供する。【解決手段】真空容器内において，平滑面を有する２つの基体それぞれの前記平滑面に，単金属又は合金から成る微結晶構造の薄膜を形成する。その後，大気圧の高純度不活性ガス雰囲気下で前記２つの基体に形成された前記薄膜同士が接触するように前記２つの基体を重ね合わせることにより前記微結晶薄膜の接合界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせて前記２つの基体を接合する。【選択図】図１
2012223792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内において，平滑面を有する２つの基体それぞれの前記平滑面に，単金属あるいは合金から成る微結晶構造の薄膜を形成すると共に，１×１０-4Paを越える圧力の不活性ガス雰囲気下において，前記２つの基体に形成された前記微結晶構造の薄膜同士が接触するように前記２つの基体を重ね合わせることにより，前記微結晶構造の薄膜の接合界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせて前記２つの基体を接合することを特徴とする原子拡散接合方法。
【請求項２】
真空容器内において，一方の基体の平滑面に，単金属あるいは合金から成る微結晶構造の薄膜を形成すると共に，１×１０-4Paを越える圧力の不活性ガス雰囲気下において，少なくとも表面が微結晶構造を有する平滑面を備えた他方の基体の平滑面に前記一方の基体に形成された前記微結晶構造の薄膜が接触するように前記一方，他方の２つの基体を重ね合わせることにより，前記微結晶構造の薄膜と前記他方の基体の前記平滑面との接合界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせることにより前記２つの基体を接合することを特徴とする原子拡散接合方法。
【請求項３】
前記微結晶構造の薄膜を，室温における体拡散係数が１×１０-55(m2/s)未満の金属あるいは合金，又は，室温における酸化物の生成自由エネルギーが−３３０(kJ/mol of compounds)未満の単金属あるいは合金により形成することを特徴とする請求項１又は２記載の原子拡散接合方法。
【請求項４】
前記微結晶薄膜が，室温における体拡散係数が６．７×１０−110m2/sのタングステン（Ｗ）から成ることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項５】
前記基体の重ね合わせを，大気圧以上の圧力の不活性ガス雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項６】
前記不活性ガスが，アルゴン，ヘリウム，ネオン，クリプトン，キセノン，窒素，メタン，二酸化炭素，及び一酸化炭素の群から選択されたいずれか１種のガス，あるいは，前記群のガスから選択された２種以上のガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項７】
前記基体の重ね合わせを行う空間に，不純物濃度が１ppm以下の不活性ガスを供給するガス源からのガスを単独で又は混合して導入することによりガス置換し，前記不活性ガス雰囲気を生成したことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項８】
前記ガス源からの不活性ガスを純化器を通過させて不純物を除去した後，前記基体の重ね合わせを行う空間に導入したことを特徴とする請求項６記載の原子拡散接合方法。
【請求項９】
前記不活性ガス雰囲気を窒素ガス，あるいは，窒素ガスと他の不活性ガスとの混合ガスにより形成すると共に，前記微結晶薄膜を，室温における窒化物の生成自由エネルギーが−３１０(kJ/mol of compounds)以上の単金属あるいは合金で形成したことを特徴とする請求項１〜８いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項１０】
前記基体の重ね合わせを，塵埃の除去された雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１〜９いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項１１】
前記基体を重ね合わせる力の強さが１０１kPa以下であることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項１２】
上記基体を重ね合わせる際の前記基体温度を室温以上４００℃以下の範囲で加熱して体拡散係数を上昇させることを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項１３】
前記基体の加熱を，前記微結晶薄膜の形成材料の室温における体拡散係数が１×１０-40m2/s以下の場合に行うことを特徴とする請求項１２記載の原子拡散接合方法。
【請求項１４】
前記基体の重ね合わせを，前記基体を加熱することなく行うことを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項１５】
前記微結晶薄膜の形成と，前記基体の重ね合わせを同一あるいは隣接する容器中で行うことを特徴とする請求項１〜１４いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項１６】
到達真空圧力が１×１０-4Pa〜１×１０-8Paの真空容器内で前記微結晶薄膜の形成を行うことを特徴とする請求項１〜１５いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項１７】
前記微結晶薄膜を，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｗの元素群より選択されたいずれか１つの単金属により形成し，又は前記元素群より選択された１つ以上の元素を含む合金により形成したことを特徴とする請求項１又２記載の原子拡散接合方法。
【請求項１８】
前記微結晶薄膜を形成する前に，前記微結晶薄膜の形成と同一真空中において，前記微結晶薄膜の形成を行う基体の平滑面に生じている変質層を除去することを特徴とする請求項１〜１７いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項１９】
前記微結晶薄膜が形成される前記基体の平滑面に，前記微結晶薄膜とは異なる材料の薄膜から成る下地層を１層以上形成し，当該下地層上に前記微結晶薄膜を形成することを特徴とする請求項１〜１８いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項２０】
前記下地層を，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの元素群より選択されたいずれか１つの単金属により形成し，又は前記元素群より選択された１つ以上の元素を含む合金により形成したことを特徴とする請求項１９記載の原子拡散接合方法。
【請求項２１】
前記下地層を形成する前記単金属又は合金として，当該下地層上に形成される微結晶薄膜を形成する単金属又は合金よりも高融点で，且つ，前記微結晶薄膜を形成する単金属又は合金に対して融点の差が大きいものを使用することを特徴とする請求項１９又は２０記載の原子拡散接合方法。
【請求項２２】
前記微結晶薄膜の膜厚を０．１nm〜１μmとしたことを特徴とする請求項１〜２０いずれか１項記載の原子拡散接合方法。
【請求項２３】
請求項１〜２２いずれか１項記載の方法により原子拡散を伴うパッケージの接合を行うことにより，内部に１×１０-4Paを越える圧力の不活性ガスを封止したパッケージ型電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子拡散接合方法に関し，より詳細には，例えばＩＣ基板の積層化やパッケージの封止，各種デバイスの複合化等，被接合材である２つの基体間を強固に接合する際に使用される接合方法において，少なくとも一方の基体の接合面に形成された微結晶薄膜を介して２つの基体を接合することにより，接合界面および結晶粒界において原子拡散を生じさせることにより基体間を接合する新規な接合方法に関する。
【０００２】
なお，本発明における「微結晶」には「多結晶」の他，「アモルファス」を含む。
【０００３】
また，本発明における「薄膜」には，連続した膜の他，核成長の過程において形成される島状構造のように断続部分を有するものも含む。
【０００４】
更に本発明における「結晶粒界」とは原子配列の規則性の断続部分を言い，多結晶における結晶粒の境界（一般的な意味での「結晶粒界」）の他，長距離秩序（数１０原子程度以上の原子集団における配列の規則性）を有しないが，短距離秩序（数１０原子以下の原子集団における配列の規則性）を有する前述のアモルファスにあっては，この「短距離秩序」の断続部分が本発明における「結晶粒界」であると共に，アモルファス金属膜中に空隙があり，体積率（充填率）が１００％よりも低い場合，その空隙とアモルファス金属の界面も，高い原子拡散係数を有すると考えられることから，上述の短距離秩序の断続部分と同様に本発明における「結晶粒界」に相当する。
【背景技術】
【０００５】
２つ以上の被接合材を貼り合わせる接合技術が各種の分野において利用されており，例えば電子部品の分野において，ウエハのボンディング，パッケージの封止等においてこのような接合技術が利用されている。
【０００６】
一例として，前述のウエハボンディング技術を例にとり説明すれば，従来の一般的なウエハボンディング技術では，重ね合わせたウエハ間に高圧，高熱を加えて接合する方法が一般的である。
【０００７】
しかし，この方法による接合では，熱や圧力に弱い電子デバイス等が形成された基板の接合や集積化を行うことができず，そのため，このような物理的なダメージを与えることなく被接合材相互を接合する技術が要望されている。
【０００８】
このように，被接合材間を常温，無加圧で接合する技術としては，被接合材の接合面のそれぞれに対し，いずれも希ガス等のイオンビームを照射して接合面における酸化物や有機物等を除去することで，接合面表面の原子を，化学的結合を形成し易い活性な状態（活性化）とし，この状態において被接合材の接合面相互を重ね合わせることにより，加熱することなく，かつ，接着剤等を使用することなしに常温での接合を可能とする「常温接合法」が，例えばシリコンウエハ等の接合方法として提案されている（特許文献１参照）。
【０００９】
しかし，上記特許文献１に記載の方法では，被接合材の接合面に対して希ガスビームなどを照射して接合面を洗浄して活性な状態とした後，両接合面を接合することにより強固な接合力を得ることができるものの，接合できる材料が一部の金属と金属，一部の金属と化合物間に限定されており，用途が限定される。
【００１０】
また，前記方法により接合を行う場合，接合面は巨視的には接合がされていたとしても，接合面の粗さやうねり等によって微視的には接合されていない部分が存在し，ウエハレベルでの積層化，集積化のための接合に使用することができない。
【００１１】
このように，部分的に接合されていない部分が発生することを防止するために，接合面を研磨等してその表面粗さを抑制することも考えられるが，研磨によって抑制し得る接合面の粗さやうねりには限度がある。
【００１２】
そのため，上記従来の常温接合方法により，接合されない部分の発生を減少しようとすれば，被接合材相互を重合する際に加圧して圧着する等の処理を行う必要があり，被接合材に物理的なダメージを与えるおそれがある。
【００１３】
なお，上記方法による接合では，両基体の表面を前述のように活性化させることで，接触界面においてのみ原子間に金属又は化学結合を生じさせるものであり，接合界面や結晶粒界におけるダイナミックな原子拡散を伴うものではない。
【００１４】
そのため，接着自体は比較的強固に行うことはできるものの，両基体の接合部分には依然として接合界面が存在し，また，接合に際して接合界面に酸化被膜等の変質層が形成されることにより，例えば電子デバイス等として使用する際，このような接合界面や変質層が電子の通過を妨げる障壁等として作用する等，性能の低下をもたらすものとなっている。
【００１５】
このような特許文献１に記載の常温接合方法における欠点を解消するために，本発明の発明者は，接合対象とするウエハやチップ，基板やパッケージ，その他の各種被接合材のそれぞれの接合面に，到達圧力を１×１０-4Pa以下の高真空度とした真空雰囲気において，例えばスパッタリングやイオンプレーティング等の真空成膜方法により，かつ，好ましくはプラズマの発生下で金属や各種化合物の微結晶構造を有する薄膜を接合面に形成し，前記薄膜の成膜中，あるいは成膜後に前記真空を維持したまま，前記被接合材の前記接合面に形成された薄膜相互を常温で重合することにより，前記接合面間に生じた結合により前記被接合材間を接合する「常温接合方法」を既に提案している（特許文献２参照）。
【００１６】
そして，この常温接合方法によれば，同種又は異種薄膜の接合面を，加熱，加圧，電圧の印加等を伴うことなく原子レベルで金属結合あるいは分子間結合により強固に接合させることができると共に，薄膜の内部応力を開放して接合歪みを緩和させることができ，ここで得られる接合は，界面で剥離が生じない（無理に剥離しようとすると薄膜の界面以外の部分又は被接合材が破壊する）接合状態が得られるものとなっている（特許文献２「0021」欄）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特許第２７９１４２９号公報
【特許文献２】特開２００８−２０７２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記従来の常温接合方法のうち，特許文献１に記載の方法は，被接合材の接合面に対して希ガスビームなどを照射して接合面に存在する酸化物や有機物等を除去して活性な状態とした後，両接合面を重ね合わせることにより接合を行おうというものである。
【００１９】
そのため，前掲の特許文献１に記載の発明では，真空チャンバー内に対向して位置する一対のウエハ保持部材を配置し，一方のウエハ保持部材を真空チャンバーに固定すると共に，他方のウエハ保持部材を真空チャンバーの気密を保った状態で直線移動可能なプッシュロッドの下端に取り付け，希ガスビームの照射を行ったと同一の真空容器内で接合面の重ね合わせを行うことにより（特許文献１「0005」欄），希ガスビームの照射などによって活性な状態となった接合面が，再度空気中の酸素や有機物等と結合して活性を失わないようにしつつ，接合を行うことができるようにしている。
【００２０】
また，特許文献２に記載の常温接合方法においても，被接合材の接合面間の重ね合わせを成膜と共に同一の真空中で行うことを前提としているだけでなく（例えば特許文献２の請求項１），同一の真空中において接合を行う場合であっても「薄膜の表面が真空容器内に残留している不純物ガス等との反応によって汚染が進行するに従い，薄膜相互の付着強度は低下してゆき，やがて接合自体ができなくなる。」と説明する（特許文献２「0055」欄）。
【００２１】
このように従来の常温接合方法では，接合面の処理（希ガスビームによる洗浄，又は微結晶構造の薄膜形成）を行った後に，これに続き行う接合面の重ね合わせは，接合面の処理を行ったと同一の真空容器内で，かつ，この真空容器内を高真空の状態に維持したまま行わなければならず，例えば，希ガスビームによる洗浄や微結晶薄膜を形成した後の接合面を大気圧の雰囲気に暴露してしまえば，接合自体が不可能となるというのが，本発明の発明者を含めた本発明の技術分野における当業者の認識であり，この認識を前提として，接合面の重ね合わせを高真空の空間内において行う構成を採用している。
【００２２】
そのため，被接合材の接合面を重ね合わせる作業を高真空に維持された真空容器内という限定された空間，限定された条件下で行う必要があると考えられており，被接合材同士を重ね合わせる作業が極めて行い難いだけでなく，前記接合方法を実現するためには真空容器内を高真空に保ったまま，真空容器内に配置された被接合材の接合面を重ね合わせる作業を行うための特殊な構造を備えたロボットアームや治具，その他の貼着装置が必要となり，多大な初期投資を必要とする。
【００２３】
また，上記の方法により例えば電子部品のパッケージ等を行う場合には，封止後のパッケージ内も真空となり，内部に大気圧に近い圧力の不活性ガスを封入するといった構造との両立を図ることはできないものと考えられていた。
【００２４】
以上のような当業者の認識に拘わらず，本発明の発明者による研究の結果，特許文献２として説明したと同様の原子拡散を伴う常温接合方法において，所定の条件を満たすことにより，接合面同士の重ね合わせを前掲の特許文献２で記載されている真空（１×１０-4Pa）よりも高い低真空の圧力，乃至は大気圧下の雰囲気に暴露した後であっても，特許文献２に記載のように真空中で接合を行った場合と同様，接合界面における原子拡散を伴う接合が可能であることを見出した。
【００２５】
本発明は，発明者による上記研究の結果得られた知見に基づき成されたものであり，被接合材の接合面に対する微結晶薄膜の形成を真空下で行った後，前掲の１×１０-4Paよりも高い圧力（低真空度），例えば大気圧下において前記接合面間の重ね合わせを行うことによっても，異種材質間の接合を含む広範な材質間の接合に使用することができ，かつ，接合対象とする基体に物理的なダメージを与えることなく接合を行う，原子拡散を伴う接合方法（原子拡散接合方法）を提供することにより，このような原子拡散を伴う接合の作業性を向上させると共に，重ね合わせ作業を行うための特殊な構造を備えた真空装置や貼着装置を不要とすることを目的とする。
【００２６】
また，本発明は，このような大気圧下における接合を可能とすることで，原子拡散を伴う強固な接合が行われるものでありながら，例えばパッケージ内を真空とすることなく大気圧に近い圧力の不活性ガスが封止されたＭＥＭＳ等のパッケージ型電子部品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】
【００２７】
上記目的を達成するために，本発明の原子拡散接合方法は，
真空容器内において，平滑面を有する２つの基体それぞれの前記平滑面に，単金属あるいは合金から成る微結晶構造の薄膜（以下，「微結晶薄膜」と略称する。）を形成すると共に，１×１０-4Paを越える圧力の不活性ガス雰囲気下において，前記２つの基体に形成された前記微結晶薄膜同士が接触するように前記２つの基体を重ね合わせることにより，前記微結晶薄膜の接合界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせて前記２つの基体を接合することを特徴とする（請求項１）。
【００２８】
また，本発明の別の原子拡散接合方法は，
真空容器内において，一方の基体の平滑面に，単金属あるいは合金から成る微結晶薄膜を形成すると共に，１×１０-4Paを越える圧力の不活性ガス雰囲気下において，少なくとも表面が微結晶構造を有する平滑面を備えた他方の基体の平滑面に前記一方の基体に形成された前記微結晶薄膜が接触するように前記一方，他方の２つの基体を重ね合わせることにより，前記微結晶薄膜と前記他方の基体の前記平滑面との接合界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせることにより前記２つの基体を接合することを特徴とする（請求項２）。
【００２９】
なお，本発明における不活性ガスには，狭義の不活性ガス，すなわちヘリウム（Ｈｅ），ネオン（Ｎｅ），アルゴン（Ａｒ），クリプトン（Ｋｒ），キセノン（Ｘｅ）の他，窒素ガス（Ｎ2），メタン（ＣＨ4），二酸化炭素（ＣＯ2），一酸化炭素（ＣＯ）のように，化学反応を起こしにくい広義の不活性ガスを含む。
【００３０】
上記いずれの方法においても，前記微結晶薄膜を室温における体拡散係数が１×１０-55(m2/s)未満，又は，室温における酸化物の生成自由エネルギーが−３３０(kJ/mol of compounds)未満のものを使用することができ（請求項３），この条件より外れる単金属としては，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｕがある。
【００３１】
前記微結晶薄膜は，室温における体拡散係数が１×１０−110m2/s以上の材料，例えば，６．７×１０−110m2/sのタングステン（Ｗ）以上の体拡散係数の材料によって形成することができる（請求項４）。
【００３２】
また，前記基体の重ね合わせは，大気圧以上の圧力の不活性ガス雰囲気下で行うものとしても良い（請求項５）。
【００３３】
前記いずれの方法においても，前記不活性ガスとして，アルゴン，ヘリウム，ネオン，クリプトン，キセノン，窒素，メタンの群から選択されたいずれか１種のガス，あるいは，前記群のガスから選択された２種以上のガスの混合ガスを使用することができる（請求項６）。
【００３４】
前述の不活性ガス雰囲気の生成は，前記基体の重ね合わせを行う空間に，不純物濃度が１ppm以下の不活性ガスを供給するガス源（例えばガスボンベ）からのガスを単独で又は混合して導入することによりガス置換し行うことができる（請求項７）。
【００３５】
このとき，前記ガス源からの不活性ガスに純化器を通過させて不純物を除去した後，前記基体の重ね合わせを行う空間に導入するものとしても良い（請求項８）。
【００３６】
なお，前記不活性ガス雰囲気を窒素ガス，あるいは，窒素ガスと他の不活性ガスとの混合ガスにより形成する場合には，前記微結晶薄膜を，室温における窒化物の生成自由エネルギーが−３１０(kJ/mol of compounds)以上の単金属あるいは合金で形成するものとしても良い（請求項９）。
【００３７】
前記基体の重ね合わせは塵埃の除去された雰囲気下で行うことが好ましい（請求項１０）。
【００３８】
また，前記基体を重ね合わせる力の強さが１０１kPa以下，例えば数kPa程度の比較的弱い力によって行うことができる（請求項１１）。もっとも，このことは基体等に対してダメージを与えない程度の力で加圧を行うことを禁ずるものではない。
【００３９】
また，上記基体を重ね合わせる際の前記基体温度を室温以上４００℃以下の範囲で加熱して体拡散係数を上昇させることもできる（請求項１２）。
【００４０】
前記基体の加熱は，前記微結晶薄膜の形成材料の室温における体拡散係数が１×１０-40m2/s以下の場合に行うものとしても良い（請求項１３）。
【００４１】
なお，前記基体の重ね合わせは，前記基体を加熱することなく行うものとしても良い（請求項１４）。
【００４２】
前記微結晶薄膜の形成と，前記基体の重ね合わせは，同一あるいは隣接する真空容器中で行うことができる（請求項１５）。
【００４３】
また，前記微結晶薄膜の形成は，到達真空圧力が１×１０-4Pa〜１×１０-8Paの真空容器内で行うことができる（請求項１６）。
【００４４】
前記微結晶薄膜は，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｗの元素群より選択されたいずれか１つの単金属により形成し，又は前記元素群より選択された１つ以上の元素を含む合金により形成することができる（請求項１７）。
【００４５】
前記微結晶薄膜を形成する前に，前記微結晶薄膜の形成と同一真空中において，前記微結晶薄膜の形成を行う基体の平滑面に生じている変質層を除去することができる（請求項１８）。
【００４６】
前記微結晶薄膜が形成される前記基体の平滑面に，前記微結晶薄膜とは異なる材料の薄膜から成る下地層を１層以上形成し，当該下地層上に前記微結晶薄膜を形成するようにしても良い（請求項１９）。
【００４７】
前記下地層は，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの元素群より選択されたいずれか１つの単金属により形成し，又は前記元素群より選択された１つ以上の元素を含む合金により形成することができる（請求項２０）。
【００４８】
特に，前記下地層を形成する前記単金属又は合金として，当該下地層上に形成される微結晶薄膜を形成する単金属又は合金よりも高融点で，且つ，前記微結晶薄膜を形成する単金属又は合金に対して融点の差が大きいものを使用することが好ましい（請求項２１）。
【００４９】
前記微結晶薄膜の好ましい膜厚は，０．１nm〜１μmである（請求項２２）。
【００５０】
また，本発明のパッケージ型電子部品は，前述したいずれかの方法により原子拡散を伴うパッケージの接合を行うことにより，内部に１×１０−４Paを越える圧力，好ましくは大気圧に近い圧力の不活性ガスを封止したことを特徴とする（請求項２３）。
【発明の効果】
【００５１】
以上説明した本発明の構成により，本発明の原子拡散接合方法によれば，以下の顕著な効果を得ることができる。
【００５２】
前述した微結晶構造の薄膜が形成された一方の基体の平坦面を，同様に微結晶構造を有する平坦面を備えた他方の基体に不活性ガス雰囲気下で重ね合わせることで，両者の重ね合わせを１×１０-4Paを越える圧力の雰囲気下という比較的低真空度の空間や，大気圧（１気圧），更には大気圧を越える圧力の雰囲気下で行った場合においても，接合界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせて，これにより同種又は異種の微結晶薄膜の接合面間，又は微結晶薄膜と基体の平滑面間を，原子レベルで金属結合あるいは分子間結合により強固に接合させることができると共に，薄膜の内部応力を開放して接合歪みを緩和させること可能となる。なお，ここで得られる接合は，界面で剥離が生じない（無理に剥離しようとすると薄膜の界面以外の部分又は基体が破壊する）接合状態である。
【００５３】
その結果，基体同士の接合を，高真空に維持された真空容器内で行う必要がなく，接合条件の自由度が増す結果，原子拡散による接合を行う際の作業性を大幅に改善することが可能となる。
【００５４】
なお，後述するように原子拡散は体拡散係数の値が大きくなる程，顕著に生じるところ，本発明の方法では，室温における体拡散係数が単金属中で最も低いタングステン（Ｗ）によって微結晶薄膜を形成することによっても接合できることが確認されていることから，微結晶薄膜を，タングステン（Ｗ）の室温における体拡散係数である１×１０-110(m2/s)以上の材料，従って如何なる金属材料で形成した場合であっても，接合が可能である。
【００５５】
上記原子拡散接合方法は，基体の重ね合わせを大気圧（１気圧）以上の圧力の雰囲気下で行った場合であっても可能であり，接合に必要な条件の選択の幅が広い。
【００５６】
また，不活性ガスとして，アルゴン，ヘリウム，ネオン，クリプトン，キセノン，窒素，メタンの群から選択されたいずれか１種のガス，あるいは，前記群のガスから選択された２種以上のガスの混合ガスのいずれを使用することも可能であり，目的や用途等にあわせた選択の幅が広い。
【００５７】
前述の不活性ガス雰囲気を，前記基体の重ね合わせを行う空間に，不純物濃度が１ppm以下の高純度不活性ガスを供給するガス源（例えばＧ１グレードガスのボンベ）からのガスを単独で又は混合して導入してガス置換を行うことにより生成することで，接合不良の原因となり得る酸素や水等の不純物濃度を数ppm(１万分の数％)以下，好ましくは１ppm（0.0001％）以下の極めて微小なものとすることができ，接合不良の発生を減少させることが可能となる。
【００５８】
特に，前述したガス源からの不活性ガスを更に純化器を通過させて不純物を除去した場合には，基体の重ね合わせを行う空間の不活性ガス中における酸素や水等の不純物濃度を，更に数ppb(１千万分の数％)，例えば２〜３ppb程度迄減少させた超高純度の不活性ガスとすることができ，原子拡散を伴う接合をより確実に行うことが可能となる。
【００５９】
なお，不活性ガスとして窒素ガス，又は窒素ガスと他の不活性ガスとの混合ガスを使用する場合，微結晶薄膜を窒化物の生成自由エネルギーが−３１０(kJ/mol of compounds)以上の単金属あるいは合金で形成することにより，微結晶薄膜の窒化に伴う接合不良の発生を確実に防止することが可能となる。
【００６０】
更に，上記基体の重ね合わせを，塵埃の除去された雰囲気下で行うことにより，接合面に塵埃等の不純物が介在することによる接合不良を防止することができる。一例として，この空間のクリーン度としては，ＩＳＯクラス５（１９８８年米国連邦規格におけるクラス１００に相当。１立法フィートの空間中における０．５μm以上の粒子数が１００個未満。）以上であることが好ましく，より好適には，雰囲気中の湿度も調整（一例として５０％以下）することが好ましい。
【００６１】
本発明の原子拡散接合方法によれば，基体の重ね合わせに際し，大きな圧力を加えることを必要とせず，前記基体を重ね合わせる力の強さを１０１kPa以下，例えば数kPa程度の圧力で重ね合わせた場合であっても好適に接合を行うことが可能である。その結果，接合の際に加わる圧力によって基体がダメージを受けることが好適に防止できる。
【００６２】
なお，前記貼り合わせは，前記基体温度を室温以上，４００℃以下という比較的低い温度で加熱して行うことにより，被接合部材に多与える熱によるダメージを可及的に低く抑えたものとしながら，体拡散係数を上昇させることにより，原子拡散を促進させた接合を実現することができる。
【００６３】
特に，前記基体の加熱を，前記微結晶薄膜の形成材料の室温における体拡散係数が１×１０-40m2/s以下の場合に行うことで，室温における体拡散係数が比較的低い材質で微結晶薄膜を形成した場合であっても，好適に原子拡散を伴う接合を行うことが可能となる。
【００６４】
ここで，体拡散係数Ｄは，
Ｄ＝Ｄ0ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）
Ｄ0：振動数項（エントロピー項）
Ｑ：活性化エネルギー
Ｒ：気体定数
Ｔ：絶対温度
によって表すことができ，温度Ｔを上昇させると，体拡散係数Ｄは指数関数的に増加する。
【００６５】
もっとも，基体を加熱することなく前記接合を行う場合には，基体や基体に取り付けられた部材，例えば電子部品等に対し，熱による一切の負担を与えることが無い。
【００６６】
前記微結晶薄膜の形成と，前記基体の重ね合わせを同一の容器中で行う場合には，設備の簡略化が可能であり，隣接する容器中で行う場合には，例えば真空容器内で前記微結晶薄膜を形成した電子部品のパッケージに，前記容器に隣接する容器内に配置したデバイス等を封止することで，デバイスを真空中に配置する必要が無く，耐真空性を持たないデバイス等についても原子拡散を伴う強固な接合によるパッケージング等を行うことが可能となる。
【００６７】
到達真空圧力が１×１０-4Pa〜１×１０-8Paの真空容器内で前記微結晶薄膜の形成を行うことで，基体に対する微結晶薄膜の付着強度が低下することを防止でき，微結晶薄膜の接合界面における剥離のみならず,基体と微結晶薄膜間での剥離の発生等についても好適に防止することができる。
【００６８】
前記微結晶薄膜を，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｗの元素群より選択されたいずれか１つの単金属により形成し，又は前記元素群より選択された１つ以上の元素を含む合金により形成した場合であっても，本発明の方法による原子拡散接合を行うことが可能である。
【００６９】
上記微結晶薄膜を形成する前に，微結晶薄膜の形成と同一真空中において上記一方又は双方の基体の平滑面表面に形成されている変質層を逆スパッタリング等のドライプロセスにより除去することで，基体に対する微結晶薄膜の付着強度を向上させることができ，基体表面と微結晶薄膜間で剥離が生じることによる基体同士の付着強度の低下についても好適に防止することができる。
【００７０】
また，前記微結晶薄膜が形成される前記基体の平滑面に，前記微結晶薄膜とは異なる材料の薄膜，例えば周期律表における４Ａ〜６Ａ属の元素であるＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの元素群より選択されたいずれか１つの単金属の薄膜，又は前記元素群より選択された１つ以上の元素を含む合金の薄膜によって下地層を形成することにより，基体に対する微結晶薄膜の付着強度を上昇させることができ，これにより基体と微結晶薄膜間で剥離が生じることを防止することができる。
【００７１】
特に，このような下地層の形成材料として，微結晶薄膜の形成材料に対して高融点であり，且つ，その融点の差が大きいものを使用することで，下地層上に形成される微結晶薄膜の２次元性（薄膜成長時の原子の濡れ性）が良くなり，微結晶薄膜が島状に成長することを防止でき，０．１nmといった１原子層分の厚みに相当する極めて薄い微結晶薄膜の形成が容易となる。
【００７２】
なお，本発明の原子拡散接合方法では，形成する微結晶薄膜の膜厚がそれぞれ０．１nm〜１μmの範囲で好適に原子拡散接合が可能であり，特に，電子やスピン電流の平均自由工程よりも十分に薄い数Å程度の膜厚の微結晶薄膜の形成によっても接合を行うことができることから，シリコンウエハ等の接合に用いた場合であっても，接合面によって電子の移動等が妨げられない接合方法を提供することが可能となる。
【００７３】
また，上記方法により，１×１０-4Paを越える圧力の不活性ガス雰囲気における接合を行うことから，例えばこれをパッケージ型電子部品におけるパッケージの封止に使用する場合には，このパッケージ内にデバイス等と共に１×１０-4Paを越える圧力，たとえば大気圧乃至はこれに近い圧力の不活性ガスを封止することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の原子拡散接合方法による基体の接合工程の一例を示した概略説明図。
【図２】Ｔｉ／Ｔｉ薄膜(片側２０nm)の形成により０．１気圧の超高純度Ａｒガス中で接合したＳｉ／Ｓｉウエハの断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像（実施例６）。
【図３】Ｔｉ／Ｔｉ薄膜(片側２０nm)の形成により１×１０-6Pa以下の高真空中で接合したＳｉ／Ｓｉウエハの断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像（比較例１）。
【図４】Ｔａ／Ｔａ薄膜(片側２０nm)の形成により０．１気圧の超高純度Ａｒガス中で接合したＳｉ／Ｓｉウエハの断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像（実施例９）。
【図５】Ｔａ／Ｔａ薄膜(片側２０nm)の形成により１×１０-6Pa以下の高真空中で接合したＳｉ／Ｓｉウエハの断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像（比較例２）。
【図６】Ｔｉ／Ｔｉ薄膜(片側２０nm)の形成により０．１気圧のＧ１−Ａｒガス中で接合したＳｉ／Ｓｉウエハの断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像（実施例１２）。
【図７】Ｔｉ／Ｔｉ薄膜(片側２０nm)の形成により０．１気圧のＧ１−窒素ガス中で接合したＳｉ／Ｓｉウエハの断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像（実施例１７）。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
接合方法概略
本発明の原子拡散接合方法は，真空容器内においてスパッタリングやイオンプレーティング等の真空成膜により真空中で成膜した単金属，あるいは合金から成る微結晶構造の薄膜同士を重ね合わせることにより，又は，前記微結晶構造の薄膜と，少なくとも表面が単金属，あるいは合金から成る微結晶構造を有する平坦面に重ね合わせることにより，この重ね合わせを１×１０-4Paを越える圧力の雰囲気下，例えば大気圧，乃至はそれ以上の圧力の雰囲気下で行った場合であっても，不活性ガス雰囲気下でこの接合を行うことにより，接合界面及び結晶粒界において原子拡散が生じて両者間で強固な接合が行われることを見出し，これを基体間の接合に適応したものであり，下記の条件において基体同士の接合を行うものである。
【００７６】
基体（被接合材）
材質
本発明の原子拡散接合方法による接合の対象である基体としては，スパッタリングやイオンプレーティング等，一例として到達真空度が１×１０-3〜１×１０-8Pa，好ましくは１×１０-4〜１×１０-8Paの高真空度である真空容器を用いた高真空度雰囲気における真空成膜により前述した微結晶構造の薄膜を形成可能な材質であれば如何なるものをも対象とすることができ，各種の純金属，合金の他，Ｓｉ基板，ＳｉＯ2基板等の半導体，ガラス，セラミックス，樹脂，酸化物等であって前記方法による微結晶構造の薄膜が形成可能であれば本発明における基体（被接合材）とすることができる。
【００７７】
なお，基体は，例えば金属同士の接合のように同一材質間の接合のみならず，金属とセラミックス等のように，異種材質間での接合を行うことも可能である。
【００７８】
接合面の状態等
基体の形状は特に限定されず，例えば平板状のものから各種の複雑な立体形状のもの迄，その用途，目的に応じて各種の形状のものを対象とすることができるが，他方の基体との接合が行われる部分（接合面）については所定の精度で平滑に形成された平滑面を備えていることが必要である。
【００７９】
なお，他の基体との接合が行われるこの平滑面は，１つの基体に複数設けることにより，１つの基体に対して複数の基体を接合するものとしても良い。
【００８０】
この接合面の表面粗さは，パッケージの封止等，単に接合が得られるのみで目的が達成される場合には，例えば最大高さ（Ｒmax）で５nmを越える表面粗さ（例えば５０nm以下）であっても接合を行うことができるが，好ましくはＲmaxで５nm以下である。
【００８１】
基体の平滑面は，微結晶薄膜を形成する前に表面のガス吸着層や自然酸化層等の変質層が除去されていることが好ましく，例えば薬液による洗浄等による既知のウェットプロセスによって前述の変質層を除去し，また，前記変質層の除去後，再度のガス吸着等を防止するために水素終端化等が行われた基体を好適に使用することができる。
【００８２】
また，変質層の除去は前述のウェットプロセスに限定されず，ドライプロセスによって行うこともでき，真空容器中における希ガスイオンのボンバード等によりガス吸着層や自然酸化層などの変質層を逆スパッタリング等によって除去することもできる。
【００８３】
特に，前述のようなドライプロセスによって変質層を除去する場合，変質層を除去した後，後述の微結晶構造を有する薄膜を形成する迄の間に，基体表面にガス吸着や酸化が生じることを防止できるために，このような変質層の除去を，後述する微結晶構造の薄膜を形成すると同一の真空中において行うと共に，変質層の除去に続けて微結晶構造の薄膜を形成することが好ましく，より好ましくは，変質層の除去を超高純度の不活性ガスを使用して行い，変質層の除去後に酸化層等が再形成されることを防止する。
【００８４】
なお，基体は，単結晶，多結晶，アモルファス，ガラス状態等，その構造は特に限定されず各種構造のものを接合対象とすることが可能であるが，２つの基体の一方に対してのみ後述する微結晶構造の薄膜を形成し，他方の基体に対して微結晶構造の薄膜の形成を行うことなく両者の接合を行う場合には，この薄膜の形成を行わない他方の基体の接合面は，接合界面や結晶粒界における原子拡散を得ることができるよう，少なくともその表面が後述する微結晶構造の薄膜と同様の微結晶構造（アモルファスを含む）を有する必要がある。
【００８５】
微結晶薄膜
材質
形成する微結晶薄膜の材質としては，基体と同種材質の薄膜を形成しても良く，また，目的に応じて基体とは異種材質の微結晶薄膜を形成しても良く，さらに，基体の一方に形成する微結晶薄膜の材質と，基体の他方に形成する微結晶薄膜の材質とをそれぞれ異なる材質としても良く，両者間の固溶が可能な組合せのみならず，ＣｏとＣｕのように非固溶となる組合せであっても良く，また，金属と半金属等，その組合せは目的に応じて適宜任意に行うことができる。
【００８６】
本発明の方法によれば，微結晶薄膜の材料として室温における体拡散係数が１×１０-110m2/s以上のものであればいずれの材質で前記微結晶薄膜を形成した場合であっても接合を行うことができ，このような微結晶薄膜の材料として，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｗの元素群の中から選択したいずれかの単金属，又はこれらの元素群のうちの少なくとも１つ以上の元素を含む合金を使用することができる。
【００８７】
なお，上記物質のうち室温における体拡散係数が１×１０-55(m2/s)以上で，且つ，室温における酸化物の生成自由エネルギーが−３３０(kJ/mol of compounds)以上であるＮｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｕの単金属，あるいは上記条件を満たす合金については，所定の条件を満たすことにより大気圧の空気中において接合を行った場合であっても原子拡散を伴う接合が可能であることから，不活性ガス雰囲気下での接合を必須とする本発明における微結晶薄膜の材質としては，上記大気中での接合が可能なものを除いた，室温における体拡散係数が１×１０-55(m2/s)未満，又は，室温における酸化物の生成自由エネルギーが−３３０(kJ/mol of compounds)未満の単金属，あるいは合金を対象としても良い。
【００８８】
微結晶薄膜の構成材料のうち，室温における体拡散係数が１×１０-40m2/s以上であるＩｎ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｔｉ等によって微結晶薄膜を形成する場合には，基体を加熱することなく室温において接合した場合であっても接合界面が消失すると共に，接合された微結晶薄膜間において再結晶が生じて２つの基体間の間隔の略全域に亘る粒径を備えた結晶粒が生成される等，金属結合による２つの微結晶薄膜の一体化を得ることができる。
【００８９】
もっとも，室温における体拡散係数が１×１０-110m2/s以上の材質であれば，室温における体拡散係数が１×１０-40m2/s未満の材質によって微結晶薄膜を形成した場合であっても接合界面における金属結合により基体間の十分な接合強度を得ることが可能であり，また，必要に応じて基体を４００℃以下の温度範囲内で加熱して接合を行うことで，接合界面における原子拡散を促進させることができる。
【００９０】
なお，後述するように基体の重ね合わせを行う空間内における不活性ガス雰囲気が，窒素ガス乃至は窒素ガスと他の不活性ガスとの混合ガスである場合には，前述した微結晶薄膜の形成を，窒化物の生成自由エネルギーが−３１０（kJ/mol of compounds）以上の物質を使用することが好ましい。
【００９１】
膜厚等
形成する膜厚は特に限定されないが，それぞれの微結晶薄膜を，構成元素１層分の厚みで形成した場合であっても接合を行うことが可能であり，一例としてＴｉの微結晶薄膜を形成した後述する実施例では，膜厚０．１nm（２層で０．２nm）とした場合であっても接合可能であり，接合される基体間に介在する微結晶薄膜の厚さを，電子やスピン電流の平均自由工程以下の厚みで形成することが可能である。
【００９２】
その結果，基体間に介在する微結晶薄膜の層が電子の移動等に対して障壁となることがなく，任意のシリコンウエハを接合する等して新たな機能性デバイスの創成等に本発明の原子拡散接合方法を使用することが可能である。
【００９３】
なお，形成する微結晶薄膜は，接合面の全体を連続して覆うものである必要はなく，これを部分的に覆うものであっても良い。従って，ここでいう「微結晶薄膜」には，例えば核成長の過程において形成される島状構造の状態も含み，例えば島状構造の薄膜同士を重ね合わせて接合する場合には，一方の薄膜を構成する島と，他方の薄膜を構成する島との重なり部分において後述する原子拡散による接合が生じ，これにより接合が得られることとなる。
【００９４】
一方，膜厚が厚くなるに従って得られた微結晶薄膜の表面粗さが増大して接合が困難となると共に，厚みのある微結晶薄膜の形成には長時間を要し，生産性が低下することから，その上限は１μm程度であり，０．１nm〜１μm程度が本発明における原子拡散接合方法における各微結晶薄膜の好ましい膜厚の範囲である。
【００９５】
粒径及び密度
形成する微結晶薄膜は，同微結晶金属の固体内に比べて原子の拡散速度が大きく，特に，拡散速度が極めて大きくなる粒界の占める割合が大きい微結晶構造であることが好ましく，結晶粒の薄膜面内方向の平均粒径は５０nm以下であれば良く，より好ましくは２０nm以下である。
【００９６】
なお，微結晶薄膜は，前述したように島状構造のものであっても良いが，微結晶薄膜が占める空間の体積１００％に対し，空隙等の形成部分を除く，微結晶薄膜を構成する金属が占める体積の割合が８０％以上，好ましくは８０〜９８％となるよう形成することが好ましい。
【００９７】
微結晶薄膜の形成面
さらに，上記微結晶薄膜の形成は，接合対象とする２つの基体のそれぞれに形成しても良いが，一方の基体に対してのみ前記微結晶薄膜を形成し，他方の基体に対しては微結晶薄膜を形成することなく接合を得ることも可能である。
【００９８】
この場合，微結晶薄膜の形成を行わない上記他方の基体の接合面は，前述したように接合面の少なくとも表面付近が前述した微結晶薄膜と同様，単金属，あるいは合金の微結晶構造となっている必要がある。但し，薄膜の形成を行わない基体の接合面と微結晶薄膜の材質が共通である必要はない。
【００９９】
なお，微結晶薄膜の形成を行う基体の平滑面には，微結晶薄膜の形成前に，微結晶薄膜とは異なる材質の薄膜より成る１層以上の下地層を形成することができ，特に，形成する微結晶薄膜が，基体に対する付着強度が比較的弱い場合には，付着強度を向上する上で下地層の形成は有効である。
【０１００】
このような下地層は，微結晶薄膜の後述する成膜方法と同様の真空成膜技術によって形成することができ，その材質としては，周期律表の４Ａ〜６Ａ属の元素であるＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗによって形成することができ，その厚さは，一例として０．２〜２０nmである。
【０１０１】
この下地層の材質としては，その上に形成する微結晶薄膜の形成材料に対して融点の差が大きいものを使用することが好ましく，かつ，微結晶構造の薄膜の形成材料に対して高融点のものを使用することが好ましい。
【０１０２】
このような下地層の形成により微結晶薄膜が基体より剥離することを好適に防止できるだけでなく，下地層上に形成される微結晶薄膜の２次元性（微結晶薄膜形成時の原子の濡れ性）が良くなり成膜時に微結晶薄膜が島状に成長することを防止でき，０．１nmといった極めて薄い微結晶薄膜の形成が容易となる。
【０１０３】
成膜方法
成膜技術
本発明の原子拡散接合方法において，被接合材である基体の接合面に形成する微結晶薄膜の形成方法としては，スパッタリングやイオンプレーティング等のＰＶＤの他，ＣＶＤ，各種蒸着等，到達真空度が１×１０-4〜１×１０-8Paの高真空度である真空容器において真空雰囲気における真空成膜を行う各種の成膜法を挙げることができ，拡散速度が比較的遅い材質及びその合金や化合物等については，好ましくは形成された薄膜の内部応力を高めることのできるプラズマの発生下で成膜を行う真空成膜方法，例えばスパッタリングによる成膜が好ましい。
【０１０４】
真空度
薄膜形成の際の真空容器内の圧力は，到達真空度が１×１０-3〜１×１０-8Paの真空雰囲気であれば良く，より低い圧力（高真空度）である程好ましい。
【０１０５】
不活性ガス（Ａｒガス）圧
成膜方法がスパッタリングである場合，成膜時における不活性ガス（一般的にはＡｒガス）の圧力は，放電可能な領域，例えば０．０１Pa以上であることが好ましく，また３０Pa（３００μbar）を越えると接合を行うことができない場合が生じるため，上限は３０Pa（３００μbar）程度とすることが好ましい。これは，Ａｒガス圧が上昇すると，形成された薄膜の表面粗さが増加すると共に，膜密度が著しく低下し，膜中の酸素等の不純物濃度が著しく増加する場合が生じるためである。
【０１０６】
重ね合わせの条件
雰囲気の圧力
以上のようにして，表面に微結晶薄膜が形成された基体相互，又は微結晶薄膜が形成された基体と微結晶構造の基体表面とが，１×１０-4Paを越える圧力の雰囲気下，例えば，大気圧，乃至はそれ以上の圧力雰囲気下において重ね合わされることにより，接合界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせて前記２つの基体の接合が行われる。
【０１０７】
なお，基体同士の重ね合わせを行う空間内の圧力が大気圧よりも若干高くなるように不活性ガスを前記空間内に導入し続けることで，空間内に外気が入り込むことを防止できると共に，給気処理型のクリーンルームやグローブボックスと同様，内部空間を清浄な空間に保つことができる。
【０１０８】
雰囲気の成分
２つの基体の重ね合わせは，不活性ガス雰囲気下において行い，このような不活性ガスとしては，狭義の不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ），ヘリウム（Ｈｅ），ネオン（Ｎｅ），クリプトン（Ｋｒ），キセノン（Ｘｅ）の他，化学反応を起こし難い窒素，メタン，二酸化炭素，及び一酸化炭素等の広義の不活性ガスを使用可能であり，これらの群から選択されたいずれか１種のガス，あるいは，前記群のガスから選択された２種以上のガスの混合ガスを使用することができる。
【０１０９】
この不活性ガス雰囲気中における不活性ガス以外の成分（不純物）の濃度は，数ppm以下，好ましくは１ppm以下であることが好ましく，ガスボンベに封入した状態で提供される上記各種の高純度ガスを，基体の重ね合わせを行う空間内に導入して空間内のガス置換を行うことで，前述した不活性ガス雰囲気を生成する。
【０１１０】
純度保証のされた高純度ガスボンベとして入手し得る所謂「Ｇ１」グレードの純ガスにおいて，アルゴンガスの純度は９９．９９９９％以上（不純物濃度１ppm以下），窒素（Ｎ2）ガスで９９．９９９９５％以上（不純物濃度０．５ppm以下）であり，これらのガスをそのまま基体の重ね合わせを行う空間に導入してガス置換を行うことで，一般的なステンレスのガス配管系を用いてガスの導入を行うことにより配管内部に付着している吸着ガスの脱利等により不純物濃度が上昇したとしても，空間内の不純物濃度を数ppm以下，好ましくは１ppm程度又はそれ以下の高純度の不活性ガス雰囲気とすることができる。
【０１１１】
なお，一般に「純窒素ガス」という場合の「純窒素」に対する「不純物」としては，窒素以外の成分，例えば，酸素や水の他，窒素以外の不活性ガスも不純物ということになるが，前述の窒素ガスに対し，アルゴンガス等の不活性ガスが不純物として含まれていたとしても，本発明における接合方法の実現に何等影響しないことから，本発明においては，不活性ガス以外の成分，主として酸素と水が「不純物」として問題となり，これらが数ppm以下，好ましくは１ppm以下となるように，接合を行う空間内の不活性ガス雰囲気を形成することが好ましい。
【０１１２】
なお，純ＣＯ2ガスや純ＣＯガスとして提供されているガスにあっては，ＣＯ2やＣＯの酸素（Ｏ）が乖離して微結晶薄膜の表面に酸化物を形成する悪影響が考えられることから，例えば酸化しやすい材料で微結晶薄膜を形成する場合には，接合力の低下や接合不良が発生する可能性があること，また，純ＣＯ2ガスや純ＣＯガスにおける純度保証されたＧ１グレードのガスにおける不純物濃度は，他の純ガスに比較して１〜２桁大きくなっていることから，これらのガスを，重合を行う空間に直接導入しても，不活性ガス雰囲気，例えば不純物濃度が数ppm以下の不活性ガス雰囲気が得られないことから，これらのガスを不活性ガスとして使用する場合には，不純物濃度の調整が必要となる場合がある。
【０１１３】
よって，好ましくは，先に例示した不活性ガスのうち，二酸化炭素と一酸化炭素を除いた，アルゴン（Ａｒ），ヘリウム（Ｈｅ），ネオン（Ｎｅ），クリプトン（Ｋｒ），キセノン（Ｘｅ），窒素，メタンより選択したいずれか１種の不活性ガス又は複数種類の不活性ガスの混合ガスの使用が好ましい。
【０１１４】
もっとも，このことは，本発明において不活性ガスとして二酸化炭素及び一酸化炭素の使用を否定するものではない。
【０１１５】
なお，ガス源からの不活性ガスが不純物濃度の高いものである場合，又は，より高純度の不活性ガス雰囲気の形成が必要な場合には，ガス源から導入した不活性ガスを更に純化器を通して純化させた後に，基体の接合を行う前述の空間に導入するものとしても良い。
【０１１６】
この場合，前記空間内における不活性ガス雰囲気中における不純物濃度を数ppb（１ppb＝0.0001ppm）程度とした超高純度の不活性ガス雰囲気を生成しても良い。
【０１１７】
微結晶薄膜形成後の経過時間
微結晶薄膜としてＴｉ膜を形成した例では，Ｔｉ膜を１気圧（１×１０5Pa）の純Ａｒガス雰囲気中に１０分（６００秒）間暴露した後に基体の重ね合わせを行った場合においても十分な接合力が得られることが確認されており，１０分に対して十分に長い時間，大気圧の不活性ガス雰囲気中に暴露した後においても接合を行うことが可能である。
【０１１８】
雰囲気の清浄度
基体の重ね合わせを行う雰囲気は，接合面に塵埃等が介在することによる接合不良を防止するために，塵埃の除去された空間内において行うことが好ましく，塵埃の除去されたグローブボックス等において行うことができる。
【０１１９】
このような雰囲気の清浄度は，一例として，ＩＳＯクラス５（１９８８年米国連邦規格におけるクラス１００に相当。１立法フィートの空間中における０．５μｍ以上粒子数が１００個未満。）以上であることが好ましい。
【０１２０】
接合時の温度条件
基体の接合は，これを室温において行っても良く，また，必要に応じて４００℃以下の温度で加熱するものとしても良い。
【０１２１】
特に，室温における体拡散係数が１×１０-40(m2/s)以下の材料によって微結晶薄膜を形成した場合，接合に際し基体の加熱を行うことが好ましく，このような加熱は，微結晶薄膜を室温における体拡散係数が小さくなるに従い，加熱温度を高く設定することが好ましい。
【０１２２】
接合方法例
本発明による原子拡散接合方法による接合工程の一例を，図１を参照して説明する。図１において，微結晶薄膜の形成を行う真空容器内の上部に，スパッタを行うためのマグネトロンカソードを配置すると共に，このマグネトロンカソードの下部に，相互に貼り合わされる基体を載置する治具を配置し，この治具に取り付けた基体の接合面に対して微結晶薄膜を形成する。
【０１２３】
図示の実施形態において，前述の治具に設けられたテーブルは，図１中の紙面右側の図に破線で示す薄膜形成位置と，実線で示す貼り合わせ位置間を回動可能に構成されており，基体の一方を載置したテーブルの一端と，基体の他方を載置したテーブルの一端とが突き合わされた状態に配置されていると共に，この突き合わせ部分を中心として前記２つのテーブルが回動して，両テーブルの他端を上方に持ち上げることにより，前記テーブル上の載置された２つの基体の接合面が重合されるよう構成されている。
【０１２４】
接合に際し，基体の加熱が必要となる体拡散係数，及び酸化物の生成自由エネルギーの数値範囲にある金属で微結晶構造の薄膜を形成して接合を行う場合には，前述のテーブル内に電熱ヒータ等を埋め込んでおき，これにより２つの基体の接合面を重合した後で所定の温度に加熱することができるようにしても良い。
【０１２５】
なお，このように基体の貼り合わせを行う治具は，図示の構成のものに限定されず，貼り合わせを行う基体の形状等にあわせて各種形状，構造のものを使用することができ，また，例えばロボットアーム等によって基体の一方若しくは双方を操作して接合を行うものとしても良く，更には，人の手によって基体同士を重ね合わせるものとしても良い。
【０１２６】
このような治具が収容された真空容器には，一例として図１に示すように不活性ガスを導入するためのガス源を連通しておき，内部空間を不活性ガスで置換できるようにしておくと共に，この真空容器の出入口と連通して，同様に不活性ガス源と連通されて不活性ガスによるガス置換が可能に形成されたグローブボックス等を設ける。
【０１２７】
以上のように構成された装置構成において，前述した治具が配置された真空容器内を到達真空圧力１×１０-4Pa〜１×１０-8Paに減圧し，前記治具を前述した成膜位置とした状態で，基体の接合面に対して微結晶薄膜を形成する。
【０１２８】
そして，基体の接合面に対して所定厚みの微結晶薄膜を形成すると，微結晶薄膜の形成を終了し，真空容器内に前述したガス源より不活性ガスを導入し，真空容器内の圧力を１×１０-4Paを越える圧力，例えば大気圧，乃至は大気圧に対して若干高い圧力とする。
【０１２９】
また，この真空容器の出入口と連通されているグローブボックス内も，同様の圧力となるように不活性ガスによる置換を行い，真空容器の出入口を開き，真空容器内より前述した治具と共に基体を取り出し，前記治具に設けられたテーブルを，前述した，貼り合わせ位置に回動させて，基体を１０１kPa以下，例えば数kPa程度の比較的弱い力で貼り合わせる。
【０１３０】
これにより，両微結晶薄膜の接合界面及び結晶粒界において原子拡散を生じさせ，かつ，接合歪みを緩和させた接合を行うことができる。
【０１３１】
なお，上記の説明では同一材質の微結晶薄膜が形成された基体相互を貼り合わせる場合について説明したが，異なる材質の微結晶薄膜が形成された基体相互を貼り合わせる場合には，例えば２つの真空容器の出入口間に前述したグローブボックスを設け，２つの真空容器内のそれぞれに，前述のマグネトロンカソードを配置して各真空容器内で異なる材質の微結晶薄膜を成膜可能と成すと共に，それぞれの基体の接合面に対してそれぞれ異なる材質の微結晶薄膜を形成した後に，各真空容器より取り出した基体を前述のグローブボックス内で重ね合わせることにより接合する等しても良い。
【０１３２】
また，両基体に対する微結晶薄膜の形成は，必ずしも同時に行う必要はなく，時間差を以て行っても良い。
【０１３３】
また，他方の基体の少なくとも表面部分が，前述した体拡散係数，及び酸化物の生成自由エネルギーの数値範囲にある単金属や合金による微結晶構造を有する場合には，接合対象とする２つの基体の一方に対してのみ前述の微結晶薄膜を形成し，他方の基体に対しては微結晶薄膜を形成することなく直接，両基体を接合することも可能である。
【０１３４】
なお，図１を参照して説明した上記の接合例では，真空容器から取り出した基体をグローブボックス内で接合するものとして説明したが，成膜を行った真空容器内でそのまま接合を行うものとしても良く，この場合には必ずしもグローブボックスを設ける必要はない。
【実施例】
【０１３５】
以下，本発明の原子拡散接合方法による基体の接合を行った実施例を以下に示す。
【０１３６】
〔Ａｒガス雰囲気での接合〕
実験方法
スパッタリング法による微結晶薄膜の形成後，直ちに，スパッタリングを行った真空容器内にＡｒガスを導入して真空容器内を所定圧力の不活性ガス雰囲気として接合を実施した（実施例１〜１２）。
【０１３７】
比較例として，スパッタリング法による微結晶薄膜の形成後，真空容器内を高真空に維持したまま直ちに接合を実施した（比較例１，２）。
【０１３８】
各実施例及び比較例における微結晶薄膜の材質，膜厚，接合対象とした基体，使用したＡｒガス（Ａｒガスの純度），真空容器内の圧力，薄膜形成後，薄膜がＡｒガス雰囲気中に曝された時間（以下，「暴露時間」という。）をそれぞれ下記の表１に示す。
【０１３９】
なお，下記表１の「Ａｒ純度」において，「Ｇ１−Ａｒガス」とは不純物濃度が１ppm以下であるＧ１グレードのＡｒガスボンベから取り出したＡｒガスを指し，「超高純度Ａｒガス」とは，前記Ｇ１−Ａｒガスを更に純化器に通し，不純物濃度を２〜３ppbに低下させたＡｒガスを指す。
【０１４０】
また，「暴露時間」は，容器内のＡｒガス圧力が，接合を行う圧力に到達した後，接合迄の放置時間を示し，「暴露時間」の記載が無いものは，微結晶薄膜の形成後，接合圧力となった時点で直ちに接合を行っており，本試験例にあっては，微結晶薄膜の形成後，接合圧力迄の上昇に要した時間〔５分（３００秒）〕の経過後，比較例にあっては，微結晶薄膜の形成後，直ちに接合を行ったことを示す。
【０１４１】
【表１】
2012223792.tif 000003
【０１４２】
実験結果
膜厚の変化に伴う接合状態の変化の確認
形成する微結晶薄膜の膜厚を，片側２nm（実施例１），片側０．２nm（実施例２），片側０．１nm（実施例３），及び片側０．０５nm（実施例４）のＴｉ膜とし，ＳｉウエハとＳｉＯ2ウエハを０．１気圧（１×１０4Pa）の超高純度Ａｒガス雰囲気下で貼り合わせた。
【０１４３】
以上の結果，いずれの膜厚で接合を行った場合においても接合を行うことができることが確認されており，本発明の方法により，１×１０-4Paを越える圧力の雰囲気中に薄膜を暴露した場合であっても，好適に接合を行うことができることが確認された。
【０１４４】
但し，膜厚を０．０５nmとした接合（実施例４）では，接合自体は可能であったものの，他の実施例に比較して接合強度が弱くなっており，また，Ｇ１−Ａｒガス雰囲気下で接合を行った場合においても，上記膜厚において，同様の結果となった。
【０１４５】
よって，本発明の方法による接合において，形成する微結晶薄膜の膜厚（片側）は０．１nm以上の厚さに形成することが好ましい。
【０１４６】
容器内圧力の変化に伴う接合の変化の確認
容器内圧力の変化が，接合状態に及ぼす影響を確認すべく，実施例５として，片側２nmのＴｉ微結晶薄膜を形成したＳｉ／ＳｉＯ2基板を１気圧（１×１０5Pa）の超高純度Ａｒガス雰囲気中で接合した。なお，その他の条件は実施例１と同じである。
【０１４７】
以上の結果，容器内の圧力を１気圧（１×１０5Pa）として接合を行った場合（実施例５）においても，０．１気圧（１×１０4Pa）で接合を行った場合（実施例１）と接合状態に違いを確認することはできなかった。
【０１４８】
なお，片側２０nmのＴｉ薄膜を形成した２枚のＳｉウエハを，０．１気圧（１×１０4Pa）の超高純度Ａｒガス雰囲気中において接合した例（実施例６）の接合部の断面電子顕微鏡写真を図２に示す。
【０１４９】
比較のため，接合を１×１０-6以下の高真空中で行った点を除き，他の条件を同一として接合を行った例（比較例１）における接合部の断面顕微鏡写真を図３に示す。
【０１５０】
図２及び図３から明らかなように，０．１気圧（１×１０4Pa）という比較的高い圧力下で接合した実施例５の条件においても，これよりも１０桁以上も低い圧力の真空中において接合した場合と同様，Ｔｉ／Ｔｉ膜間の接合界面が消失していることが確認でき，実施例６の接合方法において，高真空中で接合した場合との接合構造に差は確認できなかった。
【０１５１】
このことから，超高純度Ａｒガス中の接合メカニズムでは，真空中で接合を行った場合と全く同様に，室温でＴｉ／Ｔｉ膜の界面における原子拡散が生じていることが判る。
【０１５２】
また，実施例５のように，１気圧（１×１０5Pa）の圧力下においても良好な接合が得られることが確認できており，１気圧に対して数倍程度高い圧力下で接合を行った場合であっても，接合を行うことができることは明白である。
【０１５３】
微結晶薄膜の材質と接合状態の変化の確認
形成する微結晶薄膜を，片側２nmのＴａ膜（実施例７）及び片側２nmのＷ膜（実施例８）とし，形成する微結晶薄膜の材質の相違による接合状態の影響を確認した。
【０１５４】
Ｔａ膜の形成により接合を行った実施例（実施例７），及びＷ膜の形成により接合を行った実施例（実施例８）のいずれにおいても良好に接合されていることが確認された。
【０１５５】
なお，微結晶薄膜の接合界面の状態を観察し易くするために，Ｔａ膜厚を片側２０nmとして０．１気圧（１×１０4Pa）の超高純度Ａｒガス雰囲気下において接合したＳｉ／Ｓｉウエハ（実施例９）の断面における透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図４に示す。
【０１５６】
比較のため，容器内の圧力を１×１０-6Pa以下の超高真空とした点を除き，実施例９と同一条件で行った接合例（比較例２）の断面における透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図５に示す。
【０１５７】
Ｔａ膜の形成によって接合を行った例（実施例９，比較例２）では，いずれも，Ｔａ膜の接合界面を明瞭に確認することができ，図４及び図５に示すＴｉ膜の形成によって接合を行った場合（実施例６，比較例１）のように，微結晶薄膜の接合界面を完全に消失させる程の原子拡散の発生を確認することはできなかったが，０．１気圧（１×１０4Pa）下で行った実施例９の接合と，高真空（１×１０-6Pa）で接合した比較例２におけるＴａ薄膜の接合界面に相違は見られず，また，接合界面を形成する微結晶薄膜をＴａやＷによって結成した場合についても，常温で非加圧として接合を行うことができることが確認された。
【０１５８】
なお，微結晶薄膜の形成による基体の接合を真空中において行った事例（特許文献２参照）において，接合界面における原子拡散は，原子拡散係数（体拡散係数）が大きな物質程より顕著に生じ，従って，体拡散係数が大きな物質程，接合が生じ易いことが確認されており，接合を行う雰囲気の圧力に相違はあるものの，同様に原子拡散を伴う接合を行う本発明においても，微結晶薄膜を形成する物質の原子拡散係数を大きくする程，接合が生じ易いものとなる。
【０１５９】
ここで，固体物質の体拡散係数Ｄは，アレニウスの式を使用して以下のように表すことができる。
Ｄ＝Ｄ0ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）
【０１６０】
上記の式において，Ｄ0は振動数項（エントロピー項），Ｑは活性化エネルギー，Ｒは気体定数，及びＴは絶対温度である。
【０１６１】
表２に，代表的な物質のＤ0 ，Ｑ及び算出した３００K（２７℃）時のＤ値の各値をそれぞれ示す。表２において各材料は，Ｄの大きさ順に挙げている。
【０１６２】
なお，ＲｕのＤ0及びＱの値は，入手可能な文献において報告がされておらず，ＲｕのＤ値については，Ｄが他の材料の場合と同様に融点と略比例するものと仮定して概算したものである。この概算したＤ値を参考のため表中にカッコを付して示した。
【０１６３】
【表２】
2012223792.tif 000004
【０１６４】
表２に示すように，上記材料中においてＴｉは最も大きなＤ値を有し，また，Ｗが６．７×１０-110m2/sと，単金属中で最も小さなＤ値を有している。
【０１６５】
従って，本発明の方法によりＷの微結晶薄膜の形成により接合が確認できたことから（実施例８），本発明の方法によれば，いずれの金属によって微結晶薄膜を形成した場合であっても，良好に接合を行うことができることが判る。
【０１６６】
暴露時間の変化と接合状態の変化の確認
不活性ガスに対する暴露時間の変化が接合状態に及ぼす影響を確認すべく，実施例１では真空容器内を所定の圧力に上昇させた後〔薄膜形成から５分（３００秒）後〕に接合したのに対し，実施例１０では，真空容器内を所定の圧力に上昇させた後，更に１０分（６００秒）不活性ガス雰囲気に暴露した後〔薄膜形成から１５分（９００秒）後〕，接合を行った。その他の条件は実施例１と同じである。
【０１６７】
このような暴露時間の変化によっても，実施例１と実施例１０の接合状態に差異はなく，接合時間の長短は，接合状態に影響を与えないことが確認できた。
【０１６８】
Ａｒガス純度の変化が接合状態に及ぼす影響の確認
不活性ガス雰囲気中における不純物の影響を確認すべく，実施例１では超高純度Ａｒガス（不純物濃度約２〜３ppb）雰囲気下で行っていた接合を，実施例１１ではＧ１−Ａｒガス（不純物濃度約１ppm）雰囲気下で行った。その他の条件は，実施例１と同じである。
【０１６９】
実施例１の場合に比較して，不純物濃度が高いＧ１−Ａｒガス雰囲気中で接合を行った場合であっても，Ｓｉ／ＳｉＯ2ウエハ間で好適な接合が行われていることが確認できた。
【０１７０】
また，微結晶薄膜の接合界面の状態を観察し易くするために，実施例１２として，Ｔｉ膜厚を片側２０nmとして０．１気圧（１×１０4Pa）のＧ１−Ａｒガス雰囲気下においてＳｉ／Ｓｉウエハの接合を行った。この接合部における断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図６に示す。
【０１７１】
超高純度Ａｒガス雰囲気下で接合した実施例６（図２参照）の場合には，Ｔｉ膜同士の接合界面が完全に消失していたのに対し，Ｇ１−Ａｒガス雰囲気下で接合を行った実施例１２の例（図６参照）では，接合界面の存在が確認された。
【０１７２】
また，実施例１２の接合例では，接合界面に断続的に厚さ１〜２nm程度の低コントラスト層（写真中で白っぽく写っている部分）が存在している。このことは，Ｇ１−Ａｒ雰囲気下で行った接合では，Ａｒガス中に存在する不純物（主として酸素と水蒸気）がＴｉ薄膜の表面に吸着し，Ｔｉ／Ｔｉ界面における原子拡散が部分的に抑制されていることを示している。
【０１７３】
従って，接合界面の完全な消失と，薄膜表面に対する不純物の付着を完全に防止しようとすれば，接合を行う不活性ガス雰囲気における不純物（主として酸素と水）は，数ppb程度とすることが好ましいことが確認された。
【０１７４】
もっとも，Ｇ１−Ａｒガス雰囲気下で接合を行った実施例１２の接合例においても，Ｔｉ／Ｔｉ界面には空隙が存在せず，膜の表面全体にわたり接合が行われていることから，前述した僅かな不純物の吸着が，製品等に対して要求される性能を阻害するものでなければ，接合を行う不活性ガス雰囲気の不純物濃度は，Ｇ１グレードとして要求される１ppm程度，更にはこれよりも高い不純物濃度の不活性ガス雰囲気下で接合を行うことも可能である。
【０１７５】
なお，酸素や水蒸気等の不活性ガス中の不純物と金属との結合（化学結合）の強さは金属の種類により大きく異なる。
【０１７６】
本接合試験において，接合の良否を左右する最も支配的な結合は酸素との化学結合（酸化）であり，主な材料の酸化のし易さを，酸化物の自由生成エネルギー（ΔＧ）として下記の表３に示す。下記の表３において，室温において酸化物を形成しないＡｕ，Ｐｔは表示を省略した。
【０１７７】
【表３】
2012223792.tif 000005
【０１７８】
表３に示したように，Ｔｉは酸化物を生成し易く，特にＴｉ3Ｏ5のΔＧは−２３０９kJ/molと，他の金属に比べて酸化物を形成し易い。このことから，実施例１２の接合例において，Ｔｉ膜とＴｉ膜間の接合界面において断続的に存在する低コントラスト層は酸化物の形成に起因しているものと考えられる。
【０１７９】
一方，この結果から，Ｔｉ以外の金属を使用して微結晶薄膜を形成する場合には，Ｔｉで微結晶薄膜を形成する場合に比較して酸化物を形成し難いことから，Ｔｉ膜以外の金属膜を用いてＧ１−Ａｒガス雰囲気下での接合を行う場合にも，微結晶薄膜界の接合界面に空隙を発生させることなく，微結晶薄膜同士が膜の界面全体にわたり接合できることは明らかである。
【０１８０】
なお，接合を行う空間を満たすＡｒガス中の不純物濃度を，実施例１２で使用したＧ１−Ａｒガスよりも高めていくと，他の条件を実施例１２と同様にして接合を行ったとしても，微結晶薄膜の表面に対する不純物の吸着による酸化物等の形成がより促進され，この酸化物によって微結晶薄膜の接合界面における原子拡散が更に抑制されることとなる結果，やがて接合を行うことができなくなる。
【０１８１】
しかし，基板表面に吸着する不純物ガス量は，前述した−ΔＧの絶対値の値が大きい程，不純物が吸着し易く，また，不純物ガスの圧力と時間に略比例すると考えられることから，Ｇ１−Ａｒガスよりも不純物濃度が高いＡｒガスを用いる場合であっても，−ΔＧの絶対値の値が小さい材料で微結晶薄膜を形成すること，微結晶薄膜の形成から接合までの時間を短くすること，接合を行う雰囲気の圧力を本願所定の圧力範囲内において低めに設定すること，及びこれらの条件を組合せることにより，良好な接合状態を行い得る。
【０１８２】
〔窒素ガス雰囲気下での接合〕
実験方法
スパッタリング法による微結晶薄膜の形成後，直ちに，スパッタリングを行った真空容器内にＮ2窒素ガスを導入して真空容器内を所定圧力の不活性ガス雰囲気として接合を実施した（実施例１３〜１７）。
【０１８３】
各実施例及び比較例における微結晶薄膜の材質，膜厚，接合対象とした基体，使用したＡｒガス（Ａｒガスの純度），真空容器内の圧力，薄膜形成後，薄膜がＡｒガス雰囲気中に曝された時間（以下，「暴露時間」という。）をそれぞれ下記の表４に示す。
【０１８４】
なお，実験に使用した窒素ガスは，不純物濃度が約０．５ppm以下であるＧ１グレードの窒素ガスボンベから取り出した窒素ガス（以下，これを「Ｇ１−窒素ガス」という。）を使用した。
【０１８５】
なお，真空容器内の不純物濃度は測定していないが，１ppm以下に維持されていると考えられる。
【０１８６】
また，「暴露時間」は，容器内の窒素ガス圧力が，接合を行う圧力に到達した後，接合迄の放置時間を示し，「暴露時間」の記載が無いものは，微結晶薄膜の形成後，接合圧力となった時点で直ちに接合を行っており，以下の実施例にあっては，微結晶薄膜の形成後，接合圧力迄の上昇に要した時間〔約３分（１８０秒）〕の経過後に接合を行ったことを示す。
【０１８７】
窒素ガス下における接合実施例の試験条件を，下記の表４に示す。
【０１８８】
【表４】
2012223792.tif 000006
【０１８９】
実験結果
上記試験の結果，０．１気圧（１×１０4Pa）の窒素ガス雰囲気下で接合を行った場合（実施例１３），及び１気圧（１×１０5Pa）の窒素ガス雰囲気下で接合を行った場合（実施例１４）のいずれにおいても，微結晶薄膜の接合面の全体に亘り接合できており，本発明の接合方法が，不活性ガスとして窒素ガスを使用した場合あっても好適に行うことができることが確認された。
【０１９０】
また，形成する微結晶薄膜の膜厚を片側０．１nm迄薄くした実施例１５の接合実施例において，この膜厚の微結晶薄膜の形成においても問題なく接合を行えることが確認できた。
【０１９１】
更に，容器内の窒素ガス圧力を０．１気圧（１×１０4Pa）まで上昇させた後，微結晶薄膜をこの窒素ガス雰囲気下で更に１０分（６００秒）暴露した後に接合を行った実施例１６においても，接合を行うことができることが確認された。
【０１９２】
なお，微結晶薄膜の接合界面の状態を観察し易くするために，形成するＴｉ膜厚を片側２０nmとして，実施例１３と同様に０．１気圧（１×１０4Pa）の窒素ガス雰囲気中で接合を行った接合例（実施例１７）の接合部における断面の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図７に示す。
【０１９３】
実施例１７（図７参照）においても，Ｇ１−Ａｒガス雰囲気中で接合を行った場合（実施例１２：図６参照）と同様，接合界面に厚さ１〜２nm程度の低コントラスト層が存在しているが，Ｔｉ／Ｔｉ膜の界面に空隙が形成されることなく，膜全体に亘り接合されていることが確認できる。
【０１９４】
窒化の影響
なお，図６に示した実施例１２の接合界面では，低コントラスト層は微結晶薄膜の表面を部分的に覆うように形成されていたのに対し，図７に示した実施例１７の接合界面には，低コントラスト層が微結晶薄膜の表面全体に亘り均一に形成されていた。
【０１９５】
このようなＧ１−Ａｒガス雰囲気下における接合状態との相違から，Ｔｉ／Ｔｉ薄膜が形成されたウエハをＧ１−窒素ガス中で接合した実施例１７では，薄膜の表面における吸着を酸化の影響のみで説明することはできず，窒化し易いＴｉによって微結晶薄膜を形成したことにより，薄膜表面が窒化の影響を受けたものと考えられる。
【０１９６】
ここで，Ｔｉの窒化物（ＴｉＮ）の生成自由エネルギーであるΔＧは，−３０８．１（kJ/mol of compounds）と絶対値が大きく，Ｔｉは窒化物を形成し易い物質である。
【０１９７】
従って，このような窒化し易いＴｉ薄膜を形成した実施例１３〜１７の実施例において，接合を行うことができることが確認されていることから，Ｔｉよりも窒化し難い材質，すなわち，窒化物の自由生成エネルギーであるΔＧが大きい（絶対値が小さい）材質で微結晶薄膜を形成する場合には，窒素雰囲気下での接合が行えることは明らかである。
【０１９８】
また，ＴｉＮよりもΔＧが小さく（絶対値が大きく），従って窒化し易い代表的な金属材料としては，Ｍｇ（Ｍｇ3Ｎ2：ΔＧ＝−３９９．４kJ/mol of compounds），Ｓｒ（Ｓｒ3Ｎ2：ΔＧ＝−３２３．６kJ/mol of compounds），Ｚｒ（ＺｒＮ：ΔＧ＝−３３６．２kJ/mol of compounds）等の一部に限られており，且つ，これらはいずれもＴｉＮと比較的近いΔＧを持つものであるから，窒素ガス雰囲気下において接合を行う場合においても略全ての金属を用いた微結晶薄膜の形成により接合が可能であると考えられる。
【０１９９】
〔その他の不活性ガス〕
以上のように，Ａｒガス雰囲気下，及び窒素ガス雰囲気下における接合において，１×１０-4Paよりも高い圧力下においても接合が可能であることから，Ａｒガス，窒素ガス以外の他の不活性ガス雰囲気中においても，同様に接合が可能であると考えられる。
【０２００】
特に，狭義の不活性ガスに含まれるＨｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅは，Ａｒと同様に完全な不活性ガスであることから，微結晶薄膜同士の接合界面における構造は，Ａｒガス雰囲気下で接合を行った場合と全く同様の構造となるものと考えられる。
【０２０１】
また，広義の不活性ガスに含まれるＣＨ4ガスでは，乖離したＣと微結晶薄膜を構成する金属とが化学結合（炭化）する可能性が考えられるが，室温において金属は窒化物に比較して炭化物を形成し難いことから，窒化ガス雰囲気下で接合を行う場合に比較して，ＣＨ4ガスを使用する場合の方が，接合を阻害する要素が少ない。
【０２０２】
従って，窒素ガス雰囲気下で接合が行える以上，ＣＨ4ガス雰囲気下においても接合が行えるはずである。
【０２０３】
なお，広義の不活性ガスには，更にＣＯ2ガス，ＣＯガスが含まれ，これらを使用した場合においても接合が可能であると考えられるが，これらのガスにあっては，酸素の乖離が生じた場合，金属との間で酸化物を形成し易く，酸化が生じ易い金属で微結晶薄膜を形成する場合等には接合強度が低下するおそれがある。
【０２０４】
また，ＣＯ2ガス，ＣＯガスからは，酸素や水等の不純物を除去し難く，工業的に用いられるＧ１グレードのガスにおける不純物濃度は，同グレードのＡｒガスやＮ2ガスに比較してＣＯ2ガスで１桁，ＣＯガスで２桁程大きくなることから，ＣＯ2ガスやＣＯガスを使用する場合，不活性ガス雰囲気（一例として不純物濃度が数ppm以下）を得ること自体が困難となることから，ＣＯ2ガス，ＣＯガスを除く不活性ガスの使用が好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０２０５】
以上で説明した本発明の接合方法は，無加熱又は比較的低い温度での加熱，無加圧で原子レベルでの接合を行うことができること，接合後の界面応力が小さいこと，しかも微結晶薄膜の形成を行った真空よりも高い圧力の雰囲気，例えば大気圧の不活性ガスに暴露した状態で接合面の重ね合わせを行うことができ作業性が向上されていること等から，各種新機能・高機能デバイスの創製，情報家電の小型化，高集積化等の用途において容易に利用することができ，これらの用途における例を示せば下記の通りである。
【０２０６】
新機能・高性能デバイスの創製
ウエハレベルで積層化，集積化した新機能デバイスの創製への利用
集積回路と短波長光デバイスの集積化（例えば，Ｓｉデバイス／ＧａＮ，フォトニクス結晶，ＬＥＤ），新機能光−電子変換デバイス創製の際の接合。
【０２０７】
スピン−電子ハイブリッドデバイスの製造。本発明の方法によって接合することで，電子やスピン電流の平均自由工程以下でウエハ間を接合することが可能である。
【０２０８】
異種材料ウエハ間の接合
超ハイブリッド基板・部材の形成等を目的として，半導体ウエハを微結晶薄膜を挟んで積層化した電位障壁ハイブリッド・ウエハの製造や，ガラスを微結晶薄膜を挟んで積層した特殊光学ウエハ（光フィルタリング）の製造に際し，本発明の方法を使用することができる。
【０２０９】
発光ダイオードの高輝度化
本発明の方法により，発光ダイオードに鏡面のレイヤーを接合し，輝度を上げる。
【０２１０】
水晶振動子の積層化
本発明の方法により，水晶に例えば金の薄膜を形成して水晶同士を接着することで，比較的接着が困難な水晶同士の接合を行う。
【０２１１】
情報家電の小型化・高集積化
ＳｉＰ技術のための三次元スタック化，パッケージ基板高機能化（三次元実装）；本接合方法によりＳｉデバイスとＳｉデバイスの積層や基板を立体的に貼り合わせることにより高集積化を図る。
【０２１２】
ＭＥＭＳ製造技術
三次元配線を兼ねた微細素子の封止，特に不活性ガスを封入した封止。Ｓｉデバイスとの積層に本接合方法を利用する。この用途での利用の場合，接合面に界面があっても良く，内部に不活性ガスを封止した状態を保持できれば良い。
【０２１３】
高性能化，超低消費電力のための効率的な熱伝導（冷却）の実現
熱放散係数の大きな材料，例えば銅，ダイヤモンド，ＤＬＣ等で作製したヒートシンク，ヒートスプレッダを本発明の方法により半導体デバイス等に直接ボンディングして，放熱性能，熱拡散性能等を向上させる。
【０２１４】
その他
なお，以上で説明した用途では，いずれも本発明の接合方法を電気，電子部品等の分野において使用する例を説明したが，本発明の方法は，上記で例示した利用分野に限定されず，接合を必要とする各種分野，各種用途において利用可能である。
【図１】
2012223792.tif 000007
【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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