(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方のシリコン部材の接合面に膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜を形成するＡｕ薄膜形成工程と、
他方のシリコン部材の接合面と該Ａｕ薄膜とを当接させて、３００℃より高く、６００℃よりも低い所定温度で加熱する加熱工程とを有することを特徴とするシリコン部材の接合方法。
（但し、量子井戸構造を備えたＳｉ系半導体デバイスの製造方法であって、（ａ）Ｓｉ系基板を準備する工程と、（ｂ）前記Ｓｉ系基板の上に、量子井戸構造の障壁となるＳｉ系絶縁層を形成する工程と、（ｃ）前記Ｓｉ系絶縁層の上に、量子井戸構造の井戸となる厚みが１０ｎｍ以下のＡｕで形成されている金属層を形成する工程と、（ｄ）前記金属層の上に、Ｓｉ系半導体の単結晶で形成された半導体薄板を重ね合わせることによって、重ね合わせ基板を作成する工程と、（ｅ）前記重ね合わせ基板を熱処理することによって、前記金属層と前記半導体薄板とを接合するとともに、前記金属層と前記半導体薄板との境界に量子井戸構造の障壁となるＳｉＯ2層を形成する工程と、を備えることを特徴とするＳｉ系半導体デバイスの製造方法を除く）
【請求項２】
一方のシリコン部材の接合面に膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜を形成するＡｕ薄膜形成工程と、
他方のシリコン部材の接合面と該Ａｕ薄膜とを当接させて、３００℃より高く、６００℃よりも低い所定温度で加熱する加熱工程とを有し、
前記加熱工程は大気中で行うことを特徴とするシリコン部材の接合方法。
【請求項３】
前記シリコン部材の接合面の最表面は、シリコン原子からなる請求項１又は２に記載のシリコン部材の接合方法。
【請求項４】
前記Ａｕ薄膜の膜厚は５ｎｍ以上である請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン部材の接合方法。
【請求項５】
Ａｕが拡散していない２以上のシリコン部材間を膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜のみを介して接合したことを特徴とするシリコンデバイス。
（但し、量子井戸構造を備えたＳｉ系半導体デバイスであって、Ｓｉ系基板と、前記Ｓｉ系基板の上に設けられた量子井戸構造の障壁となるＳｉ系絶縁層と、前記Ｓｉ系絶縁層の上に設けられた量子井戸構造の井戸となる厚みが１０ｎｍ以下のＡｕで形成されている金属層と、前記金属層の上に設けられた量子井戸構造の障壁となるＳｉＯ2層と、前記ＳｉＯ2層の上に設けられ、Ｓｉ系半導体の単結晶で形成された半導体層と、を備えることを特徴とするＳｉ系半導体デバイスを除く）
【請求項６】
前記Ａｕ薄膜の膜厚は５ｎｍ以上である請求項５に記載のシリコンデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンデバイス及びシリコン部材の接合方法に関し、詳しくは高密度化及び多機能化を図るために各種のシリコン部材を接合する接合方法及び接合したシリコンデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等の半導体装置を実装する方法として接着剤による接着、ハンダ付けやろう付等の溶融接合、熱圧着法やボンディング法等の固相接合が用いられている。
【０００３】
接着剤による接着は簡便な方法であるものの接着剤の厚さ制御が困難で寸法精度を高くすることができないばかりか、接着剤の熱抵抗が大きいので放熱の点で問題がある。ハンダ付け等による溶融接合は接着剤による方法と同様に寸法精度の確保が困難であると同時に、多段階のシリコン部材の接合を行う場合に前段階での接合部分が次段階の接合により再溶融してしまい、多段階の接合工程を含む製造プロセスに対応することが困難である。そこで、寸法精度に優れ、接合部の溶融温度が接合時の温度よりも高くなり多段階の接合工程にも耐えうる固相接合法が好ましい。
【０００４】
シリコンから構成されるシリコン部材間を接合する固相接合法としては、特開平１１−３０７５９６号公報に開示される被接合部材の接合面同士を重ね合わせ、大気中又は不活性雰囲気下で前記被接合部材に超音波振動を印加した後、加熱及び加圧し、固相接合することを特徴とする低温接合のような、被接合部材間を機械的に接合する方法や、特開平１０−１１０６８１号公報に開示されるマイクロポンプを形成する方法として例示されるシリコン板同士の間にシリコン熱酸化膜を介して高温下で接合する方法があった。いずれの方法であっても被接合部材間に接着剤的な作用をもつ金属（Ａｕ等）を介在させることが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機械的な作用により被接合部材間を接合すると、被接合部材としての素子に大きな剪断力が加わり、素子が破壊する可能性がある。たとえば、ウェッジ式のワイヤボンドでは、Φ４００μｍ級のアルミワイヤを接合する場合に、接合点あたり１００ｐｐｍを超える確率で素子破壊が発生し、それより遙かに大きなシリコンデバイスの接合に適用することは現実的でない。
【０００６】
また、シリコン熱酸化膜を用いてシリコン間を接合する方法は、高温処理が必要であり、被接合部材であるシリコン板が特開平１０−１１０６８１号公報に開示されたように単純にシリコンだけからなる機械的部品であれば問題ないものの、一般的に用いられる不純物の拡散により特性を制御している電子装置に適用されるシリコンデバイスでは、高温処理により特性が変化してしまう。
【０００７】
そこで、本発明では、比較的低温且つ穏やかな条件で、シリコン部材間を接合できるシリコン部材の接合方法及びその接合方法で接合されたシリコンデバイスを提供することを解決すべき課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する目的で本発明者等は鋭意研究を行った結果、従来シリコン部材間の接合に用いられているＡｕの膜厚を所定値以下とすることで飛躍的に優れたシリコン部材の接合が達成できることを発見し、その知見に基づいて以下の発明を行った。
【０００９】
すなわち、本発明のシリコン部材の接合方法は、一方のシリコン部材の接合面に膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜を形成するＡｕ薄膜形成工程と、他方のシリコン部材の接合面と該Ａｕ薄膜とを当接させて、３００℃より高く、６００℃よりも低い所定温度で加熱する加熱工程とを有することを特徴とする。（但し、量子井戸構造を備えたＳｉ系半導体デバイスの製造方法であって、（ａ）Ｓｉ系基板を準備する工程と、（ｂ）前記Ｓｉ系基板の上に、量子井戸構造の障壁となるＳｉ系絶縁層を形成する工程と、（ｃ）前記Ｓｉ系絶縁層の上に、量子井戸構造の井戸となる厚みが１０ｎｍ以下のＡｕで形成されている金属層を形成する工程と、（ｄ）前記金属層の上に、Ｓｉ系半導体の単結晶で形成された半導体薄板を重ね合わせることによって、重ね合わせ基板を作成する工程と、（ｅ）前記重ね合わせ基板を熱処理することによって、前記金属層と前記半導体薄板とを接合するとともに、前記金属層と前記半導体薄板との境界に量子井戸構造の障壁となるＳｉＯ2層を形成する工程と、を備えることを特徴とするＳｉ系半導体デバイスの製造方法を除く）
そして、他の本発明のシリコン部材の接合方法は、一方のシリコン部材の接合面に膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜を形成するＡｕ薄膜形成工程と、
他方のシリコン部材の接合面と該Ａｕ薄膜とを当接させて、３００℃より高く、６００℃よりも低い所定温度で加熱する加熱工程とを有し、
前記加熱工程は大気中で行うことを特徴とする。
【００１０】
さらに、上記課題を解決する本発明のシリコンデバイスは、Ａｕが拡散していない２以上のシリコン部材間を膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜のみを介して接合したことを特徴とする。（但し、量子井戸構造を備えたＳｉ系半導体デバイスであって、Ｓｉ系基板と、前記Ｓｉ系基板の上に設けられた量子井戸構造の障壁となるＳｉ系絶縁層と、前記Ｓｉ系絶縁層の上に設けられた量子井戸構造の井戸となる厚みが１０ｎｍ以下のＡｕで形成されている金属層と、前記金属層の上に設けられた量子井戸構造の障壁となるＳｉＯ2層と、前記ＳｉＯ2層の上に設けられ、Ｓｉ系半導体の単結晶で形成された半導体層と、を備えることを特徴とするＳｉ系半導体デバイスを除く）
【００１１】
従来、シリコン部材間に介在させてシリコン部材の接合に用いられたＡｕ薄膜は、Ａｕの展性、延性等による両部材への密着による接着剤的な効果を発揮してシリコン部材間を接合するものであり、接合強度がＡｕの母材強度に制限され低強度の接合しか達成できない。
【００１２】
それに対して、本発明のシリコン部材の接合方法のように、接合しようとするシリコン部材間に介在させたＡｕ薄膜を膜厚２０ｎｍ以下とすることで、活性なシリコン原子がＡｕ薄膜を透過して表面に現れ、その活性なシリコン原子の働きで、シリコン部材間に強固な結合が生起できるのである。
【００１３】
このような膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜によるシリコン部材の接合は、３００℃より高く、６００℃よりも低い温度でも充分行うことができる。
【００１４】
本接合方法は、膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜を介してシリコン部材を接合することで、接合温度及び接合圧力を低くすることが可能であり、製造されたシリコンデバイスの信頼性を確保できる。また、膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜を介することで、Ａｕ薄膜が無い場合と比較して低温で接合が可能であるので、接合温度が低温とすることが可能となり、シリコンデバイスに形成された電子素子への悪影響や、異なる熱膨張係数をもつ異なる組成のシリコン部材間で接合を行う場合の熱によるひずみの影響等を抑制可能である。
【００１５】
また、接合層が充分に薄いので、熱伝導性に優れ、放熱性が良くなる。さらに、シリコン部材の接合において、特に当接圧力を加える必要がないので、シリコン部材に破損等の悪影響を与えることがないことに加え、マルチチップモジュールのような複数のシリコン部材としてのシリコン素子を実装する製品においても高い歩留まりを期待できる。
【００１６】
さらに、本接合方法は、小さな当接圧力で高い接合強度が得られるので、マイクロマシン組み立て全般に好適に利用できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のシリコン部材の接合方法で製造されるシリコンデバイスは、特に限定されないが、たとえば、マイクロマシンの部品の組み立てや、電気素子を形成したシリコン部材間の接合に好適に適用できる。たとえば、図１に示すように、半導体ヨーレートセンサ用のカンチレバーユニットを構成するそれぞれシリコン単体から形成された基材１とカンチレバー２とを微少な形態等に影響を与えることなく接合可能である。また、本接合方法の接合面は電気の良導体とすることができるので、パワー半導体に多い裏面電極をもつ形態の電子素子が形成されたシリコン部材の実装、たとえば、図２に示すように、不純物がドーピングされて必要部位を良導体化したシリコン薄膜４が形成された炭化ケイ素からなる基板３上に、裏面電極をもつシリコン部材５を接合する場合に適用可能である。
【００１８】
（シリコン部材の接合方法）
本発明のシリコン部材の接合方法は、Ａｕ薄膜形成工程と、加熱工程とを有する。本接合方法が適用できるシリコン部材はシリコンが主成分の材料からなる部材であれば特に限定されるものではなく、純粋なシリコン単体、炭化ケイ素、窒化ケイ素、二酸化ケイ素等の汎用されるシリコン化合物からなるシリコン部材が例示できる。
【００１９】
また、本接合方法の接合条件が穏やかであるので、このシリコン部材にはあらかじめ電子素子を汎用される半導体製造方法で形成しておくことも可能である。また、双方のシリコン部材の接合面は接合面同士を当接させるときに、密着できるように、適正に平坦な面とする。たとえば、Ｓｉウェハーの鏡面研磨仕上げ程度にまで平坦とすることが好ましい。そして、接合面は何らかの方法で清浄化されていることが好ましい。
【００２０】
Ａｕ薄膜形成工程は、接合する２つのシリコン部材のうちの一方の接合面にＡｕ薄膜を形成する工程である。Ａｕ薄膜の膜厚は２０ｎｍ以下である。Ａｕ薄膜の膜厚を２０ｎｍ以下とすることで、一方のシリコン部材の接合面のシリコン原子は活性なシリコン原子としてＡｕ薄膜を透過できる。また、充分な接合強度を得るためにはＡｕ薄膜の膜厚は５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００２１】
Ａｕ薄膜を形成する方法としては、特に限定しないが、一般的な方法、たとえば、蒸着法、スパッタリング法等が好適に適用できる。
【００２２】
蒸着法は真空蒸着ともいい、Ａｕの小片を高真空中で加熱蒸発させて，シリコン部材の接合面に薄膜として凝着させる。このときに加熱体と被蒸着表面である接合面間の距離が分子の平均自由行程にくらべて十分小さくなる程度の高真空に保つこと及び接合面を清浄にして吸蔵水分などを完全に除去しておくことが必要で、１０Ｐａ程度以上の超高真空中で蒸着すれば，吸蔵不純物の影響のないきれいな蒸着膜を作ることができる。
【００２３】
スパッタリング法は、低圧気体中のＡｕに対して加熱またはイオン衝撃を行うことで蒸発または衝突を生起させ、金属面から生成するＡｕ原子を気体中に飛散して接合面に付着させるものである。Ａｕ薄膜の膜厚は、蒸着時間又はスパッタリング時間を制御することで任意に制御可能である。
【００２４】
一方のシリコン部材が炭化ケイ素等のシリコン化合物であって、シリコン単体でない場合には、Ａｕ薄膜形成工程の前に一方のシリコン部材の接合面の最表面をシリコン元素とすることが好ましい。Ａｕ薄膜を介して活性なシリコン原子が発生する現象は、Ａｕ薄膜に接触する接合面の最表面にシリコン原子が存在する方がより多く進行するからである。
【００２５】
接合面の最表面をシリコン原子とする方法としては、シリコン部材を構成するシリコン化合物の結晶のシリコン面と接合面とを揃えて、接合面上にシリコン原子が現れるようにしたり、接合面上に前述した蒸着法やスパッタリング法等の一般的な薄膜形成法により、シリコン元素の薄膜を形成することにより行うことができる。
【００２６】
また、形成されるＡｕ薄膜は導体として配線の一部を兼ねることができる。Ａｕ薄膜を配線の一部に用いる場合には、配線の部分のＡｕ薄膜の膜厚をより厚くする必要がある。本接合方法で用いるＡｕ薄膜と同時に配線部分のＡｕ薄膜も形成するには、一旦、配線に好適な膜厚でＡｕ薄膜を形成した後に、配線部分をマスキングして本接合方法に適用するＡｕ薄膜部分のみをエッチング等により薄くしたり、配線部分を厚膜印刷等の他の製膜方法で形成したりする。
【００２７】
加熱工程はＡｕ薄膜を形成した一方のシリコン部材の接合面に他方のシリコン部材の接合面を当接して所定温度で加熱する工程である。ここで所定温度とは、３００℃より高く、６００℃よりも低くする。３５０℃以上、４５０℃以下とすることが好ましい。所定温度をこの範囲とすることにより、２つのシリコン部材間の接合達成に充分な量の活性なシリコン原子を発生させることができると共に、シリコン部材への熱による影響をほとんど与えない。
【００２８】
加熱工程によりＡｕ薄膜を形成した接合面に当接させる他方のシリコン部材の接合面はシリコン元素であることが好ましい。たとえば、他方のシリコン部材をシリコン単体で構成したり、接合面に結晶のシリコン面を露出させたり、シリコン薄膜を常法により形成したりして達成できる。また、接合面はあらかじめ常法（たとえば、フッ酸等の酸による洗浄）により清浄化及び水素終端処理を行うことが好ましい。
【００２９】
加熱工程により、加熱を行う時間としては、特に限定しないが、１〜３時間が好ましい。加熱工程を行う雰囲気としては、大気、不活性雰囲気等、特に限定されないが、コスト、作業性の観点から大気中で行うことが好ましい。また、加熱工程を行う雰囲気の圧力は、１．３×１０-5Ｐａ（１０-7Ｔｏｒｒ）以上であることが好ましく、常圧であってもよい。
【００３０】
また、加熱工程中は特に外部からシリコン部材間を加圧する必要はない。たとえば、これ以上の当接圧力を加えることを排除するものではないが、１０〜９０Ｐａ程度の自重で加わる程度の当接圧力で充分である。
但し、加熱工程を行う雰囲気として大気中を選択した場合以外においては、以下に述べる製造方法を本発明から除外する。すなわち、量子構造を備えたＳｉ系半導体デバイスの製造方法であって、（ａ）Ｓｉ系基板を準備する工程と、（ｂ）前記Ｓｉ系基板の上に、Ｓｉ系絶縁層を形成する工程と、（ｃ）前記Ｓｉ系絶縁層の上に、厚みが１０ｎｍ以下のＡｕで形成されている金属層を形成する工程と、（ｄ）前記金属層の上に、Ｓｉ系半導体の単結晶で形成された半導体薄板を重ね合わせることによって、重ね合わせ基板を作成する工程と、（ｅ）前記重ね合わせ基板を熱処理することによって、前記金属層と前記半導体薄板とを接合するとともに、前記金属層と前記半導体薄板との境界にＳｉＯ2層を形成する工程と、を備えることを特徴とするＳｉ系半導体デバイスの製造方法の製造方法を除くものである。
【００３１】
（シリコンデバイス）
本発明のシリコンデバイスは、２以上のシリコン部材間を膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜のみを介して接合したことを特徴とする。シリコン部材中にはＡｕが拡散していない。シリコン部材はシリコンが主成分の材料からなる部材であれば特に限定されるものではなく、純粋なシリコン単体からなる部材の他、炭化ケイ素、窒化ケイ素、二酸化ケイ素等の汎用されるシリコン部材が例示できる。また、このシリコン部材には電子素子等が形成されていても良い。
【００３２】
Ａｕ薄膜は２０ｎｍ以下の膜厚であり、Ａｕ単体で存在する膜である。Ａｕ薄膜の膜厚は５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３３】
本シリコンデバイスは、たとえば、前述のシリコン部材の接合方法で製造することができる。
但し、量子構造を備えたＳｉ系半導体デバイスであって、Ｓｉ系基板と、前記Ｓｉ系基板の上に設けられたＳｉ系絶縁層と、前記Ｓｉ系絶縁層の上に設けられた厚みが１０ｎｍ以下のＡｕで形成されている金属層と、前記金属層の上に設けられたＳｉＯ2層と、前記ＳｉＯ2層の上に設けられ、Ｓｉ系半導体の単結晶で形成された半導体層と、を備えることを特徴とするＳｉ系半導体デバイスを除く。
【００３４】
【実施例】
（試験１）
炭化ケイ素からなるシリコン部材（一方のシリコン部材）の接合面を常法により平坦化（Ｒｍａｘ２０ｎｍ、Ｒａ４ｎｍ）し、その接合面にＡｕ薄膜を２０ｎｍとなるように、真空蒸着（条件：圧力１０-2Ｐａ、基板非加熱）を行った（Ａｕ薄膜形成工程）。
【００３５】
シリコン単体からなるシリコン部材（他方のシリコン部材）の接合面を常法により平坦化（Ｓｉウェハーの鏡面仕上げ）し、フッ酸により洗浄し、その後、純水で洗浄して水素終端処理を行った。
【００３６】
Ａｕ薄膜が形成された一方のシリコン部材の接合面上に他方のシリコン部材の接合面を当接させた。当接圧力は５０Ｐａであった。そして、アルゴンガス雰囲気中で４００℃、２時間加熱することでシリコンデバイスを得た（加熱工程）。
【００３７】
接合強度を３×４（ｍｍ2）に切り出した試料の両面に接着剤で治具を固定し、治具を０．３ｍｍ／分で反対方向に引っ張り、ウェハ剥離時の加重を求める方法により測定した結果、引っ張り強度が８ＭＰａであった。
【００３８】
（試験２）
シリコン単体からなるシリコン部材（一方のシリコン部材）の接合面を常法により平坦化（Ｓｉウェハーの鏡面仕上げ）した後にフッ酸により洗浄した後に純水で洗浄して水素終端処理を行った。その接合面にＡｕ薄膜を２０ｎｍとなるように、真空蒸着（条件：圧力１０-2Ｐａ、基板非加熱）を行った（Ａｕ薄膜形成工程）。
【００３９】
シリコン単体からなるシリコン部材（他方のシリコン部材）の接合面を常法により平坦化（Ｓｉウェハーの鏡面仕上げ）し、フッ酸により洗浄し、その後、純水で洗浄して水素終端処理を行った。
【００４０】
Ａｕ薄膜が形成された一方のシリコン部材の接合面上に他方のシリコン部材の接合面を当接させた。当接圧力は５０Ｐａであった。そして、アルゴンガス雰囲気中で４００℃、２時間加熱することでシリコンデバイスを得た（加熱工程）。
【００４１】
接合強度を試験１と同様の方法により測定した結果、引っ張り強度が２０ＭＰａであった。
【００４２】
接合面を含むシリコンデバイスの断面ＴＥＭ写真を図３に示す。写真上方が一方のシリコン部材であり、下方が他方のシリコン部材である。一方のシリコン部材の接合面に形成されたＡｕ薄膜と他方のシリコン部材との当接面には、活性なシリコン原子が雰囲気中の酸素と反応して生成した二酸化ケイ素層も確認できる。ここで、写真中の１、２、４、５の部位にはＡｕ元素は検出されず、３の部位のみにＡｕ元素が検出され、Ａｕ薄膜はシリコン部材中に拡散せず、ほぼ元の位置に留まっていることが明らかとなった。
【００４３】
（試験３）
炭化ケイ素からなるシリコン部材（一方のシリコン部材）の接合面を常法により平坦化（Ｒｍａｘ０．２μｍ）し、その接合面にＳｉ薄膜を０．５μｍとなるように、スパッタリング（条件：圧力２Ｐａ、Ｒｆスパッター、Ｓｉターゲット、Ａｒガス雰囲気２０ｃｍ3／分）を行い、接合面をＳｉ原子となるようにした。その接合面にＡｕ薄膜を２０ｎｍとなるように、真空蒸着（条件：圧力１０-2Ｐａ、基板非加熱）を行った（Ａｕ薄膜形成工程）。
【００４４】
シリコン単体からなるシリコン部材（他方のシリコン部材）の接合面を常法により平坦化（Ｓｉウェハーの鏡面仕上げ）し、フッ酸により洗浄し、その後、純水で洗浄して水素終端処理を行った。
【００４５】
Ａｕ薄膜が形成された一方のシリコン部材の接合面上に他方のシリコン部材の接合面を当接させた。当接圧力は５０Ｐａであった。そして、アルゴンガス雰囲気中で４００℃、２時間加熱することでシリコンデバイスを得た（加熱工程）。
【００４６】
接合強度を試験１と同様の方法により測定した結果、引っ張り強度が１５ＭＰａであった。
【００４７】
（試験４）
シリコン単体からなるシリコン部材（一方のシリコン部材：１５ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の接合面を常法により平坦化（Ｓｉウェハーの鏡面仕上げ）した後にフッ酸により洗浄した後に純水で洗浄して水素終端処理を行った。その接合面にＡｕ薄膜を種々の膜厚（５〜２００ｎｍ）となるように、真空蒸着（条件：圧力１０-2Ｐａ、基板非加熱）を行った（Ａｕ薄膜形成工程）。
【００４８】
シリコン単体からなるシリコン部材（他方のシリコン部材：１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の接合面を常法により平坦化（Ｓｉウェハーの鏡面仕上げ）し、フッ酸により洗浄し、その後、純水で洗浄して水素終端処理を行った。
【００４９】
Ａｕ薄膜が形成された一方のシリコン部材の接合面上に他方のシリコン部材の接合面を当接させた。当接圧力は５０Ｐａであった。そして、アルゴンガス雰囲気中で４００℃、２時間加熱することでシリコンデバイスを得た（加熱工程）。
【００５０】
接合強度を評価するために、得られたシリコンデバイスに力を加えそのときの挙度により３段階に区分した。一方のシリコン部材を保持して持ち上げると、外力を加え無くとも自重により一方のシリコン部材と他方のシリコン部材との接合面が剥離するものを強度１と、外力を加えると一方のシリコン部材と他方のシリコン部材との接合面が剥離するものを強度２と、外力によっては剥離しない充分な強度をもつものを強度３とした。
【００５１】
結果を図４及び５に示す。図４及び５から明らかなように、Ａｕ薄膜の膜厚が２０ｎｍ以下とした場合に強度２以上となった。実験を行った下限値である５ｎｍでも強度２であった。したがって、Ａｕ薄膜の膜厚としては２０ｎｍ以下とする必要があり、好ましくは５ｎｍ以上とする。そして、Ａｕ薄膜の膜厚を７．５〜１５ｎｍとすることで、強度３にできる。
【００５２】
（試験５）
シリコン単体からなるシリコン部材（一方のシリコン部材：１５ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の接合面を常法により平坦化（Ｓｉウェハーの鏡面仕上げ）した後にフッ酸により洗浄した後に純水で洗浄して水素終端処理を行った。その接合面にＡｕ薄膜を１０ｎｍとなるように、真空蒸着（条件：圧力１０-2Ｐａ、基板非加熱）を行った（Ａｕ薄膜形成工程）。
【００５３】
シリコン単体からなるシリコン部材（他方のシリコン部材：１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）の接合面を常法により平坦化（Ｓｉウェハーの鏡面仕上げ）し、フッ酸により洗浄し、その後、純水で洗浄して水素終端処理を行った。
【００５４】
Ａｕ薄膜が形成された一方のシリコン部材の接合面上に他方のシリコン部材の接合面を当接させた。当接圧力は５０Ｐａであった。そして、アルゴンガス雰囲気中で種々の温度（３００〜６００℃）で、２時間加熱することでシリコンデバイスを得た（加熱工程）。
【００５５】
接合強度は試験４の方法で評価した。結果を図６に示す。図６から明らかなように、加熱温度が６００℃より低い範囲で強度２以上となった。さらに、加熱温度を３００℃よりも高くすると、強度３にすることができた。また、加熱温度を３２５〜４００℃とすることで確実に強度３にすることができた。
【００５６】
（試験６）
シリコン単体からなるシリコン部材の表面を常法により平坦化した。その後、フッ酸により洗浄した後に純水で洗浄して水素終端処理を行った。その表面にＡｕ薄膜を１０ｎｍとなるように、真空蒸着（条件：圧力１０-2Ｐａ、基板非加熱）を行い試験試料を複数個調製した。
【００５７】
各試験試料について大気中又はアルゴンガス雰囲気中で種々の温度で２時間加熱し、その表面のシリコン原子及び酸素原子の存在比をＸＰＳにより分析した。ＸＰＳの分析結果から試験試料表面のシリコン単体と二酸化ケイ素との比を求めた。試験試料の表面に二酸化ケイ素が認められるということは、シリコン単体がＡｕ薄膜を透過し、表面に活性なシリコン原子として存在したことを示している。シリコン原子がＡｕ薄膜を透過していない場合にはＡｕ薄膜の膜厚が薄いのでＡｕ薄膜下のシリコン単体がシリコン原子としてＸＰＳにより検出される。
【００５８】
結果を図７に示す。大気中及びアルゴンガス雰囲気中のどちらも加熱していない０℃においても、シリコン単体と、二酸化ケイ素とが４：６の割合で存在し、シリコン原子がＡｕ薄膜を透過していることが分かった。加熱温度を４００℃以上とすることで、さらに二酸化ケイ素の存在比が大きくなり、５００℃以上でほぼ完全に表面が二酸化ケイ素で覆われる。
【００５９】
この結果から、Ａｕ薄膜により、活性なシリコン原子が表面に生成していることが判明した。また、大気中で加熱を行うことで活性なシリコン原子の生成がさらに進行することが分かった。なお、シリコン単体では６００℃程度の加熱では二酸化ケイ素の生成は進行せず、Ａｕ薄膜の形成は活性なシリコン原子の生成に有効であることが裏付けられた。
【００６０】
（試験７）
炭化ケイ素（単結晶、多結晶）からなるシリコン部材の表面を常法により平坦化した。単結晶の炭化ケイ素はその表面のうちシリコン面及び炭素面をそれぞれ接合面として試験に供した。
【００６１】
その表面にＡｕ薄膜を１０ｎｍとなるように、真空蒸着（条件：圧力１０-2Ｐａ、基板非加熱）を行い試験試料を複数個調製した。
【００６２】
各試験試料について大気中で種々の温度で２時間加熱し、その表面のシリコン原子、炭素原子及び酸素原子の存在比をＸＰＳにより分析した。ＸＰＳの分析結果から試験試料表面の炭化ケイ素単体と二酸化ケイ素との比を求めた。試験試料の表面に二酸化ケイ素が認められるということは、試験６と同様に、シリコン単体がＡｕ薄膜を透過し、表面に活性なシリコン原子として存在したことを示している。シリコン原子がＡｕ薄膜を透過していない場合にはＡｕ薄膜の膜厚が薄いのでＡｕ薄膜下の炭化ケイ素単体がシリコン原子及び炭素原子としてＸＰＳにより検出される。
【００６３】
結果を図８に示す。２００℃の加熱ではどの試験試料も二酸化ケイ素の生成は認められなかった。表面を炭素面とした試験試料では４００℃まで加熱しても二酸化ケイ素の生成は認められず、５００℃以上の加熱により二酸化ケイ素の生成が認められた。そして、表面をシリコン面とした試験試料及び多結晶炭化ケイ素からなる試験試料はいずれも３００℃の加熱により二酸化ケイ素の発生が認められた。なお、炭化ケイ素は６００℃程度は勿論、それ以上の加熱条件であっても容易に二酸化ケイ素は発生せず、Ａｕ薄膜の形成は活性なシリコン原子の生成に有効であることが裏付けられた。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシリコン部材の接合方法は、シリコン部材間を膜厚２０ｎｍ以下のＡｕ薄膜を介して接合することで、比較的低温で強固な接合を達成することができる。本接合方法は固相反応を利用するので、接合位置精度に優れている。また、接合時に大きな加圧力を加える必要がないので、微細な構造をもつマイクロマシンの組み立て等の力を加えることが困難な接合用途に好適に適用できる。
【００６５】
また、本発明のシリコンデバイスは、強固な接合が達成できるので、信頼性の高い接合面をもつデバイスとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態における一例を示した概略図である。
【図２】実施形態における一例を示した概略図である。
【図３】試験２におけるシリコンデバイスの接合面の断面ＴＥＭ写真である。
【図４】試験４における接合強度を示した図である。
【図５】試験４における接合強度を示した図である。
【図６】試験５における接合強度を示した図である。
【図７】試験６における試験試料表面の結合状態若しくは組成比を示した図である。
【図８】試験７における試験試料表面の結合状態若しくは組成比を示した図である。
【符号の説明】
１…基材
２…カンチレバー
３…基板
４…シリコン薄膜
５…裏面電極をもつシリコン部材
【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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