(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体状態の2つのシリコン塊を、鑞材を介して接触させて、パルスレーザによる鑞接（ろうせつ、brazing and soldering）によって接着する方法であって、
前記鑞材は、シリコン塊と合金を形成する素材であり、
前記パルスレーザの波長は、前記シリコン塊の吸収端の波長より長波長であって、かつ前記鑞材の吸収端の波長より短波長であり、
前記パルスレーザが、前記シリコン塊を透過して前記鑞材に照射され、
前記パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが、次式(A)で与えられる、前記シリコン塊と前記鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度に到達するために必要な値に設定されていることを特徴とするシリコン接着方法。
E＝Tthρ{π(R+vΔt)2(D+2vΔt)}            (A)
ここで、
Tth：前記シリコン塊と前記鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度
ρ：前記シリコン塊と前記鑞材とが融解して形成される合金の比熱
D：前記鑞材の厚さ
R：前記パルスレーザの前記鑞材への照射領域の半径
v：前記シリコン塊中の音速
Δt：パルスレーザの出力パルスの時間波形の半値幅
である。
【請求項２】
前記鑞材がゲルマニウムであって、前記パルスレーザの波長は、1.107μm（1.12 eV）〜1.850μm（0.67 eV）の範囲の波長であることを特徴とする請求項1に記載のシリコン接着方法。
【請求項３】
前記鑞材が錫であって、前記パルスレーザの波長は、1.107μm（1.12 eV）〜7μm（0.177 eV）の範囲の波長であることを特徴とする請求項1に記載のシリコン接着方法。
【請求項４】
前記パルスレーザは、Erドープファイバレーザであることを特徴とする請求項1に記載のシリコン接着方法。
【請求項５】
前記シリコン塊は、結晶シリコンであることを特徴とする請求項1に記載のシリコン接着方法。
【請求項６】
前記シリコン塊は、非晶質シリコンであることを特徴とする請求項1に記載のシリコン接着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パルスレーザによるシリコン(Si)の接着方法に係り、特にゲルマニウム(Ge)あるいは錫(Sn)を用いてSi同士を接着する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Si基板に、可動部を有する機械的機能素子、可動部を有さない非機械的機能素子、及び電子回路等を集積して形成されるMEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)が注目されている。MEMSの主要構成部分は、半導体集積回路作成技術が応用されて作製されるが、従来の半導体集積回路は平面に加工されることを前提にしたプロセスで作製されてきた。これに対して、MEMSはSi基板等の平面基板に立体的な形状が形成される。従って、MEMSを作製するには、従来の半導体集積回路の形成技術に加えて平面基板に立体的な形状、すなわち立体的な素子等を固定する技術が必要とされる。
【０００３】
一方、圧力センサー、加速度センサー、ジャイロスコープ等の機械的機能素子は、Siを母材として形成され、その小型化、高性能化が競われている。例えば、Si単結晶からなるダイアフラムとピエゾ抵抗感圧ゲージが組み合わせられて形成される圧力センサーが開示されている(例えば、特許文献1及び2参照)。また、ガラス/Si/ガラスの3層構造の加速度センサチップを具えて構成される加速度センサー素子が開示されている(例えば、特許文献3参照)。更に、ガラス基板とその上に形成されているSi構造体とを具えて構成されるジャイロスコープが開示されている(例えば、特許文献4参照)。
【０００４】
将来、MEMSの技術が応用されて、Si基板に、上述の圧力センサー等の機械的機能素子あるいは非機械的機能素子がLSI等の電気制御回路と共に一体化されて形成され、付加価値の高い素子あるいは装置が開発されることが十分に想定される。以後、機械的機能素子あるいは非機械的機能素子を特に区別しない場合は、機械的機能素子等あるいは単に素子ということもある。
【０００５】
Siを母材として形成される上述の素子をSi基板に固定するには、これらの素子をSi基板表面に接着する必要がある。Siを母材として形成される微小な素子を、Si基板に接着するにはレーザを利用する溶接技術を活用することが考えられる。レーザによれば、きわめて狭い領域にレーザ出力光を集光させて局所的に高温にすることができるからである。
【０００６】
レーザによる溶接技術については、溶接欠陥等の発生を抑え良好な溶接を実現させるため、パルス波あるいは連続波を利用する等、レーザ光の照射条件の検討がなされている。例えば、鋼、アルミニウム合金、銅合金、チタン合金等の薄板の溶接におけるパルスレーザの照射条件が検討されている（特許文献5及び6参照）。また、溶接面に塗装が施されている等、特殊な面に溶接を行う場合についても検討されており、例えば、塗装に起因する溶接欠陥の発生を抑圧するパルスレーザの照射条件が検討されている(特許文献7参照)。
【特許文献１】特許第3596935号公報
【特許文献２】特許第3863171号公報
【特許文献３】特許第3962499号公報
【特許文献４】特許第3713019号公報
【特許文献５】特許第2842967号公報
【特許文献６】特許第3229110号公報
【特許文献７】特開2004-209543号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Siを母材として形成される上述の素子をSi基板にレーザによる溶接技術によって固定するには、素子の温度の上昇をできる限り防ぐ必要がある。この理由は、温度の上昇によって素子の機能が損なわれる恐れがあるためである。素子の温度の上昇を防ぐためには、接着面である、素子とSi基板との界面の限られた狭い領域のみを、溶接による接着に必要とされる高温度に到達させる必要がある。
【０００８】
しかしながら、素子を形成するSi母材の接着面と、この素子が固定されるSi基板の接着面との界面の限られた狭い領域のみを、接着に必要な高温度に到達させる技術はいまだ実現されていない。そこで、この発明は、素子を形成するSi母材の接着面とSi基板の接着面とが接する界面の限られた狭い領域のみを高温にすることによって、Si同士を接着して、素子をSi基板に接着する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明者は、Si同士を接着するにあたり、レーザ光を吸収する素材を一種の接着剤(鑞材)として用いることにより、Si塊同士を鑞接（ろうせつ、brazing and soldering）することに思い至った。すなわち、Siには透明であって、接着剤として使う素材が吸収する波長のレーザ光を選択すれば、レーザ光の吸収によってはSi塊の温度は上昇しないことに着目した。
【００１０】
そして、検討を重ねた結果、パルスレーザによるレーザ溶接技術を用いることによって、上述の課題が解決するとの認識に至った。すなわち、素子を構成するSi母材の接着面とSi基板の接着面とが接する界面の限られた狭い領域のみを高温にするためのパルスレーザ光の照射条件を、このパルス一つ分のエネルギーの大きさ及びこのパルスの時間波形の半値幅の大きさを規定することによって設定することが可能であるとの認識に至った。
【００１１】
上述の理念に基づくこの発明の要旨によれば、以下のSi接着方法が提供される。
【００１２】
この発明のSi接着方法は、固体状態の2つのSi塊を、鑞材を介して接触させて、パルスレーザによる鑞接によって接着する方法である。鑞材は、Si塊と合金を形成する素材である。パルスレーザは、その波長がSi塊の吸収端の波長より長波長であって、かつ鑞材の吸収端の波長より短波長であり、Si塊を透過して鑞材に照射される。このパルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさは、Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度に設定されている。
【００１３】
特に、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさ及びこのパルスの時間波形の半値幅の大きさは、Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度に到達するために必要な値に設定するのが好適である。
【００１５】
パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさE及びパルスレーザの出力パルスの時間波形の半値幅Δtが、次式(A)を満足するように設定すれば、出力パルス一つ分のエネルギーの大きさは、Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度に到達するために必要な値となる。
E＝Tthρ{π(R+vΔt)2(D+2vΔt)}            (A)
ここで、
Tth：シリコン塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度
ρ：シリコン塊と鑞材とが融解して形成される合金の比熱
D：鑞材の厚さ
R：パルスレーザの鑞材への照射領域の半径
v：シリコン塊中の音速
Δt：パルスレーザの出力パルスの時間波形の半値幅
である。
Si塊は、結晶Siであっても非晶質Siであってもよい。鑞材はGeあるいはSnとすることが好適である。また、鑞接に利用するパルスレーザの発振波長は、鑞材がGeである場合は、1.107μm（1.12 eV）〜1.850μm（0.67 eV）の範囲とするのがよく、Snである場合は、1.107μm（1.12 eV）〜7μm（0.177 eV）の範囲とするのがよい。パルスレーザは、Erドープファイバレーザとすることが好適である。波長の値とともに括弧で括って示した数値は、その波長に対応するフォトンのエネルギーである。すなわち、フォトンのエネルギーをEg(eV)とし、このフォトンエネルギーに対応する波長をλg(μm)としたとき、Eg・λg＝1.2398 (eV・μm)で与えられる関係があることを用いてフォトンエネルギーの値から波長の値に換算してある。
【発明の効果】
【００１６】
この発明のSi接着方法によれば、固体状態の2つのSi塊を、鑞材を介して接触させて、Si塊を透過してパルスレーザを鑞材に照射させる構成とされている。従って、パルスレーザによって鑞材のみが加熱される。そして、パルスレーザは、その波長がSi塊の吸収端の波長より長波長であって、かつパルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさが、Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度に到達するために必要な値に設定されている。
【００１７】
パルスレーザの出力パルスをこのように設定すれば、Si塊を出力パルスは透過し、Si塊はこの出力パルスを吸収することがない。従って、Si塊は出力パルスによっては温度上昇が起こらない。すなわち、鑞材のみが加熱されるので、鑞材の温度だけを上昇させることができ、Siによって構成される素子の温度上昇による破壊を発生させることなくSi同士を接着することが可能となる。
【００１８】
更に、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさ及びこのパルスの時間波形の半値幅の大きさが、Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度に到達するために必要な値に設定することにより、後述するように、Si塊とSi塊との間に存在する鑞材のみが加熱され、接着面の限られた狭い領域のみを高温にすることが可能となり、より効果的にSi塊同士の接着が可能となる。
【００１９】
鑞材をGeとした場合、Geに吸収されかつSiを透過する波長帯域は、1.107μm（1.12 eV）〜1.850μm（0.67 eV）の範囲である。すなわち、Geの吸収端の波長が1.850μm（0.67 eV）であり、Siの吸収端の波長が1.107μm（1.12 eV）である。従って、パルスレーザの波長を1.107μm（1.12 eV）〜1.850μm（0.67 eV）の範囲の波長に設定することで、パルスレーザ光は、Siは透過しGeには吸収されるため、このパルスレーザ光によってSi塊の温度は上昇しないが、Geの温度は上昇するという状況を実現できる。
【００２０】
また、鑞材をSnとした場合、Snに吸収されかつSiを透過する波長帯域は、1.107μm（1.12 eV）〜12.4μm（0.1 eV）の範囲である。すなわち、Snの吸収端の波長が12.4μm（0.1 eV）であり、Siの吸収端の波長が1.107μm（1.12 eV）である。従って、パルスレーザの波長を1.107μm（1.12 eV）〜12.4μm（0.1 eV）の範囲の波長に設定することで、パルスレーザ光は、Siは透過しSnには吸収されるため、このパルスレーザ光によってSi塊の温度は上昇しないが、Snの温度は上昇するという状況を実現できる。
【００２１】
ただし、これはあくまでSiのバンド間遷移に基づく吸収を考慮して決定したパルスレーザ光の波長範囲である。実際には、Siには波長9μm近傍にOH-基による吸収が存在し、またこの他にも含まれる不純物等の関係からおおよそ7μm以上の長波長領域において吸収帯が存在する。従って、鑞材をSnとした場合には、Siのバンド間遷移に基づく吸収以外についての吸収要因も考慮すれば、パルスレーザの波長を1.107μm（1.12 eV）〜7μm（0.177 eV）の範囲の波長に設定することが望ましいことになる。
【００２２】
Erドープファイバレーザの発振波長は1.55μm（0.8 eV）であるから、上述した波長帯域1.107μm（1.12 eV）〜1.850μm（0.67 eV）及び1.107μm（1.12 eV）〜7μm（0.177 eV）の何れの範囲にも属している。また、Erドープファイバレーザは、Qスイッチ、又はモード同期動作等を実行することによって光パルス列を生成して出力させることが容易なレーザである。従って、Erドープファイバレーザは、この発明のSi接着方法に用いて好適なレーザである。
【００２３】
結晶Siと非晶質Siとはその光学的性質及び熱的性質がほぼ同様であるので、何れの相のSiであっても、この発明のSi接着方法を適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、この発明が理解できる程度に各構成部分を概略的に示してあるに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、また、以下の説明において、特定の材料及び条件等を用いることがあるが、これらの材料及び条件は好適例の一つに過ぎず、従って何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成要素については同一の番号を付して示し、これらの機能等に関して、その重複する説明を省略することもある。
【００２５】
＜この発明の実施の形態のSi接着方法＞
以下、この発明の実施の形態につき図1を参照して説明する。図1はこの発明の実施の形態のSi接着方法の説明に供する図である。
【００２６】
この発明の実施の形態のSi接着方法は、固体状態の第1のSi塊10及び第2のSi塊12の2つのSi塊を、鑞材であるGe材14を介して接触させて、パルスレーザによる鑞接によって接着する方法である。パルスレーザ光16は、図1の上方から第2のSi塊12を透過してGe材14に照射されている。
【００２７】
パルスレーザ光16の出力パルス一つ分のエネルギーの大きさは、第1のSi塊10及び第2のSi塊12とGe材14が融解して合金が形成されるための最小の温度に到達するために必要な大きさに設定されている。
【００２８】
図2を参照して、第1のSi塊10及び第2のSi塊12とGe材14が融解して合金が形成されるための最小の温度に到達するために必要な、パルスレーザ光16の出力パルス一つ分のエネルギーの大きさについて定量的に説明する。図2はGe材14に対する、パルスレーザ光16の照射領域と温度拡散領域との関係を示す図であり、図1においてパルスレーザ光16の進行方向に平行な方向で切断した切り口断面を示している。
【００２９】
図2において、パルスレーザ光16は円錐状の形状の光束としてGe材14に照射されているものとする。パルスレーザ光16の光束の半径、すなわちパルスレーザのGe材14への照射領域の半径はRである。Ge材14の厚さ、すなわち第1のSi塊10と第2のSi塊12とによって挟まれているGe材14の厚さはDである。また、パルスレーザ光16の出力パルスの時間波形の半値幅はΔtである。
【００３０】
パルスレーザ光16の出力パルス1つ分をGe材14へ照射することによって、照射領域の温度がどれだけ上昇するかについて考察する。パルスレーザ光16の出力パルスが照射された瞬間から、照射領域にあるGe材14の温度は上昇を始め、パルスのピーク値に達した瞬間に極大温度に到達する。以後、パルスレーザ光16の出力パルスを単にパルス光と言うこともある。
【００３１】
Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度Tthは、厳密にはパルスレーザ光を照射する前のSi塊と鑞材との温度、すなわち室温t0とSi塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の真の温度Tth'との差(Tth'−t0)を意味する。しかしながら、Tth'に比べt0の値は十分無視できる程度の大きさであるので、(Tth'−t0)をTthと見なしても、実用上何ら差し支えない。ちなみに、室温27℃に対してSi塊とGeとが融解して合金が形成されるための最小の真の温度Tth'は950℃であるから950℃-27℃＝923℃を、950℃と見なしても十分によい近似となる。従って、以後の説明においては室温t0を0℃と見なして説明する。
【００３２】
この発明のSi接着方法において、Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度Tth、Si塊と鑞材とが融解して形成される合金の比熱ρ、鑞材の厚さD、パルスレーザの鑞材への照射領域の半径R、Si塊中の音速vが判明しており、かつパルスレーザの出力パルスの時間波形の半値幅Δtが与えられれば、Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度に到達するために必要な、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEは式(A)を用いて算出することができる。
【００３３】
パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEは、パルスレーザの出力パルスの時間波形から求められ、近似的にパルスレーザの出力パルスのピーク値Pとこの出力パルスの時間波形の半値全幅(2Δt)の積で与えられる。すなわちE≒(2Δt)×Pで与えられる。従って、式(A)によって与えられるエネルギーEの値が求まれば、ピーク値Pとこの出力パルスの時間波形の半値全幅(2Δt)は、E≒(2Δt)×Pを満たす範囲で適宜設定することができる。すなわち、Pの値を小さくする代わりにΔtの値を大きくすることも、あるいはPの値を大きく設定する変わりにΔtの値を小さくすることも可能である。
【００３４】
以下に説明するようにPの値を大きく設定するほど、鑞接工程において高温度になる領域の広さを狭くすることができる。しかしながら、Pの値を大きく設定しΔtの値を小さく設定することは、パルスレーザに大きな負担となり、パルスレーザ装置の寿命を短くする。一方、Δtの値を大きく設定するほど、鑞接工程において高温度になる領域の広さが広くなる。従って、Pの値あるいはΔtのそれぞれの値の設定は、接着する素子の大きさ、素子の機能等を総合的に勘案して決定すべき設計的事項に属する。
【００３５】
ピーク値Pの値を大きく設定し出力パルスの時間波形の半値幅Δtの値を小さく設定するほど、鑞接工程において高温度になる領域の広さを狭くすることができる理由は以下のとおりである。
【００３６】
式(A)から明らかなように、出力パルスの時間波形の半値全幅(2Δt)を与えるΔtの値の増大に応じて、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEの値は増大するので、Δtの値が小さいほどEの値は小さくなる。すなわち、Δtの値が小さいほど低いエネルギーの供給で鑞接工程が完了される。Δtの値が大きくなるほど広い範囲に熱が拡散し、この広い範囲全体がSi塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度に達する必要があり、それだけ多くの熱エネルギーが必要となるからである。すなわち、Eの値が小さい条件で鑞接工程が完了するということは、接着されるSi塊の界面の狭い領域だけが温度上昇するように、熱が効率よく使われることを意味する。
【００３７】
ちなみに加熱領域の体積は、後述するように、π(R+vΔt)2(D+2vΔt)で与えられる。従って、Δtの値が大きくなるほど加熱領域の体積が大きくなることを意味する。すなわち、π(R+vΔt)2(D+2vΔt)は、Δtの増大に対して単調に増大するから、出力パルスの時間波形の半値幅Δtの値を大きく設定するほど、鑞接工程において高温度になる領域は広くなる。鑞接工程が実現されるためには、π(R+vΔt)2(D+2vΔt)で与えられる加熱領域の全体にわたり鑞材が融解する温度に到達する必要がある。
【００３８】
従って、Δtの値が小さいほど、鑞接工程において高温度になる領域は、Si塊の界面であって、かつパルスレーザの照射領域の近傍にのみに限定され、周辺部分への熱の拡散がほとんど起こらない時間の範囲で、鑞接工程が完了されることを意味している。
【００３９】
一方、Pの値を大きく設定しΔtの値を小さく設定することは、パルスレーザに大きな負担となる理由は、以下のとおりである。パルスレーザの出力パルスのピーク値Pを大きくするためには、レーザ活性媒質における光エネルギー密度を高くする必要がある。そして、レーザ活性媒質中及びその表面には完全に除去することが不可能である光吸収中心が存在する。従って、この光吸収中心に光が吸収されてレーザ活性媒質の光吸収中心近傍が急激に高温になる。
【００４０】
この現象は、Pの値を大きく設定するほど顕著になる。そのため、Pの値を大きく設定するほどレーザ活性媒質に大きな熱的歪が発生し、この熱的歪によってレーザ活性媒質が損傷される。このように、パルスレーザは、レーザ活性媒質が熱的歪によって少しずつ損傷されその機能が低下する。よって、Pの値を大きく設定することはパルスレーザに大きな負担を与える結果となる。
【００４１】
以上説明した様に、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさE及びこのパルスの時間波形の半値幅の大きさΔtが、Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度に到達するために必要な値に設定されるための条件は、式(A)で与えられる。そして、Eは近似的にE≒(2Δt)×Pと与えられる。ここで、パルスレーザの出力パルスのピーク値Pは、鑞材に照射されるパルスレーザの出力パルスのスポットの広さSと照射エネルギー密度σとによってP＝σ×Sで与えられる。出力パルスのスポットをrとすれば、S＝πr2であるからP＝πr2Sで与えられる。
【００４２】
従って、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEの値とパルスレーザの出力パルスの時間波形の半値幅Δtの値のとの関係は、一方を決定すれば他方が一義的に決定するという関係にはない。Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小温度に到達するための条件を確定するには、鑞材に照射されるパルスレーザの出力パルスのスポット径rを指定する必要がある。このスポット径rが大きいほどEの値を大きくする必要がある。従って鑞接する面積Sが広い場合は、出力パルスのスポット径rを小さいままとし、範囲の全体にわたり順次複数回の鑞接を実行する手法をとればよい。
【００４３】
ここで、パルスレーザ光16の出力パルスの時間波形の半値幅をΔtとすると、パルス光の照射領域にあるGe材14の温度は、室温から上昇を始め、Δt後に極大温度に到達する。Ge材14の温度上昇とともに、温度が上昇したGe材14に接している第1及び第2のSi塊のGe材14との接触領域から温度の拡散が始まる。Si塊を伝播する温度の拡散速度は、Siのフォノンの伝播速度に等しい。すなわち、温度はSi塊を形成しているSi原子の熱振動によって決定されるので、Si原子の格子振動の伝播速度であるフォノンの伝播速度で温度拡散がなされることになる。Siのフォノンの伝播速度は、Siの音速に等しいから、Siの音速をvとすると、パルス光が照射された瞬間からΔtの間に温度拡散の最先端面は、vΔtだけSi塊中を伝播している。図2にはパルス光が照射された瞬間からΔt後の温度拡散の最先端面を破線で囲って示してある。
【００４４】
図2に示すようにパルス光が照射された瞬間からΔt後の温度拡散の最先端面は、第1のSi塊10と第2のSi塊12とがGe材14を介して接触している面の平行方向に直径が2(R+vΔt)である円周に達している。一方第1のSi塊10と第2のSi塊12とがGe材14を介して接触している面の垂直方向のSi塊の第1のSi塊10と第2のSi塊12とのそれぞれの内部に向ってvΔtだけ進むので、Δt後の温度拡散の最先端面の間隔は、図2に示すように(D+2vΔt)となる。
【００４５】
従って、パルス光が照射された瞬間からΔt後の加熱領域は、底面の直径が2(R+vΔt)である円であって、高さが(D+2vΔt)である円柱状の領域となるから、この領域の体積は、π(R+vΔt)2(D+2vΔt)で与えられる。
【００４６】
第1のSi塊10と第2のSi塊12とがGe材14によって鑞接される工程は、パルス光によってGe材14が溶融し、このGe材14が溶融した近傍が合金化されて、その後冷却されてSi-(SiとGeの合金)-Geの形態で接着が完了する工程であると理解することができる。すなわち、Ge材14が溶融し、この融解したGe材14を囲むSiとGeが合金を作り、パルス光の照射が終了した時点で合金部分が固体化し、SiとGeの合金を挟んでSi材12とGe材14とが接着される。
【００４７】
第1のSi塊10と第2のSi塊12とがGe材14を介して接する第1のSi塊10と第2のSi塊12との界面の限られた狭い領域のみを高温にすることによって、鑞接するのがこの発明の特徴であるから、Δt後の加熱領域に含まれるのは、ほとんどがGe材である。従って、Si塊と鑞材とが融解して形成される合金の比熱ρは、Geの比熱と近似することができる。
【００４８】
従って、Si塊とGe材14とが融解して合金が形成されるための最小の温度をTthとすれば、比熱がρである体積π(R+vΔt)2(D+2vΔt)の領域がTthに達するために必要なエネルギーを、パルスレーザ光16の出力パルス1つ分で賄えばよいことになる。この条件を満たすパルスレーザ光16の出力パルス1つ分のエネルギーEは、
E＝Tthρ{π(R+vΔt)2(D+2vΔt)}            (A)
で与えられる。
【００４９】
図１及び図2を参照して、鑞材としてGe材を用いた場合のシリコン接着方法について説明したが、鑞材としてSn材を利用することも可能である。この場合は、上述の説明において、Ge材14とあるところをSn材と置き換えれば、上述の説明はそのまま成立する。式(A)においては、比熱ρの値をΔt後の加熱領域に含まれるのは、ほとんどがSn材であるから、Si塊と鑞材とが融解して形成される合金の比熱ρとして、Snの比熱を採用すればよい。
【００５０】
＜パルス光照射領域の温度と温度拡散領域との関係＞
図3を参照して、パルスレーザ光16の出力パルスのGe材14への照射が開始された瞬間から時間がΔtだけ経過した時点を起点として、照射された領域の温度及び、温度が上昇する範囲の時間的変化について説明する。図3は、経過時間に対する、照射された領域の温度及び温度拡散領域の体積の変化の様子を示す図である。上述したように温度拡散領域とは音波の到達範囲で囲まれる領域を指し、すなわち音波を含む体積を意味する。図3において、横軸に経過時間をns単位で目盛って示してあり、左側の縦軸に音波が含まれる領域の温度を、右側の縦軸に音波の含まれる体積をcm3単位で目盛って示してある。
【００５１】
図3に示す照射された領域の温度及び温度拡散領域の体積の変化についてのシミュレーションは、表1に示すパラメータを仮定して行った。すなわち、鑞材としてGe材を用い、Erドープファイバレーザ等のGe材が吸収する波長帯域の出力パルスが得られるパルスレーザを用いる場合を想定している。
【００５２】
【表１】
0004313419.tif 000002
【００５３】
パルス光のGe材14への照射が開始された瞬間からΔt後にパルス光の強度がピーク値に達する。パルス光の照射が開始されたGe材14の領域の温度は、パルス光の照射が開始された瞬間から上昇をはじめ、照射が開始された瞬間からΔt後に到達温度になる。パルス光の照射が開始されてΔt〜2Δtの間にも、Ge材14にはパルス光が照射され続けるが、パルス光の強度は時間経過とともに減少する。従って、パルス光の照射が開始されてΔt〜2Δtの間は、温度拡散の効果によってGe材14の温度は上昇することなく降下を始める。図3では、横軸をパルス光の照射が開始された瞬間から時間がΔtだけ経過した時点を起点として取ってあるので、Ge材14の温度変化を示す曲線は、単調減少を示している。
【００５４】
一方、パルス光のGe材14への照射が開始された瞬間から温度拡散は開始されるが、図3では、パルス光のGe材14への照射が開始された瞬間からΔt後の音波の到達範囲を示す温度拡散領域（音波の含まれる領域）の体積を起算点として取ってある。温度拡散領域の体積は、図3に示すように単調増加曲線で示される。
【００５５】
図3において、温度拡散領域の温度がSi材(第1のSi塊10と第2のSi塊12)とGe材14とが融解して合金が形成されるための最小の温度Tthに達した時点で、鑞接による接着が起こる範囲が確定される。Tth＝950℃であるから、この温度に到達するまでの時間Δtは図3から4.4 nsと読み取れる。この時間における温度拡散領域の体積は、図3の右側の縦軸から0.55×10-6cm3と読み取れる。Si材の音速vは、3.9μm/nsであるので、温度拡散領域を画する境界は、パルス光の照射範囲から周辺に向けてvΔt＝3.9μm/ns×4.4 ns＝17.16μmの幅だけ広がっている。従って、パルス光の時間波形の半値幅Δtを小さくすることによって、Eの値が同一であっても温度拡散領域を画する境界の広がりを小さくできる。すなわち温度Tthに達する領域の広がりを小さくできる。
【００５６】
上述したように、パルスレーザの出力パルス1つ分のエネルギーEは近似的にE≒(2Δt)×Pと与えられ、パルス光のピーク値Pは、パルスレーザのGe材14への照射面積の大きさをSとし、照射エネルギー密度をσとするとP＝σ×Sで与えられる。
【００５７】
パルス光の時間波形の半値幅Δtを小さくすることは、照射面積の大きさSを小さくして照射エネルギー密度σを高くすることによって実現される。すなわち、照射面積の大きさSに反比例して照射エネルギー密度σは大きくなり、常にP＝σ×Sの関係を満たす。従って、E≒(2Δt)×Pなる関係から、Δtを小さくするためにはPを大きくする必要があるが、この関係によってPの値が確定されても、P＝σ×Sなる関係から、照射面積の大きさSを小さくすれば、照射エネルギー密度σを高くすることが可能である。従ってSの値を調整することによって必要とされるPの値は常に満たすようにすることができる。
【００５８】
すなわち、パルス光をレンズ等によって集光させてSを小さくすることで、パルスレーザの時間平均出力エネルギーを増大させることなく、上述のパルス光の1つ分のエネルギーEが式(A)に示す条件を満足するように、パルスレーザの発振条件を設定することが可能である。
【００５９】
＜合金の生成に必要なパルス光の時間波形の半値幅Δtの導出＞
図4を参照して、鑞材としてGe材及びSn材を利用した場合の、合金の生成に必要なパルス光の時間波形の半値幅Δtの導出方法について説明する。図4は、パルス光の時間波形の半値幅Δtに対する鑞材の到達温度を示す図である。図4に示すパルス光の時間波形の半値幅Δtに対する鑞材の到達温度についてのシミュレーションにおいても、上述の表1に示すパラメータを仮定して行った。パルス光の照射領域は半径100μmとし、Ge材及びSn材の厚みを10μmに設定してある。
【００６０】
上述したようにE≒(2Δt)×Pである。ここでは、簡単のためにE＝(2Δt)×Pであるものとして説明する。時間波形の半値幅がΔtであるパルス光が照射されることによって鑞材の到達温度Tは次式(B)で与えられる。
T＝(2Δt)×P/[πρ(R+vΔt)2(D+2vΔt)]            (B)
上述したように、パルスレーザの出力パルスのピーク値Pは、鑞材に照射されるパルスレーザの出力パルスのスポットの広さSと照射エネルギー密度σとによってP＝σ×Sで与えられ、出力パルスのスポットをr(パルス光の集光領域の半径)とすれば、S＝πr2であるからP＝πr2σで与えられる。従って、式(B)は、次式(C)に変形される。
T＝2Δt×r2σ/[ρ(R+vΔt)2(D+2vΔt)]            (C)
図4において、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが75μJ、100μJ、150μJ及び200μJである場合について、鑞材の到達温度Tとパルス光の時間波形の半値幅Δtとの関係を示してある。Si塊とGe材とが融解して合金が形成されるための最小の温度Tthは950℃、Si塊とSn材とが融解して合金が形成されるための最小の温度Tthは650℃である。
【００６１】
図4から、Ge材を鑞材とした場合、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが100μJでは2.6 ns、150μJでは9.1 ns、200μJでは14.6 ns、に等しいかこれ以下の値にΔtを設定すればよいことが分かる。また、Sn材を鑞材とした場合、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが75μJでは4.3 ns、100μJでは9.1 nsに等しいかこれ以下の値にパルス光の時間波形の半値幅Δtを設定すればよいことが分かる。
【００６２】
すなわち、図4で示す鑞材の到達温度曲線と、鑞材が融解する温度との交点をあたえるパルス光の時間波形の半値幅の値よりも小さい値にΔtの値を設定すれば、すなわち、Si塊と鑞材とが融解して合金が形成されるための最小の温度Tthと鑞材の到達温度Tとの関係が、T≧Tthを満足するようにΔtの値を設定すれば、鑞材が融解し鑞接が実現される。しかしながら、Δtの値を短く設定すればするほど、温度到達領域を狭くすることが可能である。
【００６３】
図4には、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが75μJ、100μJ、150μJ及び200μJである場合についてのみ示してあるが、これ以外の場合であっても、式(A)に基づいて同様なグラフを作成することが可能である。
【００６４】
＜合金の生成に必要なパルス光の集光領域の半径Rの導出＞
図5を参照して、鑞材としてGe材及びSn材を利用した場合の、合金の生成に必要なパルス光の集光領域の半径Rの導出方法について説明する。図5に示すパルス光の集光領域の半径Rに対する鑞材の到達温度についてのシミュレーションにおいても、上述の表1に示すパラメータを仮定して行った。また、鑞材の到達温度Tと合金の生成に必要なパルス光の集光径Rとの関係は、上述の式(C)によって算出した。
【００６５】
パルス光の時間波形の半値幅Δtを0.1 nsとし、Ge材及びSn材の厚みを10μmに設定してある。従って、図5は、パルス光の時間波形の半値幅Δtが0.1 nsである場合のパルス光の集光領域の半径Rに対する鑞材の到達温度を示す図である。
【００６６】
図5において、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが25μJ、50μJ、75μJ及び100μJである場合について示してある。Si塊とGe材とが融解して合金が形成されるための最小の温度Tthは950℃、Si塊とSn材とが融解して合金が形成されるための最小の温度Tthは650℃である。
【００６７】
図5から、Ge材を鑞材とした場合の集光領域の半径Rの値は、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが25μJでは54.5 μm、50μJでは76.4μm、75μJでは94.5μm、100μJでは109.1μm、に等しいかこれ以下の値にRを設定すればよいことが分かる。また、Sn材を鑞材とした場合の集光領域の半径Rの値は、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが25μJでは66.3μm、50μJでは94.5μm、75μJでは115.5μm、100μJでは133.6μm、に等しいかこれ以下の値にRを設定すればよいことが分かる。
【００６８】
図5には、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが25μJ、50μJ、75μJ及び100μJである場合についてのみ示してあるが、これ以外の場合であっても、式(A)に基づいて同様なグラフを作成することが可能である。
【００６９】
図6を参照して、鑞材としてGe材及びSn材を利用した場合の、上述の図5を参照して説明した場合と条件を変えて、合金の生成に必要なパルス光の集光領域の半径Rの導出方法について説明する。ここでは、パルス光の時間波形の半値幅Δtを5 nsとし、Ge材及びSn材の厚みを10μmに設定してある。図5に示すシミュレーションと異なる条件は、パルス光の時間波形の半値幅Δtを半径0.1 nsから5 nsに変更されている点である。その他の条件は図5に示すシミュレーションと同一である。従って、図6は、パルス光の時間波形の半値幅Δtは5 nsである場合のパルス光の集光領域の半径Rに対する鑞材の到達温度を示す図である。
【００７０】
図6において、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが25μJ、50μJ、75μJ及び100μJである場合について示してある。Si塊とGe材とが融解して合金が形成されるための最小の温度Tthは950℃、Si塊とSn材とが融解して合金が形成されるための最小の温度Tthは650℃である。
【００７１】
図6から、Ge材を鑞材とした場合の集光領域の半径Rの値は、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが25μJでは41.8μm、50μJでは62.7μm、75μJでは77.2μm、100μJでは91.8 μm、に等しいかこれ以下の値にRを設定すればよいことが分かる。また、Sn材を鑞材とした場合の集光領域の半径Rの値は、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが25μJでは53.6μm、50μJでは80.0μm、75μJでは98.2μm、100μJでは114.5μm、に等しいかこれ以下の値にRを設定すればよいことが分かる。
【００７２】
図6には、パルスレーザの出力パルス一つ分のエネルギーの大きさEが25μJ、50μJ、75μJ及び100μJである場合についてのみ示してあるが、これ以外の場合であっても、式(A)に基づいて同様なグラフを作成することが可能である。
【００７３】
＜温度拡散領域の形状＞
以上、パルス光照射領域の温度と温度拡散領域との関係、及び合金の生成に必要なパルス光の時間波形の半値幅Δtの導出について、パルス光が照射された瞬間からΔt後の加熱領域は、底面が直径2(R+vΔt)である円であって、高さが(D+2vΔt)である円柱状の領域となるとの前提をおいて説明した。すなわち、円柱状の、体積がπ(R+vΔt)2(D+2vΔt)で与えられる領域に温度が拡散するものとの前提で半値幅Δtの値等を決定する例を示した。
【００７４】
しかしながら、パルス光の照射領域の面積あるいは鑞材の厚み等の関係から、Δt後の加熱領域を、半径がvΔtで与えられる球状であるとする近似が可能である場合もある。この場合は、体積が(4π/3)(vΔt)3で与えられる領域に温度が拡散するものとの前提で半値幅Δtの値等を決定することも可能である。このような近似が可能となるのは、パルス光の照射領域の面積が十分に小さく、かつパルスレーザの鑞材への照射領域の半径Rあるいは鑞材の厚さDが、温度拡散領域に比べて十分に小さい場合である。
【００７５】
この他にも、Δt後の加熱領域の形状及び体積の算出についての近似方法はあり得るが、どのような近似を用いてパルス光の時間波形の半値幅Δtを設定するかは、鑞材の種類、鑞接する規模等を総合的に勘案して決定するべき事項である。いずれにしても、上述した、Δt後の加熱領域を体積がπ(R+vΔt)2(D+2vΔt)で与えられる円柱状の領域であると仮定して計算する方法が、数学的には最も近似の度合いが小さく、厳密な計算結果を与える。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】この発明の実施の形態のSi接着方法の説明に供する図である。
【図２】Ge材に対する、パルスレーザ光の照射領域と温度拡散領域との関係を示す図である。
【図３】経過時間に対する、照射された領域の温度及び温度拡散領域の体積の変化の様子を示す図である。
【図４】パルス光の時間波形の半値幅Δtに対する鑞材の到達温度Tを示す図である。
【図５】パルス光の時間波形の半値幅Δtが0.1 nsである場合のパルス光の集光領域の半径Rの値に対する鑞材の到達温度Tを示す図である。
【図６】パルス光の時間波形の半値幅Δtが5 nsである場合のパルス光の集光領域の半径Rの値に対する鑞材の到達温度Tを示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
10：第1のSi塊
12：第2のSi塊
14：Ge材
16：パルスレーザ光
【要約】
【課題】素子を形成するSi塊母材で形成された素子の接着面とSi基板の接着面とが接する界面の限られた狭い領域のみを高温にすることによって、素子とSi基板とを接着する。
【解決手段】固体状態の第1のSi塊10及び第2のSi塊12の2つのSi塊を、鑞材であるGe材14を介して接触させて、パルスレーザによる鑞接によって接着する方法である。パルスレーザ光16は、図の上方から第2のSi塊を透過してGe材に照射されている。パルスレーザ光の出力パルス一つ分のエネルギーの大きさは、第1のSi塊及び第2のSi塊とGe材が融解して合金が形成されるための最小の温度に到達するために必要な値に設定されている。
【選択図】図1【図１】
0004313419.tif 000003
【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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