JP4088438B2

JP4088438B2 - Silicon member bonding method and silicon device

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Publication number: JP4088438B2
Application number: JP2001360928A
Authority: JP
Inventors: 陽一郎馬場; 柴田　　典義; 由加里谷
Original assignee: Japan Fine Ceramics Center; Toyota Motor Corp
Current assignee: Japan Fine Ceramics Center; Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: JP2003163228A

Description

【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ＳｉＯ ₂ 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ＳｉＯ ₂ 層と、前記ＳｉＯ ₂ 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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon device and a silicon member bonding method, and more particularly, to a bonding method for bonding various silicon members and a bonded silicon device in order to achieve high density and multi-function.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method for mounting a semiconductor device such as a power module, adhesive bonding, fusion bonding such as soldering or brazing, and solid phase bonding such as thermocompression bonding or bonding are used.
[0003]
Adhesion with an adhesive is a simple method, but it is difficult to control the thickness of the adhesive and the dimensional accuracy cannot be increased. In addition, since the thermal resistance of the adhesive is large, there is a problem in terms of heat dissipation. It is difficult to ensure dimensional accuracy in soldering, etc., as in the case of the adhesive method. At the same time, when joining silicon parts in multiple stages, the joint part in the previous stage is remelted by joining in the next stage. Therefore, it is difficult to cope with a manufacturing process including a multi-step joining process. Therefore, a solid phase bonding method that is excellent in dimensional accuracy, has a melting temperature at the bonding portion higher than the temperature at the time of bonding, and can withstand a multi-step bonding process is preferable.
[0004]
As a solid-phase bonding method for bonding silicon members composed of silicon, the bonding surfaces of the members to be bonded disclosed in JP-A-11-307596 are overlapped, and the above-mentioned objects are bonded in the air or in an inert atmosphere. A method for mechanically joining members to be joined, such as low-temperature joining, in which ultrasonic vibration is applied to the joining member, followed by heating and pressurization, and solid-phase joining, or JP-A-10-110682 As a method for forming a micropump disclosed in the publication, there has been a method of bonding between silicon plates at a high temperature via a silicon thermal oxide film. In either method, a metal (Au or the like) having an adhesive action is interposed between the members to be joined.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the members to be joined are joined by a mechanical action, a large shearing force is applied to the element as the member to be joined, and the element may be destroyed. For example, in the case of a wedge type wire bond, when a Φ400 μm class aluminum wire is bonded, element destruction occurs at a probability exceeding 100 ppm per bonding point, and it is actually applied to bonding of a silicon device much larger than that. Not right.
[0006]
Also, the method of bonding silicon using silicon thermal oxide film requires high temperature treatment, and the silicon plate as the member to be bonded is simply made of silicon as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-110682. In the case of a silicon device applied to an electronic device whose characteristics are controlled by diffusion of impurities that are generally used, the characteristics change due to high-temperature processing.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a silicon member bonding method capable of bonding silicon members under relatively low temperature and mild conditions and a silicon device bonded by the bonding method.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of earnest research conducted by the present inventors for the purpose of solving the above-mentioned problems, it has been found that a silicon member that is remarkably excellent by making the film thickness of Au conventionally used for bonding between silicon members to be a predetermined value or less. It was discovered that joining could be achieved, and the following invention was made based on the findings.
[0009]
That is, the silicon member bonding method of the present invention includes an Au thin film forming step of forming an Au thin film having a thickness of 20 nm or less on the bonding surface of one silicon member, and the bonding surface of the other silicon member and the Au thin film. And a heating step of heating at a predetermined temperature higher than 300 ° C. and lower than 600 ° C. (However, it is a method of manufacturing a Si-based semiconductor device having a quantum well structure, and (a) a step of preparing a Si-based substrate, and (b) a barrier of the quantum well structure on the Si-based substrate. A step of forming a Si-based insulating layer; and (c) a step of forming a metal layer formed of Au having a thickness of 10 nm or less on the Si-based insulating layer, the thickness being a well of a quantum well structure ; ) Superposing a semiconductor thin plate formed of a single crystal of a Si-based semiconductor on the metal layer to create an overlay substrate; and (e) heat-treating the overlay substrate to heat the metal. A step of bonding a layer and the semiconductor thin plate, and forming a SiO ₂ layer serving as a barrier of a quantum well structure at a boundary between the metal layer and the semiconductor thin plate. production side Except)
Then, another silicon member bonding method of the present invention includes an Au thin film forming step of forming an Au thin film having a thickness of 20 nm or less on the bonding surface of one silicon member,
A heating step of bringing the bonding surface of the other silicon member into contact with the Au thin film and heating at a predetermined temperature higher than 300 ° C. and lower than 600 ° C .;
The heating step is performed in the atmosphere.
[0010]
Furthermore, the silicon device of the present invention that solves the above-described problems is characterized in that two or more silicon members in which Au is not diffused are joined only through an Au thin film having a thickness of 20 nm or less. (However, a Si-based semiconductor device having a quantum well structure, which is a Si-based substrate, a Si-based insulating layer serving as a barrier of the quantum well structure provided on the Si-based substrate, and the Si-based insulating layer) a metal layer thickness of the well of the quantum well structure is formed by the following Au 10 nm provided on the, and the SiO ₂ layer serving as a barrier of a quantum well structure provided on said metal layer, said And a semiconductor layer provided on the SiO ₂ layer and formed of a single crystal of a Si-based semiconductor)
[0011]
Conventionally, an Au thin film that has been interposed between silicon members and used to join silicon members exhibits an adhesive effect due to adhesion to both members due to the malleability, ductility, etc. of Au, and joins silicon members together. Therefore, the bonding strength is limited to the strength of the Au base material, and only low strength bonding can be achieved.
[0012]
On the other hand, as in the silicon member bonding method of the present invention, by setting the Au thin film interposed between the silicon members to be bonded to a film thickness of 20 nm or less, active silicon atoms are transmitted through the Au thin film. It appears on the surface, and the active silicon atoms can cause a strong bond between the silicon members.
[0013]
Bonding of the silicon member by such an Au thin film having a thickness of 20 nm or less can be sufficiently performed even at a temperature higher than 300 ° C. and lower than 600 ° C.
[0014]
In this bonding method, it is possible to lower the bonding temperature and the bonding pressure by bonding the silicon member through an Au thin film having a thickness of 20 nm or less, and the reliability of the manufactured silicon device can be ensured. In addition, since an Au thin film having a film thickness of 20 nm or less can be used for bonding at a lower temperature than when no Au thin film is used, the bonding temperature can be lowered, and electrons formed in the silicon device can be formed. It is possible to suppress adverse effects on the element and the influence of strain caused by heat when bonding between silicon members having different thermal expansion coefficients and different compositions.
[0015]
Further, since the bonding layer is sufficiently thin, the thermal conductivity is excellent and the heat dissipation is improved. Further, since it is not necessary to apply a contact pressure particularly in the bonding of the silicon members, there is no adverse effect such as damage to the silicon members, and a silicon element as a plurality of silicon members such as a multichip module is provided. High yields can be expected for the products to be mounted.
[0016]
Furthermore, since this joining method can obtain a high joining strength with a small contact pressure, it can be suitably used for general assembly of micromachines.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The silicon device manufactured by the silicon member bonding method of the present invention is not particularly limited, but can be suitably applied to, for example, assembly of parts of a micromachine or bonding between silicon members on which electric elements are formed. For example, as shown in FIG. 1, the base material 1 and the cantilever 2 that are each formed of a single silicon constituting a cantilever unit for a semiconductor yaw rate sensor can be joined without affecting the minute form and the like. In addition, since the bonding surface of this bonding method can be a good electrical conductor, mounting of a silicon member in which an electronic element having a back electrode, which is common in power semiconductors, is formed, for example, as shown in FIG. This is applicable to the case where a silicon member 5 having a back electrode is bonded to a substrate 3 made of silicon carbide on which a silicon thin film 4 having a necessary conductor made good by doping is formed.
[0018]
(Silicon member joining method)
The joining method of the silicon member of this invention has Au thin film formation process and a heating process. The silicon member to which this bonding method can be applied is not particularly limited as long as it is a member made of silicon as a main component, and is made of a pure silicon simple substance, a general silicon compound such as silicon carbide, silicon nitride, or silicon dioxide. A silicon member can be exemplified.
[0019]
In addition, since the bonding conditions of this bonding method are gentle, it is possible to previously form electronic elements on this silicon member by a widely used semiconductor manufacturing method. Further, the bonding surfaces of both silicon members are appropriately flat so that the bonding surfaces can be brought into close contact with each other. For example, it is preferable that the Si wafer is flattened to the extent of mirror polishing. And it is preferable that the joint surface is cleaned by some method.
[0020]
The Au thin film forming step is a step of forming an Au thin film on one bonding surface of two silicon members to be bonded. The film thickness of the Au thin film is 20 nm or less. By setting the film thickness of the Au thin film to 20 nm or less, silicon atoms on the bonding surface of one silicon member can pass through the Au thin film as active silicon atoms. In order to obtain sufficient bonding strength, the thickness of the Au thin film is preferably 5 nm or more.
[0021]
The method for forming the Au thin film is not particularly limited, but general methods such as a vapor deposition method and a sputtering method can be suitably applied.
[0022]
The vapor deposition method is also referred to as vacuum vapor deposition, in which a small piece of Au is heated and evaporated in a high vacuum to adhere as a thin film to the bonding surface of the silicon member. At this time, maintain a high vacuum so that the distance between the heating body and the bonding surface, which is the deposition surface, is sufficiently smaller than the mean free path of the molecule, and clean the bonding surface to completely remove occluded moisture and the like. If it is deposited in an ultra-high vacuum of about 10 Pa or more, it is possible to form a clean deposited film that is not affected by occluded impurities.
[0023]
In the sputtering method, evaporation or collision is caused by heating or ion bombardment of Au in a low-pressure gas, and Au atoms generated from a metal surface are scattered in the gas and attached to the bonding surface. The film thickness of the Au thin film can be arbitrarily controlled by controlling the deposition time or sputtering time.
[0024]
When one silicon member is a silicon compound such as silicon carbide and is not a silicon simple substance, it is preferable that the outermost surface of the bonding surface of one silicon member be a silicon element before the Au thin film forming step. This is because the phenomenon in which active silicon atoms are generated via the Au thin film proceeds more when silicon atoms are present on the outermost surface of the bonding surface in contact with the Au thin film.
[0025]
As a method of using the outermost surface of the bonding surface as silicon atoms, the silicon surface of the silicon compound crystal constituting the silicon member is aligned with the bonding surface so that silicon atoms appear on the bonding surface, or on the bonding surface. It can be carried out by forming a thin film of silicon element by a general thin film forming method such as vapor deposition or sputtering described above.
[0026]
Further, the formed Au thin film can also serve as a part of the wiring as a conductor. When an Au thin film is used as a part of the wiring, it is necessary to increase the film thickness of the Au thin film in the wiring part. In order to form the Au thin film in the wiring portion simultaneously with the Au thin film used in the present bonding method, the Au thin film is applied to the present bonding method by first forming the Au thin film with a film thickness suitable for the wiring and then masking the wiring portion. Only the portion is thinned by etching or the like, or the wiring portion is formed by another film forming method such as thick film printing.
[0027]
The heating process is a process in which the bonding surface of the other silicon member is brought into contact with the bonding surface of one silicon member on which the Au thin film is formed and heated at a predetermined temperature. Here, the predetermined temperature is higher than 300 ° C., lower than 600 ° C.. 3 50 ° C. or more, it is good preferable to 450 ° C. or less. By setting the predetermined temperature within this range, a sufficient amount of active silicon atoms can be generated to achieve the bonding between the two silicon members, and the silicon member is hardly affected by heat.
[0028]
It is preferable that the bonding surface of the other silicon member brought into contact with the bonding surface on which the Au thin film is formed by the heating process is a silicon element. For example, this can be achieved by configuring the other silicon member with silicon alone, exposing the silicon surface of the crystal on the bonding surface, or forming a silicon thin film by a conventional method. Further, it is preferable that the bonding surface is previously cleaned and hydrogen-terminated by a conventional method (for example, cleaning with an acid such as hydrofluoric acid).
[0029]
Although it does not specifically limit as time to heat by a heating process, 1-3 hours are preferable. The atmosphere in which the heating step is performed is not particularly limited, such as air or an inert atmosphere, but is preferably performed in the air from the viewpoint of cost and workability. Further, the pressure of the atmosphere in which the heating step is performed is preferably 1.3 × 10 ⁻⁵ Pa (10 ⁻⁷ Torr) or more, and may be a normal pressure.
[0030]
Moreover, it is not necessary to pressurize between the silicon members from the outside during the heating process. For example, application of a contact pressure higher than this is not excluded, but a contact pressure of about 10 to 90 Pa applied by its own weight is sufficient.
However, the manufacturing method described below is excluded from the present invention except when air is selected as the atmosphere for performing the heating step. That is, a method for manufacturing a Si-based semiconductor device having a quantum structure, comprising: (a) a step of preparing a Si-based substrate; and (b) a step of forming a Si-based insulating layer on the Si-based substrate; (C) forming a metal layer made of Au having a thickness of 10 nm or less on the Si-based insulating layer; and (d) forming a Si-based semiconductor single crystal on the metal layer. And (e) heat-treating the overlapping substrate to join the metal layer and the semiconductor thin plate, and to bond the metal layer and the semiconductor layer. And a step of forming a SiO ₂ layer at the boundary with the semiconductor thin plate , except for a manufacturing method of a manufacturing method of a Si-based semiconductor device.
[0031]
(Silicon device)
The silicon device of the present invention is characterized in that two or more silicon members are joined only through an Au thin film having a thickness of 20 nm or less. Au is not diffused in the silicon member. The silicon member is not particularly limited as long as it is a member made of silicon as a main component material. In addition to a member made of pure silicon alone, general-purpose silicon members such as silicon carbide, silicon nitride, silicon dioxide, etc. are exemplified. it can. Further, an electronic element or the like may be formed on the silicon member.
[0032]
The Au thin film has a thickness of 20 nm or less, and is a film that exists as a simple substance of Au. The thickness of the Au thin film is preferably 5 nm or more.
[0033]
This silicon device can be manufactured, for example, by the above-described method for bonding silicon members.
However, it is a Si-based semiconductor device having a quantum structure, and a Si-based substrate, a Si-based insulating layer provided on the Si-based substrate, and a thickness provided on the Si-based insulating layer are 10 nm. a metal layer formed below the Au, and the SiO ₂ layer provided on the metal layer, provided on the SiO ₂ layer, a semiconductor layer formed by the Si-based semiconductor single crystal, Except Si-based semiconductor devices characterized by comprising
[0034]
【Example】
(Test 1)
The bonding surface of a silicon member made of silicon carbide (one silicon member) is flattened by a conventional method (Rmax 20 nm, Ra 4 nm), and vacuum deposition is performed so that an Au thin film has a thickness of 20 nm on the bonding surface (condition: pressure 10 ⁻² Pa, substrate non-heating) was performed (Au thin film forming step).
[0035]
The bonding surface of the silicon member made of silicon alone (the other silicon member) was flattened by a conventional method (mirror finish of the Si wafer), washed with hydrofluoric acid, and then washed with pure water for hydrogen termination treatment. .
[0036]
The bonding surface of the other silicon member was brought into contact with the bonding surface of one silicon member on which the Au thin film was formed. The contact pressure was 50 Pa. And the silicon device was obtained by heating at 400 degreeC for 2 hours in argon gas atmosphere (heating process).
[0037]
Measured by a method in which a jig is fixed with adhesive on both sides of a sample cut into a 3 × 4 (mm ² ) bond strength, the jig is pulled in the opposite direction at 0.3 mm / min, and the load during wafer peeling is obtained. As a result, the tensile strength was 8 MPa.
[0038]
(Test 2)
A bonding surface of a silicon member made of silicon alone (one silicon member) was flattened by a conventional method (mirror finish of a Si wafer), washed with hydrofluoric acid, and then washed with pure water to perform a hydrogen termination treatment. Vacuum vapor deposition (conditions: pressure 10 ⁻² Pa, substrate non-heating) was performed on the bonding surface so that the Au thin film had a thickness of 20 nm (Au thin film forming step).
[0039]
The bonding surface of the silicon member made of silicon alone (the other silicon member) was flattened by a conventional method (mirror finish of the Si wafer), washed with hydrofluoric acid, and then washed with pure water for hydrogen termination treatment. .
[0040]
The bonding surface of the other silicon member was brought into contact with the bonding surface of one silicon member on which the Au thin film was formed. The contact pressure was 50 Pa. And the silicon device was obtained by heating at 400 degreeC for 2 hours in argon gas atmosphere (heating process).
[0041]
As a result of measuring the bonding strength by the same method as in Test 1, the tensile strength was 20 MPa.
[0042]
A cross-sectional TEM photograph of the silicon device including the bonding surface is shown in FIG. The upper part of the photograph is one silicon member, and the lower part is the other silicon member. On the contact surface between the Au thin film formed on the bonding surface of one silicon member and the other silicon member, a silicon dioxide layer generated by reaction of active silicon atoms with oxygen in the atmosphere can also be confirmed. Here, the Au element is not detected in the parts 1, 2, 4, and 5 in the photograph, the Au element is detected only in the part 3, and the Au thin film does not diffuse into the silicon member, and is almost the original position. It became clear that it stayed at.
[0043]
(Test 3)
A bonding surface of a silicon member made of silicon carbide (one silicon member) is flattened by an ordinary method (Rmax 0.2 μm), and sputtering is performed so that a Si thin film is 0.5 μm on the bonding surface (condition: pressure 2 Pa, Rf sputtering, Si target, Ar gas atmosphere 20 cm ³ / min) were performed so that the bonding surface was Si atoms. Vacuum vapor deposition (conditions: pressure 10 ⁻² Pa, substrate non-heating) was performed on the bonding surface so that the Au thin film had a thickness of 20 nm (Au thin film forming step).
[0044]
The bonding surface of the silicon member made of silicon alone (the other silicon member) was flattened by a conventional method (mirror finish of the Si wafer), washed with hydrofluoric acid, and then washed with pure water for hydrogen termination treatment. .
[0045]
The bonding surface of the other silicon member was brought into contact with the bonding surface of one silicon member on which the Au thin film was formed. The contact pressure was 50 Pa. And the silicon device was obtained by heating at 400 degreeC for 2 hours in argon gas atmosphere (heating process).
[0046]
As a result of measuring the bonding strength by the same method as in Test 1, the tensile strength was 15 MPa.
[0047]
(Test 4)
The bonding surface of a silicon member made of a single silicon (one silicon member: 15 mm × 10 mm × 0.5 mm) is flattened by a conventional method (mirror finish of Si wafer), washed with hydrofluoric acid, and then washed with pure water. Hydrogen termination was performed. Vacuum deposition (conditions: pressure 10 ⁻² Pa, substrate non-heating) was performed on the bonding surface so that the Au thin film had various film thicknesses (5 to 200 nm) (Au thin film forming step).
[0048]
The bonding surface of a silicon member made of a single silicon (the other silicon member: 10 mm x 10 mm x 0.5 mm) is flattened by a conventional method (mirror finish of Si wafer), washed with hydrofluoric acid, and then washed with pure water Then, hydrogen termination treatment was performed.
[0049]
The bonding surface of the other silicon member was brought into contact with the bonding surface of one silicon member on which the Au thin film was formed. The contact pressure was 50 Pa. And the silicon device was obtained by heating at 400 degreeC for 2 hours in argon gas atmosphere (heating process).
[0050]
In order to evaluate the bonding strength, a force was applied to the obtained silicon device, and it was divided into three stages according to the degree at that time. When one silicon member is held and lifted, the strength is 1 when the joint surface between one silicon member and the other silicon member is peeled off by its own weight without applying external force, and when one external force is applied, one silicon member and the other The strength of 2 was obtained by peeling the bonding surface with the silicon member, and the strength 3 was obtained by providing sufficient strength that does not peel due to external force.
[0051]
The results are shown in FIGS. As is apparent from FIGS. 4 and 5, the strength was 2 or more when the thickness of the Au thin film was 20 nm or less. The intensity was 2 even at 5 nm which was the lower limit of the experiment. Therefore, the film thickness of the Au thin film needs to be 20 nm or less, preferably 5 nm or more. And the intensity | strength can be made 3 by making the film thickness of Au thin film into 7.5-15 nm.
[0052]
(Test 5)
The bonding surface of a silicon member made of a single silicon (one silicon member: 15 mm × 10 mm × 0.5 mm) is flattened by a conventional method (mirror finish of Si wafer), washed with hydrofluoric acid, and then washed with pure water. Hydrogen termination was performed. Vacuum vapor deposition (conditions: pressure 10 ⁻² Pa, substrate non-heating) was performed on the bonding surface so that the Au thin film had a thickness of 10 nm (Au thin film forming step).
[0053]
The bonding surface of a silicon member made of a single silicon (the other silicon member: 10 mm x 10 mm x 0.5 mm) is flattened by a conventional method (mirror finish of Si wafer), washed with hydrofluoric acid, and then washed with pure water Then, hydrogen termination treatment was performed.
[0054]
The bonding surface of the other silicon member was brought into contact with the bonding surface of one silicon member on which the Au thin film was formed. The contact pressure was 50 Pa. And the silicon device was obtained by heating at various temperature (300-600 degreeC) for 2 hours in argon gas atmosphere (heating process).
[0055]
The bonding strength was evaluated by the method of Test 4. The results are shown in FIG. As apparent from FIG. 6, the strength was 2 or more in the range where the heating temperature was lower than 600 ° C. Furthermore, when the heating temperature was higher than 300 ° C., the strength could be 3. Moreover, the intensity | strength could be reliably set to 3 by making heating temperature into 325-400 degreeC.
[0056]
(Test 6)
The surface of a silicon member made of silicon alone was flattened by a conventional method. Thereafter, the substrate was washed with hydrofluoric acid and then washed with pure water to perform hydrogen termination treatment. A plurality of test samples were prepared by vacuum deposition (conditions: pressure 10 ⁻² Pa, non-heated substrate) so that an Au thin film was 10 nm on the surface.
[0057]
Each test sample was heated in air or argon gas atmosphere at various temperatures for 2 hours, and the abundance ratio of silicon atoms and oxygen atoms on the surface was analyzed by XPS. The ratio of silicon simple substance and silicon dioxide on the surface of the test sample was determined from the XPS analysis result. The fact that silicon dioxide is observed on the surface of the test sample indicates that the silicon simple substance permeated the Au thin film and existed as active silicon atoms on the surface. When silicon atoms do not pass through the Au thin film, the thin film of the Au thin film is thin, so that the silicon simple substance under the Au thin film is detected by XPS as silicon atoms.
[0058]
The results are shown in FIG. It was found that even at 0 ° C. in which neither air nor argon gas was heated, silicon alone and silicon dioxide were present in a ratio of 4: 6, and silicon atoms were permeating the Au thin film. . By setting the heating temperature to 400 ° C. or higher, the abundance ratio of silicon dioxide is further increased, and the surface is almost completely covered with silicon dioxide at 500 ° C. or higher.
[0059]
From this result, it was found that active silicon atoms were generated on the surface by the Au thin film. Moreover, it turned out that the production | generation of an active silicon atom further advances by heating in air | atmosphere. In addition, it was confirmed that the formation of the Au thin film is effective for the generation of active silicon atoms because the generation of silicon dioxide does not proceed with heating at about 600 ° C. with silicon alone.
[0060]
(Test 7)
The surface of a silicon member made of silicon carbide (single crystal, polycrystal) was flattened by a conventional method. The single crystal silicon carbide was subjected to the test using the silicon surface and the carbon surface of the surface as joint surfaces.
[0061]
A plurality of test samples were prepared by vacuum deposition (conditions: pressure 10 ⁻² Pa, non-heated substrate) so that an Au thin film was 10 nm on the surface.
[0062]
Each test sample was heated in air at various temperatures for 2 hours, and the abundance ratio of silicon atoms, carbon atoms and oxygen atoms on the surface was analyzed by XPS. From the XPS analysis results, the ratio of silicon carbide alone to silicon dioxide on the surface of the test sample was determined. The fact that silicon dioxide is observed on the surface of the test sample indicates that the silicon simple substance permeated the Au thin film and existed as active silicon atoms on the surface, as in Test 6. When silicon atoms do not pass through the Au thin film, the thickness of the Au thin film is small, so that silicon carbide alone under the Au thin film is detected by XPS as silicon atoms and carbon atoms.
[0063]
The results are shown in FIG. No silicon dioxide formation was observed in any test sample at 200 ° C heating. In the test sample having a carbon surface, the formation of silicon dioxide was not observed even when heated to 400 ° C., and the formation of silicon dioxide was observed by heating at 500 ° C. or higher. In both the test sample having a silicon surface as the surface and the test sample made of polycrystalline silicon carbide, generation of silicon dioxide was observed by heating at 300 ° C. Silicon carbide does not readily generate silicon dioxide even under heating conditions of about 600 ° C. or higher, confirming that the formation of an Au thin film is effective in generating active silicon atoms.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, the silicon member bonding method of the present invention can achieve strong bonding at a relatively low temperature by bonding the silicon members through an Au thin film having a thickness of 20 nm or less. Since this bonding method uses a solid phase reaction, the bonding position accuracy is excellent. Further, since it is not necessary to apply a large pressing force at the time of joining, it can be suitably applied to joining applications where it is difficult to apply a force such as assembling a micromachine having a fine structure.
[0065]
In addition, since the silicon device of the present invention can achieve strong bonding, it can be used as a device having a highly reliable bonding surface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an example in an embodiment.
FIG. 2 is a schematic view showing an example in the embodiment.
3 is a cross-sectional TEM photograph of a bonding surface of a silicon device in Test 2. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing bonding strength in Test 4.
FIG. 5 is a diagram showing the bonding strength in Test 4.
6 is a diagram showing the bonding strength in Test 5. FIG.
7 is a diagram showing a bonding state or a composition ratio on the surface of a test sample in Test 6. FIG.
8 is a view showing a bonding state or a composition ratio on the surface of a test sample in Test 7. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base material 2 ... Cantilever 3 ... Substrate 4 ... Silicon thin film 5 ... Silicon member with back electrode

Claims

An Au thin film forming step of forming an Au thin film having a thickness of 20 nm or less on the bonding surface of one silicon member;
A method for bonding silicon members, comprising: a heating step of bringing the bonding surface of the other silicon member into contact with the Au thin film and heating at a predetermined temperature higher than 300 ° C. and lower than 600 ° C.
(However, it is a method of manufacturing a Si-based semiconductor device having a quantum well structure, and (a) a step of preparing a Si-based substrate, and (b) a barrier of the quantum well structure on the Si-based substrate. A step of forming a Si-based insulating layer; and (c) a step of forming a metal layer formed of Au having a thickness of 10 nm or less on the Si-based insulating layer, the thickness being a well of a quantum well structure ; ) Superposing a semiconductor thin plate formed of a single crystal of a Si-based semiconductor on the metal layer to create an overlay substrate; and (e) heat-treating the overlay substrate to heat the metal. A step of bonding a layer and the semiconductor thin plate, and forming a SiO ₂ layer serving as a barrier of a quantum well structure at a boundary between the metal layer and the semiconductor thin plate. production side Except)

An Au thin film forming step of forming an Au thin film having a thickness of 20 nm or less on the bonding surface of one silicon member;
A heating step of bringing the bonding surface of the other silicon member into contact with the Au thin film and heating at a predetermined temperature higher than 300 ° C. and lower than 600 ° C .;
The method for bonding silicon members, wherein the heating step is performed in the air.

The silicon member bonding method according to claim 1, wherein an outermost surface of the bonding surface of the silicon member is made of silicon atoms.

The silicon member bonding method according to claim 1, wherein the Au thin film has a thickness of 5 nm or more.

A silicon device characterized in that two or more silicon members to which Au is not diffused are joined only through an Au thin film having a thickness of 20 nm or less.
(However, a Si-based semiconductor device having a quantum well structure, which is a Si-based substrate, a Si-based insulating layer serving as a barrier of the quantum well structure provided on the Si-based substrate, and the Si-based insulating layer) a metal layer thickness of the well of the quantum well structure is formed by the following Au 10 nm provided on the, and the SiO ₂ layer serving as a barrier of a quantum well structure provided on said metal layer, said And a semiconductor layer provided on the SiO ₂ layer and formed of a single crystal of a Si-based semiconductor)

The silicon device according to claim 5, wherein the thickness of the Au thin film is 5 nm or more.