JP4283567B2

JP4283567B2 - Metal thin film bonding method

Info

Publication number: JP4283567B2
Application number: JP2003061220A
Authority: JP
Inventors: 勝弥奥村; 直樹高橋; 純平湯山
Original assignee: Octec Inc; Ulvac Inc
Current assignee: Octec Inc; Ulvac Inc
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2004273230A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属接合方法に関し、特に、銅薄膜同士又は銅薄膜と金薄膜を拡散接合する金属薄膜接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣ、ＬＳＩの高速動作時の問題として、配線遅延の問題がある。
これは、基板とチップの間の配線インピーダンスによって決定される信号伝達の時定数により、信号伝搬速度のタイミングがずれることによる誤動作があることを意味する。
【０００３】
この問題に対処する方法としては、プリント基板とチップの間を配線せずに直接接合してこれらの間隔をできるだけ短くする方法がある。
【０００４】
現状では、錫やインジウムといった比較的柔らかい低融点材を基本とするロウ材を用いて直接接合する手法が用いられているが、ロウ材が電極との間で合金化することによる抵抗値の増加、信頼性等が問題となっている。
【０００５】
また、この方法の場合、半田やロウ材が溶ける温度まで加熱しなければならないので、その際の熱が周辺に拡大することによる熱ストレスがかかってしまうという問題がある。
【０００６】
一方、プリント基板の多層化に伴い、プリント基板間の配線引き回し時にも上記同様の問題が生ずる。したがって、近年、被接合物同士を低温で直接接合する技術が求められている。
【０００７】
また、このような部品は微細であるため、できるだけ小さな圧力で接合できる技術が必要とされている。
従来、溶接やロウ付け以外の手段で金属同士、特に銅同士の拡散接合を行う方法が提案されている。
【０００８】
しかし、拡散接合を行う場合には、金属表面の平坦化と酸化膜除去による表面活性化等の被接合物の前処理が必要であり、この前処理に種々の課題がある。
【０００９】
金属表面の平坦化は、接触面積を増加させる意味で非常に重要である。また、表面を不活性にしている酸化膜などの不活性化膜を除去できなければ、拡散接合が進行しない。
【００１０】
これまで提案されている技術では、平坦化、活性化に用いられる手段として、真空中におけるイオンビーム、原子ビームやプラズマ照射等が用いられている。
【００１１】
上述した表面の平坦化及び活性化に加え、高真空中において加圧することで、ロウ材を用いることなく金属同士を接合できることも確認されている。
【００１２】
しかし、高真空中において加圧するには高価な真空装置を用いなければならず、装置のコストアップ、工程数の増加、工程の長時間化等を招き、接合コストの大幅増加につながる。
【００１３】
上記問題点を解決する技術として、ハロゲン蒸気やハロゲンラジカルを用いて金属表面のハロゲン化処理を行う金属接合法も提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【００１４】
【特許文献１】
特開２０００−５８８６号公報
【００１５】
【特許文献２】
特開平１１−２３９８７０号公報
【００１６】
しかし、この金属接合法では、接合部位に残留した残留ハロゲンによる金属の修飾、残留ハロゲンの除去等が必要となり、特別な除去装置を設けなければならない。
【００１７】
また、この方法では、ハロゲンとしてフッ酸が挙げられているが、フッ酸等のハロゲンは人体や周囲の環境に対する影響が甚大である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、半田やロウ材等を挟むことなく、また高価な装置を使用せず、大気圧下で、低温、低圧及び短時間で被接合物同士を容易に接合可能な金属接合方法を提供することを目的とする。
【００１９】
さらに、本発明は、特別な薬品除去設備を必要とせず、人体や周囲の環境に悪影響を及ぼさない金属接合方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、表面粗さが１０ｎｍ以下に平坦化された一対の金属被接合物の接合面である金属薄膜表面を酸溶液を用いて処理する工程と、前記金属薄膜表面に残る前記酸溶液を純水洗浄液を用いて洗浄する工程と、接合面である前記金属薄膜表面同士を接触させ、７０〜１８０℃の温度に加熱しつつ０．５〜５０ＭＰａの圧力で加圧して接合する工程とを有する金属薄膜の接合方法である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記各工程を大気中で行うものである。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、前記酸溶液の洗浄の際に前記金属薄膜表面に前記純水洗浄液による保護層を形成するものである。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発明において、接合する直前まで前記金属薄膜表面を加熱温度より低い所定の温度に保持するものである。
【００２１】
本発明の場合、１０ｎｍ以下の表面粗さに平坦化された二つの金属薄膜の接合面を酸溶液の処理液によって表面処理した後、この処理液を純水洗浄液を用いて洗浄し、７０〜１８０℃の温度に加熱しつつ０．５〜５０ＭＰａの圧力で加圧するようにしたことから、活性な面同士を接触させることができるため、はんだやロウ材を使用することなく、大気圧下で、低温及び低圧で被接合物同士を直接拡散接合することができる。
【００２２】
しかも、本発明の場合、ハロゲンを使用せずに活性化処理を行うことができるため、特別な除去設備を用いずに被接合物同士を接合でき、また、人体や周囲の環境に悪影響を及ぼすこともない。
【００２３】
さらに、本発明の場合、大気中で接合することができ高真空中で加圧する必要がないため、高価な真空装置等を使用する必要がなく、少ない工程で短時間に接合を行うことができ、接合コストを低く抑えることができる。
【００２４】
一方、本発明において、除去処理液の洗浄の際に金属被接合物の接合面に純水洗浄液による保護層を形成するようにすれば、大気中にある酸素など金属表面を酸化する成分が直接接合面に接触することが阻止され、接合面の酸化を防止することができる。
【００２５】
また、本発明において、接合する直前まで金属被接合物の接合面を加熱温度より低い所定の温度に保持するようにすれば、接合までの間に接合面の再酸化を防止することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施の形態の金属薄膜接合方法を示すフローチャート、図２（ａ）〜（ｃ）は、同金属薄膜接合方法の工程を示す説明図（その１）、図３（ｄ）〜（ｅ）は、同金属薄膜接合方法の工程を示す説明図（その２）である。
【００２７】
本発明においては、まず、一対の被接合物１２、１３を用意する。ここで、被接合物１２、１３は、図２（ａ）に示すように、基材１２ｂ、１３ｂ上に所定の金属薄膜（金属被接合物）１２ａ、１３ａが形成されたものを用いる。
本発明を適用可能な金属材料としては、例えば、銅、金等があげられる。
【００２８】
本実施の形態の場合は、図１のステップＳ１に示すように、金属薄膜１２ａ及び１３ａの表面に平坦化処理された接合面１２０、１３０を形成する。
【００２９】
本発明の場合、金属薄膜１２ａ及び１３ａの接合面１２０、１３０の表面粗さ（Ｒａ）は、特に限定されることはないが、接触面積拡大の観点から、１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
本発明の場合、接合面１２０、１３０は、金属被接合物の表面を所定の表面粗さに平坦化処理することにより、又は平坦化された下地層上に金属薄膜を例えばスパッタリング法、真空蒸着法によって形成することにより作成することができる。
【００３１】
ステップＳ２では、図２（ａ）に示すように、被接合物１２及び１３を処理液１１に浸漬し、平坦化処理時の残渣や酸化膜等を全て除去して金属薄膜１２ａ及び１３ａの接合面１２０、１３０を活性化させる。
【００３２】
本発明の場合、処理液１１としては、特に限定されることはないが、表面酸化層除去及び残渣成分除去の観点からは、酸溶液を用いることが好ましい。
【００３３】
このような酸溶液としては、例えば、硫酸、リン酸、塩酸等の溶液を好適に用いることができる。
【００３４】
ステップＳ３では、図２（ｂ）に示すように、被接合物１２及び１３を純水洗浄液１４に浸漬し、金属薄膜１２ａ、１３ａの接合面１２０、１３０を洗浄することによって処理液１１の残渣を完全に取り除く。
【００３５】
そして、図２（ｃ）に示すように、金属薄膜１２ａ及び１３ａの接合面１２０、１３０に純水洗浄液１４による保護層１４ａを形成する（水置換）。
【００３６】
これにより、大気中にある酸素など金属を酸化する成分が直接金属薄膜１２ａ及び１３ａの接合面１２０、１３０に接触することが阻止される。
【００３７】
その後、ステップＳ４では、金属薄膜１２ａ及び１３ａを加熱温度より低い所定の温度に保持する。
【００３８】
本発明の場合、金属薄膜１２ａ及び１３ａを低温に保持する温度は特に限定されることはないが、金属表面の再酸化を防止する観点からは、４０℃以下に保持することが好ましい。
【００３９】
本実施の形態においては、図３（ｄ）に示す接合装置１０を用いて被接合物１２、１３の低温保持及び加熱加圧を行う。
【００４０】
図３（ｄ）に示すように、本実施の形態の接合装置１０は、それぞれ金属からなる上下のホットプレート１６ａ、１６ｂを有している。
【００４１】
ホットプレート１６ａ、１６ｂの内部には図示しないヒータが設けられ、これによりホットプレート１６ａ、１６ｂを所定の温度に制御するようになっている。
【００４２】
本実施の形態では、下側のホットプレート１６ｂ上の中空に保持された金属製の中間プレート１５上に被接合物１３を載置し、さらに、金属薄膜１２ａ及び１３ａ同士を対向させて被接合物１３の上に被接合物１２を載置する。
【００４３】
中間プレート１５内には図示しない空冷又は水冷による冷却手段が設けられ、この中間プレート１５によって被接合物１２、１３の接合面１２０、１３０を低温に保持する。
【００４４】
ステップＳ６では、図３（ｅ）に示すように、被接合物１２、１３を背面側からホットプレート１６ａ、１６ｂによって加圧し、これにより接合面１２０、１３０に対して所定の温度及び圧力で加熱加圧処理を行う。
【００４５】
本発明の場合、加熱温度は特に限定されることはない。被接合物１２、１３の耐熱性を考慮すると、低温であることが好ましいが、７０〜１８０℃の範囲で選択できる。
【００４６】
また、加圧の際の圧力は、被接合物１２、１３の強度や硬度によって０.５〜５０ＭＰａの範囲で選択できる。
【００４７】
さらに、加熱加圧の時間は、加熱時にも酸化が進行するので、５分以内が好ましく、より好ましくは、１〜５分である。
【００４８】
このような条件で加熱加圧することによって被接合物１２、１３の金属薄膜１２ａ及び１３ａ同士が接合される。
なお、接合面１２０、１３０表面の保護層１４ａは、加熱の際に蒸発して消散する。
【００４９】
以上述べたように本実施の形態によれば、例えば１０ｎｍ以下の表面粗さに平坦化された金属の接合面１２０、１３０を酸溶液等の処理液１１によって活性化処理した後、この処理液１１を純水洗浄液１４を用いて洗浄するようにしたことから、活性面を直接接触できるため、はんだやロウ材を使用することなく、大気圧下で、低温及び低圧で金属薄膜１２ａ、１３ａ同士を直接接合することができる。
【００５０】
しかも、本実施の形態によれば、ハロゲンを使用せずに接合面１２０、１３０の活性化処理を行うことができるため、特別な除去設備を用いずに金属薄膜１２ａ、１３ａ同士を接合でき、また、人体や周囲の環境に悪影響を及ぼすこともない。
【００５１】
さらに、本実施の形態の場合、大気中で接合することができ高真空中で加圧する必要がないため、高価な真空装置等を使用する必要がなく、少ない工程で短時間に接合を行うことができ、接合コストを低く抑えることができる。
【００５２】
さらに、本実施の形態においては、処理液１１の洗浄の際に金属薄膜１２ａ、１３ａの接合面１２０、１３０に純水洗浄液１４による保護層１４ａを形成することから、大気中にある酸素など金属表面を酸化する成分が直接接合面１２０、１３０に接触することが阻止され、接合面１２０、１３０の再酸化を防止することができる。
【００５３】
さらにまた、本実施の形態においては、接合する直前まで金属薄膜１２ａ、１３ａの接合面１２０、１３０を加熱温度より低温に保持することから、接合までの間に接合面１２０、１３０の再酸化を防止することができる。
【００５４】
図４は、本発明の他の実施の形態の金属薄膜接合方法を示すフローチャートである。
図４に示すように、本実施の形態においては、純水洗浄処理後のステップＳ４において、金属薄膜１２ａ、１３ａの接合面１２０、１３０に窒素ガスや乾燥空気等を用いてガスブローを行い、接合面１２０、１３０に残っている純水洗浄液１４を除去するようにする。
【００５５】
本実施の形態の場合は、金属薄膜１２ａ及び１３ａの酸化防止のため、上記実施の形態より加熱加圧時間を短くすることが好ましく、より好ましくは１分以内である。
【００５６】
このような本実施の形態によれば、接合の際に金属薄膜１２ａ、１３ａの接合面１２０、１３０に純水洗浄液１４が存在しないので、純水が蒸発しにくい温度（１００℃以下）で接合する場合に短時間で接合を行うことができるというメリットがある。その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００５７】
図５（ｄ）、（ｅ）は、本発明のさらに他の実施の形態の要部工程を示す説明図である。
図５（ｄ）に示すように、本実施の形態においては、ホットプレート１６ａ、１６ｂ上に、ホットプレート１６ａ、１６ｂからの輻射熱を遮るための輻射熱防止板１７を配置して加熱加圧を行うようにしている。
【００５８】
加熱加圧前には、中間プレート１５及び輻射熱防止板１７は、ホットプレート１６ｂ上の中空に保持されていて、被接合物１２、１３が４０℃以下に保たれている。
【００５９】
このような本実施の形態によれば、ホットプレート１６ａ、１６ｂ上に輻射熱防止板１７を配置することによって、被接合物１２、１３の温度を低温に保てるため、加熱前の酸化を防止することができる。その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００６０】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限られず、種々の変更を行うことができる。
例えば、上述の実施の形態においては、接合しようとする金属被接合物の双方に除去処理液による処理及び純水洗浄液による処理を行うようにしたが、本発明はこれに限られず、一方が酸化されにくい金属であれば他方の金属被接合物のみこれらの処理を行うことも可能である。
【００６１】
また、上述の実施の形態においては、接合しようとする金属被接合物の双方を加熱するようにしたが、本発明はこれに限られず、金属被接合物の熱容量によっては、一方の金属被接合物のみ加熱することも可能である。
【００６２】
さらに、接合の対象となる金属被接合物は、薄膜のみならず種々の形状の金属が含まれる。
【００６３】
さらにまた、接合する金属被接合物の種類については、同種の金属又は異種の金属のいずれにも適用することができる。
【００６４】
【実施例】
以下、本発明に係る固体接合方法の実施例を説明する。
【００６５】
＜実施例１＞
本実施例では、被接合物としてメッキによって作成された銅薄膜を用いた。
この場合、メッキによって作成された銅薄膜に化学機械的研磨（ＣＭＰ）処理を行い、表面粗さを１０ｎｍ以下にした。
【００６６】
そして、この銅薄膜を体積濃度２０％の硫酸に浸漬した後、純水に浸漬して硫酸を除去した。
【００６７】
さらに、銅薄膜を４０℃以下に保持し、温度１００℃、圧力６５ｇ／ｍｍ²、時間１分の条件で加熱加圧を行った。
【００６８】
＜実施例２＞
接合時間を５分とし、接合温度を７０℃とした以外は、実施例１と同様の方法によって接合を行った。
【００６９】
＜実施例３＞
実施例１、２と同様の条件で、平坦化されたシリコンウェハ上にスパッタリング法により形成された銅薄膜同士の接合を行った。
【００７０】
＜実施例４＞
実施例３と同様の条件で、平坦化されたシリコンウェハ上に形成された銅薄膜と、平坦化されたシリコンウェハ上に形成された金薄膜との接合を行った。この場合には、銅薄膜のみ酸溶液浸漬による処理及び純水洗浄を行った。
【００７１】
＜結果＞
上記実施例１〜４のいずれの場合も接合が可能であり、本発明によれば、大気中で、低温、低圧下で金属同士の直接接合が可能であることが実証された。
【００７２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半田やロウ材等を挟むことなく、高価な装置を使用せず、大気圧下で、低温、低圧及び短時間で被接合物同士を容易に接合することができる。
また、本発明によれば、特別な薬品除去設備を必要とせず、人体や周囲の環境に悪影響を及ぼさない金属接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の金属薄膜接合方法を示すフローチャート
【図２】（ａ）〜（ｃ）：同金属薄膜接合方法の工程を示す説明図（その１）
【図３】（ｄ）〜（ｅ）：同金属薄膜接合方法の工程を示す説明図（その２）
【図４】本発明の他の実施の形態の金属薄膜接合方法を示すフローチャート
【図５】（ｄ）、（ｅ）：本発明のさらに他の実施の形態の要部工程を示す説明図
【符号の説明】
１１…表面処理溶液１２、１３…被接合物１２ａ、１３ａ…金属薄膜（金属被接合物）１２ｂ、１３ｂ…基材１４…純水洗浄液１４ａ…保護層１５…中間プレート１６ａ、１６ｂ…ホットプレート１７…輻射熱防止板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a metal bonding method, and more particularly to a metal thin film bonding method in which copper thin films or a copper thin film and a gold thin film are diffusion bonded.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there is a problem of wiring delay as a problem during high-speed operation of ICs and LSIs.
This means that there is a malfunction due to a shift in the timing of the signal propagation speed due to the time constant of signal transmission determined by the wiring impedance between the substrate and the chip.
[0003]
As a method for dealing with this problem, there is a method in which the distance between the printed circuit board and the chip is made as short as possible by directly bonding them without wiring.
[0004]
At present, a direct bonding method using a brazing material based on a relatively soft low melting point material such as tin or indium is used, but the resistance value increases due to alloying of the brazing material with the electrode. Reliability is a problem.
[0005]
In addition, in this method, since it is necessary to heat to a temperature at which the solder or brazing material is melted, there is a problem that thermal stress is applied due to the heat at that time expanding to the periphery.
[0006]
On the other hand, with the increase in the number of printed circuit boards, the same problem as described above also occurs when wiring between printed circuit boards. Therefore, in recent years, a technique for directly joining objects to be joined at a low temperature has been demanded.
[0007]
Moreover, since such a component is fine, a technique capable of joining with as little pressure as possible is required.
Conventionally, a method of performing diffusion bonding between metals, particularly copper, by means other than welding or brazing has been proposed.
[0008]
However, when performing diffusion bonding, pretreatment of an object to be bonded such as planarization of a metal surface and surface activation by removing an oxide film is necessary, and this pretreatment has various problems.
[0009]
The planarization of the metal surface is very important in terms of increasing the contact area. In addition, diffusion bonding does not proceed unless an inactive film such as an oxide film whose surface is inactive can be removed.
[0010]
In the techniques proposed so far, ion beams, atomic beams, plasma irradiation, etc. in a vacuum are used as means used for planarization and activation.
[0011]
In addition to the planarization and activation of the surface described above, it has also been confirmed that metals can be joined without using a brazing material by applying pressure in a high vacuum.
[0012]
However, an expensive vacuum apparatus must be used for pressurization in a high vacuum, resulting in an increase in the cost of the apparatus, an increase in the number of processes, a longer process time, and the like, resulting in a significant increase in bonding costs.
[0013]
As a technique for solving the above problems, a metal bonding method in which halogenation of a metal surface is performed using a halogen vapor or a halogen radical has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
[0014]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-5886
[Patent Document 2]
JP-A-11-239870 [0016]
However, in this metal bonding method, it is necessary to modify the metal with the residual halogen remaining at the bonding site, remove the residual halogen, etc., and a special removing device must be provided.
[0017]
In this method, hydrofluoric acid is mentioned as the halogen, but halogen such as hydrofluoric acid has a great influence on the human body and the surrounding environment.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in order to solve such problems of the prior art, and does not sandwich solder, brazing material, etc., and does not use an expensive device, and is under low pressure, low pressure and low pressure under atmospheric pressure. It is an object of the present invention to provide a metal joining method capable of easily joining objects to be joined in a short time.
[0019]
Furthermore, an object of the present invention is to provide a metal bonding method that does not require special chemical removal equipment and does not adversely affect the human body or the surrounding environment.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The invention of claim 1, wherein has been made in order to achieve the above object, a metal thin film surface is a joining surface of the metal objects to be bonded one pair of surface roughness is flattened to 10nm or less using an acid solution treatment a step of the steps of washing the acid solution remaining on the thin metal film surface using pure water cleaning solution, is contacted with the metal thin film surface between a joining surface, while heating to a temperature of 70 to 180 ° C. 0. A metal thin film joining method having a step of pressurizing and joining at a pressure of 5 to 50 MPa.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the steps are performed in the atmosphere.
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a protective layer is formed by the pure water cleaning liquid on the surface of the metal thin film when the acid solution is cleaned.
The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3 , wherein the surface of the metal thin film is held at a predetermined temperature lower than the heating temperature until immediately before joining.
[0021]
For the present invention, after processing the surface of the bonding surfaces of the two metal thin film planarized surface roughness of less than 1 0 nm by San溶the processing liquid, the processing liquid was washed with pure water cleaning solution, while heating to a temperature of 70 to 180 ° C. from what has been adapted to the pressure at a pressure of 0.5 to 50, it is possible to contact the active surfaces to each other, without using a solder or brazing material, large The objects to be joined can be directly diffusion-bonded at low temperature and low pressure under atmospheric pressure.
[0022]
Moreover, in the case of the present invention, since the activation treatment can be performed without using halogen, the objects to be joined can be joined without using special removal equipment, and the human body and the surrounding environment are adversely affected. There is nothing.
[0023]
Furthermore, in the case of the present invention, since it is possible to perform bonding in the atmosphere and there is no need to pressurize in a high vacuum, it is not necessary to use an expensive vacuum device or the like, and bonding can be performed in a short time with fewer steps. The bonding cost can be kept low.
[0024]
On the other hand, in the present invention, when a protective layer is formed with a pure water cleaning liquid on the joint surface of the metal workpiece during cleaning of the removal treatment liquid, a component that oxidizes the metal surface such as oxygen in the atmosphere is directly present. Contact with the joint surface is prevented, and oxidation of the joint surface can be prevented.
[0025]
Further, in the present invention, if the joining surface of the metal workpiece is held at a predetermined temperature lower than the heating temperature until immediately before joining, re-oxidation of the joining surface can be prevented before joining.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a flowchart showing a metal thin film bonding method according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2A to 2C are explanatory views showing the steps of the metal thin film bonding method (No. 1) and FIG. (E)-(e) is explanatory drawing (the 2) which shows the process of the metal thin film joining method.
[0027]
In the present invention, first, a pair of objects 12 and 13 are prepared. Here, as shown in FIG. 2A, the objects to be bonded 12 and 13 are formed by forming predetermined metal thin films (metal objects to be bonded) 12a and 13a on the base materials 12b and 13b.
Examples of the metal material to which the present invention can be applied include copper and gold.
[0028]
In the case of the present embodiment, as shown in step S1 of FIG. 1, the planarized bonding surfaces 120 and 130 are formed on the surfaces of the metal thin films 12a and 13a.
[0029]
In the present invention, the surface roughness (Ra) of the bonding surfaces 120 and 130 of the metal thin films 12a and 13a is not particularly limited, but is preferably 10 nm or less from the viewpoint of expanding the contact area.
[0030]
In the case of the present invention, the bonding surfaces 120 and 130 are obtained by flattening the surface of the metal object to a predetermined surface roughness, or by depositing a metal thin film on the flattened underlayer, for example, sputtering or vacuum deposition. It can be created by forming by the method.
[0031]
In step S2, as shown in FIG. 2A, the objects 12 and 13 to be joined are immersed in the treatment liquid 11, and all the residues and oxide films during the planarization treatment are removed to join the metal thin films 12a and 13a. The surfaces 120 and 130 are activated.
[0032]
In the present invention, the treatment liquid 11 is not particularly limited, but it is preferable to use an acid solution from the viewpoint of removing the surface oxide layer and residual components.
[0033]
As such an acid solution, for example, a solution of sulfuric acid, phosphoric acid, hydrochloric acid or the like can be suitably used.
[0034]
In step S3, as shown in FIG. 2 (b), the objects 12 and 13 to be joined are immersed in the pure water cleaning solution 14, and the joining surfaces 120 and 130 of the metal thin films 12a and 13a are cleaned, whereby the residue of the processing solution 11 is obtained. Is completely removed.
[0035]
Then, as shown in FIG. 2C, a protective layer 14a is formed with pure water cleaning solution 14 on the joint surfaces 120 and 130 of the metal thin films 12a and 13a (water replacement).
[0036]
This prevents a component that oxidizes a metal such as oxygen in the atmosphere from directly contacting the bonding surfaces 120 and 130 of the metal thin films 12a and 13a.
[0037]
Thereafter, in step S4, the metal thin films 12a and 13a are held at a predetermined temperature lower than the heating temperature.
[0038]
In the case of the present invention, the temperature at which the metal thin films 12a and 13a are kept at a low temperature is not particularly limited, but is preferably kept at 40 ° C. or less from the viewpoint of preventing reoxidation of the metal surface.
[0039]
In the present embodiment, the objects to be bonded 12 and 13 are held at a low temperature and heated and pressurized using the bonding apparatus 10 shown in FIG.
[0040]
As shown in FIG.3 (d), the joining apparatus 10 of this Embodiment has the upper and lower hot plates 16a and 16b which consist of metals, respectively.
[0041]
A heater (not shown) is provided inside the hot plates 16a and 16b, thereby controlling the hot plates 16a and 16b at a predetermined temperature.
[0042]
In the present embodiment, an object to be bonded 13 is placed on a metal intermediate plate 15 held in a hollow shape on the lower hot plate 16b, and the metal thin films 12a and 13a are opposed to each other to be bonded. The object to be bonded 12 is placed on the object 13.
[0043]
Cooling means by air cooling or water cooling (not shown) is provided in the intermediate plate 15, and the bonding surfaces 120 and 130 of the objects to be bonded 12 and 13 are held at a low temperature by the intermediate plate 15.
[0044]
In step S6, as shown in FIG. 3 (e), the objects 12 and 13 are pressed by the hot plates 16a and 16b from the back side, thereby heating the bonding surfaces 120 and 130 at a predetermined temperature and pressure. Pressurize.
[0045]
In the present invention, the heating temperature is not particularly limited. Considering the heat resistance of the objects 12 and 13, the temperature is preferably low, but can be selected within the range of 70 to 180 ° C.
[0046]
Moreover, the pressure at the time of pressurization can be selected in the range of 0.5-50 MPa according to the intensity | strength and hardness of the to-be-joined objects 12 and 13.
[0047]
Furthermore, since the oxidation proceeds during heating, the heating and pressing time is preferably within 5 minutes, and more preferably 1 to 5 minutes.
[0048]
By applying heat and pressure under such conditions, the metal thin films 12a and 13a of the workpieces 12 and 13 are joined together.
The protective layer 14a on the surfaces of the bonding surfaces 120 and 130 evaporates and dissipates during heating.
[0049]
As described above, according to the present embodiment, for example, after the metal bonding surfaces 120 and 130 flattened to a surface roughness of 10 nm or less are activated by the treatment liquid 11 such as an acid solution, the treatment liquid 11 is cleaned with the pure water cleaning solution 14 so that the active surface can be directly contacted. Therefore, the metal thin films 12a and 13a can be connected to each other at low temperature and low pressure under atmospheric pressure without using solder or brazing material. Can be directly joined.
[0050]
Moreover, according to the present embodiment, since the activation treatment of the bonding surfaces 120 and 130 can be performed without using halogen, the metal thin films 12a and 13a can be bonded to each other without using special removal equipment, In addition, the human body and surrounding environment are not adversely affected.
[0051]
Furthermore, in the case of this embodiment, since it is possible to perform bonding in the atmosphere and there is no need to pressurize in a high vacuum, it is not necessary to use an expensive vacuum device or the like, and bonding can be performed in a short time with fewer steps. And the joining cost can be kept low.
[0052]
Further, in the present embodiment, since the protective layer 14a is formed by the pure water cleaning liquid 14 on the joint surfaces 120 and 130 of the metal thin films 12a and 13a when the processing liquid 11 is cleaned, a metal such as oxygen in the atmosphere is formed. A component that oxidizes the surface is prevented from coming into direct contact with the bonding surfaces 120 and 130, and re-oxidation of the bonding surfaces 120 and 130 can be prevented.
[0053]
Furthermore, in this embodiment, since the bonding surfaces 120 and 130 of the metal thin films 12a and 13a are kept at a temperature lower than the heating temperature until immediately before bonding, the re-oxidation of the bonding surfaces 120 and 130 is performed before bonding. Can be prevented.
[0054]
FIG. 4 is a flowchart showing a metal thin film bonding method according to another embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, in the present embodiment, in step S4 after the pure water cleaning treatment, gas blowing is performed on the joining surfaces 120 and 130 of the metal thin films 12a and 13a using nitrogen gas, dry air, etc. The pure water cleaning liquid 14 remaining on the surfaces 120 and 130 is removed.
[0055]
In the case of this embodiment, in order to prevent oxidation of the metal thin films 12a and 13a, the heating and pressing time is preferably shorter than that in the above embodiment, and more preferably within 1 minute.
[0056]
According to the present embodiment, since the pure water cleaning solution 14 is not present on the bonding surfaces 120 and 130 of the metal thin films 12a and 13a during bonding, bonding is performed at a temperature (100 ° C. or less) at which pure water does not easily evaporate. In this case, there is an advantage that bonding can be performed in a short time. Since other configurations and operational effects are the same as those of the above-described embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0057]
5 (d) and 5 (e) are explanatory views showing main steps of still another embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5D, in the present embodiment, a radiant heat prevention plate 17 for blocking radiant heat from the hot plates 16a and 16b is arranged on the hot plates 16a and 16b to perform heating and pressurization. I am doing so.
[0058]
Before heating and pressurization, the intermediate plate 15 and the radiant heat prevention plate 17 are held hollow on the hot plate 16b, and the objects to be joined 12 and 13 are kept at 40 ° C. or lower.
[0059]
According to the present embodiment as described above, by arranging the radiant heat prevention plate 17 on the hot plates 16a and 16b, the temperature of the objects to be joined 12 and 13 can be kept at a low temperature, so that oxidation before heating is prevented. Can do. Since other configurations and operational effects are the same as those of the above-described embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0060]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made.
For example, in the above-described embodiment, both the metal workpieces to be joined are subjected to the treatment with the removal treatment liquid and the treatment with the pure water cleaning liquid. However, the present invention is not limited to this, and one of them is oxidized. If the metal is hard to be formed, it is possible to perform these treatments only on the other metal bonded object.
[0061]
In the above-described embodiment, both of the metal objects to be bonded are heated. However, the present invention is not limited to this, and depending on the heat capacity of the metal object, one metal object is bonded. It is also possible to heat only things.
[0062]
Furthermore, the metal objects to be bonded include not only thin films but also various shapes of metals.
[0063]
Furthermore, the types of metal objects to be bonded can be applied to either the same type of metal or different types of metals.
[0064]
【Example】
Examples of the solid bonding method according to the present invention will be described below.
[0065]
<Example 1>
In this example, a copper thin film formed by plating was used as an object to be joined.
In this case, a chemical mechanical polishing (CMP) process was performed on the copper thin film formed by plating so that the surface roughness was 10 nm or less.
[0066]
The copper thin film was immersed in sulfuric acid having a volume concentration of 20%, and then immersed in pure water to remove the sulfuric acid.
[0067]
Furthermore, the copper thin film was kept at 40 ° C. or lower, and heated and pressurized under the conditions of a temperature of 100 ° C., a pressure of 65 g / mm ² , and a time of 1 minute.
[0068]
<Example 2>
Bonding was performed in the same manner as in Example 1 except that the bonding time was 5 minutes and the bonding temperature was 70 ° C.
[0069]
<Example 3>
The copper thin films formed by sputtering on the flattened silicon wafer were bonded under the same conditions as in Examples 1 and 2.
[0070]
<Example 4>
The copper thin film formed on the flattened silicon wafer and the gold thin film formed on the flattened silicon wafer were joined under the same conditions as in Example 3. In this case, only the copper thin film was treated by immersion in an acid solution and washed with pure water.
[0071]
<Result>
Bonding is possible in any of the above Examples 1 to 4, and according to the present invention, it was proved that metals can be directly bonded at low temperature and low pressure in the atmosphere.
[0072]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to easily join objects to be joined at a low temperature, a low pressure and in a short time under atmospheric pressure without using solder or brazing material. can do.
In addition, according to the present invention, it is possible to provide a metal bonding method that does not require special chemical removal equipment and does not adversely affect the human body or the surrounding environment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a metal thin film bonding method according to an embodiment of the present invention. FIGS. 2A to 2C are explanatory views showing steps of the metal thin film bonding method (part 1).
FIGS. 3D to 3E are explanatory views showing the steps of the metal thin film bonding method (Part 2).
FIG. 4 is a flowchart showing a metal thin film bonding method according to another embodiment of the present invention. FIGS. 5D and 5E are explanatory views showing main steps of still another embodiment of the present invention. Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Surface treatment solution 12, 13 ... Bonded object 12a, 13a ... Metal thin film (metal bonded object) 12b, 13b ... Base material 14 ... Pure water washing | cleaning liquid 14a ... Protective layer 15 ... Intermediate | middle plate 16a, 16b ... Hot plate 17 ... Radiation heat prevention plate

Claims

And treating with an acid solution of the metal thin film surface is a joining surface of the metal objects to be bonded one pair of surface roughness is flattened to 10nm or less,
Cleaning the acid solution remaining on the surface of the metal thin film with a pure water cleaning solution ;
Contacting the metal thin film surface between a joining surface, the joining method of the metal thin film and a step of pressurizing the bonding at a pressure of 0.5~50MPa while heating to a temperature of 70 to 180 ° C..

The metal thin film joining method according to claim 1, wherein the steps are performed in the air.

Joining method of the metal thin film according to claim 1 or 2 according to any one of forming the protective layer by the pure water cleaning solution on the metal thin film surface during cleaning of the acid solution.

The metal thin film joining method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the surface of the metal thin film is maintained at a predetermined temperature lower than a heating temperature until immediately before joining.