JP2010095666A - Joining method and electronic device produced using the method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、接合方法及びこの方法を利用して製造された電子装置(半導体デバイスや電子デバイスなど)に関するものである。 The present invention relates to a bonding method and an electronic apparatus (a semiconductor device, an electronic device, etc.) manufactured using the method.
従来の無機接合剤(無機接着剤)は、骨格に接合力を持たないアルミナやシリカ等のフィラーに接合能力を持つ珪酸ナトリウム(水ガラス)や珪酸カリウム、燐酸アンモニウムが添加されたものや、珪酸カルシウム(セメント)などに分類される。水ガラス法による接合技術としては、例えば、下記特許文献1に記載される基板接合方法があるが、耐水性が十分ではない。また、前記珪酸ナトリウムは、半導体に有害なナトリウムを多く含んでおり、半導体のトランジスタ等の動作に悪影響を及ぼしてしまう。また、燐酸アルミニウムは、外部の湿り空気を吸収して強い酸となり、周囲の金属などを腐食させるという不都合がある。このような理由から、半導体分野では無機の接合剤が使われることはなく、有機系の接合剤や軟ろう材(俗称ハンダ)が使われてきた。
金属アルコシド法は、上述したいずれの方法にも分類されないもので、これは、CVD等に使用される金属アルコシドを接合面に入れて加熱し、金属酸化物を析出させて接合する手法である。このような金属アルコシドを用いた接合技術としては、例えば、下記特許文献2の技術がある。しかしながら、当該技術では、大量のガスが発生して大きな体積収縮も伴うため、接合層中にボイドが生じてしまうという不都合がある。
近年のTEOS接合は、上述した金属アルコシド法の応用であり、前記金属アルコシド法は液体を塗布する方法に限定されているが、当該TEOS接合は、気相成長に限定されている。TEOS法は、重量減少率と体積減少率が高く、接合面は緻密なものが出来難いため、緻密化のために大きな荷重を接合中に印加している。このため、MEMS(微小電気機械素子)のような応力に対する感度が極めて高い素子に応用し難いという不都合がある。 In recent years, TEOS bonding is an application of the above-described metal alkoxide method. The metal alkoxide method is limited to a method of applying a liquid, but the TEOS bonding is limited to vapor phase growth. The TEOS method has a high weight reduction rate and a high volume reduction rate, and it is difficult to form a dense bonding surface. Therefore, a large load is applied during the bonding for densification. For this reason, there is an inconvenience that it is difficult to apply to an element having extremely high sensitivity to stress such as MEMS (micro electromechanical element).
ところで、半導体で使われる接合剤としては、半導体の構成材料か、半導体を製造する工程で使われる材料のみが、汚染とならない最も優れた材料であるとされている。実際に半導体分野では、半導体の製造工程で用いられるレジスト材料が有機接合剤として使われている。しかしながら、上述した背景からも分かるように、半導体プロセスに適合性を持つ条件としては、(1)半導体の動作に悪影響を及ぼす汚染源をもたない,(2)酸化や拡散プロセスの温度に耐える,(3)異種材料を低応力で接合できる,(4)各種の薬品に耐える,(5)プラズマに耐える,(6)0.1μm程度の段差を被覆して接合できる、などが挙げられる。このような条件を満たす最も理想的な接合材料は、シリコンかシリコン酸化物である。SiO2を接合層とする技術は、例えば、下記特許文献3に開示されたフッ酸接合がある。
前記特許文献3に記載の技術は、被接合部材の表面のSiO2層と、他の被接合部材の表面のSiO2層を重ねて貼り合わせる前に、バッファードのフッ酸水溶液を塗布する方法である。バッファードのフッ酸水溶液を塗布すると、フッ酸水溶液はSiO2の極表層を溶解する。この状態で被接合部材同士を貼り合わせて加熱乾燥させると、SiF4として残るのではなく、多くのフッ素は揮発してSiO2に戻る。従って、結果的には被接合部材の表層のSiO2の層と別の被接合部材の表層のSiO2が、何も介在物なしで接合されたように見える。 The technique described in Patent Document 3 is a method of applying a buffered hydrofluoric acid aqueous solution before the SiO 2 layer on the surface of a member to be bonded and the SiO 2 layer on the surface of another member to be bonded are stacked and bonded together. It is. When a buffered hydrofluoric acid aqueous solution is applied, the hydrofluoric acid aqueous solution dissolves the extreme surface layer of SiO 2 . In this state, when the members to be joined are bonded together and dried by heating, they do not remain as SiF 4 but a lot of fluorine volatilizes and returns to SiO 2 . Therefore, the resulting SiO 2 in the surface layer of the surface layer of SiO 2 layer and another member to be joined of the workpieces but nothing seems to be joined without inclusions.
このような被接合部材の表層における化学反応は、下記の反応式によって表わされる。その接合のメカニズムは、荷重による凸部(被接合物が出会っている部分)の溶解反応促進と無荷重の凹部の析出反応促進による平坦化と再結合部の増大,更に、フッ素化合物と水の拡散除去による接合強度の増大化である。
上述した背景から、最も理想的な接合材料はSiO2といえるが、現在、唯一それを可能とするフッ酸接合は、強い腐食性を有するフッ酸を用いるため、接合過程でフッ酸に犯される材料を存在させられないという制約を有する。そこで、何らかの液体を塗布して被接合部材を貼り合わせ、簡単な処理によってシリコンかシリコン酸化物に転化(以下、シリカ転化とする)し、しかも強い接合力を発揮できる材料を利用した接合剤(ないし接着剤)があれば好都合である。 From the above-mentioned background, the most ideal bonding material can be said to be SiO 2 , but at present, hydrofluoric acid bonding that makes it possible to do so is violated by hydrofluoric acid in the bonding process, because it uses strong corrosive hydrofluoric acid. There is a restriction that the material cannot be present. Therefore, a bonding agent using a material that can apply some liquid and paste the members to be joined, convert to silicon or silicon oxide by simple processing (hereinafter referred to as silica conversion), and exhibit a strong bonding force ( Or an adhesive) is convenient.
ところで、シリカ転化する性質を有する物質としては、ポリシラザン(正式名称:Perhydropolysilazane(PHPS))がある。ポリシラザンは、水蒸気や酸素で酸化してシリカ転化する性質を有しているが、極めて高粘度の液体であるため、希釈せずに接合面に塗布することは大変困難である。更に、高濃度のポリシラザンは空気中の水蒸気や酸素と触れるだけでシリコン酸化物に転化してしまい、一旦、高純度のシリコン酸化物に転化すると、接合能力を失うことは公知の事実である。従って、前記ポリシラザンがシリカ転化する前に被接合部材同士を接合できなければ、接合剤として利用することができない。 By the way, as a substance having the property of converting to silica, there is polysilazane (official name: Perhydropolysilazane (PHPS)). Polysilazane has the property of being converted to silica by being oxidized with water vapor or oxygen, but it is a very high-viscosity liquid, so it is very difficult to apply it to the joint surface without dilution. Furthermore, it is a well-known fact that high-concentration polysilazane is converted into silicon oxide only by contact with water vapor or oxygen in the air, and once it is converted into high-purity silicon oxide, the bonding ability is lost. Therefore, if the members to be joined cannot be joined before the polysilazane is converted to silica, it cannot be used as a joining agent.
本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、被接合物を汚染せずに低温の熱処理で被接合物同士を容易に接合でき、半導体プロセスにも良好な適合性を有する接合方法を提供することである。他の目的は、前記接合方法を利用して製造した電子装置(半導体デバイスや電子デバイスなど)を提供することである。 The present invention pays attention to the above points, and the purpose of the present invention is to bond the objects to be bonded easily by low-temperature heat treatment without contaminating the objects to be bonded, and to have a good compatibility with the semiconductor process. Is to provide a method. Another object is to provide an electronic device (such as a semiconductor device or an electronic device) manufactured using the bonding method.
前記目的を達成するため、本発明の接合方法は、被接合物の接合面に塗布可能な粘度となるように水との相溶性をもたない有機溶媒で希釈したポリシラザンを、前記接合面に塗布する工程,ポリシラザンのシリカ転化温度よりも低い温度で前記被接合物を乾燥し、前記有機溶媒のみを除去して接合面にポリシラザンを残す工程,接合面がポリシラザンで覆われた被接合物に、他の被接合物を重ねる工程,該工程によって重ね合わせた一対の被接合物を水蒸気又は酸素の存在下で加熱し、前記ポリシラザンをシリカ転化させて、前記一対の被接合物を接合する工程,を含むことを特徴とする。 In order to achieve the above-mentioned object, the bonding method of the present invention comprises a polysilazane diluted with an organic solvent that is not compatible with water so as to have a viscosity that can be applied to the bonding surface of the objects to be bonded. Applying, drying the object to be bonded at a temperature lower than the silica conversion temperature of polysilazane, removing only the organic solvent to leave polysilazane on the bonding surface, and bonding objects whose bonding surface is covered with polysilazane A step of stacking other objects to be bonded, a step of heating the pair of objects to be bonded in the step in the presence of water vapor or oxygen, and converting the polysilazane to silica to bond the pair of objects to be bonded. , Is included.
主要な形態の一つは、前記有機溶媒のみを除去する工程は、真空下で、無加熱又は冷却状態において行うこと,あるいは、不活性ガス中で、ポリシラザンのシリカ転化温度よりも低い温度での加熱により行うことを特徴とする。 One of the main forms is that the step of removing only the organic solvent is performed under vacuum, without heating or cooling, or at a temperature lower than the silica conversion temperature of polysilazane in an inert gas. It is performed by heating.
他の形態は、希釈したポリシラザンを接合面に塗布する工程の前に、前記接合面を、ポリシラザンを利用したシリカ含浸によって平坦化する処理を行うことを特徴とする。更に他の形態は、前記シリカ含浸によって接合面を平坦化する処理は、前記接合面に塗布可能な粘度となるように有機溶媒で希釈したポリシラザンを、前記接合面に塗布する工程,不活性ガス中で前記被接合物を加熱し、前記有機溶媒を除去する工程,該工程で有機溶媒が除去された被接合物を水蒸気又は酸素の存在下で加熱し、接合面を被覆したポリシラザンをシリカ転化する工程,を含むことを特徴とする。 In another embodiment, before the step of applying diluted polysilazane to the bonding surface, the bonding surface is planarized by silica impregnation using polysilazane. In another embodiment, the treatment for flattening the bonding surface by silica impregnation includes a step of applying polysilazane diluted with an organic solvent so as to have a viscosity applicable to the bonding surface, an inert gas, Heating the object to be bonded and removing the organic solvent, heating the object from which the organic solvent has been removed in the step in the presence of water vapor or oxygen, and converting the polysilazane covering the bonding surface to silica Including a step of performing.
更に他の形態は、希釈したポリシラザンを接合面に塗布する工程の前に、前記接合面に水酸化珪素の膜を形成する処理を行うことを特徴とする。更に他の形態は、前記一対の被接合物を接合する工程において、重ね合わせた被接合物に荷重をかけることを特徴とする。更に他の形態は、接合される被接合物の少なくとも一方が、半導体材料又は半導体素子であることを特徴とする。 Yet another embodiment is characterized in that a process of forming a silicon hydroxide film on the bonding surface is performed before the step of applying diluted polysilazane to the bonding surface. Still another embodiment is characterized in that a load is applied to the stacked objects to be bonded in the step of bonding the pair of objects to be bonded. Yet another embodiment is characterized in that at least one of the objects to be joined is a semiconductor material or a semiconductor element.
本発明の電子装置は、前記いずれかに記載の方法によって接合された接合部を含むことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的,特徴,利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。 The electronic device according to the present invention includes a bonding portion bonded by any one of the methods described above. The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
本発明は、有機溶媒で希釈したポリシラザンを被接合物の接合面に塗布し、前記ポリシラザンがシリカ転化しない温度で前記被接合物を乾燥させることで有機溶媒のみを除去してから他の被接合物を重ねる。そして、重ね合わせた被接合物を水蒸気又は酸素の存在下で加熱し、前記ポリシラザンをシリカ転化することで、被接合物同士を接合することとした。このため、被接合部物を汚染せずに低温の熱処理で容易に接合でき、半導体プロセスにも良好な適合性を示すという効果が得られる。 In the present invention, polysilazane diluted with an organic solvent is applied to the bonding surface of the object to be bonded, and only the organic solvent is removed by drying the object to be bonded at a temperature at which the polysilazane is not converted to silica. Stack things up. And the to-be-joined objects were joined by heating the piled to-be-joined thing in presence of water vapor | steam or oxygen, and converting the said polysilazane into a silica. For this reason, it is possible to easily join the parts to be joined by low-temperature heat treatment without contaminating the parts to be joined, and to obtain an effect of showing good compatibility with semiconductor processes.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail based on examples.
最初に、図1〜図6を参照しながら本発明の実施例1を説明する。図1は、本発明の接合方法の基本工程を示すフローチャート,図2は、前記基本工程を示す主要断面図である。図3は、実施例1におけるシリカ含浸工程(接合面平坦化処理)を示すフローチャート,図4は、接合前工程を示すフローチャート,図5は、接合工程を示すフローチャートである。図6は、表面に水酸基を有する被成膜物に対するポリシラザンの成膜工程を示す説明図である。
First,
本発明は、ポリシラザンを利用して各種被接合物同士を接合するもので、上述した背景技術に示す各種の半導体プロセスに示す条件も満たすものである。ポリシラザン(ペルヒドロポリシラザン)は、珪素,窒素,水素のみからなり、炭素などの一切の有機成分を含まない無機ポリマーであって、下記構造式に一例を示すような分子構造をもっている。
前記ポリシラザンは水や酸素と出合うと低温で酸化反応を生じ、反応生成物にアンモニアガスや水素を放出しながらSiO2に転化する性質を有している。しかしながら、ポリシラザンは、極めて高い粘度の液体であるため、そのまま接合面に塗布することは極めて困難であり、更に、高濃度のポリシラザンは空気中の水蒸気や酸素と触れるだけでシリコン酸化物に転化してしまう。仮に、有機溶媒(例えば、キシレンなど)で希釈したポリシラザンをスピンコートし、貼り合わせ熱処理した場合、接合面積は接合面の約1/4程度である。また、接合強度は接合面積にほぼ比例することが分析により判明しているため、接合強度も全面接合の場合の1/4程度となる。そこで本発明では、このような接合面積の減少問題を解決し、接合界面を100%の面積で接合するために、ポリシラザンが無溶媒状態でも高粘度の液体であることを利用して、接合初期のタッキング状態を生み出すこととした。 When the polysilazane encounters water or oxygen, it has an oxidation reaction at a low temperature and has the property of being converted to SiO 2 while releasing ammonia gas and hydrogen into the reaction product. However, since polysilazane is a liquid with extremely high viscosity, it is extremely difficult to apply it to the bonding surface as it is. Furthermore, polysilazane of high concentration is converted into silicon oxide only by contact with water vapor or oxygen in the air. End up. If polysilazane diluted with an organic solvent (for example, xylene) is spin-coated and bonded and heat-treated, the bonding area is about 1/4 of the bonding surface. Moreover, since it has been found by analysis that the bonding strength is substantially proportional to the bonding area, the bonding strength is about ¼ that of the entire surface bonding. Therefore, in the present invention, in order to solve such a problem of reduction in the bonding area and to bond the bonding interface with an area of 100%, the fact that polysilazane is a high-viscosity liquid even in a solvent-free state is utilized. It was decided to create a tucked state.
<基本工程>・・・図1及び図2を参照して、本発明の接合方法の基本工程を説明する。まず、水との相溶性を持たない有機溶媒(例えば、キシレン等)でポリシラザンを希釈して低粘度化させる(図1のステップS10)。希釈によりポリシラザンのシリカ転化も防ぐことができる。希釈濃度は、後述の塗付工程で用いる手法により異なるが、例えば、スピンコート法の場合は10%程度,ディップコートや滴下の場合で1%程度である。そして、図2(A)に示すように、ポリシラザン希釈液12を、スピンコータ,ディップコータ,滴下等の方法で被接合物10の接合面に塗布する(ステップS12)。ポリシラザン希釈液12の塗布は、例えば、(1)真空中で行う,(2)大気圧中でポリシラザンの希釈液12を塗布し、その後真空にし、再び大気圧にして接合面の凹凸の穴に押し込む,(3)大気圧でポリシラザン希釈液12を塗布し、大気圧中で乾燥させる(ポリシラザンの浸透力に頼る),のいずれかの方法によって行われるが、(1)の真空中での塗付が最も望ましい。
<Basic Step> ... With reference to FIGS. 1 and 2, the basic step of the bonding method of the present invention will be described. First, polysilazane is diluted with an organic solvent that is not compatible with water (for example, xylene or the like) to lower the viscosity (step S10 in FIG. 1). Dilution can also prevent polysilazane from being converted to silica. The dilution concentration varies depending on the method used in the coating step described later, but is, for example, about 10% in the case of spin coating and about 1% in the case of dip coating or dripping. Then, as shown in FIG. 2A, the polysilazane diluted
次に、前記被接合物10を、シリカ転化し難い温度で乾燥し、塗布したポリシラザン希釈液12から、有機溶媒のみを除去する(ステップS14)と、図2(B)に示すように、被接合物10の接合面には、ポリシラザン14のみが残る。このときの有機溶媒の除去工程において、ポリシラザンがシリカ転化してしまうと接合力を失うため、シリカ転化させずに溶媒のみを除去する必要がある。具体的には、無加熱か冷却状態での真空溶媒除去,あるいは、不活性ガス中でのシリカ転化し難い温度(80〜120℃程度)での加熱,のいずれかにより行われる。その後、図2(C)に示すように、もう一方の被接合物16を重ね(ステップS16)、被接合物10と16で、有機溶媒を除去したポリシラザン14を挟む。そして、水蒸気または酸素の存在する環境で加熱してポリシラザン14をシリカ転化させると、図2(D)に示すように、SiO2を接合層18として、被接合物10と16が接合される(ステップS18)。
Next, the object to be bonded 10 is dried at a temperature at which it is difficult to convert to silica, and only the organic solvent is removed from the applied polysilazane diluted solution 12 (step S14). As shown in FIG. Only the
この方法では、少量のガスの出入を伴いシリカ転化が進む。この時に、小さな重量変化と体積変化で抑えられる。なお、前記ステップS18において、水蒸気中でシリカ転化させた場合の反応は、下記反応式の通りとなり、アンモニアと水素ガスを生成する。
<具体例>・・・次に、図3〜図6を参照して、実施例1の接合方法によるフェライト基板同士の接合手順を具体的に示す。
(1)シリカ含浸工程・・・本実施例では、図3に示すシリカ含浸工程によるフェライト基板の平坦化(接合面の平坦化)処理から開始する。まず、被接合物であるフェライト基板をアルコールやアセトン等の有機溶媒で洗浄し(ステップS20)、該フェライト基板を、真空,乾燥窒素,水蒸気の3種類の雰囲気に設定可能な冷却機能付きの熱処理炉に入れる(ステップS22)。次に、前記熱処理炉の温度を−10℃に下げたのち(ステップS24)、熱処理炉を真空にする(ステップS26)。この状態で、前記フェライト基板の表面に、例えば、キシレン等の有機溶媒で希釈したポリシラザンを、スピンコート,スプレーコート,ディップコートなどの適宜手法により滴下する(ステップS28)。
<Specific Example> Next, with reference to FIG. 3 to FIG. 6, a procedure for joining ferrite substrates by the joining method of Example 1 will be specifically shown.
(1) Silica impregnation step: In this embodiment, the process starts with the ferrite substrate flattening (bonding surface flattening) by the silica impregnation step shown in FIG. First, the ferrite substrate that is the object to be bonded is washed with an organic solvent such as alcohol or acetone (step S20), and the ferrite substrate is heat-treated with a cooling function that can be set to three types of atmospheres of vacuum, dry nitrogen, and water vapor. It puts into a furnace (step S22). Next, after the temperature of the heat treatment furnace is lowered to −10 ° C. (step S24), the heat treatment furnace is evacuated (step S26). In this state, for example, polysilazane diluted with an organic solvent such as xylene is dropped onto the surface of the ferrite substrate by an appropriate method such as spin coating, spray coating, dip coating, or the like (step S28).
前記フェライト基板の表面がポリシラザンの希釈液で覆われたことを確認したら(ステップS30)、前記熱処理炉に乾燥窒素を導入し大気圧に設定する(ステップS32)。そして、熱処理炉を乾燥窒素で満たした状態で温度を80℃に設定して溶媒を除去し(ステップS34)、更に、熱処理炉を乾燥窒素で満たした状態で温度を250℃〜450℃に設定し除去する(ステップS36)。仮に、ステップS34,S36のように2段階で加熱せず、キシレンのような有機溶媒が多量にある状態で高い温度で加熱すると、急激な沸騰を生じ接合面の平坦性を損なってしまう。これを防ぐため、本実施例では、多量に有機溶媒がある状態では、低温で有機溶媒を徐々に揮発除去させ(ステップS34)、接合面の平坦性を確保する。その後、極めて微量な有機溶媒を含有した状態となってから高温を用い(ステップS36)、有機溶媒を高精度に除去している。また、乾燥窒素の代わりに大気中等で乾燥を行うと、有機溶媒が抜ける前にポリシラザンの表面からシリカ転化し、内部にある有機溶媒が閉じ込められてしまうため、本実施例では有機溶媒が閉じ込められるのを防止するために、乾燥窒素中で乾燥を行うこととしている。 When it is confirmed that the surface of the ferrite substrate is covered with the dilute solution of polysilazane (step S30), dry nitrogen is introduced into the heat treatment furnace and set to atmospheric pressure (step S32). Then, the temperature is set to 80 ° C. with the heat treatment furnace filled with dry nitrogen to remove the solvent (step S34), and the temperature is set to 250 ° C. to 450 ° C. with the heat treatment furnace filled with dry nitrogen. And removed (step S36). If the heating is not performed in two steps as in steps S34 and S36 but is heated at a high temperature in the presence of a large amount of an organic solvent such as xylene, rapid boiling occurs and the flatness of the joint surface is impaired. In order to prevent this, in this embodiment, in a state where there is a large amount of the organic solvent, the organic solvent is gradually volatilized and removed at a low temperature (step S34), and the flatness of the bonding surface is ensured. After that, after a very small amount of organic solvent is contained, high temperature is used (step S36), and the organic solvent is removed with high accuracy. In addition, when drying is performed in the air instead of dry nitrogen, silica is converted from the surface of the polysilazane before the organic solvent is removed, and the organic solvent inside is confined. Therefore, in this embodiment, the organic solvent is confined. In order to prevent this, drying is performed in dry nitrogen.
前記ステップS34,S36によって有機溶媒を除去したら、前記熱処理炉に水蒸気を導入し(ステップS38)、該熱処理炉を水蒸気で満たした状態で温度を250℃〜450°に設定し、ポリシラザンをシリカに転化させ(ステップS40)、最後に応力を除去しながら冷却(除冷)する(ステップS42)。以上のようなステップS20〜ステップS42によるシリカ含浸工程は、接合面(ここでは、フェライト基板の表面)にポアが多い場合に行われる処理であって、接合面にポアが少なく十分な平坦性が確保されている場合には省略可能である。 After removing the organic solvent in steps S34 and S36, water vapor is introduced into the heat treatment furnace (step S38), the temperature is set to 250 ° C. to 450 ° with the heat treatment furnace filled with water vapor, and polysilazane is converted into silica. It is converted (step S40), and finally cooled (removed) while removing the stress (step S42). The silica impregnation process in steps S20 to S42 as described above is a process performed when the joint surface (here, the surface of the ferrite substrate) has many pores, and the joint surface has few pores and sufficient flatness. If it is secured, it can be omitted.
(2)接合前工程・・・次に、前記シリカ含浸工程によって接合面の平坦化処理を行ったフェライト基板に、図4に示す接合前工程によってポリシラザンを塗布する。まず、フェライト基板をアルコールやアセトン等の有機溶媒で洗浄し(ステップS50)、必要に応じてフェライト基板の表面に水酸化珪素の膜を形成する(ステップS52)。水酸化珪素の膜は、必ずしも必要なものではないが、接合面積が大きく水分の拡散に時間を要する場合には、水酸化珪素の膜を利用すると都合がよい。例えば、図6(A)に示すように、表面に水酸基(=構造水)22が存在し、該水酸基22に水分子24が吸着しているような被成膜物20に対して、有機溶媒で希釈したポリシラザン26を滴下する。このとき、前記反応式(化3)に示すシリカ転化反応によってシリカ28が形成する際に、図6(B)に示すように構造水からの脱水反応が生じる。吸水による酸化反応が強く生じる材料は強い接着力を得られ、膜としても強い密着力が得られる。多くの化学結合を用いない接着材の接着力は、分子間引力とアンカー効果が主な因子とされている。これと同様な理由で、前記ステップS52によりフェライト基板の表面に水酸基を導入することにより、水酸基のもつ強い極性,すなわちクーロン力により強い接合性を誘起することが可能である。
(2) Pre-bonding step: Next, polysilazane is applied by the pre-bonding step shown in FIG. 4 to the ferrite substrate that has been subjected to the flattening process of the bonding surface by the silica impregnation step. First, the ferrite substrate is washed with an organic solvent such as alcohol or acetone (step S50), and if necessary, a silicon hydroxide film is formed on the surface of the ferrite substrate (step S52). The silicon hydroxide film is not always necessary, but it is convenient to use the silicon hydroxide film when the bonding area is large and it takes time to diffuse moisture. For example, as shown in FIG. 6A, an organic solvent is used for a film-forming
次に、前記ステップS50で洗浄したフェライト基板,あるいは、ステップS52で水酸化珪素の膜を形成したフェライト基板を、真空,乾燥窒素,水蒸気の3種類の雰囲気に設定可能な冷却機能付きの熱処理炉に入れる(ステップS54)。そして、前記熱処理炉の温度を−10℃に下げた後(ステップS56)、熱処理炉を真空にする(ステップS58)。次に、キシレンなどの有機溶媒で希釈して低粘度化したポリシラザンを、前記フェライト基板の表面に、スピンコート,スプレーコート,ディップコートなどの適宜手法で滴下する(ステップS60)。前記フェライト基板の表面が、ポリシラザンの希釈液で覆われたことを確認したら(ステップS62)、熱処理炉に乾燥窒素を導入して大気圧にし(ステップS64)、次いで熱処理炉を真空にする(ステップS66)。そして、熱処理炉を真空状態かつ室温にして有機溶媒を除去する(ステップS68)。 Next, a heat treatment furnace with a cooling function capable of setting the ferrite substrate cleaned in step S50 or the ferrite substrate on which the silicon hydroxide film is formed in step S52 to three types of atmospheres of vacuum, dry nitrogen, and water vapor. (Step S54). Then, after the temperature of the heat treatment furnace is lowered to −10 ° C. (step S56), the heat treatment furnace is evacuated (step S58). Next, polysilazane diluted with an organic solvent such as xylene to lower the viscosity is dropped onto the surface of the ferrite substrate by an appropriate method such as spin coating, spray coating, dip coating (step S60). When it is confirmed that the surface of the ferrite substrate is covered with a dilute solution of polysilazane (step S62), dry nitrogen is introduced into the heat treatment furnace to atmospheric pressure (step S64), and then the heat treatment furnace is evacuated (step S62). S66). Then, the organic solvent is removed by setting the heat treatment furnace in a vacuum state and at room temperature (step S68).
(3)接合工程・・・次に、図5に示す接合工程について説明する。まず、張り合わせる2枚のフェライト基板は、大気中で真空チャックにより固定される(ステップS70)。張り合わせる2枚のフェライト基板は、双方とも前記図4に示す接合前工程によってポリシラザンを塗布されたものであってもよいし、いずれか一方のフェライト基板の表面にのみポリシラザンを塗布したものであってもよい。次に、熱処理炉に水蒸気や湿り空気を導入し(ステップS72)、張り合わせる2枚のフェライト基板を重ねる(ステップS74)。そして、張り合わせる2枚のフェライト基板間に0.01MPa〜10MPa程度の荷重をかけ(ステップS76)、熱処理炉を水蒸気で満たした状態で温度を40℃〜80℃程度まで加熱し、ポリシラザンを軟化させ密着性を上げる(ステップS78)。なお、前記ステップS76における荷重は、フェライト基板間に隙間ができる場合に矯正のためにかけるものであって、フェライト基板に歪みがない場合には省略してもよい。次に、前記熱処理炉内を水蒸気で満たした状態で温度を250℃〜450℃程度まで加熱し、ポリシラザンをシリカに転化させて2枚のフェライト基板を接合する(ステップS80)。最後に、応力を除去しながら接合体を冷却(除冷)する(ステップS82)。 (3) Joining process: Next, the joining process shown in FIG. 5 will be described. First, the two ferrite substrates to be bonded together are fixed by a vacuum chuck in the atmosphere (step S70). Both of the two ferrite substrates to be bonded may be coated with polysilazane by the pre-joining step shown in FIG. 4 or may be coated with polysilazane only on the surface of one of the ferrite substrates. May be. Next, water vapor or moist air is introduced into the heat treatment furnace (step S72), and the two ferrite substrates to be bonded are stacked (step S74). Then, a load of about 0.01 MPa to 10 MPa is applied between the two ferrite substrates to be bonded together (step S76), and the temperature is heated to about 40 ° C. to 80 ° C. in a state where the heat treatment furnace is filled with water vapor to soften the polysilazane. The adhesion is increased (step S78). The load in step S76 is applied for correction when a gap is formed between the ferrite substrates, and may be omitted when the ferrite substrate is not distorted. Next, in a state where the inside of the heat treatment furnace is filled with water vapor, the temperature is heated to about 250 ° C. to 450 ° C., polysilazane is converted into silica, and the two ferrite substrates are joined (step S80). Finally, the bonded body is cooled (removed) while removing the stress (step S82).
このように、実施例1によれば、次のような効果がある。
(1)有機溶媒で希釈したポリシラザン希釈液12を被接合物10の接合面に塗布し、ポリシラザンがシリカ転化しない温度で前記被接合物10を乾燥させることで有機溶媒のみを除去し、ポリシラザン14のみを被接合物10の表面に残す。そして、他の被接合物16を重ね合わせて水蒸気又は酸素の存在下で加熱し、前記ポリシラザン14をシリカ転化することで、被接合物10,16を接合することとした。このため、被接合物10,16を汚染せずに、低温の熱処理で被接合物10,16同士を容易に接合できる。また、接合前にシリカ転化することがなく、被接合物10,16間にボイドが形成されることがない。
(2)ポリシラザンの塗付前に、シリカ含浸工程によって被接合物の表面を平坦化することとしたので、密着性を高めることができる。特に、前記平坦化により被接合物の表面が鏡面となっており、かつ、被接合物が歪んでいない場合は、非常に高い密着性が得られる。また、被接合物が歪んでいたとしても、鏡面であれば接合時の荷重によって歪みが改善されるため、十分な密着性を得ることが可能となる。
(3)必要に応じて被接合物の表面に水酸化珪素の膜を形成することとしたので、水酸基のもつ強い極性,すなわちクーロン力により強い接合性を誘起することができる。
Thus, according to the first embodiment, there are the following effects.
(1) A polysilazane diluted
(2) Since the surface of the article to be joined is planarized by the silica impregnation step before the polysilazane is applied, the adhesion can be improved. In particular, when the surface of the object to be bonded is a mirror surface due to the planarization and the object to be bonded is not distorted, very high adhesion can be obtained. Further, even if the article to be joined is distorted, if it is a mirror surface, the distortion is improved by the load at the time of joining, so that sufficient adhesion can be obtained.
(3) Since a silicon hydroxide film is formed on the surface of the object to be bonded as required, strong bondability can be induced by the strong polarity of the hydroxyl group, that is, the Coulomb force.
<応用例>・・・次に、図7〜図9を参照して、本発明の応用例を説明する。まず、図7(A-1)及び(A-2)に示す例は、本発明を小型アンテナに適用した例である。図7(A-2)は、図7(A-1)を#7A−#7A線に沿って切断した端面図である。図7(A-1)及び(A-2)に示すアンテナ素子30は、フェライト基板32に形成された溝部36に埋め込まれた導体38によって、微小ループアンテナの導体パターン34が形成されている。前記導体パターン34は、給電部34A,34Bを除いたループ状の部分に、他のフェライト基板40が接合層42を介して重ね合わせられており、図7(A-2)に示すように、前記導体パターン34とフェライト基板40の間にはギャップが設けられている。前記接合層42は、上述した実施例1で示す接合方法のシリカ転化により生じたSiO2であって、その厚さは、例えば、0.1μm程度である。また、前記導体38は、Agペーストなどの塗付・乾燥により形成されている。
<Application Examples> Next, application examples of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the examples shown in FIGS. 7A-1 and 7A-2 are examples in which the present invention is applied to a small antenna. FIG. 7A-2 is an end view of FIG. 7A-1 cut along
図7(B-1)及び(B-2)に示す例は、本発明をコモンモードチョークコイルに適用した例である。図7(B-2)は、図7(B-1)を#7B−#7B線に沿って切断した端面図である。図7(B-1)及び(B-2)に示すコモンモードチョークコイル50は、基板52の上に設けられたフェライト基板54中に、導体パターン56が2つ形成された構造となっている。前記導体パターン56は、図7(B-2)に示すように、フェライト基板54Aの溝部58Aに埋め込まれた導体60Aと、フェライト基板54Bの溝部58Bに埋め込まれた導体60Bを含んでおり、これら導体60A,60Bが向き合うように、前記フェライト基板54A,54Bが接合層62によって接合されている。該接合層62は、上述した実施例1で示す接合方法のポリシラザンのシリカ転化により生じたSiO2であって、その厚さは、例えば、0.1μm程度である。
The examples shown in FIGS. 7B-1 and 7B-2 are examples in which the present invention is applied to a common mode choke coil. FIG. 7B-2 is an end view of FIG. 7B-1 cut along the
上述したアンテナ素子30及びコモンモードチョークコイル50は、半導体を用いていないため、半導体の相互作用とは無関係となるが、本発明のポリシラザンを用いた接合技術は、このような電子装置での応用についても有効である。それは、本発明の接合方法における溶媒除去において粘度を制御することにより、接合層42や62の厚さを制御でき、0.1μm以下とすることも可能になるからである。前記アンテナ素子30及びコモンコモンモードチョークコイル50のいずれも高周波部品であり、また、どちらもフェライトの透磁率の高さを利用して製品の機能を向上させている。従って、比誘電率が空気や真空よりも大きな材料を厚く挟み込むことは性能を低下させることになり好ましくないが、本発明の接合方法を用いることにより、接合層の厚さ制御して薄くすることができる。
Since the
図8及び図9に示す例は、本発明を半導体デバイスに適用した例である。まず、図8(A)に示す例は、バルク圧電加速度センサ70と集積回路(LSI)80の接合に、本発明のポリシラザンによる接合方法を用いた例である。前記集積回路80は、シリコン基板82上にMOSトランジスタ84を形成したものであって、最表層のパッシベーション膜86と前記加速度センサ70の底面が、SiO2からなる接合層72により接合されている。また、図8(B)に示す例は、水晶ジャイロ素子90とパッケージ用セラミックス92とが、SiO2からなる接合層94によって接合された例である。更に、図8(C)に示す例は、平面(2次元)構造の集積回路102A,102B,102Cを、SiO2からなる接合層104によって立体的(3次元的)に集積した積層型集積回路100を示している。前記接合層104に設けた金属マイクロバンプ106は、埋め込み配線108と接続している。図8(A)〜(C)に示す例では、半導体を汚染せずに、容易に接合することが可能となる。
The example shown in FIGS. 8 and 9 is an example in which the present invention is applied to a semiconductor device. First, the example shown in FIG. 8A is an example in which the bonding method using polysilazane of the present invention is used for bonding the bulk
次に、図9(A)に示す例は、貫通孔114Aが形成された台座114とシリコン基板112を、陽極酸化によって接合した従来の圧力センサ110である。前記台座114は、アルカリホウ珪酸ガラスにより形成されている。前記圧力センサ110では、半導体で有害とされるNaやKが接合を司る重要物質であり、アルカリ金属なしでは接合できないため、半導体との融合ができない。これに対し、図9(B)に示す圧力センサ120は、貫通孔124Aを有する台座124とシリコン基板122を、ポリシラザン126によって接合するもので、前記台座124は、例えば、ホウ珪酸ガラスやSiO2で構成されている。このためアルカリ金属が存在せず、接合後に前記ポリシラザン126が純粋なSiO2に転化するため、熱膨張率差による接合応力が小さく強い接合が可能になるとともに、半導体との融合が可能となる。
Next, an example shown in FIG. 9A is a
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した形状,寸法は一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。
(2)前記実施例で示した溶媒や被接合物も一例であり、同様の効果を奏するように適宜変更してよい。
(3)前記実施例で示したシリカ含浸工程や、水酸化珪素の膜形成も一例であり、必要に応じて工程を導入すればよい。
(4)図7〜9に示した応用例も一例であり、本発明は、半導体のみならず、被接合物同士の接合部を含む公知の各種の電子装置全般に適用可能である。
In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, A various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, the following are also included.
(1) The shapes and dimensions shown in the above embodiments are examples, and may be appropriately changed as necessary.
(2) The solvents and objects to be joined shown in the above-described embodiments are also examples, and may be appropriately changed so as to achieve the same effect.
(3) The silica impregnation step and the silicon hydroxide film formation shown in the above embodiments are examples, and the steps may be introduced as necessary.
(4) The application examples shown in FIGS. 7 to 9 are also examples, and the present invention can be applied not only to semiconductors but also to various known electronic devices in general including joints between objects to be joined.
本発明によれば、有機溶媒で希釈したポリシラザンを被接合物の接合面に塗布し、前記ポリシラザンがシリカ転化しない温度で前記被接合物を乾燥させることで有機溶媒のみを除去してから他の被接合物を重ねる。そして、重ね合わせた被接合物を水蒸気又は酸素の存在下で加熱し、前記ポリシラザンをシリカ転化することとしたので、被接合部物同士を接合する際に適用できる。特に、被接合物を汚染せずに低温の熱処理で容易に接合でき、半導体プロセスにも良好な適合性を示すことから、半導体分野での接合に好適である。 According to the present invention, polysilazane diluted with an organic solvent is applied to the bonding surface of the object to be bonded, and only the organic solvent is removed by drying the object to be bonded at a temperature at which the polysilazane is not converted to silica. Stack the objects to be joined. And since it superposed | heated in presence of water vapor | steam or oxygen and the polysilazane was silica-converted, it can apply when joining a to-be-joined part thing. In particular, it is suitable for bonding in the semiconductor field because it can be easily bonded by low-temperature heat treatment without contaminating the objects to be bonded, and exhibits good compatibility with semiconductor processes.
10,16:被接合物
12:ポリシラザン希釈液
14:ポリシラザン
18:接合層
20:被成膜物
22:水酸基(構造水)
24:水分子
26:ポリシラザン
28:シリカ
30:アンテナ素子
32,40:フェライト基板
34:導体パターン
34A,34B:給電部
36:溝部
38:導体
42:接合層
50:コモンモードチョークコイル
52:基板
54,54A,54B:フェライト基板
56:導体パターン
58A,58B:溝部
60A,60B:導体
62:接合層
70:加速度センサ
72:接合層
80:集積回路(LSI)
82:シリコン基板
84:MOSトランジスタ
86:パッシベーション膜
90:水晶ジャイロ素子
92:パッケージ用セラミックス
94:接合層
100:積層型集積回路
102A,102B,102C:集積回路
104:接合層
106:金属マイクロバンプ
108:埋め込み配線
110,120:圧力センサ
112,122:シリコン基板
114,124:台座
114A,124A:貫通孔
126:ポリシラザン
DESCRIPTION OF
24: Water molecule 26: Polysilazane 28: Silica 30:
82: Silicon substrate 84: MOS transistor 86: Passivation film 90: Quartz gyro element 92: Ceramics for packaging 94: Bonding layer 100: Stacked
Claims (9)
ポリシラザンのシリカ転化温度よりも低い温度で前記被接合物を乾燥し、前記有機溶媒のみを除去して接合面にポリシラザンを残す工程,
接合面がポリシラザンで覆われた被接合物に、他の被接合物を重ねる工程,
該工程によって重ね合わせた一対の被接合物を水蒸気又は酸素の存在下で加熱し、前記ポリシラザンをシリカ転化させて、前記一対の被接合物を接合する工程,
を含むことを特徴とする接合方法。 A step of applying polysilazane diluted with an organic solvent that is not compatible with water so as to have a viscosity that can be applied to the bonding surface of an object to be bonded to the bonding surface;
Drying the object to be bonded at a temperature lower than the silica conversion temperature of polysilazane, removing only the organic solvent and leaving polysilazane on the bonding surface;
A process of superimposing another object to be bonded on the object whose bonding surface is covered with polysilazane,
Heating the pair of objects to be joined in the step in the presence of water vapor or oxygen, converting the polysilazane to silica, and joining the pair of objects to be joined;
A bonding method comprising:
前記接合面に塗布可能な粘度となるように有機溶媒で希釈したポリシラザンを、前記接合面に塗布する工程,
不活性ガス中で前記被接合物を加熱し、前記有機溶媒を除去する工程,
該工程で有機溶媒が除去された被接合物を水蒸気又は酸素の存在下で加熱し、接合面を被覆したポリシラザンをシリカ転化する工程,
を含むことを特徴とする請求項4記載の接合方法。 The process of flattening the joint surface by the silica impregnation,
Applying polysilazane diluted with an organic solvent so as to have a viscosity that can be applied to the bonding surface, to the bonding surface;
Heating the object to be bonded in an inert gas to remove the organic solvent;
Heating the bonded product from which the organic solvent has been removed in the step in the presence of water vapor or oxygen to convert polysilazane covering the bonding surface into silica;
The bonding method according to claim 4, further comprising:
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