半導體裝置的制造方法
【專利摘要】提供半導體裝置的制造方法，能在芯片鍵合接合溫度范圍內(nèi)的加熱溫度下，還原被接合構(gòu)件及焊接材料，得到具有比以往更高質(zhì)量更高可靠性的焊錫接合層且散熱性更優(yōu)異的半導體裝置。該方法包括：將包含被接合構(gòu)件和焊接材料的層疊體投入到具備金屬絲的減壓爐內(nèi)的準備工序；在準備工序之后對減壓爐內(nèi)進行真空排氣的一次減壓工序；在一次減壓工序之后將減壓爐內(nèi)變?yōu)樨搲旱臍錃夥?，并對金屬絲進行加熱從而產(chǎn)生原子狀氫的熱線式加熱工序；在熱線式加熱工序之后將減壓爐內(nèi)變?yōu)檎龎旱臍錃夥?，并加熱至接合溫度以使焊接材料熔融的加熱工序；以及在加熱工序之后保持于接合溫度，并將減壓爐內(nèi)再次變?yōu)檎婵諝夥諄砣コ稿a熔融液中的氣泡的氣泡去除工序。
【專利說明】半導體裝置的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體裝置的制造方法。本發(fā)明尤其涉及對接合母材、焊接材料的表面氧化物進行改質(zhì)從而實現(xiàn)良好接合的半導體裝置的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于環(huán)境問題，逐漸采用不含鉛成分的無鉛焊錫來代替Sn-Pb類焊錫。適用于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絕緣柵雙極晶體管)模塊或IPMdntelligent Power Module:智能功率模塊)等功率模塊的焊接材料多使用目前已知的各種組分的無鉛焊錫中尤其是接合性(焊錫潤濕性)、機械特性、傳熱阻力等方面較為平衡且實際有應(yīng)用到產(chǎn)品上的Sn-Ag類無鉛焊錫(例如參照非對比文獻I)。
[0003]此外，在散熱器上焊接絕緣基板并且在該絕緣基板上焊接半導體芯片的層疊連接結(jié)構(gòu)中，下位的接合部使用Sn-Sb類焊錫來作為高溫無鉛焊錫，上位的接合部使用在熔點比Sn-Sb類焊錫要低的Sn-Ag類焊錫中添加了 Cu等元素而組成的無鉛焊錫這樣的焊接結(jié)構(gòu)也是已知的(例如參照專利文獻I)。
[0004]在絕緣基板上焊接安裝半導體芯片(IGBT)，并在半導體芯片(IGBT)的上表面電極焊接兼作為散熱器的引線框來作為布線構(gòu)件，使半導體芯片所產(chǎn)生的熱量向引線框逸出從而能夠防止發(fā)熱密度集中的結(jié)構(gòu)也是已知的(例如參照專利文獻2)。
[0005]另一方面，在芯片鍵合的接合方式中，已知有通過進行減壓、氫氣或者氮氣氛的置換來減小焊錫中的氣泡，并將其長時間暴露在氫氣中，利用氫氣使氧化物還原從而實現(xiàn)良好接合的方法(例如參照專利文獻3)。還已知有利用氫等離子體來生成氫自由基，從而去除氧化物或有機物的方法(例如參照非專利文獻2)。
[0006]除此以外，還公開了為實現(xiàn)干式焊接，進行金屬表面處理的方法，其利用耐熱金屬的絲狀網(wǎng)格(filament grid)來生成活性分子種(species),由此去除了金屬表面的氧化物之后進行焊接(例如參照專利文獻4)。
[0007]還公開了利用接觸分解反應(yīng)所生成的原子狀氫來對接合前的焊錫進行清洗的實施例(例如參照非專利文獻3、非專利文獻4)。此外，還已知有以下特征的無鉛焊錫合金的處理方法:將以錫為主要成分的無鉛焊錫合金制作成微粉末狀，利用熱絲焊法所產(chǎn)生的原子狀氫來進行還原及刻蝕(例如參照專利文獻5)。
現(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻
[0008]專利文獻1:日本專利特開2001 - 35978號公報專利文獻2:日本專利特開2005 - 116702號公報
專利文獻3:日本專利特開2003 - 297860號公報專利文獻4:美國專利說明書5409543 專利文獻5:日本專利第4991028號公報非專利文獻
[0009]非專利文獻1:両角、他2名、7 —半導體? y' 二一;He杉If 6信頼性設(shè)計技術(shù)」、富士時報、富士電機株式會社、平成13年2月10日、第74卷、第2號、ρ145?148(兩角等2人，《功率半導體模塊的可靠性設(shè)計技術(shù)》，富士時報，富士電極株式會社，平成13年2月10日，第74卷第2號第145?148頁)
非專利文獻2:中森《力、、「水素9 '7'力；He J: ^ ti K tz ^ ^ 0 V 7 口一 7?？谄?」、工 > 々卜口二々7実裝學會誌、Vol.8、N0.3、pp.225-232 (2005)(中森等，《利用氫自由基的焊錫球回流工藝》，電子安裝學會雜志，Vol.8、N0.3、pp.225-232(2005))
非專利文獻 3:表面科學 Vol.31、N0.4、pp.196_201、2010 (表面科學 Vol.31、N0.4、pp.196-201,2010)
非專利文獻4:工 > 々卜π 二々7実裝學會講演大會講演論文集，22nd, pp.167-168 (2008)(電子安裝學會研討會演講論文集，22nd, pp.167-168 (2008))


【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0010]然而，以Sn為主要成分的無鉛焊錫的熔點在Sn-Ag類焊錫的情況下為220°C左右，在Sn-Sb類焊錫的情況下為240°C左右，與以往使用的熔點在290°C左右的Pb類焊錫材料相比，其熔融溫度較低。在250°C的氣氛下，氫分子氣體的氧化物還原能力并不值得期待，因此難以通過在焊錫熔融前的狀態(tài)下長時間暴露在氫分子氣體中來還原(去除)氧化物。為了提高氫分子氣體的還原能力，存在進一步升高加熱溫度的方法，但這有可能導致硅芯片受熱損傷。
[0011]另外，在使用等離子體來生成氫自由基的方法中，已知氫自由基具有筆直前行的特性，從而只能對垂直于照射面的面發(fā)揮表面改質(zhì)的效果。
[0012]另一方面，在專利文獻4所公開的發(fā)明中，使用了連續(xù)爐，從而無法實現(xiàn)足夠的真空度，因此原子狀氫的生成量較少，對于金屬氧化物的還原能力也不夠。為此，需要使用抑制電子的裝置來使原子狀氫選擇性地集中到工件上，存在的不足有導致裝置變復雜，氫及能量的損耗也增大。
[0013]專利文獻5所公開的方法是在進行接合之前先用旋轉(zhuǎn)滾筒式的裝置單僅對焊錫合金進行處理的方法，并不能實現(xiàn)一同進行焊接這樣有效率的接合組裝。非專利文獻3、4所公開的方法僅僅是實現(xiàn)性的方法，并不能實際應(yīng)用于半導體裝置的高效率量產(chǎn)。
[0014]本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供一種半導體裝置的制造方法，該制造方法在芯片鍵合接合溫度范圍內(nèi)即320°C以下的加熱溫度下，使被接合構(gòu)件和焊接材料還原，與以往相比，能夠得到具有更高質(zhì)量更高可靠性的焊接層且散熱性更優(yōu)異的半導體裝置。
解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，該半導體裝置的制造方法包括:將包含至少一個被接合構(gòu)件和至少一個焊接材料的層疊體投入到具有金屬絲的減壓爐內(nèi)的準備工序；在所述準備工序之后對所述減壓爐內(nèi)進行真空排氣的一次減壓工序；在所述一次減壓工序之后將所述減壓爐內(nèi)設(shè)定為負壓的氫氣氛，并對所述金屬絲進行加熱，從而產(chǎn)生原子狀氫的熱線式加熱工序；在所述熱線式加熱工序之后將所述減壓爐內(nèi)設(shè)定為正壓的氫氣氛，并加熱至接合溫度使所述焊接材料熔融的加熱工序；以及在所述加熱工序之后，在保持于接合溫度的狀態(tài)下，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛再次設(shè)定為真空氣氛，從而去除焊錫熔融液中的氣泡的氣泡去除工序。
[0016]所述半導體裝置的制造方法優(yōu)選在所述氣泡去除工序中，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負壓的氫氣氛并對所述金屬絲進行加熱從而產(chǎn)生原子狀氫的熱線式加熱工序斷續(xù)地重復進行一次以上。
[0017]所述半導體裝置的制造方法優(yōu)選在所述熱線式加熱工序中，將金屬絲加熱到1500°C以上且2000°C以下。
[0018]所述半導體裝置的制造方法中的所述熱線式加熱工序優(yōu)選實施10秒?5分鐘。所述熱線式加熱工序中所述負壓的氫氣氛優(yōu)選為I?10Pa的氫氣氛。所述熱線式加熱工序中所述金屬絲與所述層疊體之間的距離優(yōu)選為30?150mm。所述熱線式加熱工序中，將所述氫分子氣體提供至減壓爐內(nèi)，使得所述氫分子氣體在與所述金屬絲接觸后，被提供至所述層疊體。
[0019]所述半導體裝置的制造方法中，優(yōu)選在所述氣泡去除工序之后還包括再還原工序，在該再還原工序中，在保持于接合溫度的狀態(tài)下，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛再次設(shè)定為正壓的氫氣氛。在所述再還原工序之后優(yōu)選還包括冷卻工序，在該冷卻工序中，在將所述減壓爐內(nèi)的氣氛保持于正壓的氫氣氛的狀態(tài)下，對所述層疊體進行急冷。另外，優(yōu)選還包括:在所述冷卻工序后對所述減壓爐內(nèi)進行真空排氣的二次減壓工序；以及在所述二次減壓工序之后將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的惰性氣體氣氛，然后將所述減壓爐開放的工序。
[0020]所述半導體裝置的制造方法中，優(yōu)選的是所述熱線式加熱工序到所述加熱工序為止的處理重復進行多次?；蛘?，在此基礎(chǔ)上，所述半導體裝置的制造方法中，優(yōu)選使所述氣泡去除工序到所述再還原工序為止的處理重復進行多次。
[0021]所述半導體裝置的制造方法中，所述層疊體優(yōu)選為在至少兩個被接合構(gòu)件之間夾設(shè)有焊接材料的層疊體。所述焊接材料優(yōu)選為Sn-Ag類焊錫或Sn-Sb-Ag類焊錫，所述被接合構(gòu)件的被接合表面優(yōu)選為Ag。所述半導體裝置優(yōu)選為絕緣柵雙極型晶體管半導體模塊。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，該半導體裝置的制造方法包括:將包含有接合面為Ag的至少一個被接合構(gòu)件、及Sn-Ag類焊錫和Sn-Sb-Ag類焊錫中的至少一個焊接材料的層疊體投入到具有金屬絲的減壓爐內(nèi)的工序；以及將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負壓的氫氣氛，并對所述金屬絲進行加熱，從而產(chǎn)生原子狀氫，使所述被接合構(gòu)件和所述焊接材料還原的工序。
發(fā)明效果
[0023]根據(jù)本發(fā)明的半導體裝置的制造方法，能夠在十幾分鐘以內(nèi)的短時間內(nèi)，獲得與以往相比具有更高質(zhì)量更高可靠性的焊接層且散熱性更優(yōu)異的半導體裝置。特別是通過熱線式加熱工序，能夠在芯片鍵合接合溫度范圍內(nèi)即320°C以下的加熱溫度下，保持被接合構(gòu)件和焊接材料的層疊狀態(tài)進行還原，并且與目前已知的方法相比，還能獲得更大的還原效果。另外，根據(jù)本發(fā)明的半導體裝置的制造方法，氫分子氣體和惰性氣體的用量很少即可，還無需使用焊劑。因此，能夠得到處理時間縮短、接合質(zhì)量提高、運營成本降低、環(huán)境負荷減輕等各種效果。另外，根據(jù)本發(fā)明的半導體裝置的制造方法，還具有能夠消除量產(chǎn)化的多個產(chǎn)品之間的偏差，使得質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是表示本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法中的溫度曲線、腔內(nèi)氣氛及壓力、金屬絲通電、以及處理動作的一個示例的時間表。
圖2是示意性地表示在本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置中進行焊接的由被接合體和焊錫構(gòu)成的層疊體的結(jié)構(gòu)的圖。
圖3是示意性地表示本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法中的熱線式加熱工序的圖。
圖4是簡要說明本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置的圖。
圖5是表示金屬絲12與熱板16之間的位置關(guān)系的圖，圖5(a)是表示減壓爐11內(nèi)從金屬絲12的上方向爐底看時金屬絲12與熱板16之間的位置關(guān)系的圖，圖5(b)是從減壓爐的正面看時金屬絲12與熱板16之間的位置關(guān)系的圖。
圖6是表示用掃描電子顯微鏡觀察Ag基板在熱線式加熱工序前后的表面形態(tài)的結(jié)果的照片，圖6(a)是未實施熱線式加熱工序的未經(jīng)處理的Ag基板表面的照片，圖6(b)是熱線式加熱工序?qū)嵤┝?2分鐘后的Ag基板表面的照片，圖6 (c)是熱線式加熱工序?qū)嵤┝?10分鐘后的Ag基板表面的照片。
圖7是表示熱線式加熱工序前后Ag基板表面的硫化物變化的X射線光電子分光法分析結(jié)果的光譜圖。
圖8是表示熱線式加熱工序前后Ag基板表面的氯化物變化的X射線光電子分光法分析結(jié)果的光譜圖。
圖9是對實施例及比較例的芯片鍵合接合部的空隙率進行比較表示的圖。

【具體實施方式】
[0025]下面，參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進行說明。但本發(fā)明并不限于以下說明的實施方式。
[0026]本發(fā)明的一個實施方式涉及半導體裝置的制造方法。本實施方式的半導體裝置的制造方法包括:將包含至少一個被接合構(gòu)件和至少一個焊接材料的層疊體投入到具有金屬絲的減壓爐內(nèi)的準備工序；在所述準備工序之后對所述減壓爐內(nèi)進行真空排氣的一次減壓工序；在所述一次減壓工序之后將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負壓的氫氣氛，并對所述金屬絲進行加熱，從而產(chǎn)生原子狀氫的熱線式加熱工序；在所述熱線式加熱工序之后將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氛，并加熱至接合溫度使所述焊接材料熔融的加熱工序；以及在所述加熱工序之后，在保持于接合溫度的狀態(tài)下，將所述減壓鋁內(nèi)的氣氛再次設(shè)定為真空氣氛，從而去除焊錫熔融液中的氣泡的氣泡去除工序，該半導體裝置的制造方法還可任意地選擇包括以下工序:在所述氣泡去除工序之后，在保持于接合溫度的狀態(tài)下，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛再次設(shè)定為正壓的氫氣氛的再還原工序；在所述再還原工序之后，在保持于所述減壓爐內(nèi)的正壓的氫氣氛的狀態(tài)下，對所述層疊體進行急冷的冷卻工序；在所述冷卻工序之后對所述減壓爐內(nèi)進行真空排氣的二次減壓工序；以及在所述二次減壓工序之后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的惰性氣體氣氛，然后將所述減壓爐開放的工序。
[0027]在本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法中，成為制造對象的半導體裝置可以列舉例如IGBT模塊或IPM等功率模塊。尤其可以是具有由至少一個被接合構(gòu)件和至少一個焊接材料所組成的接合體的半導體裝置，典型的是具有在至少2個被接合構(gòu)件之間夾設(shè)有焊接材料的層疊結(jié)構(gòu)體的半導體裝置，更典型的是具有如下層疊結(jié)構(gòu)體的半導體裝置，該層疊結(jié)構(gòu)體是在具有金屬電路板的陶瓷等絕緣基板上焊接硅芯片等元件，將由此得到的結(jié)構(gòu)焊接到金屬基底上而得到的。
[0028]參照圖2，作為本發(fā)明的接合組裝對象的層疊體10典型的是在金屬基底I上隔著絕緣基板-金屬基底接合用焊接材料3而層疊絕緣基板2，再在該絕緣基板2上隔著硅芯片-絕緣基板接合用焊接材料5而層疊硅芯片4得到的。圖2中，以硅芯片為半導體元件的一個例子進行了說明，但本發(fā)明中成為接合對象的半導體元件并不限于硅芯片，還可以列舉SiC芯片、GaN芯片，但也不限于這些芯片。在以下的說明中，將圖2所示的層疊體10作為被接合構(gòu)件及焊接材料的一個例子進行說明，但本發(fā)明并不限于此。
[0029]構(gòu)成半導體元件的集電極面、金屬基底、以及絕緣基板的表面的典型被接合構(gòu)件(接合母材)可以列舉如金(Au)、銅(Cu)、銀(Ag)、鎳(Ni)和/或以這些元素中的一種以上元素為主要成分的合金，但并不限于這些情況。
[0030]作為典型的焊接材料，可以使用無鉛焊錫，優(yōu)選使用熔點約為190?290°C的無鉛焊錫，更優(yōu)選使用熔點約為210?290°C的無鉛焊錫。優(yōu)選的實施方式是使用熔點約為190?290°C的無鉛含Sn的焊錫。含Sn無鉛焊錫包括Sn焊錫、Sn-Ag類焊錫、Sn-Cu類焊錫、Sn-Sb類焊錫(熔點:約190?290°C )、Sn-Bi類(熔點:約270°C )等。更優(yōu)選的是Sn-Ag 類焊錫。Sn-Ag 類焊錫包括 Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-B1、Sn-Ag-Cu-B1、Sn-Ag-Cu-1n、Sn-Ag-Cu-S, Sn-Ag-Cu-N1-Ge 等。更優(yōu)選的是 Sn_3.5Ag-0.5Cu-0.1N1-0.05Ge 焊錫、或者Sn-3.5Ag-0.5Cu焊錫。同樣，Sn-Sb類焊錫也廣泛地應(yīng)用于功率器件的芯片鍵合接合。Sn-Sb 類焊錫包括 Sn_Sb、Sn-Sb-Ag> Sn-Sb-Ag-Cu> Sn-Sb-Ag-Cu-Ni 等。優(yōu)選的是Sn-5Sb、Sn-8Sb、Sn_13Sb、Sn-8Sb_3Ag、Sn-8Sb_3Ag-0.5Cu、Sn-8Sb_3Ag-0.5Cu_N1.03 ?0.07wt.%等。焊接材料可以是焊板，也可以是糊狀焊錫，其形態(tài)沒有任何限定。
[0031]下面，參照圖1來說明本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法中的各個工序。圖1是表示本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法中的溫度曲線、腔內(nèi)氣氛及壓力、金屬絲通電、以及處理動作的一個示例的時間表。
[0032]前期準備如圖2所示，將多個被接合構(gòu)件與焊接材料層疊，從而形成層疊體10。在準備工序中，將層疊體投入到具備金屬絲的減壓爐內(nèi)。將層疊體投入到減壓爐內(nèi)可以由合適的裝置來進行，也可以由人工進行。具體而言，如圖3所示，將該層疊體10載放到減壓爐11內(nèi)的傳送臺13上。傳送臺13可以在用于對層疊體10進行加熱的熱板16與用于對層疊體10進行冷卻的冷卻板15之間來回移動。
[0033]將層疊體10載放到傳送臺13上后，按照圖1所示的時間表開始進行焊接。在準備工序之后的對所述減壓爐內(nèi)進行真空排氣的一次減壓工序(時刻TO?Tl)中，先將減壓爐11密封，開始進行爐內(nèi)的減壓(時刻T0)。該排氣處理時，傳送臺13處于離開熱板16以及冷卻板15的待機狀態(tài)。在時刻TO?T8的所有工序中，優(yōu)選一邊調(diào)節(jié)減壓爐11內(nèi)的壓力，一邊持續(xù)地進行排氣。
[0034]在所述一次減壓工序之后，進行將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負壓的氫氣氛，對減壓爐內(nèi)的金屬絲進行加熱，從而產(chǎn)生原子狀氫的熱線式加熱工序(時刻Tl?T2)。這一工序也可以稱為在負壓的氫氣氛下利用原子狀氫將被接合構(gòu)件和焊接材料還原的一次還原工序。
[0035]本說明書中，負壓是指小于101.3X 13Pa的壓力。本說明書中，氫分子氣體是指氣體狀的氫分子，是為了與金屬絲12加熱而生成的原子狀氫進行區(qū)分而使用的。氫分子氣體的流量由例如質(zhì)量流量控制器等來控制。另外，本說明書中，減壓爐11內(nèi)的金屬絲12是能夠被加熱至1000°C以上、優(yōu)選為1500°C以上、更優(yōu)選為1600°C以上且優(yōu)選為2000°C以下的線狀金屬構(gòu)件，與氫分子氣體發(fā)生接觸分解反應(yīng)而能生成還原性的原子狀氫(也稱為氫原子)，例如可以使用鎢絲等。金屬絲12的詳細形態(tài)將在圖4所示的接合加熱裝置的說明中進行詳細描述。
[0036]在熱線式加熱工序中，當減壓爐11內(nèi)的真空度達到I?10Pa、例如5.7319Pa時，開始向減壓爐11內(nèi)導入氫分子氣體(時刻Tl)。而傳送臺移動到熱板16上方不會被熱板16直接加熱的位置。即，傳送臺移動到能夠確保金屬絲與層疊體的進行熱線式加熱時的合適的位置關(guān)系及距離的場所。當減壓爐11內(nèi)的壓力達到I?lOOPa、優(yōu)選為I?500a時，金屬絲12通電而被加熱。在圖1的時間表中，對金屬絲12進行通電的時刻或者能夠通電的時刻用“金屬絲通電”來表示。若金屬絲12的溫度達到例如1600°C時，則減壓爐11內(nèi)的氫分子氣體發(fā)生分解，變成具有高還原能力的原子狀氫的狀態(tài)。在其它實施方式中，也可以是傳送臺移動到熱板16上方被熱板16加熱的位置，由此來對層疊體10進行加熱，同時對金屬絲通電。
[0037]金屬絲12的優(yōu)選加熱溫度隨著構(gòu)成金屬絲12的金屬材料或合金材料的不同而不同，例如在金屬絲使用鎢的情況下，其加熱溫度可以設(shè)為1600?1800°C。對構(gòu)成層疊體10的各構(gòu)件表面進行還原處理所需的金屬絲12的加熱持續(xù)時間(從時刻Tl到時刻T2的時間)可以是例如10秒?5分鐘，優(yōu)選的是30秒?120秒。金屬絲12的優(yōu)選加熱時間也會隨著構(gòu)成金屬絲12的金屬材料或合金材料的不同而不同，例如在金屬絲使用鎢的情況下，其加熱時間可以設(shè)為30秒?120秒。此時金屬絲12與層疊體10之間的距離優(yōu)選為30?150mm,更優(yōu)選為50?100mm。通過將金屬絲12的加熱溫度、通電時間、以及金屬絲12與層疊體10之間的距離設(shè)定在恰當?shù)姆秶鷥?nèi)，能夠防止層疊體10被構(gòu)成金屬絲12的金屬材料污染等。
[0038]圖3中不意性地不出上述氫分子氣體(H2)和原子狀氫(H)。原子狀氫(H)不僅對于面向金屬絲12的層疊體10的上表面進行還原，還會移動到傳送臺12與層疊體10之間的接觸面和構(gòu)成層疊體的各構(gòu)件的接觸面，在這些面都能夠進行有效的還原。本發(fā)明中的熱線式加熱工序所產(chǎn)生的原子狀氫并不具備氫自由基所呈現(xiàn)出來的筆直前行的特性，其動作與粘性流體一樣，因此對于沒有被直接照射的面也能夠發(fā)揮表面改質(zhì)效果，這一點十分有利。這樣，通過金屬絲的通電可以促進層疊體10各構(gòu)件表面的還原，從而去除表面氧化物 1aUOb0
[0039]在此期間，控制氫分子氣體的流量，同時持續(xù)地對爐內(nèi)進行減壓(排氣)，以使減壓爐11內(nèi)的壓力保持在例如I?lOOPa、優(yōu)選為10?50Pa。從而，原子狀氫的還原反應(yīng)所生成且釋放到減壓爐內(nèi)的氣氛中的物質(zhì)、例如水或者屬于氫化合物的硫化氫、氯化氫等能夠排出到減壓爐11外部。另外，在金屬絲12的通電期間內(nèi)，熱板16也同時對構(gòu)成層疊體10的各構(gòu)件進行加熱，構(gòu)成層疊體10的焊接材料3、5的溫度雖然取決于不同的構(gòu)件，但都將達到約100?200°C。由此，在熱線式加熱工序中，能夠在比以往用氫分子氣體進行還原所需的溫度要低的溫度下實現(xiàn)還原的效果。另外，在熱線式加熱工序中，作為原子狀氫源而導入爐內(nèi)的氫分子氣體也可以用氨氣、四氟化碳、六氟化硫等含有鹵素的氣體來代替，或者也可以在氫分子氣體的基礎(chǔ)上加入氨氣、四氟化碳、六氟化硫等含有鹵素的氣體。
[0040]在時刻T2，金屬絲12的通電停止，金屬絲的加熱結(jié)束。傳送臺13移動到熱板16上方被熱板16加熱的位置。在熱線式加熱工序之后，進行將所述減壓爐內(nèi)變成正壓的氫氣氛，并加熱至接合溫度來使所述焊接材料熔融的加熱工序(時刻T2?T3)。這一工序也可以稱為在熱線式加熱工序之后，將所述減壓爐內(nèi)變?yōu)檎龎旱臍錃夥眨顾鰧盈B體的各構(gòu)件的至少被接合表面還原的二次還原工序。本說明書中，正壓是指大于101.3X 13Pa的壓力。在加熱工序中，向減壓爐11內(nèi)導入氫分子氣體，將爐內(nèi)變?yōu)檎龎旱臍錃夥?。層疊體10經(jīng)由傳送臺13而被加熱，并保持這一狀態(tài)直到達到目標接合溫度為止。圖1中時刻T3?T5期間的固定溫度表示接合溫度。升溫速度可以是每秒約I?30°C，優(yōu)選的是每秒約5?10。。。
[0041]這里，熱板16的溫度優(yōu)選為比焊錫的液相線溫度要高約25°C左右以上的溫度。例如，當硅芯片-絕緣基板接合用焊接材料5使用液相線溫度為221°C的Sn-3.5Ag焊錫，且絕緣基板-金屬基底接合用焊接材料3使用液相線溫度為243°C的Sn-8Sb焊錫時，考慮到熱板16的面內(nèi)偏差，熱板16的溫度可設(shè)為270?280°C。另外，例如當硅芯片-絕緣基板接合用焊接材料5使用液相線溫度為221°C的Sn-Ag類焊錫，且絕緣基板-金屬基底接合用焊接材料3使用液相線溫度為219°C的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊錫時，按照如上所述，熱板16的溫度為245?250°C。但是，鑒于氫分子的還原力的效果在250°C以上才能發(fā)揮，因此為了充分地發(fā)揮還原力，熱板16的加熱溫度優(yōu)選為290°C以上350°C以下。當半導體元件為SiC芯片時，熱板16的加熱溫度例如可以是290°C?500°C左右，但并不限定于特定的加熱溫度。
[0042]在達到目標接合溫度為止的升溫過程(時刻T2?T3)中，由于減壓爐11內(nèi)的壓力為正壓，因此，氫分子氣體很容易滲透到層疊體10的各構(gòu)件的間隙中，氫分子氣體的還原作用也得以施展。因此，能夠促進絕緣基板-金屬基底接合用焊接材料3、硅芯片-絕緣基板接合用焊接材料5、絕緣基板2和金屬基底I的各表面的還原，并確保被接合表面、進行例如引線接合的表面等的潤濕性。另外，各焊接材料3、5發(fā)生熔融，此時產(chǎn)生的氣泡中被氫分子氣體填充，從而使氣泡具有活性。即，氣泡中的氣體成分與氫發(fā)生置換，從而在之后的時刻T3?T5的氣泡去除工序和再還原工序中具有充分的活性。在焊接材料3、5熔融的期間內(nèi)，減壓爐11內(nèi)的氧濃度例如保持在30ppm以下，優(yōu)選為1ppm以下，且露點保持在_30°C以下，優(yōu)選為_50°C以下。
[0043]在所述加熱工序之后，實施氣泡去除工序(時刻T3?T4)，當構(gòu)成層疊體10的構(gòu)件達到目標接合溫度時，保持于接合溫度的狀態(tài)下，將所述減壓爐內(nèi)再次變成真空氣氛，從而去除焊錫熔融液中的氣泡。在氣泡去除工序中，再次開始對減壓爐11內(nèi)進行減壓(時刻T3)。然后，在減壓爐11內(nèi)的真空度達到例如1Pa之后，繼續(xù)減壓例如30秒?I分鐘。從而，減壓爐11內(nèi)的真空度達到約IPa。該減壓繼續(xù)進行，使得焊接材料與被接合構(gòu)件之間因潤濕不充分而產(chǎn)生的氣泡、以及焊接材料中含有的溶存氣體所產(chǎn)生的氣泡都基本被去除。這里，將減壓的持續(xù)時間(T3?T4)設(shè)為30秒?I分鐘是因為在進行急劇減壓等的情況下，液體中產(chǎn)生的氣泡會劇烈地排出到外部，此時，焊錫會像氣泡彈跳一樣飛散，有可能導致形成焊錫球飛散或焊錫向外周部飛散，并且還因為即使減壓持續(xù)超過I分鐘，也無法得到進一步的氣泡去除效果。
[0044]在時刻T3?T4的期間內(nèi)，也可以不向減壓爐11內(nèi)導入氫分子氣體，而單進行減壓?；蛘咭部梢栽跁r刻T3開始進行減壓后，一旦真空度降至例如I?1Pa左右就再次實施一次以上的熱線式加工工序直至時刻T4。即，向爐內(nèi)提供氫分子氣體，在爐內(nèi)壓力壓力達到I?lOOPa、優(yōu)選為10?50a后,使金屬絲12通電,利用原子狀氫進行還原處理。此時，在時刻T3?T4的期間內(nèi)，金屬絲12的通電可以僅進行一次，也可以將通電和停止通電作為一組動作，重復進行多組這樣的動作。即，可以斷續(xù)地重復進行一次以上的熱線式加熱工序，該熱線式加熱工序中，將減壓爐11內(nèi)變?yōu)樨搲旱臍錃夥眨饘俳z12進行加熱，從而產(chǎn)生原子狀氫。在通電和停止通電這一組動作重復進行的情況下，可以控制氫氣流量及爐內(nèi)壓力，以使在對金屬線12通電的時刻，爐內(nèi)壓力達到I?lOOPa，優(yōu)選為10?50Pa，而在通電停止的時刻，爐內(nèi)壓力接近真空，例如為I?10Pa。通電的時間可以是上述的10秒?5分鐘，而停止通電的時間優(yōu)選為30秒?120秒。在重復進行對金屬絲12的通電和停止通電的情況下，重復次數(shù)優(yōu)選為2?5次，并不限定于特定的次數(shù)。圖1中，時刻T3?T4的“金屬絲通電”并不是說在該區(qū)間內(nèi)必須持續(xù)地通電，而是指在該區(qū)間能夠進行通電。
[0045]在所述氣泡去除工序之后，實施再還原工序(時刻T4?T5)，在該再還原工序中，在保持于接合溫度的狀態(tài)下，并再次使所述減壓爐內(nèi)變?yōu)檎龎旱臍錃夥铡＿@一工序是在時刻Tl?T2中利用原子狀氫進行的一次還原工序、及時刻T2?T3中利用氫分子氣體進行的二次還原工序之后的還原工序，也稱為三次還原工序。在再還原工序中，首先向爐內(nèi)導入氫分子氣體(時刻T4)。在減壓爐11內(nèi)的壓力達到正壓之后，繼續(xù)導入氫分子氣體并持續(xù)30秒?I分鐘以上5分鐘左右(T4?T5)。但是，該時間會隨著加熱對象層疊體的尺寸而發(fā)生變化，并不限于上述時間。繼續(xù)導入氫分子氣體的理由是當上述那樣繼續(xù)減壓I分鐘時，因焊接材料3、5中的氣泡被去除到焊接材料3、5外部而殘留在焊接材料3、5中的溝道狀的孔(氣泡通過后留下的痕跡)會因氫分子氣體的還原作用而發(fā)生堵塞。即，由于焊接材料3、5中的氣泡內(nèi)充滿了氧化成分的氣體，所以該氣泡通過時接觸到的焊錫部分會被氧化。因此，氣泡通過部分的焊錫有可能不會被浸潤，而是殘留溝道狀的開放型氣泡。通過在時刻T4?T5中實施再還原工序,使該開放型氣泡中充滿氫分子氣體，從而將氧化的內(nèi)表面還原，提高焊錫的潤濕性，使開放型氣泡被焊錫掩埋。
[0046]繼續(xù)導入氫分子氣體的另一個理由是氫分子氣體進行的還原和熱板16進行的繼續(xù)加熱能夠減小焊接材料5的表面張力，從而能夠使焊錫倒角形狀穩(wěn)定，延長焊錫發(fā)生龜裂的壽命。如果不繼續(xù)導入氫分子氣體、爐內(nèi)減壓后立即開始冷卻從而使焊接材料凝固，則由于焊接材料的表面張力較大，所以焊錫倒角形狀將變得不均勻，因溫度周期等而可能導致焊錫發(fā)生龜裂的壽命變短。為了減小焊接材料5的表面張力，可以在時刻T4?T5，在接合溫度下繼續(xù)對焊接材料進行加熱，或者延長焊接材料5暴露在氫分子氣體中的時間，或者將這兩者結(jié)合起來進行。但是，如果導入氫分子氣體持續(xù)超過I分鐘，則對氣泡通過而留下的痕跡的孔進行填埋的效果、焊錫倒角形狀的穩(wěn)定化效果基本沒有什么變化，因此導入氫分子氣體的持續(xù)時間優(yōu)選為30秒?I分鐘。
[0047]本發(fā)明的一個實施方式中，所述熱線式加熱工序到加熱工序(Tl?T3)為止的處理也可以重復進行多次。即，可以將上述時刻Tl?T3的操作作為一個周期，Tl?T3可以重復進行多個周期，例如2?5個周期。通過重復進行多個周期的Tl?T3，能夠在焊錫熔融前有效地對金屬表面進行改質(zhì)。
[0048]或者，也可以不重復進行上述時刻Tl?T3的操作，而重復進行多次T3?T5的氣泡去除工序和再還原工序，或者還可以在重復進行Tl?T3的操作的同時，重復進行多次T3?T5的氣泡去除工序和再還原工序。例如，在要接合大面積基板的情況下，或者難以去除氣泡的情況下，將T3?T5的氣泡去除工序和再還原工序的操作作為一個周期，T3?T5可以重復進行多個周期，例如2?5個周期。這是因為，通過這樣反復地進行減壓和加壓，熔融狀態(tài)下的焊錫會發(fā)生擺動，使得氣泡容易去除，因此能夠得到去除氣泡的效果。在氣泡去除工序的重復次數(shù)增加到5次為止，氣泡率會隨著次數(shù)增加而減小,但如果重復6個周期以上，很多情況下將無法得到進一步的效果。
在這些重復操作的基礎(chǔ)上，也可以實現(xiàn)Tl?T5重復進行多次的結(jié)構(gòu)。
[0049]再還原工序之后，實施冷卻工序，在該冷卻工序中，將減壓爐11內(nèi)的氣氛保持于正壓的氫氣氛的狀態(tài)下，對層疊體10進行急冷(時刻T5?T6)。在冷卻工序中，傳送臺13從熱板16移動到冷卻板15上，開始對層疊體10進行冷卻(時刻T5)。層疊體10例如以每分鐘300°C的速度冷卻。此時,爐內(nèi)維持在正壓的氫氣氛。
[0050]冷卻板15的溫度和冷卻時間通過考慮焊錫的冷卻速度(凝固速度)而選定。即，本實施方式中，由于同時對熱膨脹系數(shù)不同的硅芯片4、絕緣基板2、金屬基底I進行焊接，因此，在焊接結(jié)束的狀態(tài)下，熱膨脹系數(shù)最大的金屬基底I有可能向絕緣基板2—側(cè)彎曲而呈凸狀。在這一影響下，經(jīng)由焊錫接合層接合的層疊體10中會產(chǎn)生最大0.3mm左右的彎曲。若彎曲延續(xù)到接下來的引線接合工序，則會導致電學特性不佳，因此需要在引線接合工序之前消除彎曲。為此，只要使絕緣基板2與金屬基底I之間的焊錫接合層在短時間內(nèi)蠕變即可。
[0051]為了加速蠕變速度，冷卻速度優(yōu)選為每分鐘250°C以上，例如每分鐘300°C。在本 申請人:提出的日本專利特開2003-297860號公報中，記載了當冷卻速度在每分鐘250°C以上時，金屬基底I的彎曲會在24小時內(nèi)收斂至O?-0.1mm的范圍內(nèi)(表示向絕緣基板2 —側(cè)突起)，從而能夠消除對引線接合造成的不良影響。換言之，若冷卻速度小于每分鐘250°C，金屬基底I的彎曲就無法充分恢復，有可能給引線接合帶來不良影響。另外，若加速焊錫的蠕變而盡可能地在前面的工序中去除接合后的層疊體10的殘留應(yīng)力，則能夠使金屬基底I的變形穩(wěn)定。因此，冷卻板15的溫度和冷卻時間被選定為使焊錫的冷卻速度達到每分鐘250°C以上。
[0052]在所述冷卻工序之后，實施對所述減壓爐內(nèi)進行真空排氣的二次減壓工序(時刻T6?T7)。在二次減壓工序中，當層疊體10的溫度達到例如50?60°C時，開始對減壓爐11內(nèi)的氫氣進行排氣(時刻T6)。
[0053]在所述二次減壓工序之后，實施將所述減壓爐內(nèi)變?yōu)檎龎旱牡獨夥?，然后將所述減壓爐開放的工序(時刻T7?T8)。這一工序中，當通過氫氣的排氣使減壓爐11內(nèi)的真空度達到例如I?1Pa時，向減壓爐11內(nèi)導入氮氣(時刻T7)。然后，減壓爐11內(nèi)被替換成氮氣，在爐內(nèi)的氫濃度達到爆炸極限以下之后，將減壓爐11開放(時刻T8)。圖1的時刻TO?T8的一系列操作雖然也包括了重復工序的次數(shù)，但基本上能夠在15分鐘內(nèi)結(jié)束。通過這樣一系列的操作，能夠得到具有無氣泡且高質(zhì)量的焊錫接合層的半導體裝置。這里，以氮氣氛為例進行了說明，但并不限于氮氣，也可以使用任意的惰性氣體來作為惰性氣體氣氛。
[0054]此外，例如硅芯片4等元件的尺寸在5mm四邊形(角)以下的情況下，硅芯片-絕緣基板接合用焊接材料5的尺寸也在5mm角以下。這樣,如果娃芯片和焊接材料的尺寸非常小，有可能導致焊接之前的準備需要花費時間，或者硅芯片4與焊接材料5的對位不夠好，發(fā)生接合不良。因此，在要焊接上述尺寸的硅芯片4的情況下，優(yōu)選實施與上述相同的方法來進行預焊接，在硅芯片4的背面、例如集電極面上預先設(shè)置硅芯片-絕緣基板用焊錫5。尤其是焊接材料使用的是以容易氧化的Sn為主要成分且不含Pb的焊錫時，由于減壓爐11內(nèi)的氧濃度為數(shù)十PPm以下的極低氧氣氛，因此能夠盡可能地減少預焊接之后的焊錫表面氧化膜。同樣，利用本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法，利用通過預焊接在硅芯片4的背面設(shè)置的焊錫，能夠?qū)⒐栊酒?焊接到絕緣基板2上。預焊接并不僅僅是能夠?qū)ι鲜鲂〕叽绲墓栊酒?等元件進行的處理，也可以對更大尺寸的硅芯片4等元件等任意元件進行，在這種情況下，也能夠有效地應(yīng)用本發(fā)明的半導體裝置的制造方法。
[0055]接著，說明可以使用本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法的接合組裝裝置。圖4中示出接合組裝裝置的一個示例的概要圖。圖4所示的接合組裝裝置在減壓爐11內(nèi)主要包括金屬絲12、傳送臺13、冷卻板15和熱板16。
[0056]減壓爐11主要由爐本體110和蓋體111構(gòu)成，蓋體111隔著密封墊112覆蓋爐本體，保持爐內(nèi)部的氣密狀態(tài)。減壓爐11中設(shè)有用于向爐內(nèi)提供氫分子氣體a的氫分子氣體導入管17、用于向爐內(nèi)提供氮氣b等惰性氣體的惰性氣體導入管18、以及排氣口 113。在爐本體110的底部，分開地設(shè)有熱板16和冷卻板15。傳送臺13通過傳送軌道14能夠在熱板16和冷卻板15之間來回移動。傳送臺13還能通過未圖示的其它機構(gòu)沿豎直方向上下移動。
[0057]減壓爐11內(nèi)的上部、優(yōu)選為構(gòu)成蓋體111的減壓爐11的頂部在熱板16的上方安裝金屬絲12。金屬絲12與通過對金屬絲12通電來進行加熱的加熱單元、即爐外未圖示的交流或直流供電源相連接。該交流或直流供電源優(yōu)選將具有調(diào)節(jié)提供給金屬絲12的供電的功能的電源裝置設(shè)置在減壓爐11的外部。此時，金屬絲12的周圍由耐熱性的構(gòu)件構(gòu)成，且確保其絕緣性。這是因為金屬絲12的周圍將達到非常高的溫度，且還要向其施加電流和電壓。金屬絲12的安裝位置只要將金屬絲安裝在后文所述的規(guī)定部位即可，并不一定要安裝在減壓爐11的頂部，也可以安裝在減壓爐11的側(cè)壁部，還可以從減壓爐11的底部用恰當?shù)难b置進行支承。此外，由于金屬絲12會因受熱或氧化而劣化，所以優(yōu)選將金屬絲12以可更換的方式安裝在減壓爐11中。
[0058]金屬絲12是能夠加熱到1000°C以上、優(yōu)選為1500°C以上、更優(yōu)選為1600°C以上且2000°C以下的線狀金屬構(gòu)件，通過與氫分分子氣的接觸分解反應(yīng)，能夠生成還原性的原子狀氫。金屬絲12可以反復使用多次，例如可以反復使用約1000次左右，但反復使用的次數(shù)并不限定于特定的次數(shù)。構(gòu)成金屬絲的材料例如可以是鎢、鉭、鑰、釩、鉬、釷、鋯、釔、鉿、鈀、鎳、錸或以這些元素的其中一個元素為主要成分的合金，優(yōu)選使用鎢，但只要具有上述功能即可，并不限定于特定的金屬。
[0059]金屬絲12可以使用直徑為例如0.1?1mm、優(yōu)選為0.3?0.8mm的金屬絲，但并不限于上述直徑。金屬絲12可以是單線，但也可以是2根以上的金屬絲組合而成的復線，還可以是單線或復線的金屬絲12分別設(shè)置多根。另外，上述單線或復線的金屬絲12可以是鋸齒形(Z字形、U字形)、螺旋狀(漩渦狀)、網(wǎng)格狀、柵格狀、或這些形狀適當組合后得到的形狀。雖然并不限定于特定的形狀，但優(yōu)選為使金屬絲的表面積增大的形狀。這是為了增大氫分子氣體與金屬絲12的接觸面積，從而能夠生成更多的還原性原子狀氫。
[0060]另外，關(guān)于金屬絲12的安裝位置，當傳送臺13位于位置B時，載放在傳送臺13上的層疊體10與金屬絲12在豎直方向上的距離優(yōu)選為150mm以內(nèi)且30mm以上，更優(yōu)選的是50?100mm。層疊體10與金屬絲12在豎直方向上的距離是指在后述那樣層疊體10和金屬絲12均勻設(shè)置的位置關(guān)系下，金屬絲12的直徑中心與進行加熱接合的層疊體10的上表面之間的距離。另外，層疊體10與金屬絲12在豎直方向上的距離可以由傳送臺13的豎直方向上下的調(diào)節(jié)機構(gòu)來進行調(diào)節(jié)。尤其是因金屬絲12產(chǎn)生的氫分子氣體的分解活性、構(gòu)成層疊體10的焊錫的溫度可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員來適當?shù)卣{(diào)節(jié)，以確保后文所述的恰當條件。
[0061]減壓爐11內(nèi)，當傳送臺13位于位置B或位置C時，金屬絲12與接合對象層疊體10之間的距離優(yōu)選為均勻的位置關(guān)系。這是因為，如果金屬絲12與層疊體10之間的距離不均勻，則由于金屬絲12會被加熱至高溫，對層疊體10所輻射的熱量會影響層疊體10，從而有可能伴隨層疊體10的溫度上升。另外，減壓爐11內(nèi)金屬絲12與熱板16在水平方向上的位置關(guān)系優(yōu)選為在覆蓋了接合對象層疊體10的整個形狀的范圍內(nèi)無偏倚地設(shè)置金屬絲，更優(yōu)選為設(shè)置在覆蓋熱板16的整個表面的范圍內(nèi)。這是因為，與金屬絲接觸而分解的氫分子氣體會在金屬絲的所有方位呈放射狀的產(chǎn)生，但會隨著距離而發(fā)生衰減。圖5(a)是表示減壓爐11內(nèi)從金屬絲12上方看爐底方向時金屬絲12與熱板16的優(yōu)選位置關(guān)系的圖，圖5(b)是從減壓爐的正面看時金屬絲12與熱板16的優(yōu)選位置關(guān)系的圖。為了避免圖面過于復雜，省略了傳送臺13的記載。另外，金屬絲12與熱板16的關(guān)系未必限定于這一方式，例如只要設(shè)置在至少覆蓋接合對象層疊體10的整個表面的范圍內(nèi)即可。
[0062]圖示的實施方式中，金屬絲12僅僅安裝在熱板16的上方，但也可以在此基礎(chǔ)上包圍熱板16的四周，優(yōu)選的是將金屬絲12安裝成垂直于熱板16的加熱面且平行于減壓爐11的側(cè)壁。在這種情況下，通過確保金屬絲12與層疊體10的距離在上述恰當?shù)木嚯x范圍內(nèi)，也能夠獲得原子狀氫的還原效果。
[0063]冷卻板15只要至少具有冷卻面，且具有能夠調(diào)節(jié)冷卻溫度和速度的任意冷卻機構(gòu)即可，可以使用在典型的焊接裝置中常用的冷卻板。冷卻板15例如可以與爐外用于使冷卻板15的冷卻水d循環(huán)的制冷機20相連接。這種情況下，優(yōu)選在爐本體110的底部在冷卻板15的下方設(shè)置用于冷卻水循環(huán)的未圖示的出入口。冷卻板15也可以用其他機構(gòu)來冷卻層疊體。另外，熱板16只要至少具有加熱面，且具有能夠調(diào)節(jié)加熱溫度和速度的任意加熱機構(gòu)即可，可以使用在典型的焊接裝置中常用的熱板。例如，熱板16可以是隔著傳送臺13能夠?qū)盈B體10加熱到常溫?400°C范圍的加熱器等。
[0064]冷卻板15與熱板16在減壓爐11的底部分開設(shè)置。冷卻板15與熱板16優(yōu)選為隔開例如1mm?50mm左右的距離設(shè)置。冷卻板15的冷卻面與熱板16的加熱面優(yōu)選為設(shè)置在距離減壓爐11內(nèi)的底部大致同一高度的位置。另外，冷卻面15的冷卻面與熱板16的加熱面優(yōu)選為具有大致相同的面積。在圖示的實施方式中，冷卻板15和熱板16分別從減壓爐11內(nèi)的底部間隔開來設(shè)置。這是為了避免熱量從冷卻板15、熱板16向爐本體移動，從而進行高效的冷卻或加熱。但也可以設(shè)置合適的隔熱構(gòu)件，使冷卻部15、熱板16與減壓爐11內(nèi)的底部接觸設(shè)置，從而替代上述結(jié)構(gòu)。
[0065]作為未圖示的任意選擇性結(jié)構(gòu)，也可以在冷卻板15與熱板16之間設(shè)置起到隔熱壁功能的隔板。另外，也可以在熱板16的外周設(shè)置隔熱壁。通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠消除熱板16與冷卻板15相接近的區(qū)域中溫度不均勻的部分。這樣的結(jié)構(gòu)能夠起到保溫效果。
[0066]傳送臺13在本發(fā)明方法的各工序之間保持層疊體10，起到層疊體10的移動單元的功能。傳送臺13及其驅(qū)動機構(gòu)可以是典型的焊接裝置中常用的傳送臺。傳送臺13通過傳送軌道14可以在熱板16與冷卻板15之間沿水平方向移動。S卩，能夠在圖4中的左右方向上移動，能夠在位置A、B之間、位置C、D之間移動。另外，也可以通過未圖示的機構(gòu)在豎直方向上移動，從而能夠在位置A、B、C、D之間移動。S卩，也可以在圖4中的上下方向移動。傳送臺13在豎直方向上的可動范圍優(yōu)選為O?50mm。另外,該可動范圍優(yōu)選為能夠使金屬絲12與傳送臺13在豎直方向上的距離在30mm?150mm、優(yōu)選為50?10mm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。傳送臺13優(yōu)選在其上安裝能夠裝卸的均熱板(未圖示)。均熱板只要能夠保持接合對象層疊體10來實現(xiàn)均熱化即可，例如可以使用由2?3_的碳板構(gòu)成的均熱板。
[0067]氫分子氣體導入管17和惰性氣體導入管18安裝在減壓爐本體111上。氫分子氣體導入管17和惰性氣體導入管18分別與爐外未圖示的氫分子氣體供給源和惰性氣體供給源相連接，向減壓爐11內(nèi)供給氫分子氣體導入管17和惰性氣體導入管18。氫分子氣體導入管17不僅能夠?qū)霘浞肿託怏w，有時還可以實現(xiàn)將其他可生成活性種的氣體單獨地或者與氫分子氣體一起導入的功能。這里，可生成活性種的氣體是指能夠與金屬絲12接觸分解，從而生成具有高還原性且具有不成對電子的元素的氣體，例如可以列舉氨氣、四氟化碳、六氟化硫等含有鹵素的氣體等，但并不限于這些氣體?；蛘撸部梢粤硗庠O(shè)置將其他可生成活性種的氣體導入到減壓爐11內(nèi)的未圖示的其它管道。另外，惰性氣體導入管18以氮氣導入管為代表，但也可以導入其它惰性氣體。
[0068]氫分子氣體導入管17設(shè)置成噴射部位于金屬絲12的上方、即蓋體111與金屬絲12之間。為了避免圖示過于復雜，雖然省略了圖示，但氫分子氣體導入管的噴射部將配管設(shè)置在能夠無死角地向整根金屬絲噴射氫分子氣體的范圍內(nèi)，并將噴射孔設(shè)置在朝向金屬絲的方向上。在圖4所示的方式中，具體而言，將噴射孔設(shè)置在朝向正下方的方向上。噴射出的氫分子氣體能夠穿過金屬絲12，在這一過程中分解成原子狀氫，然后到達層疊體10。另一方面，惰性氣體導入管18只要向爐11內(nèi)大致均勻地導入氮氣等惰性氣體，能夠替換爐內(nèi)氣氛即可，并不限定于特定的方式。
[0069]減壓爐11只要是內(nèi)部能夠承受真空，且能夠保持氣密性的爐體即可，其容量等沒有限定。其內(nèi)部優(yōu)選為由不易被原子狀氫或其他活性種劣化的材料，例如可以由SUS304或SUS316等不銹鋼、或者實施了表面處理的不銹鋼及鋁合金構(gòu)成。減壓爐11的排氣口 113除了用于對爐內(nèi)抽真空以外，還成為爐內(nèi)由層疊體10的構(gòu)成構(gòu)件因還原而生成的含氧化合物、含有硫化物、氯化物等的含氫化合物等的排出口。排氣口 113與真空泵等減壓裝置30相連接。
[0070]減壓爐11內(nèi)也可以進一步設(shè)置未圖示的壓力測定裝置及/或溫度測定裝置。通過使用壓力測定裝置來監(jiān)測爐內(nèi)全壓及任意選擇的氫分壓，并且/或者用溫度測定裝置來監(jiān)測構(gòu)成層疊體10的構(gòu)件或金屬絲12的溫度，從而能夠調(diào)節(jié)減壓爐11內(nèi)部的反應(yīng)。
[0071]本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法在由圖4所示的接合組裝裝置實施的情況下，圖1的時刻TO?Tl中傳送臺13位于位置A，在時刻Tl，傳送臺13從位置A傳送到位置B。然后，在時刻T2從位置B傳送到位置C。之后，在時刻T5之前，傳送臺13都位于位置C。在時刻T5再次開始傳送，到時刻T8，傳送臺13位于位置D。在不同的實施方式中，傳送臺13也可以在時刻Tl從位置A傳送到位置C。
[0072]本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法不一定要使用上述接合組裝裝置，只要是本領(lǐng)域技術(shù)人員，就可以按照本說明書的記載，構(gòu)建不同方式的裝置來實施上述方法。例如，也可以采用圖4的減壓爐的蓋體部與底部位置顛倒的接合組裝裝置，在此情況下，也可以是如下方式:氫分子氣體從底部流入，安裝在爐底部的金屬絲產(chǎn)生原子狀氫，從而對位于其上方的層疊體進行還原。此時，傳送臺可以從上方支承層疊體，冷卻板和熱板從上方對層疊體進行加熱。
【實施例】
[0073]下面，用實施例對本發(fā)明詳細說明。下面的實施例的目的在于例示本發(fā)明，并不是限定本發(fā)明。
[0074]【參考例】
本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法中，對Cu陶瓷基板實施熱線加工工序，即實施圖1的時間表所示的時刻TO?T2。這里，Cu陶瓷基板是指在陶瓷基板的表面形成有Cu層作為電極層(被接合構(gòu)件的層)的絕緣基板。Tl?T2之間的減壓條件為10?3Pa，氣體種類為氫分子氣體(H2氣體)100%，氫分子氣體流量為50sccm(8.335X 10_2Pa.m3/sec)。金屬絲使用直徑0.5mm、長90cm的鋸齒狀鎢絲。施加在金屬絲上的電流為12.4A，金屬絲加熱溫度為1600°C，金屬絲與Cu陶瓷基板之間的距離為50mm。熱線式加熱工序的結(jié)果是去除了厚度1nm的Cu氧化物，并且確認了未被直接照射的背面的氧化物也同樣被還原。
[0075]對Ag基板也進行同樣的實驗。本說明書中，Ag基板是指以娃為基底材料，以Ag為表面電極的元件。金屬絲加熱時間在2分鐘和10分鐘之間變化來實施熱線式加熱工序。圖6是用電場輻射型掃描電子顯微鏡觀察Ag基板表面后得到的結(jié)果。圖6(a)是未經(jīng)處理(金屬絲加熱時間為O)的情況，圖6(b)是加熱2分鐘的情況下表面形態(tài)并未發(fā)生變化，圖6(c)是加熱10分鐘的情況下表面的顆粒形狀消失而產(chǎn)生多個空洞?？斩吹漠a(chǎn)生表示因表面改質(zhì)而成膜的顆粒狀堆積物即Ag的膜再次結(jié)晶。在熱線式加熱工序中，Ag基板的溫度為100°C左右，與一般被稱為Ag的再結(jié)晶溫度的約是熔點的1/2的480°C相差很遠。因此，這一結(jié)果表示熱線式加熱工序中產(chǎn)生的原子狀氫對Ag顆粒進行了表面改質(zhì)。
[0076]圖7、8表示用ESCA (X射線光電子分光法)對同樣實施了熱線式加熱工序的樣品進行表面分析來確認最表面有無還原等的調(diào)查結(jié)果。ESCA具有0.5nm左右的分辨率。置于大氣氣氛下的Ag的最表面具有硫化銀(Ag2S)、氯化銀(AgCl)為主要構(gòu)成元素，通過對其進行熱線式加熱，在2分鐘后確認沒有發(fā)現(xiàn)S、Cl的光譜，因此確認沒有來自于硫化銀或氯化銀的S或Cl，加熱10分鐘后也得到同樣的效果。通過所述實驗確認了加熱2分鐘以上就能夠發(fā)揮表面改質(zhì)的效果，但認為I分鐘以上就能發(fā)揮該效果。
[0077]【實施例】
按照本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法，制造具有芯片鍵合接合部的層疊體，并評價其接合特性。金屬絲的規(guī)格、施加電流、加熱溫度、以及金屬絲與接合體之間的距離與參考例的相同。另外，Tl?T2間的減壓條件、氣體種類、氫分子氣體流量也與參考例的相同。在25_X35_的Cu陶瓷基板上層疊Φ9.5X0.15mm的Sn_Ag3.5wt %焊錫、和9.5πιπιΧ150μπι的具有Ag電極的Si芯片，并投入到減壓爐中。在加熱前，減壓2分鐘至1Pa0接著，在減壓爐內(nèi)流過氫分子氣體，將爐內(nèi)氣氛替換成101.3kPa(大氣壓)的氫氣氛的狀態(tài)下，保持在300?310°C達6分鐘。在保持300?310°C的期間，減壓至50Pa，與氫發(fā)生置換，從而按照再還原的溫度曲線進行接合。
[0078]【比較例】
比較例中，除了不實施熱線式加熱工序，其他與上述實施例相同地制造具有芯片鍵合接合部的層疊體。
[0079]鍵合接合部的空隙率由超聲波探傷裝置來測定空隙率，將空隙的總占有面積與芯片面積之比作為空隙率，并對其進行計數(shù)。圖9中示出將比較例的平均值設(shè)為I的歸一值。提供測試的樣品數(shù)為20個，曲線圖中示出了 20個的平均值和最大、最小值。曲線中使用的是處理前在大氣中存放了 6個月的硫化物、氯化物經(jīng)ESCA分析后確認污染了約2.0at.%左右的樣品。經(jīng)處理后，ESCA分析發(fā)現(xiàn)它們在檢測極限以下，確認表面得到了改質(zhì)。
工業(yè)上的實用性
[0080]本發(fā)明所涉及的半導體裝置的制造方法能夠適用于IGBT模塊、IPM等功率模塊的制造。
標號說明
[0081]I 金屬基底
2絕緣基板
3絕緣基板-金屬基底接合用焊接材料
4硅芯片
5硅芯片-絕緣基板接合用焊接材料
10層疊體
1aUOb層疊體的表面氧化物
11減壓爐
110爐本體
111蓋體 112密封墊 113排氣口
12金屬絲
13傳送臺
14傳送軌道
15冷卻板
16熱板
17氫分子氣體導入管
18惰性氣體導入管 20 制冷機
30 減壓裝置a氫分子氣體
b惰性氣體
c廢氣
d冷卻水
【權(quán)利要求】
1.一種半導體裝置的制造方法，其特征在于，包括: 將包含至少一個被接合構(gòu)件和至少一個焊接材料的層疊體投入到具備金屬絲的減壓爐內(nèi)的準備工序； 在所述準備工序之后對所述減壓爐內(nèi)進行真空排氣的一次減壓工序； 在所述一次減壓工序之后將所述減壓爐內(nèi)設(shè)定為負壓的氫氣氛，并對所述金屬絲進行加熱從而產(chǎn)生原子狀氫的熱線式加熱工序； 在所述熱線式加熱工序之后將所述減壓爐內(nèi)設(shè)定為正壓的氫氣氛，并加熱至接合溫度以使所述焊接材料熔融的加熱工序；以及 在所述加熱工序之后，在保持于接合溫度的狀態(tài)下，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛再次設(shè)定為真空氣氛來去除焊錫熔融液中的氣泡的氣泡去除工序。
2.如權(quán)利要求1所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 在所述氣泡去除工序中，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負壓的氫氣氛并對所述金屬絲進行加熱從而產(chǎn)生原子狀氫的熱線式加熱工序斷續(xù)地重復進行一次以上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 在所述熱線式加熱工序中，將金屬絲加熱到1500°C以上且2000°C以下。
4.如權(quán)利要求1至3的任一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 所述熱線式加熱工序?qū)嵤?0秒?5分鐘。
5.如權(quán)利要求1至4的任一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 在所述熱線式加熱工序中，所述負壓的氫氣氛為I?10Pa的氫氣氛。
6.如權(quán)利要求1至5的任一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 在所述熱線式加熱工序中，所述金屬絲與所述層疊體之間的距離為30?150mm。
7.如權(quán)利要求1至6的任一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 在所述熱線式加熱工序中，將所述氫分子氣體提供至減壓爐內(nèi)，使得氫分子氣體在與所述金屬絲接觸后，被提供至所述層疊體。
8.如權(quán)利要求1至7的任一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 在所述氣泡去除工序之后還包括再還原工序，在該再還原工序中，在保持于接合溫度的狀態(tài)下，并再次將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氛。
9.如權(quán)利要求8所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 在所述再還原工序之后還包括冷卻工序，在該冷卻工序中，在將所述減壓爐內(nèi)的氣氛保持于正壓的氫氣氛的狀態(tài)下，對所述層疊體進行急冷。
10.如權(quán)利要求9所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，還包括: 在所述冷卻工序后對所述減壓爐內(nèi)進行真空排氣的二次減壓工序；以及 在所述二次減壓工序之后將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的惰性氣體氣氛，然后將所述減壓爐開放的工序。
11.如權(quán)利要求1至10的任一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 所述熱線式加熱工序到所述加熱工序為止的處理重復進行多次。
12.如權(quán)利要求1至11的任一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 所述氣泡去除工序到再還原工序為止的處理重復進行多次。
13.如權(quán)利要求1至12的任一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 所述層疊體是在至少兩個被接合構(gòu)件之間夾設(shè)有焊接材料的層疊體。
14.如權(quán)利要求1至13的任一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 所述焊接材料為Sn-Ag類焊錫或Sn-Sb-Ag類焊錫，所述被接合構(gòu)件的被接合表面為Ag。
15.如權(quán)利要求1至14的任一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 所述半導體裝置為絕緣柵雙極型晶體管半導體模塊。
16.一種半導體裝置的制造方法，去特征在于，包括: 將包含有接合面為Ag的至少一個被接合構(gòu)件、以及Sn-Ag類焊錫和Sn-Sb-Ag類焊錫中的至少一個焊接材料的層疊體投入到具備金屬絲的減壓爐內(nèi)的工序；以及 將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負壓的氫氣氛，并對所述金屬絲進行加熱，從而產(chǎn)生原子狀氫，來使所述被接合構(gòu)件和所述焊接材料還原的工序。
【文檔編號】H01L21/60GK104517865SQ201410386288
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】渡邊裕彥, 齋藤俊介, 小野真裕, 渡邊孝志, 佐野真二, 大西一永 申請人:富士電機株式會社