JP6554788B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法及びこれに用いられる接合組立装置に関する。本発明は、特には、従来よりも高品質で信頼性の高いはんだ接合層を備える半導体装置を製造することができる半導体装置の製造方法及びかかる方法に用いられる、メンテナンス性に優れた接合組立装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device and a joining / assembling apparatus used therefor. In particular, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device capable of manufacturing a semiconductor device having a solder bonding layer with higher quality and higher reliability than the conventional one, and a bonding assembly apparatus with excellent maintainability used in such a method. About.

従来、電力用半導体装置を製造する方法として、主に次の３つの方法が実施されている。第一の方法では、まず還元雰囲気の連続炉（トンネル炉）を用いて、予備はんだをおこない、シリコンチップの裏面電極上にはんだを設ける。つづいて、そのはんだを介して絶縁基板にシリコンチップをはんだ付けする。その後、ワイヤボンディングをおこなう。そして、絶縁基板上にシリコンチップをはんだ付けしたものを、大気中でフラックスを用いて、銅などでできた金属ベースにはんだ付けする。第二の方法では、還元雰囲気の連続炉を用いて、シリコンチップと絶縁基板とをはんだ付けする。その後、ワイヤボンディングをおこなう。そして、絶縁基板上にシリコンチップをはんだ付けしたものを、還元雰囲気の連続炉を用いて金属ベースにはんだ付けする。第三の方法では、不活性雰囲気の減圧炉を用いて、シリコンチップと絶縁基板と金属ベースとをフラックス入りはんだを介してはんだ付けする。その後、ワイヤボンディングをおこなう。   Conventionally, the following three methods are mainly performed as a method of manufacturing a power semiconductor device. In the first method, first, preliminary soldering is performed using a continuous furnace (tunnel furnace) in a reducing atmosphere, and solder is provided on the back electrode of the silicon chip. Subsequently, a silicon chip is soldered to the insulating substrate through the solder. Thereafter, wire bonding is performed. Then, a silicon chip soldered on an insulating substrate is soldered to a metal base made of copper or the like using a flux in the atmosphere. In the second method, the silicon chip and the insulating substrate are soldered using a continuous furnace in a reducing atmosphere. Thereafter, wire bonding is performed. Then, a silicon chip soldered on an insulating substrate is soldered to a metal base using a continuous furnace in a reducing atmosphere. In the third method, a silicon chip, an insulating substrate, and a metal base are soldered via flux-cored solder using a vacuum furnace in an inert atmosphere. Thereafter, wire bonding is performed.

ところで、パワーモジュールなどの電力用半導体装置では、大電流が流れるため、シリコンチップの発熱量は数十〜数千ワットと非常に大きい。そのため、電力用半導体装置には、優れた熱放散特性が要求される。しかし、シリコンチップと絶縁基板との間のはんだ接合層や、絶縁基板と金属ベースとの間のはんだ接合層に気泡（ボイド）が存在すると、これらの気泡は熱放散を妨げるため、熱放散特性の著しい低下をもたらし、半導体装置の破壊を招く原因となる。したがって、はんだ接合層中に気泡をできるだけ存在させないことが重要である。   By the way, in a power semiconductor device such as a power module, since a large current flows, the heat generation amount of the silicon chip is as large as several tens to several thousand watts. Therefore, the power semiconductor device is required to have excellent heat dissipation characteristics. However, if air bubbles (voids) exist in the solder joint layer between the silicon chip and the insulating substrate, or the solder joint layer between the insulating substrate and the metal base, these bubbles prevent heat dissipation. This causes a significant decrease in the thickness of the semiconductor device and causes a breakdown of the semiconductor device. Therefore, it is important that bubbles do not exist as much as possible in the solder joint layer.

はんだ接合層中に気泡が発生する原因として、積層体を構成する金属部材表面の残留酸化物及びはんだ材料中の炭酸ガスなどの溶存ガスがはんだ溶融時に気泡として残ることが挙げられる。また、はんだ付け時に、はんだや絶縁基板などの被接合部材の表面に吸着した吸着物、または酸化スズや酸化銅や酸化ニッケルが還元され、それによって生じたＨ２Ｏがガス化して気泡として残ることも原因として挙げられる。また、はんだ付け時に使用するフラックスの気化により発生するガスやフラックスそのものがはんだ接合層中に残留することも原因の一つである。 The reason why bubbles are generated in the solder joint layer is that residual oxides on the surface of the metal member constituting the laminate and dissolved gases such as carbon dioxide in the solder material remain as bubbles when the solder melts. Further, during soldering, adsorbate adsorbed on the surface of a member to be joined such as solder or an insulating substrate, or tin oxide, copper oxide, or nickel oxide is reduced, and H 2 O generated thereby is gasified and remains as bubbles. This is also a cause. Another cause is that the gas generated by vaporization of the flux used during soldering and the flux itself remain in the solder joint layer.

したがって、はんだ接合層中の気泡を低減させるため、一般に、被接合部材表面の酸化を防止してその表面を清浄に保ったり、溶存ガスのないはんだ材料や濡れ性のよいはんだ材料を使用したりするなどの対策が講じられている。また、はんだ付けプロファイルを最適化したり、被接合部材の変形を制御したり、減圧雰囲気ではんだ付けをおこなうなどの対策が講じられている。   Therefore, in order to reduce air bubbles in the solder joint layer, in general, oxidation of the surface of the member to be joined is prevented to keep the surface clean, or a solder material having no dissolved gas or a solder material having good wettability is used. Measures such as doing are taken. In addition, measures such as optimizing the soldering profile, controlling deformation of the members to be joined, and soldering in a reduced pressure atmosphere are taken.

はんだ付け方法に関する提案も多数なされている。例えば、処理容器と、真空排気と高純度ガス導入とにより低酸素濃度雰囲気を生成することによって処理容器内の雰囲気とその圧力とを制御する手段と、処理容器内に設けられた加熱手段とを備えたはんだ付け装置を用いて、回路基板を加熱手段により加熱し、処理容器内の雰囲気の圧力を制御することにより、はんだ接続を行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。   Many proposals regarding soldering methods have also been made. For example, a processing container, means for controlling the atmosphere in the processing container and its pressure by generating a low oxygen concentration atmosphere by evacuation and high-purity gas introduction, and heating means provided in the processing container. A method is known in which solder connection is performed by heating a circuit board with a heating unit and controlling the pressure of the atmosphere in a processing container using a soldering apparatus provided (see, for example, Patent Document 1).

また、金属ベース、はんだ板、絶縁基板、はんだ板およびシリコンチップからなる積層体を減圧炉内に設置し、炉内を真空排気後、炉内を正圧の水素雰囲気にして積層体の各部材の表面を還元した後、はんだを加熱溶融させることを特徴とする半導体装置の製造方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。   In addition, a laminated body composed of a metal base, a solder plate, an insulating substrate, a solder plate and a silicon chip is placed in a vacuum furnace, the furnace is evacuated, and the furnace is evacuated to a positive pressure hydrogen atmosphere to form each member of the laminated body A method for manufacturing a semiconductor device is also known, in which solder is heated and melted after reducing the surface of the semiconductor (see, for example, Patent Document 2).

他にも、水素と窒素との混合ガス雰囲気下で加圧した状態ではんだの溶融温度以上の高溶融温度まで加熱し、次いで真空まで減圧し、窒素ガス雰囲気下で再度加圧した後に、はんだの溶融温度未満にまで温度を低下させてはんだを凝固させることによるはんだ付け方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。   In addition, after heating in a mixed gas atmosphere of hydrogen and nitrogen to a high melting temperature that is equal to or higher than the melting temperature of the solder, then reducing the pressure to a vacuum and pressurizing again in a nitrogen gas atmosphere, There is known a soldering method by solidifying solder by lowering the temperature to below the melting temperature (see, for example, Patent Document 3).

さらには、ホットワイヤー法のための反応装置を用い、タングステン線からなる触媒体でガスを分解することにより、水素ラジカル等の活性種を生成し、シリコンなどの基材表面汚染物を還元除去することも知られている（例えば、特許文献４参照）。   Furthermore, by using a reactor for the hot wire method, gas is decomposed with a catalyst body made of tungsten wire to generate active species such as hydrogen radicals and reduce and remove substrate surface contaminants such as silicon. This is also known (see, for example, Patent Document 4).

特開平８−２４２０６９号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-22469 特開２００３−２９７８６０号公報JP 2003-297860 A 特開２００９−２５３１５７号公報JP 2009-253157 A 特開２０１０−５０２５２号公報JP 2010-50252 A

しかしながら、例えば、特許文献１の方法では、搭載部品の固定に液体が用いられるが、はんだ付け装置への投入前に別設備にて前処理（液体の塗布）を行う必要があり、作業工程の増加、及び作業時間の発生といった不利益がある。また、特許文献２の方法では、およそ３００℃以上で水素の還元能力が効果的に発揮されるが、それ以下の温度域では被接合部材及びはんだの還元が不足し、接合性が悪化してしまう場合がある。水素ガスの還元能力を向上させるため、加熱温度をさらに高温化する手法も存在するが、シリコンチップの熱損傷が懸念される。   However, for example, in the method of Patent Document 1, a liquid is used for fixing the mounted component. However, it is necessary to perform a pretreatment (application of liquid) in a separate facility before putting into the soldering apparatus. There are disadvantages such as increase and occurrence of work time. Further, in the method of Patent Document 2, the hydrogen reducing ability is effectively exhibited at about 300 ° C. or more, but in the temperature range below that, the reduction of the member to be joined and the solder is insufficient, and the joining property deteriorates. May end up. In order to improve the reduction capability of hydrogen gas, there is a method of further increasing the heating temperature, but there is a concern about thermal damage of the silicon chip.

特許文献３に開示された発明でも、３００℃以上の高温条件とする必要があるのに加え、水素ガスの還元能力で処理しきれない被接合部材やはんだの酸化物を接合部に残存し、接合性が悪化してしまう懸念があり、十分なボイド発生の抑制効果を得ることができない。   Even in the invention disclosed in Patent Document 3, in addition to the necessity to be at a high temperature condition of 300 ° C. or higher, the member to be joined and the oxide of the solder that cannot be treated with the reducing ability of hydrogen gas remain in the joint, There is a concern that the bondability is deteriorated, and a sufficient effect of suppressing the generation of voids cannot be obtained.

また、特許文献４に開示された方法は、主にシリコン表面に窒化珪素膜を形成することを開示しており、高濃度の水素ラジカルの発生はむしろ不利益になることが記載されているに過ぎず、接合における水素ラジカルの作用について何ら開示するものではない。   Further, the method disclosed in Patent Document 4 discloses that a silicon nitride film is mainly formed on a silicon surface, and it is described that generation of high-concentration hydrogen radicals is rather disadvantageous. However, it does not disclose any action of hydrogen radicals in the junction.

従来技術及び特許文献１〜４に開示された技術では不十分な点を改良し、さらに高品質で信頼性の高いはんだ接合層を得ることができる半導体装置の製造方法が求められる。   There is a need for a method of manufacturing a semiconductor device that improves the insufficient points of the prior art and the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 4, and that can provide a solder joint layer with high quality and high reliability.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、一実施形態によれば、半導体装置の製造方法であって、少なくとも１つの被接合部材と少なくとも１つのはんだ材とを含む積層体を、減圧炉内に投入する準備工程と、前記準備工程後、前記減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を低圧の水素雰囲気にして、前記減圧炉外に前記減圧炉との間に開閉可能な隔壁を介して設置された金属線を加熱して、あるいは、前記減圧炉内に、前記搬送ステージ、冷却板及び熱板との間に開閉可能な隔壁を介して設置された金属線を加熱して、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程と、前記熱線式加熱工程後、前記金属線を低圧雰囲気下に保持したまま、前記減圧炉内雰囲気から前記隔壁により遮蔽する遮蔽工程と、前記遮蔽工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして、接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程と、前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程とを含む。   The present invention has been made in view of the above problems. That is, according to one embodiment of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a laminated body including at least one member to be joined and at least one solder material in a vacuum furnace; After the preparatory step, a primary depressurization step for evacuating the inside of the decompression furnace, and after the primary decompression step, the inside of the decompression furnace is set to a low-pressure hydrogen atmosphere, and is opened and closed between the decompression furnace and the outside of the decompression furnace. A metal wire installed through a partition wall that can be opened / closed between the transfer stage, the cooling plate and the hot plate in the decompression furnace by heating the metal wire installed through a possible partition wall A heating step of heating and generating atomic hydrogen; and a shielding step of shielding the metal wire from the atmosphere in the reduced pressure furnace by the partition while holding the metal wire in a low pressure atmosphere after the heating step. After the shielding step, the reduced pressure A heating process in which the inside is set to a positive pressure hydrogen atmosphere and heated to the joining temperature to melt the solder material, and after the heating process, the vacuum furnace is again brought into a vacuum atmosphere while maintaining the joining temperature. A bubble removing step of removing bubbles inside.

前記半導体装置の製造方法において、前記熱線式加熱工程の前に、前記金属線が低圧雰囲気下に保持され、前記減圧炉内雰囲気から遮蔽されていることが好ましい。   In the method for manufacturing the semiconductor device, it is preferable that the metal wire is held in a low-pressure atmosphere and shielded from the atmosphere in the vacuum furnace before the hot-wire heating step.

前記半導体装置の製造方法の、前記熱線式加熱工程において、金属線を１５００℃以上であって２０００℃以下に加熱することが好ましい。   In the hot wire heating step of the semiconductor device manufacturing method, the metal wire is preferably heated to 1500 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower.

前記半導体装置の製造方法の、前記熱線式加熱工程における前記低圧の水素雰囲気が、１〜５００Ｐａの水素雰囲気であることが好ましい。   It is preferable that the low-pressure hydrogen atmosphere in the hot-wire heating step of the semiconductor device manufacturing method is a hydrogen atmosphere of 1 to 500 Pa.

前記半導体装置の製造方法の、前記気泡除去工程において、前記隔壁を開いて前記金属線を加熱し、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程を１回以上実施することが好ましい。   In the bubble removing step of the method for manufacturing a semiconductor device, it is preferable that the hot wire heating step of opening the partition wall and heating the metal wire to generate atomic hydrogen is performed once or more.

前記半導体装置の製造方法の、前記熱線式加熱工程において、前記少なくとも１つの被接合部材及び／または前記少なくとも１つのはんだ材の酸化物を、はんだ溶融温度以下で還元することが好ましい。   In the hot wire heating step of the semiconductor device manufacturing method, the at least one member to be joined and / or the oxide of the at least one solder material is preferably reduced at a solder melting temperature or lower.

本発明は、また別の実施形態によれば、接合組立装置であって、少なくとも１つの被接合部材と少なくとも１つのはんだ材と備えてなる積層体を支持する搬送ステージであって、水平方向及び鉛直方向に移動可能な搬送ステージと、水平方向に離間されて設置される冷却板及び熱板であって、前記搬送ステージを介して前記積層体を冷却可能な冷却板と、前記搬送ステージを介して前記積層体を加熱可能な熱板と、水素分子ガス導入管と、不活性ガス導入管と、排気口とを減圧炉内に備えるとともに、前記減圧炉外に前記減圧炉との間に開閉可能な隔壁を介して設けられた、あるいは、前記減圧炉内に、前記搬送ステージ、冷却板及び熱板との間に開閉可能な隔壁を介して設けられた、少なくとも金属線及び活性種生成ガス導入管を備える活性種発生装置と、前記金属線を加熱する加熱手段とを備えてなる。   According to another embodiment of the present invention, there is provided a joining and assembling apparatus, which is a transport stage for supporting a laminated body including at least one member to be joined and at least one solder material, the horizontal direction and A transport stage movable in the vertical direction, a cooling plate and a hot plate spaced apart in the horizontal direction, the cooling plate capable of cooling the stacked body through the transport stage, and the transport stage A heating plate capable of heating the laminated body, a hydrogen molecular gas introduction tube, an inert gas introduction tube, and an exhaust port are provided in the decompression furnace and opened and closed between the decompression furnace and the decompression furnace. At least a metal wire and an active species product gas provided through a partition wall that can be opened and closed between the transfer stage, the cooling plate, and the hot plate in the decompression furnace. Living with an introduction pipe And species generator, comprising a heating means for heating the metal wire.

前記接合組立装置において、前記活性種発生装置が、前記減圧炉外に、取り外し可能に設けられることが好ましい。   In the joining and assembling apparatus, it is preferable that the active species generator is detachably provided outside the decompression furnace.

前記接合組立装置において、前記開閉可能な隔壁が、シャッター機構であることが好ましい。   In the joining and assembling apparatus, it is preferable that the openable / closable partition is a shutter mechanism.

前記接合組立装置において、前記活性種発生装置が、前記減圧炉外の側壁に設けられることが好ましい。   In the joining and assembling apparatus, it is preferable that the active species generator is provided on a side wall outside the decompression furnace.

前記接合組立装置において、前記金属線が、タングステン、モリブデン、白金、ニッケル、レニウムから選択される金属、あるいはそれらの一以上からなる合金であり、１０００℃以上に加熱することにより、活性種生成ガスを加熱分解して活性種を生成することが好ましい。   In the joining and assembling apparatus, the metal wire is a metal selected from tungsten, molybdenum, platinum, nickel, rhenium, or an alloy made of at least one of them, and is heated to 1000 ° C. or higher to generate an active species generation gas. It is preferable to thermally decompose to produce active species.

本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、金属線の加熱により生じる活性種の高い酸化物還元効果により、積層体の接合特性を向上させつつ、開閉可能な隔壁により、金属線の雰囲気を制御して、金属線の酸化劣化を防止し、製品特性の向上と製造方法における効率性を両立することができる。さらには、開閉可能な隔壁の存在により、金属線由来の金属粒子が、積層体に付着することを防止することができ、得られる半導体装置の接合不良などを防止することが可能になり、また、金属線の加熱による減圧炉内温度への影響が少ないという利点もある。本発明の方法によれば、はんだ中の気泡が除去され、また異種材料の接合により生じる金属ベースの反りが速やかに除去されるため、開始後、十数分以内に、従来よりも高品質で信頼性の高いはんだ接合層を有し、熱放散性に優れた半導体装置を得ることができる。従来に比べて、低い温度域、例えば、３００℃以下で還元効果を有し、かつ水素ガスや不活性ガスの使用量が少なくて済み、またフラックスを使用する必要がない。そのため、処理時間の短縮と高い接合品質、運転コストの低減効果や、環境負荷の低減といった効果を得ることができ、量産される複数の製品間でのばらつきをなくし、品質を安定化させることが可能になる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the atmosphere of the metal wire is improved by the openable and closable partition walls while improving the bonding characteristics of the laminate by the oxide reduction effect of the active species generated by heating the metal wire. It is possible to control and prevent oxidative deterioration of the metal wire, and to improve both product characteristics and efficiency in the manufacturing method. Furthermore, the presence of an openable / closable partition wall can prevent metal particles derived from the metal wire from adhering to the laminate, and can prevent a defective bonding of the resulting semiconductor device. There is also an advantage that the influence of the heating of the metal wire on the temperature in the vacuum furnace is small. According to the method of the present invention, the bubbles in the solder are removed, and the metal base warp caused by the joining of different materials is quickly removed. A semiconductor device having a highly reliable solder joint layer and excellent heat dissipation can be obtained. Compared with the prior art, it has a reducing effect at a lower temperature range, for example, 300 ° C. or lower, requires less hydrogen gas or inert gas, and does not require the use of flux. Therefore, shortening of processing time and high bonding quality, the effect of reducing operating costs, and the effect of reducing environmental load can be obtained, and there is no variation among multiple mass-produced products, and the quality can be stabilized. It becomes possible.

また、本発明の一実施形態に係る接合組立装置によれば、金属線を減圧炉内雰囲気から遮断した雰囲気に保持することができるため、金属線の酸化劣化による寿命低下を防止し、また、金属線由来の金属粒子が、被接合部材及び減圧炉内を汚染することを防止することができる。そして、金属線を内蔵する活性種発生装置のメンテナンスサイクルを大幅に低減することができる。さらには、活性種発生装置を、減圧炉外に取り外し可能に構成した実施形態においては、活性種発生装置を、減圧炉とは独立して別個に取り扱うことが可能となり、減圧炉を停止することなく、金属線の交換や装置内の洗浄などのメンテナンスが容易になる。   Moreover, according to the joining and assembling apparatus according to one embodiment of the present invention, the metal wire can be maintained in an atmosphere cut off from the atmosphere in the vacuum furnace, thereby preventing a decrease in life due to oxidative degradation of the metal wire, It can prevent that the metal particle derived from a metal wire contaminates the to-be-joined member and the inside of a pressure reduction furnace. And the maintenance cycle of the active species generator which contains a metal wire can be reduced significantly. Furthermore, in the embodiment in which the active species generator is configured to be removable from the vacuum furnace, the active species generator can be handled separately from the vacuum furnace, and the vacuum furnace is stopped. In addition, maintenance such as replacement of metal wires and cleaning of the apparatus becomes easy.

図１は、本発明の一実施形態にかかる接合組立装置を概略的に説明する図である。FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a joining / assembling apparatus according to an embodiment of the present invention. 図２は、本発明の一実施形態にかかる接合組立装置において、はんだ付けをおこなう、被接合部材及びはんだからなる積層体の構成を模式的に示した図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of a laminated body composed of a member to be joined and solder for performing soldering in the joining and assembling apparatus according to the embodiment of the present invention. 図３は、本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法における、温度プロファイル、チャンバー内雰囲気および圧力、金属線通電、シャッター開、並びに処理動作の一例を示すチャートである。FIG. 3 is a chart showing an example of a temperature profile, chamber atmosphere and pressure, metal wire energization, shutter opening, and processing operation in the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention.

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.

本発明の第一実施形態として、減圧炉外もしくは減圧炉内に開閉可能な隔壁を介して設けられた金属線を加熱する、熱線式加熱工程を少なくとも含む半導体装置の製造方法において好ましく用いられる接合組立装置について、図面を参照して説明する。   As a first embodiment of the present invention, bonding preferably used in a method of manufacturing a semiconductor device including at least a hot-wire heating step for heating a metal wire provided through a partition wall that can be opened and closed outside or inside a vacuum furnace. The assembling apparatus will be described with reference to the drawings.

図１に本発明の一実施形態に係る接合組立装置の概略図を示す。接合組立装置は、減圧炉１１内に、搬送ステージ１３と、冷却板１５と、熱板１６と、還元性ガス導入管１７と、不活性ガス導入管１８とを主として備え、減圧炉１１外に、前記減圧炉１１との間に開閉可能な隔壁３０３を介して設けられた、少なくとも金属線２０１及び活性種生成ガス導入管２０２を備える活性種発生装置２０をさらに備えてなる。本明細書において、還元性ガスとは、減圧下で、半導体装置を構成するはんだ及び被接合部材に対して高い還元性を有するガスをいう。活性種生成ガスとは、金属線２０１により接触分解されて、高い還元性を有する、不対電子を有する元素を生成し得るガスをいい、例えば、アンモニア、四フッ化炭素、六フッ化硫黄などのハロゲン含有ガス等が挙げられるが、これらには限定されない。還元性ガス及び活性種生成ガスは、特定のガスには限定されないが、以下の本実施形態の説明においては、還元性ガス及び活性種生成ガスの一例として、水素分子ガスを用いて説明し、また活性種生成装置の一例として、原子状水素発生装置について説明する。なお、還元性ガス及び活性種生成ガスは典型的には同一であるが、後述する半導体装置の製造方法における温度、圧力条件下で、両者が反応することがなければ、還元性ガス及び活性種生成ガスが異なっていてもよい。   FIG. 1 is a schematic view of a joining / assembling apparatus according to an embodiment of the present invention. The joining and assembling apparatus mainly includes a conveyance stage 13, a cooling plate 15, a hot plate 16, a reducing gas introduction pipe 17, and an inert gas introduction pipe 18 inside the decompression furnace 11. The active species generator 20 further includes at least a metal wire 201 and an active species product gas introduction pipe 202 provided through a partition wall 303 that can be opened and closed with the decompression furnace 11. In this specification, the reducing gas refers to a gas having a high reducing ability with respect to solder and a member to be bonded that constitute a semiconductor device under reduced pressure. The activated species generating gas refers to a gas that can be catalytically decomposed by the metal wire 201 to generate an element having an unpaired electron having high reducibility, such as ammonia, carbon tetrafluoride, sulfur hexafluoride, etc. Examples of the halogen-containing gas include, but are not limited to. Although the reducing gas and the active species generating gas are not limited to specific gases, in the following description of the present embodiment, as an example of the reducing gas and the active species generating gas, a description will be given using a hydrogen molecular gas. An atomic hydrogen generator will be described as an example of the active species generator. Note that the reducing gas and the active species-generating gas are typically the same, but the reducing gas and the active species are not reacted under the conditions of temperature and pressure in the semiconductor device manufacturing method described later. The product gas may be different.

減圧炉１１は、炉本体１１０およびこれにパッキン１１２を介して被せられ、炉内部を気密状態に保つ蓋体１１１から主として構成される。減圧炉１１には、炉内に水素分子ガスａを供給するための水素分子ガス導入管１７、炉内に窒素ガスｂなどの不活性ガスを供給するための不活性ガス導入管１８、および排気口１１３が設けられている。炉本体１１０の底部には、熱板１６と冷却板１５とが、離間して設置されている。搬送ステージ１３は、搬送レール１４により、熱板１６と冷却板１５との間を行き来することができるように構成されている。搬送ステージ１３はまた、図示しない別の機構により、鉛直方向上下にも可動に構成される。   The decompression furnace 11 is mainly composed of a furnace main body 110 and a lid body 111 which is covered with a packing 112 and keeps the inside of the furnace in an airtight state. The decompression furnace 11 includes a hydrogen molecular gas introduction pipe 17 for supplying a hydrogen molecular gas a into the furnace, an inert gas introduction pipe 18 for supplying an inert gas such as nitrogen gas b into the furnace, and an exhaust. A mouth 113 is provided. A hot plate 16 and a cooling plate 15 are spaced apart from each other at the bottom of the furnace body 110. The transfer stage 13 is configured to be able to go back and forth between the hot plate 16 and the cooling plate 15 by the transfer rail 14. The transfer stage 13 is also configured to be vertically movable by another mechanism (not shown).

減圧炉１１の蓋体１１１の一部を構成する側壁部には、原子状水素発生装置２０との接続口となる開口部１１４が設けられる。そして、この開口部１１４に対し、開閉可能な隔壁となるシャッター機構３０が、減圧炉１１の内側から取り付けられる。シャッター機構３０は、駆動機構３０１と、シャッター３０３と、これらを繋ぐシャフト３０２とから実質的に構成される。そして、駆動機構３０１によりシャッター３０３を上下に移動することで、開口部１１４を覆う隔壁の開閉が可能になる。図示する「シャッター開」状態では、開口部１１４が露出し、炉外にある原子状水素発生装置２０との間で、気体を含む物質の連通が可能になる。「シャッター閉」状態では、シャッター３０３が、開口部１１４を覆い、減圧炉１１と原子状水素発生装置２０との間が遮断される。なお、本発明において開閉可能な隔壁は、上下に駆動するシャッター機構には限定されず、原子状水素の流路を実質的に狭めることのない種々の態様が可能である。   An opening 114 serving as a connection port with the atomic hydrogen generator 20 is provided in a side wall portion constituting a part of the lid 111 of the decompression furnace 11. A shutter mechanism 30 serving as a partition wall that can be opened and closed is attached to the opening 114 from the inside of the decompression furnace 11. The shutter mechanism 30 is substantially composed of a drive mechanism 301, a shutter 303, and a shaft 302 that connects them. Then, by moving the shutter 303 up and down by the drive mechanism 301, the partition wall covering the opening 114 can be opened and closed. In the “shutter open” state shown in the figure, the opening 114 is exposed, and a substance containing a gas can be communicated with the atomic hydrogen generator 20 outside the furnace. In the “shutter closed” state, the shutter 303 covers the opening 114 and the space between the decompression furnace 11 and the atomic hydrogen generator 20 is shut off. The partition wall that can be opened and closed in the present invention is not limited to a shutter mechanism that is driven up and down, and various modes that do not substantially narrow the atomic hydrogen flow path are possible.

原子状水素発生装置２０は、一端に開口部をもつ略円筒形の本体内に、金属線２０１を収容し、本体に、水素分子ガス導入管２０２と、電源接続端子２０３と、のぞき窓２０４と、大気開放バルブ２０５とを備える。開口部には、フランジが設けられ、減圧炉１１との接続部２０６となる。   The atomic hydrogen generator 20 accommodates a metal wire 201 in a substantially cylindrical main body having an opening at one end. The main body includes a hydrogen molecular gas introduction pipe 202, a power connection terminal 203, and an observation window 204. And an air release valve 205. The opening is provided with a flange and serves as a connection portion 206 with the decompression furnace 11.

水素分子ガス導入管２０２は、原子状水素発生装置２０本体の、開口部と異なる一端に設けられ、水素分子ガス導入管２０２から、減圧炉１１に向かう気体の流路が形成されるように構成される。そして、図示する実施形態においては、気体の流れと略平行に、２本のコイル状の金属線２０１が取り付けられている。金属線２０１は、その表面が水素分子ガス導入管２０２から導入される水素分子ガスに十分に接触可能な態様で取り付けられていればよく、また、金属線２０１は熱や酸化により劣化しうるため、金属線２０１は交換可能に原子状水素発生装置２０に取り付けられていることが好ましい。   The hydrogen molecular gas introduction pipe 202 is provided at one end of the main body of the atomic hydrogen generator 20 different from the opening, and a gas flow path from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202 toward the decompression furnace 11 is formed. Is done. In the illustrated embodiment, two coiled metal wires 201 are attached substantially parallel to the gas flow. The metal wire 201 only needs to be attached in such a manner that the surface thereof can sufficiently come into contact with the hydrogen molecular gas introduced from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202, and the metal wire 201 can be deteriorated by heat or oxidation. The metal wire 201 is preferably attached to the atomic hydrogen generator 20 in a replaceable manner.

金属線２０１は、電源接続端子２０３を介して接続した、直流もしくは交流電源装置４０により、１０００℃以上、好ましくは１５００℃以上、さらに好ましくは１６００℃以上であって、好ましくは２０００℃以下に加熱することが可能な線状の金属部材であって、水素分子ガスの接触分解反応により、還元性の原子状水素（水素原子）を生成することができるものである。金属線２０１は、複数回繰り返して使用することが可能であり、例えば、約１０００回程度繰り返して使用することが可能であるが、繰り返し使用回数は特定の回数には限定されるものではない。本明細書において、水素分子ガスとは、気体状の水素分子をいい、金属線の加熱により生成される原子状水素と区別して用いられる。金属線を構成する材料は、例えば、タングステン、タンタル、モリブデン、バナジウム、白金、トリウム、ジルコニウム、イットリウム、ハフニウム、パラジウム、ニッケル、レニウム、あるいはこれらの一以上を主成分とする合金であってよく、タングステンを用いることが好ましいが、上記機能を有するものであれば、特定の金属には限定されない。金属線２０１は、直径が、例えば、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは、０．３ｍｍ〜０．８ｍｍのものを使用することができるが、このような直径には限定されない。金属線２０１は、単線であってもよく、２以上の金属線を組み合わせて複線にしたものであってよい。   The metal wire 201 is heated to 1000 ° C. or higher, preferably 1500 ° C. or higher, more preferably 1600 ° C. or higher, preferably 2000 ° C. or lower, by a DC or AC power supply device 40 connected via the power connection terminal 203. It is a linear metal member that can be produced, and can generate reducing atomic hydrogen (hydrogen atoms) by catalytic decomposition reaction of hydrogen molecular gas. The metal wire 201 can be used repeatedly a plurality of times. For example, the metal wire 201 can be used repeatedly about 1000 times, but the number of repeated uses is not limited to a specific number. In this specification, the hydrogen molecular gas refers to a gaseous hydrogen molecule, and is used separately from atomic hydrogen generated by heating a metal wire. The material constituting the metal wire may be, for example, tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, platinum, thorium, zirconium, yttrium, hafnium, palladium, nickel, rhenium, or an alloy mainly composed of one or more of these, Although tungsten is preferably used, it is not limited to a specific metal as long as it has the above function. The metal wire 201 may have a diameter of, for example, 0.1 mm to 1.0 mm, preferably 0.3 mm to 0.8 mm, but is not limited to such a diameter. The metal wire 201 may be a single wire or a double wire obtained by combining two or more metal wires.

なお、図示する金属線２０１の配置は、一例であり、特定の態様には限定されない。単線もしくは複線とした金属線２０１を、１本、あるいは３本以上設けても良く、気体の流路に垂直に配置してもよい。またこのような、単線もしくは複線にした金属線２０１を、例えば、ジグザグ形状（Ｚ字形状、Ｕ字形状）、らせん状（渦巻き状）、網目状、格子状、またはこれらを適宜、組み合わせた形状としたものであってもよい。金属線２０１の表面積が大きくなり、かつ、水素分子ガスと効率的に接触分解反応を生じさせる形態であればよい。水素分子ガスと金属線２０１との接触面積を大きくすることで、より多くの還元性の原子状水素を生成させるためである。   In addition, arrangement | positioning of the metal wire 201 shown in figure is an example, and is not limited to a specific aspect. One or three or more metal wires 201 may be provided as single wires or double wires, and may be arranged perpendicular to the gas flow path. In addition, such a single wire or a double metal wire 201 is formed in, for example, a zigzag shape (Z shape, U shape), a spiral shape (spiral shape), a mesh shape, a lattice shape, or a combination thereof as appropriate. It may be what. Any form that increases the surface area of the metal wire 201 and efficiently generates a catalytic cracking reaction with the hydrogen molecular gas may be used. This is because the contact area between the hydrogen molecular gas and the metal wire 201 is increased to generate more reducing atomic hydrogen.

原子状水素発生装置２０の内部壁面は、耐圧性、耐熱性、かつ絶縁性を確保するように構成する。原子状水素発生装置２０の内部は、通常、減圧状態に保持されるためである。また、金属線２０１の周囲は、非常に高温となり、かつ電流・電圧が印加されるためである。   The inner wall surface of the atomic hydrogen generator 20 is configured to ensure pressure resistance, heat resistance, and insulation. This is because the interior of the atomic hydrogen generator 20 is normally kept in a reduced pressure state. Moreover, the circumference | surroundings of the metal wire 201 become very high temperature, and an electric current and a voltage are applied.

のぞき窓２０４は、金属線の通電状態、及び金属線の径の減少や断線といった酸化劣化状態等を原子状水素発生装置２０の外部から監視するために任意選択的に設けられていてもよい。また、大気開放バルブ２０５は、減圧状態にある原子状水素発生装置２０の圧力を常圧に戻すために設けられる。   The observation window 204 may be optionally provided to monitor the energized state of the metal wire and the oxidative deterioration state such as a decrease or disconnection of the diameter of the metal wire from the outside of the atomic hydrogen generator 20. The atmosphere release valve 205 is provided to return the pressure of the atomic hydrogen generator 20 in a reduced pressure state to normal pressure.

原子状水素発生装置２０は、接続部２０６で、減圧炉１１との間で気密状態を保持して接続することができ、また、簡単な機構により取り外すことができる。特に、減圧炉１１の開口部１１４をシャッター機構３０により閉鎖した状態においては、減圧炉１１の内部に影響を及ぼすことなく原子状水素発生装置２０を取り外すことができる。したがって、減圧炉１１を停止することなく、原子状水素発生装置２０のメンテナンス、例えば、金属線の交換や装置内の洗浄を行うことが可能になる。   The atomic hydrogen generator 20 can be connected to the decompression furnace 11 while maintaining an airtight state at the connecting portion 206, and can be removed by a simple mechanism. In particular, when the opening 114 of the decompression furnace 11 is closed by the shutter mechanism 30, the atomic hydrogen generator 20 can be removed without affecting the inside of the decompression furnace 11. Therefore, it is possible to perform maintenance of the atomic hydrogen generator 20, for example, replacement of metal wires and cleaning of the apparatus without stopping the decompression furnace 11.

原子状水素発生装置２０の形状や内部構造、金属線２０１の位置、減圧炉１１と接続する開口部の位置、並びに、減圧炉１１に対する取り付けの態様は図示する実施形態には限定されないが、金属線に対し、重力方向下方に、減圧炉１１と接続する開口部が存在することは好ましくない。熱せられて蒸発した金属線の一部が、固体化して微粒子となり、減圧炉に拡散して被接合体である積層体に付着することを防止するためである。金属微粒子の積層体への付着は、積層体の絶縁特性の低下をもたらすおそれがあり、特に、金属線の重力方向下方に、遮るものがなく積層体が存在すると、金属微粒子が積層体に付着しやすい。本実施形態においては、金属線２０１が、減圧炉１１から少なくとも隔壁を介する程度の距離に配置され、金属線２０１の重力方向下方に積層体が存在しないため、金属線由来の金属微粒子の飛散及び積層体への付着を、大幅に低減できる。原子状水素発生装置２０はまた、金属線で生成した原子状水素が、減圧炉１１に到達するまでの流路に、障壁が存在しない構造、例えば、狭窄部や屈曲部が少ない構造であることが好ましく、図示するように金属線２０１の位置から、減圧炉に達するまでの気体の流路の断面積が実質的に変化せず、かつ流路が直線状であることがより好ましい。原子状水素が衝突の衝撃により減少し、還元対象物にまで届かないことを防止するためである。   The shape and internal structure of the atomic hydrogen generator 20, the position of the metal wire 201, the position of the opening connected to the decompression furnace 11, and the manner of attachment to the decompression furnace 11 are not limited to the illustrated embodiment, It is not preferable that an opening connected to the decompression furnace 11 exists below the line in the direction of gravity. This is because a part of the metal wire that has been heated and evaporated is solidified to become fine particles, and is prevented from diffusing into the reduced-pressure furnace and adhering to the laminate that is the joined body. Adhesion of metal fine particles to the laminate may lead to deterioration of the insulation properties of the laminate. In particular, if there is an unobstructed laminate below the metal wire in the gravity direction, the metal fine particles adhere to the laminate. It's easy to do. In the present embodiment, the metal wire 201 is disposed at a distance from the decompression furnace 11 at least through the partition wall, and there is no laminate below the metal wire 201 in the gravitational direction. Adhesion to the laminate can be greatly reduced. The atomic hydrogen generator 20 also has a structure in which there is no barrier in the flow path until the atomic hydrogen generated by the metal wire reaches the decompression furnace 11, for example, a structure with few constricted portions and bent portions. As shown in the drawing, it is more preferable that the cross-sectional area of the gas flow path from the position of the metal wire 201 to the decompression furnace does not substantially change and the flow path is linear. This is to prevent atomic hydrogen from being reduced due to impact and not reaching the object to be reduced.

原子状水素発生装置２０は、図示するように、減圧炉１１の側壁であって、熱板１６に面した蓋体１１１を構成する側壁の外部に取り外し可能に設けられることが好ましい。減圧炉１１内に流入する原子状水素は、排気口１１３に向かって流れるため、原子状水素の流路であって、シャッター３０２の近傍に積層体１０が位置するように、排気口５０及び積層体１０との相対的な位置関係により、原子状水素発生装置２０の設置位置を決定し、減圧炉１１の開口部１１４を設けることができる。原子状水素発生装置のほかの取り付け態様については、後述する。   As shown in the figure, the atomic hydrogen generator 20 is preferably provided detachably on the side wall of the decompression furnace 11 and outside the side wall constituting the lid 111 facing the hot platen 16. Since the atomic hydrogen flowing into the decompression furnace 11 flows toward the exhaust port 113, the atomic hydrogen flows in the vicinity of the shutter 302 in the atomic hydrogen flow path, so that the stack 10 is positioned in the vicinity of the shutter 302. The installation position of the atomic hydrogen generator 20 can be determined by the relative positional relationship with the body 10, and the opening 114 of the decompression furnace 11 can be provided. Other mounting modes of the atomic hydrogen generator will be described later.

冷却板１５は、少なくとも冷却面を有し、冷却温度及び速度を調節可能な任意の冷却機構を備えるものであれば、典型的なはんだ付け装置で一般的に使用されるものであってよい。冷却板１５は、一例として、炉外の、冷却板１５の冷却水ｄを循環させるチラー６０に接続されていてもよい。この場合、炉本体１１０の、好ましくは底部であって、冷却板１５の下方には、冷却水の循環のための図示しない出入口が設けられていてもよい。なお、冷却板１５は、他の機構で積層体を冷却するものであってもよい。また、熱板１６は、加熱面を少なくとも有し、加熱温度及び速度を調節可能な任意の加熱機構を備えるものであれば、典型的なはんだ付け装置で一般的に使用されるものであってよい。例えば、熱板１６としては、搬送ステージ１３を介して、積層体１０を、常温〜４００℃の範囲で加熱可能なヒーター等であってよい。   The cooling plate 15 may be one generally used in a typical soldering device as long as it has at least a cooling surface and includes any cooling mechanism capable of adjusting the cooling temperature and speed. As an example, the cooling plate 15 may be connected to a chiller 60 that circulates the cooling water d of the cooling plate 15 outside the furnace. In this case, an inlet / outlet (not shown) for circulating cooling water may be provided below the cooling plate 15, preferably at the bottom of the furnace body 110. In addition, the cooling plate 15 may cool a laminated body by another mechanism. The hot plate 16 is generally used in a typical soldering device as long as it has at least a heating surface and has an arbitrary heating mechanism capable of adjusting the heating temperature and speed. Good. For example, the hot plate 16 may be a heater or the like that can heat the laminated body 10 in the range of room temperature to 400 ° C. via the transfer stage 13.

冷却板１５と、熱板１６とは、減圧炉１１の底部に、離間して設置される。冷却板１５と、熱板１６とは、例えば、１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度の距離をおいて、設置されることが好ましい。また、冷却板１５の冷却面と、熱板１６の加熱面が、減圧炉１１内の底部から、略同一の高さに位置するように設置されることが好ましい。また、冷却板１５の冷却面と、熱板１６の加熱面は、略同一の面積を有することが好ましい。なお、図示する実施形態では、冷却板１５、熱板１６は、それぞれ、減圧炉１１内の底部から離間して設置されている。冷却板１５、熱板１６から炉本体への熱移動を避け、効率の良い冷却もしくは加熱を行うためである。しかしながら、このような設置態様に替えて、好適な断熱材を配置して、冷却板１５、熱板１６を減圧炉１１内の底部に接して設置することもできる。   The cooling plate 15 and the hot plate 16 are spaced apart from each other at the bottom of the decompression furnace 11. The cooling plate 15 and the hot plate 16 are preferably installed with a distance of about 10 mm to 50 mm, for example. Further, it is preferable that the cooling surface of the cooling plate 15 and the heating surface of the hot plate 16 are installed so as to be located at substantially the same height from the bottom in the decompression furnace 11. Moreover, it is preferable that the cooling surface of the cooling plate 15 and the heating surface of the hot plate 16 have substantially the same area. In the illustrated embodiment, the cooling plate 15 and the hot plate 16 are installed separately from the bottom in the decompression furnace 11. This is because heat transfer from the cooling plate 15 and the hot plate 16 to the furnace body is avoided and efficient cooling or heating is performed. However, it can replace with such an installation mode, can arrange | position a suitable heat insulating material, and can also install the cooling plate 15 and the hot plate 16 in contact with the bottom part in the pressure reduction furnace 11. FIG.

図示しない任意選択的な構成として、冷却板１５と、熱板１６との間に、断熱壁として機能する仕切り板を設けてもよい。また、熱板１６の外周に断熱壁を設けてもよい。かかる構成により、熱板１６と冷却板１５とが近接した領域における温度の不均一部分をなくすことができる。かかる構成により、保温効果を奏することができる。   As an optional configuration (not shown), a partition plate functioning as a heat insulating wall may be provided between the cooling plate 15 and the heat plate 16. Further, a heat insulating wall may be provided on the outer periphery of the hot plate 16. With this configuration, it is possible to eliminate a non-uniform temperature portion in a region where the hot plate 16 and the cooling plate 15 are close to each other. With this configuration, a heat retaining effect can be achieved.

搬送ステージ１３は、積層体１０を保持し、積層体１０の移動手段として機能する。搬送ステージ１３及びその駆動機構は、典型的なはんだ付け装置で一般的に使用されるものであってよい。搬送ステージ１３は、熱板１６と冷却板１５との間を、搬送レール１４により、水平方向に移動可能に構成される。すなわち、図１における左右方向に移動することができ、また、図示しない機構により鉛直方向にも移動可能に構成され、位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ間を移動することができる。搬送ステージ１３の鉛直方向の可動範囲は、０ｍｍ〜５０ｍｍとすることが好ましい。搬送ステージ１３は、その上に着脱可能な均熱板（図示せず）を備えることが好ましい。均熱板は、接合対象となる積層体１０を保持することができ、均熱化に供するものであればよく、例えば、２〜３ｍｍのカーボン板からなる均熱板を使用することができる。   The transfer stage 13 holds the stacked body 10 and functions as a moving unit for the stacked body 10. The transfer stage 13 and its driving mechanism may be those generally used in a typical soldering apparatus. The transfer stage 13 is configured to be movable in the horizontal direction between the hot plate 16 and the cooling plate 15 by the transfer rail 14. That is, it can be moved in the left-right direction in FIG. 1 and can be moved in the vertical direction by a mechanism (not shown), and can move between positions A, B, C, and D. The movable range in the vertical direction of the transfer stage 13 is preferably 0 mm to 50 mm. It is preferable that the conveyance stage 13 includes a detachable heat equalizing plate (not shown) thereon. The soaking plate may hold the laminated body 10 to be joined and can be used for soaking. For example, a soaking plate made of a carbon plate of 2 to 3 mm can be used.

水素分子ガス導入管１７及び不活性ガス導入管１８は、減圧炉本体１１１に取り付けられる。水素分子ガス導入管１７及び不活性ガス導入管１８は、減圧炉外の図示しない水素分子ガス供給源および不活性ガス供給源にそれぞれ接続されて、減圧炉１１内に、水素分子ガス導入管１７及び不活性ガス導入管１８を供給する。なお、水素分子ガス導入管１７は、水素分子ガスのみならず、前述したその他の活性種生成ガスを、単独であるいは水素分子ガスとともに導入する機能を果たす場合もある。あるいは、他の活性種生成ガスを減圧炉１１内に導入するための、図示しないさらに別の管が設けられていてもよい。また、不活性ガス導入管１８は、典型的には窒素ガス導入管であるが、その他の不活性ガスを導入するものであってもよい。   The hydrogen molecular gas introduction pipe 17 and the inert gas introduction pipe 18 are attached to the decompression furnace main body 111. The hydrogen molecular gas introduction pipe 17 and the inert gas introduction pipe 18 are connected to a hydrogen molecular gas supply source and an inert gas supply source (not shown) outside the decompression furnace, respectively. And an inert gas introduction pipe 18 is supplied. The hydrogen molecular gas introduction pipe 17 may fulfill the function of introducing not only the hydrogen molecular gas but also the other active species generating gas described above alone or together with the hydrogen molecular gas. Alternatively, another pipe (not shown) for introducing another active species product gas into the vacuum furnace 11 may be provided. The inert gas introduction pipe 18 is typically a nitrogen gas introduction pipe, but may be one that introduces another inert gas.

水素分子ガス導入管１７の、炉内への噴出口は、水素分子ガスが熱板１６により熱せられて、積層体１０を構成するはんだを還元し、排気口１１３から炉外に排出することが可能な位置とすることできる。好ましくは、冷却板１５よりは熱板１６に近い領域、すなわち、図１における紙面右側領域であれば、側壁の下方、中段、上方、天井部のいずれであってもよい。一方、不活性ガス導入管１８は、減圧炉１１内に、窒素ガスなどの不活性ガスを略均一に導入して、炉内雰囲気を置換することができるように構成されていればよく、特定の態様には限定されない。   The hydrogen molecular gas introduction pipe 17 has a jet outlet into the furnace, in which the hydrogen molecular gas is heated by the hot plate 16 to reduce the solder constituting the laminated body 10 and discharge it from the exhaust port 113 to the outside of the furnace. Possible positions. Preferably, it may be any of the lower side of the side wall, the middle stage, the upper side, and the ceiling as long as it is a region closer to the hot plate 16 than the cooling plate 15, that is, the right side region of FIG. On the other hand, the inert gas introduction pipe 18 may be configured so that an inert gas such as nitrogen gas can be substantially uniformly introduced into the decompression furnace 11 to replace the furnace atmosphere. It is not limited to the embodiment.

減圧炉１１は、内部が真空に耐えることができ、かつ気密性を保持することができる炉体であればよく、その容量等は限定されるものではない。内部が、原子状水素もしくはその他の活性種により劣化されにくい材料で構成されていることが好ましく、例えば、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などのステンレスや表面処理を施したステンレス及びアルミニウム合金で構成することができる。減圧炉１１の排気口１１３は炉内を真空引きするために用いられるほか、炉内で積層体１０の構成部材の還元の結果生成する、酸素含有化合物や、硫化物、塩化物などを含んだ水素含有化合物等の排出口ともなる。排気口１１３には、真空ポンプ等の減圧装置５０が接続される。   The decompression furnace 11 may be any furnace body that can withstand the inside of the vacuum and can maintain airtightness, and its capacity and the like are not limited. The inside is preferably made of a material that is not easily deteriorated by atomic hydrogen or other active species, and can be made of, for example, stainless steel such as SUS304 or SUS316, stainless steel subjected to surface treatment, or an aluminum alloy. The exhaust port 113 of the decompression furnace 11 is used for evacuating the inside of the furnace, and also contains oxygen-containing compounds, sulfides, chlorides, and the like generated as a result of reduction of the constituent members of the laminate 10 in the furnace. Also serves as an outlet for hydrogen-containing compounds. A pressure reducing device 50 such as a vacuum pump is connected to the exhaust port 113.

減圧炉１１内には、さらに、図示しない圧力測定装置及び／または温度測定装置を備えてもよい。炉内の全圧、及び任意選択的に水素分圧を、圧力測定装置を用いてモニタリングすることで、及び／または積層体１０を構成する部材の温度を温度測定装置を用いてモニタリングすることで、減圧炉１１内部における反応の調節が可能になる。   The decompression furnace 11 may further include a pressure measuring device and / or a temperature measuring device (not shown). By monitoring the total pressure in the furnace, and optionally the hydrogen partial pressure, using a pressure measuring device and / or monitoring the temperature of the members constituting the laminate 10 using a temperature measuring device. The reaction inside the vacuum furnace 11 can be adjusted.

なお、図示はしないが、原子状水素発生装置２０の他の設置態様として、減圧炉１１の天井部にあたる蓋体１１１の外部に設置することもできる。この場合、例えば、原子状水素発生装置２０自体の構成は、図１に示すものと同様にして、原子状水素発生装置２０と減圧炉１１との間を、原子状水素流路を狭めることなく接続する湾曲管などで接続することができる。あるいは、原子状水素発生装置２０は、減圧炉１１の内部、例えば図１に示す減圧炉１１内部の熱板の上方に、取り外し可能に設置することもできる。この場合、例えば、シャッター機構を、減圧炉の側壁や天井部ではなく、原子状水素発生装置２０の開口部に設ける。あるいは、減圧炉１１内部の熱板の上方に、壁面により囲まれた空間を設けて内部に金属線を設置し、開口部に開閉可能なシャッター機構をとりつけることもできる。このように構成することで、金属線は、減圧炉１１の内部にあっても、減圧炉１１の内部雰囲気から隔離することができ、いずれの形態でも、開口部が、熱板に直接向かい合わないような角度とすることで、金属線由来の金属微粒子が、熱板上にある積層体を汚染しないように構成することができる。   Although not shown, as another installation mode of the atomic hydrogen generator 20, the atomic hydrogen generator 20 can be installed outside the lid 111 corresponding to the ceiling of the decompression furnace 11. In this case, for example, the configuration of the atomic hydrogen generator 20 itself is the same as that shown in FIG. 1 without narrowing the atomic hydrogen flow path between the atomic hydrogen generator 20 and the vacuum furnace 11. It can be connected with a curved tube to be connected. Alternatively, the atomic hydrogen generator 20 can be detachably installed inside the decompression furnace 11, for example, above the hot plate inside the decompression furnace 11 shown in FIG. In this case, for example, the shutter mechanism is provided in the opening of the atomic hydrogen generator 20, not in the side wall or ceiling of the decompression furnace. Alternatively, a shutter mechanism that can be opened and closed can be attached to the opening by providing a space surrounded by the wall surface above the hot plate inside the decompression furnace 11 and installing a metal wire inside. With this configuration, the metal wire can be isolated from the internal atmosphere of the vacuum furnace 11 even in the vacuum furnace 11, and in any form, the opening does not directly face the hot platen. By setting it as such an angle, it can comprise so that the metal microparticle derived from a metal wire may not contaminate the laminated body on a hot platen.

本実施形態による接合組立装置は、後述する半導体装置の製造方法において、積層体の接合に好ましく用いられ、接合することが可能な対象は、少なくとも１つの被接合部材と、少なくとも１つのはんだ材との積層体であり、特には、少なくとも２つの被接合部材間にはんだ材を介した任意の積層体である。しかし、かかる装置の接合の対象となる積層体としては、半導体装置に限定されず、電力変換器、通電回路、プリント配線板等が挙げられる。   The joining and assembling apparatus according to the present embodiment is preferably used for joining stacked bodies in a method for manufacturing a semiconductor device to be described later. An object that can be joined is at least one member to be joined and at least one solder material. In particular, it is an arbitrary laminate in which a solder material is interposed between at least two members to be joined. However, the laminated body to be bonded to such a device is not limited to a semiconductor device, and includes a power converter, an energization circuit, a printed wiring board, and the like.

以下、本発明に係る半導体装置の製造方法について、説明する。本発明に係る半導体装置の製造方法は、積層体の準備工程と、一次減圧工程と、熱線式加熱工程と、金属線遮蔽工程と、はんだ材の溶融加熱工程と、気泡除去工程と、再還元工程と、冷却工程と、二次減圧工程と、減圧炉解放工程とから主として構成される。   Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described. A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a laminate preparation step, a primary decompression step, a heat ray heating step, a metal wire shielding step, a solder material melting heating step, a bubble removal step, and a re-reduction. The process mainly includes a process, a cooling process, a secondary decompression process, and a decompression furnace release process.

本発明に係る半導体装置の製造方法において、製造対象となる半導体装置の一例としては、ＩＧＢＴモジュールやＩＰＭなどのパワーモジュールが挙げられる。特には、少なくとも１つの被接合部材と少なくとも１つのはんだ材との接合体を備えてなる半導体装置であってよく、典型的には、少なくとも２つの被接合部材間にはんだ材を介した積層構造体を備えてなる半導体装置であってよく、より典型的には、金属回路板を有するセラミック等の絶縁基板上に、シリコンチップ等の素子がはんだ付けされたものを、金属ベース上にはんだ付けしてなる積層構造体を備えてなる半導体装置である。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, examples of the semiconductor device to be manufactured include power modules such as an IGBT module and an IPM. In particular, it may be a semiconductor device comprising a joined body of at least one member to be joined and at least one solder material. Typically, a laminated structure in which a solder material is interposed between at least two members to be joined. The semiconductor device may include a body, and more typically, an element such as a silicon chip soldered on an insulating substrate such as a ceramic having a metal circuit board is soldered on a metal base. This is a semiconductor device provided with a laminated structure.

図２を参照すると、半導体装置を構成する積層体１０は、典型的には、金属ベース１上に、絶縁基板２を、絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材３を介して積層し、さらにその上にシリコンチップ４を、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材５を介して積層してなる。図２においては、半導体素子の一例として、シリコンチップを挙げて説明したが、本発明において接合対象となりうる半導体素子は、シリコンチップには限定されず、ＳｉＣチップ、ＧａＮチップが挙げられるが、これらには限定されない。以下の説明においては、図２に示す積層体１０を、被接合部材ならびにはんだ材の一例として説明するが、本発明における製造対象となる積層体の構造はこれに限定されるものではない。   Referring to FIG. 2, a laminated body 10 constituting a semiconductor device typically includes an insulating substrate 2 laminated on a metal base 1 via an insulating substrate-metal base bonding solder material 3. A silicon chip 4 is laminated thereon via a silicon chip-insulating substrate bonding solder material 5. In FIG. 2, the silicon chip is described as an example of the semiconductor element. However, the semiconductor element that can be bonded in the present invention is not limited to the silicon chip, and includes an SiC chip and a GaN chip. It is not limited to. In the following description, the laminate 10 shown in FIG. 2 will be described as an example of a member to be joined and a solder material, but the structure of the laminate to be manufactured in the present invention is not limited to this.

半導体素子のコレクタ電極面、金属ベース、及び絶縁基板の表面を構成する典型的な被接合部材（接合母材）としては、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び／またはこれらの一以上を主成分とする合金が挙げられるが、これらには限定されない。   Typical members to be joined (joining base materials) constituting the collector electrode surface of the semiconductor element, the metal base, and the surface of the insulating substrate include gold (Au), copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni ), And / or alloys containing one or more of these as a main component, but are not limited thereto.

典型的なはんだ材としては、鉛フリーはんだ、好ましくは融点が約１９０〜２９０℃の鉛フリーはんだを用いることができ、より好ましくは融点が約２１０〜２９０℃の鉛フリーはんだを用いることができる。好ましい実施態様として、融点が約１９０〜２９０℃の鉛フリーのＳｎ含有はんだを用いる。Ｓｎ含有鉛フリーはんだには、Ｓｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ（融点：約１９０〜２９０℃），Ｓｎ−Ｂｉ系（融点：約２７０℃）などが含まれる。より好ましくはＳｎ−Ａｇ系はんだである。Ｓｎ−Ａｇ系はんだには、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓ、およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅなどが含まれる。より好ましくは、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．１Ｎｉ−０．０５Ｇｅはんだ、またはＳｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｃｕはんだである。同様に、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだも、パワーデバイスのダイボンド接合には広く用いられる。Ｓｎ−Ｓｂ系はんだには、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉなどが含まれる。好ましくは、Ｓｎ−５Ｓｂ、Ｓｎ−８Ｓｂ、Ｓｎ−１３Ｓｂ、Ｓｎ−８Ｓｂ−３Ａｇ、Ｓｎ−８Ｓｂ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−８Ｓｂ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ−Ｎｉ０．０３〜０．０７ｗｔ．％などである。また、はんだ材は、はんだ板であってもよく、ペースト状はんだであってもよく、その形態は限定されない。   As a typical solder material, lead-free solder, preferably lead-free solder having a melting point of about 190 to 290 ° C. can be used, more preferably lead-free solder having a melting point of about 210 to 290 ° C. can be used. . In a preferred embodiment, lead-free Sn-containing solder having a melting point of about 190 to 290 ° C. is used. Sn-containing lead-free solder includes Sn solder, Sn-Ag solder, Sn-Cu solder, Sn-Sb solder (melting point: about 190-290 ° C), Sn-Bi system (melting point: about 270 ° C), etc. Is included. More preferred is Sn-Ag solder. Sn-Ag solder includes Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Bi, Sn-Ag-Cu-Bi, Sn-Ag-Cu-In, Sn-Ag-Cu-S, and Sn -Ag-Cu-Ni-Ge and the like are included. More preferably, it is Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.1Ni-0.05Ge solder or Sn-3.5Ag-0.5Cu solder. Similarly, Sn—Sb solder is also widely used for die bonding of power devices. Sn—Sb solder includes Sn—Sb, Sn—Sb—Ag, Sn—Sb—Ag—Cu, Sn—Sb—Ag—Cu—Ni, and the like. Preferably, Sn-5Sb, Sn-8Sb, Sn-13Sb, Sn-8Sb-3Ag, Sn-8Sb-3Ag-0.5Cu, Sn-8Sb-3Ag-0.5Cu-Ni 0.03-0.07 wt. %. Further, the solder material may be a solder plate or paste solder, and the form is not limited.

次に、本発明に係る半導体装置の製造方法における各工程を、図３を参照して説明する。図３は、本発明にかかる半導体装置の製造方法における、温度プロファイル、減圧炉内雰囲気および圧力、金属線通電、シャッターが開かれている状態、並びに処理動作の一例を示すチャートである。   Next, each step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a chart showing an example of the temperature profile, the atmosphere and pressure in the vacuum furnace, the metal wire energization, the state where the shutter is opened, and the processing operation in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.

準備工程として、図２に示すように、複数の被接合部材およびはんだ材を積層し、積層体１０を形成する。次いで、この積層体１０を、減圧炉１１内の搬送ステージ１３上に載置する。積層体１０の搬送ステージ１３への載置は、適切な装置で行うこともできるし、手動で行うこともできる。上記のバッチ式接合組立装置において、１回の操作で接合する積層体１０は、図示するように１つであってもよく、複数であってもよい。   As a preparation step, as shown in FIG. 2, a plurality of members to be joined and a solder material are laminated to form a laminate 10. Next, the laminated body 10 is placed on the transfer stage 13 in the decompression furnace 11. The stacked body 10 can be placed on the transfer stage 13 with an appropriate apparatus or manually. In the above-described batch-type joining / assembling apparatus, the laminate 10 to be joined by one operation may be one as shown in the figure, or may be plural.

搬送ステージ１３上に積層体１０を載せ、図３に示すチャートにしたがってはんだ付けを開始する。準備工程後、前記減圧炉内を真空排気する一次減圧工程（タイミングＴ０からＴ１）では、まず減圧炉１１が密封され、炉内の減圧が開始される（タイミングＴ０）。この脱気処理時には、搬送ステージ１３は、熱板１６および冷却板１５のいずれからも離れた待機状態である、図１の位置Ａにある。タイミングＴ０〜Ｔ８の全工程において、減圧装置５０は、常に作動した状態として、減圧炉１１内の排気を継続することが好ましい。   The laminated body 10 is mounted on the conveyance stage 13, and soldering is started according to the chart shown in FIG. In the primary decompression process (timing T0 to T1) for evacuating the decompression furnace after the preparation process, the decompression furnace 11 is first sealed and decompression in the furnace is started (timing T0). During the deaeration process, the transport stage 13 is in a position A in FIG. 1, which is in a standby state away from both the hot plate 16 and the cooling plate 15. In all the processes at timings T0 to T8, it is preferable that the decompression device 50 continues the exhaust in the decompression furnace 11 in a state in which it is always operated.

準備工程及び一次減圧工程においては、減圧炉１１と、金属線２０１とは、隔壁として機能するシャッター３０３により、遮断されている。金属線２０１は、本発明の方法を開始する前から、例えば１〜５００Ｐａ程度の低圧の水素雰囲気下もしくは不活性ガス雰囲気下、好ましくは真空状態下に保持されており、好ましい実施形態においては、減圧炉１１から隔離された原子状水素発生装置２０内にある。   In the preparation process and the primary decompression process, the decompression furnace 11 and the metal wire 201 are blocked by a shutter 303 that functions as a partition wall. Before starting the method of the present invention, the metal wire 201 is maintained in a low-pressure hydrogen atmosphere or an inert gas atmosphere, for example, about 1 to 500 Pa, preferably in a vacuum state, and in a preferred embodiment, It is in the atomic hydrogen generator 20 isolated from the vacuum furnace 11.

前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を低圧の水素雰囲気にして、金属線を加熱して、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程を行う（タイミングＴ１からＴ２）。かかる工程はまた、原子状水素により被接合部材及びはんだ材を還元する一次還元工程ということもできる。ここで、低圧の水素雰囲とは、１〜５００Ｐａ程度の水素雰囲気をいうものとする。減圧炉に導入される水素分子ガスの流量は、例えばマスフローコントローラーなどで制御される。   After the primary decompression step, a hot wire heating step is performed in which the inside of the decompression furnace is made into a low-pressure hydrogen atmosphere and the metal wire is heated to generate atomic hydrogen (timing T1 to T2). Such a process can also be referred to as a primary reduction process in which the bonded member and the solder material are reduced by atomic hydrogen. Here, the low-pressure hydrogen atmosphere refers to a hydrogen atmosphere of about 1 to 500 Pa. The flow rate of the hydrogen molecular gas introduced into the vacuum furnace is controlled by, for example, a mass flow controller.

熱線式加熱工程では、搬送ステージ１３が、熱板１６の上方であって、熱板１６により加熱される位置、すなわち図１の位置Ｃに移動し、積層体１０の加熱を開始する。また、減圧炉１１内の真空度が、１〜１０Ｐａ、例えば５．７３Ｐａに達すると、減圧炉１１内に、水素分子ガス導入管１７から、水素分子ガスａの導入が開始される（タイミングＴ１）。また、減圧炉１１内の圧力が、１〜５００Ｐａ、好ましくは、１０〜３００Ｐａになると、隔壁であるシャッター３０３が開かれる。次いで、水素分子ガス導入管１７が閉じられ、原子状水素発生装置２０の水素分子ガス導入管２０２からの水素分子ガスａの導入に切り替えられる。そして、ほぼ同時に、金属線２０１は通電により加熱される。なお、金属線２０１に通電するタイミングは、シャッター３０３が開く前であっても開いた後であってもよく、水素分子ガス導入管２０２からの水素分子ガスａの導入の前であっても後であってもよいが、水素分子ガス導入管２０２からの水素分子ガスａの導入は、シャッター３０３が開いた後である必要がある。原子状水素発生装置２０内の圧力を上昇させないためである。図３のチャートにおいては、金属線２０１に通電されるタイミングあるいは通電可能なタイミングを、「金属線通電」として示した。金属線２０１の温度が例えば１６００℃に達すると、原子状水素発生装置２０に導入された水素分子ガスａが分解され、高い還元能力を有する原子状水素の状態となる。   In the hot wire heating process, the transfer stage 13 moves to a position above the hot plate 16 and heated by the hot plate 16, that is, a position C in FIG. When the degree of vacuum in the decompression furnace 11 reaches 1 to 10 Pa, for example, 5.73 Pa, introduction of the hydrogen molecular gas a from the hydrogen molecular gas introduction pipe 17 is started into the decompression furnace 11 (timing T1). ). When the pressure in the decompression furnace 11 is 1 to 500 Pa, preferably 10 to 300 Pa, the shutter 303 which is a partition wall is opened. Next, the hydrogen molecular gas introduction pipe 17 is closed and switched to introduction of the hydrogen molecular gas a from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202 of the atomic hydrogen generator 20. At almost the same time, the metal wire 201 is heated by energization. The timing of energizing the metal wire 201 may be before or after the shutter 303 is opened, or after the hydrogen molecular gas a is introduced from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202. However, the introduction of the hydrogen molecular gas a from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202 needs to be after the shutter 303 is opened. This is because the pressure in the atomic hydrogen generator 20 is not increased. In the chart of FIG. 3, the timing at which the metal wire 201 is energized or the timing at which energization is possible is indicated as “metal wire energization”. When the temperature of the metal wire 201 reaches, for example, 1600 ° C., the hydrogen molecular gas a introduced into the atomic hydrogen generator 20 is decomposed to be in the state of atomic hydrogen having a high reducing ability.

なお、他の実施形態においては、タイミングＴ１において搬送ステージが熱板１６の上方であって、熱板１６により直接に加熱されない位置である図１の位置Ｂへ移動し、熱板１６により加熱されることなく金属線への通電が行われてもよい。また、水素分子ガス導入管１７が閉じられ、水素分子ガス導入管２０２からの水素分子ガスａの導入に切り替えられる態様に代えて、水素分子ガス導入管１７及び水素分子ガス導入管２０２からの水素分子ガスの導入が、一定時間にわたり同時に行われる状態があってもよい。２系統で水素分子ガスを導入することで、水素分子ガス流量が多くなり、所望の水素圧力を素早く形成できる利点が得られるためである。   In another embodiment, the transfer stage moves to a position B in FIG. 1, which is a position that is not directly heated by the hot plate 16 at the timing T1, and is heated by the hot plate 16. The metal wire may be energized without any problem. Further, instead of the mode in which the hydrogen molecular gas introduction pipe 17 is closed and switched to the introduction of the hydrogen molecular gas a from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202, the hydrogen from the hydrogen molecular gas introduction pipe 17 and the hydrogen molecular gas introduction pipe 202 is replaced. There may be a state in which the introduction of the molecular gas is performed simultaneously for a certain period of time. This is because by introducing hydrogen molecular gas in two systems, the flow rate of the hydrogen molecular gas is increased, and an advantage that a desired hydrogen pressure can be quickly formed is obtained.

金属線２０１の好ましい加熱温度は、金属線２０１を構成する金属材料もしくは合金材料によって異なり、例えば、金属線として、タングステンを用いる場合には、１６００〜１８００℃とすることができる。積層体１０を構成する各部材表面の還元処理に必要な金属線２０１の加熱継続時間（タイミングＴ１からタイミングＴ２までの時間）は、例えば、１０秒〜５分とすることができ、好ましくは、３０秒〜１２０秒とすることができる。金属線２０１の好ましい加熱時間は、金属線２０１を構成する金属材料もしくは合金材料によっても異なり、例えば、金属線として、タングステンを用いる場合には、３０秒〜１２０秒とすることができる。   The preferable heating temperature of the metal wire 201 differs depending on the metal material or alloy material constituting the metal wire 201. For example, when tungsten is used as the metal wire, it can be set to 1600 to 1800 ° C. The heating duration time (time from timing T1 to timing T2) of the metal wire 201 necessary for the reduction treatment of the surface of each member constituting the laminate 10 can be, for example, 10 seconds to 5 minutes, It can be 30 seconds to 120 seconds. The preferable heating time of the metal wire 201 differs depending on the metal material or alloy material constituting the metal wire 201. For example, when tungsten is used as the metal wire, it can be set to 30 seconds to 120 seconds.

水素分子ガス導入管２０２から導入された水素分子ガスａは、加熱された金属線２０１に接触し、原子状水素（水素原子）が生成する。この間、減圧炉１１及び原子状水素発生装置２０内の圧力は、例えば、１〜５００Ｐａ、好ましくは１０〜３００Ｐａに保持されるように、水素分子ガス導入管２０２からの水素分子ガスａの流量を制御しながら、減圧装置５０を作動させて、減圧炉１１内の減圧（排気）も継続させる。これにより、原子状水素は、原子状水素発生装置２０から減圧炉１１に流入し、積層体１０を構成する各部材表面の還元処理に寄与する。原子状水素による還元反応の結果、生成されて減圧炉内の雰囲気に放出される物質、例えば、水や水素化合物に属する硫化水素、塩化水素などが、排気ｃとして減圧炉１１外に排出される。また、金属線２０１が通電されている期間においては、同時に熱板１６により積層体１０を構成する各部材が加熱され、積層体１０を構成するはんだ材３、５の温度は、部材にもよるが、約１００〜２００℃となる。このように、熱線式加熱工程では、従来の水素分子ガスによる還元に必要とされていた温度よりも低い温度で還元の効果を実現することができる。なお、熱線式加熱工程においては、原子状水素源として原子状水素発生装置２０に導入される水素分子ガスに替えて、あるいは水素分子ガスに加えて、アンモニアガス、四フッ化炭素、六フッ化硫黄などのハロゲン含有ガスを使用することもできる。   The hydrogen molecular gas a introduced from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202 comes into contact with the heated metal wire 201, and atomic hydrogen (hydrogen atoms) is generated. During this time, the flow rate of the hydrogen molecular gas a from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202 is adjusted so that the pressure in the decompression furnace 11 and the atomic hydrogen generator 20 is maintained at, for example, 1 to 500 Pa, preferably 10 to 300 Pa. While controlling, the decompression device 50 is operated to continue decompression (exhaust) in the decompression furnace 11. Thereby, atomic hydrogen flows from the atomic hydrogen generator 20 into the decompression furnace 11 and contributes to the reduction treatment of the surface of each member constituting the stacked body 10. Substances generated as a result of the reduction reaction with atomic hydrogen and released to the atmosphere in the vacuum furnace, such as water sulfide and hydrogen chloride belonging to water and hydrogen compounds, are discharged out of the vacuum furnace 11 as exhaust c. . Further, during the period in which the metal wire 201 is energized, each member constituting the laminated body 10 is simultaneously heated by the hot plate 16, and the temperature of the solder materials 3 and 5 constituting the laminated body 10 also depends on the member. However, it becomes about 100-200 degreeC. Thus, in the hot wire heating process, the reduction effect can be realized at a temperature lower than the temperature required for the conventional reduction with hydrogen molecular gas. In the hot-wire heating process, ammonia gas, carbon tetrafluoride, hexafluoride is used instead of or in addition to the hydrogen molecular gas introduced into the atomic hydrogen generator 20 as an atomic hydrogen source. A halogen-containing gas such as sulfur can also be used.

タイミングＴ２において、金属線２０１への通電及び、水素分子ガス導入管２０２からの水素分子ガスａの供給を停止する。その後、水素が排気され、減圧炉１１及び原子状水素発生装置２０内が、例えば、１〜１００Ｐａ、好ましくは１〜５０Ｐａ以下にある状態（図３には表示せず）で、シャッター３０３を閉じる。この操作は隔壁を閉じて、金属線２０１を減圧状態のまま、減圧炉１１内の雰囲気から遮蔽する遮蔽工程に該当する。この遮蔽工程により、次いで減圧炉１１が曝される種々の雰囲気、特には、減圧炉の大気開放時の大気曝露による金属線２０１の酸化劣化及び寿命の短縮を防止することができる。   At timing T2, energization to the metal wire 201 and supply of the hydrogen molecular gas a from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202 are stopped. Thereafter, the hydrogen is exhausted, and the shutter 303 is closed in a state where the inside of the decompression furnace 11 and the atomic hydrogen generator 20 is, for example, 1 to 100 Pa, preferably 1 to 50 Pa or less (not shown in FIG. 3). . This operation corresponds to a shielding step in which the partition wall is closed and the metal wire 201 is shielded from the atmosphere in the decompression furnace 11 in a decompressed state. By this shielding step, it is possible to prevent various atmospheres to which the decompression furnace 11 is exposed next, in particular, deterioration of the metal wire 201 due to exposure to the atmosphere when the decompression furnace is opened to the atmosphere and shortening of the lifetime.

また、タイミングＴ２において、搬送ステージ１３が、位置Ｂにある場合には位置Ｃに移動する。遮蔽工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程を実施する（タイミングＴ２からＴ３）。かかる工程はまた、熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして前記積層体の各部材の少なくとも被接合表面を還元する二次還元工程ということもできる。本明細書において、正圧とは、１０１．３×１０３Ｐａより大きい圧力をいうものとする。加熱工程では、減圧炉１１内に再び、水素分子ガス導入管１７から水素分子ガスａを導入して、炉内を、正圧の水素雰囲気にする。積層体１０は位置Ｃにある搬送ステージ１３を介して加熱され、目標とする接合温度に到達するまでその状態で保持される。図３における、タイミングＴ３〜Ｔ５における一定温度が、接合温度を示すものである。昇温速度は、毎秒約１〜３０℃とすることができ、約５〜１０℃とすることが好ましい。 Further, at the timing T <b> 2, when the transfer stage 13 is at the position B, it moves to the position C. After the shielding step, a heating step is performed in which the inside of the decompression furnace is set to a positive hydrogen atmosphere and heated to a bonding temperature to melt the solder material (timing T2 to T3). This step can also be referred to as a secondary reduction step of reducing at least the surface to be joined of each member of the laminate by setting the inside of the vacuum furnace to a positive pressure hydrogen atmosphere after the hot wire heating step. In the present specification, the positive pressure refers to a pressure greater than 101.3 × 10 3 Pa. In the heating step, the hydrogen molecular gas a is again introduced into the decompression furnace 11 from the hydrogen molecular gas introduction pipe 17, and the inside of the furnace is brought to a positive pressure hydrogen atmosphere. The laminated body 10 is heated via the transfer stage 13 at the position C and is held in that state until the target joining temperature is reached. A constant temperature at timings T3 to T5 in FIG. 3 indicates the junction temperature. The temperature rising rate can be about 1 to 30 ° C. per second, and preferably about 5 to 10 ° C.

ここで、熱板１６の温度は、積層体を構成するはんだの液相線温度に対して約２５℃程度以上高い温度であるのが好ましい。例えば、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材５として、液相線温度が２２１℃のＳｎ−３．５Ａｇはんだを用い、かつ絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材３として、液相線温度が２４３℃のＳｎ−８Ｓｂはんだを用いる場合、熱板１６の温度は、熱板１６の面内のばらつきを考慮して、２７０〜２８０℃とすることができる。また、例えば、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材５として、液相線温度が２２１℃のＳｎ−Ａｇ系はんだを用い、かつ絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材３として、液相線温度が２１９℃のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用いる場合、上記記述にしたがえば、熱板１６の温度は、２４５〜２５０℃である。しかし２５０℃以上で水素分子の還元力の効果が明らかに発揮されることを鑑みれば、十分に還元力が発揮されるための熱板１６の加熱温度は、２９０℃以上であって、３５０℃以下であることが好ましい。なお、半導体素子が、ＳｉＣチップである場合には、熱板１６の加熱温度は、例えば、２９０℃〜５００℃程度であってよいが、特定の加熱温度には限定されない。   Here, the temperature of the hot plate 16 is preferably about 25 ° C. or more higher than the liquidus temperature of the solder constituting the laminate. For example, Sn-3.5Ag solder having a liquidus temperature of 221 ° C. is used as the silicon chip-insulating substrate bonding solder material 5, and the liquidus temperature is 243 as the insulating substrate-metal base bonding solder material 3. In the case of using Sn-8Sb solder at ° C., the temperature of the hot plate 16 can be set to 270 to 280 ° C. in consideration of in-plane variation of the hot plate 16. Further, for example, Sn—Ag solder having a liquidus temperature of 221 ° C. is used as the silicon chip-insulating substrate bonding solder material 5, and the liquidus temperature is used as the insulating substrate-metal base bonding solder material 3. When using Sn-3.0Ag-0.5Cu solder at 219 ° C., the temperature of the hot plate 16 is 245-250 ° C. according to the above description. However, considering that the effect of reducing power of hydrogen molecules is clearly exhibited at 250 ° C. or higher, the heating temperature of the hot plate 16 for sufficiently exhibiting the reducing power is 290 ° C. or higher and 350 ° C. The following is preferable. When the semiconductor element is a SiC chip, the heating temperature of the hot plate 16 may be about 290 ° C. to 500 ° C., for example, but is not limited to a specific heating temperature.

目標の接合温度に到達するまでの昇温過程（タイミングＴ２〜Ｔ３）において、減圧炉１１内の圧力が、正圧であるため、積層体１０の各部材の隙間に、水素分子ガスが浸透しやすくなり、水素分子ガスによる還元作用も進行する。したがって、絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材３、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材５、絶縁基板２および金属ベース１の各表面の還元が促進され、被接合表面、例えばワイヤボンディングをおこなう表面などの濡れ性が確保される。また、各はんだ材３、５が溶融し、そのときに生じた気泡に水素分子ガスが充填され、それによって気泡が活性化する。すなわち、気泡中にあるガス成分が水素に置換され、その後のタイミングＴ３〜Ｔ５における気泡除去工程、及び再還元工程よって十分に活性化される。はんだ材３、５が溶融している間は、減圧炉１１内の酸素濃度は例えば３０ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下に保たれ、かつ露点は−３０℃以下、好ましくは−５０℃以下に保たれる。   In the temperature raising process (timing T2 to T3) until the target joining temperature is reached, the pressure in the decompression furnace 11 is positive, so that the hydrogen molecular gas penetrates into the gaps between the members of the laminate 10. It becomes easier and the reduction action by the hydrogen molecular gas proceeds. Therefore, the reduction of each surface of the insulating substrate-metal base bonding solder material 3, the silicon chip-insulating substrate bonding solder material 5, the insulating substrate 2 and the metal base 1 is promoted, and the surface to be bonded, for example, the surface for wire bonding. The wettability such as is secured. In addition, the solder materials 3 and 5 are melted, and bubbles generated at that time are filled with hydrogen molecular gas, whereby the bubbles are activated. That is, the gas component in the bubbles is replaced with hydrogen, and is sufficiently activated by the bubble removal process and the re-reduction process at subsequent timings T3 to T5. While the solder materials 3 and 5 are melted, the oxygen concentration in the vacuum furnace 11 is kept at, for example, 30 ppm or less, preferably 10 ppm or less, and the dew point is kept at -30 ° C. or less, preferably -50 ° C. or less. It is.

前記加熱工程後、積層体１０の構成部材が目標の接合温度に達すると、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程を実施する（タイミングＴ３からＴ４）。気泡除去工程では、再び減圧炉１１内の減圧が開始される（タイミングＴ３）。そして、減圧炉１１内の真空度が例えば１０Ｐａに達した後、さらに、例えば、３０秒〜１分間、減圧が継続される。それによって、減圧炉１１内の真空度はおおよそ１Ｐａに達する。この減圧の継続により、はんだ材と被接合部材との間の濡れ不足によって発生する気泡、およびはんだ材中に含まれる溶存ガスによって発生する気泡の両方がほとんど除去される。ここで、減圧の継続時間（Ｔ３〜Ｔ４）を３０秒〜１分間としたのは、急激な減圧など行う場合には，液体中に発生した気泡が急激に外部に排出される際に、泡が弾ける作用と同様にはんだが飛散し、はんだボールや外周部にはんだの飛散が発生する懸念があるからであり、かつ、減圧を１分間より長く継続してもさらなる気泡除去効果が得られないからである。   After the heating step, when the constituent members of the laminated body 10 reach the target joining temperature, the bubble removing step is performed in which the inside of the decompression furnace is again in a vacuum atmosphere while the joining temperature is maintained, and the bubbles in the solder melt are removed. (Timing T3 to T4). In the bubble removal step, the decompression in the decompression furnace 11 is started again (timing T3). Then, after the degree of vacuum in the decompression furnace 11 reaches 10 Pa, for example, the decompression is continued for 30 seconds to 1 minute, for example. Thereby, the degree of vacuum in the vacuum furnace 11 reaches approximately 1 Pa. By continuing the pressure reduction, both of the bubbles generated due to insufficient wetting between the solder material and the member to be joined and the bubbles generated by the dissolved gas contained in the solder material are almost removed. Here, the duration of decompression (T3 to T4) is set to 30 seconds to 1 minute because when bubbles are suddenly decompressed, bubbles are generated when the bubbles are rapidly discharged to the outside. This is because there is a concern that the solder scatters and the solder scatters on the solder balls and the outer peripheral portion in the same manner as the action of flipping, and even if the decompression is continued for more than 1 minute, no further bubble removing effect can be obtained. Because.

タイミングＴ３からＴ４までの間は、水素分子ガス導入管１７からの水素分子ガスａの供給を行うことなく、シャッター３０３を閉じた状態としたまま、単に減圧のみを行ってもよい。あるいは、タイミングＴ３で減圧を開始した後、いったん真空度を、例えば１〜１０Ｐａ程度にまでした後、タイミングＴ４までに間に、再度、シャッター３０３を開き、水素分子ガス導入管２０２からの水素分子ガスａの供給を開始し、金属線２０１を加熱して、熱線式加熱工程を１回以上実施してもよい。具体的には、原子状水素発生装置２０内に水素分子ガス導入管２０２から水素分子ガスを供給し、減圧炉１１及び原子状水素発生装置２０内の圧力を、１〜５００Ｐａ、好ましくは１０〜３００Ｐａとした後、金属線２０１に通電して、原子状水素を発生させ、減圧炉に流入させて、還元処理を行うことができる。このとき、タイミングＴ３からＴ４までの間に、シャッター開、水素分子ガス導入管２０２からの水素分子ガスａの供給、金属線の通電と、水素分子ガスａの供給停止、通電の停止、シャッター閉の一連の操作を１回だけ実施してもよいし、一連の操作を１セットとして、これを複数セット繰り返してもよい。あるいは、短時間に金属線の通電と停止を複数回繰り返す場合には、シャッターは開いたままでもよい。また、通電の時間は、前述のように１０秒〜５分とすることができ、通電を停止している時間は、３０秒〜１２０秒とすることが好ましい。金属線２０１への通電と、通電の停止とを繰り返す場合には、繰り返し回数は２〜５回とすることが好ましいが、特定の回数には限定されない。なお、図３において、タイミングＴ３からＴ４で「金属線通電」としたのは、この区間で通電を継続することを必須とするものではなく、この区間において通電可能であることを示すものである。   During the period from timing T3 to T4, only the pressure reduction may be performed without supplying the hydrogen molecular gas a from the hydrogen molecular gas introduction pipe 17 and keeping the shutter 303 closed. Alternatively, after depressurization is started at timing T3, the degree of vacuum is once increased to, for example, about 1 to 10 Pa, and then the shutter 303 is opened again until timing T4, and hydrogen molecules from the hydrogen molecule gas introduction pipe 202 are opened. The supply of the gas a may be started, the metal wire 201 may be heated, and the hot wire heating process may be performed once or more. Specifically, the hydrogen molecular gas is supplied from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202 into the atomic hydrogen generator 20, and the pressure in the decompression furnace 11 and the atomic hydrogen generator 20 is set to 1 to 500 Pa, preferably 10 to 10. After 300 Pa, the metal wire 201 can be energized to generate atomic hydrogen and flow into a reduced pressure furnace for reduction treatment. At this time, during timing T3 to T4, the shutter is opened, the hydrogen molecular gas a is supplied from the hydrogen molecular gas introduction pipe 202, the metal wire is energized, the supply of the hydrogen molecular gas a is stopped, the energization is stopped, and the shutter is closed. A series of operations may be performed only once, or a series of operations may be set as one set, and a plurality of sets may be repeated. Alternatively, when energization and stop of the metal wire are repeated a plurality of times in a short time, the shutter may remain open. The energization time can be 10 seconds to 5 minutes as described above, and the energization stop time is preferably 30 seconds to 120 seconds. When energizing the metal wire 201 and stopping the energization are repeated, the number of repetitions is preferably 2 to 5, but is not limited to a specific number. In FIG. 3, “metal line energization” from timing T3 to T4 does not necessarily require that energization is continued in this section, but indicates that energization is possible in this section. .

前記気泡除去工程後、接合温度に保持したまま再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする再還元工程を実施する（タイミングＴ４〜Ｔ５）。かかる工程は、タイミングＴ１〜Ｔ２における原子状水素による一次還元工程、タイミングＴ２〜Ｔ３における水素分子ガスによる二次還元工程に次ぐ還元工程であり、三次還元工程ともいう。三次還元工程では、まず、減圧炉１１内に再び、水素分子ガス導入管１７から、水素分子ガスが導入される（タイミングＴ４）。減圧炉１１内の圧力が正圧に達した後、さらに、３０秒〜１分間以上５分程度継続して水素分子ガスが導入される（Ｔ４〜Ｔ５）。但しこの時間は対象の加熱する積層体の大きさによって変わるため、この時間に限定されるものではない。水素分子ガスの導入を継続する理由は、上述した１分間の減圧継続時にはんだ材３、５中の気泡がはんだ材３、５の外に除去される際にはんだ材３、５中に残るトンネル状の孔（気泡が通った跡）を、水素分子ガスの還元作用により塞ぐためである。つまり、はんだ材３、５中の気泡には酸化成分の気体が充満しているので、この気泡が通過する際に接触したはんだ部分は酸化してしまう。そのため、気泡の通過部分のはんだが濡れずに、トンネル状の開気泡が残ってしまう場合があった。タイミングＴ４〜Ｔ５で再還元工程を実施をすることで、この開気泡の中に水素分子ガスが充満することによって、酸化した内面が還元され、はんだの濡れがよくなり、開気泡がはんだで埋まることになる。この間、シャッター３０３は閉じて、金属線２０１は減圧炉１１内雰囲気から遮蔽されたままである。   After the bubble removal step, a re-reduction step is performed again (timing T4 to T5) with the inside of the decompression furnace again set to a positive pressure hydrogen atmosphere while maintaining the bonding temperature. This process is a primary reduction process with atomic hydrogen at timings T1 to T2, a secondary reduction process with hydrogen molecular gas at timings T2 to T3, and is also referred to as a tertiary reduction process. In the tertiary reduction process, first, hydrogen molecular gas is again introduced into the decompression furnace 11 from the hydrogen molecular gas introduction pipe 17 (timing T4). After the pressure in the vacuum furnace 11 reaches a positive pressure, the hydrogen molecular gas is further introduced continuously for about 30 seconds to 1 minute or more for about 5 minutes (T4 to T5). However, this time is not limited to this time because it varies depending on the size of the laminate to be heated. The reason for continuing the introduction of the hydrogen molecular gas is the tunnel that remains in the solder materials 3 and 5 when the bubbles in the solder materials 3 and 5 are removed from the solder materials 3 and 5 when the decompression is continued for 1 minute as described above. This is because the pores (the traces through which bubbles have passed) are blocked by the reducing action of the hydrogen molecular gas. That is, since the bubbles in the solder materials 3 and 5 are filled with the gas of the oxidizing component, the solder part that comes into contact with the bubbles passes through and is oxidized. For this reason, the solder in the passage of bubbles may not get wet, and tunnel-shaped open bubbles may remain. By performing the re-reduction step at timings T4 to T5, the open molecular bubbles are filled with hydrogen molecular gas, whereby the oxidized inner surface is reduced, the solder wettability is improved, and the open bubbles are filled with the solder. It will be. During this time, the shutter 303 is closed, and the metal wire 201 remains shielded from the atmosphere in the decompression furnace 11.

また、減圧炉１１内への水素分子ガスの導入を継続するもう一つの理由は、水素分子ガスによる還元と熱板１６による加熱保持により、はんだ材５の表面張力を低減させ、それによってはんだフィレット形状を安定化させて、はんだ亀裂発生寿命を向上させるためである。水素分子ガス導入の継続をおこなわないで、炉内減圧の後、直ちに冷却を開始してはんだ材を凝固させると、はんだ材の表面張力が大きいため、はんだフィレット形状が不均一になり、温度サイクルなどによるはんだ亀裂の発生寿命が短くなってしまう場合がある。はんだ材５の表面張力を小さくするには、タイミングＴ４〜Ｔ５において、はんだ材５を接合温度で加熱保持するか、水素分子ガスにはんだ材５をさらす時間を長くするか、またはそれらを組み合わせればよい。ただし、水素分子ガスの導入を１分間より長く継続しても、気泡が通った跡の孔を埋める効果や、はんだフィレット形状の安定化効果にあまり違いはみられないため、水素分子ガス導入の継続時間は、３０秒〜１分間とすることが好ましい。   Another reason for continuing the introduction of the hydrogen molecular gas into the decompression furnace 11 is to reduce the surface tension of the solder material 5 by the reduction by the hydrogen molecular gas and the heating and holding by the hot plate 16, thereby reducing the solder fillet. This is to stabilize the shape and improve the life of solder cracks. If the solidification of the solder material is started immediately after depressurization in the furnace without continuing the hydrogen molecular gas introduction, the solder fillet shape becomes non-uniform due to the high surface tension of the solder material, and the temperature cycle In some cases, the life of solder cracks due to such factors is shortened. In order to reduce the surface tension of the solder material 5, at timings T <b> 4 to T <b> 5, the solder material 5 is heated and held at the joining temperature, the time during which the solder material 5 is exposed to the hydrogen molecular gas is lengthened, or a combination thereof is possible. That's fine. However, even if the introduction of hydrogen molecular gas is continued for longer than 1 minute, there is not much difference in the effect of filling the holes where the bubbles have passed and the effect of stabilizing the solder fillet shape. The duration is preferably 30 seconds to 1 minute.

本発明のある実施形態においては、前記熱線式加熱工程から加熱工程（Ｔ１〜Ｔ３）を複数回繰り返して含んでもよい。すなわち、このタイミングＴ１〜Ｔ３の操作を１サイクルとして、Ｔ１〜Ｔ３を複数サイクル、例えば２〜５サイクル繰り返してもよい。Ｔ１〜Ｔ３を複数サイクル繰り返すことで、はんだ溶融前に、効率的に金属表面を改質することができる。   In an embodiment of the present invention, the heating step (T1 to T3) from the hot wire heating step may be repeated a plurality of times. That is, the operation from the timing T1 to T3 may be one cycle, and T1 to T3 may be repeated for a plurality of cycles, for example, 2 to 5 cycles. By repeating T1 to T3 for a plurality of cycles, the metal surface can be efficiently modified before the solder is melted.

あるいは、上記タイミングＴ１〜Ｔ３の操作の繰り返しはせずに、もしくはＴ１〜Ｔ３の操作の繰り返しとともに、タイミングＴ３〜Ｔ５の気泡除去工程及び再還元工程を複数回繰り返してもよい。一例として、大面積基板を接合する場合や、気泡が抜けにくい場合には、Ｔ３〜Ｔ５の気泡除去工程及び再還元工程の操作を１サイクルとして、Ｔ３〜Ｔ５を複数サイクル、例えば２〜５サイクル繰り返す構成としてもよい。このようにして減圧と加圧を繰り返すことによって、溶融中のはんだに揺動が起こり、気泡が抜けやすくなるので、気泡除去効果が得られるためである。ただし、気泡除去工程の繰り返し回数が５回までは回数の増加とともに気泡率が小さくなるが、６サイクル以上繰り返してもそれ以上の効果は得られない場合が多い。これらの繰り返し操作に加えて、Ｔ１〜Ｔ５を複数回繰り返す構成とすることも出来る。   Or you may repeat the bubble removal process and re-reduction process of timing T3-T5 in multiple times, without repeating the operation of said timing T1-T3, or with the repetition of operation of T1-T3. As an example, when a large area substrate is bonded or when bubbles are difficult to escape, the operations of the bubble removal process and the re-reduction process of T3 to T5 are set as one cycle, and T3 to T5 are performed in multiple cycles, for example, 2 to 5 cycles. It is good also as a structure to repeat. This is because by repeating the pressure reduction and pressurization in this manner, the molten solder is oscillated and the bubbles are easily removed, so that the bubble removal effect is obtained. However, when the number of repetitions of the bubble removal process is up to 5, the bubble rate decreases as the number increases. However, even if the number of repetitions is 6 cycles or more, no further effect can be obtained. In addition to these repeating operations, T1 to T5 can be repeated a plurality of times.

再還元工程後、減圧炉１１内を正圧の水素雰囲気にしたまま積層体１０を急冷する冷却工程を実施する（タイミングＴ５〜Ｔ６）。冷却工程では、搬送ステージ１３が、レール１４を移動し、熱板１６から冷却板１５に移動される（位置Ｄ）。それによって、積層体１０の冷却が開始される（タイミングＴ５）。積層体１０は、例えば、毎分３００℃の速度で冷却される。この際、炉内では、正圧の水素雰囲気が維持される。   After the re-reduction step, a cooling step is performed in which the stacked body 10 is rapidly cooled while the pressure-reducing furnace 11 is kept in a positive-pressure hydrogen atmosphere (timing T5 to T6). In the cooling process, the transfer stage 13 moves on the rail 14 and is moved from the hot plate 16 to the cooling plate 15 (position D). Thereby, cooling of the laminated body 10 is started (timing T5). The laminated body 10 is cooled at a rate of 300 ° C. per minute, for example. At this time, a positive pressure hydrogen atmosphere is maintained in the furnace.

冷却板１５の温度および冷却時間は、はんだの冷却速度（凝固速度）を考慮して選定される。すなわち、本実施の形態では、熱膨張係数の異なるシリコンチップ４と絶縁基板２と金属ベース１とが同時にはんだ付けされるため、はんだ付けが完了した状態では、熱膨張係数の最も大きい金属ベース１が絶縁基板２の側に凸状となるように反ってしまう場合がある。その影響で、はんだ接合層を介して接合された積層体１０には、最大０．３ｍｍ程度の反りが生じ得る。この反りが、次のワイヤボンディング工程まで持ち越されると、電気特性不良の発生原因となるので、ワイヤボンディング前に反りを除去する必要がある。そのためには、絶縁基板２と金属ベース１との間のはんだ接合層を短時間にクリープさせればよい。   The temperature and cooling time of the cooling plate 15 are selected in consideration of the cooling rate (solidification rate) of the solder. That is, in the present embodiment, since the silicon chip 4, the insulating substrate 2, and the metal base 1 having different thermal expansion coefficients are soldered at the same time, the metal base 1 having the largest thermal expansion coefficient when the soldering is completed. May be warped so as to be convex toward the insulating substrate 2 side. Due to the influence, the laminated body 10 joined through the solder joint layer may be warped by about 0.3 mm at the maximum. If this warpage is carried over to the next wire bonding step, it will cause the occurrence of defective electrical characteristics. Therefore, it is necessary to remove the warpage before wire bonding. For this purpose, the solder joint layer between the insulating substrate 2 and the metal base 1 may be creeped in a short time.

クリープ速度を速くするために、冷却速度を毎分２５０℃以上、例えば毎分３００℃とするのが好ましい。本出願人による、特開2003-297860号公報では、冷却速度が毎分２５０℃以上であれば、２４時間以内に金属ベース１の反りが０〜−０．１ｍｍの範囲（“−”は絶縁基板２側に凸であることを表す）に収まり、ワイヤボンディングへの悪影響をなくすことができることが示されている。換言すれば、冷却速度が毎分２５０℃未満では、金属ベース１の反りを十分に戻すことができず、ワイヤボンディングに悪影響を及ぼすおそれがある。また、はんだのクリープを速くして接合後の積層体１０の残留応力をできるだけ前の工程で除去すれば、金属ベース１の変形を安定化させることができる。従って、冷却板１５の温度および冷却時間は、はんだの冷却速度が毎分２５０℃以上となるように選定される。   In order to increase the creep rate, the cooling rate is preferably 250 ° C. or more per minute, for example, 300 ° C. per minute. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-297860 by the present applicant, if the cooling rate is 250 ° C. or more per minute, the warp of the metal base 1 is in the range of 0 to −0.1 mm within 24 hours (“−” indicates insulation). It is shown that the projection is convex on the substrate 2 side, and the adverse effect on the wire bonding can be eliminated. In other words, when the cooling rate is less than 250 ° C. per minute, the warp of the metal base 1 cannot be sufficiently returned, which may adversely affect wire bonding. Further, if the solder creep is accelerated and the residual stress of the laminated body 10 after joining is removed in the previous step as much as possible, the deformation of the metal base 1 can be stabilized. Accordingly, the temperature and cooling time of the cooling plate 15 are selected so that the cooling rate of the solder is 250 ° C. or more per minute.

そして、前記冷却工程後、前記減圧炉内を真空排気する二次減圧工程を実施する（タイミングＴ６〜Ｔ７）。二次減圧工程では、積層体１０の温度が例えば５０〜６０℃になったら、減圧炉１１内の水素の排気が開始される（タイミングＴ６）。   Then, after the cooling step, a secondary pressure reducing step for evacuating the inside of the pressure reducing furnace is performed (timing T6 to T7). In the secondary decompression step, when the temperature of the stacked body 10 reaches, for example, 50 to 60 ° C., the exhaust of hydrogen in the decompression furnace 11 is started (timing T6).

前記二次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の窒素雰囲気にした後、前記減圧炉を開放する工程を実施する（タイミングＴ７〜Ｔ８）。かかる工程では、水素の排気により、減圧炉１１内の真空度が、例えば１〜１０Ｐａになったら、減圧炉１１内に窒素ガスが導入される（タイミングＴ７）。そして、減圧炉１１内が窒素ガスで置換され、炉内の水素濃度が爆発限界以下に達した後、減圧炉１１が大気開放される（タイミングＴ８）。シャッター３０３は、熱線式加熱工程（Ｔ１〜Ｔ２）後の遮蔽工程、あるいは任意選択的に気泡除去工程（Ｔ３〜Ｔ４）中に並行して行うさらなる熱線式加熱工程後の遮蔽工程で、閉状態にした後、閉じたままである。そして、原子状水素発生装置２０内部は、後続の工程（タイミングＴ２〜Ｔ８、あるいはＴ４からＴ８）を実施する間も、低圧の水素雰囲気状態、好ましくは真空状態に保持する。   After the secondary decompression step, the inside of the decompression furnace is set to a positive nitrogen atmosphere, and then the decompression furnace is opened (timing T7 to T8). In such a process, when the degree of vacuum in the decompression furnace 11 becomes 1 to 10 Pa, for example, due to the exhaust of hydrogen, nitrogen gas is introduced into the decompression furnace 11 (timing T7). Then, after the inside of the decompression furnace 11 is replaced with nitrogen gas and the hydrogen concentration in the furnace reaches below the explosion limit, the decompression furnace 11 is opened to the atmosphere (timing T8). The shutter 303 is closed in a shielding step after the hot wire heating step (T1 to T2), or optionally after a further hot wire heating step performed in parallel during the bubble removing step (T3 to T4). After closing, it remains closed. The inside of the atomic hydrogen generator 20 is maintained in a low-pressure hydrogen atmosphere state, preferably a vacuum state, even during the subsequent steps (timing T2 to T8, or T4 to T8).

図３のタイミングＴ０〜Ｔ８の一連の操作は、繰り返し工程の回数にもよるが、概ね１５分以内で完了することができる。そして、かかる工程を含む半導体装置の製造方法により、気泡のない高品質なはんだ接合層を有する半導体装置が得られる。なお、ここでは、窒素雰囲気を一例として説明したが、窒素に限定されず、任意の不活性ガスを用い、不活性ガス雰囲気とすることができる。   A series of operations at timings T0 to T8 in FIG. 3 can be completed within approximately 15 minutes, depending on the number of repetition steps. And the semiconductor device which has a high quality solder joint layer without a bubble is obtained by the manufacturing method of a semiconductor device including this process. Note that here, a nitrogen atmosphere has been described as an example, but the present invention is not limited to nitrogen, and an inert gas atmosphere can be formed using any inert gas.

本発明に係る半導体装置の製造方法及び接合組立装置は、ＩＧＢＴモジュールや、ＩＰＭなどのパワーモジュールの製造において好ましく使用することができる。   The semiconductor device manufacturing method and the joining / assembling apparatus according to the present invention can be preferably used in the manufacture of power modules such as IGBT modules and IPMs.

１ 金属ベース
２ 絶縁基板
３ 絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材
４ シリコンチップ
５ シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材
１０ 積層体
１１ 減圧炉
１１０ 炉本体
１１１ 蓋体
１１２ パッキン
１１３ 排気口
１１４ 開口部
１３ 搬送ステージ
１４ 搬送レール
１５ 冷却板
１６ 熱板
１７ 水素分子ガス導入管（活性種生成ガス導入管）
１８ 不活性ガス導入管
２０ 原子状水素発生装置（活性種発生装置）
２０１ 金属線
２０２ 水素分子ガス導入管（活性種生成ガス導入管）
２０３ 電源接続端子
２０４ のぞき窓
２０５ 大気開放バルブ
３０ シャッター機構
３０１ 駆動部
３０２ シャフト
３０３ シャッター（隔壁）
４０ 電源装置
５０ 減圧装置
６０ チラー
ａ 水素分子ガス
ｂ 窒素ガス
ｃ 排気
ｄ 冷却水 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal base 2 Insulating substrate 3 Insulating substrate-metal base joining solder material 4 Silicon chip 5 Silicon chip-insulating substrate joining solder material 10 Laminated body 11 Depressurizing furnace 110 Furnace body 111 Lid body 112 Packing 113 Exhaust port 114 Opening part 13 Conveying stage 14 Conveying rail 15 Cooling plate 16 Hot plate 17 Hydrogen molecular gas introduction pipe (active species production gas introduction pipe)
18 Inert gas introduction pipe 20 Atomic hydrogen generator (active species generator)
201 Metal wire 202 Hydrogen molecular gas introduction pipe (active species production gas introduction pipe)
203 Power Connection Terminal 204 Viewing Window 205 Atmospheric Release Valve 30 Shutter Mechanism 301 Drive Unit 302 Shaft 303 Shutter (Partition Wall)
40 Power supply device 50 Pressure reducing device 60 Chiller a Hydrogen molecular gas b Nitrogen gas c Exhaust d Cooling water

Claims (5)

少なくとも１つの被接合部材と少なくとも１つのはんだ材とを含む積層体を、減圧炉内に投入する準備工程と、
前記準備工程後、前記減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、
前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を１〜５００Ｐａの水素雰囲気にして、前記減圧炉外に前記減圧炉との間に開閉可能な隔壁を介して設置された金属線を加熱して、あるいは、前記減圧炉内に、前記搬送ステージ、冷却板及び熱板との間に開閉可能な隔壁を介して設置された金属線を加熱して、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程と、
前記熱線式加熱工程後、前記金属線を前記１〜５００Ｐａの水素雰囲気下に保持したまま、前記減圧炉内雰囲気から前記隔壁により遮蔽する遮蔽工程と、
前記遮蔽工程後、前記減圧炉内を１０１．３×１０３Ｐａより大きい圧力の水素雰囲気にして、接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程と、
前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程と
を含む、半導体装置の製造方法。 A preparatory step of throwing a laminate including at least one member to be joined and at least one solder material into a vacuum furnace;
After the preparation step, a primary pressure reduction step for evacuating the inside of the pressure reduction furnace,
After the primary decompression step, the inside of the decompression furnace is set to a hydrogen atmosphere of 1 to 500 Pa, and a metal wire installed through a partition wall that can be opened and closed between the decompression furnace and the outside of the decompression furnace is heated, or A heating wire heating step for generating atomic hydrogen by heating a metal wire installed in the decompression furnace through a partition wall that can be opened and closed between the transfer stage, the cooling plate, and the heating plate;
After the hot wire heating step, the metal wire is kept in the hydrogen atmosphere of 1 to 500 Pa, and the shielding step of shielding the partition wall from the atmosphere in the vacuum furnace,
After the shielding step, a heating step in which the inside of the reduced pressure furnace is set to a hydrogen atmosphere having a pressure greater than 101.3 × 10 3 Pa and heated to a bonding temperature to melt the solder material;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: after the heating step, a bubble removing step of removing the bubbles in the solder melt by setting the inside of the decompression furnace to a vacuum atmosphere again while maintaining the bonding temperature. 前記熱線式加熱工程の前に、前記金属線が前記１〜５００Ｐａの水素雰囲気下に保持され、前記減圧炉内雰囲気から遮蔽されている、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the metal wire is held in the hydrogen atmosphere of 1 to 500 Pa and shielded from the atmosphere in the vacuum furnace before the hot wire heating step. 前記熱線式加熱工程において、金属線を１５００℃以上であって２０００℃以下に加熱する、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。   The manufacturing method of the semiconductor device of Claim 1 or 2 which heats a metal wire to 1500 degreeC or more and 2000 degrees C or less in the said hot wire type heating process. 前記気泡除去工程において、前記隔壁を開いて前記金属線を加熱し、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程を１回以上実施する、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   4. The manufacturing of a semiconductor device according to claim 1, wherein, in the bubble removal step, the hot wire heating step of opening the partition wall and heating the metal wire to generate atomic hydrogen is performed one or more times. Method. 前記熱線式加熱工程において、前記少なくとも１つの被接合部材及び／または前記少なくとも１つのはんだ材の酸化物を、はんだ溶融温度以下で還元する、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 1, wherein, in the hot wire heating step, the oxide of the at least one member to be joined and / or the at least one solder material is reduced at a temperature equal to or lower than a solder melting temperature.
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