半导体装置的制造方法及接合组装装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体装置的制造方法及其使用的接合组装装置。本发明特别涉及能够制造具有比以往高品质且可靠性高的焊锡接合层的半导体装置的半导体装置的制造方法以及该方法所使用的、维护性优异的接合组装装置。
【背景技术】
[0002]以往，作为制造电力用半导体装置的方法，主要实施了以下三个方法。在第一方法中，首先使用还原气氛的连续炉(管道炉)，进行预先沾锡(日文:予備在硅片的背面电极上设置焊锡。接着，借助该焊锡在绝缘基板上锡焊硅片。之后，进行引线接合。然后，在大气中使用焊剂(flux)将在绝缘基板上锡焊了硅片后的构件焊接在由铜等形成的金属基座上。在第二方法中，使用还原气氛的连续炉，锡焊硅片和绝缘基板。之后，进行引线接合。然后，使用还原气氛的连续炉将在绝缘基板上锡焊了硅片后的构件锡焊在金属基座上。在第三方法中，使用非活性气氛的减压炉，利用加入了焊剂的焊锡对硅片、绝缘基板以及金属基座进行锡焊。之后，进行引线接合。
[0003]可是，在电源组件等电力用半导体装置中，由于流有大电流，因此硅片的发热量达数十?数千瓦特，非常大。因此，在电力用半导体装置中，要求优异的散热特性。但是，若硅片与绝缘基板之间的焊锡接合层、绝缘基板与金属基座之间的焊锡接合层存在气泡(空隙)，则这些气泡妨碍了散热，因此带来了散热特性的明显降低，成为导致半导体装置破坏的原因。因而，使焊锡接合层中尽可能地不存在气泡是很重要的。
[0004]作为在焊锡接合层中产生气泡的原因，可列举构成层叠体的金属构件表面的残留氧化物和焊锡材料中的二氧化碳气体等溶存气体在焊锡熔融时作为气泡而残留。另外，在锡焊时，焊锡、绝缘基板等被接合构件的表面所吸附的吸附物或者氧化锡、氧化铜、氧化镍被还原，由此产生的H2O气化而作为气泡残留的情况也被作为原因列举出来。另外，由于锡焊时使用的焊剂的气化而产生的气体、焊剂本身残留于焊锡接合层中的情况也是原因之
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[0005]因而，为了减少焊锡接合层中的气泡，一般来说，采取了防止被接合构件表面氧化并将其表面保持洁净、或者使用没有溶存气体的焊锡材料、润湿性较好的焊锡材料等对策。另外，采取了使锡焊分布最优化、或者控制被接合构件的变形、或者在减压气氛中进行锡焊等对策。
[0006]也提出了许多关于锡焊方法的方案。例如，公知有一种方法，其通过使用锡焊装置，并利用加热部件对电路板进行加热，控制处理容器内的气氛的压力，从而进行焊锡连接，该锡焊装置包括处理容器、通过利用真空排气和高纯度气体导入生成低氧浓度气氛来控制处理容器内的气氛及其压力的部件以及设于处理容器内的加热部件(例如，参照专利文献I)。
[0007]另外，也公知有一种半导体装置的制造方法，其特征在于，将包括金属基座、焊锡板、绝缘基板、焊锡板以及硅片的层叠体设置在减压炉内，在对炉内进行了真空排气之后，将炉内设为正压的氢气氛而对层叠体的各个构件的表面进行还原，之后使焊锡加热熔融(例如，参照专利文献2)。
[0008]此外，也公知有一种锡焊方法，其在氢与氮的混合气体气氛下加压的状态下加热至焊锡的熔融温度以上的高熔融温度，接着减压至真空，在氮气气氛下再次进行加压，之后使温度降低直至小于焊锡的熔融温度使焊锡凝固(例如，参照专利文献3)。
[0009]而且，也公知有如下技术:使用热射线法用的反应装置，利用包括钨丝的催化物将气体分解，从而生成氢自由基等活性种，还原去除硅等基材表面的污染物(例如，参照专利文献4)。
[0010]现有技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1:日本特开平8-242069号公报
[0013]专利文献2:日本特开2003-297860号公报
[0014]专利文献3:日本特开2009-253157号公报
[0015]专利文献4:日本特开2010-50252号公报
【发明内容】
[0016]发明要解决的问题
[0017]但是，例如，在专利文献I的方法中，在搭载元件的固定中使用了液体，但是需要在投入锡焊装置之前利用另外的设备进行预处理(液体的涂布)，存在操作工序增加以及产生操作时间这样的不利之处。另外，在专利文献2的方法中，在大约300°C以上时有效地发挥了氢的还原能力，但是在该温度以下的温度范围，被接合构件和焊锡的还原不足，有时接合性恶化。为了提高氢气的还原能力，也存在使加热温度进一步高温化的方法，但是会担心硅片的热损伤。
[0018]即使在专利文献3所公开的发明中，除了需要设为300°C以上的高温条件以外，还在接合部中残存有利用氢气的还原能力处理不完的被接合构件、焊锡的氧化物，存在接合性恶化的担心，无法获得充分的空隙产生的抑制效果。
[0019]另外，专利文献4所公开的方法主要公开了在硅表面上形成氮化硅膜的技术，但其只不过记载了高浓度的氢自由基的产生反而成为不利之处，对于接合中的氢自由基的作用却没有任何公开。
[0020]要求一种改良以往技术以及专利文献I?专利文献4所公开的技术中的不足之处且能够获得更高品质且可靠性高的焊锡接合层的半导体装置的制造方法。
[0021]用于解决问题的方案
[0022]本发明是鉴于上述问题点而做成的。即，本发明的一种实施方式提供一种半导体装置的制造方法，其包括:准备工序，将包含至少一个被接合构件和至少一个焊锡材料的层叠体投入减压炉内；一次减压工序，在所述准备工序之后，对所述减压炉内进行真空排气；热射线式加热工序，在所述一次减压工序之后，使所述减压炉内成为低压的氢气氛，对与所述减压炉之间隔着能够开闭的分隔壁地设置于所述减压炉外的金属线进行加热，或者对与所述输送台、冷却板以及热板之间隔着能够开闭的分隔壁地设置于所述减压炉内的金属线进行加热，产生原子态氢；隔离工序，在所述热射线式加热工序之后，在将所述金属线保持在低压气氛下的状态下，利用所述分隔壁自所述减压炉内气氛隔开所述金属线;加热工序，在所述隔离工序之后，将所述减压炉内设为正压的氢气氛，加热至接合温度而使所述焊锡材料熔融；以及，气泡去除工序，在所述加热工序之后，在保持为接合温度的状态下使所述减压炉内再次成为真空气氛而去除焊锡熔体中的气泡。
[0023]在所述半导体装置的制造方法中，优选的是，在所述热射线式加热工序之前，所述金属线被保持在低压气氛下，并自所述减压炉内气氛隔离开。
[0024]优选的是，在所述半导体装置的制造方法的所述热射线式加热工序中，将金属线加热到 1500°C ?2000°C。
[0025]优选的是，所述半导体装置的制造方法的所述热射线式加热工序中的所述低压的氢气氛是IPa?500Pa的氢气氛。
[0026]优选的是，在所述半导体装置的制造方法的所述气泡去除工序中，实施一次以上的热射线式加热工序，在该热射线式加热工序中，打开所述分隔壁并对所述金属线进行加热，以产生原子态氢。
[0027]优选的是，在所述半导体装置的制造方法的所述热射线式加热工序中，在焊锡熔融温度以下对所述至少一个被接合构件和/或所述至少一个焊锡材料的氧化物进行还原。
[0028]本发明的另一实施方式提供一种接合组装装置，其中，该接合组装装置在减压炉内包括:输送台，其用于支承包含至少一个被接合构件和至少一个焊锡材料而成的层叠体，该输送台能够沿水平方向和铅垂方向进行移动;冷却板和热板，其在水平方向上隔开地设置，该冷却板能够介由所述输送台对所述层叠体进行冷却，该热板能够介由所述输送台对所述层叠体进行加热;氢分子气体导入管;非活性气体导入管；以及排气口 ；并且该接合组装装置包括:活性种产生装置，其包括与所述减压炉之间隔着能够开闭的分隔壁地设于所述减压炉外的至少金属线和活性种生成气体导入管，或者包括与所述输送台、冷却板以及热板之间隔着能够开闭的分隔壁地设于所述减压炉内的至少金属线和活性种生成气体导入管；以及加热部件，其用于对所述金属线进行加热。
[0029]在所述接合组装装置中，优选的是，所述活性种产生装置以能够拆卸的方式设于所述减压炉外。
[0030]在所述接合组装装置中，优选的是，所述能够开闭的分隔壁是活门机构。
[0031]在所述接合组装装置中，优选的是，所述活性种产生装置设于所述减压炉外的侧壁。
[0032]在所述接合组装装置中，优选的是，所述金属线是从钨、钼、铂、镍、铼中选择的金属或者包括这些金属中的一种以上的金属的合金，通过加热到1000°C以上，将活性种生成气体加热分解而生成活性种。
[0033]发明的效果
[0034]根据本发明的半导体装置的制造方法，利用通过金属线的加热而产生的活性种的高氧化物还原效果，能够提高层叠体的接合特性，并且能够利用能够开闭的分隔壁来控制金属线的气氛，防止金属线的氧化劣化，能够同时实现产品特性的提高和制造方法中的效率性。而且，由于能够开闭的分隔壁的存在，能够防止来自金属线的金属粒子附着于层叠体，能够防止所获得的半导体装置的接合不良等，而且，也有金属线的加热对减压炉内温度的影响较小这样的优点。根据本发明的方法，去除了焊锡中的气泡，而且迅速地去除了通过不同种材料的接合而产生的金属基座的翘曲，因此能够在开始后十几分钟以内就获得具有比以往高品质且可靠性高的焊锡接合层且散热性优异的半导体装置。与以往相比，在较低的温度范围、例如300°C以下就有还原效果，而且氢气、非活性气体的使用量较少即可，而且不必使用焊剂。因此，能够获得处理时间缩短且高接合品质、运转成本的降低效果、环境负荷降低这样的效果，能够消除批量生产的多个产品之间的偏差，能够使品质稳定化。
[0035]另外，根据本发明的一实施方式的接合组装装置，能够将金属线保持在自减压炉内气氛隔离开的气氛中，因此能够防止由金属线的氧化劣化引起的寿命降低，而且，能够防止来自金属线的金属粒子对被接合构件和减压炉内造成污染。而且，能够大幅度降低内置有金属线的活性种产生装置的维护频率(cycle)。而