(57)【要約】【課題】従来よりも高歩留まりの貼り合わせ基板が容易に得られる貼り合わせ基板製造装置を提供する。【解決手段】基板を重ね合わせ、これを貼り合わせるための貼り合わせ基板製造装置１において、少なくとも２枚の基板を重ね合わせた状態で収容するホルダ２と、そのホルダ２を回転させるための回転軸３と、これらホルダ２と回転軸３を連結し、回転軸３に回動自在に設けられる連結部材４とを備えたものである。【選択図】図１
2010040700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を重ね合わせ、これを貼り合わせるための貼り合わせ基板製造装置において、少なくとも２枚の基板を重ね合わせた状態で収容するホルダと、そのホルダを回転させるための回転軸と、これらホルダと回転軸を連結し、前記回転軸に回動自在に設けられる連結部材とを備えたことを特徴とする貼り合わせ基板製造装置。
【請求項２】
前記ホルダに収容した前記基板を加熱する加熱手段を備えた請求項１記載の貼り合わせ基板製造装置。
【請求項３】
前記ホルダに、そのホルダ内の圧力を大気圧以下に減圧する減圧手段を接続した請求項１または２記載の貼り合わせ基板製造装置。
【請求項４】
前記少なくとも２枚の基板は、基板上に発光層を有する半導体結晶層を形成した半導体ウェハと、支持基板上に金属層を形成した支持ウェハとを含む請求項１〜３いずれかに記載の貼り合わせ基板製造装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載した貼り合わせ基板製造装置を用い、前記基板を重ね合わせて前記ホルダに収容し、そのホルダを前記連結部材に連結し、前記回転軸を回転させて前記基板を接合することを特徴とする貼り合わせ基板の製造方法。
【請求項６】
重ね合わせた前記基板に、錘をさらに重ね合わせる請求項５記載の貼り合わせ基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板を重ね合わせ、これを貼り合わせるための貼り合わせ基板製造装置及び貼り合わせ基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板同士、あるいは基板上に半導体結晶や酸化膜などの薄膜を形成した基板同士を接合して得られる接合基板は、貼り合わせ基板として、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）に代表される半導体デバイス用の基板として用いられている。
【０００３】
このような基板を貼り合わせる公知の方法として、例えば、特許文献１に記載の方法がある。この方法では、ステンレススチールねじ、グラファイト上カバー、カーボン円柱、グラファイト片、グラファイト下チャンバーからなるウェハ・ボンディング・ツールを利用する。カーボン円柱とグラファイト片の間に接合させる基板を挟み込み、ステンレススチールねじを締め込むことで荷重をかけ、加熱することで基板を接合する。
【０００４】
また、別の公知の方法として、例えば非特許文献１に記載のEVG850 bond and de-bond systemsあるいはこれに類する装置を用いる方法がある。この方法では、重ねた基板を台の上に載せ、その上からシリンダで荷重をかける。必要に応じて加熱したり、高電圧を印加したりすることもある。
【０００５】
【特許文献１】特許第３４６００１９号公報
【特許文献２】特表２００５−５１３７８７号公報
【特許文献３】特開２０００−３３２３５１号公報
【非特許文献１】Suzanne Combe,John Cullen,Matthew O'Keefe,“Reversible Wafer Bonding;Challenges in Ramping up 150mm GaAs Wafer Production to Meet Growing Demand”,CS MANTECH Conference,April 24-27,2006,Vancouver,British Columbia,Canada,p193-196.
【非特許文献２】Tommi Suni,“Direct wafer bonding for MEMS and microelectronics”,VTT Technical Research Centre of Finland 2006,p30-31
【非特許文献３】F.A,Kish,et al.,“Very High efficiency semiconductor wafer-bonded transparent substrate light emitting diodes”,Appl.Phy.Lett.,vol.64,no.21,pp.2839-2841,May 1994
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の方法、あるいは非特許文献１に記載の装置を用いる方法のいずれも、貼り合わせようとする基板とほぼ同じか、あるいは大きい底面積を持つシリンダ状の物体で重ね合わせた基板に圧力を印加するという概念は同じである。
【０００７】
これらの方法で最も重要なのは、基板、基板を載せる台およびシリンダの平行度を保つことである。平行度が保たれない場合、基板にかかる圧力は不均一となり、ウェハ面内において非接合領域を生じる結果となる。これは一般に歩留まりの低下を意味する。
【０００８】
しかしながら、従来方法では、基板、基板を載せる台およびシリンダの平行度を保つことが極めて難しい。これは、シリンダに上下動する機構が付帯しており、この機構も含めて平行度の調整をしなければならないためである。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、従来よりも高歩留まりの貼り合わせ基板が容易に得られる貼り合わせ基板製造装置及び貼り合わせ基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために創案された本発明は、基板を重ね合わせ、これを貼り合わせるための貼り合わせ基板製造装置において、少なくとも２枚の基板を重ね合わせた状態で収容するホルダと、そのホルダを回転させるための回転軸と、これらホルダと回転軸を連結し、前記回転軸に回動自在に設けられる連結部材とを備えた貼り合わせ基板製造装置である。
【００１１】
前記ホルダに収容した前記基板を加熱する加熱手段を備えてもよい。
【００１２】
前記ホルダに、そのホルダ内の圧力を大気圧以下に減圧する減圧手段を接続してもよい。
【００１３】
前記少なくとも２枚の基板は、基板上に発光層を有する半導体結晶層を形成した半導体ウェハと、支持基板上に金属層を形成した支持ウェハとを含むものでもよい。
【００１４】
また本発明は、請求項１〜４のいずれかに記載した貼り合わせ基板製造装置を用い、前記基板を重ね合わせて前記ホルダに収容し、そのホルダを前記連結部材に連結し、前記回転軸を回転させて前記基板を接合する貼り合わせ基板の製造方法である。
【００１５】
重ね合わせた前記基板に、錘をさらに重ね合わせてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来よりも高歩留まりの貼り合わせ基板が容易に得られる貼り合わせ基板製造装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。図１は、本発明の好適な実施形態を示す貼り合わせ基板製造装置の模式図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係る貼り合わせ基板製造装置１（以下、製造装置１）は、主として基板同士を重ね合わせ、これを接合して貼り合わせた貼り合わせ基板を製造するためのものである。ここでいう基板同士には、基板自体同士、あるいは基板上に半導体結晶、酸化膜、金属膜などの薄膜を形成してなるウェハ同士、あるいは基板自体とウェハ同士がある。
【００１９】
この製造装置１は、少なくとも２枚の基板を重ね合わせた状態で収容するホルダ２と、ベースあるいは床面から起立し、ホルダ２を回転させるための回転軸３と、これらホルダ２と回転軸３を連結し、回転軸３に回動自在に設けられる連結部材４とを備える。装置本体１ｂは、ホルダ２と、回転軸３と、連結部材４とで主に構成される。
【００２０】
回転軸３には、回転軸３の回転速度を所望の速度で回転させるための図示しないモータが接続される。回転軸３の上部には、回転軸３の軸に対して垂直な面（図１では、紙面と平行な面）内で連結部材４を上下に回動させるための蝶番５が設けられる。
【００２１】
連結部材４の一端部は蝶番５に取り付けられる。連結部材４の他端部には、ホルダ２に引っ掛けられて係合すると共に、回動自在なフック６が設けられる。連結部材４は、ホルダ２が取り付けられていないとき、自重で他端部が斜めに下がった状態となるようになされる。
【００２２】
本実施形態では、連結部材４として棒状に形成されたものを使用するが、ホルダ２を連結して回転軸３を回転させたとき、ほぼ剛体と見なせるものであれば、紐状、あるいは鎖状、あるいはこれらに類する形状のものでもよい。
【００２３】
ホルダ２の近傍には、ホルダ２に収容した基板を加熱する加熱手段として、進退自在なヒータ７が設けられる。このヒータ７は、ホルダ取り付け時やホルダ加熱中にホルダ２の近傍まで前進し、ホルダ回転中には後退する。
【００２４】
図３を用いて、ホルダ２とその周辺部材をより詳細に説明する。
【００２５】
図３に示すように、ホルダ２は、上部が開口形成されて内部に少なくとも２枚の基板としてのウェハ４１Ａ，４１Ｂが重ね合わせた状態で設置される筒状のホルダ設置部１１と、そのホルダ設置部１１に螺合されて上部を覆う蓋１２とからなる。
【００２６】
ホルダ設置部１１の内壁面の上部には、ねじ溝１３が形成される。ホルダ設置部１１の側壁には、ホルダ２内の空気を排出する空気排出口１４が設けられ、その空気排出口１４にこれを開閉する真空引き用のバルブ１５が設けられる。空気排出口１４には、空気排出ライン１６が接続され、その空気排出ライン１６の途中に、ホルダ２内の圧力を大気圧以下に減圧する減圧手段としての真空ポンプ１７が接続される。
【００２７】
蓋１２は、ホルダ設置部１１の外径と同じ外径の大径部１２ｂと、その大径部１２ｂの中央部から下方に突出し、ホルダ設置部１１の内径より若干小径に形成された小径部１２ｓとからなる。大径部１２ｂの中央部上には、連結部材４のフック６（図１参照）が引っ掛けられて係合するリング１８が設けられる。小径部１２ｓの外周には、ホルダ設置部１１のねじ溝１３に螺合するねじ山１９が形成される。
【００２８】
ホルダ設置部１１の上縁面と蓋１２の大径部１２ｂの下面間には、ホルダ２内を気密封止するＯリング２０が設けられる。
【００２９】
製造装置１で貼り付けられる２枚の基板としては、例えば、図４に示すようなウェハ４１を用いる。ウェハ４１は、シリコン基板４２上に、Ａｌ層（Ａｌ膜）４３ａ、Ｔｉ層（Ｔｉ膜）４３ｂ、Ａｕ層（Ａｕ膜）４３ｃを順次積層してなる金属層（金属膜）４３を形成したものである。Ａｌ層４３ａは主にシリコン基板４２と格子整合しやすい金属反射膜層として、Ｔｉ層４３ｂは主に金属層４３の耐熱性を高めるための層として、Ａｕ層４３ｃは主に相手側の金属層との接合性を高めるための層として用いる。
【００３０】
次に、製造装置１を用いた貼り合わせ基板の製造方法を説明する。
【００３１】
まず、図４で説明したウェハ４１を２枚（以下、ウェハ４１Ａ，４１Ｂ）用意し、これを互いの金属層４３が向き合うように重ね合わせる。
【００３２】
図３に示すように、ホルダ２の蓋１２を開け、ホルダ設置部１１の底面上にウェハ４１Ａ，４１Ｂを保護するための下側グラファイトシート２１ｄを設け、その下側グラファイトシート２１ｄ上に、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂを設け、その上に上側グラファイトシート２１ｕを設け、上側グラファイトシート２１ｕ上に錘２２をさらに重ね合わせる。ホルダ設置部１１に蓋１２をねじ込み、ホルダ２内に下側グラファイトシート２１ｄ、ウェハ４１Ａ，４１Ｂ、上側グラファイトシート２１ｕ、錘２２を収容する。
【００３３】
ホルダ２の空気排出口１４に、空気排出ライン１６を介して真空ポンプ１７を接続し、バルブ１５を開ける。真空ポンプ１７を運転してホルダ２内の圧力を大気圧以下に減圧した後、バルブ１５を閉じ、空気排出口１４から真空ポンプ１７を切り離す。
【００３４】
図１に示すように、連結部材４のフック６にホルダ２のリング１８を引っ掛け、ホルダ２を連結部材４に連結する。ヒータ７をホルダ２の近傍まで前進させ、ヒータ７を通電してホルダ２に収容したウェハ４１Ａ，４１Ｂを加熱する。ウェハ４１Ａ，４１Ｂを十分に加熱したら、ヒータ７を後退させる。
【００３５】
ヒータ７によるウェハ４１Ａ，４１Ｂの加熱温度は、ウェハ４１Ａ，４１ＢがＡｕを介して貼り合わせられるため、３５０℃以下にするとよい。本実施形態では、ヒータ７によるウェハ４１Ａ，４１Ｂの加熱温度を３５０℃にした。
【００３６】
そして、図２に示すように、回転軸３を所定の回転速度で回転させ、ホルダ２に遠心力を作用させ、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂを共晶接合により接合する。その後、回転軸３の回転を停止し、ホルダ２の温度が下がってから重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂを取り出すと、これらが貼り合わせられた貼り合わせ基板が得られる。
【００３７】
重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの軸方向に遠心力によって加える圧力は、ウェハ４１Ａ，４１ＢがＡｕを介して貼り合わせられるため、８０ＭＰａ以下にするとよい。本実施形態では、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの軸方向に遠心力によって加える圧力を２ＭＰａにした。
【００３８】
ホルダ２の回転中は、連結部材４の軸と、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの軸とがほぼ一直線上となるように（ホルダ２がほぼ真横を向いて回転軸３の周りを回るように）するとよい。
【００３９】
重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの軸方向に遠心力によって加える圧力の調整は、錘２２の重さ、連結部材４の長さ、回転軸３の回転速度を適宜変更して行う。
【００４０】
本実施形態の作用を説明する。
【００４１】
製造装置１では、ホルダ２に重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂを収容し、ホルダ２を連結部材４に連結し、回転軸３を回転させることで、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの軸方向に遠心力を作用させ、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂを接合している。
【００４２】
このため、製造装置１によれば、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの重ね合わせ面に、遠心力によって接合のための圧力が均一に加わり、従来よりも高歩留まりの貼り合わせ基板が容易に得られる。
【００４３】
製造装置１は、接合に先立って重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂを加熱するヒータ７を備えているので、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの接合をより促進できる。
【００４４】
さらに製造装置１は、ホルダ２に、ホルダ２内の圧力を大気圧以下に減圧する真空ポンプ１７が接続されるため、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの接合をさらに促進できると共に、ウェハ４１Ａ，４１Ｂ間の気泡や空隙を防止して接合界面の清浄度も向上できる。
【００４５】
また、本実施形態に係る貼り合わせ基板の製造方法によれば、製造装置１を用いて、ホルダ２に重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂを収容し、ホルダ２を連結部材４に連結して回転軸３を回転させるだけで、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂを簡単かつ高精度に接合できる。
【００４６】
重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂに錘２２をさらに重ね合わせれば、重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの軸方向に作用させる遠心力の効果をより増大させることができる。
【００４７】
前記実施形態では、回転軸３に１つの連結部材４を連結した例で説明したが、回転軸３に連結部材４を複数個連結し、これら連結部材４にそれぞれホルダ２を連結してもよい。この場合には、同時に多数組の基板の貼り合わせ処理を実施することができ、貼り合わせ処理のスループットを向上させることができる。
【００４８】
図１では、ベースあるいは床面から起立した回転軸３の例で説明したが、壁面から水平に延びるように設けられた回転軸を用い、その回転軸の周りにホルダ２を回転させるようにしてもよい。
【００４９】
また、前記実施形態では、シリコン基板４２同士を金属膜４３を介して接合する例について述べたが、接合する基板の材料は特にシリコンである必要はなく、例えば石英やガラス、サファイアなどでもよい。例えば、放熱性向上を目的とするのであれば、炭化シリコンのようなセラミックス、あるいは金属や合金といった高熱伝導率材料を用いてもよい。また、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（半導体レーザ）などの発光素子の製造を目的として、各種の化合物半導体層を堆積した化合物半導体基板などを用いてもよい。
【００５０】
ＬＥＤの一例としては、金属反射膜型の赤色ＬＥＤがある。金属反射膜型の赤色ＬＥＤでは、少なくとも２枚の基板として、ＧａＡｓ基板上に発光層（ＡｌＧａＡｓ層やＡｌＧａＩｎＰ層など）を有する半導体結晶を形成した半導体ウェハと、支持基板上に金属層（例えば、図４で説明した金属層４３）を形成した支持ウェハとを用いる。
【００５１】
赤色ＬＥＤでは、ＧａＡｓ基板は赤色光を吸収する物性を有するので、半導体ウェハと支持ウェハを重ね合わせ、これを貼り付けて貼り合わせ基板を作製した後、その貼り合わせ基板からＧａＡｓ基板を除去し、金属層を金属反射層とすることで、高発光効率のＬＥＤエピタキシャルウェハを得る。このようなＬＥＤエピタキシャルウェハを作製するための貼り合わせ基板の製造に、本実施形態に係る製造装置１や製造方法を用いると特に有用である。
【００５２】
さらに、接合に介する膜は金属膜に限定されるものではなく、接着剤などを用いてもよい。また、必ずしも接合膜が存在せずともよく、例えば、シリコン融接などにより基板同士を直接接合してもよい。接合時の温度、雰囲気などの接合条件に関しても、必要に応じて適宜変更が可能である。
【００５３】
本発明によって得られる貼り合わせ基板は、例えばＩＣやＬＳＩといった半導体デバイスへと応用することができる。また、例えば、いわゆるアクロマートレンズのような、屈折率と色分散が異なるレンズを組み合わせて接合した複雑なレンズの製造に応用することができる。発光層を支持する基板を発光波長に対して透明な材料に置き換え、高効率化を図った発光素子や、反射サブマウントを有する高効率の発光素子の製造方法へ応用することも可能である。同様に、フォトニック結晶デバイスの製造にも応用が可能である。
【実施例】
【００５４】
直径１５２．４ｍｍ、厚さ６００μｍの円板状のシリコン基板を２枚準備した。これらをそれぞれシリコン基板４２Ａ、シリコン基板４２Ｂと呼称する。シリコン基板４２Ａ，４２Ｂともに片方の主表面は鏡面研磨仕上げであり、もう一方の主表面はラップエッチ仕上げである。
【００５５】
シリコン基板４２Ａ，４２Ｂの鏡面研磨仕上げの面に、電子ビーム蒸着装置を用いて、厚さ２００ｎｍのＡｌ膜４３ａ、厚さ１００ｎｍのＴｉ膜４３ｂ、厚さ５００ｎｍのＡｕ膜４３ｃを順次積層して金属膜４３とし、ウェハ４１Ａ，４１Ｂを作製した。
【００５６】
ウェハ４１Ａ，４１Ｂのそれぞれ金属膜４３を成膜した面を向かい合わせて重ね、製造装置１のホルダ２に収容した。重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの下にグラファイトシート２１ｄを、上にはグラファイトシート２１ｕと錘２２を設置した。錘２２は直径１５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板状で、材質はＣｕである。真空ポンプ１７によりホルダ２内部を２．０×１０-6Ｐａまで減圧した後、バルブ１５を閉じ、真空ポンプ１７を切り離した。
【００５７】
次に、装置本体１ｂを構成する連結部材４にホルダ２を取り付けた。装置本体１ｂは直径３０ｍｍのステンレス製の回転軸３の先端に、蝶番５を介して長さ１ｍ、直径１０ｍｍのステンレス製の連結部材４としての丸棒が取り付けられた構造となっている。連結部材４の先端にはフック６が取り付けられており、ここにホルダ２のリング１８を引っ掛ける構造となっている。静止状態でのホルダ２の定位置には、進退自在なヒータ７が設けられ、ホルダ２ごと内部のウェハ４１Ａ，４１Ｂを加熱することができる。
【００５８】
まず、静止状態においてヒータ７の加熱を開始し、３５０℃まで上昇させた。ホルダ２が十分加熱されるのを待つため、この状態で１０分間保持した。次いで、ヒータ７を後退させた後、回転軸３を５回転／秒で回転させた。ホルダ２には遠心力が働き、ほぼ真横を向いて回転軸３の周りを回転することになった。重ね合わせたウェハ４１Ａ，４１Ｂの軸方向に遠心力によって加わる圧力は２ＭＰａである。この回転を１０分間続けた後、回転数を下げ、回転軸３を静止させた。
【００５９】
ホルダ２の表面温度が約６０℃まで低下した後、ホルダ２を連結部材４の先端から外し、さらに蓋１２を外して内部のウェハ４１Ａ，４１Ｂを取り出した。ウェハ４１Ａ，４１Ｂは接合して一体化しており、外部に割れ、欠けなどの損傷は認められなかった。
【００６０】
最後に、ウェハ４１Ａ，４１Ｂの接合の可否を判断するため、接合したウェハ４１Ａ，４１Ｂの接合界面を超音波顕微鏡で観察した。その結果を図５に示す。図５に示すように、黒い部分が接合部、白い部分が未接合部である。接合したウェハ４１Ａ，４１Ｂには、特に大きな界面の剥離や空隙などは認められず、ウェハ４１Ａ，４１Ｂが良好に接合している。
【００６１】
ここで、実施例において、錘２２に直径１５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのＣｕ製の円板を用いた根拠について述べる。まず、ウェハ４１Ａ，４１Ｂに均等に圧力を加えるため、錘２２の直径はウェハ４１Ａ，４１Ｂの直径とほぼ等しいことが望ましい。ここで、Ｃｕの密度は８．９ｇ／ｃｍ3であるから、円板の質量は約１５７３ｇである。連結部材４の長さ１ｍに加え、蝶番５の大きさやホルダ２の径を考慮すると、円板は回転軸中心から半径１．２ｍの位置を５回転／秒で回転することになり、このときの遠心力によりウェハ４１Ａ，４１Ｂの軸方向に加わる圧力はおよそ２ＭＰａとなる。回転速度を５回転／秒とした根拠もまた同様である。
【００６２】
本実施形態に係る貼り合わせ基板の製造方法は、基本的にホルダ２に少なくとも２枚の基板を収容し、錘２２を載せるだけでよい。従来方法のように複雑な平行度の調整は全く不要であり、装置構成が簡単であり、極めて容易に貼り合わせ基板が得られることがわかる。
【００６３】
以上から、本実施形態に係る製造装置１および製造方法が、基板の接合部分に気泡や空隙を発生させず、全面で良質に接合した貼り合わせ基板を容易に製造できることが実証された。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す貼り合わせ基板製造装置の模式図（ホルダ取り付け時、加熱中）である。
【図２】図１に示した貼り合わせ基板製造装置の模式図（ホルダ回転中）である。
【図３】図１に示した貼り合わせ基板製造装置が備えるホルダの模式的な断面図である。
【図４】図１に示した貼り合わせ基板製造装置で貼り合わせる基板の一例を示す模式的な断面図である。
【図５】貼り合わせ基板の超音波映像装置による接合界面の検査結果を示す写真である。
【符号の説明】
【００６５】
１  貼り合わせ基板製造装置
２  ホルダ
３  回転軸
４  連結部材
【図１】
2010040700.tif 000003
【図２】
2010040700.tif 000004
【図３】
2010040700.tif 000005
【図４】
2010040700.tif 000006
【図５】
2010040700.tif 000007