(57)【要約】【課題】ガラスとＳｉの接合において、従来の加熱接合や陽極接合においては時間がかかり生産効率が悪かった。また、熱膨張差によりそりが発生し、デバイスに不具合がおこる課題があった。【解決手段】そこで本発明においては、被接合物同士の接合面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波により表面活性化処理した後、常温のもと仮接合する装置と、加熱を加えて本接合する装置を分離し、複数の本接合装置を並べる方法を提供することにある。また、両側から封入するデバイスにおいては両側のガラスを表面活性化により常温で仮接合した後、加熱本接合することによりそりなく接合することができる。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合物同士の接合面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波により表面活性化処理した後、接合する方法において、常温のもと仮接合する工程または装置と、加熱を加えて本接合する工程または装置を分離する方法。
【請求項２】
仮接合工程または装置の数１に対し、複数の本接合工程または装置をバランスさせる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
３枚以上の被接合物を重ねて接合する方法において、線膨張係数が等しい被接合物で、線膨張係数の異なる被接合物を両側から挟み込む請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記仮接合を減圧チャンバー中で、減圧下またはガス置換された中で接合し、前記本接合を大気中で行う請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記エネルギー波がプラズマである請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記プラズマが減圧プラズマであり、処理後、同じチャンバー内で連続して被接合物同士を真空中で接触させ接合を行う請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記プラズマにより接合面を親水化処理し、仮接合する請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
プラズマにより親水化処理時または処理後、Ｈ２０またはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、接合する請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記プラズマによる親水化処理をエッチング力を高めた物理処理後、大気に暴露することなくエッチング力を弱めた化学処理を行う請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記物理処理をＡｒプラズマにより行い、化学処理を酸素プラズマにて行う請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記本接合時に電圧を印加して陽極接合を行う請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも一方の被接合物がＳｉまたはＳｉＯ２、ガラス、セラミック系を含む酸化物である請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
被接合物がウエハーまたはウエハーから切り出されたチップであり、請求項１〜１１の方法で作られた半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイス。
【請求項１４】
被接合物同士の接合面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波により表面活性化処理した後、接合する方法において、エネルギー波により表面活性化する手段を備え、常温のもと仮接合する工程と、加熱を加えて本接合する工程を分離した接合装置。
【請求項１５】
前記仮接合工程の数１に対し、複数の本接合工程をバランスさせる請求項１４に記載の接合装置。
【請求項１６】
線膨張係数が等しい被接合物で、線膨張係数の異なる被接合物を両側から挟み込み、３枚以上の被接合物を重ねて陽極接合する方法において、中央部材から両端部材に向けて電圧を同時に印加する手段を持つ請求項１４または１５に記載の接合装置。
【請求項１７】
前記仮接合工程に減圧チャンバーを備え、仮接合を減圧チャンバー中で、減圧下またはガス置換された中で接合し、前記本接合を大気中で行う請求項１４〜１６のいずれかに記載の接合装置。
【請求項１８】
前記エネルギー波がプラズマであり、プラズマ処理手段を備えた請求項１４〜１７のいずれかに記載の接合装置。
【請求項１９】
前記プラズマが減圧プラズマであり、減圧可能な真空チャンバーとプラズマ発生手段とプラズマ反応ガス供給手段を備え、処理後、同じチャンバー内で連続して被接合物同士を真空中で接触させ接合を行う請求項１８に記載の接合装置。
【請求項２０】
前記プラズマにより接合面を親水化処理し、仮接合する請求項１８または１９に記載の接合装置。
【請求項２１】
水ガス発生手段を備え、プラズマにより親水化処理時または処理後、Ｈ２０またはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、接合する請求項２０に記載の接合装置。
【請求項２２】
被接合物に対するエッチング力を切り替える減圧プラズマ処理手段を備え、前記プラズマによる親水化処理をエッチング力を高めた物理処理後、大気に暴露することなくエッチング力を弱めた化学処理を行う請求項２０または２１に記載の接合装置。
【請求項２３】
前記物理処理をＡｒプラズマにより行い、化学処理を酸素プラズマにて行う請求項９に記載の接合装置。
【請求項２４】
加熱手段と電圧印加手段を備え、前記本接合時に電圧を印加して陽極接合を行う請求項１４〜２３のいずれかに記載の接合装置。
【請求項２５】
少なくとも一方の被接合物がＳｉまたはＳｉＯ２、ガラス、セラミック系を含む酸化物である請求項１４〜２４のいずれかに記載の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエハーなどの複数の被接合物をプラズマなどエネルギー波処理により仮接合し、加熱を伴う本接合工程と切り分ける方法及び接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
また、特許文献１に示す常温接合方法では金属同士をＡｒイオンビームによりエッチングし、表面活性化させた状態で常温で接合する例が示されている。しかし、この方法では、表面の有機物や酸化膜を除去して金属のダングリングボンドで活性化された面を作りだし、原子間力により接合するため、半導体であるＳｉや特に酸化物であるガラスやＳｉＯ２は強固に接合できない。
【０００３】
また、図１１に示すように、従来アライメントは露光機用のマスクとウエハーを位置あわせするマスクアライナーが用いられ、大気中でアライメントして重ね合わせ、ジグやクリップでとめて、接合チャンバーへ運び、高温のもと加熱接合している。真空中で接合する場合は、減圧チャンバー中でガラスをＳｉと隙間をあけて保持し、真空に引いてからガラスを下降させて接触し加熱接合を行っている。
【０００４】
また、特許文献２に示すように被接合物を対向配置し、プラズマ処理した場合には、必ずどちらかの被接合物側がプラズマ電極となり、反応ガスイオンが加速されて衝突するため、有機物層を取り除く物理的なエッチングには適するがＯＨ基などの化学処理には強すぎて向かない。
【０００５】
また、従来、Ｓｉとガラスのウエハー接合において、両ウエハーを接触させた状態でガラス側をカソードとして電圧を印加し、かつ５００℃程度の高温に加熱することで陽極接合させる方法が知られている。
【０００６】
また、図８に示すように高周波デバイスやＭＥＭＳデバイスは片側や両側から封止する方法がよく用いられる。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５４−１２４８５３
【特許文献２】特開２００３−３１８２１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示す常温接合方法では、表面の有機物や酸化膜を除去して金属や半導体の活性化された面を作りだし原子間力により接合するため、金属以外のＳｉ半導体や特に酸化物であるガラスやＳｉＯ２は強固に接合できない。また、常温であるが故に、軟化していないので、微小なパーテクルからなるゴミや表面の平坦度うねりにより接合できない隙間や残留応力を残すために接合強度不足の部分をつくってしまうことになる。そのため、低温でも数時間のアニーリングを加えて残留応力を除去してやる必要がある。
【０００９】
また、図１１のようにジグで固定する方法も考えられるが、高い位置合わせ精度が必要である場合や真空中で接合する必要がある場合には、課題が残り、次に例を示す。従来のマスクアライナーを用いたアライメント方法では、大気中でアライメントするため、接合チャンバーへ搬送するために図１１に示すようにジグで固定して搬送する。また、例えアライメント後にジグで隙間を空けたまま搬送し、真空チャンバー内で接合を行うとしても、隙間を閉じる時に位置ずれをおこし数μｍ以内の高精度な接合は難しい。また、大気でアライメントした後、同チャンバーを減圧する場合には、減圧によるチャンバーのひずみや保持手段の引力によるズレなどから精度は上がらない。
また、特許文献２に示すように被接合物を対向配置し、プラズマ処理した場合には、必ずどちらかの被接合物側がプラズマ電極となり、反応ガスイオンが加速されて衝突するため、有機物層を取り除く物理的エッチングには適するがＯＨ基などの化学処理による表面活性化には強すぎて向かない。
【００１０】
また、従来の方法では陽極接合に数時間を要するため、生産効率が悪かった。また、接着剤など使って仮接合するとＳｉとガラス間に異物を噛むことになるので陽極接合できなくなる。特に高精度に位置を合わせて接合するＭＥＭＳデバイスなどでは効率が悪いまま生産するしか手がなかった。
また、図８に示すように高周波デバイスやＭＥＭＳデバイスの片側や両側から封止する方法において、一般的に良く使われる材料で例をあげると、Ｓｉの片側または両側をガラスで封止する構造となる。しかし、３枚構造でも片側から順番に接合していくことになるのでＳｉとガラスの線膨張係数の差から図９〔１〕に示すように接合時の加熱によりそりが発生してしまい、最悪割れることになる。
【００１１】
そこで本発明の課題は、被接合物同士の接合面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波により表面活性化処理した後、接合する方法において、常温のもと仮接合する工程または装置と、加熱を加えて本接合する工程または装置を分離する方法及び接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本発明に係る接合方法及び接合装置双方の手段を一括して以降に説明する。上記課題を解決するために本発明に係る接合方法及び接合装置は、被接合物同士の接合面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波により表面活性化処理した後、接合する方法において、エネルギー波照射手段を備え、常温のもと仮接合する工程または装置と、加熱を加えて本接合する工程または装置を分離する方法からなる。また、被接合物同士の接合面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波により表面活性化処理した後、接合する方法において、エネルギー波により表面活性化する手段を備え、常温のもと仮接合する工程と、加熱を加えて本接合する工程を分離した接合装置からなる。常温とは、従来低温で金属接合できる代表的なハンダが１８３℃で接合できるのに対し、さらなる低温での接合が可能となる１５０℃以下での接合を示し、室温であることがより好ましい。従来からの接合方法は接着剤を使用したり、高温加熱により拡散接合する方法が知られている。接着剤は仮接合することができるが、ＭＥＭＳのような微細な構造体の接合や、半導体のような電気的接合には使用できない。また、接着力も弱かったり、ガスを放出したり、水分を吸収するなどデメリットも多い。また、拡散方法では、高温であるため、材料の耐熱の問題や異種材料間の接合では線膨張係数の差からそりが発生したり、最悪割れるという問題が残る。しかし、エネルギー波により表面活性化処理し、表面活性化されたものを常温で直接接合できればこれらの課題は解決できる。しかし、常温であるが故、量産材料の表面粗さやうねりによる残留応力やひずみを除去してやらないと接合強度はアップしないので、仮接合には容易に使用できるが、本接合するためには、加熱のもと数時間アニーリングしてやることにより、接合強度をアップする必要があり、これをひとつの工程または装置で行うと量産効率は低下する。そのため、常温で張り合わせる仮接合工程と加熱による本接合工程を分離し、別装置としてやることで量産効率をアップすることができる。
また、仮接合工程または装置の台数１に対し、複数の本接合工程または装置をバランスさせる前述方法からなる。また、前記仮接合工程の数１に対し、複数の本接合工程をバランスさせる前記に記載の接合装置からなる。１台の仮接合装置に対し、複数の本接合装置でラインバランスをとってやることでさらに量産効率をアップすることができる。たとえば、仮接合に１０分かかり、本接合に１時間を要する場合は、仮接合装置１に対し、本接合装置を６並べてやることで１０分に１枚の接合が可能となる。コスト的にも６台の仮本一体装置を並べるより、１台の仮接合装置と単純に加熱するだけの本接合装置を６台並べるほうが圧倒的にコウトダウンできる。
また、３枚以上の被接合物を重ねて接合する方法において、線膨張係数が等しい被接合物で、線膨張係数の異なる被接合物を両側から挟み込む前述方法からなる。また、線膨張係数が等しい被接合物で、線膨張係数の異なる被接合物を両側から挟み込み、３枚以上の被接合物を重ねて陽極接合する方法において、中央部材から両端部材に向けて電圧を同時に印加する手段を持つ前記に記載の接合装置からなる。図８に示すように高周波デバイスやＭＥＭＳデバイスにおいては、片側を封止する方法と両側を封止する方法があるが、図９〔１〕に示すように片側を封止する方法では、２つの材料の線膨張係数の差からそりが発生する。図９〔２〕に示すように線膨張係数が等しい被接合物で、線膨張係数の異なる被接合物を両側から挟み込んだ後、加熱すれば両サイドから相反する力で打ち消すため、そりは発生しなくなる。しかし、従来の方法では、張り合わせ精度を出すためにはひとつずつ加熱して接合していくしか方法がなかった。これは、接着剤を使わずに仮止めするためにジグでクランプしてやることになるが、位置がずれたり、クランプするスペースがなかったりして問題があった。そのため表面活性化により常温で仮接合する方法を用いれば、図９〔２〕に示すように３つ以上の部材を両側を線膨張係数の等しい材料で挟み込んで位置精度をだして常温仮接合させた後、加熱して本接合することでそりなく高精度に接合することができる。もちろん仮接合装置に対し、複数の本接合装置を並べることで生産効率を上げることができる。
また、前記仮接合を減圧チャンバー中で、減圧下またはガス置換された中で接合し、前記本接合を大気中で行う前述方法からなる。また、前記仮接合工程に減圧チャンバーを備え、仮接合を減圧チャンバー中で、減圧下またはガス置換された中で接合し、前記本接合を大気中で行う前記に記載の接合装置からなる。図８に示すような内部を真空または不活性ガスで封止するデバイスにおいて、仮接合を減圧チャンバー中で減圧雰囲気またはガス置換雰囲気で行えば、本接合は大気中で行っても、仮接合状態で封止されているので大気が混入することはない。特に親水化処理で接合している場合は水が界面に介在しているので封止効果も高い。そのため本接合は大気中で行え、コストダウンと効率アップが達成される。
また、前記エネルギー波がプラズマである前述方法からなる。また、前記エネルギー波がプラズマであり、プラズマ処理手段を備えた前記に記載の接合装置からなる。また、エネルギー波が減圧または大気圧プラズマであれば、他のエネルギー波に比べて容易な真空度で扱え、コストダウンできる。また、大気圧プラズマであればより容易に扱える。但し、接合材料によっては減圧プラズマ処理をしないと接合できないものもあり、接合には優位である。
また、前記プラズマが減圧プラズマであり、処理後、同じチャンバー内で連続して被接合物同士を真空中で接触させ接合を行う前述方法からなる。また、前記プラズマが減圧プラズマであり、減圧可能な真空チャンバーとプラズマ発生手段とプラズマ反応ガス供給手段を備え、処理後、同じチャンバー内で連続して被接合物同士を真空中で接触させ接合を行う前期に記載の接合装置からなる。減圧プラズマ処理と接合を行うチャンバーを分割してハンドリングすることも可能であるが、図１や図５に示すように、同じチャンバー内で両被接合物を上下電極に対向保持し、プラズマ処理後、連続して接合することで、１チャンバーで済むのでコンパクト、コストダウンにつながり、また、接合が真空中であるのでボイドの噛み込みも防ぐことができる。
また、前期プラズマが交番電源を用いる方法からなる。また、前期プラズマが交番電源を用いる接合装置からなる。交番電源を用いることにより、プラスイオンとマイナス電子が交互に被接合物表面にあたるため、中和され、他のエネルギー波に比べチャージアップなどのダメージが少ない。そのため、半導体や各デバイスには好適である。
また、前記プラズマにより接合面を親水化処理し、仮接合する前述方法からなる。また、前記プラズマにより接合面を親水化処理し、仮接合する前記に記載の接合装置からなる。親水化処理による接合原理を図１０に示す。図１０[１]に示すように酸素プラズマによる親水化処理によりＳｉ表面にＯＨ基を付着させる。次に図１０[２]に示すように両被接合物を接触させ、水素結合により仮接合する。続いて図１０[３]に示すように加熱によりＨ２０を放出させ、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの強固な結合を得る。プラズマ処理により親水化処理して接合する方法がＳｉやガラス、ＳｉＯ２、セラミック系を含む酸化物接合には簡易で有効である。表面にＯＨ基を生成し、両表面のＯＨ基により水素結合させて仮接合できる。強固に本接合するにはその後数時間の加熱が必要となるが、仮接合であれば瞬時に完結する。また、図８に示すような封止を伴う接合においても親水化処理した仮接合が界面に水を伴うので封止性に優れている。親水化処理には一般的に酸素プラズマや窒素プラズマが使用され、大気圧プラズマでも接合が可能である。強固に接合することはそれなりに条件出しが難しいが、仮接合レベルでいい場合は親水化処理による接合は比較的容易にでき仮接合には適している。
また、プラズマにより親水化処理時または処理後、Ｈ２０またはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、接合する前述方法からなる。また、水ガス発生手段を備え、プラズマにより親水化処理時または処理後、Ｈ２０またはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、接合する前記に記載の接合装置からなる。Ｈ２０またはＨ、ＯＨ基を含むガスを水ガスとも呼ぶ。通常酸素プラズマにより処理し、大気中を搬送されると雰囲気中には水分が含まれるため、自然とＯＨ基が作られるが、不純物や有機物の付着を避けるために真空中で大気に暴露することなく接合まで進める場合には、水分が不足してＯＨ基が十分作られない場合が生じる。そのため、酸素プラズマ処理時または処理後接合までの間にＨ２０またはＨ、ＯＨ基を含むガスを供給してやることが有効である。水ガスをそのまま供給することもできるが、水ガスを酸素に混入するか、酸素プラズマ処理後、連続して水ガスを反応ガスとしてプラズマ処理してやることで活性化し、より有効である。
また、前記プラズマによる親水化処理をエッチング力を高めた物理処理後、大気に暴露することなくエッチング力を弱めた化学処理を行う前述方法からなる。また、被接合物に対するエッチング力を切り替える減圧プラズマ処理手段を備え、前記プラズマによる親水化処理をエッチング力を高めた物理処理後、大気に暴露することなくエッチング力を弱めた化学処理を行う前記に記載の接合装置からなる。プラズマ処理による洗浄工程をプラズマ処理後半においてエッチング力を弱めてプラズマ処理を行うことにより、親水化処理がうまく行われる。通常のプラズマ処理においては物理処理により不純物を除去し、化学処理により表面にＯＨ基を付けて並べたり、窒素などの置換が行われるが、せっかく表面に化学処理されたものがエッチング力が強いので除去され、表面を均一に化学処理することは難しい。そこでプラズマ処理後半において、エッチング力を弱めてプラズマ処理することにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に化学処理を行い、表面活性化処理を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができ、また、仮接合をしやすくできる。また、プラズマ処理後半とは時間的に半分とは限らず時間に関係しない意味を持つ。また、プラズマ処理前半と後半は間隔があっても良いが、連続された方が化学処理上好ましい。
【００１３】
また、前記エッチング力を切り替える減圧プラズマ処理手段が、プラズマ電極を被接合物保持電極と対向面電極の２箇所に切り替え可能に配置したものからなり、被接合物保持電極側に電源を印加してプラズマ処理を行い、次いで対向面電極側に電源を印加してエッチング力を弱めてプラズマ処理を行う前述方法及び接合装置からなる。プラズマ電極側では、電界が作られるためイオンが加速して衝突するのでエッチング力が増し、電極と対向面ではイオンは加速衝突しないのでエッチング力は低いが、加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進される。プラズマ電極を被接合物保持電極と対向面電極の２箇所に切り替え可能に配置し、被接合物保持電極側に電源を印加してプラズマ処理を行い、次いで対向面電極側に電源を切り替えてエッチング力の弱いプラズマ処理を行うことにより、不純物を除去し、かつ、エッチング力を弱めることにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に表面活性化を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができる。従来の被接合物保持電極のみにプラズマ電源を印加した場合と、被接合物保持電極と対向面電極を切り替え処理した場合の温度と接合強度の違いを図６に示す。ここでの接合強度は測定方法により倍近い強度を示す場合もあり、比較的低い強度データではあるが比較データとして用いる。従来方法では十分な強度を得るのに４００℃必要であったが、本方式では常温から２００℃以内で十分な接合強度を得ることができた。また、対向電極とは、平行平板型のように対向配置しても良いが、電極以外の周囲に配置しても同様な効果が表れる。また、スパッタエッチングによる電極材料の再付着を避けるためには、対向面より側面の方が好ましい。本文でいう対向面電極とはこれらの周囲の部位に電極を配置することも含む。
【００１４】
また、前記エッチング力を切り替える減圧プラズマ処理手段が、Ｖｄｃが調整可能であるＲＦプラズマ電源からなり、プラズマ処理後半においてＶｄｃ値を変化させ、エッチング力を弱めてプラズマ処理を行う前述方法及び接合装置からなる。プラズマ電極側では、電界が作られるが、Ｖｄｃ値によりイオンが衝突する速度が変わる。例えば＋酸素イオンはＶｄｃ値が−である程加速されエッチング力は増加し、０に近づく程、速度は遅くなり、エッチング力は低下し、加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進される。Ｖｄｃ値を−側に大きくしてプラズマ処理を行い、次いでＶｄｃ値を０に近づけ吸着工程を行うことにより、プラズマ処理後半に、エッチング力を弱めたプラズマ処理を行うことにより、不純物を除去し、かつ、エッチング力を弱めることにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に表面活性化を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができる。接合結果も図６と同様な結果が得られた。
【００１５】
また、前記エッチング力を切り替える減圧プラズマ処理手段が、パルス幅が調整可能であるパルス波プラズマ電源からなり、プラズマ処理後半においてパルス幅を変化させ、エッチング力を弱めてプラズマ処理を行う前述方法及び接合装置からなる。プラズマ電極側では、電界が作られるが、パルス幅を調整することにより＋イオンが衝突する−電界の時間と衝突が弱まる−電界が弱い時間との間隔を調整することができる。−電界の時間を多くすると＋イオンの衝突は強められ、−電界の時間を少なくすると＋イオンの衝突は弱められる。例えば＋酸素イオンは−電界の時間を長くする程加速されエッチング力は増加し、−電界の時間を短くする程速度は遅くなり、エッチング力は低下し、加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進される。パルス幅を調整して−電界の時間を多くしてプラズマ処理を行い、次いで−電界の時間を短くしてプラズマ処理を行うことにより、エッチング力を強めた減圧プラズマ処理後、エッチング力を弱めた減圧プラズマ処理にて、不純物を除去し、かつ、エッチング力を弱めることにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に表面活性化を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができる。接合結果も図６と同様な結果が得られた。
【００１６】
また、前記エッチング力を切り替える減圧プラズマ処理手段が、ＲＦプラズマと表面波プラズマを組み合わせて切り替える方法からなり、プラズマ処理前半はＲＦプラズマにより直接被接合物保持手段を電極として処理し、後半において表面波プラズマによるラジカルを発生させ、イオンをグリッド板でトラップして照射する前述方法からなる。また、ＲＦプラズマ発生手段と表面波プラズマ発生手段、イオントラップ板を備え、前記エッチング力を切り替える減圧プラズマ処理手段が、ＲＦプラズマと表面波プラズマを組み合わせて切り替える方法からなり、プラズマ処理前半はＲＦプラズマにより直接被接合物保持手段を電極として処理し、後半において表面波プラズマによるラジカルを発生させ、イオンをグリッド板でトラップして照射する前述接合装置からなる。エッチング力を高めて物理処理した後、エッチング力を弱めて科学処理するプラズマ手段としては、ＲＦプラズマと表面波プラズマを組み合わせて使用する方法が効果が高い。表面波プラズマはラジカルを多く生成するには適しており、アースに落としたグリッド上の穴あき板からなるイオントラップ板を通して被接合物にダウンフローしてやる方法がより好ましい。結果は図６におけるエッチング力切り替え手段と同等レベルを示し、酸素をＲＦプラズマで窒素を表面波プラズマに使用することでより接合条件は向上し好ましい。
また、前記物理処理をＡｒプラズマにより行い、化学処理を酸素プラズマにて行う前述方法からなる。また、前記物理処理をＡｒプラズマにより行い、化学処理を酸素プラズマにて行う前記に記載の接合装置からなる。エネルギー波により表面をエッチングし、付着物を除去し、基材の新生面が露出した状態で大気に暴露することなく、続いて酸素プラズマにより親水処理することで、有機物層を伴わない親水処理ができる。そのため、水素結合力による接合後の強度やアニーリング後の強度も弱い有機物層からの剥がれが無いため、拡散させなくとも水素結合後のＨ２０を放出させるための低温でのアニーリングのみで十分な接合強度を得ることが可能となる。図６に示すように、従来の大気搬送後の酸素プラズマ処理で接合する方法では常温で３ＭＰａの接合強度で２００℃で６ＭＰａ、４００℃で９ＭＰａとなっている。これは大気搬送中に有機物が付着し、有機物層を含んだ接合面を含むため接合強度が上がらず、拡散によってのみ強度アップしている。しかし、真空中でＡｒエッチングによるドライ洗浄後、大気に暴露することなく引き続き酸素プラズマにより親水化処理されたものは、常温でも５ＭＰａの接合強度であり、２００℃で８ＭＰａと十分な接合強度を得ることができた。ちなみにＡｒイオンビーム処理後の高真空中での接合強度を測定すると常温で５ＭＰａ、４００℃加熱してもそのままと接合強度が従来方法以上に上がらないことが分かった。
また、前記エネルギー波によりエッチングする量は１ｎｍ以上である前述方法及び接合装置からなる。被接合物表面に存在する付着物はウェット洗浄後においても大気に暴露すると数秒で１ｎｍ以上付着することから少なくとも１ｎｍ以上エッチングすることが有効である。
また、前記本接合時に電圧を印加して陽極接合を行う前述方法からなる。また、加熱手段と電圧印加手段を備え、前記本接合時に電圧を印加して陽極接合を行う前記に記載の接合装置からなる。少なくとも一方の被接合物が電圧の印加によりイオンに分離する元素が混入された材料からなり、静電力により両被接合物を密着させるので接合や共有結合がし易くなる。両被接合物を接触させ、電圧を印加し、加熱して陽極接合を行う。一方がガラスである場合、加熱はガラスを軟化させ、相手側被接合物に隙間無く倣わせることができる。また、被接合物同士の平坦度、平面度が出ていれば軟化させる必要もなく常温でも接合強度はそれなりに上がるが、量産ベースの材料ではコスト面からもゴミとなる微小パーティクルや凹凸うねりも存在するため有効な方法である。
また、前記接合面がお互いに密着し合う面形状をしており、前記接合表面にパーティクルが１つ以上乗っており、本接合を陽極接合する前期に記載の方法からなる。また、前記接合面がお互いに密着し合う面形状をしており、前記接合表面にパーティクルが１つ以上乗っており、本接合を陽極接合する前期に記載の接合装置からなる。前述のように微小パーティクルを挟み込んでも陽極接合であれば加熱によるガラスの軟化や静電気力による密着で隙間なく接合することができる。また、前記本接合時に３００Ｍｐａ以下の加圧力で陽極接合する方法からなる。また、前記本接合時に３００Ｍｐａ以下の加圧力で加圧する加圧手段を備え、陽極接合する接合装置からなる。前述の常温接合においては材料が軟化していないので３００Ｍｐａ以上の加圧力が必要となるが、陽極接合による加熱と静電気力により３００Ｍｐａ以下での接合、例えば１００Ｍｐａで接合が可能となる。
また、少なくとも一方の被接合物がＳｉまたはＳｉＯ２、ガラス、セラミック系を含む酸化物である前述方法からなる。また、少なくとも一方の被接合物がＳｉまたはＳｉＯ２、ガラス、セラミック系を含む酸化物である前記に記載の接合装置からなる。従来の方法に記載したように、Ａｒイオンでのエッチングによる表面活性化方法は低温で接合できる方法であるが、表面の有機物や酸化膜除去して金属の電気的活性化された面を作りだし原子間力により接合するため、金属以外の半導体や特に酸化物の接合では強固な本接合は難しく、仮接合に適する。よって本発明は金属でないＳｉなどの半導体や、特に酸化物を含んだＳｉＯ２、ガラス、セラミックに対して常温での仮接合性と加熱による本接合によりＳｉ−Ｏなどの共有結合がし易く接合強度も上がるため本発明方式が適する。
また、被接合物がウエハーまたはウエハーから切り出されたチップであり、請求項１〜９の方法で作られた半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイス。  また、本方式が特に適する被接合物の形態は、被接合物がウエハーまたはウエハーから切り出されたチップである前述方法及び接合装置からなる。また、本方式にて作られた半導体装置であることからなる。半導体においてＳｉは基材として用いられるため本方式は特に適する。また、半導体とパッケージとの封止や接合においても絶縁体であるガラス、セラミック、ＳｉＯ２は頻繁に用いられ有効である。形態としては半導体の製造工程であるウエハー上でハンドリングして張り合わせるとが一番有効であるが、ダイシング後のチップ状態でも適する。
【発明の効果】
【００１７】
被接合物同士の接合面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波により処理した後、接合する方法において、常温のもと仮接合する工程または装置と、加熱を加えて本接合する工程または装置を分離することで、生産効率をアップさせたり、３枚以上の積層構造によりそりを発生しない構成が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図７に示すように本発明の一実施形態としてとして構成を示す。エネルギー波処理としてプラズマ処理装置〔１〕で接合表面を表面活性化し、真空中での常温仮接合を、仮接合装置〔２〕で行い、大気中での加熱本接合を本接合装置〔３〕を複数台でバランスさせて生産効率を上げている。また、プラズマ処理装置〔１〕と仮接合装置〔２〕は同一装置でも構成できる。図２にプラズマ処理装置〔１〕と仮接合装置〔２〕を同一装置とした本発明の一実施形態に係るガラスとＳｉのウエハーを仮接合する仮接合装置を示す。
この実施形態では、被接合物であるウエハーを上下に対向して保持させた状態でチャンバーを閉じ、真空内で場合によってはＡｒプラズマによる不純物エッチング後、酸素プラズマにより親水化処理後、仮接合させ、場合によっては１５０℃以内の加熱により強度アップさせる装置である。装置構成は、上ウエハー７を保持し、Ｚ軸１により昇降制御と加圧制御を行うヘッド部と、下ウエハー８を保持し、場合によってはウエハーをアライメントするステージ部に分けられる。Ｚ軸１には圧力検出手段が組み込まれ、Ｚ軸サーボモータのトルク制御へフィードバックすることで加圧力制御を行う。別途アクチュエータにより昇降可能なチャンバー壁３が下降し、チャンバー台１０に固定パッキン５を介して接地した状態で真空に引き、反応ガスを導入してプラズマ処理を行い、ヘッド部が下降して両ウエハーを接合する構成となっている。また、場合によっては上部電極６、下部電極７は加熱ヒータも備えており、接合時に低温で加熱することもできる。
【００１９】
図２に示すように動作を順を追って説明すると、[１]のようにチャンバー壁３が上昇した状態で上ウエハー７を上部電極６に保持させる。続いて下ウエハー８を下部電極９に保持させる。保持させる方法はメカニカルなチャッキング方式もあるが、静電チャック方式が望ましい。続いて[２]に示すようにチャンバー壁３を下降させ、チャンバー台１０に固定パッキン５を介して接地させる。チャンバー壁３はシュウドウパッキン４により大気と遮断されているので、吸入バルブ１３を閉止した状態で排出バルブ１４を空け、真空ポンプ１５により真空引きを行うことでチャンバー内の真空度を高めることができる。次に[３]に示すようにチャンバー内を反応ガスで満たす。真空ポンプ１５は動作させながら排出バルブ１４の排出量と吸入バルブ１３でのガス吸入量をコントロールすることである一定の真空度に保ちながら反応ガスで満たすことが可能である。[４]、[５]に示すように、本方式では、Ａｒプラズマによる不純物エッチング場合には、まずＡｒガスを充満させ、１０−２Torr程度の真空度で下部電極９に交番電源プラズマ電圧を印加することでプラズマを発生させ、下部ウエハー８表面をＡｒエッチングにより洗浄する。続いて、上部電極６に同様な交番電源を印加することで上部ウエハーをＡｒエッチングにより洗浄する。次に[２]のようにチャンバー内を真空に引きＡｒを排出する。場合によっては両電極を１００℃程度に加熱しながら真空引きを行うことにより表面に付着したり部材内部に打ち込まれたＡｒを排出する。次に[３]、[４]、[５]動作をＡｒに替わって酸素ガスを供給することで表面を酸素プラズマ処理する。
【００２０】
Ａｒと酸素の２ガスを１チャンバーで切り替える方法はガス切替弁１６にてＡｒと酸素ガスを選択して供給することができる。まずＡｒを選択して充填した後、吸入バルブ１３を閉じてチャンバー内を真空引きしＡｒを排出した後、ガス切替弁１６にて酸素ガスに切り替え、吸入バルブ１３を開き、チャンバー内を酸素ガスで充満させる。また、このガス切替弁１６は大気を吸入させることもできるのでチャンバーを開く時に大気解放させることもできる。
【００２１】
次に、水ガスを供給し、場合によっては反応ガスとしてプラズマ処理し、表面を親水化処理する。続いて、[６]に示すように、真空中でチャンバー壁３とシュウドウパッキン４で接しながらピストン型ヘッド２がＺ軸１により下降され、両ウエハーを真空中で接触させ、水素結合力により仮接合させる。チャンバー内はチャンバー壁３とピストン型ヘッド２との間のシュウドウパッキン４により外部雰囲気と遮断され、真空に保持された状態でピストン型ヘッド部が下降することができる。また、場合によっては同時に両電極に仕込まれたヒータにより１５０℃以内に加熱し、強度アップを行う。その後、[７]に示すようにチャンバー内に大気を供給し大気圧に戻して、ヘッド部を上昇させ、接合された両ウエハーを取り出す。
【００２２】
また、場合によっては、接合に際し、両ウエハーの位置をアライメントした後、接合する場合もある。図３に真空引きする前にアライメントする方法を示す。上ウエハー７にはアライメント用の上マーク２３が２箇所に付けられ、下ウエハー８にはアライメント用の下マーク２４が同様な位置２箇所に付けられている。両ウエハーの間に２視野認識手段２５を挿入し、上下のマーク位置を認識手段で読み取る。２視野の認識手段２５は上下のマーク像をプリズム２６により分岐し、上マーク認識手段２７と下マーク認識手段２８に分離して読み取る。２視野認識手段２５はＸＹ軸と場合によってはＺ軸を持ったテーブルで移動され、任意の位置のマークを読み取ることができる。その後、アライメントテーブル２０により下ウエハー８の位置を上ウエハー７の位置に補正移動させる。移動後、再度２視野認識手段２５を挿入して繰り返して補正し、精度を上げることも可能である。
【００２３】
図４に真空引きした後の接合する前にでもアライメントできる方法を示す。高精度に両被接合物をアライメントする必要がある場合には、プラズマ処理する工程の後、アライメントしてやる必要がある。これは、プラズマ処理の発熱により、被接合物や被接合物保持手段が熱膨張により位置ずれを起こすためであり、プラズマ処理後に両被接合物の位置を認識手段により認識してアライメントすることで位置ずれ無く数μｍ以内の高精度な接合が可能となる。アライメントのための被接合物を平行移動及び／又は回転移動させる手段は真空チャンバー内に設けることが精度上好ましく、両被接合物の位置を認識する認識手段となる光学系や撮像素子はチャンバーにガラス窓を設けることによりチャンバー外に設けることが好ましい。光学系や撮像素子は真空中で使用できないものが多く、精度を維持するためには外部大気中に設置することが好ましい。また、アライメントのための移動手段は外部からの操作では微少な移動を行うことは難しく、高精度を出すためにはチャンバー内に設けることが好ましい。また、プラズマ処理工程とアライメント工程及び／または仮接合工程を個別のチャンバーで行い、クラスター構造として真空中の搬送手段でつなげることも可能ではあるが、複雑で高価な装置となってしまう。これを図１に示すような装置構成で、かつ、図４に示すようなアライメント方法を用いることで１つのチャンバーで連続して行うことが可能となり、装置の簡易化コストダウンが可能となる。また、連続して行うことで付着物を最小限に押さえることができる。上ウエハー７にはアライメント用の上マーク２３が２箇所に付けられ、下ウエハー８にはアライメント用の下マーク２４が２箇所に付けられている。上下マークは重なっても同視野で認識できるような形状となっている。プラズマ処理後の両ウエハーを近接させ、マーク読みとり用透過部１９とガラス窓２１を透過してＩＲ認識手段２２により下ウエハーを透過して金属でつけられた上下のアライメントマークを同時に認識して位置を読み取る。焦点深度が合わない場合は、ＩＲ認識手段２２を上下移動させて読み取る場合もある。ＩＲ認識手段２２はＸＹ軸と場合によってはＺ軸を持ったテーブルで移動され任意の位置のマークを読み取ることができるようにしても良い。その後、アライメントテーブル２０により下ウエハー８の位置を上ウエハー７の位置に補正移動させる。移動後、再度ＩＲ認識手段２２により繰り返して補正し、精度を上げることも可能である。ＩＲ認識方式はＳｉ同士の接合にも使用できる。また、ガラスを下にＳｉを上に保持した場合は、可視光でもアライメントが可能である。
【００２４】
酸素プラズマ処理後、Ｈ２０またはＨ、ＯＨ基を含むガスに置換した後接合する方法として、水ガスが容易であるが、Ｈ２０分子ビーム、水素ガスなども用いることができる。
【００２５】
Ａｒプラズマにてエッチングすることが効率上好ましいが、窒素、酸素など他のガスでエッチングすることも可能であり、本発明に含む。
【００２６】
ＩＲ認識手段にてマークを読み取る構成において、マーク読みとり用透過部１９やガラス窓２１、アライメントテーブル間の空間などにおけるＩＲ光源の通り道は、空間やガラスに限らず、ＩＲ光を透過する材質で構成されてあれば良い。また、反射光のみならずＩＲ（赤外）認識手段の反対側に光源を用いて透過光としても良い。
【００２７】
プラズマ処理する方法として交番電極面のウエハーを洗浄するのが効率上好ましいが、均一性やダメージ軽減から電極をウエハー以外の場所に設置しウエハーを洗浄する場合もある。
【００２８】
次にプラズマ処理をウエハーを対向配置した位置で行わず、スライドさせた位置で行う仮接合装置を図５に示す。スライドさせた位置でプラズマ処理することで、エッチングされた物質が対向ウエハーへ再付着することを防止したり、ウエハーと対向した面を電極とすることでエッチング力を弱めて化学処理を増進させＯＨ基を付着しやすくすることができる。プラズマ処理後は下部ステージが上部ウエハーと対向する位置までスライドし、前述同様な接合処理を行う。
【００２９】
また、エネルギー波処理がプラズマ以外のイオンビームや原子ビームである場合には図５の装置にビーム照射装置を２つ取り付けて、スライドさせた位置で斜めからウエハー表面に個別に照射させればいい。
【００３０】
前述の仮接合装置は、もちろん、プラズマなどエネルギー波処理を専用装置で行い、エネルギー波処理を除いた仮接合装置として使用することもできる。
次に本接合装置について説明する。本接合装置はすでに仮接合装置において、真空封止やガス封入された状態であるので、大気中で加熱するだけの簡易な装置でもよい。場合によっては陽極接合装置として電圧を印加して加熱によりガラスを軟化させ、ゴミの噛み込みや材料の凹凸、うねりによる隙間を埋めて接合面積を上げて強度アップさせることができる。この簡易な本接合装置を図７に示すように複数台並べることで生産効率をアップさせ、コストダウンをはかることができる。
図９〔２〕に示すように３つ以上の部材を両側を線膨張係数の等しい材料で挟み込んで位置精度をだして常温仮接合させた後、加熱して本接合することでそりなく高精度に接合することができる。
また、プラズマ処理工程をプラズマ処理後半においてエッチング力を弱めてプラズマ処理を行うことにより、親水化処理がうまく行われる。通常のプラズマ処理においては物理処理により不純物を除去し、化学処理により表面にＯＨ基を付けて並べたり、窒素などの置換が行われるが、せっかく表面に化学処理されたものがエッチング力が強いので除去され、表面を均一に化学処理することは難しい。そこでプラズマ処理後半において、エッチング力を弱めてプラズマ処理することにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に化学処理を行い、表面活性化処理を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができ、また、仮接合をしやすくできる。エッチング力を切り替える方法はプラズマのＶｄｃ値を切り替えたり、パルス幅を切り替えたり、ウエハーと対向面を電極にしたり、ＲＦプラズマと表面波プラズマを切り替えたりすることで行える。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施態様に係る仮接合装置の概略構成図である。
【図２】実際の仮接合課程を示すフロー図である。
【図３】２視野認識手段を用いた大気中でのアライメント構成図である。
【図４】ＩＲ認識手段を用いた真空中でのアライメント構成図である。
【図５】ステージスライド式仮接合装置図である。
【図６】接合の比較グラフである。
【図７】仮、本接合装置を効率よく構成した図である。
【図８】封止を伴うデバイス図である。
【図９】加熱によるそりを示す図である。
【図１０】親水化処理による接合化学式を示す図である。
【図１１】マスクアライナーを用いた従来の接合方式図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  Ｚ軸
２  ピストン型ヘッド
３  チャンバー壁
４  シュウドウパッキン
５  固定パッキン
６  上部電極
７  上ウエハー
８  下ウエハー
９  下部電極
１０  チャンバー台
１１  吸入口
１２  排出口
１３  吸入バルブ
１４  排出バルブ
１５  真空ポンプ
１６  ガス切替弁
１７  ガスＡ
１８  ガスＢ
１９  マーク読みとり用透過部
２０  アライメントテーブル
２１  ガラス窓
２２  ＩＲ認識手段
２３  上マーク
２４  下マーク
２５  ２視野認識手段
２６  プリズム
２７  上マーク認識手段
２８  下マーク認識手段
１００  ガラス
１０１  シリコン
１０２  アライメントステージ
１０３  ガラス保持手段
１０４  顕微鏡
２０１  トルク制御式昇降駆動モータ
２０２  Ｚ軸昇降機構
２０３  θ軸回転機構
２０４  圧力検出手段
２０５  ベローズ
２０６  ＸＹアライメントテーブル
２０７  ヘッド
２０８  ステージ
２０９  下ウエハー
２１０  上ウエハー
２１１  真空チャンバー
２１２  ヘッド側認識手段
２１３  ステージ側認識手段
２１４  ガラス窓
２１５  排気管
２１６  排気弁
２１７  真空ポンプ
２１８  吸気管
２１９  吸気弁
２２０  吸入ガス切り替え弁
２２１  Ａｒ
２２２  Ｏ２
２２３  大気
２２７  上アライメントマーク
２２８  下アライメントマーク
２２９  スライド移動手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006073780.tif 000010
【図９】
2006073780.tif 000011
【図１０】
2006073780.tif 000012
【図１１】
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