(57)【要約】【課題】エネルギー波により接合面を洗浄した被接合物を大気中に取り出した後接合までの間、洗浄された接合面に異物層が付着することを適切に防止して、大気中での接合をより確実にかつ容易に行うことが可能な接合方法および装置を提供する。【解決手段】基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合するに際し、前記金属接合部の接合面をエネルギー波により洗浄し、洗浄された接合面の雰囲気を特殊ガスに置換して接合面上に特殊ガスに由来する特殊皮膜を形成した後、大気中で前記特殊皮膜を除去又は破壊しながら金属接合部同士を接合することを特徴とする接合方法、および接合装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合するに際し、前記金属接合部の接合面をエネルギー波により洗浄し、洗浄された接合面の雰囲気を特殊ガスに置換して接合面上に特殊ガスに由来する特殊皮膜を形成した後、大気中で前記特殊皮膜を除去又は破壊しながら金属接合部同士を接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記金属接合部の接合面のエネルギー波による洗浄を減圧下で行う、請求項１の接合方法。
【請求項３】
前記エネルギー波としてプラズマを用いる、請求項１または２の接合方法。
【請求項４】
接合時に加熱により前記特殊皮膜を除去する、請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
【請求項５】
接合時に加圧により前記特殊皮膜を破壊する、請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
【請求項６】
接合時に超音波印加により前記特殊皮膜を分解除去する、請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
【請求項７】
接合時にエネルギー波による洗浄により前記特殊皮膜を除去する、請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
【請求項８】
接合時に、加熱、加圧、超音波印加、エネルギー波による洗浄のうちの少なくとも２つを行い、前記特殊皮膜を除去又は／及び破壊する、請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
【請求項９】
前記特殊ガスとして窒素ガスを用いる、請求項１〜８のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１０】
前記特殊ガスとしてＡｒガスを用いる、請求項１〜８のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１１】
前記特殊ガスとして炭素を含むガスを用いる、請求項１〜８のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１２】
前記特殊ガスとしてフッ素を含むガスを用いる、請求項１〜８のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１３】
前記特殊皮膜の形成後金属接合部同士の接合までの間の、被接合物搬送、接合のための被接合物の保持および接合のための被接合物同士の位置合わせ工程のうちの少なくとも一つの工程で、特殊皮膜が形成されている接合面に対し非酸化性ガス又は特殊ガスを局所的に供給する、請求項１〜１２のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１４】
接合面が金、銅、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎのいずれかにより構成されている金属接合部同士を接合する、請求項１〜１３のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１５】
前記エネルギー波による洗浄により、前記金属接合部の接合される全表面で１．６ｎｍ以上の深さにエッチングする、請求項１〜１４のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１６】
金属接合部同士の接合時に、金属接合部間の隙間のばらつきを最大４μｍ以下にする、請求項１〜１５のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１７】
金属接合部同士の接合時に、被接合物間の平行度を４μｍ以内に調整する、請求項１〜１６のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１８】
少なくとも一方の金属接合部の表面硬度をビッカース硬度Ｈｖで１２０以下にする、請求項１〜１７のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１９】
基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合する装置であって、前記金属接合部の接合面にエネルギー波を照射する洗浄手段と、洗浄された接合面の雰囲気を特殊ガスに置換して接合面上に特殊ガスに由来する特殊皮膜を形成する特殊ガス置換手段と、被接合物の金属接合部同士を大気中で前記特殊皮膜を除去又は破壊しながら接合する接合手段とを有することを特徴とする接合装置。
【請求項２０】
前記洗浄手段が、減圧下で金属接合部の接合面にエネルギー波を照射する手段からなる、請求項１９の接合装置。
【請求項２１】
前記洗浄手段がプラズマ照射手段からなる、請求項２０または２０の接合装置。
【請求項２２】
前記接合手段が、接合時に加熱により前記特殊皮膜を除去する加熱手段を備えている、請求項１９〜２１のいずれかに記載の接合装置。
【請求項２３】
前記接合手段が、接合時に加圧により前記特殊皮膜を破壊する加圧手段を備えている、請求項１９〜２１のいずれかに記載の接合装置。
【請求項２４】
前記接合手段が、接合時に超音波印加により前記特殊皮膜を分解除去する超音波印加手段を備えている、請求項１９〜２１のいずれかに記載の接合装置。
【請求項２５】
前記接合手段が、接合時にエネルギー波による洗浄により前記特殊皮膜を除去する接合時エネルギー波洗浄手段を備えている、請求項１９〜２１のいずれかに記載の接合装置。
【請求項２６】
前記接合時エネルギー波洗浄手段が大気圧プラズマ照射手段からなる、請求項２５の接合装置。
【請求項２７】
前記接合手段が、接合時に加熱により前記特殊皮膜を除去する加熱手段、加圧により前記特殊皮膜を破壊する加圧手段、超音波印加により前記特殊皮膜を分解除去する超音波印加手段、エネルギー波による洗浄により前記特殊皮膜を除去する接合時エネルギー波洗浄手段のうちの少なくとも２つの手段を備えている、請求項１９〜２１のいずれかに記載の接合装置。
【請求項２８】
前記特殊ガス置換手段が、窒素ガスに置換する手段からなる、請求項１９〜２７のいずれかに記載の接合装置。
【請求項２９】
前記特殊ガス置換手段が、Ａｒガスに置換する手段からなる、請求項１９〜２７のいずれかに記載の接合装置。
【請求項３０】
前記特殊ガス置換手段が、炭素を含むガスに置換する手段からなる、請求項１９〜２７のいずれかに記載の接合装置。
【請求項３１】
前記特殊ガス置換手段が、フッ素を含むガスに置換する手段からなる、請求項１９〜２７のいずれかに記載の接合装置。
【請求項３２】
さらに、前記特殊皮膜の形成後金属接合部同士の接合までの間の、被接合物搬送、接合のための被接合物の保持および接合のための被接合物同士の位置合わせ工程のうちの少なくとも一つの工程で、特殊皮膜が形成されている接合面に対し非酸化性ガス又は特殊ガスを局所的に供給する手段を備えている、請求項１９〜３１のいずれかに記載の接合装置。
【請求項３３】
接合される両金属接合部の接合面が金、銅、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎのいずれかにより構成されている、請求項１９〜３２のいずれかに記載の接合装置。
【請求項３４】
前記洗浄手段が、前記金属接合部の接合される全表面で１．６ｎｍ以上の深さのエッチングが可能なエネルギー以上でエネルギー波を照射する手段からなる、請求項１９〜３３のいずれかに記載の接合装置。
【請求項３５】
前記接合手段が、金属接合部同士の接合時の隙間のばらつきを最大４μｍ以下にする手段からなる、請求項１９〜３４のいずれかに記載の接合装置。
【請求項３６】
前記接合手段が、金属接合部同士の接合時の被接合物間の平行度を４μｍ以内に調整する手段を備えている、請求項１９〜３５のいずれかに記載の接合装置。
【請求項３７】
少なくとも一方の金属接合部の表面硬度がビッカース硬度Ｈｖで１２０以下とされている、請求項２０〜３６のいずれかに記載の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップやウエハー、各種回路基板等の、基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合する接合方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
接合部を有する被接合物同士を接合する方法として、特許文献１には、シリコンウエハーの接合面同士を接合するに際し、接合に先立って室温の真空中で不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス高速原子ビームを照射してスパッタエッチングする、シリコンウエハーの接合法が開示されている。この接合法では、シリコンウエハーの接合面における酸化物や有機物等が上記のビームで飛ばされて活性化された原子で表面が形成され、その表面同士が、原子間の高い結合力によって接合される。したがって、この方法では、基本的に、接合のための加熱を不要化でき、活性化された表面同士を単に接触させるだけで、常温またはそれに近い低温での接合が可能になる。
【０００３】
しかし、この接合法では、エッチングされた接合面同士の接合は、真空中にて、表面活性化の状態を維持したまま行われなければならない。そのため、上記ビームによる表面洗浄から接合に至るまで、所定の真空状態に保たなければならず、とくに接合のための機構の少なくとも一部を所定の真空度に保持可能なチャンバ内に構成しなければならないためシール機構が大がかりになり、装置全体が大型かつ高価なものになる。また、上記ビームによる表面洗浄と接合の工程を分けるためにこれらを別の箇所で行おうとすると、両箇所間にわたって所定の真空状態に保つことや、該真空状態に保ったまま被接合物を洗浄箇所から接合箇所に搬送する手段が必要になり、現実的な装置設計が難しくなるとともに、さらに装置全体の大型化を招く。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２７９１４２９号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平９−２０５２７２号公報（特許請求の範囲）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなビーム照射によるスパッタエッチングにより表面洗浄して接合する方法に関して、最近、上述したような接合面の表面活性化による接合に対する利点を最大限確保しつつ、被接合物の金属接合部同士の接合を大気中で行うことの可能性が探究され始めた。表面活性化後、大気中での接合が可能になれば、真空中等で接合を行う場合に比べて、接合工程、装置を大幅に簡素化することが可能となる。
【０００６】
しかしながら、大気中で接合を行う場合、真空中での表面洗浄後、洗浄された被接合物を大気中に取り出すと、洗浄により表面活性化された接合面に酸化膜や有機物層、コンタミ層が付着するおそれがあり、このような異物層が比較的厚く形成されたり強固に付着していたりすると、現実的には大気中での接合は困難になる。
【０００７】
そこで本発明者らは、最近検討され始めた上記のような表面活性化による接合技術に着目して鋭意検討した結果、洗浄により表面活性化された接合面に接合時に容易に除去可能な特殊皮膜を形成しておけば、洗浄された被接合物を大気中に取り出しても実際の接合直前まで表面活性化された接合面に酸化膜や有機物層、コンタミ層が付着することを防止でき、接合時あるいは接合直前にその特殊皮膜を除去して表面活性化された接合面を露出させることにより、確実に大気中での接合が可能になることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の課題は、エネルギー波により接合面を洗浄した被接合物を大気中に取り出した後接合までの間、洗浄された接合面に異物層が付着することを適切に防止して、大気中での接合をより確実にかつ容易に行うことが可能な接合方法および装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る接合方法は、基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合するに際し、前記金属接合部の接合面をエネルギー波により洗浄し、洗浄された接合面の雰囲気を特殊ガスに置換して接合面上に特殊ガスに由来する特殊皮膜を形成した後、大気中で前記特殊皮膜を除去又は破壊しながら金属接合部同士を接合することを特徴とする方法からなる。金属接合部の接合面のエネルギー波による洗浄は、大気圧下で行うことも可能であり、減圧下で行うことも可能である。
【００１０】
金属接合部の接合面を洗浄するエネルギー波としては、プラズマを用いることが好ましく、とくに減圧下でのプラズマを用いることが好ましい。
【００１１】
接合に際し上記特殊皮膜を除去する方法としては、各種の方法を採用可能である。すなわち、接合時に加熱により前記特殊皮膜を除去することが可能である。加熱温度としては、固相での金属間の接合を促進させ、かつ装置の負担を抑えるために、１８０℃以下好ましくは１５０℃未満で特殊皮膜を除去できることが好ましい。また、接合時に加圧により特殊皮膜を破壊して洗浄面を露出させることも可能である。また、除去接合時に超音波印加により特殊皮膜を分解除去することも可能である。また、接合時にエネルギー波による洗浄により特殊皮膜を除去することも可能である。この特殊皮膜除去のための照射エネルギー波は、上述の接合面洗浄のためのエネルギー波よりも弱いものでよく、たとえば大気圧プラズマ等を使用できる。さらに、接合時に、加熱、加圧、超音波印加、エネルギー波による洗浄のうちの少なくとも２つを組み合わせて行い、それによって上記特殊皮膜をより効果的に除去することも可能である。
【００１２】
上記特殊皮膜を形成するための特殊ガスとしては、窒素ガス、Ａｒガス、炭素、フッ素を含むガス等を用いることができる。たとえば、洗浄後に窒素ガスやＡｒガス、炭素、フッ素を含むガスに置換すれば、窒素やＡｒ、Ｃ、Ｆの分子が接合面に付着した特殊皮膜を形成することができ、その状態で大気中を搬送して接合手段に装着し、接合時に、たとえば加圧により、その薄い皮膜を押し破って接合することができる。また、薄い皮膜であれば、加熱により拡散させることができる。また、超音波を印加することによっても、接合部における界面でのすべりを発生させ、それによって皮膜を分解除去して、接合することができる。さらに、特殊皮膜に上記事前洗浄より短時間でエネルギー波を照射し、それによって皮膜を除去して接合することもできる。たとえば、Ａｒプラズマで洗浄後炭素（Ｃ）系の特殊皮膜を形成することで大気中でも酸化が防げ、接合時の酸素プラズマにより容易に特殊皮膜は除去することができる。なお、上記特殊皮膜の形成は、水酸基、水素プラズマ・酸素プラズマによる置換によっても可能である。
【００１３】
また、本発明においては、エネルギー波による洗浄、特殊皮膜の形成後、接合に至るまでの間に、より確実に、この特殊皮膜以外の異物層が極力付着しないようにするために、接合に至るまでの工程において接合面（つまり、特殊皮膜が形成された接合面）に対して非酸化性ガス又は特殊ガスにより雰囲気をパージすることもできる。この場合のパージ用の特殊ガスは、上述の特殊皮膜形成用の特殊ガスと同種のものであっても異種のものであってもよい。また、このパージは、局所的に行えばよい。すなわち、特殊皮膜の形成後金属接合部同士の接合までの間の、被接合物搬送、接合のための被接合物の保持および接合のための被接合物同士の位置合わせ工程のうちの少なくとも一つの工程で（望ましくは一連の工程のすべてにおいて）、特殊皮膜が形成されている接合面に対し非酸化性ガス又は特殊ガスを局所的に供給する方法を採用できる。
【００１４】
本発明における接合は、とくに、表面が金、銅、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎのいずれかにより構成されている金属接合部同士を接合する場合に好適である。たとえば、互いに接合される金属接合部の組み合わせとして、金、銅、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎのいずれかの同種金属同士、あるいは任意の２つの異種金属同士、あるいは、一方を金とし他方を銅、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎのいずれかとする組み合わせとすることができる。中でも、金同士の接合の場合、常温でも確実に接合できるようになる。ただし、金同士の接合以外の場合でも（たとえば、金／銅、金／アルミニウム等の接合等）、常温あるいはそれに近い低温での接合を可能とすることができる。また、少なくとも一方の金属接合部を特定の金属、たとえば金で構成する場合、金属接合部を形成する電極等の全体を金で構成することもできるが、表面だけを金で構成することもできる。表面を金で構成するための形態はとくに限定されず、金めっきの形態や金薄膜をスパッタリングや蒸着等により形成した形態を採用すればよい。
【００１５】
上記エネルギー波による洗浄では、金属接合部の接合される全表面で１．６ｎｍ以上の深さにエッチングすることが好ましい。このような深さ以上にエッチング可能なエネルギー波照射により、金属接合部同士を大気中で接合するに必要な表面性状を得ることが可能になる。
【００１６】
上記金属接合部同士の接合時には、金属接合部間の隙間のばらつきを最大４μｍ以下にすることが好ましい。隙間のばらつきが４μｍ以下（レンジで４μｍ以下）であれば、適切な接合荷重、たとえば３００ＭＰａ程度の接合荷重で、金属接合部同士の接合のために必要な隙間のばらつき以下に抑えることが可能となる。また、金属接合部同士の接合時に、被接合物間の平行度を４μｍ以内（レンジで４μｍ以内）に調整することが好ましい。このような平行度調整により、上記の隙間のばらつきを小さく抑えることが可能になるとともに、金属接合部同士がより密接に面接触できるようになり、一層容易に接合できるようになる。
【００１７】
また、金属接合部同士の接合に際し、表面同士が良好に密着できるように、少なくとも一方の金属接合部の表面硬度がビッカース硬度Ｈｖで１２０以下、さらに好ましくはアニーリングにより硬度を１００以下に下げたものがよい。たとえば、表面硬度Ｈｖを３０〜７０の範囲内（たとえば、平均Ｈｖを５０）とすることが好ましい。このような低硬度としておくことで、接合荷重印加時に金属接合部の表面が適当に変形し、より密接な接合が可能となる。
【００１８】
本発明に係る接合装置は、基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合する装置であって、前記金属接合部の接合面にエネルギー波を照射する洗浄手段と、洗浄された接合面の雰囲気を特殊ガスに置換して接合面上に特殊ガスに由来する特殊皮膜を形成する特殊ガス置換手段と、被接合物の金属接合部同士を大気中で前記特殊皮膜を除去又は破壊しながら接合する接合手段とを有することを特徴とするものからなる。この接合装置においては、上記洗浄手段を、大気圧下で金属接合部の表面にエネルギー波を照射する手段に構成することもできるし、減圧下で金属接合部の表面にエネルギー波を照射する手段に構成することもできる。
【００１９】
この接合装置においては、上記洗浄手段がプラズマ照射手段からなることが好ましい。
【００２０】
また、上記接合手段は、特殊皮膜を除去する手段として、接合時に加熱により特殊皮膜を除去する加熱手段、加圧により特殊皮膜を破壊する加圧手段、超音波印加により特殊皮膜を分解除去する超音波印加手段、またはエネルギー波による洗浄により特殊皮膜を除去する接合時エネルギー波洗浄手段を備えている構成とすることができ、さらには、これらのうちの少なくとも２つの手段を備えている構成とすることもできる。接合時エネルギー波洗浄手段としては、大気圧プラズマ照射手段を用いることができる。
【００２１】
また、上記特殊ガス置換手段としては、窒素ガスに置換する手段、Ａｒガスに置換する手段、炭素を含むガスに置換する手段、フッ素を含むガスに置換する手段等に構成できる。
【００２２】
さらに、この接合装置は、特殊皮膜の形成後金属接合部同士の接合までの間の、被接合物搬送、接合のための被接合物の保持および接合のための被接合物同士の位置合わせ工程のうちの少なくとも一つの工程で、特殊皮膜が形成されている接合面に対し非酸化性ガス又は特殊ガスを局所的に供給する手段を備えている構成としてもよい。これにより、前述の如く、接合に至るまで、上記特殊皮膜以外の異物層が付着することをより確実に防止できる。
【００２３】
また、接合される両金属接合部の表面金属種の組み合わせは、前述したように、金、銅、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎのいずれかの同種金属同士、あるいは任意の２つの異種金属同士、あるいは、一方を金とし他方を銅、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎのいずれかとする組み合わせとすることができる。中でも、金同士の組み合わせとする場合、接合が最も容易になる。とくに超音波印加手段を設けておくことにより、このような異種金属同士の接合まで可能となる。
【００２４】
また、上記洗浄手段は、金属接合部同士を大気中で接合するに必要な表面エッチングを行うために、金属接合部の接合される全表面で１．６ｎｍ以上の深さのエッチングが可能なエネルギー以上でエネルギー波を照射する手段からなることが好ましい。
【００２５】
また、上記接合手段は、金属接合部同士の接合時の隙間のばらつきを最大４μｍ以下にする手段を備えていることが好ましい。また、接合手段が、金属接合部同士の接合時の被接合物間の平行度を４μｍ以内に調整する手段を備えていることが好ましい。さらに、少なくとも一方の金属接合部の表面硬度がビッカース硬度Ｈｖで１２０以下好ましくは１００以下とされていることが望ましい。
【００２６】
上記のような本発明に係る接合方法および装置においては、減圧下または大気圧下で被接合物の金属接合部の接合面にエネルギー波が照射され、表面がエッチングにより洗浄され活性化された後、特殊ガスに置換されてその特殊ガスに由来する特殊皮膜が形成される。この特殊皮膜により洗浄された接合面が覆われるため、酸化膜や有機物層、コンタミ層等の異物層の接合面への付着が防止され、その状態で接合工程に供される。接合時には、加熱や加圧、超音波印加、接合前エネルギー波照射のいずれか、またはそれらの組み合わせにより、特殊皮膜が除去又は破壊され、洗浄された界面が露出されて、接合が行われる。この特殊皮膜は、薄く形成されるか、あるいは多少厚くても容易に剥がされ得るものに形成されているので、接合時には問題なく容易に除去される。このように接合に至るまで特殊皮膜によって接合面が被覆されているので、エネルギー波洗浄により表面活性化された接合面の状態が接合開始まで維持され、接合に最適な表面状態が露出された直後に接合が開始されることになる。したがって、大気中の接合でありながら、従来の真空中でエネルギー波洗浄された後真空状態を維持したまま接合が開始されるのと同等の条件が得られ、所望の接合が容易に達成されることになる。大気中での接合が可能となるので、接合のために大がかりな真空装置やそのためのシール装置等が不要になり、工程全体、装置全体として大幅に簡素化され、コストダウンも可能となる。
【００２７】
また、接合に至るまでエネルギー波洗浄された接合面が特殊皮膜によって被覆された状態に保たれるので、被接合物の大気中搬送や、ある時間大気中への被接合物の放置が可能になる。これによって、洗浄工程、接合工程間の自由度を増大させることができるとともに、装置設計の自由度も増大させることができる。さらに、各工程に要する時間に差異が有る場合にも、工程間で被接合物を待機させることが可能になり、時間差を容易に吸収して、大量連続生産の場合の生産性を向上することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る接合装置１を示しており、基材の表面に金属接合部２または３を有する被接合物４または５は、まず、真空ポンプ６により減圧され所定の真空度にされたチャンバ７内で、エネルギー波による洗浄手段としてのプラズマ照射手段８から照射されたプラズマ９によって金属接合部２、３の接合面がエッチングにより洗浄される（洗浄工程）。洗浄後、チャンバ７内は、ポンプ１０により供給される特殊ガスで置換され、それによって洗浄された接合面上に特殊ガスに由来する特殊皮膜が形成され、その状態で、チャンバ７内から取り出された被接合物４、５が接合工程（接合装置部３０）に搬送され、金属接合部２、３同士が大気中で接合される。なお、本実施態様では所定の減圧下にてプラズマ照射することとしているが、大気圧下でのプラズマ照射とすることも可能である。
【００２９】
上記特殊皮膜の形成は、たとえば図２に示すように、プラズマ９によって洗浄された接合面２ａ（３ａ）の表面に接する雰囲気ガスが上記特殊ガスに置換されることにより、その特殊ガスに由来する特殊分子の吸着や付着等により特殊皮膜１１が形成され、この特殊皮膜１１によってプラズマ洗浄された接合面２ａ（３ａ）が被覆される。特殊ガスが窒素ガスやＡｒガス、炭素、フッ素を含むガスの場合には窒素分子やＡｒ分子、Ｃ分子、Ｆ分子が付着されて、それぞれ、それらの特殊ガスに由来する特殊分子によって特殊皮膜１１が形成される。この特殊皮膜１１は、通常極めて薄く形成され容易に除去あるいは破壊し得るものであり、比較的厚く形成された場合にあっても、剥がれ易く容易に除去し得るものに形成される。
【００３０】
なお、上記において、被接合物４は、たとえばチップからなり、被接合物５は、例えば基板からなる。ただし、ここでチップとは、たとえば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハーなど種類や大きさに関係なく基板と接合される側の全ての形態のものを指す。この被接合物４上に、金属接合部２として、たとえばバンプが形成されている。また、基板とは、たとえば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板、チップ、ウエハーなど種類や大きさに関係なくチップと接合される側の全ての形態のものを指す。
【００３１】
接合装置部３０では、たとえば、所定の待機部１２に、上記洗浄され特殊皮膜１１が形成された被接合物４、５が大気中を搬送された後載置される。被接合物４は、反転機構１３のヘッド部１４に、洗浄面に触れないように、吸着等により保持され、上下反転された後、ボンディングヘッド１５の下部に設けられたボンディングツール１６に、金属接合部２が下方に向けられた形態で吸着等によって保持される。被接合物５は、待機部１２から移載され、たとえば、ボンディングステージ１７上に、金属接合部３が上方に向けられた形態で吸着等によって保持される。被接合物４用の移載機構と被接合物５用の移載機構とを共通化することも可能であるが、それぞれ別個に設けてもよい。別個に設ける場合には、被接合物４用の移載機構には、上記の如く反転機構１３が設けられる。本実施態様では、ボンディングツール１６に加熱手段としてのヒータ１８が内蔵されており、大気中にて、常温下での接合、加熱下での接合のいずれも可能となっている。
【００３２】
ボンディングヘッド１５は、加圧手段１９により、ボンディングツール１６を介して被接合物４を下方に押圧できるようになっており、被接合物５に対して、所定の接合荷重を印加、コントロールできるようになっている。本実施態様では、ボンディングヘッド１５は、上下方向（Ｚ方向）に移動および位置決めできるようになっている。
【００３３】
また、上記被接合物５を保持しているボンディングステージ１７は、本実施態様では、下部に設けられている位置調整テーブル２０による、Ｘ、Ｙ方向の水平方向位置制御、θ方向の回転方向位置制御、および、Ｘ軸、Ｙ軸周りの傾き調整制御により、被接合物４との間の相対位置合わせおよび平行度調整を行うことができるようになっており、金属接合部同士の接合時の隙間のばらつきを小さく抑えることもできるようになっている。この相対位置合わせおよび平行度調整は、被接合物４、５間に進退可能に挿入される認識手段、たとえば２視野の認識手段２１（たとえば、２視野カメラ）により、被接合物４、５あるいはそれらの保持手段に付された認識マーク（図示略）を読み取り、読み取り情報に基づいて位置や角度の必要な修正を行うことにより、実施される。２視野の認識手段２１は、Ｘ、Ｙ方向、場合によってはＺ方向への位置調整が可能となっている。この相対位置合わせおよび平行度調整は、本実施態様では主としてボンディングステージ１７側で行われるが、ボンディングヘッド１５またはボンディングツール１６側で行うようにすることも可能であり、両側で行うことも可能である。両側で行う場合には、必要に応じて、ボンディングヘッド１５側については昇降制御だけでなく回転制御および／または平行移動制御を行い、ボンディングステージ１７側についても回転制御、平行移動制御および昇降制御などを行うことができ、これら制御形態は必要に応じて任意に組み合わせることが可能である。
【００３４】
上記実施態様では、被接合物４、５の接合時に特殊皮膜１１を除去するに際して、加熱手段としてのヒータ１８による加熱および加圧手段１９による加圧のいずれか又は両方を適用できる構成となっているが、加熱、加圧の他にも、２点鎖線で示すように、ボンディングヘッド１５またはボンディングツール１６に超音波印加手段２２を設けて超音波印加により特殊皮膜１１を分解除去する方法、または／および、接合時エネルギー波洗浄手段２３からの照射エネルギー波（たとえば、大気圧プラズマ）により接合面２ａ、３ａ上の特殊皮膜１１を除去する方法も採用でき、これら除去方法の任意の２つ以上を組み合わせることもできる。図１に示した例では、被接合物４側に、とくにその金属接合部２に超音波振動を与えることにより、被接合物５の金属接合部３との間で超音波接合を行うことができるようになっているが、被接合物５側に超音波振動を与えることも可能である。また、図１に示した例では、接合時エネルギー波洗浄手段２３は首振り型として例示されているが、図３に示すように、間隙が狭められた被接合物４、５の接合面に対して同時洗浄可能な接合時エネルギー波洗浄手段２４を備えた構成、あるいは図４に示すように、被接合物４、５の保持部自身に接合時エネルギー波照射手段２５（プラズマ電極等）を設けた構成とすることも可能である。
【００３５】
上記のような接合装置を用いて本発明に係る接合方法は次のように実施される。まず、所定の真空度とされたチャンバ７内で、被接合物４としてのチップ４の金属接合部２（たとえば、バンプ）と、被接合物５としての基板５の金属接合部３（たとえば、電極）が、プラズマ洗浄され、表面が活性化される。このプラズマ洗浄においては、後の大気中接合のために表面異物層を除去し十分に表面活性化するために、金属接合部の接合される全表面で１．６ｎｍ以上エッチングできるようにプラズマ照射強度、時間を設定することが好ましい。
【００３６】
上記プラズマ洗浄後に、チャンバ７内が特殊ガスに置換され、洗浄後の接合面上に、図２に示したように、その特殊ガスに由来する特殊皮膜１１が形成される。この状態では、プラズマ洗浄された接合面２ａ、３ａは、形成された特殊皮膜１１で覆われる。この状態にて、つぎの接合工程に移行するためにチャンバ７内から大気中へと取り出されるが、接合面２ａ、３ａが特殊皮膜１１で覆われているため、これら接合面２ａ、３ａに酸化膜や有機物層、コンタミ層等の異物層が付着することが防止される。また、接合までこの状態に維持されるから、たとえば待機部１２で待機されている間も、異物層の付着が防止されることになる。
【００３７】
このように特殊皮膜１１で接合面２ａ、３ａが覆われたチップ４および基板５は、一旦待機部１２に載置された後、チップ４は上下反転されてボンディングツール１６に、基板５は反転されずにボンディングステージ１７に、それぞれ保持される。対向保持されたチップ４と基板５は、２視野の認識手段２１による読み取り情報に基づいて、所定の精度内に入るように位置合わせされ、平行度も所定の精度内に入るように調整される。とくに平行度に関しては、良好な接合を達成するために、金属接合部間の隙間のばらつきを最大４μｍ以下とするように調整されることが好ましい。このような被接合物の保持、位置合わせ動作時にも、接合面２ａ、３ａが特殊皮膜１１で覆われている状態に維持され、異物層の付着が防止される。
【００３８】
そして、この状態から、ボンディングツール１６が降下され、チップ４と基板５の接合が行われるが、この接合時に、特殊皮膜１１が除去されて、プラズマ洗浄され表面活性化されている接合面２ａ、３ａが露出され、目標とする接合が大気中で行われる。特殊皮膜１１の除去には、前述したように、形成されている特殊皮膜１１の種類に応じて、ヒータ１８による加熱、加圧手段１９による加圧、超音波印加手段２２による超音波印加、接合時エネルギー波洗浄手段２３によるエネルギー波洗浄のいずれか、あるいはこれらの組み合わせによる方法が採用される。特殊皮膜１１の除去により、プラズマ洗浄直後と同等の、あるいはそれから大きくは低下していない、表面活性化された接合面２ａ、３ａが現れるので、大気中であっても、劣化していない状態で接合面２ａ、３ａ同士が良好に接合されることになる。
【００３９】
大気中での接合が可能になることにより、接合部に関して大がかりなシール装置等が不要になり、工程、装置ともに簡素化され、コストダウンも可能となる。また、接合まで特殊皮膜１１で覆われた状態に維持されるので、異物層の付着を防止しつつ大気中の搬送や、大気中での待機等も可能となり、一層、工程、装置の簡素化が可能になるとともに、洗浄工程、接合工程間の自由度も増大される。この自由度の増大により、各工程に必要とされる時間が異なる場合にあっても、間に待機部等のバッファを問題なく設けることができ、エネルギー波洗浄を含めた接合工程全体の一連の動作を円滑に行わせることができ、生産性向上にも寄与できる。また、工程全体としてのタクトタイムの短縮にも寄与できる。
【００４０】
なお、本発明では、エネルギー波により洗浄された接合面を接合に至るまで特殊皮膜で覆った状態に維持することにより、基本的に、特殊皮膜が除去される接合直前まで接合面に異物層が付着することを防止することができるが、より一層確実に異物層の付着を防止するためには、前述したように、搬送工程や待機工程、保持動作時や位置合わせ時において、特殊皮膜で覆われた接合面に対して非酸化性ガスや特殊ガスにより局所的に雰囲気をパージすることが好ましい。このようにすれば、特殊皮膜を形成した状態でその接合面が雰囲気空気（外気）に触れにくくなるため、実際の接合に至るまで特殊皮膜を形成しておく効果がより良好に発揮されることになる。
【００４１】
上記のような雰囲気パージを達成するために、たとえば図５に示すような全体構成を採用することができる。図５においては、たとえばチップ４１と基板４２の入ったトレイ（ワークトレイ）４３が段積みされたトレイチェンジャー４４からトレイ４３が取り出され、洗浄チャンバ４５内に搬入される。この取り出し、搬入には、後述のトレイ取り出し用のトレイローダーを使用してもよく、別の専用手段を用いてもよい。洗浄チャンバ４５内は、たとえば真空引きされた後、プラズマ発生用反応ガス（たとえば、Ａｒガス）に置換され、減圧下でチップ４１と基板４２の接合面がプラズマ洗浄される。洗浄後、洗浄チャンバ４５内が本発明に係る特殊ガス４６に置換されて特殊皮膜が形成される。この特殊ガスへの置換時には、洗浄チャンバ４５内はたとえば大気圧とされる。特殊皮膜が形成されたチップ４１と基板４２を載せたトレイ４３が、トレイローダー４７によって洗浄チャンバ４５内から取り出され、非酸化性ガス又は特殊ガスからなるパージガス４８でチップ４１と基板４２を載せたトレイ４３上の雰囲気がパージされながら、ステージテーブル４９上の待機部５０に搬送される。トレイローダー４７での上記パージは、たとえば多孔質板５１を介して非酸化性ガス又は特殊ガスを供給することにより行われる。
【００４２】
ステージテーブル４９上の待機部５０では、パージノズル５２から吹き出された非酸化性ガス又は特殊ガスからなるパージガス５３でパージされながら、移動可能な蓋５４により待機中のトレイ４３上が覆われてパージガス５３が閉じ込められる。待機後、蓋５４が開けられ、基板移載機構５５の先端部に取り付けられた保持ヘッド５６によって、基板４２が吸着により保持され、保持された基板４２はボンディングステージ５７上に移載される。その場合においても、トレイ４３上にはパージノズル５２により、パージガス５３がパージされているので他のチップや基板上もパージガスで覆われている。このとき、保持ヘッド５６内に非酸化性ガス又は特殊ガスからなるパージガス５８が吹き出されてから吸引により基板４２が吸着保持され、ボンディングステージ５７上に移載する際の吸着解除時には、再び保持ヘッド５６内にパージガス５８が吹き出されてヘッド内の真空状態が破壊される。また、チップ４１側についても、蓋５４が開けられ、チップ反転機構５９の先端部に取り付けられた保持ヘッド６０によって、チップ４１が吸着により保持され、保持されたチップ４１は反転された後、ボンディングツール６１の下面上に移載される。その場合においても、トレイ４３上にはパージノズル５２により、パージガス５３がパージされているので他のチップや基板上もパージガスで覆われている。このとき、保持ヘッド６０内に非酸化性ガス又は特殊ガスからなるパージガス６２が吹き出されてから吸引によりチップ４１が吸着保持され、ボンディングツール６１に移載する際の吸着解除時には、再び保持ヘッド６０内にパージガス６２が吹き出されてヘッド内の真空状態が破壊される。
【００４３】
チップ４１がセットされたボンディングツール６１と基板４２がセットされたボンディングステージ５７の双方に対し、それぞれ、パージノズル６３、６４から吹き出された非酸化性ガス又は特殊ガスからなるパージガス６５、６６でチップ４１表面上の雰囲気および基板４２表面上の雰囲気がパージされながら、２視野の認識手段６７を用いてアライメントされる。アライメント後、２視野の認識手段６７が退避され、ボンディングヘッド６８が下降され、ボンディングツール６１に保持されているチップ４１が、ボンディングステージ５７に保持されている基板４２に、加圧、場合によっては加熱を併用しながら、接合される。チップ４１が基板４２上に実装された後、その実装完成品が、たとえば基板移載機構５５によって取り出され、完成品トレイ６９内に収納される。完成品トレイ６９内が順次取り出されてきた完成品で満杯になると、その完成品トレイ６９がたとえばトレイローダー４７により、完成品トレイ６９を段積みするトレイチェンジャー４４に払い出される。このように、一連の動作工程の各所に非酸化性ガス又は特殊ガスによるパージを適用できる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る接合方法および装置によれば、エネルギー波により接合面を洗浄した被接合物を大気中に取り出した後接合までの間、洗浄された接合面に異物層が付着することを適切に防止することができ、大気中での接合をより確実にかつ容易に行うことが可能になる。大気中接合を可能とすることにより、工程、装置の大幅な簡素化、コストダウンも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る接合装置の概略構成図である。
【図２】特殊皮膜形成の様子を示す被接合物の拡大部分側面図である。
【図３】接合時エネルギー波照射手段の別の構成例を示す概略構成図である。
【図４】接合時エネルギー波照射手段のさらに別の構成例を示す概略構成図である。
【図５】本発明の別の実施態様に係る接合装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１  接合装置
２、３  金属接合部
２ａ、３ａ  接合面
４  被接合物（チップ）
５  被接合物（基板）
６  真空ポンプ
７  チャンバ
８  プラズマ照射手段
９  プラズマ
１０  特殊ガス供給ポンプ
１１  特殊皮膜
１２  待機部
１３  反転機構
１４  反転機構のヘッド部
１５  ボンディングヘッド
１６  ボンディングツール
１７  ボンディングステージ
１８  加熱手段としてのヒータ
１９  加圧手段
２０  位置調整テーブル
２１  ２視野の認識手段
２２  超音波印加手段
２３、２４、２５  接合時エネルギー波洗浄手段
３０  接合装置部
４１  チップ
４２  基板
４３  トレイ（ワークトレイ）
４４  トレイチェンジャー
４５  洗浄チャンバ
４６  特殊ガス
４７  トレイローダー
４８  パージガス
４９  ステージテーブル
５０  待機部
５１  多孔質板
５２  パージノズル
５３  パージガス
５４  蓋
５５  基板移載機構
５６  保持ヘッド
５７  ボンディングステージ
５８  パージガス
５９  チップ反転機構
６０  保持ヘッド
６１  ボンディングツール
６２  パージガス
６３、６４  パージノズル
６５、６６  パージガス
６７  ２視野の認識手段
６８  ボンディングヘッド
６９  完成品トレイ
【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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