(57)【要約】【課題】  高い接着強度と短い接着時間で基板を接着する基板接着装置と基板接着方法を提供する。【解決手段】  第１の基板の第１の主面と、第２の基板の第１の主面をそれぞれ洗浄する第１の工程と、前記第１の主面及び第２の主面の少なくともいずれかにシリコンを含有する樹脂を塗布する第２の工程と、前記樹脂にプラズマを照射する第３の工程と、前記第１の基板の第１の主面と前記第２の基板の第１の主面とを対向させ前記第１及び第２の基板を圧着する第４の工程と、を備えたことを特徴とする基板接着方法を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板の第１の主面と、第２の基板の第１の主面をそれぞれ洗浄する第１の工程と、
前記第１の主面及び第２の主面の少なくともいずれかにシリコンを含有する樹脂を塗布する第２の工程と、
前記樹脂にプラズマを照射する第３の工程と、
前記第１の基板の第１の主面と前記第２の基板の第１の主面とを対向させ前記第１及び第２の基板を圧着する第４の工程と、
を備えたことを特徴とする基板接着方法。
【請求項２】
前記シリコンを含有する樹脂は、ＭＳＱ（Methyl Silsesquioxane）であることを特徴とする請求項１記載の基板接着方法。
【請求項３】
前記シリコンを含有する樹脂は、ＨＳＱ（Hydrogen Silsesquioxane）であることを特徴とする請求項１記載の基板接着方法。
【請求項４】
前記プラズマは、酸素を含有するプラズマであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の基板接着方法。
【請求項５】
前記第３の工程は、減圧雰囲気で行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の基板接着方法。
【請求項６】
前記第４の工程は、減圧雰囲気で行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の基板接着方法。
【請求項７】
前記第４の工程は、大気とは異なるガス雰囲気で行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の基板接着方法。
【請求項８】
前記第２の工程において、前記第１の基板の第１の主面と前記第２の基板の第１の主面にれそぞれシリコンを含有する樹脂を塗布することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の基板接着方法。
【請求項９】
基板を洗浄する洗浄ユニットと、
前記基板の主面に樹脂を塗布する塗布ユニットと、
前記樹脂が塗布された前記基板の主面にプラズマを照射するプラズマ処理ユニットと、
前記基板を圧着する接合ユニットと、
を備えたことを特徴とする基板接着装置。
【請求項１０】
前記プラズマ処理ユニットと前記接合ユニットとは、共通のチャンバに設けられたことを特徴とする請求項９記載の基板接着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板接着方法及び基板接着装置に関し、より具体的には、２枚の基板を貼り合わせる基板接着方法及び基板接着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスやシリコンウェーハなどの２枚の基板を低温で貼り合わせることができると、バイオチップやマイクロ流路をはじめとする各種の新規なデバイスを実現できる。従来、基板の接着法としては、融着法や、希釈フッ酸を介して接着する圧着接合などが知られている。
【０００３】
しかしながら、前述した融着法では、高温に加熱する必要があり、また基板の接着に長い時間を要したり、炉の温度調整が難しいなどの問題があった。また、２枚の基板の接着界面に気泡が発生しやすく、接着強度を低下させるという接合不良の問題もあった。圧着接合においても、基板の接着に長い時間を要するという問題があった。
【０００４】
一方、液晶表示装置などにおける２枚の基板に所定のギャップを設けつつ貼り合わせる際に、基板表面に接着の前処理としてプラズマ処理を行い、表面を改質した後に接着する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている方法では、基板の表面を改質した後、シール材を塗布し、接着を行っている。
【０００５】
ただし、この方法では、シール材にプラズマ処理を施すのではなく、基板自体の表面を改質するから、基板の裏面に形成されている素子がプラズマの影響を受けやすいなどの問題がある。
【特許文献１】特開２００２−２２９０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、低温で、高い接着強度と短い接着時間で２枚あるいはそれ以上の基板を接着する基板接着方法及び基板接着装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、
第１の基板の第１の主面と、第２の基板の第１の主面をそれぞれ洗浄する第１の工程と、
前記第１の主面及び第２の主面の少なくともいずれかにシリコンを含有する樹脂を塗布する第２の工程と、
前記樹脂にプラズマを照射する第３の工程と、
前記第１の基板の第１の主面と前記第２の基板の第１の主面とを対向させ前記第１及び第２の基板を圧着する第４の工程と、
を備えたことを特徴とする基板接着方法が提供される。
【０００８】
本発明の他の一態様によれば、
基板を洗浄する洗浄ユニットと、
前記基板の主面に樹脂を塗布する塗布ユニットと、
前記樹脂が塗布された前記基板の主面にプラズマを照射するプラズマ処理ユニットと、
前記基板を圧着する接合ユニットと、
を備えたことを特徴とする基板接着装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、２枚あるいはそれ以上の基板を強い接着力で効率よく接合できる基板接着方法及び基板接着装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。  
図１は、本発明の実施の形態にかかる基板接着方法の要部を表すフローチャートである。  また、図２は、本実施形態にかかる基板接着方法の要部を表す工程断面図である。図１におけるステップＳ１〜Ｓ４が、図２の（ａ）〜（ｄ）の工程断面図にそれぞれ対応している。
【００１１】
まず、ステップＳ１として、基板１０の洗浄を行う。基板１０としては、石英やソーダガラスなどからなるガラス基板の他、シリコン（Ｓｉ）ウェーハやその他各種の半導体、誘電体、絶縁体などの基板などを用いることもできる。また、本発明によれば、同質の基板同士には限定されず、異質の基板を接着することも可能である。例えば、ガラス基板とシリコンウェーハとを接着することや、ＩｎＰなどの化合物半導体からなるウェーハとシリコンウェーハとを接着することも可能である。
【００１２】
基板の洗浄方法としては、ＳＰＭ洗浄（硫酸過酸化水素洗浄）を挙げることができる。ＳＰＭ洗浄は、煮沸したＨ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２＝３：１溶液において煮沸洗浄する方法である。この後、温水リンス、ＤＨＦ（Diluted Hydrofluoric acid）５％溶液に浸漬、純粋リンスの順番で洗浄する。
【００１３】
次に、ステップＳ２として、基板１０上にシリコンを含有する樹脂を塗布する。このような樹脂としては、例えば、ポーラスなＭＳＱ（ＭＳＱ：Methyl Silsesquioxane：メチルシルセスキオキサン）を用いることができる。具体的には、例えば、スピンコート塗布により約１００ナノメータの厚みのＭＳＱを塗布した後に、摂氏２５０度で１分間ベークをした後、摂氏４００度で３０分間程度、キュアを行う。このようにして、基板１０上にポーラスなＭＳＱ膜１１を形成することができる。なお、ＭＳＱの代わりに、ＨＳＱ（水素化シルセスキオキサン：Hydrogen Silsesquioxane）などを用いることもできる。
【００１４】
次に、ステップＳ３として、プラズマ処理を行う。具体的には、例えば、酸素の流量を数１００ｓｃｃｍ、圧力１００Ｐａ、数１００ワットの投入電力でラジカルリッチな酸素プラズマを生成し、ポーラスなＭＳＱ膜１１の表面に照射する。このとき基板温度を、摂氏約２５０度に保つ。
【００１５】
続いて、ステップＳ４として、このようにＭＳＱ膜１１を形成した２枚の基板１０（Ｗ１、Ｗ２）を、それぞれのＭＳＱ膜１１が対向する向きに積層し、圧着する。具体的には、例えば、１０−４〜１０−５Ｐａの真空中で、圧着力１．５ＭＰａ、圧着時間１時間で圧着することによって接合する。雰囲気は、真空中には限定されず、減圧雰囲気でもよい。ただし、大気中にさらすと、大気中の炭素などの不純物が付着するため、大気中にさらすことは望ましくない。また、接着時の基板温度は、摂氏約４００度程度まで加熱してもよいし、室温で行うことも可能である。
【００１６】
図３は、このようにして接着された接着基板を表す模式断面図である。２枚の基板１０、１０の間にはＭＳＱ膜１１が介在し、強固に接着されている。また、本実施形態によれば、このようにＭＳＱ膜１１を介して２枚の基板を接着するので、従来の接着（貼り合わせ）方法のように、基板１０の表面を鏡面処理する必要は必ずしもない。つまり、基板１０の表面に多少の凹凸がある状態であっても、ＭＳＱ膜１１により平坦化されて安定的に接着することが可能である。例えば、基板１０の表面に数ナノメータあるいはそれ以上の凹凸があっても、ＭＳＱ膜１１により平坦化することができる。その結果として、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）などの研磨工程や鏡面加工工程が不要となり、広範な応用範囲において、簡単に２枚の基板を接着することができる。  
また、本実施形態によれば、３枚以上の基板を積層させ相互に接着することも可能である。その結果として、複雑な構造のデバイスも容易に実現でき、各種の新機能が期待できる。
【００１７】
図４は、本実施形態にかかる基板接着方法の要部における反応メカニズムを例示する断面模式図である。すなわち、ポーラスなＭＳＱ膜１１の表面に酸素プラズマ１２を照射したときの、ＭＳＱ膜１１内の反応メカニズムを表す。図４（ａ）に表すように、プラズマ処理を行うと、基板１０上に形成された、メチル基（ＣＨ３）１４を含有するＭＳＱ膜１１ａ（１１）の表面に、酸素プラズマ１２から放出された酸素ラジカル１３が飛来してくる。すると、図４（ｂ）に表すように、酸素ラジカル１３によって活性化されたメチル基（ＣＨ３）１４が分解され、酸素に置換される。すなわち、メチル基は、酸素ラジカル１３の作用によって、ＣＯＸやＨ２（図中、符号１５）となって脱離し、Ｓｉ−ＯＨ結合を主成分とするＭＳＱ膜１１ｂ（１１）に改質される。その結果として、ＭＳＱ膜１１中のメチル基（ＣＨ３）が置換されてシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）が形成される。
【００１８】
図５（ａ）は、ＦＴＩＲ（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）によって得られたピーク強度の経時変化を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸はポーラスなＭＳＱ膜１１に酸素プラズマを照射した時間であり、縦軸はＦＴＩＲによって測定されたＳｉ−ＯＨ、Ｓｉ−ＣＨ３、Ｃ−Ｈ結合のそれぞれのピーク強度である。  
図５（ａ）からわかるように、酸素プラズマを照射すると、Ｓｉ−ＣＨ３及びＣ−Ｈ結合のピーク強度が減衰していくのに対して、Ｓｉ−ＯＨ結合が新たに生成され、そのピーク強度が増加する。すなわち、ＭＳＱ膜１１に含有されていたメチル基がほとんどなくなり、シラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）が生成されることがわかる。
【００１９】
図５（ｂ）は、ポーラスなＭＳＱ膜の膜厚の経時変化を表すグラフ図である。同図の横軸はＭＳＱ膜１１に酸素プラズマを照射した時間であり、縦軸はＭＳＱ膜１１の膜厚の減少量である。同図からわかるように、酸素プラズマを照射すると、ＭＳＱ膜１１の膜厚が減少する。膜厚減少量は、ポーラスなＭＳＱ膜ほど大きい傾向が認められる。
【００２０】
また、シラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）の生成や、メチル基（ＣＨ３）の分解及びＣＯＸやＨ２の発生などの化学反応によって、膜の濡れ性が高くなり、密着力が強くなる傾向が認められる。
【００２１】
このように、本実施形態にかかる基板接着方法では、基板接合の前処理として、基板の表面に形成したポーラスなＭＳＱ膜に酸素プラズマを照射し、ＭＳＱ膜を改質する。すなわち、ＭＳＱ膜に酸素プラズマを照射し、ＭＳＱ膜を改質することによって、ＭＳＱ膜中のメチル基（ＣＨ３）を置換してシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）を生成する。その結果、濡れ性が高くなり密着力が強くなる。つまり、２枚の基板を強い接合強度で接合することができる。従って、信頼性のある接着基板を製造することができる。
【００２２】
また、メチル基（ＣＨ３）を脱離させることにより、有機性のＭＳＱ膜を無機性の膜に改質しているので、基板接着後の硬化時間を大幅に短縮することができる。その結果、基板接着工程のスループットを上げることができる。
【００２３】
次に、本実施形態の変型例について説明する。すなわち、接合する２枚の基板のうちの一方の基板の表面にのみシリコンを含有する樹脂を塗布する場合について説明する。  
図６は、本実施例にかかる基板接着方法の要部を表す工程断面図である。同図については、図２に関して前述したものと同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２４】
すなわち、図６（ａ）乃至（ｃ）に表したように、洗浄、ＭＳＱの塗布、プラズマ照射処理を実施する。ただし、本実施例においては、図６（ｄ）に表すように、接合する２枚の基板Ｗ１とＷ２のうち、一方の基板Ｗ１の表面にのみＭＳＱを塗布しプラズマ処理する。このようにすると、基板Ｗ２の表面にＭＳＱを塗布する工程を省くことができるので、製造時間をさらに短縮できる。また、ＭＳＱ膜の膜厚が薄くなるので、基板Ｗ１、Ｗ２の間隔を小さくできる。その結果として、より微細なデバイスや、ギャップの小さいセルなどを形成できる。
【００２５】
図７は、本発明の実施の形態にかかる基板接着装置の構成を表す模式図である。  
本実施形態の基板接着装置２０は、制御ユニット２１と、制御ユニット２１により制御される洗浄ユニット２２、樹脂塗布ユニット２３、プラズマ処理ユニット２４、接合ユニット２５及び検査ユニット２６を備える。また、この基板接着装置２０は、供給される基板Ｗ１、Ｗ２を、次のユニットに搬送する搬送ロボット（図示しない）などを備えたものとしてもよい。
【００２６】
また、これら各ユニット間は、例えば数十パスカル程度の所定の減圧雰囲気あるいはＨｅ、Ａｒ、Ｎ２などの希ガスによりパージされた雰囲気とされ、インライン式に基板が搬送されるようにしてもよい。例えば、プラズマ処理ユニット２４から接合ユニット２５に基板を搬送する際には、大気に晒さないようにすれば、樹脂の表面に水分が付着したり酸化が進行することを防止できる。
【００２７】
基板接着装置２０に基板Ｗ１、Ｗ２が供給されると、洗浄ユニット２２、樹脂塗布ユニット２３、プラズマ処理ユニット２４、接合ユニット２５の順に基板を搬送し、洗浄、ＭＳＱ塗布、プラズマ処理、接合をそれぞれのユニットで行う。最後に、接合した基板を検査ユニット２６に搬送し、接着強度などを検査する。
【００２８】
図８は、プラズマ処理ユニット２４の構成を例示する模式図である。  
同図に表すように、プラズマ処理ユニット２４は、チャンバ２７の内部に、下部電極２８と上部電極３０がそれぞれ設けられた構造を有する。基板１０は下部電極２８の上に載置される。そして、チャンバ２７の内部にガスを供給し、真空ポンプ２９により所定のチャンバ内圧力になるように真空引きする。そして、チャンバ２７の内部の上部電極３０と下部電極２８との間に高周波電源を用いてプラズマ１２を生成させる。下部電極２８にはヒータ３１が内蔵されていて、基板１０を所定の温度に加熱できる。このようなユニットを用いて酸素ガス等を含む気体のプラズマ１２を基板１０に照射する。  
ただし、本実施形態におけるプラズマ処理ユニット２４の構造は、図８に例示したものには限定されず、プラズマを発生できるものであればよい。例えば、プラズマを生成する手段として、高周波電源の代わりに、マイクロ波などを用いるものであってもよい。
【００２９】
図９は、接合ユニット２５の構成を例示する模式図である。  
同図に表すように、上部基板ホルダー３８と下部基板ホルダー３２に、基板Ｗ１、Ｗ２がそれぞれ静電吸着される。下部基板ホルダー３２がモータ３３によって上下動することにより、基板Ｗ１とＷ２とが圧着される。上部基板ホルダー３１と下部基板ホルダー３２には、ヒータ３４、３５がそれぞれ内蔵され、基板Ｗ１、Ｗ２を所定の温度に加熱する。また、チャンバ３６内は、真空ポンプ３７によって排気可能とされている。なお、チャンバ３６内を真空ポンプ３７で排気する代わりに、希ガスや窒素ガスなどでパージしてもよい。
【００３０】
このように本実施形態の基板接着装置２０は、接合ユニット２５の前工程にプラズマ処理ユニット２４を有する。接合する基板の前処理として、表面のＭＳＱ膜１１を改質することにより、前述したように接合強度の向上と接合時間の短縮とを実現することができる。
【００３１】
なお、本実施形態において、各ユニットは必ずしも独立している必要はない。  
図１０は、プラズマ処理ユニット２４と接合ユニット２５が共通のチャンバを用いて構成された基板接着装置を例示する模式図である。  
すなわち、同一のチャンバでプラズマ処理と基板の圧着が可能とされている。このようにすれば、装置を小型化できるとともに、プラズマ処理後に基板を大気に晒すことなく圧着することができる。
【００３２】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００３３】
例えば、本発明の基板接着方法を構成する各ステップの条件や、材料などに関しては、上記具体例に限定されず、当業者が適宜選択採用したものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
【図２】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図３】本実施形態の方法により接着された接着基板を表す模式断面図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の要部における反応メカニズムを例示する断面模式図である。
【図５】（ａ）は、ＦＴＩＲによって得られたピーク強度の経時変化を表すグラフ図であり、（ｂ）は、ＭＳＱ膜の膜厚の経時変化を表すグラフ図である。
【図６】本実施例にかかる半導体装置の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図７】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の構成を表す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の一部を例示する模式図である。
【図９】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の一部を例示する模式図である。
【図１０】プラズマ処理ユニット２４と接合ユニット２５が共通のチャンバを用いて構成された基板接着装置を例示する模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 基板
１１ シリコンを含有する樹脂膜
１２ プラズマ
１２ 酸素プラズマ
１３ 酸素ラジカル
１５ Ｈ２、ＣＯＸ
２０ 基板接着装置
２１ 制御ユニット
２２ 洗浄ユニット
２３ 塗布ユニット
２４ プラズマ処理ユニット
２５ 接合ユニット
２６ 検査ユニット
２７ チャンバ
２８ 下部電極
２９ 真空ポンプ
３０ 上部電極
３１ ヒータ
３１ 基板ホルダー
３２ 下部基板ホルダー
３３ モータ
３４、３５ ヒータ
３６ チャンバ
３７ 真空ポンプ
３８ 上部基板ホルダー
【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】
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【図９】
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【図１０】
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