(57)【要約】【課題】Ａｕ−Ｓｉ共晶接合の接合信頼性を高めることができる接合方法を提供する。【解決手段】２枚の基板１，２をＡｕ−Ｓｉ共晶接合により接合する接合方法であって、第１のシリコン基板１０を用いて形成された第１の基板１と第２のシリコン基板２０を用いて形成された第２の基板２とを用意する。接合装置のチャンバ内で第１の基板１のＡｕ膜１３と第２の基板２の第２のシリコン基板２０とが接触するように両基板１，２を重ね合わせて荷重を印加した状態で、両基板１，２をＡｕ−Ｓｉの共晶温度よりも高い規定温度まで昇温する昇温過程、両基板１，２の加熱温度を上記規定温度に所定時間だけ保持する温度保持過程、両基板１，２を室温まで降温させる降温過程を順次行うようにし、降温過程では、両基板１，２を上記規定温度から急速冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の基板をＡｕ−Ｓｉ共晶接合により接合する接合方法であって、２枚の基板を重ね合わせて荷重を印加した状態で、２枚の基板をＡｕ−Ｓｉの共晶温度よりも高い規定温度まで昇温する昇温過程、２枚の基板の加熱温度を前記規定温度に所定時間だけ保持する温度保持過程、２枚の基板を室温まで降温させる降温過程を順次行うようにし、降温過程では、２枚の基板を前記規定温度から急速冷却することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記昇温過程および前記温度保持過程では、前記２枚の基板の雰囲気を真空雰囲気とし、前記降温過程では、前記２枚の基板の雰囲気を不活性ガス雰囲気とすることを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＭＥＭＳ技術、ウェハレベルパッケージング技術を利用するデバイス（例えば、加速度センサ、ジャイロセンサ、光スキャナ、赤外線センサなど）の製造方法が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
ここにおいて、上記特許文献１には、この種のデバイスの一例として、図６に示すように、第１のシリコン基板１０’を用いて形成され一表面側にセンサ素子（図示例では、可動ゲートＭＯＳトランジスタ）３’が形成された第１の基板１’と、第２のシリコン基板２０’を用いて形成され第１の基板１’の上記一表面側に接合された第２の基板２’とを備えたセンサ装置（加速度センサ）が記載され、図７に示すように第１の基板１’と第２の基板２’とをウェハレベルで接合してから個々のセンサ装置に分割するようにしたセンサ装置の製造方法が記載されている。
【０００４】
図６に示した構成のセンサ装置は、第１の基板１’の上記一表面側におけるセンサ素子３’の形成領域の周囲に枠状（矩形枠状）のポリシリコン薄膜１４’が形成される一方、第２の基板２’における第１の基板１’との対向面側においてポリシリコン薄膜１４’に対応する部位に枠状凸部（脚部）２１’が突設され、枠状凸部２１’の先端面にＡｕ膜２４’が形成されている。しかして、上記特許文献１では、製造時に第１の基板１’と第２の基板２’とを接合する接合工程において、第１の基板１’のポリシリコン薄膜１４’と第２の基板２’のＡｕ膜２４’とを接触させてＡｕ−Ｓｉ共晶接合により接合している。
【０００５】
また、上記特許文献１には、ポリシリコン薄膜１４’の表面（Ｓｉ表面）の自然酸化膜に起因した接合不良の発生を防止するための手段として、接合直前にフッ酸により自然酸化膜を除去する方法や、接合直前にエッチングガスとしてＣＦ４系ガスを利用して自然酸化膜を除去する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３１６４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の製造方法において、第１の基板１’と第２の基板２’との接合直前にフッ酸により自然酸化膜を除去する方法を採用する場合には、フッ酸により自然酸化膜をエッチングした後の水洗工程や乾燥工程などを行っている間や大気に曝されている間に形成されてしまう自然酸化膜や、接合表面（Ｓｉ表面、Ａｕ表面）の微細な凹凸によるマイクロラフネス（マイクロラフネスの目安としては、例えば、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−２００１（ＩＳＯ  ４２８７−１９９７）で規定されている算術平均粗さＲａなどがある）に起因してボイドが発生してしまい、接合信頼性が低下してしまう。
【０００８】
また、接合直前にエッチングガスとしてＣＦ４系ガスを利用したドライエッチングにより自然酸化膜を除去する方法を採用する場合には、接合表面（Ｓｉ表面）のマイクロラフネスが大きくなり、ボイドが発生しやすくなる可能性がある。また、レジストをマスクとしてドライエッチングを行った場合には特に、接合表面にコンタミネーション（レジスト残渣など）が発生しやすく、コンタミネーションによりマイクロラフネスが大きくなる可能性がある。コンタミネーションについては、エッチング時間を長くしたり、イオンの加速電圧を大きくすれば除去することができるが、マイクロラフネスが大きくなってしまう。また、レジストなどのカーボン系のコンタミネーションを除去する手段として、Ｏ２プラズマ処理やＯ２ラジカル処理が一般的に用いられるが、接合表面に薄いシリコン酸化膜が形成されてしまう。
【０００９】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合の接合信頼性を高めることができる接合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】
請求項１の発明は、２枚の基板をＡｕ−Ｓｉ共晶接合により接合する接合方法であって、２枚の基板を重ね合わせて荷重を印加した状態で、２枚の基板をＡｕ−Ｓｉの共晶温度よりも高い規定温度まで昇温する昇温過程、２枚の基板の加熱温度を前記規定温度に所定時間だけ保持する温度保持過程、２枚の基板を室温まで降温させる降温過程を順次行うようにし、降温過程では、２枚の基板を前記規定温度から急速冷却することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、２枚の基板をＡｕ−Ｓｉ共晶接合により接合する際の降温過程で２枚の基板をＡｕ−Ｓｉの共晶温度よりも高い規定温度から急速冷却することにより、ボイドを低減することができ、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合の接合信頼性を高めることができる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記昇温過程および前記温度保持過程では、前記２枚の基板の雰囲気を真空雰囲気とし、前記降温過程では、前記２枚の基板の雰囲気を不活性ガス雰囲気とすることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記降温過程における前記２枚の基板の雰囲気が真空雰囲気である場合に比べて降温速度を速めることができ、ボイドを低減できる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明では、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合の接合信頼性を高めることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態の接合方法の説明図である。
【図２】同上の接合方法の説明図である。
【図３】実施例の接合方法により接合した２枚の基板からなる構造体に関し、（ａ）は超音波像、（ｂ）は（ａ）の要部を拡大した超音波顕微鏡像図、（ｃ）は断面ＳＥＭ像図である。
【図４】比較例の接合方法により接合した２枚の基板からなる構造体に関し、（ａ）は超音波像、（ｂ）は（ａ）の要部を拡大した超音波顕微鏡像図、（ｃ）は断面ＳＥＭ像図である。
【図５】Ａｕ−Ｓｉ共晶接合におけるボイド発生の推定メカニズムの説明図である。
【図６】従来例のセンサ装置の概略断面図である。
【図７】同上のセンサ装置の製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に説明する本実施形態の接合方法は、２枚の基板をＡｕ−Ｓｉ共晶接合により接合する接合方法であって、図１（ａ）に示すように、第１のシリコン基板１０を用いて形成された第１の基板１と、第２のシリコン基板２０を用いて形成された第２の基板２とを用意し、これら２枚の基板１，２を図１（ｂ）のように重ね合わせてＡｕ−Ｓｉ共晶接合により接合する。
【００１７】
ここにおいて、第１の基板１は、第１のシリコン基板１０の一表面側および他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１１ａ，１１ｂが形成されており、第１のシリコン基板１０の上記一表面側で絶縁膜１１ａの表面側に枠状（本実施形態では、矩形枠状）のＡｕ膜１３が形成され、絶縁膜１１ａとＡｕ膜１３との間にＴｉ膜からなる密着膜１２が形成されている。なお、密着膜１２の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｐｔや、それらの合金でもよい。
【００１８】
一方、第２の基板２は、第２のシリコン基板２０の一表面および他表面それぞれが露出している。
【００１９】
なお、第１の基板１および第２の基板２の構造は特に限定するものではなく、第１の基板１と第２の基板２とを接合して形成するデバイス（例えば、熱型赤外線センサ、加速度センサなど）の構造に応じて適宜設計すればよく、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合も、Ａｕ膜１３と第２のシリコン基板２０とを接触させて行う場合に限らず、Ａｕ膜１３と第２のシリコン基板２０の一表面側に絶縁膜などを介してシリコン膜を形成して、第１の基板１のＡｕ膜１３と第２の基板２のシリコン膜とを接触させて行ってもよい。
【００２０】
Ａｕ膜１３の成膜方法としては、スパッタ法、蒸着法、めっき法などがある。ただし、スパッタ法では一般的にＡｒプラズマを利用するため、Ａｕ膜１３中にＡｒが取り込まれてしまう。このため、第１の基板１と第２の基板２とで構成される気密パッケージの内部空間の雰囲気を真空雰囲気とする熱型赤外線センサなどのデバイスの製造時において、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合の際にＡｕ膜１３中のＡｒが放出されてしまい、気密空間の所望の真空度（例えば、１Ｐａ以下の真空度）を確保できなくなってしまう懸念がある。ここにおいて、スパッタ法により成膜したＡｕ膜１３、蒸着法により成膜したＡｕ膜１３それぞれについて、Ａｕ膜１３中に意図せずにドーピングされたＡｒの量を二次イオン質量分析法（Secondary ion mass spectroscopy：ＳＩＭＳ法）により分析した結果、前者のＡｕ膜１３中のＡｒの量が、後者のＡｕ膜１３のＡｒの量よりも３桁程度多いことが確認された。そこで、気密パッケージの内部空間の雰囲気を真空雰囲気とするデバイス（以下、真空封止デバイスと称する）の製造時に本実施形態の接合方法を適用する場合には、Ａｕ膜１３を蒸着法やめっき法により成膜することが好ましい。ただし、めっき法の場合は、蒸着法によりシード層を成膜してから、めっきを行うことが好ましい。
【００２１】
また、真空封止デバイスの製造方法において本実施形態の接合方法を適用する場合には、第１の基板１と第２の基板２との接合前に、第１の基板１と第２の基板２との互いの対向面の一方の適宜部位に層状のゲッタ（図示せず）を形成しておくことが好ましい。ここで、ゲッタの材料としては、例えば、Ｚｒの合金やＴｉの合金などからなる非蒸発ゲッタを採用すればよい。なお、周知のように、Ａｒのような不活性ガスは、ゲッタでは吸着できない。
【００２２】
以下、接合方法について具体的に説明する。
【００２３】
まず、上述の第１の基板１と第２の基板２を用意し、接合前の前処理を行う。前処理としては、例えば、両基板１，２のうち接合表面がＳｉ表面である第２の基板２の接合表面の自然酸化膜をフッ酸系溶液（ＨＦ希釈液、ＢＨＦなど）によりウェットエッチングすることで除去し、水洗、乾燥を行うようにしており、この前処理を行った後に直ちに第１の基板１および第２の基板２を図示しない接合装置のチャンバ内に導入する。第２の基板２の前処理は、ウェットエッチングに限らず、例えば、酸素を含まないフッ素系ガス（例えば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＳＦ６など）をエッチングガスとして用いたドライエッチングや不活性ガスイオン（Ａｒガスイオン）のスパッタ効果におるスパッタエッチングでもよく、これらの場合も前処理を行った後に直ちに第１の基板１および第２の基板２を図示しない接合装置のチャンバ内に導入し、チャンバ内の雰囲気を所望の雰囲気（例えば、真空雰囲気、不活性ガス雰囲気など）とする。なお、第２の基板２の前処理をドライエッチングやスパッタエッチングにより行う場合には、上記接合装置として、ドライエッチング用あるいはスパッタエッチング用のチャンバと接合用のチャンバとを備えたマルチチャンバの接合装置を用いて第２の基板２を大気に曝すことなく搬送できるようにすれば、前処理の後に自然酸化膜が形成されるのを抑制することができる。また、接合前の前処理として、第１の基板１のＡｕ膜１３の接合表面を清浄化するために、有機溶剤などによる洗浄を行って、水洗、乾燥を行うようにしてもよい。また、第２の基板２の前処理については、自然酸化膜を除去する前、Ｏ２プラズマやＯ２ラジカルによる有機物除去を行ってもよい。
【００２４】
上記接合装置のチャンバ内に導入した第１の基板１と第２の基板２とを図１（ａ）のように対向させた後、図１（ｂ）のように両基板１，２を重ね合わせて荷重を印加する。そして、図２（ｂ）に示すように両基板１，２に荷重を印加した状態で、両基板１，２を室温Ｔ０（２５℃程度）からＡｕ−Ｓｉの共晶温度（３６３℃）よりも高い規定温度Ｔ１（例えば、４００℃）まで昇温する昇温過程、両基板１，２の加熱温度を規定温度Ｔ１に所定時間だけ保持する温度保持過程、両基板１，２を規定温度Ｔ１から室温Ｔ０まで降温させる降温過程を順次行うようにし、降温過程において、両基板１，２を規定温度Ｔ１から急速冷却する。なお、上記接合装置のチャンバ内に両基板１，２を導入した後に、Ａｒイオンビームなどを照射することにより互いの接合表面を清浄化するようにしてもよい。
【００２５】
ところで、両基板１，２に荷重を印加するにあたっては、第１の基板１を上記接合装置の上記チャンバ内のステージ上に設置し、上記チャンバ内で上記ステージに対向するホルダに保持された第２の基板２を第１の基板１に重ね合わせて、第２の基板２における第１の基板１側とは反対側から所定荷重Ｐ１を印加する。所定荷重Ｐ１の値は、数ＭＰａ以上が好ましく、各基板１，２が破壊されない荷重であればよく、例えば、２ＭＰａ〜１００ＭＰａ程度の範囲で適宜設定すればよい。なお、所定荷重Ｐ１を印加する加圧手段としては、例えば、エア圧を利用したエアシリンダを採用すればよいが、これに限らず、所定荷重Ｐ１を印加できるものであればよい。
【００２６】
２枚の基板１，２を加熱する加熱手段としては、ヒータ（抵抗加熱ヒータ、ランプヒータなど）などを用いればよく、マイクロコンピュータなどからなる制御装置により、予め設定された昇降温プロファイルに基づいてヒータへの入力電力を制御することによって、昇温速度および降温速度を制御することができ、規定温度に対応する目標値に対してオーバーシュートしたりアンダーシュートしたりして振動し、目標値の許容範囲（例えば、４００±４℃）内に入るまでの時間を短くすることができる。
【００２７】
昇温過程の昇温期間Ｈ１における昇温速度は、例えば、３℃／ｍｉｎ〜６０℃／ｍｉｎ程度の範囲で適宜設定すればよい。
【００２８】
温度保持過程の温度保持期間Ｈ２の長さ、つまり、上記所定時間は、例えば、３０分〜２時間程度の範囲で適宜設定すればよい。
【００２９】
降温過程の降温期間Ｈ３における降温速度は、加熱手段による加熱を停止して自然に温度を下げるとき（自然冷却）の降温速度に比べて速い値に設定する必要があり、例えば、２０℃／ｍｉｎに設定すればよいが、２０℃／ｍｉｎ以上に設定することが好ましい。
【００３０】
降温速度を制御する手段としては、例えば、加熱手段を構成するヒータがあるが、降温速度を自然冷却の速度よりも速くするには、チラーを用いた水冷での冷却手段、上記ステージの下側に配置されたヒータの上や下にクーリングプレートを設置し冷却水を流して冷却する手段、上記ステージ下のクーリングプレートにエアを流して冷却する手段、上記ステージ下のクーリングプレートに圧縮エアを流して冷却する手段（圧縮エアの圧力により降温速度を制御し、降温速度を速める場合には、圧力を高くし、遅くする場合には、圧力を低くする）、不活性ガス（Ｎ２ガスやＡｒガス）を上記チャンバ内に導入してパージすることにより冷却する手段（導入するガスの流量や圧力により降温速度を制御する）、上記チャンバの周りにガスや冷却水を流して上記チャンバ全体を冷却する手段、液体窒素により上記ステージや上記チャンバを冷却する手段などの１つ、あるいは、当該１つとヒータとを併用してもよい。
【００３１】
ここにおいて、第２の基板２の接合表面（Ｓｉ表面）の自然酸化膜を除去する前処理としてウェットエッチングを行い、昇温過程および温度保持過程での２枚の基板１，２の雰囲気を真空雰囲気（０．４Ｐａ）、所定荷重Ｐ１を５ＭＰａ、規定温度Ｔ１を４００℃、降温速度を２０℃／ｍｉｎもしくは１℃／ｍｉｎとして平面サイズが８．４ｍｍ□の両基板１，２を接合した試料を２種類の昇温速度（３℃／ｍｉｎ、６０℃／ｍｉｎ）について３つずつ作成し、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合により形成されたＡｕＳｉ共晶からなる接合部１６の評価を超音波顕微鏡および走査型電子顕微鏡（Scanning electron microscope：ＳＥＭ）により評価した結果の一例を図３および図４に示す。なお、各試料の作成時の昇温速度の制御はヒータへの入力電力の制御により行い、降温速度の制御は、上記ステージの下に流す圧縮エアによる冷却とヒータへの入力電力の制御とにより行った。
【００３２】
図３は、昇温速度を６０℃／ｍｉｎ、降温速度を２０℃／ｍｉｎとした試料に関する結果を示し、図４は、昇温速度を６０℃／ｍｉｎ、降温速度を１℃／ｍｉｎとした試料に関する結果を示している。また、図３および図４それぞれについて、（ａ）は超音波顕微鏡像図を示し、（ｂ）は（ａ）において一点鎖線で囲んだ領域の拡大像図を示し、（ｃ）は断面ＳＥＭ像図を示している。また、図３および図４それぞれの（ａ），（ｂ）では、黒い部分が接合部（接合領域）１６であり、白い部分が非接合領域であり、超音波顕微鏡像図および断面ＳＥＭ像図から、降温速度を１℃／ｍｉｎとした場合には、ボイドが発生しているのに対して、降温速度を２０℃／ｍｉｎとした場合には、ボイドが発生していないことが確認された。
【００３３】
また、規定の接合面積（Ａｕ膜１３の接合表面の面積）に占める非接合領域の面積をボイド面積率として評価した結果を下記表１に示す。なお、下記表１では、同じ条件で作成した３つの試料のボイド面積率の平均値を記載してある。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
上述の図３，４および表１の結果から、降温速度を速くすることにより、ボイドを低減できることが確認された。なお、表１の結果では、昇温速度を遅くすることによっても、ボイド面積率が低くなり接合信頼性が向上している。
【００３６】
ここで、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合におけるボイド発生の推定メカニズムについて図５を参照しながら説明するが、図５では、接合前のＳｉ表面（図示例では、第２のシリコン基板２０の一表面における接合表面）の一部に自然酸化膜２１が形成されている場合を示してある。
【００３７】
第１の基板１と第２の基板２とを重ね合わせて接触させた状態では、互いの接合表面の表面粗さに起因して、接合表面同士が接触している接触部と、接触していない非接触部とが存在し、両基板１，２を加圧するとともに加熱することにより、図５（ａ）のように接触部の自然酸化膜２１が破られ、その後、溶融が開始して図５（ｂ）のように接触部分においてＡｕとＳｉが積極的に反応し（図５（ｂ）中においてクロスハッチングを施した部位は反応が起こっている部位を示している）、図５（ｃ）中に矢印で示すように、ＡｕＳｉ共晶の結晶粒１５の成長が起こり、過剰反応部へ周辺のＡｕ−Ｓｉが移動することにより、ボイド１７が発生するものと推察される。ここにおいて、降温過程での降温速度が遅い場合には、ＡｕＳｉ共晶の結晶粒１５が粗大化し、粗大化の過程において過剰反応部で優先的に成長が起こり、それに伴いＡｕＳｉが移動してボイド１７が増加するものと推察される。これに対して、降温過程の降温速度を速めて急速冷却することにより、ＡｕＳｉ共晶の結晶粒１５の粗大化が抑制され、ボイド１７の発生が抑制されるものと推察される。
【００３８】
以上説明した本実施形態の接合方法によれば、２枚の基板１，２をＡｕ−Ｓｉ共晶接合により接合する際の降温過程で２枚の基板１，２をＡｕ−Ｓｉの共晶温度よりも高い規定温度から急速冷却することにより、ボイドを低減することができ、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合の接合信頼性を高めることが可能となる。
【００３９】
また、上述の接合方法において、昇温過程および温度保持過程では、２枚の基板１，２の雰囲気を真空雰囲気とし、降温過程では、２枚の基板１，２の雰囲気を不活性ガス雰囲気とすれば、降温過程における２枚の基板１，２の雰囲気が真空雰囲気である場合に比べて降温速度を速めることができ、ボイドを低減できる。
【００４０】
なお、第１の基板１と第２の基板２は、チップレベルで接合してもよいし、ウェハレベルで接合してもよく（第１の基板１を多数個取りできるウェハと第２の基板２を多数個取りできるウェハとを接合することでウェハレベルパッケージ構造体を形成してもよく）、後者の場合は、接合後に、個々のチップサイズパッケージのサイズにダイシングすればよい。また、第１の基板１と第２の基板２とを接合して得られるデバイスを外部回路と電気的に接続するためには、例えば、第１の基板１と第２の基板２との一方に貫通配線を設けたり、第１の基板１と第２の基板２との互いの対向面の一部が露出するようにして当該露出部位に、第１の基板１と第２の基板２とで囲まれた内部空間に配置されている電気要素と電気的に接続される外部接続電極を設けたりすればよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  第１の基板
２  第２の基板
１０  第１のシリコン基板
１１ａ  絶縁膜
１３  Ａｕ膜
２０  第２のシリコン基板
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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【図４】
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