(57)【要約】複数の基板（１４５、４４０、４５０）を接合する方法が、複数の基板（１４５、４４０、４５０）上でガスプラズマ処理を実施すること、および複数の基板（１４５、４４０、４５０）上で水プラズマ処理を実施することを含む。さらに、低温プラズマ強化接合を実行するためのシステムが、基板（１４５、４４０、４５０）収容空間を有する基板ハウジング構造と、基板ハウジング構造に流体連通するガス源と、基板ハウジング構造に流体連通する水蒸気源（２３０）と、基板ハウジング構造に接続される無線周波数（ＲＦ）発生器（２６０）とを備え、そのシステムは、ガスプラズマ処理および水プラズマ処理の両方が基板（１４５、４４０、４５０）上で実施されるように構成されている。
2008513975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の基板（１４５、４４０、４５０）を接合する方法であって、
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）上でガスプラズマ処理を実施すること、および
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）上で水プラズマ処理を実施すること
を含む、方法。
【請求項２】
前記ガスプラズマ処理が、Ｎ２、Ｏ２、アルゴンまたは空気のうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）上で水プラズマ処理を実施することが、
基板ハウジング内に所定量の水蒸気を導入すること、および
前記基板ハウジングに、水プラズマを生成しかつ前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の各々の表面（５４０、５５０）を水和するに十分な無線周波数電力を導入すること
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記水プラズマ処理が、前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の各々の表面（５４０、５５０）を水和するように構成されており、これにより、シラノール基が形成され、前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の各々の表面（５４０、５５０）が水和される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記水プラズマ処理が、前記ガスプラズマ処理と同時に実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記水プラズマ処理が、前記ガスプラズマ処理の後に実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）を物理的に結合させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の各々の表面（５４０、５５０）を平滑化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ガスプラズマ処理が、前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の表面（５４０、５５０）上の界面化学種の密度を高めるように構成されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）が乾燥剤を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）が、微小電気機械システムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
複数の基板（１４５、４４０、４５０）を接合する方法であって、
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の各々の表面（５４０、５５０）を平滑化し、
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）上でガスプラズマ処理を実施し、それにより、前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の表面（５４０、５５０）上の界面化学種の密度を高め、当該ガスプラズマ処理が、Ｎ２、Ｏ２、アルゴンまたは空気のうちの１つを含み、
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）上で水プラズマ処理を実施し、
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）を物理的に結合させ、
前記結合させた複数の基板（１４５、４４０、４５０）をアニールすること
を含む、方法。
【請求項１３】
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）上で水プラズマ処理を実施することが、
基板ハウジング内に所定量の水蒸気を導入すること、および
前記基板ハウジングに、水プラズマを生成しかつ前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の各々の表面（５４０、５５０）を水和するに十分な無線周波数電力を導入すること
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記水プラズマ処理が、シラノール基を形成し、前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の各々の表面（５４０、５５０）を水和するように構成されており、該複数の基板（１４５、４４０、４５０）の各々の表面（５４０、５５０）を水和し、これにより、前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の各々の表面（５４０、５５０）上でシラノール基が形成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記水プラズマ処理が、前記ガスプラズマ処理と同時に実施される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）の各々の表面（５４０、５５０）を平滑化することが、前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）上で化学機械平坦化操作を実施することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記界面化学種が、シラノール基またはシリコン（Ｓｉ）ダングリングボンドのうちの１つを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
低温プラズマ強化接合を実施するためのシステムであって、
基板収容空間を含む基板ハウジング構造と、
前記基板ハウジング構造に流体連通するガス源と、
前記基板ハウジング構造に流体連通する水蒸気源（２３０）と、
前記基板ハウジング構造に接続される無線周波数（ＲＦ）発生器（２６０）と
を備え、当該システムが、基板（１４５、４４０、４５０）上でガスプラズマ処理および水プラズマ処理の両方を実施するように構成されている、システム。
【請求項１９】
前記基板ハウジング構造に流体連通する真空ポンプ（２４０）をさらに備え、
前記真空ポンプ（２４０）が、前記基板ハウジング構造を選択的に排気するように構成されている、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２０】
複数の基板（１４５、４４０、４５０）を接合する方法であって、
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）上でガスプラズマ処理を実施すること、および
前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）上で水プラズマ処理を実施すること
を含み、前記水プラズマ処理が、前記複数の基板（１４５、４４０、４５０）上に水分子からなる一組の単分子層を実質的に形成するのに時間的に十分な長さである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温プラズマ接合のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中間層接合（例えば、接着剤、ガラスフリットまたははんだ）、陽極接合、熱圧着接合、融着接合等を含む、半導体基板を結合させるための多数の接合技術が知られている。特定の基板に対して用いるために選択される接合技術は、サーマルバジェット、気密性の要件、接合界面の特性等によって変わり得る。
【０００３】
融着接合では、中間層を用いることなく、２枚の基板を結合させることができる。しかし、融着接合は、良好な接合強度を達成するために、９００℃にも及ぶ高いアニール温度を用いることを含む。このように高い温度が必要であるので、融着接合は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板製造、限られたＭＥＭＳ組立等のいくつかの特定の応用分野での使用に限られる。融着接合において用いられる高い温度は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイスには適さない。
【０００４】
融着接合とは対照的に、半導体接合表面のプラズマによる活性化は、顕著に低い温度での直接的な共有結合を可能にするものであり、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板製造から３次元基板積層までの用途に使えることが知られている。従来のプラズマ表面活性化プロセスは、研磨された接合界面に短時間のＯ２またはＮ２プラズマ処理を施した後に、ＳＣ１（standard clean one）または脱イオン水浴内での湿式浸漬プロセス（wet dip process）を施すことを含む。ポストプラズマ湿式浸漬プロセス（プラズマ処理後の湿式浸漬プロセス）のステップにより、プラズマ強化接合（プラズマエンハンスト接合、plasma-enhanced bonding）の接合強度は高まる。ただ残念なことに、ポストプラズマ湿式浸漬プロセスは、一般的に水に晒すことができない乾燥剤を含む大部分のＭＥＭＳデバイスまたは基板には適さない。より具体的には、従来のポストプラズマ湿式浸漬プロセスでは、スティクションによってＭＥＭＳ内で問題が生じる可能性が高い。
【０００５】
従来のポストプラズマ湿式浸漬プロセスに対する別のプロセスは、プラズマ処理された界面を長時間にわたって周囲環境に晒すことによって、その表面を水和させることである。しかし、この手法は一般に制御するのが難しく、接合界面が空気中の汚染物と反応し、その汚染物によって、接合表面エネルギーが低下する可能性がある。
【発明の開示】
【０００６】
複数の基板を接合するための方法が、その複数の基板上でガスプラズマ処理を実行すること、およびその複数の基板上で水プラズマ処理を実行することを含む。
【０００７】
同様に、低温プラズマ強化接合を実行するためのシステムが、基板収容空間を有する基板ハウジング構造と、基板ハウジング構造に流体接続するガス源と、基板ハウジング構造に流体接続する水蒸気源と、基板ハウジング構造に接続する無線周波数（ＲＦ）発生器とを備えており、そのシステムは、基板上でガスプラズマ処理および水プラズマ処理の両方を実行するように構成されている。
【０００８】
添付の図面は、本発明のシステムおよび方法の種々の実施形態を例示しており、本明細書の一部を構成する。例示される実施形態は、本発明のシステムおよび方法の例であるにすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。本発明のシステムおよび方法の概要、ならびに他の特徴および態様は、図面を参照しながら、以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。
【０００９】
全図面を通して、同じ参照符号は、必ずしも同一ではないが類似の構成要素を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本明細書は、基板の低温プラズマ接合基板のためのシステムおよび方法を記述する。より具体的には、本発明のシステムおよび方法により、湿式処理を用いることなく、周囲環境で２枚以上の基板をプラズマ処理し、接合することが提供される。接合されるべき基板上でのＯ２またはＮ２プラズマ処理の実施に加えて、低電力水プラズマ処理によって水の単分子層を数層堆積させ、これにより、ポストプラズマ湿式浸漬プロセスは不要となる。以下の明細書および添付の特許請求の範囲に、上記のシステムおよび方法を実施するための例示的な実施形態を開示する。
【００１１】
本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられる限り、「微小電気機械システム（Micro-Electro Mechanical System）」または「ＭＥＭＳ」という用語は、１つまたは複数の半導体チップ上に構成することができかつ集積回路（ＩＣ）一括処理技術を用いて製造することができる、任意の非常に小さな（マイクロサイズの）機械デバイスを記述するものとして広義に理解されるべきである。ＭＥＭＳは概ね、センサ、アクチュエータ、センサとアクチュエータとの組合せ、または処理もしくは制御用の付加回路に分類することができる。本明細書および添付の特許請求の範囲の目的では、「ＭＥＭＳ」という用語は、上記の分類のいずれかを指すことを意図している。
【００１２】
さらに、本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられる限り、「乾燥剤」という用語は、限定されることなく、酸化カルシウムを含む、乾燥を促進する任意の物質を指すものと理解されるべきである。乾燥剤は多くの場合、個々のＭＥＭＳ構成要素のスティクションを生じさせ得る水分の蓄積を防ぐために、ＭＥＭＳ内に含まれる。
【００１３】
「スティクション」は、ＭＥＭＳデバイスの製造の歩留まりを低下させる主な原因の１つであり、多数の発生源から生じるものと考えられるが、最も大きな発生源のいくつかには、毛管力、表面汚染物質、ファンデルワールス力および静電引力がある。スティクションを引き起こす可能性がある要因は、決して限定されることなく、高い毛管力によって隣接表面の破壊を引き起こす、水のような表面張力の高い液体を含む。
【００１４】
本明細書の以下の記述においては、説明の目的のために、基板の低温プラズマ強化接合を実施するための本発明のシステムおよび方法が完全に理解されるよう、多くの具体的な詳細を記載する。しかし、これらの具体的な詳細がなくとも、本発明の方法を実施できることは当業者には明らかであろう。本明細書において「１つの（one）実施形態」または「或る（an）実施形態」を参照することは、実施形態に関連して記述される特定の特徴、構造または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の多くの箇所において「１つの実施形態において」という言い回しが現われても、それは必ずしも全て同じ実施形態を参照しているとは限らない。
【００１５】
例示的な構造
図１Ａおよび図１Ｂに、１つまたは複数の接合される界面を含む、複数の例示的なＭＥＭＳ構造を示す。図１Ａに示すように、光学ＭＥＭＳ構造（１００）は、コンタクトパッド（１２５）のような複数の素子を支持するベース基板（１４５）と、電極（１４０）と、電極に隣接して配置されている画素プレート（１３５）と、ベース基板上に形成されているテトラエチルオルソシリケート酸化シリコン（ＴＥＯＳ）部材（１２０）とを備えていてよい。接合材料（１１５）およびガラス蓋（１１０）がＴＥＯＳ部材（１２０）に接合されている。さらに、ガラス蓋（１１０）上に反射防止コーティング（１０５）を形成して、ＭＥＭＳデバイス（１００）の光学特性を高めることができる。また図１Ａには、水分が、画素プレート（１３５）のようなＭＥＭＳ構造（１００）の内部構成要素に接触して悪影響を及ぼすのを防ぐために、ＴＥＯＳ部材（１２０）内に配置される誘電体プラグ（１３０）も示す。図１Ａに示す、ＭＥＭＳ構造（１００）の複数の構成要素が互いに接合され、これにより、本発明のシステムおよび方法から利益を享受できる。
【００１６】
同様に、図１Ｂは、図１Ａに示されるデバイスに類似の、複数の構成要素を含む光学ＭＥＭＳデバイス（１５０）を示す。例えば、図１Ｂに示す光学ＭＥＭＳデバイス（１５０）は、ベース基板（１４５）と、ガラス蓋（１１０）と、画素プレート（１３５）と、複数のコンタクトパッド（１２５）と、電極（１４０）とを備えている。さらに、図１Ｂに示すように、ガラス蓋（１１０）の両面および画素プレート（１３５）上に反射防止コーティング（１０５）が形成されている。図１Ｂでは画素プレート（１３５）とガラス蓋（１１０）との間の間隙がより大きいので、光学ＭＥＭＳデバイス（１５０）に、付加的な反射防止コーティング（１０５）が組み込まれている。
【００１７】
上記の構成要素に加えて、図１Ｂに示す光学ＭＥＭＳデバイス（１５０）では、構成要素層間の接合界面として機能する複数の接合リング（１５５、１６０）を利用する。図１Ｂに示すように、光学ＭＥＭＳデバイス（１５０）の接合リングは、接合される複数の界面を含み、これにより、本発明のシステムおよび方法から利益を享受できる。図１Ｂに示すように、接合リング（１５５、１６０）間の界面は、結果として形成されるＭＥＭＳ（１５０）の強度を高めるために接合することができる１つの例示的な接合界面である。図１Ｂでは、例示的な光学ＭＥＭＳデバイス（１５０）が、接合リング（１５５、１６０）が同じ寸法を有するものとして示されているが、本発明のシステムおよび方法によれば、３００μｍ、６００μｍおよび１０００μｍ幅のＴＥＯＳ接合リングを用いて、気密パッケージを形成することに成功している。さらに、本発明のシステムおよび方法を用いて、決して限定することなく、ＴＥＯＳ、ガラス、アルミニウム合金、シリコン合金およびこれらに類するものを含む、多くの材料から形成される基板を接合することができる。
【００１８】
上記のように、プラズマ処理された界面の接合強度を高めるために、従来のポストプラズマ湿式浸漬プロセスが実施される。しかし、ポストプラズマ湿式浸漬プロセスによって、大抵のＭＥＭＳデバイスにおいてスティクションが生じる恐れがあり、そのような処理は乾燥剤を含む構造には適さないことがある。
【００１９】
しかし、本発明のシステムおよび方法では、表面をＮ２、Ｏ２または他のプラズマで処理した後にもしくは処理している最中に、反応性水プラズマを利用して、Ｈ２Ｏのいくつかの単分子層が堆積され、これにより、これまで実施されていたポストプラズマ湿式浸漬プロセスは不要となる。言い換えると、Ｏ２またはＮ２プラズマに加えて、水蒸気の発生源をプラズマチャンバに追加することができ、表面活性化および親水化の両プロセスを、単一のチャンバポンプダウンで達成できる。本発明のシステムおよび方法において記述されるＯ２またはＮ２プラズマプラズマプロセスおよび水プラズマプロセスの組合せにより、基板の接着界面上のＳｉ結合部位を活性化し、その密度を高めるだけでなく、その結合部位を水和して、シラノール（ＳｉＯＨ）基が形成される。そのシラノール基によって、２つの接合界面間には、後に詳説するように多数のシロキサン結合が形成される。
【００２０】
例示的なシステム
図２は、１つの例示的な実施形態による、プラズマ活性化および水和で低温接合を実施するために用いることができるプラズマ処理システム（２００）を示す簡単なブロック図である。図２に示すように、プラズマ処理システム（２００）は一般的に、ガス源（２２０）および水蒸気源（２３０）に接続されている試料ホルダ（２１０）を有する。さらに、真空ポンプ（２４０）が、試料ホルダ（２１０）に流体連通している。さらに、プラズマ処理システム（２００）は一般に、整合回路網（２５０）を介して試料ホルダ（２１０）に接続される無線周波数（ＲＦ）発生器（２６０）を備えている。さらに、上記の発生器（２６０）に加えて、第２のＲＦ発生器（図示せず）を用いて、上流に高密度プラズマを生成することもできる。この例示的な実施形態によれば、ガスプラズマまたは水プラズマおよび基板バイアスは、個別に制御することができる。さらに、本発明のプラズマ処理システム（２００）の個々の構成要素のさらなる詳細については、後述の通りである。
【００２１】
図２に示される例示的な実施形態では、試料ホルダ（２１０）は、１つの例示的な実施形態によれば、壁、底部および蓋アセンブリによって画定することができる基板収容空間を含む、任意の構造とすることができる。試料ホルダ（２１０）は、その空間に到達可能に構成され、１枚以上の基板をその空間に出し入れできるようになっている。任意に、処理中に基板とともに移動するキャリア上で、基板をその空間に出し入れすることができる。さらに、その空間は、処理中に試料ホルダ（２１０）の温度を制御するように構成されている温度制御デバイスを備えていてよい。
【００２２】
図２に示すガス源（２２０）は、試料ホルダ（２１０）の基板収容空間に流体連通している。ガス源（２２０）は、基板収容空間にガスを提供するように構成されている。ガス源（２２０）は、当該技術分野においてよく知られているように、所望の基板上でプラズマ活性化プロセスを実行するために提供され用いられる多くの所望のガスを含んでいてよい。１つの例示的な実施形態によれば、ガス源（２２０）は、決して限定されることなく、Ｎ２、Ｏ２、空気および／またはアルゴンを含む多くのガスを基板収容部に供給するように構成することができる。
【００２３】
同様に、図２に示される水源（２３０）は、試料ホルダ（２１０）の基板収容空間に所定量の水（Ｈ２Ｏ）蒸気を供給するように構成されている。１つの例示的な実施形態によれば、多数のバルブおよび／または導管（図示せず）を水源（２３０）に関連付けて、試料ホルダ（２１０）内への水の選択的な堆積を制御することができる。図３を参照して後にさらに詳説するように、プラズマ活性化プロセス中またはその後に、水源（２３０）から試料ホルダに所定量の水蒸気を移送することができる。
【００２４】
図２をさらに参照すると、真空ポンプ（２４０）は、排気口を通して、試料ホルダ（２１０）の基板収容空間に流体連通していてよい。さらに、遮断バルブ／スロットルバルブ（図示せず）を、真空ポンプ（２４０）と試料ホルダ（２１０）との間に配置して、真空ポンプ（２４０）を基板収容空間から選択的に分離し、かつ使用時に、基板収容空間内の圧力を調整することができる。真空ポンプ（２４０）は、試料ホルダ（２１０）内の圧力を調整しかつ／または基板処理中にチャンバからガスを排気することができる。
【００２５】
図２に示される１つの例示的な実施形態によれば、ＲＦ発生器（２６０）によって、試料ホルダ（２１０）にＲＦ電力が供給され、試料ホルダの基板収容空間内に配置されるガスが励起される。ＲＦ発生器（２６０）からのＲＦ電力は概ね、試料ホルダ（２１０）の大きさに対応するように選択される。通常、ＲＦ発生器（２６０）と試料ホルダ（２１０）との間には整合回路網（２５０）が接続され、これにより、プラズマのインピーダンスを整合させて、プラズマにＲＦ電力をより実効的に結合する。
【００２６】
さらに、プラズマ処理システムの上記の構成要素に、多くのコンピューティングデバイス（２７０）を制御可能に接続することができる。さらに、コンピューティングデバイス（２７０）は、個々の発生源（２２０、２３０）からのガスおよび／または水蒸気の配分を制御し、提供されるＲＦ電力を制御し、さらには真空ポンプ（２４０）の動作を制御することができる。さらに、プラズマ処理システム（２００）に多くのサーボ機構を関連付けて、本発明のシステムおよび方法を自動化することができる。
【００２７】
例示的な実施態様および動作
１つの例示的な実施形態によれば、図２に示すプラズマ処理システム（２００）を用いて、Ｏ２プラズマまたはＮ２プラズマとともに水プラズマで接合界面を処理して、プラズマ強化接合のために接合界面を水和する。水プラズマ処理は、Ｎ２またはＯ２プラズマ活性化工程中に、またはその後に実行することができる。これにより、従来用いられてきたポストプラズマ湿式処理プロセスを用いずに、十分な接合表面エネルギーが維持される。それゆえ、本発明のシステムおよび方法は、ＭＥＭＳへの応用および乾燥剤を含む応用に非常に適している。
【００２８】
ここで図３を参照して、プラズマ活性化および水和で複数の基板を接合するための１つの例示的な方法を示す。図３に示すように、本発明の例示的な方法は、最初に、接合すべき基板の表面の形成、例えば、化学機械平坦化プロセスを実施することによって開始する（ステップ３００）。接合されるべき基板の表面を形成した後、Ｎ２またはＯ２のようなガスプラズマ処理を、基板の表面上で実施する（ステップ３１０）。ガスプラズマ処理の実行後にまたはそれと同時に、水プラズマ処理を実施し（ステップ３２０）、所望の基板表面を接合する（ステップ３３０）。接合したら、基板をアニールプロセスによって処理し（ステップ３４０）、接合が完了する。上記の例示的な接合方法に関するさらなる詳細は、図４〜図５Ｃを参照して後述するが、その後、接合強度を試験するために用いられる試験装置についても説明する。
【００２９】
図３に示すように、本発明の方法は、接合すべき基板上で表面準備プロセスを実施することによって開始する（ステップ３００）。１つの例示的な実施形態によれば、化学機械平坦化（ＣＭＰ）を実施してよい。接合界面を、２μｍ×２μｍの面積にわたって、高い度合いの平滑度、例えば２０Ａｒｍｓ未満の平滑度まで平滑化することによって、生成される接合の強度が改善される。ＣＭＰは、接着すべき基板の表面を平滑化するために用いることができる１つの例示的な表面処理方法であるが、本発明の例示的な方法によれば、基板を接合する前に、当該技術分野においてよく知られている多くの表面処理方法を実施することができる。
【００３０】
表面を形成したら（ステップ３００）、所望の表面上で、ガスプラズマ処理を実施する。ガスプラズマ処理の主な目的は、シリコン（Ｓｉ）ダングリングボンド等の界面化学種の密度を高めることであり、それにより、表面間で得られる接合が強化される。１つの例示的な実施形態によれば、プラズマ活性化によって、適切なプラズマ処理がなされたＳｉＯ２界面上のシラノール基密度を高めることができる。現在、複数のガスプラズマ処理が当該技術分野において知られており、このようなガスプラズマ処理は、外部で生成されるプラズマ、例えば上流からの誘導結合プラズマを導入することによって試料ホルダ（２１０、図２）内で実施してもよいし、所望のガスおよびＲＦ電力を同時に導入することによって、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）モード下で基板の真上で行ってもよい。上記のように、プラズマ処理は、決して限定されることなく、Ｎ２、Ｏ２、アルゴン、空気およびそれらの適切な組合せを含む、多くのガスを用いて実行することができる。
【００３１】
ガスプラズマ処理（ステップ３１０）が完了したらまたはそれと同時に、所望の表面上で水プラズマ処理を実施する（ステップ３２０）。１つの例示的な実施形態によれば、約２００秒の水プラズマ処理を実施して、所望の接合表面の表面を水和させることができる。２００秒の水プラズマ処理が完了した時には（ステップ３２０）、接合界面上に水分子からなる単分子層がいくつか存在しており、それにより、効果的なプラズマ活性化接合を得るのに十分に接合界面が水和する。接合界面が水和する結果として、所望の接着表面の界面上に、多数の水−水素結合が形成される。
【００３２】
所望の接合表面の両面に、ガスプラズマ処理（ステップ３１０）および水プラズマ処理（ステップ３２０）を施したら、基板を接合する（ステップ３３０）。処理された接合界面が合わせられるとき、水プラズマ処理（ステップ３１０）中に堆積した水分子が水素結合を引き起こし、この水素結合は、アニールプロセス中に界面水分子がその界面から追い出されるまで、２つの界面間の間隙を埋める。接合界面において水分子の助けを借りない場合、最初に表面間の間隙を埋めるものがないので、２つの接合界面は、プラズマ活性化接合がうまく作用するためにさらに高い度合いの平滑度まで研磨される必要がある。界面の水分子が追い出されると、図４〜図５Ｃを参照して後にさらに詳説するように、２つの基板を分離する間隙が閉じて、接合界面が接触し、多数のシロキサン結合を形成し始める。
【００３３】
図４に示す１つの例示的な実施形態によれば、２つの対になる基板（４４０、４５０）を位置合わせし固定するために接合工具（４００）を使用する。その後、接合工具（４００）は、最終的な接合およびアニールプロセス（ステップ３４０、図３）を実施するためにボンダに移送することができる。図４に示すように、接合工具（４００）は、ベース（４２０）を含み、このベースの中には、複数の真空溝（４２５）が形成されている。複数のクランプ（４１０）が下方で基板を保持し、その間に配置されるフラッグ（４３０）によって、２つの対になる基板が互いに接触するのを防ぐ。
【００３４】
図４に示すように、基板を接着すること（ステップ３３０、図３）は、ベース（４２０）上に第１の基板（４４０）を装填することを含み、この場合、真空溝（４２５）を真空にすることによって第１の基板が接着工具（４００）に保持される。その後、一対の対物レンズ（図示せず）が上に向けられ、第１の基板（４４０）上の位置合わせキー（４６０）を探してもよい。位置合わせが完了すると、対物レンズが所定の位置に固定され、図４に示すように、複数のフラッグ（４３０）が、第１の基板（４４０）の縁部へとスライドする。１つの例示的な実施形態によれば、フラッグ（４３０）の厚みは約５０μｍであり、これにより、２つの合わせられる基板が、第２の基板（４５０）の位置合わせプロセスおよび接合工具（４００）の移送プロセス中に互いに接触することが防止される。
【００３５】
第１の基板（４４０）を位置合わせし、所定の位置に固定した後、第２の基板（４５０）をフラッグ（４３０）のもう一方の側に装着し、位置合わせキー（４６０）を用いて第１の基板に位置合わせし、クランプ（４１０）を用いて接合工具（４００）に固定する。基板（４４０、４５０）が接合工具（４００）に固定されたら、最終的な接合およびアニールプロセス（ステップ３４０、図３）を実施するために、接合工具およびその結合された基板をボンダに移送することができる。
【００３６】
ボンダ上に取り付けた後、ボウピンが２つの対になる基板の中央を互いに接触させるときに、真空が生成され、熱エネルギーが生成されて、それと同時にフラッグ（４３０）が取り出され、第１の基板（４４０）および第２の基板（４５０）が接触する。
【００３７】
図５Ａ〜図５Ｃに、第１の基板および第２の基板（４４０、４５０）を接合させ、アニールした場合に生じる反応を示す。図５Ａに示すように、第１の基板および第２の基板（４４０、４５０、図４）の表面（５４０、５５０）は親水性であり、−ＯＨ基で終端している。第１の親水性表面（５５０）および第２の親水性表面（５４０）が室温にで接触するとき、基板（４４０、４５０、図４）は自然に接合し、接合界面（５００）で水素結合により互いに保持される。１つの例示的な実施形態によれば、第１の表面（５５０）と第２の表面（５４０）との間の界面間隙（Ｇ）は、５０Ａ（オングストローム）（５ｎｍ）未満である。
【００３８】
ボンダ内のアニール温度を１１０℃以上にまで上昇させると、水分子（５１０）は、接合界面を通って基板（４４０、４５０、図４）からの拡散するまたは天然酸化物を通って拡散してシリコン基板と反応することによって、接合界面（５００）を離れ始める。水が存在しなくなると、図５Ｂに示すように、より強いシロキサン結合（５２０）が形成され始める。
Ｓｉ−ＯＨ．．ＨＯ−Ｓｉ→  Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋（Ｈ２Ｏ）ｎ              式１
水分子（５１０）が接着界面（５００）から拡散するとき、基板表面（５４０、５５０）間でシラノール基が多数のシロキサン結合（５２０）に変化し、それにより、第１の表面と第２の表面との間の間隙（Ｇ）が小さくなる。図５Ｃに示すように、水分子（５１０、図５Ｂ）の実質的に全てが接合界面（５００、図５Ａ）から追い出されると、多数のシロキサン結合（５２０）が接合界面に沿って形成される。したがって、２つの基板（４４０、４５０；図４）間に高い表面エネルギーを低温で達成することができる。１つの例示的な実施形態では、親水性Ｓｉ／ＳｉＯ２界面の表面エネルギーは、２００℃において２Ｊ／ｍ２以上に達する。
【００３９】
以上、本発明の例示的な実施形態を記述し図示したが、例示的な方法の順序は変更することができる。一例として挙げれば、ガスプラズマ処理（ステップ３１０）および水プラズマ処理（ステップ３２０）は入れ替え可能であること等である。
【００４０】
強度試験
表面における濡れ性および高いシラノール基密度が良好であることの指標を評価するための一般的な方法は接触角である。１つの例示的な実施形態によれば、シリコン（Ｓｉ）の切取試片を、Ｎ２プラズマ活性化および水プラズマ処理の両処理後に、接触角により表面濡れ性を試験した。水プラズマにより、Ｓｉ切取試片の濡れ性は大幅に改善された。４３°の接触角を有する処理されなかったＳｉ切取試片とは対照的に、２４０秒間水プラズマ処理された試料は、約１〜５°まで接触角が減少し、これは、水プラズマが、Ｎ２プラズマ処理されたＳｉ表面を親水化するのに極めて有効に作用し、これにより、その場所のシラノール基密度を大幅に高めることを示す。
【００４１】
加えて、プラズマ強化接合を用いたダイパッケージに剪断試験を実施した。一般的に、プラズマ活性化接合を用いたダイパッケージの剪断強度はＡｕ８０Ｓｎ２０はんだ接合を用いたパッケージに匹敵する。
【００４２】
さらに、プラズマ強化接合を用いたダイパッケージの気密性を、Sigma Test Labにおいて同位元素漏れ試験（クリプトン−８５）で評価した。パッケージを、放射性クリプトン−８５および窒素混合物を入れたチャンバ内で６時間加圧した。気密性のないダイパッケージへのＫｒ−８５の浸透は、パッケージの壁を貫通して放射されるγ線を検出することによって測定される。Ｋｒ−８５漏れ試験の結果によれば、プラズマ強化接合を用いたパッケージは、＜５×１０−１０ａｔｍ．ｃｃ／ｓｅｃの漏れ速度を有し、それは、MIL-STD-883E気密性標準規格によって要求される＜５×１０−１０ａｔｍ．ｃｃ／ｓｅｃの漏れ率不合格限界よりもはるかに良好である。
【００４３】
単に説明を簡単にするために、本発明のシステムおよび方法を光学ＭＥＭＳでの応用に関して説明したが、本発明のシステムおよび方法は、決して限定されることなく、ＭＥＭＳ気密パッケージング、光学ＭＥＭＳ基板への直接的なガラス接合、サーマルインクジェットアセンブリ等を含む、多くの基板接合構成に適用することができる。さらに、本発明のシステムおよび方法を用いて、決して限定されることなく、シリコン（Ｓｉ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、ＴＥＯＳ、石英、Ｃｏｒｎｉｎｇ１７３７ガラス、リン化インジウム（ＩｎＰ）、サファイア、炭化シリコン、ポリイミドおよび他の類似の材料を含む、多くの接合界面を接合することができる。
【００４４】
結論として、本発明のシステムおよび方法によって、プラズマ助成接合を実施する際、従来のポストプラズマ湿式処理が不要となる。また、本発明のシステムおよび方法は、一対の所望のウェーハを接合する前に水プラズマ処理を実施するステップを含むことによって、ＭＥＭＳの低温プラズマ接合が可能となり、基板を洗浄し乾燥させるポストプラズマ処理プロセスが不要となり、ＭＥＭＳまたは乾燥剤材料に適合しない湿式浸漬プロセスが不要となり、反応性水プラズマによる表面水和をより良好に制御する。
【００４５】
以上の記述は、本発明のシステムおよび方法の例示的な実施形態を例示し、説明するためだけに提示したものである。この記述は、本発明のシステムおよび方法を網羅的に述べることを意図しているわけでもなく、その開示と全く同じ形態に限定することを意図しているわけでもない。数多くの変更および変形が、上記の教示に鑑みて可能である。そのシステムおよび方法の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】例示的な実施形態による、例示的なＭＥＭＳ構成の構成要素を示す簡単なブロック図の側面図である。
【図１Ｂ】例示的な実施形態による、例示的なＭＥＭＳ構成の構成要素を示す簡単なブロック図の側面図である。
【図２】１つの例示的な実施形態による、プラズマ処理システムを示すブロック図である。
【図３】１つの例示的な実施形態による、低温プラズマ活性化および水和を用いて基板を接合するための方法を示す簡単なブロック図である。
【図４】１つの例示的な実施形態による、接合工具内で結合される複数の基板の側面図である。
【図５Ａ】１つの例示的な実施形態による、接合界面において生じる反応を示す化学構造を示す図である。
【図５Ｂ】１つの例示的な実施形態による、接合界面において生じる反応を示す化学構造を示す図である。
【図５Ｃ】１つの例示的な実施形態による、接合界面において生じる反応を示す化学構造を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【国際調査報告】
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