(57)【要約】 【課題】  高い接合強度を得ることができるガラス基板とシリコン基板との陽極接合方法を提供する。【解決手段】  マイナスイオンを予めドープしてドープ層１２を形成したガラス基板１１を用い、ガラス基板１１のドープ層１２が形成された面とシリコン基板１３とを当接させ、ガラス基板１１のドープ層１２が形成された面と反対側の面を電圧印加装置１６の負極側１４に、シリコン基板１３のガラス基板１１と当接した面と反対側の面を電圧印加装置１６の正極１５側に接続し、両電極間に電圧を印加することによって基板同士を接合する陽極接合を行うと、低温環境下でも陽極接合が可能となり、高い強度の接合を得ることができる。【選択図】      図１
2005350311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板とシリコン基板とを接触させて電圧を印加することによって接合する陽極接合方法において、
ガラス基板にマイナスイオンを予めドープする工程と、
ガラス基板を電圧印加装置の負極側に接続し、シリコン基板を電圧印加装置の正極側に接続し、ガラス基板とシリコン基板とを接触させる工程と、
正極と負極との間に電圧を印加してガラス基板とシリコン基板とを接合する工程とを含む陽極接合方法。
【請求項２】
上記ガラス基板にドープされるマイナスイオンの量は１０１８個／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項１記載の陽極接合方法。
【請求項３】
上記マイナスイオンは、酸素イオン、窒素イオンおよび塩素イオンの内の１種類以上から選択されることを特徴とする請求項１または２記載の陽極接合方法。
【請求項４】
上記ガラス基板は、アルカリ金属イオンを含まないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の陽極接合方法。
【請求項５】
ガラス基板とシリコン基板とを接合する工程は、常温〜４００℃で行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の陽極接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基板とシリコン基板とを接合する陽極接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
陽極接合は、負極側に接続されるガラス基板と正極側に接続されるシリコン基板とを接触させ、電圧印加装置によって負極と正極との間に電圧を印加することにより、ガラス基板とシリコン基板とを接合する方法である。通常、陽極接合は、ガラス基板としてナトリウムなどのアルカリ金属を含むものが用いられ、３００〜４００℃の環境下で次のようにして行われる。
【０００３】
電圧印加装置の負極側に接続されるガラス基板と、電圧印加装置の正極側に接続されるシリコン基板とを接触させ、電圧印加装置によって負極と正極との間に５００〜１０００Ｖの高電圧を印加すると、ガラス基板内の正電荷を有するアルカリ金属イオンが電界によってガラス基板内の負極側に移動し、ガラス基板内のアルカリ金属イオンを失った部分には負電荷を有する空間電荷層が発生する。この負電荷を有する空間電荷層は、電界によってガラス基板内の正極側（シリコン基板側）に移動し、ガラス基板とシリコン基板との間に大きな静電引力を発生させる。この静電引力によって、ガラス基板とシリコン基板との接触界面の距離が非常に近接する。電圧印加時において、環境温度が３００〜４００℃と高温であるので、ガラス基板を形成するＳｉＯ２中の酸素原子がイオン化して酸素イオンとなり、負電荷を持つ酸素イオンは電界によってガラス基板内の正極側（シリコン基板側）に移動する。この移動する酸素イオンとシリコン基板を構成するシリコン原子とが、上記の接触界面の距離が短くなることによって分子を構成する原子間距離近傍にまで接近し結合するので、ガラス基板とシリコン基板とが接合される。
【０００４】
陽極接合されたガラス基板とシリコン基板との接合面には、接着剤などの介在物が存在しないので、作製物の接合高さを正確に規定できる。したがって、陽極接合方法は、電極間の距離が重要となる物理量センサ、力学的物理量変換器、マイクロポンプなどを製造する際によく用いられる。
【０００５】
しかしながら、このような従来用いられる陽極接合方法では、ガラス基板とシリコン基板との接合強度が未だ不充分であるという課題があり、より強い接合強度を確保できる陽極接合方法が要求されている。
【０００６】
このような要求に対して、ガラス基板に接触する側の面に酸素過多であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を形成したシリコン基板と、ガラス基板とを陽極接合する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に開示される従来の陽極接合を以下に説明する。
【０００７】
図３は、特許文献１で提案されている陽極接合方法を説明する概略図である。ガラス基板１の一方の面は負極４に接続され、他方の面には、モノシランガスなどのケイ素を含む原料気体と亜酸化窒素などの酸素を含む気体との化学反応によって予めシリコン酸化膜２が形成される。シリコン基板３の他方の面は正極５に接続され、一方の面がシリコン酸化膜２の形成されたガラス基板１の他方の面に当接される。
【０００８】
電圧印加装置６によって両電極間に電圧を印加すると、ガラス基板１中の酸素イオンが電界によってシリコン基板３中のシリコン原子と結合する。ここで、特許文献１で提案される陽極接合方法においては、ガラス基板１はシリコン酸化膜２中に多数の酸素イオン７を有しているので、シリコン基板３中のシリコン原子と結合する酸素イオンの数が相対的に多くなり、接合強度を強くすることができるとされている。
【０００９】
しかしながら、シリコン酸化膜２中においてシリコン基板３中のシリコン原子との結合に寄与する活性な酸素イオン７を生成するためには、エネルギーを加えることが必要であり、単にシリコン酸化膜２中の酸素濃度を高くするだけでは活性な酸素イオンの数を増加させることはできない。たとえば、シリコン酸化膜２中の酸素濃度が６４ｍｏｌ％、環境温度が４００℃である場合、生成される活性な酸素イオンは１０１４個／ｃｍ３程度であり、この程度では充分な接合強度が得られるとは言い難い。酸素イオン濃度をさらに増加させるには４００℃を超える昇温が必要であり、過度の昇温を行うと、ガラス基板が溶融するなどの問題がある。
【００１０】
また、アルカリ金属イオンを含むガラス基板を陽極接合方法によって、シリコン基板と接合すると、アルカリ金属イオンが接合界面付近で析出し、該析出したアルカリ金属イオンが漏出して汚染を引き起こすという問題がある。
【００１１】
このような問題を解決する従来技術に、医療、分析などの分野で用いられる液体吐出用のマイクロポンプにおいて、マイクロポンプの液体入出力口に臨む陽極接合されたガラス基板とシリコン基板との界面付近に凹所を形成し、該凹所にオー（ｏ）リングを嵌合させるというものがある（特許文献２参照）。
【００１２】
特許文献２に開示される技術では、アルカリ金属イオンが析出する前記界面付近に凹所を形成し、該凹所にｏリングを嵌合させることによって、界面に析出したアルカリ金属イオンと液体との接触を遮断することができるので、アルカリ金属イオンによる液体汚染の発生を抑止できるとされている。
【００１３】
しかしながらこの方法では、単にアルカリ金属イオンと液体との直接接触を防止し、ガラス基板表面でのアルカリ金属イオンの漏出を抑制しているに過ぎず、このような陽極接合方法によって接合させたガラス−シリコン基板は、ドライエッチング、研磨などの工程を必要とする製品に用いられると、それらの工程によってガラス基板内に含まれるアルカリ金属イオンが飛散し、装置および素子を汚染してしまうという問題が生じる。
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−２７４４１６号公報
【特許文献２】特開平６−９３９７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、より高い接合強度を有し、アルカリ金属イオンによる装置および素子の汚染を防止できる陽極接合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、ガラス基板とシリコン基板とを接触させて電圧を印加することによって接合する陽極接合方法において、
ガラス基板にマイナスイオンを予めドープする工程と、
ガラス基板を電圧印加装置の負極側に接続し、シリコン基板を電圧印加装置の正極側に接続し、ガラス基板とシリコン基板とを接触させる工程と、
正極と負極との間に電圧を印加してガラス基板とシリコン基板とを接合する工程とを含む陽極接合方法である。
【００１７】
また本発明は、上記ガラス基板にドープされるマイナスイオンの量は１０１８個／ｃｍ３以上であることを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、上記マイナスイオンは、酸素イオン、窒素イオンおよび塩素イオンの内の１種類以上から選択されることを特徴とする。
また本発明は、上記ガラス基板は、アルカリ金属イオンを含まないことを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、ガラス基板とシリコン基板とを接合する工程は、常温〜４００℃で行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ガラス基板内に予めマイナスイオンがドープされるので、電圧を印加するよりも前に負電荷を有するイオンをガラス基板内に存在させることができる。したがって、ガラス基板におけるＳｉＯ２の酸素およびガラス基板表面に形成されるシリコン酸化膜中の酸素をイオン化するためのエネルギーを必要とせず、ドープされたイオンが活性化できる程度のエネルギーを加えることによって陽極接合することができるので、低い温度での接合が可能となる。また、接合に寄与するためのマイナスイオンの濃度を調整することができるので、所望の接合強度を自在に得ることができる。
【００２１】
また本発明によれば、ガラス基板にマイナスイオンが１０１８個／ｃｍ３以上ドープされるので、充分な量のマイナスイオンをシリコン原子との結合に寄与させて、より強固な接合を確保することができる。
【００２２】
また本発明によれば、ガラス基板にドープされるマイナスイオンが、酸素イオン、窒素イオンおよび塩素イオンのうちから選択される１種以上であるので、シリコン基板を構成するシリコン原子との親和力が高く、より接合強度の高い陽極接合が可能となる。
【００２３】
また本発明によれば、ガラス基板がアルカリ金属イオンを含まないので、ガラス基板表面へのアルカリ金属イオンの析出による装置および素子の汚染を抑制できる。
【００２４】
また本発明によれば、ガラス基板とシリコン基板とを接合する工程が、常温〜４００℃と低温環境下で行われるので、ガラス基板とシリコン基板とに熱膨張率の差があっても、基板の反りが生じない。また、接合が低温環境下で行われるので、省エネルギー効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の陽極接合方法は、予めマイナスイオンのドープされたガラス基板を用いて、ガラス基板とシリコン基板とを接合する方法である。
【００２６】
ガラス基板は、アルカリ金属イオンを含むガラスであり、たとえば、ホウケイ酸ガラス（化学組成：ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏ）などが挙げられる。また、ガラス基板の寸法を例示すると、たとえば、厚さは５００μｍ程度、直径は６インチ程度である。
【００２７】
このガラス基板には、酸素イオン、窒素イオンおよび塩素イオンのうちから選択される１種以上のマイナスイオンが予めドープされ、厚さ数十ｎｍ〜数μｍのドープ層が形成される。本実施の態様では酸素イオンをドープした例について示す。酸素イオンをガラス基板にドープする方法としては、たとえば、酸素イオン注入機を用いて、２００ｋｅＶで加速した酸素イオンをガラス基板上に打込んで酸素イオンを注入することができる。
【００２８】
シリコン基板としては、アモルファスシリコン基板、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板のいずれも使用することができ、寸法を例示すると、たとえば、厚さは５００μｍ程度、直径は６インチ程度である。
【００２９】
このようなガラス基板とシリコン基板とを用いて、両者を接触させて接合する陽極接合方法について以下に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の実施の１態様である陽極接合方法の概要を示す図である。
ガラス基板１１のドープ層１２が形成される側と反対側の面に負極１４が接続され、ガラス基板１１のドープ層１２が形成された面とシリコン基板１３の一方の面とが当接し、シリコン基板１３の他方の面には正極１５が接続される。負極１４は電圧印加装置１６の負出力端子に接続され、正極１５は電圧印加装置１６の正出力端子に接続される。
【００３１】
電圧印加装置１６としては、直流電圧を発生することができるものであればよく、たとえば、変圧器と整流器とを備えた整流装置、コンバータなどを用いることができる。
【００３２】
電圧印加装置１６によって負極１４と正極１５との間に数百Ｖの電圧を印加すると、ガラス基板１１に存在する正電荷を持つアルカリ金属イオンが、電界によってガラス基板１１内の負極１４側に移動する。ガラス基板１１内のアルカリ金属イオンを失った部分には、負電荷を有する空間電荷層１８が発生し、この空間電荷層１８が電界によってガラス基板１１内の正極１５側（シリコン基板１３側）に移動することによってガラス基板１１とシリコン基板１３との間に大きな静電引力を発生させる。この大きな静電引力によって、ガラス基板１１とシリコン基板１３との接触界面の距離がマクロ的には変わらないもののミクロ的には非常に短く、分子を構成する原子間距離に近くなる。また、ガラス基板１１に形成される厚さ数十ｎｍ〜数μｍのドープ層１２には、予めマイナスイオンとしてドープされる負電荷を有する酸素イオン１７が多量に活性化して存在する。このドープ層１２中に存在する酸素イオン１７と正極１５との距離は、空間電荷層１８と正極１５との距離よりもさらに短いので、酸素イオン１７は、空間電荷層１８が発生させる静電引力よりもさらに強い静電引力を発生させることができる。またこの強い静電引力に伴って、より多くの酸素イオン１７がシリコン基板１３を構成するシリコン原子と結合できるので、より強固な接合を確保することができる。
【００３３】
本発明によれば、ガラス基板１１に予めマイナスイオンがドープされてドープ層１２が形成されるので、電圧を印加するよりも前に負電荷を有するイオンをガラス基板１１内に存在させることができる。このことによって、ガラス基板におけるＳｉＯ２の酸素およびガラス基板表面に形成されるシリコン酸化膜中の酸素をイオン化するためのエネルギーを必要としないので、接合に必要なエネルギーは、ドープされたマイナスイオンが活性化される程度のものでよく、従来例のように高い活性化熱エネルギーを必要とせず、低い環境温度でも接合が可能となる。本発明のガラス基板とシリコン基板とを陽極接合する方法は、常温〜４００℃の環境温度下において行われるが、特に、３００℃以下でも接合可能であることを特徴とする。このような低温環境下でも陽極接合を行うことができるので、ガラス基板とシリコン基板との熱膨張率に差があっても、基板に反りを生じることがなく、さらに省エネルギー効果も発揮できる。
【００３４】
ガラス基板１１に予め形成されるドープ層１２中のマイナスイオンの濃度は、１０１８個／ｃｍ３以上であれば良いが、より好ましくは１０１８〜１０２１個／ｃｍ３である。マイナスイオンの濃度は、イオン注入機の注入時間を調整することによって変えることができる。マイナスイオンの濃度が１０１８個／ｃｍ３未満であると、接合に寄与するためのマイナスイオンの数が少なく、充分な接合強度を得ることができない。このように、イオン注入機によってマイナスイオンを予めガラス基板にドープすることによって、接合に寄与するためのマイナスイオンの濃度を調整することができるので、所望の接合強度を自在に得ることができる。
【００３５】
また、ドープされるマイナスイオンが、酸素イオン、窒素イオンおよび塩素イオンのうちから選択される１種以上であり、これらのイオンはシリコン基板１３を構成するシリコン原子との親和力が高いので、より高い強度の陽極接合を得ることができる。
【００３６】
図２は、本発明の実施のもう１つの態様である陽極接合方法の概要を示す図である。
本実施態様は、ガラス基板２１が、アルカリ金属イオンを含んでいないことを除いて、前述の実施態様と同じである。図２では、前述の実施態様と同一の構成部分については同一の参照符合を付し、その説明を省略する。
【００３７】
アルカリ金属イオンを含まないガラス基板２１としては、たとえば、石英ガラス（化学組成：ＳｉＯ２）などが挙げられる。
【００３８】
以下、図２に示すガラス基板２１とシリコン基板１３との陽極接合方法を説明する。ガラス基板２１がアルカリ金属イオンを含まないことを除いて、ガラス基板２１に形成されるマイナスイオンとして酸素イオン１７がドープされたドープ層２２、シリコン基板１３、負極１４、正極１５、電圧印加装置１６の構成については前述の実施態様と同じである。
【００３９】
電圧印加装置１６によって負極１４と正極１５との間に数百Ｖの電圧を印加すると、ガラス基板２１は誘電分極を起こし、ガラス基板２１内の負極１４に接続された側には正電荷が、シリコン基板１３に接続された側には負電荷が現れる。ここで、ガラス基板２１は、予めマイナスイオンとして負電荷を有する酸素イオン１７が多量にドープされたドープ層２２を有するので、ガラス基板２１とシリコン基板１３との接触界面に強い静電引力を発生させることができ、その強い静電引力によって多量の酸素イオン１７がシリコン基板１３を構成するシリコン原子と結合できるので、より強固な接合を確保することができる。
【００４０】
このように、マイナスイオンがドープされたガラス基板を用いることによって、ガラス基板内にアルカリ金属イオンが存在しなくても、強い静電引力を発生させることができ、強固な接合を得ることが可能である。
【００４１】
さらに本実施態様のガラス基板２１は、アルカリ金属イオンを含まないので、ガラス基板２１表面へのアルカリ金属イオンの析出による装置および素子の汚染を抑制することができるので、特に好ましく用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の１態様である陽極接合方法の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施のもう１つの態様である陽極接合方法の概要を示す図である。
【図３】特許文献１で提案されている陽極接合方法を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００４３】
１，１１，２１  ガラス基板
２  シリコン酸化膜
３，１３  シリコン基板
４，１４  負極
５，１５  正極
６，１６  電圧印加装置
７，１７  酸素イオン
１２，２２  ドープ層
１８  空間電荷層
【図１】
2005350311.tif 000003
【図２】
2005350311.tif 000004
【図３】
2005350311.tif 000005