(57)【要約】【課題】  貼りあわせ基板の周辺部にボイドが発生し、ＳＯＩ基板からのデバイスの取れ数が少ない【解決手段】  貼り合わせの進行速度を規定の範囲にすることでボイドの発生を防ぐ。  例えば厚さ725μmのシリコンウェーハ同士の貼り合わせでは、0.1ｍｍ/秒以上50ｍｍ/秒以下。  貼り合わせの進行速度は雰囲気の圧力、種類、粘性によって制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貼り合わせの進行に合わせて貼り合わせの進行速度を制御する機能を有する貼り合わせ装置において、該進行速度制御方法が雰囲気の制御であることを特徴とする貼り合わせ装置。
【請求項２】
前記雰囲気の制御が貼り合わせ環境の気圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせ装置。
【請求項３】
前記雰囲気の制御が貼り合わせ環境の雰囲気の種類を制御することを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせ装置。
【請求項４】
前記雰囲気の制御が貼り合わせ環境の雰囲気の粘性を制御することを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせ装置。
【請求項５】
貼り合わせの進行速度を検知する機能と貼り合わせの進行速度を制御する機能を併せ持つことを特徴とする貼り合わせ装置。
【請求項６】
前記進行速度検知機能が非接触の高さ計であることを特徴とする請求項５に記載の貼り合わせ装置。
【請求項７】
前記進行速度検知機能が貼り合わせ対象に対して透過性を有する波長の光を用いた画像解析であることを特徴とする請求項５に記載の貼り合わせ装置。
【請求項８】
貼り合わせの進行速度を検知する行為と貼り合わせの進行速度を制御する行為を併用することを特徴とする貼り合わせ方法。
【請求項９】
前記貼り合わせ速度が50ｍｍ/秒以下であることを特徴とする請求項８に記載の貼り合わせ方法。
【請求項１０】
前記貼り合わせ速度が0.1ｍｍ/秒以上であることを特徴とする請求項８に記載の貼り合わせ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の半導体基板を貼り合わせる装置に関し、特に貼り合わせ法によるＳＯＩ構造の半導体装置の貼り合わせ時に用いられる半導体基板貼り合わせ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスでは、貼り合わせ手法を用いてＳＯＩ基板を作製する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、多孔質シリコン上に成長させたシリコンエピタキシャル層を、酸化膜を介して非晶質基板又は単結晶シリコン基板にはり合せる、ウェーハ直接貼り合わせ技術を応用したものである。
【０００３】
貼り合わせ装置としては、特許文献１が開示されている。
【０００４】
貼り合わせは、ごく狭い間隔を隔てて鏡面を対向させ、気体を挟んで略水平に保った２枚の基板のうち、いずれか１点を加圧して接触させ、そこを起点として全面を接合させる。一般に、接合領域が拡大する状態をコンタクトウエーブと呼び、その進行速度をコンタクトウエーブ速度と呼ぶ。コンタクトウエーブ速度は、貼り合わせをする際の雰囲気の粘性や、気圧によって変化することが文献に開示されている。（非特許文献１を参照）
前記コンタクトウエーブ速度は貼り合わせ強度に依存し、強度が高いほど速い傾向がある。貼り合わせ強度はウェーハ表面の状態に依存し、一般的には、結露しない範囲において水分吸着量が多い程、貼り合わせ強度が高い。また、有機物汚染などが付着すると貼り合わせ強度は低下する。
【特許文献１】特開２００４−２６６０７０号公報
【非特許文献１】（Semiconductor  Wafer  Bonding  ；Tong  ，Gosele）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記方法でウェーハ貼り合わせを行う場合、ウェーハ外周部の、端から３〜５ｍｍの範囲に、0.1〜1ｍｍφ程度の微細なボイドが多発し、不良となる。貼り合わせ開始点がウェーハの外周部であった場合、ウェーハ中心に対して開始点の逆側のエッジ近傍にボイドが発生する傾向がある（図１）。また、ウェーハ中央から貼り合わせを開始した場合、ほぼ全周に発生する傾向がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
我々が鋭意調査した結果、コンタクトウエーブ速度が50ｍｍ/秒を越えた場合にボイドが発生することを明らかにした（図２）。一般に、例えば貼り合わせをウェーハ中央から開始した場合、コンタクトウエーブ速度は最外周5ｍｍ近傍から急激に加速する。その領域とボイドの発生領域は合致する。従って、コンタクトウエーブ速度を常に50ｍｍ/秒以下にすることが、周辺ボイドを発生させない方法である。そのためには、特に貼り合わせの後半においてコンタクトウエーブ速度を遅くさせることが有効である。
【０００７】
一方、コンタクトウエーブ速度は貼り合わせ強度が低いほど小さくなるため、ウェーハ全体の貼り合わせ強度を低くさせること等でコンタクトウエーブ速度を下げれば、ウェーハ外周部のボイド発生はなくなる。しかしその場合、最外周のコンタクトウエーブ速度を落とすために、貼り合わせ開始点付近のコンタクトウエーブは極端に遅くなってしまう。極端に遅い貼り合わせは、事実上ウェーハ全面が同時に接合することと同じく、複数の場所から同時に貼り合わせが開始してしまい、結果、ウェーハ全面にボイドができる。また、極端にコンタクトウエーブ速度が遅ければ、生産に要する時間が長くなり、コスト的に不利益となることは言うまでも無く、その意味でもコンタクトウエーブ速度は極端に遅くないことが望ましい。
【０００８】
その他、コンタクトウエーブ速度は前記貼り合わせ強度に依存し、その貼り合わせ強度は微妙な擾乱に敏感である。そのため生産において、常にコンタクトウエーブ速度をモニターし、適正な速さに保つことは有益である。本発明は、上記の知見に鑑み、貼り合わせの進行に合わせて貼り合わせの進行速度を制御する機能を有する貼り合わせ装置で、該進行速度制御方法が雰囲気の制御である貼り合わせ装置、または、貼り合わせにおいてコンタクトウエーブ速度をモニターする機能と、それに応じてコンタクトウエーブ速度を調節する機能を併せ持つ貼り合わせ装置を提供するものである。
【０００９】
また、前記進行速度検知機能は非接触の高さ計によることができる。具体的にはレーザー変位計や、オプティカルフラット面との間の干渉を利用する方法である。
【００１０】
また、前記進行速度検知機能は貼り合わせ対象に対して透過性を有する波長の光を用いた画像解析によることができる。例えばシリコン同士の貼り合わせの場合、波長1100nm程度の近赤外線を用いてコンタクトウエーブを観察することができ、一般には、貼り合わさった部分は貼り合わさっていない部分よりも輝度が高く見える。このようにして、コンタクトウエーブの進行を観察することができる。また、例えば石英などの可視光線に対して透明な部材同士の貼り合わせであれば、ギャップに合せて干渉縞が現れるため、コンタクトウエーブの進行を直接目視で確認することもできるし、通常のビデオカメラで撮影することも可能である。
【００１１】
コンタクトウエーブの進行速度は、貼り合わせ環境の気圧を上げるか、または雰囲気の粘性を高めることで、遅くできることが前記文献に開示されている。この知見を元に、進行速度は貼り合わせ環境の気圧を制御することにより、または貼り合わせ環境の雰囲気の種類を制御することにより制御することができる。雰囲気の粘性はガスの種類によって異なる。
【００１２】
以上の機能により、コンタクトウエーブ速度を0.1ｍｍ/秒以上50ｍｍ/秒以下に保つことで、ボイドの発生を防ぐことができる。
【００１３】
なお、ボイドの発生するコンタクトウエーブ速度は今回実験した中では0.1ｍｍ/秒以上50ｍｍ/秒以上であったが、貼り合わせる部材が異なればこの数値は変動し得る。例えば基板を構成する材料の種類や、表面の平坦性、基板の厚さなどによって変化し得る。本発明の装置は、設定する狙い速度を変えればそのような状況にも対応し得るものであり、必ずしも0.1ｍｍ/秒以上50ｍｍ/秒に限定するものではない。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、貼り合わせ法によるＳＯＩ構造の半導体装置の貼り合わせ時に用いられる半導体基板貼り合わせ装置において、貼りあわせ基板の周辺部にボイドが発生するのを防ぎ、ＳＯＩ基板からのデバイスの取れ数を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。
【実施例１】
【００１６】
直径200ｍｍ，厚さ725μmのシリコンウェーハ２枚を室温で貼り合わせる装置である。貼り合わせを行う場所は気密構造にしておき、圧力計とポンプを接続する。まず１気圧で、２枚のウェーハを略水平に保った状態でウェーハの端部を上から押し、コンタクトウエーブを開始させる。コンタクトウエーブの速度は、貼り合わせ開始時点では22ｍｍ/秒でほぼ一定であるが、端の５ｍｍ近傍では60ｍｍ/秒に加速する。そこで、貼り合わせ開始から８秒後に気圧を上げ、コンタクトウエーブ速度ｖcwを下げる。例えば文献のグラフによれば、大気圧近傍において、ｖcwは気圧Xに対して、x-0.2に比例している。従って、例えば１気圧においてコンタクトウエーブ速度が60ｍｍ/秒であれば、2.5気圧では50ｍｍ/秒になり、7気圧では40ｍｍ/秒になる。このようにしてコンタクトウエーブ速度を調節することで、全面でボイドの無い貼り合わせを実現できる。
【実施例２】
【００１７】
直径200ｍｍ，厚さ725μmのシリコンウェーハ２枚を室温で貼り合わせる装置である（図３）。下側ウェーハを石英のステージに真空チャックし、その下からIR光（波長1100nm近傍の光）を照射し、上からIR光に対して感度のあるカメラで観察する。貼り合わせを行う場所は気密構造にしておき、圧力計とポンプを接続する。この環境下で、２枚のウェーハを略水平に保った状態でウェーハの端部を上から押し、コンタクトウエーブを開始させる。コンタクトウエーブの進行はIRカメラでモニターされる。ウェーハの中央部のコントラストに注目して、輝度が一定以上になった時点を、コンタクトウエーブがウェーハ中央を通過した時刻とみなし、コンタクトウエーブ速度を算出する。ウェーハ端部からその時刻ｔ０で貼り合わせを開始し、コンタクトウエーブがウェーハ中央を通過した時刻をｔ１とすると、コンタクトウエーブ速度ｖcwは、ｖcw＝100／（ｔ1‐ｔ0）  [ｍｍ/sec]であらわされる。一般的に、ボイドが発生するのはコンタクトウエーブが半分を超えてからであるため、この時点ではボイドは無い。中央以後の貼り合わせでは、コンタクトウエーブ速度が50ｍｍ/秒を越えるとボイドになるので、ポンプを作動させ、前記文献に沿った比率で気圧を上げることで、コンタクトウエーブ速度を落とす。例えば文献のグラフによれば、大気圧近傍において、ｖcwは気圧Xに対して、x-0.2に比例している。従って、例えば１気圧においてコンタクトウエーブ速度が60ｍｍ/秒であれば、2.5気圧では50ｍｍ/秒になり、7気圧では40ｍｍ/秒になる。このようにしてコンタクトウエーブ速度を調節する。
【実施例３】
【００１８】
直径200ｍｍ，厚さ725μmのシリコンウェーハ２枚を室温で貼り合わせる装置である（図４）。下側ウェーハをステージに真空チャックし、その上からレーザ変位計によって上側ウェーハの高さを測定する。貼り合わせを行う場所は気密構造にしておき、圧力計とポンプを接続する。この環境下で、２枚のウェーハを略水平に保った状態でウェーハの端部を上から押し、コンタクトウエーブを開始させる。コンタクトウエーブの進行はレーザ変位計でモニターされる。ウェーハの中央部の高さ注目して、高さが一定以下になった時点を、コンタクトウエーブがウェーハ中央を通過した時刻とみなし、コンタクトウエーブ速度を算出する。ウェーハ端部からその時刻ｔ０で貼り合わせを開始し、コンタクトウエーブがウェーハ中央を通過した時刻をｔ１とすると、コンタクトウエーブ速度ｖcwは、ｖcw＝100／（ｔ1‐ｔ0）  [ｍｍ/sec]であらわされる。一般的に、ボイドが発生するのはコンタクトウエーブが半分を超えてからであるため、この時点ではボイドは無い。中央以後の貼り合わせでは、コンタクトウエーブ速度が50ｍｍ/秒を越えるとボイドになるので、ポンプを作動させ、前記文献に沿った比率で気圧を上げることで、コンタクトウエーブ速度を落とす。例えば文献のグラフによれば、大気圧近傍において、ｖcwは気圧Xに対して、x-0.2に比例している。従って、例えば１気圧においてコンタクトウエーブ速度が60ｍｍ/秒であれば、2.5気圧では50ｍｍ/秒になり、7気圧では40ｍｍ/秒になる。このようにしてコンタクトウエーブ速度を調節する。
【実施例４】
【００１９】
また、同文献によれば、ｖcwは雰囲気の粘性の逆数ｘ[μP]が大きくなるほど速くなることが開示されている。その関係は、文献においてはｖcw[ｃｍ/s]＝Ax+B（A,Bは定数）の形である。化学便覧(丸善)によれば、25℃１気圧の空気の粘性は18.20μPa秒なので（1μPa秒＝10μPの関係）、空気中でコンタクトウエーブ速度が55ｃｍ/秒であった場合、雰囲気にNeガス（29.50μPa秒）を用いれば、49ｃｍ/秒になる。このように、雰囲気を選ぶことでコンタクトウエーブ速度を制御することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】貼り合わせ開始点がウェーハの外周部であった場合、ウェーハ中心に対して開始点の逆側のエッジ近傍にボイドが発生する傾向を示す図。
【図２】コンタクトウエーブ速度とボイドの発生の関係を示す図。
【図３】実施例２における貼り合わせ装置を示す図と、フローチャート。
【図４】実施例３における貼り合わせ装置を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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