(57)【要約】      （修正有）【課題】チップとウエハとの間又は積層された複数のチップ間の電気的接続を確立し機械的強度を上げる、ウエハ上にチップを効率よく接合する技術を提供する。【解決手段】チップ側接合面の少なくとも金属領域を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップＳ１と、基板の接合部を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップＳ２と、表面活性化処理、親水化処理された複数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップＳ３と、基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップＳ４を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、複数の接合部を有する基板に接合する方法であって、
チップ側接合面の少なくとも金属領域を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、
基板の接合部を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、
表面活性化処理されかつ親水化処理された複数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、
基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップと、
を備えた方法。
【請求項２】
前記複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップは、チップの金属領域が基板の接合部に接触する際に、０．１秒から１０秒に亘り、チップの金属領域及び基板の接合部を摂氏１００度から摂氏３５０度の温度となるように加熱することで行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記チップ側接合面への水又はＯＨ含有物質の付着及び基板の接合部への水又はＯＨ含有物質の付着は、それぞれ、チップ側接合面及び基板の接合部の周りの雰囲気における相対湿度が１０％から１００％となるように制御されることで行われる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記チップ側接合面への水又はＯＨ含有物質の付着及び基板の接合部への水又はＯＨ含有物質の付着は、表面活性化処理の後、チップ側接合面及び基板の接合部をそれぞれ大気に暴露することなくチャンバー内で行われる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記チップ側接合面を親水化処理するステップの後、前記複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップの前に、チップ側接合面に更に水を付着させる水付着ステップを更に備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記水付着ステップは、チップ側接合面の金属領域に水を吹き付けることで行われる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記水付着ステップは、チップ側接合面の金属領域を液体状の水に浸漬させることで行われる、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記粒子は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅからなる群から選ばれる元素の中性原子、イオン若しくはラジカル又はこれらを混合したものである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記粒子の運動エネルギーは、１eＶから２ｋeＶである、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
複数のチップ又は基板に対して交番電圧を印加することで、チップ側接合面又は基板の接合部の周りに前記粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の前記粒子を前記電圧によりチップ側接合面又は基板の接合部に向けて加速させることにより、粒子に所定の運動エネルギーを付与する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記表面活性化処理において、前記チップ側接合面又は基板の接合部から離間された位置から、前記チップ側接合面又は基板の接合部に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記表面活性化処理において、前記粒子は、前記接合面から離間して配置されたイオンビーム源又は中性原子ビーム源により、当該接合面に向かって加速されて放射されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記表面活性化処理ステップにおいて、
前記粒子が有する運動エネルギーが５０ｅＶから２ｋｅＶであり、
粒子が放射される前の真空度が１０−５Ｐａ以下であって、かつ、
粒子が放射されている間の真空度が１Ｐａ以下である、
ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記チップ側接合面は金属領域以外の領域に非金属領域を有し、当該非金属領域は樹脂により形成される、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記構造体を加熱するステップは、当該構造体を樹脂が硬化する温度範囲に保つことを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップは、摂氏３００度以下、かつ前記樹脂の硬化温度未満で行われることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップは、前記チップと前記基板とを互いに近接する方向に加圧するステップを含み、当該加圧ステップは、金属領域に対して０．５〜４００ＭＰａの圧力で行われる、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップは、摂氏１００度以上、前記金属領域を形成する金属の融点未満の温度で、１０分から１００時間に亘って行われる、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップは、前記基板と前記基板に接合された複数のチップとを、互いに近接する方向に加圧するステップを含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記金属領域は、銅（Ｃｕ）、はんだ材料、金（Ａｕ）及びこれらの合金からなる群から選ばれる材料により形成されている、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
チップ側接合面は金属領域以外の領域に非金属領域を有し、金属領域と非金属領域の表面はほぼ同一面上にある、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
チップ側接合面の非金属領域は、疎水化処理されたチップ側疎水化領域を有し、
基板の接合部は、チップの金属領域に対応する接合領域と、疎水化処理された基板側疎水化領域とを有し、
前記複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップは、チップの金属領域と基板の親水化処理された接合領域とが接触するように行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記金属領域は、チップ側接合面の金属領域以外の領域に対して突出するように形成されている、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記金属領域は、一つ又は複数の第一の金属領域と当該第一の金属領域を囲むように形成された閉じた環状の第二の金属領域とを有する、請求項１から２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
チップに所定の検査を行い、良好と判断されたチップのみを供給するステップを更に含む、請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
一つ又は複数の金属領域を有する第一接合面と当該第一接合面の裏側に位置する第二接合面とを有する所定数のチップからなるチップ層を、複数の層に亘り、複数の接合部を有する基板上に積層して接合する方法であって、
当該方法は、
チップの第一接合面の少なくとも金属領域を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、
基板の接合部を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、
表面活性化処理されかつ親水化処理された所定数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、
次に取り付けるべき所定数のチップの第一接合面の少なくとも金属領域を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、
基板上に積層されているチップの中で最上層の所定数のチップの第二接合面を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、
表面活性化処理されかつ親水化処理された前記次に取り付けるべき所定数のチップを、それぞれ、当該チップの金属領域が前記最上層の所定数のチップの第二接合面に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された前記最上層の所定数のチップ上に取り付けるステップと、
複数のチップ層に亘りチップを基板上に取り付けた後に、基板と基板上に取り付けられたチップとを含む構造体を加熱するステップと、
を備えた方法。
【請求項２７】
一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、複数の接合部を有する基板に接合する装置であって、
チップ側接合面の少なくとも金属領域を表面活性化処理するために、所定の運動エネルギーを有する粒子を当該チップ側接合面に対して衝突させるチップ用表面活性化処理手段と、
基板の接合部を表面活性化処理するために、所定の運動エネルギーを有する粒子を当該基板の接合部に対して衝突させる基板用表面活性化処理手段と、
表面活性化処理されたチップの金属領域を親水化処理するために、当該チップの金属領域に水又はＯＨ含有物質を付着させるチップ用親水化処理手段と、
表面活性化処理された基板の接合部を親水化処理するために、当該基板の接合部に水又はＯＨ含有物質を付着させる基板用親水化処理手段と、
複数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、基板の対応する接合部上に取り付けるチップ取付手段と、
を備えた装置。
【請求項２８】
前記チップ用表面活性化処理手段により表面活性化処理され、前記チップ用親水化処理手段により親水化処理されたチップ側接合面に更に水を付着させる水付着手段を更に備えた、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記チップ取付手段は、チップを基板に向けて搬送するチップ搬送手段と、当該チップ搬送手段により搬送されたチップを受け取って基板上に載置するチップ載置手段とを有して構成され、
前記水付着手段は、チップ搬送手段に設けられて、チップ載置手段がチップを受け取った後にチップ側接合面に水を吹き付ける、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記水付着手段は、チップ搬送手段に形成された孔部を有して構成され、当該孔部を通して水がチップ側接合面に吹き付けられる、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記孔部は、チップを真空吸着するためにも使用される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記水付着手段は、チップ取付手段によりチップが移動させられる経路上に固定されて、チップが水付着手段を通過するときにチップ側接合面に向かって水を吹き付ける、請求項２８に記載の装置。
【請求項３３】
前記水付着手段は、チップ取付手段によりチップが移動させられる経路上に固定されて、液体状の水を収容する水槽を含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３４】
チップ用表面活性化処理手段と基板用表面活性化処理手段とは、それぞれ、複数のチップと基板とに対して交番電圧を印加することで、チップ側接合面と基板の接合部との周りに前記粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の前記粒子を前記電圧によりチップ側接合面と基板の接合部とに向けて加速させることにより、粒子に所定の運動エネルギーを付与する、プラズマ発生装置を有して構成される、請求項２７から３３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３５】
チップ用表面活性化処理手段と基板用表面活性化処理手段とは、それぞれ、チップ側接合面と基板の接合部とから離間されて配置され、チップ側接合面と基板の接合部とに向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射する、粒子ビーム源を有して構成される、請求項２７から３４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３６】
チップ用親水化処理手段と基板用親水化処理手段とは、一つの親水化処理手段により実現される、請求項２７から３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
チップ用表面活性化処理手段とチップ用親水化処理手段とは、共通の粒子ビーム源を有する、請求項２７から３６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３８】
前記チップ取付手段は、チップを基板の対応する接合部上に取り付ける際に、前記チップと前記基板とを互いに近接する方向に加圧する手段を更に有し、前記加圧手段は、チップの金属領域に０．５〜４００ＭＰａの圧力を印加する、請求項２７から３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
前記複数のチップと前記基板とを含む構造体を加熱するための、加熱手段を更に備えた、請求項２７から３８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４０】
一つ又は複数の金属領域を有する第一接合面を有する複数のチップからなるチップ層を、複数の層に亘り、複数の接合部を有する基板上に積層して接合する装置であって、
チップの第一接合面を表面活性化処理するために、チップの第一接合面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させる第一接合面用表面活性化処理手段と、
チップの第一接合面の裏側に位置する第二接合面を表面活性化処理するために、チップの第二接合面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させるチップ第二接合面用表面活性化処理手段と、
基板の接合部を表面活性化処理するために、基板の接合部に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させる基板用表面活性化処理手段と、
表面活性化処理されたチップの第一接合面を親水化処理するために、チップの第一接合面に水又はＯＨ含有物質を付着させるチップ第一接合面用親水化処理手段と、
表面活性化処理されたチップの当該第一接合面の裏側に位置する第二接合面を親水化処理するために、チップの第二接合面に水又はＯＨ含有物質を付着させるチップ第二接合面用親水化処理手段と、
基板の接合部を親水化処理するために、基板の接合部に水又はＯＨ含有物質を付着させる基板用親水化処理手段と、
チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、チップを基板の対応する接合部上に取り付け、基板上に取り付けられているチップの第二接合面に次に取り付けられるチップの第一接合面が接触するように、当該チップを基板上に取り付けられているチップ上に取り付けるチップ取付手段と、
を備えた装置。
【請求項４１】
前記基板と前記基板上に複数の層に亘り積層された複数のチップとを含む構造体を加熱するための、加熱手段を更に備えた、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体であって、請求項１から２５のいずれか一項に記載の、一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、複数の接合部を有する基板に接合する方法により形成された、基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体。
【請求項４３】
基板と基板上に複数層に亘り取り付けられたチップとを含む構造体であって、請求項２６に記載の、一つ又は複数の金属領域を有する第一接合面と当該第一接合面の裏側に位置する第二接合面とを有する所定数のチップからなるチップ層を、複数の層に亘り、複数の接合部を有する基板上に積層して接合する方法により形成された、基板と基板上に複数層に亘り取り付けられたチップとを含む構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ウエハ上にチップを実装するためのチップオンウエハ（ＣＯＷ，Ｃｈｉｐ−Ｏｎ−Ｗａｆｅｒ）接合方法及びその接合装置並びにウエハとウエハ上に接合された複数のチップとを含む構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクスの分野では、デバイス実装の更なる高密度化が求められている。そこで、既にパッケージされた半導体集積回路（チップ）をフリップチップ実装技法によりウエハ（基板）上に接合する技術が注目を集めている。チップは、バンプ（突起）状の又は平坦な金属領域を有しており、この金属領域を介して、チップとウエハとの間、あるいはチップが３次元的に積層される場合には積層された複数のチップ間の電気的接続を確立することができる。また、チップは、機械的強度を上げるためにウエハ又は他のチップと接合するための部位を有してもよく、この部位は金属領域として構成されることもある。そして、チップとウエハとの間又は積層された複数のチップの間で、上記金属領域を介して電気的接続を確立し機械的強度を上げることで、チップとウエハとの間又は積層された複数のチップ間の電気信号授受の高速化と、電子デバイス実装の高密度化を実現することができる。
【０００３】
フリップチップ実装技法におけるチップの接合のために、非導電性樹脂（ＮＣＰ、Ｎｏｎ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐａｓｔｅ）を用いる手法が開発されている。チップが接合される基板表面に塗布されたＮＣＰの層へ、チップを押し込み、チップの金属領域を基板上の金属領域などの所定の部位に接触させて仮接合を行う。その後、所定の熱処理を施す本接合を行い、チップとウエハ（基板）との間の電気的接続を確立し及び機械的強度を上げる。ＮＣＰは、チップオンウエハ接合のために鉛フリー化に伴い一般的に採用されている材料であり、チップを基板に対して接着又は仮固定する機能を有するとともに、接合されたチップとウエハとの間の隙間を埋めてチップとウエハとの間の機械的強度を上げ、接合面を環境から保護するアンダーフィル材として使用されている。
【０００４】
また、ＮＣＰを使用しないフリップチップ実装技法として、はんだ材料が塗布されたチップの金属領域を基板上の所定の部位に接合することが行われている。この場合、接合完了後にはんだ材料が接合界面に残る。はんだ材料は、比較的脆く、抵抗率も高いため、形成された接合界面の機械的強度及び導電性を向上させることができない。また、一般的に、はんだ材料には樹脂成分を含むフラックスが含まれているので、接合完了後に、残渣のフラックスを除去するいわゆるリフローと呼ばれるプロセスが行われる。しかし、チップ実装の高密度化、接合面の構成の微細化に伴い、フラックスの除去が困難になる傾向にある。
【０００５】
また、従来、半導体素子における電極と封止にはハンダと樹脂が使われ、まずハンダの濡れを確保するフラックスが塗布された基板上へハンダバンプ付チップを実装、仮固定し、無加圧リフロー中で加熱溶融して接合、その後フラックスを洗浄除去し、隙間にアンダーフィル材である樹脂を流し込み加熱硬化させて封止するという手法であった。しかし、電極接合のファインピッッチ化に伴いバンプの微細化が進み、フラックスの洗浄ができなくなり、かつ、アンダーフィルが流し込めなくなった。また、三次元積層に伴ってチップの薄片化がなされ、無加圧状態ではチップが反って接合できない状況になり、一つ一つのチップを加圧加熱冷却する必要から量産性が得られなくなった。そこで対応するためにフラックスを使用しないで、電極接合と封止を同時に行う手法が求められた。また、低温化や加圧中の加熱時間の短縮が求められた。そのためには、金属電極と封止材となる酸化物や窒化物、樹脂というものが同時に低温で接合されなければいけない。または、封止枠を作って内部電極間を真空、不活性に保つ必要がある。
【０００６】
特許文献２に開示されているような従来の接合方法では、封止材の接合は可能としているが金属電極の接合は二の次となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１５２０２７
【特許文献２】特表２００６−５１７３４４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＮＣＰ又ははんだ材料を用いたチップのウエハ（基板）への接合方法においては、樹脂がチップの金属領域と基板との間の接合界面に残存するという問題がある。チップを基板に所定の力で押し付け、あるいは仮接合後に熱処理を施しても、ＮＣＰなどの仮接合に用いられた樹脂が接合界面に残存しうるという課題があった。この残存物は、接合後には接合界面内に取り込まれているので、外部から直接物理的又は化学的に作用することができない。すなわち、接合が完了した後に上記残存物を除去することは困難である。そして、接合界面に取り込まれて残存する樹脂は、チップと基板との間の導電性及び機械的強度を低下させ、接合部の信頼性を低下させる要因となるという課題があった。
【０００９】
そこで、本願発明は、接合界面に樹脂などの望ましくない残存物を残さないようにして、チップとウエハとの間又は積層された複数のチップ間の電気的接続を確立し機械的強度を上げる、ウエハ上にチップを効率よく接合する技術を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本願発明は、半導体として一番重要な電気特性を示す電極の接合を重視し、かつ、電極接合と封止を同時に達成するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明において、ウエハ（以下、基板と称する。）は、板状の半導体を含むが、これに限定されず、半導体以外にも、ガラス、セラミックス、金属、プラスチックなどの材料、又はこれらの複合材料により形成されていてもよく、円形、長方形等の種々の形状に形成される。
【００１２】
本願において、「チップ」とは、半導体部品を含む成型加工半導体の板状部品、パッケージされた半導体集積回路（ＩＣ）などの電子部品等を示す広い概念の用語として与えられる。「チップ」には、一般に「ダイ」と呼ばれる部品や、基板よりも寸法が小さくて、複数個を当該基板に接合できるほどの大きさを有する部品又は小型の基板も含まれる。また、電子部品以外に、光部品、光電子部品、機械部品も含まれる。
【００１３】
上記の技術的課題を解決するために、本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、複数の接合部を有する基板に接合する方法は、チップ側接合面の少なくとも金属領域を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、基板の接合部を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、表面活性化処理されかつ親水化処理された複数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップと、を備えるようにしたものである。本願発明によれば、チップと基板との間に清浄な接合界面を形成し、良好な導電性と高い機械的強度を有するチップと基板とを含む構造体を製造することができる。また、すべてのチップを基板上に取り付けた後に加熱処理を一回のみ行うように構成したことで、高い生産効率で、複数のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。
【００１４】
本願発明に係る接合方法は、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップが、チップの金属領域が基板の接合部に接触する際に、０．１秒から１０秒に亘り、チップの金属領域及び基板の接合部が摂氏１００度から摂氏３５０度の温度となるように加熱するようにしてもよい。これにより、仮接合後及び本接合後のチップと基板とを含む構造体の接合強度を向上させることができる。接合面の平坦度を高めたもの（例えば表面粗さが数ｎｍのもの）は、実質的な接触面積が大きくなることから、本来の水酸基（ＯＨ基）による接合が強固な接合となり、低温、低圧での接合でも十分な接合強度を得ることが可能である。一方、接合面の平坦度が低いもの（例えば表面粗さが数十〜数百ｎｍのもの）の場合は、加圧（数十Ｍ〜数百ＭＰａ）により金属領域を押しつぶすことで実質的な接触面積を大きくすることや、摂氏数百度程度で加熱（例えば１５０℃）により拡散を促し接合界面で原子の動きを促進させることで、実質的な接合面積を大きくすることができる。
【００１５】
本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面への水の供給及び基板の接合部への水の供給が、それぞれ、チップ側接合面及び基板の接合部の周りの雰囲気における相対湿度が１０％から１００％となるように制御されることで行われるようにしてもよい。これにより、表面活性化処理後に形成された新生表面上に水を均一かつ密に付着させることができる。また、接合面の雰囲気、接合面が配置されたチャンバ内の湿度を、大気の湿度よりも高くすることで、接合面に水を強制的に付加する方法が好ましい。通常、大気の湿度は３５％程度である場合が多いので、チャンバ内の湿度を例えば４０％〜１００％にすることが好ましい。
【００１６】
本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面への水又はＯＨ含有物質の付着及び基板の接合部への水又はＯＨ含有物質の付着は、上記表面活性化処理の後、大気に暴露することなくチャンバー内で行われるようにしてもよい。これにより、有機物や不純物の付着を押さえて水のみを付着させることができるので、効率良く接合面上に水酸基（ＯＨ基）を生成することが可能となる。この際、チャンバ内の湿度は大気の湿度よりも高い値であることが好ましい。
【００１７】
本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面を親水化処理するステップの後、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップの前に、当該チップのチップ側接合面に更に水又はＯＨ含有物質を付着させる水付着ステップを更に備えるようにしてもよい。これにより、表面活性化処理された接合面上に水又はＯＨ含有物質を付着し、仮接合後のチップと基板とを含む構造体の接合強度を高めることができる。また、従来の表面活性化方法では、アルゴンイオン衝撃により接合面の付着物の除去と活性化とを行うが、大気に暴露した時点で表面活性化処理された接合面に不純物が再付着し、接合ができなくなるため、接合を真空中で行う必要があった。本願発明に係る接合方法では、表面活性化処理された接合面に水又はＯＨ含有物質を付着させることで、接合面上に水酸基（ＯＨ基）が形成され、水分子が結合されやすい親水化された状態になる。したがって、親水化処理された接合面を大気に暴露しても水分子の付着により接合面が大気から保護されている。水を介在させて複数のチップを仮接合をした後、本接合での加熱により、複数のチップでの接合界面から一括して水を除去し、不純物が残ることなく接合界面を形成することが可能になる。
【００１８】
本願発明に係る接合方法は、水付着ステップが、チップ側接合面の金属領域に水を吹き付けることで行われるようにしてもよい。これにより、表面活性化処理され親水化処理された接合面上に効率よくかつ均一により多い量の水を付着することができる。
【００１９】
本願発明に係る接合方法は、水付着ステップが、チップ側接合面の金属領域を液体状の水に浸漬させることで行われるようにしてもよい。これにより、表面活性化処理された接合面上により多量の水をより確実に付着することができる。
【００２０】
本願発明に係る接合方法は、粒子が、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅからなる群から選ばれる元素の中性原子、イオン若しくはラジカル又はこれらを混合してもよい。これらの希ガスは、比較的大きい質量を有しているので、効率的にスパッタリング現象を生じさせることができ、新生表面の結晶構造を乱すことも可能になる。
【００２１】
本願発明に係る接合方法は、粒子の運動エネルギーが、１eＶから２ｋeＶとなるようにしてもよい。これにより、さらに効率的に表面層におけるスパッタリング現象が生じさせることができる。
【００２２】
本願発明に係る接合方法は、複数のチップ又は基板に対して交番電圧を印加することで、チップ側接合面又は基板の接合部の周りに粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の粒子を電圧によりチップ側接合面又は基板の接合部に向けて加速させることにより、粒子に所定の運動エネルギーを付与するようにしてもよい。これにより、プラズマは数パスカル（Ｐａ）程度の低真空度の雰囲気で発生させることができるので、真空システムを簡易化でき、かつ真空引きなどの工程を短縮化することができる。
【００２３】
本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面又は基板の接合部から離間された位置から、チップ側接合面又は基板の接合部に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射するようにしてもよい。これにより、高い運動エネルギーを粒子に付与することができるので、効率良く表面層の除去をし、さらには新生表面をアモルファス化することができる。アモルファス化した新生表面は強固な結晶構造をしていないので、当該アモルファス化した新生表面の原子構造に沿って水が付着され水酸基（ＯＨ基）が形成されるので、効率よく水酸基（ＯＨ基）を接合面上に形成することができる。
【００２４】
上記基板を接合する方法は、表面活性化処理において、粒子が、接合面から離間して配置されたイオンビーム源又は中性原子ビーム源により、当該接合面に向かって加速されて放射されるようにしてもよい。イオンビーム源又は中性原子ビーム源を使用することで、プラズマ装置と異なり、清浄に親水化処理された接合面を形成することができる。
【００２５】
上記基板を接合する方法は、表面活性化処理ステップにおいて、粒子が有する運動エネルギーが５０ｅＶから２ｋｅＶであり、粒子が放射される前の真空度が１０−５Ｐａ以下であって、かつ、粒子が放射されている間の真空度が１Ｐａ以下であるようにしてもよい。これにより、イオンビーム源又は中性原子ビーム源を用いて、典型的なプラズマ発生装置では行えない条件で表面活性化処理を行うことで、プラズマ処理に起因した表面の再汚染を回避し、さらに清浄に親水化処理された接合面を形成することができる。
【００２６】
本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面は金属領域以外の領域に非金属領域を有し、当該非金属領域は樹脂により形成し、チップ側接合面又は基板の接合部から離間した位置から、チップ側接合面又は基板の接合部に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射して表面活性化処理を行うようにしてもよい。これにより、樹脂などが接合界面に残らない清浄な接合界面を形成し、接合界面の接合強度を向上させることができる。
【００２７】
例えば、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ；  ＲＩＥ）などのプラズマ発生装置を用いて、接合面に対して交番電圧を印加することで、接合面の周りに粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の電離した粒子を、上記電圧により接合面に向けて加速させることで表面活性化処理を行うと、以下のような接合面の汚染の問題が生じる場合がある。すなわち、表面活性化処理のスパッタリング現象により弾き飛ばされ、接合面周りの雰囲気に存在する樹脂の成分や不純物の一部が、上記電圧により接合面に引き寄せられるように加速されて衝突し得る。これにより、表面活性化処理された金属領域の表面に樹脂の成分や不純物が付着して接合面は汚染される。その結果、チップと基板とを含む構造体において、高い接合強度を得ることができない場合がある。
【００２８】
このような場合に、イオンビーム源や、高速原子ビーム源（ＦＡＢ，Ｆａｓｔ  Ａｔｏｍ  Ｂｅａｍ）などの中性原子ビーム源を用いて表面活性化処理を行うことで、イオンビーム源や中性原子ビーム源から加速して放射された粒子（例えばアルゴンなどの不活性ガス）のみが接合面に衝突し、弾き飛ばされた樹脂や不純物が金属領域へ向かって加速されることはなくなる。その結果、金属領域への樹脂の再付着などによる接合面の汚染の問題は低減され、さらに高い接合強度を有するチップと基板とを含む構造体を製造することができる。
【００２９】
本願発明に係る接合方法は、構造体を加熱するステップが、当該構造体を樹脂が硬化する温度範囲に保つことを含むようにしてもよい。これにより、貼り合わせ（取り付け）により接触していない接合面では加熱により樹脂を流動化かつ硬化させて、貼り合わせ（取り付け）により接触している接合面ではさらに、接合界面での機械的強度を上げるのみならず、金属領域周りを絶縁体として封止することがきる。
【００３０】
本願発明に係る接合方法は、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップが、摂氏３００度以下、かつ樹脂の硬化温度未満で行われるようにしてもよい。従来の金属の接合のために必要であった摂氏３５０度での加熱では、高温耐熱性の樹脂であるＢＣＢしか、上記樹脂として使用できなかったが、本願発明に係る方法では、摂氏３００度以下でウエハを基板に貼り合わせて（いわゆる仮接合をし）、摂氏３００度以上で硬化が進む安価で適用が容易なエポキシ樹脂などの樹脂を使用することができるようになる。したがって、プロセスの低コスト化を図ることができる。
【００３１】
本願発明に係る接合方法は、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップが、チップと基板とを互いに近接する方向に加圧するステップを含み、当該加圧ステップが、金属領域に対して０．５〜４００ＭＰａの圧力で行われるようにしてもよい。これにより、仮接合後のチップと基板との構造体の接合強度を高めることができる。
【００３２】
また、本願発明に係る接合方法は、基板と基板上に取り付けられた複数のチップを含む構造体を加熱するステップが、摂氏１００度から金属領域を形成する金属の融点を超えない温度までの温度で、１０分から１００時間に亘って行われるようにしてもよい。これにより、チップと基板とを含む構造体の最終的な接合強度を高めることができる。
【００３３】
本願発明に係る接合方法は、基板と基板上に取り付けられた複数のチップを含む構造体を加熱するステップが、基板と基板に接合された複数のチップとを、互いに近接する方向に加圧するステップを含むようにしてもよい。これにより、チップの金属領域と基板との間の実質的な接合面積を大きくして、チップと基板からなる構造体の最終的な接合強度をさらに高めることができる。
【００３４】
本願発明に係る接合方法は、金属領域は、銅（Ｃｕ）、はんだ材料、金（Ａｕ）及びこれらの合金からなる群から選ばれる材料により形成されているようにしてもよい。これにより、チップと基板との間の電気的接続部位の導電性を高めるとともに、本願発明により生産されるチップと基板とを含む構造体を様々な電子技術に応用することができる。
【００３５】
本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面は金属領域以外の領域に非金属領域を有し、金属領域と非金属領域の表面はほぼ同一面上にあるようにしてもよい。これにより、チップと基板との間の隙間をなくし、接合強度を高め、最終製品の厚みを小さくしデバイスの高密度化を図ることができる。また、接合界面を外部の雰囲気から保護して酸化や汚染粒子の侵入を防ぐので、最終製品の信頼性を高め、かつ寿命を長くすることができる。
【００３６】
本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面の非金属領域が、疎水化処理されたチップ側疎水化領域を有し、基板の接合部が、チップの金属領域に対応する接合領域と、疎水化処理された基板側疎水化領域とを有し、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップが、チップの金属領域と基板の親水化処理された接合領域とが接触するように行われるようにしてもよい。これにより、チップを基板の接合部上の所定の位置に精度良く位置決めして取り付けることができる。
【００３７】
本願発明に係る接合方法は、金属領域が、チップ側接合面の金属領域以外の領域に対して突出するように形成されているようにしてもよい。これにより、チップの金属領域と基板との間の接触を確実にし、チップと基板との間の電気的接続を確実に確立し、機械的強度を高めることができる。
【００３８】
本願発明に係る接合方法は、金属領域が、一つ又は複数の第一の金属領域と当該第一の金属領域を囲むように形成された閉じた環状の第二の金属領域とを有するようにしてもよい。これにより、電気的接続を確立する金属領域に係る接合界面を外部雰囲気に対して封止することにより、当該接合界面の信頼性を高め、かつ寿命を長くすることができる。
【００３９】
本願発明に係る接合方法は、チップに所定の検査を行い、良好と判断されたチップのみを供給するステップを更に含むようにしてもよい。これにより、検査により良好と判断されたチップのみを実装することにより、本願発明の接合方法により生産される最終製品の歩留まりを高めることができる。
【００４０】
本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有する第一接合面と当該第一接合面の裏側に位置する第二接合面とを有する所定数のチップからなるチップ層を、複数の層に亘り、複数の接合部を有する基板上に積層して接合する方法は、チップの第一接合面の少なくとも金属領域を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、基板の接合部を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、表面活性化処理されかつ親水化処理された所定数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、次に取り付けるべき所定数のチップの第一接合面の少なくとも金属領域を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、基板上に積層されているチップの中で最上層の所定数のチップの第二接合面を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化し、かつ水又はＯＨ含有物質を付着させることにより親水化処理するステップと、表面活性化処理されかつ親水化処理された次に取り付けるべき所定数のチップを、それぞれ、当該チップの金属領域が最上層の所定数のチップの第二接合面に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された最上層の所定数のチップ上に取り付けるステップと、複数のチップ層に亘りチップを基板上に取り付けた後に、基板と基板上に取り付けられたチップとを含む構造体を加熱するステップと、を備えるようにしたものである。本願発明によれば、チップと基板との間及びチップ間に清浄な接合界面を形成し、良好な導電性と高い機械的強度を有する複数層のチップと基板とを含む構造体を製造することができる。複数層に亘ってすべてのチップを取り付けた後に加熱処理を一回のみ行うように構成したことで、高い生産効率で、複数層のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。
【００４１】
本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、複数の接合部を有する基板に接合する装置は、チップ側接合面の少なくとも金属領域を表面活性化処理するために、所定の運動エネルギーを有する粒子を当該チップ側接合面に対して衝突させるチップ用表面活性化処理手段と、基板の接合部を表面活性化処理するために、所定の運動エネルギーを有する粒子を当該基板の接合部に対して衝突させる基板用表面活性化処理手段と、表面活性化処理されたチップの金属領域を親水化処理するために、当該チップの金属領域に水又はＯＨ含有物質を付着させるチップ用親水化処理手段と、表面活性化処理された基板の接合部を親水化処理するために、当該基板の接合部に水又はＯＨ含有物質を付着させる基板用親水化処理手段と、複数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、基板の対応する接合部上に取り付けるチップ取付手段と、を備えて構成されるようにしたものである。本願発明によれば、チップと基板との間に清浄な接合界面を形成し、良好な導電性と高い機械的強度を与えるチップと基板とを含む構造体を製造することができるという効果を奏する。また、すべてのチップを基板上に取り付けた後に加熱処理を一回のみ行うように構成したことで、高い生産効率で、複数のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。
【００４２】
本願発明に係る接合装置は、チップ用表面活性化処理手段により表面活性化処理され、チップ用親水化処理手段により親水化処理されたチップ側接合面に水を付着させる水付着手段を更に備えるように構成されてもよい。これにより、表面活性化処理と親水化処理が施された接合面上に水を付着し、仮接合後のチップと基板とを含む構造体の接合強度を高めることができる。
【００４３】
また、本願発明に係る接合装置は、チップ取付手段が、チップを基板に向けて搬送するチップ搬送手段と、当該チップ搬送手段により搬送されたチップを受け取って基板上に載置するチップ載置手段とを有して構成され、水付着手段が、チップ搬送手段に設けられて、チップ載置手段がチップを受け取った後にチップ側接合面に水を吹き付けるように構成されてもよい。これにより、チップの搬送と同期した効率のよいプロセスを実施することができる。
【００４４】
本願発明に係る接合装置は、水付着手段が、チップ搬送手段に形成された孔部を有して構成され、当該孔部を通して水がチップ側接合面に吹き付けられるように構成されてもよい。これにより、簡単な構成により水付着手段を構成し、装置を小型化することができる。
【００４５】
本願発明に係る接合装置は、孔部が、チップを真空吸着するためにも使用されるように構成されてもよい。これにより、チップの真空吸着と水付着とを行う部位を孔部に共通化することで、さらに装置を小型化することができる。
【００４６】
本願発明に係る接合装置は、水付着手段が、チップ取付手段によりチップが移動させられる経路上に固定されて、チップが水付着手段を通過するときにチップ側接合面に向かって水を吹き付けるように構成されてもよい。これにより、少ない数、例えば一つの水付着手段で水付着を行うことができる。
【００４７】
本願発明に係る接合装置は、水付着手段が、チップ取付手段によりチップが移動させられる経路上に固定されて、液体状の水を収容する水収容器を含むように構成されてもよい。これにより、表面活性化処理された接合面上に多量の水をより確実に付着することができる。
【００４８】
本願発明に係る接合装置は、チップ用表面活性化処理手段と基板用表面活性化処理手段とが、それぞれ、複数のチップと基板とに対して交番電圧を印加することで、チップ側接合面と基板の接合部との周りに、粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の粒子を電圧によりチップ側接合面と基板の接合部とに向けて加速させることにより、粒子に所定の運動エネルギーを付与する、プラズマ発生装置を有して構成されるようにしてもよい。これにより、プラズマは数パスカル（Ｐａ）程度の低真空度の雰囲気で発生させることができるので、真空システムを簡易化でき、かつ真空引きなどの工程を短縮化することができる。
【００４９】
本願発明に係る接合装置は、チップ用表面活性化処理手段と基板用表面活性化処理手段とが、それぞれ、チップ側接合面と基板の接合部とから離間されて配置され、チップ側接合面と基板の接合部とに向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射する、粒子ビーム源を有して構成されるようにしてもよい。これにより、高い運動エネルギーを粒子に付与することができるので、効率良く表面層の除去をし、さらには新生表面をアモルファス化することができる。
【００５０】
本願発明に係る接合装置は、チップ用親水化処理手段と基板用親水化処理手段とが、一つの親水化処理手段により実現されるようにしてもよい。これにより、接合装置をより簡略化し、小型化することができるとともに、チップと基板とを含む構造体の生産効率を上げることができる。
【００５１】
本願発明に係る接合装置は、チップ用表面活性化処理手段とチップ用親水化処理手段とが、共通の粒子ビーム源を有して構成されるようにしてもよい。これにより、接合装置をより小型化することができるとともに、チップと基板とを含む構造体の生産効率を上げることができる。
【００５２】
本願発明に係る接合装置は、チップ取付手段が、チップを基板の対応する接合部上に取り付ける際に、チップと基板とを互いに近接する方向に加圧する手段を更に有し、加圧手段が、チップの金属領域に０．５〜４００ＭＰａの圧力を印加するように構成されてもよい。これにより、仮接合後及び本接合後に得られるチップと基板とを含む構造体の接合強度を高めることができる。
【００５３】
本願発明に係る接合装置は、複数のチップと基板とを含む構造体を加熱するための、加熱手段を更に備えて構成されてもよい。これにより、仮接合されたチップと基板との構造体を基板単位で本接合することができる。
【００５４】
本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有する第一接合面を有する複数のチップを、複数の接合部を有する基板上に積層して接合する装置は、チップの第一接合面を表面活性化処理するために、チップの第一接合面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させる第一接合面用表面活性化処理手段と、チップの第一接合面の裏側に位置する第二接合面を表面活性化処理するために、チップの第二接合面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させるチップ第二接合面用表面活性化処理手段と、基板の接合部を表面活性化処理するために、基板の接合部に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させる基板用表面活性化処理手段と、表面活性化処理されたチップの第一接合面を親水化処理するために、チップの第一接合面に水又はＯＨ含有物質を付着させるチップ第一接合面用親水化処理手段と、表面活性化処理されたチップの当該第一接合面の裏側に位置する第二接合面を親水化処理するために、チップの第二接合面に水又はＯＨ含有物質を付着させるチップ第二接合面用親水化処理手段と、基板の接合部を親水化処理するために、基板の接合部に水又はＯＨ含有物質を付着させる基板用親水化処理手段と、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、チップを基板の対応する接合部上に取り付け、基板上に取り付けられているチップの第二接合面に次に取り付けられるチップの第一接合面が接触するように、当該チップを基板上に取り付けられているチップ上に取り付けるチップ取付手段と、を備えて構成されたものである。本願発明によれば、チップと基板との間に清浄な接合界面を形成し、良好な導電性と高い機械的強度を与える複数層のチップと基板とを含む構造体を製造することができるという効果を奏する。また、すべてのチップを基板上に取り付けた後に加熱処理を一回のみ行うように構成したことで、高い生産効率で、複数層のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。
【００５５】
また、本願発明に係る接合装置は、基板と基板上に複数の層に亘り積層された複数のチップとを含む構造体を加熱するための加熱手段を更に備えように構成されてもよい。これにより、基板と基板上に積層された複数のチップとを含む構造体を駆り接合の後に効率よく加熱することができる。
【００５６】
本願発明に係る基板と基板上に取り付けられた複数のチップを含む構造体は、上述のいずれかの方法により形成されることを特徴とする。これにより、樹脂などの残存物などが含まれず清浄な接合界面を有することで、導電性及び機械的強度が向上されたチップと基板とを含む構造体を提供することができ、当該チップと基板とを含む構造体を、電子部品のより広い範囲の用途に用いることができるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００５７】
本願発明によれば、表面活性化処理後に親水化処理された接合面を接合に用いることで、所望の仮接合の強度が得られ、水等の接合面に付着され仮接合に寄与した物質は、本接合の際に消滅するので、チップと基板との間に清浄な接合界面を形成し、良好な導電性と高い機械的強度を有するチップと基板とを含む構造体を製造することができる。また、すべてのチップを基板上に取り付けた後に加熱処理を一回のみ行うように構成したことで、高い生産効率で、複数のチップを基板上に接合することができる。さらに、電子デバイスの３次元実装体を、より高密度により高い生産効率で製造することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第一実施形態に係るチップの基板への接合方法を示すフローチャートである。
【図２】第一実施形態に係る接合方法の処理過程を模式的に示す断面図である。
【図３】チップにおける金属領域の形状を示す概略断面図である。
【図４】チップ側接合面上に形成された金属領域の配置を示す平面図である。
【図５】基板上に設置される接合部を示す斜視図である。
【図６】接合界面の形成過程を模式的に示す断面図である。
【図７】第一実施形態に係るチップの基板への接合方法の他の例を示すフローチャートである。
【図８】水付着処理後の接合面間の状態を微視的に示す概略断面図である。
【図９】金属領域の高さにばらつきがある場合の仮接合の状態を示す概略側面図である。
【図１０】水付着処理された金属領域がチップの基板の接合部に対してセルフアラインメントされる過程を示す図である。
【図１１】本願発明の第二実施形態に係る、複数の層のチップを基板へ接合する方法の他の例を示すフローチャートである。
【図１２】複数層のチップを基板上に取り付ける過程を示す図である。
【図１３】第二実施形態に係る、複数の層のチップを基板へ接合する方法の他の例を示すフローチャートである。
【図１４】複数の種類のチップが基板の各接合部に取り付けられたチップと基板とを含む構造体を示す斜視図である。
【図１５】チップ実装システムの概略構成を示す上面図である。
【図１６】粒子ビーム源からの粒子の放射態様を概略的に示す図である。
【図１７】粒子ビーム源の概略構成を示す断面図である。
【図１８】粒子ビーム源の概略構成を示す断面図である。
【図１９】粒子ビーム源の概略構成を示す断面図である。
【図２０】ライン型粒子ビーム源からの粒子の放射態様を概略的に示す図である。
【図２１】チップ供給部とボンディング装置とを示す正面図である。
【図２２】チップ供給部とボンディング装置とを示す上面図である。
【図２３】チップ供給部とボンディング装置とを示す上面図である。
【図２４】プレート部の先端の構造を示す図である。
【図２５】プレート部の先端の構造を示す図である。
【図２６】水付着手段を有するプレート部の先端の構造を示す図である。
【図２７】水付着手段を有するプレート部による接合面への水付着態様を示す図である。
【図２８】水付着手段を有するチップ供給部とボンディング装置とを示す上面図である。
【図２９】ボンディング装置のヘッド部がプレート部先端に設けられた構成の一例を示す図である。
【図３０】バンプ状の金属領域を水槽へ浸漬する構成の一例を示す図である。
【図３１】第三実施形態に係る基板の接合方法の処理過程を模式的に示す断面図である。
【図３２】実施例における実験結果を示すグラフである。
【図３３】第二部の第一実施形態に係る基板の接合方法を示すフローチャートである。
【図３４】第二部の第一実施形態に係る基板の接合方法の処理過程を模式的に示す断面図である。
【図３５】接合界面の形成過程を模式的に示す断面図である。
【図３６】基板の表面処理システムの概略構成を示す正面図である。
【図３７】粒子ビーム源の概略構成を示す断面図である。
【図３８】粒子ビーム源の概略構成を示す断面図である。
【図３９】粒子ビーム源の概略構成を示す断面図である。
【図４０】本願発明の第二実施形態に係るチップと基板との接合方法を示すフローチャートである。
【図４１】基板における金属領域の形状を示す概略断面図である。
【図４２】チップ実装システムの概略構成を示す上面図である。
【図４３】チップ実装システムの概略構成を示す正面図である。
【図４４】チップ実装の処理過程を模式的に示す断面図である。
【図４５】第二部の第三実施形態に係る基板の接合方法を示すフローチャートである。
【図４６】第二部の第三実施形態に係る基板の接合方法の処理過程を模式的に示す断面図である。
【図４７】実施例における実験結果を示すグラフである。
【図４８】チップ等の接合面上に形成された金属領域の配置を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
以下、添付の図面を参照して本願発明に係る実施形態を説明する。
【００６０】
＜１．接合方法＞
＜１．１  第一実施形態＞
図１は、本願発明の第一実施形態に係るチップの基板への接合方法を示すフローチャートである。
【００６１】
工程Ｓ１では、基板への接合が予定されている複数のチップの表面（以下、チップ側接合面と称する）を、表面活性化処理し、そして親水化処理する。このチップ側接合面は、金属で形成される一つ又は複数の領域（以下、金属領域と称する）を含んでいる。
【００６２】
工程Ｓ２では、上記チップ側接合面が接合される基板上においてそれぞれのチップに対応する表面領域（以下、接合部と称する）を、すべて表面活性化処理し、そして親水化処理する。
【００６３】
ここで、まず、本願発明における表面活性化処理について説明する。
チップ側接合面又は基板の接合部（以下、接合面と称する。）４１上には、様々な物質の酸化物、付着した有機物などの汚染物（不純物）などを含む表面層４２が存在し、接合すべき材料の新生表面４３を覆っている（図２（ａ）参照）。上記表面層４２は、材料の新生表面４３のエネルギーレベルを低くしていると考えられる。表面活性化処理により、この表面層が除去され、接合すべき材料の新生表面が露出させられると考えられる（図２（ｂ）参照）。さらには、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させて行う表面活性化処理には、新生表面近傍において原子間の結合を切断し結晶構造を乱すことで、表面エネルギーのレベルを一層高める効果もあると考えられている。
【００６４】
次に、本願発明において、上記表面活性化処理を行った後の親水化処理では、表面活性化処理により露出された新生表面に水又は水酸（ＯＨ）基を含む物質（ＯＨ含有物質）を供給する。表面活性化処理により露出された新生表面に水又は水酸（ＯＨ）基を含む物質が接触すると、この新生表面に水酸基の層４４が形成され（図２（ｃ））、あるいは新生表面に新生表面を形成する材料の酸化物の層が形成される。さらに水を供給すると、形成された水酸基の層又は酸化物の層の上に水が付着すると考えられている。
【００６５】
工程Ｓ１と工程Ｓ２とを同時に並行して行ってもよい。また、工程Ｓ１を行った後に、工程Ｓ２を行ってもよい。その逆に、工程Ｓ２を行った後に、工程Ｓ１を行ってもよい。
【００６６】
工程Ｓ１又は工程Ｓ２における親水化処理は、好ましくは、表面活性化処理の後、連続して、又は非酸化雰囲気中で行われる。これにより、表面活性化された接合面に不純物の付着なく水酸（ＯＨ）基を形成することができる。親水化処理は、上記表面活性化処理の後に続けて真空などの非酸化雰囲気中で開始されることが好ましい。しかし、表面活性化処理が完了する前に、親水化処理を開始してもよい。また、表面活性化処理と親水化処理を同時に行ってもよい。表面活性化処理が、親水化処理の完了後に行われなければ、表面活性化処理と親水化処理との時間上の前後関係は、所望の条件により調節することができる。
【００６７】
工程Ｓ３で、チップ側接合面が表面活性化処理され親水化処理されたチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板上の対応する接合部に接触するように基板に取り付ける。本願明細書中、この工程Ｓ３を「仮接合」と称する。
【００６８】
チップの基板への取り付けは、チップを基板の接合部に一つずつ取り付けることを、基板に取り付けるべき所定数のチップの取付けが完了するまで繰り返すことで行う。あるいは、複数のチップからなるグループごとに、基板の対応する接合部に取り付けることを、基板に取り付けるべき所定数のチップの取付けが完了するまで繰り返すことで行ってもよい。接合面の平坦度を高めたもの（例えば表面粗さが数ｎｍのもの）は、実質的な接触面積が大きくなることから、本来の水酸基（ＯＨ基）による接合が強固な接合となり、低温、低圧での接合でも十分な接合強度を得ることが可能である。一方、接合面の平坦度が低いもの（例えば表面粗さが数十〜数百ｎｍのもの）の場合は、加圧（数十Ｍ〜数百ＭＰａ）により金属領域を押しつぶすことで実質的な接触面積を大きくすることや、摂氏数百度程度で加熱（例えば１５０℃）により拡散を促し接合界面で原子の動きを促進させることで、実質的な接合面積を大きくすることができる。
【００６９】
工程Ｓ４では、接合が予定されていた複数のチップがすべて基板に取り付けられることにより形成された、チップと基板とからなる構造体に対して、加熱処理を施す。加熱により、所望の導電性と機械的強度を有する接合界面が得られる。本願明細書中、この工程Ｓ４を、「本接合」と称する。
【００７０】
工程Ｓ３により取り付けられたチップの金属領域の表面と基板の接合部の表面とは、微視的には原子レベル又はナノメートルから数十ナノメートルの表面粗さを有している。したがって、工程Ｓ３により取り付けられた際に、チップの金属領域の表面と基板の接合部の表面との間の実質的な接合面積は、みかけの接合面積より小さい。加熱処理により、取り付けられたチップの金属領域と基板の接合部との界面近傍の原子が拡散して、実質的な接合面積が増加すると考えられる。本願明細書中、この工程Ｓ４を、「本接合」と称する。
【００７１】
加熱処理の際に、雰囲気を形成するガスの種類、流量などを調節してもよい。また、加熱処理の際に、接合界面に垂直方向の圧力が加わるように、チップと基板との接合体に、力又は圧力を加えることもできる。接合界面に垂直方向の圧力が加わることで、実質的又は微視的な接合面積がさらに増加する。
【００７２】
加熱処理における、温度又は上記力若しくは圧力の時間プロファイルは、仮接合の条件、金属領域を形成する材料の熱特性、チップ又は基板を形成する材料の熱特性、加熱処理の際の雰囲気、加熱処理装置の特性などにより、調節することができる。
【００７３】
表面活性化処理され親水化処理されたチップ側接合面及び基板の接合部上に形成されている水酸（ＯＨ）基層又は酸化物層、これらの表面に付着した水などは接合界面にとりこまれても、加熱処理で新生表面同士の接合界面が形成する際に、表面層や樹脂などと比べて低い温度又は短時間で消滅する。したがって、本願発明による接合方法は、樹脂などを使用する従来の接合技術に比べて、接合に必要なサーマルバジェット（熱消費量）を低減することができる。
【００７４】
次に、チップの形態について説明する。
【００７５】
＜チップ側の接合面＞
図３（ａ）から（ｆ）は、チップ側接合面に垂直な平面でチップを切断した場合の、チップの断面の模式図である。これらの図は、金属領域の形状を例示的に示すことを意図するもので、金属領域の形状を限定するものではない。
【００７６】
図３（ａ）から（ｄ）で示された金属領域の場合には、チップ側接合面上に、金属領域ＭＲが、いわゆるバンプ（突起）状に突出するように形成されている。金属領域ＭＲの上端面が、基板と接合する。
【００７７】
金属領域ＭＲは、銅（Ｃｕ）を主たる成分として形成されることが好ましい。近年の電子デバイスの製造又は実装などの先端技術分野においては、銅（Ｃｕ）は、低抵抗かつ高エレクトロマイグレーション耐性を有する優れた配線材料として広範囲に使用されている。本願発明により、銅（Ｃｕ）間で良好な金属の接合界面が形成されることで、多くの実装分野で使われているハンダや金を解する接合界面の形成に比べて、より安価により良好な電気特性を有する接合界面を形成することができる。
【００７８】
金属領域ＭＲに用いられる金属は、銅（Ｃｕ）に限られない。たとえば、金属領域ＭＲは、ハンダ材料により形成されてもよい。従来のハンダの接合ではフラックスが用いられており、接合過程後のフラックス残渣は、接合界面の機械的強度を劣化させる原因となっていた。しかも、従来のハンダの接合では、ハンダを溶融させるために、接合される基板間での位置決め精度が狂う、微小な圧力下では更なるずれが生じるなどの問題があった。しかし、本願発明により、金属領域がハンダで構成された接合面を、比較的低温で接合できるので、フラックスレス（フラックスのない）ハンダ接合が可能になるとともに、位置決め精度を向上させることができる。また、金属領域は、スズ（Ｓｎ）やスズ―銀（Ｓｎ−Ａｇ）系の金属でもよい。
【００７９】
また、金属領域ＭＲは、金（Ａｕ）により形成されてもよい。金は導電性が極めて高い材料であると同時に酸化速度が遅い材料である。しかし、接合プロセスにおいて表面に付着した不純物が接合プロセス完了後にも接合界面で残留すると、当該接合界面での導電性の低下の原因となり、金自体の高い導電性による利点が小さくなる。
【００８０】
金属領域ＭＲを形成する金属は、上記の例に限られない。たとえば、金属領域ＭＲは、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）や鉄（Ｆｅ）を主たる成分として形成されてもよい。
【００８１】
当該金属領域ＭＲ以外の領域ＮＲは、シリコン（Ｓｉ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの非金属で形成されることが好ましいが、金属など、その他の材料で形成されていてもよい。金属領域ＭＲ以外の材料は、デバイスの用途、接合方法などに応じて選択することができる。以下、金属領域ＭＲと金属領域以外の領域ＮＲを合わせてチップ側接合面と称する。また、便宜的に、金属領域ＭＲ以外の領域ＮＲを、非金属領域ＮＲと称することとする。
【００８２】
非金属領域ＮＲは、非金属材料により形成されている。当該非金属材料には、無機材料として、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＳｉＧｅＣなどのＶ族半導体、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの酸化物、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などの窒化物が使用されてもよい。また、上記非金属材料は、非金属であればイオン性単結晶などの導電性材料であってもよい。さらにまた、上記非金属材料には、有機材料として、樹脂などの有機化合物又は高分子材料が使用されてもよい。樹脂として、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル樹脂、液晶ポリマー、テフロン、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂などが使用されてもよい。そして、非金属領域ＮＲは、上記材料の混合物であってもよく、異なる非金属領域ＮＲにおいて異なる材料が使用されてもよい。
【００８３】
金属領域ＭＲの上端部の断面形状は、平坦でなくてもよい。図３（ａ）のように金属領域の上端部が平坦である場合、上端部の平面は、微視的にはある程度の粗さを有している。この粗さが大きい場合には、比較的低い圧力をかけても、微視的にみて十分な接合面積を形成することができず、金属領域と基板との間の所望の導電性または機械的強度を確立することができないこともありえる。そこで、例えば、金属領域の表面の断面は、曲面で形成されてもよく、図３（ｂ）で示されるように球面で形成されてもよい。図３（ｂ）の各金属領域ＭＲは、その頂点において基板と接触するので、金属領域ＭＲの上端部が平坦である場合より、初期の接触点に係る圧力が大きくなる。その結果、微視的にみて十分な接合面積を形成することができ、チップの金属領域と基板との間の導電性および機械的強度（接合強度）の向上につながる。
【００８４】
図３（ｃ）に示されているように、金属領域ＭＲは、シリコンチップに形成された貫通電極（シリコン貫通電極、ＴＳＶ，Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｖｉａ）（ＶＡ）に接続して設けられてもよい。ＴＳＶ（貫通電極）を設けることで、数層に亘り積層されたチップ間での高速な電気的接続を確立することができる。
【００８５】
図３（ｄ）に示されているように、金属領域ＭＲの上端部の面積が、ＴＳＶ（ＶＡ）の領域面積より大きくなるように、金属領域ＭＲとＳｉ貫通電極ＶＡが形成されてもよい。接合面積が大きくなり、積層されたチップ間の電気的接続の比較的高い導電性を確保することができる。
【００８６】
図３（ｅ）及び（ｆ）に示されているように、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとがほぼ同一面上にあるようにチップ側接合面が構成されてもよい。この場合、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとが同一面上にある構成としてもよく、また、金属領域ＭＲを基板接合部と確実に接触及び接合させるために、金属領域ＭＲを非金属領域ＮＲよりも１μｍ（マイクロメータ）程度またはそれ以下の高さだけ突出させるようにしてもよい。金属領域ＭＲの非金属領域ＮＲに対して突出する高さは、金属領域ＭＲ及び非金属領域ＮＲの材質、形状、チップ全体の形状、寸法、機械的性質など、種々のパラメータに応じて、最終的に金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲの両方において接合界面が形成されるように調節される。
【００８７】
図３（ｅ）及び（ｆ）に示されている、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとがほぼ同一面上にあるようなチップ側接合面の構成は、例えば、チップの所定の製造段階でチップ側表面に化学機械研磨（ＣＭＰ）を行うことで実現される。ＣＭＰの条件を調節することにより、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとをほぼ同一面上に形成することができるとともに、金属領域ＭＲが非金属領域ＮＲよりも所定の高さだけ突出するようにすることもできる。
【００８８】
図３（ｅ）で示されている例は、バンプレスＴＳＶと呼ばれるチップ構造に対応している。このチップは、接合される基板の接合面が平面で形成されている場合には、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとの両方が基板に接合される。したがって、チップと基板との間の電気的接続を確立する金属領域に係る接合界面を、その周りの非金属領域に係る接合界面により保護することができる。さらに、チップと基板との接合界面が、金属領域ＭＲのみならず非金属領域ＮＲにまで亘って形成されることで接合面積が著しく大きくなり、チップと基板との間の接合強度を増加することができる。さらにまた、複数の層を形成して、チップを基板上に積層して実装する場合には、基板面に垂線方向の寸法（厚み）を、減少させることができる。
【００８９】
図３（ｆ）に示されている例では、チップ側接合面にキャビティが形成され、このキャビティ内に金属領域ＭＲがバンプ（突起）状に突出するように形成されている。図３（ｆ）の構成により、チップの基板への接合が完了すると、非金属領域ＮＲに係る接合界面により、その内部の金属領域ＭＲに係る接合界面を外部雰囲気に対して封止する。よって、接合工程が完了した後に樹脂などを用いて接合箇所を封止することを必要とせずに、大気の侵入に起因する酸化、チップと基板間への不純物の混入などによる接合界面の電気的又は機械的特性の悪化を防ぐことができる。
【００９０】
図３（ｅ）又は（ｆ）で示されている構成のチップを使用する場合には、金属領域ＭＲと同様の表面活性化処理と親水化処理を施して、基板上の対応する接合部と仮接合及び本接合を行うことができるような材料で非金属領域ＮＲを形成することが好ましい。これにより、プロセスを簡略化、効率化することができる。非金属領域ＮＲは、シリコン（Ｓｉ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの非金属で形成されることが好ましいが、これに限られない。
【００９１】
また、図３（ｅ）又は（ｆ）で示されている構成のチップを使用する場合には、非金属領域ＮＲの表面の一部又は全部を疎水化処理してもよい。後述のように、チップ側接合面が疎水化処理された領域を有することで、親水化処理された金属領域ＭＲと対応する基板上の親水化処理された部位とを用いて、基板に対するチップのセルフアラインメントを実現することができる。
【００９２】
図４（ａ）から（ｃ）は、接合面に対して垂直な方向から見たときの、チップ側接合面上に形成された金属領域の配置を模式的に示している。
【００９３】
図４（ａ）から（ｃ）が示すチップ側接合面上には、複数の円形の金属領域ＭＲが、列状に並んで配置されている。
【００９４】
金属領域ＭＲの形状及び配列は、図４（ａ）から（ｃ）に示された例に限定されない。各金属領域ＭＲの形状は、円形に限らず、例えば正方形、長方形でもよい。また、図４（ａ）から（ｃ）は、複数の金属領域ＭＲが、矩形を描くように並んで配列されているが、これに限定されない。
【００９５】
図４（ｂ）が示すチップ側接合面には、複数の金属領域ＭＲが、異なる大きさで形成されている。
【００９６】
たとえば、比較的小さい面積の金属領域ＭＲを形成する場合に、所望の導電性を確保する電気的接続は確保されているにも係わらず、基板との最終的な接合面積の合計が、チップと基板との間の十分な機械的強度を達成できるほどの面積に満たないことがある。このような場合には、電気的接続に必要とする金属領域ＭＲに加えて、機械的強度を向上するために、基板と接続される、強度用金属領域ＭＲ２を設けてもよい。金属領域ＭＲ２は、チップ内の回路又はチップを通過するＴＳＶと、電気的に接合されていなくてもよく、また接合されていてもよい。また、金属領域ＭＲ２の面積、形状、配置などは、電子デバイスの使用環境などに応じて、チップと基板との間に要求される機械的強度、金属領域ＭＲと強度用金属領域ＭＲ２の形状、大きさ、チップ側接合面上での配置などに基づいて調節されてもよい。
【００９７】
図４（ｃ）が示すチップ側接合面には、図４（ａ）に示された、電気的接続のために形成された金属領域ＭＲを第一の金属領域として、この第一の金属領域の外側に、第一の金属領域を囲むように、第二の金属領域として、閉じた環状に金属壁である金属領域ＭＲ３が形成されている。この場合、第一及び第二の金属領域がチップ側接合面の金属領域以外の領域に対して突出するように形成されることが好ましい。
【００９８】
閉じた環状の金属領域ＭＲ３は、チップの基板への接合が完了すると、その内部の金属領域ＭＲに係る接合界面を外部雰囲気に対して封止する。すなわち、外部雰囲気は金属領域ＭＲに係る接合界面に到達することができない。よって、接合工程が完了した後に樹脂などを用いて接合箇所を封止することを必要とせずに、大気の侵入に起因する酸化、チップと基板間への不純物の混入などによる接合界面の電気的又は機械的特性の悪化を防ぐことができる。
【００９９】
また、金属領域ＭＲ３を有するチップを接合することで、接合面積が増加し、高い接合強度を達成することができる。さらに、鉛などの材料を含まず、リフロー工程が必要ないので、環境に優しいチップと基板とを含む構造体の封止構造を提供することができる。
【０１００】
上記の各チップは、例えば、複数の電子回路が形成された基板を縦方向及び横方向に切削することにより作成してもよい。
【０１０１】
＜基板＞
基板ＷＡの接合部ＵＴは、例えば、図５に示されているように、基板の面上に縦方向及び横方向に引かれた等間隔の直線で画定される複数の長方形又は正方形として設定されてもよく、また離散的に任意の箇所に設定されてもよい。典型的に、上記基板は、本願発明に係る接合方法の工程が完了した後に、接合部毎に切断（ダイシング）され、ダイ（ｄｉｅ）に分割される。最終製品として与えられたダイの大きさは、基板上に設定された接合部の大きさにより定められる。
【０１０２】
各接合部は、基板上に物理的に又は光学的に認識可能に設定されていてもよいが、これに限られない。たとえば、接合部の配置は、基板を支持するステージ上の位置を認識可能なコンピュータシステムにより、ステージ上の位置に基づいて認識する構成としてもよい。
【０１０３】
基板の接合部は、複数のチップの金属領域にそれぞれ対応するようにして、当該チップとの間で電気的接続を確立すべき複数の接合領域を有するように構成してもよい（図示せず）。この接合領域は、金属で形成されてもよい。この場合、接合されるチップと基板との間の電気的接続が実現される。
【０１０４】
また基板の接合部は、シリコン（Ｓｉ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの非金属材料を用いて形成されてもよい。この場合は、チップの金属領域は、基板と接合して、チップと基板との間の接合強度を高めることができる。
【０１０５】
＜表面活性化処理＞
工程Ｓ１及び工程Ｓ２において、チップ側接合面及び基板の接合部（以下、接合面と称する）に、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることで表面活性化処理を行う。
【０１０６】
所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させて、接合面を形成する物質を物理的に弾き飛ばす現象（スパッタリング現象）を生じさせることで、表面層を除去することができる。表面活性化処理には、表面層を除去して接合すべき物質の新生表面を露出させるのみならず、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることで、露出された新生表面近傍の結晶構造を乱し、アモルファス化する作用もあると考えられている。アモルファス化した新生表面は、原子レベルの表面積が増え、より高い表面エネルギーを有するので、その後の親水化処理において結合される、単位表面積当たりの水酸基（ＯＨ基）の数が増加すると考えられる。これに対し、従来のウェット処理による表面の不純物の除去工程後に化学的に親水化処理する場合には、所定の運動エネルギーを有する粒子の衝突に起因する新生表面の物理的変化がないので、本願発明の接合方法に係る表面活性化処理に続く親水化処理は、この点で従来の親水化処理とは根本的に異なると考えられる。また、結晶構造が乱れ、アモルファス化した新生表面近傍の領域にある原子は、本接合時の加熱処理の際に、比較的低い熱エネルギーで拡散しやすく、比較的低温での本接合プロセスを実現することができると考えられる。
【０１０７】
表面活性化処理に用いる粒子として、例えば、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガス又は不活性ガスを採用することができる。これらの希ガスは、比較的大きい質量を有しているので、効率的に、スパッタリング現象を生じさせることができ、新生表面の結晶構造を乱すことも可能になると考えられる。
【０１０８】
表面活性化処理に用いる粒子として、酸素のイオン、原子、分子などを採用することもできる。酸素イオン等を用いて表面活性化処理を行うことで、表面層を除去した後に新生表面上を酸化物の薄膜で覆うことが可能になる。新生表面上の酸化物の薄膜は、その後の親水化処理における、水酸（ＯＨ）基の結合又は水又はＯＨ含有物質の付着の効率を高めると考えられる。また、新生表面上に形成された酸化物の薄膜は、本接合での加熱処理の際に、比較的容易に分解すると考えられる。
【０１０９】
表面活性化される接合面に衝突させる粒子の運動エネルギーは、１ｅＶから２ｋｅＶであることが好ましく、更に５０ｅＶから２ｋｅＶであることが好ましい。上記の運動エネルギーにより、効率的に表面層におけるスパッタリング現象が効率的に生じる。除去すべき表面層の厚さ、材質などの性質、新生表面の材質などに応じて、上記運動エネルギーの範囲から所望の運動エネルギーの値を設定することもできる。
【０１１０】
表面活性化される接合面に衝突させる粒子には、粒子を接合面に向けて加速することで所定の運動エネルギーを与えることができる。
【０１１１】
プラズマ発生装置を用いて、粒子に所定の運動エネルギーを与えることができる。複数のチップ又は基板などの接合面に対して、交番電圧を印加することで、接合面の周りに粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の電離した粒子の陽イオンを、上記電圧により接合面に向けて加速させることで、所定の運動エネルギーを与える。プラズマは数パスカル（Ｐａ）程度の低真空度の雰囲気で発生させることができるので、真空システムを簡易化でき、かつ真空引きなどの工程を短縮化することができる。
【０１１２】
接合面から離間された位置に配置された、中性原子ビーム源、イオンビーム源などの粒子ビーム源を用いて、粒子に所定の運動エネルギーを与えることもできる。所定の運動エネルギーが付与された粒子は、粒子ビーム源から複数のチップ又は基板などの接合面に向けて放射される。
【０１１３】
本願発明においては、表面活性化処理が行われる接合面４１から離間して配置された粒子ビーム源を用いて、表面活性化される接合面４１に衝突させる粒子を接合面４１に向けて加速することで、当該粒子に所定の運動エネルギーが与えられる。粒子ビーム源は、例えば作動時の真空度が１Ｐａ（パスカル）以下の比較的清浄な雰囲気中で作動する。粒子ビーム源が作動する前のバックグラウンド圧力は、１×１０−２Ｐａ（パスカル）であることが好ましく、１×１０−５Ｐａ（パスカル）であることが更に好ましい。これにより、表面活性化処理中の雰囲気に存在する不純物の量を低減させ、表面活性化処理後に、新生表面の不要な酸化や新生表面への不純物の付着などを防ぐことができる。さらに、粒子ビーム源は、比較的高い加速電圧を印加することができるので、高い運動エネルギーを粒子に付与することができる。したがって、効率良く表面層３の除去及び新生表面のアモルファス化を行うことができると考えられる。
【０１１４】
比較的高い真空に引くために真空ポンプの作動により、金属領域ＭＲ等の表面層３から除去された物質が効率よく雰囲気外へ排気される。すなわち、露出された新生表面へ再び付着し汚染するような、望ましくない物質が雰囲気外へ効率よく排気される。
【０１１５】
プラズマ発生装置の場合は、プラズマの作動時の圧力は比較的高く、接合面４１から除去された物質がプラズマ化されるために、その陽イオンが加速され金属領域ＭＲに再び衝突し付着する確率が高い。また、基板にバイアス電圧を印加しないと表面活性化に好適な十分な運動エネルギーを粒子に与えることが困難である。したがって、基板の接合面４１が金属領域ＭＲ以外に一つ又は複数の非金属領域ＮＲを有する場合に、プラズマ発生装置でなく粒子ビーム源を用いて表面活性化処理を行うことで、露出された新生表面への望ましくない物質の付着を抑制しつつ、効果的に表面活性化処理を行うことができる。
【０１１６】
粒子ビーム源を用いることで、典型的なプラズマ発生装置では行えない条件で表面活性化処理を行うことができる。すなわち、粒子ビーム源を用いることで、粒子が放射される前のいわゆるバックグラウンドの真空度が１０−２Ｐａ以下であって、粒子ビーム源作動前の、粒子が放射されている間の真空度が１Ｐａ以下である雰囲気で、運動エネルギーが５０ｅＶから２ｋｅＶである粒子のビームを接合面に対して放射することができる。
【０１１７】
粒子ビーム源としては、図１７又は図１８に示すような粒子ビーム源１５０、１５０Ａを用いることができるが、これに限られない。粒子ビーム源１５０として、冷陰極型、熱陰極型、ＰＩＧ（Ｐｅｎｎｉｎｇ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｇａｕｇｅ）型、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）型の粒子ビーム源、あるいはクラスターイオン源などが採用されうる。
【０１１８】
図１７又は図１８に示す粒子ビーム源１５０、１５０Ａは、磁界の印加によりガスをプラズマ化して、発生したプラズマに電界を印加することによりプラズマから電離した粒子の陽イオンを摘出して、接合面の方向に加速させる。これにより、粒子ビーム源１５０、１５０Ａは、当該電位に対応する運動エネルギーを有するイオンを、粒子ビーム源１５０、１５０Ａから接合面に対して放射する。真空中又は減圧された雰囲気中で当該イオンは加速され放射されるので、放射されたイオンは、他のガスとの衝突による運動エネルギーの減少や運動方向の変化などがほぼない状態で、上記対象物の表面に衝突する。したがって、粒子ビーム源１５０を用いることで、効率よく表面活性化処理を行うことができる。
【０１１９】
粒子ビーム源１５０としては、図１９に示すような高速原子ビーム源（ＦＡＢ，Ｆａｓｔ  Ａｔｏｍ  Ｂｅａｍ）を用いることができる。高速原子ビーム源１５０Ｎは、典型的には、一対のアノード間に形成される電位の鞍点付近でイオン化されたガスの陽イオンをイオン源の外側に加速させ、カソードから陽イオンの衝突により放出される電子と結合させることで、当該イオンを中性化する構成を有している。このような、イオンと結合させるための電子雲を発生させる手段は、ニュートライザーと呼ばれることもある。このような中性原子ビーム源を用いることで、加速されたイオンは、電気的に中性化される過程でその運動エネルギーを実質的に失うことがないので、効率よく中性である原子ビームを用いて、上記対象物の表面に対して、帯電させることなく、効率よく表面活性化処理を行うことができる。
【０１２０】
中性原子ビーム源としては、高速原子ビーム源（ＦＡＢ，Ｆａｓｔ  Ａｔｏｍ  Ｂｅａｍ）を用いることができる。高速原子ビーム源（ＦＡＢ）は、典型的には、ガスのプラズマを発生させ、このプラズマに電界をかけて、プラズマから電離した粒子の陽イオンを摘出し電子雲の中を通過させて中性化する構成を有している。この場合、例えば、希ガスとしてアルゴン（Ａｒ）の場合、高速原子ビーム源（ＦＡＢ）への供給電力を、１．５ｋＶ（キロボルト）、１５ｍＡ（ミリアンペア）に設定してもよく、あるいは０．１から５００Ｗ（ワット）の間の値に設定してもよい。たとえば、高速原子ビーム源（ＦＡＢ）を１００Ｗ（ワット）から２００Ｗ（ワット）で稼動してアルゴン（Ａｒ）の高速原子ビームを２分ほど照射すると、接合面の上記酸化物、汚染物等（表面層）は除去され、新生表面を露出させることができる。
【０１２１】
本願発明において、表面活性化に用いられる粒子は、中性原子又はイオンでもよく、さらには、ラジカル種でもよく、またさらには、これらが混合した粒子群でもよい。
【０１２２】
各プラズマ又はビーム源の稼動条件、又は粒子の運動エネルギーに応じて、表面層の除去速度は変化しえる。そこで、表面活性化処理に必要な処理時間を調節する必要がある。たとえば、オージェ電子分光法（ＡＥＳ，Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）やＸ線光電子分光法（ＸＰＳ，Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの表面分析法を用いて、表面層に含まれる酸素や炭素の存在が確認できなくなる時間又はそれより長い時間を、表面活性化処理の処理時間として採用してもよい。
【０１２３】
表面活性化処理において接合面をアモルファス化するためには、粒子の照射時間を、表面層を除去し新生表面を露出させるために必要な時間より、長く設定してもよい。長くする時間は、１０秒から１５分、あるいは、表面層を除去し新生表面を露出させるために必要な時間の５％以上に設定してもよい。表面活性化処理において接合面をアモルファス化するための時間は、接合面を形成する材料の種類、性質、及び所定の運動エネルギーを有する粒子の照射条件によって適宜設定してもよい。
【０１２４】
表面活性化処理において接合面をアモルファス化するためには、照射される粒子の運動エネルギーは、表面層を除去し新生表面を露出させるために必要な運動エネルギーより、１０％以上高く設定されてもよい。表面活性化処理において接合面をアモルファス化するための粒子の運動エネルギーは、接合面を形成する材料の種類、性質、及び粒子の照射条件によって適宜設定してもよい。
【０１２５】
ここで、「アモルファス化した表面」又は「結晶構造が乱れた表面」とは、具体的に表面分析手法を用いた測定により存在が確認されたアモルファス層又は結晶構造が乱れた層を含むとともに、粒子の照射時間を比較的長く設定した場合、又は粒子の運動エネルギーを比較的高く設定した場合に想定される結晶表面の状態を表現する概念的な用語であって、具体的に表面分析手法を用いた測定によりアモルファス層又は結晶構造が乱れた表面の存在が確認されていない表面をも含むものである。また、「アモルファス化する」又は「結晶構造を乱す」とは、上記アモルファス化した表面又は結晶構造が乱された表面を形成するための動作を概念的に表現したものである。
【０１２６】
＜親水化処理＞
工程Ｓ１及び工程Ｓ２において、親水化処理は、上記表面活性化処理の後に行われる。接合面の親水化処理により、接合面にＯＨが結合され、水酸基（ＯＨ基）の層（水酸化物層）が形成されると考えられている。さらには、水酸基（ＯＨ基）の層の上に水分子が付着してもよい。
【０１２７】
親水化処理工程では、表面活性化処理が行われた金属領域ＭＲの表面に、水や、水酸化物、水酸化イオン（ＯＨ−）、又はヒドロシキルラジカル（・ＯＨ）など、又はＯＨで表記される物質のイオンやラジカル（以降、これらを「水等」とも呼ぶ。）などのＯＨ含有物質を付着させて、当該金属領域ＭＲの表面が水酸基（ＯＨ基）で終端化（Ｍ−ＯＨ）されている層が形成される。本願において、親水化処理工程で、表面活性化処理が行われた金属領域ＭＲの金属の表面の付着される物質を、「水又はＯＨ含有物質」、これらを総称して「水等」、又はより簡略に「水」と呼ぶことがあるが、これらの表記は、上記の物質を総称するものであり、「水（Ｈ２Ｏ）」に限られるものではない。
【０１２８】
親水化処理により、接合面上に酸化物が形成されることもある。しかし、表面活性化処理後、連続して水等を付着させることで、不純物の付着のない新生表面上に直に水酸（ＯＨ）基を形成することができ、さらに水等を付着させることで、その水酸（ＯＨ）基上に水分子が付着していくことになる。この酸化物は、比較的コントロールされている（例えば、厚さが数ｎｍ又は数原子層以下）ので、特に電気的特性を悪化させるようなものではない。貼り合わせ後の加熱処理により、金属材料内で吸収され、又は水として接合界面から外側へ逃げるなどして、消滅あるいは減少させることも可能である。したがって、この場合、基板との間の接合界面を介した導電性には実用上の問題が生じることはほぼないと考えられる。
【０１２９】
本実施形態に係る親水化処理は、表面活性化された接合面に水等を供給することにより行われる。当該水等の供給は、上記表面活性化された接合面の周りの雰囲気に、気体の水（Ｈ２Ｏ）を導入することで行われる。当該気体状の水は、キャリアガスであるアルゴン（Ａｒ）を泡状にして通過させること（バブリング）で、気体状の水がキャリアガスに混合されて、表面活性化された接合面を有する基板が配置された空間又はチャンバ内に導入される。
【０１３０】
なお、この際のキャリアガスは、アルゴン（Ａｒ）に限られず、例えば、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ２）などであってもよい。
【０１３１】
また、表面活性化された接合面の周りの雰囲気への水の導入は、気体状で（ガス状で、又は水蒸気として）導入されても、液体状（霧状）で導入されてもよい。さらに、水等の付着の他の態様として、上述のようにラジカルやイオン化されたＯＨなどを付着させてもよい。しかし、水等の導入方法はこれらに限定されない。
【０１３２】
表面活性化された接合面の周りの雰囲気の湿度を制御することで、親水化処理の工程を制御することができる。当該湿度は、相対湿度として計算しても、絶対湿度として計算してもよく、又は他の定義を採用してもよい。
【０１３３】
水の導入は、チップ側接合面と基板の接合部との少なくとも一方又は両方の周りの雰囲気における相対湿度を１０％から９０％となるように制御することが好ましい。
【０１３４】
たとえば、窒素（Ｎ２）又は酸素（Ｏ２）をキャリアガスとして気体状の水を導入する場合、上記チャンバ内の全圧を９．０ｘ１０４Ｐａ（パスカル）、すなわち０．８９ａｔｍ（アトム）とし、チャンバ内での気体状の水の量を、容積絶対湿度で８．６ｇ／ｍ３（グラム／立方メートル）又は１８．５ｇ／ｍ３（グラム／立方メートル）、２３℃（摂氏２３度）の相対湿度でそれぞれ４３％又は９１％となるように制御することができる。また例えば、銅（Ｃｕ）を、容積絶対湿度で、５ｇ／ｍ３（グラム／立方メートル）から２０ｇ／ｍ３（グラム／立方メートル）の気体状の水を含む雰囲気に曝すと、２ｎｍ（ナノメートル）から１４ｎｍ（ナノメートル）程度の酸化銅の層が形成されると想定される。
【０１３５】
また、チャンバ内の酸素（Ｏ２）の雰囲気中濃度を１０％としてもよい。
【０１３６】
親水化処理は、表面活性化処理された接合面を大気に曝すことなく、当該接合面に水を供給することが好ましい。例えば、表面活性化処理を行うチャンバと親水化処理を行うチャンバとを同一とするように構成されていてもよい。また、表面活性化処理を行うチャンバと親水化処理を行うチャンバとは、複数のチップ又は基板がそれらの間を大気に曝されることなく搬送されるように連結されて構成されていてもよい。これらの構成を採用して、表面活性化処理された接合面を大気に曝さないことで、接合面の望ましくない酸化や、接合面への不純物などの付着などを防ぐとともに、親水化処理をより容易に制御することができ、効率よく表面活性化処理の後に親水化処理を続けて実行することができる。
【０１３７】
上記のように、親水化処理により形成された水酸化物層又は当該水酸化物層上に形成された水の層には、大気中の存在する酸素との接触による金属領域ＭＲの酸化を最低限に抑制する働きがあると考えられる。
【０１３８】
これにより、親水化処理が完了した金属領域ＭＲの表面は、比較的安定であり、非酸化雰囲気から取り出し、大気中に曝したとしても、酸化されにくい。また、金属領域ＭＲの表面が水酸（ＯＨ）基で覆われ、又はさらにその上に形成された水の層で覆われているので、炭素などの不純物と直接金属表面との結合が防止される。よって、親水化処理が完了した金属領域ＭＲの表面を数時間から数十時間に亘り大気中に放置しても、最終製品において良好な接合界面を得ることができる。
【０１３９】
また、親水化処理を行うために、所定の湿度を有するチャンバ外の大気を導入してもよい。大気をチャンバ内に導入する際には、望ましくない不純物の接合面への付着を防ぐために、当該大気が所定のフィルタを通過するように構成することが好ましい。所定の湿度を有するチャンバ外の大気を導入して親水化処理を行うことで、接合面の親水化処理を行う装置構成を簡略化することができる。
【０１４０】
また、親水化処理は、水（Ｈ２Ｏ）等の分子やクラスターなどを加速して、接合面に向けて放射することで行ってもよい。水（Ｈ２Ｏ）等の加速に、上記表面活性化処理に用いる粒子ビーム源などを使用してもよい。この場合、上記バブリングなどで生成したキャリアガスと水（Ｈ２Ｏ）等との混合ガスを、上記粒子ビーム源に導入することにより、水の粒子ビームを発生させ、親水化処理すべき接合面に向けて照射することができる。
【０１４１】
親水化処理は、水等の付着を複数回行うように構成されてもよく、異なる親水化処理を組み合わせて行うように構成されてもよい。
【０１４２】
表面活性化処理と親水化処理が施された接合面４１ａ、４１ｂは、その後のチップの基板への取り付け（仮接合）での接触の際に水素結合の作用により互いに引き合い、比較的強い仮接合を形成する（図２（ｄ））。さらに水素と酸素とを含む接合界面が形成されているので、本接合での加熱処理により水素と酸素が接合界面の外部に放出され、清浄な接合界面４５を形成することが可能になる（図２（ｅ））。
【０１４３】
＜仮接合＞
工程Ｓ３で、チップ側接合面が表面活性化処理され親水化処理されたチップが、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理され親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けられる。
【０１４４】
基板の対応する接合部に対するチップの位置決めは、例えば、チップ側に複数の位置調節用マークを設け、基板の対応する接合部側に、対応する複数の位置調節用マークを設け、両方の位置調節用マークを互いに合わせることで行っても良い。両方の位置調節用マーク間のずれは、チップと基板とを透過する光を、チップ又は基板側から接合面に垂直方向に入射し、その反対側に設けたカメラにより撮像された、当該透過光による位置調節用マークの画像を観察することにより測定するように構成してもよい。
【０１４５】
上述のように、一例として、チップ及び基板の対応する金属領域ＭＲ間の位置決めは、両方の基板側に設けられた位置調節用マークを、基板を透過する光を用いて、互いに合わせることで行われてもよい。これにより、例えば、±１μｍの位置決め精度を得ることができる。さらに、位置決めが十分でなかった場合には、仮接合直後に基板を一旦互いから離し、再度位置決めしてから仮接合を行うことを、所定の位置決め精度が得られるまで繰り返すこともできる。これにより、±０．２μｍの位置決め精度を得ることができる。
【０１４６】
仮接合されたチップと基板とを互いに離す工程は、仮接合されたチップと基板のエッジから接合界面方向に、ブレードを機械的に挿入し、又は水や空気などの流体を吹き込むことで行われてもよい。
【０１４７】
親水化処理が施されたチップ側接合面と基板の接合部とは、水酸（ＯＨ）基又は水分子により覆われているため、取付け時（仮接合時）の接触により、水酸基又は水分子間に働く水素結合などの引力により仮接合される。
【０１４８】
仮接合は、複数のチップの一つずつについて行うことが好ましいが、これに限られない。複数のチップのうち、所定の数のチップの一群として、これの一群のチップごとに基板に貼り合わされてもよい。
【０１４９】
上記のチップの基板への取付けにより、チップ側接合面と基板の接合部とは、少なくとも、接合すべきチップのすべてが基板に取り付けられてから加熱処理が行われるまでの過程において、チップと基板とが仮接合することで構成される構造体が搬送される際や位置変換される際に、チップが基板から剥がれ落ちたり、チップが基板上の所定の取付け位置からずれたりすることがない十分な接合力で固定される。
【０１５０】
接合すべき複数のチップをすべて基板に仮接合する間、当該複数のチップと基板の周りの雰囲気の湿度を所定の値に保つようにしてもよい。これにより、水酸化物層又はその上の水の層は、基板の接合面上に比較的に均一に、また複数の仮接合に亘って一定な特性を有するように、形成されうる。
【０１５１】
チップの金属領域が、ニッケル（Ｎｉ），金（Ａｕ），スズ（Ｓｎ）などの金属で、２０μｍ（マイクロメータ）四方、高さ３μｍ（マイクロメータ）から１０μｍ（マイクロメータ）のパッド状に形成されている場合は、パッドに対し０．５ＭＰａ（メガパスカル）から４００ＭＰａ（メガパスカル）の圧力を、チップと基板とが互いに近接する方向に加えてもよい。
【０１５２】
上記パッドに対して加える圧力は、高すぎると塑性変形により金属領域同士が接触して短絡の原因となり、低すぎると所定の導電性又は接合強度を得ることができない場合がある。したがって、上記パッドに対して加える圧力は、金属領域の材料の機械的特性、形状、その後の本接合での加熱処理の条件などに応じて、調節される。
【０１５３】
上述の仮接合で得られた複数のチップと基板とを含む構造体は、チップと基板とが比較的強い水素結合で結合しているので、チップ実装システム内部で又は外部へ搬送されても、チップが基板からすべり落ち、又は剥がれ落ちる危険性は小さい。また、仮接合で得られた複数のチップと基板とを含む構造体は、比較的安定であるので、加熱処理まで数時間から数日までの間、大気中で保存することも可能である。したがって、任意のタイミングで、チップと基板とを含む構造体に加熱処理を行うことができる。
【０１５４】
上述の仮接合で得られた複数のチップと基板とを含む構造体を複数個まとめて加熱処理を行うことができる。これにより、本接合されたチップと基板とを含む構造体を、高い生産効率で製造できるという効果がある。さらに、チップと基板とが比較的強い水素結合で結合しているので、チップ実装システム内部で又は外部へ搬送されても、チップが基板からすべり落ち、又は剥がれ落ちる危険性は小さい。また、仮接合で得られた複数のチップと基板とを含む構造体は、比較的安定であるので、加熱処理まで数時間から数日までの間、大気中で保存することも可能である。したがって、任意のタイミングで、チップと基板とを含む構造体に加熱処理を行うことができる。
【０１５５】
仮接合されるチップは、仮接合の前に供給されたチップに対して所定の検査を行い、良好と判断されたチップのみを選別するように構成されてもよい。これにより、検査により良好と判断されたチップのみを実装することにより、生産される最終製品の歩留まりを高めることができる。
【０１５６】
＜本接合＞
工程Ｓ４では、工程Ｓ３で得られた複数のチップと基板との構造体に加熱処理を行うことにより、チップと基板との間の所定の導電性（抵抗率）又は接合強度（機械的強度）を得ることができる。
【０１５７】
金属領域ＭＲや非金属領域ＮＲの表面は、微視的には原子レベル又はナノメートルから数十ナノメートルの表面粗さを有していることがある。したがって、基板の貼り合わせにより接触に至った、すなわち水酸基が接触することで結合されている２つの接合面間の実質的な接合面積は、みかけの接合面積より小さい（図６（ａ））。実質的に接触していない接合面の間の隙間は水の分子又は水の層により埋められていると考えられる（図６（ａ））。加熱処理により、水が接合界面から拡散して出て行く過程で、水酸基による実質的な接合面積が増えていき（図６（ｂ））、その後、水素が水となり接合界面から拡散により出て行くか、水素の形で拡散することで、接合界面は酸素原子を介した構造に変化する（図６（ｃ））と考えられる。さらに、貼り合わせられた金属領域ＭＲ又は非金属領域ＮＲの実質的な接合界面又はこの実質的な接合界面近傍の原子が拡散又は固相拡散して、実質的な接合面積が増加すると考えられる。また、原子が拡散することで、貼り合わせによる金属領域ＭＲ等の弾性変形による残留応力が除去され、接合強度がより高くなる。このように、親水化処理を行うことを含む本接合方法は、固相同士間で直接接合させる方法に比べて、表面のうねりや凹凸を一旦水分子で埋めて接合し、加熱による水の除去時に接合面同士が互いに近づいて、接合に至らしめることを可能にするため、接合界面にボイドを発生させずに接合することが容易になる。
【０１５８】
さらに、加熱により、表面活性化処理され親水化処理された接合面上に形成されている水酸化物層又は水の層などは、接合界面に取り込まれても、加熱処理で新生表面同士の接合界面が形成する際に、表面層と比べて低い温度又は短時間で消滅する。また、接合面上に形成されている水酸化物層又は水の層などが、加熱により拡散するにしたがって、微視的な粗さによって接合していなかった接合界面を閉じる作用を有するとも考えられる。したがって、本願発明による接合方法は、樹脂などを使用する従来の接合技術に比べて、接合に必要なサーマルバジェット（熱消費量）を低減することができる。
【０１５９】
加熱処理中の最高温度は、１００℃（摂氏１００度）以上、チップと基板との接合外面を形成する材料の融点未満の温度に設定することが好ましい。
【０１６０】
加熱処理中の最高温度を１００℃（摂氏１００度）以上に設定することで、接合界面に含まれている水酸（ＯＨ）基又は水の多くが、接合界面外部に抜け出していくと考えられる。このとき、水が仮接合の界面から抜け出していく過程で、それまでは接触していなかった接合面同士が接触するようになり、実質的な接合界面が広がり、接合面積が大きくなると考えられる。また、本発明による表面活性化処理後に親水化処理された接合面を接合することで、従来の単純な親水化処理を用いた接合に要した４００℃を超える温度での加熱は不要となり、１５０℃から２５０℃程度の温度の加熱で十分な接合強度を得ることができる。
【０１６１】
接合界面に含まれている水酸（ＯＨ）基又は水が接合界面まわりの材料中へ拡散しても、接合界面近傍の部位の電気的特性又は機械的特性が顕著に低下することはないと考えられる。
【０１６２】
また、本願の発明によれば、加熱処理中の最高温度を、チップと基板との接合面を形成する材料の融点未満に設定しても、十分な電気的特性及び機械的特性を得ることができる。接合界面近傍で材料の固相拡散が生じて、それまでは接触していなかった接合面間の隙間を埋めることで、実質的な接合界面が広がり、接合面積が大きくなると考えられる。
【０１６３】
また、加熱処理中の最高温度を、チップと基板との接合面を形成する材料の融点未満に設定して、固相拡散により本接合を行うことで、本接合における位置ずれをほぼなくすことができる。これにより、最終製品において、基板の接合部上の所定の位置に対するチップの位置決め精度を高くすることができ、例えば±１μｍ以下に抑えることが可能になる。
【０１６４】
加熱処理中の最高温度を、チップと基板との接合面を形成する材料の融点以上に設定して本接合を行うと、仮接合で取り付けられた基板上の位置から、チップがずれることがあり得る。この位置ずれは、数μｍになる場合がある。チップを本接合する際に位置ずれが生じると、ある金属領域が隣接する金属領域と接触するなどして、ショートの原因となる。また、接合面積が小さくなり、接合界面で生じる段差などにより、接合界面の接合強度が低下する場合がある。
【０１６５】
上述のように、一例として、基板の対応する接合部に対するチップの位置決めは、チップ側と基板側とに設けられた位置調節用マークを、チップと基板とを透過する光を用いて、互いに合わせることで行われる。これにより、例えば、±１μｍの位置決め精度を得ることができる。さらに、位置決めが十分でなかった場合には、仮接合直後にチップを基板から一度離し、再度位置決めしてから仮接合を行うことを、所定の位置決め精度が得られるまで繰り返すこともできる。これにより、±０．２μｍの位置決め精度を得ることができる。
【０１６６】
したがって、位置調節用マークを用いるなどしてチップを基板上の所定の位置に対して位置決めした上で仮接合を行い、さらに本接合において加熱温度をチップと基板との接合面を形成する材料の融点未満に設定することで、最終製品において、基板の接合部上の所定の位置に対するチップの位置決め精度を極めて高くすることができる。これにより、ショートなどの欠陥の発生を抑制するとともに、チップを積層基板上に積層して接合する場合でも、基板上における複数層に亘るチップの上下方向の位置決め精度を高く保つことができる。
【０１６７】
たとえば、銅（Ｃｕ）により形成された金属領域ＭＲにより良好な接合界面５を形成するためには、貼り合わせ（仮接合）後の加熱処理における温度が、摂氏約３５０度又はこれより高い温度であることが必要であった。しかし、清浄な金属表面を形成し当該表面を水酸化処理して仮接合を行う本願発明を適用することで、良好な銅（Ｃｕ）の接合界面を得るための温度を摂氏３００度以下にすることが可能になった。当該温度は、２００度以下とすることが好ましく、更には摂氏１５０度程度にすることが好ましい。
【０１６８】
たとえば、チップ側接合面と基板の接合部とが銅（Ｃｕ）で形成されている場合には、仮接合後のチップと基板との構造体を１５０℃（摂氏１５０度）で６００秒間、加熱することで、高い導電率と接合強度とを有するチップと基板との構造体が得られる。
【０１６９】
チップ側接合面と基板の接合部との金属領域が銅（Ｃｕ）で形成されている場合には、０．１４ＭＰａ（メガパスカル）程度の圧力を接合界面に垂直な方向に加えることで十分な導電性及び機械的強度が得られる。
【０１７０】
従来、銅（Ｃｕ）と銅（Ｃｕ）とを直接接合するために、３５０℃（摂氏３５０度）程度での高温で、基板毎に数トンもの力を１０分ほど保持することが必要だったが、本願発明において金属領域を形成する材料として銅を採用することで、低温、低圧、かつ高速に、所望の導電性及び機械的強度を有するチップと基板との構造体を製造することができる。
【０１７１】
チップの各金属領域が、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、スズ（Ｓｎ）、スズ―銀の合金などの金属で、２０μｍ（マイクロメータ）四方、高さ３μｍ（マイクロメータ）から１０μｍ（マイクロメータ）のパッド状に形成されている場合は、各パッドに対し０．５ＭＰａ（メガパスカル）から４００ＭＰａ（メガパスカル）の圧力を加熱処理中に加えてもよい。
【０１７２】
加熱処理中の構造体周りの雰囲気は、大気でもよく、窒素又は希ガス雰囲気でもよい。
【０１７３】
加熱処理中の構造体周りの雰囲気の湿度を調節してもよい。この湿度は、得られる接合界面の電気的特性又は機械的特性に応じて調節してもよい。
【０１７４】
加熱処理の際に、雰囲気を形成するガスの種類、流量などを調節してもよい。また、加熱処理の際に、接合界面に垂直方向の圧力が加わるように、貼り合わされている基板に、力又は圧力が加えられてもよい。接合界面に垂直方向の圧力が加わることで、実質的又は微視的な接合面積がさらに増加する。
【０１７５】
加熱処理における、温度又は上記圧力若しくは圧力の時間プロファイルは、仮接合の条件、金属領域を形成する材料の熱特性、基板を形成する材料の熱特性、加熱処理の際の雰囲気、加熱処理装置の特性などにより、調節されうる。
【０１７６】
なお、接合界面における所望の導電性と機械的強度を得るための工程として、貼り合わされた基板から構成された構造体を加熱する工程について説明したが、上記の実施態様に限られない。いわゆる仮接合された後の接合界面に対して、所望の導電性と機械的強度などの特性を得るためのエネルギーを与えることができれば、他の手法を採用してもよい。たとえば、基板や金属領域ＭＲ、非金属領域ＮＲの光学的特性に応じて、仮接合された接合界面に対してマイクロ波、赤外光、レーザー光などを照射することで接合界面にエネルギーを与えてもよい。
【０１７７】
本願発明に係る仮接合と本接合とを有する接合方法を採用することで、ＣＯＷ実装の生産効率が従来の接合方法と比較して著しく向上する。例えば、チップ毎に対応する基板上の接合部に仮接合及び本接合をすることを繰り返し行い、所定の数のチップを基板上に実装する場合と比較することにより、本願発明の効果をよりよく理解することができる。
【０１７８】
１つの基板上に５０００個のチップを接合する場合で比較する。
従来のようにチップ毎に仮接合と本接合とを繰り返す場合には、チップあたり６０秒ほど掛かるといわれている。したがって、例えば、１つの基板上に５０００個のチップを本接合するためには、（６０秒／チップ）×（５０００チップ）＝３０００００秒＝約８３時間掛かる。チップ毎の仮接合及び本接合を１０秒で行うとしても、１つの基板上に５０００個のチップを本接合するためには、（１０秒／チップ）×（５０００チップ）＝５００００秒＝約１４時間掛かる。
【０１７９】
本願発明に係る接合方法によれば、チップ毎に１秒から５秒で仮接合をすることができる。したがって、１つの基板上に５０００個のチップをチップ毎に１秒で仮接合する場合には、（１秒／チップ）×（５０００チップ）＝５０００秒＝約１．４時間で仮接合が完了する。よって、本接合を比較的低温で数時間行ったとしても、従来の方法と比較して著しく生産時間が短縮されることが理解できる。また、１つの基板上に５０００個のチップをチップ毎に５秒で仮接合する場合には、（５秒／チップ）×（２５０００チップ）＝５０００秒＝７時間で仮接合が完了する。したがって、上記の従来の接合方法を用いて仮接合及び本接合を行う場合の所要時間である１４時間と比較しても、７時間未満で本接合を行えば、生産時間が短縮されることが理解される。本接合の所要時間は、加熱の温度に依存するものの、７時間未満とすることは可能である。
【０１８０】
＜水付着処理＞
上記の親水化処理（工程Ｓ１）が完了したチップを基板の対応する接合部に取り付ける（工程Ｓ３）前に、チップ側接合面に水（Ｈ２Ｏ）を付着させてもよい（工程Ｓ５）。図７は、この工程（工程Ｓ５）を含む、本願発明の第一実施形態の変形例に係る接合方法のフローチャートを示している。
【０１８１】
水付着処理は、チップ側接合面の少なくとも金属領域に水を吹き付けることで行ってもよい。吹き付けられる水は、気体状（ガス状又は水蒸気等）でも液体状（霧状又は水滴状等）でもよく、水の形態はこれらに限定されない。水をチップ側接合面に吹き付けることで、チップ側接合上に効率よくかつ均一に水を付着することができる。
【０１８２】
水付着処理は、液体の水を収容する水槽を設け、この水にチップ側接合面の少なくとも金属領域を浸漬させることで行ってもよい。これにより、表面活性化処理された接合面上により多量の水をより確実に付着することができる。
【０１８３】
最初の親水化処理の完了から仮接合が行われるまでの間に、チップ側接合面を下向き（フェイスダウン）の状態で当該液体の水と接触させて、チップ側接合面に水を付着させることができる。金属領域が、チップ側接合面における他の領域より突出している場合は、当該突出した金属領域のみに、上記液体の水との接触により、水を付着させてもよい。
【０１８４】
一度親水化処理した表面に、さらに水（Ｈ２Ｏ）を付着させ、水の層を形成することで、チップ側接合面の凹部を水（Ｈ２Ｏ）で埋めて、接合面の表面粗さを低減させることができる。この水の層を介してチップ側接合面と基板の接合部とが接触することで、仮接合時の実質的な接合面積は大きくなると考えられる。
【０１８５】
付着させる水の層の平均厚さは、水付着前の接合面の表面粗さと同程度又はそれ以上であることが好ましい。このようにすることで、仮接合したときに、水付着されなければ接触しないような接合面の間の隙間を水で埋めることが可能となり、実質的な接合面積を確実に大きく確保することができる。（図８を参照）
【０１８６】
チップが有する複数の金属領域の高さにばらつきがある場合に、比較的低い金属領域は、チップに力を加えて変形させないと基板と十分に接触しないことがありえる。この場合でも、当該複数の金属領域の間の高さの差とほぼ同程度あるいはそれ以上の厚さの水分子の層を、金属領域上に形成することで、水の層を介して所定の強度の仮接合が得られる。（図９を参照）
【０１８７】
接合面、特にチップの金属領域上に形成された水の層は、チップを基板に取り付ける（仮接合の）工程Ｓ３の際に、チップと基板との接合面間で、接合面に垂直な方向に作用する互いの吸着力又は吸引力を増加させる機能があると考えられる。その結果、水の層がなかった場合と比較して、チップと基板との接合面間に水の層が形成される部分の面積に応じて、仮接合の力が増加する。
【０１８８】
さらに、チップの複数の金属領域上に形成された水の層は、接合面に平行な方向に作用する吸引力をも発生させるので、チップを基板の接合部に向けて引き寄せることにより、基板に対するチップのセルフアラインメントを実現することができる。
【０１８９】
図１０に示すように、たとえば、それぞれ水付着処理により水の層が形成された、チップが有する複数の金属領域と、これに対応する基板上の接合領域を、接合面に垂直な方向に沿って互いに近づけるとき、チップは、基板に対し、接合面に平行な方向にずれている場合がある（図１０（ａ））。接合面に垂直な方向にさらに近づけると、水の層同士が接触し、チップの金属領域とこれに対応する基板上の接合領域との間を結合するような水の層が形成される（図１０（ｂ））。この水の層には表面エネルギーを最小にさせる表面張力が作用して、チップの金属領域は、これに対応する基板上の接合部上の所定の位置に自動的に位置決め（セルフアラインメント）される（図１０（ｃ））。その結果、仮接合のためにチップを基板に対して取り付ける際に、位置決めの精度を比較的低く設定することができ、接合装置の簡略化、位置決め工程の高速化が可能になる。
【０１９０】
セルフアラインメントを実現するために、チップ側接合面に親水化された金属領域と疎水化された領域とを設け、これらに対応するようにして、基板の接合部に親水化された接合領域と疎水化された基板側疎水化領域とを設ける構成を採ることもできる。これにより、親水化されたチップの金属領域と基板の接合領域とが接触するようにチップを基板の対応する接合部に取り付ける際に、親水化領域と疎水化領域があることで、水の層で発生する表面張力の作用が大きくなり、位置決めの精度がさらに向上し、所定の位置にチップを高速で仮接合することができる。また、金属領域の表面がチップ側接合面の表面とほぼ同一面上にあるように構成したチップを使用する場合には、親水化領域と疎水化領域をほぼ同一平面上に配置することができるので、デバイスの最終製品の厚みを小さくし高密度化することができる。
【０１９１】
親水化処理後の水の付着は、チップ側接合面の金属領域のみに対して行われてもよく、またチップ側接合面の金属領域に加え、チップ側接合面の金属領域が対応して接合される、基板の接合部に形成された接合領域に対して行われてもよい。
【０１９２】
本願発明によれば、チップと基板との間に清浄な接合界面を形成し、良好な導電性と高い機械的強度を有するチップと基板とを含む構造体を製造することができる。また、すべてのチップを基板上に取り付けた後に加熱処理を一回のみ行うように構成したことで、高い生産効率で、複数のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。さらに、水付着処理を有することで、十分な水が接合面に付着されるので、仮接合によるチップと基板との間の接合力が増強されるという効果を奏する。
【０１９３】
＜１．２  第二実施形態＞
図１１は、本願発明の第二実施形態に係る、複数の層のチップを基板へ接合する方法を示すフローチャートである。基板に１層目のチップを取り付ける工程Ｓ１１から工程１３の処理は、第一実施形態の工程Ｓ１から工程Ｓ３と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【０１９４】
第一実施形態では１層分のチップが基板上に取り付けられるのに対し、第２の実施形態では複数層のチップが基板上に取り付けられる点で異なる。また、複数層のチップを基板上に取り付けるために、第二実施形態では、複数層に亘って積層されるチップが、第一実施形態のチップ側接合面に対応する第一接合面と、この第一接合面の裏側に位置する第二接合面とを有して構成されている。
【０１９５】
工程Ｓ１１から工程Ｓ１３（図１２（ａ））が完了すると、基板上には所定数の１層分のチップが取り付けられている。この第１層を構成するチップの第二接合面に第２層を構成する所定数のチップの第一接合面が接触するように、それぞれのチップを基板上に取り付ける。３層目以降も、同様の取付動作を実行することで、所望の数のチップ層を基板上に取り付ける。
【０１９６】
第２層のチップの取付けを例として説明すると、新たな（第２層の）チップ側接合面（第一接合面）に対して表面活性化処理と親水化処理を行い（工程Ｓ１４）、既に基板に取り付けられている第１層のチップの第二接合面に対して表面活性化処理と親水化処理を行う（工程Ｓ１５）。
【０１９７】
工程Ｓ１６で、工程Ｓ１４が施された、第１層のチップの数に対応する所定数の第２層のチップが、それぞれ、工程Ｓ１５が施された第２層のチップに取り付けられる。第２層のチップの第１層のチップへの取付けは、第２層のチップを一つずつ取り付けることを、取り付けるべき所定数のチップの取付けが完了するまで繰り返すことで行われる。この工程Ｓ１６が完了すると、基板上には２層分のチップが仮接合される（図１２（ｂ））。
【０１９８】
以降これを繰り返し、第ｉ層（ｉは３以上）のチップの第一接合面を基板上に既に取り付けられている第ｉ―１層のチップに取り付けることにより、所定数の第ｉ層のチップを基板上に取り付ける。
【０１９９】
第ｉ層が所望の数の層（Ｎ層）まで、新たな所定数のチップに対して表面活性化処理及び親水化処理（工程Ｓ１４）を行い、取り付けられた最上層の所定数のチップに対して表面活性化処理及び親水化処理を行い（工程Ｓ１５）、仮接合する（工程Ｓ１６）動作を繰り返すことにより（Ｓ１７、Ｓ１８）、基板上にＮ層の仮接合チップ層を形成することができる（図１２（ｃ））。図１２（ｃ）では、５層のチップ層が形成されているが、チップ層の数Ｎは、これに限定されることはなく、２以上であればよい。
【０２００】
工程Ｓ１９では、上記形成されたＮ層の仮接合チップ層と基板とを含む構造体を加熱する。
【０２０１】
加熱処理の際に、雰囲気を形成するガスの種類、流量などを調節することができる。また、加熱処理の際に、接合界面に圧力が加わるように、チップと基板との仮接合により形成された構造体に圧力を加えることもできる。
【０２０２】
加熱処理における、温度又は上記力若しくは圧力の時間プロファイルは、仮接合の条件、接合界面を形成する材料の熱特性、チップ又は基板を形成する材料の熱特性、加熱処理の際の雰囲気、加熱処理装置の特性、チップ層の数Ｎなどにより、調節することができる。
【０２０３】
本願発明の第二実施形態に係る接合方法によれば、第一実施形態に係る接合方法と同様の効果を奏するとともに、さらに、接合界面の電気的又は機械的特性を低下させる樹脂等の物質を使わない清浄な工程で、所定のＮ層のチップ層を基板上に形成できるという効果を奏する。また、従来の接合方法では、各チップ層の仮接合が完了するごとに、樹脂を塗布することが必要であったが、本願発明の第二実施形態によれば、このような樹脂処理工程を省略することができるので、複数のチップの基板上への仮接合をきわめて効率的に行うことができる。
【０２０４】
図１３は、本願発明の第二実施形態に係る複数の層のチップを基板へ接合する方法の他の例を示すフローチャートである。各層（第１層及び第ｉ層（ｉは２以上））において、表面活性化処理及び親水化処理（工程Ｓ１１及び工程Ｓ１４）が完了したチップの第一接合面に、水付着処理（工程Ｓ２１及工程Ｓ２２）を行うことを特徴とする。
【０２０５】
接合面、特にチップの金属領域上に形成された水の層は、チップを基板に取り付ける（仮接合の）工程Ｓ１３の際及び第ｉ層のチップを第ｉ−１層のチップ上に取り付ける工程Ｓ１６の際に、チップと基板との接合面間及びチップ同士の接合面間で、接合面に垂直な方向に作用する互いの吸着力又は吸引力を増加させる機能があると考えられる。その結果、水の層がなかった場合と比較して、チップと基板との接合面間に水の層が形成される部分の面積に応じて、仮接合の力が増加する。
【０２０６】
さらに、チップの複数の金属領域上に形成された水の層は、接合面に平行な方向に作用する吸引力をも発生させるので、チップを基板の接合部に向けて引き寄せることにより、基板に対するチップのセルフアラインメントを実現することができる（図１０を参照）。Ｎ層のチップを基板上に積層する際に、上下に隣接する２層のチップ間において、下層のチップの第二接合面に対して上層のチップの第一接合面を位置決めする必要があるが、上下に隣接する２層のチップ間においても同様にセルフアラインメント機能が作用するので、接合装置の位置決め精度を比較的低く設定することができ、接合装置のさらなる簡略化、位置決め工程の高速化が可能になる。
【０２０７】
第二実施形態のさらなる変形例（図示せず）として、各層のチップの仮接合（工程４（Ｓ４））の後に、加熱処理を行ってもよい。この場合、Ｎ層のチップの仮接合後の接合体の加熱処理（工程５（Ｓ５））を省略してもよい。
【０２０８】
第１及び第二実施形態において、基板に接合される複数のチップは、複数の種類のチップを含んでいてもよい。例えば、複数の種類のチップは、ＸＹ方向の寸法、大きさの異なる複数のチップを含んでいてもよい。
【０２０９】
たとえば、図１４に示すように、縦横方向にｐ０の寸法で設定された各接合部において、第１の種類のチップＣＰ１１と第２の種類のチップＣＰ１２との双方が配置されるようにしてもよい。図１４では、チップＣＰ１１とチップＣＰ１２は、いずれもピッチｐ１で縦横方向に配置されており、ピッチｐ１はピッチｐ０に等しい。ここで、第２の種類のチップＣＰ１２のサイズは、第１の種類のチップＣＰ１１のサイズよりも小さい。また、第２の種類のチップＣＰ１２のサイズと第１の種類のチップＣＰ１１のサイズとは、いずれも、接合部よりも小さい。
【０２１０】
このように、複数の種類の異なるサイズのチップが同一のチップ層（第ｉ層）において混在するようにチップを配置する構成を採ることもできる。このような態様によれば、多様なサイズのチップで構成される完成品チップを効率的に作成することが可能にある。
【０２１１】
本願発明によれば、チップと基板との間及びチップ間に清浄な接合界面を形成し、良好な導電性と高い機械的強度を有する複数層のチップと基板とを含む構造体を製造することができる。複数層に亘ってすべてのチップを取り付けた後に加熱処理を一回のみ行うように構成したことで、高い生産効率で、複数層のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。
【０２１２】
また、本接合での加熱処理を行う前の、複数層のチップと基板とを含む構造体を、複数個まとめて加熱することで、より効率的に、清浄な接合界面を有する複数層のチップと基板とを含む構造体を製造することができる。
【０２１３】
＜２．接合装置＞
＜２．１  システム構成＞
図１５は、チップ実装システム（電子部品実装システム）１の概略構成を示す上面図である。なお、図１５等においては、便宜上、ＸＹＺ直交座標系を用いて方向等を示している。
【０２１４】
このチップ実装システム１は、基板（チップ実装対象の基板）上に複数のチップから構成される１又は複数のチップ層を取り付けて実装するシステムである。たとえば、このチップ実装システム１は、対象の基板ＷＡ上に第１層の複数のチップＣＰ１を接合することができる。また、チップ実装システム１は、基板ＷＡ上に配置された第１層の複数のチップＣＰ１上に第２層の複数のチップＣＰ２等をさらに積層して接合することも可能である。
【０２１５】
図１５に示すように、チップ実装システム１は、複数のチップを保持して接合すべきチップを個別に供給するチップ供給装置１０と、チップ供給装置１０から供給されたチップを基板上に取り付けるボンディング装置３０と、複数のチップ及び基板の接合面に表面活性化処理と親水化処理を行う表面処理装置５０と、チップ実装システムの外部から接合すべきチップ及び基板をその内部に搬入し、チップが取り付けられた基板（チップと基板とを含む構造体）をその外部へ搬出する搬出入部９０と、複数のチップ、基板及びチップと基板とを含む構造体を搬出入部９０、チップ供給装置１０、ボンディング装置３０及び表面処理装置５０の間において搬送する搬送部７０とを備える。
【０２１６】
図１５等に示す実施形態においては、加熱手段は図示されていないが、加熱手段はチップ実装システム１に組み込まれるように構成されても、またチップ実装システム１とは別に構成されてもよい。加熱手段がチップ実装システム１に組み込まれる構成を採る場合には、加熱装置を搬送部７０に連結した構成とすることで、仮接合後にチップと基板とを含む構造体を当該加熱装置に搬送することができる。加熱手段をチップ実装システム１とは別に構成する場合には、加熱手段を、はんだ材のリフローなどを行うための加熱炉としても、一般的な加熱炉としてもよい。この場合、仮接合後のチップと基板とを含む構造体を複数個まとめて加熱処理することができるので、効率的に本接合を行うことができる。
【０２１７】
＜２．２  搬送部＞
搬送部７０は、接合すべき複数のチップを、搬出入部９０から表面処理装置５０へ搬送し、表面活性化処理と親水化処理が行われた後に表面処理装置５０からチップ供給装置１０へ搬送する。また、搬送部７０は、基板を、搬出入部９０から表面処理装置５０へ搬送し、表面活性化処理と親水化処理が行われた後に表面処理装置５０からボンディング装置３０へ搬送する。さらに、搬送部７０は、所定数のチップが基板上に取り付けられた後に、チップと基板とを含む構造体をボンディング装置３０から搬出入部９０へ搬送する。
【０２１８】
＜２．３  表面処理装置＞
図１５に示す表面処理装置５０は、真空チャンバ内に基板ＷＡ又は複数のチップを保持するステージ５３と、表面活性化処理のために粒子を放射する粒子ビーム源５１と、親水化処理のために水を放出する水導入口５４とを備え、複数のチップと基板ＷＡとの両方に対して表面活性化処理と親水化処理とを行うことができる構成となっている。以下、便宜的に、図１５に示す装置の実施例を用いて本願発明を説明するが、これに限定されない。
【０２１９】
図１５には、表面処理装置５０内に基板ＷＡのみが示されているが、複数のチップと、この複数のチップが既に取り付けられている基板とを含む構造体における、最上層のチップの第二接合面に対して表面活性化処理又は親水化処理をする場合には、図１５の基板ＷＡが示されている位置に、基板ＷＡに代わって、上記複数のチップとこの複数のチップが既に取り付けられている基板とを含む構造体を配置するような構成としてもよい。
【０２２０】
たとえば、表面活性化処理のために一つのチャンバを設け、親水化処理のために別のチャンバを設けてもよい。また、複数のチップの表面処理（表面活性化処理及び親水化処理）をするために一つのチャンバを設け、基板の表面処理（表面活性化処理及び親水化処理）をするために別のチャンバを設けてもよい。
【０２２１】
さらにまた、チップの表面活性化処理と親水化処理、そして基板の表面活性化処理と親水化処理とを別個に実施するために、それぞれの処理に対してチャンバを設け、計４つのチャンバを設けてもよい。また、表面活性化処理及び親水化処理の処理態様に応じて、１又は複数のチャンバを設ける構成とすることができ、各チャンバに収容する処理装置の組み合わせも種々に変更することが可能である。
【０２２２】
表面処理装置５０は、真空ポンプ（図示せず）に接続されており、表面処理装置５０内部の気圧を低下させ、真空度を上げることができる。真空度を上げることで、粒子ビーム源による粒子ビームの放射が可能になる。真空ポンプは、表面処理装置５０内の気圧を１０−５Ｐａに下げる能力を有することが好ましい。また、真空引きにより、表面処理装置５０内の、浮遊不純物や水分子などを予め除去し、清浄な雰囲気を準備することができる。
【０２２３】
＜表面活性化処理手段１＞
所定の運動エネルギーが付与された粒子（破線で図示）は、図１６に示されるように、粒子ビーム源５１から複数の接合部が設定された接合面を有する基板ＷＡ全体に向けて放射状に放出されてもよい。比較的小型の粒子ビーム源などを使うことができ、装置を比較的単純に構成することで小型化できる。
【０２２４】
粒子ビーム源５１は、所定の運動エネルギーが付与された粒子が、粒子ビーム源から複数の接合部が設定された接合面を有する基板の一部分に向けて放射状に放射されるように構成されてもよい。このとき、粒子ビーム源の位置、向きなどを変えることで、接合面が設定された領域全体を照射することができる。
【０２２５】
図１５では、粒子ビーム源５１は、表面処理装置５０内でステージ５３の斜め上部に取り付けられ、ステージ５３上に搬送された基板の表面に向けて所定の運動エネルギーが付与された粒子を放射する。ステージ５３は、円形であり、ステージ５３の中心軸を回転軸として回転することができる。ステージ５３を表面活性化処理中に回転させることで、基板ＷＡ表面に亘って、基板ＷＡ表面の単位面積当たりに照射される粒子の量を均一にし、表面層の除去量（厚さ）を均一にすることができる。
【０２２６】
粒子ビーム源のチャンバ内の配置又は粒子ビームが照射される対象物に対する配置は、図１５に示された実施態様に限定されない。
【０２２７】
図１７に示すように、粒子ビーム源１５０は、加速電圧を規定するカソード１５１とアノード１５２と、カソード１５１とアノード１５２に間に電圧を加える電源１５４と、ガスを導入するガス導入手段１５５を備えている。
【０２２８】
カソード１５１とアノード１５２とは互いに電気的に絶縁されて設けられ、電源１５４により、カソード１５１とアノード１５２との間には、実質的に粒子の運動エネルギーすなわち加速電圧を規定する所定の電圧が印加される。
【０２２９】
カソード１５１は、粒子ビームの放射口１５６を挟んで磁界を形成するＮ極カソード１５１ＮとＳ極カソード１５１Ｓから構成される。カソード１５１Ｎ及び１５１Ｓから放出された電子は、カソード１５１Ｎと１５１Ｓとの間に形成された磁界によるローレンツ力を受けて螺旋（らせん）運動をする。この電子が、ガス導入手段１５５を介して導入されたガスに衝突し、当該ガスをプラズマ化する。このプラズマ中のガスの陽イオンが、カソード１５１とアノード１５２との間の電界により加速されて、放射口１５６から外部に向けて放射される。
【０２３０】
また、粒子ビーム源１５０は、図１８に示すような粒子ビーム源１５０Ａの構成を有していてもよい。粒子ビーム源１５０Ａは、磁石１５７を有し、これによりアノード１５２に開いた粒子ビームの放射口１５６に磁界を形成させる。また、粒子ビーム源１５０Ａは、電子を有するカソード（ニュートライザー）１５８を有していてもよい。カソード１５８から放出された電子の一部は、上記磁界にトラップされる。これにより、磁界内で粒子ビーム源１５０Ａに導入されたガスはプラズマ化される。そして、ガスの陽イオンは、アノード１５２に掛けられた電圧による電界中で、放射口１５６から粒子ビーム源１５０Ａの外部へ加速される。カソード１５８から放出された電子は、粒子ビームと同じ方向にも飛ぶことにより、粒子ビーム又は粒子ビームが衝突する基板の接合面の電荷を中和する作用をも有する。
【０２３１】
あるいはまた、粒子ビーム源１５０は、図１９に示すような中性原子ビーム源１５０Ｎの構成を有していてもよい。中性原子ビーム源１５０Ｎは、図１９に示すような高速原子ビーム源（ＦＡＢ，Ｆａｓｔ  Ａｔｏｍ  Ｂｅａｍ）を用いることができる。高速原子ビーム源１５０Ｎは、典型的には、一対のアノード１５２間に形成される電位の鞍点付近でイオン化されたガスの陽イオンをカソード１５６に向けて、すなわちイオン源の外側に加速させ、カソード１５６から陽イオンの衝突により放出される電子と結合させることで、当該イオンを中性化する構成を有している。このような中性原子ビーム源を用いることで、加速されたイオンは、電気的に中性化され過程でその運動エネルギーを実質的に失うことがないので、効率よく中性である原子ビームを用いて、上記対象物の表面に対して、荷電することなく、効率よく表面活性化処理を行うことができる。
【０２３２】
これにより、上述のとおり、加速されたイオンは、電気的に中性化され原子になる過程で実質的にその運動エネルギーを失うことがないので、この中性である原子ビームを用いて、上記対象物の表面の荷電を回避しつつ、効率よく表面活性化処理を行うことができる。
【０２３３】
図１７、図１８及び図１９は、本願発明に使用されうる粒子ビーム源を例示的に説明するものであり、これに限定されない。たとえば、アノード上記に冷陰極型粒子ビーム源に限られず、熱陰極型、ＰＩＧ（Ｐｅｎｎｉｎｇ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｇａｕｇｅ）型、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）型の粒子ビーム源、あるいはクラスターイオン源が採用されてもよい。
【０２３４】
＜表面活性化処理手段２＞
中性原子ビーム源、イオンビーム源、高速原子ビーム源などの粒子ビーム源は、図２０に示されるように、ライン型でもよい。ライン型の粒子ビーム源は、ライン型（線状）の又は細長い粒子ビーム放射口を有し、この放射口からライン型（線状）に粒子ビームを放射することができる。放射口の長さは、粒子ビームが照射される基板の直径より大きいことが好ましい。基板が円形でない場合には、放射口の長さは、粒子ビーム源に対して相対的に移動させられる基板に係る放射口が延びる方向の最大寸法より大きいことが好ましい。
【０２３５】
ライン型の粒子ビーム源から放射された粒子ビームは、表面活性化処理中のある時刻においては、基板の表面の線状の領域を照射している。そして、ライン型の粒子ビーム源を、接合面を有する基板に向けて粒子ビームを放射しつつ、放射口が延びる方向と垂直方向に走査させる。その結果、線状の粒子ビームの照射領域が基板のすべての接合部上を通過する。ライン型の粒子ビーム源が、基板上を通過し終えると、基板全体が、粒子ビームにより照射され、表面活性化される。
【０２３６】
ライン型の粒子ビーム源は、比較的面積の大きい基板の表面を、比較的均一に粒子ビームで照射する際に適している。また、ライン型の粒子ビーム源は、基板の様々な形状に対応して、比較的均一に粒子ビームを照射することができる。ライン型粒子ビーム源は、例えば図１７に示す断面を有し、図１７の紙面に垂直方向に延びた形状を有していてもよい。
【０２３７】
＜表面活性化処理手段３＞
プラズマ発生装置を用いても、粒子に所定の運動エネルギーを与えることができる。粒子への所定の運動エネルギーの付与は、プラズマ発生装置を用いて、複数のチップ又は基板などの接合面に対して、交番電圧を印加することで、接合面の周りに粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の電離した粒子の陽イオンを、上記電圧により接合面に向けて加速させることで行うことができる。プラズマは数パスカル（Ｐａ）程度の低真空度の雰囲気で発生させることができるので、真空システムを簡易化でき、かつ真空引きなどの工程を短縮化することができる。
【０２３８】
プラズマ発生装置は、表面活性化される接合面に衝突させる粒子の運動エネルギーを１eＶから２ｋeＶの範囲に制御できるように構成されていることが好ましい。上記の運動エネルギーにより、効率的に表面層におけるスパッタリング現象が生じると考えられる。除去すべき表面層の厚さや材質などの性質、新生表面の材質などに応じて、上記運動エネルギーの範囲から所望の運動エネルギーの値を設定することもできる。
【０２３９】
＜親水化処理手段＞
図１５に示される実施形態においては、水ガス供給部５５と、弁５６と、ガス供給管と、水導入口５４とから、接合面を親水化処理する親水化処理手段が構成される。水ガス供給部５５から供給される気体状又は液体状の水は、弁５６の開放に応じて、ガス供給管を通って水導入口５４から表面処理装置５０のチャンバ内に導入される。弁５６は、マスフローとして機能し、その開放度に応じて水の供給量を調節するようにしてもよい。
【０２４０】
また、親水化処理手段は、水ガス供給部５５で水ガス（気体状の水又は霧状の水）をキャリアガスと混合させることで、水ガスとキャリアガスの混合体が表面処理装置５０のチャンバ内に導入されるように構成されてもよい。さらにまた、親水化処理手段は、水ガスとキャリアガスとの混合比、弁５６を通過するガスの流量を調節することで、表面処理装置５０内の雰囲気の湿度を調節するように構成されてもよい。
【０２４１】
＜２．４  チップ供給装置＞
チップ供給装置１０は、ダイシングされた基板から各チップＣＰを取り出し、ボンディング装置３０に各チップＣＰ（ＣＰｉ）を供給する装置である。チップ供給装置１０は、複数のチップから一つのチップのみを上方に持ち上げて支持する突上部１１と、突上部１１により持ち上げられたチップをボンディング装置３０に搬送するチップ移載装置１３等を備える。チップ移載装置１３は、ダイピッカ１３１とチップ供給機１３５とを有する。（図２１参照）
【０２４２】
チップ供給装置１０は、その内部でダイシング処理が行われて複数のチップＣＰが生成されるように構成されてもよい。具体的には、複数の電子回路を有する基板ＷＣが縦方向および横方向に切削されチップ化される。
【０２４３】
あるいは、ダイシング処理が既に行われた複数のチップＣＰが、支持基板に支持された状態で、表面活性化処理、親水化処理が施されてチップ供給装置１０に搬送されてもよい。ダイシング処理による汚染粒子などの発生を抑制することができる。
【０２４４】
チップ供給装置１０内において、ダイシングされた複数のチップＣＰがダイシングテープＴＥ上に載置される。各チップＣＰは、フェイスアップ状態（金属領域としてのハンダバンプＢＵ（図示せず）が付された側の面が上側を向いた状態）でダイシングテープＴＥ上に載置されている。
【０２４５】
そして、切り出された各チップＣＰは、チップ供給装置１０の突上部（突上ニードル）１１によって、１個ずつ上方に突き上げられ、ダイピッカ１３１に位置ＰＧ１で受け渡される。フェイスアップ状態のチップＣＰが、反転機構を有するダイピッカ１３１によって上下反転されて、フェイスダウン状態でボンディング装置３０に供給される。ダイピッカ１３１は、その先端（下端）の吸着部でチップＣＰをフェイスアップ状態で吸着し、反転機構によって上下反転されて、フェイスダウン状態でさらに上方に移動した後に、チップ供給機１３５に受け渡す。チップ供給機１３５は、フェイスダウン状態のチップＣＰの上面を吸着して、チップ搬送部３９側へ向けて移動する。
【０２４６】
＜２．５  チップ搬送部＞
図２２において、チップ搬送部（ターレットとも称する）３９は、チップ供給装置１０から供給されたチップを一つずつボンディング部３３（詳細にはヘッド部３３Ｈ）に受け渡す装置である。
【０２４７】
チップ搬送部３９は、複数（Ｎ個；ここでは３つ）のプレート部３９１を備えている。各プレート部３９１は、薄板形状を有しており、例えば数ｍｍ（ミリメートル）程度（好ましくは１ｍｍ〜２ｍｍ程度以下）の厚さを有している。複数のプレート部３９１は、上面視において、軸ＡＸの周りに等角度間隔で配置される。
【０２４８】
チップ搬送部３９は、複数のプレート部３９１を一斉に回転駆動する駆動部３９２をも備えている。チップ搬送部３９は、駆動部３９２を用いて、所定の鉛直軸ＡＸを中心に複数のプレート部３９１を回転させることが可能である。
【０２４９】
図２２に示すように、チップ供給装置１０から供給されたチップＣＰは、チップ搬送部３９の３つのプレート部３９１（詳細には、３９１ａ，３９１ｂ，３９１ｃ）のうちのいずれか（例えば３９１ｂ）によって受け取られる。その後、当該プレート部３９１が１８０度回転した後に、プレート部３９１上のチップは、ボンディング部３３（ヘッド部３３Ｈ）へと受け渡される。
【０２５０】
プレート部３９１はそれぞれ上記の動作を実行するので、ボンディング部３３にはチップが連続的に受け渡される。
【０２５１】
より具体的には、Ｎ個（ここではＮ＝３）のプレート部３９１を有するチップ搬送部３９が角度β（＝３６０度／（Ｎ＊２））（ここでは６０度（３６０度／（３＊２））回転するごとに、チップ供給装置１０からプレート部３９１へのチップＣＰの受け取り動作と、プレート部３９１からボンディング部３３（ヘッド部３３Ｈ）へのチップＣＰの受け渡し動作とが交互に実行される。
【０２５２】
たとえば、図２２に示すように、或るチップＣＰが受渡位置ＰＲ１でプレート部３９１ｂによって受け取られプレート部３９１ｂに保持される。このとき、別のチップＣＰが位置ＰＲ９まで進行したプレート部３９１ａによって既に受け取られプレート部３９１ａ上に保持されている。
【０２５３】
この状態から、チップ搬送部３９１が軸ＡＸ周りに（時計回りに）角度β（６０度）回転すると、図２３に示すように、プレート部３９１ａ上のチップＣＰは、ヘッド部３３Ｈの直下の位置（受渡位置ＰＲ２）にまで移動する。ヘッド部３３Ｈは、チップＣＰに干渉しない基準位置から若干量下降し、ヘッド部３３Ｈの先端部（下端部）で当該チップＣＰを吸着して、プレート部３９１ａからチップＣＰを受け取る。ヘッド部３３Ｈは、プレート部３９１ａ上のチップＣＰを吸着した後に今度は若干上昇して基準位置に戻る。これにより、プレート部３９１ａ上のチップＣＰは、ヘッド部３３Ｈに受け渡される。このようにして、プレート部３９１ａからヘッド部３３ＨへのチップＣＰの受け渡しが実行される。
【０２５４】
このとき、チップ搬送部３９１（詳細にはそのプレート部３９１ａ）は、受渡位置ＰＲ２（ＸＹ平面においてボンディング位置と同じ位置）において、上側のチップＣＰと下側の基板ＷＴとの間にある。
【０２５５】
次の角度βの回転動作が実行されると、プレート部３９１ｃが受取位置ＰＲ１に移動する。この状態において、さらに別のチップＣＰが受取位置ＰＲ１でプレート部３９１ｃによって受け取られる。このとき、プレート部３９１ｂには上述の動作によって既にチップＣＰが載置されている。
【０２５６】
この角度βの回転動作によって、プレート部３９１ａがヘッド部３３Ｈの直下の位置から離間する。この回転動作により、ヘッド部３３Ｈからボンディング位置（Ｘ，Ｙ）を直接的に見通すことができるようになる。そして、この動作後において、ヘッド部３３Ｈが下降し、ヘッド部３３Ｈに吸着保持されたチップＣＰが位置ＰＧ７（図示せず）まで下降させられる。これにより、ヘッド部３３Ｈの先端部で吸着されていたチップＣＰが、ステージ３１に設置された基板ＷＡ上に載置される。このとき、後述するような位置合わせ動作等が実行され、当該チップＣＰが基板ＷＡ上の所望の位置に載置される。その後、ヘッド部３３Ｈは上昇して再び基準位置に復帰し、プレート部３９１ａとヘッド部３３Ｈとの干渉が回避される。
【０２５７】
その後、さらに角度βの回転動作が実行されると、今度はプレート部３９１ｂが受渡位置ＰＲ２に到達し、プレート部３９１ｂからヘッド部３３ＨへのチップＣＰの受け渡し動作等が実行される。
【０２５８】
そして、さらに角度βの回転動作が実行され、今度はプレート部３９１ａが受取位置ＰＲ１に移動し、プレート部３９１ａによるチップＣＰの受け取り動作が実行される。
【０２５９】
以後、同様の動作が繰り返し実行される。
【０２６０】
ここにおいて、奇数個（特に３つ以上）のプレート部３９１が軸ＡＸ周りに略等角度間隔で（角度γ（＝β×２）間隔で）配置されており、チップ搬送部３９が角度β回転するごとに、位置ＰＲ１でのチップ受け取り動作と位置ＰＲ２でのチップ受け渡し動作とが交互に実行され得る。
【０２６１】
特に、回転式のチップ搬送部３９によって、角度γの回転動作ごとに各チップＣＰを供給することができる。詳細には、或るチップの載置後においては、角度β（例えば６０度）の回転移動で、次のチップを供給することができる。したがって、位置ＰＲ１から位置ＰＲ２へとチップＣＰを１個ずつ搬送（往復搬送）する場合に比べて、比較的短い時間間隔で複数のチップＣＰを順次に供給することが可能である。すなわち、チップ供給におけるサイクルタイムを短縮することが可能である。特に、プレート部３９１の数が大きいほど、チップを取り付ける時間間隔が短縮される。
【０２６２】
図２１において、チップ搬送部３９の３つのプレート部３９１上に、チップの突起部（金属領域）が下向きに載置されているが、チップの金属領域はチップ搬送部３９に接触しないことが好ましい。
【０２６３】
チップ搬送部３９の３つのプレート部３９１は、チップの金属領域に触れないように、チップ側接合面の一部分を支持するように構成されてもよい。これにより、親水化処理が完了してから仮接合が行われるまでに、チップの金属領域は、親水化処理が完了したときの表面状態を保つことができる。
【０２６４】
そこで、図４に示されたような複数のバンプ（金属領域）が形成されたチップを搬送するためには、図２４に示されるように、当該複数のバンプにより囲まれた領域及びチップの外周部の双方又はいずれか一方を支持するように、プレート部３９１に内側支持部６１、外側支持部６２及びバンプに対応する箇所にはバンプが接触しないような凹部６３が構成されてもよい。その際、当該複数のバンプにより囲まれた領域を支持する内側支持部６１には、プレート部を貫通してなる、チップを真空吸着するための真空吸着孔６４を設けるのが好ましい。チップを真空吸着することで、チップ搬送部３９が回転するときに、チップはプレート部３９１に固定され、チップのプレート部３９１からの離脱や、プレート部３９１上での位置ずれを防ぐことができる。
【０２６５】
図２４では、チップを内側支持部６１と外側支持部６２とで支持する構成が示されているが、内側支持部６１と外側支持部６２のいずれか一方でチップを支持する構成としてもよい（図２５（ａ）及び（ｂ））。外側支持部６２のみでチップを支持する場合は、外側支持部６２がチップの外周部と接触されて、プレート部３９１の凹部６３とチップの支持される側の面とで囲まれる領域を真空吸着孔６４で真空引きすることにより、チップをプレート部３９１に固定して支持することができる（図２５（ｂ））。
【０２６６】
＜２．６  ボンディング装置＞
チップ搬送部３９は、チップ供給機１３５からチップＣＰを、図２１の位置ＰＧ３、図２２の位置ＰＲ１で受け取ると、中心軸ＡＸ周りの回転動作によって当該チップＣＰをボンディング部３３のヘッド部３３Ｈ（後述）の直下の位置である図２１のＰＧ５、図２３の位置ＰＲ２まで搬送する。チップＣＰは、このような搬送動作を経て、フェイスダウン状態のまま受渡位置ＰＧ５にまで到達する。
【０２６７】
その後、ボンディング部３３のヘッド部３３Ｈは、チップＣＰを吸着することにより受け取る。ステージ３１をＸ方向およびＹ方向に移動し、基板ＷＡの当該チップＣＰを仮接合すべき箇所（基板の接合部）を、ヘッド部３３Ｈの真下に配置する。その後、ボンディング部３３のヘッド部３３Ｈが降下し、チップ側接合面を基板上の対応する接合部に接触させる。接触時に、チップ側接合面と基板の接合部との間に圧力を加えることができるようにボンディング部を構成してもよい。
【０２６８】
＜２．７  水付着装置＞
上記の親水化処理の完了後、チップが基板上に取り付けられる前に、またはチップが基板上に既に取り付けられたチップの第二接合面上に取り付けられる前に、接合されるチップのチップ側接合面又は第一接合面に水を付着させるための孔部を有する装置（水付着手段又は水付着装置）を設けてもよい。水付着装置は、チップ搬送部３９に設けられてもよく、あるいはチップ供給装置１０内やボンディング装置３０内に設けられてもよい。
【０２６９】
＜回転噴射型１＞
図２６に示されるように、水付着手段として、上記孔部を水噴射口６５としてなし、当該水噴射口６５から水を噴射する構成としてもよい。この水噴射口６５は、プレート部３９１に付設された部分に、真空吸着孔６４と同じ向きに開口されるように設けてもよい。この水噴射口６５は、真空吸着孔６４の軸ＡＸを中心とした回転円上に配置される。チップ搬送部３９の回転中心の軸ＡＸを基準として、真空吸着孔６４と水噴射口６５とは角（φ）をなしている。
【０２７０】
チップがプレート部３９１からヘッド部３３Ｈへ受け渡された後に、プレート部３９１が角（φ）だけ回転し、水噴射口がヘッド部３３Ｈに吸着されているチップのチップ側接合面（第一接合面）に対向する位置に来たときに、水噴射口から気体又は液体状の水をチップのチップ側接合面（第一接合面）に向けて噴射させる。
【０２７１】
チップ搬送部３９の回転動作中に水の噴射を行うことができるので、工程時間を短縮することができる
【０２７２】
水噴射口は、チップ搬送部３９のＮ個のプレート部３９１のそれぞれに配置されるのが好ましい。この場合、Ｎ個のプレート部３９１のうち、チップをヘッド部３３Ｈに受け渡した直後に、当該チップを受け渡したプレート部３９１に設けられた水噴射口を開放することで、チップのチップ側接合面又は第一接合面に向けて水を噴射することができる。
【０２７３】
＜回転噴射型２＞
図２７に示されているように、水噴射口の変形例として、真空吸着孔６４を水噴射口として機能させてもよい。真空吸着孔６４は、真空ポンプ（図示せず）に接続されるとともに水供給源にも接続されるように構成される。そして、真空吸着孔６４は、チップを吸着する時及び吸着している間は、真空ポンプと接続され、水供給源との接続が遮断されて、チップを真空吸着する。水噴射口として機能するときは、真空ポンプとの接続が遮断され、水供給源と接続されて、真空引きの際に気体が流れる方向と逆方向に気体状又は液体状の水が流れるように構成されるのが好ましい。
【０２７４】
このように真空吸着孔６４を水噴射口としても構成することで、チップがプレート部３９１からヘッド部３３Ｈへ受け渡された直後に、チップ搬送部３９のプレート部３９１に設けられた上記真空吸着孔である水噴射口を介して、水を、チップ側接合面に向けて吹き付けることができる。（図２７参照）
【０２７５】
チップ搬送部３９のＮ個のプレート部３９１のそれぞれの真空吸着孔から水分子ガスを噴射できるように構成することが好ましい。この場合、Ｎ個のプレート部３９１のうち、チップをヘッド部３３Ｈに受け渡した直後に、当該チップを受け渡したプレート部３９１に設けられた真空吸着孔から水分子ガスを噴射させる。
【０２７６】
チップがプレート部３９１からヘッド部３３Ｈへ受け渡される動作とほぼ同時に水を吸着させることができるので、工程時間を短縮することができる。また、チップは受け渡した後には、真空吸着孔の上方にあるので、プレート部を回転させずにそのまま水を噴射するだけでよい。したがって、チップのプレート部３９１への受渡し後に、改めて水噴射口をチップに対して相対的に位置決めする必要はない。
【０２７７】
＜固定噴射型＞
図２８に示されるように、水付着手段のさらなる変形例として、水噴射口６５は、チップ供給装置１０又はボンディング装置３０に対して固定され、チップの取出し位置から接合位置までの移動経路中に設けられてもよい。各プレート部３９１の先端にボンディング部３３のヘッド部３３Ｈを配置し、搬送されるチップが水噴射口６５を通過する際に、チップ側接合面に対して水を噴射できるように構成されてもよい。
【０２７８】
例えば、チップ搬送部３９のプレート部３９１は、チップをフェイスダウン（下向き）の状態で、チップ側接合面を下方向に開放させた状態で搬送するように構成され、水噴射口は、チップ供給装置１０又はボンディング装置３０内の、チップ搬送部３９の回転によるチップの移動経路上の所定の位置に、上向きに固定されるように構成されてもよい。
【０２７９】
チップ搬送部３９がチップＣＰをフェイスダウン（下向き）の状態を保ち、搬送するために、図２９に示すように、各プレート部３９１の先端にボンディング部３３のヘッド部３３Ｈを配置してもよい。
【０２８０】
チップ側接合面を下方向に開放して搬送する構成は、図２９に示された実施態様に限られない。
【０２８１】
たとえば、図１５等の態様を変形して、プレート部３９１が、バンプ（金属領域）をフェイスアップの状態で受け取り、水噴射口が、チップの取出し位置から接合位置までの移動経路中に上から下に向けて水を噴射するように構成されてもよい。
【０２８２】
また、水噴射口は、チップの取出し位置から接合位置までの移動経路中に下から上に向けて水を噴射するように構成され、プレート部３９１は、チップをフェイスアップ状態で受け取り、チップが水噴射口上を通過するときに、プレート部３９１がプレート部３９１の長手軸周りに回転して、チップ側接合面又は第一接合面を水噴射口に向けさせるように構成されてもよい。
【０２８３】
ここにおいて、偶数個（特に４つ以上）のプレート部３９１が軸ＡＸ周りに略等角度間隔で（角度γ間隔で）配置されている。図２２等の構成と異なり、各プレート部３９１の先端にボンディング部３３のヘッド部３３Ｈが配置されている。したがって、偶数個のプレート部３９１が配置されることにより、チップ搬送部３９が角度γ回転するごとに、位置ＰＲ１でのチップ受取動作と、位置ＰＲ２でのチップ仮接合動作と、位置ＰＲ３での水付着動作とが同じタイミングで行われるので、チップの受渡し、水付着動作、及び仮接合の一連の工程に必要な時間を短縮することができる。
【０２８４】
＜浸漬型＞
親水化処理の完了後、チップが基板上に取り付けられる前に、チップ側接合面又は第一接合面の金属領域に水を付着する装置（水付着装置）として、チップ供給装置１０又はボンディング装置３０内に液体の水を収容する水槽６６を設けてもよい。（図３０を参照）
【０２８５】
上記水槽６６は、チップ供給装置１０又はボンディング装置３０内の、チップ搬送部３９の回転によるチップの通過経路上の所定の位置に配置されるのが好ましい。たとえば、図２８の水噴射口６５が設けられている位置に、この水槽６６を配置してもよい。
【０２８６】
図３０に示すように、各プレート部３９１の先端にボンディング部３３のヘッド部３３Ｈが配置されている構成を採ることもできる。ヘッド部３３Ｈに吸着されているチップは、水槽上に位置決めされ下方向（−Ｚ方向）に移動することでチップ側接合面が、水槽内に収容されている液体状の水と接触する。水槽内の水との接触により、チップ側接合面に多量の水を確実に吸着させることができる。
【０２８７】
チップ側接合面の金属領域がバンプ状に（突起部として）形成されている場合には、チップの降下量を制御することで、当該バンプ上の金属領域のみを液体の水に接触させることが可能になる。
【０２８８】
水槽内の水位を検出するセンサ（図示せず）により、水槽内でチップがの水面の鉛直方向（Ｚ方向）の位置を一定又は所定の位置に制御してもよい。
【０２８９】
水槽に蓋を設け（図示せず）、水槽を開閉できるように構成してもよい。水槽を蓋でしめることで、例えば水槽が使用されていないときに、チップ供給装置１０又はボンディング装置３０内への不要な水分子の蒸発を防ぐことができる。
【０２９０】
以下に、仮接合及び表面活性化処理に係る具体的な実施例を示す。
【０２９１】
＜実施例１＞
第一実施形態及び第二実施形態において、仮接合時に、接合されるチップ側接合面と基板の接合部とを比較的低温で加熱しつつ加圧することが好ましい。これにより、平坦度に対して厳しい条件を必要としないため好ましい。
【０２９２】
図３（ａ）、（ｃ）又は（ｄ）に示すような、平坦に形成されたチップの金属領域ＭＲ上端部は、一般的に、研磨されていない場合が多い。研磨されていない金属領域ＭＲの上端部の表面粗さは、例えば、１００ｎｍから２００ｎｍＲａである。この表面粗さを有する金属領域ＭＲを用いた場合には、当該表面粗さは比較的高いので、金属領域ＭＲの表面に対して表面活性化処理と親水化処理とを行った後でも、仮接合により十分な接合強度を得ることができない場合がある。したがって、この場合には、仮接合時に、チップの金属領域ＭＲを１００℃から３５０℃の温度となるように加熱するとともに、チップの金属領域ＭＲに１ＭＰａから１５０ＭＰａの圧力を０．１秒から１０秒ほど印加することが好ましい。接合面の平坦度を高めたもの（例えば表面粗さが数ｎｍのもの）は、実質的な接触面積が大きくなることから、本来の水酸基（ＯＨ基）による接合が強固な接合となり、低温、低圧での接合でも十分な接合強度を得ることが可能である。しかし、接合面の平坦度が低いもの（例えば表面粗さが数十〜数百ｎｍのもの）の場合は、加圧（数十Ｍ〜数百ＭＰａ）により金属領域を押しつぶすことで実質的な接触面積を大きくすることや、摂氏数百度程度で加熱（例えば１５０℃）により拡散を促し接合界面で原子の動きを促進させることで、実質的な接合面積を大きくすることができる。
【０２９３】
直径３０μｍの円形の金属領域を５００個ほど有するチップを、当該金属領域が１５０℃から２００℃となるように加熱し、金属領域に５０ＭＰａから１５０ＭＰａの圧力を加える条件で、シリコン基板に仮接合した。この仮接合されたチップと基板とを含む構造体について、いわゆるシェアテストを行ったところ、シェア強度は１つの金属領域あたり５ｇｆであった。この強度は、仮接合の後、チップと基板との構造体が搬送されるなどの際に、チップが基板上の所定の取り付け位置からずれたりすることがない十分な接合強度である。
【０２９４】
上記加熱及び加圧条件で仮接合したチップと基板とを含む構造体を、２００℃で１時間加熱することで本接合を行った。本接合したチップと基板とを含む構造体について、シェアテストを行ったところ、シェア強度は１つの金属領域あたり２０ｇｆという、比較的高い接合強度を有していることが分かった。
【０２９５】
したがって、上記加熱及び加圧条件で仮接合を行うと、接合面が比較的高い表面粗さを有している場合でも、仮接合されたチップと基板との構造体において十分な接合強度を得ることができ、さらには、本接合されたチップと基板との構造体において比較的高い接合強度を得ることができる。
【０２９６】
仮接合時の加熱として、例えば、ボンディング部３３のヘッド部３３Ｈに埋め込んだヒータを用いて加熱するようにしてもよい。ヒータからの熱は、ヘッド部３３Ｈを通って、ヘッド部３３Ｈに吸着されたチップＣＰに伝わり、その結果、チップの金属領域が加熱される。
【０２９７】
複数のチップに亘り仮接合を繰り返す間、ヘッド部３３Ｈが常に加熱されていることが好ましい。これにより、チップＣＰがヘッド部３３Ｈへ受け渡された時点から、チップＣＰが加熱されるので、短時間、例えば１秒から数秒で、金属領域ＭＲを所定の温度に加熱することができる。
【０２９８】
基板の接合部を加熱するためには、ステージ３１にヒータを埋め込んでもよい。またさらに効率的に行うには、ステージ３１にヒータを埋め込まなくても、加熱されたチップの金属領域が、基板の接合部と接触することで、基板の接合部が加熱されるようにすることが好ましい。さらに、ステージ３１がガラス材により形成されている場合には、加熱された基板からステージ３１への放熱が制限されるので、さらに効率的に、基板の接合部を加熱することができる。また、基板全体を長時間に亘り加熱するのではなく、チップを一つずつ仮接合する際に、加熱された金属領域に対応する基板の接合部のみを加熱するので、加熱による親水化処理後の基板接合部の表面状態の変化を最小限にとどめることができる。
【０２９９】
接合部の加熱の方法は、上記の態様に限られない。たとえば、紫外光や赤外光などの光を接合部に照射することで加熱してもよい。
【０３００】
＜実施例２＞
図３（ｅ）又は図３（ｆ）に示すような、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとがほぼ同一面上にあるようにチップ側接合面は、一般的に、研磨により形成される場合が多い。研磨された金属領域ＭＲは比較的に平坦度が高く、表面粗さは、例えば、１ｎｍＲａ以下である。
【０３０１】
この場合には、仮接合時には、加熱を行わなくても、すなわち常温でも、接合面に１ＭＰａ以下の圧力を印加することで、仮接合後および本接合後のチップと基板とを含む構造体において、十分な接合強度を得ることができる。金属領域ＭＲの表面粗さに応じて、仮接合時の接合面に印加する圧力を０．３ＭＰａに設定しても、仮接合後および本接合後のチップと基板とを含む構造体において、十分な接合強度を得ることができる。
【０３０２】
＜３  第三実施形態＞
本願発明において、チップ又は基板の非金属領域ＮＲの少なくとも一部が樹脂Ｒから構成されていてもよい。この場合、第一実施形態又は第二実施形態の工程Ｓ１、Ｓ２において、金属領域ＭＲと樹脂からなる非金属領域ＮＲを有する基板の接合面に対して表面活性化処理を行い、次に、表面活性化が行われた接合面に対して親水化処理を行い、工程３において、親水化処理された複数のチップをそれぞれ基板の接合面に取り付け又はと貼り合わせ、さらに工程Ｓ４において、取り付け又は貼り合わせにより形成されたチップと基板とを含む構造体を、樹脂が硬化する温度範囲に保つことで、樹脂を一旦流動化させ、その後、樹脂を硬化させる。
【０３０３】
したがって、樹脂Ｒは、接合面上で金属領域ＭＲを囲むように形成されていることが好ましい。しかし、これに限られず、樹脂Ｒは、接合面上で金属領域ＭＲを囲むように形成されていなくても、たとえば、加熱工程で流動化する結果、接合界面において金属領域ＭＲを囲むように形成されていることが好ましい。
【０３０４】
本実施形態における基板には、第一実施形態の基板、第二実施形態のチップがすべて含まれる。さらに、本実施形態においては、非金属領域ＮＲの少なくとも一部が樹脂により形成されていること、そして貼り合わせ後に樹脂を流動化及び硬化させる工程Ｓ４がある点で異なるが、表面活性化処理及び親水化処理の手法においては実質的に同じである。以下、第一実施形態と同様な内容については重複して説明しないが、説明がないことで、第一実施形態の内容が第二実施形態に適用されないと解するべきではない。
【０３０５】
図３１は、本願発明に係る第三実施形態に係る基板の接合方法の処理過程を模式的に示す断面図である。
【０３０６】
図３１（ａ）が示すように、本実施形態における基板の接合面４１の非金属領域ＮＲの少なくとも一部は、樹脂Ｒで形成されている。
【０３０７】
樹脂Ｒは、流動性や硬化開始を示す温度又は熱履歴などに応じて、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などから適切な特性の樹脂が選択又は合成される。例えば、熱硬化性樹脂として、チップなどの電子部品の封止材料として汎用的に用いられているエポキシ樹脂が採用されてもよい。
【０３０８】
図３１（ａ）は、第一又は第二実施形態で用いられた表面活性化処理と親水化処理が行われた状態の接合面を模式的に示している。図３１（ａ）では、水酸化物層４４が、金属領域ＭＲ上にのみ描かれているが、樹脂Ｒ上に水酸化物層４４又は水の層が形成されていても構わない。その際、水酸化物層４４又は水の層は、水を介在した両基板間の位置合わせの手法、表面活性化処理された樹脂Ｒの表面の親水性、あるいは表面活性化処理や親水化処理のなどにより、非金属領域ＮＲ上の所定の箇所に形成されるようにしてもよい。
【０３０９】
図３１（ｂ）は、金属領域ＭＲと樹脂Ｒを含む非金属領域ＮＲとを含む接合面４１同士が接触するように貼り合わされた一対の基板の構造体を示している。
上述のとおり、水酸化物層４４又は水の層は、非金属領域ＮＲの間に形成されてもよい。
【０３１０】
なお、図３１（ｂ）において、非金属領域ＮＲ同士は直接接触していないように描かれているが、貼り合わせ時に非金属領域ＮＲは接触していても構わない。しかし、貼り合わせ工程だけでは、非金属領域ＮＲ間の機械的強度は、水素結合又はこれと同等の強度であるにすぎない。そこで、図３１（ｂ）では、模式的に非金属領域ＮＲは互いに離して描かれている。
【０３１１】
工程Ｓ４の加熱を行うと、上記第一又は第二実施形態の説明で述べたとおり、金属領域ＭＲで構成される接合界面からは、水酸化物層４４又は水の層が拡散などにより消滅する。加熱温度が、当該樹脂Ｒのガラス転移温度を超え流動性を有すると、流動して基板間の接合界面にある隙間を埋めていく。適切な熱履歴（サーマルバジェット）を与えて樹脂Ｒを十分に流動させることで、金属領域ＭＲ同士の接合で形成された領域を樹脂で囲んで、これを外気との接触から遮断する構造を形成することができる（図３１（ｃ））。
【０３１２】
樹脂Ｒを十分流動させてから硬化させることで、硬化した樹脂Ｒを介して接合された基板間の接合強度を上げるとともに、基板間の電気的接続を確立する金属領域ＭＲ間の接合界面を外気との接触から遮断し、いわゆる封止をすることができる。
【０３１３】
上述のとおり、従来、銅（Ｃｕ）により形成された金属領域ＭＲにより良好な接合界面５を形成するためには、貼り合わせ（仮接合）後の加熱処理における温度が、約摂氏３５０度又はこれより高い温度であることが必要であった。そのために、基板又はチップの構成に樹脂を使用する場合には、当該樹脂として、高温耐熱性の合成樹脂を使用せざるを得ず、実際的にはＢＣＢ（ベンジシクロブテン）を使用せざるを得なかった。しかし、清浄な金属表面を形成し当該表面を水酸化処理して仮接合を行う本願発明を適用することで、良好な銅（Ｃｕ）の接合界面５を得るための温度を摂氏２００度以下、例えば摂氏１５０度程度にすることが可能になった。
【０３１４】
非金属領域ＮＲに樹脂Ｒを用いる場合のチップと基板とは、いずれも実質的に、同種類又は同寸法の基板であってもよい。すなわち、非金属領域に樹脂Ｒを用いる接合方法は、チップと基板との接合への適用に限られず、基板同士を接合する方法に適用されてもよい。また、樹脂Ｒは、接合されるチップと基板の両方の非金属領域ＮＲ、又は基板同士の接合の場合には両方の基板の非金属領域ＮＲに設けられる場合に限られず、チップと基板と又は両基板の片方の非金属領域ＮＲに設けられるようにしてもよい。
【０３１５】
＜実施例３＞
上述のように非金属領域ＮＲが樹脂を含む場合には、チップ側接合面の表面活性化処理を、接合面から離間した位置に配置された粒子ビーム源を用いて、所定の運動エネルギーが付与された粒子を接合面に向けて放射することで行うことが好ましい。
【０３１６】
例えば、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ；  ＲＩＥ）などのプラズマ発生装置を用いて、接合面に対して交番電圧を印加することで、接合面の周りに粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の電離した粒子を、上記電圧により接合面に向けて加速させることで表面活性化処理を行うと、以下のような接合面の汚染の問題が生じる場合がある。すなわち、表面活性化処理のスパッタリング現象により弾き飛ばされ、接合面周りの雰囲気に存在する樹脂の成分や不純物の一部が、上記電圧により接合面に引き寄せられるように加速されて衝突し得る。これにより、表面活性化処理された金属領域の表面に樹脂の成分や不純物が付着して接合面は汚染される。その結果、チップと基板とを含む構造体において、高い接合強度を得ることができない場合がある。
【０３１７】
このような場合に、イオンビーム源や、高速原子ビーム源（ＦＡＢ，Ｆａｓｔ  Ａｔｏｍ  Ｂｅａｍ）などの中性原子ビーム源を用いて表面活性化処理を行うことで、イオンビーム源や中性原子ビーム源から加速して放射された粒子（例えばアルゴンなどの不活性ガス）のみが接合面に衝突し、弾き飛ばされた樹脂や不純物が金属領域へ向かって加速されることはなくなる。その結果、金属領域への樹脂の再付着などによる接合面の汚染の問題は低減され、さらに高い接合強度を有するチップと基板とを含む構造体を製造することができる。
【０３１８】
本発明の効果を検証するために、表面活性化処理として従来のプラズマ処理と本願発明に係るイオン源によるイオンビームの放射との相違が、チップ同士の接合によって得られる接合界面のシェアー強度への影響を調べた。
【０３１９】
使用したチップは、５ｍｍの正方形の形状を有し、その接合面上には、金属領域として、直径が１０マイクロメータ（μｍ）の３６００個のバンプ（金属領域）がピッチ（間隔）２０マイクロメータ（μｍ）で配置されていた。非金属領域は、バンプ（金属領域）を囲むように、エポキシ樹脂で形成されていた。接合面は、研磨され、金属領域と非金属領域との表面はほぼ同じ高さであった。
【０３２０】
接合されるチップに対して、表面活性化処理として、従来のプラズマ処理と本願発明によるイオン源によるイオンビームの放射とのいずれかをそれぞれ行い、同じ親水化処理を行い、これらを貼り合わせた。その後の、貼り合わせられたチップで構成される構造体を無加圧で加熱した。
【０３２１】
より詳細には、プラズマ処理は、アルゴン（Ａｒ）をガスとし、駆動電力２５０Ｗ、プラズマ処理時間３００秒の作動条件で行われた。イオン源によるイオンビームの放射は、アルゴン（Ａｒ）をガスとし、陽極陰極間に掛けられた電力は、１１０ボルト（Ｖ）、３アンペア（Ａ）であり、イオンビーム放射時間３００秒の作動条件で行われた。したがって、放射されたイオンはおおよそ１１０ｅＶの運動エネルギーを有していた。また、イオン源の作動の際のバックグラウンド圧力は１０−３Ｐａ程度であり、作動中の気圧は、１０−２Ｐａ程度であった。
【０３２２】
親水化処理は、上記表面活性化処理の直後に、接合面の雰囲気中に、１０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量の窒素（Ｎ２）と１０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量の水ガスとの混合ガス（湿度７５％に相当）を導入するか、又は１０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量の窒素（Ｎ２）と２０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量の水ガスとの混合ガス（湿度９５％に相当）を導入することで行われた。チップの基板への貼り合わせ（仮接合）は、温度摂氏１５０度で３００Ｎの圧力を掛けて行われた。貼り合わされたチップの構造体の加熱（本接合）は、バッチ炉内で、温度摂氏２００度、無加圧下で、１時間に亘り行われた。
【０３２３】
上記接合過程の後、複数個のチップ同士の接合体について、市販のチップのシェアー強度測定器を用いて、そのシェアー強度が測定された。これらの測定により得られたシェアー強度の平均値は、図３２に示されているように、表面活性化処理としてプラズマ処理をした場合に比べて、イオン源を用いてイオンビーム放射をした場合には、シェアー強度が９倍程度であった。このように、本願発明は、非金属領域が樹脂などの、イオン放射により表面から放出されやすく、又は接合界面の接合強度等の特性に影響を及ぼし易い材料には特に有効である。
【０３２４】
以上、本願発明の幾つかの実施形態及び実施例について説明したが、これらの実施形態及び実施例は、本願発明を例示的に説明するものである。特許請求の範囲は、本願発明の技術的思想から逸脱することのない範囲で、実施の形態に対する多数の変形形態を包括するものである。したがって、本明細書に開示された実施形態及び実施例は、例示のために示されたものであり、本願発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。「仮接合」や「本接合」という用語において、「仮」及び「本」は、当該２つの用語を区別するために用いられるものであって、「仮」及び「本」が単独で有する意味を有するように解釈されるべきではない。
【０３２５】
＜符号の説明＞
１      チップ実装システム
１０    チップ供給装置
１１    突上部
１３    チップ移載装置
３０    ボンディング装置
３１    ボンディング用ステージ
３３    ボンディング部
３３Ｈ  ヘッド部
３９    チップ搬送部
４１    接合面
４２    表面層
４３    新生表面
４４    水酸基の層
４５    接合界面
５０    表面処理装置
５１、１５０、１５０Ａ、１５０Ｎ    粒子ビーム源（表面活性化手段）
５３    表面処理用ステージ
５４    水導入口（親水化処理手段）
５５    水ガス供給部（親水化処理手段）
５６    弁（親水化処理手段）
６１    内側支持部
６２    外側支持部
６３    凹部
６４    真空吸着孔
６５    水噴射口
６６    水槽
７０    搬送部
７１    搬送ロボット
９０    搬出入部
１３１  ダイピッカ
１３５  チップ供給機
３９１  プレート部
３９２  駆動部
ＡＸ    チップ搬送部の回転軸
ＣＰ    チップ
ＷＡ    基板
ＭＲ    金属領域
ＮＲ    非金属領域
Ｒ      樹脂
ＵＴ    接合部
【０３２６】
以上、第一部の説明をしたが、以降、第二部の説明をする。
［０００１］
第二部は、金属領域を有する基板の接合方法に関する。
［背景技術］
［０００２］
エレクトロニクスの分野では、デバイス実装の更なる高密度化と効率化が求められている。そこで、既に電気電子若しくは光学素子や半導体集積回路などの電気回路や電気配線が形成された基板を他の基板と接合する、ウエハオンウエハ（ＷＯＷ、Ｗａｆｅｒ−Ｏｎ−Ｗａｆｅｒ）、ウエハレベルパッケージング（ＷＬＰ、Ｗａｆｅｒ−Ｌｅｖｅｌ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ）や、電気回路等を有するチップをウエハに接合するチップオンウエハ（ＣＯＷ、Ｃｈｉｐ−Ｏｎ−Ｗａｆｅｒ）と呼ばれる接合技術が注目を集めている。この方法により、より面積の大きいウエハに適用することで、効率的にウエハの面方向に、一方の基板上に形成された電気回路等と他方の基板上の対応する電気回路等とを接続することができるとともに、ウエハの面に垂直方向に、電気回路等を積層して接続することが可能になる。したがって、この技術により、半導体集積回路の３次元実装と製造方法の効率化との両方が同時に可能になる。
［０００３］
ウエハやチップ（以下、「ウエハ等」とも呼ぶことにする。）の表面には、それぞれが内部に有する上記電気回路等と電気的に接続された又は接続される金属領域が設けられていて、接合工程でこれらの金属領域間で電気的接続が確立されることで、ウエハ間又はチップウエハ間での電気的接続が確立される。一般的に、接合工程においては、まず、接合されるウエハの、対応する金属領域間で、ウエハ面方向の位置合わせがなされて、次に、金属領域が互いに接触するようにウエハ同士が近づけられ、さらにウエハ面垂直方向に力が加えられ、接触したままで加熱されることで、金属領域間で原子の拡散が生じて電気的接続が確立される。
［０００４］
確立された電気的接続を保つためには、電気的接続に係る、金属領域同士の間での金属結合のみならず、ウエハやチップの表面の金属領域以外の非金属領域の接合箇所で十分な機械的な接合強度が得られていることが必要である場合がある。すなわち、接合されるウエハ等の一方の非金属領域が他方の非金属領域又は金属領域と接合される場合にも、当該接合される接合面で所望の機械的強度が達成されることが要求される場合がある。また、金属領域の間で金属がマイグレーションするなどの問題を防止するために、金属領域を絶縁材で封止する必要がある。
［０００５］
接合されるウエハ同士又はチップとウエハとは、異なる材料から構成される場合には熱膨張係数の違いに起因して生じる接合後のウエハ等のそりや、高温プロセス時における面方向でのずれに起因するアライメント精度の低下の問題があるために、低温すなわちなるべく常温に近い温度において接合プロセスを行うことが必要である。そこで、金属領域と非金属領域とを有する接合面を有するウエハ同士を比較的低温で接合する方法として、特許文献１には、反応性イオンエッチ（ＲＩＥ）や誘導結合高周波プラズマ（ＩＣＰ）などのいわゆるプラズマプロセスを用いて接合面を活性化し、この活性化された表面に雰囲気中の水分を利用して水酸基などを形成し、当該水酸基など同士を水素結合により接触させて、水素結合の重合反応により接合強度を上げることが記載されている。
［０００６］
上記接合方法は、ＳｉＯ２などの酸化物を接合する方法であり、酸化物の接合を用いて付随的に金属間の接合を確立しようとするものである。しかしながら、接触する金属領域では、金属表面は微視的な表面粗さがあるために、見かけの接触面積に比べて実質的な接触面積が小さい上に、新生表面が露出しているわけではなく、上記水酸基などのみならず、表面の活性化工程において表面から除去された不純物等が表面に再付着した物質などによる表面層が形成されている。
［０００７］
そこで、接合時に金属領域間で十分な金属結合の形成による電気的接続を確立するためには、接合される少なくとも一方の金属領域を接合面に対して高く形成することで、金属領域の周囲の非金属領域間で化学結合を形成するときに発生するウエハ同士をひきつける力を利用することで、接触状態にある突出した金属領域に対して比較的高い圧力をかけ、金属領域の接合面又は接合面近傍で十分な塑性変形を起こし、表面層を破って、新生表面同士が十分な面積に亘って接触することが必要であった。
［０００８］
また、特許文献１に開示された接合面の活性化プロセスにはプラズマ処理が用いられていたが、プラズマ処理では、ウエハ等の表面近くで処理ガスの荷電粒子（イオン）が加速されてウエハ等表面に衝突し、この衝突により表面の不純物等がスパッタ現象により接合面から除去され、活性な清浄表面が形成される。従来は、プラズマによる活性化は、接合面のＳｉＯ２などの非金属領域に対してのみ有効に寄与し、接合の際に非金属領域間で比較的強い力で引き合うことで、非金属領域に囲まれた金属領域同士の接触部に塑性変形が起きるような十分な力を加えるために用いられていた。しかしながら、この従来の方法では、金属の表面は十分に清浄化され活性化されるに至っていなかった。すなわち、このようなプラズマ処理では、接合面から除去された不純物の粒子も、プラズマ化されて荷電粒子（イオン）となりウエハ等に向けて加速され、ウエハ等表面に衝突し再付着することが起きる。例えば、非金属領域がＳｉＯ２で形成されている場合には、除去された酸素イオンが金属表面に付着してこれを酸化し、非金属領域が樹脂で形成されている場合には、除去された炭素イオンが金属表面に付着する。この現象により、接合面上には、ある量の不純物が実質的に除去されずに残存することとなる。そのため、従来の接合方法では、金属の表面同士を接触させた後に、加熱して金属の拡散を起こさせたり、圧力を掛けて金属表面近傍部を塑性変形させたりすることで、金属間の接合をしている。水酸基等と異なり、不純物等は、接合後の加熱により分解や拡散することもなく接合界面近傍に残るので、接合界面の機械的強度の低下や電気抵抗の増大の原因となる。
［０００９］
また、従来、半導体素子における電極と封止にはハンダと樹脂が使われ、まずハンダの濡れを確保するフラックスが塗布された基板上へハンダバンプ付チップを実装、仮固定し、無加圧リフロー中で加熱溶融して接合、その後フラックスを洗浄除去し、隙間にアンダーフィル材である樹脂を流し込み加熱硬化させて封止するという手法であった。しかし、電極接合のファインピッッチ化に伴いバンプの微細化が進み、フラックスの洗浄ができなくなり、かつ、アンダーフィルが流し込めなくなった。また、三次元積層に伴ってチップの薄片化がなされ、無加圧状態ではチップが反って接合できない状況になり、一つ一つのチップを加圧加熱冷却する必要から量産性が得られなくなった。そこで対応するためにフラックスを使用しないで、電極接合と封止を同時に行う手法が求められた。また、低温化や加圧中の加熱時間の短縮が求められた。そのためには、金属電極と封止材となる酸化物や窒化物、樹脂というものが同時に低温で接合されなければいけない。または、封止枠を作って内部電極間を真空、不活性に保つ必要がある。
［００１０］
特許文献１に開示されているような従来の接合方法では、封止材の接合は可能としているが金属電極の接合は二の次となっている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［００１１］
［特許文献１］特表２００６−５１７３４４７
［発明の概要］
［発明が解決しようとする課題］
［００１２］
上述のとおり、従来のプラズマ処理による活性化プロセスと水酸基等を形成するプロセスとを有する表面処理を用いたウエハ等の接合方法では、不純物等の除去が効率的に行われないという課題があった。
［００１３］
そこで、本願発明は、金属領域を接合面に有するウエハ等の接合において、低温プロセスでも、最終的に不純物等の残渣が少ない接合界面を形成する、ウエハ等の接合技術を提供することを目的とする。
［００１４］
また、本願発明は、半導体として一番重要な電気特性を示す電極の接合を重視し、かつ、電極接合と封止を同時に達成するものである。
［課題を解決するための手段］
［００１５］
上記課題を解決するために、本願発明に係る基板の接合方法は、少なくとも１つの金属領域と少なくとも１つの非金属領域とを有して構成される接合面を有する第一基板と、第二基板とを接合する方法において、接合面から離間された位置から接合面に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射して、接合面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップと、表面活性化処理が行われた接合面に対して、水又はＯＨ含有物質を付着させて、接合面の少なくとも金属領域の表面に当該金属の水酸化物からなる層を形成することで、接合面の親水化処理を行うステップと、表面活性化処理と親水化処理が行われた第一基板の接合面と第二基板の接合面とを貼り合わせるステップと、を備えるようにしたものである。これにより、金属表面の表面活性化の際に除去された表面層の不純物が、清浄な金属表面に付着することを回避又はその量を抑制することができる。また、雰囲気内に存在する不純物が金属層の上に付着するとしても、不純物はプラズマ処理の場合のように強制的に接合面に引き寄せられて付着される訳ではないので、金属層の上に付着した不純物は例えば運動エネルギーを有する粒子を照射することで容易に除去できる。その結果、清浄な金属表面を、小さい熱履歴（サーマルバジェット）で比較的容易に消滅する水酸基層（又は水酸化物層）で覆い、さらに水等の付着により、水酸基層の上に水の層を形成することで、当該水酸基層又は水の層を介して基板同士を合わせることができる。また、親水化処理後に形成される水酸基層は、大気との接触などによる金属の酸化などに対して比較的に安定である。したがって、本接合方法により、親水化処理の後、貼り合わせまでに十分な時間を確保することを可能にし、容易に清浄な金属接合界面を形成する接合プロセス設計を可能にする。
［００１６］
上記基板を接合する方法は、第二基板は少なくとも１つの金属領域と少なくとも１つの非金属領域とを有して構成される接合面を有し、第二基板の接合面から離間された位置から第二基板の接合面に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射して、第二基板の接合面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップと、表面活性化処理が行われた第二基板の接合面に対して、水又はＯＨ含有物質を付着させて、接合面の少なくとも金属領域の表面に当該金属の水酸化物からなる層を形成することで、接合面の親水化処理を行うステップと、を更に有し、第一基板の接合面と第二基板の接合面とを貼り合わせるステップは、表面活性化処理と親水化処理が行われた第一基板の接合面と、表面活性化処理と親水化処理が行われた第二基板の接合面とを貼り合わせることを含むようにしてもよい。これにより、接合される両方の基板について表面活性化処理と親水化処理を行い、より清浄な接合界面を形成し、加熱をすれば、さらに機械的強度が十分に高い接合界面であって、十分な導電性を有する金属接合界面を有する接合界面を形成することが可能になる。
［００１７］
上記基板を接合する方法は、表面活性化処理において、粒子が、接合面から離間して配置されたイオンビーム源又は中性原子ビーム源により、当該接合面に向かって加速されて放射されるようにしてもよい。イオンビーム源又は中性原子ビーム源を使用することで、プラズマ装置と異なり、清浄に親水化処理された接合面を形成することができる。
［００１８］
上記基板を接合する方法は、表面活性化処理ステップにおいて、粒子が有する運動エネルギーが５０ｅＶから２ｋｅＶであり、かつ、粒子が放射されている間の真空度が１Ｐａ以下であるようにしてもよい。これにより、イオンビーム源又は中性原子ビーム源を用いて、典型的なプラズマ発生装置では行えない条件で表面活性化処理を行うことをすることで、プラズマ処理に起因した表面の再汚染を回避し、さらに清浄に親水化処理された接合面を形成することができる。
［００１９］
上記基板を接合する方法は、第一基板と第二基板とが貼り合わされることで形成された構造体を加熱するステップを更に有するようにしてもよい。貼り合わせにより形成された構造体を加熱することで、接合界面上の形成された水酸化物の層又は水の層が消滅し、接合面を形成する物質の新生表面間で、機械的強度が十分に高い接合界面であって、十分な導電性を有する金属接合界面を有する接合界面を形成することが可能になる。薄い酸化物層は、通常残るが、加熱拡散を進めて消滅させることも可能である。また、原子拡散により接合界面近傍の残留応力が除去されることで、接合界面の機械的強度がより高くなる。
［００２０］
上記基板を接合する方法は、第一基板は複数のチップから構成され、第一基板の接合面と第二基板の接合面とを貼り合わせるステップは、第二基板の接合面に複数のチップがそれぞれ貼り合わされることで行われるようにしてもよい。これにより、効率の良い種々のＣＯＷ（チップオンウエハ）実装を実現することができる。
［００２１］
上記基板を接合する方法は、複数のチップとウエハが貼り合わされることで形成された構造体を加熱するステップを更に有するようにしてもよい。各チップのウエハへの貼り合わせごとに親水化処理により接合面に形成された水酸基層（水酸化物層）又は水を接合界面から除去していたのではウエハ１枚に対し膨大な時間が係るが、親水化処理された複数のチップを基板上に貼り合わせた後で、複数あるチップの接合面に対して、一括して加熱処理を行うことにより、比較的短時間で、接合界面に残留する水を除去するとともに、接合界面での固相拡散と残留応力を取り除くことができるので、効率よく接合界面の機械的強度を上げることができ、量産性を向上させることができる。
［００２２］
上記基板を接合する方法は、各チップを第二基板に貼り合わせるステップは、チップの接合面と第二基板の接合面とを互いに押し付けられる方向に加圧することを含み、構造体を加熱するステップは、非加圧で行われるようにしてもよい。これにより、異なる高さ又は厚みの複数のチップを接合する場合でも、複数のチップに対して同時にかつ適切に加圧しながら加熱する必要なく、加圧しないので簡単に、かつ複数の構造体を同じバッチ炉で同時に加熱することができる。
［００２３］
上記基板を接合する方法は、各チップを第二基板に貼り合わせるステップにおいて、チップの接合面と第二基板の接合面とに加える圧力は、１０ＭＰａ以上であるようにしてもよい。ＷＯＷ（ウエハオンウエハ）接合では、例えば数百ミリメートルの寸法のウエハに対して、このような高い圧力を掛けるような装置を構成することが非現実的であった。そこで、接合前に接合面をＣＭＰなどで研磨することでナノメータレベルの表面粗さにすることを要していた。しかし、上記の発明により、例えば１ｃｍ程度の寸法のチップをウエハに貼り合わせる場合には、メッキなどの金属バンプなどで構成された金属領域にある程度の表面粗さがあっても、又は、金属領域と非金属領域との間にある程度の高さの差があっても、十分な圧力を接合面に掛ける装置を構成することが現実的となり、これにより良好な接合界面を形成することができる。たとえば、ＷＯＷ接合には数百トンの力が必要な場合であっても、チップの接合には数十キログラムの力を加えることで、良好な接合界面を形成することができる。
［００２４］
上記基板を接合する方法は、非金属領域の少なくとも一部が樹脂で構成され、構造体を加熱するステップは、当該構造体を樹脂が硬化する温度範囲に保つことを含むようにしてもよい。これにより、貼り合わせにより接触していない接合面では加熱により樹脂を流動化かつ硬化させて、貼り合わせにより接触している接合面ではさらに、接合界面での機械的強度を上げるのみならず、金属領域周りを絶縁体として封止することがきる。
［００２５］
上記基板を接合する方法は、第一基板と第二基板とを貼り合わせるステップは、摂氏３００度以下で、かつ樹脂の硬化温度未満であることを特徴とするようにしてもよい。従来の金属の接合のために必要であった摂氏３５０度での加熱では、高温耐熱性の樹脂であるＢＣＢしか、上記樹脂として使用できなかったが、本願発明に係る方法では、摂氏３００度以下で基板を貼り合わせて（いわゆる仮接合をし）、摂氏３００度以上で硬化が進む安価で適用が容易なエポキシ樹脂などの樹脂を使用することができるようになる。したがって、プロセスの低コスト化を図ることができる。
［００２６］
上記基板を接合する方法は、金属領域の主たる成分が銅（Ｃｕ）であることを特徴とするようにしてもよい。上記基板を接合する方法により、従来摂氏３５０度以上での加熱工程が必要であったのに対し、銅（Ｃｕ）同士を比較的小さい熱履歴で直接接合することができる。これにより、多くの実装分野で使われているハンダや金を解する接合界面の形成に比べて、より安価により良好な電気特性を有する接合界面を形成することができる。また、後述の水酸化処理における水酸（ＯＨ）基の形成により、銅（Ｃｕ）の表面の参加速度を極めて遅くし、酸化が進んだとして適度な薄い酸化膜上に水酸（ＯＨ）基が形成されるため、銅（Ｃｕ）は、他の金属と比較しても好適な材料である。
［００２７］
上記基板を接合する方法は、非金属領域が、酸化ケイ素、窒化ケイ素若しくは樹脂、又はこれらの複合材料から構成されるようにしてもよい。これにより、本願発明は、広範な種類の絶縁体材料から形成される非金属領域と電極とから接合面が構成されるチップ又はウエハ（基板）に応用されうる。
［００２８］
本願発明において、「基板」は、本願発明に係る接合方法により接合されうる部材を総称する概念であり、後述の「ウエハ」や「チップ」を含むものである。
［００２９］
「ウエハ」とは、板状に成形された半導体材料の基板を含む概念の用語として与えられるが、これに限定されず、半導体以外にも、ガラス、セラミックス、金属、プラスチックなどの材料、又はこれらの複合材料により形成されていてもよく、円形、長方形等の種々の形状に形成された基板も含む概念である。
［００３０］      
「チップ」とは、半導体部品を含む成型加工半導体の板状部品、パッケージされた半導体集積回路（ＩＣ）などの電子部品、いわゆるＭＥＭＳ（メムス、Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）チップ等を示す広い概念の用語として与えられる。「チップ」には、一般に「ダイ」と呼ばれる部品や、「ウエハ」よりも寸法が小さくて、複数個を当該基板に接合できるほどの大きさを有する部品又は小型の基板も含まれる。後述のように「ウエハ」に「複数のチップ」を貼り合わせる場合は、各「チップ」は貼り合わせられる「ウエハ」よりも小型である。また、「チップ」には、電子部品以外に、光部品、光電子部品、機械部品も含まれる。
［００３１］
本願において、「基板」は、金属領域が形成されている接合面を有する。一対の基板が貼り合わせにより接合される場合、一方の基板の金属領域と他の基板の金属領域とは、互いに対応する位置関係を有するように形成されている。双方の基板の金属領域同士が接合されることにより、基板間で電気的接続が確立され、所定の機械的強度が得られる。また、接合面には、接合に寄与しない金属領域があってもよく、他の基板の非金属領域と接合される金属領域があってもよい。
［発明の効果］
［００３２］
本願発明によれば、金属表面の表面活性化の際に除去された表面層の不純物が、清浄な金属表面の付着することを回避又はその量を抑制することができる。その結果、清浄な金属表面を、小さい熱履歴（サーマルバジェット）で比較的容易に消滅する水酸化物等を介して基板同士を貼り合わせることができる。
［図面の簡単な説明］
［００３３］
［図３３］本願発明の第一実施形態に係る基板の接合方法を示すフローチャートである。
［図３４］本願発明の第一実施形態に係る基板の接合方法の処理過程を模式的に示す断面図である。
［図３５］接合界面の形成過程を模式的に示す断面図である。
［図３６］基板の表面処理システムの概略構成を示す正面図である。
［図３７］粒子ビーム源の概略構成を示す断面図である。
［図３８］粒子ビーム源の概略構成を示す断面図である。
［図３９］粒子ビーム源の概略構成を示す断面図である。
［図４０］本願発明の第二実施形態に係るチップと基板との接合方法を示すフローチャートである。
［図４１］基板における金属領域の形状を示す概略断面図である。
［図４２］チップ実装システムの概略構成を示す上面図である。
［図４３］チップ実装システムの概略構成を示す正面図である。
［図４４］チップ実装の処理過程を模式的に示す断面図である。
［図４５］本願発明の第三実施形態に係る基板の接合方法を示すフローチャートである。
［図４６］本願発明の第三実施形態に係る基板の接合方法の処理過程を模式的に示す断面図である。
［図４７］実施例における実験結果を示すグラフである。
［図４８］チップ等の接合面上に形成された金属領域の配置を示す平面図である。
［発明を実施するための形態］
［００３４］
以下、添付の図面を参照して本願発明に係る実施形態を説明する。
本願発明によれば、図３３に示すように、まず工程Ｓ１において、接合される一対の基板の少なくとも一方の基板の金属領域と非金属領域を有する接合面に対して表面活性化処理を行い、工程Ｓ２において、表面活性化処理が行われた接合面に対して親水化処理を行い、工程Ｓ３において、親水化処理が行われた接合面を他の基板の接合面と貼り合わせることで、上記一対の基板を接合する。
［００３５］
［１  第一実施形態］
［１−１  基板］
図３４（ａ）は、複数の金属領域ＭＲと複数の非金属領域ＮＲとを有する、基板１の一部の接合面２についての模式的断面図を示している。
［００３６］
接合面２の金属領域ＭＲは、銅（Ｃｕ）を主たる成分として形成されることが好ましい。近年の電子デバイスの製造又は実装などの先端技術分野においては、銅（Ｃｕ）は、低抵抗かつ高エレクトロマイグレーション耐性を有する優れた配線材料として広範囲に使用されている。本願発明により、銅（Ｃｕ）間で良好な金属の接合界面が形成されることで、多くの実装分野で使われているハンダや金を解する接合界面の形成に比べて、より安価により良好な電気特性を有する接合界面を形成することができる。
［００３７］
金属領域ＭＲに用いられる金属は、銅（Ｃｕ）に限られない。たとえば、金属領域ＭＲは、ハンダ材料により形成されてもよい。従来のハンダの接合ではフラックスが用いられており、接合過程後のフラックス残渣は、接合界面の機械的強度を劣化させる原因となっていた。しかも、従来のハンダの接合では、ハンダを溶融させるために、接合される基板間での位置決め精度が狂う、微小な圧力下では更なるずれが生じるなどの問題があった。しかし、本願発明により、金属領域がハンダで構成された接合面を、比較的低温で接合できるので、フラックスレス（フラックスのない）ハンダ接合が可能になるとともに、位置決め精度を向上させることができる。また、金属領域は、スズ（Ｓｎ）やスズ―銀（Ｓｎ−Ａｇ）系の金属でもよい。
［００３８］
また、金属領域ＭＲは、金（Ａｕ）により形成されてもよい。金は導電性が極めて高い材料であると同時に酸化速度が遅い材料である。しかし、接合プロセスにおいて表面に付着した不純物が接合プロセス完了後にも接合界面で残留すると、当該接合界面での導電性の低下の原因となり、金自体の高い導電性による利点が小さくなる。
［００３９］
金属領域ＭＲを形成する金属は、上記の例に限られない。たとえば、金属領域ＭＲは、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）や鉄（Ｆｅ）を主たる成分として形成されてもよい。
［００４０］
接合面２の非金属領域ＮＲは、非金属材料により形成されている。当該非金属材料には、無機材料として、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＳｉＧｅＣなどのＶ族半導体、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの酸化物、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などの窒化物が使用されてもよい。また、上記非金属材料は、非金属であればイオン性単結晶などの導電性材料であってもよい。さらにまた、上記非金属材料には、有機材料として、樹脂などの有機化合物又は高分子材料が使用されてもよい。樹脂として、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル樹脂、液晶ポリマー、テフロン、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂などが使用されてもよい。そして、非金属領域ＮＲは、上記材料の混合物であってもよく、異なる非金属領域ＮＲにおいて異なる材料が使用されてもよい。
［００４１］
［１−２  表面活性化処理］
工程Ｓ１において、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとを含む基板１の接合面２に、所定の運動エネルギーを有する粒子Ｂを衝突させることで表面活性化処理を行う。（図３４（ａ））
［００４２］
接合面２上には、接合面を形成する物質の自然酸化膜や有機物などの不要な物質からなる表面層３が形成されている。所定の運動エネルギーを有する粒子Ｂを衝突させることで、接合面２の表面層３を形成する物質を物理的に弾き飛ばす現象（スパッタリング現象）を生じさせることにより、酸化物などの金属領域ＭＲの表面層３を除去し、表面エネルギーの高い、すなわち活性な新生表面を露出させることができる。
［００４３］
表面活性化処理には、表面層３を除去して接合すべき物質の新生表面を露出させる作用のみならず、所定の運動エネルギーを有する粒子Ｂを衝突させることで、露出された新生表面近傍の結晶構造を乱し、アモルファス化する作用もあると考えられている。アモルファス化した新生表面は、原子レベルの表面積が増え、より高い表面エネルギーを有するので、その後の親水化処理において結合される、単位表面積当たりの水酸基（ＯＨ基）の数が増加すると考えられる。これに対し、従来のウェット処理による表面の不純物の除去工程後に化学的に親水化処理する場合には、所定の運動エネルギーを有する粒子の衝突に起因する新生表面の物理的変化がないので、本願発明の接合方法に係る表面活性化処理に続く親水化処理は、この点で従来の親水化処理とは根本的に異なると考えられる。また、結晶構造が乱れ、アモルファス化した新生表面近傍の領域にある原子は、加熱処理により比較的低い熱エネルギーで拡散しやすく、比較的低温での接合プロセスを実現することができると考えられる。
［００４４］
表面活性化処理に用いる粒子として、中性原子又はイオンでもよく、さらには、ラジカル種でもよく、またさらには、これらが混合した粒子群でもよい。例えば、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガス又は不活性ガスを採用することができる。これらの希ガスは、衝突される接合面２を形成する物質と化学反応を起こしにくいので、化合物を形成するなどして、接合面２の化学的性質を大きく変化させることはない。また、比較的大きい質量を有しているので、効率的に、スパッタリング現象を生じさせることができ、新生表面の結晶構造を乱すことも可能になると考えられる。
［００４５］
表面活性化処理に用いる粒子として、酸素のイオン、原子、分子などを採用することもできる。酸素イオン等を用いて表面活性化処理を行うことで、表面層３を除去した後に新生表面上を酸化物の薄膜で覆うことが可能になる。新生表面上の酸化物の薄膜は、その後の親水化処理における、水酸（ＯＨ）基の結合又は水等の付着の効率を高めると考えられる。また、新生表面上に形成された酸化物の薄膜は、加熱処理により比較的容易に分解すると考えられる。
［００４６］
表面活性化される接合面に衝突させる粒子Ｂの運動エネルギーは、１ｅＶから２ｋｅＶであることが好ましく、更に５０ｅＶから２ｋｅＶであることが好ましい。上記の運動エネルギーにより、効率的に表面層３におけるスパッタリング現象が効率的に生じる。除去すべき表面層３の厚さ、材質などの性質、新生表面の材質などに応じて、上記運動エネルギーの範囲から所望の運動エネルギーの値を設定することもできる。
［００４７］
本願発明においては、表面活性化処理が行われる接合面２から離間して配置された粒子ビーム源を用いて、表面活性化される接合面２に衝突させる粒子を接合面２に向けて加速することで、当該粒子に所定の運動エネルギーが与えられる。粒子ビーム源は、例えば作動時の真空度が１Ｐａ（パスカル）以下の比較的清浄な雰囲気中で作動する。粒子ビーム源が作動する前のバックグラウンド圧力は、１×１０−２Ｐａ（パスカル）であることが好ましく、１×１０−５Ｐａ（パスカル）であることが更に好ましい。これにより、表面活性化処理中の雰囲気に存在する不純物の量を低減させ、表面活性化処理後に、新生表面の不要な酸化や新生表面への不純物の付着などを防ぐことができる。さらに、粒子ビーム源は、比較的高い加速電圧を印加することができるので、高い運動エネルギーを粒子に付与することができる。したがって、効率良く表面層３の除去及び新生表面のアモルファス化を行うことができると考えられる。
［００４８］
比較的高い真空に引くために真空ポンプの作動により、金属領域ＭＲ等の表面層３から除去された物質が効率よく雰囲気外へ排気される。すなわち、露出された新生表面へ再び付着し汚染するような、望ましくない物質が雰囲気外へ効率よく排気される。（図３４（ａ））
［００４９］
プラズマ発生装置の場合は、プラズマの作動時の圧力は比較的高く、接合面２から除去された物質がプラズマ化されるために、その陽イオンが加速され金属領域に再び衝突し付着する確率が高い。また、基板にバイアス電圧を印加しないと表面活性化に好適な十分な運動エネルギーを粒子に与えることが困難である。したがって、基板１の接合面２が金属領域ＭＲ以外に一つ又は複数の非金属領域ＮＲを有する場合に、プラズマ発生装置でなく粒子ビーム源を用いて表面活性化処理を行うことで、露出された新生表面への望ましくない物質の付着を抑制しつつ、効果的に表面活性化処理を行うことができる。
［００５０］
粒子ビーム源を用いることで、典型的なプラズマ発生装置では行えない条件で表面活性化処理を行うことができる。すなわち、粒子ビーム源を用いることで、粒子が放射される前のいわゆるバックグラウンドの真空度が１０−２Ｐａ以下であって、粒子ビーム源作動前の、粒子が放射されている間の真空度が１Ｐａ以下である雰囲気で、運動エネルギーが５０ｅＶから２ｋｅＶである粒子のビームを接合面に対して放射することができる。
［００５１］
粒子ビーム源としては、図３７又は図３８に示すような粒子ビーム源１５０、１５０Ａを用いることができるが、これに限られない。粒子ビーム源１５０として、冷陰極型、熱陰極型、ＰＩＧ（Ｐｅｎｎｉｎｇ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｇａｕｇｅ）型、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）型の粒子ビーム源、あるいはクラスターイオン源などが採用されうる。
［００５２］
図３７又は図３８に示す粒子ビーム源１５０、１５０Ａは、磁界の印加によりガスをプラズマ化して、発生したプラズマに電界を印加することによりプラズマから電離した粒子の陽イオンを摘出して、接合面の方向に加速させる。これにより、粒子ビーム源１５０、１５０Ａは、当該電位に対応する運動エネルギーを有するイオンを、粒子ビーム源１５０、１５０Ａから接合面に対して放射する。真空中又は減圧された雰囲気中で当該イオンは加速され放射されるので、放射されたイオンは、他のガスとの衝突による運動エネルギーの減少や運動方向の変化などがほぼない状態で、上記対象物の表面に衝突する。したがって、粒子ビーム源１５０を用いることで、効率よく表面活性化処理を行うことができる。
［００５３］
粒子ビーム源１５０としては、図３９に示すような高速原子ビーム源（ＦＡＢ，Ｆａｓｔ  Ａｔｏｍ  Ｂｅａｍ）を用いることができる。高速原子ビーム源１５０Ｎは、典型的には、一対のアノード間に形成される電位の鞍点付近でイオン化されたガスの陽イオンをイオン源の外側に加速させ、カソードから陽イオンの衝突により放出される電子と結合させることで、当該イオンを中性化する構成を有している。このような、イオンと結合させるための電子雲を発生させる手段は、ニュートライザーと呼ばれることもある。このような中性原子ビーム源を用いることで、加速されたイオンは、電気的に中性化される過程でその運動エネルギーを実質的に失うことがないので、効率よく中性である原子ビームを用いて、上記対象物の表面に対して、帯電させることなく、効率よく表面活性化処理を行うことができる。
［００５４］
この場合、例えば、希ガスとしてアルゴン（Ａｒ）の場合、高速原子ビーム源（ＦＡＢ）への供給電力を、１．５ｋＶ（キロボルト）、１５ｍＡ（ミリアンペア）に設定してもよく、あるいは０．１から５００Ｗ（ワット）の間の値に設定してもよい。たとえば、高速原子ビーム源（ＦＡＢ）を１００Ｗ（ワット）から２００Ｗ（ワット）で稼動してアルゴン（Ａｒ）の高速原子ビームを２分ほど照射すると、接合面の上記酸化物、汚染物等（表面層）は除去され、新生表面を露出させることができる。
［００５５］
使用される粒子ビーム源１５０等の稼動条件や粒子の運動エネルギーに応じて、表面層３の除去速度は変化しえる。そこで、表面活性化処理に必要な処理時間を調節する必要がある。例えば、オージェ電子分光法（ＡＥＳ，Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）やＸ線光電子分光法（ＸＰＳ，Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの表面分析法を用いて、表面層３に含まれる酸素や炭素の存在が確認できなくなる時間又はそれより長い時間を、表面活性化処理の処理時間として採用してもよい。
［００５６］
表面活性化処理において接合面２をアモルファス化するためには、粒子ビームＢの照射時間を、表面層３を除去し新生表面を露出させるために必要な時間より、長く設定してもよい。長くする時間は、１０秒から１５分、あるいは、表面層３を除去し新生表面を露出させるために必要な時間の５％以上に設定してもよい。表面活性化処理において接合面２をアモルファス化するための時間は、接合面２を形成する材料の種類、性質、及び所定の運動エネルギーを有する粒子のビームＢの照射条件によって適宜設定してもよい。
［００５７］
表面活性化処理において接合面をアモルファス化するためには、照射される粒子の運動エネルギーは、表面層３を除去し新生表面を露出させるために必要な運動エネルギーより、１０％以上高く設定されてもよい。表面活性化処理において接合面をアモルファス化するための粒子の運動エネルギーは、接合面を形成する材料の種類、性質、及び粒子の照射条件によって適宜設定してもよい。
［００５８］
ここで、「アモルファス化した表面」又は「結晶構造が乱れた表面」とは、具体的に表面分析手法を用いた測定により存在が確認されたアモルファス層又は結晶構造が乱れた層を含むとともに、粒子の照射時間を比較的長く設定した場合、又は粒子の運動エネルギーを比較的高く設定した場合に想定される結晶表面の状態を表現する概念的な用語であって、具体的に表面分析手法を用いた測定によりアモルファス層又は結晶構造が乱れた表面の存在が確認されていない表面をも含むものである。また、「アモルファス化する」又は「結晶構造を乱す」とは、上記アモルファス化した表面又は結晶構造が乱された表面を形成するための動作を概念的に表現したものである。
［００５９］
［１−３  親水化処理］
工程Ｓ２において、親水化処理は、好ましくは上記表面活性化処理の後、連続して、又は非酸化雰囲気中で行われる（図３４（ｂ））。これにより、表面活性化された接合面に不純物の付着なく水酸（ＯＨ）基を形成することができる。親水化処理は、上記表面活性化処理の後に続けて真空などの非酸化雰囲気中で開始されることが好ましい。しかし、表面活性化処理が完了する前に、親水化処理を開始してもよい。また、表面活性化処理と親水化処理を同時に行ってもよい。表面活性化処理が、親水化処理の完了後に行われなければ、表面活性化処理と親水化処理との時間上の前後関係は、所望の条件により調節することができる。
［００６０］
親水化処理工程Ｓ２では、表面活性化処理が行われた金属領域ＭＲの表面に、水や、水酸化物、水酸化イオン（ＯＨ−）、又はヒドロシキルラジカル（・ＯＨ）など、又はＯＨで表記される物質のイオンやラジカル（以降、これらを「水等Ｖ」とも呼ぶ。）などのＯＨ含有物質を付着させて、当該金属領域ＭＲの表面が水酸基（ＯＨ基）で終端化（Ｍ−ＯＨ）されている層が形成される。本願において、親水化処理工程で、表面活性化処理が行われた金属領域ＭＲの金属の表面の付着される物質を、「水又はＯＨ含有物質」、これらを総称して「水等」、又はより簡略に「水」と呼ぶことがあるが、これらの表記は、上記の物質を総称するものであり、「水（Ｈ２Ｏ）」に限られるものではない。
［００６１］
親水化処理により、少なくとも金属領域ＭＲの表面上に水酸化物層４が形成されると考えられている（図３４（ｂ））。水等の付着量を増やすことで、水酸化物層４上に水の層が形成されてもよい。
［００６２］
親水化処理により、接合面２上に酸化物が形成されることもある。しかし、表面活性化処理後、連続して水等を付着させることで、不純物の付着のない新生表面上に直に水酸（ＯＨ）基を形成することができ、さらに水等を付着させることで、その水酸（ＯＨ）基上に水分子が付着していくことになる。この酸化物は、比較的コントロールされている（例えば、厚さが数ｎｍ又は数原子層以下）ので、特に電気的特性を悪化させるようなものではない。貼り合わせ後の加熱処理により、金属材料内で吸収され、又は水として接合界面から外側へ逃げるなどして、消滅あるいは減少させることも可能である。したがって、この場合、基板との間の接合界面を介した導電性には実用上の問題が生じることはほぼないと考えられる。
［００６３］
本実施形態に係る親水化処理は、表面活性化された接合面２に水等Ｖを供給することにより行われる。当該水等Ｖの供給は、上記表面活性化された接合面２の周りの雰囲気に、気体の水（Ｈ２Ｏ）を導入することで行われる。当該気体状の水は、キャリアガスであるアルゴン（Ａｒ）を泡状にして通過させること（バブリング）で、気体状の水がキャリアガスに混合されて、表面活性化された接合面２を有する基板１が配置された空間又はチャンバ内に導入される。
［００６４］
なお、この際のキャリアガスは、アルゴン（Ａｒ）に限られず、例えば、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ２）などであってもよい。
［００６５］
また、表面活性化された接合面２の周りの雰囲気への水の導入は、気体状で（ガス状で、又は水蒸気として）導入されても、液体状（霧状）で導入されてもよい。さらに、水等Ｖの付着の他の態様として、上述のようにラジカルやイオン化されたＯＨなどを付着させてもよい。しかし、水等Ｖの導入方法はこれらに限定されない。
［００６６］
表面活性化された接合面２の周りの雰囲気の湿度を制御することで、親水化処理の工程を制御することができる。当該湿度は、相対湿度として計算しても、絶対湿度として計算してもよく、又は他の定義を採用してもよい。
［００６７］
水等Ｖの導入は、基板１の接合部２の周りの雰囲気における相対湿度を１０％から９０％となるように制御することが好ましい。
［００６８］
たとえば、窒素（Ｎ２）又は酸素（Ｏ２）をキャリアガスとして気体状の水を導入する場合、上記チャンバ内の全圧を９．０×１０４Ｐａ（パスカル）、すなわち０．８９ａｔｍ（アトム）とし、チャンバ内での気体状の水の量を、容積絶対湿度で８．６ｇ／ｍ３（グラム／立方メートル）又は１８．５ｇ／ｍ３（グラム／立方メートル）、２３℃（摂氏２３度）の相対湿度でそれぞれ４３％又は９１％となるように制御することができる。
［００６９］
また、チャンバ内の酸素（Ｏ２）の雰囲気中濃度を１０％としてもよい。
［００７０］
親水化処理は、表面活性化処理された接合面２を大気に曝すことなく、当該接合面２に水等Ｖを供給することで行うことが好ましい。
［００７１］
上記のように、親水化処理により形成された水酸化物層４又は当該水酸化物層上に形成された水の層には、大気中の存在する酸素との接触による金属領域ＭＲの酸化を最低限に抑制する働きがあると考えられる。
［００７２］
これにより、親水化処理が完了した金属領域ＭＲの表面は、比較的安定であり、非酸化雰囲気から取り出し、大気中に曝したとしても、酸化されにくい。また、金属領域ＭＲの表面が水酸（ＯＨ）基で覆われ、又はさらにその上に形成された水の層で覆われているので、炭素などの不純物と直接金属表面との結合が防止される。よって、親水化処理が完了した金属領域ＭＲの表面を数時間から数十時間に亘り大気中に放置しても、最終製品において良好な接合界面を得ることができる。
［００７３］
［他の親水化処理］
親水化処理における、接合面２上への水等Ｖの付着又はこれによる接合面２上でのＯＨ基の形成又は、上記の手法に限られず、他の手法を用いてもよい。
［００７４］
たとえば、親水化処理は、所定の湿度を有するチャンバ外の大気を導入することで行ってもよい。大気をチャンバ内に導入する際には、望ましくない不純物の接合面２への付着を防ぐために、当該大気が所定のフィルタを通過するように構成することが好ましい。所定の湿度を有するチャンバ外の大気を導入して親水化処理を行うことで、接合面２の親水化処理を行う装置構成を簡略化することができる。
［００７５］
また、親水化処理は、接合面２の少なくとも金属領域ＭＲに水を吹き付けることで行ってもよい。吹き付けられる水は、気体状（ガス状又は水蒸気等）でも液体状（霧状又は水滴状等）でもよく、水の形態はこれらに限定されない。水が付着されるべき接合面上の箇所に吹き付けることで、親水化処理を効率よく行うことができる。
［００７６］
また、親水化処理は、液体の水を収容する水槽を設け、この水に接合面２の少なくとも金属領域ＭＲを浸漬させることで行ってもよい。これにより、表面活性化処理された接合面２上により多量の水をより確実に付着することができる。
［００７７］
あるいはまた、親水化処理は、水（Ｈ２Ｏ）等の分子やクラスターなどを加速して、接合面に向けて放射することで行ってもよい。水（Ｈ２Ｏ）等の加速に、上記表面活性化処理に用いる粒子ビーム源などを使用してもよい。この場合、上記バブリングなどで生成したキャリアガスと水（Ｈ２Ｏ）等との混合ガスを、上記粒子ビーム源に導入することにより、水の粒子ビームを発生させ、親水化処理すべき接合面２に向けて照射することができる。
［００７８］
親水化処理は、水等Ｖの付着を複数回行うように構成されてもよく、異なる親水化処理を組み合わせて行うように構成されてもよい。
［００７９］
［基板間のアラインメント］
図３４（ｂ）では、親水化処理により水酸化物層４が金属領域ＭＲの表面に形成され、金属領域ＭＲ以外の接合面２上の領域（非金属領域ＮＲ）では形成されていない態様が示されている。この態様においては、工程Ｓ２の前に、非金属領域ＮＲの表面の一部又は全部を疎水化処理されている。後述のように、基板１の接合面２において水酸化物層４上にさらに水の層が形成された領域と疎水化されて水酸化物層４又は水の層が形成されなかった領域とを有することで、仮接合において、一方の基板の親水化された金属領域ＭＲと他方の基板の接合面上において対応する親水化された金属領域ＭＲとが引き合って、金属領域ＭＲ間のセルフアラインメントを実現することができる。
［００８０］
なお、図３４（ｂ）では、工程Ｓ２の親水化処理後に金属領域ＭＲの表面のみに水酸化物層４又は水の層が形成されているが、これに限られない。例えば、基板１の接合面２上の非金属領域ＮＲを含む所定の箇所又は全体に、親水化処理をする領域又は疎水化処理をする領域をそれぞれ画定して形成することで、種々の態様をとることができる。
［００８１］
［１−４  貼り合わせ］
工程Ｓ３において、工程Ｓ３で接合面が表面活性化処理（工程Ｓ１）と親水化処理（工程Ｓ２）とが行われた基板１と、基板１と同様の構造を有し、基板１と同様に工程Ｓ１及び工程Ｓ２が行われた基板１１とが貼り合わされる。本願では、この貼り合わせを「仮接合」とも呼ぶ。ここで、一方の基板１の金属領域ＭＲが、他方の基板１１の対応する金属領域ＭＲ又は所定の位置に向き合うように位置決めされ、金属領域ＭＲ上に形成された水酸化物層４を介して接触するように基板１と１１とは貼り合わされる。（図３４（ｃ））
［００８２］
親水化処理が施された基板１及び１１の金属領域ＭＲの表面は、水酸（ＯＨ）基により終端化されているため、基板の貼り合わせ（仮接合）の際の接触により、水酸基間に水素結合の引力が働き、基板は互いに吸着される。
［００８３］
基板の貼り合わせ（仮接合）後に、貼り合わされた基板で構成される構造体が、搬送される際や位置変換される際に、基板がずれ落ちたり、基板の相対的な位置がずれたりすることがない十分な接合力で固定される。
［００８４］
この際、上述のとおり、接合面は微視的には粗さを有しているために、接合界面において、実質的に接触する箇所と実質的に接触していない箇所とが生じえる。実質的に接触する箇所は、水酸基間の水素結合による引き合う力により、両基板は互いに吸着している。実質的に接触していない箇所は、接合面に十分な水が存在する場合には、水の分子により埋められていると考えられる（図３５（ａ））。
［００８５］
基板１及び１１の貼り合わせ（仮接合）の際に、圧力を掛けてもよい。表面活性化処理前に金属領域ＭＲを有する接合面２及び１２を研磨することで、貼り合わせ時に掛ける圧力をより小さくすることができる。たとえば、仮接合時の圧力が１ＭＰａ以下でも、十分な仮接合時の接合強度が得られた。更に、研磨された金属領域ＭＲの表面粗さがＲａ１０ｎｍ以下である場合には、仮接合時の圧力が０．５ＭＰａで十分な仮接合時の接合強度が得られた。また更には、金属領域ＭＲが銅（Ｃｕ）で形成され、研磨された金属領域ＭＲの表面粗さがＲａ５ｎｍ程度である場合には、仮接合時の圧力が０．３ＭＰａで十分な仮接合時の接合強度が得られた。
［００８６］
図３４（ｂ）及び図３４（ｃ）に示すように、基板１及び１１の接合面２及び１２が親水化された領域と疎水化された領域とを有する場合には、親水化処理で接合面２又は１２の親水化領域に十分な水を付着させることで、仮接合の際に水の層で発生する表面張力の作用が大きくなり、接合面２及び１２の面内の方向に、水の層を介して接触する金属領域ＭＲ同士が互いに引っ張り合う力が生じる。これにより、接合される一対の基板１及び１１間で、互いに対応する金属領域ＭＲ同士の位置決めの精度がさらに向上する。
［００８７］
基板１及び１１間で対応する金属領域ＭＲ同士の位置決めは、例えば、接合面２及び１２の接触前に、一方の基板上に複数の位置調節用マーク（図示せず）を設け、他方の基板の対応する位置に、対応する複数の位置調節用マーク（図示せず）を設け、両方の位置調節用マークを互いに合わせることで行っても良い。両方の位置調節用マーク間のずれは、基板１又は１１を透過する光を、いずれかの基板側から接合面に垂直方向に入射し、その反対側に設けたカメラにより撮像された、当該透過光による位置調節用マークの画像を観察することにより測定するように構成してもよい。
［００８８］
上述のように、一例として、基板１及び１１の対応する金属領域ＭＲ間の位置決めは、両方の基板側に設けられた位置調節用マークを、基板を透過する光を用いて、互いに合わせることで行われてもよい。これにより、例えば、±１μｍの位置決め精度を得ることができる。さらに、位置決めが十分でなかった場合には、仮接合直後に基板を一旦互いから離し、再度位置決めしてから仮接合を行うことを、所定の位置決め精度が得られるまで繰り返すこともできる。これにより、±０．２μｍの位置決め精度を得ることができる。
［００８９］
仮接合された基板１及び１１を互いに離す工程は、仮接合された基板１及び１１のエッジから接合界面方向に、ブレードを機械的に挿入し、又は水や空気などの流体を吹き込むことで行われてもよい。
［００９０］
基板１及び１１の貼り合わせ（仮接合）の際の、基板１及び１１の周りの雰囲気の湿度を所定の値に保つようにしてもよい。これにより、水酸化物層４又はその上の水の層は、基板の接合面上に比較的に均一に、また複数の仮接合に亘って一定な特性を有するように、形成されうる。
［００９１］
また、貼り合わせ（仮接合）は、大気などの酸化雰囲気中で行われてもよい。上述のとおり、親水化処理が完了した金属領域の表面は大気中でも安定であるので、親水化処理が完了した後、貼り合わせをするまで数分から数時間、放置することも可能である。したがって、表面活性化処理や親水化処理を行う装置とは別に、大気中で動作する基板貼り合わせ装置を設置してもよい。これにより、真空などの特殊な環境を作り、その中で動作する接合装置を製造する必要はなく、基板貼り合わせ装置を比較的簡易な構成とすることができる。
［００９２］
上述の貼り合わされた基板１及び１１で構成される構造体は、基板同士が比較的強い水素結合等で結合しているので、加熱装置などの他の装置へ搬送されても、一方の基板が他方の基板からすべり落ち、又は剥がれ落ちる危険性は小さい。また、貼り合わされた基板１及び１１で構成される構造体は、接合面２及び１２を雰囲気との接触から保護されているので、比較的安定であり、加熱処理まで数時間から数日までの間、大気中で保存することも可能である。したがって、任意のタイミングで、そして、仮接合された基板で構成される構造体を複数個まとめて、後述の加熱処理を行うことができる。
［００９３］
［１−５  加熱処理］
貼り合わされた基板１及び１１から構成された構造体を加熱してもよい。これにより、所望の導電性と機械的強度を有する接合界面５が得られる。本願明細書中、この加熱工程を「本接合」とも称する。（図３４（ｄ））
［００９４］
金属領域ＭＲや非金属領域ＮＲの表面は、微視的には原子レベル又はナノメートルから数十ナノメートルの表面粗さを有していることがある。したがって、基板の貼り合わせにより接触に至った、すなわち水酸基が接触することで結合されている２つの接合面間の実質的な接合面積は、みかけの接合面積より小さい（図３５（ａ））。実質的に接触していない接合面の間の隙間は水の分子又は水の層により埋められていると考えられる（図３５（ａ））。加熱処理により、水が接合界面から拡散して出て行く過程で、水酸基による実質的な接合面積が増えていき（図３５（ｂ））、その後、水素が水となり接合界面から拡散により出て行くか、水素の形で拡散することで、接合界面は酸素原子を介した構造に変化する（図３５（ｃ））と考えられる。さらに、貼り合わせられた金属領域ＭＲ又は非金属領域ＮＲの実質的な接合界面又はこの実質的な接合界面近傍の原子が拡散又は固相拡散して、実質的な接合面積が増加すると考えられる。また、原子が拡散することで、貼り合わせによる金属領域ＭＲ等の弾性変形による残留応力が除去され、接合強度がより高くなる。このように、親水化処理を行うことを含む本接合方法は、固相同士間で直接接合させる方法に比べて、表面のうねりや凹凸を一旦水分子で埋めて接合し、加熱による水の除去時に接合面同士が互いに近づいて、接合に至らしめることを可能にするため、接合界面にボイドを発生させずに接合することが容易になる。
［００９５］
さらに、加熱により、表面活性化処理され親水化処理された接合面２上に形成されている水酸化物層４又は水の層などは、接合界面に取り込まれても、加熱処理で新生表面同士の接合界面が形成する際に、表面層２と比べて低い温度又は短時間で消滅する。また、接合面上に形成されている水酸化物層４又は水の層などが、加熱により拡散するにしたがって、微視的な粗さによって接合していなかった接合界面５を閉じる作用を有するとも考えられる。したがって、本願発明による接合方法は、樹脂などを使用する従来の接合技術に比べて、接合に必要なサーマルバジェット（熱消費量）を低減することができる。
［００９６］
たとえば、銅（Ｃｕ）により形成された金属領域ＭＲにより良好な接合界面５を形成するためには、貼り合わせ（仮接合）後の加熱処理における温度が、摂氏約３５０度又はこれより高い温度であることが必要であった。しかし、清浄な金属表面を形成し当該表面を水酸化処理して仮接合を行う本願発明を適用することで、良好な銅（Ｃｕ）の接合界面を得るための温度を摂氏３００度以下にすることが可能になった。当該温度は、２００度以下とすることが好ましく、更には摂氏１５０度程度にすることが好ましい。
［００９７］
加熱処理の際に、雰囲気を形成するガスの種類、流量などを調節してもよい。また、加熱処理の際に、接合界面に垂直方向の圧力が加わるように、貼り合わされている基板に、力又は圧力が加えられてもよい。接合界面に垂直方向の圧力が加わることで、実質的又は微視的な接合面積がさらに増加する。
［００９８］
加熱処理における、温度又は上記圧力若しくは圧力の時間プロファイルは、仮接合の条件、金属領域を形成する材料の熱特性、基板を形成する材料の熱特性、加熱処理の際の雰囲気、加熱処理装置の特性などにより、調節されうる。
［００９９］
なお、接合界面における所望の導電性と機械的強度を得るための工程として、貼り合わされた基板から構成された構造体を加熱する工程について説明したが、上記の実施態様に限られない。いわゆる仮接合された後の接合界面に対して、所望の導電性と機械的強度などの特性を得るためのエネルギーを与えることができれば、他の手法を採用してもよい。たとえば、基板１及び１１や金属領域ＭＲ、非金属領域ＮＲの光学的特性に応じて、仮接合された接合界面に対してマイクロ波、赤外光、レーザー光などを照射することで接合界面にエネルギーを与えてもよい。
［０１００］
なお、本実施形態及び以下の実施形態では、接合される両方の基板１及び１１において、どちらの接合面上にも金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとが形成され、対応する金属領域ＭＲ同士が接触される場合が記載されるが、これに限らない。互いに接合される一対の基板のうちの、一方の基板１のみが、その接合面２上に金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとが形成され、他方の基板１１の接合面は上記基板１とは異なる構成を有してもよい。たとえば、一方の基板１の接合面２が金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとを有して構成され、他方の基板１１が非金属ＮＲのみから形成されてもよい。
［０１０１］
また、図３４（ｂ）から図３４（ｄ）では、両方の基板１及び１１の接合面２及び１２に、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとが形成されている場合に、一方の基板の少なくとも１つの金属領域と他方の基板の少なくとも１つの金属領域が、互いに接触して電気的接続を確立する場合の構成が示されているが、これに限られない。たとえば、接合界面が、金属とイオン性単結晶のような非金属導電材料とで形成されても、金属と非金属非導電性材料とで形成されてもよい。またさらには、一方の基板の金属領域と他方の基板の金属領域とが、接触せず電気的接続を確立しないように構成されてもかまわない。
［０１０２］
さらにまた、図３４においては、基板１及び基板１１の接合面上には、複数の金属領域ＭＲと複数の非金属領域ＮＲとが記載されているが、例えば、１つの金属領域ＭＲと１つの非金属領域ＮＲとが形成されていてもよい。
［０１０３］
［１−６  装置構成］
図３６は、本願発明に係る接合方法を実施するための、表面活性化処理、親水化処理及び基板貼り合わせを行う基板接合システム１００の概略構成の一実施例を示す正面図である。
［０１０４］
図３６に示す表面処理システム１００は、真空容器１４０と、表面活性化処理手段として真空容器１４０内に配置された粒子ビーム源１５０ａ及び１５０ｂと、親水化処理手段１６０として水蒸気源１６３、水蒸気制御バルブ１６２及び水蒸気Ｖを真空容器１４０に放出する水蒸気導入口１６１とを有して構成されている。図３６において具体的に示されていないが、基板貼り合わせ手段は、矢印に示されているように基板１と１１の接合面２と１２とを互いに近づけて接触させるように構成されている。基板貼り合わせ手段は、基板１と１１の接合面２と１２とが互いに接触した後に、接合界面に所定の圧力を掛けるように加圧機構（図示せず）を備えていてもよい。
［０１０５］
真空容器１４０は、接続された真空ポンプ１４２により真空引きされるように構成されている。粒子ビーム源１５０ａ及び１５０ｂの作動と表面化成果処理を有効に行うために、真空ポンプ１４２は、真空容器１４０内の気圧を１×１０−２Ｐａ（パスカル）以下などの比較的高い真空にする能力を有するものが好ましい。
［０１０６］
図３７に示すように、粒子ビーム源１５０は、加速電圧を規定するカソード１５１とアノード１５２と、カソード１５１とアノード１５２に間に電圧を加える電源１５４と、ガスを導入するガス導入手段１５５を備えている。
［０１０７］
カソード１５１とアノード１５２とは互いに電気的に絶縁されて設けられ、電源１５４により、カソード１５１とアノード１５２との間には、実質的に粒子の運動エネルギーすなわち加速電圧を規定する所定の電圧が印加される。
［０１０８］
カソード１５１は、粒子ビームの放射口１５６を挟んで磁界を形成するＮ極カソード１５１ＮとＳ極カソード１５１Ｓから構成される。カソード１５１Ｎ及び１５１Ｓから放出された電子は、カソード１５１Ｎと１５１Ｓとの間に形成された磁界によるローレンツ力を受けて螺旋（らせん）運動をする。この電子が、ガス導入手段１５５を介して導入されたガスに衝突し、当該ガスをプラズマ化する。このプラズマ中のガスの陽イオンが、カソード１５１とアノード１５２との間の電界により加速されて、放射口１５６から外部に向けて放射される。
［０１０９］
また、粒子ビーム源１５０は、図３８に示すような粒子ビーム源１５０Ａの構成を有していてもよい。粒子ビーム源１５０Ａは、磁石１５７を有し、これによりアノード１５２に開いた粒子ビームの放射口１５６に磁界を形成させる。また、粒子ビーム源１５０Ａは、電子を有するカソード（ニュートライザー）１５８を有していてもよい。カソード１５８から放出された電子の一部は、上記磁界にトラップされる。これにより、磁界内で粒子ビーム源１５０Ａに導入されたガスはプラズマ化される。そして、ガスの陽イオンは、アノード１５２に掛けられた電圧による電界中で、放射口１５６から粒子ビーム源１５０Ａの外部へ加速される。カソード１５８から放出された電子は、粒子ビームと同じ方向にも飛ぶことにより、粒子ビーム又は粒子ビームが衝突する基板の接合面の電荷を中和する作用をも有する。
［０１１０］
あるいはまた、粒子ビーム源１５０は、図３９に示すような中性原子ビーム源１５０Ｎの構成を有していてもよい。中性原子ビーム源１５０Ｎは、図３９に示すような高速原子ビーム源（ＦＡＢ，Ｆａｓｔ  Ａｔｏｍ  Ｂｅａｍ）を用いることができる。高速原子ビーム源１５０Ｎは、典型的には、一対のアノード１５２間に形成される電位の鞍点付近でイオン化されたガスの陽イオンをカソード１５６に向けて、すなわちイオン源の外側に加速させ、カソード１５６から陽イオンの衝突により放出される電子と結合させることで、当該イオンを中性化する構成を有している。このような中性原子ビーム源を用いることで、加速されたイオンは、電気的に中性化され過程でその運動エネルギーを実質的に失うことがないので、効率よく中性である原子ビームを用いて、上記対象物の表面に対して、荷電することなく、効率よく表面活性化処理を行うことができる。
［０１１１］
これにより、上述のとおり、加速されたイオンは、電気的に中性化され原子になる過程で実質的にその運動エネルギーを失うことがないので、この中性である原子ビームを用いて、上記対象物の表面の荷電を回避しつつ、効率よく表面活性化処理を行うことができる。
［０１１２］
図３７、図３８及び図３９は、本願発明に使用されうる粒子ビーム源を例示的に説明するものであり、これに限定されない。たとえば、アノード上記に冷陰極型粒子ビーム源に限られず、熱陰極型、ＰＩＧ（Ｐｅｎｎｉｎｇ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｇａｕｇｅ）型、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）型の粒子ビーム源、あるいはクラスターイオン源が採用されてもよい。
［０１１３］
次に図３６に示す表面処理システム１００を用いた、本願発明に係る接合方法について説明する。
［０１１４］
真空容器１４０内の気圧が所定値に到達した後に、粒子ビーム源１５０ａ及び１５０ｂを作動させて、それぞれ、金属領域ＭＲを有する基板１及び１１の表面に向けて粒子ビームＢを照射させる。上記のとおり表面活性化処理の完了時間は、予め行われる実験により定められてもよく、又は所定の表面評価手段（図示せず）を用いてその場（ｉｎ―ｓｉｔｕ）観察により十分な表面活性化処理が行われたことを確認することで決定されてもよい。
［０１１５］
十分な表面活性化処理が行われたと判断されると、粒子ビーム源１５０ａ及び１５０ｂの作動を止め、水蒸気源１６３から送られる水蒸気Ｖを、水蒸気導入口１６１を介して真空容器１４０内に導入する。
［０１１６］
親水化処理に必要な真空容器１４０内の湿度の制御は、水蒸気源１６３で生成される水蒸気の湿度、水蒸気制御バルブ１６２により制御される水蒸気の真空容器１４０への導入量、真空ポンプ１４２による水蒸気の排気量、真空容器１４０内の温度などを調節することにより行うことができる。
［０１１７］
親水化処理の完了時間は、予め行われる実験により定められてもよく、又は所定の表面評価手段を用いてその場（ｉｎ―ｓｉｔｕ）観察により十分な親水化処理が行われたことを確認することで決定されてもよい。
［０１１８］
なお、図３６では、表面活性化処理手段として、２つの粒子ビーム源１５０ａ及び１５０ｂが配置され、それぞれ、接合される一対の基板１及び１１の接合面２及び１２に対して粒子ビームを照射するように構成されているが、これに限定されない。表面活性化手段として、１つの粒子ビーム源が配置され、両方の基板に対して同時に又は別々に異なる時間に粒子ビームを照射するように構成されてもよい。
［０１１９］
また、粒子ビーム源１５０ａ及び１５０ｂとして、ライン型粒子ビーム源を採用してもよい。この場合、基板支持体１４１ａ及び１４１ｂと粒子ビーム源１５０ａ及び１５０ｂとは、粒子ビームＢが基板１又は１１の表面に均一な条件で照射されるように、相対的に可動な構成を有するように配置されることが好ましい。ライン型粒子ビーム源を、基板１又は１１に対して相対的に移動させ、粒子ビームの照射領域が基板１又は１１上を通過することで、比較的面積の大きい基板の表面を比較的均一に粒子ビームで照射することができる。ライン型粒子ビーム源は、例えば図３７に示す断面を有し、図３７の紙面に垂直方向に延びた形状を有していてもよい。
［０１２０］
図３６では、本願発明に係る表面処理方法を実施するための装置１００は、１つの真空容器１４０で構成されているが、２つの真空容器を用いて構成されてもよい。この場合、上記装置は、第１の真空容器に表面活性化処理手段が配置され、第２の真空容器に親水化処理手段が配置され、第１の真空容器と第２の真空容器は真空バルブで連結され、基板を第１の真空容器から真空を破らずに搬送できるように構成されることが好ましい。これらの構成を採用することで、表面活性化処理された接合面を大気に曝さずに、親水化処理を行うことができる。また、水蒸気が第２の真空容器内の第１の真空容器へ流れる量を最小限に抑え、第１の真空容器内の高い真空度を長時間に亘り維持することが容易となるとともに、表面活性化処理と親水化処理とを同時に異なる基板に対して行うことができるので処理効率が上がる。
［０１２１］
上述のとおり、親水化処理された金属表面は大気中でも比較的安定であるので、基板貼り合わせ手段は、図３６に示す表面処理システム１００とは別個な装置として構成されてもよい。基板の移動や加重などの所定の機構を必要とする基板貼り合わせ（仮接合）を行う装置を表面処理システム１００と別個な装置とすることで、表面処理システム１００は簡易な構造で構成されうる。
［０１２２］
［２  第二実施形態］
本願発明の第二実施形態において、図４０に示すように、まず工程Ｓ２１において、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲを有する複数のチップの接合面に対して表面活性化処理を行い、工程Ｓ２２において、表面活性化が行われた複数のチップの接合面に対して親水化処理を行い、工程Ｓ２３において、親水化処理された複数のチップの表面をそれぞれ基板の接合面に貼り合わせ、又は取り付ける。
［０１２３］
第二実施形態は、第一実施形態においては基板（ウエハ）同士の貼り合わせであったのに対して、複数のチップについて表面活性化処理及び親水化処理を行い、これらの複数のチップのそれぞれを基板（ウエハ）に貼り合わせる点で異なるが、表面活性化処理及び親水化処理の手法においては実質的に同じである。以下、第一実施形態と同様な内容については重複して説明しないが、説明がないことで、第一実施形態の内容が第二実施形態に適用されないと解するべきではない。
［０１２４］
工程Ｓ２１の表面活性化処理及び工程Ｓ２２の親水化処理は、複数のチップに対して、同時に行われても、個別に行われてもよい。基板への貼り合わせは、複数のチップの一つずつについて行うことが好ましいが、これに限られない。複数のチップのうち、所定の数のチップの一群として、これの一群のチップごとに基板に貼り合わされてもよい。
［０１２５］
工程Ｓ２３において複数のチップとウエハが貼り合わされることで形成された構造体を加熱するステップを更に有するようにしてもよい。各チップのウエハへの貼り合わせごとに親水化処理により接合面に形成された水酸基層（水酸化物層）又は水を接合界面から除去していたのでは比較的長い時間が係る。例えば、１枚のウエハに５０００個のチップを貼り合わせる場合、貼り合わせごとに１秒だけ加熱するとしても、ウエハ毎に少なくとも５０００秒、すなわち、約１時間半の加熱時間が必要である。これに対し、すべてのチップを貼り合わせた後に、一括しても、１時間の加熱をしても、十分に効率化されることになる。したがって、比較的短時間で、接合界面に残留する水を除去するとともに、接合界面での固相拡散と残留応力を取り除くことができるので、効率よく接合界面の機械的強度を上げることができ、量産性を向上させることができる。
［０１２６］
［２−１  チップの形態］
まず、チップの形態について説明する。
図４１（ａ）から（ｆ）は、チップ又はより一般的に基板の接合面に垂直な平面でチップを切断した場合の、チップの断面の模式図である。これらの図は、金属領域ＭＲの形状を例示的に示すことを意図するもので、金属領域ＭＲの形状を限定するものではない。
［０１２７］
図４１（ａ）から（ｄ）で示された金属領域ＭＲの場合には、チップの接合面上に、金属領域ＭＲが、いわゆるバンプ（突起）状に突出するように形成されている。金属領域ＭＲの上端面が、基板と接合する。
［０１２８］
金属領域ＭＲの上端部の断面形状は、平坦でなくてもよい。図４１（ａ）のように金属領域ＭＲの上端部が平坦である場合、上端部の平面は、微視的にはある程度の粗さを有している。この粗さが大きい場合には、比較的低い圧力をかけても、微視的にみて十分な接合面積を形成することができず、金属領域ＭＲと基板との間の所望の導電性または機械的強度を確立することができないこともありえる。そこで、例えば、金属領域ＭＲの表面の断面は、曲面で形成されてもよく、図４１（ｂ）で示されるように球面で形成されてもよい。図４１（ｂ）の各金属領域ＭＲは、その頂点において基板と接触するので、金属領域ＭＲの上端部が平坦である場合より、初期の接触点に係る圧力が大きくなる。その結果、微視的にみて十分な接合面積を形成することができ、チップの金属領域ＭＲと基板との間の導電性および機械的強度（接合強度）の向上につながる。
［０１２９］
図４１（ｃ）に示されているように、金属領域ＭＲは、シリコンチップに形成された貫通電極（シリコン貫通電極、ＴＳＶ，Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｖｉａ）（ＶＡ）に接続して設けられてもよい。ＴＳＶ（貫通電極）を設けることで、数層に亘り積層されたチップ間での高速な電気的接続を確立することができる。
［０１３０］
図４１（ｄ）に示されているように、金属領域ＭＲの上端部の面積が、ＴＳＶ（ＶＡ）の領域面積より大きくなるように、金属領域ＭＲとＳｉ貫通電極ＶＡが形成されてもよい。接合面積が大きくなり、積層されたチップ間の電気的接続の比較的高い導電性を確保することができる。
［０１３１］
図４１（ｅ）及び（ｆ）に示されているように、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとがほぼ同一面上にあるようにチップの接合面が構成されてもよい。この場合、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとが同一面上にある構成としてもよく、また、金属領域ＭＲを基板接合部と確実に接触及び接合させるために、金属領域ＭＲを非金属領域ＮＲよりも１μｍ（マイクロメータ）程度またはそれ以下の高さだけ突出させるようにしてもよい。金属領域ＭＲの非金属領域ＮＲに対して突出する高さは、金属領域ＭＲ及び非金属領域ＮＲの材質、形状、チップ全体の形状、寸法、機械的性質など、種々のパラメータに応じて、最終的に金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲの両方において接合界面が形成されるように調節される。
［０１３２］
図４１（ｅ）及び（ｆ）に示されている、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとがほぼ同一面上にあるようなチップの接合面の構成は、例えば、チップの所定の製造段階でチップの表面に化学機械研磨（ＣＭＰ）を行うことで実現される。ＣＭＰの条件を調節することにより、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとをほぼ同一面上に形成することができるとともに、金属領域ＭＲが非金属領域ＮＲよりも所定の高さだけ突出するようにすることもできる。
［０１３３］
図４１（ｅ）で示されている例は、バンプレスＴＳＶと呼ばれるチップ構造に対応している。このチップは、接合される基板の接合面が平面で形成されている場合には、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとの両方が基板に接合される。したがって、チップと基板との間の電気的接続を確立する金属領域に係る接合界面を、その周りの非金属領域に係る接合界面により保護することができる。さらに、チップと基板との接合界面が、金属領域ＭＲのみならず非金属領域ＮＲにまで亘って形成されることで接合面積が著しく大きくなり、チップと基板との間の接合強度を増加することができる。さらにまた、複数の層を形成して、チップを基板上に積層して実装する場合には、基板面に垂線方向の寸法（厚み）を、減少させることができる。
［０１３４］
図４１（ｆ）に示されている例では、チップの接合面にキャビティが形成され、このキャビティ内に金属領域ＭＲがバンプ（突起）状に突出するように形成されている。図４１（ｆ）の構成により、チップの基板への接合が完了すると、非金属領域ＮＲに係る接合界面により、その内部の金属領域ＭＲに係る接合界面を外部雰囲気に対して封止する。よって、接合工程が完了した後に樹脂などを用いて接合箇所を封止することを必要とせずに、大気の侵入に起因する酸化、チップと基板間への不純物の混入などによる接合界面の電気的又は機械的特性の悪化を防ぐことができる。
［０１３５］
図４１（ｅ）又は（ｆ）で示されている構成のチップを使用する場合には、金属領域ＭＲと同様の表面活性化処理と親水化処理を施して、基板上の対応する接合部と仮接合及び本接合を行うことができるような材料で非金属領域ＮＲを形成することが好ましい。これにより、プロセスを簡略化、効率化することができる。非金属領域ＮＲは、シリコン（Ｓｉ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの非金属で形成されることが好ましいが、これに限られない。
［０１３６］
また、図４１（ｅ）又は（ｆ）で示されている構成のチップを使用する場合には、非金属領域ＮＲの表面の一部又は全部を疎水化処理してもよい。後述のように、チップの接合面が疎水化処理された領域を有することで、親水化処理された金属領域ＭＲと対応する基板上の親水化処理された部位とを用いて、基板に対するチップのセルフアラインメントを実現することができる。
［０１３７］
図４８（ａ）から（ｃ）は、接合面に対して垂直な方向から見たときの、チップ（基板）側接合面上に形成された金属領域の配置を模式的に示している。
［０１３８］
図４８（ａ）から（ｃ）が示すチップ（基板）側接合面上には、複数の円形の金属領域ＭＲが、列状に並んで配置されている。
［０１３９］
金属領域ＭＲの形状及び配列は、図４８（ａ）から（ｃ）に示された例に限定されない。各金属領域ＭＲの形状は、円形に限らず、例えば正方形、長方形でもよい。また、図４８（ａ）から（ｃ）は、複数の金属領域ＭＲが、矩形を描くように並んで配列されているが、これに限定されない。
［０１４０］
図４８（ｂ）が示すチップ（基板）側接合面には、複数の金属領域ＭＲが、異なる大きさで形成されている。
［０１４１］
たとえば、比較的小さい面積の金属領域ＭＲを形成する場合に、所望の導電性を確保する電気的接続は確保されているにも係わらず、基板との最終的な接合面積の合計が、チップ（基板）と基板との間の十分な機械的強度を達成できるほどの面積に満たないことがある。このような場合には、電気的接続に必要とする金属領域ＭＲに加えて、機械的強度を向上するために、基板と接続される、強度用金属領域ＭＲ２を設けてもよい。金属領域ＭＲ２は、チップ（基板）内の回路又はチップ（基板）を通過するＴＳＶと、電気的に接合されていなくてもよく、また接合されていてもよい。また、金属領域ＭＲ２の面積、形状、配置などは、電子デバイスの使用環境などに応じて、チップ（基板）と基板との間に要求される機械的強度、金属領域ＭＲと強度用金属領域ＭＲ２の形状、大きさ、チップ（基板）側接合面上での配置などに基づいて調節されてもよい。
［０１４２］
図４８（ｃ）が示すチップ（基板）側接合面には、図４８（ａ）に示された、電気的接続のために形成された金属領域ＭＲを第一の金属領域として、この第一の金属領域の外側に、第一の金属領域を囲むように、第二の金属領域として、閉じた環状に金属壁である金属領域ＭＲ３が形成されている。この場合、第一及び第二の金属領域がチップ（基板）側接合面の金属領域以外の領域に対して突出するように形成されることが好ましい。
［０１４３］
閉じた環状の金属領域ＭＲ３は、チップ（基板）の基板への接合が完了すると、その内部の金属領域ＭＲに係る接合界面を外部雰囲気に対して封止する。すなわち、外部雰囲気は金属領域ＭＲに係る接合界面に到達することができない。よって、接合工程が完了した後に樹脂などを用いて接合箇所を封止することを必要とせずに、大気の侵入に起因する酸化、チップ（基板）と基板間への不純物の混入などによる接合界面の電気的又は機械的特性の悪化を防ぐことができる。
［０１４４］
また、金属領域ＭＲ３を有するチップ（基板）を接合することで、接合面積が増加し、高い接合強度を達成することができる。さらに、鉛などの材料を含まず、リフロー工程が必要ないので、環境に優しいチップ（基板）と基板とを含む構造体の封止構造を提供することができる。
［０１４５］
上記の各チップは、例えば、複数の電子回路が形成された基板を縦方向及び横方向に切削することにより作成してもよい。
［０１４６］
またたとえば、基板１の接合面２には、１つ又は複数の金属領域ＭＲが形成され、各金属領域ＭＲを囲むように非金属領域ＮＲが形成されてもよく、これは後述の第三実施形態において好ましい。
［０１４７］
［貼り合わせ工程における加熱］
チップを基板（ウエハ）に貼り合わせる際に、チップがウエハに接触した状態で、又は押し付けられた状態で、チップ若しくはウエハ又はチップとウエハとの両方を加熱してもよい。ウエハ全体が加熱されてもよく、又はウエハの接合面上でチップを貼り合わせる箇所又はその近傍が加熱されるようにしてもよい。
［０１４８］
この際、０．１秒から１０秒に亘り、チップの金属領域及び基板の接合部が摂氏１００度から摂氏３５０度の温度となるように加熱することが好ましい。これにより、仮接合後及び本接合後のチップと基板とを含む構造体の接合強度を向上させることができる。接合面の平坦度を高めたもの（例えば表面粗さが数ｎｍのもの）は、実質的な接触面積が大きくなることから、本来の水酸基（ＯＨ基）による接合が強固な接合となり、低温、低圧での接合でも十分な接合強度を得ることが可能である。しかし、接合面の平坦度が低いもの（例えば表面粗さが数十〜数百ｎｍのもの）の場合は、加圧（数十Ｍ〜数百ＭＰａ）により金属領域を押しつぶすことで実質的な接触面積を大きくすることや、摂氏数百度程度で加熱（例えば摂氏１５０度）により拡散を促し接合界面で原子の動きを促進させることで、実質的な接合面積を大きくすることができる。
［０１４９］
［貼り合わせ工程における加圧］
ウエハ同士の接合の説明の際に述べたように、接触した接合面に対して加圧することで接合強度を上げることができる。個々のチップをウエハに貼り合わせる際に、チップの接合面とウエハの接合面とを互いに押し付け合う方向に加圧してもよい。これにより、表面粗さ又は他の要因に起因する加熱後の導電性や機械的強度の低下を防止又は抑制することができる。すなわち、加熱後の導電性や機械的強度を、当該加圧がない場合より上げることができる。
［０１５０］
加圧することは、チップをウエハに接合する場合において、ウエハ同士を接合する場合に比べ有効である。典型的なシリコンウエハの寸法として、直径２００ｍｍ、３００ｍｍの円形が挙げられる。一方、典型的なＭＥＭＳチップの寸法として、一辺１ｃｍの四角形が上げられる。
［０１５１］
例えば、チップとウエハとも金属領域ＭＲが接合面とほぼ同じ高さで、チップ又はウエハに力を加えたときに非金属領域にも金属領域にもほぼ同じ圧力が掛かるとする。このとき、例えば、１００ＭＰａの圧力を金属領域に掛けようとする場合、ウエハには、数百トンの力を掛けなければならないのに対し、チップには数十キログラムの力を掛けることで十分である。したがって、チップをウエハに接合する場合には、ウエハ同士を接合する場合に比べて、所定の圧力を掛けるときに、より小さく又は簡便な加重機構を使用することができ、同等の加重機構を使用するときには、より効果的に圧力を加えることが可能になる。
［０１５２］
実際には、ＷＯＷ（ウエハオンウエハ）実装などで接合面に１０ＭＰａ以上の圧力で加圧することは困難である。これに対して、ＣＯＷ（チップオンウエハ）実装においては、１０ＭＰａ以上の加圧が実現できるので、当該加圧により、導電性の高い金属領域の接合界面や機械的強度の高い接合界面を形成することができる。
［０１５３］
本願発明における貼り合わせ時に加圧することで、その後の加熱処理により十分な導電性を有する金属領域ＭＲ間での接合界面の形成、又は十分な機械的強度を有する接合界面の形成が可能になる。これにより、従来行われている各チップの貼り合わせ中又は後での当該各チップに対する加熱が不要になるか、あるいは最小限に抑えることができるので、接合プロセスの効率が上がる。
［０１５４］
たとえば、数千個のチップを基板に貼り合わせる場合に、従来は１チップ毎に最低１０秒から数十秒に亘る加熱をすることが必要であったのに対し、本実施形態により、１チップあたり１秒で基板に貼り合わせた上で、接合されえるべきすべてのチップが基板上へ貼り合わされた後に、バッチ炉で１時間に亘り加熱処理を行うことで、十分な熱履歴（サーマルバジェット）の確保と接合プロセスの高速化とが同時に可能になる。
［０１５５］
さらには、以下の利点もある。すなわち、従来、複数の種類のチップがウエハ上に貼り合わされる場合、異なる高さ又は厚みのチップをウエハに貼り合わせることになる場合があり、あるいはばらつきがあるので、複数のチップを貼り合わせた後に、加熱工程中に各チップに同時に適切な圧力で加圧することは困難であった。しかし、本願発明により、貼り合わせにより形成されたチップとウエハの構造体の加熱（本接合）時の加圧が不要になることで、上記構造体を、複数個同時に、一回の加熱処理でおこなうことができる。すなわち、バッチ炉を用いて効率的なバッチ処理が可能になる。
［０１５６］
［２−２  チップ接合システム構成］
図４２は、チップ実装システム（電子部品実装システム）２００の概略構成を示す上面図である。図４３は、チップ実装システム２００のチップ供給装置２１０とボンディング装置２３０との概略構成を示す正面図である。なお、図４２及び図４３においては、便宜上、ＸＹＺ直交座標系を用いて方向等を示している。
［０１５７］
図４２に示すように、チップ実装システム２００は、複数のチップを保持して接合すべきチップを個別に供給するチップ供給装置２１０と、チップ供給装置２１０から供給されたチップを基板上に貼り合わせる又は貼り合わせるボンディング装置２３０と、複数のチップ及び基板の接合面に表面活性化処理と親水化処理を行う表面処理装置２４０と、チップ実装システムの外部から接合すべきチップ及び基板をその内部に搬入し、チップが貼り合わせられた基板（チップと基板とを含む構造体）をその外部へ搬出する搬出入部２９０と、複数のチップ、基板及びチップと基板とを含む構造体を搬出入部２９０、チップ供給装置２１０、ボンディング装置２３０及び表面処理装置２４０の間において搬送する搬送部２７０とを備える。
［０１５８］
このチップ実装システム２００は、基板（チップ実装対象の基板）上に複数のチップから構成される２００又は複数のチップ層を貼り合わせて実装するシステムである。たとえば、このチップ実装システム２００は、対象の基板ＷＡ上に第１層の複数のチップＣＰ１を接合することができる。また、チップ実装システム２００は、基板ＷＡ上に配置された第１層の複数のチップＣＰ１上に第２層の複数のチップＣＰ２等をさらに積層して接合することも可能である。
［０１５９］
図４２における表面処理装置２４０は、真空容器（真空チャンバ）を有して構成されている。このように、表面活性化処理及び親水化処理を行う際の雰囲気が、真空度、湿度、導入される気体の種類、排気特性などの諸条件を制御できるように構成されていることが好ましい。
［０１６０］
一方、一旦親水化処理が行われたチップ又は基板を搬送又は貼り合わせるチップ供給装置２１０やボンディング装置２３０においては、真空容器（真空チャンバ）内でチップ又は基板を取り扱うように構成する必要はない。例えば、チップ供給装置２１０及びボンディング装置２３０は、大気中で動作するように構成されてもよい。真空容器を必要としないことにより、イオン源や水ガス導入手段などの所定の機構を設ける空間が制限を受けず、チップ供給装置２１０及びボンディング装置２３０の構成要素の配置における自由度が向上し、これらの装置は比較的安価に製造されうる。
［０１６１］
図４２及び図４３に示す実施形態においては、加熱手段は図示されていないが、加熱手段はチップ実装システム２００に組み込まれるように構成されても、またチップ実装システム２００とは別に構成されてもよい。加熱手段がチップ実装システム２００に組み込まれる構成を採る場合には、加熱装置を搬送部２７０に連結した構成とすることで、仮接合後にチップと基板とを含む構造体を当該加熱装置に搬送することができる。加熱手段をチップ実装システム２００とは別に構成する場合には、加熱手段を、はんだ材のリフローなどを行うための加熱炉としても、一般的な加熱炉としてもよい。この場合、仮接合後のチップと基板とを含む構造体を複数個まとめて加熱処理することができるので、効率的に本接合を行うことができる。
［０１６２］
［搬送部］
搬送部２７０は、接合すべき複数のチップを、搬出入部２９０から表面処理装置２４０へ搬送し、表面活性化処理と親水化処理が行われた後に表面処理装置２４０からチップ供給装置２１０へ搬送する。また、搬送部２７０は、基板を、搬出入部２９０から表面処理装置２４０へ搬送し、表面活性化処理と親水化処理が行われた後に表面処理装置２４０からボンディング装置２３０へ搬送する。さらに、搬送部２７０は、所定数のチップが基板上に貼り合わせられた後に、チップと基板とを含む構造体をボンディング装置２３０から搬出入部２９０へ搬送する。
［０１６３］
［表面処理装置］
図４２に示す表面処理装置２４０は、真空チャンバ内に基板ＷＡ又は複数のチップを保持するステージ２４１と、表面活性化処理のために粒子を放射する粒子ビーム源２５０と、親水化処理のために水を放出する水導入口２６１とを備え、複数のチップと基板ＷＡとの両方に対して表面活性化処理と親水化処理とを行うことができる構成となっている。以下、便宜的に、図４２及び図４３に示す装置の実施例を用いて本願発明を説明するが、これに限定されない。
［０１６４］
図４２には、表面処理装置２４０内に基板ＷＡのみが示されているが、複数のチップと、この複数のチップが既に貼り合わせられている基板とを含む構造体における、最上層のチップの第二接合面に対して表面活性化処理又は親水化処理をする場合には、図４２の基板ＷＡが示されている位置に、基板ＷＡに代わって、上記複数のチップとこの複数のチップが既に貼り合わせられている基板とを含む構造体を配置するような構成としてもよい。
［０１６５］
たとえば、表面活性化処理のために一つのチャンバを設け、親水化処理のために別のチャンバを設けてもよい。また、複数のチップの表面処理（表面活性化処理及び親水化処理）をするために一つのチャンバを設け、基板の表面処理（表面活性化処理及び親水化処理）をするために別のチャンバを設けてもよい。
［０１６６］
さらにまた、チップの表面活性化処理と親水化処理、そして基板の表面活性化処理と親水化処理とを別個に実施するために、それぞれの処理に対してチャンバを設け、計４つのチャンバを設けてもよい。また、表面活性化処理及び親水化処理の処理態様に応じて、１又は複数のチャンバを設ける構成とすることができ、各チャンバに収容する処理装置の組み合わせも種々に変更することが可能である。
［０１６７］
表面処理装置２４０は、真空ポンプ（図示せず）に接続されており、表面処理装置２４０内部の気圧を低下させ、真空度を上げることができる。真空度を上げることで、粒子ビーム源２５０による粒子ビームの放射が可能になる。真空ポンプは、表面処理装置２４０内の気圧を１０−２Ｐａに下げる能力を有することが好ましい。また、真空引きにより、表面処理装置２４０内の、浮遊不純物や水分子などを予め除去し、清浄な雰囲気を準備することができる。
［０１６８］
［表面活性化処理手段］
所定の運動エネルギーが付与された粒子は、粒子ビーム源２５０から接合面を有する基板ＷＡ全体に向けて放射状に放射されてもよい。比較的小型の粒子ビーム源などを使うことができ、装置を比較的単純に構成することで小型化できる。このとき、粒子ビーム源２５０の位置、向きなどを変えることで、接合面が設定された領域全体を照射することができる。
［０１６９］
図４２では、粒子ビーム源２５０は、表面処理装置２４０内でステージ２４１の斜め上部に取り付けられ、ステージ２４１上に搬送された基板ＷＡの表面に向けて所定の運動エネルギーが付与された粒子を放射する。ステージ２４１は、円形であり、ステージ２４１の中心軸を回転軸として回転することができる。ステージ２４１を表面活性化処理中に回転させることで、基板ＷＡ表面に亘って、基板ＷＡ表面の単位面積当たりに照射される粒子の量を均一にし、表面層の除去量（厚さ）を均一にすることができる。
［０１７０］
粒子ビーム源２５０のチャンバ内の配置又は粒子ビームが照射される対象物に対する配置は、図４２に示された実施態様に限定されない。
［０１７１］
［親水化処理手段］
図４２に示される実施形態においては、接合面を親水化処理する親水化処理手段２６０は、水ガス供給部２６３と、弁２６２と、ガス供給管と、水導入口２６１とを有して構成される。水ガス供給部２６３から供給される気体状又は液体状の水は、弁２６２の開放に応じて、ガス供給管を通って水導入口２６１から表面処理装置２４０のチャンバ内に導入される。弁２６２は、マスフローとして機能し、その開放度に応じて水の供給量を調節するようにしてもよい。
［０１７２］
また、親水化処理手段２６０は、水ガス供給部２６３で水ガス（気体状の水又は霧状の水）をキャリアガスと混合させることで、水ガスとキャリアガスの混合体が表面処理装置２４０のチャンバ内に導入されるように構成されてもよい。さらにまた、親水化処理手段２６０は、水ガスとキャリアガスとの混合比、弁２６２を通過するガスの流量を調節することで、表面処理装置２４０内の雰囲気の湿度を調節するように構成されてもよい。
［０１７３］
［チップ供給装置］
チップ供給装置２１０は、ダイシングされた基板ＷＣから各チップＣＰを取り出し、ボンディング装置２３０に各チップＣＰ（ＣＰｉ）を供給する装置である。チップ供給装置２１０は、複数のチップから一つのチップのみを上方に持ち上げて支持する突上部２１１と、突上部２１１により持ち上げられたチップＣＰをボンディング装置２３０に搬送するチップ移載装置２１３等を備える。チップ移載装置２１３は、ダイピッカ２１３１とチップ供給機２１３５とを有する。（図４３）
［０１７４］
チップ供給装置２１０は、その内部でダイシング処理が行われて複数のチップＣＰが生成されるように構成されてもよい。具体的には、複数の電子回路を有する基板ＷＣが縦方向および横方向に切削されチップ化される。
［０１７５］
あるいは、ダイシング処理が既に行われた複数のチップＣＰが、支持基板に支持された状態で、表面活性化処理、親水化処理が施されてチップ供給装置２１０に搬送されてもよい。ダイシング処理による汚染粒子などの発生を抑制することができる。
［０１７６］
チップ供給装置２１０内において、ダイシングされた複数のチップＣＰがダイシングテープＴＥ（図示せず）上に載置される。各チップＣＰは、フェイスアップ状態（金属領域ＭＲとしてのハンダバンプＢＵ（図示せず）が付された側の面が上側を向いた状態）でダイシングテープＴＥ上に載置されている。
［０１７７］
そして、切り出された各チップＣＰは、チップ供給装置２１０の突上部（突上ニードル）２１１によって、１個ずつ上方に突き上げられ、ダイピッカ２１３１に位置ＰＧ１で受け渡される。フェイスアップ状態のチップＣＰが、反転機構を有するダイピッカ２１３１によって上下反転されて、フェイスダウン状態でボンディング装置２３０に供給される。ダイピッカ２１３１は、その先端（下端）の吸着部でチップＣＰをフェイスアップ状態で吸着し、反転機構によって上下反転されて、フェイスダウン状態でさらに上方に移動した後に、チップ供給機２１３５に受け渡す。チップ供給機２１３５は、フェイスダウン状態のチップＣＰの上面を吸着して、チップ搬送部２３９側へ向けて移動する。
［０１７８］
［チップ搬送部］
図４３において、チップ搬送部（ターレットとも称する）２３９は、チップ供給装置２１０から供給されたチップを一つずつボンディング部２３３（詳細にはヘッド部２３３Ｈ）に受け渡す装置である。
［０１７９］
図４３において、チップ搬送部２３９の３つのプレート部２３９１上に、チップの突起部（金属領域）が下向きに載置されているが、チップの金属領域はチップ搬送部２３９に接触しないことが好ましい。
［０１８０］
チップ搬送部２３９の３つのプレート部２３９１は、チップの金属領域ＭＲに触れないように、チップの接合面の一部分を支持するように構成されてもよい。これにより、親水化処理が完了してから仮接合が行われるまでに、チップの金属領域ＭＲは、親水化処理が完了したときの表面状態を保つことができる。
［０１８１］
［ボンディング装置］
チップ搬送部２３９は、チップ供給機２１３５からチップＣＰを、図４３の位置ＰＧ３で受け取ると、中心軸ＡＸ周りの回転動作によって当該チップＣＰをボンディング部２３３のヘッド部２３３Ｈの直下の位置である図４３の位置ＰＧ５まで搬送する。チップＣＰは、このような搬送動作を経て、フェイスダウン状態のまま受渡位置ＰＧ５にまで到達する。
［０１８２］
その後、ボンディング部２３３のヘッド部２３３Ｈは、チップＣＰを吸着することにより受け取る。ステージ２３１をＸ方向およびＹ方向に移動し、基板ＷＡの当該チップＣＰを仮接合すべき箇所（基板の接合部）を、ヘッド部２３３Ｈの真下に配置する。その後、ボンディング部２３３のヘッド部２３３Ｈが降下し、チップの接合面を基板上の対応する接合部に接触させる。接触時に、チップの接合面と基板の接合部との間に圧力を加えることができるようにボンディング部を構成してもよい。
［０１８３］
［水再付着装置］
上記の親水化処理の完了後、チップが基板上に貼り合わせられる前に、またはチップが基板上に既に貼り合わせられたチップの第二接合面上に貼り合わせられる前に、接合されるチップの接合面又は第一接合面に水を付着させるための孔部を有する装置（水再付着手段又は水再付着装置）を設けてもよい（図示せず）。水再付着装置は、チップ搬送部２３９に設けられてもよく、あるいはチップ供給装置２１０内やボンディング装置２３０内に設けられてもよい。
［０１８４］
［複数層に亘るチップの実装］
工程Ｓ２１から工程Ｓ２３（図４０及び図４４（ａ））が完了すると、基板上には所定数の１層分のチップＣＰ１が貼り合わせ又は取り付けられている。この第１層を構成するチップＣＰ１の第二接合面に第２層を構成する所定数のチップＣＰ２の第一接合面が接触するように、それぞれのチップを基板上に貼り合わせる。３層目以降も、同様の取付動作を実行することで、所望の数のチップ層を基板上に貼り合わせる。（図４４（ａ））
［０１８５］
第２層のチップの取付けを例として説明すると、新たな（第２層の）チップの接合面（第一接合面）に対して表面活性化処理と親水化処理を行い、既に基板に貼り合わせられている第１層のチップＣＰ１の第二接合面に対して表面活性化処理と親水化処理を行う。
［０１８６］
表面活性化処理と親水化処理が施された第１層のチップの数に対応する所定数の第２層のチップが、それぞれ、表面活性化処理と親水化処理第２層のチップに貼り合わせられる。第２層のチップＣＰ２の第１層のチップＣＰ１への貼り合わせは、第２層のチップＣＰ２を一つずつ貼り合わせることを、貼り合わせるべき所定数のチップの取付けが完了するまで繰り返すことで行われる。第２層のチップＣＰ２の取付け（図４４（ｂ））が完了すると、基板上には２層分のチップＣＰ１及びＣＰ２が実装された状態になる。
［０１８７］
以降これを繰り返し、第ｉ層（ｉは３以上）のチップＣＰｉの第一接合面を基板上に既に貼り合わせられている第ｉ―１層のチップＣＰｉ―１に貼り合わせることにより、所定数の第ｉ層のチップＣＰｉを基板上に貼り合わせる。
［０１８８］
第ｉ層が所望の数の層（Ｎ層）まで、新たな所定数のチップに対して表面活性化処理及び親水化処理を行い、貼り合わせられた最上層の所定数のチップに対して表面活性化処理及び親水化処理を行い、仮接合する動作を繰り返すことにより、基板上にＮ層の仮接合チップ層を形成することができる（図４４（ｃ））。図４４（ｃ）では、５層のチップ層が形成されているが、チップ層の数Ｎは、これに限定されることはなく、２以上であればよい。
［０１８９］
基板と基板上に貼り合わせられたチップとで構成される構造体は、貼り合わせ後に加熱されてもよい。加熱は、各層である第ｉ層のＣＰｉが基板上に貼り合わせられるごとに行ってもよく、また、所定数の層（Ｎ層）がすべて基板上に積層して貼り合わせられた後に行ってもよい。
［０１９０］
［３  第三実施形態］
本願発明の第三実施形態において、図４５に示すように、まず工程Ｓ３１において、金属領域ＭＲと樹脂からなる非金属領域ＮＲを有する基板の接合面に対して表面活性化処理を行い、工程Ｓ３２において、表面活性化が行われた接合面に対して親水化処理を行い、工程Ｓ３３において、親水化処理された複数のチップをそれぞれ基板の接合面と貼り合わせ、さらに工程Ｓ３４において、貼り合わせにより形成された構造体を、樹脂が硬化する温度範囲に保つことで、樹脂を一旦流動化させ、その後、樹脂を硬化させる。
［０１９１］
したがって、樹脂Ｒは、接合面上で金属領域ＭＲを囲むように形成されていることが好ましい。しかし、これに限られず、樹脂Ｒは、接合面上で金属領域ＭＲを囲むように形成されていなくても、たとえば、加熱工程で流動化する結果、接合界面において金属領域ＭＲを囲むように形成されていることが好ましい。
［０１９２］
本実施形態における基板には、第一実施形態の基板、第二実施形態のチップがすべて含まれる。さらに、本実施形態においては、非金属領域ＮＲの少なくとも一部が樹脂により形成されていること、そして貼り合わせ後に樹脂を流動化及び硬化させる工程Ｓ３４がある点で異なるが、表面活性化処理及び親水化処理の手法においては実質的に同じである。以下、第一実施形態と同様な内容については重複して説明しないが、説明がないことで、第一実施形態の内容が第二実施形態に適用されないと解するべきではない。
［０１９３］
図４６は、本願発明に係る第三実施形態に係る基板の接合方法の処理過程を模式的に示す断面図である。
［０１９４］
図４６（ａ）が示すように、本実施形態における基板１の接合面２の非金属領域ＮＲの少なくとも一部は、樹脂Ｒで形成されている。
［０１９５］
樹脂Ｒは、流動性や硬化開始を示す温度又は熱履歴などに応じて、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などから適切な特性の樹脂が選択又は合成される。例えば、熱硬化性樹脂として、チップなどの電子部品の封止材料として汎用的に用いられているエポキシ樹脂が採用されてもよい。
［０１９６］
図４６（ａ）は、第一又は第二実施形態で用いられた表面活性化処理と親水化処理が行われた状態の接合面を模式的に示している。図４６（ａ）では、水酸化物層４が、金属領域ＭＲ上にのみ描かれているが、樹脂Ｒ上に水酸化物層４又は水の層が形成されていても構わない。その際、水酸化物層４又は水の層は、水を介在した両基板間の位置合わせの手法、表面活性化処理された樹脂Ｒの表面の親水性、あるいは表面活性化処理や親水化処理のなどにより、非金属領域ＮＲ上の所定の箇所に形成されるようにしてもよい。
［０１９７］
図４６（ｂ）は、金属領域ＭＲと樹脂Ｒを含む非金属領域ＮＲとを含む接合面２及び１２同士が接触するように貼り合わされた一対の基板１及び１１の構造体を示している。
上述のとおり、水の層４は、非金属領域ＮＲの間に形成されてもよい。
［０１９８］
なお、図４６（ｂ）において、非金属領域ＮＲ同士は直接接触していないように描かれているが、貼り合わせ時に非金属領域ＮＲは接触していても構わない。しかし、貼り合わせ工程だけでは、非金属領域ＮＲ間の機械的強度は、水素結合又はこれと同等の強度であるにすぎない。そこで、図４６（ｂ）では、模式的に非金属領域ＮＲは互いに離して描かれている。
［０１９９］
工程Ｓ３４の加熱を行うと、上記第一又は第二実施形態の説明で述べたとおり、金属領域ＭＲで構成される接合界面からは、水酸（ＯＨ）基又は水の層４が拡散などにより消滅する。加熱温度が、当該樹脂Ｒのガラス転移温度を超え流動性を有すると、流動して基板１と１１との接合界面にある隙間を埋めていく。適切な熱履歴（サーマルバジェット）を与えて樹脂Ｒを十分に流動させることで、金属領域ＭＲ同士の接合で形成された領域を樹脂で囲んで、これを外気との接触から遮断する構造を形成することができる（図４６（ｃ））。
［０２００］
樹脂Ｒを十分流動させてから硬化させることで、硬化した樹脂Ｒを介して接合された基板１及び１１間の接合強度を上げるとともに、基板１及び１１間の電気的接続を確立する金属領域ＭＲ間の接合界面を外気との接触から遮断し、いわゆる封止をすることができる。
［０２０１］
上述のとおり、従来、銅（Ｃｕ）により形成された金属領域ＭＲにより良好な接合界面５を形成するためには、貼り合わせ（仮接合）後の加熱処理における温度が、約摂氏３５０度又はこれより高い温度であることが必要であった。そのために、基板又はチップの構成に樹脂を使用する場合には、当該樹脂として、高温耐熱性の合成樹脂を使用せざるを得ず、実際的にはＢＣＢ（ベンジシクロブテン）を使用せざるを得なかった。しかし、清浄な金属表面を形成し当該表面を水酸化処理して仮接合を行う本願発明を適用することで、良好な銅（Ｃｕ）の接合界面５を得るための温度を摂氏２００度以下、例えば摂氏１５０度程度にすることが可能になった。
［実施例］
［０２０２］
本発明の効果を検証するために、表面活性化処理として従来のプラズマ処理と本願発明に係るイオン源によるイオンビームの放射との相違が、チップ同士の接合によって得られる接合界面のシェアー強度への影響を調べた。
［０２０３］
使用したチップは、５ｍｍの正方形の形状を有し、その接合面上には、金属領域として、直径が１０マイクロメータ（μｍ）の３６００個のバンプ（金属領域）がピッチ（間隔）２０マイクロメータ（μｍ）で配置されていた。非金属領域は、バンプ（金属領域）を囲むように、エポキシ樹脂で形成されていた。接合面は、研磨され、金属領域と非金属領域との表面はほぼ同じ高さであった。
［０２０４］
接合されるチップに対して、表面活性化処理として、従来のプラズマ処理と本願発明によるイオン源によるイオンビームの放射とのいずれかをそれぞれ行い、同じ親水化処理を行い、これらを貼り合わせた。その後の、貼り合わせられたチップで構成される構造体を無加圧で加熱した。
［０２０５］
より詳細には、プラズマ処理は、アルゴン（Ａｒ）をガスとし、駆動電力２５０Ｗ、プラズマ処理時間３００秒の作動条件で行われた。イオン源によるイオンビームの放射は、アルゴン（Ａｒ）をガスとし、陽極陰極間に掛けられた電力は、１１０ボルト（Ｖ）、３アンペア（Ａ）であり、イオンビーム放射時間３００秒の作動条件で行われた。したがって、放射されたイオンはおおよそ１１０ｅＶの運動エネルギーを有していた。また、イオン源の作動の際のバックグラウンド圧力は１０−３Ｐａ程度であり、作動中の気圧は、１０−２Ｐａ程度であった。
［０２０６］
親水化処理は、上記表面活性化処理の直後に、接合面の雰囲気中に、１０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量の窒素（Ｎ２）と１０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量の水ガスとの混合ガス（湿度７５％に相当）を導入するか、又は１０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量の窒素（Ｎ２）と２０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量の水ガスとの混合ガス（湿度９５％に相当）を導入することで行われた。チップの基板への貼り合わせ（仮接合）は、温度摂氏１５０度で３００Ｎの圧力を掛けて行われた。貼り合わされたチップの構造体の加熱（本接合）は、バッチ炉内で、温度摂氏２００度、無加圧下で、１時間に亘り行われた。
［０２０７］
上記接合過程の後、複数個のチップ同士の接合体について、市販のチップのシェアー強度測定器を用いて、そのシェアー強度が測定された。これらの測定により得られたシェアー強度の平均値は、図４７に示されているように、表面活性化処理としてプラズマ処理をした場合に比べて、イオン源を用いてイオンビーム放射をした場合には、シェアー強度が９倍程度であった。このように、本願発明は、非金属領域が樹脂などの、イオン放射により表面から放出されやすく、又は接合界面の接合強度等の特性に影響を及ぼし易い材料には特に有効である。
［０２０８］
以上、本願発明の幾つかの実施形態及び実施例について説明したが、これらの実施形態及び実施例は、本願発明を例示的に説明するものである。特許請求の範囲は、本願発明の技術的思想から逸脱することのない範囲で、実施の形態に対する多数の変形形態を包括するものである。したがって、本明細書に開示された実施形態及び実施例は、例示のために示されたものであり、本願発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。「仮接合」や「本接合」という用語において、「仮」及び「本」は、当該２つの用語を区別するために用いられるものであって、「仮」及び「本」が単独で有する意味を有するように解釈されるべきではない。
［符号の説明］
［０２０９］
１、１１  基板
２、１２  接合面
３        表面層
４        水酸化物層
５        接合界面
１００    表面処理システム
１４０    真空容器
１５０、１５０Ａ、１５０Ｎ、２５０    粒子ビーム源（表面活性化手段）
１５１    カソード
１５２    アノード
１５４    電源
１５５    ガス導入手段
１６０、２６０    親水化処理手段
２００    チップ実装システム
２１０    チップ供給装置
２３０    ボンディング装置
２４０    表面処理装置
２７０    搬送部
２９０    搬出入部
ＣＰ      チップ
ＭＲ      金属領域
ＮＲ      非金属領域
Ｂ        粒子ビーム
Ｖ        水等
［０２１０］
以下に、いくつかの実施形態を付記の形式で示す。
［付記１］
少なくとも１つの金属領域と少なくとも１つの非金属領域とを有して構成される接合面を有する第一基板と、第二基板とを接合する方法であって、
前記接合面から離間された位置から前記接合面に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射して、接合面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップと、
前記表面活性化処理が行われた接合面に対して、水又はＯＨ含有物質を付着させて、接合面の少なくとも金属領域の表面に当該金属の水酸化物からなる層を形成することで、接合面の親水化処理を行うステップと、
前記表面活性化処理と親水化処理が行われた第一基板の接合面と第二基板の接合面とを貼り合わせるステップと、
を備える、方法。
［付記２］
前記第二基板の接合面が少なくとも１つの金属領域と少なくとも１つの非金属領域とを有して構成される接合面を有し、
前記第二基板の接合面から離間された位置から前記第二基板の接合面に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射して、第二基板の接合面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップと、
前記表面活性化処理が行われた第二基板の接合面に対して、水又はＯＨ含有物質を付着させて、接合面の少なくとも金属領域の表面に当該金属の水酸化物からなる層を形成することで、接合面の親水化処理を行うステップと、
を更に有し、
前記第一基板の接合面と第二基板の接合面とを貼り合わせるステップは、前記表面活性化処理と親水化処理が行われた第一基板の接合面と、前記表面活性化処理と親水化処理が行われた第二基板の接合面とを貼り合わせることを含む、
付記１に記載の方法。
［付記３］
前記表面活性化処理において、前記粒子は、前記接合面から離間して配置されたイオンビーム源又は中性原子ビーム源により、当該接合面に向かって加速されて放射されることを特徴とする、付記１又は２に記載の方法。
［付記４］
前記表面活性化処理ステップにおいて、
前記粒子が有する運動エネルギーが５０ｅＶから２ｋｅＶであり、かつ、
粒子が放射されている間の真空度が１Ｐａ以下である、
ことを特徴とする付記１から３のいずれか一項に記載の方法。
［付記５］
第一基板と第二基板とが貼り合わされることで形成された構造体を加熱するステップを更に有する、付記１から４のいずれか一項に記載の方法。
［付記６］
前記第一基板は複数のチップから構成され、
前記第一基板の接合面と第二基板の接合面とを貼り合わせるステップは、第二基板の接合面に複数のチップがそれぞれ貼り合わされることで行われる、
ことを特徴とする、付記１から４のいずれか一項に記載の方法。
［付記７］
前記複数のチップとウエハが貼り合わされることで形成された構造体を加熱するステップを更に有する、付記６に記載の方法。
［付記８］
各チップを第二基板に貼り合わせるステップは、チップの接合面と第二基板の接合面とを互いに押し付けられる方向に加圧することを含み、
前記構造体を加熱するステップは、非加圧で行われる、
付記７に記載の方法。
［付記９］
前記各チップを第二基板に貼り合わせるステップにおいて、チップの接合面と第二基板の接合面とに加える圧力は、１０ＭＰａ以上である、
付記８に記載の方法。
［付記１０］
前記非金属領域の少なくとも一部が樹脂で構成され、
前記構造体を加熱するステップは、当該構造体を樹脂が硬化する温度範囲に保つことを含む、
付記５又は７から９のいずれか一項に記載の方法。
［付記１１］
第一基板と第二基板とを貼り合わせるステップは、摂氏３００度以下、かつ前記樹脂の硬化温度未満で行われることを特徴とする付記１０に記載の方法。
［付記１２］
前記金属領域の主たる成分が銅（Ｃｕ）であることを特徴とする付記１から１１のいずれか一項に記載の方法。
［付記１３］
前記非金属領域は、酸化ケイ素、窒化ケイ素若しくは樹脂、又はこれらの複合材料から構成されることを特徴とする、付記１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2013243333.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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