(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が親水性で前記表面に−ＯＨ基が結合している複数の基板を接合する方法であって、
化学式1  HS-R1-Si(O-R2)nH3-n
ただし  R1は、(CH2)m  (m≧1)
R2はCH3、あるいは、CH3(CH2)l  (l≧1)
0≦n≦3
であらわされる材料を金属微粒子の表面に化学結合させた接合材料を形成する工程と、
基板Ａの表面に前記接合材料を化学結合させる工程と、
基板Ａと基板Ｂの接合面を対向させて重ね合わせ、基板Ｂの表面と前記基板Ａの表面とに結合させた前記接合材料を化学結合する工程を含むことを特徴とする基板の接合方法。
【請求項２】
前記接合材料を形成する工程が、前記金属微粒子表面の金属原子と、前記化学式1であらわされる材料に含まれる-SH基との化学結合による請求項１記載の基板の接合方法。
【請求項３】
前記基板Ａと前記接合材料間、および、前記基板Ｂと前記接合材料間の化学結合が、前記接合材料表面の-Si(O-R2)nH3-n基と、前記基板Ａあるいは前記基板Ｂ表面に結合している-OH基とが反応により生じる化学結合である請求項２記載の基板の接合方法。
【請求項４】
前記金属微粒子が、金、銀、銅、アルミニウム、のいずれかである請求項３記載の基板の接合方法。
【請求項５】
前記基板が、表面にシリコン酸化物、チタン酸化物のいずれかが存在する基板である請求項４記載の基板の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属工業、化学工業、電子工業、機械工業、ならびに微小電気機械技術分野、精密加工技術分野等において、複数の基板を接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基板を接合する方法としては、接着剤を使用して接合する方法、陽極接合法、共晶接合法などがよく用いられる。接着剤を使用して接合する方法は、樹脂のモノマーを接合する基板の間に塗布した後、両者を重ね合わせた状態でモノマーを重合させて固化させることにより接合を行う方法である。
【０００３】
陽極接合法は、主にガラス等の内部に可動イオンを有する材料とシリコンや金属材料を接合する際に用いられる方法である。陽極接合の主な手順をガラスとシリコン基板を例にとって説明すると、ガラスとシリコン基板の接合面を重ね合わせ、200〜300℃に加熱する。次にその温度を保ちながら、ガラスとシリコン基板の間にガラス側が負極になるように、400〜600V程度の電圧を印加することで、ガラス内部の可動イオンが移動し、ガラスとシリコン基板の界面に静電的な結合力が生じることによって両者が接合される。
【０００４】
また、共晶接合は、両者の基板の内部に拡散しやすい接合材料を接合面に塗布、堆積させておき、接合面を合わせて高温環境下に保持することにより、接合材料が2枚の基板内に拡散させて、共晶状態を作り出すことにより、両者を接合する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの接合方法にはそれぞれ課題がある。まず、接着剤を使用して接合する方法では、接合しようとする基板のサイズが小さい場合や、接合したい領域が微小な場合には、接着剤を精密に塗布することが難しいという問題がある。このため、接合の際に接着剤が接合したい領域からはみ出してしまったり、不必要な領域まで接着してしまったりするという課題がある。また、基板間の接合は、有機物のポリマーを介して行われているため、接合強度があまり大きくないという問題もある。次に陽極接合の場合は、基本的にどちらか一方の基板は内部に可動イオンを有する材料である必要があり、なおかつ、接合時に200℃以上の高温に基板を加熱する必要があるため、高温では劣化する材料や構造が含まれている場合には利用できない。また、熱を加えて接合し、接合後に常温まで冷却されるため、熱膨張計数の比較的近い材料同士でないと、冷却時に歪みが生じて基板が破壊されてしまうなどの課題がある。共晶接合も、同様に熱を加えて接合し、接合後に室温まで冷却するため、同様の課題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の基板の接合方法では次のような方法を用いる。まず、接合用材料として、金、銀等の金属微粒子の表面に、
0004223733.tif 000002
であらわされる材料を化学結合させる。化学式１であらわされる材料に含まれる-SH基と、金や銀等の金属材料は容易に結合し、なおかつ表面に自己配列する性質があるため、表面に-Si(O-R2)3Hn-3基が導入された金属微粒子が得られる。本発明では、これを接合材料として用いる。次に、この接合材料を接合したい基板の一方に化学結合させる。ここで用いる基板材料は表面が親水性であるために、表面には吸着した-OH基が多数存在する。この-OH基と接合材料表面の-Si(O-R2)3Hn-3が結合することにより、基板上の表面に接合材料である微粒子が結合する。最後に、もう一方の基板を重ねることにより、接合材料である微粒子の結合した部分と別の領域にある-Si(O-R2)3Hn-3と基板が化学結合する。これにより、2枚の基板が接合材料である微粒子を間に挟んだ形で接合される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(実施の形態１)
本実施の形態では、表面に酸化シリコン層が形成された2枚のシリコン基板を接合する方法について図１に基づいて説明する。まず、2枚のシリコン基板Ａ101およびシリコン基板Ｂ102を洗浄した後、熱酸化炉において酸化シリコン層103を表面に形成する(図1(1))。シリコン基板の洗浄方法および酸化シリコン層を形成するための方法、条件等は従来の半導体プロセスで一般的に使用されている標準的なものに従う。また、酸化シリコン層103の厚みは、表面が均一に酸化シリコン層103で被覆されているならば、任意の厚みでかまわない。加えて、酸化シリコン層103を形成する方法も熱酸化による方法以外、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法、ゾル−ゲル法などを用いてもかまわない。
【０００８】
次に直径20nmの金微粒子104が含まれている金コロイド溶液と3-メルカプトプロピルトリメトキシシランを含む適切な溶媒中で加熱しながら混合し、金微粒子103の表面に3-メルカプトプロピルトリメトキシシランを化学結合させ、接合材料105を形成する(図1(2))。
【０００９】
続いて表面に酸化シリコン層103を形成したシリコン基板Ａ101を、この接合材料105を含む溶媒中に浸漬し、適切な温度に保ちながら一定時間放置し、接合材料105表面にある-Si(O-CH3)3基と酸化シリコン層103表面に存在する-OH基を化学的に結合させる(図1(3))。最後に、もう一枚のシリコン基板Ｂ102を酸化シリコン層103が形成された面を重ね合わせて、接合材料105が含まれていない溶媒中で適切な温度に保ちながら一定時間放置し、接合材料105表面にある-Si(O-CH3)3基と酸化シリコン層103表面に存在する-OH基を化学的に結合させる(図1(4))。その結果、3-メルカプトプロピルトリメトキシシランが表面に結合した金コロイド微粒子を介して、表面を酸化シリコンで被覆されたシリコン基板同士が接合される。
【００１０】
本実施の形態では、接合対象の基板としては、表面に酸化シリコン層を形成したシリコン基板を使用しているが、これ以外でもガラス基板やチタン酸化物などの、表面が親水性で-OH基が結合している基板ならば使用することができる。また、金属微粒子としては、金コロイドの他に銀コロイドなどの、-SH基と化学結合する材料が、また3-メルカプトプロピルトリメトキシシランの代わりには、
0004223733.tif 000003
であらわされる材料であれば、それぞれ利用することができる。
【００１１】
本実施の形態中、接合材料105表面にある-Si(O-CH3)3基と酸化シリコン層103表面に存在する-OH基を化学的に結合させる工程は、概ね100℃以下の温度で行うことが可能であり、従来の接合方法のように基板を高温にする必要がない。
(実施の形態２)
本実施の形態では、基板の全面ではなく一部のみを選択的に接合するための方法について図２に基づいて説明する。2枚のシリコン基板Ａ101およびシリコン基板Ｂ102を洗浄した後、熱酸化炉において酸化シリコン層103を表面に形成した。シリコン基板の洗浄方法および酸化シリコン層を形成するための方法、条件等は従来の半導体プロセスで一般的に使用されている標準的なものに従う。シリコン基板の洗浄方法および酸化シリコン層を形成するための方法、条件等は従来の半導体プロセスで一般的に使用されている標準的なものに従う。また、酸化シリコン層103の厚みは、表面が均一に酸化シリコン層103で被覆されているならば、任意の厚みでかまわない。加えて、酸化シリコン層103を形成する方法も熱酸化による方法以外、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法、ゾル−ゲル法などを用いてもかまわない。
【００１２】
次に2枚のシリコン基板Ａ101およびシリコン基板Ｂ102それぞれについて、形成した酸化シリコン層103を接合したい部分のみを残し、それ以外の酸化シリコン層103を選択的に除去する(図2(1))。本実施の形態では、フォトリソグラフィプロセスにより、接合したい領域以外の不要な酸化シリコン層103を除去する。なお、フォトリソグラフィプロセスの代わりに、リフトオフ法、マスク蒸着・スパッタ法などの方法を用いて、接合したい領域のみに選択的に酸化シリコン層を形成する方法を用いることも可能である。また、酸化シリコン層103の除去は、シリコン基板Ａ101あるいはシリコン基板Ｂ102のいずれか一方のみについて行ってもよい。
【００１３】
次に直径20nmの金微粒子104が含まれている金コロイド溶液と3-メルカプトプロピルトリエトキシシランを含む適切な溶媒中で加熱しながら混合し、金微粒子103の表面に3-メルカプトプロピルトリメトキシシランを化学結合させ、接合材料105を形成する(図2(2))。
【００１４】
続いて表面の接合領域のみに酸化シリコン層103が存在するシリコン基板Ａ101を、この接合材料105を含む溶媒中に浸漬し、適切な温度に保ちながら一定時間放置し、接合材料105表面にある-Si(O-CH2CH3)3基と酸化シリコン層103表面に存在する-OH基を化学的に結合させる(図2(3))。最後に、もう一枚のシリコン基板Ｂ102を酸化シリコン層103が形成された面を重ね合わせて、接合材料105が含まれていない溶媒中で適切な温度に保ちながら一定時間放置し
、接合材料105表面にある-Si(O-CH2CH3)3基と酸化シリコン層103表面に存在する-OH基を化学的に結合させる(図2(4))。その結果、3-メルカプトプロピルトリメトキシシランが表面に結合した金コロイド微粒子を介して、表面に酸化シリコン層が形成されている部分のみ選択的にシリコン基板同士が接合される。
【００１５】
本実施の形態では、接合対象の基板としては、表面に酸化シリコン層を形成したシリコン基板を使用したが、これ以外でもガラス基板やチタン酸化物などの、表面が親水性で-OH基が結合している基板ならば使用することができる。また、金属微粒子としては、金コロイドの他に銀コロイドなどの、-SH基と化学結合する材料が、また3-メルカプトプロピルトリエトキシシランの代わりには、
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であらわされる材料であれば、それぞれ利用することができる。
【００１６】
また、接合領域に選択性を持たせる方法としては、酸化シリコン層103の有無で区別する方法以外にも、表面に親水性の領域と疎水性の領域を形成できれば他の方法を用いることができる。
【００１７】
本実施の形態では選択的に接合を行う方法について説明している。これは、接着剤などを用いる場合と異なり、接合したい領域のみに酸化シリコン層を形成することで、不要な部分に接合材料が化学結合することを防ぐことにより実現している。このため、接合したい領域が微小であったとしても、接合したくない領域が接合してしまうといった問題を解決することが可能である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の基板の接合方法を用いることにより、基板の接合を低温で行うことができ、これにより、熱膨張計数の異なる材料であっても接合後に基板がひずみにより破壊するという問題を解決できる。また、微細な領域のみを選択的に接合したい場合でも、接合したい領域のみを親水性の領域とするだけでよく、接着剤のように意図しない領域までも接合してしまうという問題が生じない。さらに、基板同士は分子間の共有結合で接合されているため、接着剤のような有機物ポリマーよりも接着強度が大きくとれるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接合方法で、基板の全面を接合する手順を示す模式図である。
【図２】本発明の接合方法で、基板の一部分を選択的に接合する手順を示す模式図である。
【符号の説明】
101  シリコン基板Ａ
102  シリコン基板Ｂ
103  酸化シリコン層
104  金コロイド粒子
105  接合材料
【図１】
0004223733.tif 000005
【図２】
0004223733.tif 000006