JP2000188245A - ウェーハの結合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 室温での密着を促進するために重ね合わせた
ウェーハに外力を加えてもその部分に歪みが発生しない
結合方法を提供することにある。 【解決手段】 ２枚のウェーハを室温で貼り合わせる方
法であって、重ね合わせた後、ボンドウェーハの結合面
とは反対側の面に気体により圧力を加えて常温でのファ
ンデルワールス力による結合を促進させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＳＯＩ基板及び２
枚のシリコンウェーハ等のウェーハを結合する方法に関
し、詳しくは、重ね合わせた後気体による圧力を加えて
結合するウェーハの結合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鏡面研磨された２枚のウェーハを、その
鏡面研磨面同士を清浄な条件下で直接または酸化膜を介
して重ね合わせることにより、接着剤を用いることなく
結合できることが知られており、その方法は特許第２５
１２２４３号公報に提案されている。

【０００３】その従来の方法は、クリーンルーム内にお
いて載置台上に一方のウェーハ（ベースウェーハ）を結
合面を上に向けて載置し、他方のウェーハ（ボンドウェ
ーハ）の結合面とは反対側の面におけるＯＦ（オリエン
テーションフラット）部またはノッチ部（Ｖ字形の切欠
き部）付近を真空ピンセットで吸着保持し、ボンドウェ
ーハのＯＦ部またはノッチ部がやや下がり気味となるよ
うに傾けた状態でベースウェーハ上方から下降させてゆ
き、先ず両ウェーハのＯＦ部またはノッチ部が合致する
ようにその縁を軽く接触させる。次いで、両ウェーハの
ＯＦ部またはノッチ部とは反対側の端部同士の間隔が約
１ｍｍ程度になるまで接近させ、その状態で前記真空ピ
ンセットの吸着を開放する。それによりボンドウェーハ
はＯＦ部またはノッチ部の縁を支点として自重により回
転し、ボンドウェーハの結合面の全面がベースウェーハ
の結合面の全面に重ね合わせられるというものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記方法は、特別高価
な装置などが不要で、且つ簡便な方法であり非常に有益
である。しかし、単にボンドウェーハの吸着を開放して
ベースウェーハの上に重ね合わせただけの状態では両者
の間に薄い空気層が存在するため、ファンデルワールス
力による完全な密着状態が得られるまでに時間がかかる
場合がある。そこで、通常は両者を重ね合わせた直後に
ＯＦ部またはノッチ部の縁を真空ピンセットで軽く押圧
することで、完全な密着状態になるのに要する時間を短
縮し、生産効率を上げるようにすることが行なわれてい
る。

【０００５】ところが、前記のように真空ピンセットで
ボンドウェーハのＯＦ部またはノッチ部の縁を軽く押圧
すると、生産効率は向上するが、押圧した部分に結合不
良（ボイド）が発生し易く、また、ボイドとならない場
合でも、完成したＳＯＩウェーハをＸ線トポグラフ像で
観察すると、ＯＦ部またはノッチ部付近に真空ピンセッ
トで押圧したと見られる歪みが発生していることが分か
った。即ち、真空ピンセットのような固体でウェーハを
押圧する場合、微妙な圧力の調整が困難で、軽く押圧し
たつもりでも接触領域の面積次第では部分的に大きな圧
力を加えたことになる場合もあり、ウェーハに歪みを与
えてしまうことになる。この様な現象は薄物ウェーハ
（例えば３００μｍ以下）が厚物ウェーハよりも撓み易
いために薄物ウェーハにおいて特に問題となる。このよ
うな歪みが素子形成用のウェーハ（ボンドウェーハ）側
に発生すると素子特性に悪影響を及ぼし、支持ウェーハ
（ベースウェーハ）側に発生した場合はその部分のウェ
ーハ強度が低下するという問題点を有する。又、押圧治
具が変形することによる部品の交換も定期的に必要であ
った。

【０００６】本発明は上記した従来の技術が有する問題
点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、
室温での密着を促進するために重ね合わせたウェーハに
外力を加えてもその部分に歪みが発生しない結合方法を
提供することにある。本発明者は、重ね合わせたウェー
ハに対して行った真空ピンセットによる直接的な押圧に
代えて、気体により圧力を加えることで、その圧力を加
えた部分に歪みが発生しないことを知見し、本発明を完
成したものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明請求項１に記載のウェーハの結合方法は、少な
くとも片面が鏡面仕上げされた２枚のウェーハを、その
鏡面同士を対向させて重ね合わせ、重ねたウェーハの結
合面とは反対側の面に気体による圧力を加えて結合する
ことを特徴とする。又、請求項２に記載のウェーハの結
合方法は、少なくとも片面が鏡面仕上げされ、形状及び
直径が同一の２枚のウェーハを、これらの輪郭線を合致
させた状態で、且つ前記鏡面同士を直接、または絶縁膜
を介して重ね合わせて結合する方法であって、ＯＦ（オ
リエンテーションフラット）部またはノッチ部を有する
２枚のウェーハのうち、支持体となる第二のウェーハを
載置台上に結合面を上に向けて載置し、他方の第一のウ
ェーハの結合する面とは反対側の面のＯＦ部またはノッ
チ部近傍を吸着保持し、この吸着保持したウェーハの結
合する面側のＯＦ部またはノッチ部の縁と、前記第二の
ウェーハのＯＦ部またはノッチ部の縁とを軽く接触させ
た後、両ウェーハのＯＦ部またはノッチ部とは反対側に
位置するウェーハ端部の結合する面同士を接近させた状
態で、第一のウェーハの吸着状態を解除し、第一のウェ
ーハの自重により２枚のウェーハを重ね合わせた後、第
一のウェーハの結合する面とは反対側の面に気体により
圧力を加えて結合することを特徴とする。

【０００８】又、請求項３に記載のウェーハの結合方法
は、請求項２において、前記の結合方法における気体に
より圧力を加える位置を、真空ピンセットで吸着したＯ
Ｆ部またはノッチ部近傍としたことを特徴とする。即
ち、真空ピンセットで吸着した場合、その吸着部近傍が
真空ピンセット側に凸状となるため、その凸状部分を積
極的に平坦状に修正するためには当該吸着部近傍が効果
的である。

【０００９】更に、請求項４に記載のウェーハの結合方
法は、請求項１または２または３において、第一のウェ
ーハの結合する面とは反対側の面に加える気体による圧
力の付与を加圧ガス噴射手段（例えばエアーガン）を用
いて行うことを特徴とする。その加圧ガス噴射手段は、
銃の形状にしてオペレータが手に持って操作できるよう
にしてもよいし、ロボットによるウェーハのハンドリン
グシステムに組み込んでもよい。尚、加圧ガス噴射手段
から噴射する加圧ガス（例えばエアーやＮ₂ガス等）
は、該加圧ガス内の粒子がウェーハの表面に付着するこ
とを防止するために、孔径が０．１μｍ以下のフィルタ
により濾過された清浄なものを使用することが好まし
い。前記フィルタの孔径が０．１μｍより大きくなる
と、０．１μｍよりも大きな粒子が前記フィルタ６を通
過してウェーハの表面に付着し、気相成長によりデバイ
ス加工後問題となる積層欠陥や突起物になる。又、前記
フィルタの位置はできるだけ加圧ガスの出口側（ノズル
の直前）が好ましく、従って前記した銃タイプにあって
は、内部にカートリッジ式のフィルタを備えたものがよ
い。

【００１０】そして、請求項５に記載のウェーハの結合
方法は、請求項４において、前記気体による圧力を、加
圧ガス噴射手段の供給圧力ａ（ｋｇ／ｃｍ² ）とノズル
口径ｂ（ｍｍ）との比ａ／ｂを０．５以上とすることを
特徴とする。尚、気体による圧力が加えられる部分に対
応する第二のウェーハを支持する載置台は平坦面でも、
或いは加圧部分を支持する部分が切り欠かれた形態でも
よい。

【００１１】本発明は請求項１〜５に記載の結合方法を
用いるが、その請求項２〜５の結合方法における第二の
ウェーハに対して第一のウェーハを重ね合わせるまでの
手法は、外力による押圧を気体の圧力を用いて行うこと
以外は従来の技術として挙げた特許第２５１２２４３号
公報に記載の方法とほぼ同じである。即ち、請求項２に
記載の結合方法によれば、第二のウェーハ上に真空ピン
セットで吸着保持する第一のウェーハを、吸着を開放し
て重ね合わせた後、第一ウェーハに気体による圧力を加
えることで、局部的な圧力集中を防止できるため、ウェ
ーハに歪みを発生させずに結合を行うことが出来る。

【００１２】又、請求項３に記載されているように、第
一のウェーハの結合面とは反対側の面における気体によ
り圧力を加える位置を、ＯＦ部またはノッチ部近傍とし
た場合は、気体により圧力が加えられる位置が真空ピン
セットによる吸着箇所とほぼ同じ位置となるため、真空
ピンセットの吸着で上方に膨出する部分を確実に平坦状
に修正することができ、ボイド発生防止効果を更に向上
できる。

【００１３】更に、請求項４に記載の結合方法によれ
ば、上記の気体により圧力を加える手段として加圧ガス
噴射手段を使用することで、所定の箇所に簡便にして確
実に圧力付与を行うことが出来る。そして、請求項５に
記載されているように、加圧ガス噴射手段を使用して気
体による圧力を加える場合、その圧力を加圧ガス噴射手
段の供給圧力ａ（ｋｇ／ｃｍ²）と、ノズル口径ｂ（ｍ
ｍ）との比ａ／ｂが０．５以上となるようにすること
で、ファンデルワールス力による結合をより効果的に行
うことができると共に、気体による圧力付与部分に歪み
の発生を防止できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき説明する。図１は、ＯＦを有し形状及び直径が
同一な２枚のウェーハを結合する途中の段階を示すもの
で、少なくとも一方の面を鏡面研磨し、且つその外周全
面に熱酸化により夫々酸化膜１ａ、２ａを形成したボン
ドウェーハ（第一のウェーハ）１とベースウェーハ（第
二のウェーハ）２を形成し、そのベースウェーハ２とボ
ンドウェーハ１とを夫々の鏡面を対向させて結合する。
結合するウェーハは、例えばＳi、ＧaＡsなどの半導体
ウェーハや、石英、ＳiＣなどの絶縁性ウェーハなどか
ら任意に選択することが出来る。

【００１５】その結合は、常温下の清浄なクリーンルー
ム内においてベースウェーハ２をその鏡面が上方に向く
ようにして載置台３上にほぼ水平状態に固定し、他方、
ボンドウェーハ１は鏡面とは反対側の面におけるＯＦ部
１ｂの近傍部分を真空ピンセット４の吸着部で吸着す
る。尚、載置台３の載置面は、水平方向に対し傾斜させ
ておくこともできる。この場合、必要に応じて載置した
ウェーハが滑り落ちることを防止するために、載置面に
ストッパーを設けておくとよい。そして、真空ピンセッ
ト４の操作によりボンドウェーハ１のＯＦ部１ｂの方が
やや下がり気味となるように前記ボンドウェーハ１を傾
け、その状態でベースウェーハ２の上方位置からボンド
ウェーハ１を下降させてゆき、先ず、ボンドウェーハ１
におけるＯＦ部１ｂの結合面の縁とベースウェーハ２の
ＯＦ部２ｂの結合面側の縁とを軽く突き当て接触させる
（図１参照）。

【００１６】次いで、両ウェーハ１、２のＯＦ部１ｂ，
２ｂとは反対側の端部１ｃ，２ｃ同士の間隔が数ｍｍ以
下、好ましくは約１ｍｍ以下になるまで接近させ、その
後、真空ピンセット４によるボンドウェーハ１の吸着を
止める（図３参照）。すると、ボンドウェーハ１はベー
スウェーハ２との初期の突き当て部であるＯＦ部１ｂの
結合面側の縁を支点として自重により回転し、ＯＦ部１
ｂ，２ｂから他側１ｃ，２ｃへ向け順次に重ね合わせが
行なわれる（図４参照）。その後、ボンドウェーハ１の
結合面とは反対側の面に、気体による圧力を該ウェーハ
面に対して略直角方向に加える。

【００１７】上記気体による圧力付与は、図５に示すよ
うにボンドウェーハ１の吸着保持を開放して該ボンドウ
ェーハ１の結合面がベースウェーハ２の結合面に重ね合
った後、真空ピンセット４によるＯＦ部近傍の吸着箇所
付近を加圧ガス噴射手段５で垂直方向からウェーハ面に
対して直角に加圧ガスを噴射して押圧する。こうするこ
とで、押圧部からファンデルワールス力による結合が広
がり、ベースウェーハ２とボンドウェーハ１のＯＦ部近
傍の結合面間に空気が残留することがなくなって、結合
面全体が密着するため、ボイドの発生をゼロにすること
が出来るものと考えられる。尚、気体による圧力を付与
する位置は、ＯＦ部近傍に限らず、その他のウェーハ外
周部や、ウェーハ中央部であってもよい。

【００１８】加圧ガス噴射手段５は、ガンタイプで先端
部に末広がり状のノズル７と、該ノズル７の上流側に孔
径が０．１μｍ以下で交換取付が可能なカートリッジ型
フィルタ６とを備えたもので、加圧ガス（例えばエアー
やＮ₂ガス等）の噴射はノズル７の先端からボンドウェ
ーハ１までの距離を約２０ｍｍとし、加圧時間（噴射時
間）は約１秒間とする。又、噴射する加圧ガスの圧力ａ
（ｋｇ／ｃｍ²）はノズル７の口径ｂ（ｍｍ）との比ａ
／ｂが０．５以上となるように設定する。従って、ノズ
ル７の口径が大きい場合はより高いガス圧が必要であ
る。このことは、ノズル７の口径が大きくなるとエア圧
が加わる面積も大きくなるので、同一のガス圧の場合に
は局部的なウェーハの変形量が小さくなるためと推察さ
れる。

【００１９】次に、上述した実施の形態に示す方法によ
る実験例について説明する。当該実験を行った場合の使
用ウェーハ、加圧ガス噴射手段、条件（加圧ガスの圧
力、加圧ガス噴射手段（エアーガン）のノズル口径、加
圧時間、噴射距離）及び結果は下記の通りである。

【００２０】１．使用ウェーハ ボンドウェーハ：直径150ｍｍ、（100）面、575μｍ、
熱酸化膜1.0μｍ ベースウェーハ：直径150ｍｍ、（100）面、625μｍ、
熱酸化膜なし ２．使用した加圧ガス噴射手段（エアーガン） ０．１μｍのフィルタ付きエアーガンで、３種類のノズ
ル口径（２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ）を用意した。 ３．加圧時間 約１秒間 ４．噴射距離 約２０ｍｍ ５．エアー圧（ｋｇ／ｃｍ²） １．５、２．０、
３．０、４．０

【００２１】

【表１】

【００２２】上記［表１］における「○」は、気体によ
る加圧直後にファンデルワールス力による結合が進行し
たものを示し、「×」は直ちに結合が進行しなかったも
のを示している。結合が進行していく状況は赤外線を用
いて観察した。（特許第２７３９９４３号参照） 上記［表１］の実験結果における「○」のものについ
て、１１００℃で１２０分熱処理して２次結合ウェーハ
とし、この２次結合ウェーハにおける加圧ガスの押圧部
分（ＯＦ部近傍）について歪みの有無をＸ線トポグラフ
により観察したが、押圧部分に歪みは観察されなかっ
た。

【００２３】

【発明の効果】本発明のウェーハの結合方法は請求項１
〜５に記載の方法により、ＯＦ部またはノッチ部のボイ
ドを低減でき、且つ押圧部に歪みのない結合ウェーハを
作製することができる。又、押圧を気体による圧力で行
うため、従来の押圧治具が変形することによる部品交換
の必要が解消される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の製造方法におけるボンドウェーハを
吸着保持してベースウェーハ上に重ねる状態を示す断面
図である。

【図２】 図１の平面図である。

【図３】 ＯＦ部と反対側のウェーハ間隔が所定間隔に
なるまで下降させた状態を示す同断面図である。

【図４】 ボンドウェーハの吸着保持を開放して自重で
重なる状態を示す同断面図である。

【図５】 ＯＦ部近傍に加圧ガス噴射手段（エアーガ
ン）で圧力を加える状態を示す同断面図である。

【符号の説明】

１…第一のウェーハ（ボンドウェーハ） ２…第二のウェーハ（ベースウェーハ） １ｂ，２ｂ…ＯＦ（オリエンテーションフラット）部 ４…真空ピンセット ５…加圧ガス噴射手段（エアーガン）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも片面が鏡面仕上げされた２枚
   のウェーハを、その鏡面同士を対向させて重ね合わせ、
   重ねたウェーハの結合面とは反対側の面に気体による圧
   力を加えて結合することを特徴とするウェーハの結合方
   法。
2. 【請求項２】 少なくとも片面が鏡面仕上げされ、形状
   及び直径が同一の２枚のウェーハを、これらの輪郭線を
   合致させた状態で、且つ前記鏡面同士を直接、または絶
   縁膜を介して重ね合わせて結合する方法であって、ＯＦ
   （オリエンテーションフラット）部またはノッチ部を有
   する２枚のウェーハのうち、支持体となる第二のウェー
   ハを載置台上に結合面を上に向けて載置し、他方の第一
   のウェーハの結合する面とは反対側の面のＯＦ部または
   ノッチ部近傍を吸着保持し、この吸着保持したウェーハ
   の結合する面側のＯＦ部またはノッチ部の縁と、前記第
   二のウェーハのＯＦ部またはノッチ部の縁とを軽く接触
   させた後、両ウェーハのＯＦ部またはノッチ部とは反対
   側に位置するウェーハ端部の結合する面同士を接近させ
   た状態で、第一のウェーハの吸着状態を解除し、第一の
   ウェーハの自重により２枚のウェーハを重ね合わせた
   後、第一のウェーハの結合する面とは反対側の面に気体
   により圧力を加えることを特徴とするウェーハの結合方
   法。
3. 【請求項３】 上記第一のウェーハの結合する面とは反
   対側における気体により圧力を加える位置が、ＯＦ部ま
   たはノッチ部近傍とすることを特徴とする請求項２記載
   のウェーハの結合方法。
4. 【請求項４】 上記気体による圧力の付与を加圧ガス噴
   射手段を用いて行うことを特徴とする請求項２又は３記
   載のウェーハの結合方法。
5. 【請求項５】 前記気体による圧力は、加圧ガス噴射手
   段の供給圧力ａ（ｋｇ／ｃｍ²）と、ノズル口径ｂ（ｍ
   ｍ）との比ａ／ｂを０．５以上とすることを特徴とする
   請求項４記載のウェーハの結合方法。