JP2005317807A

JP2005317807A - 陽極接合装置

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Publication number: JP2005317807A
Application number: JP2004134592A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Tosaka; 一正東坂
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】温度ムラによる残留応力、加熱・給電電極の重量による歪応力を低減し、被接合物の変形や性能劣化を生じることなく、最適且つ信頼性のある陽極接合を確実に行う。
【解決手段】陽極接合装置１では、第１の加熱・給電電極２は均一な平面金属ブロックにヒータ２ａと熱電対２ｂが内蔵され、第２の加熱・給電電極３は被接合物１００を第１の加熱・給電電極２との間で挟持する部分が被接合物１００を格納自在な凹部９が形成されており、凹部９の被接合物１００に接する面は均一な平面に加工されている。第２の加熱・給電電極３にはヒータ３ａと熱電対３ｂが内蔵されている。第２の加熱・給電電極３を上下動する移動機構部６は、第２の加熱・給電電極３が絶縁耐熱板１１を介し摺動軸１２に接続され、摺動軸１２外周にはガイド部１３が設けられ、摺動軸１２は、ワイヤーガイド１４とワイヤー１５を介しカウンターウエイト１６と接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にシリコン基板とガラス基板とを接合する陽極接合装置に関する。

従来より、シリコン基板とガラス基板との接合には、加熱・給電部を備えた陽極接合装置が用いられる。このような陽極接合装置としては、例えば、特開平５−３２６６４９号公報に開示されるものがあり、加熱・給電部の構成は、図５に示すように構成されている。

すなわち、図５において、符号１００は被接合物を示し、この被接合物１００と接触する上部加熱・給電電極１０１、及び、下部加熱・給電電極１０２は、ヒータ１０３，１０４を内蔵する加熱部１０５，１０６と、被接合物１００に電圧を印加するための給電部１０７，１０８とから構成されている。また、被接合物１００と接する給電部１０７，１０８の表面は、平面状に形成されている。

そして、下部加熱・給電電極１０２の上に被接合物１００を設置し、エアシリンダ１０９を作動して、上部加熱・給電電極１０１を下降し、被接合物１００を挟持した後、ヒータ１０３，１０４に通電し、被接合物１００の温度を設定温度まで加熱する。加熱完了後、直流電圧を印加して陽極接合を実施する。
特開平５−３２６６４９号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示される陽極接合装置の加熱・給電部では、加熱・給電電極１０１，１０２は、一対の平坦電極であり、平坦電極で被接合物１００を挟んで陽極接合を行うため、被接合物１００の外周が、平坦電極から、はみ出す状態となる。このため、被接合物１００の外周が大気に直接接触していることになり、被接合物１００の側面から放熱が生じ、全体を均一な温度に保つことができず、加熱・保温・冷却時に被接合物に温度ムラが発生するという問題がある。そして、このように温度ムラがある状態で陽極接合が進行すると、被接合物１００には残留応力が残り、被接合物１００の変形、性能劣化を引き起こす要因となってしまう虞がある。

また、上述の特許文献１に開示される陽極接合装置の加熱・給電部では、上部加熱・給電電極１０１をエアシリンダ１０９で上下動させているが、被接合物１００の接合時にはエアシリンダ１０９で下降させているだけである。このように、エアシリンダ１０９で上部加熱・給電電極１０１を下降させているだけでは、上部加熱・給電電極１０１の重量が、被接合物１００に全て掛かることになり、被接合物１００に歪応力が発生することになる。この被接合物１００に掛かる上部加熱・給電電極１０１の重量による歪応力は、前述した温度ムラによる残留応力同様、被接合物１００の変形、性能劣化を引き起こす要因となる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、温度ムラによる残留応力、加熱・給電電極の重量による歪応力を低減して、被接合物の変形や性能劣化を引き起こすことなく、最適且つ信頼性のある陽極接合を確実に行うことができる陽極接合装置を提供することを目的とする。

本発明は、陽極接合する被接合物の一方の側に配設した第１の加熱・給電電極と、上記被接合物の他方の側に配設して、該被接合物を上記第１の加熱・給電電極との間に挟持自在に配設した第２の加熱・給電電極と、上記第１の加熱・給電電極と上記第２の加熱・給電電極を加熱制御する加熱制御手段と、上記第１の加熱・給電電極と上記第２の加熱・給電電極に電圧印加する電圧印加手段とを備えた陽極接合装置において、上記第１の加熱・給電電極と上記第２の加熱・給電電極の少なくともどちらかの上記被接合物を挟持する部分を該被接合物を格納自在な凹部で形成したことを特徴としている。

本発明による陽極接合装置は、温度ムラによる残留応力、加熱・給電電極の重量による歪応力を低減して、被接合物の変形や性能劣化を引き起こすことなく、最適且つ信頼性のある陽極接合を確実に行うことが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施の第１形態による、陽極接合装置の概略構成説明図である。

図１において、符号１は陽極接合装置を示し、この陽極接合装置１は、被接合物１００の下側に設けられ被接合物１００が載置される第１の加熱・給電電極２と、被接合物１００の上側に設けられ被接合物１００を第１の加熱・給電電極２との間に挟持自在な第２の加熱・給電電極３と、第１の加熱・給電電極を加熱制御する第１の加熱制御部４と、第２の加熱・給電電極を加熱制御する第２の加熱制御部５と、第１の加熱・給電電極２を上下に移動自在な移動機構部６と、第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極３に電圧印加する電圧印加手段としての電源７とを備えて主要に構成されている。

第１の加熱・給電電極２は、均一な平面金属ブロックにヒータ２ａと熱電対２ｂが内蔵されており、平面部分には、被接合物１００のシリコン基板１００ａの位置決めのための窪み２ｃが設けられている。この窪み２ｃは、シリコン基板１００ａの厚さの１／２以下が望ましいが、設けなくても良い。

第２の加熱・給電電極３は、被接合物１００を第１の加熱・給電電極２との間で挟持する部分が被接合物１００を格納自在な凹部９が形成されており、この凹部９の被接合物１００に接する面は均一な平面に加工されている。また、第２の加熱・給電電極３には、第１の加熱・給電電極２と同様、ヒータ３ａと熱電対３ｂが内蔵されている。

第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極３との間には、被接合物１００を挟持した状態で予め設定する間隔の間隙部１０が設けられている。この間隙部１０は、第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極３との電気的接触の防止と、電極間の空間で発生する空気の熱体積変化分の出入りを許容するためのものである。

第１の加熱・給電電極２に内蔵されたヒータ２ａと第２の加熱・給電電極３に内蔵されたヒータ３ａは、それぞれ、第１の加熱制御部４と第２の加熱制御部５とにより個別に独立して温度制御されるように構成されている。すなわち、第１の加熱制御部４と第２の加熱制御部５は、加熱制御手段として設けられており、第１の加熱制御部４には第１の加熱・給電電極２の熱電対２ｂが接続され、第２の加熱制御部５には第２の加熱・給電電極３の熱電対３ｂが接続されている。そして、第１の加熱制御部４、及び、第２の加熱制御部５は、それぞれの熱電対２ｂ，３ｂからの温度情報を検知し、第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極３との温度差を検出すると共に、第１の加熱・給電電極２に内蔵されたヒータ２ａ、及び、第２の加熱・給電電極３に内蔵されたヒータ３ａの温度をそれぞれ制御する。このように、第１の加熱制御部４、及び、第２の加熱制御部５による独立した温度制御を行うことにより、第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極３との温度差は、設定温度以内で加熱、保温、冷却させることが可能であり、被接合物１００の温度分布を加温、保温、冷却時のいずれの時点でも均一にすることができる。

一方、移動機構部６は、第２の加熱・給電電極３が絶縁耐熱板１１を介して摺動軸１２に接続され、この摺動軸１２の外周にはガイド部１３が設けられてスムーズな摺動で上下動作が可能に構成されている。また、摺動軸１２は、ワイヤーガイド１４とワイヤー１５を介してカウンターウエイト１６と接続されている。この構成により、第２の加熱・給電電極３の重量を被接合物１００にダイレクトに加重するのではなく、カウンターウエイト１６を調整することで、被接合物１００に歪応力を発生させない加重で、第２の加熱・給電電極３を接触させることが可能となる。すなわち、移動機構部６は、挟持力調整手段として設けられている。

次に、上記構成による陽極接合装置１による接合方法について説明する。
まず、第１の加熱・給電電極２の平面上に、被接合物１００のシリコン基板１００ａ及びガラス基板１００ｂを設置し、第２の加熱・給電電極３を下降させ、被接合物１００に接触させる。

その後、第１の加熱・給電電極２のヒータ２ａと第２の加熱・給電電極３のヒータ３ａにより加熱を開始し、第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極３を約２５０〜４５０℃の設定温度まで加熱する。ここで、ヒータ２ａ，３ａの温度制御は、前述したように、第１の加熱制御部４、及び、第２の加熱制御部５により独立して実行する。

続いて、第１の加熱・給電電極２、及び、第２の加熱・給電電極３に、３００〜１０００Ｖの直流電圧を印加する。これにより、被接合物１００のガラス基板１００ｂの中のナトリウム（Ｎａ^＋）、リチウム（Ｌｉ^＋）或いはカリウム（Ｋ^＋）などのアルカリ金属イオンが高電圧により移動し、シリコン基板１００ａとガラス基板１００ｂとの接合界面を挟んで電気的二重層が形成され、この電気的二重層の間の静電気力によりシリコン基板１００ａとガラス基板１００ｂが接合される。ここで、アルカリ金属イオンの種類は、ガラス基板１００ｂの成分により異なり、設定温度は、このガラス基板１００ｂのアルカリ金属イオンが動くことが可能な温度であれば良く、低融点ガラスを用いる場合には、より低い温度での接合が可能である。例えば、パイレックスガラス（コーニング社登録商標）とシリコン基板１００ａとを接合する場合には、４００℃、９００Ｖの温度及び電圧が好ましい。

このような陽極接合によれば、被接合物１００のシリコン基板１００ａ及びガラス基板１００ｂの側面からの放熱を防ぎ、第２の加熱・給電電極３の荷重を、被接合物１００に歪応力を発生させない荷重に設定することができる。

また、第１の加熱・給電電極２のヒータ２ａと第２の加熱・給電電極３のヒータ３ａは、それぞれ第１の加熱制御部４、及び、第２の加熱制御部５により個別に独立して温度制御が行われるため、設定温度内で第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極３の加温、保温、冷却が可能で、被接合物１００に温度ムラを発生させないことが可能である。従って、残留応力、歪応力のない最適な陽極接合を得ることができる。

尚、本実施の第１形態では、上部に配置された第２の加熱・給電電極３に被接合物１００を格納自在な凹部９を設けるようにしたが、これに限定するものではなく、下部の第１の加熱・給電電極２に凹部を設けるようにしても良い。或いは、上下両方の電極に凹部を設けるようにしても良い。

また、上部に配置された第２の加熱・給電電極３の方が下部に配置された第１の加熱・給電電極２より小さい形状となっているが、上部及び、下部の加熱・給電電極とも同じ大きさであっても良いことは云うまでもない。

次に、図２は本発明の実施の第２形態による、陽極接合装置の概略構成説明図である。尚、本実施の第２形態は、第２の加熱・給電電極と移動機構部の構成が前記第１形態とは異なり、他の同一の構成部分には同じ符号を記し、説明は省略する。

すなわち、図２に示すように、第２の加熱・給電電極２１は、被接合物１００を第１の加熱・給電電極２と挟持してその外周を囲うように側壁部２２が設けられている。

側壁部２２は、断熱性を備えた絶縁部材で形成されており、被接合物１００を第１の加熱・給電電極２と挟持した状態で、内部と外部とを連通する貫通孔２２ａが形成されている。この側壁部２２の絶縁部材としては、耐熱、保温効果のあるセラミックが望ましいが、セラミックに限定することなく、耐熱、及び、保温効果のある絶縁部材であれば他の材質のものでも良い。

このように、側壁部２２は、断熱性を備えており保温効果があるため、被接合物１００の側面からの放熱を抑える効果があり、均一な温度分布を得ることができる。また、第２の加熱・給電電極２１の側壁部２２は絶縁物であるため、第１の加熱・給電電極２に接触させても電極間の電気的絶縁は保証される。また、側壁部２２を第１の加熱・給電電極２に接触させることで、被接合物１００の側面を大気から隔離することができ、保温効果が上がり、均一な温度分布を得ることができる。

また、内部と外部とを連通する貫通孔２２ａが設けられているため、第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極２１との間の空間で発生する空気の熱体積変化分が出入り自在となっている。

一方、本実施の第２形態による移動機構部２３は、第２の加熱・給電電極２１が絶縁耐熱板１１を介してシリンダ２４と接続された摺動軸１２に接続され、この摺動軸１２の外周にはガイド部１３が設けられてスムーズな摺動で上下動作が可能に構成されている。

そして、シリンダ２４にはＡポート２４ａ及びＢポート２４ｂの２箇所で圧縮空気が供給されるようになっており、これら圧縮空気の調整により被接合物１００への加重調整を行うようになっている。すなわち、移動機構部２３は、挟持力調整手段として設けられている。

このような、本実施の第２形態による陽極接合装置１においては、第２の加熱・給電電極２１の側壁部２２により、前記第１形態と同様、被接合物１００の側面からの放熱を防ぐことができる。また、移動機構部２３により、第２の加熱・給電電極２１の荷重を被接合物１００に歪応力を発生させない荷重に設定することができる。従って、残留応力、歪応力のない最適な陽極接合を得ることができる。

尚、本実施の第２形態では、貫通孔２２ａの形状についてはどのような形状でも良く、個数についても幾つでも良く制限はない。

また、被接合物１００への加重調整をシリンダ２４を用いて圧縮空気により制御しているが、これには限定されず、第１の実施の形態と同様に、カウンターウエイト１６を用いても良い。

次に、図３は本発明の実施の第３形態による、陽極接合装置の加熱・給電電極部分の概略構成説明図である。尚、本実施の第３形態は、第２の加熱・給電電極の構成のみが前記第１形態とは異なり、他の同一の構成部分には同じ符号を記し、説明は省略する。また、加熱・給電電極の構成のみが異なるため、加熱・給電電極部分についてのみ説明する。

すなわち、図３において、第２の加熱・給電電極３１は、被接合物１００を第１の加熱・給電電極２との間で挟持する部分が該被接合物１００を格納自在な凹部３２が形成されており、この凹部３２の被接合物１００に接する面は均一な平面に加工されている。また、第２の加熱・給電電極３１には、第１の加熱・給電電極２と同様、ヒータ３ａと熱電対３ｂが内蔵されている。

また、第２の加熱・給電電極３１は、外周が断熱性を備えた絶縁部材３３で覆われており、この絶縁部材３３は、第１の加熱・給電電極２と接触している。

絶縁部材３３には、第２の加熱・給電電極３１が、被接合物１００を第１の加熱・給電電極２と挟持した状態で、内部と外部とを連通する貫通孔３３ａが形成されている。

絶縁部材３３としては、耐熱、保温効果のあるセラミックが望ましいが、セラミックに限定することなく、耐熱、及び、保温効果のある絶縁部材であれば他の材質のものでも良い。

このように、絶縁部材３３は、断熱性を備えており保温効果があるため、被接合物１００の側面からの放熱を抑える効果があり、均一な温度分布を得ることができる。また、絶縁部材３３は、絶縁物であるため、第２の加熱・給電電極３１と第１の加熱・給電電極２との電極間の電気的絶縁は保証される。更に、絶縁部材３３を第１の加熱・給電電極２に接触させることで、被接合物１００の側面を大気から隔離することができ、保温効果が上がり、均一な温度分布を得ることができる。

また、内部と外部とを連通する貫通孔３３ａが設けられているため、第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極３１との間の空間で発生する空気の熱体積変化分が出入り自在となっている。

このような、本実施の第３形態による陽極接合装置においては、第２の加熱・給電電極３１の周囲を覆っている絶縁部材３３により、前記第１形態と同様、被接合物１００の側面からの放熱を防ぐことができ、残留応力のない最適な陽極接合を得ることができる。

尚、本実施の第３形態では、第２の加熱・給電電極３１の周囲を覆った絶縁部材３３が第１の加熱・給電電極２と接触しているが、絶縁部材３３と第１の加熱・給電電極２とは接触させることなく、第１形態のように、絶縁部材３３と第１の加熱・給電電極２との間にスペースを設けても良い。また、被接合物１００への加重調整は、第１形態、又は、第２形態に示した何れの方法でも良い。

次に、図４は本発明の実施の第４形態による、陽極接合装置の加熱・給電電極部分の概略構成説明図である。尚、本実施の第４形態は、第２の加熱・給電電極の構成のみが前記第１形態とは異なり、他の同一の構成部分には同じ符号を記し、説明は省略する。また、加熱・給電電極の構成のみが異なるため、加熱・給電電極部分についてのみ説明する。

すなわち、図４に示すように、第２の加熱・給電電極４１は、被接合物１００を第１の加熱・給電電極２と挟持してその外周を囲うように側壁部４２が設けられている。この側壁部４２は、断熱性を備えた絶縁部材で形成されており、被接合物１００を第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極４１とで挟持した状態で、第１の加熱・給電電極２の外周をも覆うように下方に延出して形成されている。従って、第２の加熱・給電電極４１を上昇した際には、側壁部４２は、第２の加熱・給電電極４１と共に上昇し、第１の加熱・給電電極２から離間される。また、第２の加熱・給電電極４１を下降した際には、側壁部４２は、第２の加熱・給電電極４１と共に下降し、第１の加熱・給電電極２の外周を覆う。

側壁部４２には、被接合物１００を第２の加熱・給電電極４１と第１の加熱・給電電極２と挟持した状態で、被接合物１００を格納する部分の内部と外部とを連通する貫通孔４２ａが形成されている。この側壁部４２の絶縁部材としては、耐熱、保温効果のあるセラミックが望ましいが、セラミックに限定することなく、耐熱、及び、保温効果のある絶縁部材であれば他の材質のものでも良い。

このように、側壁部４２は、断熱性を備えており保温効果があるため、被接合物１００の側面からの放熱を抑える効果があり、均一な温度分布を得ることができる。また、側壁部４２は、絶縁物であるため、第１の加熱・給電電極２に接触させても電極間の電気的絶縁は保証される。そして、側壁部４２を、第１の加熱・給電電極２の側面をも覆うように接触させることにより、被接合物１００の側面を大気と隔離することができ、保温効果が上がり、均一な温度分布を得ることができる。

また、内部と外部とを連通する貫通孔４２ａが設けられているため、第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極４１との間の空間で発生する空気の熱体積変化分が出入り自在となっている。

このような、本実施の第４形態による陽極接合装置においては、第２の加熱・給電電極４１を下降させた状態では第１の加熱・給電電極２をも覆う構成となり、被接合物１００の均一な温度分布を得ることができる。

尚、本実施の第４形態では、側壁部４２は、第２の加熱・給電電極４１に固定されているが、第１の加熱・給電電極２に固定されていても同様な効果が得られることは言うまでもない。すなわち、第１の加熱・給電電極２と第２の加熱・給電電極４１とで被接合物１００を挟持した状態で、第１の加熱・給電電極２の周囲と第２の加熱・給電電極４１の周囲とを覆うように構成されていれば良い。

また、被接合物１００への加重調整は、第１形態、又は、第２形態に示した何れの方法でも良い。

このように、本発明の実施の各形態によれば、温度ムラによる残留応力、加熱・給電電極の重量による歪応力を低減して、被測定物の破損や変形並びに性能劣化を引き起こさずに、最適且つ信頼性のある陽極接合が可能となる。

また、上下電極部分で被接合物１００全体を覆う構成は、例えばドームやチャンバではないため、開閉などの駆動部も少なく、簡単な構成で小型の陽極接合装置を製造することが可能である。

本発明の実施の第１形態による、陽極接合装置の概略構成説明図本発明の実施の第２形態による、陽極接合装置の概略構成説明図本発明の実施の第３形態による、陽極接合装置の加熱・給電電極部分の概略構成説明図本発明の実施の第４形態による、陽極接合装置の加熱・給電電極部分の概略構成説明図従来技術による、陽極接合装置の概略構成説明図

符号の説明

１陽極接合装置
２第１の加熱・給電電極
２ａヒータ
２ｂ熱電対
３第２の加熱・給電電極
３ａヒータ
３ｂ熱電対
４第１の加熱制御部（加熱制御手段）
５第２の加熱制御部（加熱制御手段）
６移動機構部（挟持力調整手段）
７電源（電圧印加手段）
９凹部
１０間隙部
１００被接合物
１００ａシリコン基板
１００ｂガラス基板
代理人弁理士伊藤進

Claims

陽極接合する被接合物の一方の側に配設した第１の加熱・給電電極と、
上記被接合物の他方の側に配設して、該被接合物を上記第１の加熱・給電電極との間に挟持自在に配設した第２の加熱・給電電極と、
上記第１の加熱・給電電極と上記第２の加熱・給電電極を加熱制御する加熱制御手段と、
上記第１の加熱・給電電極と上記第２の加熱・給電電極に電圧印加する電圧印加手段とを備えた陽極接合装置において、
上記第１の加熱・給電電極と上記第２の加熱・給電電極の少なくともどちらかの上記被接合物を挟持する部分を該被接合物を格納自在な凹部で形成したことを特徴とする陽極接合装置。
上記第１の加熱・給電電極と上記第２の加熱・給電電極との間には、上記被接合物を挟持した状態で予め設定する間隔の間隙部を有することを特徴とする請求項１記載の陽極接合装置。
上記被接合物を格納自在な凹部は、上記被接合物を覆う側壁部を絶縁部材で形成したことを特徴とする請求項１記載の陽極接合装置。
上記第１の加熱・給電電極と上記第２の加熱・給電電極の少なくともどちらかの外周を絶縁部材で覆うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の陽極接合装置。
上記絶縁部材は、上記被接合物を格納する凹部の内部と外部とを連通する貫通孔を備えたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の陽極接合装置。
上記絶縁部材は、断熱性を備えた部材で形成したことを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか一つに記載の陽極接合装置。
上記加熱制御手段は、上記第１の加熱・給電電極を加熱制御する第１の加熱制御部と、上記第２の加熱・給電電極を加熱制御する第２の加熱制御部とを有し、上記第１の加熱給電制御部と上記第２の加熱給電制御部とは、独立して制御自在であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の陽極接合装置。
上記第１の加熱・給電電極と上記第２の加熱・給電電極とで上記被接合物を挟持する挟持力を調整自在な挟持力調整手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一つに記載の陽極接合装置。