JP2008062267A - 常温接合方法及び常温接合装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の基板4を中間材を介して常温で接合する方法において、複数のターゲット7を物理スパッタリングすることによって、前記基板の被接合面上に前記中間材を形成する工程と、被接合面をイオンビームにて活性化する工程と、を含む常温接合方法である。この場合、複数の種類の材料で構成されるターゲットを物理スパッタリングすることが好ましい。基板の被接合面から見て、種々の方向に配置された複数のターゲットから中間材の材料がスパッタリングされるので、前記被接合面へ中間材を均一に形成できる。更に、複数の種類の材料で中間材を形成しているので、単一種類の材料で中間材を形成しても接合し難い基板同士の常温接合が、接合時の加熱や過度な圧接無しに可能となる。
【選択図】図2
Description
例えば、Arなどのイオンやアトムビームを被接合面に照射して被接合面の汚染層を除去するだけでなく、被接合面を活性化した後、さらに活性な超微粒子膜を被接合面に形成している。この際、活性な層の形成法として、ターゲット材をスパッタリングし、相手側の被接合面に活性な超微粒子膜を形成している。しかし、超微粒子膜の密度は低いため、接合時の焼結性を高めるために加熱することが好ましいとしている(特許文献1)。
また、活性なTiやCrなどを中間層として用いることにより、様々な材料の上に良好な密着性を持つ各種金属膜が形成可能である。これを利用して、表面活性化法による直接接合では十分な強度が得られないSiO2のような材料表面に金属膜を形成することにより、これら材料の接合性の向上なども期待できるとしている。材料の例として、Si、SiO2、LiNbO3を、中間層の材料として他にPtを挙げている。(非特許文献1)。
本願発明では、基板面に中間材を均一に形成し、接合時の加熱が不要で常温にて接合しても十分な接合強度が得られる方法、及び装置を提供することを目的とする。特に、中間材を複数の種類の材料にて構成した場合についての常温接合方法、及び装置を提供することを目的とする。
また、前記ターゲットとして、複数の種類の材料を個々に独立して配置するように構成し、そのターゲットをスパッタリングすることによって、複数の種類の材料を同時にスパッタリングすることもできる。複数種類の金属を合金にすることが難しい場合、前記金属を個々に独立して配置し、それらを同時にスパッタリングすれば、複数種類の金属で構成された中間材を形成できる。
更には、前記複数種類の材料毎のエネルギー線被照射面の面積比を、中間材の所望の組成比に合わせて設定しておくことによって、中間材を所望の組成に制御できる。その結果、基板の種類に合わせて前記合金の組成比を変える、或いは複数種類の材料毎の被照射面の面積比を変えることによって、中間材を所望の組成に制御できるので、所望の基板接合強度が得られる。この場合も、ターゲットの材料の種類に依存して、スパッタリングの効率が異なる場合があるので、その場合は、その効率も加味して、合金の組成比や複数種類の材料毎の被照射面の面積比を決めることによって、所望の組成の中間材を得る。
前記ターゲットを前記真空容器内に他の装置類と独立して配置することにより、所望の材料、及び所望の組成比の中間材を基板被接合面に形成できる。つまり、前記他の装置類からスパッタリング可能性のある任意の金属によって中間材が構成されることを抑制できる。よって、中間材としては不要な金属の基板被接合面への付着を抑制して、接合したい基板材料に適した中間材を選択して形成することができるので、常温接合し難かった基板を所望の接合強度で接合できる。物理スパッタリング源は、イオンビーム源、FAB源、プラズマ源、及びレーザ源等が挙げられる。エネルギー線は、イオンビーム、中性原子ビーム、プラズマ中に存在するイオン・中性粒子、及びレーザビーム等が挙げられる。
ターゲットをターゲット基板上に載置する方法は、バルク態様のターゲット、例えば板状のターゲットをターゲット基板上に冶具を用いて取り付けてもよいし、箔態様のターゲットをターゲット基板上に貼付してもよいし、PVD、CVD、めっきによって、ターゲット膜をターゲット基板上に成膜してもよい。
また、前記ターゲットの被照射面は、前記基板のおよそ半周分を囲むように複数、かつ、前記基板の被接合面に対して垂直方向に配置する。基板のおよそ半周分を囲むということは、物理スパッタリング源から前記被照射面へ入射するエネルギー線を、ターゲット自体が遮らないためにおよそ半周分を空けている、ということであり、該エネルギー線を遮らない程度に周方向に適宜配置することができる、という意味である。基板の被接合面を周方向から挟む構成でターゲットを配置することによって、ターゲットからより遠い、基板被接合面の部分にも金属が入射し、中間材が被接合面により均等に形成できる。
また、前記ターゲット基板は、前記ターゲットの被照射面と前記基板の被接合面との間隔を調整する機構を有する。ターゲットの被照射面と基板の被接合面との間隔を調整することによって、ターゲットからスパッタリングされてくる金属の量を調整できるので、基板の被接合面上に形成される中間材の金属濃度を該面内均一にすることができる。更には、基板ホルダーへの基板の受け渡しにおいて、ターゲット、或いはターゲット基板が物理的に支障となる場合、ターゲット、或いはターゲット基板の位置を動かして、前記支障を回避して基板を基板ホルダーに設置し、その後、ターゲット、或いはターゲット基板を所定の位置に戻してから常温接合を始めるということができる。
真空容器1の中には、圧接機構5、架台17、基板ホルダー3a、3bが組み込まれている。圧接機構5、架台17、基板ホルダー3a、3bのそれぞれはステンレス製である。基板ホルダー3aには基板4を固定せずに置くだけであり、3bは静電チャック方式によって基板4を固定している。真空容器1の底面に架台17が設置されている。該架台の上には基板ホルダー3aが設置されている。架台17の中心位置と基板ホルダー3aの中心位置とは一致している。また、真空容器1の上面を貫通して、圧接機構5が設置されている。圧接機構5の下面中心位置と、架台17の上面中心位置とは一致している。
基板ホルダー3aの水平方向横にターゲット基板8aが、基板ホルダー3bの水平方向横にターゲット基板8bが設置されている。ターゲット基板8a、8bはステンレス製である。ターゲット基板8a、8bは、圧接機構5の移動方向を示す矢印18と同じ方向に移動できる移動機構を有する。少なくとも、物理スパッタリング源6からの出射線9が、ターゲット7の被照射面と交わらない位置まで移動できる機構を有する。なお、前記各構成品をステンレス製としている理由は、他の材料を使用することによって中間材としては不要な材料の供給源とならないようにしているためである。
ターゲット基板ホルダー8a、8bの位置、及び向きは、図示しない機構によって可変である。8aと8bとの間隔、基板ホルダー3a、3bとの間隔、物理スパッタリング源6の開口部に対する向き、基板4に対する向きは可変である。物理スパッタリング源6から出射するエネルギー線の向き(射線)を変更することは機構が複雑になるので、該向きはほぼ固定とし、ターゲット基板ホルダー8a、8bの位置及び向きを変えることによって、基板面上に形成する中間材の基板面方向厚さの均一性、及び中間材を構成する材料の濃度の均一性を制御する。
図2に斜視図を示す。図1の場合において、ターゲット基板8cを設置してもよい。物理スパッタリング源6から出射するエネルギー線9は、ターゲット基板8a、8b、8cに載置されたターゲットへ入射する。ターゲットからは、ターゲットを構成する金属がスパッタリングされて出射し、基板4に対する入射線(スパッタ粒子)10となる。
なお、図1、図2においては、基板3a、3bの搬入、搬出については図示していない。例えば、真空容器1に連通して設置したロードロック室にロボットアームを備え、これを利用して、基板ホルダー3a、3bへの基板4の設置をし、加工後は、基板4を取り外し、新しい基板4と交換すればよい。
以上のようにして常温接合すると、複数種類の金属を中間材の材料として基板被接合面へ混在させて、且つ均一に形成したので、接合方法においては従来必要であった加熱及び過度の押圧が不要となり、常温接合装置を簡便にできるだけでなく、接合し難かった基板を接合できるようになった。
ターゲット基板8cと基板4との間隔は、中間材の堆積状況によって適宜調整すればよい。堆積状況とは、中間材の厚さの被接合面内分布である。
なお、中間材を所定の厚さに形成した後に活性化を行なっても構わない。例えば、基板被接合面上に複数種類の金属を堆積していくことによって、所定の中間材の厚さになった後、物理スパッタリング源6を停止し、イオンビームの出射を止める。その後、ターゲット基板8a、8bの位置を、入射線9がターゲット7の被照射面に入射しない位置まで移動させる。その後、物理スパッタリング源6を再起動し、イオンビームを出射させ、基板4の被照射面、つまり被接合面に入射させる。所定の時間入射させることによって、先に中間材を形成した基板の被接合面を活性化する。ここで、中間材の厚さは数10nmが想定されるので、前記活性化が過度に行なわれ、それによってこの中間材が除去されては本発明の目的を達しない。中間材形成後の活性化は、該中間材が全て除去されない程度のイオンビームの強度で行なったり、イオンビームの照射時間を調整した上で行なうことが必要である。
また、真空容器1への基板搬入・搬出については、真空容器1にゲート弁を介して連通するロードロックチャンバーを設け、真空容器1とロードロックチャンバーとの連通部分に基板受け渡しのためのロボットを設置したものを利用してもよい。
ターゲット7は板状以外でも構わない。ターゲット7の材料をターゲット基板8上へ塗布する、ターゲット7の材料を箔状にしてターゲット基板8上に貼り付ける、或いは、ターゲット7の材料をPVD(Physical Vapor Deposition:物理的気相成膜)、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成膜)、めっき等によってターゲット基板8上に成膜する、という方法でも構わない。
ターゲット基板8自体を、中間材を構成する種類の材料で構成しても構わない。中間材を構成する材料の種類の一部の供給をターゲット基板8が担い、別の一部の供給をターゲット7が担うということである。ターゲット基板8を供給源として、中間材の組成と関係ない材料を中間材に混入させたくない場合に、該基板8自体を中間材を構成する種類の材料で構成すれば、中間材にとっての不純物の混入を抑制することができる。
本実施例を適用することによって、実施例1で示した目的の合金が作成し難い金属材料である場合に、容易に複数種類の金属を利用できる。また、複数金属の組成比をいくつか試したいとき、或いは接合する基板の種類によってその組成比を頻繁に変更したいとき、所望の合金をその度毎に作成する必要がないので、簡便に複数種類の金属で中間材を形成できる。
図4(a)に示すように、ターゲット基板8a、8b、8cをそれぞれ例えば3枚、3枚、7枚設置することによって、スパッタリングされるターゲット7の範囲が1枚のときよりも広くなるので、基板4の被接合面の領域を十分に覆うように、金属が被接合面に入射できる。よって、基板4の被接合面上に中間材をより均等に形成できる。また、接合する基板の周囲をターゲット基板で物理的に囲むことによって、真空容器1の内面等、他の部分からの、中間材としては不要な材料の混入を抑制することができる。
ここで、ターゲット基板8cの配置の考え方について図9を参照し説明する。ターゲット基板8dから8fは、前記8cに対して個別に附番したものである。例えば、ターゲット基板8dは他のターゲット基板に比べると物理スパッタリング源6に近く、基板4から遠い所に配置されている。ターゲット基板8fは他のターゲット基板に比べると物理スパッタリング源6から遠く、基板4に近い所に配置されている。なお、図9では、ターゲット基板8dから9fの配置は、基板4の半周分に対してのみの図示となっているが(図9では上半分に示されている)、残りの半周分に対する前記配置も行なう(図9では下半分の位置)。ターゲット基板8dから8fに共通しているのは、該各基板からの出射線(スパッタ粒子)10が基板4の中心位置に集束するように、該各基板の向きを設定していることである。
図9の例示では、ターゲット基板を8dから8fの3枚とした例を説明したが(図9の下半分に対応するターゲット基板3枚を含めると6枚)、3枚(6枚)に限る必要は無く、他の枚数でも構わない。ターゲット基板8dから8fで例示する該基板同士の間隔も適宜で良い。また、図9では、ターゲット基板8dから9fの被照射面は、基板4の被接合面に対して垂直方向であるが、これに限るものではない。前記被照射面は、基板4の被接合面から見て全角方向の適宜な向きを選択することができる。更に、前記被照射面は平面を例示したが、図4(b)に例示するような曲面であっても構わない。
この例では、ターゲット基板8a、8b、8cの枚数をそれぞれ3枚、3枚、7枚に設定したが、この枚数に限定されることは無い。基板の大きさや形状によって、1つのターゲット基板の大きさと枚数とは適宜決めればよい。
但し、この配置のままだと、基板4の搬入搬出ができないので、ターゲット基板8a、8bは矢印22の方向に、ターゲット基板8cは矢印23の方向に移動可能とする駆動機構を備えている(不図示)。この駆動機構は平行移動であるが、ターゲット基板8cは、基板4と平行方向に90°向きを変えるように移動してもよい。ターゲット基板8cの上辺、又は下辺を軸として回転させ、上記90°向きを変えるのである。このようにターゲット基板8cの向きを変えることによって、基板4の周方向の半分の空間が開放されるので、その部分を通じて、基板4の搬入搬出を行なうことができる。
この例では、ターゲット基板8a、8b、8cの枚数をそれぞれ6枚、6枚、9枚に設定したが、この枚数に限定されることは無い。基板の大きさや形状によって、1つのターゲット基板の大きさと枚数とは適宜決めればよい。
また、ターゲット基板7の被照射面を水平方向に設定しているが、垂直方向、或いはその他の傾きに設定してもよい。
更に、ターゲット基板7の被照射面を平面に設定しているが、図8(b)に示すように曲面状に設定してもよい。その場合、複数のロール29の間において、該ロール29によって前記フレキシブル基板24が張力を有するように、複数のロール29を配置する。
本実施例では図2、図4、及び図5に記載の8cに相当するターゲット基板を配置していないが、これに代わるロール上ターゲット基板25を配置してももちろん構わない。また、実施例4までで述べた平板上のターゲット基板8a、8b、或いは8c、若しくはこれらを組み合わせたものと、本実施例で示した何れかのロール上ターゲット基板25とを組み合わせて真空容器1内に配置しても構わない。
2 排気装置
3 基板ホルダー
4 基板
5 圧接機構
6 物理スパッタリング源
7 ターゲット
8a、8b、8c ターゲット基板
9 入射線
10 出射線(スパッタ粒子)
11 ターゲット1
12 ターゲット2
13 ターゲット3
14 ターゲット4
15 ターゲット5
16 開口部
17 架台
18 圧接機構の移動方向
19 ターゲット基板8a、8bの移動方向(ターゲットの被照射面と垂直方向)
20 中間材(層状)
21 中間材(島状)
22 ターゲット基板8a、8bの移動方向(ターゲットの被照射面と平行方向)
23 ターゲット基板8cの移動方向(ターゲットの被照射面と垂直方向)
24 フレキシブル基板
25 ロール状ターゲット基板
26 繰出しロール
27 巻上げロール
28 ロール状ターゲット基板の繰出し方向
29 ロール
30 ターゲット
101 電極
102 ビーム照射部
103 ビーム源
104 グリッド
105 アルゴン原子
106 鉄原子
107 SiO2基板
Claims (17)
- 複数の基板を中間材を介して常温で接合する方法において、複数のターゲットを物理スパッタリングすることによって、前記基板の被接合面上に前記中間材を形成する工程と、前記基板の被接合面を物理スパッタリングにより活性化する工程と、を含むことを特徴とする常温接合方法。
- 複数の基板を中間材を介して常温で接合する方法において、複数の種類の材料で構成されるターゲットを物理スパッタリングすることによって、前記基板の被接合面上に前記中間材を形成する工程と、前記基板の被接合面を物理スパッタリングにより活性化する工程と、を含むことを特徴とする常温接合方法。
- 前記基板の被接合面上に前記中間材を形成する工程と、前記基板の被接合面を物理スパッタリングにより活性化する工程とが、同時に行なわれることを特徴とする請求項1ないし請求項2の何れかに記載の常温接合方法。
- 前記ターゲットは複数の種類の金属からなることを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れかに記載の常温接合方法。
- 複数の種類の金属の構成比を設定することによって、前記中間材の組成比を制御する請求項4に記載の常温接合方法。
- 前記ターゲットは、複数の種類の材料を個々に独立して配置することによって構成され、該複数の種類の材料を同時にスパッタリングすることを特徴とする請求項1ないし請求項2の何れかに記載の常温接合方法。
- 前記複数の種類の材料をターゲット基板上に配置する際に、前記複数の種類の材料の配置の面積比を設定することによって、前記中間材の組成比を制御する請求項6に記載の常温接合方法。
- 真空容器と、前記真空容器を真空排気する排気装置と、前記真空容器内に対向配置された1組の基板ホルダーと、前記基板ホルダーに載置した基板同士を接合するために、前記基板ホルダーに接続した圧接機構と、物理スパッタリング源とを備える常温接合装置において、前記物理スパッタリング源から出射されるエネルギー線を照射するターゲットを、前記基板ホルダー、前記圧接機構、及び前記物理スパッタリング源とは独立して前記真空容器内に配置したことを特徴とする常温接合装置。
- 前記ターゲットは、単数または複数のターゲット基板上に載置されたものであることを特徴とする請求項8に記載の常温接合装置。
- 前記ターゲットは、複数の種類の材料から成り、該複数の種類の材料を、前記ターゲット基板上に個々に独立して配置するか、または合金として配置することを特徴とする請求項9に記載の常温接合装置。
- 前記ターゲットの被照射面は、前記基板を囲むように複数、かつ、前記基板の被接合面に対して垂直方向に配置されたことを特徴とする請求項8ないし請求項10の何れかに記載の常温接合装置。
- 前記ターゲットの被照射面の形状は、物理スパッタリング源から前記被照射面に入射するエネルギー線の射線が、前記ターゲット上の各部分において正反射した場合に、反射した射線が、互いに平行となるように曲面形状を有していることを特徴とする請求項8ないし請求項10の何れかに記載の常温接合装置。
- 前記ターゲットの被照射面の形状は、物理スパッタリング源から前記被照射面に入射するエネルギー線の射線が、前記ターゲット上の各部分において正反射した場合に、反射した射線が、被接合面の中心位置に向かうように曲面形状を有していることを特徴とする請求項8ないし請求項10の何れかに記載の常温接合装置。
- 前記ターゲットの被照射面と前記基板の被接合面との間隔を調整する機構を有することを特徴とする請求項8ないし請求項13の何れかに記載の常温接合装置。
- 前記ターゲットの被照射面と前記基板の被接合面とが成す角度を調整する機構を有することを特徴とする請求項8ないし請求項13の何れかに記載の常温接合装置。
- 前記ターゲットの被照射面に照射される前記エネルギー線の射線方向に対して垂直方向の、該エネルギー線のエネルギー面密度分布に応じて、前記ターゲットの被照射面と前記基板の被接合面との間隔を調整する機構を有することを特徴とする請求項14ないし請求項15の何れかに記載の常温接合装置。
- 前記ターゲットの被照射面に照射される前記エネルギー線の射線方向に対して垂直方向の、該エネルギー線のエネルギー面密度分布に応じて、前記射線方向に対する前記ターゲットの被照射面の角度を調整する機構を有することを特徴とする請求項14ないし請求項15の何れかに記載の常温接合装置。
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