JP2008162861A - 接合方法および接合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】
熱膨張率の異なる板状部材を加熱して接合する際に、発生する反りを低減させ、反りを起因とする接合部材の劣化を防いだ接合方法、および接合部材を提供すること。
【解決手段】
第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との厚み比、接合を行う時の昇温速度、または第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との熱膨張率の差のいずれか１つ以上の条件を調整することにより、接合された第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との冷却時の反り量を減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明はイメージングデバイス製作における、異なる素材により形成される板状部材を接合する接合方法、及び接合された接合部材に関する。

イメージングデバイスの製造工程において、例えばＳｉにより形成された板状部材と、ガラスにより形成された板状部材とを接合する接合工程が実施される。近年、このような２種類の板状部材の接合においては、２つの板状部材を接触させた状態で電圧を印加すると同時に、高温で加熱することで接合させる陽極接合による方法が提案されている（例えば、特許文献１、又は特許文献２参照。）。

陽極接合は、例えば図６に示すように、第１の板状部材としての第１の板状部材１０、第２の板状部材としての第２の板状部材１１、第１の板状部材１０を載置するテーブル１２、及びテーブル１２と第２の板状部材１１とにつながる高圧電源１３等の構成を備えた接合装置１で実施される。

接合装置１では、接触された第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは不図示の加熱装置により４００℃から５００℃の高温で加熱されるとともに、高圧電源１３により第２の板状部材１１側をカソードとして、５００Ｖから１０００Ｖ程度の直流高電圧を印加する。

これにより、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との間に大きな静電引力が発生し、界面部で化学結合することによって強固に第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とが接合される。

この他、２種類の板状部材の接合させる方法としては、板状部材の接合面をプラズマやイオンビーム等のエネルギー波により活性化して接合する方法も提案されている（例えば、特許文献３、又は特許文献４参照。）。
特開２００１−６４０４１号公報 特開２００５−１８７３２１号公報 特開２００６−７３７８０号公報 特開２００６−２４８８９５号公報

しかし、特許文献１から４に記載されるような接合方法においては、接合時に加熱する工程が含まれるため、２枚の板状部材の熱膨張率の違いから、冷却時に接合部材に反りが発生し、半導体を使用したイメージングデバイスなどの製造においては、後工程で大きな問題となっている。

この問題に対応するため、引用文献１から４に記載される接合方法では、例えば接合する部材の厚み方向に温度勾配をつける、または一枚の部材を熱膨張率が同じ２枚の部材で挟むなどの方法により反りを低減している。

ところが、これらの方法では、接合面の上下での精密な冷却温度制御が困難であり、特に薄い部材を接合する場合には熱容量が小さいため、瞬時に全体が均一な温度となり温度勾配をつけることが出来ない。また、熱膨張率が同じ２枚の部材で挟む場合は、本来不要なもう一枚の部材を接合させる必要があるため、工程の増加やコスト増加が新たな問題となる。

本発明はこのような問題に対して成されたものであり、熱膨張率の異なる板状部材を加熱して接合する際に、発生する反りを低減させ、反りを起因とする接合部材の劣化を防いだ接合方法、および接合部材を提供することを目的としている。

本発明は前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１の板状部材と第２の板状部材とを接合する際に加熱を伴う工程が実施される接合方法において、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との厚み比、接合を行う時の昇温速度、または前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との熱膨張率の差のいずれか一つ以上の条件を調整することにより、接合された前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との冷却時の反り量を減少させることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、第１の板状部材と第２の板状部材を密着させ、加熱する工程が実施されることにより２枚の板状部材が接合される接合方法において、第１の板状部材と第２の板状部材の厚み比、接合を行う時の昇温速度、または第１の板状部材と第２の板状部材との熱膨張率の差のいずれか一つ以上の条件が調整される。

これにより、第１の板状部材と第２の板状部材は熱膨張率の差による影響を受けにくくなり、加熱工程後の反りが減少する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とはＳｉ、ＳｉＯ２、またはガラスのいずれかの材質により形成され、該第１の板状部材と該第２の板状部材とは異なる材質により形成されていることを特徴としている。

請求項２の発明によれば、第１の板状部材と第２の板状部材とはＳｉ、ＳｉＯ２、またはガラスのいずれかの材質により形成されるとともに、第１の板状部材と第２の板状部材とは異なる素材で形成されている。

第１の板状部材と第２の板状部材とのいずれかの形成に使用されるガラスは、例えば「パイレックス（登録商標）ガラス」等の熱膨張係数が低いガラスがより好適であるがこの限りではなく、もう一方の板状部材に対し熱膨張係数が略２倍以下であるガラスが好ましい。

第１の板状部材と第２の板状部材としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等のイメージングデバイス用の半導体素子が形成されたウェーハが用いられてもよい。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記厚み比をｎ、前記縦弾性係数比をｍとした時、ｎ＞０．８、２．５＜ｎであり、
ｒ＝（ｍｎ３＋１）×（ｍｎ＋１）÷ｍｎ（ｍｎ＋１）２＋３の式で表されるｒは、ｒ＞５．３であることを特徴としている。

請求項３によれば、第１の板状部材と第２の板状部材との厚みの比と縦弾性係数の比から求められる値より、加熱後の接合部材が冷却された際の反りの曲率半径を最小とするように、それぞれの板状部材の厚みが調整される。

これにより、第１の板状部材と第２の板状部材とに発生する応力による影響が緩和され、接合部材の反りが減少する。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２、又は３のうちいずれか１項に記載の発明において、前記昇温速度は、１分あたり１０℃以下であることを特徴としている。

請求項４によれば、加熱の際に通常の温度上昇速度よりも遅い温度上昇速度で加熱することにより、接合が行なわれる温度よりも低温の段階から段階的に接合が行われ、必要以上に各板状部材が膨張することがなく、常温に戻った際の反りや接合不良が低減される。

請求項５に記載の発明は、請求項１、２、３、又は４のうちいずれか１項に記載の発明において、前記熱膨張率の差は、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との間に、該第１の板状部材の熱膨張率と該第２の板状部材の熱膨張率との間の熱膨張率を有する膜を、該第１の板状部材と該第２の板状部材とが接合される接合面に形成することにより調整されることを特徴としている。

請求項５によれば、第１の板状部材と第２の板状部材とが接合される接合面には、第１の板状部材の熱膨張率と第２の板状部材の熱膨張率との間の熱膨張率を有する膜が形成されている。

これにより、第１の板状部材の熱膨張率と第２の板状部材の熱膨張率との差が、接合面に形成された膜により緩和され、接合部材の反りが減少する。

請求項６に記載の発明は、請求項１、２、３、４、又は５のうちいずれか１項に記載の発明において、前記熱膨張率の差は、前記第１の板状部材、または前記第２の板状部材のいずれか一方の板状部材において、接合された面の近傍に他方の板状部材の成分を含有することにより調整されることを特徴としている。

請求項６によれば、第１の板状部材と第２の板状部材とのいずれか一方の板状部材は、接合された面から厚み方向に他方の板状部材の成分を含む層が形成されている。他方の成分を含む層は、層に含まれる成分が接合面から離れるに従い少なくなるように傾斜して含有される。

これにより、一方の板状部材には、接合面近傍に他方の膨張係数に近い膨張係数を備えた層が形成され、第１の板状部材の熱膨張率と第２の板状部材の熱膨張率との差が緩和され、接合部材の反りが減少する。

以上説明したように、本発明の接合方法および接合部材によれば、熱膨張率の異なる板状部材を加熱して接合する際に、熱膨張率の差による影響を緩和し、発生する反りを低減させ、反りを起因とする接合部材の劣化を防ぐ。

以下添付図面に従って本発明に係る接合方法および接合部材の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、本発明に係る接合方法、及び本発明に係わる接合部材の製造を行う接合装置における接合工程の概略を示したものである。

接合装置では、Ｓｉ、ＳｉＯ２、またはガラスのいずれかの材質であって、それぞれ異なる材質により形成された第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とを、まずチャンバー減圧下に置き、酸素プラズマ処理を実施した後、窒素プラズマ処理を行う。

これにより、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との表面が活性化されるとともに、親水化される。

続いて、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とを大気中に戻し、両部材の接合面全面を密着させ、仮接合を行う。仮接合後、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは、加圧されるとともに、不図示の加熱装置により加熱され、接合温度（例えば４００℃から５００℃）まで温度上昇される。この状態で、高圧電源１３により第２の板状部材１１側をカソードとして直流高電圧（例えば５００Ｖから１０００Ｖ）を印加する。

これにより、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との間に大きな静電引力が発生し、界面部で化学結合することによって、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とが強固に結合される。

なお、上記の接合方法では、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは鏡面加工されたものが使用され、平坦度は１００μｍ、面粗さは１ｎｍ以下の物が望ましい。

また、本発明に係る接合方法、及び本発明に係わる接合部材の製造を行う接合装置では、上記接合工程に限らず、加熱の工程を伴う既知の接合工程であれば、いずれの接合工程であっても好適に利用可能である。

次に、本発明に係わる接合方法の第１の実施の形態を説明する。図２は、接合部材が反った状態を示した断面図である。

第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは、接合時に接合する温度まで加熱され、接合後に接合前の温度まで冷却される際、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との熱膨張率の差から、図２に示す曲率半径Ｒで反りが発生する。

このとき、部材の長さをＬとした場合、反り量をδとすると反り量δはδ＝Ｒ±ＳＱＲＴ（Ｒ２−Ｌ２÷４）の式により示される。

曲率半径Ｒは、ｈ１、ｈ２をそれぞれ第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との厚み、α１、α２をそれぞれ第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との熱膨張率、△Ｔを加熱により上昇した温度、ｍを第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との縦弾性係数比、ｎを第１の板状部材１０と第２の板状部材１１の厚み比とした場合、Ｒ＝（ｈ１＋ｈ２）÷｛６（α２−α１）×△Ｔ｝×｛（ｍｎ３＋１）×（ｍｎ＋１）÷ｍｎ（ｍｎ＋１）２＋３｝となる。

ここで、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１の熱膨張率、縦男性係数は各素材により決定するため、ｒ＝（ｍｎ３＋１）×（ｍｎ＋１）÷ｍｎ（ｍｎ＋１）２＋３とすると、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とのそれぞれの厚みを変えることにより、厚みの比であるｎの値が変化し、ｒの値が変化する。これにより、曲率半径Ｒの値も変化する。

曲率半径Ｒの値をより小さい最適な値にする場合は、第１の板状部材１０をＳｉ、ＳｉＯ２、第２の板状部材１１をパイレックス（登録商標）ガラス等の透明なガラス素材とすると、第１の板状部材１０の縦弾性係数は１８０ＧＰａであって、第２の板状部材１１の縦弾性係数は９０ＧＰａとし、△Ｔが１００Ｋであるとした際、厚み比ｎの値はｎ＞０．８、２．５＜ｎであることが好ましく、ｎ＞０．４８、５＜ｎであることがより好ましく、更に反り量δが３００μｍ以下となるｎ＞０．２、１５＜ｎであることがより一層好ましい。

また、ｒの値は、ｒ＞５．３であることが好ましく、反り量δが３００μｍ以下となるｒ＞３０であることがより好ましく、更に反り量δが１００μｍとなるｒ＞１００であることがより一層好ましい。

次に、本発明に係わる接合方法の第２の実施の形態を説明する。図３は、温度上昇を変えた場合の接合状態の違いを示した断面図である。

図３（ａ）に示すように、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは、接合面を接触させた状態で不図示の押圧手段により圧力がかけられている。一方の第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは、常温下から、例えば１００℃〜５００℃の環境へセットされて非常に急速に加熱され、他方の第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは、それよりも遅い昇温速度で加熱される。

このとき、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは温度上昇とともに膨張し、遅い昇温速度で加熱した第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との間には、図３（ｂ）に示すように、最終的に到達させる見かけ上の接合温度（例えば４００℃から５００℃）よりも低温の段階で部分的に接合が開始され、内部に第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とが接合している部分である結合手１４が形成され始める。

このとき、通常の昇温速度で加熱したものは、温度の上昇が急激な為、遅い昇温速度のものよりも高い温度で結合手１４が形成されることとなる。この状態で加熱を続け、昇温速度が速いものも、遅いものも最終的に到達させる見かけ上の接合温度まで第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とが加熱されると、図３（ｃ）に示すように、遅い昇温速度で加熱されたものは結合手１４が膨張により延びた方向に傾く。それと異なり、早い昇温速度で加熱された第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは、既に第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とが大きく膨張した状態で結合手１４が形成されるため、結合手１４が第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とに対して垂直な方向へ形成される。

この状態で冷却され、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とが接合された接合部材が常温まで戻ると、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは収縮してもとの大きさまで戻り、遅い昇温速度で加熱されたものは、膨張方向に結合手１４が傾いていたため、結合手１４が第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とに対して垂直な方向に戻る。

それに対し、早い昇温速度で加熱した第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との接合部材は、結合手１４が第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とに対して垂直な方向であったため、接合部材が収縮する際に、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との熱膨張率の差の影響で、結合手１４が収縮方向に傾き、大きな反りが発生する。更に、反りを緩和する為に結合手が切断され、部分的な接合不良が発生する場合がある。

よって、昇温速度をより遅く調整することにより、接合部材の熱膨張率の差による影響を受けにくくなり、加熱工程後の反りが減少する。

本実施例の場合、昇温速度は、１分あたり１０℃以下が好ましく、１分あたり５℃以下であることがより好ましい。

次に、本発明に係わる接合方法の第３の実施の形態を説明する。図４は、中間に膜を備えた接合部材と通常の接合部材を示した断面図である。

第３の実施の形態では、図４（ａ）に示されるように、密着されて不図示の押圧手手段により押圧されている第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とのいずれか一方には、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との間の熱膨張率である中間膜１５が形成されている。

中間膜は、例えば第１の板状部材１０がＳｉ、第２の板状部材１１がＳｉＯ２等の透明なガラス素材である場合、例えばＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、からなる、成分比によって熱膨張率を制御した層が第１の板状部材１０、または第２の板状部材１１のいずれか一方の接合面に成膜される。

このように中間膜１５が間に形成された第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは接合温度まで加熱される際、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との熱膨張率差による膨張量差を抑制する。

これにより、接合部材の熱膨張率の差による影響を受けにくくなり、加熱時の反りが減少する。

次に、本発明に係わる接合方法の第４の実施の形態を説明する。図５は、他方の成分を含有する板状部材が接合された接合部材と通常の接合部を示した断面図である。

第４の実施の形態では、図５（ａ）に示されるように、密着されて不図示の押圧手手段により押圧されている第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とのいずれか一方には、他方の部材の成分を含む含有層１６が形成されている。含有層１６は、接合面から離れるに従い他方の成分の含有量が減るように成分が傾斜して存在する。本実施の形態の場合、第１の板状部材１０に第２の板状部材１１の成分が含まれるものとする。

このように、含有層１６が接合面近傍に形成された第１の板状部材１０と第２の板状部材１１とは接合温度まで加熱される際、含有層１６に第２の板状部材１１の成分が含まれるので、含有層１６部分の熱膨張率が第２の板状部材１１に近くなり、第１の板状部材１０と第２の板状部材１１との熱膨張率差による膨張量差を抑制する。

これにより、接合部材の熱膨張率の差による影響を受けにくくなり、加熱時の反りが減少する。

表は本発明における接合方法について接合試験を行った結果をまとめたものである。
熱膨張係数比を固定した場合（No.１〜５）、厚み比・温度勾配で、接合性・反り量がどの様に変化するかを調べた。

まず、厚み比を変化する事で、Ｎｏ．１，２における条件での接合と、Ｎｏ．３〜５における条件での接合とにおいて、接合性に差が現れた。厚み比が小さい部材では接合ができていないが、比を大きくする事で接合性が改善された。１、２の未接合結果は反り量起因と考えられる。

また、温度勾配を変化する事で接合性及び反り量に差が現れた（Ｎｏ．３〜５）。温度勾配がゆっくりである程、反り量が低下されている。なお急加熱では反りが小さいものの接合不良部が多く見受けられた。十分な接合がなされていない為、全体の反りを軽減したと考えられる。

更に、熱膨張係数比が近い条件であるＮｏ．６，７における接合では、厚み比・温度勾配に関らず、接合性・そり量とも良好であった。

以上説明したように、本発明に係る接合方法および接合部材によれば、熱膨張率の異なる板状部材を加熱して接合する際に、厚み比、接合を行う時の昇温速度、熱膨張率の差のいずれか一つ以上の条件が調整される際に熱膨張率の差による影響を緩和し、発生する反りを低減させ、反りを起因とする接合部材の劣化を防ぐ。

本発明に係る接合装置における接合工程の概略図。 接合部材が反った状態を示した断面図。 温度上昇を変えた場合の接合状態の違いを示した断面図。 中間に膜を備えた接合部材と通常の接合部材を示した断面図。 他方の成分を含有する板状部材が接合された接合部材と通常の接合部材を示した断面図。 陽極接合の接合装置を示した模式図。

符号の説明

１…接合装置、１０…第１の板状部材、１１…第２の板状部材、１３…高圧電源、１４…結合手、１５…中間膜、１６…含有層

Claims (12)

1. 第１の板状部材と第２の板状部材とを接合する際に加熱を伴う工程が実施される接合方法において、
   前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との厚み比、接合を行う時の昇温速度、または前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との熱膨張率の差のいずれか１つ以上の条件を調整することにより、接合された前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との冷却時の反り量を減少させることを特徴とする接合方法。
2. 前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とはＳｉ、ＳｉＯ２、またはガラスのいずれかの材質により形成され、該第１の板状部材と該第２の板状部材とは異なる材質により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記厚み比をｎ、前記縦弾性係数比をｍとした時、ｎ＞０．８、２．５＜ｎであり、
   ｒ＝（ｍｎ３＋１）×（ｍｎ＋１）÷ｍｎ（ｍｎ＋１）２＋３の式で表されるｒは、ｒ＞５．３であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合方法。
4. 前記昇温速度は、１分あたり１０℃以下であることを特徴とする請求項１、２、または３のいずれか１項に記載の接合方法。
5. 前記熱膨張率の差は、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との間に、該第１の板状部材の熱膨張率と該第２の板状部材の熱膨張率との間の熱膨張率を有する膜を、該第１の板状部材と該第２の板状部材とが接合される接合面に形成することにより調整されることを特徴とする請求項１、２、３、または４のいずれか１項に記載の接合方法。
6. 前記熱膨張率の差は、前記第１の板状部材、または前記第２の板状部材のいずれか一方の板状部材において、接合された面の近傍に他方の板状部材の成分を含有することにより調整されることを特徴とする請求項１、２、３、４、または５のいずれか１項に記載の接合方法。
7. 第１の板状部材と第２の板状部材とを接合する際に加熱を伴う工程が実施される接合方法において、
   第１の板状部材と第２の板状部材との厚み比、接合を行う時の昇温速度、または前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との熱膨張率の差のいずれか一つ以上の条件を調整することにより冷却時の反り量を減少させて接合された接合部材。
8. 前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とはＳｉ、ＳｉＯ２、またはガラスのいずれかの材質により形成され、該第１の板状部材と該第２の板状部材とは異なる材質により形成されていることを特徴とする請求項７に記載の接合部材。
9. 前記厚み比をｎ、前記縦弾性係数比をｍとした時、ｎ＞０．８、２．５＜ｎであり、
   ｒ＝（ｍｎ３＋１）×（ｍｎ＋１）÷ｍｎ（ｍｎ＋１）２＋３の式で表されるｒは、ｒ＞５．３であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の接合部材。
10. 前記昇温速度は、１分あたり１０℃以下であることを特徴とする請求項７、８、または９のいずれか１項に記載の接合部材。
11. 前記熱膨張率の差は、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との間に、該第１の板状部材の熱膨張率と該第２の板状部材の熱膨張率との間の熱膨張率を有する膜を、該第１の板状部材、または該第２の板状部材の接合される面に形成することにより調整されることを特徴とする請求項７、８、９、または１０のいずれか１項に記載の接合部材。
12. 前記熱膨張率の差は、前記第１の板状部材、または前記第２の板状部材のいずれか一方の板状部材において、接合された面の近傍に他方の板状部材の成分を含有することにより調整されることを特徴とする請求項７、８、９、１０、または１１のいずれか１項に記載の接合部材。

Images