JP2010021326A - 貼り合わせウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、特に貼り合わせウェーハ外周部の、貼り合わせ界面におけるボイドの発生を、有効かつ容易に抑制することができる貼り合わせウェーハの製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明による貼り合わせウェーハの製造方法は、活性層用ウェーハ又は支持基板用ウェーハのいずれか一方のウェーハ１０を、ステージ４０上に載置した状態で、所定の圧力雰囲気まで減圧した後、前記一方のウェーハ１０上に他方のウェーハ２０を、直接又は間接的に重ね合わせ、その後、重ね合わせた両ウェーハ３０を、前記所定圧力まで減圧した状態で、貼り合わせを行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、２枚のウェーハの貼り合わせ進行時に、ウェーハ外周部に連続的に発生するボイドを低減することができる貼り合わせウェーハの製造方法に関するものである。

貼り合わせウェーハとは、通常、貼り合わせSOI（Silicon On Insulator）ウェーハのことをいい、例えば、非特許文献１に示すように、酸化していない支持基板用ウェーハと、酸化した活性層用ウェーハを貼り合わせた後、活性層用ウェーハ表面に研削研磨を施し、要求される厚さに薄膜化することにより製造される貼り合わせウェーハや、特許文献１に示すように、活性層用ウェーハに、水素またはヘリウム等の軽元素イオンを所定の深さ位置に注入してイオン注入層を形成する工程と、前記活性層用ウェーハを絶縁膜を介して支持基板用ウェーハに貼り合わせる工程と、前記イオン注入層で剥離する工程と、剥離により露出する活性層部分を薄膜化して、所定膜厚の活性層を形成する工程とを有する、いわゆるイオン注入分離法により製造された貼り合わせウェーハ等が挙げられる。

ここで、前記活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハの貼り合わせ、つまり、２枚のウェーハの貼り合わせる方法としては、例えば特許文献２に開示されているように、少なく友を一方の半導体ウェーハの研磨面を、中央部が凸型となるようにして他方の半導体ウェーハの研磨面に接触させて２枚の半導体ウェーハの研磨面同士を接着することを特徴とする貼り合わせ方法が挙げられる。

また、別の貼り合わせ方法としては、例えば特許文献３に開示されているように、貼付け面が凸状球面に形成され前記貼付け面に半導体ウェーハを吸着して凸状球面状に保持する一対の貼付け部材を備え、前記貼付け部材の貼付け面に、複数の独立した吸引部を当該貼付け面の中央部から周辺部に順次設け、前記各吸引部に真空ポンプ、前記連通部材にエアーポンプを接続させ、前記吸着保持された双方の半導体ウェーハの中央部から周辺部へ向けて貼り合わせる装置を用いた半導体ウェーハの貼り合わせ方法が挙げられる。

しかしながら、特許文献２及び３に記載の貼り合わせ装置はいずれも、サイズの小さなウェーハ（例えば、直径150mm以下のウェーハ）の貼り合わせには有効であるものの、直径が200mmを超えるようなサイズの大きなウェーハを貼り合せる場合には、前記ステージとウェーハとの吸着の制御が困難であるため、貼り合わせウェーハの外周付近において部分的に貼り合わせが不十分になり、貼り合わせ界面にボイドが発生するという問題がある。また、ウェーハ形状を曲面状にした状態で貼り合わせを行ったとしても、外周部に連続的に発生するボイドを完全に抑制することができないことが確認されている。

そして、前記ボイドの発生は、その後のウェーハ加工（研削・研磨）時の剥がれや、欠陥の原因となり、デバイス特性の劣化を引き起こすことから、ボイドの発生を抑制できる貼り合わせウェーハの製造装置の開発が望まれている。

上記課題を解決すべく、近年、減圧下において、中心部が凸状の曲面で構成されるステージの載置面上に一方のウェーハを載せた後、この一方のウェーハの上に他方のウェーハを重ね、この重ねた前記他方のウェーハの自重によって貼り合わせを行うという貼り合わせウェーハの製造方法が開発されている。しかしながら、上記貼り合わせ方法を用いた場合、減圧によって貼り合わせ界面の空気を除去できるため、ある程度のボイド抑制効果は発揮できるものの、単に減圧雰囲気にするだけでは、安定した効果が出にくく、減圧にするタイミングによっては、外周にボイドが発生するという恐れがあった。特に、上記方法のようにウェーハの自重を利用した貼り合わせでは、減圧と貼り合わせの進行との調整が難しく、貼り合わせが進行した時点で完全には減圧状態になっていないために、、外周部にボイドが発生する可能性があることから、さらなる改良が望まれている。
ＵＣＳ半導体基盤技術研究会編集、「シリコンの科学」、株式会社リアライズ社、1996年6月28日、p459−462 特開平５−２１１１２８号公報 特開昭６１−１４５８３９号公報 特開平７−６６０９３号公報

本発明の目的は、特に貼り合わせウェーハ外周部の、貼り合わせ界面におけるボイドの発生を、有効かつ容易に抑制することができる貼り合わせウェーハの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）活性層用ウェーハ又は支持基板用ウェーハのいずれか一方のウェーハを、ステージ上に載置した状態で、所定の圧力雰囲気まで減圧した後、前記一方のウェーハ上に他方のウェーハを、直接又は間接的に重ね合わせ、その後、重ね合わせた両ウェーハを、前記所定圧力まで減圧した状態で、貼り合わせを行うことを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。

（２）前記重ね合わせた両ウェーハは、前記一方のウェーハと前記他方のウェーハとの間に爪状手段を介挿して、間接的に重ね合わせてなる上記（１）記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（３）前記所定圧力は、70kPa以下である上記（１）又は（２）記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（４）前記貼り合わせは、前記重ね合わせた両ウェーハの中央部のみを、上方から所定荷重を加えることにより行う上記（１）、（２）又は（３）記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（５）前記ステージの載置面は、その中心位置と外周位置の高低差（ｈ）が100μm以下の微小凸面で構成される上記（１）〜（４）のいずれか１項記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

この発明によれば、特に貼り合わせウェーハ外周部の、貼り合わせ界面におけるボイドの発生を、有効かつ容易に抑制することができる貼り合わせウェーハの製造方法を提供することが可能になった。

本発明に従うウェーハ貼り合わせウェーハの製造方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に従う貼り合わせウェーハの製造方法に用いられる装置の断面を示した概略図である。

本発明による貼り合わせウェーハの製造方法は、図１に示すように、活性層用ウェーハ又は支持基板用ウェーハのいずれか一方のウェーハ１０を、ステージ４０上に載置した状態で、所定の圧力雰囲気まで減圧した後、前記一方のウェーハ１０上に他方のウェーハ２０を、直接又は間接的に重ね合わせ、その後、重ね合わせた両ウェーハ３０を、前記所定圧力まで減圧した状態で、貼り合わせを行うことを特徴とする。

従来の貼り合わせウェーハの製造方法では、直径が200mm以上の大きなサイズのウェーハを貼り合せる場合、貼り合わせウェーハの外周付近において部分的に貼り合わせが不十分になり、貼り合わせ界面にボイドが発生しやすくなるという問題があった。
なお、図２(ａ)は、従来の方法によって製造した貼り合わせウェーハの外周付近にボイドが発生した状態を模式的に示した図であり、図２(ｂ)は、ボイドが発生した貼り合わせウェーハの外周部の一部を超音波ボイド検査装置を用いて観察したときの状態を示したものである。超音波ボイド検査装置によって観察した結果、図２(ｂ)に示すように、貼り合わせウェーハの外周部に連続的にボイドが発生していることがわかる。

本発明者らは、上記問題は、ステージとウェーハとの吸着の制御が困難であるため、貼り合わせの進行に不具合が発生すること、及び、両ウェーハを貼り合わせる際の減圧が十分にできていないことが原因で貼り合わせウェーハの外周部に発生するボイドを十分に抑制することができないと考え、その解決方法について鋭意研究を行った。
その結果、活性層用ウェーハ又は支持基板用ウェーハのいずれか一方のウェーハ１０を、ステージ４０上に載置した状態で、所定の圧力雰囲気まで減圧した後、前記一方のウェーハ１０上に他方のウェーハ２０を重ね合わせ、減圧下で貼り合わせを進行させることにより、減圧によって前記貼り合わせウェーハ３０の貼り合わせ界面に残存する空気を除去することができることに加え、ウェーハ同士１０、２０を重ね合わせる前に、すでに減圧状態になっているため、従来の減圧下での貼り合わせに比べ、さらに安定してボイドの発生を抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至ったのである。

次に、本発明に従う貼り合わせウェーハの製造方法の各条件について以下に説明する。
本発明のステージ４０は、図１(ａ)に示すように、ウェーハ１０、２０を載せるための部材であり、載置面４０ａを有する。また、該ステージ４０の載置面４０ａの材質は、特に限定されないが、ステージ４０の少なくとも表層部分（例えば、載置面４０ａから厚さ１mm以上の部分）の材質が、テフロン（登録商標）等の樹脂系材料であることが好ましく、加工時の変形が少ないことや、接触によるキズ・汚染等を抑制できる点から耐熱性及び耐摩耗性を有するピーク材（ポリエーテルエーテルケトン）を用いることがより好適である。

また、本発明のステージ４０の載置面４０ａは、図３に示すように、その中心位置４１と外周位置４２の高低差（ｈ）が100μm以下の微小凸面で構成されることが好ましく、さらに好ましくは、50μm以下とすることで、より安定した効果が得られる。このように、前記載置面４０ａの中心部４１が微小凸面で構成されることで、凸部に加重を付加した場合、ウェーハ１０、２０を均一に貼り合わせることが可能となる。なお、載置面４０ａの「中心部」とは、載置面４０ａの中心部４１を中心とする半径１mmの円で囲まれた領域をいう。なお、図３は、前記高低差ｈを正確に図示すると、従来のフラットな載置面と区別できないため、説明の便宜上、前記ステージ４０の高低差ｈを誇張して示している。

なお、前記ステージ４０は、その中心部４１と外周部４２の高低差（ｈ）が100μm以下としたのは、２枚のウェーハを爪状手段を用いず直接重ねた場合に於いて、ウェーハの自重により貼り合わせが進行しない条件とし、目標の減圧値に至る前に貼り合わせが進行するのを防止するためである。また、爪状手段を用いる場合に於いては、１００μm以上の高低差のあるステージを用いても、同様の効果が期待できるが、目標の減圧値まで到達した後、爪状手段を退避させ、ウェーハを接触させる。

また、本発明の製造方法は、ウェーハ１０、２０を、ステージ４０上に載置した状態で、所定の圧力雰囲気まで減圧することを特徴とする。前記圧力雰囲気は、大気圧に比べて減圧されていれば、特に限定はされないが、70kPa以下とすることが好ましい。70kPa超えでは、減圧が十分でないため、貼り合わせ界面に残存する空気の除去が不十分となり、ボイドが発生する恐れがあるためである。さらに、貼り合わせ後に大気圧まで戻すための待ち時間を考慮すると、前記所定の圧力は、50〜70kPaであることがより好適である。

また、前記所定の圧力雰囲気にするための手段としては、特に限定はされないが、例えば、チャンバー７０内に、ウェーハ１０、２０を入れた後、減圧手段（図示せず）を用いて所定の圧力雰囲気まで減圧する方法が挙げられる。前記減圧手段は、前記チャンバー７０内を所定の圧力まで減圧することができる装置等であればよく、特に限定する必要はないが、例えば、減圧用ポンプ等を用いることができる。

なお、本発明による貼り合わせの方法は、重ね合わせた両ウェーハ３０を、前記所定圧力まで減圧した状態で貼り合わせを行えば特に限定はされない。例えば、図３に示すように、前記他方のウェーハ２０の自重によって貼り合わせる方法でよいし（この場合はステージの高低差としては、１００μm以上が必要である）、図１(ａ)及び(ｂ)に示すように、荷重付加手段６０を用いて荷重を加えることによって、貼り合わせを進行させることも可能である。

また、前記重ね合わせた両ウェーハ３０は、前記一方のウェーハ１０と前記他方のウェーハ２０との間に爪状手段５０を介挿して、間接的に重ね合わせてなることが好ましい。図１(ａ)に示すように、爪状手段５０を介挿した状態で減圧を行い、所定の減圧雰囲気になった後、図１(ｂ)に示すように、前記爪状手段５０を抜き取るとともに、前記荷重負荷手段６０によって荷重を付加することにより、ウェーハ１０、２０同士の均一な貼り合わせが可能となり、ボイドの発生が抑制できるからである。

さらに、ウェーハ１０、２０の貼り合わせを行う前に、それぞれのウェーハ１０、２０の貼り合わせ面に、窒素、酸素、水素又はこれらの混合ガス等、所定のガス雰囲気にてプラズマ処理を施すことが好ましい。このプラズマ処理を行うことで、貼り合わせ界面の貼り合わせ強度を大きくすることができるからである。ただし、プラズマ処理を施したウェーハ１０、２０同士の貼り合わせは、貼り合わせの進行速度が速く、貼り合わせ界面に空気が残存しやすいため、前記チャンバー７０内の圧力をより減圧、好適には5kPa以下とすることがより好適である。

さらにまた、前記貼り合わせは、前記重ね合わせた両ウェーハ３０の中央部３１のみを、上方から所定荷重を加えることにより行うことが好ましい。中央部３１のみに荷重を加えることで、外周までの貼り合わせの進行時間が同心円状となり、ウェーハ外周領域での異様な進行分布を抑制することができる。また、中心加重により貼り合わせ進行時間も短縮することができ、生産能力を向上させることも可能である。また、前記所定荷重は、ステージ４０の形状や減圧雰囲気によっても変化するため特に限定はされないが、有効に貼り合わせができる点から50gf以上であり、ウェーハ１０、２０に強い衝撃が加わらないように200gf以下であることが好ましい。

なお、本発明による貼り合わせウェーハの製造方法では、前記一方のウェーハ１０及び他方のウェーハ２０を前記ステージ４０まで搬送するため、ウェーハ搬送手段（図示せず）を用いることができる。前記ウェーハ搬送手段を用いれば、ウェーハ１０、２０を傷つけることや、パーティクルの付着を抑制することができ、さらに、前記ステージ４０へウェーハ１０、２０を正確に搬送することが可能となるからである。また、前記ウェーハ搬送手段は、ウェーハ１０、２０の傷つきやパーティクルの付着を抑制できるものであればよく、特に限定されないが、ロボットハンドや、空気圧によって搬送する搬送手段を用いることが効果的である。加えて、前記ウェーハ１０、２０の貼り合わせ時には、貼り合わせの進行状態を確認することができるようにするため、チャンバー７０の上方位置に赤外線照射装置（図示せず）を設置することも可能である。

また、前記ウェーハ１０、２０を貼り合わせ後、貼り合わせたウェーハ３０を薄膜化する方法としては、特に限定がなく、例えば、研削・研磨による薄膜化や、イオン注入分離法による薄膜化による方法が挙げられる。

なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

（実施例１）
実施例１は、２枚の200mmシリコンウェーハの一方に1μｍの酸化膜を形成させたのち、活性層用ウェーハ１０とした。
その後、図２に示すように、活性層用ウェーハ１０を、チャンバー内のステージ４０の載置面４０ａ上に載置し、爪状手段５０を介挿して、その上に支持基板用ウェーハ２０を載置した後、チャンバー内を70kPaまで減圧し、前記爪状手段５０を抜き取った後、荷重付加手段６０によって荷重を付加しながら、貼り合わせを行い、サンプルとなる貼り合わせウェーハ３０を得た。なお、チャンバー内の70kPaの減圧雰囲気は、貼り合わせが完了するまで行い、チャンバー内の圧力推移については、図４(ａ)に示す。

（実施例２）
実施例２は、図３に示すように、載置面４０ａが微小凸面で構成される形状であり、その高低差ｈが50μmであるステージ４０を用いて貼り合わせを行い、爪状手段を用いない条件以外は、実施例１と同様の条件でサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。なお、チャンバー内の圧力推移については、図４(ａ)に示す。

（実施例３）
実施例３は、載置面４０ａが微小凸面で構成される形状であり、そのステージ中央部４１とステージ外周部４２との高低差ｈが100μmであるステージ４０を用いて、荷重付加手段６０によって荷重を付加することなく、前記爪状手段５０を抜き取ることで、前記支持基板用ウェーハ２０の自重の作用によって貼り合わせを行ったこと以外は、実施例１と同様の条件でサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。なお、チャンバー内の圧力推移については、図４(ａ)に示す。

（比較例１）
比較例１は、チャンバー内を減圧することなく通常の圧力（100kPa）で貼り合わせを行い、爪状手段を用いないこと以外は、図１に示すような形で、実施例１と同様の条件によりサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。なお、チャンバー内の圧力推移については、図４(ｂ)に示す。

（比較例２）
比較例２は、従来の減圧雰囲気での貼り合わせ方法のように、チャンバー内にある、載置面４０ａが微小凸面で構成される形状で、そのステージ中央部４１とステージ外周部４２との高低差ｈが100μmであるステージ４０の上に、前記活性層用ウェーハ１０を載置した後、直接、前記支持基板用ウェーハ２０を重ね合わせ、（爪状手段を用いない）その後、減圧を行うことによって貼り合わせを進行させたこと以外は、実施例３と同様の条件でサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。なお、チャンバー内の圧力推移については、図４(ｂ)に示す。

（評価方法）
上記実施例１〜３並びに比較例１及び２で得られた貼り合わせウェーハのサンプルについて、一般的な超音波ボイド検査装置により、貼り合わせ界面のボイド（特にウェーハ外周部に発生するボイド）の個数を計測し、それぞれの結果を以下の評価基準に従って評価した。計測結果及び評価結果を表１に示す。
○：ボイドの発生なし
×：ボイドの発生あり

表１の結果から、実施例１〜３のサンプルは、ボイドが観察されず、ボイドの発生を有効に抑制できていることがわかった。一方、比較例１及び２のサンプルは、貼り合わせの際に十分に減圧が行われていないことから、サンプルの外周部にボイドが発生していることがわかった。

この発明によれば、特に貼り合わせウェーハ外周部の、貼り合わせ界面におけるボイドの発生を、有効かつ容易に抑制することができる貼り合わせウェーハの製造方法を提供することが可能になった。

本発明の製造方法に用いられるウェーハ製造装置の要部構成を示した概略側面図である。 貼り合わせウェーハの外周部に発生するボイドを示した図及び写真であって、 (ａ)は、従来の方法によって製造した貼り合わせウェーハの外周付近にボイドが発生した状態を模式的に示した平面図であり、(ｂ)は、(ａ)の一部分について拡大した場合を示したものであって、超音波ボイド検査装置を用いて観察したときの状態を示した写真である。 本発明による製造方法を説明するための、ウェーハ及びステージの側断面図である。 各実施例及び各比較例のチャンバー内の圧力推移を示したグラフであり、(ａ)は実施例１〜３について示したものであり、(ｂ)は比較例１及び２について示したものである。

符号の説明

１０、２０ ウェーハ
３０ 貼り合わせたウェーハ
４０ ステージ
４０ａ 載置面
４１ ステージ中央部
５０ 爪状手段
６０ 荷重手段
７０ チャンバー

Claims (5)

1. 活性層用ウェーハ又は支持基板用ウェーハのいずれか一方のウェーハを、ステージ上に載置した状態で、所定の圧力雰囲気まで減圧した後、前記一方のウェーハ上に他方のウェーハを、直接又は間接的に重ね合わせ、その後、重ね合わせた両ウェーハを、前記所定圧力まで減圧した状態で、貼り合わせを行うことを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
2. 前記重ね合わせた両ウェーハは、前記一方のウェーハと前記他方のウェーハとの間に爪状手段を介挿して、間接的に重ね合わせてなる請求項１記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
3. 前記所定圧力は、70kPa以下である請求項１又は２記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
4. 前記貼り合わせは、前記重ね合わせた両ウェーハの中央部のみを、上方から所定荷重を加えることにより行う請求項１、２又は３記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
5. 前記ステージの載置面は、その中心位置と外周位置の高低差（ｈ）が100μm以下の微小凸面で構成される請求項１〜４のいずれか１項記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

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