JP2012044188A

JP2012044188A - 接合方法

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Publication number: JP2012044188A
Application number: JP2011190438A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamauchi; 朗山内; Tadatomo Suga; 唯知須賀
Original assignee: Bondtech Inc
Current assignee: Bondtech Inc
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2025-02-16
Also published as: JP5438734B2

Abstract

【課題】真空チャンバー内で被接合物どうしを接合する技術を提供する。
【解決手段】表面活性化された接合表面を有する被接合物どうしを接合するときに、真空チャンバー内において、少なくとも一方の被接合物に金属をスパッタして金属膜を形成することにより、金属膜により当該被接合物の表面活性化された接合表面を形成して、被接合物どうしを接合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空チャンバー内で被接合物を表面活性化して接合する接合方法に関する。

従来、被接合物の接合表面をスパッタエッチングして表面活性化し、接合する方法は、特許文献１に示す方法が開示されている。本方式では、対向配置した被接合物を各々上下４５°の角度から同時に２つのイオンガンで照射するが、イオンガンの場合は、指向性が高いので４５°で入射されたイオンはエッチング物と一緒に反対方向４５°に反射していく。そうすることで両被接合物のエッチング物は他方へ再付着することなく、洗浄することが可能である。しかし、特許文献２に示すようにプラズマを使用した場合には、プラズマは電極面に向かって均一に垂直方向に衝突するため、特許文献１のように４５°の角度を持って被接合物に照射することができない。全て垂直に当たるため、反射されるイオンやエッチング物は接合表面に垂直方向へ反射される。そのため、対向配置しているとエッチング物の再付着が起こり洗浄しても次から次ぎへ汚れていくことになり、表面は活性化されない。また、対向配置してプラズマを発生させるためには最低３０ｍｍ以上の距離を開ける必要がある。

特開昭５４−１２４８５３号公報特開２００３−３１８２１７号公報

従来のイオンガンによる方式では、被接合物を対向配置しても４５°入射角をつけることで再付着は防げるが、高真空が必要で、かつ、高価な装置となってしまい量産機としては欠ける。簡易なプラズマを使用すると、低コストで扱い易く量産性があるが、対向配置すると再付着の問題があり接合できない。また、従来対向配置した被接合物間の高さ方向の隙間を最低３０ｍｍ程度開けないとプラズマが発生しないが、接合時にヘッドが下降する時にＺ軸の傾きやガタ、Ｚ移動に対する平面方向の誤差により移動距離に比例して位置ずれが発生する課題があった。そのため、被接合物間の高さ方向の隙間を小さく押さえる必要がある。そこで本発明は上記のごとき事情に鑑みてなされたものであって、真空チャンバー内で被接合物どうしを接合する技術を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る接合方法は、表面活性化された接合表面を有する被接合物どうしを接合する接合方法において、真空チャンバー内において、少なくとも一方の前記被接合物に金属をスパッタして金属膜を形成することにより、前記金属膜により当該被接合物の表面活性化された前記接合表面を形成して、前記被接合物どうしを接合することを特徴としている。

また、前記真空チャンバー内において、前記被接合物に前記金属をスパッタする際に、当該被接合物をエネルギー波によりエッチングして洗浄してもよい。

また、前記被接合物に前記金属を対向配置し、前記金属をプラズマ電極としてプラズマを発生させることにより前記被接合物に前記金属をスパッタしてもよい。

スライドさせてプラズマ発生できるので、対向面にスパッタさせる金属を配置し、プラズマ電極をその金属にすることにより、金属が被接合物表面にスパッタされ、薄膜形成がなされる。両被接合物表面に金属膜がスパッタされれば、その金属同士で接合させることができる。従来表面活性化では接合が難しかったＡｌやセラミック、酸化物なども適用でき、接合できるようになる。また、スパッタ前に被接合物側をプラズマ電極とすることで被接合物の接合表面を事前にエッチングして洗浄しておけばより接合し易くなる。また、スライド後対向配置させた状態で一方の金属表面を持つ被接合物を電極側として対向する他方の被接合物に対してスパッタすることもできる。特に一方が接合し易い金や銅からなる金属で他方が接合しにくい材料である時に適する。

また、前記表面活性化処理された後に、一方の前記被接合物の前記接合表面および他方の前記被接合物の前記接合表面にそれぞれ異なる前記金属をスパッタして前記金属膜を形成してもよい。スライドさせて各々プラズマ処理できることからスパッタする金属をヘッド側、ステージ側で異なるものを使用することができる。例えばヘッド側とステージ側の被接合物が異なる材質の場合、その材質にスパッタし易い金属を個別に用いることでより容易に接合させることができる。

また、ヘッドおよびステージにそれぞれ保持された２つの被接合物の接合表面を減圧下で、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波で表面活性化処理した後、前記２つの被接合物を固相で接合する接合方法であって、真空チャンバー内において、前記２つの被接合物が対向する接合位置と前記２つの被接合物が対向しない待機位置との間で前記ステージおよび前記ヘッドの少なくとも一方をスライド移動させるスライド移動手段により前記２つの被接合物が対向しない状態で、前記２つの被接合物の前記両接合表面を前記表面活性化処理した後、前記スライド移動手段により前記２つの被接合物を対向させ、少なくとも一方の前記被接合物を前記接合表面に垂直方向へ移動させて、前記２つの被接合物を接合してもよい。

また、２つの被接合物の接合表面を減圧下で、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波で表面活性化処理した後、固相で接合する接合装置であって、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に配設され、一方の前記被接合物を保持するヘッドおよび他方の前記被接合物を保持するステージと、前記ステージおよび前記ヘッドの少なくとも一方を前記接合表面に垂直方向に移動する加圧手段と、前記ステージおよび前記ヘッドの少なくとも一方を、前記２つの被接合物が対向する接合位置と前記２つの被接合物が対向しない待機位置との間でスライド移動させるスライド移動手段とを備え、前記スライド移動手段により前記ステージおよび前記ヘッドの少なくとも一方が待機位置へ移動して前記２つの被接合物が対向しない状態で、前記ヘッドおよび前記ステージに保持された前記２つの被接合物の前記両接合表面を前記表面活性化処理した後、前記スライド移動手段により前記２つの被接合物を対向させ、少なくとも一方の前記被接合物を前記加圧手段により前記接合表面に垂直方向へ移動させて、前記２つの被接合物を接合してもよい。

ステージを待機位置へスライドさせた状態でプラズマ洗浄することによりエッチングされた付着物は対向面へ飛散し、他方へ再付着することは無い。また、前記プラズマ洗浄時に真空度を１０^−３Torr以下としてもよい。真空度を１０^−３Torr以下とすることで飛散物がイオンに衝突して方向が変わり再付着する確率も減少するので好ましい。

また、前記スライド移動手段により前記接合位置へスライド移動した後の前記両被接合物間のすきまが２０ｍｍ以内であるとよい。従来、プラズマを発生させるためには上下の被接合物間は少なくとも３０ｍｍ程度離す必要があることからヘッドを下降させる時にＺ軸の傾きやガタからせっかくアライメントしても位置ずれを起こしてしまう。しかし、ステージを待機位置へスライドさせた状態でヘッド側、ステージ側各々にプラズマを発生させれば、Ｚ軸の移動距離は最小限に押さえることができるので従来の３０ｍｍ以下である２０ｍｍ以下に設定可能である。また、５μｍ以下にも設定可能でありより好ましい。数μｍ以内に押さえればＺ軸の傾きによる誤差は無視でき、Ｚ移動による水平方向の誤差も移動量に比例して最小限に押さえられる。

また、接合時に片当たりしないようにするためには、少なくとも一方の被接合物保持手段の表面に弾性材を配し、前記接合時に弾性材を介して両被接合物を加圧することが好ましい。ハンダのように溶融させて接合するのでは無く、固相で接合するため、被接合物間の平行度や平面度がでていないと接触したところしか接合できない。そのため、少なくとも一方の被接合物保持手段の表面に弾性材を配し、接合時に弾性材を介して両被接合物を加圧することで平行度をならわせ、また、薄い被接合物であれば平坦度もならわせることができる。また、接触させた後、弾性材を被接合物と保持手段の間に挿入しても良い。

また、少なくとも一方の被接合物保持手段が球面軸受けで保持され、前記接合時または接合前に被接合物同士を接触加圧して少なくとも一方の被接合物に他方の傾きを合わせることが好ましい。ステージ及び／又はヘッドに被接合物保持手段が球面軸受けで保持され、前記接合時または接合前に被接合物同士を接触加圧して少なくとも一方の被接合物に他方の傾きを合わせることができる構造とすることで、平行度をならわせて接合することができる。球面軸受けはロック／フリーを選択するロック機構を持っており、通常はロックさせた状態で、ならわせる時だけフリーとすることができる。また、一旦ならわせた後ロックし、その状態を保持してからプラズマ洗浄してアライメント後接合することもでき、平行度があった状態でアライメントするため接合時に位置ずれ無く接合できるので好ましい。

また、前記プラズマ洗浄中または洗浄前または洗浄後に真空度を１０^−３Toｒｒ以下にすることが好ましい。不純物を取り除くために１０^−３Torr以下に減圧してから洗浄することが好ましい。また、洗浄後または洗浄中に反応ガスやエッチング物を取り除くために１０^−３Torr以下に減圧することが好ましい。接合表面に打ち込まれたＡｒを取り除くには１００〜１８０℃程度に加熱を併用することもできる。

また、複数の被接合物同士を接合する方法であって、少なくとも一方の被接合物が半導体であり、各被接合物の接合面を＋−両電界に切り替わる交番電源からなるプラズマで減圧下でプラズマ洗浄した後、固相で接合してもよい。また、複数の被接合物同士を接合する接合装置であって、一方の被接合物を保持するヘッドと、もう一方の被接合物を保持するステージと、ヘッドまたはステージを接合面と垂直方向に位置制御し、かつ、加圧制御が可能な昇降機構を備え、少なくとも一方の被接合物が半導体であり、各被接合物の接合面を＋−両電界に切り替わる交番電源からなるプラズマで減圧下でプラズマ洗浄した後、固相で接合してもよい。

少なくとも一方の被接合物が半導体である場合などでは、＋イオンや−電子が半導体の回路面に衝突すると、回路、特にゲート酸化膜などにチャージアップダメージを与えることになる。これを回避するために＋イオンと−電子を交互に衝突させることにより電荷がチャージする前に中和させてしまうことができる。そうすることによりチャージアップダメージを回避することが可能となる。プラズマにて接合表面の付着物がエッチング除去され表面活性化されれば、金属やＳｉ、酸化物は低温下で固相で接合することができる。

また、前記交番電源が１：５より均等に切り替わるようにしてもよい。交互に切り替わる比率としては１：５より均等であればチャージアップダメージを軽減できる。また、１：２より均等であればより好ましい。また、前記交番電源においてＶｄｃが−値であり、＋領域が２０％〜４０％であってもよい。また、Ａｒや酸素プラズマなどは＋イオンとなるため、加速して洗浄面に衝突させエッチングするためには、被接合物を保持する電極は−電界である必要がある。そのため、Ｖｄｃ値は−であることが好ましい。また、前記Ｖｄｃ値を調整できる交番電源からなるプラズマであってもよい。＋−を均等にしすぎると＋イオンが衝突する機会が減るため洗浄能力が減少する。また、−電子によるチャージアップダメージが発生する。そのため、アプリケーション毎に最適なＶｄｃ値を調整できるようにすることにより、チャージアップダメージを起こさず最適な洗浄能力を発揮することができ、効果がある。

また、前記交番電源がＲＦプラズマであってもよい。交番電源として交流からなるＲＦプラズマを使用することで交互に電界を＋−切り替えることが容易にできる。また、前記Ｖｄｃ値の調整で容易に＋と−の割合を調整可能である。また、前記交番電源がパルス波からなるプラズマであってもよい。交番電源としてパルス波を用いることができる。パルス波であれば急峻な立ち上がりと立ち下げが可能であり、洗浄能力もアップする。また、前記パルス波が＋領域時間と−領域時間を調整可能な交番電源からなるプラズマであってもよい。Ｖｄｃ値の調整だけでなく、パルス幅や間隔を調整することで＋−の割合や衝突時間を管理できるので交流であるＲＦよりより細かく設定が可能となり、最適な値を探し出しやすい。

また、前記プラズマ反応ガスを一方の被接合物と他方で異なるガスを使用し、個別に洗浄してもよい。スライドさせて各々個別にプラズマ処理できることからプラズマ反応ガスをヘッド側、ステージ側で異なるものを使用することができる。例えばヘッド側とステージ側の被接合物が異なる材質の場合、その材質に合った反応ガスを個別に用いることでより容易に接合させることができる。

また、前記接合時の加熱温度が１８０℃以下であってもよい。プラズマ処理により表面活性化して接合させるため、接合時の加熱温度を従来の錫鉛ハンダの溶融温度である１８３℃以下である１８０℃以下で固相で金属接合することができる。また、１００℃以下でも可能であり、室温でも可能でより好ましい。また、金であればより容易に低温で接合が可能で好ましい。

また、プラズマ交番電極を被接合物保持電極と対向面に配置し、洗浄するようにしてもよい。個別にスライドした位置でプラズマ処理できるので、プラズマ電源を被接合物側と対向位置に配置することができる。そうすることで、電極側にシース領域が発生し、イオンや電子が強烈にあたるが、反対側には弱くなり、また、中性なラジカルが多く存在するため、ダメージが軽減できる。特に半導体などチャージアップダメージが問題になるものに対しては好ましい。また、対向電極はスパッタエッチングされにくい材質を選べば被接合物へのスパッタは避けられる。また、被接合物と同材質を選定すれば被害は少ない。

また、前記被接合物の少なくとも一方がＳｉ、ＳｉＯ_２、ガラス、セラミックであり、前記プラズマが酸素プラズマであり、親水化処理後、加熱下で固相で接合してもよい。被接合物がＳｉ、ＳｉＯ_２、ガラス、セラミックである場合にはＡｒプラズマでエッチングしたのみでは接合が難しい。この場合は、酸素プラズマを使用し、接合表面を親水化処理し、水素結合により接合した後、２００℃程度の低温で１時間程度加熱することで水分子を放出させ、強固な共有結合へと変換させることができる。

また、両被接合物間に電圧を印加する手段を備え、前記被接合物の少なくとも一方が電圧によりイオンに分解する材料が含まれたＳｉ、ＳｉＯ_２、ガラス、セラミックであり、接合時に両被接合物間に電圧を印加し、加熱下で固相で陽極接合してもよい。酸素プラズマによる方法以外に少なくとも一方の材料にＮａのようなイオン分子が含まれていると５００ｖ程度の高電圧を両被接合物間を接触させた状態で印加し、３５０℃程度に加熱することで陽極接合させることができる。

また、前記プラズマ洗浄手段が、エッチング力を切り替える減圧プラズマ洗浄手段からなり、プラズマ電極を被接合物保持電極と対向面電極の２箇所に切り替え可能に配置したものからなり、被接合物保持電極側に電源を印加してプラズマ処理を行い、次いで対向面電極側に電源を印加してエッチング力を弱めてプラズマ処理を行うようにしてもよい。特に前述の親水化処理して接合する場合において、プラズマ処理による洗浄工程をプラズマ処理後半においてエッチング力を弱めてプラズマ処理を行うことにより、通常のプラズマ処理においては物理処理により不純物を除去し、化学処理により表面にＯＨ基を付けて並べたり、窒素などの置換が行われるが、せっかく表面に化学処理されたものがエッチング力が強いので除去され、表面を均一に化学処理することは難しい。そこでプラズマ処理後半において、エッチング力を弱めてプラズマ処理することにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に化学処理を行い、表面活性化処理を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができる。低温とは、従来方法では３５０℃必要であり、それ以下である３００℃以下で接合できるので好ましい。また、前記接合温度が２００℃以下であってもよい。２００℃での接合が可能であり、より好ましい。

また、プラズマ処理後半とは時間的に半分とは限らず時間に関係しない意味を持つ。また、プラズマ処理前半と後半は間隔があっても良いが、連続された方が化学処理上好ましい。プラズマ電極側では、電界が作られるためイオンが加速して衝突するのでエッチング力が増し、電極と対向面ではイオンは加速衝突しないのでエッチング力は低いが、加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進される。プラズマ電極を被接合物保持電極と対向面電極の２箇所に切り替え可能に配置し、被接合物保持電極側に電源を印加してプラズマ処理を行い、次いで対向面電極側に電源を切り替えてエッチング力の弱いプラズマ処理を行うことにより、不純物を除去し、かつ、エッチング力を弱めることにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に表面活性化を行うことができる。

そのため低温で接合強度を増すことができる。従来の被接合物保持電極のみにプラズマ電源を印加した場合と、被接合物保持電極と対向面電極を切り替え処理した場合の温度と接合強度の違いを示す。従来方法では十分な強度を得るのに３５０℃必要であったが、本方式では常温から２００℃以内で十分な接合強度を得ることができた。また、対向電極とは、平行平板型のように対向配置しても良いが、電極以外の周囲に配置しても同様な効果が表れる。また、スパッタエッチングによる電極材料の再付着を避けるためには、対向面より側面の方が好ましい。本文でいう対向面電極とはこれらの周囲の部位に電極を配置することも含む。

また、前記洗浄工程後に複数の被接合物を大気中で接合面同士を密着させ接合してもよい。プラズマ処理後半にてエッチング力を弱めることにより化学反応は促進され接合表面に均一に表面活性化処理を行うことができる。既に接合表面にはＯＨ基や窒素置換などの化学処理が施されているので大気中でも接合することができる。また、接合面が金であれば、大気中でも数時間以内であれば低温で接合させることができる。

エネルギー波による表面活性化処理とは、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマで接合界面を活性化状態にして接合しやすくする処理を示す。表面活性化による接合原理は次の考え方ができる。金属のような物質においては表面の有機物や酸化膜など付着物をエッチング除去して、活性な金属原子のダングリングボンドを表面に生成することで、他方のダングリングボンド同士で接合させる。また、Ｓｉまたはガラス、ＳｉＯ_２、セラミック系を含む酸化物である場合は、酸素や窒素プラズマによる親水化処理により、接合表面をＯＨ基で活性化し、他方のＯＨ基同士で接合させる。プラズマの場合は減圧プラズマ以外にも大気圧下で処理できる大気圧プラズマもあり容易に扱える。

本発明はこれらの接合原理に従い、エネルギー波により表面活性化した後、接合することにより、より低温で、かつ、接合強度をアップすることである。また、表面活性化する工程において、イオン衝突による物理処理を高めた処理とイオン衝突力を弱めてラジカルを多くした状態にて化学処理を促進する処理に連続して切り替えることにより、ＯＨ基の付着を効率よく増進させ、親水化処理することができる。

物理処理とは、表面層がエッチングされる現象、及びイオン分子が表面層に衝突することにより表面分子と置き換わる現象や表面に付着する現象を示す。例えばＡｒプラズマによりＡｒイオンが付着層をエッチングする行為であり、また、酸素プラズマにおいて酸素イオンが表面層と置き換わったり付着することを示す。化学処理とは、活性なラジカルやイオン衝突力の弱まった活性なイオンにより表面層が化学反応により処理される現象を示す。

また、少なくともヘッドまたはステージ側に接合面に水平方向及び回転方向の移動手段と、ヘッド及びステージに保持された被接合物上のマークを認識する認識手段を持ち、両被接合物の位置をアライメントした後、固相で接合してもよい。認識手段で各々の被接合物の位置を認識し、ずれ量を水平方向及び回転方向にアライメントさせる移動手段により補正させ、接合させることで、高精度に接合することができる。プラズマ処理により表面活性化して接合させることにより低温で接合できるのでより高精度接合に適し好ましい。

また、上記方法で作られた半導体装置からなる。半導体同士を張り合わせることで三次元的な構造とでき、より集積度を上げた半導体装置とできるので好ましい。

真空チャンバー内において、少なくとも一方の被接合物に金属をスパッタして金属膜を形成することにより、金属膜により当該被接合物の表面活性化された接合表面を形成して、被接合物どうしを接合することができる。

プラズマ表面活性化接合装置構造図。動作フロー図。ＲＦプラズマ電源図。パルス波プラズマ電源図。

以下に本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図１に本発明の一実施形態に係る真空中での超音波接合装置を示す。この実施形態では第１の被接合物である上ウエハーと第２の被接合物である下ウエハーを接合するための装置として例に上げる。まず、装置構成について記述する。上ウエハーを保持するヘッド７と下ウエハーを保持するステージ８が真空チャンバー１１中に配置され、ヘッドはトルク制御式昇降駆動モータ１が連結されたＺ軸昇降機構２とＺ軸昇降機構２を回転させるθ軸機構と、ヘッド部をＸＹ水平方向へアライメント移動させるＸＹアライメントテーブル６により、Ｘ、Ｙ、θ方向のアライメント移動手段とＺ方向の昇降手段からなる。圧力検出手段４により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が切り替えながら行えるようになっている。また、圧力検出手段４は被接合物同士の接触検出にも利用できる。

ＸＹアライメントテーブル６は真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ、θ軸機構は真空チャンバー外部に設置するため、ベローズ５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。ステージ８は接合位置と待機位置間をスライド移動手段２９によりスライド移動することができる。スライド移動手段には高精度なガイドと位置を認識するリニアスケールが取り付けられており、接合位置と待機位置間の停止位置を高精度に維持することができる。また、移動手段としては、真空チャンバー内部に組み込んだかたちとしているが、移動手段を外部に配置し、パッキンされた連結棒で連結することで外部にシリンダやリニアサーボモータなどを配置することが可能である。また、真空中にボールネジを配置し、外部にサーボモータを設置することでも対応できる。移動手段はいかなる移動手段であったも良い。

ヘッド及びステージの被接合物保持手段としては、メカニカルなチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、加熱のためのヒータを備え、プラズマ電極ともなっており、保持手段、加熱手段、プラズマ発生手段の３つの機能を備える。減圧手段としては、排気管１５に真空ポンプ１７がつながれ、排気弁１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管１８に吸入ガス切り替え弁２０が連結され吸気弁１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしてはプラズマの反応ガスを２種類連結でき、例えばＡｒと酸素をつなぐことができる。もう一つは大気解放用の大気または窒素がつながれる。真空度や反応ガス濃度は吸気弁１９と排気弁１６の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを真空チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。

アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段がステージ待機位置の上方とヘッド下方に真空チャンバー外部に配置される。認識手段の数は最低ステージ、ヘッド側に１つずつあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマークがθ方向成分も読みとれる形状や２つのマークを１視野内に配置することで１つの認識手段でも十分読み取ることができるが、本実施例のようにウエハーのような半径方向に大きなものは両端に２つずつ配置した方がθ方向の精度を高く読み取ることができるので好ましい。また、認識手段は水平方向や焦点方向へ移動可能な手段を設けて、任意の位置のアライメントマークを読みとれるようにしても良い。

また、認識手段は、例えば可視光やＩＲ（赤外）光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。真空チャンバーには認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなる窓が配置され、そこを透過して真空チャンバー中の被接合物のアライメントマークを認識する。被接合物上には例えば各上ウエハー、下ウエハーの対向する表面にアライメントマークが施され位置精度良く認識することができる。アライメントマークは特定の形状であることが好ましいが、ウエハー上に施された回路パターンなどの一部を流用しても良い。また、マークとなるものが無い場合はオリフラなどの外形を利用することもできる。

ステージ待機位置で上下ウエハーの両アライメントマークを読み取り、接合位置へステージを移動させ、ヘッド側でＸ、Ｙ、θ方向へアライメント移動を行う。待機位置の読みとり結果を接合位置で反映させるため、ステージの待機位置と接合位置の相対移動距離ベクトルは繰り返し同じ結果となるよう精度が必要である。そのため、ガイドには高精度な繰り返し精度を持つものを使用し、かつ、両サイドでの位置認識を高精度に読み取るリニアスケールを配置している。リニアスケールを移動手段にフィードバックすることで停止位置精度を高める方法と移動手段が簡易なシリンダのようなものやボルトナット機構のようなバックラッシュのあるものである場合は、リニアスケールを両停止位置で読み取り、行き過ぎや行き足りない分をヘッド側アライメント移動手段を移動させる時に考慮して補正することで容易に高精度を達成することができる。

また、ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識して再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。認識手段が焦点方向に移動手段を持つ場合は上下個別に認識することもできるが、近接させて同時認識した方が精度上より好ましい。ファインアライメントする場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。画像認識手段としてはサブピクセルアルゴリズムを使用することで赤外線の解像度以上の認識精度を得ることが可能となる。また、近接させてアライメントしておけば接合時に必要なＺ移動量は最低限の数μｍ以内となるため、Ｚ移動に対するガタや傾きを最小限に押さえられ高精度なナノレベルの接合精度を達成することができる。

次に動作フローを図２を参照しながら解説する。まず、１に示すように、真空チャンバーの前扉を開いた状態で上ウエハーと下ウエハーをステージとヘッドに保持させる。これは人手でも良いが、カセットから自動でローディングしても良い。次に２に示すように、前扉を閉め、真空チャンバー内を減圧する。不純物を取り除くために１０^−３Torr以下に減圧することが好ましい。

続いて３、４に示すように、プラズマ反応ガスである例えばＡｒを供給し、例えば１０^−２Torr程度の一定の真空度でプラズマ電極にプラズマ電源を印加し、プラズマを発生させる。発生されたプラズマイオンは電源側に保持されたウエハーの表面に向かって衝突し、表面の酸化膜や有機物層などの付着物がエッチングされることにより表面活性化される。同時に両ウエハーを洗浄することも可能であるが、１つのマッチングボックスを切り替えることで交互に洗浄することもできる。また、洗浄後または洗浄中に反応ガスやエッチング物を取り除くために１０^−３Torr以下に減圧することが好ましい。接合表面に打ち込まれたＡｒを取り除くには１００〜２００℃程度に加熱を併用することもできる。

続いて５に示すようにステージ待機位置でヘッド側、ステージ側の各々の認識手段で真空中で上下ウエハー上のアライメントマークを読み取り、位置を認識する。続いて６に示すように、ステージは接合位置へスライド移動する。この時の認識された待機位置とスライド移動した接合位置の相対移動はリニアスケールを用いて高精度に行われる。ナノレベルの高精度が要求される場合は７に示す工程を追加する。粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを赤外透過して同時認識し、再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。この場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。

続いて８に示すように、ヘッドを下降させ、両ウエハーを接触させ、位置制御から圧力制御へと切り替え加圧する。圧力検出手段により接触を検出し高さ位置を認識しておいた状態で、圧力検出手段の値をトルク制御式昇降駆動モータにフィードバックし設定圧力になるように圧力コントロールする。また、必要に応じて接合時に加熱を加える。常温で接触させた後、昇温させることで精度をキープさせた状態で加熱することができる。続いて９に示すように、ヘッド側保持手段を解放し、ヘッドを上昇させる。続いて１０に示すように、ステージを待機位置に戻し、真空チャンバー内を大気解放する。続いて１１に示すように、前扉を開けて接合された上下ウエハーを取り出す。人手でも良いが自動でカセットにアンローディングすることが好ましい。

また、前記洗浄時に少なくとも一方の被接合物の対向面に金属電極を配置し、スパッタすることにより被接合物の接合表面に金属膜を形成し、接合することができる。スライドさせてプラズマ発生できるので、対向面にスパッタさせる金属を配置し、プラズマ電極をその金属にすることにより、金属が被接合物表面にスパッタされ、薄膜形成がなされる。また、スパッタする金属をヘッド側、ステージ側で異なるものを使用することができる。

また、前記プラズマ反応ガスを一方の被接合物と他方で異なるガスを使用し、個別に洗浄するすることができる。

また、少なくとも一方の被接合物保持手段の表面に弾性材を配し、前記接合時に弾性材を介して両被接合物を加圧することで平行度をならわせ、また、薄い被接合物であれば平坦度もならわせることができる。

また、ステージ及び／又はヘッドに被接合物保持手段が球面軸受けで保持され、前記接合時または接合前に被接合物同士を接触加圧して少なくとも一方の被接合物に他方の傾きを合わせることができる構造とすることで、平行度をならわせて接合することができる。

また、プラズマ処理により表面活性化して接合させるため、接合時の加熱温度を従来の錫鉛ハンダの溶融温度である１８３℃以下である１８０℃以下で固相接合することができる。また、１００℃以下でも可能であり、室温でも可能でより好ましい。

また、被接合物がＳｉ、ＳｉＯ_２、ガラス、セラミックである場合にはＡｒプラズマでエッチングしたのみでは接合が難しい。この場合は、酸素プラズマを使用し、接合表面を親水化処理し、水素結合により接合した後、２００℃程度の低温で１時間程度加熱することで水分子を放出させ、強固な共有結合へと変換させることができる。また、酸素プラズマによる方法以外に少なくとも一方の材料にＮａのようなイオン分子が含まれていると５００ｖ程度の高電圧を両被接合物間を接触させた状態で印加し、３５０℃程度に加熱することで陽極接合させることができる。

また、前記プラズマ洗浄手段が、エッチング力を切り替える減圧プラズマ洗浄手段からなり、プラズマ電極を被接合物保持電極と対向面電極の２箇所に切り替え可能に配置したものからなり、被接合物保持電極側に電源を印加してプラズマ処理を行い、次いで対向面電極側に電源を印加してエッチング力を弱めてプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理による洗浄工程をプラズマ処理後半においてエッチング力を弱めてプラズマ処理を行うことにより、通常のプラズマ処理においては物理処理により不純物を除去し、化学処理により表面にＯＨ基を付けて並べたり、窒素などの置換が行われるが、せっかく表面に化学処理されたものがエッチング力が強いので除去され、表面を均一に化学処理することは難しい。そこでプラズマ処理後半において、エッチング力を弱めてプラズマ処理することにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に化学処理を行い、表面活性化処理を行うことができる。

また、前記洗浄工程後に複数の被接合物を大気中で接合面同士を密着させ接合することもできる。プラズマ処理後半にてエッチング力を弱めることにより化学反応は促進され接合表面に均一に表面活性化処理を行うことができる。既に接合表面にはＯＨ基や窒素置換などの化学処理が施されているので大気中でも接合することができる。また、接合面が金であれば、大気中でも数時間以内であれば低温で接合させることができる。

また、上記方法で半導体同士を張り合わせることで三次元的な構造とでき、より集積度を上げた半導体装置とできるので好ましい。

接合時に超音波振動を併用する場合には、ヘッド７はホーン保持部、ホーン、振動子から構成され、振動子による振動がホーンに伝達され、超音波振動をホーンが保持する被接合物へ伝達する。ホーン保持部はホーンや振動子の振動を殺さないように保持する手段からなる。この時の伝達率はホーンと被接合物の摩擦係数と圧力で決まるため、接合が進むにつれ接合面積に比例して加圧力を制御してやることが好ましい。また、ウエハーのような大面積を接合する場合は、横振動タイプの超音波ヘッドでは横振動させるには接合面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの超音波ヘッドであれば、大面積な面接合も可能となる。また、超音波振動と呼ぶが振動周波数は特に超音波の領域でなくとも良い。特に縦振動タイプにおいては、低周波でも十分効力を発揮する。

前記実施例では被接合物としてウエハーを上げたが、チップと基板であっても良い。被接合物はウエハーやチップ、基板に限らずいかなる形態のものでも良い。

被接合物の保持手段としては静電チャック方式が望ましいが、メカニカルにチャッキングする方式でも良い。また、大気中でまず真空吸着保持させておいて密着させた後、メカニカルチャックする方法が密着性が上がり好ましい。

実施例ではヘッド側がアライメント移動手段と昇降軸を持ち、ステージ側がスライド軸を持ったが、アライメント移動手段、昇降軸、スライド軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。

ステージをスライドさせた状態でプラズマ洗浄する場合は、ヘッドとステージの電極形状、周囲の形状が似かよっているため電界環境は似かよっている。そのため、プラズマ電源を自動調整するマッチングボックスは個別のものを使用しなくとも、一つのもので電極を切り替え、順次ヘッド側、ステージ側と洗浄することができる。そうすることでコンパクト、コストダウンを達成できる。

１トルク制御式昇降駆動モータ
２Ｚ軸昇降機構
３ θ軸回転機構
４圧力検出手段
５ベローズ
６ＸＹアライメントテーブル
７ヘッド
８ステージ
９下ウエハー
１０上ウエハー
１１真空チャンバー
１２ヘッド側認識手段
１３ステージ側認識手段
１４ガラス窓
１５排気管
１６排気弁
１７真空ポンプ
１８吸気管
１９吸気弁
２０吸入ガス切り替え弁
２１Ａｒ
２２Ｏ_２
２３大気
２７上アライメントマーク
２８下アライメントマーク
２９スライド移動手段

Claims

表面活性化された接合表面を有する被接合物どうしを接合する接合方法において、
真空チャンバー内において、少なくとも一方の前記被接合物に金属をスパッタして金属膜を形成することにより、前記金属膜により当該被接合物の表面活性化された前記接合表面を形成して、前記被接合物どうしを接合することを特徴とする接合方法。
前記真空チャンバー内において、前記被接合物に前記金属をスパッタする際に、当該被接合物をエネルギー波によりエッチングして洗浄することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
前記被接合物に前記金属を対向配置し、前記金属をプラズマ電極としてプラズマを発生させることにより前記被接合物に前記金属をスパッタすることを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。