JP2015147866A

JP2015147866A - 接合方法、デバイスおよび接合装置

Info

Publication number: JP2015147866A
Application number: JP2014021315A
Authority: JP
Inventors: 史郎綱井; Shiro Tsunai
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-08-20

Abstract

【課題】積層基板におけるボイドの発生を簡潔な設備で防止する。【解決手段】一対の基板を重ね合わせて接合する接合方法であって、第一基板の接合面の一部に、珪素化合物溶液を付着させる付着段階と、第一基板および第二基板の間に珪素化合物溶液が満たされた状態で、第一基板の接合面に第二基板の接合面を重ね合わせる重ね合わせ段階とを備え、珪素化合物溶液における縮合反応により生じたゲルにより第一基板および第二基板を相互に接合させる【選択図】図５

Description

本発明は、接合方法、デバイスおよび接合装置に関する。

一対の基板の表面を活性化して接合する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１特開２０１３−０９８１８６号公報

真空チャンバ等の大規模な設備を用いて基板間のボイドを防止している。

本発明の第１の態様においては、第一基板の接合面および第二基板の接合面を接合する接合方法であって、第一基板の接合面の一部に、珪素化合物溶液を付着させる付着段階と、第一基板および第二基板の間に珪素化合物溶液が満たされた状態で、第一基板の接合面に第二基板の接合面を重ね合わせる重ね合わせ段階とを備え、珪素アルコキシド溶液における縮合反応により生じたゲルにより第一基板および第二基板を相互に接合させる接合方法が提供される。

本発明の第２の態様においては、上記接合方法により接合された積層基板を備えるデバイスが提供される。

本発明の第３の態様においては、第一基板の接合面および第二基板の接合面を接合する接合装置であって、第一基板の接合面の一部に、珪素化合物溶液を付着させる付着部と、第一基板および第二基板の間に珪素化合物溶液が満たされた状態で、第一基板の接合面に第二基板の接合面を重ね合わせる重ね合わせ部とを備え、珪素化合物溶液における縮合反応により生じたゲルにより第一基板および第二基板を相互に接合させる接合装置が提供される。

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

接合装置１００の模式図である。基板２１０の模式的平面図である。基板２１０および基板ホルダ２２０の模式的断面図である。接合部３００の模式的断面図である。基板２１０を接合する手順を示す流れ図である。接合部３００の模式的断面図である。接合部３００の模式的断面図である。接合部３００の模式的断面図である。接合部３００の模式的断面図である。接合部３００の模式的断面図である。接合部３００の模式的断面図である。接合部３００の模式的断面図である。接合部３００の模式的断面図である。基板２１０の模式的断面図である。接合部３００の模式的断面図である。基板２１０の模式的断面図である。基板２１０の模式的断面図である。接合部３００の模式的断面図である。積層基板２３０の部分拡大断面図である。基板２１０を接合する他の手順を示す流れ図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、接合装置１００の模式的平面図である。接合装置１００は、筐体１１０と、筐体１１０に外側に配された基板カセット１２０、１３０および制御部１５０と、筐体１１０内部に配された搬送ロボット１４０および接合部３００を備える。

一方の基板カセット１２０は、接合する前の基板２１０を収容する。他方の基板カセット１３０は、基板２１０を貼り合わせて作製された積層基板２３０を収容する。基板カセット１２０、１３０は、筐体１１０に対して個別に着脱できるので、基板カセット１２０を用いることにより、複数の基板２１０を一括して接合装置１００に搬入できる。また、基板カセット１３０を用いることにより、複数の積層基板２３０を一括して接合装置１００から搬出できる。

搬送ロボット１４０は、筐体１１０内で移動して、基板２１０を、基板カセット１２０から接合部３００に搬送する。また、搬送ロボット１４０は、接合部３００にて形成された積層基板２３０を接合部３００から基板カセット１３０に搬送する。

接合部３００は、一対の基板２１０を個別に保持する一対のステージを有し、一対の基板２１０を相互に位置合わせして接合する。少なくとも接合部３００の内部は、室温に近い温度に温度管理され、位置合わせ精度が維持されている。

なお、基板２１０は薄く脆いので、接合装置１００の内部においては、より高い強度を有する基板ホルダ２２０に基板２１０を保持させて、両者を併せて取り扱う。基板ホルダ２２０は、アルミナセラミックス等の硬質材料で形成され、接合装置１００の内部において使い回される。

制御部１５０は、接合装置１００の各部を相互に連携させて統括的に制御する。また、制御部１５０は、外部からユーザの指示を受け入れると共に、接合装置１００の動作状態を外部に向かって表示するユーザインターフェイスを形成する。

図２は、接合装置１００において貼り合わせる基板２１０の模式的平面図である。基板２１０は、単一のノッチ２１４と、複数の素子領域２１６および複数のアライメントマーク２１８とを有する。

ノッチ２１４は、基板２１０の結晶配向性等を示す指標として設けられる。よって、ノッチ２１４の位置を検出することにより、基板２１０における素子領域２１６の方向を検知できる。

素子領域２１６は、基板２１０の表面に周期的に配される。素子領域２１６の各々には、フォトリソグラフィ技術等より形成された半導体装置が配置される。また、素子領域２１６には、基板２１０を他の基板２１０、リードフレーム等に電気的に接続する場合に接続端子となるパッド、バンプ等も配される。

アライメントマーク２１８は、素子領域２１６が形成されていないブランク領域に配され、基板２１０を位置合わせする場合の指標となる。ブランク領域には、素子領域２１６を切り分けてダイにする過程で切断されるスクライブライン２１２も配される。スクライブライン２１２は、基板２１０をダイシングする過程で鋸代となって消滅するので、アライメントマーク２１８を設けることにより、基板２１０の利用効率を損ねることなくアライメントマーク２１８を設けることができる。

接合装置１００においては、上記のように、素子、回路、端子等が形成された基板２１０の他に、未加工のシリコンウエハ、化合物半導体ウエハ、ガラス基板等を接合することもできる。接合は、回路基板と未加工基板であっても、未加工基板同士であってもよい。また、接合される基板２１０は、それ自体が、既に複数の基板を積層して形成された積層基板２３０であってもよい。

なお、接合装置１００は、底板３１２に対して垂直な回転軸の回りに下ステージ３３２を回転させる回転駆動部、および、下ステージ３３２を揺動させる揺動駆動部を更に備えてもよい。これにより、下ステージ３３２を上ステージ３２２に対して平行にすると共に、下ステージ３３２に保持された基板２１０を回転させて、基板２１０の位置合わせ精度を向上させることができる。

図３は、基板２１０を保持した基板ホルダ２２０の模式的断面図である。基板ホルダ２２０は、保持部２２２および縁部２２４を有する。保持部２２２は、保持する基板２１０の面積と略同じ広さを有し、静電チャック等により基板２１０を吸着して保持する。これにより、基板２１０は保持部２２２に密着した状態になる。

縁部２２４は、保持部２２２によりも径方向外側に延在する。これにより、基板ホルダ２２０の保持部２２２に保持された基板２１０に直接に接触することなく、基板ホルダ２２０を外部から取り扱うことができる。

また、基板ホルダ２２０は全体が略一定の厚さを有するが、縁部２２４が平坦であるのに対して、保持部２２２は中央が隆起した形状を有する。これにより、保持部２２２に吸着された基板２１０も、中央が突出した状態になる。よって、基板ホルダ２２０に保持された基板２１０を重ねた状態で加圧した場合は、基板２１０の面方向中央の圧力が高くなる。

ただし、図３は基板ホルダ２２０の保持部２２２の隆起は誇張して描かれている。即ち、保持部２２２は、例えば、接合部３００において加圧した場合に、基板ホルダ２２０および基板２１０が折損することなく、弾性変形により平坦になる程度に隆起している。そして、基板ホルダ２２０が全体に加圧されて平坦に弾性変形した場合、保持部２２２中央の変形量が最も大きく、当該中央において、保持した基板２１０に最も大きな圧力が作用する。

図４は、接合装置１００における接合部３００の模式的縦断面図である。接合部３００は、枠体３１０、上ステージ３２２および下ステージ３３２を備える。

枠体３１０は、水平な床面に対して平行な底板３１２および天板３１６と、床板に対して垂直な複数の支柱３１４とを有する。底板３１２、支柱３１４および天板３１６は、接合部３００の他の部材を収容する直方体の枠体３１０を形成する。

上ステージ３２２は、天板３１６の図中下面に、やはり下向きに固定される。上ステージ３２２は、真空チャック、静電チャック等の保持機能を有し、基板２１０を保持した基板ホルダ２２０を保持できる。

また、天板３１６の下面には、顕微鏡３２４および滴下ノズル３２８が、それぞれ上ステージ３２２の側方に固定される。顕微鏡３２４は、後述する下ステージ３３２に保持された基板２１０の上面を観察できる。滴下ノズル３２８は、下ステージ３３２に保持された基板２１０の上面に液体を滴下する。

下ステージ３３２は、底板３１２の上面に配されたＸ方向駆動部３３１に重ねられたＹ方向駆動部３３３の図中上面に搭載される。Ｘ方向駆動部３３１は、底板３１２と平行に、図中に矢印Ｘで示す方向に移動する。Ｙ方向駆動部３３３は、Ｘ方向駆動部３３１上で、底板３１２と平行に、図中に矢印Ｙで示す方向に移動する。これら、Ｘ方向駆動部３３１およびＹ方向駆動部３３３の移動を組み合わせることにより、下ステージ３３２は、底板３１２と平行に、二次元的に移動できる。

また、下ステージ３３２は、底板３１２に対して垂直に、矢印Ｚで示す方向に昇降する昇降駆動部３３８により支持される。これにより、下ステージ３３２は、Ｙ方向駆動部３３３に対して昇降できる。

なお、Ｘ方向駆動部３３１、Ｙ方向駆動部３３３および昇降駆動部３３８による下ステージ３３２の移動量は、干渉計等を用いて精密に計測される。また、Ｘ方向駆動部３３１およびＹ方向駆動部３３３は、粗動部と微動部との２段構成としてもよい。これにより、高精度な位置合わせと、高いスループットとを両立させて、下ステージ３３２に搭載された基板２１０の移動を精度よく高速に接合できる。

Ｙ方向駆動部３３３には、顕微鏡３３４が、下ステージ３３２の側方に更に搭載される。顕微鏡３３４は、上ステージ３２２に保持された下向きの基板２１０の下面を観察できる。

また更に、Ｙ方向駆動部３３３は、下ステージ３３２を貫通して垂直に昇降する複数のプッシュアップピン３３９を有する。プッシュアップピン３３９は、下ステージ３３２から図中上方に突出した場合に、基板ホルダ２２０の縁部を支持して、基板２１０および基板ホルダ２２０を下ステージ３３２に対して昇降させる。

図５は、上記のような接合部３００を含む接合装置１００における基板２１０の接合手順を示す流れ図である。接合装置１００により基板２１０を接合する場合、制御部１５０は、まず、搬送ロボット１４０により、基板カセット１２０から接合部３００に基板２１０を搬入する（ステップＳ１０１）。接合される一対の基板２１０は、上ステージ３２２と下ステージ３３２に一枚ずつ搬入される。

図６は、一枚目の基板２１０を搬入する様子を示す図である。制御部１５０は、下ステージ３３２を、上ステージ３２２の直下からずれた位置に移動させて、下ステージ３３２の上方が開放された状態にする。また、制御部１５０は、プッシュアップピン３３９を上昇させる。制御部１５０は、搬送ロボット１４０を用いて、上記のようにして下ステージ３３２から図中上方に突出したプッシュアップピン３３９の上端に、基板２１０を保持した基板ホルダ２２０を載せさせる。

ここで、搬送ロボット１４０は、基板２１０および基板ホルダ２２０を反転させることにより、基板２１０が基板ホルダ２２０の下面に保持された状態で、プッシュアップピン３３９に基板ホルダ２２０を載せる。ただし、既に説明したように、基板ホルダ２２０は、基板２１０から側方に突出した縁部２２４を有するので、プッシュアップピン３３９は、基板２１０に接触することなく基板ホルダ２２０を支持する。また、プッシュアップピン３３９が基板ホルダ２２０を持ち上げているので、基板２１０は下ステージ３３２の上面から離れている。

次に、図７に示すように、制御部１５０は、プッシュアップピン３３９により基板ホルダ２２０を持ち上げた状態を維持したまま、下ステージ３３２を移動させて、基板ホルダ２２０を上ステージ３２２の直下に移動させる。次いで、制御部１５０は、プッシュアップピン３３９を更に上昇させて、基板ホルダ２２０の上面を上ステージ３２２の下面に向かって押し付ける。更に、制御部１５０は、真空チャック、静電チャック等の保持装置を動作させることにより、上ステージ３２２に基板ホルダ２２０および基板２１０を保持させる。

次に、制御部１５０は、下ステージ３３２を当初の位置に戻して、上面に基板２１０を保持した基板ホルダ２２０を、搬送ロボット１４０から上昇したプッシュアップピン３３９に受け渡した上で、プッシュアップピン３３９を下降させる。更に、制御部１５０は、真空チャック、静電チャック等の保持装置を動作させて、図８に示すように、下ステージ３３２に、基板ホルダ２２０および基板２１０を保持させる。

次に、制御部１５０は顕微鏡３２４、３３４を較正する（ステップＳ１０２）。即ち、図８に併せて示すように、下ステージ３３２を搭載したＸ方向駆動部３３１およびＹ方向駆動部３３３を移動させることにより、顕微鏡３２４、３３４が互いを観察できる状態にする。これにより、顕微鏡３２４、３３４相互の位置が一致する場合の、下ステージ３３２の位置が検出される。制御部１５０は、この状態の下ステージ３３２の位置を初期位置として、下ステージ３３２の移動量を制御する。

次に、制御部１５０は、基板２１０の各々におけるアライメントマーク２１８を検出する（ステップＳ１０３）。即ち、図９に示すように、制御部１５０は、下ステージ３３２を移動させながら顕微鏡３２４、３３４により基板２１０を観察して、基板２１０の各々に設けられたアライメントマーク２１８を検出する（ステップＳ１０３）。

更に、制御部１５０は、顕微鏡３２４、３３４の各々と上ステージ３２２または下ステージ３３２との相対位置が予め判っているので、アライメントマーク２１８を検出した時点の下ステージ３３２の位置に基づいて、一対の基板２１０の相対位置を算出して記憶する。これにより、制御部１５０は、ステップＳ１０２において検出した初期位置と、ステップＳ１０３において検出した基板２１０の相対位置とに基づいて、一対の基板２１０のアライメントマーク２１８が一致するように、基板２１０の位置合わせることができる状態になる。

次に、制御部１５０は、基板２１０の位置合わせをさせる場合の情報を保持したまま、Ｘ方向駆動部３３１およびＹ方向駆動部３３３を動作させて、下ステージ３３２の位置を水平方向について初期位置にリセットする（ステップＳ１０４）。これにより、図１０に示すように、上ステージ３２２と下ステージ３３２は互いにずれた位置に移動する。

次に、上記基板２１０に塗布する珪素化合物溶液としての珪素アルコキシド溶液が調製される（ステップＳ１０５）。珪素アルコキシド溶液は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（以下、「ＴＥＯＳ」と記載する）と水とを含む。ＴＥＯＳは、水と接触すると下記の式１に示す加水分解反応を開始するので、ＴＥＯＳおよび水を含む珪素アルコキシド溶液（以下、「ＴＥＯＳ溶液」と記載する）は使用の直前に調製することが好ましい。
Ｓｉ（Ｃ_２Ｈ_５Ｏ）_４＋４Ｈ_２Ｏ → Ｓｉ（ＯＨ）_４＋４Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ・・・（式１）

なお、ＴＥＯＳは水に溶解しないのでＴＥＯＳ溶液における加水分解反応の反応速度は遅い。よって、酸または塩基を添加することによりＴＥＯＳを水中に分散させてＴＥＯＳの加水分解反応の反応速度を制御できる。

また、ＴＥＯＳは、水には殆ど溶解しないが、ＴＥＯＳ溶液を攪拌することにより加水分解反応を促進できる。更に、珪素アルコキシド溶液においては、加水分解反応により生成された珪酸が増加すると、脱水縮合により徐々にゲル化する。

脱水縮合してゲル化したＴＥＯＳは、珪酸を含むゲルになり、シリコンを含む基板２１０を接合できる。また、ＴＥＯＳ由来のゲルは、シリコン基板とサファイア基板とを接合することもできる。なお、ステップＳ１０６において基板２１０に滴下する珪素アルコキシド溶液としては、基板２１０に対する濡れ性を有し、且つ、加水分解を開始する状態にある珪素アルコキシドであれば、ＴＥＯＳ以外のものも用い得る。

次に、制御部１５０は、下ステージ３３２に保持された基板２１０に調製したＴＥＯＳ溶液を付着させる（ステップＳ１０６）。即ち、図１１に示すように、まず、下ステージ３３２を移動させて、下ステージ３３２に保持された基板２１０の中央を滴下ノズル３２８の直下に移動させる。次に、滴下ノズル３２８から基板２１０に向かってＴＥＯＳ溶液を滴下して、基板２１０の中央にＴＥＯＳ溶液の液滴Ｔを付着させる。

ステップＳ１０６において基板２１０に対して滴下する液体の量は、基板２１０同士を接合する過程のうちに、接合される基板２１０の間が液体で満たされる状態を生じ得る量とすることが好ましい。ただし、液体の量が過剰に多いと、液体を接合部３００から排除する手間が増えるので、上記の条件を満たす範囲で、液体の量は少ないことが望ましい。具体的には、一対の基板２１０の間が液体により満たされた状態で、液体の層の厚さが１μｍ以下となる量としてもよい。

次に、制御部１５０は、下ステージ３３２に保持された基板２１０を、上ステージ３２２に保持された基板２１０に対して位置合わせする（ステップＳ１０７）。即ち、制御部１５０は、ステップＳ１０２において検出した初期位置と、ステップＳ１０３において検出した基板２１０の相対位置とに基づいて、一対の基板２１０のアライメントマーク２１８の面方向の位置が一致するように、下ステージ３３２を移動させて、図１２に示すように、一対の基板２１０を位置合わせする。

次に、制御部１５０は、下ステージ３３２を上昇させることにより、上ステージ３２２に保持された基板２１０の下面を、下ステージ３３２に保持された基板２１０の表面に形成された液滴Ｔに接触させる（ステップＳ１０８）。即ち、図１３示すように、制御部１５０は、昇降駆動部３３８を動作させて下ステージ３３２を上昇させて、一対の基板２１０を相互に接近させる。これにより、まず、上ステージ３２２に保持された基板２１０の下面が、下ステージ３３２に保持された基板２１０の上面の液滴Ｔに接触する。

次に、制御部１５０は、下ステージ３３２を更に上昇させて一対の基板２１０を接近させ、一対の基板２１０の間をＴＥＯＳ溶液により満たした状態にする（ステップＳ１０９）。即ち、下ステージ３３２を更に上昇させて一対の基板２１０の間隔を狭めることにより、図１４に示すように、液滴Ｔは、基板２１０の間で、中央から径方向外側に向かって押し拡げられる。これにより、一対の基板２１０の間から空気が排出される。また、液滴Ｔが基板２１０の間で拡がる過程で、基板２１０の間に残っている微粉等の異物も基板２１０の間から径方向外側に押し出されて排除される。

ここで、液滴Ｔを形成する液体の密度は、雰囲気として存在する空気等の気体に比べて遥かに大きい。よって、基板２１０間に挟まれた液滴Ｔにおいて、表面に存在する液体の分子は専ら、液滴内部の分子からファンデルワールス力を受けるが，空気中の分子からはほとんど影響を受けない。よって、液滴Ｔが、基板２１０に対する親和性と流動性とを維持する限り、基板２１０の間に存在する気体は、液滴Ｔにより基板２１０間から押し出される。また、微小な気泡は、液体に溶け込んで消滅する。

更に、基板２１０の間で液滴Ｔが押し拡げられる過程で、液滴Ｔを形成する液体の移動により生じた液流が、基板２１０の表面に付着した塵芥等の微細な固体を押し流す。これにより、基板２１０の間に存在する異物も、基板２１０の径方向外側に向かって押し出されて、基板２１０間から除かれる。

このように、ステップＳ１０９において、基板２１０の間がＴＥＯＳ溶液により満たされた状態にすることにより、基板２１０の間から、気泡、夾雑物等が除去される。換言すれば、上記ステップＳ１０９が完了するまでは、基板２１０に挟まれたＴＥＯＳ溶液が流動性を保つように、液滴Ｔにおける脱水縮合反応の反応速度を制御することが好ましい。

次に、制御部１５０は、図１５に示すように、一対の基板２１０を相互に押し付けた状態を維持して、基板２１０の間のＴＥＯＳ溶液における脱水縮合反応を進めさせる（ステップＳ１１０）。基板２１０の間に挟まれた珪素アルコキシド溶液においては、下記の式２に示す反応が進行し、主に珪酸により形成されたゲルが形成される。このゲルは、次第に固化して基板２１０を相互に結合する。
２Ｓｉ（Ｃ_２Ｈ_５Ｏ）_４→ Ｓｉ（ＯＨ）_３−Ｏ−Ｓｉ（ＯＨ）_３＋Ｈ_２Ｏ・・（式２）

次に、制御部１５０は、基板２１０の間に残る液体を除去する（ステップＳ１１１）。即ち、基板２１０の間には、ＴＥＯＳの加水分解により生じたエタノールと、ＴＥＯＳ溶液における脱水縮合により生じた水等が液体として残存する。

そこで、珪素酸化物が固化し切る前に、上ステージ３２２および下ステージ３３２の間で基板２１０を加圧した状態を維持することにより、図１６に示すように、液体を基板２１０の間から押し出すことができる。この場合、液体の表面への吸収浸透速度より、流動速度が速くなる様に接触基板の圧力、速度等をコントロールすることが好ましい。基板２１０の間から押し出された液体は、乾燥空気を吹きつける等して除去してもよい。

また、基板２１０の間の珪素酸化物ゲルに含浸された状態で残存する液体は、基板２１０を加熱することにより気化させて基板２１０間から除去できる。また、重ね合わせた基板２１０を減圧環境下、好ましくは真空環境下に置くことにより、液滴Ｔを効率よく除去することができる。この場合、接合部３００全体を真空環境に置かなくても、重ね合わされた基板２１０を真空環境下に移動すればよいので、大規模な真空層を用意しなくてもよい。更に、真空環境下において重ね合わせた基板２１０を加熱することにより、より効率よく液体を除去できる。

また更に、基板２１０の表面の一部を粗面化して、基板２１０の接合強度を確保できる範囲で液体の一部を吸収させてもよい。このような観点からは、液滴Ｔを形成する液体として、基板２１０の表面における原子格子よりも小さい分子を有する液体を用いることが好ましい。

なお、基板２１０の表面に起伏がある場合は、一部の液体が基板２１０の間に残る。しかしながら、例えば基板２１０がシリコン基板であり、液体が水またはエタノールである場合は、液体の一部は、基板２１０を透過して排出される。

次に、基板２１０を接合することにより形成された積層基板２３０は、接合部３００から搬出される（ステップＳ１１２）。即ち、図１７に示すように、制御部１５０は、まず、上ステージの保持機構を停止した上で昇降駆動部３３８を動作させることにより下ステージ３３２を下降させて、積層基板２３０と積層基板２３０を挟む一対の基板ホルダ２２０とを上ステージ３２２から引き離す。

次に、図１８に示すように、制御部１５０は、Ｘ方向駆動部３３１およびＹ方向駆動部３３３を動作させることにより下ステージ３３２を初期位置に移動させた上で、プッシュアップピン３３９を上昇させて、基板ホルダ２２０および積層基板２３０を持ち上げる。次いで、制御部１５０は、持ち上げられた基板ホルダ２２０および積層基板２３０を搬送ロボット１４０に搬送させ、積層基板２３０を基板カセット１３０に回収させる。こうして、基板カセット１２０により接合装置１００に搬入された基板２１０は、積層基板２３０となって接合装置１００から搬出される。

図１９は、上記のようにして作成された積層基板２３０の部分拡大断面図である。図示の積層基板２３０は、接合された基板２１０における素子領域２１６に相当する領域を拡大して示す。素子領域２１６には、基板２１０同士を電気的に接続する接続パッド２１７が形成された領域と、接続パッド２１７が形成されずに、シリコン単結晶等の基板材料自体が露出していた領域とが混在する。

積層基板２３０では、接合前の基板２１０において基板材料自体が露出していた領域では、図５に示した手順により生成されたＳｉＯ_２と、基板２１０の表面に不可避に形成されるＳｉＯ_２層とが一体化して形成された境界層２１１により、一対の基板２１０が一体化されている。一方、接続パッド２１７は、一体化した基板２１０により相互に押し付けられている。更に、一対の基板２１０を接合する過程で、液滴Ｔにより基板２１０間を十分に排気したので、互いに結合された接続パッド２１７の内部に、気泡に由来するボイドが形成されることもない。

また、基板２１０の間を液体で満たす過程において、基板間に残る異物も排除される。よって、基板２１０を接合した場合に、基板２１０に挟まれた異物に起因するボイドの発生も防止される。

このように、一対の基板２１０の間に液滴を挟んだ状態で接合することにより、積層基板２３０内にボイドが生じることを防止できる。このため、基板２１０を接合する場合に、積層基板２３０内にボイドが生じることを防止する目的で、真空環境で基板２１０を接合しなくてもよいので、接合装置１００の構造を簡素化できる。

なお、上記の例では、素子領域２１６を有する基板２１０を位置合わせして接合する場合について説明した。しかしながら、回路が形成されていない位置合わせが不要の基板２１０を接合する場合も、基板２１０に液体を滴下した状態で接近させて接合することにより、基板２１０間を容易且つ確実に排気でき、異物も排除できる。

また、上記の例では、基板ホルダ２２０により基板２１０を保持しつつ接合して積層基板２３０を作製した。しかしながら、基板ホルダ２２０を用いることなく、基板２１０を直接に取り扱って接合する接合装置１００を形成することもできる。この場合は、上ステージ３２２および下ステージ３３２が、基板２１０の中央から加圧し始め、且つ、最終的には基板全体を加圧する形状または構造であることが好ましい。

図２０は、接合装置１００における基板２１０の他の接合手順を示す流れ図である。図２０に示す手順を図５に示した手順と比較すると、開始直後にステップＳ２０１〜Ｓ２０３が加えられている一方、図５におけるステップＳ１０４〜Ｓ１０６が除かれている。図５に示した手順と共通のステップについては、同じ符号を付して重複する説明を簡素にしている。

図２０に示す手順においては、まず、ＴＥＯＳ溶液等の珪素アルコキシド溶液を調製する（ステップＳ２０１）。次に、調製した珪素アルコキシド溶液も用いて洗浄することにより、基板２１０の表面に珪素アルコキシド溶液を付着させる（ステップＳ２０２）。更に、珪素アルコキシド溶液が付着した基板２１０の表面を活性化させる（ステップＳ２０３。

基板２１０表面の活性化は、例えば、基板２１０の表面をプラズマに暴露するプラズマ処理等により、表面の酸化物等を除去して清浄化することを意味する。活性化された一対の基板２１０は、清浄化された表面を接触させた場合に一体化できる。

次に、上記のようにして用意した２枚の基板２１０を、接合装置１００の接合部３００に順次搬入する。更に、図５に示した手順と同様に、制御部１５０は、基板２１０を装填した接合部３００において、顕微鏡３２４、３３４を較正し（ステップＳ１０２）、基板２１０のアライメントマーク２１８を検出して（ステップＳ１０３）下ステージ３３２に保持された基板２１０を、上ステージ３２２に保持された基板２１０に対して位置合わせする（ステップＳ１０７）。

以下、図５に示した手順と同じ手順で基板２１０を接合できる。これにより、ボイドが生じることを防止しつつ、基板２１０を接合することができる。なお、アンモニア、アルコール、塩酸等の触媒により基板２１０の表面を洗浄することにより基板２１０の表面を清浄化して、ステップＳ２０３における基板２１０の活性化段階を省くこともできる。

上記のように、珪素アルコキシド溶液における反応速度を制御して、珪素アルコキシド溶液を、基板２１０間の脱気に利用した後、更に、当該溶液を、基板２１０を接合する接合材としても利用することにより、ボイドのない積層基板２３０を、高い歩留りで効率よく製造できる。よって、積層構造を有する半導体装置を高品質且つ廉価に製造できる。

なお、上記の例では、珪素化合物溶液として、珪素アルコキシドであるＴＥＯＳ溶液を用いたが、ＴＥＯＳ溶液に換えて、シクロペンタシラン（Ｓｉ_５Ｈ_１０）等の水素化珪素化合物溶液を用いることもできる。水素化珪素化合物は、直鎖状化合物（Ｓｉ_ｎＨ２_ｎ＋２）または環状化合物（Ｓｉ_ｎＨ_２ｎ）においてｎの値が３よりも大きい場合に常温で液体となる。また、液体状の水素化珪素化合物は、有機溶媒に可溶で粘度を調整しやすいので、基板２１０の接合に好適に使用できる。

更に、珪素化合物溶液として水素化珪素化合物溶液を用いた場合に、シリルシクロペンタシラン等のラジカル開始促進剤を添加してもよい。水素化珪素化合物溶液にシリルシクロペンタシランを添加した場合、特開２００１−２６２０５８号公報等に記載されているように、シクロペンタシランとモノシリルシクロペンタシランとを併せて炭化水素溶媒に溶解することにより、シクロペンタシランの重合反応を促進できる。

また、水素化ケイ素化合物のシリコン再結晶化のトリガとしては、ＵＶ光照射、加熱を用いることができる。即ち、ＵＶ照射を行なった後、接合を行い、その後加熱する事でポリＳｉが生成し接合される。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００接合装置、１１０筐体、１２０、１３０基板カセット、１４０搬送ロボット、１５０制御部、２１０基板、２１１境界層、２１２スクライブライン、２１４ノッチ、２１６素子領域、２１７接続パッド、２１８アライメントマーク、２２０基板ホルダ、２２２保持部、２２４縁部、２３０積層基板、３００接合部、３１０枠体、３１２底板、３１４支柱、３１６天板、３２２上ステージ、３２４、３３４顕微鏡、３２８滴下ノズル、３３１Ｘ方向駆動部、３３２下ステージ、３３３Ｙ方向駆動部、３３８昇降駆動部、３３９プッシュアップピン

Claims

第一基板の接合面および第二基板の接合面を接合する接合方法であって、
前記第一基板の前記接合面の一部に、珪素化合物溶液を付着させる付着段階と、
前記第一基板および前記第二基板の間に前記珪素化合物溶液が満たされた状態で、前記第一基板の接合面に前記第二基板の接合面を重ね合わせる重ね合わせ段階と
を備え、前記珪素化合物溶液における縮合反応により生じたゲルにより前記第一基板および前記第二基板を相互に接合させる接合方法。
前記付着段階よりも前に、塩酸、アンモニアないしはアルコール類を含む触媒の存在下で前記珪素化合物溶液に加水分解を開始させる段階を含む請求項１記載の接合方法。
前記重ね合わせ段階よりも前に、前記珪素化合物溶液を攪拌することにより、前記珪素化合物溶液における珪酸の縮合反応を進行させる段階を含む請求項１または２に記載の接合方法。
前記重ね合わせ段階よりも前に、ＵＶ照射またはプラズマ処理により、前記珪素化合物溶液における縮合反応を進行させる段階を含む請求項１から３までのいずれか一項に記載の接合方法。
前記付着段階よりも前に、前記珪素化合物溶液における加水分解反応を開始させる段階を含む請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の接合方法。
前記付着段階よりも後に、前記珪素化合物溶液における縮合反応を開始させる段階を含む請求項１から５までのいずれか一項に記載の接合方法。
前記重ね合わせ段階よりも後に、前記珪素化合物溶液における加水分解反応および縮合反応のいずれかにより生じた液体を除去する除去段階を更に備える請求項１から６までのいずれか一項に記載の接合方法。
前記除去段階は、前記ゲルを挟んだ前記第一基板および前記第二基板を加圧した状態を継続する段階を含む請求項7に記載の接合方法。
前記除去段階は、前記ゲルを挟んだ前記第一基板および前記第二基板を加熱する段階を含む請求項７に記載の接合方法。
前記除去段階は、前記ゲルを挟んだ前記第一基板および前記第二基板を減圧環境下で加熱する段階を含む請求項7に記載の接合方法。
前記重ね合わせ段階は、前記第一基板の前記接合面の一部に前記珪素化合物溶液の液滴を形成する液滴形成段階と、
前記珪素化合物溶液の液滴に前記第二基板を接触させる接触段階と
を含む請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の接合方法。
前記液滴形成段階は、前記第一基板の表面において、面方向の中央に前記液滴を形成する段階を含む請求項１１に記載の接合方法。
前記重ね合わせ段階は、前記第一基板および前記第二基板を、面方向の中央において加圧する段階を含む請求項１２に記載の接合方法。
前記付着段階は、塩酸、アンモニアないしはアルコール類を含む触媒の溶液で前記第一基板または前記第二基板の前記接合面を洗浄する段階を含む請求項２から１２までのいずれか一項に記載の接合方法。
前記珪素化合物溶液は、珪素アルコキシド、オルトケイ酸テトラエチル、水素化珪素化合物のいずれかと、水を含む溶液である、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の接合方法。
請求項１から１５までのいずれか一項に記載の接合方法により接合された積層基板を備えるデバイス。
第一基板の接合面および第二基板の接合面を接合する接合装置であって、
前記第一基板の前記接合面の一部に、珪素化合物溶液を付着させる付着部と、
前記第一基板および前記第二基板の間に前記珪素化合物溶液が満たされた状態で、前記第一基板の接合面に前記第二基板の接合面を重ね合わせる重ね合わせ部と
を備え、前記珪素化合物溶液における縮合反応により生じたゲルにより前記第一基板および前記第二基板を相互に接合させる接合装置。
前記珪素化合物溶液は、珪素アルコキシド、オルトケイ酸テトラエチル、水素化珪素化合物のいずれかと、水を含む溶液であることを特徴とする、請求項１７記載の接合装置。