JP2015211130A - Substrate bonding device and substrate bonding method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a strength of bonding substrates with each other and to decrease voids between the substrates.SOLUTION: A substrate bonding device 100 includes: a vacuum chamber 200; a surface activation processing section 610 for activating a first composition plane of a first substrate 301 and a second composition plane of a second substrate 302; a hydrophilic treatment section 620 for performing hydrophilic treatment on the first composition plane and the second composition plane; and substrate bonding mechanisms 403 and 404 by which the first substrate 301 and the second substrate 302 are pressed against each other to temporarily bond the first substrate 301 and the second substrate 302, the first substrate 301 and the second substrate 302 after the temporary bonding are separated and the first composition plane and the second composition plane are brought into contact in vacuum to bond the first substrate 301 and the second substrate 302. Thus, the strength of bonding the substrates 301 and 302 with each other is improved and voids between the substrates 301 and 302 are decreased.

Description

本発明は、基板を接合する技術に関する。   The present invention relates to a technique for bonding substrates.

エレクトロニクスの分野では、デバイス実装の更なる高密度化と効率化が求められている。そこで、既に半導体集積回路や電気配線が形成された基板を他の同様の基板と接合する3次元実装と呼ばれる接合技術が注目を集めている。この方法により、COC(チップオンチップ)、COW(チップオンウエハ)、WOW(ウエハオンウエハ)とチップレベルからウエハレベルまでの3次元実装があるが、、ウエハオンウエハ(WOW、Wafer−On−Wafer)またはウエハレベルパッケージング(WLP、Wafer−Level Packaging)呼ばれるような、より面積の大きいウエハに適用することで、ウエハの面に垂直方向に電気素子や回路を積層することが可能になる。また、ウエハの面方向に一度に、片方の基板上に形成された電気回路または電気配線を、他の基板上の対応する電気回路または電気配線と接合することができる。したがって、この技術により、半導体集積回路の3次元実装と製造方法の効率化との両方が同時に可能になる。   In the field of electronics, there is a demand for higher density and efficiency of device mounting. Therefore, a bonding technique called three-dimensional mounting, in which a substrate on which a semiconductor integrated circuit or electrical wiring has already been formed, is bonded to another similar substrate has attracted attention. This method includes COC (chip-on-chip), COW (chip-on-wafer), WOW (wafer-on-wafer) and three-dimensional mounting from the chip level to the wafer level, but wafer-on-wafer (WOW, Wafer-On-) By applying to a wafer having a larger area such as Wafer) or wafer level packaging (WLP), it is possible to stack electric elements and circuits in a direction perpendicular to the surface of the wafer. In addition, an electrical circuit or an electrical wiring formed on one substrate can be bonded to a corresponding electrical circuit or electrical wiring on another substrate at a time in the wafer surface direction. Therefore, this technique enables both the three-dimensional mounting of the semiconductor integrated circuit and the efficiency of the manufacturing method at the same time.

ウエハの表面には上記電気回路等と電気的に接続された、または、接続される金属領域が設けられており、接合工程でこれらの金属領域間で電気的接続が確立されることで、ウエハ間での電気的接続が確立される。一般的に、接合工程においては、まず、接合されるウエハの、対応する金属領域間で、ウエハ面方向の位置合わせがなされる。次に、金属領域が互いに接触するようにウエハ同士が近づけられ、さらにウエハ面垂直方向に力が加えられる。そして、比較的高温に加熱されることにより、金属領域間で原子の拡散が生じて電気的接続が確立される。また、隣り合う電極と電極間は電極間のショートを避けるために絶縁層で埋められているのが一般的である。この絶縁層部分は酸化膜や窒化膜、樹脂層等が一般的に用いられ、電極の接合と同時にこの絶縁層を接合することが好ましい。特に、この酸化膜や窒化膜は数千度の高温下でないと拡散接合しないため、低温で接合する手法として接合表面にOH基を付着させ親水化して水を介在させながら接合し、比較的低温下で加熱して水分子を除去して強固な共有結合に変遷する方式が用いられることが多い。   The surface of the wafer is provided with a metal region that is electrically connected to or connected to the above electric circuit or the like, and the electrical connection is established between these metal regions in the bonding process, so that the wafer is An electrical connection between them is established. In general, in the bonding process, first, alignment in the wafer surface direction is performed between corresponding metal regions of a wafer to be bonded. Next, the wafers are brought close to each other so that the metal regions are in contact with each other, and a force is applied in the direction perpendicular to the wafer surface. When heated to a relatively high temperature, atomic diffusion occurs between the metal regions, and electrical connection is established. Further, between adjacent electrodes is generally filled with an insulating layer in order to avoid a short circuit between the electrodes. As the insulating layer portion, an oxide film, a nitride film, a resin layer, or the like is generally used, and it is preferable to join the insulating layer simultaneously with bonding of the electrodes. In particular, this oxide film or nitride film is not diffusion bonded unless it is at a high temperature of several thousand degrees. Therefore, as a method of bonding at a low temperature, OH groups are attached to the bonding surface to be hydrophilic and bonded with water intervening. In many cases, a method is employed in which water molecules are removed by heating under a transition to a strong covalent bond.

ところで、高温下での接合は、薄いウエハや熱膨張率が異なる異種材料間での接合には不向きである。そこで、特許文献1では、金属領域を接合面に有するウエハを接合する際に、金属領域に表面活性化処理および親水化処理を行った後に、金属領域同士が接触するようにウエハの接合面同士を貼り合わせて加熱することにより、比較的低温にてウエハを接合する技術が提案されている。   By the way, bonding at high temperature is not suitable for bonding between thin wafers or different materials having different coefficients of thermal expansion. Therefore, in Patent Document 1, when a wafer having a metal region on the bonding surface is bonded, the wafer bonding surfaces are brought into contact with each other after the surface activation treatment and the hydrophilic treatment are performed on the metal region. A technique for bonding wafers at a relatively low temperature by bonding and heating is proposed.

特開2013−251405号公報JP2013-251405A

ところで、特許文献1のように、表面活性化処理および親水化処理が施されたウエハ同士を大気中にて接合すると、ウエハ間に空気が巻き込まれ大きなボイドとなって接合しない部分が残ってしまう。そのため、真空中にて接合することが好ましいが、真空中では接合強度の向上に限界がある、という課題が存在する。   By the way, as in Patent Document 1, when wafers that have been subjected to surface activation treatment and hydrophilic treatment are bonded together in the atmosphere, air is entrained between the wafers, leaving large voids that remain unbonded. . Therefore, although it is preferable to join in a vacuum, there exists a subject that there is a limit in improvement of joining strength in a vacuum.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板同士の接合強度を向上するとともに基板間のボイドを減少させることを目的としている。   The present invention has been made in view of the above problems, and aims to improve the bonding strength between substrates and reduce voids between substrates.

請求項1に記載の発明は、基板接合装置であって、真空チャンバと、前記真空チャンバ内において、第1基板の第1接合面および第2基板の第2接合面を活性化させる表面活性化処理部と、前記表面活性化処理部による活性化後に、親水化処理がそれぞれ行われた前記第1接合面と前記第2接合面とを接触させ、前記第1基板および前記第2基板を互いに対して押圧することにより、前記第1基板と前記第2基板とを仮接合し、仮接合後の前記第1基板と前記第2基板とを離間させ、真空中において前記第1接合面と前記第2接合面とを接触させて前記第1基板と前記第2基板とを接合する基板接合機構とを備える。   The invention according to claim 1 is a substrate bonding apparatus, wherein a surface activation is performed to activate a first bonding surface of the first substrate and a second bonding surface of the second substrate in the vacuum chamber and the vacuum chamber. After activation by the processing unit and the surface activation processing unit, the first bonding surface and the second bonding surface that have been subjected to hydrophilic treatment are brought into contact with each other, and the first substrate and the second substrate are brought into contact with each other. The first substrate and the second substrate are temporarily bonded by pressing against each other, the first substrate and the second substrate after the temporary bonding are separated, and the first bonding surface and the second substrate are separated in vacuum. A substrate bonding mechanism configured to contact the second bonding surface to bond the first substrate and the second substrate;

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の基板接合装置であって、前記第1基板と前記第2基板との仮接合が、大気中において行われる。   A second aspect of the present invention is the substrate bonding apparatus according to the first aspect, wherein the temporary bonding of the first substrate and the second substrate is performed in the atmosphere.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の基板接合装置であって、仮接合後の前記第1基板と前記第2基板との離間が、真空中において行われる。   The invention described in claim 3 is the substrate bonding apparatus according to claim 1 or 2, wherein the first substrate and the second substrate after temporary bonding are separated in a vacuum.

請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の基板接合装置であって、前記親水化処理と並行して、または、前記親水化処理と前記基板接合機構による仮接合との間に、前記第1接合面および前記第2接合面に水分子を付着させる。   Invention of Claim 4 is the board | substrate joining apparatus in any one of Claim 1 thru | or 3, Comprising: In parallel with the said hydrophilization process, or the temporary joining by the said hydrophilization process and the said board | substrate joining mechanism In between, a water molecule is made to adhere to the 1st joined surface and the 2nd joined surface.

請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の基板接合装置であって、前記第1接合面および前記第2接合面を冷却することにより、前記第1接合面および前記第2接合面に水分子を付着させる基板冷却部をさらに備える。   The invention according to claim 5 is the substrate bonding apparatus according to claim 4, wherein the first bonding surface and the second bonding surface are obtained by cooling the first bonding surface and the second bonding surface. A substrate cooling unit for attaching water molecules to the substrate is further provided.

請求項6に記載の発明は、請求項4または5に記載の基板接合装置であって、前記第1接合面および前記第2接合面への水分子の付着が、前記真空チャンバ内に水分子を含むガスを供給することにより行われる。   Invention of Claim 6 is a board | substrate joining apparatus of Claim 4 or 5, Comprising: Attachment of the water molecule to the said 1st joining surface and the said 2nd joining surface is a water molecule in the said vacuum chamber. It is performed by supplying a gas containing.

請求項7に記載の発明は、請求項4ないし6のいずれかに記載の基板接合装置であって、前記第1接合面および前記第2接合面に対する水洗浄を行うことにより、前記第1接合面および前記第2接合面への水分子の付着を行う水洗浄部をさらに備える。   A seventh aspect of the present invention is the substrate bonding apparatus according to any one of the fourth to sixth aspects, wherein the first bonding surface is washed with water with respect to the first bonding surface and the second bonding surface. And a water washing unit for attaching water molecules to the surface and the second joint surface.

請求項8に記載の発明は、基板接合方法であって、a)真空中において第1基板の第1接合面および第2基板の第2接合面を活性化させる工程と、b)前記a)工程よりも後に、前記第1接合面および前記第2接合面に対して親水化処理を行う工程と、c)前記第1接合面と前記第2接合面とを接触させ、前記第1基板および前記第2基板を互いに対して押圧することにより、前記第1基板と前記第2基板とを仮接合する工程と、d)前記c)工程において仮接合された前記第1基板と前記第2基板とを離間させる工程と、e)真空中において前記第1接合面と前記第2接合面とを接触させて前記第1基板と前記第2基板とを接合する工程とを備える。   The invention according to claim 8 is a substrate bonding method, comprising: a) activating the first bonding surface of the first substrate and the second bonding surface of the second substrate in a vacuum; b) the a) A step of hydrophilizing the first bonding surface and the second bonding surface after the step; c) bringing the first bonding surface and the second bonding surface into contact with each other; A step of temporarily bonding the first substrate and the second substrate by pressing the second substrate against each other; and d) the first substrate and the second substrate temporarily bonded in the step c). And e) a step of bringing the first bonding surface and the second bonding surface into contact with each other in a vacuum to bond the first substrate and the second substrate.

請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の基板接合方法であって、前記c)工程において、大気中にて前記第1接合面と前記第2接合面とが接触する。   A ninth aspect of the present invention is the substrate bonding method according to the eighth aspect, wherein in the step c), the first bonding surface and the second bonding surface are contacted in the atmosphere.

請求項10に記載の発明は、請求項8または9に記載の基板接合方法であって、前記d)工程が真空中において行われる。   A tenth aspect of the present invention is the substrate bonding method according to the eighth or ninth aspect, wherein the step d) is performed in a vacuum.

請求項11に記載の発明は、請求項8ないし10のいずれかに記載の基板接合方法であって、f)前記b)工程と並行して、または、前記b)工程と前記c)工程との間において、前記第1接合面および前記第2接合面に水分子を付着させる工程をさらに備える。   Invention of Claim 11 is the board | substrate bonding method in any one of Claim 8 thru | or 10, Comprising: In parallel with the said b) process or the said b) process and the said c) process, The method further includes a step of attaching water molecules to the first joint surface and the second joint surface.

請求項12に記載の発明は、請求項11に記載の基板接合方法であって、前記f)工程が、前記第1接合面および前記第2接合面を冷却する工程を含む。   The invention described in claim 12 is the substrate bonding method according to claim 11, wherein the step f) includes a step of cooling the first bonding surface and the second bonding surface.

請求項13に記載の発明は、請求項11または12に記載の基板接合方法であって、前記f)工程が、前記真空チャンバ内に水分子を含むガスを供給する工程を含む。   The invention described in claim 13 is the substrate bonding method according to claim 11 or 12, wherein the step f) includes a step of supplying a gas containing water molecules into the vacuum chamber.

請求項14に記載の発明は、請求項11ないし13のいずれかに記載の基板接合方法であって、前記f)工程が、前記第1接合面および前記第2接合面に対する水洗浄を行う工程を含む。   A fourteenth aspect of the present invention is the substrate bonding method according to any one of the eleventh to thirteenth aspects, wherein the step f) is a step of performing water washing on the first bonding surface and the second bonding surface. including.

本発明では、基板同士の接合強度を向上するとともに基板間のボイドを減少させることができる。   In the present invention, the bonding strength between the substrates can be improved and the voids between the substrates can be reduced.

一の実施の形態に係る基板接合装置の正面図である。It is a front view of the board | substrate joining apparatus which concerns on one embodiment. 表面活性化処理部の斜視図である。It is a perspective view of a surface activation process part. ライン式粒子ビーム源、遮蔽部材および基板を示す正面図である。It is a front view which shows a line type particle beam source, a shielding member, and a board | substrate. ライン式粒子ビーム源、遮蔽部材および基板を示す正面図である。It is a front view which shows a line type particle beam source, a shielding member, and a board | substrate. ライン式粒子ビーム源、遮蔽部材および基板を示す正面図である。It is a front view which shows a line type particle beam source, a shielding member, and a board | substrate. ライン式粒子ビーム源、遮蔽部材および基板を示す正面図である。It is a front view which shows a line type particle beam source, a shielding member, and a board | substrate. 基板の接合の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of joining of a board | substrate. 基板の接合面の状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the state of the joint surface of a board | substrate. 基板の接合面の状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the state of the joint surface of a board | substrate. 基板の接合面の状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the state of the joint surface of a board | substrate. 基板の接合面の状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the state of the joint surface of a board | substrate. 基板の接合面の状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the state of the joint surface of a board | substrate. 基板の接合面の状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the state of the joint surface of a board | substrate. 基板接合装置の他の好ましい例を示す正面図である。It is a front view which shows the other preferable example of a board | substrate bonding apparatus. 基板接合装置の他の好ましい例を示す平面図である。It is a top view which shows the other preferable example of a board | substrate bonding apparatus. 表面活性化処理部の他の好ましい例を示す平面図である。It is a top view which shows the other preferable example of a surface activation process part. 基板接合装置の他の好ましい例を示す平面図である。It is a top view which shows the other preferable example of a board | substrate bonding apparatus.

本願において、ウエハ(以下、「基板」という。)は、板状の半導体を含むが、これに限定されない。「基板」は、半導体以外にも、ガラス、セラミックス、金属、プラスチック等の材料、または、これらの材料のうち複数の材料を利用した複合材料により形成されてもよい。基板の材料には、剛性が高い材料も低い材料も含まれる。「基板」は、円形、長方形等の種々の形状に形成される。   In the present application, a wafer (hereinafter referred to as “substrate”) includes a plate-shaped semiconductor, but is not limited thereto. In addition to the semiconductor, the “substrate” may be formed of a material such as glass, ceramics, metal, plastic, or a composite material using a plurality of these materials. The material of the substrate includes a material having high rigidity and a material having low rigidity. The “substrate” is formed in various shapes such as a circle and a rectangle.

上記基板は、例えば、接合面に金属領域が形成された基板でもよく、あるいは、接合面に金属領域等が設けられないベアガラスやベアSi基板でもよい。接合面に金属領域が設けられた一対の基板が、貼り合わせにより接合される場合、例えば、一方の基板の金属領域と他方の基板の金属領域とは、互いに対応する位置関係を有するように形成されている。双方の基板の金属領域同士が接合されることにより、基板間で電気的接続が確立され、所定の機械的強度が得られる。また、接合面には、接合に寄与しない金属領域があってもよく、他の基板の非金属領域と接合される金属領域があってもよい。   The substrate may be, for example, a substrate in which a metal region is formed on a bonding surface, or a bare glass or bare Si substrate in which a metal region or the like is not provided on the bonding surface. When a pair of substrates having metal regions on the bonding surfaces are bonded by bonding, for example, the metal region of one substrate and the metal region of the other substrate are formed so as to have a corresponding positional relationship. Has been. By joining the metal regions of both substrates, electrical connection is established between the substrates, and a predetermined mechanical strength is obtained. Further, the bonding surface may include a metal region that does not contribute to bonding, or may include a metal region that is bonded to a non-metal region of another substrate.

また、「基板」は、複数のチップが2次元的に配置された集合体、例えばウエハからダイシングされ粘着シート上に配置されたものも含む。さらには、「基板」は、1つのチップまたは複数の層のチップが接合されることで形成されたチップと基板とを含む構造体も含む。ここで「チップ」とは、半導体部品を含む成型加工半導体の板状部品、パッケージされた半導体集積回路(IC)等の電子部品等を示す広い概念の用語として与えられる。「チップ」には、一般に「ダイ」と呼ばれる部品や、基板よりも寸法が小さくて、複数個を当該基板に接合できるほどの大きさを有する部品または小型の基板も含まれる。また、電子部品以外に、光部品、光電子部品、機械部品も「チップ」に含まれる。   The “substrate” also includes an assembly in which a plurality of chips are two-dimensionally arranged, for example, a substrate diced from a wafer and arranged on an adhesive sheet. Furthermore, the “substrate” also includes a structure including a chip formed by bonding one chip or a plurality of layers of chips and the substrate. Here, the “chip” is given as a broad concept term indicating a molded semiconductor plate-like component including a semiconductor component, an electronic component such as a packaged semiconductor integrated circuit (IC), and the like. The “chip” includes a component generally called a “die”, a component having a size smaller than that of the substrate, and a size that allows a plurality of components to be bonded to the substrate, or a small substrate. In addition to electronic components, optical components, optoelectronic components, and mechanical components are also included in the “chip”.

図1は、本発明の一の実施の形態に係る基板接合装置100の構成を示す正面図である。図1では、基板接合装置100の内部の概略構造を示す。なお、以下の各図においては、便宜上、XYZ直交座標系を用いて方向等を示す。なお、Z方向を便宜上、上下方向とも呼ぶが、Z方向は必ずしも上下方向に一致する必要はない。   FIG. 1 is a front view showing a configuration of a substrate bonding apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a schematic structure inside the substrate bonding apparatus 100. In the following drawings, directions and the like are shown using an XYZ orthogonal coordinate system for convenience. For convenience, the Z direction is also referred to as the vertical direction, but the Z direction does not necessarily coincide with the vertical direction.

基板接合装置100は、真空チャンバ200と、基板支持部400と、位置測定部500と、表面処理部600と、コントローラ700とを備える。基板支持部400は、被接合物である基板301,302を互いに対向させて支持し、両基板301,302の相対的な位置決めを行う。位置測定部500は、基板301,302の相対的位置関係を測定する。表面処理部600は、Z方向において互いに対向して支持された基板301,302の表面に対して表面処理を行う。以下、基板301,302をそれぞれ、「第1基板301」および「第2基板302」とも呼ぶ。図1では、第1基板301が第2基板302の下方((−Z)側)に配置されるが、第1基板301は第2基板302の上方((+Z)側)に配置されてもよい。コントローラ700は、上述の各構成と接続され、これらの構成からの情報を受信し、演算し、各構成に指令を出すように、プログラムを搭載するコンピュータである。   The substrate bonding apparatus 100 includes a vacuum chamber 200, a substrate support unit 400, a position measurement unit 500, a surface treatment unit 600, and a controller 700. The substrate support unit 400 supports the substrates 301 and 302 that are the objects to be bonded to each other, and performs relative positioning of the substrates 301 and 302. The position measurement unit 500 measures the relative positional relationship between the substrates 301 and 302. The surface treatment unit 600 performs surface treatment on the surfaces of the substrates 301 and 302 that are supported to face each other in the Z direction. Hereinafter, the substrates 301 and 302 are also referred to as a “first substrate 301” and a “second substrate 302”, respectively. In FIG. 1, the first substrate 301 is disposed below the (−Z) side of the second substrate 302, but the first substrate 301 may be disposed above (the (+ Z) side) of the second substrate 302. Good. The controller 700 is a computer that is connected to each of the above-described components, and that is equipped with a program so as to receive information from these components, calculate, and issue a command to each component.

真空チャンバ200は、基板支持部400の後述のステージ401,402と表面処理部600とを収容する。また、真空チャンバ200は、内部を真空引きするための真空引き部として、真空ポンプ201を備える。当該真空ポンプ201は、排気管202と排気弁203とを介して真空チャンバ200内の気体を外部に排出するように構成されている。   The vacuum chamber 200 accommodates later-described stages 401 and 402 of the substrate support unit 400 and the surface treatment unit 600. Further, the vacuum chamber 200 includes a vacuum pump 201 as a evacuation unit for evacuating the inside. The vacuum pump 201 is configured to discharge the gas in the vacuum chamber 200 to the outside through the exhaust pipe 202 and the exhaust valve 203.

真空ポンプ201の吸引動作に応じて真空チャンバ200内の圧力が低減(減圧)されることにより、真空チャンバ200内の雰囲気は真空または低圧状態にされる。また、排気弁203は、その開閉動作と排気流量の調整動作とによって、真空チャンバ200内の真空度を制御および調整することができる。   The pressure in the vacuum chamber 200 is reduced (depressurized) in accordance with the suction operation of the vacuum pump 201, whereby the atmosphere in the vacuum chamber 200 is brought into a vacuum or a low pressure state. Further, the exhaust valve 203 can control and adjust the degree of vacuum in the vacuum chamber 200 by the opening / closing operation and the exhaust flow rate adjusting operation.

真空ポンプ201は、真空チャンバ200内の気圧を1Pa(パスカル)以下にする能力を有する。真空ポンプ201は、以下で説明する表面処理部600が作動する前のバックグラウンド圧力を、1×10−2Pa(パスカル)以下にする能力を有することが好ましい。真空ポンプ201は、表面処理部600の後述するライン式粒子ビーム源601が1eVから2keVの運動エネルギーを有する粒子(エネルギー粒子)を放射する場合には、1×10−5Pa(パスカル)以下にする能力を有することが好ましい。 The vacuum pump 201 has a capability of reducing the atmospheric pressure in the vacuum chamber 200 to 1 Pa (Pascal) or less. It is preferable that the vacuum pump 201 has a capability of setting the background pressure before the surface treatment unit 600 described below operates to 1 × 10 −2 Pa (pascal) or less. The vacuum pump 201 reduces the pressure to 1 × 10 −5 Pa (pascal) or less when a later-described line-type particle beam source 601 of the surface processing unit 600 emits particles (energy particles) having a kinetic energy of 1 eV to 2 keV. It is preferable to have the ability to

これにより、ライン式粒子ビーム源601による基板301,302の表面活性化処理の際に、雰囲気中に存在する不純物の量を低減させ、表面活性化処理後に、新生表面の不要な酸化や新生表面への不純物の付着等を防止することができる。さらに、ライン式粒子ビーム源601は、比較的高い加速電圧を印加することができるので、比較的高い真空度では、高い運動エネルギーを粒子に付与することができる。したがって、効率良く表面層の除去および新生表面のアモルファス化を行い、基板301,302の表面を活性化することができると考えられる。   This reduces the amount of impurities present in the atmosphere during the surface activation processing of the substrates 301 and 302 by the line type particle beam source 601, and after the surface activation processing, unnecessary oxidation of the new surface and new surface are performed. Impurities can be prevented from adhering to the surface. Furthermore, since the line type particle beam source 601 can apply a relatively high acceleration voltage, a high kinetic energy can be imparted to the particles at a relatively high degree of vacuum. Therefore, it is considered that the surface layer can be efficiently removed and the nascent surface can be made amorphous to activate the surfaces of the substrates 301 and 302.

真空ポンプ201の作動により比較的高い真空に引くことで、粒子ビームの照射により基板表面の表面層から除去された物質が効率良く雰囲気(真空チャンバ200)外へと排気される。すなわち、露出された新生表面へ再び付着し汚染するような、望ましくない物質が雰囲気外へ効率良く排気される。   By pulling a relatively high vacuum by the operation of the vacuum pump 201, the substance removed from the surface layer of the substrate surface by the irradiation of the particle beam is efficiently exhausted out of the atmosphere (vacuum chamber 200). That is, undesired substances that re-attach and contaminate the exposed new surface are efficiently exhausted out of the atmosphere.

基板支持部400は、基板301,302を支持するステージ401,402と、それぞれのステージを移動させるステージ移動機構403,404と、Z軸方向に基板同士を加圧する際の圧力を測定する圧力センサ408,411と、基板を加熱し、または、冷却する基板温度調節部420とを備える。ステージ移動機構403,404は、基板301,302を移動する基板移動機構である。第2ステージ移動機構404は、XY方向並進移動機構405、Z方向昇降移動機構406およびZ軸周り回転移動機構407を備える。   The substrate support unit 400 includes stages 401 and 402 that support the substrates 301 and 302, stage moving mechanisms 403 and 404 that move the respective stages, and a pressure sensor that measures pressure when the substrates are pressed in the Z-axis direction. 408, 411 and a substrate temperature adjusting unit 420 for heating or cooling the substrate. The stage moving mechanisms 403 and 404 are substrate moving mechanisms that move the substrates 301 and 302. The second stage moving mechanism 404 includes an XY direction translation moving mechanism 405, a Z direction raising / lowering moving mechanism 406, and a Z axis rotation moving mechanism 407.

基板301,302は、ステージ401,402の支持面に取り付けられる。ステージ401,402は、機械式チャック、静電チャック等の保持機構を有し、これにより基板を支持面に固定して保持し、または、保持機構を開放することで基板を取り外すことができるように構成されている。以下、ステージ401,402をそれぞれ、「第1ステージ401」および「第2ステージ402」とも呼ぶ。   The substrates 301 and 302 are attached to the support surfaces of the stages 401 and 402. The stages 401 and 402 have a holding mechanism such as a mechanical chuck or an electrostatic chuck so that the substrate can be fixed and held on the support surface, or the substrate can be removed by opening the holding mechanism. It is configured. Hereinafter, the stages 401 and 402 are also referred to as “first stage 401” and “second stage 402”, respectively.

図1において下側の第1ステージ401は、スライド式の第1ステージ移動機構403に接続される。これにより、第1ステージ401は、真空チャンバ200に対して、または、上側の第2ステージ402に対してX方向に並進移動することができる。   In FIG. 1, the lower first stage 401 is connected to a sliding first stage moving mechanism 403. Accordingly, the first stage 401 can translate in the X direction with respect to the vacuum chamber 200 or the upper second stage 402.

図1において上側の第2ステージ402は、アライメントテーブルとも呼ばれるXY方向並進移動機構405に接続される。アライメントテーブル405により、第2ステージ402は真空チャンバ200に対して、または、下側の第1ステージ401に対して、XY方向に並進移動することができる。   In FIG. 1, the upper second stage 402 is connected to an XY direction translation mechanism 405, which is also called an alignment table. With the alignment table 405, the second stage 402 can be translated in the XY direction with respect to the vacuum chamber 200 or the lower first stage 401.

Z方向昇降移動機構406は、アライメントテーブル405に連結される。Z方向昇降移動機構406により、第2ステージ402は、上下方向(Z方向)に移動し、両ステージ401,402間のZ方向の間隔を変え、または、調節することができるように構成されている。また、両ステージ401,402は、保持する基板301,302の対向する接合面同士を接触させ、または、接触後に加圧することができる。   The Z-direction lifting / lowering moving mechanism 406 is connected to the alignment table 405. The second stage 402 is configured to move in the vertical direction (Z direction) by the Z-direction lifting / lowering mechanism 406 so that the Z-direction interval between the stages 401 and 402 can be changed or adjusted. Yes. Moreover, both the stages 401 and 402 can make the pressurization after contact the contact surfaces which the board | substrates 301 and 302 to hold | maintain contact.

Z方向昇降移動機構406には、そのZ軸に係る力を測定するZ軸圧力センサ408が配置され、これにより加圧下で接触している接合面に垂直方向に係る力を測定し、接合面に係る圧力を計算することができる。Z軸圧力センサ408には、例えばロードセルを用いてもよい。   A Z-axis pressure sensor 408 that measures the force related to the Z-axis is disposed in the Z-direction lifting and moving mechanism 406, thereby measuring the force related to the direction perpendicular to the joint surface that is in contact under pressure, and the joint surface Can be calculated. For the Z-axis pressure sensor 408, for example, a load cell may be used.

アライメントテーブル405と第2ステージ402との間には、3つのステージ圧力センサ411と、各ステージ圧力センサ411においてZ軸方向にピエゾアクチュエータ412とが設けられている。各ステージ圧力センサ411とピエゾアクチュエータ412の組は、第2ステージ402の基板支持面上の非同一線上の異なる3つの位置に配置されている。より詳細には、3つのステージ圧力センサ411と、3つのピエゾアクチュエータ412とにより構成される各組は、略円柱状の第2ステージ402の略円形上面内の外周部付近において略等角度間隔で配置されている。   Between the alignment table 405 and the second stage 402, three stage pressure sensors 411 and a piezo actuator 412 in the Z-axis direction at each stage pressure sensor 411 are provided. Each set of the stage pressure sensor 411 and the piezo actuator 412 is arranged at three different positions on the same line on the substrate support surface of the second stage 402. More specifically, each set including the three stage pressure sensors 411 and the three piezoelectric actuators 412 is arranged at substantially equal angular intervals in the vicinity of the outer peripheral portion in the substantially circular upper surface of the substantially cylindrical second stage 402. Has been placed.

また、3つのステージ圧力センサ411は、対応する各ピエゾアクチュエータ412の上端面とアライメントテーブル405の下面とを接続している。これにより、ステージ圧力センサ411により基板の接合面に掛かる力、または、圧力の分布を測定することができる。そして、ピエゾアクチュエータ412を互いに独立にZ方向に伸縮させることで上記力、または、圧力の分布を微細または正確に調節し、あるいは、基板の接合面に掛かる力または圧力を、接合面に亘って均一、または、所定の分布にするように制御することができる。   The three stage pressure sensors 411 connect the upper end surfaces of the corresponding piezoelectric actuators 412 and the lower surface of the alignment table 405. As a result, the force applied to the bonding surface of the substrate or the pressure distribution can be measured by the stage pressure sensor 411. Then, the force or pressure distribution is finely or accurately adjusted by extending or contracting the piezoelectric actuator 412 in the Z direction independently of each other, or the force or pressure applied to the bonding surface of the substrate is applied to the bonding surface. It can be controlled to be uniform or have a predetermined distribution.

Z軸周り回転移動機構407は、第2ステージ402をZ軸周りに回転させることができる。Z軸周り回転移動機構407により、第2ステージ402の第1ステージ401に対するZ軸周りの相対的な回転位置θを制御して、両基板301,302の回転方向の相対的位置を制御することができる。   The Z axis rotation moving mechanism 407 can rotate the second stage 402 around the Z axis. The relative rotational position θ around the Z axis with respect to the first stage 401 of the second stage 402 is controlled by the rotational movement mechanism 407 around the Z axis, and the relative position in the rotational direction of both substrates 301 and 302 is controlled. Can do.

基板接合装置100は、基板301,302の相対的位置関係を測定するための位置測定部500として、窓503と、光源(図示せず)と、複数のカメラ501,502とを備える。窓503は、真空チャンバ200に設けられる。複数のカメラ501,502は、光源から発せられ両基板301,302のマークが設けられた部分(図示せず)および上記窓503を通過して真空チャンバ200の外部に伝播する光と、上記マークの影とを撮像する。   The substrate bonding apparatus 100 includes a window 503, a light source (not shown), and a plurality of cameras 501 and 502 as a position measuring unit 500 for measuring the relative positional relationship between the substrates 301 and 302. The window 503 is provided in the vacuum chamber 200. The plurality of cameras 501 and 502 include light that is emitted from a light source and passes through a portion (not shown) provided with marks on both substrates 301 and 302 and the window 503, and propagates to the outside of the vacuum chamber 200. To capture the shadows.

位置測定部500は、Z方向に伝播する光をXY面方向に屈折させるミラー504,505を有し、カメラ501,502はY方向に屈折した光を撮像するように配置されている。この構成により、Z軸方向の装置の大きさを小さくすることができる。   The position measurement unit 500 includes mirrors 504 and 505 that refract light propagating in the Z direction in the XY plane direction, and the cameras 501 and 502 are arranged to image light refracted in the Y direction. With this configuration, the size of the device in the Z-axis direction can be reduced.

図1では、カメラ501,502は、それぞれ、同軸照明系を有している。光源は、第1ステージ401の上側に設けられてもよく、また、カメラ501,502側からその光軸を進む光を発するように設けられてもよい。なお、カメラ501,502の各同軸照明系の光としては、基板301,302のマークが附された部分および両ステージ等の光が通過すべき箇所を透過する波長領域(例えば基板がシリコンで出来ている場合には、赤外光)の光を用いる。   In FIG. 1, the cameras 501 and 502 each have a coaxial illumination system. The light source may be provided on the upper side of the first stage 401, or may be provided so as to emit light traveling on the optical axis from the cameras 501 and 502 side. In addition, as the light of each coaxial illumination system of the cameras 501 and 502, a wavelength region (for example, the substrate can be made of silicon) that passes through portions where the marks of the substrates 301 and 302 are attached and portions where the light such as both stages should pass. If it is, infrared light) is used.

本基板接合装置100は、上記位置測定部500と、ステージの位置決めをするステージ移動機構403,404と、これらに接続されたコントローラ700とを用いて、水平方向(XおよびY方向)並びにZ軸周りの回転方向(θ方向)について、基板301,302の各々の真空チャンバ200内の位置(絶対的位置)、または、基板301,302間の相対的位置とを測定および制御することができるように構成されている。   The substrate bonding apparatus 100 uses the position measuring unit 500, stage moving mechanisms 403 and 404 for positioning the stage, and a controller 700 connected thereto, in the horizontal direction (X and Y directions) and the Z axis. The position (absolute position) of each of the substrates 301 and 302 in the vacuum chamber 200 or the relative position between the substrates 301 and 302 can be measured and controlled with respect to the surrounding rotation direction (θ direction). It is configured.

基板301,302には、測定用の光が通過する箇所が規定されており、ここにマークが附されていて、通過光の一部を遮断または屈折させる。カメラ501,502が通過光を受光すると、明視野像である撮影画像内でマークは暗く現れる。マークは、好ましくは、基板に複数個、例えば基板の対向する2つの角に設けられている。これにより、複数個のマークの位置から、基板301または基板302の絶対的位置を特定することができる。   In the substrates 301 and 302, a location through which the measurement light passes is defined, and a mark is attached here to block or refract part of the passing light. When the cameras 501 and 502 receive the passing light, the mark appears dark in the captured image that is a bright field image. Preferably, a plurality of marks are provided on the substrate, for example, at two opposite corners of the substrate. Thereby, the absolute position of the substrate 301 or the substrate 302 can be specified from the positions of the plurality of marks.

好ましくは、基板301,302の対応する箇所、例えば接合時にZ方向に重なり合う位置に、対応するマークが附されている。基板301,302の両方のマークを同じ視野内で観測して、その相対的ずれ(Δx,Δy)を測定する。複数個所での相対的ずれ(Δx,Δy)を測定することにより、基板301,302間の相対的位置(ΔX,ΔY,Δθ)を計算することができる。   Preferably, corresponding marks are attached to corresponding portions of the substrates 301 and 302, for example, positions overlapping in the Z direction during bonding. Both marks on the substrates 301 and 302 are observed within the same field of view, and their relative deviations (Δx, Δy) are measured. By measuring the relative deviations (Δx, Δy) at a plurality of locations, the relative positions (ΔX, ΔY, Δθ) between the substrates 301 and 302 can be calculated.

基板301,302間の相対的位置(ΔX,ΔY,Δθ)に基づいて、コントローラ700から指示を出して、各ステージ401,402の移動機構に基板を(−ΔX,―ΔY,―Δθ)だけ移動させる。   Based on the relative position (ΔX, ΔY, Δθ) between the substrates 301, 302, an instruction is issued from the controller 700, and the substrate is moved to the moving mechanism of each stage 401, 402 by (−ΔX, −ΔY, −Δθ). Move.

基板301,302の相対的位置を正確に測定するために、一旦接近または接触させてもよい。この場合、各ステージ401,402を移動させる際には、また、基板301,302を離間させるようにしてもよい。基板301,302の相対的位置の測定および位置決め動作は、複数回繰り返して行ってもよい。   In order to accurately measure the relative positions of the substrates 301 and 302, they may be approached or brought into contact with each other. In this case, the substrates 301 and 302 may be separated when the stages 401 and 402 are moved. The relative position measurement and positioning operation of the substrates 301 and 302 may be repeated a plurality of times.

図1のステージ401,402は、それぞれ基板温度調節部420として、加熱冷却部421,422を内蔵している。加熱冷却部421,422は、例えば、ヒータとペルチェ素子とを備えるモジュールである。加熱冷却部421,422は、ステージ401,402に支持されている基板301,302を、ステージ401,402を介して加熱し、または、冷却する。すなわち、基板温度調節部420は、基板加熱部としても機能し、基板冷却部としても機能する。加熱冷却部421,422を制御することにより、基板301,302の温度や基板301,302の接合面の温度を調節し制御することができる。   The stages 401 and 402 in FIG. 1 incorporate heating and cooling units 421 and 422 as the substrate temperature adjusting unit 420, respectively. The heating / cooling units 421 and 422 are modules including, for example, a heater and a Peltier element. The heating and cooling units 421 and 422 heat or cool the substrates 301 and 302 supported by the stages 401 and 402 via the stages 401 and 402, respectively. That is, the substrate temperature adjusting unit 420 functions as a substrate heating unit and also functions as a substrate cooling unit. By controlling the heating and cooling units 421 and 422, the temperature of the substrates 301 and 302 and the temperature of the bonding surface of the substrates 301 and 302 can be adjusted and controlled.

表面処理部600は、表面活性化処理部610と、親水化処理部620とを備える。表面活性化処理部610として、例えば、イオンや中性原子等の粒子ビーム源、あるいは、プラズマ源を採用することができる。これにより、基板301,302の接合面を形成する物質を物理的に弾き飛ばす現象(スパッタリング現象)を生じさせ、表面層を除去することができる。   The surface treatment unit 600 includes a surface activation treatment unit 610 and a hydrophilization treatment unit 620. As the surface activation processing unit 610, for example, a particle beam source such as ions or neutral atoms, or a plasma source can be employed. As a result, a phenomenon (spattering phenomenon) in which a substance that forms the bonding surface of the substrates 301 and 302 is physically blown off is generated, and the surface layer can be removed.

表面活性化処理には、表面層を除去して接合すべき物質の新生表面を露出させるのみならず、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより、露出された新生表面近傍の結晶構造を乱し、アモルファス化する作用もあると考えられている。アモルファス化した新生表面は、原子レベルの表面積が増え、より高い表面エネルギーを有するため、その後の親水化処理において結合される、単位表面積当たりの水酸基(OH基)の数が増加すると考えられる。なお、従来のウェット処理による表面の不純物の除去工程後に化学的に親水化処理する場合には、所定の運動エネルギーを有する粒子の衝突に起因する新生表面の物理的変化がないので、上述の表面活性化処理に続く親水化処理は、この点で従来の親水化処理とは根本的に異なると考えられる。   In the surface activation treatment, not only the surface layer is removed to expose the nascent surface of the substance to be joined, but also the crystal structure near the exposed nascent surface is made by colliding particles having a predetermined kinetic energy. It is thought that there is also an effect of disturbing and amorphizing. Since the amorphized nascent surface has a higher surface area at the atomic level and higher surface energy, it is considered that the number of hydroxyl groups (OH groups) per unit surface area to be bonded in the subsequent hydrophilization treatment is increased. In addition, in the case of chemically hydrophilizing treatment after the surface impurity removal step by the conventional wet treatment, there is no physical change of the nascent surface due to the collision of particles having a predetermined kinetic energy. The hydrophilic treatment following the activation treatment is considered to be fundamentally different from the conventional hydrophilic treatment in this respect.

ここで、「アモルファス化した表面」または「結晶構造が乱れた表面」とは、具体的に表面分析手法を用いた測定により存在が確認されたアモルファス層または結晶構造が乱れた層を含むとともに、粒子の照射時間を比較的長く設定した場合、または、粒子の運動エネルギーを比較的高く設定した場合に想定される結晶表面の状態を表現する概念的な用語であって、具体的に表面分析手法を用いた測定によりアモルファス層または結晶構造が乱れた表面の存在が確認されていない表面をも含むものである。また、「アモルファス化する」または「結晶構造を乱す」とは、上記アモルファス化した表面、または、結晶構造が乱された表面を形成するための動作を概念的に表現したものである。   Here, the “amorphized surface” or “surface with disordered crystal structure” includes an amorphous layer whose presence has been confirmed by measurement using a surface analysis technique or a layer with a disordered crystal structure, This is a conceptual term that expresses the state of the crystal surface that is assumed when the particle irradiation time is set relatively long or when the particle kinetic energy is set relatively high. It also includes a surface in which the presence of an amorphous layer or a surface with a disordered crystal structure is not confirmed by measurement using. Further, “amorphize” or “disturb the crystal structure” conceptually represents an operation for forming the above-described amorphized surface or a surface in which the crystal structure is disturbed.

表面活性化処理に用いる粒子として、例えば、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)等の希ガスまたは不活性ガスを採用することができる。これらの希ガスは、比較的大きい質量を有しているので、効率的に、スパッタリング現象を生じさせることができ、新生表面の結晶構造を乱すことも可能になると考えられる。   As particles used for the surface activation treatment, for example, a rare gas or an inert gas such as neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), or xenon (Xe) can be used. Since these rare gases have a relatively large mass, it is considered that a sputtering phenomenon can be efficiently generated and the crystal structure of the nascent surface can be disturbed.

表面活性化処理に用いる粒子として、酸素のイオン、原子、分子等を採用することもできる。酸素イオン等を用いて表面活性化処理を行うことで、表面層を除去した後に新生表面上を酸化物の薄膜で覆うことが可能になる。新生表面上の酸化物の薄膜は、その後の親水化処理における、水酸(OH)基の結合または水の付着の効率を高めると考えられる。   As the particles used for the surface activation treatment, oxygen ions, atoms, molecules, and the like may be employed. By performing the surface activation treatment using oxygen ions or the like, it is possible to cover the new surface with an oxide thin film after removing the surface layer. It is believed that the oxide thin film on the nascent surface increases the efficiency of hydroxyl (OH) group bonding or water deposition in subsequent hydrophilization treatments.

表面活性化される接合面に衝突させる粒子の運動エネルギーは、1eV〜2keVであることが好ましい。上記の運動エネルギーにより、表面層におけるスパッタリング現象が効率良く生じると考えられる。除去すべき表面層の厚さ、材質等の性質、新生表面の材質等に応じて、上記運動エネルギーの範囲から所望の運動エネルギーの値を設定することもできる。表面活性化される接合面に衝突させる粒子を接合面に向けて加速することにより、当該粒子に所定の運動エネルギーを与えることができる。   It is preferable that the kinetic energy of the particles colliding with the surface to be surface activated is 1 eV to 2 keV. It is considered that the above kinetic energy efficiently causes the sputtering phenomenon in the surface layer. A desired value of kinetic energy can also be set from the above kinetic energy range according to the thickness of the surface layer to be removed, the properties such as the material, the material of the new surface, and the like. A predetermined kinetic energy can be given to the particle | grain by accelerating the particle made to collide with the joint surface surface-activated toward a joint surface.

図2は、表面活性化処理部610の斜視図である。図1および図2に示す例では、表面活性化処理部610は、ライン式粒子ビーム源601と、遮蔽部材602と、ビーム源移動機構603とを備える。ビーム源移動機構603は、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とを、基板301,302の接合面(すなわち、表面活性化処理の対象となる対象面)に略平行に移動する。ビーム源移動機構603は、ライン式粒子ビーム源601および遮蔽部材602を、基板301,302の間の空間へと挿入し、また、当該空間から退避させる。また、ビーム源移動機構603は、ライン式粒子ビーム源601および遮蔽部材602を、ライン式粒子ビーム源601等のライン方向(X方向)周りに揺動する。   FIG. 2 is a perspective view of the surface activation processing unit 610. In the example illustrated in FIGS. 1 and 2, the surface activation processing unit 610 includes a line type particle beam source 601, a shielding member 602, and a beam source moving mechanism 603. The beam source moving mechanism 603 moves the line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 substantially in parallel to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 (that is, the target surface that is the target of the surface activation process). The beam source moving mechanism 603 inserts the line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 into the space between the substrates 301 and 302, and retracts from the space. Further, the beam source moving mechanism 603 swings the line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 around the line direction (X direction) of the line-type particle beam source 601 and the like.

図2に示すように、ライン式粒子ビーム源601は、ライン方向または長手方向がX方向に平行になるように配置されている。ライン式粒子ビーム源601は、中性原子である粒子に所定の運動エネルギーを与え、当該粒子を基板301,302の接合面に向けて放射する。遮蔽部材602は、長方形の板状に形成され、ライン式粒子ビーム源601のライン方向と平行に、X方向と平行になるように配置されている。遮蔽部材602の長手方向の長さは、ライン式粒子ビーム源601の長手方向の長さとほぼ同じである。   As shown in FIG. 2, the line particle beam source 601 is arranged so that the line direction or the longitudinal direction is parallel to the X direction. The line-type particle beam source 601 gives predetermined kinetic energy to particles that are neutral atoms, and radiates the particles toward the bonding surfaces of the substrates 301 and 302. The shielding member 602 is formed in a rectangular plate shape, and is arranged so as to be parallel to the line direction of the line-type particle beam source 601 and parallel to the X direction. The length in the longitudinal direction of the shielding member 602 is substantially the same as the length in the longitudinal direction of the line type particle beam source 601.

ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とは、ビーム源移動機構603により、そのY方向の間隔を一定に保ちつつ、両者の長手方向にほぼ垂直方向であるY方向に並進移動する。ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602との間のY方向の間隔を一定に保つために、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とを機械部材で連結してもよい。また、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とを同じ速度で移動させることにより、Y方向の間隔を一定に保ってもよい。   The line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 are translated by the beam source moving mechanism 603 in the Y direction, which is substantially perpendicular to the longitudinal direction of the both, while keeping the distance in the Y direction constant. In order to keep the distance in the Y direction between the line type particle beam source 601 and the shielding member 602 constant, the line type particle beam source 601 and the shielding member 602 may be connected by a mechanical member. Further, the distance in the Y direction may be kept constant by moving the line particle beam source 601 and the shielding member 602 at the same speed.

Y方向に張られた複数のリニアガイド604,605,606は、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602との長手方向の両端を支持しつつ、Y方向に所望の距離を並進移動させ、または、所望の位置に位置決めさせることができる。   A plurality of linear guides 604, 605, and 606 stretched in the Y direction translate the desired distance in the Y direction while supporting both ends of the linear particle beam source 601 and the shielding member 602 in the longitudinal direction, or , Can be positioned at a desired position.

リニアガイド604は、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とのそれぞれの一端をY方向に移動可能に支持している。このリニアガイド604は、Y方向に延びるネジ604aと、ネジ604aの長手方向の回転により動くナット604bと、ネジ604aを回転させるサーボモータ604cとを備える。ナット604bは、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とをX方向の各回転軸周りに回転可能に、かつ、XYZ方向に固定して支持している。ナット604bは、図2においては、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602との間のY方向の間隔または距離を一定に保つ機能も有している。   The linear guide 604 supports one end of each of the line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 so as to be movable in the Y direction. The linear guide 604 includes a screw 604a extending in the Y direction, a nut 604b that moves by the longitudinal rotation of the screw 604a, and a servo motor 604c that rotates the screw 604a. The nut 604b supports the line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 so as to be rotatable around respective rotation axes in the X direction and fixed in the XYZ directions. In FIG. 2, the nut 604 b also has a function of keeping the distance or distance in the Y direction between the line type particle beam source 601 and the shielding member 602 constant.

リニアガイド605,606は、Z方向にずれて平行に配置されていて、それぞれ、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602との他端をY方向に移動可能に支持している。さらに、リニアガイド605,606は、回転式リニアガイドであり、それぞれの長手軸方向の軸周りに回転可能であり、当該回転を、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とのライン方向(X方向)の回転軸609a,609b周りの回転運動に変換して伝達する機構を有している。具体的には、各回転式リニアガイド605,606は、Y方向に平行移動可能な回転ギア607L,608Lを有し、それぞれ、ライン式粒子ビーム源601に連結された回転ギア607Gと遮蔽部材602に連結された回転ギア608Gと歯車で連結されている。回転ギア607L,608L,607G,608Gは、傘歯車であり、噛み合う回転ギア間で回転運動を垂直回転軸周りの回転運動に変換して伝達することができる。これらのギアには、傘歯車を用いているが、これに限られない。例えばウォームギアを採用してもよい。   The linear guides 605 and 606 are arranged parallel to each other in the Z direction, and respectively support the other ends of the line type particle beam source 601 and the shielding member 602 so as to be movable in the Y direction. Further, the linear guides 605 and 606 are rotary linear guides that can be rotated around the respective longitudinal axes, and the rotation is caused by the line direction (X of the line type particle beam source 601 and the shielding member 602). Direction) and a mechanism for transmitting the rotational motion around the rotational shafts 609a and 609b. Specifically, each of the rotary linear guides 605 and 606 includes rotary gears 607L and 608L that can move in parallel in the Y direction, and the rotary gear 607G and the shielding member 602 connected to the line type particle beam source 601 respectively. Is connected to a rotating gear 608G connected to The rotation gears 607L, 608L, 607G, and 608G are bevel gears, and can convert rotational motion between the meshing rotational gears into rotational motion around the vertical rotational axis and transmit the rotational motion. These gears use bevel gears, but are not limited thereto. For example, a worm gear may be adopted.

表面活性化処理部610では、回転式のリニアガイド605,606をY方向軸周りに回転または揺動させ、この回転角によって、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とのX方向軸周りの揺動を制御または設定することができる。また、回転式のリニアガイド605,606は、それぞれ個別にライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とに連結され、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とのX方向軸周りの回転角を独立に制御または設定することができるように構成されている。   In the surface activation processing unit 610, the rotary linear guides 605 and 606 are rotated or oscillated around the Y direction axis, and the rotation angle around the X direction axis between the line type particle beam source 601 and the shielding member 602 is determined. Oscillation can be controlled or set. The rotary linear guides 605 and 606 are individually connected to the line-type particle beam source 601 and the shielding member 602, respectively, and the rotation angles of the line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 around the X-direction axis are set. It is configured so that it can be controlled or set independently.

ライン式粒子ビーム源601は、回転軸609a周りで基板301の接合面に対して所定の角度を保ったまま、粒子ビームBを放射しつつ、基板301上をY方向に並進移動することができる。ある時刻において、ライン式粒子ビーム源601は、基板301上のX方向に伸びた帯状のビーム照射領域Rを粒子ビームBで照射しており、Y方向の並進移動にともない、照射領域Rは基板301の接合面をスキャンする。   The line-type particle beam source 601 can translate the substrate 301 in the Y direction while emitting the particle beam B while maintaining a predetermined angle with respect to the bonding surface of the substrate 301 around the rotation axis 609a. . At a certain time, the line-type particle beam source 601 irradiates the band-shaped beam irradiation region R extending in the X direction on the substrate 301 with the particle beam B. As the translational movement in the Y direction occurs, the irradiation region R becomes the substrate. The bonding surface 301 is scanned.

遮蔽部材602は、ライン式粒子ビーム源601とのY方向の上記所定の間隔を有して配置される。遮蔽部材602は、ライン式粒子ビーム源601のビーム照射により基板301から飛散するスパッタ粒子を遮蔽するように、回転軸609b周りで基板301の接合面に対して所定の角度を保ちつつ、ライン式粒子ビーム源601と共にY方向に並進移動する。   The shielding member 602 is disposed with the predetermined distance in the Y direction from the line type particle beam source 601. The shielding member 602 keeps a predetermined angle with respect to the bonding surface of the substrate 301 around the rotation axis 609b so as to shield the sputtered particles scattered from the substrate 301 by the beam irradiation of the line-type particle beam source 601 while maintaining a predetermined angle with respect to the bonding surface of the substrate 301 It translates along with the particle beam source 601 in the Y direction.

粒子ビームBの放射条件を一定に保ったまま一定速度でスキャンをすることにより、基板301の接合面全面に亘って、極めて均一な条件で粒子ビーム照射を行うことができる。粒子ビームBの基板上の単位面積当たりの照射量は、粒子ビーム源601の基板301に対するスキャン速度によっても調整することができる。   By scanning at a constant speed while keeping the radiation condition of the particle beam B constant, the particle beam irradiation can be performed on the entire bonding surface of the substrate 301 under a very uniform condition. The irradiation amount per unit area of the particle beam B on the substrate can also be adjusted by the scanning speed of the particle beam source 601 with respect to the substrate 301.

上述のように、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とは、それぞれ回転軸609a,609b周りに回転可能に構成されている。したがって、図3Aおよび図3Bに示すように、第1基板301に対して粒子ビームBの照射スキャンを行った後に(図3A)、第2基板302に対しても、基板301と同様の工程を実行することができる(図3B)。   As described above, the line particle beam source 601 and the shielding member 602 are configured to be rotatable around the rotation axes 609a and 609b, respectively. Therefore, as shown in FIGS. 3A and 3B, after performing the irradiation scan of the particle beam B on the first substrate 301 (FIG. 3A), the same process as the substrate 301 is performed on the second substrate 302 as well. Can be performed (FIG. 3B).

第1基板301に対して粒子ビームBの照射スキャンを行う場合(図3A)と、第2基板302に対して粒子ビームBの照射スキャンを行う場合(図3B)との各々に応じて、遮蔽部材602とライン式粒子ビーム源601とは、向きが、それぞれ所定の向きに設定できるように構成されている。   According to each of the case where the irradiation scan of the particle beam B is performed on the first substrate 301 (FIG. 3A) and the case where the irradiation scan of the particle beam B is performed on the second substrate 302 (FIG. 3B). The direction of the member 602 and the line type particle beam source 601 can be set to a predetermined direction.

図3Aに示すように、第1基板301に対して粒子ビームBの照射スキャンを行う場合には、遮蔽部材602の遮蔽面611をほぼ第1基板301に向け、ライン式粒子ビーム源601からの粒子ビーム照射によるスパッタで第1基板301から飛散するスパッタ粒子Pを当該遮蔽面611で遮断する。これにより、対向して配置された他方の基板である第2基板302には、第1基板301からのスパッタ粒子Pが付着しないようにし、または、その付着量を最小限に抑制することができる。   As shown in FIG. 3A, when the irradiation scan of the particle beam B is performed on the first substrate 301, the shielding surface 611 of the shielding member 602 is substantially directed toward the first substrate 301, and the line particle beam source 601 is used. Sputtered particles P scattered from the first substrate 301 due to sputtering by particle beam irradiation are blocked by the shielding surface 611. Thereby, it is possible to prevent the sputtered particles P from the first substrate 301 from adhering to the second substrate 302, which is the other substrate disposed oppositely, or to suppress the adhering amount to a minimum. .

そして、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とは、上記の向きに保たれたまま、第1基板301上を走査(スキャン)される。これにより、ビーム照射領域R1が第1基板301上をスキャンして、第1基板301の接合面である第1接合面全体に亘って均一にビーム照射を行うことができる。   The line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 are scanned on the first substrate 301 while being maintained in the above-described direction. As a result, the beam irradiation region R <b> 1 scans the first substrate 301, and the beam irradiation can be performed uniformly over the entire first bonding surface that is the bonding surface of the first substrate 301.

基板接合装置100では、図3Aに示すように、第2基板302にスパッタ粒子Pが付着することを回避または最小限に抑えつつ、第1基板301に対する粒子ビーム照射をスキャンすることができる。したがって、その後、第2基板302に対する粒子ビーム照射をほぼ理想的に行うことができる。すなわち、第1基板301に対する粒子ビーム照射中に第2基板302上にスパッタ粒子Pが付着してしまうと、これを除去するために第2基板302のみの処理に比べて粒子ビームBの照射時間を長く設定することが必要となる。あるいは、望ましくない不純物が第2基板302上に付着している場合には、粒子ビーム照射による原子の衝突により当該不純物が第2基板302内に潜り込み、または、混合(ミキシング)が生じるため、第2基板302の表面近傍を改質する必要が生じ得る。基板接合装置100では、このような不具合を回避または最小限に抑制することができる。   In the substrate bonding apparatus 100, as shown in FIG. 3A, particle beam irradiation onto the first substrate 301 can be scanned while avoiding or minimizing the adhesion of sputtered particles P to the second substrate 302. Therefore, the particle beam irradiation to the second substrate 302 can be performed almost ideally thereafter. That is, if sputtered particles P adhere to the second substrate 302 during the particle beam irradiation on the first substrate 301, the irradiation time of the particle beam B compared to the processing of only the second substrate 302 in order to remove it. Needs to be set longer. Alternatively, in the case where an undesirable impurity is attached on the second substrate 302, the impurity may sink into the second substrate 302 or be mixed (mixed) due to the collision of atoms caused by particle beam irradiation. It may be necessary to modify the vicinity of the surface of the two substrates 302. In the substrate bonding apparatus 100, such a problem can be avoided or suppressed to a minimum.

また、基板接合装置100では、図3Bに示すように、第2基板302のビーム照射領域R2に粒子ビーム照射を行う際に、第2基板302から飛散するスパッタ粒子Pを遮蔽部材602の遮蔽面611でブロックすることができる。したがって、粒子ビーム照射を完了した第1基板301の領域R1へのスパッタ粒子Pの付着を回避または抑制することができる。換言すれば、第2基板302に対して、第2基板302の接合面である第2接合面に対する粒子ビーム照射をスキャンして実行しつつ、これに併せて第2基板302から飛散するスパッタ粒子Pを遮蔽して第1基板301に付着するのを防止することができる。これにより、粒子ビーム照射で得られた第1基板301の領域R1の所定の性質を維持することができる。具体的には、一旦粒子ビーム照射により表面活性化された第1基板301の接合面は、第2基板302の接合面の表面活性化処理の間も、その活性度を維持することができる。したがって、交互に基板表面を活性化しても接合強度が高く、不純物の混入が少ない固相接合界面を形成することができる。   In the substrate bonding apparatus 100, as shown in FIG. 3B, when the particle beam irradiation is performed on the beam irradiation region R2 of the second substrate 302, the sputtered particles P scattered from the second substrate 302 are blocked by the shielding surface of the shielding member 602. 611 to block. Therefore, adhesion of the sputtered particles P to the region R1 of the first substrate 301 that has completed the particle beam irradiation can be avoided or suppressed. In other words, sputtered particles scattered from the second substrate 302 while scanning and executing particle beam irradiation on the second bonding surface, which is the bonding surface of the second substrate 302, with respect to the second substrate 302. It is possible to prevent P from adhering to the first substrate 301 by shielding P. Thereby, the predetermined property of the region R1 of the first substrate 301 obtained by the particle beam irradiation can be maintained. Specifically, the activity of the bonding surface of the first substrate 301 once surface-activated by particle beam irradiation can be maintained during the surface activation process of the bonding surface of the second substrate 302. Therefore, even if the substrate surface is activated alternately, it is possible to form a solid-phase bonding interface with high bonding strength and less impurity contamination.

ライン式粒子ビーム源601は、例えば1x10−5Pa(パスカル)以下等の、比較的高い真空中で作動するため、表面活性化処理後に、新生表面の不要な酸化や新生表面への不純物の付着等を防止することができる。さらに、ライン式粒子ビーム源601は、比較的高い加速電圧を印加することができるため、高い運動エネルギーを粒子に付与することができる。したがって、表面層の除去、および、新生表面のアモルファス化を効率良く行うことができると考えられる。 The line-type particle beam source 601 operates in a relatively high vacuum, such as 1 × 10 −5 Pa (pascal) or less, so that after the surface activation treatment, unnecessary oxidation of the nascent surface and adhesion of impurities to the nascent surface are performed. Etc. can be prevented. Furthermore, since the line type particle beam source 601 can apply a relatively high acceleration voltage, high kinetic energy can be imparted to the particles. Therefore, it is considered that the removal of the surface layer and the amorphization of the new surface can be performed efficiently.

図3Aおよび図3Bのように、ライン式粒子ビーム源601と板状の遮蔽部材602とは、X方向に平行な回転軸周りに回転可能であるので、互いに近接して配置されてもよい。例えば、板状の遮蔽部材602が基板面に平行な状態で、第1基板301に対するビーム照射が終わった後に、ライン式粒子ビーム源601のみを第2基板302に向けて回転させると、ライン式粒子ビーム源601が遮蔽部材602に衝突または接触する程度に近接して配置されていてもよい。このような場合には、遮蔽部材602のライン式粒子ビーム源601側の辺が第1基板301側に近づくように遮蔽部材602を回転させ、次に、ライン式粒子ビーム源601を第2基板302に向けて回転させる。これにより、遮蔽部材602に接触することなく、第2基板302に向くようにライン式粒子ビーム源601の姿勢を変更することができる。その後、第2基板302へのビーム照射のために、遮蔽部材602を回転して基板301,302の接合面に平行な位置に位置決めすることができる。   As shown in FIGS. 3A and 3B, the line-type particle beam source 601 and the plate-shaped shielding member 602 are rotatable around a rotation axis parallel to the X direction, and may be disposed close to each other. For example, when only the line-type particle beam source 601 is rotated toward the second substrate 302 after the beam irradiation to the first substrate 301 is finished in a state where the plate-like shielding member 602 is parallel to the substrate surface, The particle beam source 601 may be disposed as close as possible to collide with or come into contact with the shielding member 602. In such a case, the shielding member 602 is rotated so that the side of the shielding member 602 on the line type particle beam source 601 side approaches the first substrate 301 side, and then the line type particle beam source 601 is moved to the second substrate. Rotate toward 302. Accordingly, the attitude of the line-type particle beam source 601 can be changed so as to face the second substrate 302 without contacting the shielding member 602. Thereafter, the shielding member 602 can be rotated and positioned at a position parallel to the bonding surface of the substrates 301 and 302 for beam irradiation onto the second substrate 302.

なお、図3Bでは、ライン式粒子ビーム源601は第2基板302に対して図中の左から右(+Y方向)へ移動しているが、右から左(−Y方向)に移動しつつ粒子ビーム照射を行ってもよい。ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とを第1基板301に対して左から右へ移動させて粒子ビーム照射を行い、第2基板302に対して右から左へ移動させて粒子ビーム照射を行ってもよい。これにより、いずれの基板にも同じ方向(例えば、図中の左から右)に移動させて粒子ビーム照射を行う場合よりも、ライン式粒子ビーム源601の移動距離を短くすることができるため、プロセス効率が向上する。   In FIG. 3B, the line-type particle beam source 601 moves from the left to the right (+ Y direction) in the drawing with respect to the second substrate 302, but the particles move while moving from the right to the left (−Y direction). Beam irradiation may be performed. The line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 are moved from the left to the right with respect to the first substrate 301 to perform the particle beam irradiation, and the second substrate 302 is moved from the right to the left to perform the particle beam irradiation. You may go. Thereby, the moving distance of the line-type particle beam source 601 can be shortened compared to the case where the particle beam irradiation is performed by moving any substrate in the same direction (for example, from left to right in the figure). Process efficiency is improved.

ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602との間隔は常に同じである必要はない。例えば、スパッタ粒子の飛散方向が、スキャン方向の相違などにより、第1基板301と第2基板302とで異なる場合には、上記間隔を変えてもよい。すなわち、遮蔽部材602は、粒子ビーム照射の各条件で、飛散するスパッタ粒子を効率よく遮蔽して、他の基板へ到達することを回避または最小限に抑制する寸法、形状または姿勢となるように構成されていればよい。   The distance between the line type particle beam source 601 and the shielding member 602 need not always be the same. For example, when the scattering direction of the sputtered particles is different between the first substrate 301 and the second substrate 302 due to a difference in the scanning direction, the interval may be changed. In other words, the shielding member 602 has a size, shape, or posture that efficiently shields the sputtered particles that are scattered under each condition of particle beam irradiation and prevents or minimizes reaching the other substrate. It only has to be configured.

例えば、所定のプロセスまたはスキャン毎に、ライン式粒子ビーム源601の基板表面に成す角度、粒子ビーム(エネルギー粒子)の種類や運動エネルギー、基板表面の材料、表面形状や結晶方向等々のビーム照射の条件に応じて、スパッタ粒子の飛散方向や飛散角度が変わり得る。したがって、所定のビーム照射の条件に応じて、飛散するスパッタ粒子を効率良く遮蔽するように、遮蔽部材602の角度や大きさ、ライン式粒子ビーム源601や基板301,302に対する位置または姿勢等を変更することができるように装置が構成されてもよい。   For example, the beam irradiation such as the angle formed on the substrate surface of the line-type particle beam source 601, the type and kinetic energy of the particle beam (energy particles), the material of the substrate surface, the surface shape and the crystal direction for each predetermined process or scan. Depending on the conditions, the scattering direction and scattering angle of the sputtered particles can change. Therefore, the angle and size of the shielding member 602, the position or posture of the line-type particle beam source 601, and the substrates 301 and 302, etc., so as to efficiently shield the scattered sputtered particles according to the predetermined beam irradiation conditions. The device may be configured so that it can be changed.

なお、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とは、基板301,302間を接合面に平行に移動するように構成されているが、これに限られない。基板301,302が2次元的に平坦ではない場合等、種々の場合に応じて、ライン式粒子ビーム源601および遮蔽部材602が基板301,302間で適切な移動をするように装置が構成されてもよい。   The line particle beam source 601 and the shielding member 602 are configured to move between the substrates 301 and 302 in parallel to the bonding surface, but are not limited thereto. The apparatus is configured so that the line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 appropriately move between the substrates 301 and 302 according to various cases such as when the substrates 301 and 302 are not two-dimensionally flat. May be.

また、図2に示す例では、ライン式粒子ビーム源601と遮蔽部材602とは、長手方向をライン方向(X方向)にほぼ平行に配置され、ライン方向(X方向)にほぼ垂直方向(Y方向)に並進移動するように構成されているが、これに限られない。ライン式粒子ビーム源601等の長手方向は、並進移動方向に対して垂直(90度)でなくてもよく、例えば、所定の角度(60度、45度)を成すように装置が構成されてもよい。当該所定の角度は、スキャン毎に可変であるように装置が構成されてもよい。   In the example shown in FIG. 2, the line-type particle beam source 601 and the shielding member 602 are disposed so that the longitudinal direction is substantially parallel to the line direction (X direction), and substantially perpendicular to the line direction (X direction) (Y It is configured to translate in the direction), but is not limited to this. The longitudinal direction of the line type particle beam source 601 or the like may not be perpendicular (90 degrees) to the translational movement direction. For example, the apparatus is configured to form a predetermined angle (60 degrees, 45 degrees). Also good. The apparatus may be configured such that the predetermined angle is variable for each scan.

図3Aおよび図3Bに示す例では、表面活性化処理部610は、単一のライン式粒子ビーム源601により両基板301,302に対してビーム照射ができるように構成されているが、これに限られない。例えば、表面活性化処理部610は、複数のライン式粒子ビーム源601を備えていてもよい。   In the example shown in FIG. 3A and FIG. 3B, the surface activation processing unit 610 is configured so that beam irradiation can be performed on both the substrates 301 and 302 by a single line type particle beam source 601. Not limited. For example, the surface activation processing unit 610 may include a plurality of line type particle beam sources 601.

例えば、図4Aおよび図4Bに示すライン式粒子ビーム源601は、第1ライン式粒子ビーム源6011と第2ライン式粒子ビーム源6012とを有し、2つの対向する基板301,302間に配置される。第1ライン式粒子ビーム源6011は第1基板301に対してビーム照射を行い、第2ライン式粒子ビーム源6012は第2基板302に対してビーム照射を行う。   For example, a line type particle beam source 601 shown in FIGS. 4A and 4B includes a first line type particle beam source 6011 and a second line type particle beam source 6012, and is arranged between two opposing substrates 301 and 302. Is done. The first line type particle beam source 6011 performs beam irradiation on the first substrate 301, and the second line type particle beam source 6012 performs beam irradiation on the second substrate 302.

この場合、遮蔽部材602は、基板301,302間に配置され、両基板301,302から飛散するスパッタ粒子Pを遮蔽する。すなわち、遮蔽部材602の第1基板301に向いた面6021は、第1基板用ライン式粒子ビーム源(第1ライン式粒子ビーム源)6011のビーム照射により第1基板301から第2基板302に向けて飛散するスパッタ粒子Pを遮蔽して、当該スパッタ粒子Pが第2基板302に付着することを回避または最小限に抑えるように構成されている。一方、遮蔽部材602の第2基板302に向いた面6022は、第2基板用ライン式粒子ビーム源(第2ライン式粒子ビーム源)6012のビーム照射により第2基板302から第1基板301に向けて飛散するスパッタ粒子Pを遮蔽して、当該スパッタ粒子Pが第1基板301に付着することを回避または最小限に抑えるように構成されている。   In this case, the shielding member 602 is disposed between the substrates 301 and 302 and shields the sputtered particles P scattered from both the substrates 301 and 302. That is, the surface 6021 of the shielding member 602 facing the first substrate 301 is changed from the first substrate 301 to the second substrate 302 by beam irradiation of the first substrate line type particle beam source (first line type particle beam source) 6011. The sputtered particles P scattered toward the screen are shielded so that the sputtered particles P are prevented from adhering to the second substrate 302 or minimized. On the other hand, the surface 6022 of the shielding member 602 facing the second substrate 302 is irradiated from the second substrate line type particle beam source (second line type particle beam source) 6012 from the second substrate 302 to the first substrate 301. The sputtered particles P scattered toward the screen are shielded so that the sputtered particles P are prevented from adhering to the first substrate 301 or minimized.

当該遮蔽部材602は、略板状に形成されている。両基板301,302の対向する表面が平行である場合には、板状の遮蔽部材602は、その主面が両基板301,302の表面に平行となるように配置される。この構成により、効率良い基板表面処理を行うことができるとともに、基板表面処理装置を小さく構成することができる。   The shielding member 602 is formed in a substantially plate shape. When the opposing surfaces of both the substrates 301 and 302 are parallel, the plate-shaped shielding member 602 is disposed so that its main surface is parallel to the surfaces of both the substrates 301 and 302. With this configuration, an efficient substrate surface treatment can be performed, and the substrate surface treatment apparatus can be made small.

ライン式粒子ビーム源6011,6012を作動させて基板301,302に対して粒子ビーム照射を行いつつ、両ライン式粒子ビーム源6011,6012および遮蔽部材602をY方向または基板面に平行な方向に並進移動させることにより、両基板301,302に対する粒子ビーム照射処理を同一スキャンで行うことができる。したがって、効率良く、清浄な表面活性化処理が可能になる。   While the line-type particle beam sources 6011 and 6012 are operated to irradiate the substrates 301 and 302 with the particle beam, both the line-type particle beam sources 6011 and 6012 and the shielding member 602 are placed in the Y direction or a direction parallel to the substrate surface. By performing translational movement, the particle beam irradiation process for both substrates 301 and 302 can be performed in the same scan. Therefore, an efficient and clean surface activation treatment is possible.

2つの対向する基板301,302が平行に配置されている場合には、図4Aおよび図4Bに示すように、両基板301,302の対称中心面に対して鏡面対称となるように、両ライン式粒子ビーム源6011,6012および遮蔽部材602を配置することが好ましい。この構成で、両ライン式粒子ビーム源6011,6012および遮蔽部材602を基板301,302に対して、同一速度でスキャンし、あるいは、それらの間の相対的位置関係を維持しつつスキャンすることができる。これにより、両基板301,302に対して同時にビーム照射を行い、かつ、ビーム照射により各基板301,302から飛散するスパッタ粒子Pを同時に遮蔽することができる。したがって、両基板301,302に対して清浄な表面活性化処理を同時に、極めて効率良く行うことが可能になる。   When two opposing substrates 301 and 302 are arranged in parallel, as shown in FIG. 4A and FIG. 4B, both lines are mirror-symmetric with respect to the symmetry center plane of both substrates 301 and 302. Preferably, the particle beam sources 6011 and 6012 and the shielding member 602 are arranged. With this configuration, the two-line particle beam sources 6011 and 6012 and the shielding member 602 can be scanned with respect to the substrates 301 and 302 at the same speed, or while maintaining the relative positional relationship between them. it can. Thereby, it is possible to simultaneously irradiate both the substrates 301 and 302 and simultaneously shield the sputtered particles P scattered from the respective substrates 301 and 302 by the beam irradiation. Therefore, it is possible to perform a clean surface activation process on both the substrates 301 and 302 at the same time and extremely efficiently.

図4Aに示す構成では、第1基板用ライン式粒子ビーム源6011と第2基板用ライン式粒子ビーム源6012とは、遮蔽部材602に対して進行方向側に配置され、Y方向から向きが逆でほぼ同じ角度だけ傾いた状態で配置される。両基板用ライン式粒子ビーム源6011,6012は、それぞれ基板301,302のほぼ同じY方向位置のビーム照射領域R1とR2とにビーム照射を行うことができる。板状の遮蔽部材602は、適切な形状を有し、両基板用ライン式粒子ビーム源6011,6012に対して適切なY方向位置に配置されることで、両基板301,302から飛散するスパッタ粒子Pを遮蔽することができる。   In the configuration shown in FIG. 4A, the first substrate line type particle beam source 6011 and the second substrate line type particle beam source 6012 are arranged on the traveling direction side with respect to the shielding member 602, and the directions are reversed from the Y direction. It is arranged in a state tilted by almost the same angle. The line particle beam sources 6011 and 6012 for both substrates can perform beam irradiation on the beam irradiation regions R1 and R2 at substantially the same Y-direction positions on the substrates 301 and 302, respectively. The plate-shaped shielding member 602 has an appropriate shape, and is disposed at an appropriate Y-direction position with respect to the line type particle beam sources 6011 and 6012 for both substrates, so that the spatter scattered from both the substrates 301 and 302 is obtained. The particles P can be shielded.

なお、図示しないが、第1基板用ライン式粒子ビーム源6011と第2基板用ライン式粒子ビーム源6012とは、その両方が、遮蔽部材602に対して進行方向と逆側に配置されていてもよい。   Although not shown, the first substrate line type particle beam source 6011 and the second substrate line type particle beam source 6012 are both arranged on the opposite side of the traveling direction with respect to the shielding member 602. Also good.

図4Bに示す構成では、第1基板用ライン式粒子ビーム源6011と第2基板用ライン式粒子ビーム源6012とは、それぞれ、遮蔽部材602に対して進行方向側と進行方向の逆側とに配置されている。この場合、両基板用ライン式粒子ビーム源6011,6012は、遮蔽部材602の長手方向軸を中心にほぼ回転対称に配置されている。遮蔽部材602は、両基板用ライン式粒子ビーム源6011,6012のほぼ中心に位置しており、適切な形状を有することで、両基板301,302から飛散するスパッタ粒子Pを遮蔽することができる。   In the configuration shown in FIG. 4B, the first substrate line type particle beam source 6011 and the second substrate line type particle beam source 6012 are respectively in the traveling direction side and the opposite side of the traveling direction with respect to the shielding member 602. Has been placed. In this case, the line particle beam sources 6011 and 6012 for both substrates are arranged substantially rotationally symmetrically about the longitudinal axis of the shielding member 602. The shielding member 602 is positioned substantially at the center of the line type particle beam sources 6011 and 6012 for both substrates, and can shield the sputtered particles P scattered from both the substrates 301 and 302 by having an appropriate shape. .

ライン式粒子ビーム源601としては、例えば、高速原子ビーム源(FAB:Fast Atom Beam)を用いることができる。高速原子ビーム源(FAB)は、典型的には、希ガスのプラズマを発生させ、このプラズマに電界をかけて、プラズマから電離した粒子の陽イオンを摘出し電子雲の中を通過させて中性化する構成を有している。例えば、希ガスとしてアルゴン(Ar)が利用される場合、高速原子ビーム源(FAB)への供給電力を、1.5kV(キロボルト)、15mA(ミリアンペア)に設定してもよく、あるいは0.1W(ワット)から500W(ワット)の間の値に設定してもよい。例えば、高速原子ビーム源(FAB)を100W(ワット)から200W(ワット)で稼動してアルゴン(Ar)の高速原子ビームを2分ほど照射すると、接合面の上記酸化物、汚染物等(表面層)は除去され、新生表面を露出させることができる。   As the line type particle beam source 601, for example, a fast atom beam (FAB) can be used. A fast atomic beam source (FAB) typically generates a rare gas plasma, applies an electric field to the plasma, extracts particles ionized from the plasma, and passes them through an electron cloud. It has the structure which becomes sexual. For example, when argon (Ar) is used as a rare gas, the power supplied to the fast atomic beam source (FAB) may be set to 1.5 kV (kilovolt), 15 mA (milliampere), or 0.1 W You may set to the value between (watt) and 500W (watt). For example, when a fast atomic beam source (FAB) is operated at 100 W (watts) to 200 W (watts) and irradiated with a fast atomic beam of argon (Ar) for about 2 minutes, the oxide, contaminants, etc. (surface) Layer) can be removed to expose the nascent surface.

ライン式粒子ビーム源601として、例えば、イオンである粒子を基板301,302の接合面に向けて放射するイオンビーム源(イオンガン)が利用されてもよい。当該イオンビーム源は、例えば110V、3Aで稼動し、アルゴン(Ar)を加速して基板301,302の接合面に600秒ほど照射するように使用されてもよい。また、他の条件として、加速電圧1.5kV〜2.5kV,電流350mA〜400mAを採用してもよく、さらに他の条件として、加速電圧1.0kV〜2.0kV,電流300mA〜500mAを採用してもよい。イオンビーム源として、冷陰極型、熱陰極型、PIG(Penning Ionization Gauge)型、ECR(Electron Cyclotron Resonance)型の粒子ビーム源、あるいは、クラスターイオン源などが採用されうる。   As the line-type particle beam source 601, for example, an ion beam source (ion gun) that emits particles that are ions toward the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 may be used. The ion beam source may be used, for example, operated at 110V and 3A, and accelerated argon (Ar) to irradiate the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 for about 600 seconds. As other conditions, an acceleration voltage of 1.5 kV to 2.5 kV and a current of 350 mA to 400 mA may be adopted, and as another condition, an acceleration voltage of 1.0 kV to 2.0 kV and a current of 300 mA to 500 mA are adopted. May be. As the ion beam source, a cold cathode type, a hot cathode type, a PIG (Penning Ionization Gauge) type, an ECR (Electron Cyclotron Resonance) type particle beam source, a cluster ion source, or the like can be adopted.

ライン式粒子ビーム源601から基板の接合面に粒子ビームを照射することにより、表面活性化処理を行うことができる。表面活性化処理により、基板の接合面同士を常温または非加熱で固相接合させることができる。   By irradiating the bonding surface of the substrate with a particle beam from the line type particle beam source 601, surface activation treatment can be performed. By the surface activation treatment, the bonding surfaces of the substrates can be solid-phase bonded at room temperature or without heating.

ライン式粒子ビーム源601によるその他のビーム照射条件として、真空チャンバ200内のバックグラウンド圧力を10 −6Pa(パスカル)の状態から、ガスとしてArを100sccmの流量で流し、真空チャンバ200内の圧力を10−3Pa(パスカル)以下として、ライン式粒子ビーム源601を2kV、20mAで作動し、ライン式粒子ビーム源601の基板301,302に対するスキャン速度を10mm/sとすることもできる。上述の各ビーム照射条件は、例示を目的とするものであり、これに限定されない。ビーム照射条件は、各装置構成、ビーム照射条件、基板等の処理対象の物性等に応じて適宜変更することができる。 As other beam irradiation conditions by the line-type particle beam source 601, a background pressure in the vacuum chamber 200 is set to 10 −6 Pa (Pascal), Ar is supplied as a gas at a flow rate of 100 sccm, and the pressure in the vacuum chamber 200 is set. Can be set to 10 −3 Pa (pascal) or less, the line-type particle beam source 601 is operated at 2 kV and 20 mA, and the scanning speed of the line-type particle beam source 601 with respect to the substrates 301 and 302 can be set to 10 mm / s. Each of the beam irradiation conditions described above is for illustrative purposes and is not limited thereto. The beam irradiation conditions can be appropriately changed according to the configuration of each apparatus, the beam irradiation conditions, the physical properties of the processing target such as the substrate, and the like.

表面活性化処理部610では、プラズマ発生装置を用いて、粒子に所定の運動エネルギーを与えることもできる。この場合、基板301,302の接合面に対して交番電圧を印加することにより、接合面の周りに粒子を含むプラズマを発生させる。そして、プラズマ中の電離した粒子の陽イオンを、上記電圧により接合面に向けて加速することにより、当該粒子に所定の運動エネルギーを与える。プラズマは数Pa(パスカル)程度の低真空度の雰囲気で発生させることができる。このため、真空システムを簡素化することができるとともに、真空引き等の工程を短縮化することができる。   In the surface activation processing unit 610, a predetermined kinetic energy can be given to the particles using a plasma generator. In this case, by applying an alternating voltage to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302, plasma containing particles is generated around the bonding surfaces. Then, by accelerating the cations of the ionized particles in the plasma toward the bonding surface by the voltage, predetermined kinetic energy is given to the particles. The plasma can be generated in a low vacuum atmosphere of about several Pa (Pascal). For this reason, while being able to simplify a vacuum system, processes, such as evacuation, can be shortened.

上述のプラズマ発生装置は、例えば、100Wで稼動してアルゴン(Ar)のプラズマを発生させ、当該プラズマを基板301,302の接合面に600秒ほど照射させるように使用されてもよい。   The above-described plasma generator may be used, for example, to operate at 100 W to generate argon (Ar) plasma and irradiate the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 with the plasma for about 600 seconds.

表面活性化処理部610では、表面活性化に用いられる粒子は、中性原子やイオン以外に、ラジカル種でもよく、またさらには、これらが混合した粒子群でもよい。粒子ビームには、アルゴン(Ar)等の不活性ガス以外に、例えば、窒素、酸素または水が粒子ビームとして用いられてもよい。   In the surface activation processing unit 610, the particles used for the surface activation may be radical species in addition to neutral atoms and ions, or may be a particle group in which these are mixed. In addition to an inert gas such as argon (Ar), for example, nitrogen, oxygen, or water may be used as the particle beam as the particle beam.

図1に示す基板接合装置100では、表面活性化処理部610による基板301,302の表面活性化処理が終了すると、親水化処理部620による親水化処理が行われる。これにより、清浄化または活性化された基板301,302の接合面に水酸基(OH基)が結合されると考えられる。さらには、水酸基(OH基)が結合された接合面上に水分子が付着する。   In the substrate bonding apparatus 100 shown in FIG. 1, when the surface activation processing of the substrates 301 and 302 by the surface activation processing unit 610 is completed, the hydrophilic processing by the hydrophilic processing unit 620 is performed. Thereby, it is considered that a hydroxyl group (OH group) is bonded to the bonded surfaces of the cleaned or activated substrates 301 and 302. Furthermore, water molecules adhere to the bonding surface to which the hydroxyl group (OH group) is bonded.

基板301,302の親水化処理は、表面活性化された接合面に水を供給することにより行われる。当該水の供給は、上記表面活性化された接合面の周りの雰囲気に、水(HO)を導入することで行うことができる。水は、気体状で(ガス状で、または、水蒸気として)導入されても、液体状(霧状)で導入されてもよい。さらに、接合面に対する親水化処理の他の態様として、ラジカルやイオン化されたOHなどを付着させてもよい。接合面に対する親水化処理の方法はこれらに限定されない。 The hydrophilization treatment of the substrates 301 and 302 is performed by supplying water to the surface activated bonding surfaces. The water can be supplied by introducing water (H 2 O) into the atmosphere around the surface activated bonding surface. Water may be introduced in a gaseous state (in a gaseous state or as water vapor) or in a liquid state (a mist state). Furthermore, radicals, ionized OH, or the like may be attached as another aspect of the hydrophilic treatment for the joint surface. The method of hydrophilizing the bonding surface is not limited to these.

親水化処理部620では、例えば、液体状の水の中に窒素(N)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、酸素(O)等のキャリアガスを通過させること(バブリング)で、気体状の水がキャリアガスに混合されて、表面活性化された接合面を有する基板301,302が配置された真空チャンバ200内に導入されることが好ましい。 In the hydrophilization processing unit 620, for example, by passing a carrier gas such as nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), oxygen (O 2 ) in liquid water (bubbling), It is preferable that gaseous water is mixed with the carrier gas and introduced into the vacuum chamber 200 in which the substrates 301 and 302 having the surface-activated bonding surfaces are arranged.

図1に示す例では、親水化処理部620は、ガス供給源621と、流量制御バルブ622と、ガス導入部623とを備える。ガス供給源621は、上述のバブリングにより生成されたキャリアガスと水(HO)との混合ガス(すなわち、水分子を含むガス)を、ガス導入部623を介して真空チャンバ200内へと供給する。流量制御バルブ622は、ガス供給源621から真空チャンバ200へと供給される混合ガスの流量を制御する。 In the example illustrated in FIG. 1, the hydrophilization processing unit 620 includes a gas supply source 621, a flow rate control valve 622, and a gas introduction unit 623. The gas supply source 621 supplies a mixed gas (that is, a gas containing water molecules) of the carrier gas and water (H 2 O) generated by the above bubbling into the vacuum chamber 200 through the gas introduction unit 623. Supply. The flow rate control valve 622 controls the flow rate of the mixed gas supplied from the gas supply source 621 to the vacuum chamber 200.

基板接合装置100では、表面活性化された接合面の周りの雰囲気の湿度を制御することにより、親水化処理の工程を制御することができる。当該湿度は、相対湿度として計算しても、絶対湿度として計算してもよく、または、他の定義を採用してもよい。   In the substrate bonding apparatus 100, the hydrophilic treatment process can be controlled by controlling the humidity of the atmosphere around the surface activated bonding surface. The humidity may be calculated as relative humidity, may be calculated as absolute humidity, or other definitions may be employed.

真空チャンバ200内の湿度の制御は、ガス供給源621で生成される混合ガスの湿度、流量制御バルブ622により制御される混合ガスの真空チャンバ200への導入量、真空ポンプ201による真空チャンバ200内のガスの排出量、および、真空チャンバ200内の温度等を調節することにより行うことができる。真空チャンバ200内の湿度は、両基板301,302の接合面の少なくとも一方または両方の周りの雰囲気における相対湿度を10%以上かつ90%以下となるように制御することが好ましい。   The humidity in the vacuum chamber 200 is controlled by the humidity of the mixed gas generated by the gas supply source 621, the amount of the mixed gas controlled by the flow rate control valve 622 introduced into the vacuum chamber 200, and the inside of the vacuum chamber 200 by the vacuum pump 201. This can be done by adjusting the gas discharge amount, the temperature in the vacuum chamber 200, and the like. The humidity in the vacuum chamber 200 is preferably controlled so that the relative humidity in the atmosphere around at least one or both of the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 is 10% or more and 90% or less.

親水化処理部620は、基板301,302を冷却する上述の基板温度調節部420をさらに備えてもよい。基板温度調節部420により基板301,302の接合面を冷却することにより、基板301,302の接合面の周りの雰囲気における相対湿度を容易に増大させることができる。これにより、接合面に対する水の供給量を容易に増大させることができる。   The hydrophilization processing unit 620 may further include the above-described substrate temperature adjusting unit 420 that cools the substrates 301 and 302. By cooling the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 by the substrate temperature adjusting unit 420, the relative humidity in the atmosphere around the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 can be easily increased. Thereby, the supply_amount | feed_rate of the water with respect to a joint surface can be increased easily.

親水化処理部620では、例えば、窒素(N)または酸素(O)をキャリアガスとして気体状の水を導入する場合、真空チャンバ200内の全圧を9.0x10Pa(パスカル)、すなわち0.89atm(アトム)とし、真空チャンバ200内での気体状の水の量を、容積絶対湿度で8.6g/m(グラム/立方メートル)または18.5g/m(グラム/立方メートル)、23℃(摂氏23度)の相対湿度でそれぞれ43%または91%となるように制御することができる。また、チャンバ内の酸素(O)の雰囲気中濃度を10%としてもよい。 In the hydrophilization processing unit 620, for example, when gaseous water is introduced using nitrogen (N 2 ) or oxygen (O 2 ) as a carrier gas, the total pressure in the vacuum chamber 200 is set to 9.0 × 10 4 Pa (pascal), That is, the amount of gaseous water in the vacuum chamber 200 is set to 0.89 atm (Atom), and the volume absolute humidity is 8.6 g / m 3 (gram / cubic meter) or 18.5 g / m 3 (gram / cubic meter). And a relative humidity of 23 ° C. (23 degrees Celsius) can be controlled to be 43% or 91%, respectively. Further, the atmospheric concentration of oxygen (O 2 ) in the chamber may be 10%.

親水化処理部620では、親水化処理を行うために、所定の湿度を有する真空チャンバ200外の大気を、真空チャンバ200内に導入してもよい。大気を真空チャンバ200内に導入する際には、望ましくない不純物の接合面への付着を防ぐために、当該大気が所定のフィルタを通過するように構成することが好ましい。所定の湿度を有する真空チャンバ200外の大気を導入して親水化処理を行うことにより、接合面の親水化処理を行う装置構成を簡略化することができる。   In the hydrophilic treatment unit 620, the atmosphere outside the vacuum chamber 200 having a predetermined humidity may be introduced into the vacuum chamber 200 in order to perform the hydrophilic treatment. When the atmosphere is introduced into the vacuum chamber 200, it is preferable that the atmosphere pass through a predetermined filter in order to prevent unwanted impurities from adhering to the bonding surface. By introducing the atmosphere outside the vacuum chamber 200 having a predetermined humidity to perform the hydrophilic treatment, the configuration of the apparatus for performing the hydrophilic treatment on the joint surface can be simplified.

また、親水化処理部620では、水(HO)の分子やクラスター等を加速して、基板301,302の接合面に向けて放射してもよい。水(HO)の加速に、上記表面活性化処理に用いるライン式粒子ビーム源601等を使用してもよい。この場合、上述のガス供給源621で生成したキャリアガスと水(HO)との混合ガスを、ライン式粒子ビーム源601等に導入することにより、水の粒子ビームを発生させ、親水化処理すべき接合面に向けて照射することができる。また、親水化処理は、接合面の近傍の雰囲気中で、水分子をプラズマ化して、これを接合面に接触させることにより行われてもよい。 Further, in the hydrophilization processing unit 620, water (H 2 O) molecules, clusters, and the like may be accelerated and emitted toward the bonding surfaces of the substrates 301 and 302. For acceleration of water (H 2 O), a line type particle beam source 601 used for the surface activation treatment may be used. In this case, a mixed gas of carrier gas and water (H 2 O) generated by the gas supply source 621 described above is introduced into the line-type particle beam source 601 and the like, thereby generating a water particle beam and hydrophilizing. Irradiation can be directed toward the joint surface to be treated. Further, the hydrophilization treatment may be performed by converting water molecules into plasma and bringing it into contact with the joint surface in an atmosphere near the joint surface.

基板301,302の接合面の親水化処理として、基板301,302の表面活性化処理の後に、基板301,302からのパーティクル(汚染粒子)等の除去を兼ねた水洗浄が行われてもよい。当該水洗浄により、上述の親水化処理と同様の効果を得ることができる。当該水洗浄は、例えば、超音波を付与された水流を基板301,302の接合面に向けて噴射することにより行われてもよい。水洗浄は、通常、真空チャンバ200では行われず、後述するように、真空チャンバ200の外で行われる。   As the hydrophilic treatment of the bonding surfaces of the substrates 301 and 302, water cleaning that also serves to remove particles (contaminated particles) from the substrates 301 and 302 may be performed after the surface activation treatment of the substrates 301 and 302. . By the water washing, the same effect as the above-described hydrophilic treatment can be obtained. The water cleaning may be performed, for example, by spraying a water flow provided with ultrasonic waves toward the bonding surfaces of the substrates 301 and 302. The water cleaning is usually not performed in the vacuum chamber 200, but is performed outside the vacuum chamber 200 as described later.

基板301,302の接合面の親水化処理として、同種または異種の親水化処理が複数回行われてもよい。また、親水化処理と並行して、あるいは、親水化処理の後に、接合面に強制的に水分子を付着させてもよい。これにより、接合面上の水分子の量を増やし、または、制御することができる。当該水分子の付着は、例えば、基板温度調節部420による基板301,302の接合面の冷却により行われてもよい。あるいは、当該水分子の付着は、上述の基板301,302の接合面に対する水洗浄により行われてもよい。   As the hydrophilic treatment of the bonding surfaces of the substrates 301 and 302, the same or different hydrophilic treatment may be performed a plurality of times. In addition, water molecules may be forcibly attached to the joint surface in parallel with the hydrophilic treatment or after the hydrophilic treatment. Thereby, the amount of water molecules on the joint surface can be increased or controlled. The adhesion of the water molecules may be performed, for example, by cooling the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 by the substrate temperature adjusting unit 420. Alternatively, the attachment of the water molecules may be performed by washing the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 described above with water.

親水化処理の完了時間は、予め行われる実験により定められてもよく、あるいは、所定の表面評価部を用いてその場(in―situ)観察により十分な親水化処理が行われたことを確認することで決定されてもよい。   The completion time of the hydrophilic treatment may be determined by an experiment performed in advance, or it is confirmed that sufficient hydrophilic treatment has been performed by in-situ observation using a predetermined surface evaluation unit. May be determined.

図1に示す例では、基板301,302に対する表面活性化処理と親水化処理とは、1つの真空チャンバ200内にて連続して行われる。したがって、表面活性化処理された基板301,302の接合面を大気に曝すことなく、当該接合面の親水化処理を行うことができる。これにより、基板301,302の接合面の望ましくない酸化や、接合面への不純物等の付着を防止することができる。また、親水化処理をより容易に制御することができ、表面活性化処理の後に親水化処理を続けて効率良く実行することができる。   In the example shown in FIG. 1, the surface activation process and the hydrophilization process for the substrates 301 and 302 are continuously performed in one vacuum chamber 200. Therefore, the bonding surface of the substrates 301 and 302 subjected to the surface activation treatment can be subjected to hydrophilic treatment without exposing the bonding surfaces to the atmosphere. Thereby, undesirable oxidation of the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 and adhesion of impurities or the like to the bonding surfaces can be prevented. Further, the hydrophilic treatment can be controlled more easily, and the hydrophilic treatment can be continued and efficiently executed after the surface activation treatment.

図5は、第1基板301と第2基板302との接合の流れを示す図である。まず、第1基板301の第1接合面に対して表面活性化処理が行われ、第2基板302の第2接合面に対して表面活性化処理が行われる(ステップS11)。表面活性化処理が終了すると、第1基板301の接合面および第2基板302の接合面に対して親水化処理が行われる(ステップS12)。これにより、基板301,302の接合面に水酸(OH)基が結合する。   FIG. 5 is a diagram illustrating a flow of bonding between the first substrate 301 and the second substrate 302. First, the surface activation process is performed on the first bonding surface of the first substrate 301, and the surface activation process is performed on the second bonding surface of the second substrate 302 (step S11). When the surface activation process is completed, a hydrophilization process is performed on the bonding surface of the first substrate 301 and the bonding surface of the second substrate 302 (step S12). As a result, a hydroxyl (OH) group is bonded to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302.

親水化処理が終了すると、基板301,302の接合面に水分子が付与され、当該水分子が接合面に付着する(ステップS13)。ステップS12において基板301,302の接合面に水分子が付着している場合、ステップS13では、当該接合面に水分子が追加付着する。ステップS13の水分子を付着させる工程は、ステップS12の親水化処理と並行して行われてもよい。ステップS13は、ステップS12の親水化処理の一部とみなされ得る。   When the hydrophilic treatment is completed, water molecules are applied to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302, and the water molecules adhere to the bonding surfaces (step S13). When water molecules adhere to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 in step S12, additional water molecules adhere to the bonding surfaces in step S13. The step of attaching water molecules in step S13 may be performed in parallel with the hydrophilic treatment in step S12. Step S13 can be regarded as part of the hydrophilization process of step S12.

続いて、第1基板301の接合面と第2基板302の接合面とを接触させ、基板301,302同士を後述する臨界圧力以下の圧力にて加圧する(すなわち、臨界圧力以下の圧力にて第1基板301および第2基板302を互いに対して押圧する)ことにより、第1基板301と第2基板302とが仮接合される(ステップS14)。ステップS14では、基板301,302同士が、例えば約0.05MPaの圧力にて加圧される。   Subsequently, the bonding surface of the first substrate 301 and the bonding surface of the second substrate 302 are brought into contact with each other, and the substrates 301 and 302 are pressurized with a pressure equal to or lower than a critical pressure described later (that is, with a pressure equal to or lower than the critical pressure). By pressing the first substrate 301 and the second substrate 302 against each other), the first substrate 301 and the second substrate 302 are temporarily joined (step S14). In step S14, the substrates 301 and 302 are pressurized with a pressure of about 0.05 MPa, for example.

ステップS14における加圧は、第1基板301と第2基板302との接触と同時に開始されてもよく、あるいは、接触してから所定時間の経過後に開始されてもよい。また、ステップS14における加圧は、基板301,302が接触状態にある時間の一部に亘って行われてもよく、全体に亘って行われてもよい。さらにまた、ステップS14における加圧は、断続的に行われてもよい。ステップS14における加圧中は、一定の圧力が保たれても、圧力が時間的に変化してもよい。なお、ステップS14における第1基板301および第2基板302の互いに対する押圧は、数g(グラム)の加重、自重レベルでの接触を含む。   The pressurization in step S14 may be started simultaneously with the contact between the first substrate 301 and the second substrate 302, or may be started after a predetermined time has passed since the contact. Further, the pressurization in step S14 may be performed over a part of the time during which the substrates 301 and 302 are in contact with each other, or may be performed over the whole. Furthermore, the pressurization in step S14 may be performed intermittently. During pressurization in step S14, even if a constant pressure is maintained, the pressure may change with time. Note that the pressing of the first substrate 301 and the second substrate 302 to each other in step S14 includes a load of several g (gram) and contact at the own weight level.

図6A〜図6Cは、ステップS12〜S14における基板301の接合面の状態を概念的に示す図である。基板302の接合面の状態も図6A〜図6Cに示すものと同様である。基板301,302の接合面には、上述のように、水酸(OH)基が結合しており、水酸(OH)基上に水分子が付着している。ステップS12において、水酸(OH)基は、ステップS11によりアモルファス状とされた基板301,302の界面が、水分子を吸収して酸化を促すことにより接合面に結合される。このとき、水分子が十分に反応しきれないため、図6Aに示すように、接合面に結合された水酸(OH)基の密度が十分に高くなっていないものと考えられる。換言すれば、水酸(OH)基の間に隙間(図6A中にて二点鎖線にて囲む。)が生じていると考えられる。   6A to 6C are diagrams conceptually showing the state of the bonding surface of the substrate 301 in steps S12 to S14. The state of the bonding surface of the substrate 302 is the same as that shown in FIGS. 6A to 6C. As described above, hydroxyl (OH) groups are bonded to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302, and water molecules are attached on the hydroxyl (OH) groups. In step S12, the hydroxyl (OH) group is bonded to the bonding surface by the interface between the substrates 301 and 302 made amorphous in step S11 by absorbing water molecules and promoting oxidation. At this time, since water molecules cannot sufficiently react, it is considered that the density of hydroxyl (OH) groups bonded to the bonding surface is not sufficiently high as shown in FIG. 6A. In other words, it is considered that a gap (enclosed by a two-dot chain line in FIG. 6A) is formed between the hydroxyl (OH) groups.

ステップS14では、水酸(OH)基上の水分子の一部が、仮接合時の基板301,302の密着や基板301,302に加えられる上記圧力等により、図6Bに示すように、接合面上の水酸(OH)基の間の隙間に浸透する。浸透した水分子は、アモルファス状の基板301,302の界面に吸収されて酸化に利用され、水酸(OH)基として基板301,302の接合面に結合される。これにより、図6Cに示すように、基板301,302の接合面上の水酸(OH)基が増加する。ステップS14では、基板301,302の接合面に結合する水酸(OH)基同士の水素結合により、基板301,302が仮接合される。仮接合後の基板301,302同士の接合強度は、例えば、約0.2J/m〜0.5J/mである。 In step S14, as shown in FIG. 6B, some of the water molecules on the hydroxyl (OH) group are bonded to each other due to the close contact between the substrates 301 and 302 during temporary bonding, the pressure applied to the substrates 301 and 302, and the like. It penetrates into the gaps between the hydroxyl (OH) groups on the surface. The permeated water molecules are absorbed by the interfaces of the amorphous substrates 301 and 302 and used for oxidation, and are bonded to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 as hydroxyl (OH) groups. Thereby, as shown to FIG. 6C, the hydroxyl (OH) group on the joint surface of the board | substrates 301 and 302 increases. In step S <b> 14, the substrates 301 and 302 are temporarily bonded by hydrogen bonding between hydroxyl (OH) groups bonded to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302. Bonding strength of the substrate 301, 302 to each other after the temporary bonding is, for example, about 0.2J / m 2 ~0.5J / m 2 .

次に、第1基板301の接合面と第2基板302の接合面とを、両接合面に対して実質的に垂直方向(Z方向)に離間させる(ステップS15)。その後、第1基板301の接合面と第2基板302の接合面とを再度接触させ、基板301,302同士を臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧することにより、第1基板301と第2基板302とが接合(本接合)される(ステップS16)。換言すれば、臨界圧力よりも大きい圧力にて第1基板301および第2基板302を互いに対して押圧することにより、基板301,302の最終的な接合が行われる。ステップS16では、基板301,302同士が、例えば約5MPaの圧力にて加圧されることにより、容易に離間することができない程度に接合される。   Next, the bonding surface of the first substrate 301 and the bonding surface of the second substrate 302 are separated from each other in a substantially vertical direction (Z direction) (step S15). Thereafter, the bonding surface of the first substrate 301 and the bonding surface of the second substrate 302 are brought into contact again, and the substrates 301 and 302 are pressed at a pressure higher than the critical pressure, whereby the first substrate 301 and the second substrate are pressed. 302 is joined (main joining) (step S16). In other words, the substrates 301 and 302 are finally joined by pressing the first substrate 301 and the second substrate 302 against each other at a pressure higher than the critical pressure. In step S <b> 16, the substrates 301 and 302 are bonded to such an extent that they cannot be easily separated by being pressurized with a pressure of about 5 MPa, for example.

ステップS16では、接合面同士を接触させた基板301,302を臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧した後に、または、臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧するのと並行して、基板301,302が加熱されてもよい。基板301,302の加熱は、例えば、図1に示すステージ401,402から熱を伝導させることにより行われる。基板301,302の加熱は、例えば、基板301,302の接合面に光を照射すること等により行ってもよい。   In step S16, after pressurizing the substrates 301 and 302 with the bonding surfaces in contact with each other at a pressure higher than the critical pressure, or in parallel with pressurizing at a pressure higher than the critical pressure, 302 may be heated. The substrates 301 and 302 are heated, for example, by conducting heat from the stages 401 and 402 shown in FIG. The heating of the substrates 301 and 302 may be performed, for example, by irradiating light to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302.

図7A〜図7Cは、ステップS16の基板301,302の接合時における接合面の状態を概念的に示す図である。図7Aに示す多数の水酸(OH)基が結合された基板301,302の接合面が接触すると、図7Bに示すように、水酸(OH)基同士の水素結合が生じる。その後、基板301,302に加えられる上記圧力や熱等により、図7Cに示すように、水(HO)が基板301,302間から離脱し(すなわち、脱水し)、水素結合が共有結合へと変化することにより、基板301,302同士の接合強度が向上する。ステップS16終了後(すなわち、本接合後)の基板301,302同士の接合強度は、例えば、約1.0J/m〜2.5J/mである。 7A to 7C are diagrams conceptually showing the state of the bonding surface when the substrates 301 and 302 are bonded in step S16. When the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 to which a large number of hydroxyl (OH) groups are bonded as shown in FIG. 7A come into contact, as shown in FIG. 7B, hydrogen bonds between the hydroxyl (OH) groups are generated. Thereafter, due to the pressure and heat applied to the substrates 301 and 302, water (H 2 O) is detached (ie, dehydrated) between the substrates 301 and 302 as shown in FIG. 7C, and hydrogen bonds are covalently bonded. By changing to, the bonding strength between the substrates 301 and 302 is improved. Step S16 After the end (i.e., after the bonding) bonding strength of the substrate 301, 302 with each other is, for example, about 1.0J / m 2 ~2.5J / m 2 .

上述のステップS11,S12は、比較的高い真空中にて行われる。ステップS13〜S15は、例えば、真空中にて行われてもよく、大気中にて行われてもよい。ステップS16は、比較的高い真空中にて行われる。なお、ここでいう真空中とは、大気に限らず、任意のガスの減圧環境下を含む。また、ステップS16が行われるよりも前に、ステップS14,S15が複数回繰り返されてもよい。   Steps S11 and S12 described above are performed in a relatively high vacuum. Steps S13 to S15 may be performed in a vacuum or in the atmosphere, for example. Step S16 is performed in a relatively high vacuum. The term “in a vacuum” as used herein includes not only the atmosphere but also a depressurized environment of any gas. Further, steps S14 and S15 may be repeated a plurality of times before step S16 is performed.

ステップS16では、必ずしも、基板301,302同士を臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧する必要はない。例えば、接合面同士を接触させた基板301,302を臨界圧力以下の圧力にて加圧した後に、または、臨界圧力以下の圧力にて加圧するのと並行して加熱することにより、基板301,302同士が、容易に離間することができない程度に接合されてもよい。あるいは、基板301,302を加圧することなく、所定の温度にて加熱することにより、基板301,302同士が、容易に離間することができない程度に接合されてもよい。   In step S16, it is not always necessary to press the substrates 301 and 302 with a pressure larger than the critical pressure. For example, after pressurizing the substrates 301 and 302 with the bonding surfaces in contact with each other at a pressure equal to or lower than the critical pressure, or heating in parallel with pressurizing at a pressure equal to or lower than the critical pressure, 302 may be joined to such an extent that they cannot be easily separated. Alternatively, by heating the substrates 301 and 302 at a predetermined temperature without applying pressure, the substrates 301 and 302 may be bonded to such an extent that they cannot be easily separated from each other.

上記臨界圧力とは、それよりも大きい圧力で接合面を押圧すると、接合面の所望の特性が変化し、または、失われる圧力として定義され得る。   The critical pressure may be defined as a pressure at which a desired characteristic of the joint surface changes or is lost when the joint surface is pressed at a pressure higher than that.

例えば、ステップS16において基板301,302間に最終的な接合界面を形成する前に、ステップS14の仮接合工程(接触工程)において基板301,302の接合面に圧力を掛けすぎると、両基板301,302が接合して離間させることができなくなる場合や、離間させることはできたとしても、再度接触させて加圧した際に所望の接合ができなくなる場合がある。そこで、ステップS14の仮接合工程で接合面に印加する圧力を低くすると、所望の接合を行うための表面特性を損なわずに、接触した基板301,302を離間させることができる。このように、仮接合の後に基板301,302を離間し得る最大の圧力を臨界圧力と定義してもよい。   For example, if too much pressure is applied to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 in the temporary bonding process (contact process) in step S14 before the final bonding interface is formed between the substrates 301 and 302 in step S16, both the substrates 301 and 301 are formed. , 302 cannot be separated due to bonding, or even if they can be separated, desired bonding may not be possible when they are contacted again and pressed. Therefore, if the pressure applied to the bonding surface in the temporary bonding process in step S14 is reduced, the substrates 301 and 302 that are in contact with each other can be separated without impairing the surface characteristics for performing desired bonding. Thus, the maximum pressure that can separate the substrates 301 and 302 after provisional bonding may be defined as the critical pressure.

あるいは、基板301,302の仮接合と離間とを複数回繰り返すと、離間させることはできるが、仮接合または仮接合の繰り返しにより、その後、ステップS16の接合工程を行っても、所望の接合強度等の特性を得ることができなくなる場合がある。例えば、ステップS14の仮接合工程において、接触界面の一部で新生表面同士が接触して、局部的にまたは微視的に強固な接合界面が形成されても、比較的小さい力で基板301,302を離間させることが可能な場合がある。しかし、基板301,302自体は離間させることができたとしても、離間により上述の強固に形成された接合界面が破壊する等して基板301,302の表面特性が悪化し、その結果、所望の接合特性が最終的に得られなくなる場合がある。この場合には、仮接合工程において接合面に掛かる圧力を小さくすることで、新生表面の露出や接触を十分に回避することも可能である。このように、仮接合工程において接合面に掛かる圧力が実質的に高いことが原因である場合には、当該圧力を低くすることにより、仮接合と離間とを複数回繰り返しても、最終的に所望の接合強度を得ることが可能になる。このように離間可能で、かつ、最終的に所望の接合強度が得られる仮接合工程における最大の圧力を臨界圧力と定義してもよい。   Alternatively, if the temporary bonding and separation of the substrates 301 and 302 are repeated a plurality of times, they can be separated, but the desired bonding strength can be obtained even if the bonding step of step S16 is performed thereafter by repeating temporary bonding or temporary bonding. Such a characteristic may not be obtained. For example, in the temporary bonding step of step S14, even if the newly formed surfaces are in contact with each other at a part of the contact interface, and a locally or microscopically strong bonded interface is formed, the substrate 301, It may be possible to separate the 302. However, even if the substrates 301 and 302 themselves can be separated, the surface characteristics of the substrates 301 and 302 are deteriorated due to the destruction of the strongly formed bonding interface due to the separation. In some cases, the bonding characteristics may not be finally obtained. In this case, it is possible to sufficiently avoid exposure and contact of the new surface by reducing the pressure applied to the joint surface in the temporary joining step. As described above, when the cause is that the pressure applied to the joining surfaces in the temporary joining step is substantially high, by reducing the pressure, even if the temporary joining and the separation are repeated a plurality of times, finally, A desired bonding strength can be obtained. In this way, the maximum pressure in the temporary joining step that can be separated and finally obtains a desired joining strength may be defined as the critical pressure.

臨界圧力は、それよりも大きい圧力を基板301,302に掛けると所望の接合を行うことができなくなる圧力と定義されてもよい。   The critical pressure may be defined as a pressure at which a desired bonding cannot be performed when a higher pressure is applied to the substrates 301 and 302.

臨界圧力は、基板301,302の接合面を形成する材料、接合面上の表面層の存在の有無、表面層の特性、表面エネルギー等、種々の要因に応じて決定することができる。したがって、本願の接合方法は、図5のステップS11よりも前に、基板301,302の接合面の臨界圧力を決定する工程(図示せず)を有していてもよい。   The critical pressure can be determined according to various factors such as the material forming the bonding surface of the substrates 301 and 302, the presence or absence of a surface layer on the bonding surface, the characteristics of the surface layer, and the surface energy. Therefore, the bonding method of the present application may include a step (not shown) of determining the critical pressure of the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 before step S11 in FIG.

ステップS14の仮接合工程において基板301,302に印加される圧力は、両基板301,302の接合面に定義される臨界圧力のうち小さい方の臨界圧力以下であることが好ましい。これにより、いずれの接合面に対しても、適切な圧力の印加を確実に行うことができる。一方の基板の接合面に臨界圧力が定義されていない場合には、臨界圧力が定義されている他方の基板の接合面の臨界圧力以下の圧力を、基板301,302に印加してもよい。   It is preferable that the pressure applied to the substrates 301 and 302 in the temporary bonding step in step S14 is equal to or lower than the smaller critical pressure of the critical pressures defined on the bonding surfaces of both the substrates 301 and 302. Thereby, an appropriate pressure can be reliably applied to any joint surface. When the critical pressure is not defined on the bonding surface of one substrate, a pressure lower than the critical pressure of the bonding surface of the other substrate on which the critical pressure is defined may be applied to the substrates 301 and 302.

臨界圧力は、ステップS14の仮接合工程およびステップS15の離間工程が複数回行われる場合、仮接合工程毎に変化し得る。基板301,302の接合面の接触により、また、接触時の加圧条件や接合面の状況により、接合面における所定の表面層の存在または消滅、微細表面形状等の表面特性は変化し得る。したがって、一の仮接合工程は、次の仮接合工程の臨界圧力に影響を及ぼし得る。ステップS14,S15が複数回行われる場合、ステップS14,S15が1回行われる毎に、基板301,302の接合面の表面状態が検査され、検査結果に基づいて次のステップS14またはステップS16の臨界圧力が定義または計算されてもよい。   The critical pressure can change for each temporary joining step when the temporary joining step in step S14 and the separation step in step S15 are performed a plurality of times. Depending on the contact of the bonding surfaces of the substrates 301 and 302, the surface characteristics such as the presence or disappearance of a predetermined surface layer on the bonding surface, the fine surface shape, and the like can be changed depending on the pressurization condition at the time of contact and the condition of the bonding surface. Therefore, one temporary joining process can affect the critical pressure of the next temporary joining process. When Steps S14 and S15 are performed a plurality of times, the surface condition of the bonding surface of the substrates 301 and 302 is inspected every time Steps S14 and S15 are performed once, and the next Step S14 or Step S16 is performed based on the inspection result. A critical pressure may be defined or calculated.

例えば、基板301,302の接合面が所定の表面層で覆われている場合、仮接合工程により、当該表面層が部分的に破壊されることで、表面特性が変化することがあり得る。表面特性の変化の一例として、親水化処理が行われた基板301,302の接合面において、仮接合時の接触により水酸基(OH基)の層が一部破壊され、金属の新生表面同士が接触して局部的に強固な接合界面を形成することが考えられる。   For example, when the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 are covered with a predetermined surface layer, the surface characteristics may change due to partial destruction of the surface layer by the temporary bonding step. As an example of the change in the surface characteristics, the hydroxyl group (OH group) layer is partially destroyed by contact during temporary bonding on the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 that have been subjected to hydrophilization treatment, and the new metal surfaces contact each other. Thus, it is conceivable to form a locally strong bonding interface.

また他の例として、仮接合工程前の接合面上に酸化膜層が形成されている場合、仮接合工程により、当該酸化膜層が一部破壊され、同様に、新生表面同士が接触して局部的に強固な接合界面を形成することが考えられる。あるいは、仮接合工程前の接合面上に水酸基(OH基)が形成され、その上に水分子が存在する場合、仮接合工程により、水分子を追いやり水酸基同士で接触する、あるいは水酸基層を突き抜けて新生表面同士が接触して局部的に強固な接合界面を形成することも考えられる。   As another example, when an oxide film layer is formed on the bonding surface before the temporary bonding process, the oxide film layer is partially destroyed by the temporary bonding process, and the newly formed surfaces are in contact with each other. It is conceivable to form a locally strong bonding interface. Alternatively, when a hydroxyl group (OH group) is formed on the bonding surface before the temporary bonding process and water molecules are present on the bonding surface, the temporary bonding process drives the water molecules to contact each other or penetrates the hydroxyl layer. It is also conceivable that the newly formed surfaces come into contact with each other to form a locally strong bonding interface.

上記例では、接合強度を臨界圧力に影響を及ぼす特性としたが、これに限られない。例えば、接合強度以外の機械的特性でもよく、あるいは電気的又は化学的特性でもよい。   In the above example, the bonding strength has a characteristic that affects the critical pressure, but is not limited thereto. For example, mechanical properties other than bonding strength may be used, or electrical or chemical properties may be used.

上述のように、ステップS11〜S16にて基板301,302の接合を行うことにより、基板301,302同士の接合強度を向上することができる。当該接合強度の向上は、上述のように、ステップS12の親水化処理において基板301,302の接合面上に付着した水分子が、ステップS14の仮接合工程において、基板301,302に加えられる圧力(すなわち、臨界圧力以下の圧力)等により水酸基(OH基)として当該接合面に新たに結合し、接合面の単位表面積当たりの水酸基(OH基)の数が増加することによるものと考えられる。増加した水酸基(OH基)は、ステップS16の接合工程において、基板301,302に加えられる圧力(例えば、臨界圧力よりも大きい圧力)または熱、あるいは、その双方により、基板301,302の強固な接合に寄与する状態に変化すると考えられる。   As described above, the bonding strength between the substrates 301 and 302 can be improved by bonding the substrates 301 and 302 in steps S11 to S16. As described above, the bonding strength is improved by the pressure that water molecules attached on the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 in the hydrophilic treatment in step S12 are applied to the substrates 301 and 302 in the temporary bonding process in step S14. This is considered to be due to an increase in the number of hydroxyl groups (OH groups) per unit surface area of the bonding surface by newly bonding to the bonding surface as a hydroxyl group (OH group) due to (ie, a pressure equal to or lower than the critical pressure). The increased hydroxyl group (OH group) is caused by the pressure applied to the substrates 301 and 302 (for example, a pressure larger than the critical pressure) and / or heat in the bonding process of step S16, and the substrates 301 and 302 are strengthened. It is considered that the state changes to a state that contributes to bonding.

また、ステップS11〜S16にて基板301,302の接合を行うことにより、基板301,302間のボイドを減少させることができる。具体的には、ステップS14の仮接合工程等において生じたボイドが、ステップS15の離間工程、および、ステップS16における真空中の再接合工程により減少する。これにより、高い接合強度を有し、かつ、ボイドが少ない接合基板を提供することができる。   In addition, by bonding the substrates 301 and 302 in steps S11 to S16, voids between the substrates 301 and 302 can be reduced. Specifically, voids generated in the temporary bonding process or the like in step S14 are reduced by the separation process in step S15 and the re-bonding process in vacuum in step S16. Thereby, it is possible to provide a bonded substrate having high bonding strength and few voids.

上述のように、ステップS13の水分子の付着がステップS12とステップS14との間において、または、ステップS12と並行して行われることにより、基板301,302の接合面上の水分子の量を増やすことができる。これにより、ステップS14の仮接合工程において、接合面に結合すると考えられる水酸基(OH基)を増加させることができ、その結果、基板301,302同士の接合強度をさらに向上することができる。なお、基板301,302同士の接合強度を十分に確保することができる場合等、ステップS13は省略されてもよい。   As described above, the adhesion of water molecules in step S13 is performed between step S12 and step S14 or in parallel with step S12, thereby reducing the amount of water molecules on the bonding surfaces of the substrates 301 and 302. Can be increased. Thereby, in the temporary joining process of step S14, the hydroxyl group (OH group) considered to couple | bond with a joining surface can be increased, As a result, the joint strength of board | substrates 301 and 302 can further be improved. Note that step S13 may be omitted when the bonding strength between the substrates 301 and 302 can be sufficiently secured.

上述のステップS14の仮接合工程は、大気中にて行われることが好ましい。これにより、真空中にてステップS14の仮接合工程が行われる場合に比べて、ステップS16の終了後における基板301,302同士の接合強度を、より向上することができる。   It is preferable that the temporary joining process of step S14 described above is performed in the atmosphere. Thereby, compared with the case where the temporary bonding process of step S14 is performed in vacuum, the bonding strength between the substrates 301 and 302 after the completion of step S16 can be further improved.

また、ステップS15の離間工程は、比較的高い真空中にて行われることが好ましい。これにより、ステップS16の終了後における基板301,302同士の接合強度を、さらに向上することができる。ステップS15を大気中で行う場合に比べてさらに接合強度が向上する理由は、ステップS15の基板301,302の離間から、ステップS16の真空中における基板301,302の接合までの経過時間が短縮されることによるものと考えられる。   Moreover, it is preferable that the separation process of step S15 is performed in a relatively high vacuum. Thereby, the joint strength between the substrates 301 and 302 after step S16 can be further improved. The reason why the bonding strength is further improved as compared with the case where step S15 is performed in the atmosphere is that the elapsed time from the separation of the substrates 301 and 302 in step S15 to the bonding of the substrates 301 and 302 in the vacuum in step S16 is shortened. This is thought to be due to

図1に示す基板接合装置100にて上述の基板301,302の接合(ステップS11〜S16)が行われる場合、まず、真空チャンバ200内において、表面活性化処理部610により、第1基板301の第1接合面、および、第2基板302の第2接合面が活性化される(ステップS11)。具体的には、第1基板301の接合面にライン式粒子ビーム源601から粒子ビームが照射されることにより、第1基板301の接合面が活性化される。また、第2基板302の接合面にライン式粒子ビーム源601から粒子ビームが照射されることにより、第2基板302の接合面が活性化される。   When the above-described bonding of the substrates 301 and 302 (steps S11 to S16) is performed in the substrate bonding apparatus 100 illustrated in FIG. 1, first, the surface activation processing unit 610 performs the first substrate 301 bonding in the vacuum chamber 200. The first bonding surface and the second bonding surface of the second substrate 302 are activated (step S11). Specifically, the bonding surface of the first substrate 301 is activated by irradiating the bonding surface of the first substrate 301 with a particle beam from the line type particle beam source 601. Further, the bonding surface of the second substrate 302 is activated by irradiating the bonding surface of the second substrate 302 with a particle beam from the line type particle beam source 601.

続いて、親水化処理部620により、第1基板301の接合面および第2基板302の接合面に対して親水化処理が行われる(ステップS12)。具体的には、ガス供給源621からキャリアガスと水(HO)との混合ガスが真空チャンバ200に供給され、真空チャンバ200内において、第1基板301の接合面および第2基板302の接合面に水酸基(OH基)が結合され、基板301,302の接合面が親水化される。 Subsequently, the hydrophilic treatment section 620 performs a hydrophilic treatment on the bonding surface of the first substrate 301 and the bonding surface of the second substrate 302 (step S12). Specifically, a mixed gas of a carrier gas and water (H 2 O) is supplied from a gas supply source 621 to the vacuum chamber 200, and in the vacuum chamber 200, the bonding surface of the first substrate 301 and the second substrate 302. Hydroxyl groups (OH groups) are bonded to the bonding surfaces, and the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 are hydrophilized.

基板接合装置100では、ステップS12と並行して、基板温度調節部420による基板301,302の接合面の冷却が行われることにより、当該接合面の周りの雰囲気における相対湿度が増大する。その結果、接合面に対する水の供給量が増大し、水分子が基板301,302の接合面上(例えば、接合面の水酸基層上)に付着する(ステップS13)。ステップS13における水分子の接合面への付着は、ステップS12とステップS14との間に行われてもよい。基板温度調節部420により基板301,302の接合面を冷却することにより、ステップS13における接合面上への水分子の付着を容易に行うことができる。   In the substrate bonding apparatus 100, in parallel with step S12, the substrate temperature adjusting unit 420 cools the bonding surfaces of the substrates 301 and 302, thereby increasing the relative humidity in the atmosphere around the bonding surfaces. As a result, the amount of water supplied to the bonding surface increases, and water molecules adhere to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 (for example, on the hydroxyl layer on the bonding surface) (step S13). The attachment of water molecules to the joint surface in step S13 may be performed between step S12 and step S14. By cooling the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 by the substrate temperature adjusting unit 420, water molecules can be easily attached on the bonding surfaces in step S13.

次に、第1基板301の接合面と第2基板302の接合面とを接触させ、臨界圧力以下の圧力にて基板301,302同士が加圧されることにより、第1基板301と第2基板302とが仮接合される(ステップS14)。基板301,302の仮接合の際には、位置測定部500により基板301,302の相対位置が測定され、第1ステージ移動機構403や第2ステージ移動機構404のアライメントテーブル405等により、基板301,302の相対位置が調節される。これにより、基板301,302の相対位置のずれを2μm程度に抑えることができる。そして、Z方向昇降移動機構406により第2基板302が下降し、第1基板301に接触する。基板301,302間に掛かる圧力はステージ圧力センサ411により測定され、測定結果に基づいてピエゾアクチュエータ412が制御されることにより、基板301,302同士が臨界圧力以下の圧力にて加圧される。   Next, the bonding surface of the first substrate 301 and the bonding surface of the second substrate 302 are brought into contact with each other, and the substrates 301 and 302 are pressed with a pressure equal to or lower than the critical pressure, whereby the first substrate 301 and the second substrate 301 are pressed together. The substrate 302 is temporarily joined (step S14). During temporary bonding of the substrates 301 and 302, the relative positions of the substrates 301 and 302 are measured by the position measuring unit 500, and the substrate 301 is detected by the alignment table 405 of the first stage moving mechanism 403 and the second stage moving mechanism 404. , 302 is adjusted. Thereby, the shift | offset | difference of the relative position of the board | substrates 301 and 302 can be suppressed to about 2 micrometers. Then, the second substrate 302 is lowered by the Z-direction lifting and moving mechanism 406 and comes into contact with the first substrate 301. The pressure applied between the substrates 301 and 302 is measured by the stage pressure sensor 411, and the piezo actuator 412 is controlled based on the measurement result, whereby the substrates 301 and 302 are pressurized with a pressure equal to or lower than the critical pressure.

基板301,302の仮接合が終了すると、Z方向昇降移動機構406により第2基板302が上昇し、第1基板301から離間する(ステップS15)。上述のステップS14の仮接合では、基板301,302同士が臨界圧力以下の圧力にて加圧されているため、ステップS15における基板301,302の離間は、基板301,302にダメージを与えることなく容易に行うことができる。   When the temporary bonding of the substrates 301 and 302 is completed, the second substrate 302 is raised by the Z-direction lifting and moving mechanism 406 and separated from the first substrate 301 (step S15). In the temporary bonding in step S14 described above, the substrates 301 and 302 are pressurized at a pressure equal to or lower than the critical pressure. Therefore, the separation of the substrates 301 and 302 in step S15 does not damage the substrates 301 and 302. It can be done easily.

その後、第1基板301の接合面と第2基板302の接合面とを再度接触させ、臨界圧力よりも大きい圧力にて基板301,302同士が加圧されることにより、第1基板301と第2基板302とが接合される(ステップS16)。ステップS16における基板301,302の接合の際にも、位置測定部500により基板301,302の相対位置が測定され、アライメントテーブル405等により基板301,302の相対位置が再度調節される。このように相対位置の調節を繰り返すことにより、基板301,302の相対位置のずれを0.2μm程度に抑えることができる。そして、Z方向昇降移動機構406により第2基板302が下降して第1基板301に接触し、基板301,302同士が臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧されることにより、基板301,302同士の最終的な接合が終了する。   After that, the bonding surface of the first substrate 301 and the bonding surface of the second substrate 302 are brought into contact again, and the substrates 301 and 302 are pressurized with a pressure higher than the critical pressure, whereby the first substrate 301 and the first substrate 301 are bonded to each other. The two substrates 302 are joined (step S16). Also at the time of bonding the substrates 301 and 302 in step S16, the relative positions of the substrates 301 and 302 are measured by the position measuring unit 500, and the relative positions of the substrates 301 and 302 are adjusted again by the alignment table 405 or the like. By repeating the relative position adjustment in this manner, the relative position shift between the substrates 301 and 302 can be suppressed to about 0.2 μm. Then, the second substrate 302 is lowered by the Z-direction lifting / lowering mechanism 406 to come into contact with the first substrate 301, and the substrates 301 and 302 are pressurized with a pressure larger than the critical pressure, whereby the substrates 301 and 302. The final joining of the two ends.

上述のように、ステップS16では、Z方向昇降移動機構406により基板301,302同士が臨界圧力以下の圧力にて加圧された後、または、臨界圧力以下の圧力にて加圧するのと並行して、基板温度調節部420により加熱されることにより、基板301,302同士の最終的な接合が行われてもよい。あるいは、基板301,302同士を加圧することなく、基板温度調節部420により所定の温度にて加熱することにより、基板301,302同士の最終的な接合が行われてもよい。   As described above, in step S <b> 16, after the substrates 301 and 302 are pressurized with the Z-direction lifting / lowering mechanism 406 at a pressure lower than the critical pressure, or in parallel with the pressurization with the pressure lower than the critical pressure. Then, the substrates 301 and 302 may be finally bonded to each other by being heated by the substrate temperature adjusting unit 420. Alternatively, final bonding of the substrates 301 and 302 may be performed by heating the substrates 301 and 302 at a predetermined temperature by the substrate temperature adjusting unit 420 without pressurizing the substrates 301 and 302.

基板接合装置100では、上述のように、基板301,302同士の接合強度を向上することができるとともに、基板301,302間のボイドを減少させることができる。また、基板301,302同士の相対位置精度を向上しつつ基板301,302の接合を行うことができる。基板接合装置100では、ステージ移動機構403,404は、基板301,302の仮接合、離間および接合を行う基板接合機構でもある。   In the substrate bonding apparatus 100, as described above, the bonding strength between the substrates 301 and 302 can be improved, and the void between the substrates 301 and 302 can be reduced. Further, the substrates 301 and 302 can be joined while improving the relative positional accuracy between the substrates 301 and 302. In the substrate bonding apparatus 100, the stage moving mechanisms 403 and 404 are also substrate bonding mechanisms that perform temporary bonding, separation, and bonding of the substrates 301 and 302.

基板301,302に対する表面活性化処理と親水化処理とは、異なる真空チャンバ内にて行われてもよい。図8は、基板接合装置の他の好ましい例を示す正面図である。図8では、基板接合装置の内部の概略構造を示す(図9においても同様)。図8に示す基板接合装置100aでは、真空チャンバ200とは別に、真空ポンプにより排気可能な第2真空チャンバ250(例えば、ロードロックチャンバ)が設けられ、第2真空チャンバ250に親水化処理部620が設けられる。   The surface activation process and the hydrophilization process for the substrates 301 and 302 may be performed in different vacuum chambers. FIG. 8 is a front view showing another preferred example of the substrate bonding apparatus. FIG. 8 shows a schematic structure inside the substrate bonding apparatus (the same applies to FIG. 9). In the substrate bonding apparatus 100a shown in FIG. 8, a second vacuum chamber 250 (for example, a load lock chamber) that can be evacuated by a vacuum pump is provided in addition to the vacuum chamber 200, and the hydrophilic treatment section 620 is provided in the second vacuum chamber 250. Is provided.

基板接合装置100aでは、真空チャンバ200(以下、「第1真空チャンバ200」ともいう。)と第2真空チャンバ250とが、開閉可能な真空弁230を介して連結されている。基板接合装置100aでは、基板搬送機構270により、基板301,302が、第1真空チャンバ200と第2真空チャンバ250との間を、大気に晒されることなく搬送される。第1真空チャンバ200では、上記と同様に、基板301,302の接合面に対する表面活性化処理(ステップS11)が行われる。第2真空チャンバ250では、基板301,302の接合面に対する親水化処理および水分子の付着(ステップS12,S13)が行われる。   In the substrate bonding apparatus 100a, a vacuum chamber 200 (hereinafter also referred to as “first vacuum chamber 200”) and a second vacuum chamber 250 are connected via a vacuum valve 230 that can be opened and closed. In the substrate bonding apparatus 100a, the substrates 301 and 302 are transferred between the first vacuum chamber 200 and the second vacuum chamber 250 by the substrate transfer mechanism 270 without being exposed to the atmosphere. In the first vacuum chamber 200, a surface activation process (step S11) is performed on the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 in the same manner as described above. In the second vacuum chamber 250, hydrophilic treatment and adhesion of water molecules (steps S12 and S13) are performed on the bonding surfaces of the substrates 301 and 302.

基板接合装置100aでは、第1真空チャンバ200と第2真空チャンバ250とにより、基板301,302に対する表面活性化処理および親水化処理が行われる真空チャンバシステムが構成される。これにより、基板301,302の親水化処理を行う空間と、基板301,302の表面活性化処理を行う空間とを分けることができる。また、基板301,302の親水化処理を行う空間と、基板301,302の接合を行う空間とを分けることもできる。   In the substrate bonding apparatus 100a, the first vacuum chamber 200 and the second vacuum chamber 250 constitute a vacuum chamber system in which a surface activation process and a hydrophilization process are performed on the substrates 301 and 302. Thereby, the space for performing the hydrophilic treatment on the substrates 301 and 302 and the space for performing the surface activation treatment on the substrates 301 and 302 can be separated. In addition, a space for performing hydrophilic treatment of the substrates 301 and 302 and a space for bonding the substrates 301 and 302 can be separated.

当該真空チャンバシステムでは、表面活性化処理が行われた基板301,302の接合面を大気に曝すことなく、当該接合面に対して親水化処理を行うことができる。また、第2真空チャンバ250内の水蒸気等が第1真空チャンバ200へと流入することを抑制し、第1真空チャンバ200内の高い真空度を長時間に亘り維持することが容易となる。さらに、一の基板の接合面に対する表面活性化処理と、他の基板の接合面に対する親水化処理とを、並行して行うことができる。このため、基板接合装置100における基板の処理効率を向上することができる。   In the vacuum chamber system, the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 that have been subjected to the surface activation process can be subjected to a hydrophilic treatment without exposing the bonding surfaces to the atmosphere. Further, it is possible to suppress the water vapor or the like in the second vacuum chamber 250 from flowing into the first vacuum chamber 200, and to easily maintain a high degree of vacuum in the first vacuum chamber 200 for a long time. Furthermore, the surface activation process for the bonding surface of one substrate and the hydrophilic treatment for the bonding surface of another substrate can be performed in parallel. For this reason, the substrate processing efficiency in the substrate bonding apparatus 100 can be improved.

基板接合装置100では、ステップS14の仮接合工程は、例えば、真空チャンバ200内が真空の状態にて行われてもよく、第1真空チャンバ200内に大気が導入された状態(すなわち、大気中)にて行われてもよい。第1真空チャンバ200内に大気が導入された状態にてステップS14の仮接合工程が行われることにより、上述のように、真空中にて基板301,302の仮接合が行われる場合に比べて、ステップS16の終了後における基板301,302同士の接合強度を、より向上することができる。   In the substrate bonding apparatus 100, the temporary bonding process in step S14 may be performed, for example, in a vacuum state in the vacuum chamber 200, and a state in which the atmosphere is introduced into the first vacuum chamber 200 (that is, in the atmosphere). ). Compared to the case where the substrates 301 and 302 are temporarily bonded in a vacuum as described above, the temporary bonding process in step S14 is performed in a state where the atmosphere is introduced into the first vacuum chamber 200. The bonding strength between the substrates 301 and 302 after step S16 can be further improved.

ステップS13における水分子の接合面への付着は、基板301,302の冷却以外の方法により行われてもよい。例えば、基板接合装置100においてステップS12の親水化処理が行われた基板301,302が、基板接合装置100から搬出され、基板接合装置100の外部に設けられた水洗浄部により、基板301,302の接合面に対する水洗浄が行われることにより、ステップS13における水分子の接合面への付着が行われてもよい。また、ステップS12の親水化処理も、基板接合装置100から搬出されて大気に暴露されることにより、あるいは、第2真空チャンバ250内に大気が導入されて大気に暴露されることにより行われてもよい。   The adhesion of water molecules to the bonding surface in step S13 may be performed by a method other than cooling of the substrates 301 and 302. For example, the substrates 301 and 302 that have been subjected to the hydrophilic treatment in step S <b> 12 in the substrate bonding apparatus 100 are unloaded from the substrate bonding apparatus 100, and are washed by a water cleaning unit provided outside the substrate bonding apparatus 100. By performing water washing on the bonding surface, water molecules may adhere to the bonding surface in step S13. Further, the hydrophilization treatment in step S12 is also performed by being carried out from the substrate bonding apparatus 100 and exposed to the atmosphere, or by introducing the atmosphere into the second vacuum chamber 250 and exposing it to the atmosphere. Also good.

図9は、基板接合装置の他の好ましい例を示す正面図である。図9に示す基板接合装置100bでは、図8に示す基板接合装置100aの第1真空チャンバ200からライン式粒子ビーム源および遮蔽部材が省略され、第2真空チャンバ250にRIE(Reactive Ion Etching)機構613が表面活性化処理部610として設けられる。RIE機構613は、第2真空チャンバ250内にて基板を保持するステージ251に設けられた陰極614と、第2真空チャンバ250に反応ガスを供給する反応ガス供給部615とを備える。反応ガスとしては、例えば、アルゴン(Ar)、窒素(N)、酸素(O)等が利用される。 FIG. 9 is a front view showing another preferred example of the substrate bonding apparatus. In the substrate bonding apparatus 100b shown in FIG. 9, the line type particle beam source and the shielding member are omitted from the first vacuum chamber 200 of the substrate bonding apparatus 100a shown in FIG. 8, and an RIE (Reactive Ion Etching) mechanism is provided in the second vacuum chamber 250. 613 is provided as the surface activation processing unit 610. The RIE mechanism 613 includes a cathode 614 provided on a stage 251 that holds a substrate in the second vacuum chamber 250, and a reaction gas supply unit 615 that supplies a reaction gas to the second vacuum chamber 250. For example, argon (Ar), nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), or the like is used as the reaction gas.

RIE機構613は、反応ガス供給部615から第2真空チャンバ250内に供給された反応ガスに電磁波等を付与することにより当該反応ガスをプラズマ化する。また、RIE機構613は、基板を支持するステージ251に設けられた陰極614に高周波電圧を印加する。これにより、基板とプラズマとの間に自己バイアス電位を生じさせ、プラズマ中のイオンやラジカル種を基板に向けて加速して衝突させる。これにより、上述のステップS11における基板の接合面に対する表面活性化処理が行われる。基板接合装置100bでは、基板301,302が1枚ずつ第2真空チャンバ250に搬入され、基板301,302に対する表面活性化処理が順に行われる。   The RIE mechanism 613 converts the reactive gas into plasma by applying electromagnetic waves or the like to the reactive gas supplied from the reactive gas supply unit 615 into the second vacuum chamber 250. The RIE mechanism 613 applies a high-frequency voltage to the cathode 614 provided on the stage 251 that supports the substrate. Thereby, a self-bias potential is generated between the substrate and the plasma, and ions and radical species in the plasma are accelerated toward the substrate and collide with each other. Thereby, the surface activation process with respect to the joint surface of the board | substrate in above-mentioned step S11 is performed. In the substrate bonding apparatus 100b, the substrates 301 and 302 are carried one by one into the second vacuum chamber 250, and the surface activation process is sequentially performed on the substrates 301 and 302.

基板接合装置100bでは、RIE機構613による基板301,302の表面活性化処理が行われた後、図8に示す基板接合装置100aと同様に、第2真空チャンバ250においてステップS12の親水化処理が行われる。また、基板接合装置100aと同様に、ステップS13〜S16が行われる。   In the substrate bonding apparatus 100b, after the surface activation processing of the substrates 301 and 302 is performed by the RIE mechanism 613, the hydrophilic treatment in step S12 is performed in the second vacuum chamber 250 as in the substrate bonding apparatus 100a illustrated in FIG. Done. In addition, steps S13 to S16 are performed as in the substrate bonding apparatus 100a.

基板接合装置100bにおける表面活性化処理では、例えば、気圧が約30Pa(パスカル)とされた第2真空チャンバ250に、反応ガス供給部615から20sccmにて反応ガスが供給され、100WのRIEプラズマ処理が約30秒行われることにより、基板301,302の表面活性化処理が行われる。基板接合装置100bでは、基板301,302の表面活性化処理がプラズマにより行われるため、当該表面活性化処理が行われる空間の真空度を比較的低くすることができる。したがって、基板接合装置100bの構造を簡素化することができ、基板接合装置100bの製造コストを低減することができる。一方、基板301,302の接合面が金属と絶縁物の混合材料により形成されており、RIE機構613により接合面における不純物や材料同士の混合が懸念される場合等、上述の粒子ビーム照射による表面活性化処理が好ましい場合もある。   In the surface activation process in the substrate bonding apparatus 100b, for example, a reactive gas is supplied from the reactive gas supply unit 615 to 20 sccm into the second vacuum chamber 250 having an atmospheric pressure of about 30 Pa (Pascal), and a 100 W RIE plasma process is performed. Is performed for about 30 seconds, whereby the surface activation processing of the substrates 301 and 302 is performed. In the substrate bonding apparatus 100b, since the surface activation processing of the substrates 301 and 302 is performed by plasma, the degree of vacuum of the space in which the surface activation processing is performed can be made relatively low. Therefore, the structure of the substrate bonding apparatus 100b can be simplified, and the manufacturing cost of the substrate bonding apparatus 100b can be reduced. On the other hand, when the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 are formed of a mixed material of a metal and an insulator, and there is a concern about mixing of impurities or materials on the bonding surface by the RIE mechanism 613, the surface by the particle beam irradiation described above. An activation treatment may be preferred.

プラズマによる基板301,302の表面活性化処理は、基板301,302に対する親水化処理が行われる空間(例えば、第2真空チャンバ250)とは異なる空間にて行われてもよい。例えば、図10に示すように、プラズマチャンバ617と、電極ステージ618とを備えるプラズマ処理部616が表面活性化処理部610として設けられてもよい。プラズマ処理部616では、例えば、基板301,302に対する表面活性化処理のみが行われる。プラズマチャンバ617および電極ステージ618は、例えば、アルミニウム(Al)により形成される。電極ステージ618は高周波電源に接続され、プラズマチャンバ617は設置される。電極ステージ618とプラズマチャンバ617とは、ガラス等の絶縁体619により電気的に絶縁される。基板301,302(図10では、基板301)は、プラズマチャンバ617内において電極ステージ618上に保持される。電極ステージ618に高周波電圧を印加することにより、上述のRIE機構613と同様に、基板301,302の接合面に対する表面活性化処理が行われる。プラズマ処理部616では、プラズマチャンバ617の上部に、プラズマチャンバ617の内部空間にプラズマを供給するラジカルダウンフロー機構が設けられてもよい。   The surface activation treatment of the substrates 301 and 302 by plasma may be performed in a space different from a space (for example, the second vacuum chamber 250) in which the hydrophilic treatment is performed on the substrates 301 and 302. For example, as illustrated in FIG. 10, a plasma processing unit 616 including a plasma chamber 617 and an electrode stage 618 may be provided as the surface activation processing unit 610. In the plasma processing unit 616, for example, only the surface activation process for the substrates 301 and 302 is performed. The plasma chamber 617 and the electrode stage 618 are made of, for example, aluminum (Al). The electrode stage 618 is connected to a high frequency power source, and the plasma chamber 617 is installed. The electrode stage 618 and the plasma chamber 617 are electrically insulated by an insulator 619 such as glass. Substrates 301 and 302 (substrate 301 in FIG. 10) are held on electrode stage 618 in plasma chamber 617. By applying a high frequency voltage to the electrode stage 618, a surface activation process is performed on the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 in the same manner as the RIE mechanism 613 described above. In the plasma processing unit 616, a radical downflow mechanism that supplies plasma to the internal space of the plasma chamber 617 may be provided above the plasma chamber 617.

図11は、基板接合装置の他の好ましい例を示す平面図である。図11に示す基板接合装置100cは、基板処理部101と、水洗浄部102と、仮接合部103と、接合部104とを備える。基板処理部101は、例えば、上述の基板接合装置100a(図8参照)と略同様の構造を有する。基板処理部101では、第1真空チャンバ200において基板301,302の接合面に対する表面活性化処理が行われ、第2真空チャンバ250において基板301,302の接合面に対する親水化処理が行われる。   FIG. 11 is a plan view showing another preferred example of the substrate bonding apparatus. A substrate bonding apparatus 100 c illustrated in FIG. 11 includes a substrate processing unit 101, a water cleaning unit 102, a temporary bonding unit 103, and a bonding unit 104. The substrate processing unit 101 has, for example, substantially the same structure as the above-described substrate bonding apparatus 100a (see FIG. 8). In the substrate processing unit 101, surface activation processing is performed on the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 in the first vacuum chamber 200, and hydrophilic processing is performed on the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 in the second vacuum chamber 250.

水洗浄部102は、表面活性化処理および親水化処理が行われた基板301,302の接合面に対する水洗浄を行うことにより、基板301,302の接合面への水分子の付着を行う。水洗浄部102による接合面の水洗浄は、例えば、超音波を付与された水流を、大気中において基板301,302に向けて噴射することにより行われる。基板301,302の接合面への水分子の付着は、基板処理部101において基板温度調節部420により基板301,302の接合面が冷却されることにより行われ、さらに、当該水洗浄部102による水洗浄により行われてもよい。   The water cleaning unit 102 attaches water molecules to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 by performing water cleaning on the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 that have been subjected to the surface activation process and the hydrophilization process. The water cleaning of the joint surface by the water cleaning unit 102 is performed, for example, by spraying a water flow provided with ultrasonic waves toward the substrates 301 and 302 in the atmosphere. The adhesion of water molecules to the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 is performed by cooling the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 by the substrate temperature adjusting unit 420 in the substrate processing unit 101, and further by the water cleaning unit 102. It may be performed by washing with water.

仮接合部103は、基板301,302の接合面を接触させ、基板301,302同士を臨界圧力以下の圧力にて加圧することにより、基板301,302を仮接合する。仮接合部103は、例えば、図1に示す基板接合装置100の基板支持部400および位置測定部500と略同様の構成を備える。仮接合部103における基板301,302の仮接合が大気中にて行われる場合、仮接合部103には、真空チャンバ等の構成は設けられなくてよい。   The temporary bonding unit 103 temporarily bonds the substrates 301 and 302 by bringing the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 into contact with each other and pressurizing the substrates 301 and 302 with a pressure equal to or lower than the critical pressure. The temporary bonding unit 103 has, for example, substantially the same configuration as the substrate support unit 400 and the position measurement unit 500 of the substrate bonding apparatus 100 shown in FIG. When the temporary bonding of the substrates 301 and 302 in the temporary bonding portion 103 is performed in the atmosphere, the temporary bonding portion 103 does not need to be provided with a configuration such as a vacuum chamber.

接合部104は、例えば、図1に示す基板接合装置100から表面処理部600が省略された構造を有する。接合部104は、仮接合された基板301,302を真空中において離間させる。その後、真空中において基板301,302の接合面を再度接触させ、基板301,302同士を臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧することにより、基板301,302を接合する。   For example, the bonding unit 104 has a structure in which the surface treatment unit 600 is omitted from the substrate bonding apparatus 100 illustrated in FIG. 1. The bonding portion 104 separates the temporarily bonded substrates 301 and 302 in a vacuum. Thereafter, the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 are brought into contact again in vacuum, and the substrates 301 and 302 are bonded together by pressurizing the substrates 301 and 302 at a pressure higher than the critical pressure.

基板接合装置100cでは、水洗浄部102において基板301,302の接合面に対して水洗浄を行うことにより、接合面上への水分子の付着を容易に行うことができるとともに、接合面からパーティクル等を除去することもできる。また、仮接合部103において、基板301,302が大気中にて仮接合されることにより、上記と同様に、真空中にて基板301,302の仮接合が行われる場合に比べて、ステップS16の終了後における基板301,302同士の接合強度を、さらに向上することができる。   In the substrate bonding apparatus 100c, water cleaning is performed on the bonding surfaces of the substrates 301 and 302 in the water cleaning unit 102, so that water molecules can be easily attached to the bonding surfaces, and particles can be removed from the bonding surfaces. Etc. can also be removed. In addition, since the substrates 301 and 302 are temporarily bonded in the atmosphere at the temporary bonding portion 103, as compared with the case where the temporary bonding of the substrates 301 and 302 is performed in a vacuum as described above, step S16 is performed. It is possible to further improve the bonding strength between the substrates 301 and 302 after the completion of the step.

以下の表1は、様々な条件下で基板同士を接合した場合の基板同士の接合強度および基板間のボイドの多少を示すものである。   Table 1 below shows the bonding strength between the substrates and the number of voids between the substrates when the substrates are bonded under various conditions.

Figure 2015211130
Figure 2015211130

表1中の1列目はケース名を示し、2列目はステップS13の水分子の付着処理の有無および付着処理の方法を示す。3列目は、ステップS14の基板の仮接合の有無を示し、4列目は、ステップS15の基板の剥離の有無、および、基板の剥離が行われる場合の雰囲気(大気中または真空中)を示す。5列目は、基板同士の本接合が行われる空間の雰囲気(大気中または真空中)を示す。6列目は、本接合後の基板同士の接合強度を示し、7列目は、本接合後の基板間のボイドの多少を示す。7列目にて「少」と記載されているケースは、基板間のボイドが比較的少ない、または、ボイドが存在しないことを示す。   The first column in Table 1 shows the case name, and the second column shows the presence / absence of the water molecule adhesion treatment in step S13 and the method of the adhesion treatment. The third row indicates whether or not the substrate is temporarily bonded in step S14, and the fourth column indicates whether or not the substrate is peeled in step S15 and the atmosphere (in the air or in vacuum) when the substrate is peeled off. Show. The fifth column shows the atmosphere (in air or vacuum) of the space where the main bonding between the substrates is performed. The sixth column shows the bonding strength between the substrates after the main bonding, and the seventh column shows the number of voids between the substrates after the main bonding. The case described as “low” in the seventh column indicates that there are relatively few voids between the substrates, or there are no voids.

表1は、SiO基板同士の接合結果を示すものである。SiOは、熱酸化膜、CVD、ガラス等を含む。表中には記載していないが、ケース1〜10では、ステップS13よりも前に、高速原子ビーム源(FAB)を用いた粒子ビームの照射による表面活性化処理(ステップS11)、および、上述の親水化処理(ステップS12)が行われる。ケース1〜6は、本願発明との比較のための比較例の実験結果である。ケース7〜10は、本願発明に係る実験結果である。なお、ステップS11における表面活性化処理が高速原子ビーム源(FAB)以外の上述の方法(例えば、イオンビーム源やプラズマ)により行われた場合も、表1と同様の結果が確認された。また、SiO基板以外の基板(例えば、窒化膜を有する基板、化合物半導体、Lt(タンタル酸リチウム)基板)についても、表1と同様の結果が確認された。 Table 1 shows the bonding results between the SiO 2 substrates. SiO 2 includes a thermal oxide film, CVD, glass and the like. Although not described in the table, in cases 1 to 10, the surface activation process (step S11) by particle beam irradiation using a fast atom beam source (FAB) before step S13, and the above-described steps are performed. The hydrophilic treatment (step S12) is performed. Cases 1 to 6 are experimental results of comparative examples for comparison with the present invention. Cases 7 to 10 are experimental results according to the present invention. In addition, when the surface activation process in step S11 was performed by the above-described method (for example, ion beam source or plasma) other than the fast atom beam source (FAB), the same result as in Table 1 was confirmed. The same results as in Table 1 were confirmed for substrates other than the SiO 2 substrate (for example, a substrate having a nitride film, a compound semiconductor, and an Lt (lithium tantalate) substrate).

ケース1〜3では、ステップS14,S15は行われず、ステップS12またはステップS13が行われた後の基板を真空チャンバ内にて対向配置させた後、真空引きを行い、真空中にて接合したケースである。ケース1〜3では、接合強度は0.2〜0.3J/mと比較的低く、不十分な接合といえる。ケース4〜6では、ステップS14,S15は行われず、ステップS12またはステップS13が行われた後の基板が大気中にて接合される。ケース4〜6では、接合強度は2.0〜2.5J/mと比較的高く十分な接合であるといえるが、基板間のボイドが多い。 In Cases 1 to 3, Steps S14 and S15 are not performed, and the substrates after Step S12 or Step S13 are placed opposite to each other in the vacuum chamber, and then evacuated and bonded in a vacuum. It is. In cases 1 to 3, the bonding strength is relatively low at 0.2 to 0.3 J / m 2, which can be said to be insufficient bonding. In cases 4 to 6, steps S14 and S15 are not performed, and the substrate after step S12 or step S13 is bonded in the atmosphere. In cases 4 to 6, the bonding strength is relatively high at 2.0 to 2.5 J / m 2 and it can be said that the bonding is sufficient, but there are many voids between substrates.

ケース7では、ステップS13は行われず、ステップS12の親水化処理が行われた基板同士が大気中にて仮接合され(ステップS14)、大気中にて剥離される(ステップS15)。そして、剥離後の両基板が真空チャンバ内にて対向配置された後、真空引きが行われ、真空中にて本接合される(ステップS16)。ケース8では、ステップS13は行われず、ステップS12の親水化処理が行われた基板同士が大気中にて仮接合される(ステップS14)。そして、仮接合状態の両基板が真空チャンバ内に配置された後に真空引きが行われ、真空中にて基板同士が剥離され、真空中にて本接合される(ステップS15,S16)。ケース9は、ケース8のステップS12とステップS14との間に、冷却による水分子の付着処理(ステップS13)が行われたものである。ケース10は、ケース8のステップS12とステップS14との間に、水洗浄による水分子の付着処理(ステップS13)が行われたものである。   In case 7, step S13 is not performed, and the substrates subjected to the hydrophilization process in step S12 are temporarily bonded in the air (step S14) and separated in the air (step S15). Then, after the two substrates after peeling are arranged to face each other in the vacuum chamber, vacuuming is performed and main bonding is performed in a vacuum (step S16). In case 8, step S13 is not performed, and the substrates subjected to the hydrophilic treatment in step S12 are temporarily joined in the atmosphere (step S14). Then, after both substrates in the temporarily bonded state are placed in the vacuum chamber, evacuation is performed, the substrates are separated from each other in vacuum, and finally bonded in vacuum (steps S15 and S16). Case 9 is a case where water molecule adhesion processing (step S13) by cooling is performed between step S12 and step S14 of case 8. Case 10 is obtained by performing water molecule adhesion processing (step S13) by water washing between step S12 and step S14 of case 8.

ケース7〜10では、接合強度は1.8〜2.5J/mであり、ケース1〜3に比べて十分に高く、ケース4〜6と同等である。また、ケース7〜10では、ケース4〜6と異なり、基板間のボイドは少ない(または、実質的に存在しない)。このように、本願発明では、基板同士の接合強度を向上するとともに基板間のボイドを減少させることができる。 In Cases 7 to 10, the bonding strength is 1.8 to 2.5 J / m 2, which is sufficiently higher than Cases 1 to 3 and equivalent to Cases 4 to 6. Further, unlike the cases 4 to 6, the cases 7 to 10 have few (or substantially no) voids between the substrates. Thus, in this invention, while improving the joint strength of board | substrates, the void between board | substrates can be reduced.

上述の基板接合装置100では、様々な変更が可能である。   Various modifications can be made in the substrate bonding apparatus 100 described above.

例えば、表面活性化処理部610の粒子ビーム源601は、ライン式には限定されず、非ライン式の粒子ビーム源が利用されてもよい。   For example, the particle beam source 601 of the surface activation processing unit 610 is not limited to a line type, and a non-line type particle beam source may be used.

上述のステップS14,S16における基板301,302同士の加圧、および、ステップS15における基板301,302の離間は、Z方向昇降移動機構406以外の構成により行われてもよい。例えば、基板301,302に対して反対電荷を与えることにより、当該電荷による静電気の引力を利用して、電気的に基板301,302同士の加圧が行われてもよい。仮接合された基板301,302の離間は、基板301,302のエッジから面方向に、ブレードを機械的に挿入し、または、水や空気等の流体を吹き込むことにより行われてもよい。   The pressurization of the substrates 301 and 302 in steps S14 and S16 described above and the separation of the substrates 301 and 302 in step S15 may be performed by a configuration other than the Z-direction lifting and moving mechanism 406. For example, by applying an opposite charge to the substrates 301 and 302, the substrates 301 and 302 may be electrically pressurized using the attractive force of static electricity due to the charges. Separation of the temporarily bonded substrates 301 and 302 may be performed by mechanically inserting a blade or blowing a fluid such as water or air in the surface direction from the edge of the substrates 301 and 302.

既述のように、基板の材料としては様々なものが採用される。両接合面において接合される材質は、様々なものであってよい。例えば、シリコンに代表される半導体、銅、アルミニウム、金等の金属、酸化珪素、窒化珪素、樹脂等の絶縁物であってもよい。基板接合装置100,100a〜100cでは、様々な材料間で接合を行うことができるため、基板同士の接合の際に、封止剤を用いることなく回路を封止することが実現される。さらには、面接合による基板の積層や大型の基板同士の面接合も実現される。   As described above, various materials are used for the substrate. The materials to be joined at both joining surfaces may be various. For example, a semiconductor typified by silicon, a metal such as copper, aluminum, or gold, or an insulator such as silicon oxide, silicon nitride, or resin may be used. In the substrate bonding apparatuses 100, 100a to 100c, since various materials can be bonded, it is possible to seal the circuit without using a sealant when the substrates are bonded to each other. Furthermore, the lamination of substrates by surface bonding and the surface bonding of large substrates are also realized.

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。   The configurations in the above-described embodiments and modifications may be combined as appropriate as long as they do not contradict each other.

100,100a〜100c 基板接合装置
102 水洗浄部
200 真空チャンバ
301,302 基板
403,404 ステージ移動機構
420 基板温度調節部
610,613,617 表面活性化処理部
611 遮蔽面
620 親水化処理部
S11〜S16 ステップ
100, 100a to 100c Substrate bonding apparatus 102 Water cleaning unit 200 Vacuum chamber 301, 302 Substrate 403, 404 Stage moving mechanism 420 Substrate temperature adjustment unit 610, 613, 617 Surface activation processing unit 611 Shielding surface 620 Hydrophilization processing unit S11- S16 step

Claims (14)

基板接合装置であって、
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内において、第1基板の第1接合面および第2基板の第2接合面を活性化させる表面活性化処理部と、
前記表面活性化処理部による活性化後に、親水化処理がそれぞれ行われた前記第1接合面と前記第2接合面とを接触させ、前記第1基板および前記第2基板を互いに対して押圧することにより、前記第1基板と前記第2基板とを仮接合し、仮接合後の前記第1基板と前記第2基板とを離間させ、真空中において前記第1接合面と前記第2接合面とを接触させて前記第1基板と前記第2基板とを接合する基板接合機構と、
を備えることを特徴とする基板接合装置。
A substrate bonding apparatus,
A vacuum chamber;
A surface activation processing unit for activating the first bonding surface of the first substrate and the second bonding surface of the second substrate in the vacuum chamber;
After activation by the surface activation processing unit, the first bonding surface and the second bonding surface that have been subjected to hydrophilic treatment are brought into contact with each other, and the first substrate and the second substrate are pressed against each other. Thus, the first substrate and the second substrate are temporarily bonded, the first substrate after the temporary bonding and the second substrate are separated, and the first bonding surface and the second bonding surface in a vacuum. A substrate bonding mechanism for bonding the first substrate and the second substrate by contacting the first substrate and the second substrate;
A substrate bonding apparatus comprising:
請求項1に記載の基板接合装置であって、
前記第1基板と前記第2基板との仮接合が、大気中において行われることを特徴とする基板接合装置。
The substrate bonding apparatus according to claim 1,
A substrate bonding apparatus, wherein temporary bonding between the first substrate and the second substrate is performed in the atmosphere.
請求項1または2に記載の基板接合装置であって、
仮接合後の前記第1基板と前記第2基板との離間が、真空中において行われることを特徴とする基板接合装置。
The substrate bonding apparatus according to claim 1 or 2,
The substrate bonding apparatus, wherein the first substrate and the second substrate after temporary bonding are separated in a vacuum.
請求項1ないし3のいずれかに記載の基板接合装置であって、
前記親水化処理と並行して、または、前記親水化処理と前記基板接合機構による仮接合との間に、前記第1接合面および前記第2接合面に水分子を付着させることを特徴とする基板接合装置。
A substrate bonding apparatus according to any one of claims 1 to 3,
In parallel with the hydrophilic treatment, or between the hydrophilic treatment and the temporary bonding by the substrate bonding mechanism, water molecules are attached to the first bonding surface and the second bonding surface. Substrate bonding device.
請求項4に記載の基板接合装置であって、
前記第1接合面および前記第2接合面を冷却することにより、前記第1接合面および前記第2接合面に水分子を付着させる基板冷却部をさらに備えることを特徴とする基板接合装置。
The substrate bonding apparatus according to claim 4,
A substrate bonding apparatus, further comprising a substrate cooling unit that cools the first bonding surface and the second bonding surface to attach water molecules to the first bonding surface and the second bonding surface.
請求項4または5に記載の基板接合装置であって、
前記第1接合面および前記第2接合面への水分子の付着が、前記真空チャンバ内に水分子を含むガスを供給することにより行われることを特徴とする基板接合装置。
The substrate bonding apparatus according to claim 4 or 5, wherein
The substrate bonding apparatus, wherein adhesion of water molecules to the first bonding surface and the second bonding surface is performed by supplying a gas containing water molecules into the vacuum chamber.
請求項4ないし6のいずれかに記載の基板接合装置であって、
前記第1接合面および前記第2接合面に対する水洗浄を行うことにより、前記第1接合面および前記第2接合面への水分子の付着を行う水洗浄部をさらに備えることを特徴とする基板接合装置。
The substrate bonding apparatus according to any one of claims 4 to 6,
The substrate further comprising a water cleaning unit that performs water cleaning on the first bonding surface and the second bonding surface to attach water molecules to the first bonding surface and the second bonding surface. Joining device.
基板接合方法であって、
a)真空中において第1基板の第1接合面および第2基板の第2接合面を活性化させる工程と、
b)前記a)工程よりも後に、前記第1接合面および前記第2接合面に対して親水化処理を行う工程と、
c)前記第1接合面と前記第2接合面とを接触させ、前記第1基板および前記第2基板を互いに対して押圧することにより、前記第1基板と前記第2基板とを仮接合する工程と、
d)前記c)工程において仮接合された前記第1基板と前記第2基板とを離間させる工程と、
e)真空中において前記第1接合面と前記第2接合面とを接触させて前記第1基板と前記第2基板とを接合する工程と、
を備えることを特徴とする基板接合方法。
A substrate bonding method,
a) activating the first bonding surface of the first substrate and the second bonding surface of the second substrate in a vacuum;
b) after the step a), performing a hydrophilic treatment on the first joint surface and the second joint surface;
c) Temporarily bonding the first substrate and the second substrate by bringing the first bonding surface and the second bonding surface into contact with each other and pressing the first substrate and the second substrate against each other. Process,
d) a step of separating the first substrate temporarily bonded in the step c) and the second substrate;
e) bonding the first substrate and the second substrate by bringing the first bonding surface and the second bonding surface into contact in a vacuum; and
A substrate bonding method comprising:
請求項8に記載の基板接合方法であって、
前記c)工程において、大気中にて前記第1接合面と前記第2接合面とが接触することを特徴とする基板接合方法。
The substrate bonding method according to claim 8, wherein
In the step c), the first bonding surface and the second bonding surface are in contact with each other in the atmosphere.
請求項8または9に記載の基板接合方法であって、
前記d)工程が真空中において行われることを特徴とする基板接合方法。
A substrate bonding method according to claim 8 or 9, wherein
The substrate bonding method, wherein the step d) is performed in a vacuum.
請求項8ないし10のいずれかに記載の基板接合方法であって、
f)前記b)工程と並行して、または、前記b)工程と前記c)工程との間において、前記第1接合面および前記第2接合面に水分子を付着させる工程をさらに備えることを特徴とする基板接合方法。
A substrate bonding method according to any one of claims 8 to 10,
f) The method further comprises a step of attaching water molecules to the first joint surface and the second joint surface in parallel with the step b) or between the step b) and the step c). A substrate bonding method.
請求項11に記載の基板接合方法であって、
前記f)工程が、前記第1接合面および前記第2接合面を冷却する工程を含むことを特徴とする基板接合方法。
The substrate bonding method according to claim 11,
The substrate bonding method, wherein the step f) includes a step of cooling the first bonding surface and the second bonding surface.
請求項11または12に記載の基板接合方法であって、
前記f)工程が、前記真空チャンバ内に水分子を含むガスを供給する工程を含むことを特徴とする基板接合方法。
The substrate bonding method according to claim 11 or 12,
The substrate bonding method, wherein the step f) includes a step of supplying a gas containing water molecules into the vacuum chamber.
請求項11ないし13のいずれかに記載の基板接合方法であって、
前記f)工程が、前記第1接合面および前記第2接合面に対する水洗浄を行う工程を含むことを特徴とする基板接合方法。
A substrate bonding method according to any one of claims 11 to 13,
The substrate bonding method, wherein the step f) includes a step of performing water cleaning on the first bonding surface and the second bonding surface.
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