以下、添付図面を参照して、本願の開示する接合システムの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
また、以下参照する各図面では、説明を分かりやすくするために、鉛直上向きをZ軸の正方向とする直交座標系を示す場合がある。
<1.接合システムの構成>
まず、本実施形態に係る接合システムの構成について、図1〜図3を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る接合システムの構成を示す模式平面図であり、図2は、同模式側面図である。また、図3は、上ウェハおよび下ウェハの模式側面図である。
図1に示す本実施形態に係る接合システム1は、第1基板W1と第2基板W2とを接合することによって重合ウェハTを形成する(図3参照)。
第1基板W1は、例えばシリコンウェハや化合物半導体ウェハ等の半導体基板に複数の電子回路が形成された基板である。また、第2基板W2は、例えば電子回路が形成されていないベアウェハである。第1基板W1と第2基板W2とは、略同径を有する。なお、第2基板W2に電子回路が形成されていてもよい。
以下では、第1基板W1を「上ウェハW1」と記載し、第2基板W2を「下ウェハW2」と記載する。また、これらを総称する場合、「ウェハW」と記載する場合がある。
また、以下では、図3に示すように、上ウェハW1の板面のうち、下ウェハW2と接合される側の板面を「接合面W1j」と記載し、接合面W1jとは反対側の板面を「非接合面W1n」と記載する。また、下ウェハW2の板面のうち、上ウェハW1と接合される側の板面を「接合面W2j」と記載し、接合面W2jとは反対側の板面を「非接合面W2n」と記載する。
また、図1に示すように、接合システム1は、搬入出ステーション2と、処理ステーション3とを備える。搬入出ステーション2および処理ステーション3は、X軸正方向に沿って、搬入出ステーション2および処理ステーション3の順番で並べて配置される。また、搬入出ステーション2および処理ステーション3は、一体的に接続される。
搬入出ステーション2は、載置台10と、搬送領域20とを備える。載置台10は、複数の載置板11を備える。各載置板11には、複数枚(例えば、25枚)の基板を水平状態で収容するカセットC1,C2,C3がそれぞれ載置される。例えば、カセットC1は上ウェハW1を収容するカセットであり、カセットC2は下ウェハW2を収容するカセットであり、カセットC3は重合ウェハTを収容するカセットである。
搬送領域20は、載置台10のX軸正方向側に隣接して配置される。かかる搬送領域20には、Y軸方向に延在する搬送路21と、この搬送路21に沿って移動可能な搬送装置22とが設けられる。搬送装置22は、Y軸方向だけでなく、X軸方向にも移動可能かつZ軸周りに旋回可能であり、載置板11に載置されたカセットC1〜C3と、後述する処理ステーション3の第3処理ブロックG3との間で、上ウェハW1、下ウェハW2および重合ウェハTの搬送を行う。
なお、載置板11に載置されるカセットC1〜C3の個数は、図示のものに限定されない。また、載置板11には、カセットC1,C2,C3以外に、不具合が生じた基板を回収するためのカセット等が載置されてもよい。
処理ステーション3には、各種装置を備えた複数の処理ブロック、例えば3つの処理ブロックG1,G2,G3が設けられる。例えば処理ステーション3の正面側(図1のY軸負方向側)には、第1処理ブロックG1が設けられ、処理ステーション3の背面側(図1のY軸正方向側)には、第2処理ブロックG2が設けられる。また、処理ステーション3の搬入出ステーション2側(図1のX軸負方向側)には、第3処理ブロックG3が設けられる。
第1処理ブロックG1には、上ウェハW1および下ウェハW2の接合面W1j,W2jを改質する表面改質装置30が配置される。表面改質装置30は、上ウェハW1および下ウェハW2の接合面W1j,W2jにおけるSiO2の結合を切断して単結合のSiOとすることで、その後親水化されやすくするように当該接合面W1j,W2jを改質する。
なお、表面改質装置30では、例えば減圧雰囲気下において処理ガスである酸素ガスが励起されてプラズマ化され、イオン化される。そして、かかる酸素イオンが、上ウェハW1および下ウェハW2の接合面W1j,W2jに照射されることにより、接合面W1j,W2jがプラズマ処理されて改質される。
第2処理ブロックG2には、表面親水化装置40と、接合装置41とが配置される。表面親水化装置40は、例えば純水によって上ウェハW1および下ウェハW2の接合面W1j,W2jを親水化するとともに、接合面W1j,W2jを洗浄する。表面親水化装置40では、例えばスピンチャックに保持された上ウェハW1または下ウェハW2を回転させながら、当該上ウェハW1または下ウェハW2上に純水を供給する。これにより、上ウェハW1または下ウェハW2上に供給された純水が上ウェハW1または下ウェハW2の接合面W1j,W2j上を拡散し、接合面W1j,W2jが親水化される。接合装置41は、上ウェハW1および下ウェハW2を接合する。接合装置41の構成については、後述する。
第3処理ブロックG3には、図2に示すように、上ウェハW1、下ウェハW2および重合ウェハTのトランジション(TRS)装置50,51が下から順に2段に設けられる。
また、図1に示すように、第1処理ブロックG1、第2処理ブロックG2および第3処理ブロックG3に囲まれた領域には、搬送領域60が形成される。搬送領域60には、搬送装置61が配置される。搬送装置61は、例えば鉛直方向、水平方向および鉛直軸周りに移動自在な搬送アームを有する。かかる搬送装置61は、搬送領域60内を移動し、搬送領域60に隣接する第1処理ブロックG1、第2処理ブロックG2および第3処理ブロックG3内の所定の装置に上ウェハW1、下ウェハW2および重合ウェハTを搬送する。
また、図1に示すように、接合システム1は、制御装置300を備える。制御装置300は、接合システム1の動作を制御する。かかる制御装置300は、例えばコンピュータであり、図示しない制御部および記憶部を備える。記憶部には、接合処理等の各種処理を制御するプログラムが格納される。制御部は記憶部に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって接合システム1の動作を制御する。
なお、かかるプログラムは、コンピュータによって読み取り可能な記録媒体に記録されていたものであって、その記録媒体から制御装置300の記憶部にインストールされたものであってもよい。コンピュータによって読み取り可能な記録媒体としては、例えばハードディスク(HD)、フレキシブルディスク(FD)、コンパクトディスク(CD)、マグネットオプティカルディスク(MO)、メモリカード等がある。
<2.表面改質装置の構成>
次に、上述した表面改質装置30の構成について図4A〜図5Dを参照して説明する。図4Aは、表面改質装置30の構成を示す模式断面図であり、図4Bは、図4Aに示すM1部の拡大図である。
また、図5Aは、下部電極80の模式平面図である。また、図5Bは、上部電極110の第1バッフル板124aの模式平面図である。また、図5Cは、上部電極110の第2バッフル板124bの模式平面図であり、図5Dは、同模式底面図である。
図4Aに示すように、表面改質装置30は、内部を密閉可能な処理容器70と、処理容器70の上方に設けられるグランドボックス75とを有する。処理容器70の搬送領域60(図1参照)側の側面には、上ウェハW1または下ウェハW2の搬入出口71が形成され、当該搬入出口71にはゲートバルブ72が設けられる。
処理容器70の内部には、上ウェハW1または下ウェハW2を載置させるための下部電極80が設けられる。下部電極80は、例えばアルミニウム等の導電性材料で構成される。下部電極80の下方には、例えばモータ等を備えた駆動部81が設けられる。駆動部81は、下部電極80を昇降させる。
下部電極80の内部には、熱媒循環流路82が設けられる。熱媒循環流路82には、温調手段(図示せず)により適当な温度に温度調節された熱媒が熱媒導入管83を介して導入される。熱媒導入管83から導入された熱媒は熱媒循環流路82内を循環し、これによって、下部電極80が所望の温度に調節される。そして、下部電極80の熱が、下部電極80の上面に載置された上ウェハW1または下ウェハW2に伝達されて、上ウェハW1または下ウェハW2が所望の温度に調節される。
なお、下部電極80の温度を調節する温度調節機構は、熱媒循環流路82に限定されず、冷却ジャケット、ヒータ等、その他の機構を用いることもできる。
下部電極80の上部には、上ウェハW1または下ウェハW2を静電吸着する静電チャック90が設けられる。静電チャック90は、例えばポリイミド樹脂等の高分子絶縁材料からなる2枚のフィルム91、92の間に、例えば銅箔等の導電膜93を配置した構造を有する。導電膜93は、配線94、コイル等のフィルタ95を介して高圧電源96に接続される。プラズマ処理時には、高圧電源96から、任意の直流電圧に設定された高電圧が、フィルタ95で高周波をカットされて、導電膜93に印加される。こうして導電膜93に印加された高電圧により発生されたクーロン力によって、下部電極80の上面(静電チャック90の上面)に上ウェハW1または下ウェハW2が静電吸着される。
下部電極80の上面には、上ウェハW1または下ウェハW2の裏面に向けて伝熱ガスを供給する複数の伝熱ガス供給穴100が設けられる。図5Aに示すように、複数の伝熱ガス供給穴100は、下部電極80の上面において複数の同心円状に均一に配置されている。
各伝熱ガス供給穴100には、図4Aに示すように伝熱ガス供給管101が接続される。伝熱ガス供給管101は、ガス供給源(図示せず)に連通し、当該ガス供給源よりヘリウム等の伝熱ガスが、下部電極80の上面と上ウェハW1または下ウェハW2の非接合面W1n,W2nとの間に形成される微小空間に供給される。これにより、下部電極80の上面から上ウェハW1または下ウェハW2に効率よく熱が伝達される。
なお、上ウェハW1または下ウェハW2に十分効率よく熱が伝達される場合には、伝熱ガス供給穴100と伝熱ガス供給管101を省略してもよい。
下部電極80の上面の周囲には、下部電極80の上面に載置された上ウェハW1または下ウェハW2の外周を囲むように、環状のフォーカスリング102が配置される。フォーカスリング102は、反応性イオンを引き寄せない絶縁性または導電性の材料からなり、反応性イオンを、内側の上ウェハW1または下ウェハW2にだけ効果的に入射せしめるように作用する。
下部電極80と処理容器70の内壁との間には、複数のバッフル孔が設けられた排気リング103が配置される。この排気リング103により、処理容器70内の雰囲気が処理容器70内から均一に排気される。
下部電極80の下面には、中空に成形された導体よりなる給電棒104が接続される。給電棒104には、例えばブロッキングコンデンサ等から成る整合器105を介して、第1の高周波電源106が接続される。プラズマ処理時には、第1の高周波電源106から、例えば400kHzの高周波電圧が、下部電極80に印加される。
処理容器70の下方には、吸気口130が形成される。吸気口130には、処理容器70の内部の雰囲気を所定の真空度まで減圧する真空ポンプ131に連通する吸気管132が接続される。
なお、下部電極80の下方には、上ウェハW1または下ウェハW2を下方から支持し昇降させるための昇降ピン(図示せず)が設けられる。昇降ピンは、下部電極80に形成された貫通孔(図示せず)を挿通し、下部電極80の上面から突出可能に構成される。
下部電極80の上方には、上部電極110が設けられる。上部電極110は、例えばアルミニウム等の導電性材料で構成され、下面側はシリコン等の半導体材料で構成される。この点については後述する下側第2バッフル板124bbの説明でも触れる。
下部電極80の上面と上部電極110の下面は、互いに平行に、所定の間隔をあけて対向して配置される。下部電極80の上面と上部電極110の下面の間隔は、駆動部81により調節される。
また、上部電極110の周囲には、上部電極110の外周を囲むように、2段の環状部材127,128が配置される。環状部材127,128は、例えばセラミック等の絶縁性材料からなり、処理容器70とグランドボックス75とを隔離する。
上部電極110には、例えばブロッキングコンデンサ等から成る整合器111を介して第2の高周波電源112が接続される。接続の接点は、図4Aに示すように、例えば上部電極110の中心軸を中心とする仮想円の円周上に等間隔で複数設けられてよい。
プラズマ処理時には、第2の高周波電源112から、例えば40kHzの高周波電圧が上部電極110に印加される。このように、第1の高周波電源106と第2の高周波電源112から下部電極80と上部電極110に高周波電圧が印加されることにより、処理容器70の内部にプラズマが生成される。
なお、グランドボックス75は、図4Aに示すように、所定の高さhを確保した相当量の内部空間を有する。このように上部電極110の上方に相当量の空間を有することにより、プラズマ処理時の異常放電を抑えるのに資することができる。また、部品交換等の際のメンテナンス性を高める効果を得ることもできる。
また、グランドボックス75の天井部には通気孔75aが、側壁部には通気孔75bが、それぞれ形成される。通気孔75a,75bは、例えばダウンフロー等からドライエアを取り入れ、グランドボックス75の内部空間を乾燥状態に保つ。これにより、プラズマが生成される際の放電安定性を得るのに資することができる。
なお、静電チャック90の導電膜93に高電圧を印加する高圧電源96、下部電極80に高周波電圧を印加する第1の高周波電源106、上部電極110に高周波電圧を印加する第2の高周波電源112は、制御装置300によって制御される。
また、グランドボックス75内の上部電極110の上面側には、温度センサ140が設けられる。制御装置300は、かかる温度センサ140の検出結果に基づき、上部電極110の熱膨張等を監視することができる。なお、温度センサ140は、例えば非接触式の赤外線センサ等で構成される。
上部電極110の内部には中空部120が形成される。中空部120には、グランドボックス75の内部空間の中央部を高さh方向に貫いてガス供給管121が接続される。ガス供給管121は、ウェハWの略中心の上方に供給口が位置付くように配置され、内部に処理ガスを貯留するガス供給源122に連通している。また、ガス供給管121には、処理ガスの流れを制御するバルブや流量調節部等を含む供給機器群123が設けられる。これらガス供給管121、ガス供給源122および供給機器群123は、ガス供給機構を構成する。
そして、ガス供給源122から供給された処理ガスは、供給機器群123で流量制御され、ガス供給管121を介して、上部電極110の中空部120に導入される。なお、処理ガスには、例えば酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等が用いられる。
中空部120の内部には、処理ガスの均一拡散を促進するためのバッフル板124が設けられる。バッフル板124には、処理ガスを拡散させる小孔である拡散孔(以下、「バッフル孔」と言う)が多数設けられる。かかるバッフル孔は、上部電極110の下面側ではガス噴出孔125として処理ガスを噴出させ、中空部120から処理容器70の内部に処理ガスを拡散させる。
より具体的に上部電極110の内部構造について説明する。図4Bに示すように、上部電極110は、バッフル板124を備える。バッフル板124は、上方から順に、第1バッフル板124aと、第2バッフル板124bとからなる。第2バッフル板124bはさらに、上側第2バッフル板124baと、下側第2バッフル板124bbとからなる。
中空部120は、第1バッフル板124aと、第2バッフル板124bとによって、第1室120aと第2室120bとに区画される。このとき、第1室120aの高さi1と、第2室120bの高さi2とが略均等となるように区画されることが好ましい。
また、第1バッフル板124aは、上面から下面に貫通する複数のバッフル孔126を有する。図5Bに示すように、複数のバッフル孔126は、第1バッフル板124aにおける仮想的な同心円の各円周上で等間隔となるように配置される。
ここで、バッフル孔126は、同心円ごとで径および個数を異ならせて配置することができる。例えば図5Bに示すように、外側の同心円の円周上には、内側に対し相対的に径が大きい8個のバッフル孔126aを、内側の同心円の円周上には、外側に対し相対的に径が小さい4個のバッフル孔126bを、それぞれ配置することができる。
このように、内側のバッフル孔126bよりも外側のバッフル孔126aの径を相対的に大きく、また個数も多くすることによって、ガス供給管121により第1室120aの中央部へ供給される処理ガスを、かかる中央部より離れた位置でも拡散しやすくすることができる。
すなわち、このような第1バッフル板124aを用いることにより、ガス供給管121により第1室120aへ供給された処理ガスを、第1室120aから第2室120bへ粗くはあるが略均一に拡散(以下、便宜的に「粗拡散」と言う)させるのに資することができる。
なお、具体的な寸法の一例として、ウェハWの径が300mm前後の場合、例えばバッフル孔126aの径は8〜10mmに、バッフル孔126bの径は6〜8mmに、それぞれすることができる。また、ここでは仮想的な同心円を2つとして説明したが、無論その個数を限定するものではない。
図4Bの説明に戻り、次に第2バッフル板124bについて説明する。既に述べたように、第2バッフル板124bは、上側第2バッフル板124baと、下側第2バッフル板124bbとからなる。下側第2バッフル板124bbは、例えばシリコン等の半導体材料で構成される。これにより、プラズマ処理におけるプラズマの影響により、仮に下側第2バッフル板124bbの下面が削られても、下方のウェハWへ与える影響を少なくすることができる。
また、第2バッフル板124bは、上面から下面に貫通する多数のガス噴出孔125を有する。すなわち、図5Cおよび図5Dに示すように、ガス噴出孔125は、上側第2バッフル板124ba側から下側第2バッフル板124bb側に貫通させて多数設けられる。
具体的な一例として、ウェハWの径が300mm前後の場合、ガス噴出孔125はその径を例えば0.5mm程度として、200個前後設けられる。すなわち、ガス噴出孔125の径寸法は、第1バッフル板124aのバッフル孔126の径寸法の少なくとも10分の1以下となるように設けられる。
また、その配列は図5Dに示すように、第2バッフル板124bにおける仮想的な格子状の平行直線の各直線上で等間隔となり、かつ、隣り合う直線同士では互い違いとなるように設けられる。また、その配列の範囲は、ウェハWの面積と略同等かそれより大きいことが好ましい。
このように、バッフル孔126に比して小径のガス噴出孔125を、ウェハWの面積と略同等かそれより大きい範囲に均一となるように多数配置することによって、第1バッフル板124aにより第1室120aから第2室120bへ粗拡散された処理ガスを、さらにきめ細かく均一にウェハWの全面に亘るように第2室120bから処理容器70の内部に噴出させることができる。
また、図4Bに示すように、ガス噴出孔125は、その深さDbが、バッフル孔126の深さDaよりも大きくなるように設けられる。すなわち、ガス噴出孔125は、径方向においてはバッフル孔126よりも小さく、軸方向においてはバッフル孔126よりも大きくなるように設けられ、その個数もバッフル孔126より大きくなるように設けられる。
これにより、ガス供給管121から第1室120aへ供給される処理ガスを、第1室120aから第2室120b、第2室120bから処理容器70の内部へと至るに連れて粗から密に、段階的に均一となるように拡散させることができる。また、ガス噴出孔125が軸方向に大きいことで、処理ガスをガス噴出孔125から均一な密度で噴出させることができる。
したがって、本実施形態に係る接合システム1によれば、上述した構成の上部電極110を用いることで処理ガスをより均一に拡散させることができるので、品質高くプラズマ処理を行うことが可能となる。また、かかるプラズマ処理に基づいて表面親水化処理および接合処理を行うことで、基板の接合品質を向上させることができる。
<3.接合装置の構成>
次に、接合装置41の構成について図6〜図13を参照して説明する。図6は、接合装置41の構成を示す模式平面図であり、図7は、同模式側面図である。また、図8は、位置調節機構210の構成を示す模式側面図である。また、図9は、反転機構220の構成を示す模式平面図であり、図10および図11は、同模式側面図(その1)および(その2)である。また、図12は、保持アーム221および保持部材222の構成を示す模式側面図であり、図13は、接合装置41の内部構成を示す模式側面図である。
図6に示すように、接合装置41は、内部を密閉可能な処理容器190を有する。処理容器190の搬送領域60側の側面には、上ウェハW1、下ウェハW2および重合ウェハTの搬入出口191が形成され、当該搬入出口191には開閉シャッタ192が設けられる。
処理容器190の内部は、内壁193によって搬送領域T1と処理領域T2に区画される。上述した搬入出口191は、搬送領域T1における処理容器190の側面に形成される。また、内壁193にも、上ウェハW1、下ウェハW2および重合ウェハTの搬入出口194が形成される。
搬送領域T1のY軸負方向側には、上ウェハW1、下ウェハW2および重合ウェハTを一時的に載置するためのトランジション200が設けられる。トランジション200は、例えば2段に形成され、上ウェハW1、下ウェハW2および重合ウェハTのいずれか2つを同時に載置することができる。
搬送領域T1には、搬送機構201が設けられる。搬送機構201は、例えば鉛直方向、水平方向および鉛直軸周りに移動自在な搬送アームを有する。そして、搬送機構201は、搬送領域T1内、または搬送領域T1と処理領域T2との間で上ウェハW1、下ウェハW2および重合ウェハTを搬送する。
搬送領域T1のY軸正方向側には、上ウェハW1および下ウェハW2の水平方向の向きを調節する位置調節機構210が設けられる。位置調節機構210は、図8に示すように基台211と、上ウェハW1および下ウェハW2を吸着保持して回転させる保持部212と、上ウェハW1および下ウェハW2のノッチ部の位置を検出する検出部213とを有する。
かかる位置調節機構210では、保持部212に吸着保持された上ウェハW1および下ウェハW2を回転させながら検出部213で上ウェハW1および下ウェハW2のノッチ部の位置を検出することで、当該ノッチ部の位置を調節して上ウェハW1および下ウェハW2の水平方向の向きを調節する。
また、搬送領域T1には、上ウェハW1の表裏面を反転させる反転機構220が設けられる。反転機構220は、図9〜図12に示すように上ウェハW1を保持する保持アーム221を有する。
保持アーム221は、水平方向に延在する。また保持アーム221には、上ウェハW1を保持する保持部材222が例えば4箇所に設けられる。保持部材222は、図12に示すように保持アーム221に対して水平方向に移動可能に構成されている。また保持部材222の側面には、上ウェハW1の外周部を保持するための切り欠き223が形成される。これら保持部材222は、上ウェハW1を挟み込んで保持することができる。
保持アーム221は、図9〜図11に示すように、例えばモータ等を備えた第1駆動部224に支持される。保持アーム221は、この第1駆動部224によって、水平軸周りに回動自在である。また保持アーム221は、第1駆動部224を中心に回動自在であると共に、水平方向に移動自在である。
第1駆動部224の下方には、例えばモータ等を備えた第2駆動部225が設けられる。第1駆動部224は、この第2駆動部225によって、鉛直方向に延在する支持柱226に沿って鉛直方向に移動可能である。
このように、保持部材222に保持された上ウェハW1は、第1駆動部224と第2駆動部225によって、水平軸周りに回動することができるとともに鉛直方向および水平方向に移動することができる。また、保持部材222に保持された上ウェハW1は、第1駆動部224を中心に回動して、位置調節機構210から後述する上チャック230との間を移動することができる。
また、図7に示すように、処理領域T2には、上チャック230と下チャック231とが設けられる。上チャック230は、上ウェハW1を上方から吸着保持する。また、下チャック231は、上チャック230の下方に設けられ、下ウェハW2を下方から吸着保持する。
上チャック230は、図7に示すように、処理容器190の天井面に設けられた支持部材280に支持される。支持部材280には、下チャック231に保持された下ウェハW2の接合面W2jを撮像する上部撮像部281(図13参照)が設けられる。上部撮像部281は、上チャック230に隣接して設けられる。
また、図6、図7および図13に示すように、下チャック231は、当該下チャック231の下方に設けられた第1下チャック移動部290に支持される。第1下チャック移動部290は、後述するように下チャック231を水平方向(Y軸方向)に移動させる。また、第1下チャック移動部290は、下チャック231を鉛直方向に移動自在、且つ鉛直軸回りに回転可能に構成される。
第1下チャック移動部290には、上チャック230に保持された上ウェハW1の接合面W1jを撮像する下部撮像部291が設けられている。下部撮像部291は、下チャック231に隣接して設けられる。
また、図6、図7および図13に示すように、第1下チャック移動部290は、当該第1下チャック移動部290の下面側に設けられ、水平方向(Y軸方向)に延伸する一対のレール295に取り付けられる。第1下チャック移動部290は、レール295に沿って移動自在に構成される。
一対のレール295は、第2下チャック移動部296に設けられる。第2下チャック移動部296は、当該第2下チャック移動部296の下面側に設けられ、水平方向(X軸方向)に延伸する一対のレール297に取り付けられる。そして、第2下チャック移動部296は、レール297に沿って移動自在に、すなわち下チャック231を水平方向(X軸方向)に移動させるように構成される。なお、一対のレール297は、処理容器190の底面に設けられた載置台298上に設けられる。
次に、上チャック230と下チャック231の構成について図14〜図16を参照して説明する。図14は、上チャック230および下チャック231の構成を示す模式側面図である。また、図15は、上チャック230を下方から見た場合の模式平面図であり、図16は、下チャック231を上方から見た場合の模式平面図である。
図14に示すように、上チャック230は、複数、例えば3つの領域230a,230b,230cに区画される。これら領域230a,230b,230cは、図15に示すように、上チャック230の中心部から周縁部(外周部)に向けてこの順で設けられる。領域230aは平面視において円形状を有し、領域230b,230cは平面視において環状形状を有する。
各領域230a,230b,230cには、図14に示すように上ウェハW1を吸着保持するための吸引管240a,240b,240cがそれぞれ独立して設けられる。各吸引管240a,240b,240cには、異なる真空ポンプ241a,241b,241cがそれぞれ接続される。このように、上チャック230は、各領域230a,230b,230c毎に上ウェハW1の真空引きを設定可能に構成されている。
上チャック230の中心部には、当該上チャック230を厚み方向に貫通する貫通孔243が形成される。この上チャック230の中心部は、当該上チャック230に吸着保持される上ウェハW1の中心部W1aに対応している。そして、貫通孔243には、基板押圧機構250の押圧ピン253が挿通するようになっている。押圧ピン253は、押圧部材の一例である。
基板押圧機構250は、上チャック230の上面に設けられ、押圧ピン253によって上ウェハW1の中心部を押圧する。押圧ピン253は、シリンダ部251およびアクチュエータ部252によって鉛直軸沿いに直動可能に設けられ、先端部において対向する基板(本実施形態では上ウェハW1)をかかる先端部で押圧する。具体的には、押圧ピン253は、後述する上ウェハW1および下ウェハW2の接合時に、まず上ウェハW1の中心部W1aと下ウェハW2の中心部W2aとを当接させるスタータとなる。
下チャック231は、図16に示すように、複数、例えば2つの領域231a,231bに区画される。これら領域231a,231bは、下チャック231の中心部から周縁部に向けてこの順で設けられる。そして、領域231aは平面視において円形状を有し、領域231bは平面視において環状形状を有する。
各領域231a,231bには、図14に示すように下ウェハW2を吸着保持するための吸引管260a,260bがそれぞれ独立して設けられる。各吸引管260a,260bには、異なる真空ポンプ261a,261bがそれぞれ接続される。このように、下チャック231は、各領域231a,231b毎に下ウェハW2の真空引きを設定可能に構成されている。
下チャック231の周縁部には、上ウェハW1、下ウェハW2および重合ウェハTが当該下チャック231から飛び出したり、滑落したりすることを防止するストッパ部材263が複数箇所、例えば5箇所に設けられる。
<4.接合システムの具体的動作>
次に、以上のように構成された接合システム1の具体的な動作について、図17〜図18Hを参照して説明する。
図17は、接合システム1が実行する処理の処理手順の一部を示すフローチャートである。また、図18A〜図18Hは、接合装置41の動作説明図(その1)〜(その8)である。なお、図17に示す各種の処理は、制御装置300による制御に基づいて実行される。
まず、複数枚の上ウェハW1を収容したカセットC1、複数枚の下ウェハW2を収容したカセットC2、および空のカセットC3が、搬入出ステーション2の所定の載置板11に載置される。その後、搬送装置22によりカセットC1内の上ウェハW1が取り出され、処理ステーション3の第3処理ブロックG3のトランジション装置50に搬送される。
次に、上ウェハW1は、搬送装置61によって第1処理ブロックG1の表面改質装置30に搬送される。表面改質装置30に搬入された上ウェハW1は、搬送装置61から下部電極80の上面に受け渡され載置される。その後、搬送装置61が表面改質装置30から退出し、ゲートバルブ72が閉じられる。
その後、真空ポンプ131を作動させ、吸気口130を介して処理容器70の内部の雰囲気が所定の真空度、例えば67Pa〜333Pa(0.5Torr〜2.5Torr)まで減圧される。そして、上ウェハW1を処理中、処理容器70内の雰囲気は上記所定の真空度に維持される。
また、高圧電源96から静電チャック90の導電膜93に、例えば2500Vの直流電圧に設定された高電圧が印加される。こうして静電チャック90に印加された高電圧により発生されたクーロン力によって、下部電極80の上面に上ウェハW1が静電吸着させられる。また、下部電極80に静電吸着された上ウェハW1は、熱媒循環流路82の熱媒によって所定の温度、例えば25℃〜30℃に維持される。
その後、ガス供給源122から供給された処理ガスが、上部電極110の下面のガス噴出孔125から、処理容器70の内部に均一に供給される。そして、第1の高周波電源106から下部電極80に、例えば400kHzの高周波電圧が印加され、第2の高周波電源112から上部電極110に、例えば40kHzの高周波電圧が印加される。そうすると、上部電極110と下部電極80との間に電界が形成され、この電界によって処理容器70の内部に供給された処理ガスがプラズマ化される。
この処理ガスのプラズマ(以下、「処理用プラズマ」という場合がある。)によって、下部電極80上の上ウェハW1の接合面W1jがその後親水化されやすくなるようにSiO2の結合が切断されて改質されると共に、当該接合面W1j上の有機物が除去される。このとき、主として処理用プラズマ中の酸素ガスのプラズマが接合面W1j上の有機物の除去に寄与する。さらに、酸素ガスのプラズマは、上ウェハW1の接合面W1jの酸化、すなわち親水化を促進させることもできる。また、処理用プラズマ中のアルゴンガスのプラズマはある程度の高エネルギーを有しており、このアルゴンガスのプラズマによって接合面W1j上の有機物が積極的(物理的)に除去される。さらに、アルゴンガスのプラズマは、処理容器70内の雰囲気中に含まれる残留水分を除去するという効果もある。こうして処理用プラズマによって、上ウェハW1の接合面W1jが改質される(ステップS101)。
次に、上ウェハW1は、搬送装置61によって第2処理ブロックG2の表面親水化装置40に搬送される。表面親水化装置40では、スピンチャックに保持された上ウェハW1を回転させながら、当該上ウェハW1上に純水を供給する。そうすると、供給された純水は上ウェハW1の接合面W1j上を拡散し、表面改質装置30において改質された上ウェハW1の接合面W1jに水酸基(シラノール基)が付着して当該接合面W1jが親水化される。また、当該純水によって、上ウェハW1の接合面W1jが洗浄される(ステップS102)。
次に、上ウェハW1は、搬送装置61によって第2処理ブロックG2の接合装置41に搬送される。接合装置41に搬入された上ウェハW1は、トランジション200を介して搬送機構201により位置調節機構210に搬送される。そして位置調節機構210によって、上ウェハW1の水平方向の向きが調節される(ステップS103)。
その後、位置調節機構210から反転機構220の保持アーム221に上ウェハW1が受け渡される。続いて搬送領域T1において、保持アーム221を反転させることにより、上ウェハW1の表裏面が反転される(ステップS104)。すなわち、上ウェハW1の接合面W1jが下方に向けられる。
その後、反転機構220の保持アーム221が、第1駆動部224を中心に回動して上チャック230の下方に移動する。そして、反転機構220から上チャック230に上ウェハW1が受け渡される。上ウェハW1は、上チャック230にその非接合面W1nが吸着保持される(ステップS105)。
このとき、すべての真空ポンプ241a、241b、241cを作動させ、上チャック230のすべての領域230a、230b、230cにおいて、上ウェハW1を真空引きしている。上ウェハW1は、後述する下ウェハW2が接合装置41に搬送されるまで上チャック230で待機する。
上ウェハW1に上述したステップS101〜S105の処理が行われている間、下ウェハW2の処理が行われる。まず、搬送装置22によりカセットC2内の下ウェハW2が取り出され、処理ステーション3のトランジション装置50に搬送される。
次に、下ウェハW2は、搬送装置61によって表面改質装置30に搬送され、下ウェハW2の接合面W2jが改質される(ステップS106)。なお、ステップS106における下ウェハW2の接合面W2jの改質は、上述したステップS101と同様である。
その後、下ウェハW2は、搬送装置61によって表面親水化装置40に搬送され、下ウェハW2の接合面W2jが親水化されるとともに当該接合面W2jが洗浄される(ステップS107)。なお、ステップS107における下ウェハW2の接合面W2jの親水化および洗浄は、上述したステップS102と同様である。
その後、下ウェハW2は、搬送装置61によって接合装置41に搬送される。接合装置41に搬入された下ウェハW2は、トランジション200を介して搬送機構201により位置調節機構210に搬送される。そして位置調節機構210によって、下ウェハW2の水平方向の向きが調節される(ステップS108)。
その後、下ウェハW2は、搬送機構201によって下チャック231に搬送され、下チャック231に吸着保持される(ステップS109)。このとき、すべての真空ポンプ261a、261bを作動させ、下チャック231のすべての領域231a、231bにおいて、下ウェハW2を真空引きしている。そして、下ウェハW2の接合面W2jが上方を向くように、当該下ウェハW2の非接合面W2nが下チャック231に吸着保持される。
次に、上チャック230に保持された上ウェハW1と下チャック231に保持された下ウェハW2との水平方向の位置調節が行われる(ステップS110)。
なお、位置調節に先立っては、図18Aに示すように、上ウェハW1の接合面W1jには予め定められた複数、例えば3点の基準点A1〜A3が設定され、同様に下ウェハW2の接合面W2jには予め定められた複数、例えば3点の基準点B1〜B3が設定される。これら基準点A1〜A3,B1〜B3としては、例えば上ウェハW1および下ウェハW2上に形成された所定のパターンがそれぞれ用いられる。なお、基準点の数は任意に設定可能である。
まず、図18Aに示すように、上部撮像部281および下部撮像部291の水平方向位置の調節を行う。具体的には、下部撮像部291が上部撮像部281の略下方に位置するように、第1下チャック移動部290と第2下チャック移動部296によって下チャック231を水平方向に移動させる。そして、上部撮像部281と下部撮像部291とで共通のターゲットXを確認し、上部撮像部281と下部撮像部291の水平方向位置が一致するように、下部撮像部291の水平方向位置が微調節される。
次に、図18Bに示すように、第1下チャック移動部290によって下チャック231を鉛直上方に移動させた後、上チャック230と下チャック231の水平方向位置の調節を行う。
具体的には、第1下チャック移動部290と第2下チャック移動部296によって下チャック231を水平方向に移動させながら、上部撮像部281を用いて下ウェハW2の接合面W2jの基準点B1〜B3を順次撮像する。同時に、下チャック231を水平方向に移動させながら、下部撮像部291を用いて上ウェハW1の接合面W1jの基準点A1〜A3を順次撮像する。なお、図18Bは上部撮像部281によって下ウェハW2の基準点B1を撮像するとともに、下部撮像部291によって上ウェハW1の基準点A1を撮像する様子を示している。
撮像された画像データは、制御装置300に出力される。制御装置300では、上部撮像部281で撮像された画像データと下部撮像部291で撮像された画像データとに基づいて、上ウェハW1の基準点A1〜A3と下ウェハW2の基準点B1〜B3とがそれぞれ合致するように、第1下チャック移動部290と第2下チャック移動部296によって下チャック231の水平方向位置を調節させる。こうして上チャック230と下チャック231の水平方向位置が調節され、上ウェハW1と下ウェハW2の水平方向位置が調節される。
次に、図18Cに示すように、第1下チャック移動部290によって下チャック231を鉛直上方に移動させて、上チャック230と下チャック231の鉛直方向位置の調節を行い、当該上チャック230に保持された上ウェハW1と下チャック231に保持された下ウェハW2との鉛直方向位置の調節を行う(ステップS111)。このとき、下ウェハW2の接合面W2jと上ウェハW1の接合面W1jとの間の間隔は所定の距離、例えば80μm〜200μmになっている。
図18Dは、上述したステップS111までの処理が終わった後の上チャック230、上ウェハW1、下チャック231および下ウェハW2の様子を示している。図18Dに示すように、上ウェハW1は、上チャック230のすべての領域230a、230b、230cにおいて真空引きされて保持され、下ウェハW2も下チャック231のすべての領域231a、231bにおいて真空引きされて保持されている。
次に、上ウェハW1と下ウェハW2の接合処理が行われる。具体的には、真空ポンプ241aの作動を停止して、図18Eに示すように、領域230aにおける吸引管240aからの上ウェハW1の真空引きを停止する。このとき、領域230b,230cでは、上ウェハW1が真空引きされて吸着保持されている。その後、基板押圧機構250の押圧ピン253を下降させることによって、上ウェハW1の中心部W1aを押圧しながら当該上ウェハW1を下降させる。このとき、押圧ピン253には、上ウェハW1がない状態で当該押圧ピン253が70μm移動するような荷重、例えば200gがかけられる。このように、基板押圧機構250の押圧ピン253によって、上ウェハW1の中心部W1aと下ウェハW2の中心部W2aを当接させて押圧する(ステップS112)。
そうすると、押圧された上ウェハW1の中心部W1aと下ウェハW2の中心部W2aとの間で接合が開始する(図18E中の太線部)。すなわち、上ウェハW1の接合面W1jと下ウェハW2の接合面W2jはそれぞれステップS101,S106において改質されているため、まず、接合面W1j,W2j間にファンデルワールス力(分子間力)が生じ、当該接合面W1j,W2j同士が接合される。さらに、上ウェハW1の接合面W1jと下ウェハW2の接合面W2jはそれぞれステップS102,S107において親水化されているため、接合面W1j,W2j間の親水基が水素結合し、接合面W1j,W2j同士が強固に接合される。
その後、図18Fに示すように、押圧ピン253によって上ウェハW1の中心部W1aと下ウェハW2の中心部W2aを押圧した状態で、真空ポンプ241bの作動を停止して、領域230bにおける吸引管240bからの上ウェハW1の真空引きを停止する。
そうすると、領域230bに保持されていた上ウェハW1が下ウェハW2上に落下する。さらにその後、真空ポンプ241cの作動を停止して、領域230cにおける吸引管240cからの上ウェハW1の真空引きを停止する。このように上ウェハW1の中心部W1aから周縁部W1bに向けて、上ウェハW1の真空引きを段階的に停止し、上ウェハW1が下ウェハW2上に段階的に落下して当接する。そして、上述した接合面W1j,W2j間のファンデルワールス力と水素結合による接合が中心部W1aから周縁部W1bに向けて順次拡がる。
こうして、図18Gに示すように上ウェハW1の接合面W1jと下ウェハW2の接合面W2jが全面で当接し、上ウェハW1と下ウェハW2が接合される(ステップS113)。
その後、図18Hに示すように、押圧ピン253を上チャック230まで上昇させる。また、下チャック231において吸引管260a、260bからの下ウェハW2の真空引きを停止して、下チャック231による下ウェハW2の吸着保持を解除する。これにより、接合装置41での接合処理が終了する。
上述してきたように、本実施形態に係る接合システム1は、ウェハW(「基板」の一例に相当)同士を分子間力によって接合する接合システムであって、表面改質装置30と、表面親水化装置40と、接合装置41とを備える。
表面改質装置30は、ウェハWの接合される表面を処理ガスのプラズマによって改質する。表面親水化装置40は、表面改質装置30によって改質されたウェハWの表面を親水化する。接合装置41は、表面親水化装置40によって親水化されたウェハW同士を接合する。
また、表面改質装置30は、下部電極80と、上部電極110と、ガス供給管121とを備える。下部電極80は、内部を密閉可能な処理容器70内に配置され、ウェハWが載置される。上部電極110は、下部電極80に対向して配置される。ガス供給管121は、下部電極80に載置されたウェハWの略中心の上方に供給口が位置付くように配置される。
また、上部電極110は、第1バッフル板124a(「第1拡散板」の一例に相当)と、第2バッフル板124b(「第2拡散板」の一例に相当)とを有する。第1バッフル板124aは、ガス供給管121から供給される処理ガスを下方へ拡散させるバッフル孔126(「第1拡散孔」の一例に相当)が設けられる。
第2バッフル板124bは、軸方向においてバッフル孔126よりも大きいガス噴出孔125(「第2拡散孔」の一例に相当)が設けられて第1バッフル板124aの下段に配置され、バッフル孔126により拡散された処理ガスをガス噴出孔125によって処理容器70内へ拡散させる。
したがって、本実施形態に係る接合システム1によれば、処理ガスをより均一に処理容器70内に拡散させることで基板を品質高くプラズマ処理し、これに基づいて接合品質を向上させることができる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。