JP2018018997A - 基材接合装置及びこれを使用する基材接合方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】基材を熱処理して水分を除去することなく常温で接合できる基材接合装置及びこれを使用する基材接合方法を提供する。【解決手段】半導体材料，化合物半導体材料，金属材料，のうちの少なくとも一種からなる第一の基材１１と、第二の基材１２とを接合する基材接合装置１００であって、第一の基材１１を保持する下ステージ１１３と、第二の基材１２を保持する上ステージ１１５と、上ステージ１１５を昇降させる昇降シリンダ１１４と、チャンバ１１１内を排気する排気ポンプ１１６と、チャンバ１１１内にＡｒ等のガス１を供給するガス源１１７と、上下ステージ１１３，１１５間にガス１のプラズマ２を発生させる電極板１１３ａ，１１５ａ及び交流電源１１８と、プラズマ粒子Ｍｐを第一の基材１１の表面へ衝突させて第一の基材１１のスパッタ粒子Ｍｓを第二の基材１２の表面に被着させるアース１１９とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、第一の基材と第二の基材とをプラズマ処理により接合する基材接合装置及びこれを使用する基材接合方法に関する。
例えば、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体材料や、Ｇａ系，Ｉｎ系等の化合物半導体材料や、Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ等の金属材料等からなる基材と、アモルファスＳｉＯ2等の非晶質酸化物材料や、アモルファスＳｉＮ等の非晶質窒化物材料等からなる基材とを接合する場合、従来は、真空環境下で前記基材の表面を酸素ガス等のプラズマにより親水化処理して、大気環境下で当該基材の表面に水分を吸着させて純水トリートメント処理したら、当該基材の表面同士を室温下で圧接して水素結合による仮接合を行った後、熱処理（２００〜４００℃×２〜１０ｈ）してアニーリングすることにより、水分を除去して本接合するようにしていた。
国際公開第２０１２／１０５４７４号
しかしながら、前述したような従来の接合方法は、基材を熱処理して水分を除去することにより接合するため、タクトタイムが長大化してしまい、生産効率の低下を招いてしまうだけでなく、基材に熱負荷が加わってしまい、基材がダメージを受け易くなってしまうと共に、水分が残留してしまうと、ボイドを生じて接合品質の低下を招くおそれがあった。
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る基材接合装置は、半導体材料，化合物半導体材料，金属材料，のうちの少なくとも一種からなる第一の基材と、第二の基材とを接合する基材接合装置であって、チャンバと、前記チャンバ内に配設されて前記第一の基材を着脱可能に保持する第一の基材保持手段と、前記第一の基材保持手段と対向するように前記チャンバ内に配設されて前記第二の基材を着脱可能に保持する第二の基材保持手段と、前記第一の基材保持手段と前記第二の基材保持手段とを対向方向に沿って相対的に接近離反移動させる移動手段と、前記チャンバ内を排気する排気手段と、前記チャンバの内部に原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記第一の基材保持手段と前記第二の基材保持手段との対向間に前記原料ガスのプラズマ粒子を発生させるプラズマ生成手段と、前記第一の基材保持手段と前記第二の基材保持手段との対向間に生成した前記プラズマ粒子を前記第一の基材の表面へ衝突させて当該第一の基材の表面をスパッタエッチングすることにより、当該第一の基材のスパッタ粒子を前記第二の基材の表面に被着させるスパッタエッチング手段とを備えていることを特徴とする。
また、第二番目の発明に係る基材接合装置は、第一番目の発明において、前記第二の基材が、酸化物材料，窒化物材料，炭化物材料，弗化物材料，半導体材料，化合物半導体材料，金属材料，のうちの少なくとも一つからなることを特徴とする。
他方、前述した課題を解決するための、第三番目の発明に係る基材接合方法は、第一番目又は第二番目の発明に係る基材接合装置を使用する基材接合方法であって、前記第一の基材保持手段に前記第一の基材を保持させると共に前記第二の基材保持手段に前記第二の基材を保持させる基材保持工程と、前記排気手段で前記チャンバの内部を排気する排気工程と、前記原料ガス供給手段で前記チャンバの内部に前記原料ガスを供給して、前記プラズマ生成手段で前記第一の基材保持手段と前記第二の基材保持手段との対向間に当該原料ガスのプラズマ粒子を発生させ、前記スパッタエッチング手段で前記第一の基材の表面にプラズマ粒子を衝突させて、当該第一の基材の表面をスパッタエッチングすることにより、当該第一の基材のスパッタ粒子を前記第二の基材の表面に被着させる活性化工程と、前記移動手段で前記第一の基材保持手段と前記第二の基材保持手段とを相対的に接近移動させることにより、前記第一の基材の前記スパッタ粒子を被着された前記第二の基材の表面と、スパッタエッチングされた当該第一の基材の表面とを重ね合わせて接合する接合工程とを行うことを特徴とする。
本発明に係る基材接合装置及びこれを使用する基材接合方法によれば、プラズマ生成手段で第一の基材保持手段と第二の基材保持手段との対向間に原料ガスのプラズマ粒子を発生させ、スパッタエッチング手段で第一の基材の表面にプラズマ粒子を衝突させて、第一の基材の表面をスパッタエッチングすることにより、第一の基材のスパッタ粒子を第二の基材の表面に被着させた後、移動手段で第一の基材保持手段と第二の基材保持手段とを相対的に接近移動させることにより、第一の基材のスパッタ粒子を被着された第二の基材の表面と、スパッタエッチングされた第一の基材の表面とを重ね合わせて圧接することから、第一の基材と第二の基材とを常温で本接合することができるので、第一，二の基材の表面に水分を吸着させる必要がなく、熱処理して水分を除去するアニーリングを不要とすることができる。その結果、タクトタイムを短縮化することができ、生産効率を向上させることができるばかりか、第一，二の基材に熱負荷が加わることがないので、第一，二の基材にダメージを与えることがないと同時に、水分の残留によるボイドの発生をまったくなくすことができ、接合品質の低下を確実に防止することができる。
本発明に係る基材接合装置及びこれを使用する基材接合方法の主な実施形態の装置の概略構成を表すと共に方法の手順を説明する図である。 図１に続く手順説明図である。 図２に続く手順説明図である。 図３に続く手順説明図である。 図１の作用説明図である。 図３の作用説明図である。
本発明に係る基材接合装置及びこれを使用する基材接合方法の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
〈主な実施形態〉
本発明に係る基材接合装置及びこれを使用する基材接合方法の主な実施形態を図１〜４に基づいて説明する。
図１に示すように、チャンバ１１１の内部の床面中央部分には、支持台１１２が載置されている。前記支持台１１２上には、上面に第一の基材１１を着脱可能に保持する下ステージ１１３が配設されている。前記チャンバ１１１の天井の上部中央部分には、軸方向を上下方向へ向けた昇降シリンダ１１４の先端側が取り付けられており、当該昇降シリンダ１１４は、ロッド１１４ａの先端側を当該チャンバ１１１の内部で昇降移動させることができるようになっている。前記昇降シリンダ１１４の前記ロッド１１４ａの先端には、下面に第二の基材１２を着脱可能に保持する上ステージ１１５が前記下ステージ１１３と対向するように取り付けられている。
前記チャンバ１１１には、当該チャンバ１１１内を排気して高真空環境下にする排気手段である排気ポンプ１１６と、当該チャンバ１１１内の前記ステージ１１３，１１５の対向間へ原料ガスであるアルゴン等のガス１を供給する原料ガス供給手段であるガス源１１７とがそれぞれ接続されている。
前記ステージ１１３，１１５には、電極板１１３ａ，１１５ａがそれぞれ内設されている。前記電極板１１３ａ，１１５ａは、交流電源１１８にそれぞれ電気的に接続されている。前記電極板１１５ａと前記交流電源１１８との間は、アース１１９により接地されている。
そして、前記第一の基材１１は、ＳｉやＧｅ等の半導体材料、ＧａＮやＧａＡｓやＧａＰ等のＧａ系や、ＩｎＰやＩｎＳｂ等のＩｎ系等の化合物半導体材料、ＡｕやＣｕやＡｌ等の金属材料、のうちの少なくとも一つからなっている。他方、前記第二の基材１２は、アモルファスＳｉＯ2等の非晶質酸化物材料、アモルファスＳｉＮ等の非晶質窒化物材料、アモルファスＳｉＣ等の非晶質炭化物材料、アモルファスＣａＦ2等の非晶質弗化物材料、のうちの少なくとも一つからなっている。
なお、本実施形態では、前記支持台１１２、前記下ステージ１１３等により、第一の基材保持手段を構成し、前記上ステージ１１５等により、第二の基材保持手段を構成し、前記昇降シリンダ１１４等により、移動手段を構成し、前記電極板１１３ａ，１１５ａ、前記交流電源１１８等により、プラズマ生成手段を構成し、前記アース１１９等により、スパッタエッチング手段を構成している。
このような本実施形態に係る基材接合装置１００を使用する基材接合方法を次に説明する。
まず、前記下ステージ１１３に第一の基材１１を取り付けると共に、前記上ステージ１１５に第二の基材１２を取り付けて（以上、基材保持工程）、前記排気ポンプ１１６を作動して、前記チャンバ１１１内を排気して高真空環境下にする（以上、排気工程）。
次に、前記ガス源１１７からガス１を前記チャンバ１１１内の前記ステージ１１３，１１５間へ送給すると共に、前記交流電源１１８を作動させると、当該ステージ１１３，１１５間に上記ガス１のプラズマ２が生成し（図１参照）、生成したプラズマ粒子Ｍｐが前記下ステージ１１３上の第一の基材１１の表面（上面）に激しく衝突することにより、当該第一の基材１１の表面（上面）がスパッタエッチングされて活性化されると同時に、当該第一の基材１１の前記材料からなるスパッタ粒子Ｍｓが、第二の基材１２の表面（下面）へ被着し（図５Ａ参照）、上記材料のスパッタ粒子Ｍｓからなる活性層１１ａが第二の基材１２の表面（下面）に密着形成される（図２参照）（以上、活性化工程）。
このようにして第二の基材１２の表面（下面）に第一の基材１１の材料のスパッタ粒子Ｍｓからなる活性層１１ａを密着形成したら、前記ガス源１１７からのガス１の供給を停止すると共に、前記交流電源１１８の作動を停止した後、前記昇降シリンダ１１４を作動し、前記ロッド１１４ａを伸長して前記上ステージ１１５を下降させて、前記下ステージ１１３と前記上ステージ１１５とを対向方向に沿って相対的に接近させ、当該下ステージ１１３に保持された第一の基材１１の活性化された表面（上面）に対して、当該上ステージ１１５に保持された第二の基材１２の表面（下面）の活性層１１ａを重ね合わせるように圧接することにより（図３参照）、活性層１１ａを介して第一の基材１１と第二の基材１２とを接合する（図５Ｂ参照）（以上、接合工程）。
このようにして第一の基材１１の表面（上面）を第二の基材１２の表面（下面）に活性層１１ａを介して接合したら、前記上ステージ１１５による第二の基材１２の保持を解除した後、前記昇降シリンダ１１４を作動して、前記ロッド１１４ａを収縮して前記上ステージ１１５を上昇させて、前記下ステージ１１３と当該上ステージ１１５とを対向方向に沿って相対的に離反させることにより、当該上ステージ１１５を第二の基材１２から取り外す（図４参照）。
そして、前記排気ポンプ１１６の作動を停止して、前記チャンバ１１１内を大気圧にまで戻すと共に、前記下ステージ１１３による第一の基材１１の保持を解除して、当該下ステージ１１３上から当該チャンバ１１１の外部へ取り出すことにより、接合体１０を得ることができる。
つまり、本実施形態では、先に説明したように、第一の基材１１にプラズマ粒子Ｍｐを衝突させて当該第一の基材１１の表面を活性化させると同時に、当該第一の基材１１のスパッタ粒子Ｍｓを第二の基材１２の表面に被着させて当該スパッタ粒子Ｍｓの活性層１１ａを密着形成して（活性化工程）、第一の基材１１の活性化した表面と活性層１１ａとを圧接接合することにより（接合工程）、第二の基材１２に対して第一の基材１１を常温で本接合できるようにしたのである。
このため、本実施形態においては、第一，二の基材１１，１２の表面に水分を吸着させる必要がないので、熱処理して水分を除去するアニーリングを不要とすることができる。
したがって、本実施形態によれば、タクトタイムを短縮化することができ、生産効率を向上させることができるばかりか、第一，二の基材１１，１２に熱負荷が加わることがないので、第一，二の基材１１，１２にダメージを与えることがないと同時に、水分の残留によるボイドの発生をまったくなくすことができ、接合品質の低下を確実に防止することができる。
〈他の実施形態〉
なお、前述した実施形態においては、前記チャンバ１１１の床面側に前記支持台１１２を介して前記下ステージ１１３を配設する一方、前記チャンバ１１１の天井側に前記昇降シリンダ１１４を介して前記上ステージ１１５を配設し、当該昇降シリンダ１１４を作動させることにより、前記下ステージ１１３と前記上ステージ１１５とを対向方向に沿って相対的に接近離反移動できるようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記チャンバ１１１の床面側に昇降可能な移動手段を介して下ステージ１１３を配設する一方、前記チャンバ１１１の天井側に支持部材を介して上ステージ１１５を配設し、当該移動手段を作動させることにより、前記下ステージ１１３と前記上ステージ１１５とを対向方向に沿って相対的に接近離反移動できるようにすることや、前記チャンバ１１１の床面側に昇降可能な第一の移動手段を介して下ステージ１１３を配設すると共に、前記チャンバ１１１の天井側に昇降可能な第二の移動手段を介して上ステージ１１５を配設し、当該第一，二の移動手段を作動させることにより、前記下ステージ１１３と前記上ステージ１１５とを対向方向に沿って相対的に接近離反移動できるようにすることも可能である。
また、前述した実施形態においては、前記下ステージ１１３と前記交流電源１１８との間に前記アース１１９を設けて接地して、当該下ステージ１１３に第一の基材１１を保持する一方、前記上ステージ１１５に第二の基材１２を保持するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記上ステージ１１５と前記交流電源１１８との間にアースを設けて接地して、当該上ステージ１１５に第一の基材１１を保持する一方、前記下ステージ１１３に第二の基材１２を保持するようにすることも可能である。
また、前述した実施形態においては、前記電極板１１３ａ，１１５ａ、前記交流電源１１８等により、プラズマ生成手段を構成した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）方式や電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ方式等によって、プラズマ生成手段を構成することも可能である。
また、前述した実施形態においては、前記第二の基材１２が、アモルファスＳｉＯ2等の非晶質酸化物材料、アモルファスＳｉＮ等の非晶質窒化物材料、アモルファスＳｉＣ等の非晶質炭化物材料、アモルファスＣａＦ2等の非晶質弗化物材料、のうちの少なくとも一つからなっている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、第二の基材が、結晶性ＳｉＯ2等の結晶質酸化物材料、結晶性ＳｉＮ等の結晶質窒化物材料、結晶性ＳｉＣ等の結晶質炭化物材料、結晶性ＣａＦ2等の結晶質弗化物材料、を含め、さらに、前記第一の基材１１と同様に、ＳｉやＧｅ等の半導体材料、ＧａＮやＧａＡｓやＧａＰ等のＧａ系や、ＩｎＰやＩｎＳｂ等のＩｎ系等の化合物半導体材料、ＡｕやＣｕやＡｌ等の金属材料、を含めて、上述した材料のうちの少なくとも一つからなる場合であれば、前述した実施形態の場合と同様に適用することができる。
しかしながら、前述した実施形態のように、前記第二の基材１２が、アモルファスＳｉＯ2等の非晶質酸化物材料、アモルファスＳｉＮ等の非晶質窒化物材料、アモルファスＳｉＣ等の非晶質炭化物材料、アモルファスＣａＦ2等の非晶質弗化物材料、のうちの少なくとも一つからなっていると、本発明による基材接合方法を最も有効に利用することができるので、非常に好ましい。
本発明に係る基材接合装置及びこれを使用する基材接合方法は、タクトタイムを短縮化することができ、生産効率を向上させることができるばかりか、第一，二の基材に熱負荷を加えることがないので、第一，二の基材にダメージを与えることがないと同時に、水分の残留によるボイドの発生をまったくなくすことができ、接合品質の低下を確実に防止することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。
１ ガス
２ プラズマ
１０ 接合体
１１ 第一の基材
１１ａ 活性層
１２ 第二の基材
１００ 基材接合装置
１１１ チャンバ
１１２ 支持台
１１３ 下ステージ
１１３ａ 電極板
１１４ 昇降シリンダ
１１４ａ ロッド
１１５ 上ステージ
１１５ａ 電極板
１１６ 排気ポンプ
１１７ ガス源
１１８ 交流電源
１１９ アース

Claims (3)

  1. 半導体材料，化合物半導体材料，金属材料，のうちの少なくとも一種からなる第一の基材と、第二の基材とを接合する基材接合装置であって、
    チャンバと、
    前記チャンバ内に配設されて前記第一の基材を着脱可能に保持する第一の基材保持手段と、
    前記第一の基材保持手段と対向するように前記チャンバ内に配設されて前記第二の基材を着脱可能に保持する第二の基材保持手段と、
    前記第一の基材保持手段と前記第二の基材保持手段とを対向方向に沿って相対的に接近離反移動させる移動手段と、
    前記チャンバ内を排気する排気手段と、
    前記チャンバの内部に原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
    前記第一の基材保持手段と前記第二の基材保持手段との対向間に前記原料ガスのプラズマ粒子を発生させるプラズマ生成手段と、
    前記第一の基材保持手段と前記第二の基材保持手段との対向間に生成した前記プラズマ粒子を前記第一の基材の表面へ衝突させて当該第一の基材の表面をスパッタエッチングすることにより、当該第一の基材のスパッタ粒子を前記第二の基材の表面に被着させるスパッタエッチング手段と
    を備えていることを特徴とする基材接合装置。
  2. 請求項１に記載の基材接合装置において、
    前記第二の基材が、酸化物材料，窒化物材料，炭化物材料，弗化物材料，半導体材料，化合物半導体材料，金属材料，のうちの少なくとも一つからなる
    ことを特徴とする基材接合装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の基材接合装置を使用する基材接合方法であって、
    前記第一の基材保持手段に前記第一の基材を保持させると共に前記第二の基材保持手段に前記第二の基材を保持させる基材保持工程と、
    前記排気手段で前記チャンバの内部を排気する排気工程と、
    前記原料ガス供給手段で前記チャンバの内部に前記原料ガスを供給して、前記プラズマ生成手段で前記第一の基材保持手段と前記第二の基材保持手段との対向間に当該原料ガスのプラズマ粒子を発生させ、前記スパッタエッチング手段で前記第一の基材の表面にプラズマ粒子を衝突させて、当該第一の基材の表面をスパッタエッチングすることにより、当該第一の基材のスパッタ粒子を前記第二の基材の表面に被着させる活性化工程と、
    前記移動手段で前記第一の基材保持手段と前記第二の基材保持手段とを相対的に接近移動させることにより、前記第一の基材の前記スパッタ粒子を被着された前記第二の基材の表面と、スパッタエッチングされた当該第一の基材の表面とを重ね合わせて接合する接合工程と
    を行うことを特徴とする基材接合方法。
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