JP2791429B2 - シリコンウェハーの常温接合法 - Google Patents

シリコンウェハーの常温接合法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、シリコンウェハーの
接合法に関するものである。この技術は半導体の微細加
工技術により作成した電子部品及び機械部品の組み立て
及び封止に利用することが出来る。
【０００２】
【従来の技術】集積回路のチップやマイクロマシン用の
部品等の製造において、シリコンからなる微細部品を接
合するする必要がある場合がある。このような場合、従
来の接合方法としては図７に示すように、シリコン部品
の接合面をＨ2 Ｏ2 ＋Ｈ2 ＳＯ4などの水溶性薬品を使
用して親水化処理して、水酸基を付与し、その接合面の
水酸基及び水分子間の結合をもとにして接合させ、さら
に、加熱処理により接合強度を高めている（Ｓｉウェハ
ーの直接接着技術 （応用物理 ６０（１９９１），７
９０）参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしこの従来の接合
方法では、ウェハーの表面に水酸基を付与することによ
り、接触時の結合力を得ているため、この段階での強度
が小さく、熱処理により、水素結合による結合をより強
固な結合に変える必要があり、このため加熱処理が必要
であった。しかし、これらの加熱処理は微細加工された
部品を破損させる恐れがあるために、適用が制限される
ことがあった．また接合時に押し付荷重や静電引力など
による接合面での接触の促進が必要となりる接合法は、
同様に微細加工した部品の破損の可能性から適用が制限
される。このようなことから、荷重による押し付けや加
熱処理を必要としないシリコンウェハーの接合技術の開
発が望まれている。この発明は上記のごとき事情に鑑み
てなされたものであって、大きな接合強度を持ち、かつ
荷重による押し付けや加熱処理を必要としないシリコン
ウェハーの接合方法を提供することを目的とするもので
ある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明のシリコンウェハーの常温接合法は、シリコンウ
ェハーとシリコンウェハーとを接合する方法であって、
両方のシリコンウェハーの接合面を接合に先立って室温
の真空中で不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス高
速原子ビームで照射してスパッタエッチングすることを
特徴としている。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を一実施の
形態を示す図面について説明する。まずこの発明のウェ
ハー接合方法で使用するウェハー接合装置について説明
する。図１において、１はウェハー接合装置である。ウ
ェハー接合装置１は真空チャンバー２を有する。真空チ
ャンバー２のウェハー出し入れ口３は扉４によって開閉
可能である。真空チャンバー２内には対向して位置する
一対のウェハー保持部材５、６が配置されている。一方
のウェハー保持部材５は真空チャンバー２内に固定され
ており、他方のウェハー保持部材６はプッシュロッド７
の下端に取り付けられている。プッシュロッド７は真空
チャンバー２の気密を保った状態で直線移動可能で、保
持した他方のウェハー８ｂを一方のウェハー保持部材５
に保持された他方のウェハー８ａに接触させることが出
来る。
【０００６】さらに真空チャンバー２内には二つのビー
ム照射装置１１ａ、１１ｂが配置されている。一方のビ
ーム照射装置１１ａは一方のハウェハー８ａを照射する
ためのものであり、他方のビーム照射装置１１ｂは他方
のウェハー８ｂを照射するためのものである。それぞれ
のウェハーに対する照射角度は可変である。真空チャン
バー２の真空は真空排気口１２を通して、真空ポンプ
（図示せず）によって形成される。
【０００７】この様に構成されたウェハー接合装置１を
使用して、この発明のウェハー接合方法は次のようにな
される。まず接合されるウェハー８ａ、８ｂの接合面を
洗浄する。洗浄操作の内容は従来のウェハー接合技術で
使用されている処理と同じものである。洗浄、乾燥後の
ウァハー８ａ、８ｂを真空チャンバー２内に設置し、一
対のウェハー保持部材５、６に取り付ける。次に真空チ
ャンバー２内を減圧する。減圧の程度は１０-3ｔｏｒｒ
以上である。次に両方のウェハー８ａ、８ｂの接合面を
室温で不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス高速原
子ビームで１０秒から１８００秒、特に好ましくは１０
秒から３０秒照射してスパッタエッチングをする。この
発明ではこの照射時間が極めて重要な意義を有する。こ
の高圧不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス高速原
子ビームのビームソースの印加電圧とプラズマ電流は、
使用するビーム源にかなり依存するが、例えば０．１〜
３．０ｋＶ及び１〜５０ｍＡである。スパッタエッチン
グのエッチング量は１ｎｍ〜４０ｎｍである。次に照射
の後にプッシュロッド７を下げてウェハー８ａ、８ｂの
接合面を重ね合わせる。この発明では重ね合わせた両ウ
ェハーを加圧することは重要な要素ではない。これによ
ってシリコンウェハーの接合は完了する。
【０００８】
【実験例】
（実験設備）図３に示すような試料を約２０Ωcmの４イ
ンチＮ型シリコンウェハーからダイヤモンドソーで切り
出して使用した。試料は段付きのプラツトフォーム形状
に整形して接着に対するエッジの影響をなくした。この
形状は熱酸素膜をマスクとしてＫＯＨエッチングによっ
て行なった。エッチングの後、この試料を接合に先立っ
て洗浄した。洗浄操作の内容は従来のウェハー接合技術
で使用されている親水化処理と同じものである。試料を
図２に示す真空装置に設置し、真空装置内を１ｘ１０-8
ｔｏｒｒに減圧し、しかる後にＦＡＢ１１０（Ｉｏｎ
Ｔｅｃｈ Ｌｔｄ．社（英国）製）を２基ビームソース
として使用してアルゴン高速原子ビームを発生させて試
料の接合面を照射した。それぞれのビームソースの印加
電圧とプラズマ電流は１．２ｋＶ及び２０ｍＡであっ
た。ビーム照射角度は４５°、照射時間は１０秒から１
８００秒まで変化させた。
【０００９】（実験結果）図４は引っ張り試験の結果を
示す図表である。試料を真空雰囲気中に数時間おいて
も、それだけでは両者は接合しないが、わずか１０秒で
もアルゴンビームを照射した場合には両者は接合する。
最大接着強度のものは３０秒間の照射のものであった。
照射時間と接着強度の関係では、照射時間が３０秒をこ
えると３００秒照射のものまでは接着強度に大きな差は
ない。３００秒をこえるとむしろ接合強度は低下する。
この接合強度は従来法の９００〜１１００℃の加熱を必
要とする湿式法での接合強度とほとんど同じである。接
合の際には荷重の付加は必要ない。付加する荷重と接合
強度の関係を図５に示す。図５から明らかなように接合
強度は荷重０．０２５Ｍｐａ〜１．８Ｍｐａの範囲でほ
とんど変化がなく、この値は従来法の１１００℃の加熱
を必要とする湿式法で得られる接合強度とほとんど同じ
である。このことから荷重の付加は本方法の接合強度に
は大きな要素ではないことが明らかである。
【００１０】
【発明の効果】この発明のシリコンウァェハーの接合方
法ではウェハーの表面に存在する吸着ガスや自然酸化膜
などを真空中でウェハー表面をアルゴンなどの不活性ガ
スビームでエッチングすることにより除去し、表面に接
合するための結合力を付与し、ウェハーの表面が非常に
平滑であることを利用して、これを真空中で重ね合わせ
ることにより、ウェハー同志を無加熱、無加圧で接合す
ることが出来る。この発明のウェハーの接合方法では、
図６に示すように、シリコンウェハーの接合面はアルゴ
ンなどの不活性ガスビームでエッチングするため、表面
に水分子や酸化膜が存在せず、ウェハーの原子間の接合
が形成されるため、常温で強固な接合を形成することが
出来る。このため荷重による押し付けや加熱処理が破損
の原因となりうる微細加工された部品の接合にも適用す
ることが出来る。以上の説明から明らかな通り、この発
明によれば、大きな接合強度を持ち、かつ荷重による押
し付けや加熱処理を必要としないシリコンウェハーの接
合方法を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコンウェハー接合装置を示す構成説明図
【図２】シリコンウェハー接合の実験装置を示す構成説
明図
【図３】試料を示す図
【図４】引っ張り試験の結果を示す図表
【図５】付加する荷重と接合強度との関係を示す図表
【図６】この発明のシリコンウェハーの接合の原理を示
す説明図
【図７】従来のシリコンウェハーの接合の原理を示す説
明図
【符号の説明】
１ ウェハー接合装置 ２ 真空チャンバー ３ ウェハー出し入れ口 ４ 扉 ５、６ 一対のウェハー保持対部材 ７ プッシュロッド ８ａ、８ｂ ウェハー １１ａ、１１ｂ ビーム照射装置 １２ 真空排気口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 特許法第30条第１項適用申請有り ’ＲＯＯＭ ＴＥＭ ＰＥＲＡＴＵＲＥ ＢＯＮＤＩＮＧ ＯＦ ＳＩＬＩＣ ＯＮ ＷＡＦＥＲＳ ＢＹ ＴＨＥ ＳＵＲＦＡＣＥ ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ ＭＥＴＨＯＤ’ （Ｈ．ＴＡＫＡ ＧＩ ＥＴ ＡＬ）第８回日本金属学会国際シンポジウ ム（平成８年７月２日発表) 特許法第30条第１項適用申請有り 「シリコンウエハー 常温接合に成功」 （日刊工業新聞（1996年４月19 日）) 特許権者において、実施許諾の用意がある。 (72)発明者 須賀 唯知 東京都目黒区駒場四丁目６番１号 東京 大学先端科学技術研究センター内 (72)発明者 鄭 澤龍 東京都目黒区駒場四丁目６番１号 東京 大学先端科学技術研究センター内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/02

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリコンウェハーとシリコンウェハーとを
    接合する方法であって、両方のシリコンウェハーの接合
    面を接合に先立って室温の真空中で不活性ガスイオンビ
    ームまたは不活性ガス高速原子ビームで照射してスパッ
    タエッチングすることを特徴とするシリコンウェハーの
    常温接合法
  2. 【請求項２】前記照射の照射時間は１０秒から１８００
    秒であることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェ
    ハーの常温接合法
  3. 【請求項３】前記照射の照射時間は１０秒から３０秒で
    あることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェハー
    の常温接合法
  4. 【請求項４】前記不活性ガスイオンビームまたは不活性
    ガス高速原子ビームのビームソースの印加電圧は０．１
    〜３ｋＶであることを特徴とする請求項１記載のシリコ
    ンウェハーの常温接合法
  5. 【請求項５】前記スパッタエッチングのエッチング量は
    １ｎｍ〜４０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載
    のシリコンウェハーの常温接合法
  6. 【請求項６】前記真空は１０-3ｔｏｒｒ以上であること
    を特徴とする請求項１記載のシリコンウェハーの常温接
    合法
  7. 【請求項７】シリコンウェハーとシリコンウェハーとを
    接合する方法であって、両方のシリコンウェハーの接合
    面を室温の１０-3ｔｏｒｒ以上の真空中でそれぞれのビ
    ームソースの印加電圧とプラズマ電流が１．２ｋＶ及び
    ２０ｍＡの不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス高
    速原子ビームで照射時間１０秒から１８００秒照射し、
    しかる後に重ね合わせることを特徴とするシリコンウェ
    ハーの常温接合法
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