JP3624990B2 - Joining method of minute objects - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はエネルギービームを用いた微小物の接合方法に係り、特にnm(ナノメートル)又はμm(マイクロメートル)オーダの微細な試料を接合又は接着する微小物の接合技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、nm或いはμmオーダの微細な加工技術としては、主として半導体に用いられるフォトリソグラフィ技術が知られている。これは平面的な構造を有する半導体ウエハにフォトレジスト膜を塗布し、これにマスクを介して光、電子線又はエックス線等による露光を行ってフォトレジスト膜に選択的な開口部を設ける。そして、その開口部から不純物のドーピング、半導体ウエハ自体のエッチング又は成膜等の処理を行うものである。
【0003】
この様に、フォトリソグラフィ技術では、縮小露光などの技術を用いてサブミクロンレベルの加工が可能である。しかしながら、フォトリソグラフィ技術は平板状の加工面に対して、その垂直方向から光等を照射するものであり、また縮小露光等による焦点深度の関係から、加工対象物は平板状の物に限られ、しかもその加工表面が比較的平坦な物に限られる。
【0004】
ところが、最近、例えば、マイクロレンズアレイ等のμm・nmオーダーの立体的な三次元構造の微細加工物を形成するマイクロマシナリー技術が発展しつつある。このマイクロマシナリー技術においては、μm・nmのオーダの微細加工物を立体的に形成するので、上述したフォトリソグラフィ技術を適用することは一般的に困難である。
【0005】
そこで、微小な試料の接合を行なうことになるが、このような接合技術として、熱拡散接合と常温接合が挙げられる。熱拡散接合では、図16に示すように、真空容器201内で2つの試料W1,W2を密着させた後、試料を水冷のベース202の上に載せ、ヒータ203によって約1000度C程度の高温状態に置き、試料接合部の原子の拡散を起こしやすくする。拡散によって、相手試料表面から拡散浸透が起こり、接合が達成される。
【0006】
一方、比較的新しい技術として、図17に示すように、エネルギービーム源204,205から高速原子線を照射して常温接合を行うものがある。この常温接合では、2つの試料W1,W2の表面にArの高速原子線を照射して表面の清浄化及び/又は活性化を行った後に圧力を加えて接合を行なうものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の熱拡散接合では、2つの試料を接合するために高温状態を形成しなければならず、把持具を含めて、システム全体の高温耐久性や冷却システムが必要になるとともに、加熱冷却時間を含めた作業時間が長くなる。従って、作業及び設備コストが高くなる、あるいは、装置が大きくなってスペースを必要とする、などの欠点が生じる。
【0008】
また、常温接合では、接合する試料の素材や表面の状況によって必要な清浄化・活性化の程度が異なる。例えば、試料表面に酸化物などが付着している場合は、結合力が強いので表面原子の活性化が難しく、また、非金属の表面の清浄化や活性化には高いエネルギーを必要とするが、従来のArの高速原子線衝撃を利用した常温接合では、このような条件の変化に対応することが困難であり、また、エネルギー効率が悪かった。
【0009】
さらに、上記の従来の常温接合では、例えば、1つの試料の一部に他の微小な試料を接合する、あるいは試料の任意の面や場所に接合するような複雑な作業は困難であった。
【0010】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、μm・nmオーダの立体的な構造の微細構造物を形成することができる微小物の接合方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エネルギービーム源からのエネルギービームを複数の試料の表面に照射し、照射面どうしを密着させて加圧することにより両者を接合するナノメートル又はマイクロメートルオーダの微小物の接合方法において、上記エネルギービーム源として、少なくとも1対の平行平板電極を用いてイオンの加速と中性化を行なう平行平板型高速原子線源を用い、上記エネルギービームとして、上記平行平板型高速原子線源の高速原子放出用電極の高速原子放出孔の長さを制御することで、エネルギーイオンと高速原子をその比率を制御して混在させたエネルギービームを用いることを特徴とする接合方法である。
【0012】
このようなエネルギーイオンと高速原子をその比率を制御して混在させたエネルギービームは、加工又は処理の対象の材料に応じて表面の清浄化や活性化を行い、効率よく接合を行なうことができる。つまり、絶縁物にイオンを入射させると材料のチャージアップが起こるが、中性の高速原子線の照射はチャージアップの度合いを緩和する作用がある。そのため、反応性の高いエネルギーイオンをチャージアップの影響が小さい状態で試料に照射することができるため、高速原子線だけの照射に比べて、清浄化や活性化が効率的に行える。これは、表面の原子間結合力が強く、活性化しにくい材料の場合でも同様である。さらに、エネルギーイオンと高速原子線の混在率を制御したビームを用いると、反応性ガスを用いて、表面原子のターミネート状態の制御を行うことができるので、効率的な表面の活性化が可能となる。
【0013】
また、本発明は、上記エネルギービーム源として、少なくとも1対の平行平板電極を用いてイオンの加速と中性化を行なう平行平板型高速原子線源を用いることを特徴とするものである。この様なイオンの加速と中性化機構を有する平行平板型高速原子線源は、従来の高速原子線源と比べて、直進性に優れたビームを放出でき、また、平行平板電極の高速原子放出孔の長さを制御することで、中性化率を制御することができるという利点がある。
【0014】
また、本発明は、エネルギービーム源からのエネルギービームを複数の試料の表面に照射し、照射面どうしを密着させて加圧することにより両者を接合する微小物の接合方法において、上記エネルギービーム源として、放電管と、該管内にガスを供給するガス供給ノズルと、一つ以上のビーム放射孔の開いたビーム放射ノズルとを有して構成される小型エネルギービーム源を用いることを特徴とする微小物の接合方法である。
【0015】
また、本発明は、上記小型のエネルギービーム源を上記試料に近接させた状態でエネルギービーム照射を試料の一部に局所的に行なうことを特徴とするものである。
また、本発明では、接合すべき試料の少なくとも一方に、エネルギービーム照射によって照射面に接着材層を形成することを特徴とするものである。
【0016】
また、金属表面と非金属表面もしくは非金属表面同士の接合を行ってもよい。
また、非金属表面同士の接合を行う場合に、一方の表面に金属膜をコーティングしてもよい。
また、上記エネルギービーム源と上記試料の間にパターン開口部を持つ遮蔽物を配置してエネルギービームの照射を局所的に行なうようにしてもよい。
【0017】
また、反応性ガス又は反応性ガスとArなどの不反応性ガスとの混合ガスを用いたビームを用いてもよい。
また、作業領域を取り囲む位置に上記エネルギービーム源及び上記試料を取り扱う接合装置を移動可能に配置し、これら接合装置を操作することにより上記エネルギービーム源と上記試料の相対位置関係を調整しながら上記工程を行うようにしてもよい。ここで、作業領域を拡大観察しながら上記工程を行なってもよい。
【0018】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しながら説明する。
図1は、この発明の接合方法を行なう装置の一実施例を示すもので、図示しないターボポンプとロータリーポンプで真空排気されている真空容器1の中に、微小試料W1,W2を載置する2つのステージ2,2と、平行平板型高速原子線源3が設置されている。
【0019】
この平行平板型高速原子線源3は、図2に詳細に示すように、3極の平行平板型高速原子線源である。この図において、符号4は、絶縁物(セラミック)からなる外筒であり、この外筒4の上部はガスGを導入する導入路5を有する天板6で覆われ、その下側にガス導入孔7を有する板状陰極8、陽極孔9を有する板状陽極10、原子放出孔11を有する板状陰極12が順次平行に設けられている。
【0020】
この高速原子線源3においては、上流側の2枚の平板電極8,10間に高周波電界13を印加し、下流側の平板電極10,12間には直流電界を印加する。これにより、上流側の空間に高密度プラズマP1が形成され、下流側空間ではこれによる影響を受けて高密度の直流放電プラズマP2が形成される。該下流側の電極間で加速された正イオンは、高速原子放出孔11を有する陰極12に向けて加速され、該高速原子放出孔11を通過するときに残留ガス気体粒子との電荷交換を行い、中性化が行われ、高速原子線Bとなって放出される。
【0021】
この様なイオンの加速と中性化機構を有する平行平板型高速原子線源3は、従来の高速原子線源と比べて、直進性に優れたビームを放出できることと、高速原子放出孔11の長さtを制御することで、中性化率を制御することができるという利点がある。高速原子放出孔11の長さtと中性化率の関係を図3に示す。
【0022】
該平行平板型高速原子線源3では、高速原子放出用電極12の形状によって、中性化率を任意に変化できるため、試料の清浄化と活性化を効率よく実現できる。この例では、一方がガラスで一方が金属の例であるが、中性化率70%のビームを用いて、金属表面と絶縁材料であるガラスの表面の清浄化と活性化を効率よく行う。ガスとしては、Arガスまたは、Arガスに5%〜40%程度F2やSF6ガスなどのフッ素含有ガスを混入したガスを用いた高速原子線を用いる。
【0023】
この場合、金属試料とガラス試料には、それぞれ個別に高速原子線源を利用することもあり、ガスも個別に対応させて、金属試料にはArガスのビーム照射を行う。ガラスには、Arとフッ素含有ガスの混合ガスのビーム照射を行うこともある。ビームの照射後、二つの試料のビーム照射面を密着させ、加圧することにより、常温接合が達成される。
【0024】
図4は、高速原子線源3の他の例で2極平行平板型のものである。上流側の陽極10と高速原子放出孔11を有する陰極12の間に高電圧を印加してグロー放電を起こしてプラズマPを生成する。プラズマP内の正イオンが、陰極12の方向に加速されて、高速原子放出孔11の中で残留ガス粒子との電荷交換が行われて中性化が行われる。この様にして中性化された高速原子線Bが高速原子放出孔11から放出される。この例においても、高速原子放出孔11の長さtを制御することで、中性化率を制御することができる
【0025】
次に、微小物をより大きい物体に局所的に接合する方法を説明する。この場合、上述した平行平板型のエネルギービーム源を用いることもできるが、図5に示すような小型エネルギービーム源40を用いても良い。このエネルギービーム源は、パイレックスガラスもしくは石英ガラス製の放電管41に3つの電極45,46,47が取り付けてあり、中間電極46はリング形状である。下流側の電極47は、ビーム放射孔を有するビーム放射ノズル42を備えたものとなっている。上流側の電極45には、放電管41内にガスを供給するガス供給ノズル43を備えている。ビーム放射孔は、単数の場合と複数の場合がある。
【0026】
このエネルギービーム源40は、ガス種や放電電極45,46,47に印加する電圧の種類、大きさ等を変化させることにより、異なったエネルギー状態・粒子種のビームを形成することができる。そして、上記のようなマニピュレータにより操作されて、エッチング・成膜・接合・接着等を、試料の任意の場所に行うことができる。
【0027】
次に、上記のエネルギービーム源を用いて接合作業を行なうための作業装置Aを、図6により説明する。この装置は、中央の作業領域に置かれた支持台101と、これを取り囲む第1の空間領域に設置された把持装置102及びエネルギービーム源40と、さらにこれを取り囲む第2の空間領域に設置された一対の拡大観察装置(走査型2次電子顕微鏡)104,105とを備えている。
【0028】
支持台101は基台106の中央に設置され、この支持台101はXYZステージを具備して水平面内及び垂直方向に並進移動可能になっている。基台106上の上記支持台101を取り囲む位置には一対の半円弧状の(第1の)レール107,108が向き合って設けられ、これにはスライダ109,110が摺動可能に取り付けられている。それぞれのスライダ109,110には所定の長さの円弧状の支柱111,112が立設され、これらの支柱111,112にはさらにスライダ113,114が設けられている。これらのスライダ113,114には、被加工物W1 を把持して操作するマニピュレータ(把持装置)102及びエネルギービーム源40がそれぞれ設けられている。
【0029】
基台106上の上記第1のレール107,108のさらに外側には、一対の第2のレール115,116が第1のレール107,108と同心円状に設けられ、これにはそれぞれスライダ117,118が摺動可能に取り付けられている。それぞれのスライダ117,118には所定の長さの円弧状の支柱119,120が立設され、これらの支柱119,120にはさらにスライダ121,122が設けられ、これらには、作業領域を視野に含むように電子顕微鏡104,105(拡大監視装置)が設けられている。これらの支柱119,120のうち、一方は作業領域の頂部まで延びており、直上から作業領域を観察できるようになっている。それぞれのスライダ109,110,113,114,117,118,121,122には、モータなど所定の駆動機構が組み込まれており、外部からの遠隔操作により所定の位置に移動可能となっている。
【0030】
このような作業装置Aとエネルギービーム源40を用いて上記の接合操作を行なうには、まず、2つの微小物W1,W2を支持台101の上に置いておく。そして、エネルギービーム源40を第2のマニピュレータ103で把持し、一方の微小物W1上に移動して、図7(A)に示すようにビーム照射を行なう。微小物W1は、Si,GaAs等の半導体材料、金属材料、セラミックス或いはポリイミド樹脂等の絶縁材料等が用いられる。これにArガスを用いた高速原子線Bを照射する。次いで、スライダ114を駆動してビーム源40を支持台101上の他方の試料W2上に移動し、第1のマニピュレータ102でマスク31を把持し、図7(B)に示すように、微小物W2の一部に同様にArガスの高速原子線Bを照射する。
【0031】
本実施例では微小物W1を接合する部分にのみ高速原子線を照射するため、パターン穴のあいたマスク31を用いて、接合を行いたい部分のみに高速原子線Bを照射する。第2のマニピュレータ103は、この間に他方の試料を反転させておき、そして、ビーム照射が終わったところで、図7(C)に示すように試料W2の照射部位32の上に載せ、必要に応じて力を加えて接合を行なう。エネルギービームBの照射を行った部分は、表面の付着物や酸化層が除去され、原子・分子層が露出しており、押圧することにより両者は接合する。
【0032】
通常、微小物W1,W2のどちらか若しくは片方の接合面が金属である場合には、この様にAr等の不活性ガス粒子の高速原子線照射を行うことにより接合が可能である。また、接合面が例えばセラミックス等の非金属である場合には、化学反応性ガス粒子の高速原子線の照射を行い、接合表面の原子間結合状態の制御を行うことにより、接合が可能である。
【0033】
図8は、本発明の他の実施例の微小物の接合方法を示すもので、エネルギービーム源からのエネルギービームを微小物の表面に照射してその照射面に接着材層を形成するものである。図8(A)では、微小物W1の一面に、接着性を有するガス粒子、クラスターなどの高速原子線ビームBを用いて接着材層35を形成する。次に図8(B)に示すように、微小物W2の一部にパターン穴のあいたマスク31を用いて、接着を行いたい部分のみにArガスの高速原子線を照射して表面のクリーニングを行う。
【0034】
次に、図8(C)に示すように微小物W2の接着部位36に、接着材層35を被着した微小物W1を載置する。微小物W1,W2の取扱いはマニュピレーションシステムと電子顕微鏡或いは光学顕微鏡の拡大観察機能により行う。そして、二つの試料のハンドリングを行い、接着部を密着させて加圧を行って接着を達成する。
【0035】
エネルギービームとしては、例えば接着性を有する高分子ガス粒子などを用いたラジカルビーム、或いは低エネルギー高速原子線が好適である。この他に、エネルギービームとして、イオンビーム、電子ビーム、エックス線等の電磁波ビームが、被加工物或いは接着性のある材料との組合せにおいては有効に用いられ、このように本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能である。
【0036】
図9は、上記の工程を繰り返して作成された半導体素子の実施例であり、この例では、Si試料のマザーチップ(微小物)W1に5つの微小試料W2〜W6を接合している。試料W2は、Siの微小試料である。これを接合するときは、Arガスを用いた平行平板型高速原子線源3からのビームにより、マザーチップW1と該微小Siチップの接合を第一番目に行う。試料W3はAl材質であり、Arガスを用いた小型エネルギービーム源40を用いて微小試料W3とマザーチップW1の局所の清浄と活性化を行う。そのために、パターンマスク31を用いてマザーチップW1の微小試料W3の接合場所だけを清浄化及び活性化を行っている。これは、マザーチップW1には既に電気回路やセンサ機能が設けられており、接合部以外の配線等にエネルギービームの照射が行われると、ダメージが生じて機能が損なわれるからである。
【0037】
微小試料W4とW6はガラス試料であり、微小試料W5はセラミックである。これらの内、微小試料W4とW5の接合では、Arとフッ素ガスの混合ガスを用いた小型エネルギービーム源40または、平行平板型高速原子線源3が用いられて、必要に応じてパターンマスク31を用いてビーム照射場所の選択を行っている。さらに、微小試料W6は、ガラスであり、微小試料W4とW6の接合を行うため、Arとフッ素含有ガスの混合ガスを用いた平行平板型高速原子線源3又は、小型エネルギービーム源40を用いて、接合面の清浄化と活性化を行い、接合を行った。又、このとき、平行平板型高速原子線源3や小型エネルギービーム源40の印可電圧は1kV〜5kVの間で用いられている。
【0038】
このとき、操作者は拡大観察装置(電子顕微鏡)105の画面と、肉眼での視野の双方を適宜観察しつつ駆動機構を作動させて上記操作を行なう。拡大観察装置105としては、光学顕微鏡、レーザ顕微鏡など適宜の観察装置を用いてもよく、また目的に応じてこれらを組み合わせた複数を用いてもよい。また、上記では1つのビーム源を用いたが、2つのビーム源を用いると2つの試料に同時に照射を行なうことができ、照射から接合までの時間が短縮される。この様に、本発明を用いると従来困難であった複数の複雑形状の接合や異種材質試料の接合を効率よく同じ真空中で可能となる。
【0039】
エネルギービーム源40としては、図10に示すように、放電管41の中央部に、コイル48が設置してあり、中間電極に相当するコイル48に高周波電圧を印加して放電管41内にプラズマを発生することで、容量型よりも高密度のプラズマを発生するものを用いても良い。また、図11に示す実施例では、中間の電極がリング形状の電極46もしくはコイル48であり、いずれにも高周波電圧が印加され、他の電極45,47は、アースに導通している。上流側電極45のガス供給ノズル43よりラジカル粒子を形成する原料ガスが導入され、高周波放電によりプラズマが放電管41内に形成される。プラズマ中のラジカル粒子がビーム放射ノズル42内外の圧力差により加速されてビーム放射ノズル42より放出され、その下流側に配置された試料に照射される。このように、上流側と下流側の電極45,47を接地して、中間電極46,48に高周波電圧を印加して、且つ印加電圧を制御することにより、ラジカル粒子を放出することができる。
【0040】
図12及び図13は、ビーム発生源40が試料W1,W2の上に焦点を結ぶように収束ビームを発生するものである。これらの例では、上流側の電極45及びビーム放出電極47の形状を工夫しているものである。例えば、図12では、収束点を中心とする球面状に電極表面45a,47aの形状を加工し、その表面にビーム放出孔を設けてある。このような構成においては、荷電粒子が平行に加速されてビームとして取り出される場合に比べて、ビームの密度が高くなるとともに、照射範囲を限定することができる。従って、図12に示すように、2つの試料W1,W2を比較的近い位置に近接して置いて順次照射を行った後、これらを大きく移動することなく照射面の活性状態を維持したままで接合させることができる。
【0041】
図12のような構成において、ビーム放出電極47aの球面状表面の作製が困難である場合は、図13に示すように、ビーム放出電極47aを先鋭化することもできる。これによっても、電界が集中しやすくなって、イオンの加速方向が、先鋭化した部分に集中し、ビームが収束する。
【0042】
図14はこの発明に用いるエネルギービーム源50の他の実施例を示すもので、この装置は、微小領域にプラズマPを発生して局所的な処理を行なうことができるものである。すなわち、大径管51の先端に、内部にプラズマを保持する細管(プラズマ保持室)52が設けられ、その基端に電極53が設置され、先端には少なくとも2方向にエネルギービームを放出する放出孔54が形成されている。
【0043】
このエネルギービーム源50によって接合を行なうには、マニピュレータを使って2つの微小物W1,W2を近接して所定角度開いた状態で支持し、その間にやはりマニピュレータでエネルギービーム源を支持してその先端を試料の間に挿入する。そして、両方の試料に同時にエネルギービームを照射し、ビーム源50を待避させた後、2つの試料W1,W2を接合する。このエネルギービーム源50によれば、1つのエネルギービーム源で2つの試料を同時にしかも近接させた状態でビーム照射することができるので、照射から接合までの時間が短縮される。従って、照射面の活性を低下させることなく、強固な接合が行われる。
【0044】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によればμm・nmオーダの微小物を接合・接着することが可能となるので、マイクロレンズアレイ、マイクロマシナリー等において多様な構造の接合が可能となり、産業界に新たな製造技術を提供する意義が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の微小物の接合方法の説明図である。
【図2】本発明の微小物の接合方法を実施するためのエネルギービーム源の実施例である。
【図3】図2のエネルギービーム源の中性化率特性を示すグラフである。
【図4】本発明の微小物の接合方法を実施するためのエネルギービーム源の他の実施例である。
【図5】本発明の微小物の接合方法を実施するための小型エネルギービーム源の実施例である。
【図6】本発明の微小物の接合方法を実施するための作業装置を示す斜視図である。
【図7】本発明の微小物の接合方法を示す図である。
【図8】本発明の微小物の接合方法の他の実施例を示す図である。
【図9】本発明の微小物の接合方法の他の実施例を示す図である。
【図10】本発明の微小物の接合方法を実施するための小型エネルギービーム源の他の実施例である。
【図11】本発明の微小物の接合方法を実施するための小型エネルギービーム源の他の実施例である。
【図12】本発明の微小物の接合方法を実施するための小型エネルギービーム源の他の実施例である。
【図13】本発明の微小物の接合方法を実施するための小型エネルギービーム源の他の実施例である。
【図14】本発明の微小物の接合方法を実施するための小型エネルギービーム源の他の実施例である。
【図15】本発明の微小物の接合方法を実施するための小型エネルギービーム源の他の実施例である。
【図16】従来の微小物の接合方法の例である。
【図17】従来の微小物の接合方法の例である。
【符号の説明】
W1,W2・・・・W6 微小物
3 平行平板型高速原子線源
40,50 小型エネルギービーム源
B エネルギービーム
30,32 接合面
35 接着材層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for joining minute objects using an energy beam, and more particularly to a technique for joining minute objects for joining or adhering minute samples of the order of nm (nanometers) or μm (micrometers).
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a photolithography technique mainly used for semiconductors is known as a fine processing technique of the order of nm or μm. In this method, a photoresist film is applied to a semiconductor wafer having a planar structure, and this is exposed to light, an electron beam, an X-ray, or the like through a mask to provide a selective opening in the photoresist film. Then, processing such as impurity doping, etching or film formation of the semiconductor wafer itself is performed from the opening.
[0003]
Thus, in the photolithography technique, sub-micron level processing is possible using techniques such as reduction exposure. However, the photolithography technique irradiates a flat processing surface with light or the like from the vertical direction, and the processing object is limited to a flat processing object due to the depth of focus due to reduction exposure or the like. Moreover, the processed surface is limited to a relatively flat object.
[0004]
However, recently, a micro-machinery technology for forming a micro-processed product having a three-dimensional three-dimensional structure on the order of μm / nm such as a microlens array has been developed. In this micromachinery technology, a micro-processed product of the order of μm · nm is three-dimensionally formed, so that it is generally difficult to apply the above-described photolithography technology.
[0005]
Therefore, a minute sample is joined. Examples of such joining techniques include thermal diffusion joining and room temperature joining. In the thermal diffusion bonding, as shown in FIG. 16, after two samples W 1 and W 2 are brought into close contact with each other in a
[0006]
On the other hand, as a relatively new technique, as shown in FIG. 17, there is a technique for performing room temperature bonding by irradiating high-speed atomic beams from
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional thermal diffusion bonding, a high temperature state must be formed in order to join two samples, and a high temperature durability and cooling system of the entire system including a gripping tool is required. Work time including heating and cooling time becomes longer. Therefore, there are disadvantages such as high work and equipment costs, or large equipment and space.
[0008]
In room temperature bonding, the required degree of cleaning / activation differs depending on the material of the sample to be bonded and the surface condition. For example, when an oxide or the like is attached to the sample surface, it is difficult to activate surface atoms because of its strong bonding force, and high energy is required for cleaning and activating non-metallic surfaces. In conventional room temperature bonding using high-speed Ar beam bombardment of Ar, it is difficult to cope with such a change in conditions and the energy efficiency is poor.
[0009]
Furthermore, in the above-described conventional room temperature bonding, for example, a complicated operation such as bonding another minute sample to a part of one sample or bonding to an arbitrary surface or place of the sample is difficult.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for joining minute objects capable of forming a microstructure having a three-dimensional structure on the order of μm · nm.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a method for joining nanometer or micrometer-order micro objects that irradiate the surfaces of a plurality of samples with an energy beam from an energy beam source, and pressurize the irradiated surfaces in close contact with each other. as the energy beam source, using a parallel plate type fast atom beam source for the acceleration and neutralization of ions with at least one pair of parallel plate electrodes, as the energy beam, high speed of the parallel plate fast atom beam source This is a bonding method characterized by using an energy beam in which energetic ions and fast atoms are mixed at a controlled ratio by controlling the length of the fast atom ejection hole of the atom ejection electrode .
[0012]
An energy beam in which such energetic ions and fast atoms are mixed at a controlled ratio can be cleaned and activated according to the material to be processed or processed, and can be bonded efficiently. . That is, when ions are incident on the insulator, the material is charged up, but irradiation with a neutral high-speed atomic beam has a function of reducing the degree of charge-up. For this reason, since the sample can be irradiated with highly reactive energy ions in a state where the influence of charge-up is small, cleaning and activation can be performed more efficiently than irradiation with only a fast atomic beam. This is the same even in the case of a material that has a strong interatomic bonding force on the surface and is difficult to activate. Furthermore, if a beam with controlled mixing ratio of energetic ions and fast atomic beams is used, the reactive state can be used to control the termination state of surface atoms, enabling efficient surface activation. Become.
[0013]
Further, the present invention is as the energy beam source, and is characterized in the use of parallel plate fast atom beam source for the acceleration and neutralization of ions with at least one pair of parallel plate electrodes. The parallel plate type fast atomic beam source with such an ion acceleration and neutralization mechanism can emit a beam that is superior to the conventional fast atom beam source, and the parallel plate electrode has a fast atom beam. There is an advantage that the neutralization rate can be controlled by controlling the length of the discharge hole.
[0014]
Further, the present invention provides a method for joining minute objects by irradiating the surfaces of a plurality of specimens with an energy beam from an energy beam source and bringing the irradiated surfaces into close contact with each other to pressurize them. A small energy beam source comprising a discharge tube, a gas supply nozzle for supplying gas into the tube, and a beam radiation nozzle having one or more beam radiation holes. This is a method for joining objects.
[0015]
Further, the present invention is characterized in locally performing the energy beam irradiation to the portion of the sample in a state in which the small energy beam source is brought close to the sample.
In the present invention, at least one of the sample to be joined, is characterized in that to form an adhesive layer on the irradiated surface by the energy beam irradiation.
[0016]
Further, the metal surface and the non-metal surface or non-metal surfaces may be joined.
Moreover, when joining nonmetallic surfaces, you may coat a metal film on one surface.
It is also possible to locally rows that Migihitsuji irradiation of the energy beam by disposing a shield having a pattern opening between said energy beam source and the sample.
[0017]
Alternatively, a beam using a reactive gas or a mixed gas of a reactive gas and an unreactive gas such as Ar may be used.
In addition , a bonding apparatus that handles the energy beam source and the sample is movably disposed at a position that surrounds the work area, and by operating these bonding apparatuses, the relative positional relationship between the energy beam source and the sample is adjusted. step may be in the line Migihitsuji a. Here, the above process may be performed while observing the work area in an enlarged manner.
[0018]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows an embodiment of an apparatus for performing the joining method of the present invention, in which micro samples W 1 and W 2 are placed in a vacuum vessel 1 evacuated by a turbo pump and a rotary pump (not shown). Two
[0019]
This parallel plate type fast
[0020]
In the fast
[0021]
The parallel plate type fast
[0022]
In the parallel plate type fast
[0023]
In this case, a high-speed atomic beam source may be used for each of the metal sample and the glass sample, and Ar gas beam irradiation is performed on the metal sample in correspondence with each gas. The glass may be irradiated with a mixed gas of Ar and fluorine-containing gas. After irradiation with the beam, the beam irradiation surfaces of the two samples are brought into close contact with each other and pressed to achieve room temperature bonding.
[0024]
FIG. 4 shows another example of the fast
Next, a method for locally bonding a minute object to a larger object will be described. In this case, the above-described parallel plate type energy beam source can be used, but a small
[0026]
The
[0027]
Next, a working apparatus A for performing the joining work using the energy beam source will be described with reference to FIG. This apparatus is installed in a
[0028]
The
[0029]
A pair of
[0030]
In order to perform the above-described joining operation using the working apparatus A and the
[0031]
In the present embodiment of irradiating only the fast atom beam in a portion joining the minute substances W 1, using a
[0032]
Usually, when either one of the minute objects W 1 and W 2 or one of the bonding surfaces is a metal, bonding can be performed by irradiating an inert gas particle such as Ar with high-speed atomic beam. In addition, when the bonding surface is a non-metal such as ceramics, bonding is possible by irradiating a fast reactive atomic beam of chemically reactive gas particles and controlling the bonding state between atoms on the bonding surface. .
[0033]
FIG. 8 shows a method for joining micro objects according to another embodiment of the present invention, in which an energy beam from an energy beam source is irradiated on the surface of the micro object to form an adhesive layer on the irradiated surface. is there. In FIG. 8 (A), on one surface of the fines W 1, gas particles having adhesion, using a fast atom beam B such clusters to form an
[0034]
Then, the
[0035]
As the energy beam, for example, a radical beam using adhesive polymer gas particles or the like, or a low energy high-speed atomic beam is preferable. In addition, an electromagnetic beam such as an ion beam, an electron beam, or an X-ray is effectively used as an energy beam in combination with a workpiece or an adhesive material, and thus departs from the spirit of the present invention. Various alternative embodiments are possible without.
[0036]
FIG. 9 shows an example of a semiconductor device formed by repeating the above-described steps. In this example, five micro samples W 2 to W 6 are bonded to a Si sample mother chip W 1. Yes. Sample W 2 is a micro-sample of Si. When joining this, the beam from the parallel-plate fast
[0037]
Micro sample W 4 and W 6 being a glass sample, the micro sample W 5 is a ceramic. Of these, the small
[0038]
At this time, the operator performs the above operation by operating the drive mechanism while appropriately observing both the screen of the magnification observation apparatus (electron microscope) 105 and the visual field with the naked eye. As the
[0039]
As the
[0040]
12 and 13 generate the convergent beam so that the
[0041]
In the configuration as shown in FIG. 12, when it is difficult to produce a spherical surface of the beam emission electrode 47a, the beam emission electrode 47a can be sharpened as shown in FIG. This also makes it easier for the electric field to concentrate, and the acceleration direction of ions concentrates on the sharpened portion, and the beam converges.
[0042]
FIG. 14 shows another embodiment of the
[0043]
In order to perform the joining by the
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to bond and bond microscopic objects on the order of μm / nm. Therefore, it is possible to bond various structures in microlens arrays, micromachineries, etc. It is significant to provide new manufacturing technology.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram of a method for bonding micro objects according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an embodiment of an energy beam source for carrying out the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a neutralization rate characteristic of the energy beam source of FIG. 2;
FIG. 4 is another embodiment of an energy beam source for carrying out the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 5 is an example of a small energy beam source for carrying out the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing a working device for carrying out the method for joining micro objects according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a method for joining minute objects according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing another embodiment of the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 10 is another embodiment of a small energy beam source for carrying out the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 11 is another embodiment of a small energy beam source for carrying out the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 12 is another embodiment of a small energy beam source for carrying out the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 13 is another embodiment of a compact energy beam source for carrying out the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 14 is another embodiment of a compact energy beam source for carrying out the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 15 is another embodiment of a small energy beam source for carrying out the method for bonding micro objects according to the present invention.
FIG. 16 is an example of a conventional method for joining minute objects.
FIG. 17 is an example of a conventional method for joining minute objects.
[Explanation of symbols]
W 1 , W 2 ... W 6
Claims (8)
上記エネルギービーム源として、少なくとも1対の平行平板電極を用いてイオンの加速と中性化を行なう平行平板型高速原子線源を用い、
上記エネルギービームとして、上記平行平板型高速原子線源の高速原子放出用電極の高速原子放出孔の長さを制御することで、エネルギーイオンと高速原子をその比率を制御して混在させたエネルギービームを用いることを特徴とする接合方法。In the method of joining nanometer or micrometer order micro objects that irradiate the surface of a plurality of specimens with an energy beam from an energy beam source, and pressurize the irradiated surfaces in close contact with each other.
As the energy beam source, a parallel plate type fast atomic beam source that accelerates and neutralizes ions using at least one pair of parallel plate electrodes,
As the energy beam, by controlling the length of the fast atom emission hole of the fast atom emission electrode of the parallel plate fast atom beam source, the energy beam is a mixture of energy ions and fast atoms mixed at a controlled ratio. A bonding method comprising using
上記エネルギービームとして、上記平行平板型高速原子線源の高速原子放出用電極の高速原子放出孔の長さを制御することで、エネルギーイオンと高速原子をその比率を制御して混在させたエネルギービームを用い、
上記エネルギービーム源からのエネルギービームを複数の試料の表面に照射し、照射面どうしを密着させて加圧することにより両者を接合することを特徴とするナノメートル又はマイクロメートルオーダの微小物の接合方法。As picture Nerugi over beam source, using a parallel plate type fast atom beam source for the acceleration of the ions and neutralized with at least one pair of parallel plate electrodes,
As the energy beam, by controlling the length of the fast atom emission hole of the fast atom emission electrode of the parallel plate fast atom beam source, the energy beam is a mixture of energy ions and fast atoms mixed at a controlled ratio. Use
A method for joining nanometer- or micrometer-order microscopic objects characterized by irradiating the surfaces of a plurality of specimens with an energy beam from the energy beam source and bonding the irradiated surfaces together to pressurize them. .
上記エネルギービーム源として、放電管と、該管内にガスを供給するガス供給ノズルと、一つ以上のビーム放射孔の開いたビーム放射ノズルとを有して構成される小型エネルギービーム源を用い、
エネルギービームとして、エネルギーイオンと高速原子をその比率を制御して混在させたエネルギービームを用いることを特徴とする微小物の接合方法。In the method of joining nanometer or micrometer order micro objects that irradiate the surface of a plurality of specimens with an energy beam from an energy beam source, and pressurize the irradiated surfaces in close contact with each other.
As the energy beam source, a small energy beam source configured to include a discharge tube, a gas supply nozzle for supplying a gas into the tube, and a beam radiation nozzle having one or more beam radiation holes ,
As the energy beam, the joining method of minute substances characterized by Rukoto using energy ions and fast atom energy beams are mixed by controlling the ratio.
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