JP4473336B2

JP4473336B2 - 接合方法

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Publication number: JP4473336B2
Application number: JP2009096951A
Authority: JP
Inventors: 習一庄子; 潤水野; 克幸佐久間
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2029-04-13
Also published as: JP2009239288A

Description

本発明は、接合方法に関し、特に表面をエキシマ紫外光によって活性化する手法を用いて基板同士を接合する方法に関するものである。

半導体、ガラス又はセラミックス等の材料を用いた基板同士の接合において、当該基板に形成された接合部の表面（以下、接合面という）に有機物系の物質（以下、有機物という）が付着する有機物汚染は、接合反応の妨げとなり、接合後には、界面にボイド等の接合不良を発生させる原因となる。このため通常は、接合に際して、接合面を硫酸過水で洗浄する等、こうした有機物を除去する洗浄処理が前もって通常行なわれる。

ところが、洗浄後の基板を大気中に暴露させたまま放置すると、空気中に含まれる水分と共に有機物が当該基板の接合面に吸着し、接合面が再び汚染されてしまう。また、シリコンや多くの金属材料は大気中の酸素と反応して接合面に酸化膜を形成する。この酸化膜も、接合反応を阻害する要因となる。

これに対し、一般的に、接合面に存在する有機物や酸化膜を除去して接合反応を進行させるため、基板を数百度に加熱する方法が行なわれている。しかし、接合する基板同士の熱膨張係数が大きく異なる場合、接合後の基板に反りや歪みあるいは割れといった問題が生じる。同様に、加熱による基板の熱膨張は基板同士の位置合わせ精度に影響を及ぼし、位置ずれの問題を引き起こす。また、基板に構造物が形成されている場合、構造物で使われている材料によっては加熱可能な温度が制限される場合が多いので、その結果、接合材料や接合方法が限定されるという問題がある。

こうした問題を解決するため、超高真空下で基板にアルゴンビーム等を照射して表面を清浄化し、その状態を保持しながら常温で接合を行う方法（非特許文献１）が提唱されている。また、水素やギ酸といった還元作用のある物質を用いて接合面の酸化膜を除去する方法も行われている（特許文献１、非特許文献２）。

特開２００２−２７０６０９号公報

表面科学、Vol. 26, No. 2, pp. 82―87, 2005 エバラ時報、No.218（2008-1）pp.40-44

しかしながら、上記非特許文献１でも、超高真空状態を発生させるための設備が大掛かりになりコストがかかることや、設備の保守点検が容易でなく時間がかかることなど、製品の生産設備として解決すべき課題が残されている。

また、上記特許文献１又は非特許文献２でも、十分な反応速度を得るためには基板をある程度加熱することが必要である。

そこで、本発明は、上記した問題点に鑑み、室温でも接合面を洗浄することができ、容易に基板同士を接合できる接合方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、第１の基板の一側表面に形成された第１の接合部、及び、第２の基板の一側表面に形成された第２の接合部の少なくとも一方に対して、化学的処理を行う前処理ステップと、前記第１の接合部と前記第２の接合部とを接触させて接合する基板接合ステップとを備える接合方法であって、前記前処理ステップは、エキシマ紫外光を照射することにより酸素を励起して第１の洗浄ガスを生成する第１のガス生成ステップと、前記第１の接合部及び前記第２の接合部に対し前記紫外光を照射せずに前記第１の洗浄ガスで前記第１の接合部及び前記第２の接合部に付着した有機物を除去する洗浄処理ステップとを有することを特徴とする。

本発明の請求項２に係る発明は、前記洗浄処理ステップは、酸素濃度が１０％〜１００％の雰囲気下で行うことを特徴とする。

本発明の請求項３に係る発明は、前記前処理ステップが、前記紫外光を照射することにより還元性ガスを励起して第２の洗浄ガスを生成する第２のガス生成ステップと、前記第２の洗浄ガスを前記第１の基板及び前記第２の基板に導入し、前記第１の接合部及び前記第２の接合部に形成された酸化膜を除去する酸化膜除去ステップとを有することを特徴とする。

本発明の請求項４に係る発明は、前記還元性ガスが、ギ酸又は水素を含有することを特徴とする。

本発明の請求項５に係る発明は、前記紫外光の波長が３０８ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項１に係る発明によれば、第１の洗浄ガスを処理室内に供給することにより、室温でも第１の接合部及び第２の接合部から有機物を除去することができ、超高真空又は高温下で洗浄する従来に比べ、その分設備を簡略化できるので、容易に基板同士を接合することができる。

本発明の請求項１に係る発明によれば、紫外光で効率よく酸素を励起できるので、より効率的に有機物を除去することができる。

本発明の請求項１に係る発明によれば、紫外光を直接接合部に照射せずに有機物を除去することができるので、基板に与える影響を小さくすることができると共に、装置の構成を簡略化できる。

本発明の請求項２に係る発明によれば、より効率的に有機物を除去することができるので、より確実に基板同士を接合することができる。

本発明の請求項３に係る発明によれば、酸化膜を除去することができるので、より確実に基板同士を接合することができる。

本発明の請求項４に係る発明によれば、より確実に酸化膜を除去することができる。

本発明の請求項５に係る発明によれば、汎用性の高い紫外光を使用することができるので、その分設備を簡略化できるので、容易に基板同士を接合することができる。

本発明の第１実施形態に係る接合装置の全体構成を模式的に示す縦断面図であり、（Ａ）前処理を行っている状態、（Ｂ）接合を行っている状態を示す図である。本発明の第１実施形態に係る基板の部分的な構成を示す縦断面図である。本発明の第２実施形態に係る接合装置の全体構成を模式的に示す縦断面図であり、（Ａ）前処理を行っている状態、（Ｂ）接合を行っている状態を示す図である。本発明の第３実施形態に係る接合装置の全体構成を模式的に示す縦断面図である。本発明の実施例に係る実験装置の構成を模式的に示す縦断面図である。本発明の実施例に係る洗浄処理前と、洗浄処理を１０分間行った後のＳｎＣｕで構成した第１の接合部及びＡｕで構成した第２の接合部の表面の接触角を比較したグラフである。本発明の実施例に係る第２の接合部において洗浄処理を行っている時間と、接触角との関係を示すグラフである。本発明の実施例に係る洗浄処理後の経過時間と接触角との関係を示すグラフである。本発明の実施例に係る第１の接合面（Ｓｎ）におけるＣ１ｓスペクトル（Ａ）とＳｎ３ｄ_５／２スペクトル（Ｂ）である。本発明の実施例に係る第２の接合面（Ａｕ）におけるＣ１ｓスペクトル（Ａ）とＡｕ４ｆスペクトル（Ｂ）である。本発明の実施例に係る原子間力顕微鏡による第２の接合面（Ａｕ）の測定画像であり、（Ａ）洗浄処理前、（Ｂ）洗浄処理後の画像である。本発明の実施例に係る原子間力顕微鏡による第１の接合面（Ｓｎ）の測定画像であり、（Ａ）洗浄処理前、（Ｂ）洗浄処理後の画像である。

（１）第１実施形態
（Ａ）全体構成
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。

図1に示す接合装置１は、処理室としてのチャンバー２と、当該チャンバー２内に設けられ基板３を設置するステージ４と、前記チャンバー２に連通されたガス導入路５及びガス排出路６とを備える。この接合装置１は、接合前に基板３の表面に対し化学的処理、すなわち、ガス導入路５から供給される洗浄ガスによって基板３の表面を洗浄し、洗浄後直ちに当該基板３同士を接合し得るように構成されている。

ステージ４は、第１のステージ4aと、当該第１のステージ4aに対向して設けられた第２のステージ4bとからなる。第１のステージ4aは、圧接部として伸縮自在に構成されたシリンダー７に接続され、当該シリンダー７が伸縮することにより前記第２のステージ4bに向かって進退可能に設けられている。

本実施形態の場合、第１のステージ4aと第２のステージ4bとは、チャンバー２内において上下に配置され、第１のステージ4aが上下方向に移動可能に設けられている。すなわち、チャンバー２の天部2aには、貫通穴８が形成されており、当該貫通穴８にシリンダー先端部7aが挿通されている。第１のステージ4aは、前記シリンダー先端部7aに固定されている。また、第２のステージ4bは、第１のステージ4aの下方に配置され、チャンバー２の底部2bに固定されている。

基板３は、第１の基板3aと第２の基板3bとからなり、半導体で形成されている。第１の基板3aは、図2に示すように、一側表面に形成された第１の接合部10を第２の基板3bに対向させて第１のステージ4aに設置されている。また、第２の基板3bは、一側表面に形成された第２の接合部11を第１の基板3aに対向させて第２のステージ4bに設置されている。尚、本実施形態の場合、第１の基板3a及び第２の基板3bは、ウェーハから所定サイズに切り出したチップサイズのＳｉ基板からなる。

第１の接合部10と第２の接合部11は、金属、例えば、ＳｎＣｕや、Ａｕで構成することができる。第１の基板3aは、一側表面上にＴｉ薄膜12が所定厚さで形成されており、当該Ｔｉ薄膜12上に第１の接合部10としてのＣｕ薄膜13及びＳｎ薄膜14が順に形成されている。第２の基板3bは、一側表面上にＴｉ薄膜15、Ｃｕ薄膜16、Ｎｉ薄膜17が順に所定厚さで形成されており、当該Ｎｉ薄膜17上に第２の接合部11としてのＡｕ薄膜18が形成されている。

ガス導入路５は、洗浄ガスとしての第１の洗浄ガス及び第２の洗浄ガスの一方を選択的にチャンバー２内へ供給し得るように構成されている。このガス導入路５は、図示しないが酸素ガスを供給する手段と、還元性ガスを供給する手段とにバルブを介して接続されている。

本実施形態に係る接合装置１は、図1に示すように、ガス導入路５に紫外光照射部20が設けられており、供給される酸素ガス又は還元性ガスを紫外光照射部20によって励起して第１の洗浄ガス又は第２の洗浄ガスを生成し得るように構成されている。紫外光照射部20は、図示しないが、エキシマランプが設けられている。エキシマランプは、例えば、石英ガラスで構成された放電容器中にキセノンガスなどの放電ガスが充填されている。紫外光照射部20では、上記キセノンガスを用いることにより、波長１７２ｎｍのエキシマ紫外光を得ることができる。また、一般的に、エキシマ紫外光の波長は、放電ガスとして、アルゴンガスを用いると１２６ｎｍ、クリプトンを用いると１４６ｎｍ、塩化クリプトンを用いると２２２ｎｍ、塩化キセノンを用いると３０８ｎｍを得ることができる。

接合装置１は、ガス導入路５内を流れる酸素ガスに所定の波長のエキシマ紫外光を照射し、当該酸素ガスを活性化して、第１の洗浄ガスを生成し、当該第１の洗浄ガスをチャンバー２内へ供給し得るように構成されている。第１の洗浄ガスを構成する活性酸素には、例えば、スーパーオキシドアニオン（Ｏ_２ ⁻）や、オゾン（Ｏ_３）が含まれる。この場合、ガス導入路５は、紫外光照射部20を固定する部分がエキシマ紫外光を透過させ得る透明な部材で構成される。本実施形態場合、第１の洗浄ガスを供給した場合のチャンバー２内の酸素濃度は、有機物を効率よく燃焼させるため、高いことが望ましく、１０％〜１００％であることがより好ましい。

また、接合装置１は、ガス導入路５内を流れる還元性ガスに紫外光照射部20によって所定の波長のエキシマ紫外光を照射し、当該還元性ガスを励起して、第２の洗浄ガスを生成し、当該第２の洗浄ガスをチャンバー２内へ供給し得るように構成されている。本実施形態の場合、還元性ガスとしては、種々のものを選択することができるが、例えば、ギ酸や希釈水素（水素濃度４％）などを用いることができる。

本実施形態では、紫外光照射部20をガス導入路５に設けたことにより、エキシマ紫外光がチャンバー２内の基板３に直接照射されるのを抑制できる。従って、エキシマ紫外光が照射されることによる基板３に与える影響は小さいので、エキシマ紫外光の波長は、特に限定されるものではないが、例えば、１５０ｎｍ〜３０８ｎｍ程度とすることができる。

また、ガス排出路６には、図示しない真空ポンプが連通されており、当該真空ポンプにより、チャンバー２内の気体を排気し得るように構成されている。

また、チャンバー２、第１のステージ4a及び第２のステージ4bは、図示しないヒータを設け、チャンバー２内、及びチャンバー２内に設置された基板３を所定温度に加熱し得るように構成してもよい。これにより、第２の洗浄ガスを供給して酸化膜を除去する場合や、基板３同士を接合する場合に、第１の基板3a及び第２の基板3bを所定温度に加熱してもよい。

（Ｂ）動作及び効果
次に、上記のように構成された接合装置１の動作及び効果について説明する。まず、基板３をステージ４に設置し、チャンバー２を密閉した後、チャンバー２内の気体を排気する（図1（Ａ））。ここで、第１の基板3aは第１のステージ4aに、第２の基板3bは第２のステージ4bに設置する。この場合、第１のステージ4aは上昇しており第２のステージ4bに対し退行した状態である。尚、第１の基板3aの第１の接合部10の表面（以下、第１の接合面という）10a、及び、第２の基板3bの第２の接合部11の表面（以下、第２の接合面という）11aは、それぞれ有機物が付着していると共に、自然酸化膜による酸化膜が形成されている。

排気した後、チャンバー２内に第１の洗浄ガスを所定時間、供給する。第１の洗浄ガスは、ガス導入路５内に供給された酸素ガスに、エキシマ紫外光が照射されることによって活性化された酸素で構成される。第１の洗浄ガスはチャンバー２内へ供給され、第１の接合部10及び第２の接合部11に導入される。そうすると、第１の洗浄ガスを構成する活性酸素は第１の接合面10a及び第２の接合面11aに付着した有機物と酸化反応する。これにより、接合装置１は、第１の接合面10a及び第２の接合面11aから有機物を除去することができる。尚、この場合、第１の洗浄ガスをチャンバー２内へ供給して第１の接合面10a及び第２の接合面11aを洗浄する時間は１０分、チャンバー２内の温度は、室温で行うことができる。ここで、室温とは、概ね１０℃〜４０℃をいう。

次いで、所定時間経過後、ガス導入路５からの第１の洗浄ガスの供給を停止すると共に、第１の洗浄ガス及び活性酸素によって酸化された有機物を排気する。

このように接合装置１は、チャンバー２内の温度を室温とした状態で第１の洗浄ガスをチャンバー２内に供給することにより、室温でも第１の接合面10a及び第２の接合面11aから有機物を除去することができるので、超高真空又は高温下で洗浄する従来に比べ、その分設備を簡略化できるので、容易に基板３同士を接合することができる。

排気終了後、チャンバー２内に第２の洗浄ガスを所定時間、供給する。第２の洗浄ガスは、ガス導入路５内において、還元性ガスにエキシマ紫外光を照射し、当該還元性ガスをイオン化又はラジカル化することにより生成される。第２の洗浄ガスがチャンバー２内へ供給されると、第２の還元性ガスは、第１の接合面10a及び第２の接合面11aに形成された酸化膜を還元し、当該酸化膜を除去する。この場合、第２の洗浄ガスをチャンバー２内へ供給する時間は１０分、チャンバー２内の温度は室温〜２００℃で行うことができる。

所定時間経過後、ガス導入路５からの第２の洗浄ガスの供給を停止すると共に、チャンバー２内の第２の洗浄ガス及び酸化物を排気する。

排気終了後、次いで、第１のステージ4aを第２のステージ4bに向かって下降させ、第１の接合部10を第２の接合部11に当接させて、所定時間保持することにより、第１の基板3aと第２の基板3bとを接合する（図1（Ｂ））。この場合、保持する時間は５〜１５分間、チャンバー２内は、温度が室温〜２６０℃、第１の接合部10を第２の接合部11に当接する圧力が１ＭＰａ〜３ＭＰａであるのが好ましい。

本実施形態に係る接合装置１は、紫外光照射部20をガス導入路５に設けたことにより、エキシマ紫外光がチャンバー２内の基板３に直接照射されるのを抑制する構成とした。これにより、エキシマ紫外光が照射されることによる基板３の影響を小さくできるので、エキシマ紫外光の波長の選択の幅を増やすことができる。

また、本実施形態に係る接合装置１は、紫外光照射部20をガス導入路５に設け、当該ガス導入路５から供給される第１の洗浄ガスによって、第１の接合面10a及び第２の接合面11aから有機物を除去する構成としたことにより、直接、エキシマ紫外光を第１の接合面10a及び第２の接合面11aに照射する必要がないので、装置レイアウトの自由度を向上することができる。

また、接合装置１は、エキシマ紫外光を照射することにより還元性ガスをイオン化又はラジカル化した第２の洗浄ガスを生成し、当該第２の洗浄ガスによって、第１の接合面10a及び第２の接合面11aから酸化膜を除去することにより、より確実に第１の接合面10a及び第２の接合面11aを洗浄できるので、より容易に基板３同士を接合することができる。

さらに、接合装置１は、有機物の除去、酸化膜の除去、及び基板３同士の接合を室温でも行い得るので、高温下で行っていた従来に比べ、接合後の基板に反りや歪みあるいは割れが生じるのを防いだり、位置ずれが生じるのを防ぐことができると共に、ヒータを省略することができるので、その分設備を簡略化でき、容易に基板３同士を接合することができる。

（２）第２実施形態
図3に示す接合装置30は、紫外光照射部20でチャンバー２内を照射し得るように構成されている点のみが、上記第１実施形態と異なる。上記構成と同様の構成については、同様の符号を付し、簡単のため、説明を省略する。この接合装置30は、チャンバー２と、当該チャンバー２内に設けられ第１の基板3a及び第２の基板3bをそれぞれ設置する第１のステージ4a及び第２のステージ4bと、前記チャンバー２に連通されたガス導入路５及びガス排出路６とを備える。

紫外光照射部20は、チャンバー２の対向する側壁に各１個、合計２個設けられており、チャンバー２の略中央に設けられた第１のステージ4a及び第２のステージ4bに向かって側面からエキシマ紫外光を照射し得るように構成されている。この場合、チャンバー２は、紫外光照射部20を固定する部分がエキシマ紫外光を透過させ得る透明な部材で構成される。

この場合、ガス導入路５から酸素ガスが供給されると、チャンバー２内に照射されるエキシマ紫外光によって当該酸素ガスが活性化され第１の洗浄ガスが生成される。この第１の洗浄ガスに含まれる活性酸素は第１の接合面10a及び第２の接合面11aに付着した有機物と酸化反応することにより、第１の接合面10a及び第２の接合面11aから有機物を除去する。

同様に、ガス導入路５から還元性ガスが供給されると、チャンバー２内に照射されるエキシマ紫外光によって当該還元性ガスがイオン化又はラジカル化し第２の洗浄ガスが生成される。この第２の洗浄ガスは、第１の接合面10a及び第２の接合面11aから酸化膜を除去する。

本実施形態に係る接合装置30は、第１の洗浄ガス及び第２の洗浄ガスを第１の接合部10及び第２の接合部11に導入するように構成されていることから、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態に係る接合装置30は、紫外光照射部20をチャンバー２に設け、チャンバー２内を照射する構成としたから、エキシマ紫外光が直接第１の接合部10及び第２の接合部11に側面から照射されることにより、第１の洗浄ガス及び第２の洗浄ガスによって第１の接合面10a及び第２の接合面11aから有機物や酸化膜を除去すると同時に、当該エキシマ紫外光によっても第１の接合面10a及び第２の接合面11aから有機物や酸化膜を直接除去することができる。

尚、本実施形態では、紫外光照射部20をチャンバー２に２個設けた場合について説明したが、１個、３個、又は４個以上設けることとしてもよい。

（３）第３実施形態
図4に示す接合装置40は、エキシマ紫外光を直接接合面に照射し得るように構成されており、洗浄処理のみを行い得るように構成されている点が、上記第１実施形態と異なる。上記第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、簡単のため、説明を省略する。この接合装置は、チャンバー２と、当該チャンバー２内に設けられ基板３を設置するステージ４と、前記チャンバー２に連通されたガス導入路５及びガス排出路６とを備える。尚、本実施形態の場合、洗浄処理後の基板同士を、図示しない圧接部によって当接させて接合し得るように構成されている。

紫外光照射部20は、下方に向かってエキシマ紫外光を照射し得るようにチャンバー２の天部2aに設けられている。チャンバー２の底部2bには、紫外光照射部20に対向するように、上方に接合部31を配置した状態で基板３がステージ４に保持されている。

この場合、ガス導入路５から酸素ガスが供給されると、接合部31に向かって照射されるエキシマ紫外光によって当該酸素ガスが活性化され第１の洗浄ガスが生成される。この第１の洗浄ガスに含まれる活性酸素は、接合部31の表面（以下、接合面という）31aに付着した有機物と酸化反応することにより、接合面31aから有機物を除去する。

同様に、ガス導入路５から還元性ガスが供給されると、接合面31aに向かって照射されるエキシマ紫外光によって当該還元性ガスがイオン化又はラジカル化し第２の洗浄ガスが生成される。この第２の洗浄ガスは、接合面31aから酸化膜を除去する。

本実施形態に係る接合装置40は、第１の洗浄ガス及び第２の洗浄ガスを接合部31に導入するように構成されていることから、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態に係る接合装置40は、接合部31に向かって垂直にエキシマ紫外光を照射し得るように紫外光照射部20をチャンバー２に設けたから、エキシマ紫外光を効率よく接合面31aに照射できるので、第１の洗浄ガス及び第２の洗浄ガスによって第１の接合面10a及び第２の接合面11aから有機物や酸化膜を除去すると同時に、当該エキシマ紫外光によっても接合面31aから有機物や酸化膜を直接除去することができる。

また、本実施形態に係る接合装置40は、洗浄処理のみを行い得るように構成されているので、例えば、第１の基板3aのみを洗浄し、当該第１の基板3aを洗浄していない第２の基板3bに対し圧接部で当接させて接合することもできる。尚、この場合、第１の基板3aと第２の基板3bを適宜入れ替えてもよいことはいうまでもない。

（４）実施例
以下に示す実施例では、半導体からなる基板３上に金属で構成した接合部10,11を形成し、当該接合部に対し有機物を除去する洗浄処理を行い、洗浄処理の効果を確認した。

本実施例では、図2に示すＳｉで形成された第１の基板3a及び第２の基板3bを用いた。第１の基板3aには、Ｔｉ薄膜（膜厚１００ｎｍ）12が形成され、当該Ｔｉ薄膜12上に第１の接合部10としてのＣｕ薄膜（膜厚３μｍ）13とＳｎ薄膜（膜厚３μｍ）14とが順に形成されている。一方、第２の基板3bには、Ｔｉ薄膜（膜厚１００ｎｍ）15、Ｃｕ薄膜（膜厚２μｍ）16、Ｎｉ薄膜（膜厚５００ｎｍ）17が順に形成され、当該Ｎｉ薄膜17上に第２の接合部11としてのＡｕ薄膜（膜厚１００ｎｍ）18が形成されている。

このように構成された第１の基板3a及び第２の基板3bに対し、図5に示す実験装置40を用いて、有機物を除去する洗浄処理を行った。当該実験装置40は、チャンバー２と、当該チャンバー２内に設けられ基板３を設置するステージ４と、前記チャンバー２に連通されたガス導入路５及びガス排出路６とを備える。

紫外光照射部20は、下方に向かってエキシマ紫外光を照射し得るようにチャンバー２の天部2aに設けられている。ステージ４は、紫外光照射部20に対向するようにチャンバー２の底部2bに設けられている。第１の基板3a又は第２の基板3bは、第１の接合部10及び第２の接合部11をそれぞれ上方に配置した状態で保持される。

ガス導入路５は、酸素ガス導入路41と、Ｎ_２ガス導入路42とが設けられている。Ｎ_２ガス導入路42は、紫外光照射部20へＮ_２ガスを供給する第１導入路42aと、チャンバー２内へＮ_２ガスを導入する第２導入路42bとからなる。尚、第２導入路42bは、チャンバー２内における酸素濃度を適宜制御し得るように構成されている。

このように構成された実験装置40に第１の基板3a又は第２の基板3bをそれぞれ設置し、表１に示す条件で、第１の接合面10a及び第２の接合面11aから有機物を除去する洗浄処理を行った。尚、酸素を供給する手段における酸素濃度は、９９．９％以上のものを使用した。

洗浄処理により、第１の接合面10a及び第２の接合面11aから有機物が除去されたことを確認するため、第１の接合面10a及び第２の接合面11aの接触角を測定した。測定は、ＬＣＤ−４００Ｓ（協和界面科学株式会社）を用いて行った。その結果を図6〜図8に示す。図6は、洗浄処理前と、洗浄処理を１０分間行った後の第１の接合部10（ＳｎＣｕ）及び第２の接合部11（Ａｕ）の接触角を比較したグラフである。接触角は、洗浄処理前では、いずれも８０°であったのに対し、洗浄処理後、第１の接合部10では５°、第２の接合部11では３０°に減少した。この結果から、第１の接合面10a及び第２の接合面11aの親水性が向上し、洗浄処理によって第１の接合面10a及び第２の接合面11aから有機物を除去できることが確認できた。

図7は、第２の接合面11aにおける洗浄処理の時間と接触角との関係を示すグラフである。本図から明らかなように、洗浄処理時間の経過と共に、接触角が減少することが確認できた。洗浄処理を開始後、１分間で接触角は１７°に減少した。また、洗浄処理時間が１０分間経過するまで、接触角は減少し続けた。

図8は、第２の接合面11aにおける洗浄処理の終了後の経過時間と接触角との関係を示すグラフである。洗浄処理後、外気環境下で保管した場合の接触角の変化について確認した。試料は、洗浄処理を１０分間行った後の第２の基板3b（第２の接合部11：Ａｕ）を用いた。接触角は、洗浄処理後、１日と８日経過後に測定した。本図から明らかなように、洗浄処理直後、接触角は５°であったが、第１の接合面10aに大気中の化合物が吸着することにより、急激に増加した。接触角は、最初の１日で急激に増加したが、その後は、緩やかに増加した。

次に、上記ＳｎＣｕで形成した第１の接合部10と、Ａｕで形成した第２の接合部11とに対し、Ｘ線光電子分光（X-ray Photoelectron Spectroscopy; ＸＰＳ)測定を行った結果を表２及び表３に示す。測定は、ＪＥＯＬＪＰＸ−９０００（日本電子株式会社）を用いて行った。

この結果からも、Ｃ濃度は、洗浄処理後、減少していることが確認できた。また、Ｓｎで形成した第１の接合面10a、及びＡｕで形成した第２の接合面11aから有機物を除去したことにより、洗浄処理後、第１の接合面10aにおいてはＳｎの濃度が、第２の接合面11aにおいてはＡｕの濃度が増加したことが確認された。

図9に、第１の接合面10a（Ｓｎ）におけるＣ１ｓスペクトル（Ａ）とＳｎ３ｄ_５／２スペクトル（Ｂ）を示す。本図（Ａ）は、Ｃ−Ｃ及びＣ−Ｈの結合に由来する２８５ｅＶのピークを示している。これらの結果は洗浄処理前に存在していた第１の接合面10aのＣ−Ｏ（結合エネルギー：２８６〜２８７ｅＶ）やＯ−Ｃ＝Ｏ（結合エネルギー：２８９〜２９０ｅＶ）のような炭素と酸素との結合に相当するピークが、洗浄処理後では、劇的に減少していることが分かる。

一方、本図（Ｂ）に示すように、Ｓｎ３ｄ_５／２スペクトルは、洗浄処理前に比較して洗浄処理後でピークが増加している。これは、第１の接合面10aの有機物が洗浄処理により除去されたため、本来のＳｎが測定されたものである。

図10に、第２の接合面11a（Ａｕ）におけるＣ１ｓスペクトル（Ａ）とＡｕ４ｆスペクトル（Ｂ）を示す。本図（Ａ）から明らかなように、約２８５ｅＶにピークがあり、洗浄処理後、傾きが緩やかに減少した。このことは、洗浄処理によって第２の接合面11aから有機物が除去されたことを示している。

本図（Ｂ）において、４ｆ_７／２スペクトルと４ｆ_５／２スペクトルとに相当する２つのピークが確認された。処理前の第２の接合面11aに対し、洗浄処理後の第２の接合面11aは、Ａｕ４ｆスペクトルのピークが増加した。これは、前述のＳｎ３ｄ_５／２スペクトルの場合と同様に、第２の接合面11a上の有機物が洗浄処理によって除去されたためである。

次に、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy: ＡＦＭ）による第２の接合面11a（Ａｕ）の測定画像を図11、及び第１の接合面10a（Ｓｎ）の測定画像を図12に示す。測定には、走査型プローブ顕微鏡（島津製作所製 SPM-9600）を用いて行った。本図（Ａ）は洗浄処理前、（Ｂ）は洗浄処理後の結果であり、いずれも評価した面積は１００μｍ^２である。

図11に示されるように、第２の接合面11a（Ａｕ）は、平坦な表面である。これに対し、図12に示されるように、第１の接合面10a（Ｓｎ）は、表面が大きい結晶で構成されているため、粗いものとなっている。また、第２の接合面11a（Ａｕ）は、第１の接合面10a（Ｓｎ）に比べ、結晶密度が高いことが示されている。因みに、表面の粗さは、プラズマ処理後のイオン照射によって、簡単かつ顕著に変化することが知られている。しかしながら、図11及び図12から明らかなように、第１の接合面10a（Ｓｎ）及び第２の接合面11a（Ａｕ）において、洗浄処理の前後で表面の顕著な差異は認められない。

表4に、ＡＦＭにより第１の接合面10a（Ａｕ）及び第２の接合面11a（Ｓｎ）の中心平均粗さ（Ｒａ）と二乗平均粗さ（ＲＭＳ）の算出結果を示す。ここで、中心平均粗さ（Ｒａ）とは、粗さ曲線を中心線から折り返し、その粗さ曲線と中心線によって得られた面積を長さLで割った値をいう。また、二乗平均粗さ（ＲＭＳ）とは、平均線から粗さ曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根をいう。

洗浄処理後の第１の接合面10a（Ａｕ）及び第２の接合面11a（Ｓｎ）は、洗浄処理前に比べ、中心平均粗さ（Ｒａ）と二乗平均粗さ（ＲＭＳ）の変化は、いずれもわずかであった。

（５）変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で適宜変更することができる。例えば、上記実施形態では、接合部10,11は、基板３と異なる材料で構成した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、接合部10,11は基板３と同一の材料で一体的に形成することとしてもよい。

また、上記実施形態では、ウェーハから所定サイズに切り出したチップサイズの基板同士を接合する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ウェーハ同士、又はウェーハとチップとの接合とすることができる。

この場合、ウェーハ同士の接合としては、例えば、第１の基板3a及び第２の基板3bは、Ｓｉ基板からなり、当該Ｓｉ基板上にＣｒ薄膜（膜厚３０ｎｍ）が形成され、当該Ｃｒ薄膜上に第１の接合部10及び第２の接合部11としてのＣｕ薄膜（膜厚１μｍ）が形成されたものを用いることができる。有機物の除去は、上記第１実施形態と同様の条件で行うことができる。酸化膜の除去は、ギ酸雰囲気中で２００℃としたチャンバー２内に５分間保持することにより行う。また、接合は、２００℃としたチャンバー２内で、第１の接合部10と第２の接合部11を１〜３ＭＰａの圧力で当接させた状態で１時間保持することにより行うことができる。

また、ウェーハとチップとの接合としては、チップとしての第１の基板3aは、Ｓｉ基板上に、ＴｉＷ薄膜、スパッタによりＣｕ薄膜、イオンプレーティングによりＣｕ薄膜が形成され、当該Ｃｕ薄膜上にＳｎ薄膜が形成される。また、ウェーハとしての第２の基板3bは、Ｓｉ基板上に、ＴｉＷ薄膜、スパッタによりＣｕ薄膜、当該Ｃｕ薄膜上にイオンプレーティングによりＣｕ薄膜が形成されたものを用いることができる。酸化膜の除去は、ギ酸雰囲気中で１７０〜２５０℃としたチャンバー２内に１０分間保持することにより行う。接合は、２５０℃としたチャンバー２内で、第１の接合部10と第２の接合部11を０．２〜０．５ＭＰａの圧力で当接させた状態で５〜１５分間保持することにより行うことができる。

また、上記実施形態では、第１の接合部10及び第２の接合部11として、金属を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、半導体、合成樹脂、セラミックス、ガラスなどで構成することができる。

半導体の場合としては、例えば、第１の基板3aとしてＳｉ基板を用い、第１の接合部10を同じＳｉで構成し、第２の基板3bとしてＳｉ基板を用い当該Ｓｉ基板上に第２の接合部11としてＳｉＯ_２薄膜（５００ｎｍ）を用いることができる。この場合、上記第１実施形態と同様の条件で有機物の除去を行った後、酸化膜の除去を省略して、直ちに第１の基板3a及び第２の基板3bの接合工程に移ることができる。接合は、室温としたチャンバー２内で、第１の接合部10と第２の接合部11を０．１ＭＰａの圧力で当接させた状態で３０秒間保持して仮接合を行い、その後、３００℃で２時間、熱処理することにより、行うことができる。

また、樹脂の場合としては、第１の接合部10及び第２の接合部11は共にＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）を用いることができる。尚、第１の基板3a及び第２の基板3bは、第１の接合部10及び第２の接合部11と同じＰＭＭＡで構成される。この場合、上記第１実施形態と同様の条件で有機物の除去を行った後、直ちに第１の基板3a及び第２の基板3bの接合工程に移ることができる。接合は、１００℃未満としたチャンバー２内で、第１の接合部10と第２の接合部11を１〜３ＭＰａの圧力で当接させた状態で１０分間保持することにより行うことができる。

１接合装置
２チャンバー（処理室）
３基板
3a 第１の基板
3b 第２の基板
４ステージ
4a 第１のステージ
4b 第２のステージ
５ガス導入路
６ガス排出路
７シリンダー（圧接部）
10 第１の接合部
10a 第１の接合面
11 第２の接合部
11a 第２の接合面
20 紫外光照射部
30 接合装置
31 接合部
31a 接合面
40 接合装置

Claims

第１の基板の一側表面に形成された第１の接合部、及び、第２の基板の一側表面に形成された第２の接合部の少なくとも一方に対して、化学的処理を行う前処理ステップと、
前記第１の接合部と前記第２の接合部とを接触させて接合する基板接合ステップと
を備える接合方法であって、
前記前処理ステップは、
エキシマ紫外光を照射することにより酸素を励起して第１の洗浄ガスを生成する第１のガス生成ステップと、
前記第１の接合部及び前記第２の接合部に対し前記紫外光を照射せずに前記第１の洗浄ガスで前記第１の接合部及び前記第２の接合部に付着した有機物を除去する洗浄処理ステップと
を有することを特徴とする接合方法。
前記洗浄処理ステップは、酸素濃度が１０％〜１００％の雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１記載の接合方法。
前記前処理ステップが、
前記紫外光を照射することにより還元性ガスを励起して第２の洗浄ガスを生成する第２のガス生成ステップと、
前記第２の洗浄ガスを前記第１の基板及び前記第２の基板に導入し、前記第１の接合部及び前記第２の接合部に形成された酸化膜を除去する酸化膜除去ステップと
を有することを特徴とする請求項１又は２記載の接合方法。
前記還元性ガスが、ギ酸又は水素を含有することを特徴とする請求項３記載の接合方法。
前記紫外光の波長が３０８ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３又は４記載の接合方法。