JP4920501B2

JP4920501B2 - 接合方法

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Publication number: JP4920501B2
Application number: JP2007149316A
Authority: JP
Inventors: 和司東; 幸弘前川; 貴志大村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: JP2008302370A

Description

本発明は、接合方法に関する。

従来から、たとえば、半導体装置を製造するに際し、シリコンまたはその他の金属からなる２つの部品を接合することが行われている。接合方法としては、たとえば、加圧接合法、加熱接合法などが挙げられる。しかしながら、これらの接合方法で部品を接合すると、部品の変形、破損、変質などが発生するおそれがある。したがって、極めて高い寸法精度が要求される半導体装置の製造において、これらの接合方法を利用すると、半導体装置の信頼性を低下させるおそれがある。また、不良品率が高くなり、製品歩留まりを低下させるおそれもある。

このため、部品の変形、破損、変質などの不具合が発生し難い常温接合法について、種々の提案がなされている。たとえば、２つのシリコンウエハを接合する前に、室温下真空中にて、それぞれのシリコンウエハの接合面に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を照射してスパッタリングを行う接合方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。図１２は、特許文献１の接合方法を実施するためのウエハ接合装置１０１の構成を模式的に示す縦断面図である。図１３は、図１２に示すウエハ接合装置１０１の要部の構成を拡大して示す縦断面図である。ウエハ接合装置１０１は、真空チャンバ１０２、ウエハ搬出入口１０３、扉１０４、排気口１０５、プッシュロッド１０６、保持部材１０７、１０８およびビーム照射装置１０９、１１０を含む。

真空チャンバ１０２は耐圧性容器部材であり、その側面にウエハ搬出入口１０３、扉１０４および排気口１０５が設けられている。ウエハ搬出入口１０３は、真空チャンバ１０２にウエハ１１１、１１２を出し入れする開口である。扉１０４はウエハ搬出入口１０３を開閉する。排気口１０５には図示しない真空ポンプが接続され、真空チャンバ１０２内部を真空にする。プッシュロッド１０６は、真空チャンバ１０２の上面に挿通され、上下動可能に設けられている。保持部材１０７、１０８は、真空チャンバ１０２の内部において鉛直方向に対向するように設けられ、それぞれウエハ１１１、１１２を保持している。保持部材１０７は、真空チャンバ１０２内部の鉛直方向下部に固定されている。保持部材１０８は、プッシュロッド１０６によって上下動可能に支持されている。ビーム照射装置１０９、１１０も真空チャンバ１０２内部に設けられている。ビーム照射装置１０９、１１０は保持部材１０７、１０８に保持されるウエハ１１１、１１２にビーム１１３、１１４を照射する。

ウエハ接合装置１０１においては、保持部材１０７、１０８によりウエハ１１１、１１２を保持し、真空チャンバ１０２内部を真空とし、ウエハ１１１、１１２の接合面にビーム１１３、１１４を照射してスパッタリングを行う。その後、プッシュロッド１０６を下降させ、ウエハ１１１、１１２の接合面を接触させてこれらを接合する。

特許文献１の接合方法には、次の（１）〜（４）の技術的課題がある。
（１）ウエハ１１１、１１２はそれぞれの接合面が鉛直方向に対向するように保持されている。このため、たとえば、ウエハ１１２にビーム１１４を照射すると、ウエハ１１２の接合面に付着していた汚染物１２０がウエハ１１２の鉛直方向下方で浮遊しつつ、矢符１２１の方向に下降し、ビーム１１３に衝突する。このとき、汚染物１２０にはウエハ１１１の接合面に向かう力が付与されるので、最終的にウエハ１１１の接合面に再付着する。同様に、ウエハ１１１の接合面から除去される図示しない汚染物質も、ウエハ１１２の接合面に再付着し易い。特に、特許文献１の方法では、ウエハ１１１、１１２の接合面の全面にビーム１１３、１１４を照射するので、除去される汚染物１２０は、ウエハ１１１、１１２の接合面近傍に浮遊して再付着し易い。

（２）図１４は、ビーム照射装置１０９によるウエハ１１１へのビーム１１３の照射を示す側面図である。ビーム照射装置１０９は、ウエハ１１１の鉛直方向斜め上方からウエハ１１１の接合面に向けてビーム１１３を照射する。したがって、特に、ウエハ１１１のビーム照射装置１０９側の端部１１１ａと、反対側の端部１１１ｂとではビーム１１３の強度、照射量などが異なり、接合面を均一に清浄化することができない。ビーム照射装置１１０によるウエハ１１２へのビーム１１４の照射でも、同様のことが起こる。
（３）また、ウエハ１１１、１１２の接合面の全面に、ビーム１１３、１１４を照射する場合には、真空チャンバ１０２内部における不活性ガスの流量が多くなり、真空チャンバ１０２内部の真空度が低下する。これによって、接合品質が低下する。

（４）図１５は、接合面にＡｕ突起電極１２６が設けられたウエハ１２５へのビーム１２８の照射を示す側面図である。特許文献１のように、ウエハ１２５に対して鉛直方向斜め上方に配置されたビーム照射装置１２７からビーム１２８を照射する方式では、ビーム１２８が直進性を有するため、ビーム１２８の非照射部分１２６ａが生じる。結果として良好な接合品質を得ることができない。
特開平１０−９２７０２号公報

図１６は単結晶シリコンウエハの表面状態を概略的に示す側面図である。シリコンウエハの表面には、図１６に示すように、厚さ数ｎｍ程度の自然酸化膜が存在している。さらに自然酸化膜の表面には、空気中の二酸化炭素などの有機汚染物が分子間力で吸着して形成される厚さ数ｎｍ程度の有機汚染物層が存在している。したがって、シリコン同士を直接接合させるためには、自然酸化膜および有機汚染物を除去する必要がある。除去したＳｉＯ₂、有機汚染物などのシリコンウエハ表面への再付着を防止するためには、特許文献１の技術と同様に、真空チャンバ内でシリコンウエハ表面に原子ビームを照射し、自然酸化膜および有機汚染物を物理的に除去するスパッタリングが有効である。
図１７〜１９は、スパッタリングによるシリコンウエハ表面の清浄化を概略的に示す側面図である。図１７に示すように、シリコンウエハ表面に原子ビームを照射すると、有機汚染物が除去される。次に、図１８に示すように自然酸化膜が除去され、図１９に示すようにシリコン面が露出する。

スパッタリングを行う場合、原子ビームのシリコンウエハに対する照射角度によってスパッタ率が変化する。照射角度が小さいとスパッタ率が低い。また、照射角度が大きいとスパッタ率は向上するが、除去された物質が原子ビームを遮るので、スパッタ率は次第に低下する。ここで、スパッタ率はエッチング速度と同義である。図２０は、エッチング速度と照射角度との関係を示すグラフである。図２０から、照射角度が６０°を超えると、エッチング速度がほとんど向上せず、汚染物再付着が起こり易くなることがわかる。したがって、エッチング速度を出来るだけ大きくし、かつ汚染物再付着を防止するという観点から、照射角度の適正範囲は４５〜６０°であり、さらに好ましくは５０°程度である。

しかしながら、前記のように照射角度を調整しても、シリコンウエハ表面への浮遊汚染物の再付着を完全に防止することは困難である。原子ビームの照射によってシリコンウエハ表面から除去された汚染物は、シリコンウエハ表面近傍の空間に浮遊している。この浮遊汚染物に原子ビームが当たると、浮遊汚染物にシリコンウエハ表面に向かう力が付加され、浮遊汚染物のシリコンウエハ表面への再付着が起こる。

また、スパッタリング時には真空チャンバ内の圧力は、たとえば、１０ｅ^-2Ｐａに設定されている。したがって、真空チャンバ内における不活性ガスの分子量は、大気圧下に比べて１／（１０ｅ⁷）になる。一方、大気圧下で２２．４リットル当たり６×e²³個の気体分子が存在しているから、真空チャンバ内でも２２．４リットル当たり６×ｅ¹⁸個の気体分子が存在している。これだけの気体分子が存在していると、真空チャンバ内で不活性ガスの気流が発生するのを避けることができない。一方、シリコンウエハ表面から除去された浮遊汚染物はｎｍレベルの極めて微細な大きさを有している。したがって、浮遊汚染物がシリコンウエハ近傍から排除されたとしても、完全に排気されずに真空チャンバ中に残り、真空チャンバ内部の気流に乗って、真空チャンバ内部を浮遊し、シリコンウエハ表面に瞬間的に近接または接触するものもある。浮遊汚染物は、ナノ秒程度の極めて短い時間でシリコンウエハ表面に吸着するので、再付着が起こる可能性がある。

このような現象が生じることにより、結果として、浮遊汚染物のシリコンウエハへの再吸着が発生する。真空チャンバ内でのスパッタリングでは、シリコンウエハ表面の有機汚染物などの除去、除去された汚染物の浮遊、および浮遊汚染物の再付着といった一連のプロセスが繰返されるため、シリコンウエハ表面を十分に清浄化することが困難になり、接合品質が低下する。
本発明の目的は、接合対象物表面から除去された汚染物が該表面に再付着するのを防止し、該表面を効率良くかつ確実に清浄化し、清浄化された表面を接触させるだけで容易に接合できる接合方法を提供することである。

本発明は、第１対象物の接合面と第２対象物の接合面とが対向するように第１対象物および第２対象物を配置し、前記第１対象物の接合面および前記第２対象物の接合面にエネルギー波をライン状に照射する清浄化工程と、前記清浄化工程に引き続いて行われ、前記第１対象物の接合面と前記第２対象物の接合面とを接触させる接合工程とを含む接合方法において、
清浄化工程は、
前記第１対象物および前記第２対象物の接合面における前記エネルギー波の照射された領域から前記エネルギー波の照射されていない領域に向けて前記エネルギー波の照射位置を移動させるとともに、前記エネルギー波の照射中心線と、前記エネルギー波の照射位置移動方向の前記接合面と、のなす角の角度が９０°より大きく１８０°より小さくなるようにして行われる接合方法に係る。

前記エネルギー波の照射方向と直交する方向における、前記エネルギー波の幅は１０ｍｍ以下であることが好ましい。

前記第１対象物と前記第２対象物とを鉛直方向に対向配置するとともに、前記第１対象物の接合面に照射されるエネルギー波の照射範囲の延長線上の範囲の外に前記第２対象物を配置し、かつ前記第２対象物の接合面に照射されるエネルギー波の照射範囲の延長線上の範囲の外に前記第１対象物を配置して前記エネルギー波を照射することが好ましい。

前記第１対象物と前記第２対象物とを鉛直方向に対向配置するとともに、前記第１対象物および前記第２対象物の接合面にそれぞれ対向するように設けられて、前記第１対象物および前記第２対象物の接合面に第１および第２エネルギー波をそれぞれ照射する第１および第２エネルギー波発生源をさらに含み、
前記第１エネルギー波の照射中心線と前記第２エネルギー波の照射中心線との水平平面への投影図において、前記第１エネルギー波の照射中心線と前記第２エネルギー波の照射中心線とのなす角の角度が３０°〜９０°であることが好ましい。

前記第１対象物の接合面および前記第２対象物の接合面に対する前記エネルギー波の入射角度が４５°〜６０°であることが好ましい。

前記エネルギー波の照射により前記第１対象物の接合面および前記第２対象物の接合面から除去された汚染物を回収する集塵工程をさらに含むことが好ましい。

前記エネルギー波が原子ビームであることが好ましい。

本発明の接合方法によれば、対象物の接合面から除去した浮遊汚染物が該接合面に再付着することが防止されるので、対象物の接合面を効率良く清浄化することができる。また、対象物の接合面は清浄化によって活性化された状態にあるので、２つの対象物の接合面を接触させるだけで、接合強度が高く、外部からの応力を受けても接合状態が解けることのない、接合品質の高い接合体を工業的に有利に得ることができる。

図１は、本発明の実施の第１形態である接合方法を実施するための接合装置１の構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１に示す接合装置１の要部の構成を模式的に示す断面図である。図３は、図１に示す接合装置１に備えられるビーム照射装置９の構成を模式的に斜視図である。接合装置１は、真空チャンバ２、搬出入口３、扉４、排気口５、プッシュロッド６、保持部材７、８、ビーム照射装置９、１０および集塵器１１、１２を含む。

真空チャンバ２は内部空間を有する耐圧性の容器状部材であり、その鉛直方向側面に搬出入口３、扉４および排気口５が設けられている。搬出入口３は、接合対象部材（以下「被接合部材」とする）を真空チャンバ２内に出し入れするための開口である。被接合部材としては、たとえば、シリコンウエハ、シリコン以外の金属からなる各種部品などが挙げられる。本実施の形態では、被接合部材１３、１４としていずれもシリコンウエハを用い、以下単にウエハ１３、１４と標記する。扉４は開閉自在に設けられて、搬出入口３を開閉する。排気口５には図示しない真空ポンプが接続される。真空ポンプは真空チャンバ２内部の気体を排気し、真空チャンバ２内部を真空にする。プッシュロッド６は、真空チャンバ２の鉛直方向上面に形成された貫通孔に挿通され、図示しない駆動手段によって上下動可能に設けられ、保持部材８を支持している。

真空チャンバ２の内部には、保持部材７、８、ビーム照射装置９、１０および集塵器１１，１２が設けられている。
保持部材７、８は、鉛直方向に対向するように設けられている。また、保持部材７は、ウエハ１３を回転自在に保持する部材であり、図示しない支持部材によって、真空チャンバ２内部の鉛直方向下部に固定されている。保持部材８は、ウエハ１４を回転自在に保持する部材であり、プッシュロッド６によって上下動可能に支持され、保持部材７の鉛直方向上方に配置されている。このように保持部材７、８を配置することによって、保持部材７、８に保持されるウエハ１３、１４も、鉛直方向に対向配置されることになる。このとき、ウエハ１３の接合面に照射されるエネルギー波１５の、エネルギー波照射方向における照射範囲の延長線上の範囲外に、ウエハ１４を配置し、かつウエハ１４の接合面に照射されるエネルギー波１６の、エネルギー波照射方向における照射範囲の延長線上の範囲外に、ウエハ１３を配置するのが好ましい。すなわち、ウエハ１３にエネルギー波１６が照射されず、ウエハ１４にエネルギー波１５が照射されないように、ウエハ１３、１４ひいては保持部材７、８を配置することが好ましい。これにより、一旦除去された汚染物のウエハ１３、１４への再付着が一層防止される。

保持部材７、８がウエハ１３、１４を回転自在に保持することによって、ウエハ１３、１４の接合面に、たとえば、Ａｕ突起電極などが形成されて凹凸がある場合に、エネルギー波未照射部分が発生するのを防止できる。より具体的には、たとえば、エネルギー波の照射毎にウエハ１３、１４を９０°、１８０°、２７０°と回転させることによって、エネルギー波の直進性によってエネルギー波未照射部分が発生するのを防止できる。

ビーム照射装置９、１０は、保持部材７、８により保持されているウエハ１３、１４の接合面に対向するように設けられ、ウエハ１３、１４の接合面にエネルギー波をライン状に照射する。本実施の形態では、エネルギー波には中性化された原子ビーム（以下単に「原子ビーム」とする）１５、１６が使用されている。ビーム照射装置９のウエハ１３接合面への対向面には、図３に示すように、スリット状のビーム照射孔が設けられ、これによって、ライン状の原子ビーム１５をウエハ１３接合面に照射できる。図示しないが、ビーム照射装置１０のウエハ１４接合面にも、ビーム照射装置９と同様のライン状ビーム照射孔が設けられている。原子ビーム１５、１６をライン状に照射することにより、原子ビーム源であるＡｒガスなど不活性ガス流量を少なくすることができ、結果として真空チャンバ２内に導入されるガス量が少なくなり、真空チャンバ２内部の圧力上昇が少なくなる。真空チャンバ２の内部圧力は真空チャンバ２内に存在する気体の分子量の合計に比例し、圧力が低い程、浮遊する汚染物を少なくし、原子ビーム１５、１６照射の際に汚染物がウエハ１３、１４接合面に再付着するのを防ぐことができる。

ビーム照射孔の形状は図３に示すものに限定されず、図４（ａ）に示すものでもよい。図４は、別形態のビーム照射装置２０および従来のビーム照射装置１３０の構成を模式的に示す斜視図である。図４（ａ）は別形態のビーム照射装置２０である。図４（ｂ）は従来のビーム照射装置１３０である。ビーム照射装置２０は、ウエハ接合面への対向面に、複数の円形の孔が一列に直線状に並ぶドットライン状のビーム照射孔２０ａが形成されている。ビーム照射孔２０ａによっても、原子ビームをライン状に照射することができる。一方、従来のビーム照射装置１３０では、ウエハ接合面への対向面全域に複数の円形の孔が形成されている。このような構成では、原子ビームをライン状に照射することはできない。

また、ビーム照射装置９、１０は、図示しない駆動手段によって水平方向および水平方向に垂直な方向（図１および図２に対して垂直な方向）に往復動可能に支持されている。これによって、原子ビーム１５、１６をウエハ１３、１４にライン状に照射する際に、ウエハ１３、１４の接合面における原子ビーム１５、１６の照射された領域から照射されていない領域に向けて原子ビーム１５、１６の照射位置を移動させることができる。この時、原子ビーム１５、１６の照射中心線と、原子ビーム１５、１６の照射位置の移動方向の接合面と、のなす角の角度が９０°より大きく、かつ１８０°よりも小さくする。この角度が９０°未満では、接合面から一旦除去された汚染物の接合面への再付着が起こり易くなる。ここで、照射中心線とは、ライン状に照射される原子ビーム１５、１６の幅方向（照射方向に直交する方向）において、原子ビーム１５、１６をそれぞれ２等分する線を意味する。

本実施の形態では、原子ビーム１５のライン状の照射は、ウエハ１３の集塵器１１側の端部から、ウエハ１３のビーム照射装置１０側の端部に向けて行うのが好ましい。すなわち、原子ビーム１５のウエハ１３接合面に対する入射角が鈍角になる方向に、原子ビーム１５を照射するのが好ましい。同様に、原子ビーム１６の照射は、ウエハ１４の集塵器１２側の端部から、ウエハ１４のビーム照射装置９側の端部に向けて行うのが好ましい。これによって、ウエハ１３、１４接合面から除去された汚染物の大部分が、原子ビーム１５、１６の移動方向のみに浮遊することになるので、汚染物のウエハ１３、１４接合面への再付着が防止される。

また、ビーム照射装置９、１０の、原子ビーム１５、１６の照射方向に垂直な方向における両側の側面に、該側面から外方に向けて垂直に延びる図示しない軸体が設けられている。この軸体には図示しない駆動手段が接続されている。ビーム照射装置９、１０は、この軸体を中心にして、矢符９ｘ、１０ｘの方向に回転する。ビーム照射装置９、１０を回転させることによっても、原子ビーム１５、１６をライン状に照射することができる。また、図５に示すように、前記軸体を回転中心にしてビーム照射装置９を回転させることによって、原子ビーム１５のウエハ１３接合面に対する入射角θ１を適宜調整できる。これはビーム照射装置１０においても同様である。図５はビーム照射装置９の回転動作を示す側面図である。また、ウエハ１３、１４接合面に対して原子ビーム１５、１６の照射を複数回実施する場合は、１回の照射毎に入射角を調整すれば、ウエハ１３、１４接合面の汚染物を一層効率良くかつ一層確実に除去できる。ビーム照射装置９、１０を回転させながら原子ビーム１５、１６を照射する場合、照射移動速度は特に制限はないが、一定速度に制御するのが好ましい。なお、本実施の形態では、ビーム照射装置９、１９は水平方向および水平方向に垂直な方向の往復動機能および回転機能の両方を有しているが、いずれか一方の機能を有していれば、原子ビーム１５、１６の照射を支障なく実施することができる。

また、ビーム照射装置９、１０は、それぞれから照射される原子ビーム１５、１６が一部でも交わらないように配置される。また、ビーム照射装置９、１０は、好ましくは、原子ビーム１５、１６のウエハ１３、１４の接合面に対する入射角θ１、θ２が、４５°〜６０°になるように配置される。入射角θ１、θ２が４５°未満では、原子ビーム１５、１６によるウエハ１３、１４の接合面における汚染物の除去速度が遅くなり、生産効率が低下するおそれがある。一方、入射角θ１、θ２が６０°を超えると、汚染物の除去速度が上がらない上、汚染物の再付着が起こり易くなるおそれがある。
なお、ビーム照射装置９、１０のビーム照射孔近傍には図示しないシャッタが設けられ。原子ビーム１５、１６の照射を行わない場合には、シャッタによってビーム照射孔から照射される原子ビーム１５、１６を遮るように構成されている。また、ビーム照射装置９、１０は、保持部材７、８に出来るだけ近接させて配置するのが望ましい。

原子ビーム１５、１６の照射幅は、１０ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下である。なお、照射幅の下限は、清浄化効率などを考慮すると１００μｍ程度に設定するのが好ましい。なお、照射幅とは、原子ビーム１５、１６の照射方向に対して垂直な方向の幅を意味する。原子ビーム１５、１６の照射幅を１０ｍｍ以下に設定することによって、ウエハ１３、１４接合面から除去されて浮遊する汚染物が、原子ビーム１５、１６によってウエハ１３、１４接合面に再付着するのが防止される。より具体的には、ウエハの全面に原子ビームを照射する場合に比べて、再付着の可能性が４インチウエハで１／１０程度、６インチウエハで１／１５程度に低下する。

次に、図６〜９を参照して、ビーム照射装置９によるウエハ１３接合面の清浄化をさらに具体的に説明する。図６は、ビーム照射装置９によるウエハ１３接合面への原子ビーム１５の照射を示す側面図である。図６（ａ）は図６（ｂ）よりも入射角θ１の角度が大きい場合を示している。図７は、図６において一点破線で示される領域ＡおよびＢを拡大して示す側面図である。図６（ａ）と図７（ａ）および図６（ｂ）と図７（ｂ）がそれぞれ対応している。図８は、ビーム照射装置９によるウエハ１３接合面に対する原子ビーム１５の照射を説明する側面図である。図９は、ウエハ１３接合面に対して原子ビーム１５を照射したときの、ウエハ１３接合面の表面状態を示す側面図である。なお、図６〜９においては、説明を簡略化するために、ビーム照射装置９とウエハ１３との水平方向における位置関係を逆転させて図示している。

図６および図７に示すように、ビーム照射装置９によって、ウエハ１３接合面に対して入射角θ１が４５〜６０°の範囲で原子ビーム１５を照射すると、該接合面上の汚染物３０は入射角θ１と同じ角度の放射角θ３で該接合面からはじき飛ばされる。これはニュートンの法則により入射角と放射角とが等しくなるためである。このように、原子ビーム１５の入射角θ１と汚染物３０の放射角θ３とが等しいことに基づいて、原子ビーム１５の照射方向が決定される。

図８（ａ）および図７（ｂ）に示すように、ウエハ１３に対する原子ビーム１５は、水平方向におけるウエハ１３の集塵器１１側の端部を始点とし、ウエハ１３のビーム照射装置１０側の端部を終点とし、始点から終点に向けて照射位置を移動させながら、ライン状に照射される。すなわち、原子ビーム１５は、原子ビーム１５とその照射位置移動方向の接合面とのなす角の角度（１８０−θ１）が９０°を超え、１８０°未満になるようにライン状に照射される。なお、原子ビーム１５の接合面に対する入射角θ１は、好ましくは４５〜６０°である。原子ビーム１５の照射によって、ウエハ１３接合面上の汚染物３０は、放射角θ３で原子ビーム１５の照射位置移動方向に弾き飛ばされる。このように原子ビーム１５を照射すると、汚染物３０がこれから照射しようとする方向に飛ばされる。したがって、汚染物３０が原子ビーム１５の照射が終わって清浄化されたウエハ１３接合面である領域Ｃの部分に落下し、再付着することが著しく防止される。また、汚染物３０が飛ばされた方向でウエハ１３接合面に落下して再付着しても、その部分はこれから原子ビーム１５の照射を受ける部分であるから、汚染物３０の再付着によるウエハ１３接合面の汚染が防止される。

図８（ｃ）に示すように、原子ビーム１５の照射位置が終点に達すると、シャッタ３２によって原子ビーム１５の照射を遮った状態で、ビーム照射装置９を原子ビーム１５の商社位置の始点まで戻す。この動作を繰り返すことを、本明細書では、原子ビーム１５の間欠照射という。これによって、ウエハ１３接合面近傍に汚染物３０が浮遊し、原子ビーム１５の照射を受けても、これから清浄化される接合面に付着するので、清浄化された接合面への汚染物３０の再付着が大幅に減少する。したがって、原子ビーム１５の照射を受けたウエハ１３接合面を清浄な状態に保つことができる。原子ビーム１５により除去された汚染物３０は除去後に排気口５、後述する集塵器１１、１２などによって回収される。

一方、図８（ｄ）に示すように、原子ビーム１５の入射角θ１＝４５〜６０°とし、原子ビーム１５の照射位置始点をウエハ１３の図示しないビーム照射装置１０側の端部、照射位置終点をウエハ１３の図示しない集塵器１１側の端部にして照射を行うと、ウエハ１３接合面の清浄化された部分に一旦除去された汚染物３０が落下し、再付着が起こり易くなる。これは、ウエハ１３接合面の清浄化された部分の鉛直方向上方に汚染物３０が弾き飛ばされるからである。したがって、原子ビーム１５の照射移動方向は、原子ビーム１５と原子ビーム１５の照射移動方向の接合面とのなす角の角度（１８０−θ１）が９０°を超え、１８０°未満になるのが好ましく、１２０°を超え、１３５°未満になるのがさらに好ましい。換言すれば、原子ビーム１５の照射移動方向と、汚染物３０の放射方向（弾き飛ばされる方向）とが同じ方向になるように、原子ビーム１５の照射位置の移動を行うのが好ましい。これにより、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、図９（ａ）から図９（ｃ）という順番で、ウエハ１３上の珪素酸化物および汚染物が徐々にかつ確実に除去される。

原子ビーム１６のウエハ１４接合面への照射も、同様に行われる。すなわち、水平方向におけるウエハ１４の集塵器１２側の端部を始点、ウエハ１４のビーム照射装置９側の端部を終点とし、始点から終点に向けて照射位置を移動させながら、ライン状に照射される。このとき、原子ビーム１６は、原子ビーム１６とその照射位置移動方向のウエハ１４接合面とのなす角の角度（１８０−θ２）が９０°を超え、１８０°未満になり、好ましくは１２０°を超え、１３５°未満になる。原子ビーム１６の照射位置が終点に達すると、ビーム照射装置１０に設けられる図示しないシャッタによって原子ビーム１６の照射が遮断された状態で、始点まで戻り、水平方向に垂直な方向に所定量移動して同じ動作を繰返し実行する。
なお、本実施の形態では、ビーム照射装置９、１０に移動機能を付加して原子ビーム１５、１６の照射位置を移動する構成を採るが、それに限定されず、保持部材７、８に移動機能および／または回転機能を付加し、ウエハ１３、１４を移動および／または回転させても良い。

ここで、図１および図２に戻る。接合装置１は、集塵器１１、１２を含む。集塵器１１は、保持部材７とビーム照射装置９との間の空間において、保持部材８によって保持されるウエハ１４接合面を臨むように設けられている。集塵器１１は、ビーム照射装置１０からウエハ１４接合面に向けて照射される原子ビーム１６によって該接合面から弾き飛ばされる汚染物１６ｘの進行方向に設置され、汚染物１６ｘを効率良く回収する。同様に、集塵器１２は、保持部材８とビーム照射装置１０との間の空間において、保持部材７によって保持されるウエハ１３接合面を臨むように設けられている。集塵器１２は、ビーム照射装置９からウエハ１３接合面に向けて照射される原子ビーム１５によって該接合面から弾き飛ばされる汚染物１５ｘの進行方向に設置され、汚染物１５ｘを効率良く回収する。

また、集塵器１１、１２は、図示しない駆動手段によって、ウエハ１４、１３に対して近接および離反可能に設けられている。集塵器１１、１２に近接および離反動作を実行させることによって得られる効果を、図１０に基づいて説明する。図１０は、ウエハ１３に対して原子ビーム１５の照射を行う際の、集塵器１２の近接および離反動作の効果を説明する図面である。図１０（ａ）は斜視図である。図１０（ｂ）は第１回目の原子ビーム１５の照射を示す側面図である。図１０（ｃ）はｎ回目の原子ビーム１５の照射を示す側面図である。なお、図１０では、説明を簡略化するために、ビーム照射装置９と集塵器１２との水平方向の位置関係を逆にしている。

図１０（ｂ）に示すように、原子ビーム１５の照射を行う前のウエハ接合面１３には、多量の汚染物３７が付着している。このため、第１回目の原子ビーム１５の照射によって汚染物３７がウエハ接合面１３から除去されても、真空チャンバ２内に多く浮遊し、清浄化面に再付着物３８として付着することがある。この場合には、集塵器１２をウエハ１３からある程度離隔させ、集塵器１２近傍のある程度広い領域の雰囲気を吸引し、除去された汚染物３０を回収する。一方、図１０（ｃ）に示すように、ｎ回目の原子ビーム１５の照射では、真空チャンバ２内に浮遊する汚染物３０の量が排気および集塵器１１、１２による回収によって少なくなっている。また、ウエハ１３接合面に付着する再付着物３８の量も減少している。したがって、集塵器１２をウエハ１３接合面に近接させ、ウエハ１３接合面から除去される汚染物３０を確実に捕集することによって、真空チャンバ２内に汚染物３０が浮遊し、ウエハ１３接合面に付着するのを防止する。このようにして、原子ビーム１５、１６の照射を複数回繰り返して実施することにより、ウエハ１３、１４接合面を確実に清浄化できる。

原子ビーム１５、１６によって除去される汚染物１５ｘ、１６ｘは、前述したように、ニュートン力学に従って入射角に対応する放射角で弾き飛ばされ、除去される。したがって、原子ビーム１５、１６の入射角を設定すれば、汚染物１５ｘ、１６ｘが除去される方向を予測することができ、その場所に集塵器１１、１２を設置すれば汚染物１５ｘ、１６ｘが真空チャンバ２内に浮遊し、ウエハ１３、１４接合面に再付着することを防ぐことができる。また、原子ビーム１５、１６の物理エネルギーによって、除去される汚染物１５ｘ、１６ｘの量が決定される。原子ビーム１５、１６の入射角はエネルギー量と除去される汚染物の放射角に影響を与え、入射角が小さいとエネルギーが小さくなり、汚染物の除去能力が低くなる一方で、汚染物の再付着の可能性は低くなる。入射角が大きいとエネルギーが大きくなり、汚染物１５ｘ、１６ｘの除去能力が大きくなるが汚染物１５ｘ、１６ｘの再付着の確率が高くなる。このように原子ビーム１５、１６をライン状にし、複数回照射することによって、一度除去した汚染物に再度原子ビーム１５、１６が当たるを確率が減少し、ウエハ１３、１４への再付着が発生しにくくなる。

本実施の形態のように、ウエハ１３、１４を鉛直方向に対向配置し、かつ、ウエハ１３、１４の接合面に対向するようにエネルギー波発生源であるビーム照射装置９、１０を配置する場合、図１１に示すように、位置調整を行うのが好ましい。図１１は、ビーム照射装置９、１０とウエハ１３、１４との位置関係を示す上面図である。なお、図１１においては、プッシュロッド６および保持部材７、８の図示を省略する。図示しない原子ビーム１５、１６の照射中心線４０、４１を、鉛直方向に垂直な水平面に投影した場合に、照射中心線４０、４１の投影線がなす角の角度θ４が３０°〜９０°になるように、位置調整を行うのが好ましい。これによって、ビーム照射装置９、１０から照射される原子ビーム１５、１６同士の緩衝が防止され、ひいては汚染物の再付着が防止される。なお、水平面への投影図は、上面図と同じになる。

角度θ４が３０°未満では、たとえば、ビーム照射装置９から原子ビーム１５の照射を受けてウエハ１３表面から除去される汚染物が、ビーム照射装置１０からの原子ビーム１６によりウエハ１４表面に打ち付けられ、除去した汚染物質が再付着する可能性が高まるおそれがある。同様に、ウエハ１４表面から除去される汚染物がビーム照射装置９からの原子ビーム１５によりウエハ１３表面に打ち付けられるおそれがある。これにより、除去した汚染物質の再付着の可能性が高まる。

一方、角度θ４が９０°を超えると、ビーム照射装置９、１０から照射されるビーム１５、１６の干渉によって、ビーム１５、１６のビーム強度が不安定になり、処理工程において、ウエハ１３、１４の清浄化度が不十分になるおそれがある。また、ビーム照射装置９、１０からの原子ビーム照射方向がほぼ同じ方向になる。その結果、ウエハ１３、１４表面における汚染物の除去度合が、ビーム照射装置９、１０に近接する部分の方がビーム照射装置９、１０から離反する部分よりも大きくなるおそれがある。ウエハ１３、１４は対向配置されているので、これらを接合する際には、ビーム照射装置９、１０に近接する部分同士およびビーム照射装置９、１０から離反する部分同士が接合される可能性が高い。その結果、接合部位によって汚染物の除去量に差が生じ、ウエハ１３、１４の接合品質が低下するおそれがある。

接合装置１によれば、清浄化工程と接合工程とが行われる。
清浄化工程では、真空チャンバ２内にウエハ１３、１４が搬入され、それぞれ保持部材７、８に保持され、鉛直方向に対向配置される。次に、真空チャンバ２内が真空またはそれに近い状態まで減圧される。次に、ビーム照射装置９からウエハ１３に原子ビーム１５をライン状に照射し、ビーム照射装置１０からウエハ１４に原子ビーム１６をライン状に照射する。これによって、ウエハ１３、１４の接合面を清浄化する。接合工程は、清浄化工程に引き続いて行われ、ウエハ１３およびウエハ１４の清浄化された接合面を接触させて接合する。すなわち、プッシュロッド６を下降させることによって、プッシュロッド６に支持された保持部材８ひいてはウエハ１４を下降させて、ウエハ１３の接合面とウエハ１４の接合面とを接触させて接合し、接合体を得る。この接合体は真空チャンバ２外に搬出され、新しいウエハ１３、１４が搬入され、同じ動作が繰り返される。
なお、接合装置１は、清浄化工程と並行して、または清浄化工程と接合工程との間に、集塵工程を行うこともできる。集塵工程では、原子ビーム１５、１６の照射によりウエハ１３、１４の接合面から除去された汚染物を回収する。

本構成によって、清浄化処理した後に再度チャンバ内を浮遊する汚染質が再付着することを防き、清浄化処理した接合面を接触させるだけで容易に接合できる接合方法を提供できる。その結果、常温で良好な接合品質を得ることができる。

本発明の接合方法は、ライン状の原子ビームを照射しかつ照射動作のできるビーム照射装置と、除去された汚染物を回収するための集塵器とを有し、Ｓｉ−Ｓｉ接合、金属間接合などの低温接合の用途にも適用できる。

本発明の実施の第１形態である接合方法を実施するための接合装置の構成を模式的に示す断面図である。図１に示す接合装置の要部の構成を模式的に示す断面図である。図１に示す接合装置に備えられるビーム照射装置の構成を模式的に斜視図である。別形態のビーム照射装置および従来のビーム照射装置の構成を模式的に示す斜視図である。図４（ａ）は別形態のビーム照射装置である。図４（ｂ）は従来のビーム照射装置である。図３に示すビーム照射装置の回転動作を示す側面図である。図３に示すビーム照射装置によるウエハ接合面への原子ビームの照射を示す側面図である。図６において一点破線で示される領域ＡおよびＢを拡大して示す側面図である。図３に示すビーム照射装置によるウエハ接合面に対する原子ビームの照射を説明する側面図である。ウエハ接合面に対して原子ビームを照射したときの、ウエハ接合面の表面状態を示す側面図である。集塵器の効果を説明する側面図である。ビーム照射装置とウエハとの位置関係を示す上面図である。特許文献１の接合方法を実施するためのウエハ接合装置の構成を模式的に示す縦断面図である。図１２に示すウエハ接合装置の要部の構成を拡大して示す縦断面図である。ビーム照射装置によるウエハへのビームの照射を示す側面図である。接合面にＡｕ突起電極が設けられたウエハへのビームの照射を示す側面図である。シリコンウエハの表面状態を概略的に示す側面図である。スパッタリングによるシリコンウエハ表面の清浄化を概略的に示す側面図である。スパッタリングによるシリコンウエハ表面の清浄化を概略的に示す側面図である。スパッタリングによるシリコンウエハ表面の清浄化を概略的に示す側面図である。エッチング速度と原子ビームの照射角度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１接合装置
２真空チャンバ
３搬出入口
４扉
５排気口
６プッシュロッド
７、８保持部材
９、１０、２０ビーム照射装置
１１、１２集塵器
１３、１４ウエハ
１５、１６原子ビーム
１５ｘ、１６ｘ、３０汚染物

Claims

第１対象物の接合面と第２対象物の接合面とが対向するように第１対象物および第２対象物を配置し、前記第１対象物の接合面および前記第２対象物の接合面にエネルギー波をライン状に照射する清浄化工程と、前記清浄化工程に引き続いて行われ、前記第１対象物の接合面と前記第２対象物の接合面とを接触させる接合工程とを含む接合方法において、
清浄化工程は、
前記第１対象物および前記第２対象物の接合面における前記エネルギー波の照射された領域から前記エネルギー波の照射されていない領域に向けて前記エネルギー波の照射位置を移動させるとともに、前記エネルギー波の照射中心線と、前記エネルギー波の照射位置移動方向の前記接合面と、のなす角の角度が９０°より大きく１８０°より小さくなるようにして行われる接合方法。
前記エネルギー波の照射方向と直交する方向における、前記エネルギー波の幅は１０ｍｍ以下である請求項１記載の接合方法。
前記第１対象物と前記第２対象物とを鉛直方向に対向配置するとともに、前記第１対象物の接合面に照射されるエネルギー波の照射範囲の延長線上の範囲の外に前記第２対象物を配置し、かつ前記第２対象物の接合面に照射されるエネルギー波の照射範囲の延長線上の範囲の外に前記第１対象物を配置して前記エネルギー波を照射する請求項１または２記載の接合方法。
前記第１対象物と前記第２対象物とを鉛直方向に対向配置するとともに、前記第１対象物および前記第２対象物の接合面にそれぞれ対向するように設けられて、前記第１対象物および前記第２対象物の接合面に第１および第２エネルギー波を照射する第１および第２エネルギー波発生源をさらに含み、
前記第１エネルギー波の照射中心線と前記第２エネルギー波の照射中心線との水平平面への投影図において、前記第１エネルギー波の照射中心線と前記第２エネルギー波の照射中心線とのなす角の角度が３０°〜９０°である請求項１または３記載の接合方法。
前記第１対象物の接合面および前記第２対象物の接合面に対する前記エネルギー波の入射角度が４５°〜６０°である請求項１〜４のいずれか１つに記載の接合方法。
前記エネルギー波の照射により前記第１対象物の接合面および前記第２対象物の接合面から除去された汚染物を回収する集塵工程をさらに含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の接合方法。
前記エネルギー波が原子ビームである請求項１〜６のいずれか１つに記載の接合方法。