JP4979918B2

JP4979918B2 - 加圧方法及び加圧装置

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Publication number: JP4979918B2
Application number: JP2005275568A
Authority: JP
Inventors: 益明岡田
Original assignee: BONDTECH CO Ltd
Current assignee: BONDTECH CO Ltd
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: JP2006121061A

Description

本発明は、被加圧物同士を振動印加して加圧する方法及び接合装置に関する。特に加圧装置として接合装置と成型装置に関する。

従来、特許文献１に示すようにホーンに対し１つの振動子でホーンを共振させる振動手段であった。

特許文献２に示す方法では直角方向に２つの振動子をもうける構造であり、２次元的な軌跡を描けるようになっている。

また、特許文献３においては、１０−５Torr以下である高真空中でＡｒイオン銃により金属接合表面をスパッタエッチングし、表面の酸化膜や有機物層を除去し、金属同士を常温のもと直接接合する常温接合と呼ばれる技術が開示されている。通常１０−８〜１０−５Torrという高真空で、イオン銃という量産では使用しにくい研究レベルの装置ではある。

また、特許文献４においてはウエハー表面を酸素プラズマにて接合表面にＯＨ基を吸着させて表面活性化し、加熱接合する方法が記載されている。

また、成型装置においては、従来、樹脂などが塗布された基材に対し、転写型を押し付け、過熱または紫外線照射により樹脂を硬化させ、転写型を抜き取る方法が知られている。

第２５８３３９８号特開２０００−２０８５６０特開昭５４−１２４８５３特開平３−９１２２７

特許文献１による方法では、１つの振動子でホーンを共振させるため１方向の振動であり、かつ、３次元的な動きはできない。また、１つであるが故エネルギーは小さい。また、大面積を振動させることはできない。
また、特許文献２に示す方法では、加圧面に対し直角方向の横振動であり、２次元的な軌跡は描けても３次元的な動作はできない。
接合装置を考えた時、大面積で接合するには横振動では摩擦力が大きく振動させることができない。しかし、縦振動であれば、接合面は接触した状態で接合界面に応力を加えることができるため、大面積での接合には有利である。金属突起部を超音波領域の振動により接合した場合の横振動と立て振動による応力分布解析結果を図１０に示す。横振動を使用して接合した場合には、金属突起部の横振動に対する弾性変形により、周辺部に応力が加わり、図１０に示すように均一な接合とはならず金属突起部周辺しか接合しないことになる。それに比較して縦振動の場合は均一な接合ができることが図１０より分かる。図１０においては、金属突起部の縦振動と横振動による接合のための界面応力解析を示し、応力の高い部分は界面の伸びにより新生面が出ることにより接合されると考えられる。また、勿論、横に振幅する分、実装位置ずれの原因になるため数μｍという高精度での実装は難しい。但し、応力を時間的に一部に集中させて移動させながらまんべんなく加圧振動させてやれば大面積の接合も小さな振動加圧源で可能となる。そのためには３次元的な動作が必要となる。
また、これはナノレベルで成型する成型装置であるナノインプリント装置においてもあてはまる。成型時に転写型を押し付けて基材に食い込ませていくわけであるが、単に加圧だけでは難しい。成型時に振動を印加することで界面の応力が増加し、低い加圧力で食い込みやすくなる。また、横振動より縦振動のほうが削岩機と同じ原理で加工し易い。特にガラスなど硬い基材に成型していく上では単に加圧だけでは莫大な加圧力が必要となり実現性に乏しい。また、もちろん横振動ではナノレベルの位置精度を得ることはできない。また、振動するためには多少の隙間や抜き勾配が必要になるが、これは３次元的な動作で行うことが必要となる。また、樹脂やガラスなどからなる基材を成型する場合などでは、成型後、型を抜く時に振動を印加してやることで抜き易くなり有効であるが、これも横振動では大面積は抜けなく、単に縦振動でも容易ではない。抜き勾配ができるような３次元的な動作が必要となる。
また、ミクロン台の凹凸の成型を行う場合は、転写型と基材の平行調整もサブミクロン台で必要となる。振動を印加する場合は平行調整した上での振動印加が必要であるが、従来の成型装置にはサブミクロン台で平行調整できる機能は無いため、サブミクロン台のナノインプリントは実質できなかった。

また、特許文献３においては、表面活性化接合技術では、気泡や残差は残らないが、イオン銃などを使用した再付着を防止する高真空プロセスが必要で、高価で複雑な装置となる。また、常温であるが故、３００ＭＰａという高荷重が必須となり、量産化への妨げとなっていた。また、金属以外には適用できないという課題があった。

また、特許文献４においては、ＯＨ基が吸着され、ウエハー同士を水素結合により面接合させるが、高温での加熱が必要である。そのため、耐熱の課題がある半導体やＭＥＭＳデバイスには使用できなく、また、線膨張係数の異なる異種材料間の接合ではそりが発生し、最悪割れることになる。

また、お互いに密着し合う面形状をした複数の被接合物の接合表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、特許文献３，４の方法においては、低温で固相のまま接合するとパーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって接合されない。特にウエハー同士の張り合わせにおいて、通常のウエハーには０．２μｍ以上のパーティクルが１０個以上存在する。これは既製品のカタログにもうたわれている値である。そのため、実際にウエハー同士を低温固相で接合すると１０ｍｍ程度の大きさのボイドが数カ所に残ってしまう。これを除去するには、並大抵の洗浄方法では無理があるのと、洗浄後にウエハーをハンドリングする時点でパーティクルが付着してしまうため、実質無理である。

そこで本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、両被加圧物を接触加圧した状態で、大面積に縦振動を印加する技術を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明に係る手段を一括して以降に説明する。

上記課題を解決するために本発明に係る加圧方法は、対向配置された２つの保持ツールを備え、前記両保持ツールそれぞれに保持されて対向配置された被加圧物同士を加圧する加圧方法であって、前記両保持ツールのうち、少なくとも一方の前記保持ツールにその伸縮方向における一端がそれぞれ接続された複数の伸縮機構と、前記両保持ツールそれぞれに保持された被加圧物同士を接触加圧する加圧機構とを備え、前記各伸縮機構が、前記両被接合物同士を加圧する前記加圧機構の加圧方向に直交する平面視において並列に互いに分散して配置されて、前記両被加圧物を前記加圧機構により接触加圧した状態で、前記各伸縮機構間の振動位相を制御し、前記平面視における回転方向に順次波が流れるように前記各伸縮機構を伸縮動作させて縦振動を印加する加圧方法からなる（請求項１）。
また、本発明に係る加圧方法は、対向配置された２つの保持ツールを備え、前記両保持ツールそれぞれに保持されて対向配置された被加圧物同士を加圧する加圧方法であって、前記両保持ツールのうち、少なくとも一方の前記保持ツールにその伸縮方向における一端がそれぞれ接続された複数のピエゾアクチュエータと、前記両保持ツールそれぞれに保持された被加圧物同士を接触加圧する加圧機構とを備え、前記各ピエゾアクチュエータが、前記両被接合物同士を加圧する前記加圧機構の加圧方向に直交する平面視において並列に互いに分散して配置されて、前記各ピエゾアクチュエータの伸縮動作により前記被加圧物の傾きを調整し、前記両被加圧物を前記加圧機構により接触加圧した状態で、前記各ピエゾアクチュエータの伸縮動作にて縦振動を印加する加圧方法からなる（請求項２）。
また、上記課題を解決するために本発明に係る接合装置は、対向配置された２つの保持ツールを備え、前記両保持ツールそれぞれに保持されて対向配置された被加圧物同士を加圧する加圧装置であって、前記両保持ツールのうち、少なくとも一方の前記保持ツールにその伸縮方向における一端がそれぞれ接続された複数の伸縮機構と、前記両保持ツールそれぞれに保持された被加圧物同士を接触加圧する加圧機構とを備え、前記各伸縮機構が、前記両被接合物同士を加圧する前記加圧機構の加圧方向に直交する平面視において並列に互いに分散して配置されて、前記両被加圧物を前記加圧機構により接触加圧した状態で、前記各伸縮機構間の振動位相を制御し、前記平面視における回転方向に順次波が流れるように前記各伸縮機構を伸縮動作させて縦振動を印加する加圧装置からなる（請求項３）。
また、本発明に係る加圧装置は、対向配置された２つの保持ツールを備え、前記両保持ツールそれぞれに保持されて対向配置された被加圧物同士を加圧する加圧装置であって、前記両保持ツールのうち、少なくとも一方の前記保持ツールにその伸縮方向における一端がそれぞれ接続された複数のピエゾアクチュエータと、前記両保持ツールそれぞれに保持された被加圧物同士を接触加圧する加圧機構と備え、前記各ピエゾアクチュエータが、前記両被接合物同士を加圧する前記加圧機構の加圧方向に直交する平面視において並列に互いに分散して配置されて、前記各ピエゾアクチュエータの伸縮動作により前記被加圧物の傾きを調整し、前記両被加圧物を前記加圧機構により接触加圧した状態で、前記各ピエゾアクチュエータの伸縮動作にて縦振動を印加する加圧装置からなる（請求項４）。
振動とは低周波から超音波領域を含むものを示し、本発明に含む。また、接合には良く超音波が利用され好ましい。また、保持ツールと共振させることで大きなエネルギーを出力させることができ好ましい。従来ひとつの振動子を直列につなぐ方法が一般的であるが、複数を並列に接続することでエネルギーを増大させることができ大面積の振動が可能となる。また、大面積で高荷重をかけると単独で振動子を中央でうけると周辺のたわみが発生して、前面で均一な振動エネルギーを伝達できない。そこで、振動子となる伸縮機構を並列に複数配置することでたわみを防止し、高いエネルギーで大面積を高荷重のもと振動させることが可能となる。また、従来２次元的な動きしかできなかったものが、並列に複数個所で受けることで３次元的な動作が可能となる。また、伸縮機構とはピエゾアクチュエータ３０及び／または粗動調整部３８を示す。また、縦振動とは縦方向の振動成分が５０％以上である振動を示す。

また、前記被加圧物の一方が転写型であり、もう一方が基材であり、表面に凹凸を持った転写型と基材とを位置合わせした後、加圧して基材を成型する成型方法であって、転写型と基材を対向保持する保持ツールのうち、少なくとも一方の保持ツールに複数の伸縮機構が接触または連結された成型機構において、転写型と基材を接触加圧した状態で、伸縮機構の伸縮動作にて縦振動を印加し、成型及び／又は転写型を抜き取ってもよい。
また、前記被加圧物の一方が転写型であり、もう一方が基材であり、前記加圧装置が表面に凹凸を持った転写型と基材とを位置合わせした後、加圧して基材を成型する成型装置であって、転写型と基材を対向保持する保持ツールのうち、少なくとも一方の保持ツールに複数の伸縮機構が接触または連結された成型機構において、転写型と基材を接触加圧した状態で、伸縮機構の伸縮動作にて縦振動を印加し、成型及び／又は転写型を抜き取ってもよい。
ナノインプリントと呼ばれる成型分野では、ナノレベルで作られた転写型を基材に押し付けナノレベルでインプリントする方法である。特に将来期待されているのは、半導体のフォトリソグラフィーに変わるインプリント方式によるパターン形成である。これは、数十ナノレベルの配線パターンによるさらなる微細化とコストダウンを目的とする。基材がガラスのような硬い材料の場合には、特に前述のように振動を印加して食い込ますことが有効である。また、樹脂をコーティングした基材などの場合は、加熱やＵＶ照射により樹脂硬化後、型を抜くには樹脂が収縮しているため困難であり、前述のように振動を印加しながら抜くことが好ましい。基材としては、ウエハーのような大面積なものが一般的であり、大面積で高荷重のもと振動を与えられる方式である、少なくとも一方の保持ツールに複数の伸縮機構が接触または連結された成型機構において、転写型と基材を接触加圧した状態で、伸縮機構の伸縮動作にて縦振動を印加し、成型及び／又は転写型を抜き取る前記方法が有効である。

また、前記各ピエゾアクチュエータの配置数が３であり、前記平面視において円周上に等間隔で配置されていてもよい（請求項５）。
振動子となる伸縮機構の配置位置としては、例えば被接合物であるウエハーの中心から円周上に等間隔で配置されることが荷重を均等に受け、かつ、振動を均等に与え、共振させやすいことから好ましい。最少数としては面で傾かないように受けるには３となる。また、３次元的な動作をさせる上でも３が好ましい。円周上に３箇所配置することが最少数であり、効率的で安定する。

また、前記成型時または転写型抜き取り時に転写型と基材を接触加圧した状態で、複数の伸縮機構間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ成型及び／又は転写型を抜き取ってもよい。
また、複数の伸縮機構間の振動位相を制御する手段を備え、前記成型時または転写型抜き取り時に転写型と基材を接触加圧した状態で、複数の伸縮機構間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ成型及び／又は転写型を抜き取ってもよい。
並列に配置された伸縮機構の振動位相を制御してやることで３次元的な動作が可能となる。特に円周上等間隔に３箇所に配置されている場合は、振動印加手段によって例えばサインカーブからなる伸縮電圧を印加し、位相を１２０°ずつずらしてやれば回転方向に順次波がながれるが如く３次元的な振動動作をさせることができる。前述のように単純に縦振動だけよりもウェーブのようなひねり動作を加えた、抜き勾配ができるような３次元的な動作が型を抜きやすく、また、基材にも食い込ませ易い。特に全面が均等に加圧するのと比べ、ある部分に集中荷重がかかりながら移動していくことで、少ない荷重で加工しやすい。また、型抜きにおいては押しつけながら、角度をつけて斜めに順次抜くことができるので非常に有効な手段となる。ここでいう振動とはこのような３次元的な連続動作も含む。

また、少なくとも一方の保持ツールの表面を中央が高い凸状として加圧成型してもよい。型を食い込ませるという観点からは、中央から周辺へ広がる中央部凸型であることが好ましい。形状としては中央から周辺へ広がる中央部凸型でなだらかな円周で示されるＲ状であることが好ましい。また、押し付け時に空気の噛みこみによるボイドを中央から押しのけていくのでボイドが発生しにくい。また、型抜き時においても周辺から序々に抜けてくるので抜きやすい。また、前記表面を樹脂コーティングしてもよい。前述において、凸形状を弾性体で作成することが好ましい。その観点から樹脂でコーティングすることが容易で好ましい。

また、前記転写型と基材を接触加圧した状態で、複数の伸縮機構間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ、かつ、振幅を変化させ成型してもよい。
また、複数の伸縮機構間の振動振幅を制御する手段を備え、前記転写型と基材を接触加圧した状態で、複数の伸縮機構間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ、かつ、振幅を変化させ成型してもよい。
前述の位相をずらすことで波が流れるが如く動作させることができるが、これに中央が凸型でなだらかな円周で示されるＲ状の保持ツールで、前記位相制御しながら１回転おきに振幅も段階的に増大してやることで、中央から周辺に対して渦巻状の軌跡を描くことができる。その状態を図６に示す。振幅を増加させてやることで接点は中央から周辺へ移行されることが分かる。そうすることでボイドが抜け、かつ、1点集中荷重となるのでより低荷重のもとより高荷重が必要な加工や型抜きが可能となる。また、型抜きにおいては押し付けながら順次抜くことができるので非常に有効な手段となる。また、増大した振幅は序々に減少させたり、イニシャルに戻して再び増加させるなど方法を選択してやることができる。

また、前記保持ツールの少なくとも一方に圧力検出素子が配置された接合機構において、加圧して保持ツール間の傾きを圧力検出素子で検出し、伸縮機構で傾きを補正した後、伸縮機構の振動を加えて成型する方法において、伸縮機構の出力電圧を平行調整した値をバイアスとして、振動電圧を印加してもよい。
また、複数の圧力検出素子を備え、前記保持ツールの少なくとも一方に圧力検出素子が配置された接合機構において、加圧して保持ツール間の傾きを圧力検出素子で検出し、伸縮機構で傾きを補正した後、伸縮機構の振動を加えて成型する成型装置において、伸縮機構の出力電圧を平行調整した値をバイアスとして、振動電圧を印加する振動印加手段を備えてもよい。
また、ミクロン台の凹凸の成型を行う場合は、転写型と基材の平行調整もサブミクロン台で必要となる。振動を印加する場合は平行調整した上での振動印加が必要であるが、従来の成型装置にはサブミクロン台で平行調整できる機能はないため、サブミクロン台のナノインプリントは実質できなかった。本発明においては、複数の並列配置された圧力検出素子により圧力分布が均一になるように平行調整を自動的に行うことで微小なミクロン台の平行調整が可能となる。また、圧力検出素子は伸縮機構と同配置で対向面またはピエゾ後部に配置することが制御し易く好ましい。振動を印加する場合は、平行調整された状態で振幅を印加してやる必要があり、各伸縮機構において、伸縮機構の出力電圧を平行調整した値をバイアスとして、振動電圧を印加することで達成できる。また、ピエゾの伸縮量は数μｍと限られているため、効率的に使用する必要がある。

また、前記成型前に転写型または基材の少なくとも一方の表面をプラズマにより表面処理した後、成型してもよい。また、プラズマ照射手段を備え、前記成型前に転写型または基材の少なくとも一方の表面をプラズマにより表面処理した後、成型してもよい。
成型型を抜き取るにあたって基材表面が粘着性があったり、型と引っ付き易い場合、型抜きができなかったり、型に基材が付着して抜き形状に不良がでたりする。プラズマ照射することで表面改質を行い、型と引っ付きにくくすることで型抜きが容易となる。また、反応ガスを選択すれば表面を軟化させて成型しやすくすることもできる。また、成型型においても使用しているうちに樹脂や汚れが付着し、型抜き時に基材同様不具合が生じるため、成型前にプラズマ照射による表面処理すれば、付着物が洗浄されきれいな型抜きが可能となる。プラズマとは減圧プラズマと大気圧プラズマを含む。大気圧プラズマであれば真空チャンバーが不要で扱い易く、表面改質などの化学処理には好適である。反応ガスとしては水素や酸素などが一例としてあげられるが、いかなるガスであっても本発明に含む。

また、前記プラズマが減圧プラズマであり、前記プラズマによる表面処理工程と成型工程を同一チャンバーで行ってもよい。
表面処理と成型を同一チャンバー内で行うことにより表面処理後、直ちに成型できるため、再付着や改質が衰える前に成型、型抜きすることができる。また、被成型物のハンドリングが不要となるのでパーティクルの付着などを防ぐことができる。また、前記プラズマを照射しながら接触させる前記に記載の方法及び接合装置からなる。プラズマを照射しながら接触すれば接触直前まで表面は洗浄、改質された状態であるのでより成型や型抜きされやすい。

また、前記縦振動を印加して成型する成型過程において加圧力及び／又は振動エネルギーを成型時に上昇するカーブで増大させ、型抜き時に下降するカーブで減少させてもよい。
振動エネルギーは接触面積に比例して増大させてやることが好ましく、余分なエネルギーはダメージを発生させるため避けたい。そのため、成型時には振動エネルギーを上昇するカーブで増大させてやり、型抜き時には下降するカーブで減少させてやることで、ダメージなく、最適なエネルギーを供給してやることができる。そのため、ナノレベルでの微小な型成型や型抜きが達成できる。

また、前記振動を印加して成型する成型過程において、前記圧力検出手段により、振動時の圧力を検出して振動エネルギーを制御してもよい。前記圧力検出素子を複数配置することで伸縮機構が発する振動を検出することができる。例えば過度な振動が印加された場合は、圧力検出地が設定されたピーク値以上になれば振動エネルギーや振幅を減少させるなどのフィードバック制御を行ってやればよい。また、圧力検出素子は伸縮機構の配置位置に対し、同位置で対向位置か後部に配置されていることが制御上好ましい。
また、前記成型荷重が３００Ｍpa以下でもよい。成型時においては、比較的やわらかい金属である金やガラスにおいても３００ＭＰａ以上の加圧力を必要としていたが、振動を付加することで荷重の減少が可能となる。例えば、１５０ＭＰａでの成型が可能であった。

また、前記成型を減圧チャンバー中で行ってもよい。減圧下で成型することで特に成型時に空気の巻き込みによるボイドの発生や空気を巻き込んだ成型を防止することができる。
また、前記転写型引き抜き時に減圧してもよい。例えば大気圧で転写型を押し付けた場合、気泡が噛み込んで押し付けられている。型抜き時に減圧すれば、噛み込んだ気泡により転写型が押されるかたちで、型抜きがしやすくなる。
また、減圧チャンバーと両保持ツールを支える手段が分離され、摺動できる封止構造であってもよい。加圧力や振動を印加するにあたり、チャンバーとつながっていると真空引き時のチャンバーのひずみにより影響を受けてしまう。また、アライメント精度においても同様な影響が起こるため、両保持ツールを支持する手段と減圧チャンバーはＯリングまたはベローズで摺動できる封止構造としながら分離することが望ましい。

また、前記転写型または基材表面にパーティクルが存在してもよい。
お互いに密着し合う面形状をした成型部には小さなゴミとなるパーティクルが存在した場合、パーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって成型されない部分が現れる。これを回避するには振動を印加することで、パーティクル部に応力が集中するため砕けるか、基材内に埋没させることができる。特に真空中であれば隙間に空気が存在しないため、パーティクルさえ粉砕または埋没させることで空隙なく良好な成型が可能となる。通常一般的に市販されているウエハーにおいても０．２μｍ以上のパーテクルが数十個存在するため、本方式は有効である。
また、前記基材が半導体またはＭＥＭＳ用途のウエハーまたはチップでもよい。
ナノインプリント成型が求められる分野としては微小な構造体を成型するＭＥＭＳや前述した将来のフォトリソグラフィーに変わる半導体のパターン形成にもっとも有効な発明である。

また、ウエハーまたはチップからなる半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスからなる。ナノインプリント成型が求められる分野としては微小な構造体を成型するＭＥＭＳや前述した将来のフォトリソグラフィーに変わる半導体のパターン形成にもっとも有効な発明である。

また、前記被加圧物が加圧を伴い接合する被接合物であり、被接合物同士を接合する方法であって、両被接合物を対向保持する保持ツールのうち、少なくとも一方の保持ツールの被接合物と対向面に複数の伸縮機構が接触または連結された接合機構において、両被接合物を接触加圧した状態で、伸縮機構の伸縮動作にて縦振動を印加し接合してもよい。
また、前記被加圧物が加圧を伴い接合する被接合物であり、前記加圧装置が被接合物同士を接合する接合装置であって、両被接合物を対向保持する保持ツールのうち、少なくとも一方の保持ツールの被接合物と対向面に複数の伸縮機構が接触または連結された接合機構において、両被接合物を接触加圧した状態で、伸縮機構の伸縮動作にて縦振動を印加してもよい。
被接合物同士を接合する方法において、従来から超音波振動を印加して接合する方法が知られている。ここでいう振動とは低周波から超音波領域を含むものを示し、本発明に含む。また、接合には良く超音波が利用され好ましい。また、保持ツールと共振させることで大きなエネルギーを出力させることができ好ましい。また、加熱接合する場合や表面活性化による接合の場合においても、振動を印加することで接合界面の応力が増すことから接合荷重は約半分の荷重で接合が行われる。これは、接合するには微小な界面の凹凸が押しつぶされて密着する必要があることから、振動による応力増加が寄与するためである。また、被接合物としてウエハーのような大面積なものの場合には、大面積で高荷重のもと振動を与えられる方式である、少なくとも一方の保持ツールの被接合物と対向面に複数の伸縮機構が接触または連結された接合機構において、両被接合物を接触加圧した状態で、伸縮機構の伸縮動作にて縦振動を印加し接合する前記方法が有効である。

また、伸縮機構の配置数が３であり、円周上に等間隔で配置されていてもよい。振動子となる伸縮機構の配置位置としては、例えば被接合物であるウエハーの中心から円周上に等間隔で配置されることが荷重を均等に受け、かつ、振動を均等に与え、共振させやすいことから好ましい。最少数としては面で傾かないように受けるには３となる。また、３次元的な動作をさせる上でも３が好ましい。円周上に３箇所配置することが最少数であり、効率的で安定する。

また、前記両被接合物を接触加圧した状態で、複数の伸縮機構間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ接合してもよい。
また、複数の伸縮機構間の振動位相を制御する手段を備え、前記両被接合物を接触加圧した状態で、複数の伸縮機構間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ接合してもよい。
並列に配置された伸縮機構の振動位相を制御してやることで３次元的な動作が可能となる。特に円周上等間隔に３箇所に配置されている場合は、振動印加手段によって例えばサインカーブからなる伸縮電圧を印加し、位相を１２０°ずつずらしてやれば回転方向に順次波がながれるが如く３次元的な振動動作をさせることができる。前述のように単純に縦振動だけよりもウェーブのような波がながれるが如く動作を加えた方が、接合時に噛み込んだ空気や真空においても発生する界面の隙間から生じるボイドを抜くことが順次押し出すことで可能となる。また、接合においても集中荷重が順次流れていくので前述原理からなる微小凹凸を密着させる接合にも有効である。特に全面が均等に加圧するのと比べ、ある部分に集中荷重がかかりながら移動していくことで、少ない荷重で接合し易い。ここでいう振動とはこのような３次元的な連続動作も含む。

また、少なくとも一方の保持ツールの表面を中央が高い凸状として加圧接合してもよい。ボイドを抜くという観点からは、中央から周辺へ広がる中央部凸型が、押し付け時に空気の噛みこみによるボイドを中央から押しのけていくのでボイドが発生しにくい。また、真空下の隙間においても中央から順次押しつぶされていくのでしわ寄せもなく接合し易い。形状としては中央から周辺へ広がる中央部凸型でなだらかな円周状で示されるＲ状であることが好ましい。

前記表面を樹脂コーティングしてもよい。前述において、凸形状を弾性体で作成することが好ましい。その観点から樹脂でコーティングすることが容易で好ましい。

また、前記両被接合物を接触加圧した状態で、複数の伸縮機構間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ、かつ、振幅を変化させ接合してもよい。
また、複数の伸縮機構間の振動振幅を制御する手段を備え、前記両被接合物を接触加圧した状態で、複数の伸縮機構間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ、かつ、振幅を変化させ接合してもよい。
前述の位相をずらすことで波が流れるが如く動作させることができ、これに中央が凸型でなだらかな円周で示されるＲ状の保持ツールで、前記位相制御しながら１回転おきに振幅も段階的に増大してやることで、中央から周辺に対して渦巻状の軌跡を描くことができる。その状態を図６に示す。振幅を増加させてやることで接点は中央から周辺へ移行されることが分かる。そうすることでボイドが抜け、かつ、1点集中荷重となるのでより低荷重のもと、より高荷重が必要な接合が可能となる。また、増大した振幅は序々に減少させたり、イニシャルに戻して再び増加させるなど方法を選択してやることができる。ここでいう振動とはこのような３次元的な連続動作も含む。

また、前記保持ツールの少なくとも一方に圧力検出素子が配置された接合機構において、加圧して保持ツール間の傾きを圧力検出素子で検出し、伸縮機構で傾きを補正した後、伸縮機構の振動を加えて接合する方法において、伸縮機構の出力電圧を平行調整した値をバイアスとして、振動電圧を印加してもよい。
また、複数の圧力検出素子を備え、前記保持ツールの少なくとも一方に圧力検出素子が配置された接合機構において、加圧して保持ツール間の傾きを圧力検出素子で検出し、伸縮機構で傾きを補正した後、伸縮機構の振動を加えて接合する接合装置において、伸縮機構の出力電圧を平行調整した値をバイアスとして、振動電圧を印加する振動印加手段を備えてもよい。
接合においては前述のように面同士を密着させる必要があることから、被接合物間の平行調整もサブミクロン台で必要となる。また、この平行度がずれていると無理やりならわすことで高精度に位置合わせしたものがずれてしまう。また、振動を印加する場合は平行調整した上での振動印加が必要である。本発明においては、複数の並列配置された圧力検出素子により圧力分布が均一になるように平行調整を自動的に行うことで微小なミクロン台の平行調整が可能となる。また、圧力検出素子は伸縮機構と同配置で対向面またはピエゾ後部に配置することが制御し易く好ましい。振動を印加する場合は、平行調整された状態で振幅を印加してやる必要があり、各伸縮機構において、伸縮機構の出力電圧を平行調整した値をバイアスとして、振動電圧を印加することで達成できる。また、ピエゾの伸縮量は数μｍと限られているため、効率的に使用する必要がある。

また、前記縦振動を印加して接合する接合過程において加圧力及び／又は振動エネルギーを上昇するカーブで増大させてもよい。振動エネルギーは接触面積に比例して増大させてやることが好ましく、余分なエネルギーはダメージを発生させるため避けたい。そのため、前述のように界面の微小な凹凸が接合が進むに連れて密着する面積が増大してくるので振動エネルギーを上昇するカーブで増大させてやることで、ダメージなく、最適なエネルギーを供給してやることができる。また、余分な振動がないため、位置ずれもなくサブミクロン台での高精度な位置決めされた接合が達成できる。

また、前記振動を印加して接合する接合過程において、前記圧力検出手段により、振動時の圧力を検出して振動エネルギーを制御してもよい。前記圧力検出素子を複数配置することで伸縮機構が発する振動を検出することができる。例えば過度な振動が印加された場合は、圧力検出地が設定されたピーク値以上になれば振動エネルギーや振幅を減少させるなどのフィードバック制御を行ってやればよい。また、圧力検出素子は伸縮機構の配置位置に対し、同位置で対向位置か後部に配置されていることが制御上好ましい。

また、前記接合荷重が３００Ｍpa以下であってもよい。特許文献３のような常温接合においては、比較的やわらかい金属である金においても３００ＭＰａ以上の加圧力を必要としていたが、振動を付加することで荷重の減少が可能となる。例えば、１５０ＭＰａでの接合が可能であった。

また、前記接合を減圧チャンバー中で行ってもよい。減圧下で接合することで特に接合時に空気の巻き込みによるボイドの発生や空気を巻き込んだ接合を防止することができる。
また、減圧チャンバーと両保持ツールを支える手段が分離され、摺動できる封止構造であってもよい。加圧力や振動を印加するにあたり、チャンバーとつながっていると真空引き時のチャンバーのひずみにより影響を受けてしまう。また、アライメント精度においても同様な影響が起こるため、両保持ツールを支持する手段と減圧チャンバーはＯリングまたはベローズで摺動できる封止構造としながら分離することが望ましい。

また、前記接合表面にパーティクルが１つ以上乗っていてもよい。お互いに密着し合う面形状をした複数の被接合物の接合表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、低温で固相のまま接合するとパーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって接合されない。これを除去するには接合時に振動を印加することで、パーティクル部に応力が集中するため砕けるか、基材内に埋没させることができる。また、真空中で接合されたものは、隙間が接触さえすれば接合できるので、振動による膨張収縮により空隙を接触させ、接合させることが可能となる。表面活性化された接合表面であれば特に有効である。

また、前記接合前に両被接合物の接合表面をエネルギー波により表面活性化した後、固相で接合してもよい。する項１６〜２７のいずれかに記載の方法からなる。また、エネルギー波照射手段を備え、前記接合前に両被接合物の接合表面をエネルギー波により表面活性化した後、固相で接合する項１６〜２７のいずれかに記載の接合装置からなる。エネルギー波による表面活性化処理とは、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマで接合界面を活性化状態にして接合しやすくする処理を示す。表面活性化による接合原理は次の考え方ができる。金属のような物質においては表面の有機物や酸化膜など付着物をエッチング除去して、活性な金属原子のダングリングボンドを表面に生成することで、他方のダングリングボンド同士で接合させる。また、Ｓｉまたはガラス、ＳｉＯ２、セラミック系を含む酸化物である場合は、酸素や窒素プラズマによる親水化処理により、接合表面をＯＨ基で活性化し、他方のＯＨ基同士で接合させることである。また、特許文献４に示すように酸素プラズマによりＯＨ基を接合面に吸着させて表面活性化される方法であれば一度大気に暴露してもその後大気中または真空中で接合させることができる。続いて、真空中でその表面活性化された状態を維持して振動により接合させれば、付着物が無く、かつ、表面が活性化されているので従来、超音波や表面活性化方法だけでは接合できなかったものが接合可能となる。また、従来の表面活性化接合に比べ接合荷重も半分以下である１００〜１５０ＭＰａ程度と実用可能なレベルへと低下できる。接合加重を落とせる例として金バンプを特許文献３に示すような常温接合する場合と振動を印加して接合する場合で比較する。金の金属突起を接合する場合、常温では３００Ｍpa程度の高加圧力で押しつぶさないと接合できないことになる。このバンプが半導体回路面上にある場合は、一般的に２００Ｍpa以上では回路によってはダメージを与えてしまう。振動を印加した場合においては１５０Ｍｐａの荷重で接合が可能であった。また、バンプつぶれ代として１μｍ以上のバンプを押しつぶすことが必要であることが分かった。また、前述のようにパーティクルなどにより空隙が開いた界面においても、振動印加による膨張と収縮により空隙を接触させ、表面活性化しているので接触させすれば接合できる。

また、前記エネルギー波が大気圧プラズマであってもよい。前記プラズマが大気圧プラズマであれば大気中でも使用でき容易である。また、ＯＨ基の付着や窒素置換など化学処理には好適である。

また、前記エネルギー波が減圧プラズマであり、減圧された減圧チャンバー内で洗浄してもよい。す従来の常温接合では少しでも再付着があると接合できなくなるのに比べ、振動を併用するため、常温接合のように１０^−８〜１０^−５Torr程度の高真空である必要が無く、簡易な１０^−２Torr程度の低真空でも可能なため、量産性に適さないイオンビームや原子ビームでなく簡易なプラズマが使用できる。簡易な装置で可能となるため、設備のコストダウンと簡易化が可能となり、量産に適する。

また、前記エネルギー波が減圧プラズマであり、前記エネルギー波による洗浄工程と縦振動による接合工程を同一チャンバーで行ってもよい。前記プラズマが減圧プラズマであれば、エッチング力も強く不純物を効率よく除去できる。また、同一チャンバー内で行うことにより表面活性化処理後、直ちに接合できるため、再付着や活性化が衰える前に接合することができる。また、被接合物のハンドリングが不要となるのでパーティクルの付着などを防ぐことができる。
また、前記エネルギー波を照射しながら接触させてもよい。エネルギー波を照射しながら接合すれば接触直前まで表面は洗浄、活性化された状態であるのでより接合されやすい。特に活性化はダングリングボンドが消滅するまでに接合する必要があり、材料によっては短い時間で消滅してしまうものもある。
また、少なくとも前記一方の被接合物が半導体であり、各被接合物の接合面を＋−両電界に切り替わるＲＦプラズマ電源またはパルス波によるプラズマ電源からなるプラズマで洗浄してもよい。また、前記ＲＦプラズマのＶｄｃが調整可能である、または、前記パルス波の幅が調整可能であってもよい。前記に記載の方法からなる。また、前記ＲＦプラズマのＶｄｃが調整可能であるプラズマ電源を備え、または、前記パルス波の幅が調整可能であるプラズマ電源を備えた前記に記載の接合装置からなる。少なくとも一方の被接合物が半導体である場合などでは、＋イオンや−電子が半導体の回路面に衝突すると、回路、特にゲート酸化膜などにチャージアップダメージを与えることになる。これを回避するために＋イオンと−電子を交互に衝突させることにより電荷がチャージする前に中和させてしまうことができる。そうすることによりチャージアップダメージを回避することが可能となる。また、前記交番電源が１：５より均等に切り替わる方法及び接合装置からなる。交互に切り替わる比率としては１：５より均等であればチャージアップダメージを軽減できる。また、１：２より均等であればより好ましい。また、前記交番電源においてＶｄｃが−値であり、＋領域が２０％〜４０％である方法及び接合装置からなる。また、Ａｒや酸素プラズマなどは＋イオンとなるため、加速して洗浄面に衝突させエッチングするためには、被接合物を保持する電極は−電界である必要がある。そのため、Ｖｄｃ値は−であることが好ましい。
また、前記Ｖｄｃ値を調整できる交番電源からなるプラズマであってもよい。＋−を均等にしすぎると＋イオンが衝突する機会が減るため洗浄能力が減少する。また、−電子によるチャージアップダメージが発生する。そのため、アプリケーション毎に最適なＶｄｃ値を調整できるようにすることにより、チャージアップダメージを起こさず最適な洗浄能力を発揮することができ、効果がある。
また、前記交番電源がＲＦプラズマであってもよい。交番電源として交流からなるＲＦプラズマを使用することで交互に電界を＋−切り替えることが容易にできる。また、前記Ｖｄｃ値の調整で容易に＋と−の割合を調整可能である。
また、前記交番電源がパルス波からなるプラズマであってもよい。交番電源としてパルス波を用いることができる。パルス波であれば急峻な立ち上がりと立ち下げが可能であり、洗浄能力もアップする。
また、前記パルス波が＋領域時間と−領域時間を調整可能な交番電源からなるプラズマであってもよい。また、Ｖｄｃ値の調整だけでなく、パルス幅や間隔を調整することで＋−の割合や衝突時間を管理できるので交流であるＲＦよりより細かく設定が可能となり、最適な値を探し出しやすい。また、前記接合時に１８０℃以内に加熱する項２〜３１のいずれかに記載の方法からなる。
また、前記接合時に１８０℃以内に加熱する加熱手段を備えてもよい。接合時に加熱を併用することで接合マージンがアップする。また、従来常温では接合できなかったものも接合可能となる。特に活性化時間の短いものは再付着も早く、加熱併用することで接合界面での粒界拡散がし易くなり接合し易くなる。従来の低温接合は鉛錫ハンダが１８３℃であるのでそれ以下の温度で接合できることは有効である。また、１５０℃以下、１００℃以下での接合も可能で好ましい。また、室温であればさらに良い。特に金であれば室温で接合し易く好ましい。

また、前記被接合物が複数の微少バンプを備えた半導体ウエハーまたはチップであってもよい。被接合物が電極となるバンプを設けた半導体ウエハーやチップであると、接合部は多数の突起部分となるため、一気に全面積を接合する面接合に比べ、個々の突起バンプにおいて順次超音波接合を進めることができるので振動接合に適する。

また、前記被接合物が面で接合するウエハーであってもよい。特にウエハー同士の張り合わせにおいて、通常のウエハーには０．２μｍ以上のパーティクルが１０個以上存在し、これは既製品のカタログにもうたわれている値である。そのため、実際にウエハー同士を低温固相で接合すると１０ｍｍ程度の大きさのボイドが数カ所に残ってしまうので本方式は特に有効である。

また、ウエハーまたはチップからなる半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスであってもよい。ＭＥＭＳデバイスにおいては、接着剤を使用しない構造物としての接合が要望され、また、アクチュエータ部分を封止する構造からガスが発生する接着剤を使用しない面接合する要望が高い。また、高精度な位置決めが要望される。また、半導体デバイスにおいても耐熱の問題と微細ピッチでの電極の接合から高精度な位置決めされた常態での接合から低温での接合が要望されている。これらデバイスには本発明が好適である。

また、前記伸縮機構がピエゾアクチュエータであるとよい。伸縮機構がピエゾアクチュエータであれば、小型コンパクトであり、微小なストロークや高周波を高速応答で振動印加することができ、また電圧制御で容易に行えるので好ましい。

従来ひとつの振動子を直列につなぐ方法が一般的であるが、複数を並列に接続することでエネルギーを増大させることができ大面積の振動が可能となる。また、振動子となる伸縮機構を並列に複数配置することでたわみを防止し、高いエネルギーで大面積を高荷重のもと振動させることが可能となる。また、従来２次元的な動きしかできなかったものが、並列に複数個所で受けることで３次元的な動作が可能となる。これは接合における低荷重化やボイド削減に有効であり、また、ナノレベルでの成型装置において成型時や型抜き時に振動が有効に作用する。また、両者が主に扱うウエハーなどの大面積で高荷重が必要なものに対して有効な構造である。

以下に本発明の望ましい第１の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に本発明の一実施形態に係るナノインプリント装置からなる成型装置を示す。この実施形態では基材となる樹脂をコーティングしたウエハーと転写型となるシリコンウエハーをエッチング加工したものを用い、同寸法からなるウエハーに対して一括して成型する成型装置として例に上げる。

まず、装置構成について記述する。転写型となる上ウエハーを保持する転写型保持ツール３２からなるヘッド７と下ウエハーを保持する基材保持ツール３３からなるステージ８が減圧チャンバー１１中に配置され、ステージはトルク制御式昇降駆動モータ１が連結されたＺ軸昇降機構２とＺ軸昇降機構２を回転させるθ軸機構３と、ステージ部をＸＹ水平方向へアライメント移動させるＸＹアライメントテーブル６により、Ｘ、Ｙ、θ方向のアライメント移動手段とＺ方向の昇降手段からなる。圧力検出手段４により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が切り替えながら行えるようになっている。

また、図３に示すように、圧力検出手段４は圧力検出素子３１を円周上に等間隔に３箇所配置してあり、保持ツールの平行調整用に使用したり、振動加圧時の振幅測定にも使用する。ヘッド荷重制御に使用する場合は、３つの総和を持ってサーボモータへフィードバックする。また、成型時の接触検出にも利用できる。ＸＹアライメントテーブル６は真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ、θ軸機構は減圧チャンバー外部に設置するため、Ｏリング５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。ヘッド及びステージの転写型と基材の保持手段としては、メカニカルなチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、加熱のためのヒータを備え、保持手段、加熱手段の２つの機能を備える。

図３に示すように、各保持ツールの少なくとも一方にはピエゾアクチュエータ３０が円周上に３箇所配置され、平行調整を行う。また、ピエゾアクチュエータ下部には粗動調整部３８が設けられ、大きな伸縮動作は粗動調整部で行い、微少な伸縮動作はピエゾアクチュエータで行う。粗動調整部は手動で動かす場合もあるがサーボモータなどを連結して自動で動かすこともでき、本発明に含む。また、伸縮機構とはピエゾアクチュエータ３０及び／または粗動調整部３８を示す。

本実施例では、ピエゾアクチュエータに限って説明するが、粗動調整部を使用して振動印加することも本発明に含む。また、ヘッド部は成型時または型抜き時に超音波領域を含む振動を併用するため、ヘッド７は支柱３７、転写型保持ツール３２、振動子３０から構成され、振動子による振動が転写型保持ツールに伝達され、振動を転写型保持ツールが保持する転写型へ伝達する。図３に示すように、振動子となるピエゾアクチュエータ３０は並列に３箇所円周上に等間隔で配置されており、位相を制御して波が流れるようなウェーブ動作や振幅も増減してうずまき動作など３次元的な動作をさせることができる。支柱３７は転写型保持ツールや振動子の振動を殺さないように保持する手段からなる。また、接触面積に比例して加圧力を制御してやることが好ましい。また、ウエハーのような大面積を成型する場合は、横振動タイプの振動ヘッドでは横振動させるには接触面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの振動ヘッドであれば、大面積な成型も可能となる。

減圧手段としては、排気管１５に真空ポンプ１７がつながれ、排気弁１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管１８に吸入ガス切り替え弁２０が連結され吸気弁１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしては封入ガスを２種類連結でき、例えばＡｒと窒素をつなぐことができる。もう一つは大気解放用の大気または窒素がつながれる。真空度や封入ガス濃度は吸気弁１９と排気弁１６の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを減圧チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。

アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段がヘッド上方に減圧チャンバー外部に配置される。認識手段の数は最低１つあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマークがθ方向成分も読みとれる形状や２つのマークを１視野内に配置することで１つの認識手段でも十分読み取ることができるが、本実施例のようにウエハーのような半径方向に大きなものは両端に２つ配置した方がθ方向の精度を高く読み取ることができるので好ましい。また、認識手段は水平方向や焦点方向へ移動可能な手段を設けて、任意の位置のアライメントマークを読みとれるようにしても良い。また、認識手段は、例えば可視光やＩＲ（赤外）光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。

減圧チャンバーには認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなる窓が配置され、そこを透過して減圧チャンバー中の転写型や基材のアライメントマークを認識する。例えば転写型となる上ウエハー、基材となる下ウエハーの対向する表面にアライメントマークが施され位置精度良く認識することができる。アライメントマークは特定の形状であることが好ましいが、ウエハー上に施された回路パターンなどの一部を流用しても良い。また、マークとなるものが無い場合はオリフラなどの外形を利用することもできる。両ウエハーを近接させた状態で上下ウエハー上の両アライメントマークを読み取り、ステージ側でＸ、Ｙ、θ方向へアライメント移動を行う。

ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、上部からヘッドを透過して両ウエハー上のアライメントマークを赤外透過して同時認識し、Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。認識手段が焦点方向に移動手段を持つ場合は上下個別に認識することもできるが、近接させて同時認識した方が精度上より好ましい。ファインアライメントする場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。画像認識手段としてはサブピクセルアルゴリズムを使用することで赤外線の解像度以上の認識精度を得ることが可能となる。また、近接させてアライメントしておけば接合時に必要なＺ移動量は最低限の数μｍ以内となるため、Ｚ移動に対するガタや傾きを最小限に押さえられ高精度なナノレベルの位置合わせ精度を達成することができる。

次に動作フローを図２を参照しながら解説する。まず、〔１〕に示すように、減圧チャンバーの前扉を開いた状態で転写型となる上ウエハーと基材となる下ウエハーをステージとヘッドに保持させる。これは人手でも良いが、基材はカセットから自動でローディングしても良い。次に〔２〕に示すように、前扉を閉め、減圧チャンバー内を減圧する。気泡を巻き込まないように１０−３Torr以下に減圧することが好ましい。続いて〔３〕に示すように上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態で認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、上部からヘッドを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識してＸ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。

この場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。続いて〔４〕に示すように、ステージを上昇させ、両ウエハーを接触させ、位置制御から圧力制御へと切り替え加圧する。圧力検出手段により接触を検出し高さ位置を認識しておいた状態で、圧力検出手段の値をトルク制御式昇降駆動モータにフィードバックし設定圧力になるように圧力コントロールする。初期加圧が加えられた状態でまず、円周上に等間隔で配置された圧力素子の値が均一になるようにピエゾアクチュエータで上下の被加圧物間で平行調整を行う。高精度な位置決めが必要な場合は、事前に平行調整を行っておき、その値を記憶して平行調整された状態で接触させる。次に前述のような３次元的な動作を含む任意の振動を印加し、接触界面での応力が増加することにより低荷重で成型加工が進む。加圧力は接触面積の増加に伴い比例して増加させてやることが好ましい。

また、お互いに密着し合う面形状をした接触表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、パーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって成型されない部分が現れる。これを回避するには振動を印加することで、パーティクル部に応力が集中するため砕けるか、基材内に埋没させることができる。また、ガラスなど基材が硬い場合には必要に応じて押し付け成型時に数百℃〜５百℃程度の加熱を加える。熱硬化型樹脂の場合は、押し付け後、２００℃程度の加熱により硬化させ、冷却してから型抜きを行う。続いて〔５〕に示すように、振動を印加しながらステージを下降させ、型抜きを行う。また、紫外線硬化型樹脂の場合は、上部から、紫外線透過材からなるヘッド、転写型を透過して、紫外線照射し硬化させ、型抜きを行う。このときに３次元的なウエーブ動作を加えることで斜めに順次抜き取ることができるので、型抜きがし易くなる。続いて〔６〕に示すように、ステージを待機位置に戻し、減圧チャンバー内を大気解放する。続いて前扉を開けて成型された基材となる下ウエハーを取り出す。人手でも良いが自動でカセットにアンローディングすることが好ましい。

また、成型型を抜き取るにあたって基材表面が粘着性があったり、型と引っ付き易い場合、型抜きができなかったり、型に基材が付着して抜き形状に不良がでたりする。プラズマ照射することで表面改質を行い、型と引っ付きにくくすることで型抜きが容易となる。また、反応ガスを選択すれば表面を軟化させて成型しやすくすることもできる。また、成型型においても使用しているうちに樹脂や汚れが付着し、型抜き時に基材同様不具合が生じるため、成型前にプラズマ照射による表面処理すれば、付着物が洗浄されきれいな型抜きが可能となる。

前記実施例では転写型、基材としてウエハーを上げたが、チップや基板形状であっても良く、いかなる形態のものでも良い。

転写形が石英ガラスのように透明材質からなるものの場合は、認識手段は可視光でも良く、また、基材も赤外透過する材料である必要性は無い。その場合、転写型を透過して基材側アライメントマーク及び転写型表面のアライメントマークを読み取ることができ、好適である。

被接合物の保持手段としては静電チャック方式が望ましいが、メカニカルにチャッキングする方式でも良い。また、大気中でまず真空吸着保持させておいて密着させた後、メカニカルチャックする方法が密着性が上がり好ましい。

実施例ではステージ側がアライメント移動手段と昇降軸を持ち、アライメント移動手段、昇降軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。

振動周波数は特に超音波の領域でなくとも良い。特に縦振動タイプにおいては、低周波でも十分効力を発揮する。

図３に示すように圧力検出素子をピエゾアクチュエータと対向するステージ側へ配置したが、図８に示すようにピエゾアクチュエータと同側へ持っていって配置しても良い。また、図７に示すようにピエゾアクチュエータと圧力検出配置を反対にしてもよい。また、図７や図８のように支柱で連結して支柱をＯリングで封止し、図９に示すように圧力検出素子を減圧チャンバー外へ配置することで温度変化によるドリフトを受けないので高精度に検出ことができる。

平行調整するタイミングとしては、事前に調整した値を保持しておくこともできる。また、各接触時に平行調整したり、加圧時に修正したりすることでより緻密に行うこともできる。また、高精度に位置あわせする必要がある場合は、アライメント前に平行調整しておくことが好ましい。

以下に本発明の望ましい第２の実施の形態について、図面を参照して説明する。図４に本発明の一実施形態に係る表面活性化後に減圧中で振動印加して接合する接合装置を示す。この実施形態では第１の被接合物である上ウエハーと第２の被接合物である下ウエハーを接合するための装置として例に上げる。

まず、装置構成について記述する。ヘッド７の一部である上ウエハーを保持する保持ツール２５と下ウエハーを保持するステージ８が減圧チャンバー１１中に配置され、ヘッドはトルク制御式昇降駆動モータ１が連結されたＺ軸昇降機構２とＺ軸昇降機構２を回転させるθ軸機構３と、ヘッド部をＸＹ水平方向へアライメント移動させるＸＹアライメントテーブル６により、Ｘ、Ｙ、θ方向のアライメント移動手段とＺ方向の昇降手段からなる。保持ツール保持部２４中に配置された圧力検出手段４により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が切り替えながら行えるようになっている。

また、図３に示すように、圧力検出手段４は圧力検出素子３１を円周上に等間隔に３箇所配置してあり、保持ツールの平行調整用に使用したり、振動加圧時の振幅測定にも使用する。ヘッド荷重制御に使用する場合は、３つの総和を持ってサーボモータへフィードバックする。また、被接合物同士の接触検出にも利用できる。ＸＹアライメントテーブル６は真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ、θ軸機構は減圧チャンバー外部に設置するため、ベローズ５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。ステージ８は接合位置と待機位置間をスライド移動手段２９によりスライド移動することができる。スライド移動手段には高精度なガイドと位置を認識するリニアスケールが取り付けられており、接合位置と待機位置間の停止位置を高精度に維持することができる。

また、移動手段としては、減圧チャンバー内部に組み込んだかたちとしているが、移動手段を外部に配置し、パッキンされた連結棒で連結することで外部にシリンダやリニアサーボモータなどを配置することが可能である。また、真空中にボールネジを配置し、外部にサーボモータを設置することでも対応できる。移動手段はいかなる移動手段であっても良い。ヘッド及びステージの被接合物保持手段としては、メカニカルなチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、加熱のためのヒータを備え、プラズマ電極ともなっており、保持手段、加熱手段、プラズマ発生手段の３つの機能を備える。

図３に示すように、各保持ツールの少なくとも一方にはピエゾアクチュエータ３０が円周上に３箇所配置され、平行調整を行う。また、ピエゾアクチュエータ下部には粗動調整部３８が設けられ、大きな伸縮動作は粗動調整部で行い、微少な伸縮動作はピエゾアクチュエータで行う。微動調整用のピエゾアクチュエータと粗動調整用の粗動調整部が直列に配置された構造であり、粗動調整部で平行調整した後にピエゾアクチュエータで微動調整を行う。

本発明においては、図１における粗動調整機構のようなくさび型のステージをネジ機構により水平移動させ、ブロックを昇降させる構造を用い、粗調整した後、直列に配置されたピエゾアクユエータを用いて微調整を行う。粗動調整部は手動で動かす場合もあるがサーボモータなどを連結して自動で動かすこともでき、本発明に含む。また、伸縮機構とはピエゾアクチュエータ３０及び／または粗動調整部３８を示す。本実施例では、ピエゾアクチュエータに限って説明するが、粗動調整部を使用して振動印加することも本発明に含む。もちろん、ピエゾアクチュエータと粗動調整部を併用して動作させてもかまわない。また、直列配置とは、ピエゾアクチュエータと粗動調整部の間に他の構造物が入っていてもかまわない。

また、ヘッド部は接合時に超音波領域を含む振動を併用するため、ヘッド７は保持ツール保持部２４、保持ツール２５、振動子２６から構成され、振動子による振動が保持ツールに伝達され、振動を保持ツールが保持する被接合物へ伝達する。図３に示すように、振動子となるピエゾアクチュエータ３０は並列に３箇所円周上に等間隔で配置されており、位相を制御して波が流れるようなウェーブ動作や振幅も増減してうずまき動作など３次元的な動作をさせることができる。保持ツール保持部は保持ツールや振動子の振動を殺さないように保持する手段からなる。また、接合が進むにつれ接合面積に比例して加圧力を制御してやることが好ましい。また、ウエハーのような大面積を接合する場合は、横振動タイプの振動ヘッドでは横振動させるには接合面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの振動ヘッドであれば、大面積な面接合も可能となる。

減圧手段としては、排気管１５に真空ポンプ１７がつながれ、排気弁１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管１８に吸入ガス切り替え弁２０が連結され吸気弁１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしてはプラズマの反応ガスを２種類連結でき、例えばＡｒと酸素や酸素と窒素をつなぐことができる。もう一つは大気解放用の大気または窒素がつながれる。真空度や反応ガス濃度は吸気弁１９と排気弁１６の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを減圧チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。

アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段がステージ待機位置の上方とヘッド下方に減圧チャンバー外部に配置される。認識手段の数は最低ステージ、ヘッド側に１つずつあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマークがθ方向成分も読みとれる形状や２つのマークを１視野内に配置することで１つの認識手段でも十分読み取ることができるが、本実施例のようにウエハーのような半径方向に大きなものは両端に２つずつ配置した方がθ方向の精度を高く読み取ることができるので好ましい。また、認識手段は水平方向や焦点方向へ移動可能な手段を設けて、任意の位置のアライメントマークを読みとれるようにしても良い。

また、認識手段は、例えば可視光やＩＲ（赤外）光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。減圧チャンバーには認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなる窓が配置され、そこを透過して減圧チャンバー中の被接合物のアライメントマークを認識する。被接合物上には例えば各上ウエハー、下ウエハーの対向する表面にアライメントマークが施され位置精度良く認識することができる。アライメントマークは特定の形状であることが好ましいが、ウエハー上に施された回路パターンなどの一部を流用しても良い。また、マークとなるものが無い場合はオリフラなどの外形を利用することもできる。ステージ待機位置で上下ウエハー上の両アライメントマークを読み取り、接合位置へステージを移動させ、ヘッド側でＸ、Ｙ、θ方向へアライメント移動を行う。待機位置の読みとり結果を接合位置で反映させるため、ステージの待機位置と接合位置の相対移動距離ベクトルは繰り返し同じ結果となるよう精度が必要である。

そのため、ガイドには高精度な繰り返し精度を持つものを使用し、かつ、両サイドでの位置認識を高精度に読み取るリニアスケールを配置している。リニアスケールを移動手段にフィードバックすることで停止位置精度を高める方法と移動手段が簡易なシリンダのようなものやボルトナット機構のようなバックラッシュのあるものである場合は、リニアスケールを両停止位置で読み取り、行き過ぎや行き足りない分をヘッド側アライメント移動手段を移動させる時に考慮して補正することで容易に高精度を達成することができる。また、ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを赤外透過して同時認識し、再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。

認識手段が焦点方向に移動手段を持つ場合は上下個別に認識することもできるが、近接させて同時認識した方が精度上より好ましい。ファインアライメントする場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。画像認識手段としてはサブピクセルアルゴリズムを使用することで赤外線の解像度以上の認識精度を得ることが可能となる。また、近接させてアライメントしておけば接合時に必要なＺ移動量は最低限の数μｍ以内となるため、Ｚ移動に対するガタや傾きを最小限に押さえられ高精度なナノレベルの位置合わせ精度を達成することができる。

次に動作フローを図５を参照しながら解説する。まず、１に示すように、減圧チャンバーの前扉を開いた状態で上ウエハーと下ウエハーをステージとヘッドに保持させる。これは人手でも良いが、カセットから自動でローディングしても良い。次に２に示すように、前扉を閉め、減圧チャンバー内を減圧する。不純物を取り除くために１０−３Torr以下に減圧することが好ましい。続いて３、４に示すように、プラズマ反応ガスである例えばＡｒを供給し、例えば１０−２Torr程度の一定の真空度でプラズマ電極にプラズマ電源を印加し、プラズマを発生させる。発生されたプラズマイオンは電源側に保持されたウエハーの表面に向かって衝突し、表面の酸化膜や有機物層などの付着物がエッチングされることにより表面活性化される。

また、酸素や窒素を反応ガスとして使って親水化処理し、ＯＨ基により表面活性化することもできる。同時に両ウエハーを洗浄することも可能であるが、１つのマッチングボックスを切り替えることで交互に洗浄することもできる。続いて５に示すようにステージ待機位置でヘッド側、ステージ側の各々の認識手段で真空中で上下ウエハー上のアライメントマークを読み取り、位置を認識する。続いて６に示すように、ステージは接合位置へスライド移動する。この時の認識された待機位置とスライド移動した接合位置の相対移動はリニアスケールを用いて高精度に行われる。ナノレベルの高精度が要求される場合は７に示す工程を追加する。粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識して再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。

この場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。続いて８に示すように、ヘッドを下降させ、両ウエハーを接触させ、位置制御から圧力制御へと切り替え加圧する。圧力検出手段により接触を検出し高さ位置を認識しておいた状態で、圧力検出手段の値をトルク制御式昇降駆動モータにフィードバックし設定圧力になるように圧力コントロールする。初期加圧が加えられた状態でまず、円周上に等間隔で配置された圧力素子の値が均一になるようにピエゾアクチュエータで上下の被接合物間で平行調整を行う。高精度な位置決めが必要な場合は、表面活性化する前に事前に平行調整を行っておき、その値を記憶して平行調整された状態で接触させることもできる。次に前述のような３次元的な動作を含む任意の振動を印加し、接合界面での応力が増加することにより低荷重で接合が進む。加圧力は接合面積の増加に伴い比例して増加させてやることが好ましい。また、ウエハーのようにお互いに密着し合う面形状をした被接合物の接合表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、低温で固相のまま接合するとパーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって接合されない。これを除去するには接合時に振動を印加することで、パーティクル部に応力が集中するため砕けるか、基材内に埋没させることができる。

また、界面の隙間からなる空隙においても振動を印加することで膨張収縮させ、空隙を接触させることで、すでに表面活性化された界面は接合されるようになり、ボイドが軽減する。超音波振動では面同士は接合できないが、接合力は表面活性化によって接合されるので振動は、パーティクルを粉砕及び／又は埋没させ、また、空隙を接触させるために使用する。真空中であるのでパーティクルさえ無くなれば隙間なく接合することができる。また、必要に応じて接合時に加熱を加える。また、残留応力を除去したり接合強度をアップするために振動接合後、加熱する場合は、常温で接触させた後、昇温させることで精度をキープさせた状態で加熱することもできる。続いて９に示すように、ヘッド側保持手段を解放し、ヘッドを上昇させる。続いて１０に示すように、ステージを待機位置に戻し、減圧チャンバー内を大気解放する。続いて１１に示すように、前扉を開けて接合された上下ウエハーを取り出す。人手でも良いが自動でカセットにアンローディングすることが好ましい。

前記実施例では被接合物としてウエハーを上げたが、チップと基板であっても良い。ウエハーのような大きな接合面積であれば、被接合物はウエハーやチップ、基板に限らずいかなる形態のものでも良い。

振動ヘッドをヘッドとは別にステージ待機位置とヘッド位置の中間に配置し、アライメントして上部被接合物と下部被接合物をヘッドで装着した後、ステージを移動させ、振動ヘッドにより上部より加圧、振動を印加して接合しても良い。そうすることで保持ツールで被接合物を保持する手段やプラズマ電極機能が不要となり、保持ツールの設計が容易になる。

また、プラズマ洗浄を別装置で行い、本装置では接合だけを行ってもよい。その場合はステージの待機位置への移動手段は不要となる。

実施例ではヘッド側がアライメント移動手段と昇降軸を持ち、ステージ側がスライド軸を持ったが、アライメント移動手段、昇降軸、スライド軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。

ステージをスライドさせた状態でプラズマ洗浄する場合は、ヘッドとステージの電極形状、周囲の形状が似かよっているため電界環境は似かよっている。そのため、プラズマ電源を自動調整するマッチングボックスは個別のものを使用しなくとも、一つのもので電極を切り替え、順次ヘッド側、ステージ側と洗浄することができる。そうすることでコンパクト、コストダウンを達成できる。

本実施例ではＡｒプラズマによる表面活性化を上げたが、酸素や窒素を反応ガスとしてプラズマを使用し、親水化により表面をＯＨ基で表面活性化させ、水素結合させ、加熱により強固に共晶結合させる方法も使用できる。本方式は特にＳｉやガラス、ＳＩＯ２、セラミック系を含む酸化物に有効である。

図８に示すようにピエゾアクチュエータと同側へ持っていって配置したが、図３に示すように圧力検出素子をピエゾアクチュエータと対向するステージ側へ配置した方が、被接合物を介して検出できるので好ましい。また、図７に示すようにピエゾアクチュエータと圧力検出配置を反対にしてもよい。また、図７や図８のように支柱で連結して支柱をＯリングで封止し、圧力検出素子を減圧チャンバー外へ配置することで温度変化によるドリフトを受けないので高精度に検出ことができる。

平行調整するタイミングとしては、事前に調整した値を保持しておくこともできる。また、各接触時に平行調整したり、加圧時に修正したりすることでより緻密に行うこともできる。また、高精度に位置あわせする必要がある場合は、アライメント前に平行調整しておくことが好ましい。また、表面活性化して接合する場合は、表面活性化処理前に平行調整しておく必要がある。

成型装置構成図。成型動作フロー図。圧力検出素子とピエゾアクチュエータ配置図。振動加圧接合装置構成図。接合動作フロー図。うずまき型振動動作フロー図。圧力検出素子とピエゾアクチュエータ配置図その２。圧力検出素子とピエゾアクチュエータ配置図その３。圧力検出素子を減圧チャンバー外へ配置した装置構成図。金属突起バンプの縦振動と横振動による接合のための界面応力解析図。

１トルク制御式昇降駆動モータ
２Ｚ軸昇降機構
３ θ軸回転機構
４圧力検出手段
５ベローズ
６ＸＹアライメントテーブル
７ヘッド
８ステージ（プラズマ電極、ヒータ、保持手段）
９下ウエハー
１０上ウエハー
１１減圧チャンバー
１２ヘッド側ウエハー認識カメラ
１３ステージ側ウエハー認識カメラ
１４ガラス窓
１５排気管
１６排気弁
１７真空ポンプ
１８吸気管
１９吸気弁
２０吸入ガス切り替え弁
２１Ａｒ
２２Ｏ２
２３大気
２４保持ツール保持部
２５保持ツール（プラズマ電極、ヒータ、保持手段）
２６振動子
２７上アライメントマーク
２８下アライメントマーク
２９スライド移動手段
３０ピエゾアクチュエータ
３１圧力検出素子
３２転写型保持ツール
３３基材保持ツール
３４転写型
３５基材
３６Ｏリング
３７支柱
３８粗動調整部
３９アライメントマーク認識カメラ
４０フレーム

Claims

対向配置された２つの保持ツールを備え、前記両保持ツールそれぞれに保持されて対向配置された被加圧物同士を加圧する加圧方法であって、前記両保持ツールのうち、少なくとも一方の前記保持ツールにその伸縮方向における一端がそれぞれ接続された複数の伸縮機構と、前記両保持ツールそれぞれに保持された被加圧物同士を接触加圧する加圧機構とを備え、前記各伸縮機構が、前記両被接合物同士を加圧する前記加圧機構の加圧方向に直交する平面視において並列に互いに分散して配置されて、前記両被加圧物を前記加圧機構により接触加圧した状態で、前記各伸縮機構間の振動位相を制御し、前記平面視における回転方向に順次波が流れるように前記各伸縮機構を伸縮動作させて縦振動を印加する加圧方法。
対向配置された２つの保持ツールを備え、前記両保持ツールそれぞれに保持されて対向配置された被加圧物同士を加圧する加圧方法であって、前記両保持ツールのうち、少なくとも一方の前記保持ツールにその伸縮方向における一端がそれぞれ接続された複数のピエゾアクチュエータと、前記両保持ツールそれぞれに保持された被加圧物同士を接触加圧する加圧機構とを備え、前記各ピエゾアクチュエータが、前記両被接合物同士を加圧する前記加圧機構の加圧方向に直交する平面視において並列に互いに分散して配置されて、前記各ピエゾアクチュエータの伸縮動作により前記被加圧物の傾きを調整し、前記両被加圧物を前記加圧機構により接触加圧した状態で、前記各ピエゾアクチュエータの伸縮動作にて縦振動を印加する加圧方法。
対向配置された２つの保持ツールを備え、前記両保持ツールそれぞれに保持されて対向配置された被加圧物同士を加圧する加圧装置であって、前記両保持ツールのうち、少なくとも一方の前記保持ツールにその伸縮方向における一端がそれぞれ接続された複数の伸縮機構と、前記両保持ツールそれぞれに保持された被加圧物同士を接触加圧する加圧機構とを備え、前記各伸縮機構が、前記両被接合物同士を加圧する前記加圧機構の加圧方向に直交する平面視において並列に互いに分散して配置されて、前記両被加圧物を前記加圧機構により接触加圧した状態で、前記各伸縮機構間の振動位相を制御し、前記平面視における回転方向に順次波が流れるように前記各伸縮機構を伸縮動作させて縦振動を印加する加圧装置。
対向配置された２つの保持ツールを備え、前記両保持ツールそれぞれに保持されて対向配置された被加圧物同士を加圧する加圧装置であって、前記両保持ツールのうち、少なくとも一方の前記保持ツールにその伸縮方向における一端がそれぞれ接続された複数のピエゾアクチュエータと、前記両保持ツールそれぞれに保持された被加圧物同士を接触加圧する加圧機構と備え、前記各ピエゾアクチュエータが、前記両被接合物同士を加圧する前記加圧機構の加圧方向に直交する平面視において並列に互いに分散して配置されて、前記各ピエゾアクチュエータの伸縮動作により前記被加圧物の傾きを調整し、前記両被加圧物を前記加圧機構により接触加圧した状態で、前記各ピエゾアクチュエータの伸縮動作にて縦振動を印加する加圧装置。
前記各ピエゾアクチュエータの配置数が３であり、前記平面視において円周上に等間隔で配置されている請求項４に記載の加圧装置。