JP4992604B2 - 接合装置、接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、電極が形成された２体のウェハを常温に近い温度にて電極を介して接合する接合装置に関する。

携帯電話、ノートパソコン、ディジタルカメラ等の携帯電子機器の製造にとって、メモリやＭＰＵ等の電子部品を高密度に実装する技術は最重要技術である。このための技術としてフリップチップ実装技術の開発が従来から行われており、最近ではこの技術を利用して半導体チップを積層して更なる高密度電子装置を得るための開発が盛んに行われている。このフリップチップ技術による実装では半導体装置（半導体チップ）を配線基板に接合する際や半導体チップを半導体チップ上に重ね接合する際に、接合電極としてバンプを形成することが行われている。このバンプ形成にあたっては、電極材として金、銅、アルミニウム等が使用されているが、導電性や酸化されにくいという点、さらに価格の点から銅が一般的に使用されている。

このような電極接合を行う一般的な方法として加圧と加熱による拡散接合方式がとられている。しかしながら、電極接合をチップレベルで行う場合には問題ないが、ウェハレベルで接合を行う場合には接合物間の熱膨張率の違いによる電極位置ずれの問題が発生する。この問題点を解消する方法として、加熱により生じる熱膨張を伴わない常温接合方式が検討されている。この方式は物質が本来有している原子間結合力を利用するもので、接合面を清浄にして接合面どうしを数ｎｍ以下の間隔にすることにより実現される。従って、この接合方法を用いる場合の条件は、（１）接合面が平坦面であること、（２）接合面には酸化層や異物の付着がないこと、である。このような条件を満足させた接合装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許公報２５１９２７３号公報

しかしながら、従来の接合装置では、電極の平坦化およびＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇの略：化学的機械的研磨法）処理以降の工程で電極表面酸化防止が不十分なため、安定した常温接合を達成することが難しいという問題がある。

本願発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、電極表面酸化を防止し安定した常温接合装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、
２体のウェハを接合する接合装置であって、
前記２体のウェハの接合面をそれぞれ平坦化する平坦化装置と、
前記平坦化された前記接合面を活性化する活性化装置と、
前記平坦化装置から前記活性化装置に前記接合面の酸化を抑制する雰囲気中で前記ウェハを搬送する搬送装置とを備えることを特徴とする接合装置を提供する。
また、本発明は、
２体のウェハを接合する接合方法であって、
前記２体のウェハの接合面をそれぞれ平坦化装置で平坦化する平坦化工程と、
平坦化された前記接合面を活性化装置で活性化する活性化工程と、
前記平坦化工程の後、前記接合面の酸化を抑制する雰囲気中で前記平坦化装置から前記活性化装置に前記ウェハを搬送する搬送工程とを有することを特徴とする接合方法を提供する。

本発明によれば、電極表面酸化を防止し安定した常温接合装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態にかかる接合装置について説明する。はじめに、常温活性化接合について説明する。

常温活性化接合（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ：以下ＳＡＢ）では、ＣＭＰにより平坦化された表面は一般的には研磨前に存在していた表面酸化層は除去され、電極金属の表面が露出される。しかし、研磨により露出した金属面も大気中に曝されると再酸化されていく。

例えば、銅の場合、酸化の初期段階では、酸化層は酸化銅ＣｕＯである。この状態では表面に特に凹凸が生じる事はない。しかし、時間と共に、酸化層が亜酸化銅、Ｃｕ_２Ｏに変化していく。すると、亜酸化銅が生じる前後では表面の銅材には体積変化が生じる。この銅の場合、酸化によってＣｕ_２Ｏが生じると、体積が２．６７倍になる。この結果、表面近くの銅の原子が亜酸化されるに伴って表面粗さが増加することになる。その結果、表面はほぼ一様な厚さの亜酸化銅層に覆われた凸凹状態となる。

次工程の浄活性化工程では、例えばアルゴンイオンの照射によりスパッタ作用を受けてこの表面層が除去される。これにより確かに酸化層は除去されるが、せっかくＣＭＰにより平坦化された表面には凹凸が残ってしまうことになる。凹凸が残った接合面を接触、加圧しても接合面間には本来の原子力が作用しないことになり十分な接合力が得られなくなる。

十分な接合力が得られない原因となる他の現象は、例え平坦化工程、洗浄活性化工程、接合工程を高真空状態で行ったとしても、チャンバー壁に吸着されている水の分子は少しずつではあるがチャンバー内に放出され、この水の影響によりチャンバー内の電極が酸化されるという現象によるものである。

実施の形態にかかる接合装置は、２体のウェハにそれぞれ形成された複数の電極面を接合する接合装置であって、電極面を平坦化する平坦化装置と、平坦化された電極面を活性化する活性化装置と、電極面同士の位置合わせを行うアライメント装置と、位置合わせされた電極面同士を重ね合わせる重ね合わせ装置と、重ね合わせた前記２体のウェハを加圧する加圧装置と、平坦化装置、活性化装置、アライメント装置、重ね合わせ装置、及び加圧装置の間の少なくとも１つにウェハを搬送する搬送装置とを配置して構成されている。

このような構成とすることにより、平坦化工程を終えた接合物を迅速に次工程である洗浄活性化工程に搬送が可能になる。これにより表面にはＣｕＯが形成された状態で表面酸化層の除去が可能であり、Ｃｕ_２Ｏが形成された時に生じる表面の凹凸がない活性面が得られる。

尚、接合物とは、複数の半導体チップが形成されて互いに電極接合を行うようになされたウェハ、及び既に電極接合がなされた複数のウェハ積層体のことを言う。

また、実施の形態にかかる接合装置では、アライメント装置、重ね合わせ装置、加圧装置、搬送装置の少なくとも１つの装置を内在させているチャンバがベーキング装置を有する。

これは真空チャンバのチャンバ壁には水分子が吸着されていて、通常の排気動作では、徐々に壁より放出され、高真空度を得るための障害になっている。この状態に対して、実施の形態では、真空チャンバ壁をベーキング装置により加熱・脱ガスを行うことでチャンバ内を容易に高真空にすることが可能となり、酸化作用をもたらす水分子や酸素分子の影響を大幅に低減出来ることになる。このために、真空雰囲気中であっても進行する表面の再酸化を防止することが可能になる。

（第１実施の形態）
以下、第１実施の形態にかかる接合装置について図面を参照しつつ説明する。

図１は、第１実施の形態にかかる接合装置の概略構成図であり、（ａ）は接合装置の全体概略図を、（ｂ）はロードロックチャンバー（以後、単にロードロックと記す）の概略構成図をそれぞれ示す。

図１において、第１実施の形態にかかる接合装置１は、平坦化装置１０と、活性化装置２０と、アライメント装置及び重ね合わせ装置３０と、加圧装置４０と、それぞれの装置間を接続するロードロック５１、５２、５３とから構成されている。それぞれのロードロック５１〜５３には、ウェハを搬送する搬送装置５０がそれぞれ配置されている。

これらの装置及び搬送装置は、それぞれの工程での処理方法に必要な加工雰囲気を保つように設計されたチャンバ（処理室）内に設置されている。ロードロック５１〜５３は、加工雰囲気が異なる場合、チャンバ間で接合物を問題なく受け渡しするために配置されている。

図１（ｂ）に示すように、ロードロック５１〜５３において、符号５４、５５は接合物の受け渡し時に開閉されるゲートバルブであり、符号５６は雰囲気を変更するための待合室である。なお、ロードロック５１〜５３は、同様の効果を奏するものであれば他の構成でもよい。

例えば、大気中で処理された接合物を、真空雰囲気を有するチャンバに取り込む場合の動作では、図１（ｂ）の左側が大気側、右側が真空状態で有るとして、記しておく。ゲートバルブ５５を閉じた状態でゲートバルブ５４を開いて接合物を待合室５６に取り込み、ゲートバルブ５４を閉じて待合室５６内を不図示の真空装置により真空化する。所定の真空度になったときに、ゲートバルブ５５を開いて接合物を真空状態の隣接するチャンバに移す。これにより、大気中に置かれた接合物を隣接する真空状態の他のチャンバに、真空状態を維持しながら取り込む事が出来る。

活性化装置２０を使用して行われる活性化工程以降の工程においては、接合電極の表面が再酸化されない状態に置かれている。実施の形態では、この前段工程である平坦化措置１０での処理が終わると、ロードロック５１内の搬送装置５０により迅速に活性化装置２０に搬送可能になされているので、表面を凹凸にする酸化層の形成が防止され、電極の固相拡散接合に必要な電極表面の平坦性が確保される。

以下に、各装置について説明する。

平坦化装置１０：
図２に実施の形態に使用される平坦化装置１０の概略構成を示す。

図２において、平坦化装置１０は、ＣＭＰ装置１１と、洗浄装置１２と、乾燥装置１３とから構成されている。

ＣＭＰ装置１１は、接合用の電極が形成されたウェハをＣＭＰにより研磨を行う装置である。研磨液としては、電極材が銅である場合、一般的にはスラリーが使用される。この研磨により、接合すべき電極表面は平坦化され、且つそれ以前に形成された酸化層が除去される。研磨処理が終了すると、研磨材等を取り除くために洗浄装置１２を用いて表面から研磨材等を除去する処理が行われる。表面が清浄化されると、ウェハは乾燥装置１３による乾燥処理にかけられる。この一連の処理は、通常の半導体装置製造方法における研磨工程→乾燥工程の周知の方法が適用される。乾燥処理が完了すると、ウェハはロードロック５１に搬送される。

搬送装置５０：
図１に記された搬送装置５０は、多段構成による伸縮アーム５０ａとこのアーム５０ａを１軸回りに回転させる駆動軸５０ｂを主たる構成要素として有している。なお、アーム５０ａを駆動軸５０ｂの方向（図では上下方向）に移動させる機構を加えても良い。

活性化装置２０：
図３に実施の形態に使用される活性化装置２０の概略構成を示し、（ａ）は第１の活性化装置の例を、（ｂ）は第２の活性化装置の例をそれぞれ示す。

図３（ａ）に示された第１の活性化装置２１は保持板２１ａに保持されたウェハ２に対して、流入された不活性ガスをイオンガン２１ｂによりイオン化された粒子を照射するものである。不活性ガスとしてはアルゴンガスが一般的である。この活性化装置２１としては、例えば、ビーコ社のイオン照射装置を用いる。

前段の工程との接続に関連して、この活性化装置２１を内在させるチャンバと平坦化装置１０との接続にはゲートバルブ２１ｃを設け、さらに真空装置２１ｄを取りつけてチャンバ内の雰囲気を所定の状態に容易に設定出来るようになっている。

平坦化装置１０との接続に関しては、図１に記されたロードロック５１が設けられている。

図３（ｂ）に示された第２の活性化装置２２は、流入された不活性ガスを放電電極２２ａ、２２ｂ、放電電源２２ｃによりプラズマ状態にし、このプラズマ中に保持板２２ｄに保持されたウェハ２を置くことにより洗浄活性化するものである。

この場合も、図３（ａ）と同様に、平坦化装置１０との接続側にはゲートバルブ２２ｅ、真空装置２２ｆを設けている。平坦化装置１０との接続に関しては、図１に示されたロードロック５１が設けられている。

アライメント装置及び重ね合わせ装置３０：
図４に実施の形態に使用されるアライメント装置及び重ね合わせ装置３０の概略構成を示す。

図４において、アライメント装置３０Ａは２視野顕微鏡３０ａ，ＸＹステージ３０ｂ、ティルトステージ３０ｃより構成されている。ウェハの搬送手順を基にして、その他の関連装置の説明を行う。ＣＭＰにより表面が平坦化され、活性化処理が終了したウェハ２は図１のロードロック５２の搬送装置５０により開かれたゲートバルブ５４（図１（ｂ）参照）を通って搬送台３０ｄ上にセットされる。ウェハ２受け渡しの際には搬送台３０ｄに設けられたリフトピン３０ｅを介して受け渡される。ウェハ２が搬送台３０ｄにセットされると、ゲートバルブ５４が閉じられ、真空装置３０ｆが稼働を始めてチャンバ内を真空雰囲気にする。所定の真空度に達するとゲートバルブ５５が開かれ、ウェハ２は搬送装置５０により搬送台３０ｄから下保持板３０ｇに搬送される。

次に同様な操作を経て、接合されるべき電極を有する他方のウェハ２が上保持板３０ｈに保持される。上下の保持板にはウェハ２、２を静電的に吸着する静電吸着機構が設けられている。接合すべき電極を有するウェハ２、２がそれぞれ保持板に保持されると、近接したウェハ２，２間に２視野顕微鏡３０ａを挿入してウェハ２，２間の位置合わせ情報を得る。位置あわせ情報が得られると、ＸＹステージ３０ｂ，ティルトステージ３０ｃを駆動させてウェハ２，２上の電極間の位置合わせを行う。位置合わせが完了すると、重ね合わせ装置３０Ｂを動作させる。

重ね合わせ装置３０Ｂは、上下の保持板３０ｈ、３０ｇ、上部固定梁３０ｉ，基盤３０ｊ上のＺステージ（高さ方向）３０ｋである。位置あわせ情報により、Ｚステージ３０ｋが動作し、２枚のウェハ２，２は重ね合わされる。重ね合わせ時には仮固定用の樹脂が塗布されていて、次工程である加圧工程まで搬送可能になされている。

このアライメント装置及び重ね合わせ装置３０が置かれる雰囲気は電極表面の再酸化を防止するために真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気である。従って、このチャンバには真空装置３０ｍが取りつけられていたり、不図示の不活性ガス供給路と制御バルブが取りつけられている。

加圧装置４０：
図５に実施の形態に使用される加圧装置４０の概略構成を示す。

図５において、加圧装置４０は、基盤４０ａ上に配置された下加圧板４０ｂ，フレーム４０ｃに固定された上部梁４０ｄ，この梁に支持された加圧機構４０ｅと上部加圧板４０ｆからなる。必要に応じて、ウェハ２を加圧中に加熱するための加熱装置４０ｇ、４０ｈが加圧板４０ｂ、４０ｆの表面に取りつけられている。仮固定されたウェハ積層体３は搬送装置５０（図１参照）により下加圧板４０ｂ，又は加熱装置４０ｇ上に搬送され、加圧板４０ｆ、４０ｂどうしの平行度の調整が行われたあと、上加圧板４０ｆを加圧機構４０ｅにより押し下げることにより仮固定されたウェハ積層体３を加圧する。

この加圧装置４０の設置雰囲気は真空又は不活性ガス雰囲気であるので、チャンバには真空装置４０ｉが取りつけられている。

なお、真空装置の代わりに不活性ガス導入管と流量制御バルブを取りつけることも可能である。また、高真空度を容易に達成するために、ベーキング装置４１を取りつけることは効果がある。このベーキング装置４１は、チャンバ及びその中に置かれた装置を加熱するもので、加熱することにより表面に吸着した水分子や酸素の放出を促すものである。加熱方法としては、ニクロム線への通電加熱方法や赤外線ランプ照射方法等がある。

なお、ベーキング装置４１は、上記各装置を収納するチャンバにそれぞれ配置してもよい。ベーキング装置４１を配置することで上記と同等の効果を奏することができる。

以上述べたように、第１実施の形態にかかる接合装置１は、活性化工程、アライメント・重ね合わせ工程、加圧工程の各工程がどのような雰囲気で行われても対応可能な装置に構成されている。これにより、工程雰囲気の変更等に容易に対応することが可能になる。

（第２実施の形態）
図６は、第２実施の形態にかかる接合装置の概略構成図を示す。

第２実施の形態にかかる接合装置は、活性化工程、アライメント・重ね合わせ工程、加圧工程を同一雰囲気、例えば真空状態又は不活性ガス雰囲気で行うことを可能にする構成となっている。

図６において、接合装置６は、平坦化装置６１により表面の平坦化が行われたウェハはロードロックチャンバ６２を経て、搬送装置６３により活性化装置６４に搬送される。活性化処理が完了すると、アライメント装置・重ね合わせ装置６５、加圧装置６６に順次搬送装置６３により転送される。

なお、第２実施の形態では、平坦化装置６１から活性化装置６４への接合物の搬送に使用する搬送装置６３を用いているが、装置の配置関係より搬送装置６３とは別の、装置間を結ぶ搬送装置を配置しても良い。このような配置を採ることにより搬送系、ロードロック系等の装置の全体構成が簡単になり、装置費用の低減、設置面積の低減が可能になる。

また記すまでもないが、上記第１及び第２実施の形態では、アライメント装置と重ね合わせ装置を同一の装置に２つの機能を載せているが、アライメント機能と重ね合わせ機能を別々の装置に分離して配置することも可能である。

なお、第１実施の形態におけるベーキング装置４１を第２実施の形態にも配置することが望ましい。ベーキング装置４１を配置することで第１実施の形態と同等の効果を奏することができる。

以上述べたように、実施の形態にかかる接合装置によれば、ＣＭＰ工程による接合面の平坦化後に表面に酸化層の形成が極力抑えられているので表面が凹凸状になることはなく、次工程での接合面の活性化工程で酸化層を除去すれば表面が平坦な状態で活性化された接合面が得られる。従って、常温接合に必要な平坦で、活性化された接合面が得られ、このような面を重ね合わせることにより常温で十分な接合力を有する固相拡散接合が得られる。この常温での接合が可能になることにより、ウェハレベルでのチップ積層を安定して実行することが可能になる。

なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。

第１実施の形態にかかる接合装置の概略構成図であり、（ａ）は、接合装置の全体概略図を、（ｂ）は、ロードロックチャンバー（以後、単にロードロックと記す）の概略構成図をそれぞれ示す。 実施の形態に使用される平坦化装置１０の概略構成を示す。 実施の形態に使用される活性化装置２０の概略構成を示し、（ａ）は第１の活性化装置の例を、（ｂ）は第２の活性化装置の例をそれぞれ示す。 実施の形態に使用されるアライメント装置及び重ね合わせ装置３０の概略構成を示す。 実施の形態に使用される加圧装置４０の概略構成を示す。 第２実施の形態にかかる接合装置の概略構成図を示す。

符号の説明

１、６ 接合装置
２ ウェハ
３ ウェハ積層体
１０、６１ 平坦化装置
１１ ＣＭＰ装置
１２ 洗浄装置
１３ 乾燥装置
２０、６４ 活性化装置
２１ 第１の活性化装置
２２ 第２の活性化装置
３０、６５ アライメント装置及び重ね合わせ装置
３０Ａ アライメント装置
３０Ｂ 重ね合わせ装置
４０、６６ 加圧装置
４１ ベーキング装置
５０、６３ 搬送装置
５１、５２、５３、６２ ロードロック
５４、５５ ゲートバルブ
５６ 待合室

Claims (23)

1. ２体のウェハを接合する接合装置であって、
   前記２体のウェハの接合面をそれぞれ平坦化する平坦化装置と、
   前記平坦化された前記接合面を活性化する活性化装置と、
   前記平坦化装置から前記活性化装置に前記接合面の酸化を抑制する雰囲気中で前記ウェハを搬送する搬送装置とを備えることを特徴とする接合装置。
2. 前記雰囲気は、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気であることを特徴とする請求項１に記載の接合装置。
3. 前記平坦化装置と前記活性化装置とを連結する連結チャンバーを備え、
   前記連結チャンバー内の雰囲気が前記雰囲気であることを特徴とすることを特徴とする請求項１または２に記載の接合装置。
4. 前記搬送装置は、前記連結チャンバー内に配置されることを特徴とする請求項３に記載の接合装置。
5. 前記連結チャンバーは、当該連結チャンバーを加熱するベーキング装置を有することを特徴とする請求項３または４のいずれか一項に記載の接合装置。
6. 前記連結チャンバーは、前記平坦化装置の雰囲気と前記活性化装置の雰囲気とに切り替え可能なロードロックチャンバーであることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の接合装置。
7. 前記接合面が活性化された前記ウェハ同士の位置合わせを行うアライメント装置を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の接合装置。
8. 前記ウェハは、前記活性化装置から前記アライメント装置に前記接合面の酸化を抑制する雰囲気中で搬送されることを特徴とする請求項７に記載の接合装置。
9. 前記活性化装置および前記アライメント装置は、前記雰囲気におかれた同一のチャンバー内に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の接合装置。
10. 位置合わせされた前記ウェハ同士を重ね合わせる重ね合わせ装置と、
    重ね合わされた前記２体のウェハを加圧する加圧装置とを備えることを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の接合装置。
11. 前記アライメント装置、前記重ね合わせ装置、及び、前記加圧装置は、同一のチャンバー内に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の接合装置。
12. 前記チャンバーは、当該チャンバーを加熱するベーキング装置を有することを特徴とする請求項１１に記載の接合装置。
13. 前記重ね合わせ装置では、前記２体のウェハを互いに仮固定することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の接合装置。
14. 前記活性化装置では、前記ウェハの前記接合面にイオン化された粒子を照射することにより前記接合面を活性化することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の接合装置。
15. 前記活性化装置では、プラズマ中に前記ウェハを配置することにより、前記ウェハの前記接合面を活性化することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の接合装置。
16. ２体のウェハを接合する接合方法であって、
    前記２体のウェハの接合面をそれぞれ平坦化装置で平坦化する平坦化工程と、
    平坦化された前記接合面を活性化装置で活性化する活性化工程と、
    前記平坦化工程の後、前記接合面の酸化を抑制する雰囲気中で前記平坦化装置から前記活性化装置に前記ウェハを搬送する搬送工程とを有することを特徴とする接合方法。
17. 前記活性化装置の雰囲気は、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気であることを特徴とする請求項１６に記載の接合方法。
18. 前記接合面が活性化された前記ウェハ同士の位置合わせをアライメント装置で行うアライメント工程を有することを特徴とする請求項１６または１７に記載の接合方法。
19. 前記活性化工程の後、前記接合面の酸化を抑制する雰囲気中で前記ウェハを前記活性化装置から前記アライメント装置に搬送する搬送工程を有することを特徴とする請求項１８に記載の接合方法。
20. 位置合わせされた前記ウェハ同士を重ね合わせ装置で重ね合わせる重ね合わせ工程と、
    重ね合わされた前記２体のウェハを加圧装置で加圧する加圧工程とを有することを特徴とする請求項１６から１９のいずれか一項に記載の接合方法。
21. 前記重ね合わせ工程は、前記２体のウェハを互いに仮固定する仮固定工程を有することを特徴とする請求項２０に記載の接合方法。
22. 前記活性化工程は、前記ウェハの前記接合面にイオン化された粒子を照射することにより前記接合面を活性化する工程を有することを特徴とする請求項１６から２１のいずれか一項に記載の接合方法。
23. 前記活性化工程は、プラズマ中に前記ウェハを配置することにより、前記ウェハの前記接合面を活性化する工程を有することを特徴とする請求項１６から２１のいずれか一項に記載の接合方法。

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