JP5891848B2 - ガラス基板もしくは水晶基板からなるワークの貼り合わせ方法および装置 - Google Patents
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Description
積層されるワークとしては、ガラス基板、水晶基板のような結晶基板が採用され、ガラス基板とガラス基板、ガラス基板と結晶基板、結晶基板と結晶基板といった組合せのワークを積層した積層光学部材が用途に応じて提供される。基板は平面状の場合もあれば、凹面状、凸面状の場合もある。
また、モアレや偽色を防止するために、CCDやCMOSといった撮像素子の前面に取り付けられる光学的ローパスフィルタは、例えば、水晶基板とガラス基板とを貼り合わせたり、水晶基板同士を貼り合わせたりすることにより構成される。
また、光学レンズを構成する際、異なる屈折率のガラス製レンズを貼り合わせることで「収差」を抑制し、必要とされる光学性能を得ることができる。
例えば、従来は、特許文献1に示すように、貼り合わせるワークの接合表面に接着剤を塗布し、ワークを積層する方法が行われてきた。接着剤としては、特許文献2に示すように紫外線硬化性接着剤が使用されることも多い。
あるいは、例えば、特許文献6に示すように、水晶基板表面を鏡面研磨・薬品洗浄により、当該水晶基板表面を平滑・平坦化およびOH基終端化し、両ワークを積層後、加熱することが行われる。
あるいは、特許文献7に示すように、ガラス基板の接合面にSiO2膜を形成して、ガラス基板と結晶基板を原子間結合で直接接合する方法もある。
近年、この原子拡散接合法は、水晶デバイスの水晶基板の接合にも適用できることが、京セラキンセキ(株)や東北大学の島津武仁らによって報告されている。
通常の接着剤や紫外線硬化性接着剤を用いる場合、接着剤を接合面に均一な密度かつ均一な厚みで塗布することが要求されるが、この塗布加工精度は必ずしも高精度ではない。そのため、接着剤中に気泡が発生したり、また接合面上の接着剤の膜厚分布が不均一になることが多い。よって、接合後のワークの光学性能にばらつきが発生しやすい。
また、接着剤を透過する光の波長領域は必ずしも広いものではなく、接着剤自体が光学素子自体の光学特性を制限してしまう。また、接着剤の耐久性も十分ではなく、接着剤によっては、透過する光が紫外線の場合、紫外線による接着剤の劣化が生じる。
オプティカル・コンタクト法によれば、接着剤を使用しないので接着剤に起因する上記不具合は発生しないが、接合表面を高精度に研磨して面精度を高くする必要があり、製造コストが高くなる。
また、特許文献5の貼り合わせ方法においては、ワークを加圧する工程が含まれる。そのため、貼り合わせの際、ワークを加圧するための大掛かりな加圧機構を必要とする。
大気中において、結晶基板とガラス基板、もしくはガラス基板とガラス基板からなる第1および第2のワークの接合面に波長200nm以下の真空紫外光を照射する。なお、真空紫外光を照射するのは、2枚のワークの接合面両方に行う。
真空紫外光が照射された接合面同士を対向させて位置合わせを行い、位置合わせ終了後、接合面同士が接触するように積層する。
積層後、加圧工程を経ることなく、すなわち積層したワークを加圧することなく、ワークを加熱し、ワーク温度を所定温度まで昇温させて、接合が完了するまでこの温度を維持する。
積層されたワークは加熱されると熱膨張状態となり、この状態のまま接合される。そして加熱終了後、積層されたワークの温度が室温になり、積層されたワークには応力が発生する。この応力の大きさは、加熱時の温度と室温との温度差に依存する。上記した所定温度とは、加熱後室温となった積層されたワークが応力により破損しないときの加熱温度である。なお、積層後、接合面同士をなじませるために、(軽く押す程度に)ワークを加圧してもよい。
大気中において、結晶基板と結晶基板、結晶基板とガラス基板、もしくはガラス基板とガラス基板からなる第1および第2のワークの接合面に波長200nm以下の真空紫外光を照射すると、基板表面において、大気中の酸素が真空紫外光の照射により分解し、活性酸素が発生する。この活性酸素と第1および第2のワーク表面に付着している有機物系不純物とが反応し、当該有機系不純物が除去される。
更に、〔工程3〕において、積層した第1のワークと第2のワークとを加熱することにより、接合面での脱水が発生し、最終的には、第1のワークと第2のワークとは酸素の共有結合により接合されるものと考えられる。
しかしながら、加熱温度が高すぎると、加熱された基板の温度が室温に戻る際に発生する応力により、接合された一対のワークに割れが発生することがある。
水晶基板には結晶方位があるため、第1、第2のワークが水晶基板の場合には、一対の基板を積層する際の結晶方位の方向により、割れが発生する温度が異なる。
第1のワークと第2のワークが水晶基板の場合、一対の水晶基板の結晶方位の方向が平行の場合には、加熱温度を300°C以上にしても割れは発生しなかったが、結晶方位の方向が交差するように積層されている場合には、加熱温度が300°Cを超えると割れが発生する場合があった。したがって、水晶基板の結晶方位の方向が交差するように積層されている場合は、加熱温度を300°C以下にするのが望ましい。
なお、上記したようにメガソニック洗浄は第1のワークと第2のワーク表面に付着している無機物系不純物をメカニカルに除去するものであり、〔工程1〕の後にメガソニック洗浄を行っても、OH基で終端化した第1および第2のワークの表面状態に変化はない。
また、第1、第2のワークを積層する際、第1のワークの一部(片側)をまず第2のワークに接触させ、その後、徐々に第1のワークの接合面全体を第2のワークの接合面に接触させたり、第1のワークを接合面が凸となるように湾曲させ、この湾曲した第1のワークの接合面側頂点と第2のワークの接合面とを接触させ、湾曲を解除し、第1のワークの接合面全体を第2のワークの接合面に接触させるようにすることにより、両ワークの積層面から空気を排除することが可能となる。
(1)上記装置を、第1のワークを保持する第1のステージと、上記第2のワークを保持する第2のステージと、第1のワークの表面及び/または第2のワークの表面に紫外光を照射する光照射ユニットと、少なくとも、上記第1および第2のステージに保持された上記第1、第2のワークの内の一方のワークの光照射面が、他方のワークの表面もしくは光照射面に接触するように両者を積層させるワーク積層機構と、第1のステージに保持された第1のワークの表面及び第2ステージに保持された第2のワークの表面と、上記光照射ユニットとの距離を調整するための間隙設定機構と、上記第1のステージおよび第2のステージとは別箇に設けられ、上記積層された状態の第1のワーク及び第2のワークを加熱する加熱機構とから構成する。
(2)上記(1)において、上記加熱機構を、ワークが載置される加熱ステージで構成する。
(3)上記(1)(2)において、上記第1のステージおよび第2のステージとは別箇に、上記第1および第2のステージに保持された上記第1、第2のワークの内の一方のワークの光照射面に向けて、超音波振動が付与された純水流を放出する純水流放出手段と、ガスを放出する放出手段とから構成されるメガソニック洗浄装置を設ける。
(1)接合に通常の接着剤や紫外線硬化性接着剤を使用しないので、接着剤中の気泡発生や不均一な接着剤の膜厚分布に起因する接合後のワークの光学性能のばらつきが発生しない。また、接着剤そのものの特性よって制限される光学特性の問題もなく、紫外線による接着剤の劣化という問題も発生しない。
また、低融点ガラスフリットを介在させて融着させる場合に発生する低融点ガラスフリットと水晶基板もしくはガラス基板との熱膨張率の相違に伴う積層したワークの歪みの問題も発生しない。
(2)本発明の貼り合わせ方法においては、積層した第1のワークと第2のワークとの加圧工程は含まれていない。よって、貼り合わせの際、ワークを加圧するための大掛かりな加圧機構を必要としない。
これに対し、特許文献6に示す方法の場合、貼りあわせる2枚のワークの表面をOH基で終端化するにあたり、洗剤洗浄、イソプロピルアルコール洗浄、硫酸や過酸化水素水混合液洗浄といった貼り合わせの前処理工程後、2枚のワークを加熱して行っている。すなわち、イソプロピルアルコール洗浄、硫酸や過酸化水素水混合液洗浄といった複雑な貼り合わせの前処理工程により、ワーク表面に付着した有機物系不純物等を除去し、更に、表面の水分子を除去するために、例えば、300°Cで1時間、接合前のワークを加熱保持することによりワーク表面をOH基で終端化しており、本発明に比べて前処理に多くの時間を要し、処理工程も複雑である。
すなわち、本発明による貼り合わせ方法は、第1および第2のワークの接合面に上記したような介在物質を設ける必要がないので、介在物質を接合面に堆積させるプロセスが不要となり、このプロセスを実行するための大掛かりな装置は不要である。
(5)第1及び第2のワークがいずれも水晶基板であって、両ワークの結晶軸の方向が交差するように積層されている場合、積層後の加熱を温度300°C以下とすることにより、ワークの割れを防ぐことができる。
(7)第1のワークの一部(片側)をまず第2のワークに接触させ、その後、徐々に第1のワークの接合面全体を第2のワークの接合面に接触させるようにしたり、第1のワークを接合面が凸となるように湾曲させ、この湾曲した第1のワークの接合面側頂点と第2のワークの接合面とを接触させ、湾曲を解除し、第1のワークの接合面全体を第2のワークの接合面に接触させることにより、両ワークの積層面から空気を排除することができ、両ワークを確実に貼り合わせることができるとともに、接合後の光学性能を損なうこともない。
(8)両ワーク表面に真空紫外光を照射後、両ワークの貼り合わせる面同士が接触するように積層する前に、両ワーク表面をメガソニック洗浄することにより、第1のワーク、第2のワーク表面から無機物系不純物を除去することができ、両ワークを確実に貼り合わせることができる。
以下、本発明によるワークの貼り合わせ方法を実施するための貼り合わせ装置の実施例について説明する。本実施例の貼り合わせ装置は、〔工程1〕と〔工程2〕との間に、ワーク上の無機物系不純物を除去する機能を付与した構成例を示している。なお、貼り合わせ前のワーク上に無機物系不純物が存在しない、もしくは、殆ど存在しない場合、無機物系不純物を除去する機能は不要となる。
光照射機構Aは、上記した〔工程1〕を実施するためのものである。また、ワーク洗浄・積層機構Bは、〔工程1〕の後にワーク上の無機物系不純物を除去する工程、および〔工程2〕を実施するためのものである。また、ワーク加熱機構Dは〔工程3〕を実施するためのものである。なお、ワーク搬送機構Cは、光照射機構Aにより〔工程1〕が施されたワークをワーク洗浄・積層機構Bまで搬送したり、ワーク洗浄・積層機構Bにより〔工程2〕まで施されたワークをワーク加熱機構Dまで搬送するためのものである。
図1に光照射機構Aおよびワーク搬送機構Cの構成例を示す。
光照射ユニット10は、第1のワークW1の表面(接合面)、第2のワークW2の表面(接合面)に真空紫外光を照射して、両表面から有機物系不純物を除去したり、両表面をOH基で終端化するためのものである。光照射ユニット10は、少なくとも1本以上のランプ11aと、ランプ11aから放出される光をワーク側(図1では下方向)に反射する反射ミラー11bと、これらを内包するランプハウス10aとからなる。
図1においては、第1のワークW1と第2のワークW2の両方に真空紫外光を照射可能なようにランプハウス10a内に、ランプ11a、反射ミラー11bが複数設置されている。
なお、必要に応じて、第1および第1のワークステージ21a,21bには、第1および第2のワークW1,W2をそれぞれ位置決めするための位置決めピン22が設けられる。第1および第2のワークW1,W2の形状が四角形の場合、位置決めピン22は3本設けられる。このうちの1本は、四角形のワークの短辺に対応し、残り2本は四角形のワークの長辺に対応する。
すなわち、このような光照射を行う場合、第1のワークW1が載置された第1のワークステージ21a、第2のワークW2が載置された第2のワークステージ21bは、光照射ユニット10と第1のワークW1の表面、第2のワークW2の表面とがある程度接近するよう移動する機能を有することが望ましい。
また、2本の円柱状の柱26が移動ステージ23を貫通している。移動ステージ23の柱26が貫通する部分は軸受構造となっており、移動ステージ23は柱26に規制された直線方向(すなわち、上下方向)に移動可能となっている。
移動ステージ23の下面は、例えばエアシリンダからなるステージ移動機構24と接続されている。ステージ移動機構24が駆動されることにより、駆動軸25を介して移動ステージ23および移動ステージ23上に配置された第1のワークステージ21a、第2のワークステージ21bは上下方向に移動する。ステージ移動機構24の駆動は、ステージ移動機構駆動制御部24aにより制御される。
図2にワーク洗浄・積層機構Bの構成例を示す。また、図3にワーク洗浄・積層機構Bの吸着ステージを上側から見た図を示す。
吸着ステージ41は、ワーク搬送機構Cによって光照射機構Aから搬送されてきた第1および第2のワークW1,W2が載置され、載置された第1および第2のワークW1,W2を真空チャック機構により吸着保持可能となっている。
吸着ステージ41には、第1および第2のワークW1,W2をそれぞれ位置決めするための位置決めピン42が設けられる。第1および第2のワークW1,W2の形状が四角形の場合、位置決めピン42は3本設けられる。このうちの1本は、四角形のワークの短辺に対応し、残り2本は四角形のワークの長辺に対応する。
吸着ステージ41の内部には図2において破線で示した真空供給路41bが設けられている。この真空供給路41bの一方は真空供給管43と接続されていて、他方は吸着用溝部41aに設けられた真空供給用孔部41c(図3参照)と連通している。
すなわち、ワーク搬送機構Cは、第1のワークW1を掴み保持する機能、第1のワークW1の光照射面(メガソニック洗浄機構による洗浄面)が第2のワークW2の光照射面(メガソニック洗浄機構による洗浄面)を含む平面に対向するように第1のワークW1を反転させる機能、反転させた第1のワークW1を第2のワークW2上へ搬送する機能、第1のワークW1の光照射面と第2のワークW2の光照射面とが接触するように第2のワークW2上に第1のワークW1を積層させる機能を有する。
このアライメントは、吸着ステージ41に設けた位置決めピン42を利用して行ってもよいし、第1のワークW1を第2のワークW2上に積層する前、結晶軸方向に関して、第2のワークW2に対する第1のワークW1の位置を位置決めするアライメント機能を有するようにワーク搬送機構Cを構築してもよい。
図4にワーク加熱機構Dの例を示す。
前記ワーク搬送機構Cは、光照射機構Aおよびワーク洗浄・積層機構Bによって、上記〔工程1〕〔工程2〕の処理を施されて積層されて一体となった2枚のワークを、更に図4に示すワーク加熱機構Dまで搬送する機能も有する。
例えば、前記ワーク保管機構(図示せず)、光照射機構A、ワーク洗浄・積層機構B、ワーク加熱機構D等は、ワーク搬送機構Cの搬送手段30がアクセス可能なワーク搬送機構の周囲に配置され、ワーク搬送機構Cの搬送手段30は上記ワーク保管機構からワークW1,W2を取り出して、前記光照射機構Aに搬送し、光照射機構Aおいて真空紫外光が照射されたワークW1,W2を、上記搬送手段30により把持してワーク洗浄・積層機構Bに搬送する。そして、洗浄処理がなされると、ワークW1,W2を積層する。さらに、ワーク搬送機構Cは、積層したワークW1,W2を上記ワーク加熱機構Dに搬送して加熱処理させる。加熱処理後、貼り合わせが完了したワークは、ワーク搬送機構Cにより、貼り合わせ済みワークの保管機構(図示せず)に搬送して、収納される。
なお、ワーク加熱機構Dはこのような加熱ステージ態様に限るものではなく、図示を省略した加熱炉を用いても良い。この場合、加熱炉は図示を省略した温度制御機構により炉内温度が制御される。
A.〔前準備〕 動作1(光照射前)
以下、説明する第1のワークW1と第2のワークW2の貼り合わせにおいて、両基板は四角形形状の水晶基板とし、ワークの辺は、ワークの結晶軸方向と一義的な関係であるものとする。すなわち、第1のワークW1の特定の辺の方向と第2のワークW2の特定の辺の方向とを略一致させれば、第1のワークW1の結晶軸の方向と第2のワークW2の結晶軸の方向とは略垂直になるものとする。
同様に、第2のワークW2は第2のワークステージ21bの位置決めピン22により所定の位置に位置決めされる。なお上記した所定の位置とは、光照射ユニット10から放出される真空紫外光が第1および第2のワークW1,W2に照射される位置である。
上記した距離Dは、ランプ11aから放出される波長172nmのUV光は大気中で著しく減衰することから、例えば、1〜5mmに設定される。
このように、予め加熱ステージ61を加熱しておくのは、〔工程2〕から速やかに〔工程3〕に移行させるためである。
(4)ランプ点灯装置12によりランプ11aが点灯され、波長172nmのUV光が第1のワークW1に照射されるとともに、第2のワークW2に照射される。なお、ランプ点灯装置12は、第1のワークW1表面および第2のワークW2表面における放射照度が所定の値となるようにランプ11aへの供給電力を制御する。
(5)所定の照射時間経過後、ランプ点灯装置12はランプ11aを消灯する。ここでランプ点灯装置12はランプ点灯時間の設定も行うことができるものとする。
なお、(4)〜(5)の工程では、第1のワークW1および第2のワークW2への光照射を同時に行っているが必ずしも同時に行う必要は無く、例えば、先に第1のワークW1にUV光を照射して、その後、第2のワークW2にUV光を照射してもよい。或いは、先に第2のワークW2にUV光を照射して、その後、第1のワークW1にUV光を照射してもよい。
(6)図6に示すように、ステージ移動機構駆動制御部24aによってステージ移動機構24を駆動することにより移動ステージ23を下方向に移動させて、第1のワークステージ21aおよび第2のワークステージ21bの高さが所定の高さとなるように調整する。この所定の高さとは、ワーク搬送機構Cの搬送手段30が光照射ユニット10と第1および第2のワークステージ21a,21b間の空間に進入・退避する際、上記搬送手段30が光照射ユニット10や第1および第2のワークステージ21a,21bと衝突しない高さである。
(7)ワーク搬送機構Cの搬送手段30が第1のワークステージ21aならびに第2のワークステージ21bと、両ワークステージの上部にある光照射ユニット10との間の空間に進行し、第1のワークW1を捕捉する。
(8)第1のワークW1を捕捉した搬送手段30は、第1のワークW1を所定距離だけ上方向に移動させて第1のワークステージ21aから第1のワークW1を離脱させて、図2に示すワーク洗浄・積層機構Bにおける吸着ステージ41上に搬送し、吸着ステージ41に設けられている第1のワークW1用位置決めピン42を用いて第1のワークW1を位置決めした後、当該第1のワークW1を吸着ステージ41に載置する。
(10)第2のワークW2を捕捉した搬送手段30は、第2のワークW2を所定距離だけ上方向に移動させて第2のワークステージ21bから第2のワークW2を離脱させて、図2に示すワーク洗浄・積層機構Bにおける吸着ステージ41上に搬送し、吸着ステージ41に設けられている第2のワークW2用位置決めピン42を用いて第2のワークW2を位置決めした後、当該第2のワークW2を吸着ステージ41に載置する。
また、後で示すように、吸着ステージ41に設けた第2のワーク用位置決めピン42で第2のワークW2に対する第1のワークW1の位置決めも行う場合、第1のワークW1用位置決めピン42は、第1のワークW1を仮アライメントする。
すなわち、ワーク搬送機構Cの搬送手段30により捕捉された第1のワークW1が当該ワーク搬送機構Cにより第1のワークW1の光照射面(洗浄面)が第2のワークW2の光照射面(メガソニック洗浄機構による洗浄面)を含む平面と対向するように反転された際、反転した第1のワークW1の結晶軸方向は、ある程度、第2のワークW2の結晶軸方向と合致しているように、第1のワークW1は吸着ステージ41上に設けられた第1のワーク用位置決めピン42を用いて仮アライメントされる。
(11)真空チャック駆動制御部46が真空供給機構45を駆動し、真空供給管43を介して吸着ステージ41のワーク載置面に真空を供給する。すなわち、真空供給機構45により真空供給管43を介して真空供給路41b、吸着用溝部41a、第1のワークW1の載置面からなる空間、ならびに、真空供給路41b、吸着用溝部41a、第2のワークW2の載置面からなる空間内が減圧され、吸着ステージ41上に第1のワークW1および第2のワークW2が吸着保持される。
(13)続いて、ワーク洗浄・積層機構Bは、水流用ノズル52a、52bに純水を供給するとともに、メガソニック洗浄機構50a,50bの各超音波振動子51a,51bを動作させる。これにより、水流用ノズル52aから超音波振動が付与された純水流が第1のワークW1表面に向かって噴出する。また、水流用ノズル52bから超音波振動が付与された純水流が第2のワークW2表面に向かって噴出する。
(14)各純水流による第1および第2のワークW1,W2表面での洗浄範囲は第1および第2のワークW1,W2表面の面積より小さいので、ワーク洗浄・積層機構Bは、水流用ノズル52aおよび52bを第1および第2のワークW1,W2表面と略平行な仮想表面内において二次元方向に適宜移動させて、第1および第2のワークW1,W2表面全体を超音波振動が付与された純水流により洗浄する。
(15)第1および第2のワークW1,W2表面全体の上記純水流による洗浄が終了後、ワーク洗浄・積層機構Bは、水流用ノズル52a,52bへの純水の供給を停止するとともに、メガソニック洗浄機構50a,50bの各超音波振動子51a,51bの動作を停止する。
(17)続いて、ワーク洗浄・積層機構Bは、ガスノズル53a、53bに清浄ガスを供給する。これにより、ガスノズル53aから清浄ガス流が第1のワークW1表面に向かって噴出する。また、ガスノズル53bから清浄ガス流が第2のワークW2表面に向かって噴出する。
(18)各ガス流が第1および第2のワークW1,W2表面に供給される範囲は第1および第2のワークW1,W2表面の面積より小さいので、ワーク洗浄・積層機構Bは、ガスノズル53aおよび53bを第1および第2のワークW1,W2表面と略平行な仮想表面内において二次元方向に適宜移動させて、第1および第2のワークW1,W2表面全体に清浄ガスを吹き付け、第1および第2のワークW1,W2表面に残留する純水を除去する。
(19)第1および第2のワークW1,W2表面全体の上記ガス流による残留純水除去が終了後、ワーク洗浄・積層機構Bは、ガスノズル53a、53bへの清浄ガスの供給を停止する。
なお、メガソニック洗浄に先立って(11)において、吸着ステージ41上に第1のワークW1および第2のワークW2を吸着保持するのは、メガソニック洗浄中に第1および第2のワークW1,W2に当てられる純水流、清浄ガス流によって、上記第1および第2のワークW1,W2が移動しないようにするためである。
なお、メガソニック洗浄機構から第1および第2のワークW1,W2に向けて放出され、第1および第2のワークW1,W2表面から剥離した無機物系不純物含む純水はシンク47に集められ、シンク47に設けられた水排出用ドレイン44を経由して外部へ排出される。
(20)図9に示すように、洗浄機構駆動制御部54aによって洗浄機構駆動部54を駆動することによりメガソニック洗浄機構50a,50bを上方向に移動させて、メガソニック洗浄機構50a,50bの高さが所定の高さとなるように調整する。この所定の高さとは、ワーク搬送機構Cの搬送手段30がメガソニック洗浄機構と吸着ステージ41との間の空間に進行し、搬送手段30に捕捉された第1のワークW1が吸着ステージ41の上方にて当該ワーク搬送手段30によって反転した際、第1のワークW1およびワーク搬送機構Cの搬送手段30がメガソニック洗浄機構50a,50bおよび吸着ステージ41のいずれかとも衝突しないようにすることができる高さである。
(22)第1のワークW1を捕捉した搬送手段30は、第1のワークW1を所定距離だけ上方向に移動させた後、第1のワークW1の光照射面(洗浄面)が第2のワークW2の光照射面(メガソニック洗浄機構による洗浄面)を含む平面と対向するように第1のワークW1を反転させる。ここで、上記した所定距離とは、第1のワークW1およびワーク搬送機構Cの搬送手段30がメガソニック洗浄機構50a,50bおよび吸着ステージ41と衝突しない高さである。
なお、ワーク搬送機構Cの搬送手段30は、搬送機構駆動制御部31aによって制御された搬送機構駆動部31により駆動される。
(22)図9に示すように、ワーク搬送機構Cにより反転した第1のワークW1は、当該ワーク搬送機構Cの搬送手段30により、第2のワークW2上に搬送される。
(23)次にワーク搬送機構Cの搬送手段30は、吸着ステージ41上で第2のワークW2を位置決めしている第2のワーク用位置決めピン42を用いて第1のワークW1の位置(結晶軸の方向)を位置決めして、第1のワークW1を第2のワークW2上に積層する。
具体的には、ワーク搬送機構Cの搬送手段30は、吸着ステージ41に設けられた位置決めピン42に第1のワークW1を押し当てることにより、第1のワークW1を位置決めする。ここで、吸着ステージ41に設けられた位置決めピン42の高さは吸着ステージ41に載置された第2のワークW2の厚みより高い。
図10(a)(b)は両ワークの積層の仕方を説明するものであり、図10(a)は側面図、図10(b)は上面図である。図10(a)に示すように、ワーク搬送機構Cは第1のワークW1が傾斜した姿勢で保持する。そして、傾斜の下側に位置する第1のワークW1の辺を、吸着ステージ41の2本の位置決めピン42に押し当てて位置決めしたあと、傾斜の下側に位置する第1のワークW1の辺側から徐々に第2のワークW2の受光面と第1のワークW1の受光面が接触するように、ワーク搬送機構Cは第2のワークW2上に第1のワークW1を積層する。このように積層することにより、両ワークの積層面から空気を排除することが可能となる。
そして、この接触線を基線として、徐々に第2のワークW2の受光面と第1のワークW1の受光面が接触するように、ワーク搬送機構Cは第2のワークW2上に第1のワークW1を積層する。このように積層することにより、両ワークの積層面から空気を排除することが可能となる。
(24)図4に示すように、ワーク搬送機構Cは、吸着ステージ41上に載置されている積層された両ワーク(第1のワークW1および第2のワークW2)を掴み、当該ワークを吸着ステージ41から退避させ、ワーク加熱機構Dの加熱ステージ61まで搬送する。なお、積層された両ワークの吸着ステージ41から加熱ステージ61までの搬送は、作業者が実施してもよい。
(25)ワーク搬送機構Cは、加熱ステージ61まで搬送してきた積層された両ワークを加熱ステージ61上に載置する。
(24)〜(25)の工程により、積層されたワークの第2のワークステージ21bから加熱ステージ61までの搬送、加熱ステージ61上への積層されたワークの設置が行われる。
(26)温度制御部63により、加熱ステージ61の温度制御を開始する。上記したように、加熱ステージ61は事前加熱されているので、加熱ステージ61上へワークが設置された時点からワークW1,W2の温度制御が開始される。
温度制御部63は、加熱ステージ61に積層されたワークW1,W2が設置された時点から、ワーク温度が所定温度(加熱後室温となった積層されたワークW1,W2が応力により破損しないときの加熱温度)まで到達して、所定時間(ワークの加熱開始から接合が完了するまでの時間)この温度が維持されて、その後降温するように、加熱手段62を制御する。この加熱手段62の制御は、温度制御部63が記憶している加熱ステージ61表面の温度とワークW1,W2の昇温特性やワークの到達温度との相関関係データのテーブルに基づき行われる。
加熱手段62へのエネルギー供給を停止すると、加熱ステージ61上のワークW1,W2は室温まで冷却される。
なお、冷却時間を短縮する場合は、加熱ステージ61内に図示を省略した冷却機構を設けてもよい。冷却機構としては、例えば、加熱ステージ61内に冷却管を埋設し、当該冷却管に冷媒を流す。そして冷媒と加熱ステージ61との熱交換により、加熱ステージ61の冷却を実施する。なお、冷却機構の制御も、例えば、温度制御部63により行われる。温度制御部63は、例えば、シースヒータへの電力供給を停止後、冷却機構を動作させ、図示を省略した温度センサによって計測された加熱ステージ61表面の温度情報に基づき、加熱ステージ61表面の温度が室温となるように冷却機構を制御する。
上記した貼り合わせ装置の各構成要素の動作は各制御部で行われる。
すなわち、ランプ点灯装置12はランプ11aの点灯・消灯、ランプ点灯時間の制御を行う。ステージ移動機構駆動制御部24aは、移動ステージ23、第1のワークステージ21a、第2のワークステージ21bを上下方向に移動させるステージ移動機構24の動作を制御する。
また、搬送機構駆動制御部31aは、第1のワークW1の光照射面と第2のワークW2の光照射面とが接触するように第2のワークW2上に第1のワークW1を積層させる機能、第1のワークW1を第2のワークW2上に積層する前、結晶軸方向に関して第2のワークW2に対する第1のワークW1の位置を位置決めするアライメント機能、吸着ステージ41上に載置された積層後のワークを加熱ステージ61まで搬送する機能を有するワーク搬送手段30を駆動するワーク搬送機構駆動部31の動作を制御する。
真空チャック駆動制御部46は、真空チャック機構を動作させるための真空供給機構45の動作を制御する。
洗浄機構駆動制御部54aは、図示を省略した純水供給手段からの純水を水流用ノズル52a,52bに供給する機能、図示を省略した清浄ガス給手段からの清浄ガスをガスノズル53a,53bに供給する機能、超音波振動子51a,51bを駆動する機能、水流用ノズル52a,52bやガスノズル53a,53bの位置を制御する機能を有する洗浄機構駆動部54の動作を制御する。
これらの制御部は、上記した〔工程1〕〜〔工程3〕の各工程において、その都度制御を行う。
上位コントローラは、上記した〔工程1〕〜〔工程3〕の工程手続きに関する指令内容を予め記憶しており、この指令内容に基づき、上記した各制御部を制御する。
上記したように、貼り合わせ前のワーク上に無機物系不純物が存在しない、もしくは、殆ど存在しない場合、無機物系不純物を除去する機能は不要となる。この場合、ワーク洗浄・積層機構Bにおいて、ワーク洗浄機能は不要となり、ワークの積層は光照射機構Aにおいて行えばよい。
上記した(1)〜(26)の工程において、(8)〜(19)の工程が不要となる。そして、(20)〜(23)の工程で行われる吸着ステージ41での第1のワークW1と第2のワークW2との積層は、光照射機構Aの第2のワークステージ21b上で行えばよい。
(A)図6に示すように、ステージ移動機構駆動制御部24aによってステージ移動機構24を駆動することにより移動ステージ23を下方向に移動させて、第1のワークステージ21aおよび第2のワークステージ21bの高さが所定の高さとなるように調整する。この所定の高さとは、ワーク搬送機構Cに捕捉された第1のワークW1が、第1のワークステージ21a上にて当該ワーク搬送機構Cによって反転した際、第1のワークW1およびワーク搬送機構Cが第1のワークステージ21aと衝突しない高さである。
(B)ワーク搬送機構Cの搬送手段30が第1のワークステージ21aならびに第2のワークステージ21bと、両ワークステージの上部にある光照射ユニット10との間の空間に進行し、第1のワークW1を捕捉する。
(C)第1のワークW1を捕捉したワーク搬送機構Cの搬送手段30は、第1のワークW1を所定距離だけ上方向に移動させた後、第1のワークW1の光照射面が第1のワークステージ21aと対向するように第1のワークW1を反転させる。ここで、上記した所定距離とは、第1のワークW1および搬送手段30が第1のワークステージ21aおよび光照射ユニット10と衝突しない高さである。
(B)〜(C)の工程により、第1のワークW1がワーク反転機構により捕捉され、当該第1のワークW1の光照射面が第1のワークステージ21aと対向するように反転される。
なお、ワーク搬送機構Cは、搬送機構駆動制御部31aによって制御された搬送機構駆動部31により駆動される。
(E)次にワーク搬送機構Cは、第2のワークステージ21b上で第2のワークW2を位置決めしている位置決めピン22を用いて第1のワークステージ21aの位置(結晶軸の方向)を位置決めして、第1のワークW1を第2のワークW2上に積層する。具体的には、ワーク搬送機構Cの搬送手段30は、第2のワークステージ21bに設けられた位置決めピン22に第1のワークW1を押し当てることにより、第1のワークW1を位置決めする。ここで、第2のワークステージ21bに設けられた位置決めピン22の高さは第2のワークステージ21bに載置された第2のワークW2の厚みより高い。
工程(E)終了後、上記実施例の工程(24)以降を行う。なお、工程(24)では、ワーク搬送機構Cの搬送手段30は、吸着ステージ41上に載置されている積層された両ワーク(第1のワークW1および第2のワークW2)を掴み、当該ワークを吸着ステージ41から退避させ、ワーク加熱機構Dの加熱ステージ61まで搬送しているが、貼り合わせ装置の変形例2においては、第2のワークステージ21bに載置されている積層された両ワーク(第1のワークW1および第2のワークW2)を掴み、当該ワークを第2のワークステージ21bから退避させ、ワーク加熱機構Dの加熱ステージ61まで搬送することになる。
特に、本貼り合わせ装置は、上記のように4つの機構に分割しているので、予めワーク加熱機構Dの加熱ステージ61を予備加熱しておくことが可能となり、〔工程2〕のワーク積層後、加熱ステージ61に搬送されてきたワークを速やかに加熱することが可能となる。
例えば、光照射ユニット10から両ワークの照射面に照射されるUV光が中心波長172nmのUV光であるとき、ランプ11aの下側と両ワークの照射面との距離を例えば、1〜5mmに設定することが可能となる。よって、大気中で著しく減衰する波長172nmのUV光を照射する際、照射雰囲気が大気中であっても第1のワークW1表面と、第2のワークW2表面を改質することが可能となる。すなわち、UV光照射雰囲気を波長172nmのUV光が減衰しない真空雰囲気にする必要がないので、装置全体をよりコンパクトに構成することができる。
以下、本発明の貼り合わせ方法の実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
水晶基板2枚を一対のワークとして用い、当該一対のワークを本発明の貼り合わせ方法により接合した。
ワークの形状は以下の通りである。
接合する2枚の水晶基板の形状は、いずれも厚さ0.5mm、縦50.8mm×横50.8mmである。また、各水晶基板の両面は光学研磨処理が施されている。ここで2枚の水晶基板同士の接合には、上記した貼り合わせ装置を用いた。
〔工程1〕
中心波長172nmのエキシマランプから放出される光を照射した。ワーク表面における放射照度は5mW/cm2であり、照射時間は90秒とした。
その後、一対のワークのメガソニック洗浄を行った。メガソニック洗浄における洗浄液は純水であり、純水流に付与する振動周波数は1MHzとした。また清浄ガスとしては空気を用いた。
〔工程2〕
光照射された接合面同士を対向させて接合面同士が接触するように積層した。両者の位置合わせは、吸着ステージ41に設けた位置決めピン42を用いて行った。
〔工程3〕
積層したワークの加熱は、予め加熱していた加熱炉内にワークを設置し、所定時間経過間後ワークを加熱炉から取り出した。
なお、〔工程3〕終了後、接合したワークの温度が室温となった際、ワークの割れが発生する場合があった。この場合は、接合の可否は否とみなした。
上記実験結果を表1に示す。
すなわち、一対の水晶基板を貼り合わせる場合、一対の水晶基板の結晶方位の方向が直交するように積層されていても、前記方向が平行となるように積層されていても、加熱温度が200°C以上の条件で接合が可能となることが分かった。
一方、条件9においては、一対の水晶基板の結晶方位の方向が平行となるように積層されているので、各水晶基板の熱膨張方向もほぼ同じである。そのため、加熱された基板の温度が室温に戻る際に発生する応力が、条件6に基づき接合された一対の水晶基板の方が条件9に基づき接合された一対の水晶基板の方より大きく、その結果、条件6に基づき接合された一対の水晶基板に割れが発生したものと考えられる。
また、上記実験と同様の条件で、ガラス基板と水晶基板、ガラス基板とガラス基板とを接合してみたが、加熱温度を、加熱後室温となった積層されたワークが応力により破損しない温度に設定することにより、いずれの場合においても接合が実現できることが分かった。
10a ランプハウス
11a ランプ
11b 反射ミラー
21a 第1のワークステージ
21b 第2のワークステージ
23 移動ステージ
24 ステージ移動機構
24a ステージ移動機構駆動制御部
25 駆動軸
26 柱
26a フランジ部
30 搬送手段
41 吸着ステージ
41a 吸着用溝部
41b 真空供給路
41c 真空供給用孔部
42 位置決めピン
43 真空供給管
44 水排出用ドレイン
45 真空供給機構
46 真空チャック駆動制御部
47 シンク
50a,50b メガソニック洗浄機構
51a,51b 超音波振動子
52a、52b 水流用ノズル
53a、53b ガスノズル
54 洗浄機構駆動部
54a 洗浄機構駆動制御部
61 加熱ステージ
62 加熱手段
63 温度制御部
100 上位コントローラ
A 光照射機構
B ワーク洗浄・積層機構
C ワーク搬送機構
D ワーク加熱機構
W1 第1のワーク
W2 第2のワーク
Claims (8)
- ガラス基板とガラス基板、ガラス基板と水晶基板もしくは水晶基板と水晶基板からなり、
少なくとも一方の面が光学研磨されている第1及び第2のワークの光学研磨されている面
同士を貼り合わせる方法であって、
両ワークの貼り合わせる面に波長250nm以下の紫外光を照射し、
光照射後、両ワークの上記貼り合わせる面同士が接触するように積層し、
積層後、予め加熱された加熱手段により、両ワークを温度200°C以上で加熱する
ことを特徴とするワークの貼り合わせ方法。 - 第1及び第2のワークがいずれも水晶基板であって、
両ワークの積層は各ワークの結晶軸の方向が交差するように行われ、
積層後の加熱が温度300°C以下で行われる
ことを特徴とする請求項1記載のワークの貼り合わせ方法。 - 積層は、第1のワークの一部(片側)をまず第2のワークに接触させ、その後、徐々に第1のワークの接合面全体を第2のワークの接合面に接触させるようにする
ことを特徴とする請求項1、請求項2のいずれか一項に記載のワークの貼り合わせ方法。 - 積層は、第1のワークを接合面が凸となるように湾曲させ、この湾曲した第1のワークの接合面側頂点と第2のワークの接合面とを接触させ、湾曲を解除し、第1のワークの接合面全体を第2のワークの接合面に接触させるようにする
ことを特徴とする請求項1、請求項2のいずれか一項に記載のワークの貼り合わせ方法。 - 両ワーク表面に真空紫外光を照射後、両ワークの記貼り合わせる面同士が接触するように積層する前に、
両ワーク表面をメガソニック洗浄する
ことを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3、請求項4のいずれか一項に記載のワークの貼り合わせ方法。 - ガラス基板とガラス基板、ガラス基板と水晶基板もしくは水晶基板と水晶基板からなる第1及び第2のワーク同士を貼り合わせる装置であって、
上記第1のワークを保持する第1のステージと、
上記第2のワークを保持する第2のステージと、
第1のワークの表面及び/または第2のワークの表面に紫外光を照射する光照射ユニットと、
少なくとも、上記第1および第2のステージに保持された上記第1、第2のワークの内の一方のワークの光照射面が、他方のワークの表面もしくは光照射面に接触するように両者を積層させるワーク積層機構と、
第1のステージに保持された第1のワークの表面及び第2ステージに保持された第2のワークの表面と、上記光照射ユニットとの距離を調整するための間隙設定機構と、
上記第1のステージおよび第2のステージとは別箇に設けられ、上記積層された状態の第1のワーク及び第2のワークを加熱する加熱機構とを備えた
ことを特徴とするワークの貼り合わせ装置。 - 上記加熱機構が、ワークが載置される加熱ステージである
ことを特徴とする請求項6に記載のワークの貼り合わせ装置。 - 上記第1のステージおよび第2のステージとは別箇に設けられ、
上記第1および第2のステージに保持された上記第1、第2のワークの内の一方のワークの光照射面に向けて、
超音波振動が付与された純水流を放出する純水流放出手段と、ガスを放出する放出手段とを更に備えた、
ことを特徴とする請求項6または請求項7のいずれか一項に記載のワークの貼り合わせ装置。
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