JP6259781B2 - 三層基板の接合方法 - Google Patents
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Description
この発明は、ガラス基板を挟んで構成される三層基板の接合方法に関するものである。
従来より、ガラス基板を挟んで構成される三層基板の一例として、センサチップ（シリコン基板）と、ガラス台座と、シリコンチューブとから構成される三層構造の圧力センサがある。この三層構造の圧力センサにおいて、センサチップとガラス台座とシリコンチューブとは、それぞれが陽極接合により接合される（例えば、特許文献１参照）。
陽極接合は、接合部材間に第３の材料を介在させない直接的な接合方法であって、可動イオン（Ｎａ+やＫ+などの金属陽イオン）を含むガラスとシリコンや金属とを重ね合わせた状態で高温、高電圧を印加すると、界面に静電引力が働き、共有結合が起きて両者が接合される技術である。この技術を用いて、センサチップとガラス台座とシリコンチューブとを接合し、３層構造の圧力センサを得る。なお、陽極接合する際には接合部を加熱するが、この時の加熱温度を接合温度と呼んでいる。
〔１度目の陽極接合（１次陽極接合）〕
先ず、図３に示すように、ガラス台座１２とシリコンチューブ１３とを重ね合わせ、ガラス台座１２の上面をマイナス電極側（陰極側）、シリコンチューブ１３の下面をプラス電極側（陽極側）とし、接合温度に達した状態で高電圧を印加して、ガラス台座１２とシリコンチューブ１３とを陽極接合する。これにより、ガラス台座１２とシリコンチューブ１３との接合体（ガラス台座・シリコンチューブ接合体）１４が形成される。
先ず、図３に示すように、ガラス台座１２とシリコンチューブ１３とを重ね合わせ、ガラス台座１２の上面をマイナス電極側（陰極側）、シリコンチューブ１３の下面をプラス電極側（陽極側）とし、接合温度に達した状態で高電圧を印加して、ガラス台座１２とシリコンチューブ１３とを陽極接合する。これにより、ガラス台座１２とシリコンチューブ１３との接合体（ガラス台座・シリコンチューブ接合体）１４が形成される。
〔２度目の陽極接合（２次陽極接合）〕
次に、図４に示すように、センサチップ（シリコン基板）１１とガラス台座・シリコンチューブ接合体１４とを重ね合わせ、センサチップ１１の上面をプラス電極側（陽極側）、ガラス台座・シリコンチューブ接合体１４の下面（シリコンチューブ１３の下面）をマイナス電極側（陰極側）とし、接合温度に達した状態で高電圧を印加して、センサチップ１１とガラス台座・シリコンチューブ接合体１４とを陽極接合する。これにより、センサチップ１１とガラス台座・シリコンチューブ接合体１４との接合体（センサチップ・ガラス台座・シリコンチューブ接合体）１５が形成され、３層構造の圧力センサ２００が得られる。
次に、図４に示すように、センサチップ（シリコン基板）１１とガラス台座・シリコンチューブ接合体１４とを重ね合わせ、センサチップ１１の上面をプラス電極側（陽極側）、ガラス台座・シリコンチューブ接合体１４の下面（シリコンチューブ１３の下面）をマイナス電極側（陰極側）とし、接合温度に達した状態で高電圧を印加して、センサチップ１１とガラス台座・シリコンチューブ接合体１４とを陽極接合する。これにより、センサチップ１１とガラス台座・シリコンチューブ接合体１４との接合体（センサチップ・ガラス台座・シリコンチューブ接合体）１５が形成され、３層構造の圧力センサ２００が得られる。
なお、圧力センサ２００の製造方法としては、圧力センサ２００を効率良く大量に生産するために、センサチップ１１を複数作成したウエハ（センサチップウエハ）と、ガラス台座１２を複数作成したウエハ（ガラス台座ウエハ）と、シリコンチューブ１３を複数作成したウエハ（シリコンチューブウエハ）とを接合して３層のウエハの接合体とし、この３層のウエハの接合体をダイシングで切断して複数の圧力センサ２００を得るという方法が採用される。
しかしながら、このように１次陽極接合と２次陽極接合とを同軸（三層構造を貫く軸）上で電圧を反対方向に印加して行うと、１次陽極接合で可動イオン（Ｎａ+，Ｋ+）が移動した後（図５（ａ）参照）、ガラス台座１２とシリコンチューブ１３との接合面（１次接合面）付近に可動イオンの欠乏層が発生し、２次陽極接合で欠乏層に可動イオン（Ｎａ+，Ｋ+）が集まる事により（図５（ｂ）参照）、ナトリウムなどがガラス台座１２中で偏析して、ガラス台座１２内にクラックが生じ、ガラス台座１２の強度低下を招く。
なお、特許文献２には、逆電圧の印加に伴う剥離を防止するようにした基板の接合方法が示されている。この特許文献２に示された基板の接合方法では、１次陽極接合において第１ガラス基板とシリコン基板とを陽極接合するようにし、２次陽極接合において第１ガラス基板とシリコン基板との接合体のシリコン基板側に第２ガラス基板を陽極接合するようにする。この際、第１ガラス基板と第２ガラス基板の抵抗値を変えることによって、１次陽極接合により第１ガラス基板の陰極側に引き寄せられた可動イオンが２次陽極接合において第１ガラス基板の接合面側に生じたイオン欠乏層に移動している間に、２次陽極接合を終了させるようにしている。
しかしながら、この特許文献２に示された基板の接合方法は、ガラス−シリコン−ガラスの三層構造の接合に限定され、また第１ガラス基板と第２ガラス基板の抵抗値を変えなければならず、ガラスの種類が限定されるなどの問題がある。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、シリコン−ガラス−シリコンのガラス基板を挟んだ三層構造において、可動イオンの析出なく、それぞれを簡便に陽極接合することが可能な三層基板の接合方法を提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、第１のシリコン基板を陽極とし、ガラス基板を陰極として、第１のシリコン基板にガラス基板の一方の面を陽極接合する１次陽極接合工程と、１次陽極接合工程によって接合された第１のシリコン基板とガラス基板との接合体を陰極とし、第２のシリコン基板を陽極として、ガラス基板の他方の面に第２のシリコン基板を陽極接合する２次陽極接合工程とを備え、１次陽極接合工程においてガラス基板の陰極側に引き寄せられたガラス基板中の可動イオンが２次陽極接合工程においてガラス基板と第１のシリコン基板との接合面に達する前に２次陽極接合工程が終了するように、２次陽極接合工程での印加電圧および接合温度の何れか一方あるいは両方を１次陽極接合工程での印加電圧および接合温度よりも低くするようにしたものである。
本発明によれば、１次陽極接合工程においてガラス基板の陰極側に引き寄せられたガラス基板中の可動イオンが２次陽極接合工程においてガラス基板と第１のシリコン基板との接合面に達する前に２次陽極接合工程が終了するように、２次陽極接合工程での印加電圧および接合温度の何れか一方あるいは両方を１次陽極接合工程での印加電圧および接合温度よりも低くするようにしたので、シリコン−ガラス−シリコンのガラス基板を挟んだ三層構造において、可動イオンの析出なく、それぞれを簡便に陽極接合することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
先ず、図１を用いて、本発明に係る三層基板の接合方法の原理について説明する。図１において、１はセンサチップ（シリコン基板）、２はガラス台座、３はシリコンチューブであり、図１（ａ）は三層基板として圧力センサ１００を製造する際の１次陽極接合工程を示し、図１（ｂ）は２次陽極接合工程を示している。
すなわち、１次陽極接合によってガラス台座２とシリコンチューブ３との接合体（ガラス台座・シリコンチューブ接合体）４を形成する工程（図１（ａ））と、この後、ガラス台座・シリコンチューブ接合体４のガラス台座２にセンサチップ１を重ね合わせ、センサチップ１の上面をプラス電極側（陽極側）、ガラス台座・シリコンチューブ接合体４の下面（シリコンチューブ３の下面）をマイナス電極側（陰極側）とし、接合温度に達した状態で高電圧を印加して、センサチップ１とガラス台座・シリコンチューブ接合体４とを陽極接合し、センサチップ・ガラス台座・シリコンチューブ接合体５(圧力センサ１００)を形成する工程（図１（ｂ））とを示している。
なお、圧力センサ１００の製造方法としては、圧力センサ１００を効率良く大量に生産するために、センサチップ１を複数作成したウエハ（センサチップウエハ）と、ガラス台座２を複数作成したウエハ（ガラス台座ウエハ）と、シリコンチューブ３を複数作成したウエハ（シリコンチューブウエハ）とを接合して３層のウエハの接合体とし、この３層のウエハの接合体をダイシングで切断して複数の圧力センサ１００を得るという方法が採用される。
２次陽極接合を行う場合（図１（ｂ））、１次陽極接合でガラス台座２中の可動イオン（Ｎａ+，Ｋ+）が移動することによって、ガラス台座２とシリコンチューブ３との接合面（１次接合面）付近には可動イオンの欠乏層が発生している。２次陽極接合では、この欠乏層にガラス台座２中の可動イオンが集まろうとする。
ここで、ガラス台座２中の可動イオンの移動速度ｖは、電極間にかかる電場Ｅに依存する。この場合、ｕを可動イオンの移動度とすると、可動イオンの移動速度ｖは下記（１）式で表される。
ｖ＝ｕ・Ｅ ・・・・（１）
ｖ＝ｕ・Ｅ ・・・・（１）
上記（１）式は、電極間の距離をｄ１、印加電圧をＶとすると、Ｅ＝Ｖ／ｄ１として表されるので、
ｖ＝ｕ・Ｖ／ｄ１ ・・・・（２）
となる。
ｖ＝ｕ・Ｖ／ｄ１ ・・・・（２）
となる。
ここで、電極間の距離ｄ１は一定であり、可動イオンの移動度ｕは接合温度Ｔで一定の値をとるため、可動イオンの移動速度ｖは印加電圧Ｖによって決定される。なお、接合温度Ｔが高くなるほど、可動イオンの移動度ｕは大きくなる。
電極間に電圧Ｖがｔ時間印加された時の陰極側へ向かう可動イオンの移動距離Ｄは、
Ｄ＝ｖ×ｔ ・・・・（３）
となる。
Ｄ＝ｖ×ｔ ・・・・（３）
となる。
センサチップ１とガラス台座２との接合面付近のガラス中の可動イオンが陰極側へ移動し、接合面付近のガラス台座２中に可動イオンの欠乏層が形成され、センサチップ１との間に静電気引力が発生し、共有結合が起きる。欠乏層の電気抵抗はもともとのガラスと比べて非常に大きく、ガラス台座２を流れる電流Ｉは、欠乏層の成長に伴って著しく減少する（図２参照）。
欠乏層が発生し始めると、ガラス台座２を流れる電流が減少して行くため、ガラス台座２中を１次接合面へ向かう可動イオンの移動速度ｖは電流の時間変化に伴い変化して行く。
即ち、ｖ＝ｆ（ｔ）と置いたとき、ｔ時間後の可動イオンの移動距離Ｄは、
となる。ガラスの厚みをｄ２と置くと、１次接合面に可動イオンを集積させないようにするためには、
ｄ２−Ｄ＞０ ・・・・（５）
即ち、
ｄ２−Ｄ＞０ ・・・・（５）
即ち、
を満たす条件で２度目の次陽極接合を実施する事で、可動イオンの集積しない陽極接合が可能となる。
また、１次陽極接合で可動イオンは１次接合面とは反対側に移動するため、２次陽極接合での移動距離が１次陽極接合での移動距離よりも小さければ、可動イオンの析出は発生しない。
ここで、１次陽極接合での可動イオンの移動距離をＤ１、２次陽極接合での可動イオンの移動距離をＤ２とおくと、
Ｄ１−Ｄ２＞０ ・・・・（７）
となる条件で陽極接合を行うと、可動イオンの析出は発生しない。
Ｄ１−Ｄ２＞０ ・・・・（７）
となる条件で陽極接合を行うと、可動イオンの析出は発生しない。
Ｄ１、Ｄ２はそれぞれ上記の（１），（２），（３），（４）式より、印加電圧Ｖ、可動イオンの移動度ｕに関係する接合温度Ｔに依存する事が分かる。
よって、１次陽極接合の印加電圧Ｖ１と接合温度Ｔ１とを１次陽極接合の接合条件、２次陽極接合の印加電圧Ｖ２と接合温度Ｔ２とを２次陽極接合条件とした場合、２次陽極接合条件が１次陽極接合条件よりも弱ければ、可動イオンの析出は起こらない。
なお、１次陽極接合での可動イオンの移動距離Ｄ１はＤ１≦ｄ２であるので、上述したｄ２−Ｄ＞０も同時に満たされることになる。
このような発明の原理に基づいて、本発明の実施の形態では、図１（ｂ）に示した２次陽極接合に際し、２次陽極接合条件を１次陽極接合条件よりも弱くする。
例えば、２次陽極接合の印加電圧Ｖ２および接合温度Ｔ２の何れか一方を１次陽極接合の印加電圧Ｖ１および接合温度Ｔ１よりも低くすることによって（Ｖ２＜Ｖ１あるいはＴ２＜Ｔ１）、１次陽極接合工程（図１（ａ））においてガラス台座２の陰極側に引き寄せられたガラス台座２中の可動イオンが２次陽極接合工程（図１（ｂ））においてガラス台座２とシリコンチューブ３との接合面に達する前に２次陽極接合工程が終了するようにする。
或いは、２次陽極接合の印加電圧Ｖ２および接合温度Ｔ２の両方を１次陽極接合の印加電圧Ｖ１および接合温度Ｔ１よりも低くすることによって（Ｖ２＜Ｖ１かつＴ２＜Ｔ１）、１次陽極接合工程（図１（ａ））においてガラス台座２の陰極側に引き寄せられたガラス台座２中の可動イオンが２次陽極接合工程（図１（ｂ））においてガラス台座２とシリコンチューブ３との接合面に達する前に２次陽極接合が終了するようにする。
これにより、センサチップ１とガラス台座２とシリコンチューブ３との三層構造において、すなわちシリコン−ガラス−シリコンの三層構造において、可動イオンの析出なく、それぞれを簡便に陽極接合することができるようなる。
また、１次陽極接合条件と２次陽極接合条件は、２次陽極接合が確実に行われるように、２次陽極接合条件を先に定めてから、１次陽極接合条件を定めるものとする。すなわち、良好な陽極接合が行われる２次陽極接合条件を先に定め、この２次陽極接合条件よりも強くなるように１次陽極接合条件を定めることにより、結果的に、２次陽極接合条件を１次陽極接合条件よりも弱くする。
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
１…センサチップ（シリコン基板）、２…ガラス基板、３…シリコンチューブ、４…ガラス台座・シリコンチューブ接合体、５…センサチップ・ガラス台座・シリコンチューブ接合体、１００…圧力センサ。
Claims (2)
- 第１のシリコン基板を陽極とし、ガラス基板を陰極として、前記第１のシリコン基板に前記ガラス基板の一方の面を陽極接合する１次陽極接合工程と、
前記１次陽極接合工程によって接合された前記第１のシリコン基板と前記ガラス基板との接合体を陰極とし、第２のシリコン基板を陽極として、前記ガラス基板の他方の面に前記第２のシリコン基板を陽極接合する２次陽極接合工程とを備え、
前記１次陽極接合工程において前記ガラス基板の陰極側に引き寄せられた前記ガラス基板中の可動イオンが前記２次陽極接合工程において前記ガラス基板と前記第１のシリコン基板との接合面に達する前に前記２次陽極接合工程が終了するように、前記２次陽極接合工程での印加電圧および接合温度の何れか一方を前記１次陽極接合工程での印加電圧および接合温度よりも低くする
ことを特徴とする三層基板の接合方法。 - 第１のシリコン基板を陽極とし、ガラス基板を陰極として、前記第１のシリコン基板に前記ガラス基板の一方の面を陽極接合する１次陽極接合工程と、
前記１次陽極接合工程によって接合された前記第１のシリコン基板と前記ガラス基板との接合体を陰極とし、第２のシリコン基板を陽極として、前記ガラス基板の他方の面に前記第２のシリコン基板を陽極接合する２次陽極接合工程とを備え、
前記１次陽極接合工程において前記ガラス基板の陰極側に引き寄せられた前記ガラス基板中の可動イオンが前記２次陽極接合工程において前記ガラス基板と前記第１のシリコン基板との接合面に達する前に前記２次陽極接合工程が終了するように、前記２次陽極接合工程での印加電圧および接合温度の両方を前記１次陽極接合工程での印加電圧および接合温度よりも低くする
ことを特徴とする三層基板の接合方法。
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