JP6415391B2 - 表面改質方法、プログラム、コンピュータ記憶媒体、表面改質装置及び接合システム - Google Patents

表面改質方法、プログラム、コンピュータ記憶媒体、表面改質装置及び接合システム Download PDF

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Description

本発明は、基板同士を接合する前に、表面改質装置において基板の接合される表面を改質する表面改質方法、プログラム、コンピュータ記憶媒体、表面改質装置及び接合システムに関する。
近年、半導体デバイスの高集積化が進んでいる。高集積化した複数の半導体デバイスを水平面内で配置し、これら半導体デバイスを配線で接続して製品化する場合、配線長が増大し、それにより配線の抵抗が大きくなること、また配線遅延が大きくなることが懸念される。
そこで、半導体デバイスを3次元に積層する3次元集積技術を用いることが提案されている。この3次元集積技術においては、例えば特許文献1に記載の接合システムを用いて、2枚の半導体基板(以下、「基板」という。)の接合が行われる。例えば接合システムは、基板の接合される表面を改質する表面改質装置(表面活性化装置)と、当該表面改質装置で改質された基板の表面を親水化する表面親水化装置と、当該表面親水化装置で表面が親水化された基板同士を接合する接合装置と、を有している。この接合システムでは、表面改質装置において基板の表面に対してプラズマ処理を行い当該表面を改質し、さらに表面親水化装置において基板の表面に純水を供給して当該表面を親水化した後、接合装置において基板同士をファンデルワールス力及び水素結合(分子間力)によって接合する。
上記表面改質装置は、処理容器内に対向して配置された下部電極と上部電極を有し、さらに処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構を有している。下部電極は第1の高周波電源に接続され、上部電極は第2の高周波電源に接続されている。かかる表面改質装置では、下部電極に基板を静電吸着させた後、ガス供給機構から処理ガスが供給される。そして、第1の高周波電源から下部電極に、例えば2MHzの高周波電圧が印加され、第2の高周波電源から上部電極に、例えば60MHzの高周波電圧が印加される。そうすると、下部電極と上部電極との間に電界が形成され、この電界によって処理容器の内部に供給された処理ガスがプラズマ化される。この処理ガスのプラズマを用いて基板の表面が改質される(特許文献1)。
特開2012−49266号公報
しかしながら、特許文献1に記載された表面改質装置を用いた場合、プラズマ処理時には、下部電極と上部電極の間における処理ガスのプラズマによって、処理容器内に露出した上部電極の下面が損傷を被るおそれがある。
ここで、接合される基板には、その上部に絶縁膜と金属部からなる処理膜が形成されている場合がある。そして、基板同士を接合する際には、絶縁膜同士が対応し、且つ、金属部同士が対応するように処理膜同士が接合される。かかる場合、基板同士を適切に接合するには、絶縁膜同士の接合強度を確保しつつ、金属部同士の導通を確保するため、各金属部の表面が酸化するのを抑制する必要がある。
しかしながら、特許文献1に記載された表面改質装置では、このように絶縁膜同士の接合強度を確保しつつ、金属部の酸化を抑制することまで考慮されておらず、接合処理に改善の余地があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、表面改質装置の損傷を抑制しつつ、当該表面改質装置において基板の表面を適切に改質することを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、基板同士を接合する前に、表面改質装置において基板の接合される表面を改質する表面改質方法であって、各基板には、絶縁膜と金属部からなる処理膜が形成されており、基板同士を接合する際には、前記絶縁膜同士が対応し、且つ、前記金属部同士が対応するように、前記処理膜同士が接合され、前記表面改質装置は、処理容器内に配置され、基板が載置される下部電極と、前記処理容器内において前記下部電極に対向して配置される上部電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、前記処理容器内を所定圧力まで減圧する減圧機構と、を有し、前記下部電極は電源に接続され、且つ、前記上部電極は接地され、前記表面改質方法では、前記ガス供給機構から前記処理容器内に処理ガスを供給し、前記減圧機構によって当該処理容器内を前記所定圧力に減圧した状態で、前記電源から前記下部電極に所定周波数の電圧を印加して前記処理ガスをプラズマ化し、当該処理ガスのプラズマを用いて前記処理膜の表面を改質し、前記所定周波数は前記所定圧力を調節して設定され、13MHz〜100MHzのいずれかであり、前記所定圧力を調節して、前記絶縁膜の接合強度と前記金属部の酸化膜の厚みを制御することを特徴としている。
かかる場合、前記所定周波数が13MHzの場合、前記所定圧力を大きくして、前記絶縁膜の接合強度を大きくし、且つ、前記金属部の酸化膜の厚みを小さくし、前記所定周波数が100MHzの場合、前記所定圧力を小さくして、前記絶縁膜の接合強度を大きくし、且つ、前記金属部の酸化膜の厚みを小さくしてもよい。
本発明によれば、処理ガスのプラズマを用いて基板の表面を改質する際、上部電極は接地され、すなわちグランド電位に接続されているため、上部電極の下面(処理容器内部側の面)の損傷を抑制することができる。このため、上部電極の寿命を伸ばすことができる。また、このように損傷を抑制することで、パーティクルを軽減でき、製品の歩留まりを向上させることもできる。
また、電源から下部電極に電圧を印加することによって、処理容器の内部に供給された処理ガスがプラズマ化され、当該処理ガスのプラズマを用いて基板の表面が適切に改質される。
特に上述した絶縁膜と金属部からなる処理膜同士を接合する場合においては、発明者らが鋭意検討したところ、処理容器内の所定圧力を調節すれば、絶縁膜同士の接合強度を確保しつつ、金属部の酸化を抑制することができること分かった。すなわち、処理容器内の所定圧力を調節して、電源から下部電極に印加される電圧の所定周波数を設定することで、基板の表面を適切に改質して、基板同士を適切に接合することができる。なお、このように基板の表面を適切に改質するために調節すべきパラメータが、処理容器内の所定圧力である理由については、後述する実施の形態において説明する。
前記処理容器に基板を搬入及び搬出する際には、当該処理容器内を大気圧に開放してもよい。
別な観点による本発明によれば、前記表面改質方法を表面改質装置によって実行させるように、当該表面改質装置を制御する制御部のコンピュータ上で動作するプログラムが提供される。
また別な観点による本発明によれば、前記プログラムを格納した読み取り可能なコンピュータ記憶媒体が提供される。
さらに別な観点による本発明は、基板同士を接合する前に、当該基板の接合される表面を処理ガスのプラズマによって改質する表面改質装置であって、各基板には、絶縁膜と金属部からなる処理膜が形成されており、基板同士を接合する際には、前記絶縁膜同士が対応し、且つ、前記金属部同士が対応するように、前記処理膜同士が接合され、前記表面改質装置は、前記処理膜の表面を改質し、処理容器内に配置され、基板が載置される下部電極と、前記処理容器内において前記下部電極に対向して配置される上部電極と、前記処理容器内に前記処理ガスを供給するガス供給機構と、前記処理容器内を所定圧力まで減圧する減圧機構と、前記処理容器内の圧力を制御する制御部と、を有し、前記下部電極は、プラズマ生成用の所定周波数の電圧を印加するための電源に接続され、前記上部電極は接地され、前記所定周波数は、13MHz〜100MHzのいずれかであり、前記制御部は、前記所定圧力を調節して、前記絶縁膜の接合強度と前記金属部の酸化膜の厚みを制御するように、前記ガス供給機構と前記減圧機構を制御することを特徴としている。
かかる場合、前記制御部は、前記所定周波数が13MHzの場合、前記所定圧力を大きくして、前記絶縁膜の接合強度を大きくし、且つ、前記金属部の酸化膜の厚みを小さくし、前記所定周波数が100MHzの場合、前記所定圧力を小さくして、前記絶縁膜の接合強度を大きくし、且つ、前記金属部の酸化膜の厚みを小さくするように制御するように、前記ガス供給機構と前記減圧機構を制御してもよい。
記制御部は、前記処理容器に基板を搬入及び搬出する際には、当該処理容器内を大気圧に開放し、前記処理容器内を密閉し前記処理ガスのプラズマを用いて基板の表面を改質する際には、当該処理容器内を前記所定圧力まで減圧させるように、前記ガス供給機構と前記減圧機構を制御してもよい。
また別な観点による本発明は、前記表面改質装置を備えた接合システムであって、前記表面改質装置を備えた処理ステーションと、基板又は基板同士が接合された重合基板をそれぞれ複数保有可能で、且つ前記処理ステーションに対して基板又は重合基板を搬入出する搬入出ステーションと、を備え、前記処理ステーションは、前記表面改質装置で改質された基板の表面を親水化する表面親水化装置と、前記表面親水化装置で表面が親水化された基板同士を接合する接合装置と、前記表面改質装置、前記表面親水化装置及び前記接合装置に対して、基板又は重合基板を搬送するための搬送装置と、を有することを特徴としている。
本発明によれば、表面改質装置の損傷を抑制しつつ、当該表面改質装置において基板の表面を適切に改質することができ、さらに基板同士を適切に接合することができる。
本実施の形態にかかる接合システムの構成の概略を示す平面図である。 本実施の形態にかかる接合システムの内部構成の概略を示す側面図である。 上側基板と下側基板の構成の概略を示す側面図である。 表面改質装置の構成の概略を示す縦断面図である。 下部電極の平面図である。 接合装置の構成の概略を示す横断面図である。 接合装置の構成の概略を示す縦断面図である。 上チャック、チャック保持部、及び下チャックの構成の概略を示す縦断面図である。 基板接合処理の主な工程を示すフローチャートである。 上側基板の中心部と下側基板の中心部を押圧して当接させる様子を示す説明図である。 下部電極に印加される高周波電圧の周波数が13MHzの場合において、表面改質処理の処理条件を変化させた際の、絶縁膜の接合強度と金属部の酸化膜の厚みの変化を示したグラフである。 下部電極に印加される高周波電圧の周波数が100MHzの場合において、表面改質処理の処理条件を変化させた際の、絶縁膜の接合強度と金属部の酸化膜の厚みの変化を示したグラフである。
以下、本発明の実施の形態について説明する。図1は、本実施の形態にかかる接合システム1の構成の概略を示す平面図である。図2は、接合システム1の内部構成の概略を示す側面図である。
接合システム1では、図3に示すように2枚の基板S、Sを接合する。以下、上側に配置される基板を「上側基板S」といい、下側に配置される基板を「下側基板S」という。
上側基板Sと下側基板Sは同様の構成を有している。すなわち、基板S、Sはそれぞれ、例えばシリコンウェハや化合物半導体ウェハなどのウェハW、W上に処理膜F、Fが形成された基板である。処理膜F、Fはそれぞれ、絶縁膜D、Dに金属部M、Mが貫通して設けられた構成を有している。絶縁膜D、Dには例えばシリコン単窒化膜(SiCN膜)が用いられ、金属部M、Mには例えば銅(Cu)が用いられる。以下、基板S、Sにおいて、接合される面を表面SU1、SL1といい、表面SU1、SL1は、処理膜F、FにおいてウェハW、Wと反対側の面である。また、表面SU1、SL1の反対側の面を裏面SU2、SL2といい、裏面SU2、SL2は、ウェハW、Wにおいて処理膜F、Fと反対側の面である。
そして、接合システム1では、上側基板Sと下側基板Sを接合して、重合基板Sを形成する。この際、絶縁膜D、D同士が対応し、且つ、金属部M、M同士が対応するように、処理膜F、F同士が接合される。
接合システム1は、図1に示すように例えば外部との間で複数の基板S、S、複数の重合基板Sをそれぞれ収容可能なカセットC、C、Cが搬入出される搬入出ステーション2と、基板S、S、重合基板Sに対して所定の処理を施す各種処理装置を備えた処理ステーション3とを一体に接続した構成を有している。
搬入出ステーション2には、カセット載置台10が設けられている。カセット載置台10には、複数、例えば4つのカセット載置板11が設けられている。カセット載置板11は、水平方向のX方向(図1中の上下方向)に一列に並べて配置されている。これらのカセット載置板11には、接合システム1の外部に対してカセットC、C、Cを搬入出する際に、カセットC、C、Cを載置することができる。このように、搬入出ステーション2は、複数の上側基板S、複数の下側基板S、複数の重合基板Sを保有可能に構成されている。なお、カセット載置板11の個数は、本実施の形態に限定されず、任意に設定することができる。また、カセットの1つを異常基板の回収用として用いてもよい。すなわち、種々の要因で上側基板Sと下側基板Sとの接合に異常が生じた基板を、他の正常な重合基板Sと分離することができるカセットである。本実施の形態においては、複数のカセットCのうち、1つのカセットCを異常基板の回収用として用い、他のカセットCを正常な重合基板Sの収容用として用いている。
搬入出ステーション2には、カセット載置台10に隣接して基板搬送部20が設けられている。基板搬送部20には、X方向に延伸する搬送路21上を移動自在な基板搬送装置22が設けられている。基板搬送装置22は、鉛直方向及び鉛直軸周り(θ方向)にも移動自在であり、各カセット載置板11上のカセットC、C、Cと、後述する処理ステーション3の第3の処理ブロックG3のトランジション装置50、51との間で基板S、S、重合基板Sを搬送できる。
処理ステーション3には、各種装置を備えた複数例えば3つの処理ブロックG1、G2、G3が設けられている。例えば処理ステーション3の正面側(図1のX方向負方向側)には、第1の処理ブロックG1が設けられ、処理ステーション3の背面側(図1のX方向正方向側)には、第2の処理ブロックG2が設けられている。また、処理ステーション3の搬入出ステーション2側(図1のY方向負方向側)には、第3の処理ブロックG3が設けられている。
例えば第1の処理ブロックG1には、基板S、Sの表面SU1、SL1を改質する表面改質装置30が配置されている。表面改質装置30では、例えば減圧雰囲気下において処理ガスがプラズマ化され、この処理ガスのプラズマによって表面SU1、SL1が改質される。なお、表面改質装置30の構成については後述する。
例えば第2の処理ブロックG2には、例えば純水によって基板S、Sの表面SU1、SL1を親水化すると共に当該表面SU1、SL1を洗浄する表面親水化装置40、基板S、Sを接合する接合装置41が、搬入出ステーション2側からこの順で水平方向のY方向に並べて配置されている。なお、表面親水化装置40、接合装置41の数や配置は本実施の形態に限定されず、任意に設定できる。
表面親水化装置40では、例えばスピンチャックに保持された基板S、Sを回転させながら、当該基板S、S上に純水を供給する。そうすると、供給された純水は基板S、Sの表面SU1、SL1上を拡散し、表面SU1、SL1が親水化される。
なお、接合装置41の構成については後述する。
例えば第3の処理ブロックG3には、図2に示すように基板S、S、重合基板Sのトランジション装置50、51が下から順に2段に設けられている。
図1に示すように第1の処理ブロックG1〜第3の処理ブロックG3に囲まれた領域には、基板搬送領域60が形成されている。基板搬送領域60には、例えば基板搬送装置61が配置されている。
基板搬送装置61は、例えば鉛直方向、水平方向(Y方向、X方向)及び鉛直軸周りに移動自在な搬送アームを有している。基板搬送装置61は、基板搬送領域60内を移動し、周囲の第1の処理ブロックG1、第2の処理ブロックG2及び第3の処理ブロックG3内の所定の装置に基板S、S、重合基板Sを搬送できる。
以上の接合システム1には、図1に示すように制御部70が設けられている。制御部70は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部(図示せず)を有している。プログラム格納部には、接合システム1における基板S、S、重合基板Sの処理を制御するプログラムが格納されている。また、プログラム格納部には、上述の各種処理装置や搬送装置などの駆動系の動作を制御して、接合システム1における後述の基板接合処理を実現させるためのプログラムも格納されている。なお、前記プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク(HD)、フレキシブルディスク(FD)、コンパクトディスク(CD)、マグネットオプティカルデスク(MO)、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体Hに記録されていたものであって、その記憶媒体Hから制御部70にインストールされたものであってもよい。
なお、接合システム1の外部には、重合基板Sを熱処理する熱処理装置(図示せず)が設けられている。熱処理装置は種々の構成が取り得るが、例えば重合基板Sを加熱処理する加熱部と、重合基板Sを温度調節する温度調節部を有している。熱処理装置では、先ず、加熱部によって重合基板Sが所定の温度まで加熱された後、温度調節部によって所定の温度、例えば常温(25℃)に調節される。
次に、上述した表面改質装置30の構成について説明する。表面改質装置30は、図4に示すように内部を密閉可能な処理容器100を有している。処理容器100の基板搬送領域60側の側面には、基板S、Sの搬入出口101が形成され、当該搬入出口101にはゲートバルブ102が設けられている。
処理容器100の内部には、基板S、Sを載置させるための下部電極110が設けられている。下部電極110は、例えばアルミニウムなどの導電性材料で構成される。下部電極110の下方には、例えばモータなどを備えた駆動部111が設けられている。この駆動部111により、下部電極110は昇降自在になっている。
下部電極110の上部は、基板S、Sを載置する載置部120に構成されている。
下部電極110の上面の周囲には、図5に示すように下部電極110の上面に載置された基板S、Sの外周を囲むように、環状のフォーカスリング121が配置されている。フォーカスリング121は、反応性イオンを引き寄せない絶縁性または導電性の材料、例えば石英からなり、反応性イオンを、内側の基板S、Sにだけ効果的に入射せしめるように作用する。すなわち、このフォーカスリング121によって、反応性イオンの均一性が最適化される。
図4に示すように下部電極110と処理容器100の側壁との間には、例えばアルミニウムからなるシャッタ130が設けられている。シャッタ130は、処理容器100の内部において、下部電極110と後述する上部電極140との間を電気的に遮蔽してプラズマ領域を形成するために設けられる。
また、下部電極110と処理容器100の側壁との間において、シャッタ130の下方には、複数のバッフル孔が設けられた排気板131が配置されている。排気板131は、側面視において、処理容器100側から下部電極110側に向けて下方に傾斜している。排気板131は、例えばアルミニウムからなる。この排気板131により、処理容器100内の雰囲気が処理容器100内から均一に排気される。また、この排気板131により、プラズマを生成する領域(下部電極110と上部電極140の間の領域)とプラズマ生成しない領域(下部電極110より下方の領域)の間に圧力差が設けられ、上記プラズマを生成する領域のみにプラズマが生成される。
下部電極110の下面には、中空に成形された導体よりなる給電棒132が接続されている。給電棒132には、例えばブロッキングコンデンサなどから成る整合器133を介して、高周波電源134が接続されている。プラズマ処理時には、高周波電源134から、所定周波数、例えば13MHz〜100MHzのいずれかの高周波電圧が、下部電極110に印加される。なお、この所定周波数の設定方法については後述する。
なお、下部電極110に高周波電圧を印加する高周波電源134は、上述した制御部70によって制御される。
下部電極110の上方には、上部電極140が配置されている。下部電極110の上面と上部電極140の下面は、互いに平行に、所定の間隔をあけて対向して配置されている。下部電極110の上面と上部電極140の下面の間隔は、駆動部111により調整される。上部電極140は、例えばアルミニウムなどの導電性材料で構成される。
上部電極140は接地され、グランド電位に接続されている。このように上部電極140が接地されているため、プラズマ処理中、上部電極140の下面の損傷を抑制することができる。
また、上部電極140の下面の面積は、下部電極110の上面の面積より大きい。ここで、下部電極110の上面の面積をA1、下部電極110の自己バイアス電位をVdc1とし、上部電極140の下面の面積をA2、上部電極140の自己バイアス電位をVdc2とすると、下記式(1)が成立する。
Vdc1/Vdc2=(A2/A1) ・・・(1)
上記式(1)によれば、本実施の形態のように下部電極110に対して上部電極140の面積を大きくした場合、基板S、Sに対して十分な自己バイアス電位Vdcをとることができる。そうすると、プラズマ処理を適切に行うことができる。また、上部電極140のVdcを小さくできるので、当該上部電極の10の下面の損傷をさらに抑制することができる。
なお、上部電極140と下部電極110の間において、処理容器100の側壁と排気板131も接地され、グランド電位に接続されている。このため、これら処理容器100の側壁と排気板131の損傷も抑制することができる。特に排気板131は、側面視において処理容器100側から下部電極110側に向けて下方に傾斜しており、その表面積が大きいため、当該排気板131の損傷をさらに抑制することができる。
上部電極140の下面には、例えば石英からなる上部電極カバー141が設けられている。この上部電極カバー141によって、プラズマ処理中、上部電極140の下面の損傷をさらに抑制することができる。
上部電極140の内部には中空部150が形成されている。中空部150には、ガス供給管151が接続されている。ガス供給管151は、内部に処理ガスを貯留するガス供給源152に連通している。また、ガス供給管151には、処理ガスの流れを制御するバルブや流量調節部等を含む供給機器群153が設けられている。そして、ガス供給源152から供給された処理ガスは、供給機器群153で流量制御され、ガス供給管151を介して、上部電極140の中空部150に導入される。なお、処理ガスには、例えば酸素ガスや窒素ガス等が用いられる。
中空部150の内部には、処理ガスの均一拡散を促進するためのバッフル板154が設けられている。バッフル板154には、多数の小孔が設けられている。上部電極カバー141の下面には、上部電極140の中空部150から処理容器100の内部に処理ガスを噴出させる多数のガス噴出口155が形成されている。なお、本実施の形態においては、これら中空部150、ガス供給管151、ガス供給源152、供給機器群153、バッフル板154及びガス噴出口155が、ガス供給機構を構成している。
処理容器100の下方には、吸気口160が形成されている。吸気口160には、処理容器100の内部の雰囲気を所定圧力まで減圧する真空ポンプ161に連通する吸気管162が接続されている。なお、本実施の形態においては、これら吸気口160、真空ポンプ161及び吸気管162が、減圧機構を構成している。
下部電極110の下方には、基板S、Sを下方から支持し昇降させるための昇降ピン(図示せず)が設けられている。昇降ピンは、下部電極110に形成された貫通孔(図示せず)を挿通し、下部電極110の上面から突出可能になっている。
なお、表面改質装置30における各部の動作は、上述した制御部70によって制御される。
次に、上述した接合装置41の構成について説明する。接合装置41は、図6に示すように内部を密閉可能な処理容器200を有している。処理容器200の基板搬送領域60側の側面には、基板S、S、重合基板Sの搬入出口201が形成され、当該搬入出口201には開閉シャッタ202が設けられている。
処理容器200の内部は、内壁203によって、搬送領域T1と処理領域T2に区画されている。上述した搬入出口201は、搬送領域T1における処理容器200の側面に形成されている。また、内壁203にも、基板S、S、重合基板Sの搬入出口204が形成されている。
搬送領域T1のX方向正方向側には、基板S、S、重合基板Sを一時的に載置するためのトランジション210が設けられている。トランジション210は、例えば2段に形成され、基板S、S、重合基板Sのいずれか2つを同時に載置することができる。
搬送領域T1には、基板搬送機構211が設けられている。基板搬送機構211は、図6及び図7に示すように例えば鉛直方向、水平方向(Y方向、X方向)及び鉛直軸周りに移動自在な搬送アームを有している。そして、基板搬送機構211は、搬送領域T1内、又は搬送領域T1と処理領域T2との間で基板S、S、重合基板Sを搬送できる。
搬送領域T1のX方向負方向側には、基板S、Sの水平方向の向きを調節する位置調節機構220が設けられている。位置調節機構220は、基板S、Sを保持して回転させる保持部(図示せず)を備えた基台221と、基板S、Sのノッチ部の位置を検出する検出部222と、を有している。そして、位置調節機構220では、基台221に保持された基板S、Sを回転させながら検出部222で基板S、Sのノッチ部の位置を検出することで、当該ノッチ部の位置を調節して基板S、Sの水平方向の向きを調節している。なお、基台221において基板S、Sを保持する構造は特に限定されるものではなく、例えばピンチャック構造やスピンチャック構造など、種々の構造が用いられる。
また、搬送領域T1には、上側基板Sの表裏面を反転させる反転機構230が設けられている。反転機構230は、上側基板Sを保持する保持アーム231を有している。保持アーム231は、水平方向(Y方向)に延伸している。また保持アーム231には、上側基板Sを保持する保持部材232が例えば4箇所に設けられている。
保持アーム231は、例えばモータなどを備えた駆動部233に支持されている。この駆動部233によって、保持アーム231は水平軸周りに回動自在である。また保持アーム231は、駆動部233を中心に回動自在であると共に、水平方向(Y方向)に移動自在である。駆動部233の下方には、例えばモータなどを備えた他の駆動部(図示せず)が設けられている。この他の駆動部によって、駆動部233は鉛直方向に延伸する支持柱234に沿って鉛直方向に移動できる。このように駆動部233によって、保持部材232に保持された上側基板Sは、水平軸周りに回動できると共に鉛直方向及び水平方向に移動できる。また、保持部材232に保持された上側基板Sは、駆動部233を中心に回動して、位置調節機構220から後述する上チャック240との間を移動できる。
処理領域T2には、上側基板Sを下面で吸着保持する上チャック240と、下側基板Sを上面で載置して吸着保持する下チャック241とが設けられている。下チャック241は、上チャック240の下方に設けられ、上チャック240と対向配置可能に構成されている。すなわち、上チャック240に保持された上側基板Sと下チャック241に保持された下側基板Sは対向して配置可能となっている。
上チャック240は、当該上チャック240の上方に設けられた上チャック保持部250に保持されている。上チャック保持部250は、処理容器200の天井面に設けられている。すなわち、上チャック240は、上チャック保持部250を介して処理容器200に固定されて設けられている。
上チャック保持部250には、下チャック241に保持された下側基板Sの表面SL1を撮像する上部撮像部251が設けられている。すなわち、上部撮像部251は上チャック240に隣接して設けられている。上部撮像部251には、例えばCCDカメラが用いられる。
下チャック241は、当該下チャック241の下方に設けられた第1の下チャック移動部260に支持されている。第1の下チャック移動部260は、後述するように下チャック241を水平方向(Y方向)に移動させるように構成されている。また、第1の下チャック移動部260は、下チャック241を鉛直方向に移動自在、且つ鉛直軸回りに回転可能に構成されている。
第1の下チャック移動部260には、上チャック240に保持された上側基板Sの表面SU1を撮像する下部撮像部261が設けられている。すなわち、下部撮像部261は下チャック241に隣接して設けられている。下部撮像部261には、例えばCCDカメラが用いられる。
第1の下チャック移動部260は、当該第1の下チャック移動部260の下面側に設けられ、水平方向(Y方向)に延伸する一対のレール262、262に取り付けられている。そして、第1の下チャック移動部260は、レール262に沿って移動自在に構成されている。
一対のレール262、262は、第2の下チャック移動部263に配設されている。第2の下チャック移動部263は、当該第2の下チャック移動部263の下面側に設けられ、水平方向(X方向)に延伸する一対のレール264、264に取り付けられている。そして、第2の下チャック移動部263は、レール264に沿って移動自在に構成され、すなわち下チャック241を水平方向(X方向)に移動させるように構成されている。なお、一対のレール264、264は、処理容器200の底面に設けられた載置台265上に配設されている。
次に、接合装置41の上チャック240と上チャック保持部250の詳細な構成について説明する。
上チャック240には、図8に示すようにピンチャック方式が採用されている。上チャック240は、平面視において上側基板Sの径以上の径を有する本体部270を有している。本体部270の下面には、上側基板Sの裏面SU2に接触する複数のピン271が設けられている。また、本体部270の下面の外周部には、ピン271と同じ高さを有し、上側基板Sの裏面SU2の外周部を支持する外側リブ272が設けられている。外側リブ272は、複数のピン271の外側に環状に設けられている。
また、本体部270の下面には、外側リブ272の内側において、ピン271と同じ高さを有し、上側基板Sの裏面SU2を支持する内側リブ273が設けられている。内側リブ273は、外側リブ272と同心円状に環状に設けられている。そして、外側リブ272の内側の領域274(以下、吸引領域274という場合がある。)は、内側リブ273の内側の第1の吸引領域274aと、内側リブ273の外側の第2の吸引領域274bとに区画されている。
本体部270の下面には、第1の吸引領域274aにおいて、上側基板Sを真空引きするための第1の吸引口275aが形成されている。第1の吸引口275aは、例えば第1の吸引領域274aにおいて4箇所に形成されている。第1の吸引口275aには、本体部270の内部に設けられた第1の吸引管276aが接続されている。さらに第1の吸引管276aには、第1の真空ポンプ277aが接続されている。
また、本体部270の下面には、第2の吸引領域274bにおいて、上側基板Sを真空引きするための第2の吸引口275bが形成されている。第2の吸引口275bは、例えば第2の吸引領域274bにおいて2箇所に形成されている。第2の吸引口275bには、本体部270の内部に設けられた第2の吸引管276bが接続されている。さらに第2の吸引管276bには、第2の真空ポンプ277bが接続されている。
そして、上側基板S、本体部270及び外側リブ272に囲まれて形成された吸引領域274a、274bをそれぞれ吸引口275a、275bから真空引きし、吸引領域274a、274bを減圧する。このとき、吸引領域274a、274bの外部の雰囲気が大気圧であるため、上側基板Sは減圧された分だけ大気圧によって吸引領域274a、274b側に押され、上チャック240に上側基板Sが吸着保持される。また、上チャック240は、第1の吸引領域274aと第2の吸引領域274b毎に上側基板Sを真空引き可能に構成されている。
かかる場合、外側リブ272が上側基板Sの裏面SU2の外周部を支持するので、上側基板Sはその外周部まで適切に真空引きされる。このため、上チャック240に上側基板Sの全面が吸着保持され、当該上側基板Sの平面度を小さくして、上側基板Sを平坦にすることができる。
しかも、複数のピン271の高さが均一なので、上チャック240の下面の平面度をさらに小さくすることができる。このように上チャック240の下面を平坦にして(下面の平面度を小さくして)、上チャック240に保持された上側基板Sの鉛直方向の歪みを抑制することができる。
また、上側基板Sの裏面SU2は複数のピン271に支持されているので、上チャック240による上側基板Sの真空引きを解除する際、当該上側基板Sが上チャック240から剥がれ易くなる。
上チャック240において、本体部270の中心部には、当該本体部270を厚み方向に貫通する貫通孔278が形成されている。この本体部270の中心部は、上チャック240に吸着保持される上側基板Sの中心部に対応している。そして貫通孔278には、後述する押動部材290におけるアクチュエータ部291の先端部が挿通するようになっている。
上チャック保持部250は、図7に示すように上チャック240の本体部270の上面に設けられた支持部材280を有している。支持部材280は、平面視において少なくとも本体部270の上面を覆うように設けられ、且つ本体部270に対して例えばネジ止めによって固定されている。支持部材280は、処理容器200の天井面に設けられた複数の支持柱281に支持されている。
支持部材280の上面には、図8に示すように上側基板Sの中心部を押圧する押動部材290がさらに設けられている。押動部材290は、アクチュエータ部291とシリンダ部292とを有している。
アクチュエータ部291は、電空レギュレータ(図示せず)から供給される空気により一定方向に一定の圧力を発生させるもので、圧力の作用点の位置によらず当該圧力を一定に発生させることができる。そして、電空レギュレータからの空気によって、アクチュエータ部291は、上側基板Sの中心部と当接して当該上側基板Sの中心部にかかる押圧荷重を制御することができる。また、アクチュエータ部291の先端部は、電空レギュレータからの空気によって、貫通孔278を挿通して鉛直方向に昇降自在になっている。
アクチュエータ部291は、シリンダ部292に支持されている。シリンダ部292は、例えばモータを内蔵した駆動部によってアクチュエータ部291を鉛直方向に移動させることができる。
以上のように押動部材290は、アクチュエータ部291によって押圧荷重の制御をし、シリンダ部292によってアクチュエータ部291の移動の制御をしている。そして、押動部材290は、後述する基板S、Sの接合時に、上側基板Sの中心部と下側基板Sの中心部とを当接させて押圧することができる。
次に、接合装置41の下チャック241の詳細な構成について説明する。
下チャック241には、図8に示すように上チャック240と同様にピンチャック方式が採用されている。下チャック241は、平面視において下側基板Sの径以上の径を有する本体部300を有している。本体部300の上面には、下側基板Sの裏面SL2に接触する複数のピン301が設けられている。また、本体部300の上面の外周部には、ピン301と同じ高さを有し、下側基板Sの裏面SL2の外周部を支持する外側リブ302が設けられている。外側リブ302は、複数のピン301の外側に環状に設けられている。
また、本体部300の上面には、外側リブ302の内側において、ピン301と同じ高さを有し、下側基板Sの裏面SL2を支持する内側リブ303が設けられている。内側リブ303は、外側リブ302と同心円状に環状に設けられている。そして、外側リブ302の内側の領域304(以下、吸引領域304という場合がある。)は、内側リブ303の内側の第1の吸引領域304aと、内側リブ303の外側の第2の吸引領域304bとに区画されている。
本体部300の上面には、第1の吸引領域304aにおいて、下側基板Sを真空引きするための第1の吸引口305aが形成されている。第1の吸引口305aは、例えば第1の吸引領域304aにおいて1箇所に形成されている。第1の吸引口305aには、本体部300の内部に設けられた第1の吸引管306aが接続されている。さらに第1の吸引管306aには、第1の真空ポンプ307aが接続されている。
また、本体部300の上面には、第2の吸引領域304bにおいて、下側基板Sを真空引きするための第2の吸引口305bが形成されている。第2の吸引口305bは、例えば第2の吸引領域304bにおいて2箇所に形成されている。第2の吸引口305bには、本体部300の内部に設けられた第2の吸引管306bが接続されている。さらに第2の吸引管306bには、第2の真空ポンプ307bが接続されている。
そして、下側基板S、本体部300及び外側リブ302に囲まれて形成された吸引領域304a、304bをそれぞれ吸引口305a、305bから真空引きし、吸引領域304a、304bを減圧する。このとき、吸引領域304a、304bの外部の雰囲気が大気圧であるため、下側基板Sは減圧された分だけ大気圧によって吸引領域304a、304b側に押され、下チャック241に下側基板Sが吸着保持される。また、下チャック241は、第1の吸引領域304aと第2の吸引領域304b毎に下側基板Sを真空引き可能に構成されている。
かかる場合、外側リブ302が下側基板Sの裏面SL2の外周部を支持するので、下側基板Sはその外周部まで適切に真空引きされる。このため、下チャック241に下側基板Sの全面が吸着保持され、当該下側基板Sの平面度を小さくして、下側基板Sを平坦にすることができる。
しかも、複数のピン301の高さが均一なので、下チャック241の上面の平面度をさらに小さくすることができる。このように下チャック241の上面を平坦にして(上面の平坦度を小さくして)、下チャック241に保持された下側基板Sの鉛直方向の歪みを抑制することができる。
また、下側基板Sの裏面SL2は複数のピン301に支持されているので下チャック241による下側基板Sの真空引きを解除する際、当該下側基板Sが下チャック241から剥がれ易くなる。
下チャック241において、本体部300の中心部付近には、当該本体部300を厚み方向に貫通する貫通孔(図示せず)が例えば3箇所に形成されている。そして貫通孔には、第1の下チャック移動部260の下方に設けられた昇降ピンが挿通するようになっている。
本体部300の外周部には、基板S、S、重合基板Sが下チャック241から飛び出したり、滑落するのを防止するガイド部材(図示せず)が設けられている。ガイド部材は、本体部300の外周部に複数個所、例えば4箇所に等間隔に設けられている。
なお、接合装置41における各部の動作は、上述した制御部70によって制御される。
次に、以上のように構成された接合システム1及び熱処理装置を用いて行われる基板S、Sの接合処理方法について説明する。図9は、かかる基板接合処理の主な工程の例を示すフローチャートである。
先ず、複数枚の上側基板Sを収容したカセットC、複数枚の下側基板Sを収容したカセットC、及び空のカセットCが、搬入出ステーション2の所定のカセット載置板11に載置される。その後、基板搬送装置22によりカセットC内の上側基板Sが取り出され、処理ステーション3の第3の処理ブロックG3のトランジション装置50に搬送される。
次に上側基板Sは、基板搬送装置61によって第1の処理ブロックG1の表面改質装置30に搬送される。このとき、ゲートバルブ102とシャッタ130が開かれており、処理容器100内が大気圧に開放されている。上側基板Sは表面改質装置30に搬入されると、基板搬送装置61から、予め上昇していた昇降ピンに受け渡される。その後、基板搬送装置61が表面改質装置30から退出し、ゲートバルブ102とシャッタ130が閉じられる。
その後、上側基板Sを昇降ピンで保持した状態で、真空ポンプ161を作動させ、吸気口160を介して処理容器100の内部の雰囲気が所定圧力、例えば2.6Pa(20mTorr)まで減圧される。続いて、昇降ピンが下降し、上側基板Sが下部電極110の上面に載置される。大気圧下で上側基板Sを下部電極110の上面に載置しようとすると、当該上側基板Sが水平方向にずれるおそれがあるため、このように所定圧力まで減圧された後に上側基板Sが下部電極110に載置される。そして、後述するように上側基板Sを処理中、処理容器100内の雰囲気は上記所定圧力に維持される。
その後、ガス供給源152から供給された処理ガスが、上部電極140の下面のガス噴出口155から、処理容器100の内部に均一に供給される。そして、高周波電源134から下部電極110に、例えば13MHz〜100MHzのいずれかのの高周波電圧が印加される。そうすると、上部電極140と下部電極110との間に電界が形成され、この電界によって処理容器100の内部に供給された処理ガスがプラズマ化される。
この処理ガスのプラズマによって、下部電極110上の上側基板Sの表面SU1が改質される。具体的には、酸素プラズマや窒素プラズマによりダングリングボンドが形成され、上側基板Sの処理膜F、Fの表面が改質される(図9の工程S1)。
上側基板Sの表面SU1が改質されると、処理容器100内への処理ガスの供給を停止すると共に、高周波電源134から下部電極110への高周波電圧の印加を停止する。
その後、真空ポンプ161を停止し、処理容器100内の減圧を停止する。続いて、ゲートバルブ102とシャッタ130が開けられた後、すなわち処理容器100内が大気圧に開放された後、昇降ピンを上昇させ下部電極110から基板搬送装置61に上側基板Sが受け渡されて、処理容器100から搬出される。
次に上側基板Sは、基板搬送装置61によって第2の処理ブロックG2の表面親水化装置40に搬送される。表面親水化装置40では、スピンチャックに保持された上側基板Sを回転させながら、当該上側基板S上に純水を供給する。そうすると、供給された純水は上側基板Sの表面SU1上を拡散し、表面改質装置30において改質された上側基板Sの表面SU1に水酸基(シラノール基)が付着して当該表面SU1が親水化される。また、当該純水によって、上側基板Sの表面SU1が洗浄される(図9の工程S2)。
次に上側基板Sは、基板搬送装置61によって第2の処理ブロックG2の接合装置41に搬送される。接合装置41に搬入された上側基板Sは、トランジション210を介して基板搬送機構211により位置調節機構220に搬送される。そして位置調節機構220によって、上側基板Sの水平方向の向きが調節される(図9の工程S3)。
その後、位置調節機構220から反転機構230の保持アーム231に上側基板Sが受け渡される。続いて搬送領域T1において、保持アーム231を反転させることにより、上側基板Sの表裏面が反転される(図9の工程S4)。すなわち、上側基板Sの表面SU1が下方に向けられる。
その後、反転機構230の保持アーム231が、駆動部233を中心に回動して上チャック240の下方に移動する。そして、反転機構230から上チャック240に上側基板Sが受け渡される。上側基板Sは、上チャック240にその裏面SU2が吸着保持される(図9の工程S5)。具体的には、真空ポンプ277a、277bを作動させ、吸引領域274a、274bにおいて吸引口275a、275bを介して上側基板Sを真空引きし、上側基板Sが上チャック240に吸着保持される。
上側基板Sに上述した工程S1〜S5の処理が行われている間、当該上側基板Sに続いて下側基板Sの処理が行われる。先ず、基板搬送装置22によりカセットC内の下側基板Sが取り出され、処理ステーション3のトランジション装置50に搬送される。
次に下側基板Sは、基板搬送装置61によって表面改質装置30に搬送され、下側基板Sの表面SL1が改質される(図9の工程S6)。なお、工程S6における下側基板Sの表面SL1の改質は、上述した工程S1と同様である。
その後、下側基板Sは、基板搬送装置61によって表面親水化装置40に搬送され、下側基板Sの表面SL1が親水化される共に当該表面SL1が洗浄される(図9の工程S7)。なお、工程S7における下側基板Sの表面SL1の親水化及び洗浄は、上述した工程S2と同様である。
その後、下側基板Sは、基板搬送装置61によって接合装置41に搬送される。接合装置41に搬入された下側基板Sは、トランジション210を介して基板搬送機構211により位置調節機構220に搬送される。そして位置調節機構220によって、下側基板Sの水平方向の向きが調節される(図9の工程S8)。
その後、下側基板Sは、基板搬送機構211によって下チャック241に搬送され、下チャック241にその裏面SL2が吸着保持される(図9の工程S9)。具体的には、真空ポンプ307a、307bを作動させ、吸引領域304a、304bにおいて吸引口305a、305bを介して下側基板Sを真空引きし、下側基板Sが下チャック241に吸着保持される。
次に、上チャック240に保持された上側基板Sと下チャック241に保持された下側基板Sとの水平方向の位置調節を行う。具体的には、第1の下チャック移動部260と第2の下チャック移動部263によって下チャック241を水平方向(X方向及びY方向)に移動させ、上部撮像部251を用いて、下側基板Sの表面SL1上の予め定められた基準点を順次撮像する。同時に、下部撮像部261を用いて、上側基板Sの表面SU1上の予め定められた基準点を順次撮像する。撮像された画像は、制御部70に出力される。制御部70では、上部撮像部251で撮像された画像と下部撮像部261で撮像された画像に基づいて、上側基板Sの基準点と下側基板Sの基準点がそれぞれ合致するような位置に、第1の下チャック移動部260と第2の下チャック移動部263によって下チャック241を移動させる。こうして上側基板Sと下側基板Sの水平方向位置が調節される(図9の工程S10)。
その後、第1の下チャック移動部260によって下チャック241を鉛直上方に移動させて、上チャック240と下チャック241の鉛直方向位置の調節を行い、当該上チャック240に保持された上側基板Sと下チャック241に保持された下側基板Sとの鉛直方向位置の調節を行う(図9の工程S11)。そして、上側基板Sと下側基板Sが所定の位置に対向配置される。
次に、上チャック240に保持された上側基板Sと下チャック241に保持された下側基板Sの接合処理が行われる。
先ず、図10に示すように押動部材290のシリンダ部292によってアクチュエータ部291を下降させる。そうすると、このアクチュエータ部291の下降に伴い、上側基板Sの中心部が押圧されて下降する。このとき、電空レギュレータから供給される空気によって、アクチュエータ部291には、所定の押圧荷重がかけられる。そして、押動部材290によって、上側基板Sの中心部と下側基板Sの中心部を当接させて押圧する(図9の工程S12)。このとき、第1の真空ポンプ277aの作動を停止して、第1の吸引領域274aにおける第1の吸引口275aからの上側基板Sの真空引きを停止すると共に、第2の真空ポンプ277bは作動させたままにし、第2の吸引領域274bを第2の吸引口275bから真空引きする。そして、押動部材290で上側基板Sの中心部を押圧する際にも、上チャック240によって上側基板Sの外周部を保持することができる。
そうすると、押圧された上側基板Sの中心部と下側基板Sの中心部との間で接合が開始する(図10中の太線部)。すなわち、上側基板Sの表面SU1と下側基板Sの表面SL1はそれぞれ工程S1、S6において改質されているため、先ず、表面SU1、SL1間にファンデルワールス力(分子間力)が生じ、当該表面SU1、SL1同士が接合される。さらに、上側基板Sの表面SU1と下側基板Sの表面SL1はそれぞれ工程S2、S7において親水化されているため、表面SU1、SL1間の親水基が水素結合し(分子間力)、表面SU1、SL1同士が強固に接合される。
その後、押動部材290によって上側基板Sの中心部と下側基板Sの中心部を押圧した状態で第2の真空ポンプ277bの作動を停止して、第2の吸引領域274bにおける第2の吸引口275bからの上側基板Sの真空引きを停止する。そうすると、上側基板Sが下側基板S上に落下する。そして上側基板Sが下側基板S上に順次落下して当接し、上述した表面SU1、SL1間のファンデルワールス力と水素結合による接合が順次拡がる。こうして、上側基板Sの表面SU1と下側基板Sの表面SL1が全面で当接し、上側基板Sと下側基板Sが接合される(図9の工程S13)。
この工程S13では、上側基板Sと下側基板Sにおいて、絶縁膜D、D同士が対応し、且つ、金属部M、M同士が対応するように、処理膜F、F同士が接合される。ここで、接合前の基板S、Sの処理膜F、Fにおいて、金属部M、Mは絶縁膜D、Dに比べて凹んでいる場合がある。かかる場合、絶縁膜D、D間に上述したファンデルワールス力が生じる。そして、金属部M、M同士は、後述する工程S14の熱処理において接合され、その導通が確保される。
また、工程S13において、上側基板Sの裏面SU2は複数のピン271に支持されているので、上チャック240による上側基板Sの真空引きを解除した際、当該上側基板Sが上チャック240から剥がれ易くなっている。このため、上側基板Sと下側基板Sの接合の拡がり(ボンディングウェーブ)が真円状になり、上側基板Sと下側基板Sが適切に接合される。
その後、押動部材290のアクチュエータ部291を上チャック240まで上昇させる。また、真空ポンプ307a、307bの作動を停止し、吸引領域304における下側基板Sの真空引きを停止して、下チャック241による下側基板Sの吸着保持を停止する。このとき、下側基板Sの裏面SL2は複数のピン301に支持されているので、下チャック241による下側基板Sの真空引きを解除した際、当該下側基板Sが下チャック241から剥がれ易くなっている。
上側基板Sと下側基板Sが接合された重合基板Sは、基板搬送装置61によってトランジション装置51に搬送され、その後搬入出ステーション2の基板搬送装置22によって所定のカセット載置板11のカセットCに搬送される。
その後、重合基板Sは接合システム1から搬出され、接合システム1の外部の熱処理装置に搬送される。熱処理装置では、先ず、加熱部によって重合基板Sが例えば200℃まで加熱され、これにより絶縁膜D、Dの接合強度が大きくなる。さらに加熱温度を上昇させ、重合基板Sは例えば350℃まで加熱される。そうすると、例えば上述したように金属部M、Mが絶縁膜D、Dに比べて凹んでいる場合でも、当該金属部M、Mが熱膨張して接合され、金属部M、M間の導通が確保される。その後、温度調節部によって、重合基板Sは所定の温度、例えば常温(25℃)に調節される(図9の工程S14)。こうして、一連の基板S、Sの接合処理が終了する。
以上の実施の形態によれば、工程S1において、高周波電源134から下部電極110に高周波電圧を印加することによって、処理容器100の内部に供給された処理ガスがプラズマ化され、当該処理ガスのプラズマを用いて基板S、Sの表面SU1、SL1を適切に改質することができる。また、上部電極140の下面の面積が下部電極110の上面の面積より大きいので、基板S、Sに対して十分な自己バイアス電位Vdcをとることができ、プラズマ処理をより適切に行うことができる。
この際、上部電極140は接地され、グランド電位に接続されているので、プラズマ処理中、上部電極140の下面の損傷を抑制することができる。また、上部電極140の下面の面積が下部電極110の上面の面積より大きいので、上部電極140の下面の損傷をさらに抑制することができる。さらに、上部電極140の下面には上部電極カバー141が設けられているので、上部電極140の下面の損傷をさらに抑制することができる。
また、上部電極140と下部電極110の間において、処理容器100の側壁と排気板131も接地され、グランド電位に接続されているので、処理容器100の側壁と排気板131の損傷を抑制することができる。特に排気板131は、側面視において処理容器100側から下部電極110側に向けて下方に傾斜しており、その表面積が大きいため、当該排気板131の損傷をさらに抑制することができる。
また、下部電極110の上面の周囲には、石英からなるフォーカスリング121が設けられているので、処理ガスのプラズマは、基板S、Sの表面SU1、SL1にのみ入射し、当該プラズマの下部電極110への衝突が抑制される。このため、下部電極110の損傷を抑制することができる。
このように上部電極140、処理容器100の側壁、排気板131、及び下部電極110の損傷を抑制することができるので、これらの寿命を伸ばすことができる。また、このように損傷を抑制することで、パーティクルを軽減でき、製品の歩留まりを向上させることもできる。
また、本実施の形態の接合システム1は、表面改質装置30、表面親水化装置40、及び接合装置41を備えているので、一のシステム内で基板S、Sの接合を効率よく行うことができる。したがって、基板接合処理のスループットをより向上させることができる。
次に、以上の実施の形態の表面改質装置30において、高周波電源134から下部電極110に印加される高周波電圧の所定周波数の設定方法について説明する。
上述したように基板S、Sの接合処理において、絶縁膜D、Dは、工程S13の接合処理においてファンデルワールス力によって接合され、さらに工程S14の熱処理においてその接合が強固なものとされる。かかる場合、絶縁膜D、Dの接合強度は大きければ大きいほど好ましい。一方、金属部M、Mは、工程S14の熱処理において熱膨張して接合される。かかる場合、金属部M、Mの導通を確保するためには、当該金属部M、Mの酸化を抑制する必要がある。
そこで発明者らは、これら絶縁膜D、Dの接合強度向上と、金属部M、Mの酸化抑制を満たすべく、先ず、所定周波数を設定する際に調節すべきパラメータを探った。具体的に発明者らは、接合システム1を用いて実験を行い、図11及び図12に示すように表面改質装置30における処理条件を変化させて、接合処理後の重合基板Sにおける絶縁膜D、Dの接合強度(SiCN膜の接合強度)と、金属部M、Mの酸化膜の厚み(CuO膜の厚み)を測定した。変化させた処理条件は、処理容器100内の圧力、高周波電源134の電力、処理時間(高周波電源134から下部電極110に高周波電圧を印加する時間)である。
実験を行った結果を図11及び図12に示す。図11は13MHzの高周波電圧を用いた場合の結果であり、図12は100MHzの高周波電圧を用いた場合の結果である。図11及び図12にはそれぞれ6つのグラフが含まれており、各グラフの横軸は、処理容器100内の圧力(Press.)、高周波電源134の電力(Power)、処理時間(Time)であり、縦軸は、絶縁膜D、Dの接合強度(SiCN Strength)、金属部M、Mの酸化膜の厚み(CuO Thickness)である。なお、各グラフにおいては、それぞれのパラメータの変化傾向のみを示し、その絶対値は示していない。
図11を参照すると、処理容器100内の圧力を大きくすると、絶縁膜D、Dの接合強度が大きくなり、且つ、金属部M、Mの酸化膜の厚みが小さくなる。これに対して、高周波電源134の電力と処理時間を大きくすると、絶縁膜D、Dの接合強度と金属部M、Mの酸化膜の厚みが共に大きくなってしまう。
図12を参照すると、処理容器100内の圧力を小さくすると、絶縁膜D、Dの接合強度が大きくなり、且つ、金属部M、Mの酸化膜の厚みが小さくなる。これに対して、高周波電源134の電力と処理時間を大きくすると、絶縁膜D、Dの接合強度と金属部M、Mの酸化膜の厚みが共に大きくなってしまう。
以上より、絶縁膜D、Dの接合強度向上と金属部M、Mの酸化抑制は、処理容器100内の圧力を調節すれば実現できることが分かる。
さらに発明者らは、下部電極110に印加される高周波電圧の最適な所定周波数を探るため、接合システム1を用いて実験を行った。この実験では、高周波電圧の周波数(Freq.)を380kMHz、13MHz、100MHzに変化させ、接合後の重合基板Sの歩留まり(Yield)を測定した。重合基板Sの歩留まりは、金属部M、M同士が適切に接合されているか否かを基準としている。具体的には、接合された複数の金属部M、Mの抵抗値を測定する。この金属部M、Mの抵抗値は、当該金属部M、Mの導通が適切にとれているかどうかを示す。そして、測定された抵抗値が基準抵抗値(許容される抵抗値)以下となる金属部M、Mの数の、金属部M、Mの全体数に対する割合が、重合基板Sの歩留まりとして表される。
実験を行った結果、周波数が380kHzの場合、重合基板Sの歩留まりは約60%と良くなかった。一方、周波数が13MHzの場合、重合基板Sの歩留まりは約90%であり、周波数が100MHzの場合、重合基板Sの歩留まりは約100%であった。すなわち、周波数が13MHz、100MHzの場合、歩留まりは向上することが分かった。したがって、下部電極110に印加される高周波電圧の最適な所定周波数は、13MHz〜100MHzのいずれかとなる。
以上の実施の形態では、重合基板Sを熱処理する熱処理装置は、接合システム1の外部に設けられていたが、接合システム1の内部に設けられてもよい。
以上の実施の形態は、ウェハW、W上に処理膜F、Fが形成された基板S、Sを接合する場合について説明したが、本発明が適用される基板はこれに限定されない。
本発明は、例えばウェハ上に絶縁膜が形成された基板とベアシリコンからなる基板を接合する場合や、ウェハ上に絶縁膜が形成された基板同士を接合する場合にも適用できる。発明者らが鋭意検討した結果、これらの場合でも、本発明を適用すれば上述した効果が得られることを確認している。なお、これらの場合、上述した熱処理装置を省略してもよい。
また本発明は、基板がウェハ以外のFPD(フラットパネルディスプレイ)、フォトマスク用のマスクレチクルなどの他の基板である場合にも適用できる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。本発明はこの例に限らず種々の態様を採りうるものである。
1 接合システム
2 搬入出ステーション
3 処理ステーション
30 表面改質装置
40 表面親水化装置
41 接合装置
61 基板搬送装置
70 制御部
100 処理容器
110 下部電極
134 高周波電源
140 上部電極
150 中空部
151 ガス供給管
152 ガス供給源
153 供給機器群
154 バッフル板
155 ガス噴出口
160 吸気口
161 真空ポンプ
162 吸気管
、D 絶縁膜
、F 処理膜
、M 金属部
上側基板
下側基板
重合基板
、W ウェハ

Claims (9)

  1. 基板同士を接合する前に、表面改質装置において基板の接合される表面を改質する表面改質方法であって、
    各基板には、絶縁膜と金属部からなる処理膜が形成されており、
    基板同士を接合する際には、前記絶縁膜同士が対応し、且つ、前記金属部同士が対応するように、前記処理膜同士が接合され、
    前記表面改質装置は、
    処理容器内に配置され、基板が載置される下部電極と、
    前記処理容器内において前記下部電極に対向して配置される上部電極と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
    前記処理容器内を所定圧力まで減圧する減圧機構と、を有し、
    前記下部電極は電源に接続され、且つ、前記上部電極は接地され、
    前記表面改質方法では、
    前記ガス供給機構から前記処理容器内に処理ガスを供給し、前記減圧機構によって当該処理容器内を前記所定圧力に減圧した状態で、前記電源から前記下部電極に所定周波数の電圧を印加して前記処理ガスをプラズマ化し、当該処理ガスのプラズマを用いて前記処理膜の表面を改質し、
    前記所定周波数は前記所定圧力を調節して設定され、13MHz〜100MHzのいずれかであり、
    前記所定圧力を調節して、前記絶縁膜の接合強度と前記金属部の酸化膜の厚みを制御することを特徴とする、表面改質方法。
  2. 前記所定周波数が13MHzの場合、前記所定圧力を大きくして、前記絶縁膜の接合強度を大きくし、且つ、前記金属部の酸化膜の厚みを小さくし、
    前記所定周波数が100MHzの場合、前記所定圧力を小さくして、前記絶縁膜の接合強度を大きくし、且つ、前記金属部の酸化膜の厚みを小さくすることを特徴とする、請求項1に記載の表面改質方法。
  3. 前記処理容器に基板を搬入及び搬出する際には、当該処理容器内を大気圧に開放することを特徴とする、請求項1又は2に記載の表面改質方法。
  4. 請求項1〜のいずれか一項に記載の表面改質方法を表面改質装置によって実行させるように、当該表面改質装置を制御する制御部のコンピュータ上で動作するプログラム。
  5. 請求項に記載のプログラムを格納した読み取り可能なコンピュータ記憶媒体。
  6. 基板同士を接合する前に、当該基板の接合される表面を処理ガスのプラズマによって改質する表面改質装置であって、
    各基板には、絶縁膜と金属部からなる処理膜が形成されており、
    基板同士を接合する際には、前記絶縁膜同士が対応し、且つ、前記金属部同士が対応するように、前記処理膜同士が接合され、
    前記表面改質装置は、前記処理膜の表面を改質し、
    処理容器内に配置され、基板が載置される下部電極と、
    前記処理容器内において前記下部電極に対向して配置される上部電極と、
    前記処理容器内に前記処理ガスを供給するガス供給機構と、
    前記処理容器内を所定圧力まで減圧する減圧機構と、
    前記処理容器内の圧力を制御する制御部と、を有し、
    前記下部電極は、プラズマ生成用の所定周波数の電圧を印加するための電源に接続され、
    前記上部電極は接地され、
    前記所定周波数は、13MHz〜100MHzのいずれかであり、
    前記制御部は、前記所定圧力を調節して、前記絶縁膜の接合強度と前記金属部の酸化膜の厚みを制御するように、前記ガス供給機構と前記減圧機構を制御することを特徴とする、表面改質装置。
  7. 前記制御部は、
    前記所定周波数が13MHzの場合、前記所定圧力を大きくして、前記絶縁膜の接合強度を大きくし、且つ、前記金属部の酸化膜の厚みを小さくし、
    前記所定周波数が100MHzの場合、前記所定圧力を小さくして、前記絶縁膜の接合強度を大きくし、且つ、前記金属部の酸化膜の厚みを小さくするように制御するように、前記ガス供給機構と前記減圧機構を制御することを特徴とする、請求項6に記載の表面改質装置。
  8. 記制御部は、前記処理容器に基板を搬入及び搬出する際には、当該処理容器内を大気圧に開放し、前記処理容器内を密閉し前記処理ガスのプラズマを用いて基板の表面を改質する際には、当該処理容器内を前記所定圧力まで減圧させるように、前記ガス供給機構と前記減圧機構を制御することを特徴とする、請求項又はに記載の表面改質装置。
  9. 請求項のいずれか一項に記載の表面改質装置を備えた接合システムであって、
    前記表面改質装置を備えた処理ステーションと、
    基板又は基板同士が接合された重合基板をそれぞれ複数保有可能で、且つ前記処理ステーションに対して基板又は重合基板を搬入出する搬入出ステーションと、を備え、
    前記処理ステーションは、
    前記表面改質装置で改質された基板の表面を親水化する表面親水化装置と、
    前記表面親水化装置で表面が親水化された基板同士を接合する接合装置と、
    前記表面改質装置、前記表面親水化装置及び前記接合装置に対して、基板又は重合基板を搬送するための搬送装置と、を有することを特徴とする、接合システム。
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