JP6471845B2 - クラスターイオンビームを用いた常温接合方法および装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る基板接合装置(基板接合システム)100の構成を示す概略図である。基板接合装置(基板接合システム)100は、接合面を有する一対の基板に対して表面処理を行い、当該一対の基板を接合するための装置である。
図2に示すガスイオンクラスタービーム(GCIB)源350は、加速により運動エネルギーが与えられた原子又は分子が複数集まった集合体であるガスクラスターイオンビーム351を放射することができる。GCIB源350は、噴射ノズルとイオン化機構と加速機構とを有して構成されている(いずれも図示せず)。GCIB源350は、ガス原子又は分子を、数気圧の比較的高圧で噴射ノズルの小孔から噴出させ、断熱膨張によるか冷却現象によって、中性のガスクラスターを生成する。GCIB源350は、イオン化機構(アイオナイザ又はイオナイザとも呼ぶ。)により、生成した中性のガスクラスターに電子を衝撃させてイオン化させ、ガスイオンクラスターを生成する。GCIB源350は、生成されたガスイオンクラスターを、加速機構による所定の静電場下で加速して、これに運動エネルギーを与え、ガスイオンクラスタービームを放射する。
図2に示す原子又はイオンビーム源(以降、「単原子ビーム源」と呼ぶ。)310は、加速により運動エネルギーを与えられた単原子又は単分子若しくはそれらのイオン、又は中性ガスを放射することができる。単原子ビーム源310が放射する単原子ビーム311は、イオン、中性原子又はラジカル種を含んでも、若しくはこれらの混合粒子を含んでもよい。すなわち、単原子ビーム源310は、イオンビーム源であっても中性原子ビーム源又は高速原子ビーム源であってもよい。中性原子を放出するためには、例えばイオンを所定の運動エネルギーを与えて加速させた後に、電子雲などを通過させることで中性化するような構成を使用してもよい。このような加速されたイオンの中性化は、与えられた所定の運動エネルギーをほぼ失うことなく行われうる。所定の運動エネルギーを有する粒子を放射する単原子ビーム源310として、冷陰極型、熱陰極型、PIG(Penning Ionization Gauge)型、ECR(Electron Cyclotron Resonance)型の粒子ビーム源、あるいはクラスターイオン源などが採用されうる。
図2に示す化学反応性ガス源であるラジカルプラズマ源320は、プラズマ生成チャンバ321と、プラズマ生成チャンバ321内にガスを導入するガス導入管322と、プラズマ生成チャンバ321内に高周波の電磁場を生成するマイクロ波を形成するマイクロ波源323と、マイクロ波源323よって生成されたラジカル又はプラズマを処理チャンバ300内に導入するための多孔板324とを有して構成されている。
<第1実施形態>
処理チャンバ300内で基板1,1に対して行う表面処理として、ガスイオンクラスタービーム(GCIB)源350を用いて、基板1,1表面をガスイオンクラスタービームで照射することができる。ガスイオンクラスタービーム照射は、真空ポンプ330,430の作動により、真空雰囲気中で行われる。これにより、低ダメージで平坦かつ活性な接合面を形成することができ、この接合面の状態をほぼ保ったまま、基板1,1を接合チャンバ400に搬送して、ここで基板1,1の接合面同士を接触させて、良好な接合面を形成させることができる。
本実施形態によれば、処理チャンバ300内の表面処理として、ガスイオンクラスタービーム(GCIB)源350によるガスイオンクラスタービーム351の照射と、単原子ビーム源310による単原子ビーム311の照射とを組み合わせて行う。ガスイオンクラスタービーム351の照射と単原子ビーム311の照射とは、真空雰囲気中で行われ、2つの照射プロセスの間も真空雰囲気は破られない。これにより、ガスイオンクラスタービームの利点と単原子ビームの利点との両方を生かして良好な接合面を準備することができる。
単原子ビーム照射の次にガスイオンクラスタービーム照射を行ってもよい。
30nm程の酸化膜を表面に有するシリコン基板を、2kV,100mAで600秒間、アルゴン(Ar)の高速原子ビームで照射することで、表面酸化膜を除去することができ、その後のシリコン基板の表面粗さはRa3nm程度になる。このシリコン基板表面を、5kVで1×1014イオン/cm2、CO2のガスイオンクラスタービームで照射することで、シリコン基板の表面粗さをRa0.2nm程度にすることができる。このような表面処理により、活性且つ平坦な基板表面を準備することができる。
上記と同様の、30nm程の酸化膜を表面に有するシリコン基板を、2kV,100mAで300秒間、アルゴン(Ar)の高速原子ビームで照射することで、表面酸化膜を除去することができ、その後のシリコン基板の表面粗さはRa1nm程度になるが、厚さ約10nm程の表面層が形成される場合がある。このシリコン基板表面を、5kVで1×1014イオン/cm2、アルゴン(Ar)のガスイオンクラスタービームで照射することで、シリコン基板の表面粗さをRa0.2nm程度で、表面のアモルファス層の厚さを0.3nm程に低下させることができる。
ガスイオンクラスタービーム照射の次に単原子ビーム照射を行ってもよい。
上記と同様のシリコン基板上の30nm程の酸化膜をガスイオンクラスタービーム照射で除去するためには、ガスイオンクラスタービームを、5kVで1×1016イオン/cm2、アルゴン(Ar)でスキャン照射して、14分程度掛かる。したがって、ガスイオンクラスタービームのスキャン照射を14分程度行っている間に、照射されていない部位の表面に、処理チャンバ300内に浮遊する不純物が付着し、当該表面が酸化又は汚染し、吸着表面層が形成される場合がある。これらの吸着表面層は、接合後に接合界面に残留し、当該接合界面の特性の悪化原因となりうる。この吸着表面層を除去するために、ガスイオンクラスタービーム照射の後に単原子ビーム照射を行うことが有用である。ガスイオンクラスタービーム照射の後の単原子ビーム照射は、例えば、0.5kV,100mAで10秒間、アルゴン(Ar)の高速原子ビームを照射することで行うことができる。
ガスイオンクラスタービーム照射と、化学反応性ガスによる表面処理とを組み合わせて行ってもよい。
<実施例4>
上記と同様の、30nm程の酸化膜を表面に有するシリコン基板に対して、基板温度摂氏120度で、マイクロラジカル源320を27MHz,250W,60s,100sccmで作動して、化学反応性ガスとして水素ラジカルを照射してもよい。このように表面の酸化膜を除去した後で、このシリコン基板表面を、0.5kVで5×1015イオン/cm2、ガスイオンクラスタービームで照射してもよい。このように、水素ラジカル照射により、酸化物を除去し、低ダメージ又は実質的に無ダメージのシリコン基板表面を形成することができる。この極めて低ダメージのシリコン基板表面に対して、ガスイオンクラスタービームを適用して、活性、平坦かつ低ダメージの基板接合面を形成することができる。
200 ロードロックチャンバ
300 処理チャンバ
310 単原子ビーム源
320 ラジカルプラズマ源(化学反応ガス源)
350 ガスイオンクラスタービーム(GCIB)源
400 接合チャンバ
420 加圧機構
500 基板支持搬送機構
510 基板支持体
Claims (10)
- 一対の基板を接合する方法であって、
少なくとも一方の基板の接合面をガスクラスターイオンビームで照射することと、
前記少なくとも一方の基板の接合面を単原子ビームで照射することと、
前記一対の基板の接合面を互いに接触させることと、
を含む基板接合方法。 - 前記単原子ビーム照射の後に、前記ガスクラスターイオンビームの照射を行うこと、を特徴とする請求項1に記載の基板接合方法。
- 前記ガスクラスターイオンビームの照射の後に、前記単原子ビームの照射を行うこと、を特徴とする請求項1に記載の基板接合方法。
- 前記少なくとも一方の基板の接合面を単原子ビームで照射することと、
その後、前記少なくとも一方の基板の接合面をガスクラスターイオンビームで照射することと、
その後、前記少なくとも一方の基板の接合面を単原子ビームで照射することと、
を含む、請求項1に記載の基板接合方法。 - 前記少なくとも一方の基板の接合面を化学反応性ガスで照射すること
を更に含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の基板接合方法。 - 前記化学反応性ガスはラジカルを含む、請求項5に記載の基板接合方法。
- 一対の基板を接合する装置であって、
真空チャンバと、
前記真空チャンバに接続され、前記真空チャンバ内に載置された基板に向かってガスクラスターイオンビームを放射するように構成されたガスクラスターイオンビーム源と、
前記真空チャンバに接続され、前記真空チャンバ内に載置された基板に向かって単原子イオンビームを放射するように構成された単原子イオンビーム源と、
前記真空チャンバに配置され、一対の基板の表面を支持し、互いに接触させるように構成された基板支持体と、
を備える、基板接合装置。 - 前記真空チャンバに接続され、前記真空チャンバ内に載置された基板に向かって化学反応性ガスを放射するように構成された化学反応性ガス源
を更に備える、請求項7に記載の基板接合装置。 - 互いに接触した一対の基板に対して圧力を印加する加圧機構
を更に備える、請求項7又は8に記載の基板接合装置。 - 前記ガスクラスターイオンビーム源と、前記単原子イオンビーム源と、前記化学反応性ガス源に対して、前記基板の相対的姿勢及び位置を制御するように構成された基板支持機構
を更に備える、請求項8に記載の基板接合装置。
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