JP6867686B2

JP6867686B2 - 接合装置

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Publication number: JP6867686B2
Application number: JP2017129085A
Authority: JP
Inventors: 和夫和田
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Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2021-05-12
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Description

本発明は、接合装置に関する。

Ｓｉ基板同士を常温で接合する接合装置として、Ｓｉ基板同士の接合に先立って、各Ｓｉ基板の接合面をイオンビームまたは原子ビームを照射することにより接合面をスパッタエッチングする接合装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。この接合装置によれば、各Ｓｉ基板の接合面に存在する不純物がスパッタエッチングにより除去されるため、互いに接合されたＳｉ基板同士の接合強度を高めることができる。この接合装置は、イオンビームまたは原子ビームを照射するビーム照射装置を２つ備えており、２つのＳｉ基板の接合面へ、各別のビーム照射装置からイオンビームまたは原子ビームが照射される。ここで、２つのビーム照射装置は、いずれも、互いに接合面同士が対向するように配置された２つのＳｉ基板の側方に配置され、Ｓｉ基板の側方からＳｉ基板の接合面へ斜めにイオンビームまたは原子ビームを照射する。

特開２００７−２８１２０３号公報

ところで、特許文献１に記載された接合装置は、各ビーム照射装置が、チャンバ内における、互いに接合面同士が対向するように配置された２つのＳｉ基板の側方に配置されているため、その分、チャンバが大型化しひいては装置全体が大型化してしまう。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、小型化できる接合装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る接合装置は、
第１基板と第２基板とを接合する接合装置であって、
チャンバと、
前記チャンバ内に配置され鉛直上方に前記第１基板が載置されるステージと、
前記チャンバの前記ステージの鉛直上方の壁に埋設され鉛直下側に前記第２基板を保持する静電チャックが設けられるとともに、鉛直上側が前記チャンバの外に露出している窓部材と、
前記窓部材の鉛直上方に配置されたコイルを有し、前記コイルに高周波電流を流すことにより発生する高周波電磁場を、前記窓部材を通して、前記チャンバ内に供給される気体に印加することにより前記チャンバ内にプラズマを発生させる高周波印加部と、
前記ステージを前記窓部材へ近づく方向または前記窓部材から遠ざかる方向へ駆動する駆動部と、を備え、
前記静電チャックは、一対の櫛歯状電極を有する。

本発明によれば、窓部材の静電チャックに第２基板を保持させた状態で、高周波印加部によりチャンバ内にプラズマを発生させることができる。これにより、第２基板を静電チャックに保持させた状態で、チャンバ内に発生したプラズマにより第２基板の接合面を活性化処理することができる。従って、第２基板の接合面へイオンビームや原子ビームを照射するビーム照射装置をチャンバ内に配置する必要が無くなるので、その分、チャンバの小型化ひいては装置全体を小型化することができる。

本発明の実施の形態に係る接合装置の概略断面図である。（Ａ）は実施の形態に係る静電チャックの平面図であり、（Ｂ）は実施の形態に係るコイルの平面図である。実施の形態に係る接合装置を示し、（Ａ）は基板の接合面を活性化する活性化処理を行っている状態を示す概略断面図であり、（Ｂ）は基板同士を接合する様子を示す概略断面図である。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態に係る接合装置は、２つの基板同士を接合する接合装置である。この接合装置は、図１に示すように、チャンバ１０１と、高周波印加部１０２と、ステージ１３１と、支持シャフト１３２と、静電チャック１０８が設けられた窓部材１０４と、バイアス印加部１０６と、を備える。また、接合装置は、支持シャフト１３２を鉛直方向へ駆動する駆動部１０５と、高周波印加部１０２、静電チャック１０８、バイアス印加部１０６および駆動部１０５を制御する制御装置１０９と、を備える。以下、適宜図１におけるＺ軸方向を上下方向として説明する。この接合装置は、ステージ１３１上に載置された第１基板３０１と、窓部材１０４の静電チャック１０８に保持された第２基板３０２と、を接合する。第１基板３０１、第２基板３０２としては、半導体、セラミック、ガラス、金属、樹脂等の材料、具体的には、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＬｉＴａＯ_３、Ｆｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ等から形成されたものが挙げられる。

チャンバ１０１は、箱状であり、その鉛直上方の壁に窓部材１０４が取り付けられる平面視円形の貫通孔１０１ｂが設けられ、その鉛直下方の壁に支持シャフト１３２が挿通される貫通孔１０１ａが設けられている。また、チャンバ１０１には、真空ポンプ１９１に接続され、その内部がチャンバ１０１内に連通する排気管Ｐ２が取り付けられている。そして、真空ポンプ１９１を駆動することにより、チャンバ１０１内の気体が排気管Ｐ２を介して排気され、チャンバ１０１内を減圧状態にすることができる。更に、チャンバ１０１には、ガス供給源１９２に接続されその内部がチャンバ１０１内に連通するガス供給管Ｐ１が取り付けられている。そして、チャンバ１０１内には、ガス供給源１９２からガス供給管Ｐ１を介してガスが供給される。ガス供給源１９２は、Ａｒ（アルゴン）、Ｎ_２（窒素）等の不活性ガスをチャンバ１０１内へ供給する。

チャンバ１０１の鉛直下方の壁には、貫通孔１０１ａの外周部を囲繞する形で金属製の筒状の蛇腹１７１が設けられている。蛇腹１７１の下端側開口は、蓋部１１２で密閉されている。

窓部材１０４は、平面視円形であり、チャンバ１０１のステージ１３１の鉛直上方（＋Ｚ方向側）の壁に設けられている。具体的には、窓部材１０４は、チャンバ１０１の＋Ｚ方向側の壁に設けられた貫通孔１０１ｂに嵌合されており、＋Ｚ方向側の面がチャンバ１０１の外に露出している。窓部材１０４は、高周波印加部１０２から放射される高周波電磁場を透過する誘電体材料から形成されている。この誘電体材料としては、アルミナ焼結体、ベリリア焼結体等が挙げられる。窓部材１０４の周縁と貫通孔１０１ｂとの間は封止部材（図示せず）で封止されている。また、窓部材１０４は、その鉛直下側（−Ｚ方向側）、即ち、チャンバ１０１内に露出する面側に第２基板３０２を保持する静電チャック１０８が設けられている。

静電チャック１０８は、図２（Ａ）に示すように、窓部材１０４の−Ｚ方向側に設けられた一対の櫛歯状電極１８１、１８２と、一対の櫛歯状電極１８１、１８２を覆う形で窓部材１０４の−Ｚ方向側の面全体に形成された絶縁膜１８３と、を有する。また、静電チャック１０８は、一対の櫛歯状電極１８１、１８２間に電圧を印加する電圧源（図示せず）を有する。

櫛歯状電極１８１、１８２は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）等の金属から形成されている。櫛歯状電極１８１は、直線状の第１導電部１８１１と、円弧状の第２導電部１８１２と、複数（図２（Ａ）では１２本）の直線状の第３導電部１８１３と、円弧状の第４導電部１８１４と、を有する。第１導電部１８１１は、−Ｙ方向側の一端部が窓部材１０４の周縁に位置し、窓部材１０４の中心Ｃ１に向かう第１方向（＋Ｙ方向）に延在している。第２導電部１８１２は、第１導電部１８１１の＋Ｙ方向側の他端部から窓部材１０４の周縁に沿った第１周方向（図２（Ａ）の左周り方向）に延在している。複数の第３導電部１８１３は、第２導電部１８１２からＹ軸方向に直交する＋Ｘ方向（第２方向）に延在している。また、複数の第３導電部１８１３は、Ｙ軸方向に沿って等間隔に配列している。第４導電部１８１４は、第１導電部１８１１から窓部材１０４の周縁に沿った第１周方向とは反対方向の第２周方向（図２（Ａ）の右周り方向）に延在している。

櫛歯状電極１８２も、櫛歯状電極１８１と同様に、直線状の第１導電部１８２１と、円弧状の第２導電部１８２２と、複数（図２（Ａ）では１２本）の直線状の第３導電部１８２３と、円弧状の第４導電部１８２４と、を有する。第１導電部１８２１は、−Ｙ方向側の一端部が窓部材１０４の周縁に位置し、−Ｙ方向に延在している。第２導電部１８２２は、第１導電部１８２１の−Ｙ方向側の他端部から窓部材１０４の周縁に沿った第１周方向（図２（Ａ）の左周り方向）に延在している。複数の第３導電部１８２３は、第２導電部１８２２から−Ｘ方向に延在している。また、複数の第３導電部１８２３は、Ｙ軸方向に沿って等間隔に配列している。第４導電部１８２４は、第１導電部１８２１から窓部材１０４の周縁に沿った第２周方向（図２（Ａ）の右周り方向）に延在している。そして、Ｙ軸方向において、櫛歯状電極１８１の第３導電部１８１３と櫛歯状電極１８２の第３導電部１８２３とは交互に配列している。第３導電部１８１３、１８２３の幅Ｗ１は、２乃至３ｍｍに設定されている。第１導電部１８１１、１８２１、第２導電部１８１２、１８２２および第４導電部１８１４、１８２４の幅は、２ｍｍ乃至５ｍｍに設定されている。また、互いに隣り合う第３導電部１８１３と第３導電部１８２３との間の距離Ｗ２は、２乃至３ｍｍに設定されている。また、櫛歯状電極１８１、１８２の厚さは、５００ｎｍ以上に設定されている。

絶縁膜１８３は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ等の絶縁体から形成されている。絶縁膜１８３の厚さは、３０μｍ乃至５０μｍに設定されている。ここで、第２基板３０２は、領域Ａ１において保持される。電圧源は、制御装置１０９から入力される制御信号に応じて、一対の櫛歯状電極１８１、１８２間に電圧を印加する。

図１に戻って、高周波印加部１０２は、高周波電力（例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力）を発生する高周波発生源１０２ａと、整合器１０２ｂと、窓部材１０４の鉛直上方（＋Ｚ方向側）に配置されたコイル１０２ｃと、を有する。高周波印加部１０２は、コイル１０２ｃに高周波電流を流すことにより発生する高周波電磁場を、窓部材１０４を通して、チャンバ１０１内に供給されたＡｒ（アルゴン）、Ｎ_２（窒素）等の不活性ガスに印加することにより、チャンバ１０１内にプラズマを発生させる。

コイル１０２ｃの形状は、チャンバ１０１内に強度の均一な磁場を形成することができる形状が好ましく、例えば本願の出願人が先に開示した特開２００５−２２８７３８号公報に記載された形状を採用することができる。具体的には、コイル１０２ｃは、例えば図２（Ｂ）に示すように、直線状の主部１０２１と、第１渦巻状部１０２２と、第２渦巻状部１０２３と、を有する。第１渦巻状部１０２２は、主部１０２１の−Ｙ方向側の端部から＋Ｘ方向側へ渦巻状に延在している。第２渦巻状部１０２３は、主部１０２１の＋Ｙ方向側の他端部から−Ｘ方向側へ渦巻状に延在している。第１渦巻状部１０２２、第２渦巻状部１０２３の先端部は、それぞれ接続部１０２ｄを介して整合器１０２ｂに電気的に接続されている。高周波印加部１０２は、コイル１０２ｃが図２（Ｂ）に示すような形状を有することにより、コイル１０２ｃのコイル面に平行な方向において強度が均一な高周波磁場を発生させることができる。高周波印加部１０２は、チャンバ１０１内に供給されたガスに高周波数（例えば周波数１３．５６ＭＨｚ）の電磁場を印加することによりチャンバ１０１内にプラズマを発生させる。

図１に戻って、ステージ１３１は、導電性材料である金属から形成され、チャンバ１０１内に配置され、鉛直上方（＋Ｚ方向側）に第１基板３０１が載置される。ステージ１３１は、支持シャフト１３２に支持されている。ステージ１３１は、Ａｌ、ＳＵＳ、Ｃｕ等の金属で形成されており、その上面に基板が載置される。

バイアス印加部１０６は、ステージ１３１に対して０Ｖと−２０００Ｖの負電圧との間で振動する高周波電圧（例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電圧）を印加する。バイアス印加部１０６は、高周波発生源１０６ａと整合器１０６ｂとを有する。整合器１０６ｂとステージ１３１とは、真空コネクタ（図示せず）を介して電気的に接続されている。

駆動部１０５は、ステージ１３１を窓部材１０４へ近づく方向（＋Ｚ方向）または窓部材１０４から遠ざかる方向（−Ｚ方向）へ駆動する。駆動部１０５は、サーボモータ１５２と、サーボモータ１５２を支持する支持台１５３と、サーボモータ１５２により上下方向へ移動する棒状の移動部材１５１と、を有する。移動部材１５１は、例えばサーボモータ１５２により駆動されるボールネジである。移動部材１５１の上端部は、蓋部１１２に固定されている。駆動部１０５は、移動部材１５１が固定された蓋部１１２を介して、支持シャフト１３２を上下方向へ駆動する。

制御装置１０９は、例えば汎用のコンピュータと、コンピュータから高周波印加部１０２、静電チャック１０８、バイアス印加部１０６および駆動部１０５へ制御信号を送信するためのインタフェースと、を有する。制御装置１０９は、高周波印加部１０２、静電チャック１０８、バイアス印加部１０６および駆動部１０５それぞれへ制御信号を出力することにより、高周波印加部１０２、静電チャック１０８、バイアス印加部１０６および駆動部１０５を制御する。

次に、本実施の形態に係る接合装置の動作について説明する。ここで、ガス供給源１９２からチャンバ１０１内へ不活性ガスであるＡｒ（アルゴン）ガスが供給されるものとする。また、真空ポンプ１９１によりチャンバ１０１内は、減圧状態となっているものとする。更に、第１基板３０１、第２基板３０２とは、いずれもＳｉ基板であるとする。

まず、図３（Ａ）に示すように、ステージ１３１上に載置された第１基板３０１と、窓部材１０４の静電チャック１０８に保持された第２基板３０２と、を離間した状態で配置する。この状態で、制御装置１０９は、第２基板３０２の上方から窓部材１０４を介してチャンバ１０１内へ高周波電磁場が導入されると同時に、ステージ１３１に高周波電圧が印加されるように、高周波印加部１０２およびバイアス印加部１０６を制御する。このようにして、チャンバ１０１内に供給されたＡｒガスに高周波電磁場が印加されることにより、チャンバ１０１内における第１基板３０１と第２基板３０２との間の領域にＡｒプラズマＰＬが生成される。そして、第１基板３０１の接合面３０１ｓと第２基板３０２の接合面３０２ｓとが、ＡｒプラズマＰＬに曝されることにより、各接合面３０１ｓ、３０２ｓがＡｒプラズマ中のＡｒイオンによりスパッタリングされる。これにより、第１基板３０１の接合面３０１ｓおよび第２基板３０２の接合面３０２ｓに存在する不純物が除去されるとともに、各接合面３０１ｓ、３０２ｓが活性化される。また、このとき、第１基板３０１の接合面３０１ｓから放出されるＳｉ粒子が、第２基板３０２の接合面３０２ｓに吸着し、第２基板３０２の接合面３０２ｓから放出されるＳｉ粒子が、第１基板３０１の接合面３０１ｓに吸着する。

次に、図３（Ｂ）の矢印ＡＲ１に示すように、支持シャフト１３２を上方へ移動させることにより、第１基板３０１を第２基板３０２に予め設定された圧力で押し付ける。ここで、第１基板３０１の接合面３０１ｓと第２基板３０２の接合面３０２ｓとが活性化されているため第１基板３０１と第２基板３０２との界面での結合が促進される。このようにして、第１基板３０１と第２基板３０２とが接合する。

以上説明したように、本実施の形態に係る接合装置では、窓部材１０４の静電チャック１０８に第２基板３０２を保持させた状態で、高周波印加部１０２によりチャンバ１０１内にプラズマＰＬを発生させることができる。これにより、第２基板３０２を静電チャック１０８に保持させた状態で、チャンバ１０１内に発生したプラズマＰＬにより第２基板３０２の接合面３０２ｓを活性化処理することができる。従って、第２基板３０２の接合面３０２ｓへイオンビームや原子ビームを照射するビーム照射装置をチャンバ１０１内に配置する必要が無くなるので、その分、チャンバ１０１の小型化ひいては接合装置全体を小型化することができる。

ところで、前述のビーム照射装置は、ビーム照射装置内で生成されるプラズマ内のイオンまたは原子を、引出電極により引き出す構造を有するものが一般的である。そして、このビーム照射装置を備える構成では、ビーム照射装置内から引き出されたイオンまたは原子を第１基板３０１の接合面３０１ｓ、第２基板３０２の接合面３０２ｓへ照射することにより、各接合面３０１ｓ、３０２ｓをスパッタリングする。この構成の場合、ビーム照射装置の構成部品を形成する金属が、イオンビームまたは原子ビームに不純物として含まれてしまうことが多い。そうすると、第１基板３０１と第２基板３０２とを接合したときの第１基板３０１と第２基板３０２との界面に金属不純物が混在してしまい、接合強度が低下してしまう虞がある。これに対して、本実施の形態に係る接合装置では、チャンバ１０１内に生成したプラズマＰＬに第１基板３０１の接合面３０１ｓ、第２基板３０２の接合面３０２ｓを曝すことにより、各接合面３０１ｓ、３０２ｓをスパッタリングする。これにより、各接合面３０１ｓ、３０２ｓへの不純物の付着が抑制されるので、第１基板３０１と第２基板３０２とを良好に接合することができる。

また、本実施の形態に係る接合装置では、静電チャック１０８が、前述のような一対の櫛歯状電極１８１、１８２を有する。これにより、窓部材１０４の下側において静電チャック１０８で第２基板３０２を堅固に保持しつつ、窓部材１０４の上方からチャンバ１０１内へ高周波電磁場を印加することができる。従って、チャンバ１０１の小型化を図りつつ、第２基板３０２の接合面３０２ｓの活性化処理中における第２基板３０２の落下を確実に防止できる。

更に、本実施の形態に係る接合装置では、ステージ１３１が、金属から形成され、ステージ１３１に高周波バイアスを印加するバイアス印加部１０６を備える。これにより、高周波印加部１０２から窓部材１０４を介してチャンバ１０１内へ高周波電磁場を導入しつつ、ステージ１３１に高周波電圧を印加することが可能となる。従って、チャンバ１０１内における第１基板３０１と第２基板３０２との間の領域に効率よくプラズマＰＬを生成することができるので、各接合面３０１ｓ、３０２ｓを効率良く活性化することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、櫛歯状電極１８１、１８２が、それぞれ１３本以上の第３導電部１８１３、１８２３を有する構成であってもよい。

実施の形態では、第１基板３０１、第２基板３０２の接合面３０１ｓ、３０２ｓを活性化してから第１基板３０１と第２基板３０２とを接合する接合装置について説明した。但し、これに限らず、例えば第１基板３０１、第２基板３０２に簿膜を成膜した後に第１基板３０１、第２基板３０２の簿膜の表面を活性化し、第１基板３０１と第２基板３０２とを接合する構成であってもよい。この場合、接合装置は、例えば第１基板３０１、第２基板３０２上に成膜する簿膜の原料ガスを供給する原料ガス供給源（図示せず）と、チャンバ１０１内に連通し原料ガス供給源が接続された材料ガス供給管（図示せず）と、を有するものとすればよい。簿膜としては、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等から形成された絶縁体簿膜やＳｉ、Ｇｅ等から形成された半導体簿膜が挙げられる。この変形例に係る接合装置は、第１基板３０１、第２基板３０２上に簿膜を成膜した後、第１基板３０１、第２基板３０２それぞれの簿膜の表面をチャンバ１０１内に生成したプラズマＰＬに曝すことにより、各簿膜の表面を活性化させる。その後、接合装置は、第１基板３０１を第２基板３０２に押し当てることにより第１基板３０１と第２基板３０２とを接合する。

実施の形態では、制御装置１０９が、高周波印加部１０２からチャンバ１０１内への高周波電磁場の導入と、ステージ１３１への高周波電圧の印加と、が同時に行われるように、高周波印加部１０２およびバイアス印加部１０６を制御する例について説明した。但し、高周波印加部１０２からチャンバ１０１内への高周波電磁場の導入と、ステージ１３１への高周波電圧の印加と、が行われるタイミングは、同時に限定されるものではない。例えば、制御装置１０９が、高周波印加部１０２から窓部材１０４を介してチャンバ１０１内への高周波電磁場の導入と、ステージ１３１への高周波電圧の印加と、が別のタイミングで行われるように、高周波印加部１０２およびバイアス印加部１０６を制御してもよい。

実施の形態では、第１基板３０１と第２基板３０２とが上下方向で対向した状態で配置される例について説明したが、第１基板３０１、第２基板３０２の配置はこれに限定されるものではない。例えば、第１基板３０１と第２基板３０２とが、上下方向に直交する水平方向あるいは上下方向に交差する方向で対向した状態で配置されるものであってもよい。

以上、本発明の実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態及び変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。

本発明は、ＳＡＷフィルタ等の電子部品の製造のように２つの基板を常温で接合する必要がある様々な技術分野に利用可能である。

１０１：チャンバ、１０１ａ，１０１ｂ：貫通孔、１０２：高周波印加部、１０２ａ，１０６ａ：高周波発生源、１０２ｂ，１０６ｂ：整合器、１０２ｃ：コイル、１０２ｄ：接続部、１０４：窓部材、１０５：駆動部、１０６：バイアス印加部、１０８：静電チャック、１０９：制御装置、１１２：蓋部、１３１：ステージ、１３２：支持シャフト、１５１：移動部材、１５２：サーボモータ、１５３：支持台、１７１：蛇腹、１８１，１８２：櫛歯状電極、１８３：絶縁膜、１９１：真空ポンプ、１９２：ガス供給源、３０１：第１基板、３０１ｓ，３０２ｓ：接合面、３０２：第２基板、１０２１：主部、１０２２：第１渦巻状部、１０２３：第２渦巻状部、１８１１，１８２１：第１導電部、１８１２，１８２２：第２導電部、１８１３，１８２３：第３導電部、１８１４，１８２４：第４導電部、Ｐ１：ガス供給管、Ｐ２：排気管

Claims

第１基板と第２基板とを接合する接合装置であって、
チャンバと、
前記チャンバ内に配置され鉛直上方に前記第１基板が載置されるステージと、
前記チャンバの前記ステージの鉛直上方の壁に設けられ鉛直下側に前記第２基板を保持する静電チャックが設けられるとともに、鉛直上側が前記チャンバの外に露出している窓部材と、
前記窓部材の鉛直上方に配置されたコイルを有し、前記コイルに高周波電流を流すことにより発生する高周波電磁場を、前記窓部材を通して、前記チャンバ内に供給された気体に印加することにより前記チャンバ内にプラズマを発生させる高周波印加部と、
前記ステージを前記窓部材へ近づく方向または前記窓部材から遠ざかる方向へ駆動する駆動部と、を備え、
前記静電チャックは、一対の櫛歯状電極を有する、
接合装置。
前記窓部材は、平面視円形であり、
前記一対の櫛歯状電極は、それぞれ、
直線状であり一端部が前記窓部材の周縁に位置し前記窓部材の中心に向かう第１方向に延在する第１導電部と、
前記第１導電部の他端部から前記窓部材の周縁に沿った第１周方向に延在する円弧状の第２導電部と、
直線状であり前記第２導電部から前記第１方向に直交する第２方向に延在するとともに、前記第１方向に沿って等間隔に配列する複数の第３導電部と、
前記第１導電部から前記窓部材の周縁に沿った前記第１周方向とは反対方向の第２周方向に延在する円弧状の第４導電部と、を有し、
前記第１方向において、前記一対の櫛歯状電極のうちの一方の第３導電部と他方の第３導電部とは交互に配列している、
請求項１に記載の接合装置。
前記ステージは、導電性材料から形成され、
前記ステージに高周波バイアスを印加するバイアス印加部を更に備える、
請求項１または２に記載の接合装置。