JPH0551270A - 静電接合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、導電性材料と絶縁性材料を気泡を
生成することなく接合する静電接合装置に関する。 【構成】 絶縁性材料の電圧印加面に設けられた複数の
電極と、該電極に接続された電圧印加手段と、導電性材
料と絶縁性材料との接合時に流れる接合電流を測定し、
該接合電流の変化に応じて信号を出力する制御手段とか
らなり、前記制御手段からの出力信号に基づいて前記電
圧印加手段により規則性をもって電極に電圧を印加する
ことを特徴とする静電接合装置。本発明の静電接合装置
により、欠陥のない静電接合を自動的に行うことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体や金属等の導電
性材料と、高温でイオン伝導物質として作用するガラス
等の絶縁性材料とを接合して電子デバイスを製作する際
に利用される静電接合装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子デバイスを構成する半導体材料と高
温でイオン伝導物質として作用する絶縁性材料とを接着
剤を使用することなく強固に接合する手段として、静電
接合方法が特公昭５３−２８７４７に開示されている。
そして、現在では前記静電接合方法も生産性の向上およ
びデバイスコストの低減を目的として、大面積のウェハ
単位で行われれ（以下、本発明ではウェハ接合と称す
る）、例えば半導体とガラスとのウェハ接合は、清浄・
平滑に仕上げした両者の接合面を重ね合わせた後、所定
の温度まで加熱して半導体ウェハを正、ガラスウェハを
負として両者の間に１０００Ｖ前後の直流電圧を１０分
程度印加して行っている。

【０００３】上記のウェハ接合において、ガラスウェハ
の接合面と相対する電圧印加面に接触し、負の電圧を印
加するための電極は、従来、針および棒状に加工した小
面積の金属材料を前記電圧印加面中央に接触させ、ある
いはガラスウェハとほぼ同面積の１枚の金属製円板を該
電圧印加面に接触させることによりなされていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の電
極を使用するにあたっては、例えば針および棒状に加工
した小面積の金属材料を電極とした場合は、電圧の印加
により接合面に発生する静電引力がウェハ中央部に効果
的に作用するものの周辺部においては静電引力が効果的
に作用しないため、中央部と比較して接合状態および強
度が異なり、周辺部にまで静電引力が効果的に作用しな
いことから、場合によっては周辺部が接合されないとい
う問題があった。このような中央部と周辺部とで接合状
態が異なる従来の静電接合方法は、製作される電子デバ
イスの接合強度に起因する特性のバラツキが生じるとい
う問題を呈していた。さらに、大面積のウェハに対し、
針および棒状からなる小面積の電極を使用して接合する
ことから、中心部の接合はすみやかに達成されるものの
周辺部まで接合されるには時間がかかり、生産性に悪影
響を及ぼしていた。

【０００５】一方、電極として１枚の金属製円板を使用
した場合、静電引力は全接合面にわたり概ね均等に作用
することから、前述の問題点は改善されるものの接合時
の状態を観察すると、両者の接合面全面にランダムに点
在する接触点から接合が開始されるため、接合進行の最
終部分においては両者の接合面積が等しくなくなり、通
常は厚みの薄い半導体ウェハが歪を受けて変形し、その
ため接合面に気泡が残留するといった問題を呈してい
た。接合面に存在する気泡は、接合歩留まりを下げ、結
果として製作されるデバイスコストを高める。一方で
は、気泡の存在によるデバイスの信頼性が懸念された。
また、静電接合が大面積で行われるため絶縁性材料のイ
オン伝導に基づき大量の接合電流が流れ、このため容量
の大きな電圧源が必要とされた。

【０００６】さらに上記従来のウェハ接合においては、
電極材料を直接ガラスウェハの電圧印加面に接触させる
ため、ガラスウェハ内のイオン伝導に基づき、陽イオン
が電圧印加面上に点在する電極との接触部分に集中して
析出し、この結果、凹凸が生成されてガラスウェハの電
圧印加面が粗面化されるといった問題を呈していた。こ
のガラスウェハの電圧印加面の粗面化は、例えば後工程
の金属パッケ−ジへのマウントにおいて、作業性や接着
強度を減じ、信頼性を損なうという結果をもたらしてい
た。

【０００７】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、その目的は導電性材料と絶縁性材料とを全接合面に
気泡が残留することなく、均質で接合強度の高い、また
絶縁性材料の電極との接触面を粗面化しない生産性の高
い静電接合装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、導電性材料と
絶縁性材料とを接触させて電圧を印加し、両者を接合さ
せるための静電接合装置において、絶縁性材料の電圧印
加面に設けられた複数の電極と、前記電極に接続された
電圧印加手段と、導電性材料と絶縁性材料との接合時に
流れる接合電流を測定し、該接合電流の変化に応じて信
号を出力する制御手段とからなり、該制御手段からの信
号に基づいて前記電圧印加手段により規則性をもって各
電極に電圧を印加することを特徴とする静電接合装置で
ある。

【０００９】上記構成において、電極は絶縁性材料の面
上で複数、面状に区分配列され、規則的に形成されてい
る。また、上記電極は物理的・化学的手段によって導電
性材料で形成され、化学的手段、例えばエッチングによ
って容易に除去可能なように形成されてもよい。本発明
における導電性材料は、金属あるいは半導体材料であ
り、絶縁性材料は導電性材料と熱膨張係数の近接した高
温で固体電解質（イオン伝導物質）として作用する結晶
化ガラスまたはガラス等である。これらの材料の接合面
は、平滑平面に仕上げられている。

【００１０】電圧印加手段は電源とスイッチを有し、上
記複数個の電極に対して独立して電圧を印加するもので
ある。

【００１１】制御手段は、前記電圧制御手段に接続さ
れ、接合電流をモニターし、その変化から接合状態を判
定する部分と、次の電極に電圧を印加するためのタイミ
ング信号を送る部分からなる。

【００１２】

【作用】ここで、上記のように構成した本発明の静電接
合装置の作用について説明する前に、本発明を成す至る
きっかけとなった接合現象をまず説明する。

【００１３】導電性材料としての半導体と絶縁性材料と
してのガラスとの静電接合において、両材料の接合面を
平滑平面とし、接合面同志を重ね合わせ加熱すると、ガ
ラスはイオン伝導物質として作用するようになる。この
とき、ガラスを負として両材料に１０００Ｖ前後の直流
電圧を印加するとガラス中の陽イオンがガラスの電圧印
加面に移動してイオン伝導による接合電流が流れる。接
合電流が流れると、両材料の接合面に静電気力が働いて
両同志が押しつけられ両材料は接合する。接合は最初は
狭い領域で行われ、その後面全域に拡大する。

【００１４】この静電接合の際に流れる接合電流を測定
すると、図９の線図に示すように、電圧印加直後の初期
段階でピークとなり、以後、時間とともに減少する。実
験による観察では、静電接合による接合面積と接合電流
とは密接に関係しており、温度、接合電圧等の接合パラ
メータを一定とした場合、接合電流は時間とともに減少
し、接合電流のピークに対する比率減少の様子（この比
率を以下、本発明では電流比と称する）は、接合面積
（図９中、１００ないし１０２で示す。）の拡大とよく
対応していることが明らかになった。即ち、前記電流比
が小さくなるにつれて接合部が周辺部へと拡大され、接
合面積が増加することがわかった。

【００１５】また、同図から接合面の半径が電極半径の
例えば２倍（領域１０１）になるときの接合電流は、接
合電流ピーク値に対して約１／２（電流比０．５）であ
り、それ以降に形成した接合領域１０２は１０１と比較
してさほど拡大していないことがわかる。このことか
ら、一つの電極にあまり長い時間をかけて電圧を印加し
ても静電接合は効果的に行われないと言える。よって電
極を複数で形成し、電極に電圧を印加した際の接合電流
をモニターし、その結果をもとに、規則性をもって各電
極に電圧を印加すれば効果的な静電接合がなされると考
えた。

【００１６】本発明の静電接合装置は、上記の実験結果
に基づいてなされたものであり、絶縁体の電圧印加面上
に導電性薄膜からなる複数の電極を形成し、電圧印加手
段を操作して、規則性をもって電極に電圧を印加し、接
合領域を拡大形成して静電接合を行うものである。

【００１７】本発明では、規則性をもって電圧を印加す
る手段として接合電流をモニターする制御手段から、接
合電流の変化に応じて電圧印加手段へタイミング信号を
出力することにより電圧を印加し、静電接合を行う。

【００１８】電極が複数の同心円状電極からなる場合
（図１）を例として、接合部の形成と装置の動作関係を
示すと次の様である。電圧印加手段により、まず中心部
の電極（第１の電極）に電圧を印加する。このとき、電
極に接合電流が流れるとともに中心部の接合が開始さ
れ、該接合電流は上昇しピーク（第１のピーク）を示し
た後時間とともに減少する。制御手段は該接合電流をモ
ニターする。時間の経過とともに中心部の接合領域は次
第に周辺部へと拡大し、接合電流はさらに減少する。そ
して、接合電流の減少率が所定値に達したとき、制御手
段はさらに中心部より一つ外側の電極（第２の電極）へ
電圧を印加するための信号を電圧印加手段に送る。第２
の電極に電圧が印加されると接合領域はさらに周辺部へ
と拡大する。そして、制御手段はさらに第３、第４の電
極へ電圧を印加するための信号を電圧印加手段に送る。
こうして外側の電極に対して順次電圧を印加し、最外周
の電極まで電圧が印加されたとき、気泡が残留すること
なく接合が完了する。

【００１９】なお、複数個で形成される電極の形状は前
述のような同心円状に限るものではなく、静電接合され
る材料のサイズ、接合条件により自由に選定できるもの
である。また、接合の判定基準とする電流の減少率は、
接合が良好に進行するように任意の値を決めることが可
能である。

【００２０】

【発明の効果】本発明の静電接合は、複数の電極に規則
性をもって接合のための電圧を印加するので、接合面の
必要な部分に電圧が供給され、そのため接合面が徐々に
大きく形成でき、大面積にわたり気泡を残留させること
なく導電性材料と絶縁性材料とが接合できる。しかも、
電極はエッチング等により容易に除去可能なように形成
されているため、絶縁性材料の電圧印加面は粗面化され
ることがない。

【００２１】

【実施例】

（第１実施例）図１は、本発明の静電接合装置に係わる
第１実施例を示す図である。図中導電性材料としての半
導体ウェハ１０はこの接合面１０Ａが平滑平面に仕上げ
されている。絶縁性材料としてのガラスウェハ２０は平
滑平面な接合面２０Ａを有し、前記半導体ウェハの接合
面１０Ａと重ね合わされ、その面は高温となりイオン伝
導物質として作用する。さらに４１ないし４５は、電圧
印加面２０Ｂ上に、同心円状に密着形成された複数の電
極であり、表１に示すように直径１０ｍｍの中心部の電
極を除き、幅４ｍｍで半径方向に約６．５ｍｍの間隔を
もって形成されている。また、電圧印加手段５０は、電
源７０と、制御手段３０からのタイミング信号８０によ
り操作される第１のスイッチ５１ないし第５のスイッチ
５５と、接合電流を電圧に変換し制御手段３０に入力す
るため、電源とスイッチとの間に接続された固有抵抗６
０とからなる。

【００２２】

【表１】

【００２３】制御手段３０は、固有抵抗６０の両端の電
圧を測定しこれをデジタル化するためのＡ／Ｄ変換器３
２と、該Ａ／Ｄ変換器３２からの出力によりスイッチ５
１ないし５５にタイミング信号８０を送るための制御部
３４とからなる。

【００２４】ここで本発明の第１実施例を示す図１にお
いて、接合電流をモニターする制御手段からのタイミン
グ信号によってスイッチ５１ないし５５を順次閉じてい
くことで気泡の無いウェハ接合が得られることについ
て、図２（ａ）、（ｂ）ないし図５（ａ）、（ｂ）を参
照しながらさらに説明する。

【００２５】図２（ａ）、（ｂ）および図３（ａ）、
（ｂ）は、複数のスイッチを順次閉じていくことで周辺
部へ拡大する接合領域１０３ないし１０６を示したも
の、図４（ａ）、（ｂ）および図５（ａ）、（ｂ）は、
図２（ａ）、（ｂ）および図３（ａ）、（ｂ）に対応し
て得られる接合電流を示したものである。

【００２６】図４（ａ）、（ｂ）および図５（ａ）、
（ｂ）において１２０は接合電流の時間変化を示す線
図、１２１および１２３ないし１２５は、スイッチ５１
ないし５５を順次閉じて電極４１ないし４５に電圧を印
加した時に流れる接合電流のピーク値を示す。また、図
４（ｂ）において１３１は、スイッチ５２を閉じるにあ
たり、制御手段から電圧印加手段へタイミング信号を出
力する場合の判定基準となる接合電流値の閾値である。

【００２７】さて、両材料を加熱した後の電圧印加に際
しては、まず制御手段３０から電源７０に電気信号９０
を出力してスイッチ７１を閉じる。

【００２８】次に制御手段３０から電圧印加手段５０に
タイミング信号８０を出力して、図２（ａ）に示すよう
に第１のスイッチ５１を閉じる。スイッチ５１を閉じる
と電極４１に電圧が印加され、両材料の中心部に効果的
に静電引力が作用し、接合領域１０３が形成される。こ
の時、抵抗６０およびＡ／Ｄ変換器３２を介して制御手
段３０でモニターされる接合電流は図４（ａ）のように
なり、接合電流１２０は電圧印加直後にピーク値１２１
を示してすぐに減少する。また、このとき制御手段３０
には、第１のピーク電流値１２１が記憶保持される。

【００２９】そして図２（ａ）に示す接合領域１０３
は、波紋状に気泡を残留することなく次第に周辺へ拡大
して行き、図２（ｂ）に示すように次に電圧印加する周
辺部の電極４２を越えて接合領域１０４を形成する。こ
のとき接合電流は図４（ｂ）のように、第２のスイッチ
５２を閉じるための判定基準となる接合電流値１３１よ
り小さくなるまで減少し、制御手段３０から電圧印加手
段５０へタイミング信号が出力されて第２のスイッチ５
２が閉じ、同時に制御手段３０で記憶保持された第１の
ピーク電流値１２１がリセットされる。

【００３０】なお、気泡のない信頼性の高い接合を達成
するため、接合の判定基準とする電流比は本実施例では
０．１とした。本第１実施例の図４（ａ）において、中
心部の電極４１に電圧印加した時の第１のピーク電流値
１２１は０．０５Ａであった。従って、次に電圧を印加
する電極４２に対応したスイッチ５２を閉じるタイミン
グ信号を出力する判定基準となる接合電流値１３１は
０．００５Ａとした。

【００３１】スイッチ５２を閉じることで電圧は電極４
２にも印加され、接合電流は再び上昇して第２のピーク
電流値（本第１実施例の場合は、０．１３Ａ）に達した
後、減少する。なお電極４２に電圧印加したときの第２
のピーク電流値が第１のピーク電流値よりも大きい理由
は、電極の面積が４２＞４１となっていることに起因す
る。また、前記第２のピーク電流値は制御手段３０に記
憶保持される。

【００３２】その後、接合領域はさらに周辺へと拡大
し、次に電圧印加する電極４３を越えて接合領域１０５
を形成する（図３（ａ））。このとき、接合電流は制御
手段３０に設定した電流比０．１に相当する判定基準の
接合電流値より小さくなるまで減少し、図３（ａ）に示
すように第３のスイッチ５３が閉じ、制御部において記
憶保持された第２のピーク電流値がリセットされる。

【００３３】スイッチ５３が閉じることで、図５（ａ）
に示すように接合電流１２０は、ピーク値１２３（本第
１実施例では０．２３Ａ）を示して減少する。そして図
３（ａ）に示す接合領域１０４は、電極４３を超えてさ
らに拡大する。

【００３４】第４のスイッチ５４および第５のスイッチ
５５についても、同様に制御手段３０からのタイミング
信号により順次閉じていき、最終的には図３（ｂ）に示
すように全てのスイッチが閉じて全接合面の接合領域１
０６が形成される。図５（ｂ）は、本発明の第１実施例
の静電接合方法により得られた図３（ｂ）に対応する接
合電流を示したもので、最外周の電極４５に電圧印加し
た時の第５のピーク電流１２５は０．５２Ａとなった。

【００３５】静電接合完了後、ガラスウェハ２０の電圧
印加面２０Ｂに薄膜形成した分割電極４１ないし４５を
エッチング除去して、電子デバイス用のウェハ接合試料
が出来上がる。

【００３６】以上が本発明の静電接合方法における第１
実施例を説明したもので、図６は電圧印加の工程をより
簡潔に示したフローチャートである。

【００３７】ところで上記第１実施例では主要構成をな
す制御手段が、電圧印加手段へタイミング信号を出力す
る機能の他に、モニターした接合電流からピーク電流値
を記憶保持・リセットする機能、そして予め同制御手段
に設定した減少率に対応して演算される接合電流値と、
モニター中の接合電流との比較判定機能等、複数の機能
を兼用した構成とした。

【００３８】（第２および第３実施例）図７および図８
は、上記制御手段における機能を複数の機器でハード構
成した本発明の第２実施例および第３実施例を示したも
ので、制御手段３０を構成する各機器を除く部分につい
ては第１実施例と同様であるのでその説明を省略する。
なお前記第２および第３実施例において接合電流をモニ
ターするにあたっては、制御部がアナログ回路として構
成できるため、図１に示したＡ／Ｄ変換器は省略してい
る。

【００３９】図７において抵抗６０を介してモニターさ
れる接合電流は、判定器３６に取り込まれるとともに該
接合電流の各ピーク値は順次ピークホールド３８に記憶
保持される。ピークホールド３８は、各電極にそれぞれ
電流比を予め設定した分圧器３５へピーク電流値を順次
出力し、分圧器３５はピークホールド３８より入力され
るピーク電流値と設定された各電流比とを演算してタイ
ミング信号８０を出力するための判定基準となる接合電
流値を順次判定器３６へ出力する。そして判定器３６で
はモニターした接合電流と、前記判定基準の接合電流値
とを比較して、モニター中の接合電流の方が小さくなっ
た時にピークホールド３８に記憶保持されたピーク電流
値をリセットするとともに電圧印加手段５０へタイミン
グ信号８０を出力する。

【００４０】一方、図８の第３実施例においては、電圧
印加手段５０へタイミング信号８０を出力するにあたり
ピークホールド３８および分圧器３５に代えて判定基準
となる接合電流値に対応する電圧値を判定器３６へ順次
出力するための基準電圧発生器３７とを備えて構成され
ている。基準電圧発生器３７には予め各電極に対応した
電圧値、即ちスイッチを閉じるための判定基準となる接
合電流に対応した電圧値が設定されており、図８におい
ても図１および図７と同様に、気泡が無く接合強度の高
い迅速な静電接合が得られる。

【００４１】以上は、電極が中心部と、前記中心部を取
り巻く同心円状として構成された場合を例にとって説明
したが、電極は同心円状に限定されず図１０および図１
１の線状の電極４１ないし４５および島状の電極４１な
いし４９として構成され、所定の手順に従って電圧印加
されることでも同様の効果が得られる。

【００４２】さらに図１、図７および図８の本発明の静
電接合装置においては、各電極に電圧印加した後に流れ
る接合電流をモニタ−し、前記接合電流がピーク電流値
に対する所定の比率以下に達した時点で電圧印加手段へ
タイミング信号を送信するようにした。しかし、実際に
は、ピーク電流値は各電極の面積に依存しており、単位
電極面積当りのピーク電流値は概ね一定であるため、前
記単位電極面積当りの接合電流をもとにタイミング信号
を出力する構成としても本発明と同様な接合が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す装置の構成図

【図２】（ａ）スイッチ５１を閉じたときの接合領域を
示す構成図 （ｂ）スイッチ５１を閉じたときの拡大する接合領域を
示す構成図

【図３】（ａ）スイッチ５３を閉じたときの接合領域を
示す構成図 （ｂ）全スイッチを閉じたときの接合領域を示す構成図

【図４】（ａ）図２（ａ）に対応する接合電流を示す線
図 （ｂ）図２（ｂ）に対応する接合電流を示す線図

【図５】（ａ）図３（ａ）に対応する接合電流を示す構
成図 （ｂ）図３（ｂ）に対応する接合電流を示す構成図

【図６】第１実施例における電圧印加手順を示すフロー
チャート

【図７】本発明の第２実施例の説明図

【図８】本発明の第３実施例の説明図

【図９】接合電流と接合領域との関係を示す説明図

【図１０】電極のその他の態様を示す構成図

【図１１】電極のその他の態様を示す構成図

【符号の説明】

１０ 半導体ウェハ ２０ ガラスウェハ ３０ 制御手段 ４０ 電極 ５０ 電圧印加手段 ６０ 抵抗 ７０ 電源 ３２ Ａ／Ｄ変換器 ３５ 分圧器 ３６ 判定器 ３７ 基準電圧発生器 ３８ ピークホールド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚田 厚志 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性材料と絶縁性材料とを接触させて
   電圧を印加し、両者を接合させるための静電接合装置に
   おいて、 前記絶縁性材料の電圧印加面に設けられた複数の電極
   と、 前記電極に接続された電圧印加手段と、 前記導電性材料と絶縁性材料との接合時に流れる接合電
   流を測定し、該接合電流の変化に応じて信号を出力する
   制御手段とからなり、 前記制御手段からの出力信号に基づいて前記電圧印加手
   段により規則性をもって各電極に電圧を印加することを
   特徴とする静電接合装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の絶縁性材料の表面に形成
   する複数の電極は、物理的・化学的手段で形成してなる
   ことを特徴とする静電接合装置。