JPH08195333A - 単結晶シリコン積層構造体の無歪み接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】マイクロマシンに関する複雑な三次元微小構造
体をウェハサイズで高精度に接合させるための接合方法
を提供する。 【構成】シリコン単結晶基板に任意の構造体を形成し、
それらの基板をクラス１００以下のクリーンルーム内で
貼り合わせて任意の数だけ積層し、その後、電気炉の中
で、２００℃から６００℃の温度範囲で、積層された最
外層のウェハの片面から、気体もしくは液体を含む加圧
材の圧力を印加して加圧し、仮接合を行う第一の工程お
よび高温でしかも無加圧で９００℃以上の温度で積層シ
リコンウェハを接合する第二の工程を行う無歪み接合方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロマシンに関する
複雑な三次元微細構造体の製造方法に係り、特に、複数
のシリコン構造体をウェハサイズで接合させるための方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン基板の接合技術には多種の技術
があるが、例えば、シリコンウェハの接合に関する技術
には、加圧力を加えないで接合を行う方法及び加圧力を
加えて接合を行う方法がある。

【０００３】前者の例として、応用物理第６０巻第８号
（１９９１）Ｐ７９０〜Ｐ７９３に記載されている誘電
体分離型基板（silicon on insulator基板）形成技術が
ある。この技術では鏡面加工を施した２枚のシリコンウ
ェハ表面にＯＨ基を形成して、室温において貼り合わせ
を行う。この時、２枚のウェハは表面上のＯＨ基同士の
水素結合によって、３〜５kgｆ／cm² の接合力で接合さ
れる。より大きな接合力を得たい場合には無荷重で１０
００℃以上の高温熱処理を行うことで、８００kgｆ／cm
² 以上の接合力が得られる。上記技術では、シリコン面
同士，シリコン酸化膜同士もしくはシリコン面とシリコ
ン酸化膜との直接接合が可能である。いずれの場合も接
合するシリコンウェハ表面には局部的にエッチングした
凹部はなく、平坦であることがウェハ全面での接合を容
易にしている。

【０００４】加圧力を加えずに接合を行う場合、日経マ
イクロデバイス１９８８年３月号Ｐ８５〜Ｐ９１によれ
ば、ウェハの表面粗さが１３ｎｍ以上では接合されない
と記載されている。すなわち、上記の方法におけるシリ
コンの直接接合では、ウェハの表面粗さは１３ｎｍ以下
に加工しなければならない。また、その場合のウェハの
反りは５０μｍ以下で６インチウェハまで接合すること
が可能であると記載されている。

【０００５】一方、後者のウェハを加圧して接合する技
術として、例えば、シリコンウェハを均一に接合するた
めの治具として特開平4−373118 号公報がある。この方
法ではシリコンウェハを炭素と石英の押え板で挾み、加
熱した際、炭素と石英の厚み方向の熱膨張差を利用して
シリコンウェハに大きな加圧力を印加させるものであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】微細な構造体を加工し
た複数のシリコンウェハをウェハサイズで接合をしよう
とすると、従来の技術では以下のような問題が生じる。

【０００７】一般に両面研磨を施した購入シリコンウェ
ハの１枚のウェハ内の厚みのばらつきは、少なくとも±
５μｍ程度ある。ウェハを接合に用いる場合、ウェハを
加圧せずに接合する方式では、半導体プロセスを用いて
シリコンウェハに構造体を作り込む工程でウェハの厚み
誤差または反り等はそのままである。そのため、シリコ
ンウェハ全面を均一に研磨加工を施すことが必要であ
る。その場合、ウェハは表面粗さが１３ｎｍ以上では接
合されないため、ウェハ表面を１３ｎｍ以下の鏡面にな
るまで研磨加工しなければならない。一方、ウェハを加
圧して接合する方式では、シリコンウェハ全面を均一に
加圧して接合することが困難である。より詳細な説明を
図６を参照して行う。図６は従来ウェハ間の接合を平面
で加圧する機構の説明図を示す。図のように２枚のウェ
ハを平面で加圧してもウェハ面内の一部しか加圧され
ず、シリコンウェハ全面を均一に接合することが困難で
ある。また、無理に大きな加圧力を加えるとシリコンウ
ェハに歪みを残す原因となる。

【０００８】一方、シリコンは高温でヤング率が急激に
低下する。言いかえれば、高温で積層シリコン基板に加
圧力を加えることは、基板に歪みを残すかもしくは塑性
変形を与えることになる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明は室温において、構造体が形成されたシ
リコンウェハもしくは構造体が形成されていないシリコ
ンウェハを目的の数だけ組み合わせて、各ウェハを洗浄
後、クラス１００以下のクリーンルーム内で貼り合わせ
て積層し、その後、２００℃から６００℃の温度範囲
で、積層された最外層のウェハの片面もしくは両面か
ら、気体もしくは液体を含む加圧材の圧力を印加して加
圧するか、複数本の加圧棒を用いて加圧するか、もしく
はシリコンウェハ全面を均一に加圧する他の方法を用い
て加圧し、仮接合を行う第一の工程および高温でしかも
無加圧で９００℃以上の温度で積層シリコン基板を接合
する第二の工程を行う。

【００１０】上記の方法では、低温で、積層シリコン基
板に加圧力を加えているため基板に無理な歪みが加わる
ことがない。また、シリコンウェハ面を均一に圧力を印
加させることが可能であり、シリコンウェハの厚みにば
らつきがある場合でも、ウェハ面内で局部的な加圧状態
とならずに良好な無歪み接合が実現できる。

【００１１】

【作用】本発明によれば、構造体が形成されたシリコン
ウェハを任意の数だけ組み合わせて積層し、積層シリコ
ン基板を気体もしくは液体を含む加圧材の圧力を用いて
低温で、加圧しているため、ウェハ面には均一に加圧力
が加わることになる。それにより、ウェハの厚みのばら
つき及びうねり等が存在しても、ウェハ全面に均一に加
圧力が加わり、局所的な変形ならびに局部加圧による割
れ，局所的な残留応力及び未接合部の発生が防止され
る。また、加圧棒方式を用いた場合も同様に、ウェハ面
には均一に加圧力が付加される。これは、加圧力を均一
に分担するためである。

【００１２】さらに、第一の工程において、低温で加圧
力が付加されるため、積層ウェハには歪みが残らない。
また、高温領域ではシリコンのヤング率が減少し、歪み
が発生しやすい。そのため第二の工程では、高温でしか
も無加圧で接合を行い、無歪み接合が実現できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の各実施例を各図を参照して説
明する。

【００１４】図１は本発明の単結晶シリコン積層構造体
の無歪み接合方法を示すシリコン積層接合用接合装置の
断面図である。接合方法は二つの工程からなる。初めに
第一工程について説明する。１は積層したシリコンウェ
ハで３層のウェハからなっており、構造体が多数形成さ
れている。構造体の形成には例えば、半導体プロセスに
代表されるような微細加工が適用される。積層シリコン
ウェハ１の片面にシール材６を介して圧力容器３が配置
されており、上側ロッド２によって固定されている。積
層シリコンウェハ１の加圧面は気体もしくは液体を含む
加圧材５の圧力を利用することによって加圧される。そ
の圧力は圧力計４およびバルブ８によって制御される。
なお、加圧は積層シリコン基板の最上層または最下層の
いずれか一方もしくは両方から行っても良い。上側ロッ
ド２の荷重はロードセル１０で測定される。積層シリコ
ンウェハ１および加圧機構部は容器１１の中に保持され
ており、大気とは遮断されている。容器１１は雰囲気制
御バルブ９を介して、真空状態でも加圧状態でもどちら
の雰囲気にでも調整することができる。また、加熱はヒ
ータ７で行う。第一工程での加熱は２００℃から６００
℃の温度範囲で行い、積層シリコンウェハの仮接合を行
う。この際、個々のシリコンウェハは均一に加圧される
ため、ウェハの厚みのばらつき及びうねり等が存在して
も、ウェハ全面に均一に加圧力が加わり、局所的な変形
ならびに局部加圧による割れ，局所的な残留応力及び未
接合部の発生が防止される。なお、本実験では加熱温度
３００℃，気体の圧力０.２ＭＰａ の条件下で２ＭＰａ
の接合強度を得た。

【００１５】次に第二工程では上側ロッド２を上昇さ
せ、さらに気体もしくは液体を含む加圧材３の圧力を取
り除き、積層シリコンウェハ１に加わる圧力を無加圧状
態とし、９００℃以上で加熱して直接接合させる。接合
方法とは別に図２に示すように第一工程で積層シリコン
ウェハの仮付け処理をした後、第二工程で複数の積層シ
リコンウェハを高温，無荷重で加熱処理する方法を用い
ても良い。その場合には積層シリコンウェハの保持方向
は水平でも垂直でもどちらでも良い。

【００１６】本発明におけるシリコンウェハの組み立て
は、室温において、各ウェハを洗浄後、クラス１００以
下のクリーンルーム内で目的の数だけ貼り合わせて積層
すれば良い。

【００１７】本発明の加圧機構の詳細な説明を図３を参
照して行う。図３は図１の加圧機構部を簡略化したもの
で、積層シリコンウェハ１の片面に上側ロッド２には任
意の加圧力Ｗ（以下、ロッド荷重Ｗと記載する。）が加
えられる。圧力容器３には気体もしくは液体を含む加圧
材５が導入され、任意の加圧圧力Ｐが加えられている。
さらに、上側ロッド４およびシール材６の表面は十分に
高い平面度と平滑さを備えるよう、高精度に加工されて
いる。

【００１８】次に本発明第一の実施例でのウェハの加圧
制御線図を図４に示す。横軸に圧力容器３に印加する加
圧圧力Ｐを、縦軸にロッド荷重Ｗを示した。初期状態で
は加圧圧力の有無にかかわらず、積層されたシリコンウ
ェハの積層状態を維持するために外周部に一定の微小荷
重を加える必要がある。この場合、微小荷重より大きな
荷重を印加すると、熱処理時にウェハの外周部が拘束さ
れているため、ウェハの反りが矯正される時に歪みを残
すことになる。その後、加圧圧力Ｐはウェハの撓みを抑
制するために、圧力を高く設定するが、その場合、シリ
コンウェハの外周部から圧力容器に導入された気体もし
くは液体を含む加圧材の漏れを防止するため、及びウェ
ハ全面にわたって均一な加圧力を加えるため、ロッド荷
重Ｗを加圧圧力Ｐに比例させて増加させる必要がある。

【００１９】ところで、シリコンウェハに反りがある場
合にこれを矯正するのに必要な加圧圧力Ｐの値は数１で
表すことができる（引用文献；材料力学公式集，コロナ
社１９７８年）。

【００２０】

【数１】

【００２１】例えば、接合前のウェハの板の撓み部分の
外半径が２cmで初期反り量が２０μｍの場合、加圧圧力
は約３.５×１０⁴Ｐａである。

【００２２】詳細にはロッド荷重Ｗ及び圧力容器３に印
加する加圧圧力Ｐをバランス良く設定することにより、
圧力容器３から気体もしくは液体を含む加圧材の漏れを
防止するとともにシール部分を含めてウェハ全面に均一
な圧力分布を生じさせることができる。すなわち、積層
シリコンウェハ１に不必要な加圧力が加わることなく、
局所加圧による変形ならびに無理な歪みによる割れ，局
所的な残留応力及び未接合部の発生が防止される。

【００２３】さらに本発明では上記の加圧方式とは別の
機構の断面図を図５に示した。支持台１３に挿入された
積層シリコンウェハ１を片側から数本の加圧棒１４を用
いて加圧する。なお、加圧棒１４は支持治具１５によっ
て支持されている。この方式も積層シリコンウェハを均
一に加圧することができる。また、本発明では第一工程
において均一に加圧できる機構であれば他の方法を適用
しても良い。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、ウェハの厚みのばらつ
きまたは反り等が存在しても、ウェハ全面に均一な加圧
力が加わり、しかも加圧は第一の工程だけで行われてい
るため、積層シリコン基板には接合中、無理な歪みもし
くは局部加圧による変形などが加わることがなく、ウェ
ハサイズでシリコン構造体を無歪みで接合することが可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を表す接合方法の説明図。

【図２】本発明の一実施例を表す第二工程の積層ウェハ
保持方法の説明図。

【図３】本発明の一実施例を表す接合装置加圧機構の説
明図。

【図４】本発明第一の実施例での制御線の特性図。

【図５】本発明の別の加圧方式を表す接合方法の説明
図。

【図６】従来の接合装置加圧機構の断面図。

【符号の説明】

１…積層シリコン基板、２…上側ロッド、３…圧力容
器、５…気体もしくは液体を含む加圧材、６…シール
材、７…ヒータ、１０…ロードセル、１３…支持台、１
４…加圧棒、１５…支持治具、１６…錘。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】構造体が形成された単結晶シリコン基板も
   しくは構造体が形成されていない単結晶シリコン基板を
   複数枚組み合わせて積層し、積層接合を行う接合方法に
   おいて、積層シリコン基板を低温で加圧し、積層シリコ
   ン基板を仮接合する第一の工程および高温で、無加圧で
   積層シリコン基板を本接合する第二の工程を用いて接合
   することを特徴とする単結晶シリコン積層構造体の無歪
   み接合方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第一の工程におけ
   る積層シリコン基板を加圧する方法は前記積層シリコン
   基板の最上層または最下層のいずれか一方もしくは両方
   から前記積層シリコン基板の外周部でシールを行い、前
   記シール内で気体もしくは液体を含む加圧材の圧力を用
   いて仮接合する単結晶シリコン積層構造体の無歪み接合
   方法。