JPH09246127A

JPH09246127A - 陽極接合方法

Info

Publication number: JPH09246127A
Application number: JP4604096A
Authority: JP
Inventors: Hideki Sasaki; 佐々木　　秀樹; Masahito Hashimoto; 雅人橋本; Keiichi Shimaoka; 敬一島岡
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】接合しようとする基板の少なくとも一方の基板
について、基板自体の形態を接合面側に凸状に形成する
ことにより、基板同士を、特殊な荷重方法あるいは装置
を用いることなく簡易に密着させて陽極接合する。【解決手段】シリコン基板２と他の基板１０とを重ね合
わせ、これらの基板２，１０間に電圧を印加することに
より、これらの基板２，１０を接合する陽極接合方法で
あって、シリコン基板２の一表面と他表面に互いに膜厚
の異なる酸化膜４，６を形成し、膜厚の厚い酸化膜４の
表面にガラス層８を形成し、このガラス層８に他の基板
１０を重ね合わせる。この状態では、基板２、１０がガ
ラス層８を介して簡易に密着され、良好に陽極接合され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は陽極接合方法に関
し、特に、接合しようとする２枚の基板を簡易な方法に
よって密着させることによって良好に基板を接合させる
陽極接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、陽極接合法は、例えば、シリコン
基板とガラス基板を接合する場合、あるいは、マイクロ
マシニングセンサのシリコン構造体等を形成するのにガ
ラス層を介してシリコン基板同士を接合させる場合に多
く用いられている。陽極接合法は、シリコンとガラスと
を、ガラスをその融点以下の温度に加熱するとともに、
両者間に電圧を印加することにより、両者を直接接合す
る方法である。例えば、ガラスの加熱温度を４００〜５
００℃とし、両者を密着させて、シリコン側を陽極と
し、ガラス側を陰極として、電圧を印加する。この結
果、ガラスとシリコンとの間に静電引力が発生するとと
もに、ガラス中の酸素イオンが強電界によってシリコン
側に移動して、シリコン原子と結合することによってシ
リコンとガラスとが接合される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここに、例えば、陽極
接合法を用いてシリコン基板とシリコン基板とを接合す
る場合について説明する。この場合、あらかじめ、一方
のシリコン基板の接合面側表面にガラス層を被着させて
おく。しかしながら、シリコン基板は、完全な平坦状で
なく、一側に凸状あるいは凹状の反りを有している。こ
の反りのため、図６に示すように、ガラス層６２を被着
したシリコン基板６０は、そのガラス層６２側に凹状に
反っている場合もあり（図６（ａ）参照）、ガラス層６
２側に凸状に反っている場合もある（図６（ｂ）参
照）。しかし、接合しようとするシリコン基板６０が接
合面側に凹状に反っている場合（図６（ａ）参照）に
は、凸状に反っている場合（図６（ｂ）参照）に比較し
て、接合に際して両基板を密着させるのに大きな荷重が
必要となってしまう。したがって、少なくとも一方の基
板を接合面側に凸状にすることによって、大きな荷重を
かけることなく密着することができるようにする必要が
ある。

【０００４】特開平７−１８３１８１号公報には、機械
的にシリコン基板を接合面側に凸状に反らせた状態で陽
極接合する技術が開示されている。この技術では、図７
及び図８に示すように、接合開始時においては、ガラス
基板１００に対向配置されたシリコン基板１１０の外周
縁の４点をスライダー１２０で上方に持ち上げるととも
に、中心を上部電極で押し下げることで、シリコン基板
１１０を接合面側に凸の状態とする。そして、シリコン
基板１１０の中心部から外周側へ接合が進行するととも
に、徐々に反りを解除してガラス基板１００との密着面
積を拡大させていく。このとき、スライダー１２０を徐
々に外方に移動させていく。このように従来技術では、
特殊な陽極接合装置１３０を用いる必要がある。そこ
で、本発明では、接合しようとする基板の少なくとも一
方の基板について、基板自体の形態を接合面側に凸状に
形成することにより、基板同士を、特殊な荷重方法ある
いは装置を用いることなく簡易に密着させて陽極接合す
る方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記した技術的課題を解
決するため、本発明者らは、酸化膜等の膜を接合しよう
とする基板の表面に形成することにより、基板自体の反
りを制御できることに着目し、本発明を完成した。すな
わち、第１の発明は、２枚の基板を重ね合わせ、これら
の２枚の基板間に電圧を印加することにより、これらの
基板を接合する陽極接合方法であって、接合しようとす
る一方の基板の少なくも一方の面に、その基板の一表面
側において他表面よりも相対的に強い引張り力を作用さ
せる膜を形成して、この基板を前記一表面側に凸状にす
る工程と、前記一方の基板の前記一表面側に他の基板を
重ね合わせる工程、とを付加したことを特徴とする。

【０００６】この発明によれば、一方の基板の少なくと
も一方の面に形成された膜により、一表面側に強い引張
り力が作用し、その一表面側が引き伸ばされて、その一
表面側が凸となる。このため、一方の基板自体の形態が
一表面側に凸状とされる。この基板の一表面側と他の基
板とを重ねると、一方の基板自体の形態が接合面側に凸
状であるために、簡易に両基板が密着される。このた
め、両基板は良好に接合される。

【０００７】ここで、基板の一表面側において、他表面
側よりも相対的に強い引張り力を作用させる膜には各種
の態様が存在し、第１の態様では、その一表面側に圧縮
応力状態の膜を形成する。この圧縮応力状態の膜によっ
て、基板の一表面側には引張り力が作用する。この他、
第２の態様として、一表面側に圧縮応力状態の膜を形成
し、他表面側に引張り応力状態の膜を形成する態様もあ
り、この場合、基板の一表面側に引張り力が作用して他
表面側に圧縮応力が作用する。

【０００８】また、第３の態様として、他表面にのみ引
張り応力状態の膜を形成してもよく、この場合、基板に
は他表面において圧縮応力が作用して、相対的に一表面
側に引張り力が作用する状態となる。さらに、後述する
ように、第４の態様として、両面に形成した圧縮応力状
態の膜あるいは引張り応力状態の膜の膜厚を互いに変え
て、圧縮応力あるいは引張り応力を相対的に変えること
により、一表面側に相対的に強い引張り力を作用させる
こともできる。

【０００９】また、第１の発明において、前記一方の基
板の前記一表面側に圧縮応力状態の膜を形成し、その圧
縮応力状態の膜の表面にガラス層を形成し、このガラス
層に他の基板を重ね合わせる構成とすることもできる。
この発明によると、一表面側に形成された圧縮応力状態
の膜は、その基板の一表面側に引張り力を作用させて、
その一表面側に凸に反らせる。この圧縮応力状態の膜の
表面に形成したガラス層に他の基板を重ね合わせると、
ガラス層を介して両基板は簡易に密着される。

【００１０】第２の発明は、シリコン基板と他の基板と
を重ね合わせ、これらの基板間に電圧を印加することに
より、これらの基板を接合する陽極接合方法であって、
シリコン基板の一表面と他表面に互いに膜厚の異なる酸
化膜を形成する工程と、膜厚の厚い酸化膜の表面にガラ
ス層を形成する工程と、このガラス層に他の基板を重ね
合わせる工程、とを付加したことを特徴とする。この発
明によると、シリコン基板の一表面と他表面に互いに膜
厚の異なる酸化膜が形成される結果、シリコン基板の一
表面側と他表面側の酸化膜には、圧縮応力の差が形成さ
れる。すなわち、シリコン基板において、厚い酸化膜で
は、より大きな圧縮応力の状態となるため、厚い酸化膜
が形成された基板の一表面側が、他表面側に比して、よ
り伸長され、凸状となる。このために、シリコン基板と
他の基板とがガラス層を介して簡易に密着され、両基板
は良好に接合される。なお、酸化膜の表面にガラス層が
形成されることにより、ガラス層と前記一方の基板との
密着性が確保されるとともに耐圧も確保される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。本発明の陽極接合方法により接合し
ようとする基板は、陽極接合可能な組み合わせの基板で
あればよい。したがって、ガラス−シリコン、ガラス−
金属、ガラス−酸化シリコン等の各種基板の組み合わせ
が可能であり、また、これらの基板の組み合わせのう
ち、一方あるいは双方が表層膜として形成されている基
板であれば接合することができる。また、基板の形態や
加工状態を特に問わない。

【００１２】接合しようとする基板のうちの前記一方の
基板がシリコン基板であることが好ましい。前記一方の
基板がシリコン基板であると、シリコン基板の反りのば
らつき範囲を越えて確実に一表面側に凸状に形成して、
密着を容易にすることができるからである。また、シリ
コン基板には、加熱処理により容易に圧縮応力状態の膜
である熱酸化膜を形成できるからである。さらに、接合
しようとする基板がいずれもシリコン基板であることが
好ましい。これにより、シリコン基板同士が簡易に密着
され、良好に陽極接合されるからである。シリコン基板
同士を接合するのは、複数のシリコン構造体を接合する
マイクロマシニングセンサの製造において特に有用であ
る。

【００１３】一方の基板の一表面及び／又は他表面に形
成される膜としては、表面改質による場合には、表面の
熱処理による酸化膜や、熱拡散やイオン注入による各種
イオンの拡散層等を挙げることができ、表面堆積による
場合には、ＣＶＤ法やＰＶＤ法、スパッタ法等による酸
化膜、窒化膜、ガラス膜、ＰＳＧ膜、ＢＳＰＧ膜、金属
膜等を挙げることができる。圧縮応力状態の膜として
は、熱酸化膜が好ましい。一方の基板がシリコン基板の
場合には、簡易に熱酸化膜が形成され、また、熱酸化膜
は、圧縮応力が大きいからである。

【００１４】また、膜を形成して基板を一表面側に凸状
にするには、処理前の基板が有する反りを考慮する必要
がある。例えば、シリコン基板自体の反りは、通常±２
０μｍである。したがって、この反りのバラツキをカバ
ーし、なお、凸状に形成するように、膜の膜厚や、熱膨
張係数が考慮される。例えば、シリコン基板の表面に熱
酸化膜を形成した場合に、この熱酸化膜の膜厚差とシリ
コン基板の反りとの関係を図４に示す。この図４（ａ）
においては、縦軸に得られた反りの量（μｍ）、横軸に
一表面の熱酸化膜の膜厚Ｔ１から他表面の熱酸化膜の膜
厚Ｔ２を差し引いた値（ΔＴｏｘ）が示されている。そ
して、シリコン基板の反りのばらつき範囲である±２０
μｍ（図中、一点鎖線で示す範囲）を越える凸状反り
（＋方向の反り）を得るには、ΔＴｏｘが１．２μｍ以
上の場合である（図中、点線で示す境界よりも右側の範
囲）。なお、ここでいうシリコン基板の反りの方向につ
いては、図４（ｂ）に示されている。したがって、シリ
コン基板の一表面側と他表面側に互いに膜厚の異なる酸
化膜を形成する場合には、一表面側の酸化膜の膜厚は他
表面側の酸化膜の膜厚よりも１．２μｍ以上厚いことが
好ましい。なお、適用するシリコン基板の厚さ等に応じ
て、酸化膜厚差ΔＴｏｘを適宜調整することが可能であ
る。

【００１５】基板をガラス層を介して接合する場合に
は、ガラス層は一表面側に凸状に形成した一方の基板、
あるいは他方の基板のいずれの基板の表面に形成しても
よい。ただし、一方の基板の一表面側に形成した膜の表
面にガラス層を形成することが好ましい。前記一表面側
に形成した膜の種類によっては、ガラス層と陽極接合し
にくい場合もあるからである。また、ガラス層を形成す
る一方の基板とガラス層との密着性を考慮すると、前記
一表面側に形成する膜は、シリコン酸化膜であることが
好ましい。なお、ガラス層を形成するには、スパッタ等
により堆積して形成する方法をはじめとして、他の公知
の方法を用いることができる。ガラス層には、各種ガラ
ス材料を用いることができるが、被接合材料と熱膨張係
数が近い値を有するガラス材料を用いることが好まし
い。例えば、シリコン基板に対しては、パイレックス
（商品名）：Ｎａ₂Ｏ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系等のガラ
ス材料が適用可能である。

【００１６】次に、このように一表面側に凸状に形成し
た基板と他の基板とを陽極接合する。図５に示すよう
に、シリコン基板の一表面側の凸状面に他の基板を重ね
合わせて接合すると、反り量に関係なく、ほぼ２０Ｖの
電圧印加により接合が開始される。これに対して、シリ
コン基板の反りが一表面側に凹状である場合には３００
Ｖの電圧を印加しても接合されない。これは、凸状反り
の場合には、両基板の密着が得られやすく、電圧の印加
による静電引力の発生により容易に接合が開始されるこ
とによる。

【００１７】なお、本発明では、以上の実施の形態に基
づいて、以下の態様を採ることもできる。（１）２枚の基板を重ね合わせ、これらの基板間に電圧
を印加することにより、これらの基板を接合する陽極接
合方法であって、接合しようとする一方基板の一表面側
に引張り応力膜を形成して、この基板を他表面側に凸状
にする工程と、前記一方の基板の他表面側に他の基板を
重ね合わせる工程、とを付加したことを特徴とする陽極
接合方法。（２）２枚の基板を重ね合わせ、これらの基板間に電圧
を印加することにより、これらの基板を接合する陽極接
合方法であって、接合しようとする一方の基板の一表面
側にガラス層を形成して、この基板を前記一表面側に凸
状に形成する工程と、このガラス層に他の基板を重ね合
わせる工程、とを付加したことを特徴とする陽極接合方
法。この構成によると、ガラス層の形成によって、一方の基
板がガラス層を形成した側に凸状に形成される。このガ
ラス層を介して他の基板と重ねることにより、簡易に密
着状態が得られ、良好な接合状態が得られる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明につき、実施例を挙げて具体的
に説明する。図１には、本実施形態の工程に対応するチ
ップの断面図が示されている。まず、図１（ａ）に示す
ように、シリコンチップ２を熱酸化して、チップ２の表
面と裏面とに、それぞれ熱酸化膜４、６を形成する。熱
酸化膜４、６は、熱処理の時間に応じて同じ膜厚に形成
される。また、熱処理により、熱酸化膜４、６に強い圧
縮応力が作用した状態となっている。

【００１９】次に、図１（ｂ）に示すように、プラズマ
エッチングで、裏面の酸化膜６を全面的にエッチング
し、酸化膜６をチップ２の面全体で薄くする。本例の場
合には、熱酸化膜４の膜厚Ｔ１から熱酸化膜６の膜厚Ｔ
２を差し引いた数値（ΔＴｏｘ）が１．２μｍ以上とな
るように熱酸化膜６をエッチングした。

【００２０】このように、酸化膜４の膜厚Ｔ１を酸化膜
６の膜厚Ｔ２より厚くするように形成し、チップ２の表
面側の酸化膜４に、チップ２の裏面側の酸化膜６よりも
大きな圧縮応力が作用する状態としたところ、チップ２
の表面側が裏面側に比して大きく伸長され、表面側に凸
状に反ったチップ２を得ることができる（図１（ｃ）参
照）。さらに、図１（ｄ）に示すように、このチップ２
に対し、ガラス基板をターゲットとして、イオンをター
ゲットに衝突させてターゲット原子を弾きだす、スパッ
タ法により、酸化膜４の表面にガラスを堆積させて、ガ
ラス層８を形成する。ガラス層８は、凸状に反ったチッ
プ２の酸化膜４表面に形成され、チップの凸状形態は維
持されている。

【００２１】次に、図１（ｅ）に示すように、このよう
に加工したチップ２を他の基板であるシリコンチップ１
０とを、陽極接合装置において重ね合わせる。この際、
他方のシリコンチップ１０の接合面に対して、凸状のガ
ラス層８を重ねる。この際、チップ２が接合面側に凸状
に反った形態となっているために、チップ２とチップ１
０とをガラス層８を介して密着させるために要する荷重
が少なく、特殊な装置を備えなくても、両者を簡易に密
着させることができる。そして、ガラス層８を加熱する
とともに、陽極側をシリコンチップ１０とし、陰極側を
シリコンチップ２として電圧を印加する。この結果、シ
リコンチップ１０とガラス層８の接合面側で静電引力が
発生するとともに、共有結合が形成されて、チップ２と
チップ１０とは接合され、シリコン構造体１２が得られ
る（図１（ｆ）参照）。

【００２２】このように、ガラス層８を介したチップ２
とチップ１０との密着が簡易に得られるため、良好な接
合状態が得られる。このような発明の実施の形態は、具
体的には、図２に示す容量型加速度センサ２０や図３に
示す４本梁を有する加速度センサ４０に適用することが
できる。このセンサ２０においては、シリコンからなる
上部電極２２とシリコンからなるセンサ部２４が接合さ
れている。この場合、上部電極２２の接合面側となる酸
化膜２６の膜厚を反対側の酸化膜２８の膜厚よりも１．
２μｍ以上厚くしておけば、接合面側に凸状となる。そ
して、この酸化膜２６の側にガラス層３０を形成すれ
ば、シリコンのセンサ部２４と上部電極２２とがガラス
層３０を介して簡易に密着され、センサ部２４と上部電
極２２が良好に接合される。なお、下部電極３２とセン
サ部２４についても同様にして接合される。

【００２３】また、図３に示す加速度センサ４０におい
ては、台座となるシリコンチップ４２とシリコン製のセ
ンサ部４４とが接合されている。この場合、チップ４２
の接合面側の酸化膜４６を反対側の酸化膜４８の膜厚よ
りも１．２μｍ以上厚くしておくことにより、チップ４
２が本来有している反りを確実に相殺して、センサ部４
４の側に凸状に形成することができる。この酸化膜４６
の表面にガラス層５０を形成して、ガラス層５０にセン
サ部４４を重ねれば、センサ部４４とチップ４２とは簡
易に密着され、良好に接合される。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
接合しようとする基板を特殊な装置や荷重方法を用いる
ことなく簡易に密着させることができるため、良好な陽
極接合が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の工程を断面構造で示す図であ
る。

【図２】本発明を、４本梁を有する加速度センサに適用
した例を示す図である。

【図３】本発明を、容量型加速センサに適用した例を示
す図である。

【図４】シリコン基板の反りと、このシリコン基板の表
裏面に形成した熱酸化膜の膜厚差（ΔＴｏｘ）との関係
を示す図（ａ）と、シリコン基板における反りの方向を
示す図（ｂ）である。

【図５】シリコン基板の反りと接合開始電圧との関係を
示す図である。

【図６】従来において、シリコン基板とシリコン基板と
をガラス層を介して接合しようとする状態を示す図
（ａ）及び（ｂ）である。

【図７】スライダーをシリコン基板の外周側に差し込む
機械的操作により、シリコン基板をガラス基板側に凸状
に形成して密着状態を得るようにする装置を示す図であ
る。

【図８】図７の装置において、シリコン基板に対するス
ライダーの移動方向を示す図である。

【符号の説明】

２，１０基板（シリコンチップ）４圧縮応力状態の膜（熱酸化膜）８ガラス層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋本雅人愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者島岡敬一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

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の基板を重ね合わせ、これらの２枚の
基板間に電圧を印加することにより、これらの基板を接
合する陽極接合方法であって、接合しようとする一方の基板の少なくも一方の面に、そ
の基板の一表面側において他表面側よりも相対的に強い
引張り力を作用させる膜を形成して、この基板を前記一
表面側に凸状にする工程と、前記一方の基板の前記一表面側に他の基板を重ね合わせ
る工程、とを付加したことを特徴とする陽極接合方法。
【請求項２】請求項１記載の陽極接合方法において、前記一方の基板の前記一表面側に圧縮応力状態の膜を形
成し、その圧縮応力状態の膜の表面にガラス層を形成
し、このガラス層に他の基板を重ね合わせることを特徴
とする陽極接合方法。
【請求項３】シリコン基板と他の基板とを重ね合わせ、
これらの基板間に電圧を印加することにより、これらの
基板を接合する陽極接合方法であって、シリコン基板の一表面と他表面に互いに膜厚の異なる酸
化膜を形成する工程と、膜厚の厚い酸化膜の表面にガラス層を形成する工程と、このガラス層に他の基板を重ね合わせる工程、とを付加
したことを特徴とする陽極接合方法。