JPH10258369A

JPH10258369A - 接合装置及び接合方法

Info

Publication number: JPH10258369A
Application number: JP7907997A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Taima; 康當間; Masaki Hatakeyama; 雅規畠山; Yotaro Hatamura; 洋太郎畑村; Masayuki Nakao; 政之中尾
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1997-03-13
Filing date: 1997-03-13
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】微細な試料の接合面にダメージを与えること
なく活性化し、作業性良く、精度良くかつ強固に接合す
ることができるような接合装置及び方法を提供する。【解決手段】真空容器１内に、高速原子線源３と、少
なくとも２つの試料保持具２ａ，２ｂと、試料保持具の
少なくとも一方を移動させて試料の接合面を相互に接触
させる移動機構Ｍ₁，Ｍ₂と、試料の温度を制御する温度
制御機構Ｈ₁，Ｈ₂とを有する接合装置において、試料保
持具の少なくとも一方に、接合面の接触に伴い弾性変形
して試料同士を面合わせする面合わせ機構２１を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、拡散接合や常温接
合等の、真空中での接合装置及びその方法に関するもの
であり、特に、微小な電子部品や微小光学部品の接合に
用いて好適な接合装置及び方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】拡散接合や常温接合といった真空中での
接合方法は、接合試料自体の化学結合性を利用するもの
で、試料表面の清浄度と原子レベルでの接合面の密着性
が成否を左右する重要なパラメーターであるといわれて
いる。一般に物質の表面はバルク中と異なり、酸化膜や
油脂膜などの表面皮膜が存在し、安定な状態になってい
る。したがって接合試料の表面を清浄化するために、１
０^-8Torr程度の超高真空中でイオンビームを試料表面に
照射し、表面皮膜を取り除いて不安定な結合状態の（活
性な）表面を露出させるようにしている。

【０００３】原子レベルでの接合面の密着性を向上させ
るためには、接合試料の超平滑研磨技術自体はもとよ
り、加圧による塑性変形や接合面合わせも非常に重要で
あり、接合がなされるか否かは材料の塑性変形のしやす
さに依存するという報告もある。塑性変形のしやすさは
加熱によってある程度変えることができることもあり、
一般的には加熱して接合が行われている。

【０００４】接合面合わせの方法については現在、次の
３種類が行われている。１）試料の裏面側をＲ加工して、傾動しやすくする。２）モータを用いた回転駆動装置によって接合面の角度
を変えて合わせる。３）接合後に、ローラで加圧する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
においては、接合面の清浄化のために反応性の低い希ガ
スのイオンビームを用いた場合には、エネルギー量によ
っては表面を荒らしてしまい、平坦度が悪化する虞れが
ある。特に、接合試料が絶縁物の場合には、接合試料が
イオン照射によって帯電し、イオン入射が阻止されたり
絶縁破壊が起こったりする。接合試料が酸化物等である
場合には清浄化した表面が即座に強固な化学結合をつく
り、活性な状態を得るのが困難であるという問題もあ
る。

【０００６】また、マスクを介さないで接合試料の全面
にイオンビームを照射する現在の方法では、例えばプリ
ント基板など電子部品を実装する場合や、回路を作り込
んだ基板上に別のものを接合するといった場合に、周辺
の回路、配線にイオンビームが悪影響を及ぼす可能性も
ある。

【０００７】従来の接合面合わせ方法においては、１）Ｒ加工する場合はＲ加工した試料しか接合できない
ため汎用性に乏しい。また、接合面の片方をＲ加工する
と密着面積が加圧力によって大きく変わるため、正確な
接合面積の制御、加圧力の制御が難しい。２）モータによって接合面を合わせる方法は人間の目視
によって平行だしを行うため正確とはいえず、しかも自
由度を確保するために多くのモータを使わなければなら
ないため費用がかさむ。更に面合わせに要する時間もか
かる。３）ローラで加圧する方法はウェハー状の試料には適用
できるが、棒状の試料には適用できない。面合わせに失
敗し接合面同士がきちんと接触していないと、全体の接
合力が低下したり、試料の一部だけしか接合しないとい
うことになる。

【０００８】この発明は、上記に鑑み、微細な試料の接
合面にダメージを与えることなく活性化し、作業性良
く、精度良くかつ強固に接合することができるような接
合装置及び方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、真空容器内に、高速原子線源と、少なくとも２つの
試料保持具と、前記試料保持具の少なくとも一方を移動
させて試料の接合面を相互に接触させる移動機構と、試
料の温度を制御する温度制御機構とを有する接合装置に
おいて、前記試料保持具の少なくとも一方に、前記接合
面の接触に伴って弾性変形して試料同士を面合わせする
面合わせ機構を有することを特徴とする接合装置であ
る。

【００１０】高速原子線は電荷を持たない粒子の流れで
あるので、イオンビームと比較して接合試料の帯電を少
なくすることができ、しかも接合試料が帯電した場合で
も、その電荷に影響されずに入射できる。すなわち常に
一定の照射量でビームを照射することができる。そし
て、高速原子線源と接合試料の間にマスクを挿入し、穴
のあいた部分以外にビームが照射されないようにすれ
ば、周辺回路へのビーム照射によるダメージを無くすこ
とができる。これは高速原子線の指向性が非常に良いた
めに可能となる。

【００１１】また、保持具に設けられた面合わせ機構
が、接合面同士の接触に伴って弾性変形して試料同士を
自動的に面合わせするので、作業が簡単で迅速に行え、
かつ精度の良い接合を行なうことができる。また、ウエ
ハ状や棒状の任意の試料形状に用いることができ、結果
的に大きなコスト低減をもたらす。

【００１２】高速原子線源としては、平行平板型の電極
によってソースガスを励起させるもの、あるいは、ＩＣ
Ｐ放電によってソースガスを励起させるもの等、適宜の
ものが採用可能である。また、線種としては、不活性ガ
スあるいは反応性ガスを目的に応じて使い分けると良
い。

【００１３】請求項２に記載の発明は、前記面合わせ機
構が、２つの橋部により傾動可能に支持された傾動テー
ブルを有することを特徴とする請求項１に記載の接合装
置である。このような構成は、適当な素材を加工してテ
ーブル部分と橋部とを一体に形成することにより構成す
ることができる。また、互いに交差する軸回りに傾動す
る２つのテーブルを組み合わせて構成することにより、
任意の姿勢をとらせることができる。

【００１４】請求項３に記載の発明は、前記高速原子線
源は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｘｅ等の不活性ガスをソースガスと
して用いることを特徴とする請求項１に記載の接合装置
である。請求項４に記載の発明は、前記高速原子線源
は、ＳＦ₆，ＣＦ₄，Ｈ₂Ｏ等の反応性ガスをソースガス
として用いることを特徴とする請求項１に記載の接合装
置である。清浄化した表面が即座に強固な化学結合をつ
くり、活性な状態を得るのが困難である場合には、反応
性ガスの高速原子線を不活性ガスの高速原子線のかわり
に用いることによって、表面皮膜が除かれても活性化さ
れにくい材料も活性化され、接合が促進される。

【００１５】請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４
のいずれかに記載の接合装置を用い、マスクを介して高
速原子線を接合試料の一部分のみに照射して、該接合試
料の一部分のみを接合することを特徴とする接合方法で
ある。

【００１６】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明の第１の実施例を示すもの
で、１０^-8 Torr以下の高真空に保たれた真空容器１の
中に、直径３mm、長さ２５mmの試料（光学ガラス）Ｗ₁,
Ｗ₂とそれらを保持する保持具２ａ，２ｂと、加圧用の
モータＭ₁と、移動用のモータＭ₂と、加熱用のヒータＨ
₁，Ｈ₂が設置されている。真空容器１の上部には、接合
される試料Ｗ₁，Ｗ₂に向かうように平行平板電極型の高
速原子線源３が設置してある。

【００１７】一方の光学ガラス保持具２ａは、図２に示
すように、ジンバル機構によって圧力が加わると自動的
に相手に面が合うようになっているもので、これを図２
を用いて説明する。これは棒状の試料を保持するように
設計されたもので、全体として正方形の弾性素材を切削
加工して、本体部（面合わせ機構）２１と、これを支持
する側壁部２２とを形成している。本体部２１には、中
心部を取り囲むように貫通する正方形の溝２３，２４が
二重に形成され、本体部２１はこれらの各溝により、中
央の試料保持部２５、中間部２６、周縁部２７に分けら
れている。

【００１８】これらの溝２３，２４は、それぞれ互いに
対向する位置に形成された２つの橋部２３ａ，２４ａを
残して形成されている。つまり、試料保持部２５、中間
部２６、周縁部２７は、これら橋部２３ａ，２４ａで橋
渡しをした構造になっている。これら橋部２３ａ，２４
ａはそれぞれ溝の各辺の中央に形成され、内外の溝は互
いに９０゜異なる位置に形成されている。従って、橋部
２３ａ，２４ａで繋がれた各部は、橋部２３ａ，２４ａ
の捻れにより互いに対向する橋部を結ぶ線を軸として傾
動する。

【００１９】つまり、中間部２６は周縁部２７に対して
図２に示すＸ軸回りに傾動し、中央の試料保持部２５は
中間部２６に対してＹ軸回りに傾動する。従って、結果
的に、試料保持部２５は周縁部２７つまり固定系に対し
てＸ，Ｙの両軸回りの傾動が可能となり、任意の姿勢を
とることができる。試料保持部２５には試料Ｗ₁を収容
する収容部２８を有する直方体状に形成され、それ以外
の本体部２１は薄片状に形成されている。

【００２０】平行平板電極型の高速原子線源３は、図３
に詳細に示すように３極型である。この図において符号
４は絶縁物（セラミックス）からなる外筒であり、この
外筒４の上部はガスＧを導入する導入路５を有する天板
６で覆われ、その下側にガス導入口７を有する板状陰極
８、陽極孔９を有する板状陽極１０、原子放出孔１１を
有する板状陰極１２が順次平行に設けられている。

【００２１】この高速原子線源３においては、上流側の
３枚の平板電極８，１０間と１０，１２間に直流電圧を
印加する。これにより各電極間で生成したプラズマ中の
正イオンが電極１２によって加速され、原子放出孔１１
を通過する際に残留ガス分子との電荷交換を行って中性
化される。中性化の際にはイオンビームはそのエネルギ
ーを失わないので高速原子線となって真空中に放出され
る。

【００２２】このようなイオンの加速と中性化機構を有
する平行平板電極型高速原子線源３は、従来の高速原子
線源と比べて直進性に優れたビームを放出できるという
利点がある。また、この平行平板電極型高速原子線源３
は高速原子放出用電極１２の形状によって中性化率を任
意に制御できるため、試料の清浄化と活性化を効率よく
実現できる。

【００２３】以下に、接合工程を説明する。まず、接合
すべき試料を保持具２ａ，２ｂに取り付ける。保持具２
ａにおいてはジンバル機構の試料保持部２５に、薄片面
とほぼ同じ高さか、１mm程度突出させて取り付ける。他
方の保持具２ｂには固定して取り付ける。そして、Ａｒ
の高速原子線を試料Ｗ₁，Ｗ₂の接合面に５分間照射し、
所定の温度（接合したい材料によって異なるが、一般的
に接合試料の融点の７割以下の絶対温度）まで加熱した
後、片方の接合試料Ｗ₂をマニピュレータによって180度
回転させて、移動モータＭ₂及び加圧モータＭ₁を動作さ
せて接合面同士を対面させ、徐々に近づけて接触させ
る。

【００２４】ここで、試料Ｗ₂が試料Ｗ₁の試料面と平行
でない状態で近づいた場合、試料同士はまず縁の部分か
ら接触する。更に近づけ、圧力を加えると、力の作用点
（接触した部分の位置）がジンバル機構の回転の中心点
と異なるため力のモーメントが生じ、したがってジンバ
ルが回転する。ある地点で試料Ｗ₁とＷ₂の面が完全に合
うと、力の作用点が面全体になり、それらを平均すると
試料の中心が作用点とみなせるので、ジンバルの回転中
心と作用点が一致し、モーメントを生じないためジンバ
ルはこれ以上傾かなくなる。

【００２５】このようにして、２つの試料の面同士が合
った状態のまま、さらにステッピングモータＭ₁によっ
て、数ＭPaの圧力で１分間ほど加圧することにより接合
がなされる。代表的な高速原子線(ＦＡＢ)の照射条件は
以下の通りである。

【００２６】高速原子線源開口径φ３０ソースガス流量Ａｒ２．０ SCCM 印加電圧２．０ｋＶ高速原子線源入口のガス圧０．６４ Torr 放電電流１０．０ｍＡ電磁石１６０ Gauss

【００２７】上記の実施例の工程では、接合試料表面の
清浄化と活性化のためにＡｒの高速原子線を用いたが、
表面が強固な化学結合しており、活性化しにくいガラス
などの材料を接合する場合にはＳＦ₆やＨ₂Ｏなどのガス
を用いて表面を活性な元素でターミネートし、活性化さ
せる方法も有効である。ガラス同士の接合でＳＦ₆を使
用した場合にはＡｒを使用した場合よりも低い温度で接
合することができる。Ｈ₂Ｏを使用した場合には常温で
の接合も可能である。

【００２８】平行平板電極型高速原子線源の代わりにＩ
ＣＰ放電型高速原子線源を使用した場合にも上記と同様
な接合が可能である。ＩＣＰ放電型は平行平板電極型に
比べて高密度で低エネルギーの高速原子線を発生させる
ことが可能であり、低ダメージで材料の清浄化、活性化
が可能である。ＩＣＰ放電型高速原子線源の原理を図４
で説明する。

【００２９】ＩＣＰ放電型高速原子線源は円筒状のガラ
ス容器３１の周囲にコイル３２を巻いたもので、このコ
イル３２に電源３３より１３．５６ＭＨzの高周波を印
加することで容器３１内にプラズマが発生し、そのプラ
ズマ中の正イオンを電極３４と３５の間に印加した電圧
によって加速し、電極３５に空いた原子放出孔３６で中
性化される仕組みである。図では２枚の電極３４，３５
がともにコイル３２の下側にきているが、コイルの上下
に１枚ずつ配置してもよい。

【００３０】平行平板電極型でもＩＣＰ放電型でも、発
生する高速原子線は指向性に優れており、ビーム経路中
での方向変化がないので、図４に示すように、途中に所
望の形状の穴の空いたマスク３７を配置することによっ
て、マスク３７の開口部３８と同じ形状の部分のみに高
速原子線を照射することが可能である。マスク３７の材
料としては、高速原子線によってエッチングされにくい
ＮｉやＡｌが用いられている。

【００３１】（実施例２）図５は、この発明の接合装置
の他の実施例を示すものである。この装置は、ステージ
４０上に対向して設けた試料ホルダ４１ａ，４１ｂに、
保持具２ａ，２ｂを取り付けた構造である。試料棒
Ｗ₁，Ｗ₂は接合面をほぼ垂直に対向させて保持されてお
り、上方に高速原子線源が設けられている。ヒータＨ₃
は、まず試料保持具２ａ，２ｂの周辺を囲むように取り
付けられ、これは熱放射によって保持具２ａ，２ｂを加
熱し、さらに熱伝導によって試料に熱を伝えるものであ
る。この装置では、接合面に対して０度に近い角度から
高速原子線を照射して接合面を活性化し、ヒータＨ₃で
加熱して接合する。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の接合装
置又は接合方法によれば、指向性が良い高速原子線と、
保持具に設けられた面合わせ機構を用いることにより、
試料の接合面にダメージを与えることなく活性化し、作
業性良く、精度良くかつ強固に接合することができる。
また、接合試料の種類、形状、大きさを問わず、適用す
ることができ、従来面合わせが難しかった棒状の試料や
絶縁材の接合、あるいは、変形を起こさず接合させたい
光学材料などの接合には非常に有用である。さらに、マ
スクを介して接合したい部分のみにビームを照射して活
性化するができるので、電子部品を実装する際に周辺回
路に悪影響を及ぼすこともない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の接合装置を模式的に示す断
面図である。

【図２】図１の実施例の要部であるジンバル機構を詳細
に示す斜視図である。

【図３】図１の高速原子線源を示す斜視図である。

【図４】高速原子線源の他の例を示す一部を破断した図
である。

【図５】本発明の他の実施例の接合装置を模式的に示す
図である。

【符号の説明】

１真空容器２ａ，２ｂ試料保持具３高速原子線源２１面合わせ機構２３ａ，２４ａ橋部２５，２６傾動テーブルＭ₁，Ｍ₂ 移動機構Ｈ₁，Ｈ₂ 温度制御機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者畑村洋太郎東京都文京区小日向２−12−11 (72)発明者中尾政之千葉県松戸市新松戸５−１新松戸中央パークハウスＣ−908

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に、高速原子線源と、少なく
とも２つの試料保持具と、前記試料保持具の少なくとも
一方を移動させて試料の接合面を相互に接触させる移動
機構と、試料の温度を制御する温度制御機構とを有する
接合装置において、前記試料保持具の少なくとも一方に、前記接合面の接触
に伴い弾性変形して試料同士を面合わせする面合わせ機
構を有することを特徴とする接合装置。
【請求項２】前記面合わせ機構は、２つの橋部により
傾動可能に支持された傾動テーブルを有することを特徴
とする請求項１に記載の接合装置。
【請求項３】前記高速原子線源は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｘｅ
等の不活性ガスをソースガスとして用いることを特徴と
する請求項１に記載の接合装置。
【請求項４】前記高速原子線源は、ＳＦ₆，ＣＦ₄，Ｈ
₂Ｏ等の反応性ガスをソースガスとして用いることを特
徴とする請求項１に記載の接合装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の接合
装置を用い、マスクを介して高速原子線を接合試料の一
部分のみに照射して、該接合試料の一部分のみを接合す
ることを特徴とする接合方法。