JPWO2010058481A1 - ウェハ接合装置 - Google Patents

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Abstract

本発明によるウェハ接合装置は、第1基板を保持する第1試料台と、その第1基板に対向する第2基板を保持する第2試料台と、その第1試料台の周縁部に接合され、その第1試料台を第1ステージに支持する荷重伝達部と、その第1ステージに対してその第2試料台を駆動することにより、その第1基板とその第2基板とを圧接する駆動装置とを備えている。このとき、そのウェハ接合装置は、その第1基板と第2基板とを圧接するときに、その第1基板の周縁部に印加される荷重より大きい荷重がその第1基板の中央に印加されることを防止し、その第1基板とその第2基板とに荷重を均一に印加することができる。

Description

本発明は、ウェハ接合装置に関し、特に、2枚の基板を圧接して接合するウェハ接合装置に関する。
微細な電気部品や機械部品を集積化したMEMSが知られている。そのMEMSとしては、マイクロリレー、圧力センサ、加速度センサなどが例示される。そのMEMSは、大きな接合強度を持ち、かつ、荷重による押し付けや加熱処理を必要としない常温接合が用いられて製造されることが望まれている。複数のパターンが形成された2つの基板を接合基板に接合することにより、その接合基板に複数のデバイスを形成するウェハ接合方法が知られている。このようなウェハ接合方法では、その複数のデバイスの歩留まりを向上させることが望まれ、その接合面に荷重をより均一に負荷することが望まれている。
特開平09−321097号公報には、バンプ付きワークのバンプの接地面が傾斜している場合でも、すべてのバンプを均一な力でワークの電極に押し付けることができるバンプ付きワークの押圧装置が開示されている。そのバンプ付きワークの押圧装置は、ワークに搭載されたバンプ付きワークのバンプをこのワークの電極に押圧するバンプ付きワークの押圧装置であって、駆動部に駆動されて上下動する押圧子と、この押圧子の下面に装着されて前記バンプ付きワークの上面に押し付けられる弾性体とを備え、この押圧子の下面にこの弾性体が上方へ膨出して弾性変形するのを許容する凹入部を形成したことを特徴としている。
特開2007−301593号公報には、加圧対象物の加圧面に均一な加圧力を加えることができる加圧装置が開示されている。その加圧装置は、加圧対象物を保持した加圧ヘッドを加圧手段により加圧して加圧対象物を加圧する加圧装置において、前記加圧ヘッドは、前記加圧手段の加圧軸上に第1空間部を有することを特徴としている。
本発明の課題は、接合される基板の接合面に荷重を均一に印加するウェハ接合装置を提供することにある。
本発明によるウェハ接合装置は、第1基板を保持する第1試料台と、第1基板に対向する第2基板を保持する第2試料台と、第1試料台の周縁部に接合され、第1試料台を第1ステージに支持する荷重伝達部と、第1ステージに対して第2試料台を駆動することにより、第1基板と第2基板とを圧接する駆動装置とを備えている。このとき、ウェハ接合装置は、第1基板と第2基板とを圧接するときに、第1基板の周縁部に印加される荷重より大きい荷重が第1基板の中央に印加されることを防止し、第1基板と第2基板とに荷重を均一に印加することができる。
本発明によるウェハ接合装置は、第1試料台の向きを変更可能に、荷重伝達部を介して第1試料台を第1ステージに支持する角度調整機構をさらに備えている。すなわち、荷重伝達部は、このような角度調整機構を備えているウェハ接合装置に好適である。
角度調整機構は、第1試料台に固定される球フランジと、第1ステージに固定される球座と、球フランジをかしめることにより球フランジを球座に固定する固定フランジとを備えている。すなわち、荷重伝達部は、このような球フランジと球座と固定フランジとを備えているウェハ接合装置に好適である。
荷重伝達部は、角度調整機構と荷重伝達部とが線接触して、角度調整機構に支持される。このとき、荷重伝達部は、角度調整機構から加重が印加される位置の移動が少なく、好ましい。
荷重伝達部は、複数の柱から形成されている。複数の柱は、それぞれ、一端が第1試料台の周縁部に接合され、他端が角度調整機構に接合される。
荷重伝達部は、複数の柱から形成されている。第1基板と第2基板とは、圧接されるときに、第1基板と第2基板とが密着するように、複数の柱がそれぞれ弾性変形する。
図1は、ウェハ接合装置を示す断面図である。 図2は、ウェハ接合装置を示す断面図である。 図3は、角度調整機構と荷重伝達部と下側試料台とを示す断面図である。 図4は、荷重伝達部を示す斜視図である。 図5は、他の荷重伝達部を示す断面図である。 図6は、さらに他の荷重伝達部を示す斜視図である。 図7は、さらに他の荷重伝達部を示す斜視図である。 図8は、他の角度調整機構を示す斜視図である。
図面を参照して、本発明によるウェハ接合装置の実施の形態を記載する。そのウェハ接合装置1は、図1に示されているように、接合チャンバー2とロードロックチャンバー3とを備えている。接合チャンバー2とロードロックチャンバー3は、内部を環境から密閉する容器に形成されている。ウェハ接合装置1は、さらに、ゲートバルブ5を備えている。ゲートバルブ5は、接合チャンバー2とロードロックチャンバー3との間に介設され、接合チャンバー2の内部とロードロックチャンバー3の内部とを接続するゲートを閉鎖し、または、開放する。
ロードロックチャンバー3は、上側カートリッジ台6と下側カートリッジ台7と搬送装置8とを内部に備えている。上側カートリッジ台6は、上側カートリッジ11が配置される。下側カートリッジ台7は、下側カートリッジ12が配置される。ロードロックチャンバー3は、さらに、図示されていない真空ポンプと蓋とを備えている。その真空ポンプは、ロードロックチャンバー3の内部から気体を排気する。その真空ポンプとしては、内部の金属製の複数の羽根が気体分子を弾き飛ばすことにより排気するターボ分子ポンプが例示される。その蓋は、ロードロックチャンバー3の外部と内部とを接続するゲートを閉鎖し、大気雰囲気にすることで開放することができる。そのゲートの大きさは、上側カートリッジ11と下側カートリッジ12とより大きい。
搬送装置8は、ゲートバルブ5を介してロードロックチャンバー3から接合チャンバー2に上側カートリッジ11または下側カートリッジ12を搬送すること、または、ゲートバルブ5を介して接合チャンバー2からロードロックチャンバー3に上側カートリッジ11または下側カートリッジ12を搬送することに利用される。
接合チャンバー2は、真空ポンプ31とイオンガン32と電子銃33とを備えている。接合チャンバー2は、容器を形成する壁34の一部分に排気口35が形成されている。真空ポンプ31は、接合チャンバー2の外部に配置され、排気口35を介して接合チャンバー2の内部から気体を排気する。真空ポンプ31としては、内部の金属製の複数の羽根が気体分子を弾き飛ばすことにより排気するターボ分子ポンプが例示される。イオンガン32は、1つの照射方向36に向けられて配置され、照射方向36に向けて加速された荷電粒子を放出する。その荷電粒子としては、アルゴンイオンが例示される。イオンガン32は、ウェハの表面を清浄化する他の表面清浄化装置に置換することができる。その表面清浄化装置としては、プラズマガン、高速原子ビーム源などが例示される。電子銃33は、イオンガン32により荷電粒子が照射される対象に向けられて配置され、その対象に向けて加速された電子を放出する。
壁34は、一部分に扉37が形成されている。扉37は、ヒンジ38を備えている。ヒンジ38は、壁34に対して回転可能に扉37を支持している。壁34は、さらに、一部分に窓39が形成されている。窓39は、気体を透過しないで可視光を透過する材料から形成されている。窓39は、ユーザがイオンガン32により荷電粒子が照射される対象または、接合状態を接合チャンバー2の外部から見えるように配置されていれば壁34のどこでもかまわない。
接合チャンバー2は、図2に示されているように、さらに、上側基板支持部41と下側基板支持部42とを内部に備えている。下側基板支持部42は、接合チャンバー2の下部に配置されている。上側基板支持部41は、上側ステージ14と角度調整機構15と荷重伝達部16と上側試料台17と圧接機構18とを備えている。上側ステージ14は、接合チャンバー2に対して鉛直方向に平行移動可能に支持されている。角度調整機構15は、荷重伝達部16を上側ステージ14に支持している。荷重伝達部16は、上側試料台17を角度調整機構15に支持している。上側試料台17は、その下端に誘電層を備え、その誘電層と基板の間に電圧を印加し、静電力によってその基板をその誘電層に吸着する。圧接機構18は、ユーザの操作により、接合チャンバー2に対して上側ステージ14を鉛直方向に平行移動させる。
イオンガン32は、上側基板支持部41に支持される基板と下側基板支持部42に支持されるその基板とが離れているときに、上側基板支持部41に支持される基板と下側基板支持部42に支持される基板との間の空間に向けられ、接合チャンバー2の壁34の一部の内側表面に向けられている。すなわち、イオンガン32の照射方向36は、上側基板支持部41に支持される基板と下側基板支持部42に支持される基板との間を通り、接合チャンバー2の壁34の一部の内側表面に交差する。
下側基板支持部42は、図3に示されているように、下側試料台46を備えている。下側試料台46は、概ね円盤状に形成されている。下側試料台46は、その円柱の上側の面に平坦な支持面が形成されている。下側試料台46は、下側カートリッジ12を介して下側ウェハ62を保持することに利用される。下側基板支持部42は、さらに、図示されていない2つのアライメント装置と位置決め機構とを備えている。そのアライメント装置は、ユーザの操作により、下側試料台46に保持される基板に形成されるアライメントマークの画像を撮影する。そのアライメント装置は、さらに、上側試料台17が下側試料台46に近接しているときに、ユーザの操作により、上側試料台17に保持される基板に形成されるアライメントマークの画像を撮影する。その位置決め機構は、ユーザの操作により、接合チャンバー2に対して、下側試料台46を水平方向に平行な方向に平行移動させ、下側試料台46を鉛直方向に平行な回転軸を中心に回転移動させる。
角度調整機構15は、図3に示されているように、球座51と球フランジ52と固定フランジ53とを備えている。球座51は、上側ステージ14に固定され、球座面が形成されている。球フランジ52は、フランジ部分54と支持部分55とから形成されている。フランジ部分54は、球座51の球座面に密着する球状に形成されている。支持部分55は、円盤状に形成されている。支持部分55は、その円盤の中央がフランジ部分54に接合され、フランジ部分54に接合される面の裏面に支持面56が形成されている。固定フランジ53は、かしめ固定により、球フランジ52のフランジ部分54に接合されている。すなわち、固定フランジ53は、分割リングから形成されている。その分割リングは、球フランジ52のフランジ部分54をはさむように配置され、図示されていないボルトにより締結されることにより、球フランジ52のフランジ部分54に接合される。固定フランジ53は、さらに、球座51の球座面が球フランジ52のフランジ部分54に密着するように、ボルトに例示される締結具により球座51に接合されている。
荷重伝達部16は、図4に示されているように、概ね円盤状に形成されている。荷重伝達部16は、上側の面の中央にくぼみが形成され、上側の面に支持面58が形成されている。支持面58は、平坦であり、2つの同心円に囲まれた図形に形成されている。荷重伝達部16は、その円盤の中央にボルト孔59が形成されている。荷重伝達部16は、図示されていないボルトがボルト孔59に挿入され、図3に示されているように、そのボルトが球フランジ52の支持部分55に締結されることにより、支持面58が支持面56に密着するように、かつ、荷重伝達部16の球フランジ52の支持部分55に取り付けられる面の中央に空洞57が形成されるように、球フランジ52に支持されている。
荷重伝達部16は、さらに、支持面58が形成されている面の裏面に、上側試料台17が接合されている。上側試料台17は、円盤状に形成され、上側試料台17は、荷重伝達部16に接合される面の裏面に誘電層を備えている。上側試料台17は、その誘電層に電圧が印加されることにより、静電力によって上側ウェハ61をその誘電層に吸着する。
ウェハ接合装置1を用いてウェハを接合するときの動作では、作業者は、まず、上側試料台17の向きを測定する。作業者は、上側試料台17の上側ウェハ61が保持される保持面が下側試料台46の下側ウェハ62が保持される保持面に平行でないときに、角度調整機構15を用いて、上側試料台17の保持面と下側試料台46の保持面とが平行になるように調整する。すなわち、作業者は、上側試料台17の保持面と下側試料台46の保持面とが平行になるように、球フランジ52を固定フランジ53によりかしめ固定し、固定フランジ53を球座51に固定する。
作業者は、次いで、ゲートバルブ5を閉鎖して、真空ポンプ31を用いて接合チャンバー2の内部に真空雰囲気を生成し、ロードロックチャンバー3の内部に大気圧雰囲気を生成する。作業者は、ロードロックチャンバー3の蓋を開けて、上側カートリッジ11を上側カートリッジ台6に配置し、下側カートリッジ12を下側カートリッジ台7に配置する。作業者は、上側カートリッジ11に上側ウェハ61を載せる。作業者は、下側カートリッジ12に下側ウェハ62を載せる。作業者は、次いで、ロードロックチャンバー3の蓋を閉めて、ロードロックチャンバー3の内部に真空雰囲気を生成する。
作業者は、ロードロックチャンバー3の内部に真空雰囲気が生成された後に、ゲートバルブ5を開放する。作業者は、まず、上側ウェハ61を上側試料台17に保持させる。作業者は、まず、上側ウェハ61が載せられた上側カートリッジ11を下側試料台46が保持するように、搬送装置8を用いて上側カートリッジ11を搬送する。作業者は、搬送装置8をロードロックチャンバー3の内部に退避させる。作業者は、次いで、上側試料台17を鉛直下方向に下降させて、上側試料台17の誘電層を上側ウェハ61に接触させ、上側試料台17に上側ウェハ61を保持させる。作業者は、上側試料台17を鉛直上方向に上昇させて、上側ウェハ61を上側カートリッジ11から離す。作業者は、上側ウェハ61が上側カートリッジ11から離れた後で、搬送装置8を用いて、上側ウェハ61が載せられていない上側カートリッジ11を下側試料台46から上側カートリッジ台6に搬送する。作業者は、上側ウェハ61を上側試料台17に保持させた後に、下側ウェハ62が載せられた下側カートリッジ12を下側試料台46が保持するように、搬送装置8を用いて下側カートリッジ12を搬送する。
作業者は、ゲートバルブ5を閉鎖して、上側試料台17に保持された上側ウェハ61と下側試料台46に保持された下側ウェハ62とを圧接して接合する。すなわち、作業者は、上側試料台17に保持された上側ウェハ61と下側試料台46に保持された下側ウェハ62とが離れた状態で、上側ウェハ61と下側ウェハ62との間にイオンガン32を向けて粒子を放出する。その粒子は、上側ウェハ61と下側ウェハ62とに照射され、その表面に形成される酸化物等を除去し、その表面に付着している不純物を除去する。作業者は、圧接機構18を操作して、上側試料台17を鉛直下方向に下降させて、上側ウェハ61と下側ウェハ62とを近づける。作業者は、下側試料台46の位置決め機構を操作して、上側ウェハ61と下側ウェハ62とが設計通りに接合されるように、下側試料台46に保持された下側ウェハ62の位置を移動する。作業者は、上側試料台17の圧接機構18を操作して、上側試料台17を鉛直下方向に下降させて、上側ウェハ61を下側ウェハ62に圧接する。上側ウェハ61と下側ウェハ62とは、その圧接により接合され、1枚の接合基板が生成される。
作業者は、その接合基板を上側試料台17からデチャックさせた後に、上側試料台17を鉛直上方向に上昇させる。作業者は、次いで、ゲートバルブ5を開放し、搬送装置8を用いて、その接合基板が載せられている下側カートリッジ12を下側試料台46から下側カートリッジ台7に搬送する。作業者は、ゲートバルブ5を閉鎖して、ロードロックチャンバー3の内部に大気圧雰囲気を生成する。作業者は、ロードロックチャンバー3の蓋を開けて、下側カートリッジ台7に配置された下側カートリッジ12からその接合基板を取り出す。
上側試料台17が角度調整機構15に直接に固定される他のウェハ接合装置では、このような圧接時に、上側試料台17の中央が下側試料台46の側に突出するように、上側試料台17が弾性変形する。このとき、上側ウェハ61と下側ウェハ62とは、周縁部に印加される荷重より大きい荷重が中央に印加され、上側ウェハ61と下側ウェハ62との接合面に一様な荷重を印加することができないことがある。ウェハ接合装置1は、上側ウェハ61と下側ウェハ62とを圧接するときに、上側ウェハ61と下側ウェハ62との接合面に一様な荷重を印加することができる。この結果、ウェハ接合装置1は、その接合により生産されるデバイスの歩留まりを向上させ、ウェハ接合装置1による常温接合の信頼性を向上させ、ウェハ接合装置1をより実用的にすることができる。
荷重伝達部16は、上側ステージ14から印加される荷重を上側試料台17の周縁部に印加する他の荷重伝達部に置換されることができる。
図5は、その置換される荷重伝達部の例を示している。その荷重伝達部65は、荷重伝達部65は、荷重伝達部16と同様にして、概ね円盤状に形成されている。荷重伝達部65は、上側の面の中央にくぼみが形成され、上側の面に支持面66が形成されている。支持面66は、曲面であり、回転軸を中心に楕円が回転して形成される、いわゆるドーナツ型の表面の一部に沿うように形成されている。その回転軸は、荷重伝達部65を形成する円盤の中心を通り、その円盤に垂直である。荷重伝達部65は、その円盤の中央にボルト孔67が形成されている。荷重伝達部65は、図示されていないボルトがボルト孔67に挿入され、そのボルトが球フランジ52の支持部分55に締結されることにより、支持面66が支持面56に線接触するように、かつ、荷重伝達部65の球フランジ52の支持部分55に取り付けられる面の中央に空洞57が形成されるように、球フランジ52に支持されている。
荷重伝達部16は、上側ステージ14から印加される荷重が小さいときに、その荷重を支持面66の全体で受ける。上側ステージ14から印加される荷重が大きいときには、球フランジ52の支持部分55が弾性変形し、荷重伝達部16は、支持面58の中央側の縁でその荷重を受ける。このため、荷重伝達部16は、上側ステージ14から印加される荷重の大きさにより、上側ステージ14から印加される荷重を受ける位置が大きく移動することがある。このため、ウェハ接合装置1は、その荷重が大きいときに、上側ウェハ61と下側ウェハ62との接合面に一様な荷重を印加することができなくなる可能性がある。
荷重伝達部65は、上側ステージ14から印加される荷重を受ける位置の移動を低減する。この結果、荷重伝達部65が適用された他のウェハ接合装置は、上側ステージ14から印加される荷重の大きさが変化したときでも、上側ウェハ61と下側ウェハ62との接合面に一様な荷重を印加することができる。
図6は、その置換される荷重伝達部のさらに他の例を示している。その荷重伝達部71は、複数の柱72−1〜72−n(n=3,4,…)から形成されている。複数の柱72−1〜72−nは、上側試料台17の周縁部をn等分した複数の位置にそれぞれ配置されている。複数の柱72−1〜72−nの各柱72−i(i=1,2,3,…,n)は、一端が球フランジ52の支持部分55に固定され、他端が上側試料台17の周縁部に固定されている。
このような荷重伝達部71が適用されたウェハ接合装置は、既述の実施の形態におけるウェハ接合装置1と同様にして、上側ウェハ61と下側ウェハ62とを圧接するときに、上側ウェハ61と下側ウェハ62との接合面に一様な荷重を印加することができ、接合の信頼性を向上させることができる。
図7は、その置換される荷重伝達部のさらに他の例を示している。その荷重伝達部92は、複数のバネ93−1〜93−nから形成されている。複数のバネ93−1〜93−nは、上側試料台17の周縁部をn等分した複数の位置にそれぞれ配置されている。複数のバネ93−1〜93−nの各バネ93−iは、一端が球フランジ52の支持部分55に固定される支持部材91に固定され、他端が上側試料台17の周縁部に固定されている。
このような荷重伝達部92が適用されたウェハ接合装置は、既述の実施の形態におけるウェハ接合装置1と同様にして、上側ウェハ61と下側ウェハ62とを圧接するときに、上側ウェハ61と下側ウェハ62との接合面に一様な荷重を印加することができ、接合の信頼性を向上させることができる。このような荷重伝達部92が適用されたウェハ接合装置は、さらに、上側ウェハ61と下側ウェハ62とが平行でない場合に、上側ウェハ61と下側ウェハ62とが圧接されたときに、上側ウェハ61と下側ウェハ62とが平行になるように、複数のバネ93−1〜93−nが弾性変形する。このため、このようなウェハ接合装置は、上側ウェハ61と下側ウェハ62とが平行でない場合でも、上側ウェハ61と下側ウェハ62との接合面に一様な荷重を印加して、上側ウェハ61と下側ウェハ62とを圧接することができる。この結果、このようなウェハ接合装置は、圧接前に、角度調整機構15を用いて、上側試料台17の保持面と下側試料台46の保持面とが平行になるように調整する必要がなく、上側ウェハ61と下側ウェハ62とより容易に圧接することができる。このようなウェハ接合装置は、さらに、角度調整機構15を省略することができ、より安価に製造されることができる。
角度調整機構15は、上側試料台17の向きを所定の方向に固定する他の角度調整機構に置換されることができる。
図8は、その置換される角度調整機構の例を示している。その角度調整機構81は、第1フレーム82と中間体83と第2フレーム84と支持部分85とを備えている。第1フレーム82は、上側ステージ14に固定されている。中間体83は、ボルト86により、回転軸88を中心に回転可能に、第1フレーム82に支持されている。回転軸88は、水平方向に平行であり、第1フレーム82に対して固定されている。ボルト86は、中間体83に締結されることにより、中間体83を第1フレーム82に固定する。第2フレーム84は、ボルト87により、回転軸89を中心に回転可能に、中間体83に支持されている。回転軸89は、水平方向に概ね平行であり、回転軸89に垂直であり、かつ、中間体83に対して固定されている。ボルト86は、中間体83に締結されることにより、第2フレーム84を中間体83に固定する。支持部分85は、概ね円盤状に形成され、その円盤の中央が第2フレーム84に固定されている。支持部分85は、さらに、第2フレーム84に接合される面の裏面に平坦な支持面が形成されている。角度調整機構81は、既述の実施の形態における角度調整機構15と同様にして、支持部分85の支持面が荷重伝達部16の支持面58に密着するように、かつ、荷重伝達部16に空洞57が形成されるように、荷重伝達部16を支持している。
このような角度調整機構81が適用されたウェハ接合装置は、既述の実施の形態におけるウェハ接合装置1と同様にして、上側ウェハ61と下側ウェハ62とを圧接するときに、上側ウェハ61と下側ウェハ62との接合面に一様な荷重を印加することができ、接合の信頼性を向上させることができる。
本発明によるウェハ接合装置は、第1基板と第2基板とを圧接するときに、その第1基板の周縁部に印加される荷重より大きい荷重がその第1基板の中央に印加されることを防止し、その第1基板と第2基板とに荷重を均一に印加することができる。

Claims (6)

  1. 第1基板を保持する第1試料台と、
    前記第1基板に対向する第2基板を保持する第2試料台と、
    前記第1試料台の周縁部に接合され、前記第1試料台を第1ステージに支持する荷重伝達部と、
    前記第1ステージに対して前記第2試料台を駆動することにより、前記第1基板と前記第2基板とを圧接する駆動装置
    とを具備するウェハ接合装置。
  2. 請求の範囲1において、
    前記第1試料台の向きを変更可能に、前記荷重伝達部を介して前記第1試料台を第1ステージに支持する角度調整機構
    をさらに具備するウェハ接合装置。
  3. 請求の範囲2において、
    前記角度調整機構は、
    前記第1試料台に固定される球フランジと、
    前記第1ステージに固定される球座と、
    前記球フランジをかしめることにより前記球フランジを前記球座に固定する固定フランジとを備える
    ウェハ接合装置。
  4. 請求の範囲3において、
    前記荷重伝達部は、前記角度調整機構と前記荷重伝達部とが線接触して、前記角度調整機構に支持される
    ウェハ接合装置。
  5. 請求の範囲3において、
    前記荷重伝達部は、複数の柱から形成され、
    前記複数の柱は、それぞれ、一端が前記第1試料台の周縁部に接合され、他端が前記角度調整機構に接合される
    ウェハ接合装置。
  6. 請求の範囲1において、
    前記荷重伝達部は、複数の柱から形成され、
    前記第1基板と前記第2基板とは、圧接されるときに、前記第1基板と前記第2基板とが密着するように、前記複数の柱がそれぞれ弾性変形する
    ウェハ接合装置。
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