KR102258659B1 - 기판 접합 방법, 기판 접합 시스템 및 친수화 처리 장치의 제어 방법 - Google Patents

기판 접합 방법, 기판 접합 시스템 및 친수화 처리 장치의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

기판 접합 방법은, 2개의 기판을 접합하는 기판 접합 방법에 있어서, 2개의 기판의 각각의 서로 접합되는 접합면 중의 적어도 하나를 친수화하는 친수화 처리 공정; 및 친수화 처리 공정 후, 2개의 기판을 접합하는 접합 공정을 포함한다. 친수화 처리 공정은, 기판의 접합면에 대해, N2 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하는 N2RIE 처리를 하는 공정; 및 N2RIE 처리를 하는 공정 후, 기판의 접합면에 대해, N2 라디칼을 조사하는 N2 라디칼 처리를 하는 공정을 포함한다.

Description

기판 접합 방법, 기판 접합 시스템 및 친수화 처리 장치의 제어 방법
본 발명은, 기판 접합 방법, 기판 접합 시스템 및 친수화 처리 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
종래, 기판끼리의 친수화 접합은, 대기중에서 물분자를 개재한 상태로 기판끼리를 접합하는 것에 의해, 원래의 기판 접합면에 충분한 OH기가 생성되어 있지 않아도, 기판의 접합면에 개재하고 있는 물분자가 OH기로 변해 가열에 의해 강고한 공유 결합으로 변해갈 수 있었다. 그러나, 대기중에서 접합하면 공기의 혼입에 의해 큰 보이드가 생기기 때문에, 기판의 중앙부를 굽히면서 기판끼리를 접합하는 등의 접합 방법을 채용할 필요가 있었다. 다만, 이 접합 방법의 경우, 기판에 휨이 발생하거나 기판끼리의 얼라인먼트 정밀도가 악화되거나 하는 등의 과제가 있었다. 또한, 물분자를 기판의 계면에 개재시켜서 접합하게 되므로 기판을 가열하는 것에 의해 마이크로 보이드가 발생하는 등의 문제점도 있다. 그 때문에 기판끼리를 진공중에서 접합하는 것에 의해, 기판 사이에 공기의 혼입을 방지하는 것에 의해 보이드의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 기판끼리를 진공중에서 접합하는 것에 의해, 기판 사이에 존재하는 물분자를 날려서 접합하게 되므로 마이크로 보이드도 발생하지 않는다. 이와 같이, 기판끼리를 진공중에서 접합하는 방법은, 기판끼리의 양호한 접합을 얻기 위해 유효한 방법이다. 그러나, 기판끼리의 접합 전의 기판의 접합면을 활성화할 때, 기판의 접합면에 충분한 OH기를 생성해 두어야 한다. 그리고, 종래와 같이, RIE 처리를 하고 나서 대기에 폭로하는 것만으로 기판의 접합면을 활성화하는 처리로는, 기판의 접합면에 충분한 OH기가 생성되지 않아, 접합된 기판의 접합 강도가 부족해진다. 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 기판의 접합면의 활성화 처리로서, 진공중에서의 접합에 견딜 수 있는 충분한 OH기를 생성할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
이에 대해, 접합하는 2개의 기판의 접합면에 대해, 반응성 이온 에칭과, 라디칼의 조사를 병용하는 것에 의해, 2개의 기판을 접합하는 기판 접합 방법이 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 이 기판 접합 방법은, 2개의 기판의 접합면에 수산기(OH기)를 생성하고, 2개의 기판의 접합면끼리를 접촉시켜 가압하는 것에 의해 접합면 사이에 수소 결합을 형성시켜 2개의 기판끼리를 접합하는 방법이다. 그리고, 이 기판 접합 방법에서는, 접합하는 2개의 기판의 접합면을 산소 플라즈마에 폭로시켜 반응성 이온 에칭을 진행한 후, 2개의 기판의 접합면에 질소 라디칼을 조사한다. 그 후, 2개의 기판의 접합면끼리를 접촉시켜 가압하는 것에 의해 2개의 기판을 접합한다.
일본국 특허공개공보 2005-79353호 공보
하지만, 특허문헌 1에 기재된 기판 접합 방법에서는, 2개의 기판의 접합면에 생성되는 OH기의 양이 불충분하고, 접합된 2개의 기판의 접합 강도가 불충분한 경우가 있다. 여기서, 2개의 기판의 접합면에 충분한 양의 OH기를 생성하는 것에 의해, 2개의 기판끼리를 더욱 강고하게 접합할 수 있는 기판 접합 방법이 요구되고 있다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 2개의 기판을 강고하게 접합할 수 있는 기판 접합 방법, 기판 접합 시스템 및 친수화 처리 장치의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 기판 접합 방법은,
2개의 기판을 접합하는 기판 접합 방법에 있어서,
상기 2개의 기판의 각각의 서로 접합되는 접합면 중의 적어도 하나를 친수화하는 친수화 처리 공정; 및
상기 친수화 처리 공정 후, 상기 2개의 기판을 접합하는 접합 공정을 포함하고,
상기 친수화 처리 공정은,
상기 기판의 접합면에 대해, 질소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하는 제1에칭 공정; 및
상기 제1에칭 공정 후, 상기 기판의 접합면에 대해, 질소 라디칼을 조사하는 라디칼 처리를 하는 라디칼 처리 공정을 포함한다.
다른 관점에서 본 본 발명에 따른 기판 접합 시스템은,
2개의 기판을 접합하는 기판 접합 시스템에 있어서,
상기 2개의 기판의 각각의 서로 접합되는 접합면 중의 적어도 하나를 친수화하는 친수화 처리를 하는 친수화 처리 장치;
상기 친수화 처리 장치에 의해 상기 접합면이 친수화 처리된 상기 2개의 기판을 접합하는 기판 접합 장치; 및
상기 친수화 처리 장치 및 상기 기판 접합 장치를 제어하는 제어부를 구비하고,
상기 친수화 처리 장치는,
챔버;
상기 챔버 내에서 상기 기판을 지지하는 스테이지;
상기 챔버 내에 질소 가스를 공급하는 질소 가스 공급부;
플라즈마를 발생시켜 상기 스테이지에 지지된 상기 기판의 접합면에 상기 플라즈마 중의 라디칼을 공급하는 플라즈마 발생원; 및
상기 스테이지에 지지된 상기 기판에 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스 인가부를 구비하고,
상기 제어부는,
상기 질소 가스 공급부를 제어하여, 상기 챔버 내에 질소 가스를 도입한 후, 상기 바이어스 인가부를 제어하여, 상기 기판에 고주파 바이어스를 인가시키는 것에 의해, 상기 기판의 접합면에 대해, 질소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 진행한 후, 상기 플라즈마 발생원 및 상기 바이어스 인가부를 제어하여, 상기 질소 가스로 플라즈마를 발생시키는 한편 상기 기판에 대한 고주파 바이어스의 인가를 정지시키는 것에 의해, 상기 기판의 접합면에 대해, 질소 라디칼을 조사하는 라디칼 처리를 한다.
다른 관점에서 본 본 발명에 따른 친수화 처리 장치의 제어 방법은,
챔버; 상기 챔버 내에서 기판을 지지하는 스테이지; 상기 챔버 내에 질소 가스를 공급하는 질소 가스 공급부; 플라즈마를 발생시켜 상기 스테이지에 지지된 상기 기판의 접합면에 상기 플라즈마 중의 라디칼을 공급하는 플라즈마 발생원; 및 상기 스테이지에 지지된 상기 기판에 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스 인가부를 구비하는 친수화 처리 장치의 제어 방법이고,
상기 질소 가스 공급부에 의해 상기 챔버 내에 질소 가스를 도입한 후, 상기 바이어스 인가부에 의해 상기 기판에 고주파 바이어스를 인가시키는 것에 의해, 상기 기판의 접합면에 대해, 질소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하는 스텝; 및
상기 플라즈마 발생원에 의해 질소 가스로 플라즈마를 발생시키는 한편 상기 바이어스 인가부에 의한 상기 기판에 대한 고주파 바이어스의 인가를 정지하는 것에 의해, 상기 기판의 접합면에 대해, 질소 라디칼을 조사하는 라디칼 처리를 하는 스텝을 포함한다.
본 발명에 의하면, 친수화 처리 공정이, 기판의 접합면에 대해, 질소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하는 제1에칭 공정과, 제1에칭 공정 후, 기판의 접합면에 대해, 질소 라디칼을 조사하는 라디칼 처리를 하는 라디칼 처리 공정을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 제어부는, 질소 가스 공급부를 제어하여, 챔버 내에 질소 가스를 도입한 후, 바이어스 인가부를 제어하여, 기판에 고주파 바이어스를 인가시키는 것에 의해, 기판의 접합면에 대해, 질소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 진행한 후, 플라즈마 발생원 및 바이어스 인가부를 제어하여, 질소 가스로 플라즈마를 발생시키는 한편 기판에 대한 고주파 바이어스의 인가를 정지시키는 것에 의해, 기판의 접합면에 대해, 질소 라디칼을 조사하는 라디칼 처리를 한다. 즉, 질소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭에 의해, 질소 이온을 비교적 강한 충돌력으로 기판의 접합면에 충돌시켜 OH기가 부착되는 사이트를 많이 형성한다. 그리고, 그 후의 질소 라디칼에 의한 기판의 접합면에 대한 충돌력이 비교적 약하고 반응성이 높은 라디칼 처리에 있어서, 사이트에 부착된 OH기의 이탈을 억제하면서 OH기를 부착하는 사이트를 형성한다. 이에 의해, 기판의 접합면에 대한 OH기의 부착이 효율적으로 증진되기 때문에, 기판의 접합면에 다수의 OH기를 생성할 수 있다. 따라서, 2개의 기판의 접합면끼리를 접촉시켜 2개의 기판을 접합한 경우, OH기가 다수 생성되는 만큼, 접합면 사이에 다수의 수소 결합을 형성할 수 있기 때문에, 나중의 가열 공정을 거쳐 수소 결합이 공유 결합으로 변하여, 서로 접합된 기판의 접합 강도가 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 접합 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 실시예에 따른 친수화 처리 장치의 개략 정면도이다.
도 3은 실시예에 따른 기판 접합 장치의 개략 정면도이다.
도 4는 실시예에 따른 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 실시예에 따른 기판 접합 시스템이 실행하는 기판 접합 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 6은 실시예에 따른 기판 접합 시스템이 실행하는 친수화 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 7a는 비교예 1 내지 4에 따른 기판 접합 방법을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 7b는 비교예 5 내지 7에 따른 기판 접합 방법을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 7c는 실시예에 따른 기판 접합 방법을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 7d는 실시예에 따른 기판 접합 방법을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 7e는 비교예 8에 따른 기판 접합 방법을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 8a는 블레이드 삽입법에 의한 기판의 접합 강도(표면 에너지 환산)의 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 실시예에 따른 접합 강도의 평가 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a는 시료 1의 외관 사진이다.
도 9b는 시료 2의 외관 사진이다.
도 9c는 시료 3의 외관 사진이다.
도 9d는 시료 4의 외관 사진이다.
도 10a는 시료 5의 외관 사진이다.
도 10b는 시료 6의 외관 사진이다.
도 10c는 시료 7의 외관 사진이다.
도 10d는 시료 8의 외관 사진이다.
도 11a는 시료 9의 외관 사진이다.
도 11b는 시료 10의 외관 사진이다.
도 11c는 시료 11의 외관 사진이다.
도 11d는 시료 12의 외관 사진이다.
도 12는 변형예에 따른 친수화 처리 장치의 일부를 나타내는 개략 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 기판 접합 시스템에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.
본 실시예에 따른 기판 접합 시스템에서는, 감압하의 챔버 내에서, 2개의 기판의 접합면에 대해 친수화 처리를 한 후, 기판끼리를 접촉시켜 가압 및 가열하는 것에 의해, 2개의 기판을 접합하는 시스템이다. 친수화 처리에서는, 2개의 기판의 각각의 접합면에 대해, 질소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭과, 질소 라디칼을 조사하는 라디칼 처리를 하는 것에 의해 2개의 기판의 접합면을 친수화한다.
본 실시예에 따른 기판 접합 시스템은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 도입 포트(961)와, 취출 포트(962)와, 제1반송 장치(930)와, 세정 장치(940)와, 외형 얼라인먼트 장치(800)와, 반전 장치(950)와, 친수화 처리 장치(600)와, 기판 접합 장치(100)와, 제2반송 장치(920)와, 제어부(700)와, 로드락 챔버(910)를 구비한다. 또한, 로드락 챔버(910)에는, 로드락 챔버(910) 내에 수성 가스를 공급하는 수성 가스 공급부(960)가 접속되어 있다. 제어부(700)는, 제1반송 장치(930), 세정 장치(940), 외형 얼라인먼트 장치(800), 반전 장치(950), 친수화 처리 장치(600), 기판 접합 장치(100), 제2반송 장치(920) 및 수성 가스 공급부(960)를 제어한다. 제1반송 장치(930) 내와 세정 장치(940) 내와 외형 얼라인먼트 장치(800) 내에는, HEPA(High Efficiency Particulate Air) 필터(미도시)가 설치되어 있다. 이에 의해, 이들의 장치 내는 파티클이 극히 적은 대기압 환경으로 되어 있다. 한편, 반전 장치(950) 내와 친수화 처리 장치(600) 내와 기판 접합 장치(100) 내는, 감압 분위기로 되어 있다.
제1반송 장치(930)는, 기판(301, 302)을 파지하는 아암을 구비하는 대기 반송 로봇(931)을 구비하고, 제2반송 장치(920)도, 기판(301, 302)을 파지하는 아암을 구비하는 진공 반송 로봇(921)을 구비한다. 세정 장치(940)는, 반송되어 온 기판(301, 302)을 향해 물을 토출하면서 세정한다. 외형 얼라인먼트 장치(800)는, 에지 인식 센서와 기판 두께 측정부를 구비하고, 기판(301, 302)이 탑재된 스테이지(803)를 회전시키면서, 에지 인식 센서810에 의해 기판(301, 302)의 에지를 인식하는 한편, 기판 두께 측정부(802)에 의해 기판(301, 302)의 두께를 측정한다. 반전 장치(950)는, 반송되어 온 기판(302)의 안팎을 반전시켜 유지한다. 그리고, 진공 반송 로봇(921)은, 반전 장치(950)가 안팎을 반전시켜 유지하고 있는 기판(302)을 파지할 수 있다.
친수화 처리 장치(600)는, 기판(301, 302)의 각각의 접합면을 친수화하는 친수화 처리를 한다. 친수화 처리 장치(600)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 스테이지(610)와, 챔버(612)와, 트랩판(614)과, 도파관(615)과, 마그네트론(616)과, 고주파 전원(617)을 구비한다. 또한, 친수화 처리 장치(600)는, N2 가스 공급부(질소 가스 공급부)(620A)와 O2 가스 공급부(산소 가스 공급부)(620B)를 구비한다. N2 가스 공급부(620A)는, N2 가스 저류부(621A)와 공급 밸브(622A)와 공급관(623A)을 구비한다. O2 가스 공급부(620B)는, O2 가스 저류부(621B)와 공급 밸브(622B)와 공급관(623B)를 구비한다. 스테이지(610)에는, 기판(301, 302)이 탑재된다. 챔버(612)는, 유리창(613)을 통해 도파관(615)에 접속되어 있다. 챔버(612)는, 배기관(202A)과 배기 밸브(203A)를 통해 진공 펌프(201)에 접속되어 있다. 배기 밸브(203A)를 개방 상태로 하여 진공 펌프(201)를 작동시키면, 챔버(612) 내의 기체가, 배기관(202A)을 통해 챔버(612) 밖으로 배출되어, 챔버(612) 내의 기압이 저감(감압)된다.
마그네트론(616)에서 생성되는 마이크로파는, 도파관(615)을 통해 챔버(612) 내에 도입된다. 마그네트론(616)으로서는, 예를 들면 주파수 2.45GHz의 마이크로파를 생성하는 것을 채용할 수 있다. 그리고, 챔버(612) 내에 N2 가스가 도입된 상태에서, 도파관(615)으로부터 마이크로파를 도입하면, 마이크로파에 의해 챔버(612) 내의 유리창(613) 근방에 플라즈마(PLM)를 형성한다. 트랩판(614)은, 플라즈마(PLM) 중에 포함되는 이온을 트랩하고, 라디칼만을 스테이지(610)에 다운 플로우시킨다. 마그네트론(616)과 N2 가스 공급부(620A)와 트랩판(614)으로부터, 챔버(612) 내에 플라즈마(PLM)를 발생시켜 스테이지(610)에 지지된 기판(301, 302)의 접합면에 플라즈마 중의 N2 라디칼을 공급하는 플라즈마 발생원이 구성된다. 한편, 여기서는, 친수화 처리 장치(600)로서, 마그네트론(616)과 도파관(615)을 구비하는 구성에 대해 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 대신에 유리창(613) 상에 마련된 평판 전극과 평판 전극에 전기적으로 접속된 고주파 전원을 구비하는 구성이어도 좋다. 이 경우, 고주파 전원으로서는, 예를 들면 27MHz의 고주파 바이어스를 인가하는 것을 채용할 수 있다.
고주파 전원(바이어스 인가부)(617)은, 스테이지(610)에 지지된 기판(301, 302)에 고주파 바이어스를 인가한다. 이 고주파 전원(617)으로서는, 예를 들면 13.56MHz의 고주파 바이어스를 발생시키는 것을 채용할 수 있다. 이와 같이, 고주파 전원(617)에 의해 기판(301, 302)에 고주파 바이어스를 인가하는 것에 의해, 기판(301, 302)의 접합면 근방에 운동 에너지를 갖는 이온이 반복하여 기판(301, 302)에 충돌하는 시스 영역이 발생한다. 그리고, 이 시스 영역에 존재하는 운동 에너지를 갖는 이온에 의해 기판(301, 302)의 접합면이 에칭된다.
수성 가스 공급부(960)는, 수성 가스 발생 장치(미도시)를 구비한다. 이 수성 가스 발생 장치는, 저류된 물속에 아르곤(Ar)이나 질소(N2), 헬륨(He), 산소(O2) 등의 캐리어 가스로 버블링하는 것에 의해 수성 가스를 생성한다. 수성 가스 발생 장치는, 공급 밸브 및 공급관을 통해 로드락 챔버(910)에 접속되어 있다. 로드락 챔버(910) 내에 도입되는 수성 가스 및 캐리어 가스의 유량은, 공급 밸브의 개방도를 제어하는 것에 의해 조정된다. 한편, 수성 가스 공급부(960)는, 물(H2O)의 분자나 클러스터 등을 가속하여, 기판(301, 302)의 접합면을 향해 조사하는 구성이어도 좋다. 여기서, 수성 가스 공급부(960)는, 가속된 물(H2O)입자를 방사하는 입자 빔원으로 구성되어 있어도 좋다. 이 경우, 입자 빔원으로서, 예를 들면 초음파 발생 소자를 이용하여 수성 가스를 발생시키는 구성이어도 좋다. 혹은, 상기한 버블링이나 초음파 진동 등으로 생성한 캐리어 가스와 물(H2O)의 혼합 가스를, 상기한 입자 빔원에 도입하는 것에 의해, 물의 입자 빔을 발생시켜, 기판(301, 302)의 접합면에 조사하는 구성으로 하면 된다.
로드락 챔버(910)에는, 기판(301, 302)을 지지하는 스테이지를 냉각하는 냉각 장치(미도시)가 마련되어 있다. 그리고, 예를 들면 로드락 챔버(910) 내의 온도가 25℃일 때 습도가 50%가 되도록 설정된 경우, 냉각 장치가, 스테이지를 18℃로 냉각하는 것에 의해, 스테이지에 탑재된 기판(301, 302) 근방의 습도를 80% 정도로 한다. 이에 의해, 수성 가스 공급부(960)로부터 로드락 챔버(910) 내에 공급하는 수성 가스의 양을 저감할 수 있다.
기판 접합 장치(100)는, 친수화 처리 장치(600)에서 친수화 처리된 기판(301, 302)끼리를 접합한다. 기판 접합 장치(100)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 챔버(200)와, 스테이지(401)와, 헤드(402)와, 스테이지 구동부(403)와, 헤드 구동부(404)와, 기판 가열부(421, 422)와, 위치 어긋남량 측정부(500)를 구비한다. 한편, 이하의 설명에 있어서, 적절히 도 3의 ±Z 방향을 상하 방향, XY 방향을 수평 방향으로 하여 설명한다. 챔버(200)는, 배기관(202B)과 배기 밸브(203B)를 통해 진공 펌프(201)에 접속되어 있다. 배기 밸브(203B)를 개방 상태로 하여 진공 펌프(201)를 작동시키면, 챔버(200) 내의 기체가, 배기관(202B)을 통해 챔버(200) 밖으로 배출되어, 챔버(200) 내의 기압이 저감(감압)된다. 또한, 배기 밸브(203B)의 개폐량을 변동시켜 배기량을 조절하는 것에 의해, 챔버(200) 내의 기압(진공도)을 조절할 수 있다.
스테이지(401)와 헤드(402)는, 챔버(200) 내에서, Z 방향에 있어서 서로 대향하도록 배치되어 있다. 스테이지(401)는, 그 상면으로 기판(301)을 지지하고, 헤드(402)는, 그 하면으로 기판(302)을 지지한다. 한편, 스테이지(401)의 상면과 헤드(402)의 하면은, 기판(301, 302)의 스테이지(401), 헤드(402)와의 접촉면이 경면으로 스테이지(401), 헤드(402)로부터 벗겨지기 어려운 경우를 고려하여, 표면이 거칠게 가공되어 있어도 좋다. 스테이지(401) 및 헤드(402)는, 각각 기판(301, 302)을 유지하는 유지 기구(미도시)를 구비한다. 유지 기구는, 정전척이나 진공척으로 구성되어 있다.
스테이지 구동부(403)는, 스테이지(401)를 XY 방향으로 이동시키거나, Z축을 중심으로 회전시키거나 할 수 있다. 헤드 구동부(404)는, 헤드(402)를 상하 방향(도 3의 화살표 AR1 참조)으로 승강시킨다. 헤드 구동부(404)는, 헤드(402)를 아래 방향으로 이동시키는 것에 의해 헤드(402)를 스테이지(401)에 접근시킨다. 또한, 헤드 구동부(404)는, 헤드(402)를 윗 방향으로 이동시키는 것에 의해, 헤드(402)를 스테이지(401)로부터 이격시킨다. 그리고, 기판(301, 302)끼리가 접촉한 상태에 있어서 헤드 구동부(404)가 헤드(402)에 대해 스테이지(401)에 근접하는 방향으로 구동력을 작용시키면, 기판(302)이 기판(301)에 가압된다. 또한, 헤드 구동부(404)에는, 헤드 구동부(404)가 헤드(402)에 대해 스테이지(401)에 근접하는 방향으로 작용시키는 구동력을 측정하는 압력 센서(408)가 마련되어 있다. 압력 센서(408)의 측정값으로부터, 헤드 구동부(404)에 의해 기판(302)이 기판(301)에 가압되었을 때 기판(301, 302)의 접합면에 작용하는 압력을 검출할 수 있다. 압력 센서(408)는, 예를 들면 로드셀로 구성된다.
기판 가열부(421, 422)는, 예를 들면 전열 히터로 구성된다. 기판 가열부(421, 422)는, 스테이지(401), 헤드(402)에 지지되어 있는 기판(301, 302)에 열을 전달하는 것에 의해 기판(301, 302)을 가열한다. 또한, 기판 가열부(421, 422)의 발열량을 조절하는 것에 의해, 기판(301, 302)이나 그들의 접합면의 온도를 조절할 수 있다.
위치 어긋남량 측정부(500)는, 기판(301, 302)의 각각에 마련된 위치 맞춤용 마크(얼라인먼트 마크)의 위치를 인식하는 것에 의해, 기판(301)의 기판(302)에 대한 수평 방향의 위치 어긋남량을 측정한다. 위치 어긋남량 측정부(500)는, 예를 들면 기판(301, 302)을 투과하는 광(예를 들면 적외광)을 이용하여 기판(301, 302)의 얼라인먼트 마크를 인식한다. 스테이지 구동부(403)는, 위치 어긋남량 측정부(500)에 의해 측정된 위치 어긋남량에 근거하여, 스테이지(401)를 수평 방향으로 이동시키거나 회전시키거나 하는 것에 의해, 기판(301, 302)의 상호간의 위치 맞춤 동작(얼라인먼트 동작)을 실행한다. 이 위치 어긋남량 측정부(500)에 의한 위치 어긋남량의 측정 및 스테이지 구동부(403)의 얼라인먼트 동작은, 모두 제어부(700)의 제어하에서 실행된다.
제어부(700)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, MPU(Micro Processing Unit)(701)와, 메인 기억부(702)와, 보조 기억부(703)와, 인터페이스(704)와, 각 부를 접속하는 버스(705)를 구비한다. 메인 기억부(702)는, 휘발성 메모리로 구성되고, MPU(701)의 작업 영역으로서 사용된다. 보조 기억부(703)는, 비휘발성 메모리로 구성되고, MPU(701)가 실행하는 프로그램을 기억한다. 인터페이스(704)는, 압력 센서(408), 위치 어긋남량 측정부(500) 등으로부터 입력되는 측정 신호를 측정 정보로 변환하여 버스(705)에 출력한다. 또한, MPU(701)는, 보조 기억부(703)가 기억하는 프로그램을 메인 기억부(702)에 리딩하여 실행하는 것에 의해, 인터페이스(704)를 통해, 스테이지 구동부(403), 헤드 구동부(404), 기판 가열부(421, 422), 마그네트론(616), 고주파 전원(617), 공급 밸브(622A, 622B), 진공 반송 로봇(921), 대기 반송 로봇(931), 수성 가스 공급부(960) 등에 제어 신호를 출력한다.
여기서, 본 실시예에 따른 기판 접합 시스템 전체에 대해, 기판(301, 302)이 기판 접합 시스템에 투입되고 나서 기판(301, 302)이 접합되어 기판 접합 시스템으로부터 취출될 때까지의 동작의 흐름을 설명한다. 기판(301, 302)은, 먼저, 도입 포트(961)에 배치된다. 기판(301, 302)으로서는, 예를 들면, 유리 기판이나 산화물 기판(예를 들면, 산화 규소(SiO2) 기판이나 알루미나 기판(Al2O3)), 질화물 기판(예를 들면, 질화 규소(SiN), 질화 알루미늄(AlN)) 중의 어느 하나로 이루어진다.
다음으로, 기판(301, 302)은, 제1반송 장치(930)의 대기 반송 로봇(931)에 의해 도입 포트(961)로부터 세정 장치(940)로 반송되고, 세정 장치(940)에 있어서 기판(301, 302) 상에 존재하는 이물을 제거하는 세정이 실시된다. 이어서, 기판(301, 302)은, 대기 반송 로봇(931)에 의해 세정 장치(940)로부터 외형 얼라인먼트 장치(800)로 반송되고, 외형 얼라인먼트 장치(800)에서 그들의 외형의 얼라인먼트와 함께 기판 두께의 측정이 실시된다. 그 후, 기판(301, 302)은, 대기 반송 로봇(931)에 의해 대기 개방된 로드락 챔버(910) 내에 반송된다. 그리고, 로드락 챔버(910) 내에 존재하는 기체가 배출되는 것에 의해 로드락 챔버(910) 내의 진공도가 제2반송 장치(920) 내의 진공도와 동일해지면, 기판(301, 302)은, 제2반송 장치(920)의 진공 반송 로봇(921)에 의해, 친수화 처리 장치(600)로 반송된다.
그 후, 기판(301, 302)은, 친수화 처리 장치(600)에 반송되고, 기판(301, 302)의 각각의 접합면에 대해 친수화 처리가 진행된다. 친수화 처리된 기판(301, 302)은, 진공 반송 로봇(921)에 의해, 다시 로드락 챔버(910) 내에 반송된다. 그리고, 수성 가스 공급부(960)로부터 로드락 챔버(910)에 수성 가스가 공급되어, 기판(301, 302)의 접합면이 수성 가스에 폭로된다. 이에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 더욱 많은 OH기가 생성된다. 다음으로, 기판(301)은, 진공 반송 로봇(921)에 의해, 기판 접합 장치(100)로 반송된다. 한편, 기판(302)은, 진공 반송 로봇(921)에 의해, 반전 장치(950)로 반송되어 반전 장치(950)에서 안팎이 반전된다. 이어서, 기판(302)은, 진공 반송 로봇(921)에 의해, 기판 접합 장치(100)로 반송된다.
그 후, 기판(301, 302)은, 기판 접합 장치(100)에서 서로 접합된다. 접합된 기판(301, 302)은, 진공 반송 로봇(921)에 의해, 다시 로드락 챔버(910)로 반송된다. 그 후, 로드락 챔버(910)가 대기 개방되면, 서로 접합된 기판(301, 302)은, 대기 반송 로봇(931)에 의해 로드락 챔버(910)로부터 취출 포트(962)로 반송된다. 이상이, 본 실시예에 따른 기판 접합 시스템 전체의 동작 흐름이다.
다음으로, 본 실시예에 따른 기판 접합 시스템(제어부(700))이 실행하는 기판 접합 처리에 대해 도 5를 참조하면서 설명한다. 이 기판 접합 처리는, 제어부(700)에 의해 기판 접합 처리를 실행하기 위한 프로그램이 기동된 것을 계기로 하여 개시된다. 한편, 도 5에서는, 기판(301, 302)이, 로드락 챔버(910)에 반송되고 나서 서로 접합될 때까지의 처리의 흐름을 나타내고 있다.
먼저, 제어부(700)는, 제2반송 장치(920)의 진공 반송 로봇(921)을 제어하여, 기판(301(302))을 친수화 처리 장치(600)로 반송하고, 친수화 처리 장치(600)에서 반송된 기판(301(302))을 스테이지(610)에 유지시킨다(스텝 S1).
다음으로, 제어부(700)는, 친수화 처리 장치(600)를 제어하여, 기판(301(302))의 접합면을 친수화하는 친수화 처리를 실행한다(친수화 처리 공정)(스텝 S2). 이 친수화 처리의 상세는 후술한다. 이에 의해, 기판(301(302))의 접합면에 OH기가 생성된다.
이어서, 제어부(700)는, 진공 반송 로봇(921)을 제어하여, 기판(301(302))을, 친수화 처리 장치(600)로부터 로드락 챔버(910)에 반송하고, 로드락 챔버(910)에 있어서, 반송된 기판(301(302))을 스테이지에 유지시킨다(스텝 S3).
그 후, 제어부(700)는, 수성 가스 공급부(960)를 제어하여, 수성 가스 발생 장치로부터 로드락 챔버(910)에 수성 가스를 도입하여 기판(301(302))을 수성 가스(H2O)에 폭로시키는 것에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 물을 공급하는 수성 가스 폭로 처리(제1물 공급 공정)를 한다(스텝 S4). 이에 의해, 기판(301(302))의 접합면에, 플라즈마 처리시에 부족했던 수분이 보충되어 OH기가 추가로 생성된다.
다음으로, 제어부(700)는, 진공 반송 로봇(921)을 제어하여, 로드락 챔버(910)로부터 기판 접합 장치(100)에 기판(301(302))을 반송하고, 기판 접합 장치(100)에 있어서, 반송된 기판(301(302))을 스테이지(401)(헤드(402))에 유지시킨다(스텝 S5). 여기서, 제어부(700)는, 기판 접합 장치(100)의 헤드(402)에 유지되는 기판(302)의 경우, 먼저, 로드락 챔버(910)로부터 반전 장치(950)에 기판(302)을 반송하고, 반전 장치(950)를 제어하여 기판(302)의 안팎을 반전시킨다. 그 후, 제어부(700)는, 진공 반송 로봇(921)을 제어하여, 반전 장치(950)에서 반전된 기판(302)을 기판 접합 장치(100)에 반송한다. 이에 의해, 스테이지(401)에 기판(301)이 유지되어, 헤드(402)에 기판(302)이 유지된 상태가 된다.
이어서, 제어부(700)는, 기판 접합 장치(100)를 제어하여, 기판(301, 302)끼리가 떨어진 상태에서 기판(301, 302)끼리가 접근하는 방향으로 기판(302)을 이동시켜 기판(301, 302)의 접합면끼리를 접촉시킨다(스텝 S6). 여기서, 기판 접합 장치(100)는, 먼저, 기판(302)을 지지한 헤드(402)를, 기판(301)을 지지한 스테이지(401)에 접근시켜 두 기판(301, 302)을 접근시킨다. 다음으로, 기판 접합 장치(100)는, 두 기판(301, 302)이 서로 근접한 상태에 있어서, 위치 어긋남량 측정부(500)에 의해 측정되는 위치 어긋남량에 근거하여, 두 기판(301, 302)의 얼라인먼트 동작을 실행한다. 이어서, 기판 접합 장치(100)는, 헤드(402)를 다시 스테이지(401)에 접근시키는 것에 의해, 2개의 기판(301, 302)을 접촉시킨다.
그 후, 제어부(700)는, 기판 접합 장치(100)를 제어하여, 진공중에서 기판(301, 302)을 접합하는 접합 처리(접합 공정)를 실행한다(스텝 S7). 여기서, 기판 접합 장치(100)는, 접합면끼리를 접촉시킨 2개의 기판(301, 302)에 압력을 가하는 것에 의해, 2개의 기판(301, 302)을 접합한다. 이 때, 기판(301, 302)의 접합면끼리는, OH기 또는 물분자에 의해 덮여 있다. 이에 의해, 기판(301, 302)의 접합면끼리를 접촉시키는 것에 의해, 기판(301, 302)끼리가, OH기 사이 또는 물분자 사이의 수소 결합에 의해 가접합된다.
다음으로, 제어부(700)는, 서로 가접합된 기판(301, 302)을 가열하는 가열 처리를 실행한다(스텝 S8). 여기서, 기판 접합 장치(100)는, 기판 가열부(421, 422)에 의해 기판(301, 302)을, 예를 들면 120 내지 200℃로 가열한 상태로 2 내지 7시간 유지한다. 이에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 존재하는 OH기가 수소 결합에서 공유 결합으로 이행할 때 발생하는 물분자 및 수소 또는 진공중에서도 기판(301, 302)의 접합면에 남은 물분자 및 수소의 대부분이, 기판(301, 302)의 접합 계면의 외부로 빠져 나가, 접합면 사이에 강고한 공유 결합이 형성되는 것으로 생각된다. 이 때, 가접합한 기판(301, 302)의 접합 계면으로부터 물분자 및 수소가 빠져 나가는 과정에서, 가접합시에서는 접촉하지 않았던 부분에 있어서도 기판(301, 302)의 접합면끼리가 접촉하여, 실질적으로 접합 계면이 확산되어 접합 면적이 커지는 것으로 생각된다.
여기서, 상기한 친수화 처리 장치(600)가 실행하는 친수화 처리에 대해 도 6을 참조하면서 상세하게 설명한다. 먼저, 제어부(700)가, O2 가스 공급부(620B)를 제어하여, 챔버(612) 내에 O2 가스를 도입한다(스텝 S21). 구체적으로는, 제어부(700)가, 공급 밸브(622B)를 개방하는 것에 의해 O2 가스 저류부(621B)로부터 공급관(623B)를 통해 챔버(612) 내에 O2 가스를 도입한다.
다음으로, 제어부(700)는, 마그네트론(616)으로부터 챔버(612)로의 마이크로파의 공급을 정지시킨 상태에서, 고주파 전원(617)을 제어하여, 스테이지(610)에 유지된 기판(301, 302)에 고주파 바이어스를 인가한다. 이에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 대해, O2 가스를 사용한 반응성 이온 에칭(RIE)을 하는 O2RIE 처리(제2에칭 공정)이 진행된다(스텝 S22).
이어서, 제어부(700)는, 공급 밸브(622B)를 폐쇄하고 O2 가스 저류부(621B)로부터 챔버(612) 내로의 O2 가스의 공급을 정지하는 것에 의해, 챔버(612) 내의 O2 가스를 배기한다. 그 후, 제어부(700)는, N2 가스 공급부(620A)를 제어하여, 챔버(612) 내에 N2 가스를 도입한다(스텝 S23). 구체적으로는, 제어부(700)가, 공급 밸브(622A)를 개방하는 것에 의해 N2 가스 저류부(621A)로부터 공급관(623A)을 통해 챔버(612)에 N2 가스를 도입한다.
그 후, 제어부(700)는, 계속하여, 마그네트론(616)으로부터 챔버(612)로의 마이크로파의 공급을 정지시킨 상태에서, 고주파 전원(617)을 제어하여, 기판(301, 302)에 고주파 바이어스를 인가한다. 이에 의해, 기판(301, 302)의 각각의 접합면에 대해, N2 가스를 사용한 반응성 이온 에칭(RIE)을 하는 N2RIE 처리(제1에칭 공정)가 진행된다(스텝 S24).
다음으로, 제어부(700)는, 마그네트론(616)을 제어하여, 마그네트론(616)으로부터 챔버(612)로의 마이크로파의 공급을 시작하여, N2 가스로 플라즈마를 발생시킨다. 이 때, 제어부(700)는, 고주파 전원(617)을 제어하여, 고주파 전원(617)에 의한 기판(301, 302)에 대한 고주파 바이어스의 인가를 정지한다. 이와 같이하여, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 N2 라디칼을 조사하는 N2 라디칼 처리(라디칼 처리 공정)가 진행된다(스텝 S25). 그 후, 상기한 도 5의 스텝 S3의 처리가 실행된다.
한편, 본 실시예에 따른 친수화 처리에 있어서, 상기한 스텝 S21, S22의 처리가 생략되어도 좋다. 즉, 친수화 처리에 있어서, 스텝 S23 내지 S25의 처리만 진행되어도 좋다.
다음으로, 본 실시예에 따른 기판 접합 시스템에 의해 접합된 2개의 기판(301, 302)에 대해, 접합 강도를 평가한 결과에 대해 설명한다. 여기서는, 본 실시예에 따른 기판 접합 방법에 의해 접합된 2개의 기판(301, 302)의 접합 강도의 평가 결과와, 후술하는 비교예 1 내지 8에 따른 기판 접합 방법에 의해 접합된 2개의 기판의 접합 강도의 평가 결과에 대해 설명한다. 먼저, 비교예 1 내지 8에 따른 기판 접합 방법에 대해 설명한다.
비교예 1 내지 4에 따른 기판 접합 방법에서는, 도 7A에 나타내는 바와 같이, 친수화 처리에 있어서, 기판(301, 302)의 접합면에 대해, O2RIE 처리만 실행된다. 또한, 비교예 5 내지 7에 따른 기판 접합 방법에서는, 도 7B에 나타내는 바와 같이, 친수화 처리에 있어서, O2RIE 처리가 실행된 후, N2 라디칼 처리가 실행된다. 이에 대해, 본 실시예에 따른 제1의 기판 접합 방법(이하, "제1기판 접합 방법"이라 한다.)에서는, 도 7C에 나타내는 바와 같이, 친수화 처리에 있어서, N2RIE 처리가 실행된 후, N2 라디칼 처리가 실행된다. 또한, 본 실시예에 따른 제2의 기판 접합 방법(이하, "제2기판 접합 방법"이라 한다.)에서는, 도 7D에 나타내는 바와 같이, 친수화 처리에 있어서, O2RIE 처리가 실행된 후, N2RIE 처리가 실행되고, 그 후, N2 라디칼 처리가 실행된다. 또한, 비교예 8에 따른 기판 접합 방법에서는, 도 7E에 나타내는 바와 같이, 친수화 처리에 있어서, N2RIE 처리가 실행된 후, O2RIE 처리가 실행되고, 그 후, N2 라디칼 처리가 실행된다.
다음으로, 비교예 1 내지 8에 따른 기판 접합 방법 및 실시예에 따른 제1기판 접합 방법 및 제2기판 접합 방법에 의해 서로 접합된 2개의 기판(301, 302)의 접합 강도를 평가한 결과에 대해 설명한다. 여기서는, 기판(301, 302)으로서, 유리 기판을 채용한 경우에 대해 설명한다. 접합 강도의 평가는, 채용한 기판 접합 방법과, 기판 접합 방법의 친수화 처리에 있어서의 O2RIE 처리, N2RIE 처리 및 N2 라디칼 처리의 처리 시간 △T1, △T2, △T3과의 조합이 서로 상이한 12종류의 시료 1 내지 시료 12에 대해 진행했다. 한편, 기판(301, 302)의 O2RIE 처리, N2RIE 처리 및 N2 라디칼 처리에 사용하는 친수화 처리 장치(600)로서, 도 2에 나타내는 구성에 있어서, 마그네트론(616) 및 도파관(615) 대신, 유리창(613) 상에 마련된 평판 전극과 평판 전극에 전기적으로 접속된 고주파 전원을 구비하는 구성을 사용했다. 또한, O2RIE 처리 및 N2RIE 처리시에, 기판(301, 302)에 인가하는 고주파 바이어스의 바이어스 전력은, 모두 250W로 설정했다. 또한, N2 라디칼 처리시에, 마그네트론(616)으로부터 챔버(612)에 공급되는 전력은, 모두 250W로 설정했다. 또한, 기판 접합 장치(100)의 챔버(200) 내의 진공도는, 모든 시료의 경우 5.0×10-3Pa로 설정했다. 또한, 기판(301, 302)의 접합 처리는, 모든 시료의 경우, 기판(301, 302)에 10N의 압력을 가한 상태로 1min 유지하는 것에 의해 진행했다. 또한, 가열 처리는, 처리 온도 200℃, 처리 시간 2시간으로 했다. 12종류의 시료 1 내지 시료 12 각각에 대해, 채용한 기판 접합 방법과, 기판 접합 방법의 친수화 처리에 있어서의 O2RIE 처리, N2RIE 처리 및 N2 라디칼 처리의 처리 시간을 모은 것을 이하의 표 1에 나타낸다. 한편, 표 1의 "처리 시간"의 란에 있어서, "O2RIE"는, O2RIE 처리의 처리 시간 △T1을 나타내고, "N2RIE"는, N2RIE 처리의 처리 시간 △T3을 나타내고, "N2 라디칼"은, N2 라디칼 처리의 처리 시간 △T2를 나타낸다. 또한, "기판 접합 방법"의 란에 있어서, "비교예 1(2 내지 8)"은 상기한 비교예 1(2 내지 8)에 따른 기판 접합 방법을 채용한 것을 나타내고, "제1기판 접합 방법"은 상기한 실시예 제1기판 접합 방법을 채용한 것을 나타낸다. 또한, "제2기판 접합 방법"은 상기한 실시예 제2기판 접합 방법을 채용한 것을 나타낸다.
처리시간(sec) 기판접합방법
O2RIE N2RIE N2 라디칼
시료1 30 - - 비교예1
시료2 60 - - 비교예2
시료3 120 - - 비교예3
시료4 180 - - 비교예4
시료5 120 - 7.5 비교예5
시료6 120 - 15 비교예6
시료7 120 - 30 비교예7
시료8 - 120 15 제1기판 접합방법
시료9 - 60 15 제1기판 접합방법
시료10 30 90 15 제2기판 접합방법
시료11 60 60 15 제2기판 접합방법
시료12 60 60 15 비교예8
또한, 시료 1 내지 시료 12에 관한 기판(301, 302)의 접합 강도의 평가는, 블레이드를 삽입하는 크랙 & 오프닝(crack and Opening)법을 이용하여 접합 강도(표면 에너지 환산)을 측정하는 것에 의해 진행했다. 이 크랙 & 오프닝법에서는, 먼저, 도 8A의 화살표로 나타내는 바와 같이, 서로 접합된 2개의 기판(301, 302)의 주변으로부터 접합 부분에 예를 들면 면도칼과 같은 블레이드(BL)를 삽입했을 때의 기판(301, 302)의 박리 길이(L)를 측정한다. 블레이드(BL)로서는, 예를 들면 두께 100μm의 블레이드를 사용한다. 또한, 도 8B에 나타내는 바와 같이, 서로 접합된 2개의 기판(301, 302)의 주변부의 여섯 군데(Pos1, Pos2, Pos3, Pos4, Pos5, Pos6)에 블레이드(BL)를 삽입(도 8B 중의 화살표 참조)했을 때의 블레이드 접점으로부터의 박리 길이(L)를 측정했다. 그리고, 기판(301, 302)의 주변부의 여섯 군데 각각에 대해, 박리 길이(L)로부터, 기판(301, 302)의 접합 계면의 강도를 단위 면적당의 표면 에너지 환산으로 산출하는 것에 의해, 기판(301, 302)의 접합 강도의 평가를 했다. 한편, 박리 길이(L)로부터 접합 강도(표면 에너지 환산)(Eb)를 산출할 때는, 하기의 식 (1)의 관계식을 사용했다.
[식 (1)]
Figure 112019052134717-pct00001
여기서, Y는 영률을 나타내고, Ts는 기판(301, 302)의 두께를 나타내고, Tb는 블레이드(BL)의 두께를 나타낸다. 시료 1 내지 12에 관한 기판(301, 302)의 접합 강도의 평가에서는, 영률(Y)을 6.5×1010[N/m2]으로 하고, 기판(301, 302)의 두께(Ts)를 0.0011m(1.1mm), 블레이드(BL)의 두께(Tb)를 0.0001m(0.1mm)로 했다. 계산식으로부터 박리 길이가 짧을수록 접합 강도가 커진다. 기판(301, 302)의 주변부의 여섯 군데에 있어서의 접합 강도(표면 에너지 환산)의 평균값을 표 2에 나타낸다. 한편, 산출된 접합 강도(표면 에너지 환산)가 클수록, 기판(301, 302)의 접합 강도가 큰 것을 나타내고, 벌크 파괴된 것은 "벌크 파괴"라고 기재한다. 통상, 2J/m2를 넘어서 벌크 파괴되는 것이 바람직하다. 또한, 벌크 파괴된 것 중에서도 박리 길이가 짧을수록 접합 강도는 높다고 상정할 수 있으므로 박리 길이를 병기했다.
시료 1 내지 시료 12에 관한 기판(301, 302)의 접합 강도의 평가 결과를 이하의 표 2 및 도 9A 내지 도 11D에 나타낸다. 한편, 표 2에 있어서 "시료명"의 란은, 상기한 표 1의 시료 1 내지 시료 12 각각에 대응한다. "박리 길이"의 란의 값은, 도 8B에 나타내는 2개의 기판(301, 302)의 주변부의 여섯 군데("Pos1" 내지 "Pos6")에 있어서의 박리 길이의 평균값을 나타내고 있다. 또한, "접합 강도(표면 에너지 환산)"의 란의 값은, 도 8B에 나타내는 2개의 기판(301, 302)의 주변부의 여섯 군데("Pos1" 내지 "Pos6")에 있어서의 접합 강도(표면 에너지 환산)의 평균값을 나타내고 있다. 또한, "벌크 파괴의 유무"의 란에 있어서, "무"는 벌크 파괴가 없었던 것을 나타내고, 수치는, 2개의 기판(301, 302)의 주변부의 여섯 군데("Pos1" 내지 "Pos6") 중 벌크 파괴가 생긴 군데의 수를 나타내고 있다. 도 9A 내지 도 11D는, 시료 1 내지 시료 12 각각의 외관을 나타내는 사진이다.
시료명 박리길이(㎜) 접합강도
(표면에너지 환산)
(J/㎡)		 벌크파괴의 유무
시료1 20.3 0.48 무
시료2 19.3 0.59 무
시료3 18.5 0.69 무
시료4 18.8 0.66 무
시료5 17.3 0.90 무
시료6 12.6 벌크파괴 2
시료7 15.9 1.26 무
시료8 6.2 벌크파괴 6
시료9 12.3 벌크파괴 3
시료10 7.0 벌크파괴 5
시료11 5.1 벌크파괴 6
시료12 14.3 1.9 무
비교예 1 내지 4에 따른 기판 접합 방법(친수화 처리에 있어서 O2RIE 처리만을 한다)을 채용한 방법에 있어서 조건 세팅을 한 시료 1 내지 4의 경우, 접합 강도(표면 에너지 환산)는, 0.48~0.69J/m2이고, 어느 것에도 벌크 파괴 강도에 도달한 부분은 존재하지 않았다. 또한, 도 9A 내지 도 9D에 나타내는 바와 같이, 시료 2에서는, 기판(301, 302)에 있어서의 접합면끼리가 접합되지 않은 부분이 거의 관찰되지 않았지만, 시료 1, 3, 4에서는, 기판(301, 302)에 있어서의 접합면끼리가 접합되지 않은 부분이 관찰되었다. 이 결과, 기판(301, 302)끼리의 젖음성은, O2RIE 처리의 처리 시간이 120sec인 경우가 가장 양호하고, 접합 강도는 O2RIE 처리의 처리 시간이 60sec인 경우가 가장 높았다. 이로부터, O2RIE 처리의 처리 시간이 60sec 내지 120sec의 부근에, O2RIE 처리의 처리 시간의 최적값이 있는 것으로 생각된다. 이 결과로부터, 비교예 1 내지 4에 따른 종래의 친수화 처리 방법에서 아무리 조건 세팅을 했다고 해도, 진공중에서의 기판(301, 302)끼리의 접합에 있어서 충분한 접합 강도를 얻을 수 없음을 알 수 있다.
또한, 비교예 5 내지 7에 따른 기판 접합 방법(친수화 처리에 있어서 O2RIE 처리와 N2 라디칼 처리를 한다)을 채용한 방법에 있어서, O2RIE 처리의 처리 시간으로서 상기한 120sec를 채용하고, N2 라디칼 처리의 처리 시간을 부여하여 조건 세팅을 한 시료 5, 7의 접합 강도(표면 에너지 환산)는, 0.90~1.26J/m2였다. 또한, 시료 6에서는, 2개의 기판(301, 302)의 주변부의 2군데에서 벌크 파괴 강도에 도달했다. 이와 같이, 비교예 5 내지 7에 따른 기판 접합 방법을 채용한 경우, 비교예 1 내지 4에 따른 기판 접합 방법을 채용한 경우에 비해 기판(301, 302)의 접합 강도가 향상되었다. 또한, N2 라디칼 처리의 처리 시간의 최적값은, 15sec 부근인 것으로 생각된다. 또한, 도 10A 내지 도 10C에 나타내는 바와 같이, 시료 5 내지 7에서는, 기판(301, 302)의 접합면끼리가 접합되지 않은 부분이 거의 관찰되지 않았다. 이 결과에 대해, 비교예 5 내지 7에 따른 기판 접합 방법에서는, 친수화 처리에 있어서 O2RIE 처리에 더하여 N2 라디칼 처리를 하는 것에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 존재하는 OH기가 증가하여 기판(301, 302)의 접합 강도가 증가한 것으로 생각된다. 이 결과로부터, 비교예 5 내지 7에 따른 친수화 처리 방법에서는, N2 라디칼 처리의 처리 시간의 최적값이 15sec 부근인 것으로 생각된다.
본 실시예에 따른 제1기판 접합 방법을 채용한 방법에 있어서 조건 세팅을 한 시료 8에서는, 2개의 기판(301, 302)의 주변부의 여섯 군데 모두에서 벌크 파괴 강도에 도달하고, 박리 길이(L)가 6.2mm였다. 또한, 시료 9에서도, 2개의 기판(301, 302)의 주변부의 3군데에서 벌크 파괴 강도에 도달하고, 박리 길이(L)가 12.3mm였다. 이와 같이, 본 실시예에 따른 제1기판 접합 방법을 채용한 경우, 비교예 5 내지 7에 따른 기판 접합 방법을 채용한 경우에 비해 기판(301, 302)의 접합 강도가 더욱 향상되었다. 또한, 도 10D 및 도 11A에 나타내는 바와 같이, 시료 8에서는, 기판(301, 302)끼리의 접합 불량 부분이 발생했지만, 시료 9에서는, 몇 군데에 파티클에 기인하는 보이드가 발생했을 뿐이었다. 이 결과로부터, 제1기판 접합 방법에 따른, N2RIE 처리→N2 라디칼 처리의 순서로 처리하는 친수화 처리 방법에서는, N2RIE 처리의 처리 시간의 최적값이 120sec 부근인 것으로 생각된다. 이 결과에 대해, 본 실시예에 따른 제1기판 접합 방법에서는, 친수화 처리에 있어서 O2RIE 처리 대신 N2RIE 처리를 하는 것에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 존재하는 OH기가 더욱 증가하여 기판(301, 302)의 접합 강도가 더욱 증가한 것으로 생각된다.
또한, 본 실시예에 따른 제2기판 접합 방법을 채용한 방법에 있어서 조건 세팅을 한 시료 10에서는, 2개의 기판(301, 302)의 주변부의 5군데에서 벌크 파괴 강도에 도달하고, 박리 길이(L)가 7.0mm였다. 또한, 시료 11에서는, 2개의 기판(301, 302)의 주변부의 여섯 군데 모두에서 벌크 파괴 강도에 도달하고, 박리 길이(L)가 5.1mm였다. 이와 같이, 본 실시예에 따른 제2기판 접합 방법을 채용한 경우, N2RIE 처리의 처리 시간이 동일한 경우, 제1기판 접합 방법을 채용한 경우에 비해 기판(301, 302)의 접합 강도가 더욱 향상되었다. 또한, 도 11B 및 도 11C에 나타내는 바와 같이, 시료 10, 11에서는, 보이드에 기인하고 있는 부분을 제외하고, 기판(301, 302)의 접합면끼리가 접합되지 않은 부분이 거의 관찰되지 않았다. 특히, 도 11C에 나타내는 바와 같이, 시료 11에서는, 보이드도 없고 접합 강도도 높고, 최적의 조건에 가까운 것으로 생각된다. 이 결과에 대해, 본 실시예에 따른 제2기판 접합 방법에서는, 친수화 처리에 있어서 N2RIE 처리를 하기 전에 O2RIE 처리를 하는 것에 의해, 기판(301, 302)의 접합 강도가 더욱 증가하고 또한 기판(301, 302)끼리의 젖음성도 향상된 것으로 생각된다.
한편, 시료 12에서는, 기판(301, 302)의 주변부의 여섯 군데 중의 어디에도 벌크 파괴 강도에 도달한 부분은 존재하지 않았다. 즉, 제2기판 접합 방법이란, N2RIE 처리와 O2RIE 처리를 하는 순번을 반대로 하면, 개별로 N2RIE 처리만 혹 O2RIE 처리만을 한 시료 8, 시료 6보다도 접합 강도가 저하되었다. 또한, 시료 11과 비교하여 기판(301, 302)의 젖음성 및 접합 강도가 모두 저하되었다. 이 결과로부터, 친수화 처리에 있어서, O2RIE 처리→N2RIE 처리의 순번이 중요한 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 제1기판 접합 방법 또는 제2기판 접합 방법을 채용하면, 비교예 1 내지 7에 따른 기판 접합 방법을 채용한 경우에 비해, 기판(301, 302)의 접합 강도가 향상되는 것을 알았다. 또한, 기판(301, 302)의 접합면끼리가 접합되지 않은 부분의 발생이 억제되는 것도 알았다. 또한, 상기한 평가 결과로부터, O2RIE 처리가, 기판(301, 302)끼리의 젖음성을 향상시키고, N2RIE 처리가, 기판(301, 302)끼리의 접합 강도를 향상시키고 있는 것을 알았다. 즉, N2RIE 처리만으로는, 기판(301, 302)끼리의 젖음성이 불충분하고, 한편, O2RIE 처리만으로는, 기판(301, 302)끼리의 접합 강도가 불충분하다. 그리고, O2RIE 처리→N2RIE 처리→N2 라디칼 처리의 순번에서의 처리에 있어서, O2RIE 처리에서 기판(301, 302)의 접합면에 존재하는 유기물과 같은 오물 등을 제거한 후에 N2RIE 처리를 하면, 기판(301, 302)끼리의 젖음성의 향상과 함께, N2RIE 처리에 있어서의 기판(301, 302)끼리의 접합 강도 향상의 효과가 있는 것으로 상정된다. 그리고, N2RIE 처리→O2RIE 처리의 순번에서는, 이와 같은 효과가 없는 것으로 생각된다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 기판 접합 시스템에서는, 친수화 처리에 있어서, 2개의 기판(301, 302)의 각각의 접합면에 대해 N2RIE 처리를 하고, 그 후, 2개의 기판(301, 302)의 각각의 접합면에 대해 N2 라디칼 처리를 한다. 구체적으로는, 기판 접합 시스템의 제어부(700)가, N2 가스 공급부(620A)를 제어하여, 챔버(612) 내에 N2 가스를 공급한다. 그리고, 제어부(700)는, 고주파 전원(617)을 제어하여, 기판(301, 302)에 고주파 바이어스를 인가하는 것에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 N2RIE 처리를 한다. 그 후, 제어부(700)는, 마그네트론(616) 및 고주파 전원(617)을 제어하여, N2 가스로 플라즈마를 발생시키는 한편 기판(301, 302)에 대한 고주파 바이어스의 인가를 정지시키는 것에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 N2 라디칼 처리를 한다. 즉, N2RIE 처리에 의해, N 이온을 비교적 강한 충돌력으로 기판(301, 302)의 접합면에 충돌시켜 OH기가 부착되는 사이트를 많이 형성한다. 그리고, 그 후의 N2 라디칼에 의한 기판(301, 302)의 접합면에 대한 충돌력이 비교적 약하고 반응성이 높은 N2 라디칼 처리에 있어서, 사이트에 부착된 OH기의 이탈을 억제하면서 OH기를 부착하는 사이트를 형성한다. 이에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 대한 OH기의 부착이 효율적으로 증진되기 때문에, 기판(301, 302)의 접합면에 다수의 OH기를 생성할 수 있다. 따라서, 기판(301, 302)의 접합면끼리를 접촉시켜 기판(301, 302)을 접합한 경우, OH기가 다수 생성되는 만큼, 접합면 사이에 다수의 수소 결합을 형성할 수 있기 때문에, 나중의 가열 공정을 거쳐 수소 결합이 공유 결합으로 변하여, 서로 접합된 기판(301, 302)의 접합 강도가 향상된다.
또한, 본 실시예에 따른 기판 접합 시스템은, 기판(301, 302)을 진공중에서 접합한다. 이에 의해, 예를 들면 대기중에서 기판(301, 302)을 접합할 때와 같이, 기판(301, 302) 사이에 공기가 개재하지 않는다. 따라서, 기판(301, 302)의 일부에서 공기를 혼입하는 형태로 기판(301, 302)끼리가 접합되는 것에 기인한 기판(301, 302)의 접합 계면에 있어서의 틈이나 여분의 물분자가 날아가, 마이크로 보이드의 발생이 억제된다.
또한, 본 실시예에 따른 친수화 처리에서는 N2RIE 처리 전에, 기판(301, 302)의 각각의 접합면에 대해, O2 가스를 사용한 O2RIE 처리를 한다. 구체적으로는, 기판 접합 시스템의 제어부(700)가, O2 가스 공급부(620B)를 제어하여, 챔버(612) 내에 O2 가스를 공급하고 나서, 고주파 전원(617)을 제어하여, 기판(301, 302)에 고주파 바이어스를 인가하는 것에 의해, 기판(301, 302)의 각각의 접합면에 대해 O2RIE 처리를 한다. 이에 의해, 접합된 기판(301, 302)의 접합 강도를 향상시킬 수 있었다. 이는 O2RIE 처리에 의해 젖음성이 향상되고, 또한, 기판(301, 302)의 접합면에 부착된 유기물이 제거되어, 불순물이 없는 상태에서 N2RIE 처리가 실시되는 것도 더해져, 강도가 향상된 것으로 추측할 수 있다. 반대의 처리(N2RIE 처리→O2RIE 처리)도 시도했지만 반대로 젖음성이 악화되고, 개별 처리시보다 낮은 강도가 되고, O2RIE 처리→N2RIE 처리의 순번에 의한 반응의 효과가 있는 것으로 생각된다. 이상의 결과로부터 O2RIE 처리→N2RIE 처리→N2 라디칼 처리의 순서로 처리가 실행되는 것이, 기판(301, 302)끼리의 접합 강도를 향상시키는데 유효한 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기한 실시예의 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 친수화 처리 장치가, ICP(Inductively Coupled Plasma)에 의해 N2 라디칼을 생성하는 구성이어도 좋다. 예를 들면 도 12에 나타내는 바와 같이, 친수화 처리 장치(2600)는, 스테이지(610)와, 챔버(2612)와, 솔레노이드 코일(2616)과, 고주파 전원(617)을 구비한다. 한편, 도 12에 있어서, 실시예와 동일한 구성에 대해서는 도 2와 동일한 부호를 첨부하고 있다. N2 가스 저류부(621A)는, 공급 밸브(622A) 및 공급관(623A)을 통해 챔버(2612)에 접속되어 있다. 또한, O2 가스 저류부(621B)도, 공급 밸브(622B) 및 공급관(623B)를 통해 챔버(2612)에 접속되어 있다. 또한, 챔버(2612)는, 배기관(202A)과 배기 밸브(203A)를 통해 진공 펌프(201)에 접속되어 있다.
솔레노이드 코일(2616)에는, 예를 들면 27.12MHz의 고주파 전류가 공급된다. 그리고, 챔버(2612) 내에 N2 가스가 도입된 상태에서, 솔레노이드 코일(2616)에 고주파 전류가 인가되면, 챔버(2612) 내에 고밀도의 플라즈마(PLM)가 형성된다. 여기서, 플라즈마(PLM) 중의 이온은, 솔레노이드 코일(2616)에 의해 발생하는 자기장에 의해 트랩되고, 플라즈마(PLM) 중의 라디칼만이, 스테이지(610)에 다운 플로우한다.
여기서, 본 변형예에 따른 기판 접합 시스템(기판 접합 시스템의 제어부)이 실행하는 친수화 처리에 대해 도 6을 참조하면서 상세하게 설명한다. 먼저, 제어부는, O2 가스 공급부(620B)를 제어하여, 챔버(2612)에 O2 가스를 도입한다(스텝 S21). 다음으로, 제어부는, 솔레노이드 코일(2616)에 고주파 전류를 인가한 상태에서, 고주파 전원(617)에 의해 스테이지(610)에 유지된 기판(301, 302)에 고주파 바이어스를 인가한다. 이와 같이하여, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 O2RIE 처리가 진행된다(스텝 S22).
이어서, 제어부는, 챔버(2612) 내의 O2 가스를 배기한 후, N2 가스 공급부(620A)를 제어하여, 챔버(2612)에 N2 가스를 도입한다(스텝 S23). 그 후, 제어부는, 솔레노이드 코일(2616)에 고주파 전류를 인가한 상태에서, 고주파 전원(617)을 제어하여, 기판(301, 302)에 고주파 바이어스를 인가한다. 이와 같이하여, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 N2RIE 처리가 진행된다(스텝 S24).
다음으로, 친수화 처리 장치(2600)는, 솔레노이드 코일(2616)에 고주파 전류를 인가한 상태에서, 고주파 전원(617)을 제어하여, 기판(301, 302)에 대한 고주파 바이어스의 인가를 정지한다. 이와 같이하여, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 N2 라디칼 처리(라디칼 처리 공정)가 진행된다(스텝 S25). 그 후, 상기한 도 5의 스텝 S3의 처리가 실행된다.
이 구성에 의하면, 챔버(2612) 내에 실시예 1에 따른 친수화 처리 장치(600)에 의해 생성할 수 있는 플라즈마(PLM)보다도 고밀도의 플라즈마(PLM)를 형성할 수 있다. 따라서, N2 라디칼 처리에 있어서, 기판(301, 302)의 접합면에 공급되는 N2 라디칼의 단위 시간당의 공급량을 증가시킬 수 있으므로, N2 라디칼의 양이 많아져 기판(301, 302)의 접합 강도를 향상시키는데도 더욱 유효하다.
또한, 실시예에서는, 2개의 기판(301, 302) 모두에 대해 친수화 처리를 하는 예에 대해 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 2개의 기판(301, 302) 중의 어느 하나에만 대해 친수화 처리를 하는 구성이어도 좋다.
또한, 실시예에서는, 기판(301, 302)이, 유리 기판이나 산화물 기판, 질화물 기판 중의 어느 하나인 예에 대해 설명했다. 다만, 기판(301, 302) 모두가, 유리 기판, 탄화물 기판, 세라믹 기판, 산화물 기판 및 질화물 기판 중의 어느 하나인 예에 한정되지 않고, 예를 들면 기판(301, 302) 중의 하나가, Si 기판이나 사파이어 기판 등의 다른 종류의 기판이어도 좋다.
또한, 실시예에서는, 기판 접합 장치(100)가, 기판(301, 302)의 접합면 전체가 서로 접촉한 상태에서, 기판(301, 302)에 압력을 가하는 한편, 기판 가열부(421, 422)에 의해 기판(301, 302)을 가열하는 예에 대해 설명했다. 다만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 기판 접합 장치(100)가, 기판(301, 302)의 접합면 전체가 서로 접촉한 상태에서, 기판(301, 302)에 압력을 가하기만 하고 가열하지 않는 구성이어도 좋다. 혹은, 기판 접합 장치(100)가, 기판(301, 302)의 접합면 전체가 서로 접촉한 상태에서, 기판(301, 302)의 가열만 실행하고 압력을 가하지 않는 구성이어도 좋다.
실시예에서는, 기판 접합 장치(100)에 있어서 기판(301, 302)의 가압 및 가열이 실행되는 예에 대해 설명했지만, 이 구성에 한정되지 않는다. 기판 접합 장치(100)와는 상이한 장치에 있어서, 기판(301, 302)의 가압 처리 및/또는 가열 처리가 실행되는 구성이어도 좋다. 예를 들면 기판 접합 장치(100)가, 기판(301, 302)의 가접합까지를 실행하고, 그 후, 다른 가열 장치(미도시)에 있어서 가열 처리가 실행되는 구성이어도 좋다. 이 경우, 가열 처리는, 180℃로 2시간 정도의 조건으로 설정된다. 이에 의해, 생산 효율 향상을 실현할 수 있다.
실시예에서는, 기판(301, 302)끼리를 진공중에서 접합하는 구성에 대해 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 기판(301, 302)끼리를 대기압하에서 접합하는 구성이어도 좋고, 혹은, 임의의 기체가 충전된 분위기하에서 접합하는 구성이어도 좋다.
또한, 실시예에서는, 세정 장치(940)에 있어서 기판(301, 302)의 세정이 실시된 후, 친수화 처리 장치(600)에 있어서 기판(301, 302)의 접합면의 친수화 처리가 실행되고, 그 후, 기판 접합 장치(100)에 있어서 기판(301, 302)의 접합 처리가 실행되는 예에 대해 설명했다. 다만, 기판(301, 302)의 세정, 친수화 처리 및 접합 처리의 순서는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 기판(301, 302)의 접합면의 친수화 처리가 실행된 후, 기판(301, 302)의 세정이 실시되고, 그 후, 기판(301, 302)의 접합 처리가 실행되어도 좋다.
또한, 실시예에서는, 로드락 챔버(910)에 있어서 로드락 챔버(910)를 대기 개방하지 않고 기판(301, 302)의 접합면을 수성 가스(H2O)에 폭로하는 물 공급 처리를 하는 구성에 대해 설명했지만, 기판(301, 302)의 접합면을 수성 가스에 폭로하는 장소는 로드락 챔버(910)에 한정되지 않는다. 예를 들면, 친수화 처리 장치(600)에 있어서, 기판(301, 302)의 접합면을 수성 가스에 폭로하는 구성이어도 좋다. 이 경우, 상기한 수성 가스 발생 장치가, 친수화 처리 장치(600)의 챔버(612)에 공급 밸브 및 공급관을 통해 접속된 구성으로 하면 된다. 또한, 물 공급 처리가, 기판 접합 장치(100)의 챔버(200) 내나 제2반송 장치(920)가 구비하는 챔버 내에서 진행되는 구성이어도 좋다. 혹은, 실시예에 따른 기판 접합 방법에 있어서, 기판(301, 302)을 로드락 챔버(910)에 반송한 후, 로드락 챔버(910)를 대기 개방하는 것에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 수분을 공급하는 기판 접합 방법이어도 좋다. 이 경우, 로드락 챔버(910)밖에 존재하는 소정의 습도를 구비하는 대기가 로드락 챔버(910) 내에 도입된다. 그리고, 로드락 챔버(910) 내에 대기를 도입할 때, 대기중의 바람직하지 않은 불순물(예를 들면 탄소)의 기판(310, 302)의 접합면으로의 부착을 방지하기 위해, 로드락 챔버(910)는, 소정의 필터를 통해 로드락 챔버(910) 내에 대기를 도입하는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 로드락 챔버(910)를 대기 개방한 후, 다시 로드락 챔버를 감압하고, 그 후, 기판(301, 302)을 로드락 챔버(910)로부터 기판 접합 장치(100)로 반송하도록 하면 좋다. 이 구성에 의하면, 로드락 챔버(910)에 수성 가스 공급부(960)를 접속할 필요가 없으므로, 기판 접합 시스템의 구성을 간소화할 수 있다.
혹은, 기판 접합 방법이, 로드락 챔버(910)에 있어서 로드락 챔버(910)를 대기 개방하지 않고 기판(301, 302)의 접합면을 수성 가스에 폭로하는 물 공급 처리를 한 후, 로드락 챔버(910)를 대기 개방하는 구성이어도 좋다.
실시예에서는, 기판(301, 302)의 접합면에 수성 가스(H2O)를 공급하는 물 공급 처리를 하는 구성에 대해 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 수성 가스 대신에, 기판(301, 302)의 접합면에 H, OH기를 포함하는 가스를 공급해도 좋다.
실시예에서는, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 O2RIE 처리를 한 후, 즉시, 챔버(2612) 내의 O2 가스의 배기, N2 가스의 도입을 하고, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 N2RIE 처리를 하는 예에 대해 설명했다. 다만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, O2RIE 처리를 한 후, 챔버(2612) 내에 H2O, H 및 OH기 중 적어도 하나를 포함하는 가스를 공급한 후, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 N2RIE 처리를 하도록 해도 좋다. 또한, N2RIE 처리를 하는 공정(제1에칭 공정) 후, 기판(301, 302)의 접합면에 H2O, H 및 OH기 중 적어도 하나를 포함하는 가스를 공급하는 물 공급 공정(제2물 공급 공정)을 진행해도 좋다. 그리고, 이 물 공급 공정 후, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 N2RIE 처리를 한다.
N2RIE 처리를 할 때나, N2 라디칼 처리를 할 때에, 챔버(2612) 내의 진공도가 높아, 챔버(2612) 내에는, 물분자가 충분히 존재하지 않아, 기판(301, 302)의 접합면에 충분한 양의 OH기를 생성할 수 없는 우려가 있다. 이에 대해, 이 구성에 의하면, O2RIE 처리 후나, N2RIE 처리 후에, 기판(301, 302)의 접합면에 H2O 또는 H, OH기를 포함하는 가스를 공급한다. 이에 의해, 기판(301, 302)의 접합면 근방에 존재하는 물분자의 양을 증가시킬 수 있으므로, 기판(301, 302)의 접합면에 충분한 양의 OH기를 생성할 수 있다. 또한, 기판(301, 302)의 접합면에 H2O가 흡착된 상태에서, 기판(301, 302)의 접합면에 대해 N2RIE 처리나 N2 라디칼 처리를 하는 것에 의해, 기판(301, 302)의 접합면에 흡착된 H2O가 플라즈마화하여, 활성 OH기가 기판(301, 302)의 접합면에 부착되기 쉬워진다. 혹은, 활성 H가 기판(301, 302)의 접합면에 형성된 산화물의 표면에 OH기를 생성할 수 있다. 이와 같이하여, 기판(301, 302)의 접합면에 생성되는 OH기의 양을 증가시킬 수 있다. 또한, O2RIE 처리 후, O2 가스의 배기, N2 가스의 도입을 한 후에 H2O 또는 H, OH기를 포함하는 가스를 공급하는 물 공급 공정을 부가하는 것에 의해 H2O 또는 H, OH기를 포함하는 가스를 일단 배기하지 않고 다음의 플라즈마 처리를 실현할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, N2RIE 처리 후, N2 라디칼 처리 전에 H2O 또는 H, OH기를 포함하는 가스를 공급하는 물 공급 공정을 부가하는 것에 의해 가스 교환을 위해 일단 배기하지 않고 다음의 플라즈마 처리를 실현할 수 있기 때문에 H2O 또는 H, OH기를 포함하는 가스가 많은 상태에서 라디칼 처리가 진행되어, 충분한 OH기를 생성할 수 있어 바람직하다. 또한, O2RIE 처리와 N2RIE 처리의 사이, 및 N2RIE 처리와 N2 라디칼 처리의 사이의 모두에서 진행해도 좋다.
실시예에서는, 로드락 챔버(910)에, 기판(301, 302)을 지지하는 스테이지를 냉각하는 냉각 장치가 마련된 구성에 대해 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 로드락 챔버(910)에 냉각 장치가 마련되지 않은 구성이어도 좋다.
실시예에서는, 기판 접합 장치(100)에 있어서 기판(301, 302)을 가열하는 가열 처리를 하는 예에 대해 설명했지만, 가열 처리를 기판 접합 장치(100)에서 하는 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 예를 들면 기판 접합 장치(100)에서 접합 처리(가접합)를 진행한 후, 기판 접합 장치(100)와는 별체의 소둔로(미도시)에 의해 기판(301, 302)에 대해 가열 처리를 하는 구성이어도 좋다.
실시예에서는, 유리 기판으로 이루어지는 기판(301, 302)끼리의 접합 예에 대해 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 기판(301, 302) 중의 하나가 Si 기판이어도 좋다. 또한, 기판(301, 302) 중의 하나가 Si 기판이고 다른 하나가 유리 기판이고, 기판(301, 302)끼리를 양극 접합하는 경우에도 실시예와 동일한 효과를 발휘한다.
또한, 기판(301, 302) 중의 하나가 Si 기판이고, 다른 하나가 유리 기판인 경우, Si 기판의 접합면에 대해서는 종래의 친수화 처리(예를 들면 비교예 1 내지 4에 따른 처리)를 하고, 유리 기판의 접합면에 대해서만, 실시예에 따른 친수화 처리를 해도 좋다. 또한, 기판(301, 302)은, 유리 기판에 한정되지 않고, Si 기판, 산화막이 형성된 기판, 질화막이 형성된 기판, 탄화물 기판, 세라믹 기판이어도 좋다. 또한, 기판(301, 302)은, 유리 기판, Si 기판, 산화막이 형성된 기판, 질화막이 형성된 기판, 탄화물 기판, 세라믹 기판 중에서 선택된 2개의 기판의 조합이어도 좋다.
본 발명은, 본 발명의 광의의 정신과 범위내에서, 다양한 실시예 및 변형이 가능하다. 또한, 상술한 실시예는, 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다. 즉, 본 발명의 범위는, 실시예가 아니고, 특허 청구범위에 의해 제시된다. 그리고, 특허 청구범위내 및 그와 동등한 발명의 의의의 범위내에서 실시되는 다양한 변형은, 본 발명의 범위내로 간주된다.
본 출원은, 2016년 11월 7일에 출원된 일본국 특허출원 특원2016-217582호를 기초로 한다. 본 명세서 중에 일본국 특허출원 특원2016-217582호의 명세서, 특허 청구범위 및 도면 전체를 참조로서 원용한다.
본 발명은, 예를 들면 CMOS(Complementary MOS) 이미지 센서나 메모리, 연산 소자, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)의 제조에 바람직하다.
100: 기판 접합 장치
200, 612, 2612: 챔버
201: 진공 펌프
202A, 202B: 배기관
203A, 203B: 배기 밸브
301, 302: 기판
401, 610, 803: 스테이지
402: 헤드
403: 스테이지 구동부
404: 헤드 구동부
408: 압력 센서
421, 422: 기판 가열부
500: 위치 어긋남량 측정부
600, 2600: 친수화 처리 장치
613: 유리창
614: 트랩판
615: 도파관
616: 마그네트론
617: 고주파 전원
620A: N2 가스 공급부
620B: O2 가스 공급부
621A: N2 가스 저류부
621B: O2 가스 저류부
622A, 622B: 공급 밸브
623A, 623B: 공급관
700: 제어부
701: MPU
702: 메인 기억부
703: 보조 기억부
704: 인터페이스
705: 버스
800: 외형 얼라인먼트 장치
802: 기판 두께 측정부
810: 에지 인식 센서
910: 로드락 챔버
920: 제2반송 장치
930: 제1반송 장치
921: 진공 반송 로봇
931: 대기 반송 로봇
940: 세정 장치
950: 반전 장치
960: 수성 가스 공급부
961: 도입 포트
962: 취출 포트
2616: 솔레노이드 코일

Claims (10)

  1. 2개의 기판을 접합하는 기판 접합 방법에 있어서,
    상기 2개의 기판의 각각의 서로 접합되는 접합면 중의 적어도 하나를 친수화하는 친수화 처리 공정; 및
    상기 친수화 처리 공정 후, 상기 2개의 기판을 접합하는 접합 공정을 포함하고,
    상기 친수화 처리 공정은,
    상기 기판의 접합면에 대해, 질소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하는 제1에칭 공정; 및
    상기 제1에칭 공정 후, 상기 기판의 접합면에 대해, 질소 라디칼을 조사하는 라디칼 처리를 하는 라디칼 처리 공정을 포함하는, 기판 접합 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 친수화 처리 공정은, 상기 제1에칭 공정 전에, 상기 기판의 접합면에 대해, 산소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하는 제2에칭 공정을 더 포함하는, 기판 접합 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 친수화 처리 공정 후, 상기 기판의 접합면에 H2O, H 및 OH기 중 적어도 하나를 포함하는 가스를 공급하는 제1물 공급 공정을 더 포함하는, 기판 접합 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 친수화 처리 공정은, 상기 제1에칭 공정 후, 또는, 상기 제2에칭 공정 후, 상기 기판의 접합면에 H2O, H 및 OH기 중 적어도 하나를 포함하는 가스를 공급하는 제2물 공급 공정을 더 포함하는, 기판 접합 방법.
  5. 제1항, 제 2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접합 공정은, 진공중에서 진행되는, 기판 접합 방법.
  6. 제1항, 제 2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 기판 중의 적어도 하나는, 각각, 유리 기판, 탄화물 기판, 세라믹 기판, 산화물 기판 및 질화물 기판 중의 어느 하나인, 기판 접합 방법.
  7. 2개의 기판을 접합하는 기판 접합 시스템에 있어서,
    상기 2개의 기판의 각각의 서로 접합되는 접합면 중의 적어도 하나를 친수화하는 친수화 처리를 하는 친수화 처리 장치;
    상기 친수화 처리 장치에 의해 상기 접합면이 친수화 처리된 상기 2개의 기판을 접합하는 기판 접합 장치; 및
    상기 친수화 처리 장치 및 상기 기판 접합 장치를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 친수화 처리 장치는,
    챔버와,
    상기 챔버 내에서 상기 기판을 지지하는 스테이지;
    상기 챔버 내에 질소 가스를 공급하는 질소 가스 공급부;
    플라즈마를 발생시켜 상기 스테이지에 지지된 상기 기판의 접합면에 상기 플라즈마 중의 라디칼을 공급하는 플라즈마 발생원; 및
    상기 스테이지에 지지된 상기 기판에 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스 인가부를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 질소 가스 공급부를 제어하여, 상기 챔버 내에 질소 가스를 도입한 후, 상기 바이어스 인가부를 제어하여, 상기 기판에 고주파 바이어스를 인가시키는 것에 의해, 상기 기판의 접합면에 대해, 질소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 진행한 후, 상기 플라즈마 발생원 및 상기 바이어스 인가부를 제어하여, 상기 질소 가스로 플라즈마를 발생시키는 한편 상기 기판에 대한 고주파 바이어스의 인가를 정지시키는 것에 의해, 상기 기판의 접합면에 대해, 질소 라디칼을 조사하는 라디칼 처리를 하는, 기판 접합 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 친수화 처리 장치는,
    상기 챔버 내에 산소 가스를 공급하는 산소 가스 공급부를 더 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 산소 가스 공급부를 제어하여, 상기 챔버 내에 산소 가스를 도입한 후, 상기 바이어스 인가부를 제어하여, 상기 기판에 고주파 바이어스를 인가하는 것에 의해, 상기 기판의 접합면에 대해 산소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하는, 기판 접합 시스템.
  9. 챔버; 상기 챔버 내에서 기판을 지지하는 스테이지; 상기 챔버 내에 질소 가스를 공급하는 질소 가스 공급부; 플라즈마를 발생시켜 상기 스테이지에 지지된 상기 기판의 접합면에 상기 플라즈마 중의 라디칼을 공급하는 플라즈마 발생원; 및 상기 스테이지에 지지된 상기 기판에 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스 인가부를 구비하는 친수화 처리 장치의 제어 방법이고,
    상기 질소 가스 공급부에 의해 상기 챔버 내에 질소 가스를 도입한 후, 상기 바이어스 인가부에 의해 상기 기판에 고주파 바이어스를 인가시키는 것에 의해, 상기 기판의 접합면에 대해, 질소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하는 스텝; 및
    상기 플라즈마 발생원에 의해 질소 가스로 플라즈마를 발생시키는 한편 상기 바이어스 인가부에 의한 상기 기판에 대한 고주파 바이어스의 인가를 정지하는 것에 의해, 상기 기판의 접합면에 대해, 질소 라디칼을 조사하는 라디칼 처리를 하는 스텝을 포함하는, 친수화 처리 장치의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 친수화 처리 장치는, 상기 챔버 내에 산소 가스를 공급하는 산소 가스 공급부를 더 구비하고,
    상기 산소 가스 공급부에 의해 상기 챔버 내에 산소 가스를 도입한 후, 상기 바이어스 인가부에 의해 상기 기판에 고주파 바이어스를 인가하는 것에 의해, 상기 기판의 접합면에 대해, 산소 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하는 스텝을 더 포함하는, 친수화 처리 장치의 제어 방법.
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