KR20210005587A - 원자선 발생 장치, 접합 장치, 표면 개질 방법 및 접합 방법 - Google Patents

원자선 발생 장치, 접합 장치, 표면 개질 방법 및 접합 방법 Download PDF

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Abstract

원자선 발생 장치(10)는, 원자선을 방출 가능한 조사구(23)가 마련된 방출면(22)을 갖는 케이스인 음극(20)과, 음극(20)의 내부에 배치되며, 음극(20)과의 사이에서 플라즈마를 발생시키는 양극(40)과, 제1 자장(B1)을 발생시키는 제1 자장 발생부(61)와 제2 자장(B2)을 발생시키는 제2 자장 발생부(62)를 갖고, 방출면(22)측에서 제1 자장을 제2 자장보다 위로 하여 보았을 때의 자장의 방향이 제1 자장에서는 좌향이며 제2 자장에서는 우향이 되도록 방출면(22)에 평행인 제1 자장 및 제2 자장을 음극(20) 내에 발생시키며, 음극(20) 내에서 생성된 양이온을 방출면에 유도하는 자장 발생부(61, 62)를 구비한다.

Description

원자선 발생 장치, 접합 장치, 표면 개질 방법 및 접합 방법
본 발명은 원자선 발생 장치, 접합 장치, 표면 개질 방법 및 접합 방법에 관한 것이다.
종래, 원자선 발생 장치로서, 케이스가 되는 음극과 그 내부에 배치되는 양극을 구비한 것이 널리 알려져 있다. 이러한 원자선 발생 장치에서는, 희박 가스를 도입하고, 음극과 양극 사이에 전압을 인가하여 방전 공간을 형성하면, 플라즈마가 발생한다. 플라즈마 내에서 생성된 가스 이온은, 전장(電場)에 의해 가속된다. 이 중, 케이스의 일부에 마련된 조사구(照射口)를 향하여 운동하는 가스 이온은, 조사구벽으로부터 전자를 수취하여 중성화되고, 조사구로부터 원자선으로서 방출된다. 이러한 원자선 발생 장치에 있어서, 예컨대, 단부면에 조사구가 마련된 통형 음극의 내부에 음극의 중심축과 평행인 2개의 봉형 양극을 배치하고, 음극의 외주에 중심축과 수직인 자장(磁場)을 인가하는 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조). 특허문헌 1에서는, 음극으로부터 방출된 전자는 양극을 중심으로 하여 음극 사이에서 진동하고, 그 도중에 많은 가스 분자와 충돌하여 이온을 발생한다. 또한, 방전 공간 내의 전자는 자력선에 휘감기도록 나선 운동하기 때문에, 전자의 실효적인 비정(飛程)이 커져 가스 분자와의 충돌에 의해 방전 공간 내에 대량의 이온이 생성된다고 되어 있다. 또한 예컨대, 단부면에 조사구가 마련된 통형 음극의 내부에 음극과 동축의 환형(環形) 양극을 배치하고, 축을 따른 자장을 인가하는 것이 제안되어 있다(비특허문헌 1 참조). 비특허문헌 1에서는, 축을 따른 자장을 받아 축 둘레로 전자가 나선 운동을 하게 되기 때문에, 전자의 이동 거리가 증가하고, 전자가 가스 분자와 충돌하여 다량의 양이온이 생성된다. 이들 양이온은 음극을 향하여 가속되고, 그 대부분이 고속 원자가 된다고 되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 소화62-180942호 공보
비특허문헌 1: J. Appl. Phys. 72(1), 1 July 1992, pp13-17
그러나, 특허문헌 1이나 비특허문헌 1의 원자선 발생 장치에서는, 다량의 양이온이 생성되지만, 생성된 양이온은 음극을 향하여 모든 방향으로 가속하므로, 조사구를 향하지 않는 것도 많아, 조사구로부터 방출되는 원자의 양이 충분하지 않은 경우가 있었다. 이 때문에, 보다 많은 원자를 방출하는 것이 요구되고 있었다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 원자선 발생 장치에 있어서, 보다 많은 원자를 방출하는 것을 주목적으로 한다.
즉, 본 발명의 원자선 발생 장치는,
원자선을 방출 가능한 조사구가 마련된 방출면을 갖는 케이스인 음극과,
상기 음극의 내부에 배치되며, 상기 음극과의 사이에서 플라즈마를 발생시키는 양극과,
제1 자장을 발생시키는 제1 자장 발생부와 제2 자장을 발생시키는 제2 자장 발생부를 갖고, 상기 방출면측에서 상기 제1 자장을 상기 제2 자장보다 위로 하여 보았을 때의 자장의 방향이 상기 제1 자장에서는 좌향이며 상기 제2 자장에서는 우향이 되도록 상기 방출면에 평행인 상기 제1 자장 및 상기 제2 자장을 상기 음극 내에 발생시키고, 상기 음극 내에서 생성된 양이온을 상기 방출면에 유도하는 자장 발생부를 구비한 것이다.
이 원자선 발생 장치에서는, 방출면에 평행이며 소정 방향을 향한 제1 자장 및 제2 자장을 발생시킴으로써, 케이스인 음극에서 발생하여 방출면에 대략 평행인 경로로 양극을 향하여 이동하는 전자가, 자장에 의해 로렌츠력을 받아 방출면을 향하여 이동하게 된다. 이 전자의 전하에 끌어당겨져 양이온이 방출면에 유도되고, 결과로서, 조사구로부터 보다 많은 원자를 방출할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 방출면에 평행인 자장이란, 방출면과 완전히 평행인 자장 외에, 음극에서 발생하여 양극을 향하여 이동하는 전자가 그 자장에 의해 방출면을 향하여 이동할 수 있을 정도로 대략 평행인 자장을 포함한다. 또한, 우향의 자장이란, 우향의 성분을 가지고 있는 자장을 말하며, 우향의 성분만을 가지고 있어 완전히 우측을 향하고 있는 자장 외에, 우향의 성분 외에 상향이나 하향의 성분을 가지고 있는 자장도 포함한다. 우향의 자장은, 예컨대, 대략 우향의 자장이나, 완전히 우측을 향하고 있는 자장에 대하여 ±45°이내의 범위로 경사져 있는 자장 등을 포함한다. 좌향의 자장도 동일하다. 또한, 제1 자장은 적어도 제1 자장 발생부의 N극과 S극 사이의 영역에 있어서 방출면에 평행이며 소정 방향을 향하고 있는 것으로 하여도 좋다. 마찬가지로, 제2 자장은 적어도 제2 자장 발생부의 N극과 S극 사이의 영역에 있어서 방출면에 평행이며 소정 방향을 향하고 있는 것으로 하여도 좋다.
본 발명의 원자선 발생 장치에 있어서, 상기 자장 발생부는, 상기 방출면측에서 보았을 때에 상기 양극으로부터 떨어진 위치에 상기 양극을 사이에 두도록 상기 제1 자장 및 상기 제2 자장을 발생시키는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 양극을 사이에 둔 양측의 음극에서 발생한 전자를, 자장에 의해 방출면을 향하여 이동시킬 수 있기 때문에, 조사구로부터 방출되는 원자의 수를 보다 증가시킬 수 있다.
본 발명의 원자선 발생 장치에 있어서, 상기 자장 발생부는, 상기 음극의 내부 공간 중, 상기 방출면 근처에 배치되어 있는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 조사구로부터 방출되는 원자의 수를 보다 증가시킬 수 있다.
본 발명의 원자선 발생 장치에 있어서, 상기 양극은, 상기 방출면에 수직인 소정의 가상 평면에 대하여 면대칭이 되도록 배치되고, 상기 자장 발생부는, 상기 가상 평면을 사이에 두도록 상기 제1 자장 및 상기 제2 자장을 발생시키는 것으로 하여도 좋다. 또한, 음극 내에 있어서, 방출면측에서 제1 자장을 제2 자장보다 위로 하여 보았을 때의 자장의 벡터의 전부에서, 가상 평면에 평행인 성분이, 가상 평면보다 상측에서는 좌향이며 상기 가상 평면보다 하측에서는 우향인 것으로 하여도 좋다.
본 발명의 원자선 발생 장치에 있어서, 상기 양극은, 봉형의 제1 양극과 봉형의 제2 양극을 구비하고, 상기 제1 양극 및 상기 제2 양극의 축은 상기 가상 평면에 평행인 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 방출면에 대략 평행인 경로로 음극으로부터 양극을 향하여 이동하는 전자 중 보다 많은 전자가 제1 자장이나 제2 자장에 입사하기 때문에, 보다 많은 전자를 방출면을 향하여 이동시킬 수 있다.
본 발명의 원자선 발생 장치에 있어서, 상기 제1 양극 및 상기 제2 양극은, 축이 상기 가상 평면 상에 위치하도록 배치되는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 제1 양극에는 제1 양극의 양측의 음극으로부터 전자가 이동하고, 제2 양극에는 제2 양극의 양측의 음극으로부터 전자가 이동하기 때문에, 보다 많은 전자를 제1 자장이나 제2 자장에 입사시킬 수 있다.
본 발명의 원자선 발생 장치에 있어서, 상기 제1 양극 및 상기 제2 양극은, 축이 상기 방출면에 평행인 것으로 하여도 좋다.
본 발명의 원자선 발생 장치에 있어서, 상기 조사구는, 상기 가상 평면이 횡단하는 위치에 마련되어 있는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 제1 자장에 의해 방출면에 유도되는 양이온 및 제2 자장에 의해 방출면에 유도되는 양이온의 양방이 조사구 부근에 유도되기 때문에, 조사구로부터 보다 많은 원자를 방출할 수 있다.
본 발명의 원자선 발생 장치에 있어서, 상기 조사구는, 상기 방출면측에서 보았을 때에, 상기 제1 자장 발생부의 N극과 상기 제2 자장 발생부의 S극을 연결하는 직선과, 상기 제1 자장 발생부의 S극과 상기 제2 자장 발생부의 N극을 연결하는 직선 사이에 마련되어 있어도 좋다. 이러한 범위에는, 제1 자장 및 제2 자장에 의해 보다 많은 양이온이 유도된다고 고려되기 때문에, 그러한 범위에 조사구를 마련함으로써, 조사구로부터 보다 많은 원자를 방출할 수 있다고 고려된다.
본 발명의 원자선 발생 장치는, 상기 양극으로서, 상기 방출면으로부터 떨어진 위치에 배치된 봉형의 제1 양극과, 상기 방출면으로부터 더욱 떨어진 위치에 배치된 봉형의 제2 양극을 구비하고 있는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 음극으로부터 방출면에 대략 평행인 경로로 양극을 향하여 이동하는 전자의 비율이 많기 때문에, 조사구로부터 방출되는 원자의 수를 보다 증가시킬 수 있다.
본 발명의 접합 장치는, 전술한 원자선 발생 장치를 구비하고 있다. 이 접합 장치에서는, 원자선 발생 장치의 조사구로부터 방출되는 원자의 수를 보다 증가시킬 수 있기 때문에, 보다 단시간에 접합할 수 있다.
본 발명의 표면 개질 방법은,
원자선을 방출 가능한 조사구가 마련된 방출면을 갖는 케이스인 음극과,
상기 음극의 내부에 배치되며, 상기 음극과의 사이에서 플라즈마를 발생시키는 양극을 구비한 원자선 발생 장치를 이용하여,
상기 음극 내에서 생성된 양이온을 상기 방출면에 유도하도록, 상기 방출면측에서 제1 자장을 제2 자장보다 위로 하여 보았을 때의 자장의 방향이 상기 제1 자장에서는 좌향이며 상기 제2 자장에서는 우향이 되도록 상기 방출면에 평행인 상기 제1 자장 및 상기 제2 자장을 상기 음극 내에 발생시킨 상태로 상기 원자선을 조사(照射) 대상재에 조사하여 상기 조사 대상재의 표면을 개질하는 것이다.
이 표면 개질 방법에서는, 원자선 발생 장치의 방출면에 평행이며 소정 방향을 향한 제1 자장 및 제2 자장을 발생시킴으로써, 케이스인 음극에서 발생하여 방출면에 대략 평행인 경로로 양극을 향하여 이동하는 전자가, 자장에 의해 로렌츠력을 받아 방출면을 향하여 이동하게 된다. 이 전자의 전하에 끌어당겨져 양이온이 방출면에 유도되고, 결과로서, 조사구로부터 보다 많은 원자를 방출할 수 있다. 이에 의해, 조사 대상재의 표면을 보다 단시간에 개질할 수 있다. 개질에는, 예컨대, 청정화, 활성화, 비정질화, 제거 등이 포함된다.
본 발명의 접합 방법은, 전술한 표면 개질 방법을 이용하여 상기 조사 대상재로서의 제1 부재 및 제2 부재의 표면을 개질하는 개질 공정과, 개질한 면끼리를 중합하여 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 접합하는 접합 공정을 포함하는 것이다. 이 접합 방법에서는, 제1 부재 및 제2 부재의 표면을 보다 단시간에 개질할 수 있기 때문에, 제1 부재와 제2 부재를 보다 효율적으로 접합할 수 있다.
도 1은 원자선 발생 장치(10)의 구성의 개략을 나타내는 사시도이다.
도 2는 요크(63)의 구성의 개략을 나타내는 사시도이다.
도 3은 음극(20)의 내부의 구성의 개략을 나타내는 사시도이다.
도 4는 원자선 발생 장치(10)의 구성의 개략을 나타내는 정면도이다.
도 5는 도 4의 A-A 단면도[음극(20) 및 그 내부만]이다.
도 6은 음극(20) 및 그 내부를 도 5의 B-B 단면에서 본 단면도이다.
도 7은 자장을 인가하지 않는 경우의 플라즈마의 모습을 나타내는 설명도이다.
도 8은 음극(20)의 내부의 구성의 별도예의 개략을 나타내는 사시도이다.
도 9는 표면 개질 장치(100)의 구성의 개략을 나타내는 설명도이다.
도 10은 접합 장치(200)의 구성의 개략을 나타내는 단면도이다.
도 11은 자력선의 모습을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 12는 자장의 강도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 13은 실시예 1 및 비교예 1의 실험 결과이다.
도 14는 실시예 2~10의 양극 간격(P) 및 요크 위치(Q)의 설명도이다.
도 15는 실시예 2~10의 웨이퍼(W)의 처리 깊이의 분포이다.
도 16은 실시예 2~10의 웨이퍼(W)의 처리 깊이의 그래프이다.
다음에, 본 발명의 적합한 일 실시형태를, 도면을 이용하여 설명한다.
[원자선 발생 장치]
도 1은 원자선 발생 장치(10)의 구성의 개략을 나타내는 사시도이고, 도 2는 요크(63)의 구성의 개략을 나타내는 사시도이고, 도 3은 음극(20)의 내부의 구성의 개략을 나타내는 사시도이다. 도 3에서는, 음극(20)의 내벽면 및 음극(20)의 내벽면에 존재하는 부분을 파선으로 나타내었다. 또한, 도 4는 원자선 발생 장치(10)의 구성의 개략을 나타내는 정면도이고, 도 5는 도 4의 A-A 단면도[음극(20) 및 그 내부만]이고, 도 6은 음극(20) 및 그 내부를 도 5의 B-B 단면에서 본 단면도이다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 좌우 방향, 전후 방향 및 상하 방향은, 도 1에 나타낸 대로 한다.
원자선 발생 장치(10)는, 케이스인 음극(20)과, 음극(20)의 내부에 배치된 양극(40)과, 자장을 음극(20) 내에 발생시키는 자장 발생부(60)를 구비하고 있다. 원자선 발생 장치(10)는, 예컨대 고속 원자빔 건(FAB 건)으로서 이용된다.
음극(20)은, 양극(40)과의 사이에서 플라즈마를 발생시키는 것이며, 도시하지 않는 직류 전원의 저전위측(접지측)에 접속되어 있다. 음극(20)은, 원자선을 방출 가능한 조사구(23)가 마련된 방출면(22)을 갖는 상자형의 부재이고, 그 내부에 플라즈마가 발생한다. 음극(20)은, 탄소 재료가 내장된 금속제의 수냉 재킷으로 구성되어 있다. 음극(20)에는, 가스관(30)에 접속된 가스 도입구(24)가 마련되고, 이 가스 도입구(24)를 통하여 플라즈마 생성에 필요한 가스(예컨대 아르곤 가스)가 음극(20) 내에 도입된다. 조사구(23)는, 음극(20)의 방출면(22)의 벽에 난 관통 구멍이며, 조사구(23)의 치수나 수, 배치 등은, 음극(20) 내의 압력(기압)을 안정적인 플라즈마 생성에 필요한 압력으로 유지할 수 있고, 또한 원하는 범위에 원하는 양의 원자선을 조사할 수 있도록 설정되어 있다.
양극(40)은, 음극(20) 내에 배치되며, 음극(20)과의 사이에서 플라즈마를 발생시키는 것으로서, 도시하지 않는 직류 전원의 고전위측에 접속되어 있다. 이 양극(40)은, 방출면(22)으로부터 떨어진 위치에 배치된 봉형의 제1 양극(41)과, 방출면(22)으로부터 더욱 떨어진 위치에 배치된 봉형의 제2 양극(42)으로 구성되어 있다. 제1, 제2 양극(41, 42)은, 각각, 음극(20)의 외부에 배치된 지지 부재(43, 44)에 외팔보로 고정되고, 음극(20)의 벽에 마련된 도시하지 않는 관통구로부터 음극(20)의 내부에 삽입되어 있다. 이 관통구는, 도 1의 전후 방향으로 신장하는 긴 구멍이며, 제1, 제2 양극(41, 42)이 음극(20)의 소정의 위치에 배치된 후에 도시하지 않는 절연 재료로 밀봉되어 있다. 이 절연 재료에 의해, 제1 양극(41)과 음극(20)의 벽 사이나 제2 양극(42)과 음극(20)의 벽 사이의 절연이 확보되고 있다. 지지 부재(43)는 음극(20)의 배면에 고정된 이동축(47)을 따라 전후로 이동하는 이동 부재(45)에 고정되어 있고, 지지 부재(44)는 음극(20)의 배면에 고정된 이동축(48)을 따라 전후로 이동하는 이동 부재(46)에 고정되어 있다. 이동 부재(45, 46)를 전후로 이동시킴으로써, 제1, 제2 양극(41, 42)의 위치나 양자의 간격을 변화시킬 수 있다. 이 양극은, 탄소 재료로 구성되어 있다.
자장 발생부(60)는, 음극(20) 내에서 생성된 양이온을 방출면(22)에 유도하도록 방출면(22)에 평행한 자장(B1, B2)을 음극(20) 내에 발생시키는 것이다. 이 자장 발생부(60)는, 제1 자장(B1)을 발생시키는 제1 자장 발생부(61)와 제2 자장(B2)을 발생시키는 제2 자장 발생부(62)를 구비하고 있고, 제1 자장 발생부(61) 및 제2 자장 발생부(62)는 각각 다른 요크(63)로 구성되어 있다. 자장 발생부(60)에서는, 방출면(22)측에서 제1 자장(B1)을 제2 자장(B2)보다 위로 하여 보았을 때의 자장의 방향이 제1 자장(B1)에서는 좌향이며 제2 자장(B2)에서는 우향이 되도록 방출면(22)에 평행인 제1 자장(B1) 및 제2 자장(B2)을 음극(20) 내에 발생시킨다.
요크(63)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 철제의 본체(64)와, 본체(64)의 도중에 배치된 네오디뮴제의 2개의 영구 자석(69)을 구비하고 있다. 또한, 본체(64)의 좌우 양측에는, 어깨(65)에서 직각 하향으로 굽은 상완(66), 상완(66)으로부터 팔꿈치(67)에서 직각 내향으로 굽은 전완(68)이 마련되어 있다. 이들도 본체(64)와 마찬가지로 철제이다. 상완(66)은 연직 방향, 전완은 수평 방향을 향하고 있다. 한편, 전완(68)의 단부는 N극측 단부(63N), 다른 한쪽의 전완(68)의 단부는 S극측 단부(63S)이고, 양자는 동일한 높이[상하 방향의 위치가 동일함]에서 소정의 간격을 두고 서로 마주보고 있다. 제1 자장 발생부(61)를 구성하는 요크(63)의 N극측 단부 및 S극측 단부를, 각각 N극측 단부(61N), S극측 단부(61S)라고 칭한다. 또한, 제2 자장 발생부(62)를 구성하는 요크(63)의 N극측 단부 및 S극측 단부를, 각각 N극측 단부(62N), S극측 단부(62S)라고 칭한다.
제1 자장 발생부(61)를 구성하는 요크(63)는, 본체(64)가 음극(20)의 외부 상방에 배치되고, N극측 단부(61N)가 우측으로부터, S극측 단부(61S)가 좌측으로부터, 음극(20) 내에 삽입되어 있다. 제2 자장 발생부(62)를 구성하는 요크(63)는, 본체(64)가 음극(20)의 외부 하방에 배치되고, N극측 단부(62N)가 좌측으로부터, S극측 단부(62S)가 우측으로부터, 음극(20) 내에 삽입되어 있다. 이에 의해, 음극(20)의 외부에 배치된 영구 자석(69)의 자력을 음극(20) 내에 유도할 수 있다. N극측 단부(61N)와 S극측 단부(61S) 사이의 영역이나, N극측 단부(62N)와 S극측 단부(62S) 사이의 영역에서는, N극측 단부로부터 S극측 단부를 향하여 곧은 자장(B1, B2)이 발생한다(도 5, 도 6 참조).
제1 자장 발생부(61)와 제2 자장 발생부(62)는, 요크(63)에 의한 전술한 곧은 자장(B1, B2)이, 방출면(22)측에서 보았을 때에 양극(40)으로부터 떨어진 위치에 양극(40)을 사이에 두도록, 또한 방출면(22)에 평행이 되도록, 배치되어 있다(도 6 참조). 또한, 제1 자장 발생부(61)에서는, 도 5의 지면(紙面) 앞쪽으로부터 지면 안쪽을 향하는 제1 자장(B1)을 발생시키고, 제2 자장 발생부(62)에서는, 도 5의 지면 안쪽으로부터 지면 앞쪽을 향하는 제2 자장(B2)을 발생시키도록, S극과 N극이 배치되어 있다. 이에 의해, 도 5에 나타내는 바와 같이, 음극(20)으로부터 방출된 전자에 로렌츠력이 작용하여, 전자는 방출면(22)이나 방출면(22)에 마련된 조사구(23)를 향하여 이동한다.
또한, 제1 자장 발생부(61) 및 제2 자장 발생부(62)는, 자장을 인가하지 않는 경우에 플라즈마가 발생하는 플라즈마 영역(80)과 음극(20)의 벽 사이에 존재하는 시스 영역(81)(도 7 참조)에, 방출면(22)에 평행인 자장(B1, B2)을 발생시키도록 배치되어 있다. 여기서, 도 7을 이용하여, 플라즈마 영역(80) 및 시스 영역(81)에 대해서 설명한다. 자장을 인가하지 않는 경우에 음극(20)과 양극(40) 사이에 생성되는 플라즈마는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 제1 양극(41)의 축 및 제2 양극(42)의 축을 포함하는 가상 평면(P1)을 사이에 두고 대칭이며, 또한 제1 양극(41) 및 제2 양극(42)으로부터의 거리가 같게 방출면(22)에 평행인 가상 평면(P2)을 사이에 두고 대칭으로 형성되어 있다. 또한, 이 플라즈마는, 플라즈마 영역(80)과, 시스 영역(81)을 가지고 있다. 시스 영역(81)은 플라즈마 영역(80)과 음극(20)의 벽 사이의 영역이다. 시스 영역(81)은, 기본적으로는 플라즈마 영역보다 어둡다. 시스 영역(81)은, 예컨대 플라즈마 영역(80)의 주위에 존재하는 제1 암부(82)와, 제1 암부(82)의 주위에 존재하고 제1 암부(82)보다 밝은 명부(83)와, 명부(83)의 주위에 존재하는 경우가 있으며 명부(83)보다 어두운 제2 암부(84)로 형성되어 있다. 자장(B1, B2)은, 시스 영역(81) 중, 플라즈마 영역(80) 근처에 인가되어 있는 것이 바람직하고, 예컨대 제1 암부(82)나, 명부(83) 등에 인가되어 있는 것이 보다 바람직하다. 음극(20) 내부의 A-A 단면에 평행인 단면에서는, 다른 단면이라도, 자장을 인가하지 않는 경우에는 동일한 플라즈마가 관찰된다.
제1 자장 발생부(61)를 구성하는 요크(63)는, 음극(20)의 좌우 양단부에 고정된 C자형 부재(70)에, C자형 부재의 상측의 좌우의 완부(71)를 좌우의 팔로 안도록 하여 걸려 있다. 또한, 제2 자장 발생부(62)를 구성하는 요크(63)는, 음극(20)의 좌우 양단부에 고정된 C자형 부재(70)에, C자형 부재의 하측의 좌우의 완부(71)를 좌우의 팔로 안도록 하여 걸려 있다. C자형 부재(70)는, 완부(71)가 수평 방향을 향하며, C자의 개방된 부분이 앞을 향하도록 음극(20)에 고정되어 있다. 요크(63)는, C자형 부재의 완부(71)를 따라 전후 방향으로 이동 가능하고, 요크(63)를 방출면(22)에 가까워지게 하거나, 방출면(22)으로부터 멀어지게 하거나 할 수 있다. 요크(63)가 원하는 위치에 배치되면, 고정 부재(72)에 의해 그 위치가 고정된다.
다음에, 원자선 발생 장치(10)를 이용하여 처리 대상재로서의 웨이퍼의 표면을 개질하는 표면 개질 방법(표면 개질체의 제조 방법)에 대해서, 표면 개질 장치(100)를 이용하는 경우를 예로서 설명한다. 여기서는, 조사하는 원자가 아르곤 원자인 경우에 대해서 설명한다. 도 9는 표면 개질 장치(100)의 구성의 개략을 나타내는 설명도이다. 표면 개질 장치(100)는, 챔버(110)와, 배치대(120)와, 원자선 발생 장치(10)를 구비하고 있다. 챔버(110)는, 내부를 환경으로부터 밀폐하는 진공 용기이다. 챔버(110)에는 배기구(112)가 마련되고, 배기구(112)에 도시하지 않는 진공 펌프가 접속되어 있고, 배기구(112)를 통해 챔버(110)의 내부의 기체가 배출된다. 원자선 발생 장치(10)는, 배치대(120)에 배치된 웨이퍼(W)를 향하여 원자선을 조사할 수 있는 위치에 배치되어 있다.
이 표면 개질 방법에서는, 먼저 웨이퍼(W)를 배치대(120)에 세트하고, 챔버(110)의 내부를 진공 분위기로 한다. 그때, 배기구(112)로부터의 배기를 조정하면서 원자선 발생 장치(10)에 아르곤 가스를 도입하여, 챔버(110) 내 및 원자선 발생 장치(10) 내를 소정의 압력으로 한다. 챔버(110) 내의 압력은, 예컨대 1 ㎩ 정도가 바람직하고, 원자선 발생 장치(10) 내의 압력은 3 ㎩ 이상이 바람직하다. 원자선 발생 장치(10) 내의 압력은, 조사구(23)에 의한 압력 손실이나, 아르곤 가스의 도입량, 챔버(110) 내의 압력의 밸런스에 따라 결정된다. 그래서, 예컨대, 챔버(110)의 내부를 1 ㎩로 유지한 채로, 원자선 발생 장치(10) 내의 압력이 3 ㎩ 이상이 되도록, 아르곤 가스의 도입량을 조정하여도 좋다. 또한, 챔버(110)의 내부를 1 ㎩로 유지한 채로 원자선 발생 장치(10) 내의 압력을 4 ㎩로 할 때의 아르곤 가스 도입량은, 일례로서는 60 sccm 정도이다. 단 적합한 압력과 아르곤 도입량은, 진공 배기 능력이나 조사구에서의 압력 손실에 따라 다르기 때문에, 적절하게 변경하면 좋다.
다음에, 원자선 발생 장치(10)의 음극(20)과 양극(40) 사이에 직류 전원을 이용하여 고전압을 인가한다. 이에 의해, 원자선 발생 장치(10) 내에, 음극(20)과 양극(40) 사이의 고전장에 의해, 아르곤 이온을 포함하는 플라즈마가 생성되고, 그 후 플라즈마가 안정화된다. 설정한 전류에 따라, 원자선 발생 장치(10)의 음극(20)과 양극(40) 사이의 거리나, 원자선 발생 장치(10) 내의 가스 압력, 인가하는 전압이 결정된다. 전류는, 전자나 플라즈마 중의 아르곤 이온(Ar+나 Ar2+)을 통해 흐른다.
플라즈마에 포함되는 아르곤 이온은 플러스 전하를 갖기 때문에, 전장을 따라 음극(20)의 중심부로부터 음극(20)을 향하여, 방사형으로 운동한다. 그 동안, 조사구(23)에 달한 아르곤 이온의 빔만이, 조사구(23)에서 근방의 전자와의 충돌에 의해 전기적으로 중화되어(Ar++e-→Ar이나 Ar2++2e-→Ar), 중성 원자의 빔으로서, 원자선 발생 장치(10)로부터 방출된다. 여기서, 음극(20)의 내표면에서 발생한 전자는, 양극(40)을 향하여 운동하지만, 플레밍의 왼손 법칙에 따라 자장(B1, B2)의 작용에 의해 방출면(22)을 향하여 이동하게 된다(도 5 참조). 이 전자의 전하에 끌어당겨진 아르곤 이온이 방출면(22)에 유도되고, 결과로서, 조사구(23)로부터 방출되는 아르곤 원자의 수가 증가한다. 이렇게 하여, 원자선 발생 장치(10)에서는, 보다 많은 아르곤 원자를 조사할 수 있다.
이렇게 하여, 웨이퍼를 향하여 원자선 발생 장치(10)로부터 아르곤 원자의 원자선을 조사하면, 웨이퍼의 표면에 형성된 산화물 등이 제거되거나, 웨이퍼의 표면에 부착되어 있는 불순물이 제거되거나, 결합이 끊어져 활성화하거나, 비정질화하거나 하여, 표면이 개질되어, 표면 개질체가 얻어진다.
이상 설명한 원자선 발생 장치(10) 및 그것을 이용한 표면 개질 방법에서는, 방출면(22)에 평행이며 소정 방향을 향한 제1 자장(B1) 및 제2 자장(B2)을 발생시킴으로써, 음극(20)에서 발생하여 양극(40)을 향하여 이동하는 전자가, 자장(B1, B2)에 의해 방출면(22)을 향하여 이동하게 된다. 이 전자의 전하에 끌어당겨져 양이온이 방출면(22)에 유도되고, 결과로서, 조사구(23)로부터 많은 원자를 방출할 수 있기 때문에, 웨이퍼(W)의 처리 시간이 단축되어, 웨이퍼(W)의 표면을 효율적으로 개질할 수 있다. 또한, 자장(B1, B2)에 의해 양이온이 방출면(22)에 유도되기 때문에, 음극(20)이나 양극(40)에 충돌하는 양이온을 줄일 수 있어, 음극(20)이나 양극(40)이 스퍼터되는 것을 억제할 수 있다고 고려된다. 이에 의해, 원자선 발생 장치(10)의 수명이 길어지고, 음극(20)이나 양극(40)이 스퍼터되어 생긴 스퍼터 입자에 의해 웨이퍼가 오염되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 방출면(22)에 평행인 자장(B1, B2)을 발생시킴으로써, 플라즈마의 위치나 상태가 적합해지기 때문에, 조사구(23)로부터 방출되는 원자의 수를 증가시킬 수 있다고 고려된다.
또한, 방출면(22)측에서 보았을 때 양극(40)으로부터 떨어진 위치에 양극(40)을 사이에 두도록 자장(B1, B2)을 발생시키므로, 양극(40)을 사이에 둔 양측의 음극(20)에서 발생한 전자를, 자장(B1, B2)에 의해 방출면(22)을 향하여 이동시킬 수 있다. 이로써, 조사구로부터 방출되는 원자의 수를 보다 증가시킬 수 있다.
또한, 음극(20)의 내부 공간 중, 방출면(22) 근처에 자장 발생부(60)가 배치되어 있기 때문에, 조사구로부터 방출되는 원자의 수를 보다 증가시킬 수 있다.
또한, 방출면(22)으로부터 떨어진 위치에 배치된 봉형의 제1 양극(41)과, 방출면(22)으로부터 더욱 떨어진 위치에 배치된 봉형의 제2 양극(42)을 구비하고 있기 때문에, 음극으로부터 방출면(22)에 대략 평행인 경로로 양극을 향하여 이동하는 전자의 비율을 늘릴 수 있다. 이에 의해, 조사구로부터 방출되는 원자의 수를 보다 증가시킬 수 있다.
또한, 양극(40)은, 방출면(22)에 수직인 소정의 가상 평면(P0)에 대하여 면대칭이 되도록 배치되고, 봉형의 제1 양극(41)과 봉형의 제2 양극(42)을 구비하며, 제1 양극(41) 및 제2 양극(42)의 축은 가상 평면(P0)에 평행이고, 자장 발생부(60)는, 가상 평면(P0)을 사이에 두도록 제1 자장(B1) 및 제2 자장(B2)을 발생시킨다. 이 때문에, 방출면에 대략 평행인 경로로 음극으로부터 양극을 향하여 이동하는 전자 중의 보다 많은 전자가 제1 자장이나 제2 자장에 입사하기 때문에, 보다 많은 전자를 방출면을 향하여 이동시킬 수 있다. 또한, 제1 양극(41) 및 제2 양극(42)은, 축이 가상 평면(P0) 상에 위치하도록 배치되기 때문에, 제1 양극(41)에는 제1 양극(41)의 양측의 음극(20)으로부터 전자가 이동하고, 제2 양극(42)에는 제2 양극(42)의 양측의 음극(20)으로부터 전자가 이동하기 때문에, 보다 많은 전자를 제1 자장(41)이나 제2 자장(42)에 입사시킬 수 있다.
또한, 조사구(23)는, 가상 평면(P0)이 횡단하는 위치에 마련되어 있기 때문에, 제1 자장(B1)에 의해 방출면(22)에 유도되는 양이온 및 제2 자장(B2)에 의해 방출면(22)에 유도되는 양이온의 양방이 조사구(23) 부근에 유도되므로, 조사구(23)로부터 보다 많은 원자를 방출할 수 있다.
또한, 조사구(23)는, 방출면(22)측에서 보았을 때에, 제1 자장 발생부(61)의 N극과 제2 자장 발생부(62)의 S극을 연결하는 직선과, 제1 자장 발생부(61)의 S극과 제2 자장 발생부(62)의 N극을 연결하는 직선 사이의 영역을 포함하도록 마련되어 있다. 이러한 범위에는, 제1 자장(B1) 및 제2 자장(B2)에 의해 보다 많은 양이온이 유도된다고 고려되기 때문에, 그러한 범위에 조사구(23)를 마련함으로써, 조사구(23)로부터 보다 많은 원자를 방출할 수 있다고 고려된다.
또한, 본 발명의 원자선 발생 장치 및 표면 개질 방법은, 전술한 실시형태에 조금도 한정되는 일없이, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러 가지의 양태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.
예컨대, 음극(20)은, 전술한 것에 한정되지 않고, 플라즈마를 원하는 범위에 안정적으로 생성하여, 전자를 운동시키는 원하는 전장을 생성하도록, 양극의 형상, 치수, 배치, 조사 대상재의 형상, 치수, 배치 등에 따라 적절하게 구성하면 좋다. 또한, 양극(40)은, 전술한 것에 한정되지 않고, 플라즈마를 원하는 범위에 안정적으로 생성하여, 전자를 운동시키는 원하는 전장을 생성하도록, 음극의 형상, 치수, 배치, 조사 대상재의 형상, 치수, 배치 등에 따라 적절하게 구성하면 좋다. 또한, 원하는 전장이란, 자장 발생부(60)에 의한 자장이 작용하기 쉽도록 전자가 운동하는 것 같은 전장이다.
전술한 실시형태에서는, 음극(20)은 상자형으로 하였지만, 통형 등으로 하여도 좋다. 통형의 경우, 조사구는 통면에 마련되어 있어도 좋고, 통바닥면에 마련되어 있어도 좋다. 음극(20)의 형상이나 치수는, 플라즈마를 원하는 범위에 안정적으로 생성할 수 있는 것 같은 내부 공간을 갖는 것이 바람직하고, 양극의 형상, 치수, 배치, 조사 대상재의 형상, 치수, 배치 등에 따라 적절하게 설정하면 좋다.
전술한 실시형태에서는, 음극(20)은, 탄소 재료가 내장된 금속제의 수냉 재킷으로 구성되어 있는 것으로 하였지만, 금속제의 수냉 재킷을 생략하여도 좋고, 탄소 재료 이외의 재료를 이용하여도 좋다. 탄소 재료 이외의 재료로서는, 도전성을 가지며, 양이온(예컨대 아르곤 이온)의 스퍼터에 내구성이 있는 재료가 바람직하고, 예컨대 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 니켈(Ni), 이들의 화합물, 이들의 합금 중 어느 하나로 예시된다. 보다 구체적으로는, 텅스텐(W), 텅스텐 합금(W 합금), 탄화텅스텐(WC), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo 합금), 붕화티탄(TiB)을 들 수 있다. 또한, 음극(20)의 탄소 재료의 표면이, 양이온의 스퍼터에 내구성이 있는 전술한 재료로 피복되어 있어도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 음극(20)의 조사구(23)는, 음극(20) 중의 일면에 마련된 것으로 하였지만, 음극(20) 중의 복수의 면에 마련되어 있어도 좋다. 정방형의 조사구(23)가 등간격으로 마련되어 있는 것으로 하였지만, 조사구의 형상은, 예컨대 원형이나 타원형, 다각형으로 하여도 좋고, 등간격으로 마련되어 있지 않아도 좋다. 이들을 조정함으로써, 원자선의 조사의 분포를 변화시킬 수도 있다.
전술한 실시형태에서는, 음극(20) 내에 아르곤 가스를 도입하는 경우에 대해서 주로 설명하였지만, 음극(20) 내에 도입하는 가스는, 플라즈마를 형성하는 가스이면 아르곤에 한정되지 않지만, 불활성 가스가 바람직하다. 불활성 가스는, 예컨대 헬륨, 네온, 크세논 등으로 하여도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 양극(40)에 있어서, 제2 양극(42)은 제1 양극(41)보다 방출면(22)으로부터 떨어진 위치에 배치된 것으로 하였지만, 제1 양극(41)과 제2 양극(42)은 방출면(22)으로부터 동일한 거리만큼 떨어진 위치에 배치되어 있어도 좋다. 그 경우, 제1 양극(41)과 제2 양극(42)은, 상하 방향으로 떨어진 위치에 배치된다. 또한, 제1 양극(41)과 제2 양극(42)은, 양자가 평행이며, 방출면(22)에서 보았을 때에 양자가 중첩되도록 배치되어 있는 것으로 하였지만, 양자는 평행이 아니어도 좋고, 방출면(22)에서 보았을 때에 양자가 중첩되지 않아도 좋다. 또한, 제1 양극(41) 및 제2 양극(42)은, 방출면(22)에 평행으로 배치되어 있는 것으로 하였지만, 방출면(22)에 수직으로 배치되어 있어도 좋고, 방출면(22)에 대하여 경사져 배치되어 있어도 좋다. 또한, 제1 양극(41) 및 제2 양극(42)의 축은 가상 평면(P0)에 평행으로 하였지만, 가상 평면(P0)에 수직이어도 좋고, 가상 평면(P0)에 대하여 경사져 있어도 좋다. 또한, 제1 양극(41) 및 제2 양극(42)은, 환봉(丸棒)으로 하였지만, 단면 형상은 둥근 것에 한정되지 않고, 타원이나, 다각형 등으로 하여도 좋고, 요철이 있는 형상으로 하여도 좋다. 또한, 제1 양극(41) 및 제2 양극(42)의 2개의 봉형 양극을 이용하는 것으로 하였지만, 봉형 양극의 수는 특별히 한정되지 않는다.
전술한 실시형태에서는, 양극(40)은, 봉형의 제1 양극(41)과 봉형의 제2 양극(42)을 구비하고 있는 것으로 하였지만, 도 8에 나타내는 바와 같이 환형 양극(50)을 구비하고 있어도 좋다. 또한, 도 8에서는, 환형 양극(50)을 수평으로 배치함으로써, 고리의 외경의 일단이 방출면(22)으로부터 떨어진 위치에 배치되며 고리의 외경의 타단이 방출면(22)으로부터 더욱 떨어진 위치에 배치된 것으로 하였지만, 환형 양극(50)을 수직으로 배치하여도 좋고, 경사시켜 배치하여도 좋다. 또한, 도 8에서는, 환형 양극(50)은, 방출면(22)에서 보았을 때에 고리의 외경의 일단과 타단이 중첩되도록 배치되어 있는 것으로 하였지만, 방출면(22)에서 보았을 때에 양자가 중첩되지 않아도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 양극(40)은, 탄소 재료로 구성되어 있는 것으로 하였지만, 탄소 재료 이외의 재료를 이용하여도 좋다. 탄소 재료 이외의 재료로서는, 도전성을 가지며, 양이온(예컨대 아르곤 이온)의 스퍼터에 내구성이 있는 재료가 바람직하고, 음극(20)으로 예시한 것을 들 수 있다. 또한, 양극(40)의 탄소 재료의 표면이, 양이온의 스퍼터에 내구성이 있는 재료로 전술한 재료로 피복되어 있어도 좋다.
또한 예컨대, 자장 발생부(60)는, 전술한 것에 한정되지 않고, 케이스(21) 내에서 생성된 양이온을 방출면(22)에 유도하는 것 같은, 방출면(22)에 평행인 방향의 자장이 얻어지도록 적절하게 구성하면 좋다. 자장의 강도는, 전자의 운동이 원하는 양만큼 변화되도록 설정하면 좋다.
전술한 실시형태에서는, 자장 발생부(60)는 제1 자장 발생부(61)와 제2 자장 발생부(62)를 구비하고 있는 것으로 하였지만, 새로운 자장 발생부를 추가하여도 좋다. 각 자장 발생부가 발생시키는 자장의 강도는, 동일하여도 달라도 좋다. 또한, 자장 발생부(60)는, 음극(20)의 내부 공간 중, 방출면(22)과 그 반대측의 면의 중앙에 배치되어 있는 것으로 하였지만, 방출면(22) 근처에 배치되어 있어도 좋고, 방출면(22)과는 반대측의 면 근처에 배치되어 있어도 좋다. 방출면(22) 근처에 배치되어 있는 것에서는, 조사구(23)로부터 방출되는 원자의 수를 보다 증가시킬 수 있다. 또한, 자장 발생부(60)는, 방출면(22)에 평행인 자장(B1, B2)을 시스 영역(81)에 발생시키는 것으로 하였지만, 플라즈마 영역(80)에 발생시켜도 좋다. 또한, 플라즈마 영역(80)에 발생시키는 경우, 도 7의 적절한 영역 내, 즉 시스 영역(81)에 가까운 영역에 발생시키는 것이 바람직하다.
전술한 실시형태에서는, 자장 발생부(60)는, 요크(63)로 구성되어 있는 것으로 하였지만, 요크(63)를 생략하고 요크의 N극측 단부와 S극측 단부의 위치에 각각자석의 N극과 S극을 배치하여도 좋다. 또한, 자장 발생부(60)에서는 요크(63) 대신에 또는 영구 자석(69) 대신에 전자석을 구비한 것으로 하여도 좋다. 전자석을 이용하면, 자장의 강도의 조정이 용이하고, 또한 자장의 강도를 경시적으로 변화시킬 수도 있다. 이 때문에, 전압·전류·가스량·음극(20) 내의 압력 등에 따라, 보다 적절한 자장을 가할 수 있다.
전술한 실시형태에서는, 자장 발생부(60)에 있어서, 요크(63)의 영구 자석(69) 이외의 구성은, 철제를 바탕으로 하였지만, 자성체이면 특별히 한정되지 않고, 강철 등으로 하여도 좋다. 또한, 영구 자석(69)은, 네오디뮴 자석으로 하였지만, 사마륨 코발트 자석 등으로 하여도 좋다. 네오디뮴 자석은 보다 강한 자장을 인가할 수 있기 때문에 바람직하다. 한편, 원자선 발생 장치(10)의 온도가 300℃ 이상 등의 고온이 되는 경우에는, 퀴리 온도가 700~800℃로 높은 사마륨 코발트 자석이 바람직하다.
전술한 실시형태에서는, 양극(40)이나 자장 발생부(60)는, 이동 가능한 것으로 하였지만, 고정되어 있어도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 표면 개질 방법은, 원자선 발생 장치(10)를 이용하여 웨이퍼의 표면을 개질하는 것으로 하였지만, 자장 발생부(60)를 생략한 원자선 발생 장치(10)를 이용하여도 좋다. 이 경우, 별도 준비한 자석이나 자장 발생 장치 등을 이용하여, 음극(20) 내에서 생성된 양이온을 방출면(22)에 유도하도록 방출면(22)에 평행인 자장(B1, B2)을 음극(20) 내에 발생시키고, 그 상태로, 원자선을 웨이퍼에 조사하여 웨이퍼의 표면을 개질하면 좋다.
[접합 장치]
다음에, 전술한 원자선 발생 장치(10)를 이용한 접합 장치(200)에 대해서 설명한다. 도 10은 접합 장치(200)의 구성의 개략을 나타내는 단면도이다. 이 접합 장치(200)는, 상온 접합 장치로서 구성되어 있는 것으로 하여도 좋다.
접합 장치(200)는, 챔버(210)와, 제1 배치대(220)와, 제2 배치대(230)와, 제1 원자선 발생 장치(270)와, 제2 원자선 발생 장치(280)를 구비하고 있다.
챔버(210)는, 내부를 환경으로부터 밀폐하는 진공 용기이다. 챔버(210)에는 배기구(212)가 마련되고, 배기구(212)에 진공 펌프(214)가 접속되어 있고, 배기구(212)를 통해 챔버(210)의 내부의 기체가 배출된다.
제1 배치대(220)는, 챔버(210)의 바닥면에 배치되어 있다. 제1 배치대(220)는, 그 상면에 유전층을 구비하고, 그 유전층과 웨이퍼(W1) 사이에 전압을 인가하여, 정전력에 의해 웨이퍼(W1)를 그 유전층에 흡착하는 정전 척으로서 구성되어 있다.
제2 배치대(230)는, 챔버(210) 내의 제1 배치대(220)에 대향하는 위치에 배치되어 있고, 압접 기구(234)에 접속된 지지 부재(232)에 의해, 수직 방향으로 이동 가능하게 지지되어 있다. 압접 기구(234)의 동작에 의해, 제2 배치대(230)는, 웨이퍼(W2)에 원자선을 조사하기 위한 조사 위치로부터, 웨이퍼(W2)를 웨이퍼(W1)에 압박하여 접합하기 위한 접합 위치로 이동하거나, 접합 위치로부터 조사 위치로 이동하거나 한다. 제2 배치대(230)는, 그 하면에 유전층을 구비하고, 그 유전층과 웨이퍼(W2) 사이에 전압을 인가하여, 정전력에 의해 웨이퍼(W2)를 그 유전층에 흡착하는 정전 척으로서 구성되어 있다.
제1 원자선 발생 장치(270)는, 전술한 원자선 발생 장치(10)와 동일하게 구성되어 있다. 제1 원자선 발생 장치(270)는, 제1 배치대(220)에 배치된 웨이퍼(W1)를 향하여 원자선을 조사할 수 있는 위치에 배치되어 있다.
제2 원자선 발생 장치(280)는, 전술한 원자선 발생 장치(10)와 동일하게 구성되어 있다. 제2 원자선 발생 장치(280)는, 제2 배치대(230)가 조사 위치에 있을 때에, 제2 배치대(230)에 배치된 웨이퍼(W2)를 향하여 원자선을 조사할 수 있는 위치에 배치되어 있다.
다음에, 접합 장치(200)를 이용하여 조사 대상재인 웨이퍼(W1)(제1 부재)와 웨이퍼(W2)(제2 부재)를 접합하는 접합 방법(접합체의 제조 방법)에 대해서 설명한다. 여기서는, 조사하는 원자가 아르곤 원자인 경우에 대해서 설명한다. 이 접합 방법은, (a) 개질 공정, (b) 접합 공정을 포함한다.
(a) 개질 공정
이 공정에서는, 먼저, 웨이퍼(W1)를 제1 배치대(220)에 세트하며, 웨이퍼(W2)를 제2 배치대(230)에 세트하고, 챔버(210)의 내부를 진공 분위기로 한다. 그때, 배기구(212)로부터의 배기를 조정하면서, 제1, 제2 원자선 발생 장치(270, 280)에 아르곤 가스를 도입하여, 챔버(210) 내 및 제1, 제2 원자선 발생 장치(270, 280) 내를 소정의 압력으로 한다. 챔버 내의 압력이나, 제1, 제2 원자선 발생 장치(270, 280) 내의 압력은, 전술한 표면 개질 방법과 동일하게 할 수 있다.
다음에, 제2 배치대(230)가 조사 위치에 없는 경우에는 압접 기구(234)에 의해 제2 배치대를 조사 위치로 이동시킨다. 그리고, 제1, 제2 원자선 발생 장치(270, 280)의 음극(20)과 양극(40) 사이에 직류 전원을 이용하여 고전압을 인가한다. 인가하는 전류나 전압은, 전술한 표면 개질 방법과 동일하다고 할 수 있다. 이렇게 하여, 전술한 표면 개질 방법와 마찬가지로, 제1, 제2 원자선 발생 장치(270, 280)에서는, 보다 많은 아르곤 원자를 조사할 수 있다.
이렇게 하여, 제1 배치대(220)에 배치된 웨이퍼(W1)를 향하여 원자선 발생 장치(270)로부터 원자선을 조사하고, 제2 배치대(230)에 배치된 웨이퍼(W2)를 향하여 원자선 발생 장치(280)로부터 아르곤 원자의 원자선을 조사한다. 아르곤 원자가 조사된 면에서는, 웨이퍼(W1, W2)의 표면에 형성된 산화물 등이 제거되거나, 웨이퍼(W1, W2)의 표면에 부착되어 있는 불순물이 제거되거나 하여, 표면이 개질되어, 각각의 표면 개질체가 얻어진다.
(b) 접합 공정
이 공정에서는, 압접 기구(234)를 동작시켜 제2 배치대(230)를 접합 위치까지 이동시켜, 웨이퍼(W1, W2)가 개질한 면끼리를 중합한다. 이에 의해, 제1 웨이퍼(W1)와 제2 웨이퍼(W2)가 접합되어, 접합체가 제조된다.
이상 설명한 접합 장치(200)와 이를 이용한 접합 방법에서는, 전술한 원자선 발생 장치(10)나 표면 개질 방법을 이용하기 때문에, 이들과 동일한 효과가 얻어진다. 그리고, 이 접합 방법에서는, 제1 부재 및 제2 부재의 표면을 보다 단시간에 개질할 수 있기 때문에, 제1 부재와 제2 부재를 보다 효율적으로 접합할 수 있다.
또한, 본 발명의 접합 장치(200) 및 그것을 이용한 접합 방법은, 전술한 실시형태에 조금도 한정되는 일없이, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러 가지의 양태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.
예컨대, 접합 장치(200)는, 제1 원자선 발생 장치(270)와 제2 원자선 발생 장치(280)의 2개의 원자선 발생 장치를 구비하고 있는 것으로 하였지만, 원자선 발생 장치를 하나만 구비하고 있어도 좋다. 이 경우, 예컨대, 원자선 발생 장치를 이동시키거나, 제1, 제2 배치대(220, 230) 중 적어도 한쪽을 이동시키거나 하여, 웨이퍼(W1)의 표면 개질과 웨이퍼(W2)의 표면 개질을 순차 행하도록 하면 좋다. 또한, 원자선 발생 장치를 3개 이상 구비하고 있어도 좋다. 복수의 원자선 발생 장치로 1장의 웨이퍼의 표면 개질을 행함으로써, 보다 단시간에 표면 개질을 행할 수 있다. 복수의 원자선 발생 장치로 1장의 웨이퍼의 표면 개질을 행하는 경우, 원자선 발생 장치마다 웨이퍼 표면이 다른 영역을 표면 개질하는 것으로 하여도 좋다. 또한, 제1 원자선 발생 장치(270) 및 제2 원자선 발생 장치(280)는, 원자선 발생 장치(10)와 동일하게 구성되어 있는 것으로 하였지만, 전술한 다른 양태의 원자선 발생 장치와 동일하게 구성되어 있는 것으로 하여도 좋다.
전술한 실시형태에서, 접합 방법은, 접합 장치(200)를 이용하여 웨이퍼(W1)와 웨이퍼(W2)를 접합하는 것으로 하였지만, 접합 장치(200)를 이용하지 않아도 좋다. 예컨대, 개질 공정에서는, 자장 발생부(60)를 구비한 원자선 발생 장치(270, 280)를 이용하여 웨이퍼(W1, W2)의 표면을 개질하는 것으로 하였지만, 자장 발생부(60)를 생략한 원자선 발생 장치를 이용하여도 좋다. 이 경우, 별도 준비한 자석이나 자장 발생 장치 등을 이용하여, 음극(20) 내에서 생성된 양이온을 방출면(22)에 유도하도록 방출면(22)에 평행인 자장(B1, B2)을 음극(20) 내에 발생시키고, 그 상태로, 원자선을 웨이퍼에 조사하여 웨이퍼의 표면을 개질하면 좋다. 예컨대, 접합 공정에서는, 압접 기구(234)를 동작시켜 제2 배치대(230)를 접합 위치까지 이동시켜, 웨이퍼(W1, W2)가 개질된 면끼리를 중합하였지만, 압접 기구(234) 등을 이용하는 일없이 웨이퍼(W1, W2)가 개질한 면끼리를 중합하여도 좋다.
실시예
이하에는, 원자선 발생 장치(10)를 이용하여 웨이퍼(W)에 아르곤 원자의 원자선을 조사한 예에 대해서, 실시예로서 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예에 조금도 한정되는 일없이, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러 가지의 양태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.
1. 자장을 인가하지 않는 원자선 발생 장치와의 비교
[실시예 1]
도 9에 나타내는 바와 같이, 원자선 발생 장치(10)(도 1~도 6 참조)를 이용하여, 챔버(110) 내에서, 웨이퍼(W)에 아르곤의 원자선을 조사하고, 산화막의 제거 프로파일을 측정하였다. 또한, 웨이퍼(W)로서는, 미리 산화막을 부여한 4 인치의 Si 웨이퍼로부터 1/4을 절취한 것을 이용하여, 배치대(120)가 아니라 마루면에 배치하였다. 챔버 내의 압력은 1.2 ㎩로 하였다. 전극 사이에 인가하는 전류는 100 ㎃, 전압은 750 ㎷로 하고, Ar 유량은 80 sccm으로 하며, Ar의 조사 시간은 1시간으로 하였다. 또한, 여기서는, 원자선 발생 장치(10)나 배치대(120)를 고정한 상태로 처리를 행하였다. 요크(63)는, 영구 자석(69) 이외가 철제이며, 영구 자석(69)이 450 mT의 네오디뮴제인 것으로 하였다. 이 원자선 발생 장치(10)에서 발생하는 자장의 시뮬레이션 결과를 도 11, 도 12에 나타낸다. 도 11은 자력선의 모습을 나타내는 시뮬레이션 결과이고, 도 12는 전장의 강도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 도 12에서는, 도면의 우측에 나타내는 바와 같이, 자장이 10 mT을 기준으로 하여, 자장이 강해질수록, 또는 자장이 약해질수록, 농담이 짙게 나타나 있다. 또한, 도 12에서는, 좌우 양단부와, 중앙부와, 중앙부의 상방 및 하측에서 중앙부로부터 떨어진 부분의 자장이 약하고, 그 이외의 부분의 자장이 강하다. 작용점에서의 자장의 강도를 테슬라 미터로 실측한 결과는 25~40 mT이었다. 실시예 1에서는, 양극 간격(P) 및 자장의 인가 위치(Q)는, 후술하는 실시예 2와 동일하게 하였다.
[비교예 1]
원자선 발생 장치(10) 대신에, 자장을 인가하지 않는 종래의 원자선 발생 장치를 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하였다. 또한, 실시예 1에서 이용한 원자선 발생 장치에서는, 방출면에 평행한 면을 사이에 두고 2개의 양극이 대향하도록 양극을 배치하였지만, 비교예 1에서 이용한 원자선 발생 장치에서는, 방출면에 수직인 면을 사이에 두고 2개의 양극이 대향하도록 양극을 배치하였다.
[실험 결과]
도 13에 실시예 1 및 비교예 1의 실험 결과를 나타낸다. 막 두께 분포는, 웨이퍼(W)의 산화막의 막 두께 분포이며, 농담이 짙은 부분일수록 막 두께가 얇고, 산화막이 많이 제거되어 있다. 또한, 막 두께 그래프는, 막 두께 분포의 도면의 파선으로 나타낸 단면에서의 웨이퍼(W)의 산화막의 막 두께를 나타내는 그래프이다. 도 13으로부터, 방출면의 면에 평행인 방향에 자장을 인가한 실시예 1에서는, 자장을 인가하지 않는 비교예보다, 많은 아르곤 원자를 방출면으로부터 방출할 수 있어, 산화막을 많이 제거할 수 있는 것을 알았다. 원자선 발생 장치(10)에서는, 음극으로부터 방출되어, 자장에 의해 방출면을 향하는 방향으로 운동 방향이 바뀐 전자(e-)의 전하에 끌어당겨져 아르곤 이온이 방출면을 향하여 이동하기 때문에, 보다 많은 아르곤 원자를 방출면으로부터 방출할 수 있었다고 추찰되었다.
그런데, 자장을 인가하지 않는 경우에는, 비교예 1과 같이, 한쪽의 양극측과 다른쪽의 양극측에서 거의 대칭이 되도록 플라즈마가 형성된다. 한편, 실시예 1에서는, 방출면 근처에 플라즈마가 형성되어 있다. 이것은, 아르곤 이온이 방출면측에 많이 존재하고 있는 것을 나타내고 있다고 추찰된다. 예컨대, 전자(e-)의 운동 방향이 자장에 의해 방출면을 향하는 방향으로 변화하고, 그 전자에 아르곤 이온이 끌어당겨지거나, 그 전자와의 충돌에 의해 아르곤 원자가 이온화되거나 하여, 방출면측의 아르곤 이온 농도가 높아졌다고 추찰된다. 이와 같이, 실시예 1에서는, 아르곤 이온이 방출면측에 많이 존재하고 있음으로써, 많은 아르곤 원자를 방출면으로부터 방출할 수 있다고 고려된다. 또한, 실시예 1의 플라즈마의 모습의 도면에서는, 요크나 양극 지지부에 가려져 플라즈마의 전체가 나타나 있지 않지만, 요크나 양극 지지부가 없는 좌우 상방 등에 있어서도 플라즈마가 거의 보이지 않는 것으로부터, 플라즈마가 방출면 근처에 형성되어 있다고 할 수 있다.
2. 양극 간격 및 자장의 인가 위치의 검토
[실시예 2~10]
도 9에 나타내는 바와 같이, 원자선 발생 장치(10)를 이용하여, 챔버(110) 내에서, 배치대(120)에 배치한 웨이퍼(W)에 아르곤의 원자선을 조사하여 산화막의 제거 프로파일을 측정하였다. 웨이퍼(W)로서는, 미리 산화막을 부여한 3 인치의 Si 웨이퍼를 이용하였다. 챔버 내의 압력은 1.2 ㎩로 하였다. 전극 사이에 인가하는 전류는 100 ㎃로 하고, Ar 유량은 80 sccm으로 하고, Ar의 조사 시간은 1시간으로 하였다. 작용점에서의 자장의 강도를 테슬라 미터로 실측한 결과는 25~40 mT이었다. 실시예 2에서는, 양극 간격(P)을 1 ㎜, 요크 위치(Q)(자장의 인가 위치)를 -15 ㎜로 하였다. 양극 간격(P)은, 양극끼리가 가장 근접하는 부분의 거리이다. 요크 위치(Q)는, 요크의 중심의 위치이며, 음극의 내부 공간의 중앙을 기준(0 ㎜)으로 하여, 방출면측에 있을 때를 마이너스, 방출면의 반대측에 있을 때를 플러스로 하였다.
실시예 3에서는, 양극 간격(P)을 18 ㎜로 한 것 이외에는 실시예 2와 동일하게 하였다. 실시예 4에서는, 양극 간격(P)을 32 ㎜로 한 것 이외에는, 실시예 2와 동일하게 하였다.
실시예 5에서는, 요크 위치(Q)를 0 ㎜로 한 것 이외에는, 실시예 2와 동일하게 하였다. 실시예 6에서는, 양극 간격(P)을 18 ㎜로 한 것 이외에는 실시예 5와 동일하게 하였다. 실시예 7에서는, 양극 간격(P)을 32 ㎜로 한 것 이외에는 실시예 5와 동일하게 하였다.
실시예 8에서는, 요크 위치(Q)를 +15 ㎜로 한 것 이외에는, 실시예 2와 동일하게 하였다. 실시예 9에서는, 양극 간격(P)을 18 ㎜로 한 것 이외에는 실시예 8과 동일하게 하였다. 실시예 10에서는, 양극 간격(P)을 32 ㎜로 한 것 이외에는 실시예 8과 동일하게 하였다.
[실험 결과]
도 14에 실시예 2~10의 양극 간격(P) 및 요크 위치(Q)의 설명도를 나타내고, 도 15에 실시예 2~10의 웨이퍼(W)의 처리 깊이의 분포를 나타내고, 도 16에 실시예 2~10의 웨이퍼(W)의 처리 깊이의 그래프를 나타낸다. 또한, 도 15에서는, 처리 깊이는, 도면의 우측 하부에 나타내는 바와 같이, 중앙값을 50으로 하였을 때에, 중앙값보다 얕아질수록(0에 근접할수록), 또한 중앙값보다 깊어질수록(100에 근접할수록), 농담이 짙게 나타나 있다. 도 15에서는, 웨이퍼(W)의 중앙부를 향하여 원자선을 조사하였기 때문에, 웨이퍼(W)의 중앙부일수록 처리 깊이가 깊다. 또한, 도 16에서는, 우측 하부에 나타내는 X 단면 및 Y 단면에서의 처리 깊이를 나타내었지만, 양자에 큰 차이는 보이지 않았다.
도 14~도 16으로부터, 양극 간격(P)이나 요크 위치(Q)에 따라, 처리 깊이에 차가 보이는 것을 알았다. 실시예 2~10 중에서는, 양극 간격(P)이 가장 좁고 요크 위치(Q)가 방출면측에 있는 실시예 2가, 아르곤 원자를 보다 많이 방출할 수 있어, 바람직한 것을 알았다. 또한, 요크 위치(Q)가 방출면측이나 중앙에 있는 실시예 2~7에 있어서는, 전극 간격(P)이 가까울수록, 아르곤 원자를 보다 많이 방출할 수 있어, 바람직한 것을 알았다. 한편, 요크 위치(Q)가 방출면으로부터 떨어진 위치에 있는 실시예 8~10에 있어서는, 전극 간격(P)이 18 ㎜ 정도인 경우에, 아르곤 원자를 보다 많이 방출할 수 있어, 바람직한 것을 알았다.
본 출원은 2018년 4월 26일에 출원된 일본국 특허 출원 제2018-84961호를 우선권 주장의 기초로 하고 있고, 인용에 의해 그 내용의 전부가 본 명세서에 포함된다.
산업상 이용가능성
본 발명은 원자선을 이용하여 재료의 표면을 개질하거나, 개질한 표면끼리를 접합하거나 하는 기술의 분야, 예컨대 반도체 제조 분야 등에 이용 가능하다.
10 : 원자선 발생 장치 20 : 음극
22 : 방출면 23 : 조사구
24 : 가스 도입구 30 : 가스관
40 : 양극 41 : 제1 양극
42 : 제2 양극 43, 44 : 지지 부재
45, 46 : 이동 부재 47, 48 : 이동축
50 : 환형 양극 60 : 자장 발생부
61 : 제1 자장 발생부 62 : 제2 자장 발생부
63 : 요크 64 : 본체
65 : 어깨 66 : 상완
67 : 팔꿈치 68 : 전완
69 : 영구 자석 70 : C자형 부재
71 : 완부 72 : 고정 부재
80 : 플라즈마 영역 81 : 시스 영역
82 : 제1 암부 83 : 명부
84 : 제2 암부 85 : 제3 암부
100 : 표면 개질 장치 110 : 챔버
112 : 배기구 120 : 배치대
200 : 접합 장치 210 : 챔버
212 : 배기구 214 : 진공 펌프
220 : 제1 배치대 230 : 제2 배치대
232 : 지지 부재 234 : 압접 기구
270 : 제1 원자선 발생 장치 280 : 제2 원자선 발생 장치
B1 : 제1 자장 B2 : 제2 자장
P0, P1, P2 : 가상 평면 W, W1, W2 : 웨이퍼.

Claims (13)

  1. 원자선을 방출 가능한 조사구(照射口)가 마련된 방출면을 갖는 케이스인 음극과,
    상기 음극의 내부에 배치되며, 상기 음극과의 사이에서 플라즈마를 발생시키는 양극과,
    제1 자장을 발생시키는 제1 자장 발생부와 제2 자장을 발생시키는 제2 자장 발생부를 갖고, 상기 방출면측에서 상기 제1 자장을 상기 제2 자장보다 위로 하여 보았을 때의 자장의 방향이 상기 제1 자장에서는 좌향이며 상기 제2 자장에서는 우향이 되도록 상기 방출면에 평행인 상기 제1 자장 및 상기 제2 자장을 상기 음극 내에 발생시키고, 상기 음극 내에서 생성된 양이온을 상기 방출면에 유도하는 자장 발생부
    를 포함하는 원자선 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자장 발생부는, 상기 방출면측에서 보았을 때에 상기 양극으로부터 떨어진 위치에 상기 양극을 사이에 두도록 상기 제1 자장 및 상기 제2 자장을 발생시키는 것인 원자선 발생 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자장 발생부는, 상기 음극의 내부 공간 중, 상기 방출면 근처에 배치되어 있는 것인 원자선 발생 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극은, 상기 방출면에 수직인 미리 정해놓은 가상 평면에 대하여 면대칭이 되도록 배치되고,
    상기 자장 발생부는, 상기 가상 평면을 사이에 두도록 상기 제1 자장 및 상기 제2 자장을 발생시키는 것인 원자선 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 양극은, 봉형의 제1 양극과 봉형의 제2 양극을 구비하고, 상기 제1 양극 및 상기 제2 양극의 축은 상기 가상 평면에 평행인 것인 원자선 발생 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 양극 및 상기 제2 양극은, 축이 상기 가상 평면상에 위치하도록 배치되는 것인 원자선 발생 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 제1 양극 및 상기 제2 양극은, 축이 상기 방출면에 평행인 것인 원자선 발생 장치.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조사구는, 상기 가상 평면이 횡단하는 위치에 마련되어 있는 것인 원자선 발생 장치.
  9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조사구는, 상기 방출면측에서 보았을 때에, 상기 제1 자장 발생부의 N극과 상기 제2 자장 발생부의 S극을 연결하는 직선과, 상기 제1 자장 발생부의 S극과 상기 제2 자장 발생부의 N극을 연결하는 직선 사이에 마련되어 있는 것인 원자선 발생 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극으로서, 상기 방출면으로부터 떨어진 위치에 배치된 봉형의 제1 양극과, 상기 방출면으로부터 더욱 떨어진 위치에 배치된 봉형의 제2 양극을 구비하는 것인 원자선 발생 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 원자선 발생 장치를 구비하는 접합 장치.
  12. 원자선을 방출 가능한 조사구가 마련된 방출면을 갖는 케이스인 음극과,
    상기 음극의 내부에 배치되며, 상기 음극과의 사이에서 플라즈마를 발생시키는 양극
    을 구비하는 원자선 발생 장치를 이용하여,
    상기 음극 내에서 생성된 양이온을 상기 방출면에 유도하도록, 상기 방출면측에서 제1 자장을 제2 자장보다 위로 하여 보았을 때의 자장의 방향이 상기 제1 자장에서는 좌향이며 상기 제2 자장에서는 우향이 되도록 상기 방출면에 평행인 상기 제1 자장 및 상기 제2 자장을 상기 음극 내에 발생시킨 상태로 상기 원자선을 조사 대상재에 조사하여 상기 조사 대상재의 표면을 개질하는 것인 표면 개질 방법.
  13. 제12항에 기재된 표면 개질 방법을 이용하여 상기 조사(照射) 대상재로서의 제1 부재 및 제2 부재의 표면을 개질하는 개질 공정과,
    개질한 면끼리를 중합하여 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 접합하는 접합 공정
    을 포함하는 접합 방법.
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