WO2007139152A1

WO2007139152A1 - 常温接合によるデバイス、デバイス製造方法ならびに常温接合装置

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Publication number: WO2007139152A1
Application number: PCT/JP2007/060993
Authority: WO
Inventors: Jun Utsumi; Takayuki Goto; Kensuke Ide; Masahiro Funayama; Hideki Takagi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.; National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2007-12-06
Also published as: EP2022594A4; KR20090015943A; KR101101896B1; US10112376B2; US20100092786A1; JP4162094B2; CA2669733C; CN101454113B; JP2007324195A; EP2022594A1; US20160250838A1; CN101454113A; CA2669733A1

Abstract

　第１基板と第２基板との界面には、接合強度を生起する中間材が形成され、この中間材層に複数の金属元素が内在している。スパッタリング時の運転パラメーターにより、その複数の金属元素の界面元素存在比率は０．０７以上である。こうして、難接合性材料から成る基板（たとえば、ＳｉＯ２系材料基板）を、常温接合により実用的な接合強度で接合してデバイスが得られる。

Description

明細書

常温接合によるデバイス、デバイス製造方法ならびに常温接合装置技術分野

[0001] 本発明は、常温接合に関し、特に、常温接合より製造されるデバイス、そのデバイスの製造方法、およびそのための常温接合装置に関する。

背景技術

[0002] 微細な電気部品や機械部品が集積化された MEMS (Micro ElectroMechanic al Systems)が知られている。その MEMSとしては、マイクロマシン、圧力センサ、超小型モーターなどが例示される。 MEMSデバイスの製造には一般にゥエーハレべルの半導体デバイス製造プロセスが用いられ、半導体ゥヱーハ基板上に複数のデバイスが一括して形成'封止され、ダイシングにより個々のデバイスに分割される。この製造プロセスのゥエーハレベルパッケージングでは、デバイスが形成されたデバイスゥエーハ基板に封止用ゥエーハ基板が積層 ·接合されてデバイスが封止される。

[0003] 近年、ゥエーハ基板間の接合に直接接合を用いる製造方法が提案されている。直接接合は接着剤やはんだを用いないので、接合界面に他の材料層が介在しない。このため、高い接合強度と良好な界面物性が得られる利点を持つ。従来から MEMS デバイスの製造に利用されてきた直接接合法の例としては陽極接合や拡散接合が挙げられる。また近年になって平坦化 ·清浄化した表面に水酸基等を付与し、水素結合と熱処理により強固な接合を得る接合方法も提案されている。

[0004] しかし、これらの直接接合法では、接合工程もしくは接合後の工程に伴われる熱処理が MEMSデバイス製造において問題となる。 MEMSデバイスは、利用形態や製造上の要求に基づいて定まる材料基板を接合して形成されるものが多い。このため、材料基板の熱膨張率が異なる場合、熱処理により接合界面に熱歪みを生じ、デバイスの信頼性 ·耐久性を損なう場合がある。接合プロセス温度の低減は MEMSデバイス製造の大きな技術的課題となっている。また加熱と冷却に時間を要するため製造時のタクトタイムを短縮できないことも製造上の課題の 1つである。

[0005] このため、接合工程において加熱を伴わない常温接合プロセスの実現が望まれている。この場合、常温接合、特に表面に活性基を付与せずに被接合面のダングリングボンド等により接合する常温接合では、被接合材料の材料物性に接合性能が大きく影響される。電子デバイス材料として多用される酸化物材料、特に Si〇系材料 (合

2 成石英、ガラス等）は常温接合では接合が困難な材料であることが知られている。

[0006] 常温接合は金属の接合方法としては以前から知られていたが、近年になって半導体材料や酸化物材料の接合へ適用が拡大されつつある。酸化物材料に関しては、高木らによる報告 (NEDO技術開発機構平成 15年度研究助成事業成果報告会予稿集 pp. 220— 225 (2003) )に記載されてレ、るように、 Al Oなど一部の酸化物材

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料では表面活性化と圧接によりある程度の接合強度を得られることが知られているが、多くの材料では実用的な接合強度は得られていない。このため活性基付与など被接合面への表面処理や加熱後処理を用いる方法が提案されている。

[0007] 特開 2004— 054170号公報にはレーザー光学結晶の接合方法が開示されている。接着剤等の中間材を用いることなぐイオンビームエッチングのみが接合面に施されてレーザー光学結晶が接合されている。この方法はレーザー光学結晶、特に YV o結晶の接合方法として開発されている。しかし、この方法は、前述の通り、一部の

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酸化物材料には適用可能だが、例えば Si〇系材料には適用できない。また、接合

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の後工程として加熱処理を行うことは MEMSデバイス製造工程への適用の上で問題となる。

[0008] 特開 2005— 104810号公報には機能性セラミックス多結晶体を Si等の半導体単結晶材料と常温接合する方法が開示されている。この方法では、セラミックス多結晶体の表面に半導体との反応活性を持つ金属薄膜層が形成され、金属と半導体の反応により生じた反応生成物層を介して接合が達成されている。表面粗さの大きいセラミックス基板の接合に有効な手法である。この手法は接合対象基板と金属層との反応性を前提とするため対象材料が限定的であり、また、接合時に加熱処理が必要となる場合もある。

[0009] 一方で、表面活性化と圧接のみでは強度を得られなレ、SiOの様な難接合性材料

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に対しても、金属膜を被接合面に形成することで常温接合できる可能性が、高木の報告 (機械技術研究所報告 189号 (2000) )において指摘されていた。これを具体的に実施する方法がこれまでに提案されている。

[0010] 特開 2004— 337927号公報には、従来の常温接合では難接合性のイオン性結晶基板同士を接合する方法として、被接合面上に金属薄膜を形成するが述べられている。真空中で被接合面へ不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス中性原子ビームと、金属イオンビームまたは金属中性原子ビームとを照射し、各基板の接合面上に 1 nm〜： !OOnmの膜厚の金属薄膜が形成される。

[0011] 特開 2004— 343359号公報には、常温接合による弾性表面波素子の製造方法が開示されている。その方法として中間膜を介した接合方法が例示されている。 LiTaO 等の圧電単結晶基板と Al Oあるいは Si等の結晶性基板とが表面活性化処理と圧

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接により、高温での熱処理なしに接合されている。この方法の 1つとして Siもしくは絶縁材料、金属を中間層として形成し接合する方法が例示されている。

[0012] 上述した様に、表面活性化と圧接のみでは SiO系材料を実用的な接合強度で接

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合することは困難であり、実用的な接合強度を得るためには接合強度を生起させる接合機能材として金属等を接合界面に介在させる方法が有効である。しかしながら、介在する金属の組成あるいは濃度の適正条件については検討が充分なされていな力つた。特に、実用上求められる接合強度を得るための金属の適正量については定量的な評価が充分ではなかった。過度の金属中間層形成の不利益としては、例えば中間層形成プロセスに要する時間が長くなることがプロセスコストの増大'タクトタイムの伸張による生産効率の低下を引き起こす。また、過度の金属中間層形成がデバイス接合界面の物性に影響を与え、デバイスの性能を損なう可能性もある。例えばィォンビーム等の物理スパッタリングを伴う手段により金属中間層を形成する場合、照射時間が長くなると金属中間層の形成と同時に被接合面のスパッタリングが進行し、被接合面の表面粗さが増大するため接合強度が却って低下する現象も生ずる。

発明の開示

[0013] 本発明の課題は、基板がより強固に接合されているデバイスおよびそのデバイスの製造方法を提供することにある。

本発明の他の課題は、難接合性材料の接合手段の条件を適正化するデバイス製造方法を提供することにある。本発明の他の課題は、難接合性材料から成る基板 (たとえば、 SiO系材料基板)を

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、常温接合により実用的な接合強度で接合して得られるデバイスおよびそのデバイスの製造方法を提供することにある。

本発明の他の課題は、難接合性材料の接合手段として、適正化した接合条件を提供する常温接合装置を提供することにある。

[0014] 本発明によるデバイスは、第 1基板と、第 2基板とを備えている。このとき、第 1基板と第 2基板との界面には、少なくとも 1つの金属元素が内在している。この金属元素を介した常温接合により第 1基板と第 2基板が接合されている。

[0015] その少なくとも 1つの金属の界面元素存在比率は、 0. 07以上であることが好ましい。界面元素存在比率は 0. 1以上であることがより好ましぐ 0. 2以上であることがさらに好ましい。ここに、界面元素存在比率とは、接合界面に存在する全原子数に対する前記少なくとも 1つの金属の原子数の比率を言う。具体的には、界面に存在する被接合材料の構成元素および接合を仲介する少なくとも 1つの金属元素の原子数の合計に対する、接合を仲介する少なくとも 1つの金属元素の原子数の合計が占める比率を、界面元素存在比率として定義する。ここに言う界面とは、被接合面から深さ 5n mまでの範囲を言う。この値は一般に用いられる組成分析機器、例えば X線電子分光分析 (XPS)や透過型電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型蛍光 X線分析 (ED X分析）により定量的に与えられる。

[0016] その金属が複数であるとき、複数の金属としては、鉄とクロムとからなる金属集合と、鉄とアルミニウムとからなる金属集合と、鉄とクロムとアルミニウムとからなる金属集合と、鉄とクロムとニッケルとからなる金属集合と、鉄とクロムとニッケルとアルミニウムとからなる金属集合とからなる集合から選択される 1つの金属集合の金属が例示される。金属は、第 1材料と第 2材料との界面に連続的あるいは不連続に層状に分布し、または、その界面に島状に、または、断続的に層状に分布している。その界面には、これ以外の金属が内在していてもよレ、。例えば、タングステン W,金 Au,銀 Ag，銅 Cu,タンタル Ta，亜鉛 Znのレ、ずれかが含まれてレ、てもよレ、。

[0017] 本発明によるデバイスでは、接合される第 1基板の主成分が酸化物、例えば二酸化ケィ素であってもよい。また本発明によるデバイスでは第 1基板は、単結晶材料、多結晶材料、ガラス、セラミックのいずれカあるいはこの組合せから選択されてもよい。他に、本発明によるデバイスは、第 1基板の主成分がフッ化物、炭化物または窒化物であってもよい。また、第 1基板の材料の主成分が、第 2基板の材料の主成分に等しくてもよい。

[0018] 本発明によるデバイス製造方法は、第 1基板の表面をスパッタリングするステップと、第 1基板の表面に少なくとも 1つの金属を付着するステップと、第 1基板の表面に第 2基板を常温接合するステップとを備えている。その少なくとも 1つの金属の界面元素存在比率は、 0. 07以上であることが好ましい。また本発明によるデバイス製造方法では、第 1基板の表面をスパッタリングすると同時に第 2基板の表面がスパッタリングされる。また発明によるデバイス製造方法では、その基板の表面をスパッタリングすると同時に、基板表面に少なくとも 1つの金属を付着するステップを備えている。

[0019] 複数の金属を含むとき、その複数の金属としては、鉄とクロムとからなる金属集合と、鉄とアルミニウムとからなる金属集合と、鉄とクロムとアルミニウムとからなる金属集合と、鉄とクロムとニッケルとからなる金属集合と、鉄とクロムとニッケルとアルミニウムとからなる金属集合とからなる集合から選択される 1つの金属集合の複数の金属が例示される。その界面には、これ以外の金属が内在していてもよい。例えば、タングステン W,金 Au,銀 Ag,銅 Cu,タンタル Ta,亜鉛 Znのいずれかが含まれていてもよレ、。

[0020] 第 1基板と第 2基板の表面は、加速された粒子が照射されてスパッタリングされる。

一方、少なくとも 1つの金属は、加速された粒子が照射された金属放出体から放出されて表面に付着する。金属放出体としては、接合装置あるいは接合装置内部に設置した基板保持機構、基板移送機構、基板圧接機構を構成する各内部装置の、構造部材もしくは構成部品が例示される。本発明のデバイス製造方法では、加速されて金属放出体に照射される粒子に関するパラメーターを制御することにより、基板の表面に放出される金属を適正に制御し、実用的接合強度を得る金属中間層を形成する。具体的には、加速されて照射される粒子の速度を、複数の金属の界面元素存在比率が 0. 07以上になるように、設定されることが好ましい。例えば、スパッタリング手段としてイオンビームを用いる場合は、照射される粒子の速度はイオンビーム源に印カロされる加速電圧で制御することができる。また、粒子が照射される照射時間を、複数の金属の界面元素存在比率が 0. 07以上になるように、設定されることが好ましい。また、単位時間当たりに照射される粒子の照射量を、複数の金属の界面元素存在比率が 0. 07以上になるように、設定されることが好ましい。

[0021] 本発明による常温接合装置は、内部に真空雰囲気を生成する真空チャンバ一と、その真空雰囲気下で被接合材料である基板材料を保持する保持機構と、基板材料を所定の位置に移送する移送機構と、基板材料の被接合面を活性化する物理スパッタリング機構と、活性化した被接合面同士を重ね合わせて圧接する圧接機構とを有する接合装置において、真空チャンバ一の内壁、構造部材、保持機構、移送機構または圧接機構を構成する構造部材 '構成部品のレ、ずれかは、物理スパッタリング機構によりスパッタされることにより所定の組成の複数の金属で形成されるスパッタ粒子群を放出し、その基板材料の表面にその複数の金属の界面元素存在比率が 0. 0 7以上となるように付着させる材料で形成されていることが好ましい。

[0022] その複数の金属としては、鉄とクロムとから形成される金属集合と、鉄とアルミニウムとから形成される金属集合と、鉄とクロムとアルミニウムとから形成される金属集合と、鉄とクロムとニッケノレとから形成される金属集合と、鉄とクロムとエッケノレとアルミニウムとから形成される金属集合とから形成される集合から選択される 1つの金属集合が例示される。その界面には、これ以外の金属が内在していてもよい。例えば、タンダステン W,金 Au,銀 Ag,銅 Cu,タンタル Ta,亜鉛 Znのいずれかが含まれていてもよレ、。図面の簡単な説明

[0023] [図 1]図 1は、本発明による常温接合装置の実施の形態を示す断面図である。

[図 2]図 2は、基板の状態を示す断面図である。

[図 3]図 3は、基板の他の状態を示す断面図である。

[図 4]図 4は、基板のさらに他の状態を示す断面図である。

[図 5]図 5は、基板のさらに他の状態を示す断面図である。

[図 6]図 6は、接合強度を評価するときの基板の状態を示す断面図である。

[図 7]図 7は、照射時間に対する結合エネルギーの変化を示すグラフである。

[図 8]図 8は、界面の界面元素存在比率に対する結合エネルギーの変化を示すダラフである。発明を実施するための最良の形態

[0024] 図面を参照して、本発明による常温接合装置について詳細に説明する。その常温接合装置 1は、図 1に示されているように、真空チャンバ一 2とイオンガン 3と上側ステージ 5と下側ステージ 6とを備えてレ、る。

[0025] 真空チャンバ一 2は、内部空間を確保してそれを周囲の環境から隔離する容器であり、スパッタリングされたときに鉄 Feとアルミニウム A1とクロム Crとを所定の組成で放出する材料により形成されている。その材料としては、鉄 Feとクロム Crとを所定の組成で含有するステンレス鋼が例示される。真空チャンバ一 2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、真空チャンバ一 2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、真空チャンバ一 2の外部と内部とを接続するゲートを閉鎖し、または、開放する。

[0026] 上側ステージ 5は、円柱状に形成され、真空チャンバ一 2に対して鉛直方向に平行移動可能に支持されている。上側ステージ 5は、スパッタリングされたときに鉄 Feとァノレミニゥム A1とクロム Crとを所定の組成で放出する材料から形成され、たとえば、鉄 F eとクロム Crとを所定の組成で含有するステンレス鋼とアルミニウム A1とから形成されている。上側ステージ 5は、その円柱の下端に誘電層を備え、その誘電層と基板 11 の間に電圧を印加し、静電力によってその誘電層に基板 11を吸着して支持する。上側ステージ 5は、図示されていない圧接機構を備えている。その圧接機構は、ユーザの操作により、上側ステージ 5を真空チャンバ一 2に対して鉛直方向に平行移動させる。

[0027] 下側ステージ 6は、スパッタリングされたときに鉄 Feとアルミニウム A1とクロム Crとを所定の組成で放出する材料から形成され、たとえば、鉄 Feとクロム Crとを所定の組成で含有するステンレス鋼とアルミニウム A1とから形成されている。下側ステージ 6は、さらに、図示されていない移送機構を備えている。その移送機構は、ユーザの操作により下側ステージ 6を水平方向に平行移動させ、下側ステージ 6を鉛直方向に平行な回転軸を中心に回転移動させる。また下側ステージ 6は、例えばアルミニウムから形成された基板ホルダーを備えている。また下側ステージ 6は、その上端に誘電層を備え、その誘電層と基板 12の間に電圧を印加し、静電力によってその誘電層に基板 12を吸着して支持する機構を備えてレ、ても良レ、。

[0028] イオンガン 3は、上側ステージ 5に支持される基板 11と下側ステージ 6に支持される基板 12とに向けられている。イオンガン 3は、その向けられている方向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。真空チャンバ一 2は、図示されていない電子銃をさらに備えていてもよい。その電子銃は、イオンガン 3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。このような電子は、イオンガン 3により放出された荷電粒子により正に帯電している対象を中和することに用いられる。

[0029] 荷電粒子の照射を受けて装置内の金属放出体から複数の金属がスパッタにより放出される。この場合の金属放出体は特定しなレ、が、チャンバ一内の構造材、あるいは上側 ·下側のステージを始めとする基板保持機構'移送機構'圧接機構の表面部材が例として挙げられる。

[0030] 図 2〜図 5は、常温接合装置 1を用いて常温接合するとき基板 11と基板 12との状態を示している。作業者は、まず、真空チャンバ一 2の蓋を開けて、上側ステージ 5に基板 11を保持させ、下側ステージ 6に基板 12を保持させる。作業者は、真空チャンバー 2の蓋を閉めて、真空チャンバ一 2の内部に真空雰囲気を生成する。作業者は、下側ステージ 6の位置決め機構を操作して、基板 11が基板 12に対向するように、下側ステージ 6を水平に移動する。

[0031] このとき、基板 11は、図 2に示されているように、表面に不活性表面層 21が形成されている。その不活性表面層 21は、その表面に付着している不純物や、基板材料が変成した生成物、酸素などにより結合手が終端され反応活性が乏しい状態となってレ、る材料最表面層などから形成されている。基板 12は、基板 11と同様にして、表面に不活性表面層 22が形成されている。その不活性表面層 22は、その表面に付着している不純物や、基板材料が変成した生成物、酸素などにより結合手が終端され反応活性が乏しい状態となっている材料最表面層などから形成されている。

[0032] 作業者は、図 3に示されているように、基板 11と基板 12とが十分に離れた状態で、イオンガン 3を用いて基板 12に荷電粒子を照射し、イオンガン 3を用いて基板 11に荷電粒子を照射する。基板 12と基板 11とは、その荷電粒子が照射されることによりスパッタリングされ、その表面に形成される不活性表面層 21、 22とがそれぞれ除去される。このとき、その荷電粒子は、チャンバ一内の金属放出体 (たとえば、真空チャンバー 2と上側ステージ 5と下側ステージ 6と）にも照射される。その金属放出体は、その荷電粒子が照射されると、スパッタリングされ、その構成元素である複数の金属、例えば、鉄 Feとアルミニウム A1とクロム Crとを真空雰囲気に放出する。この時、作業者はイオンガンの運転パラメーターの設定により荷電粒子の照射条件を調整し、放出された金属が接合界面に中間材層を形成し、界面での界面元素存在比率が所定の適正濃度範囲の値を取るように制御する。

[0033] 荷電粒子の照射が終了すると、図 4に示されているように、基板 11はその表面に活性表面 24が露出し、基板 12はその表面に活性表面 25が露出する。活性表面 24と活性表面 25とには、中間材 26が形成される。中間材 26は、真空チャンバ一 2と上側ステージ 5と下側ステージ 6とから放出された原子、たとえば、鉄 Feとアルミニウム A1とクロム Crとを含む層から形成されてレ、る。

[0034] 作業者は、上側ステージ 5の圧接機構を操作して、上側ステージ 5を鉛直下方向に下降させて、図 5に示されているように、基板 11と基板 12とを接触させる。基板 11と基板 12とは、このように接触することにより常温接合され、強固に同体に接合される。このとき、基板 11と基板 12との界面 27には、中間材層 28が形成される。中間材層 2 8は、中間材 26から形成されている。このような中間材層 28は、基板 11と基板 12との接合強度をより強固にする役割を担う。

[0035] なお、上述した例では真空チャンバ一 2をステンレス鋼で形成し、上側ステージ 5、下側ステージ 6をステンレス鋼とアルミニウムとで形成し、基板ホルダーをアルミニウムで形成した装置について述べた力これらの一部を他の材料で形成してもよレ、。例えば真空チャンバ一 2をアルミニウムで形成してもよレ、。また例えば上側ステージ 5や下側ステージ 6をアルミニウム合金で形成してもよい。また、基板ホルダーをステンレス鋼で形成してもよい。

[0036] 本発明の実施例による常温接合方法では、常温接合装置 1を用いて製品が生産される。本発明による常温接合方法では、物理スパッタリング機構の運転パラメーターを決定することで、接合機能材として被接合面に形成される中間材が実用的な接合強度を得るように適正な濃度範囲が制御される。

[0037] その運転パラメータ一としては、イオンガン 3が荷電粒子を加速する電圧とイオンガン 3が荷電粒子を照射する時間とイオンガン 3が荷電粒子を放出する量 (ビーム強度、電流量)とが例示される。作業者は、運転パラメーターと被接合面に存在する複数の金属原子の界面元素存在比率との実測された対応関係に基づき、被接合界面での複数の金属の界面元素存在比率が適正な範囲となる様に運転パラメーターを決定する。その適正な範囲としては、 0. 07以上が例示される。その後、基板 11と 12は、不活性表面層をスパッタリングで除去した後、接合される。

[0038] 複数の金属原子の界面元素存在比率は、接合界面に存在する被接合材料の構成元素および接合を仲介する複数の金属元素の原子数の合計に対する、接合を仲介する複数の金属元素の原子数の合計の比率として定義される。すなわち、被接合界面に存在する基板を構成する元素（例えば石英ガラス基板の場合、珪素 Siと酸素〇）および接合を仲介する金属元素（例えば鉄 Feとクロム Crとアルミニウム A1)の全ての原子数の合計に対する、接合を仲介する金属元素（例えば鉄 Feとクロム Crとアルミニゥム A1)の全ての原子数の合計の比率を、接合を仲介する金属原子の界面元素存在比率とする。ここに言う界面とは、被接合面から深さ 5nmまでの範囲を言う。

[0039] 界面元素存在比率は、一般的な分析方法により測定された界面の元素濃度に基づき算出することができる。その元素濃度の測定方法としては、 X線電子分光法分析 (XPS)が例示される。 XPSの場合、存在する原子数に比例した信号強度が計測され、この信号強度から基板の構成元素および金属元素の個々の組成比が換算される。この分析結果に基づき界面元素存在比率を算出することができる。作業者は、その界面元素存在比率が 0. 07以上になるように運転パラメーターを決定する。なお、作業者は、その界面元素存在比率が 0. 1以上になるように運転パラメーターを決定することが好ましい。作業者は、その界面元素存在比率が 0. 2以上になるように運転パラメーターを決定することがさらに好ましい。なお、その金属原子は、鉄とクロムとから形成されることもできる。その金属原子は、さらに、鉄とアルミニウムとから形成されることもできる。その金属原子は、さらに、鉄とクロムとニッケノレと力ら形成されることもできる。その金属原子は、さらに、鉄とクロムとニッケノレとアルミニウムとから形成されることちできる。

[0040] このような常温接合方法によれば、製品は、常温接合された界面に複数の金属原子が適度に介在し、接合界面が強固であり実用的な接合強度を有する。このため、本発明による常温接合方法は、常温接合されにくい材料から形成される基板を過度の中間材形成やプロセス時間の冗長によるデバイス性能の劣化あるいは生産性の低下を生ずることなぐより強固に実用的な接合強度で常温接合することができる。その材料としては、酸化物と窒化物と炭化物とフッ化物と金属とが例示される。その酸化物としては、 Si〇系材料、 Al O系材料が例示される。その Si〇系材料としては、

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水晶、合成石英、パイレックス（登録商標）、ガラス、石英ガラスが例示される。その A1 O系材料としては、サファイア、アルミナが例示される。その窒化物としては、窒化ケ

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ィ素 SiN、窒化チタン TiNが例示される。その炭化物としては、炭化ケィ素 SiC、炭化チタン TiCが例示される。そのフッ化物としては、フッ化カルシウム CaF、フッ化マグ

2

ネシゥム MgFが例示される。その金属としては、単体金属と合金とが例示される。そ

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の材料としては、さらに、光学結晶、圧電材料'磁歪材料が例示される。その光学結晶としては、 CaCO 、 YVO 、 YAGが例示される。その圧電材料'磁歪材料としては

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、 PZTが例示される。本発明による常温接合方法は、常温接合される 2つの基板が、このような材料のうちの異なる材料から形成されているときにも、適用することができ、このような 2つの基板を過度の中間材形成やプロセス時間の冗長によるデバイス性能の劣化あるいは生産性低下を生ずることなぐより強固に常温接合することができる。

[0041] このような常温接合方法により製造された製品では、接合された界面に介在する金属原子の界面元素存在比率を測定することができる。その測定方法としては、透過型電子顕微鏡を用いた EDX分析が例示される。前述の電子分光法分析 (XPS)と透過型電子顕微鏡を用いた EDX分析は、方法は異なるがいずれも元素濃度を定量的に分析可能であり、それぞれの分析法から導出された濃度分析結果には相関関係力ある。この相関関係に基づき、接合された界面に対しても接合界面に存在する金属の界面元素存在比率を分析'評価し、接合条件として適正な範囲にあるかを確認可能である。 [0042] 常温接合された基板の接合強度は、接合部の結合エネルギーを用いて評価することができる。その結合エネルギーは、周知のブレード挿入法により評価することができる。そのブレード挿入法は、たとえば、「Maszara et al. , J. Appl. Phys. 6 4 (10) pp. 4943— 4950 (1988)」に開示されてレヽる。図 6は、そのブレード挿入法により結合エネルギーを計測するときの基板の状態を示している。すなわち、検查者は、常温接合された基板 41と基板 42との界面に、剃刀刃 43を揷入する。このとき、基板 41と基板 42とは、互いに剥離してクラック 44が生じる。検查者は、クラック 44の進展長さを測定する。接合界面での一方の表面の単位面積当たりの結合エネルギ一 γは、クラック 44の進展長さ Lと剃刀刃 43の厚さの半値 yと基板 41、 42の厚さ tと基板 41、 42のヤング率 Eとを用いて、次式：

[数 1]

_ 3Et³ y²

により表現される。結合エネルギー γは、値が大きいほど、接合強度が大きぐ基板同士が剥離しにくいことを示してレ、る。

[0043] 実用的な接合強度の基準として結合エネルギー γの値が 0. lj/m²以上であることが例示される。さらに結合エネルギー γが 0. lj/m²以上であることは、たとえば、接合強度が弱いものの基板 41と基板 42とが穏やかにダイシングされたときに、基板 41と基板 42とが剥離しない程度に接合されていることを示している。結合エネルギー γが 0. 5j/m²以上であることは、たとえば、基板 41と基板 42とが高速にダイシングされたときに、基板 41と基板 42とが剥離しない程度の実用的な接合強度で接合されていることを示している。

[0044] 結合エネルギーは接合機能を生起する金属の増加と共に増大するが、反面、過度のプロセスは接合エネルギーの低下を生ずる。基板は、スパッタリングされるにつれて、表面の表面粗さが大きくなることが知られている。さらに、基板は、常温接合される表面の表面粗さが大きくなるにつれて、接合強度が小さくなることが知られている。図 7は、実施例の常温接合装置を用いた基板の接合において、基板に荷電粒子が照射される照射時間（スパッタリングされる時間）に対する結合エネルギーの変化を示している。図 7のグラフは、照射時間がある値より小さい領域では照射時間に伴い接合機能材として接合を仲介する金属が増加し、その効果で結合エネルギーが大きくなることを示し、照射時間がその値より大きい領域では照射時間の延長に伴う表面粗さの増大の効果の方が大きくなり、結合エネルギーが小さくなることを示している。すなわち、照射時間には、適正な範囲（上限と下限と）が存在する。

図 8は、接合界面での界面元素存在比率に対する接合強度の変化を示している。界面元素存在比率 Xは、接合される前の基板の表面に関して XPSを用いて測定された接合界面の元素濃度測定の結果に基づき算出されている。結合エネルギー yは、界面元素存在比率 Xを用いて、概ね次式：

y= 3. 336x-0. 242

により表現される。すなわち、図 8のグラフは、界面元素存在比率 Xと結合エネルギー yとに相関関係があることを示している。図 8のグラフは、さらに、界面元素存在比率が 0. 07以上であるときに、結合エネルギーが 0. Oj/m²以上になり、基板が常温接合されることを示してレ、る。図 8のグラフは、さらに、界面元素存在比率が 0. 1以上であるときに、結合エネルギーが 0. lj/m²以上になり、ダイシングが穏やかであるときに基板が剥離しない程度に接合されることを示している。図 8のグラフは、さらに、界面元素存在比率が 0. 2以上であるときに結合エネルギーが 0. 5j/m²以上になり、高速にダイシングしても基板が剥離しない程度に接合されることを示している。すなわち、界面元素存在比率が 0. 2以上を得られる運転パラメーターを過度に超えない運転条件でスパッタリングし接合することで、性能劣化を生ずることなく 0· 5j/m²以上の実用的な接合強度を有するデバイスを製造することができる。なお、このような相関関係は、界面の元素濃度を測定する特定の測定方法によらないで算出される。他の測定方法により算出される界面元素存在比率も、同様に結合エネルギー yと相関関係を示す。また、その界面元素存在比率は、接合された基板に関しても界面の元素濃度測定の結果に基づき算出されることができる。その測定方法としては、透過型電子顕微鏡による EDX分析が例示される。接合された基板に関して算出される界面元素存在比率も、同様に結合エネルギー yと相関関係を示す。 [0046] 本発明の実施例により製造されるデバイスは、常温接合装置 1を用いて常温接合されて製造される。そのデバイスとしては、マイクロマシン、圧力センサ、超小型モータ一が例示される。そのデバイスは、常温接合される 2つの基板を備えている。その基板は、常温接合されにくい材料から形成されている。その材料としては、酸化物と窒化物と炭化物とフッ化物と金属とが例示される。その酸化物としては、 SiO系材料、

2

Al O系材料が例示される。その SiO系材料としては、水晶、合成石英、パイレック

2 3 2

ス（登録商標）、ガラス、石英ガラスが例示される。その A1〇系材料としては、サファ

2 3

ィァ、アルミナが例示される。その窒化物としては、窒化ケィ素 SiN、窒化チタン TiN が例示される。その炭化物としては、炭化ケィ素 SiC、炭化チタン TiCが例示される。そのフッ化物としては、フッ化カルシウム CaF、フッ化マグネシウム MgFが例示され

2 2

る。その金属としては、単体金属と合金とが例示される。その材料としては、さらに、光学結晶、圧電材料 '磁歪材料が例示される。その光学結晶としては、 CaCO、 YVO

3 4

、 YAGが例示される。その圧電材料 *磁歪材料としては、 PZT力 S例示される。その 2 つの基板は、同じ材料から形成され、または、異なる材料から形成されている。

[0047] その 2つの基板の界面には、中間材層が形成される。その中間材層は、その界面の一部に配置され、または、その界面の全部に配置されている。その中間材層は、複数の金属原子から形成されている。その金属原子としては、鉄とァノレミとクロムと力 S 例示される。その中間材層は、その界面でのその金属原子の界面元素存在比率が 0 . 07以上であるように形成されている。その部品がその中間材層を備えることは、たとえば、エネルギー分散型蛍光 X線分析装置 (EDX)を用いて測定されることができる。本発明によるデバイスは、このような中間材層により常温接合された界面の接合強度がより強固である。なお、その中間材層は、その界面でのその金属原子の界面元素存在比率が 0. 1以上であるように形成されることがさらに好ましぐその界面元素存在比率が 0. 2以上であるように形成されることがさらに好ましい。

Claims

請求の範囲

[1] 少なくとも 1つの金属と、

第 1基板と、

前記少なくとも 1つの金属を介して常温接合により前記第 1基板に接合される第 2基板と

を具備するデバイスであって、

前記少なくとも 1つの金属の界面元素存在比率は 0. 07以上である

デバイス。

[2] 請求の範囲 1において、

前記少なくとも 1つの金属の界面元素存在比率が 0. 1以上である

デバイス。

[3] 請求の範囲 2において、

前記少なくとも 1つの金属の界面元素存在比率が 0. 2以上である

デバイス。

[4] 請求の範囲 1乃至 3のいずれかにおいて、

前記デバイスは複数の金属を含み、

前記複数の金属は、

鉄とクロムとからなる金属集合と、

鉄とアルミニウムとからなる金属集合と、

鉄とクロムとアルミニウムとからなる金属集合と、

鉄とクロムとニッケノレと力らなる金属集合と、

鉄とクロムとニッケルとアルミニウムとからなる金属集合と

力なる集合から選択される 1つの金属集合の金属である

デバイス。

[5] 請求の範囲 1乃至 4のいずれかにおいて、

前記第 1基板は、主成分が酸化物である

デバイス。

[6] 請求の範囲 5において、前記第 1基板は、主成分が二酸化ケイ素である

デバイス。

[7] 請求の範囲 6において、

前記第 1基板は、単結晶材料と多結晶材料とガラスとセラミックとからなる集合から選択される材料から形成される

デバイス。

[8] 請求の範囲 1乃至 4のいずれかにおいて、

前記第 1基板は、主成分がフッ化物である

デバイス。

[9] 請求の範囲 1乃至 4のいずれかにおいて、

前記第 1基板は、主成分が炭化物である

デバイス。

[10] 請求の範囲 1乃至 4のいずれかにおいて、

前記第 1基板は、主成分が窒化物である

デバイス。

[11] 請求の範囲 1乃至 10のいずれかにおいて、

前記第 1基板が形成される材料の主成分は、前記第 2基板が形成される材料の主成分に等しい

デバイス。

[12] 第 1基板の表面をスパッタリングするステップと、

前記第 1基板の表面に少なくとも 1つの金属を付着するステップと、

前記第 1基板の表面に第 2基板を常温接合するステップと

を具備するデバイス製造方法において、

前記少なくとも 1つの金属の界面元素存在比率が 0. 07以上である

デバイス製造方法。

[13] 請求の範囲 12において、

デバイス製造方法。

[14] 請求の範囲 13において、

デバイス製造方法。

[15] 請求の範囲 12乃至 14のいずれかにおいて、

前記第 1基板の表面をスパッタリングすると同時に、前記第 2基板の表面をスパッタリングするステップ

を更に具備するデバイス製造方法。

[16] 請求の範囲 12乃至 15のいずれかにおいて、

前記スパッタリングするステップと、前記付着するステップとは同時に実行されるデバイス製造方法。

[17] 請求の範囲 12乃至 16のいずれかにおいて、

加速された粒子を照射して前記第 1基板の表面をスパッタリングするステップを具備し、

前記付着するステップは、

前記粒子が照射された金属放出体から放出されて前記少なくとも 1つの金属は、前記第 1基板の表面に付着する

デバイス製造方法。

[18] 請求の範囲 17において、

前記金属放出体は、接合装置あるいは接合装置内部に設置した基板保持機構、基板移送機構、基板圧接機構を構成する各内部装置の、構造部材もしくは構成部品の少なくとも 1つである

デバイス製造方法。

[19] 請求の範囲 17または 18において、

前記粒子に関するパラメータ一は、前記粒子の速度である

デバイス製造方法。

[20] 請求の範囲 17または 18において、

前記粒子に関するパラメータ一は、前記粒子が照射される照射時間であるデバイス製造方法。

[21] 請求の範囲 17又は 18において、

前記粒子に関するパラメータ一は、前記第 1基板の表面に単位時間当たりに照射される前記粒子の照射量である

デバイス製造方法。

[22] 請求の範囲 12乃至 21のいずれかにおいて、

前記付着する金属は複数の金属であり、

前記複数の金属は、

鉄とクロムとからなる金属集合と、

鉄とアルミニウムとからなる金属集合と、

鉄とクロムとアルミニウムとからなる金属集合と、

鉄とクロムとニッケルとからなる金属集合と、

力なる集合から選択される 1つの金属集合の金属である

デバイス製造方法。

[23] 内部に真空雰囲気を生成する真空チャンバ一と、

前記真空雰囲気下で被接合材料である基板材料を保持する保持機構と、前記基板材料を所定の位置に移送する移送機構と、

前記基板材料の被接合面を活性化する物理スパッタリング機構と、

前記活性化した被接合面同士を重ね合わせて圧接する圧接機構とを具備し、前記真空チャンバ一の内壁または構造部材、前記保持機構、前記移送機構または前記圧接機構を構成する構造部材'構成部品の少なくとも 1つは、前記物理スパッタリング機構によりスパッタされることにより複数の金属を所定の組成で放出し、前記基板材料の表面における前記放出された複数の金属の界面元素存在比率が 0. 07以上であるように、前記放出された複数の金属は前記基板材料の表面に付着されている

常温接合装置。

[24] 請求の範囲 23において、前記複数の金属は、

鉄とクロムとからなる金属集合と、

鉄とアルミニウムとからなる金属集合と、

鉄とクロムとアルミニウムとからなる金属集合と、

鉄とクロムとニッケルとからなる金属集合と、

鉄とクロムとニッケルとアルミニウムとからなる金属集合とからなる集合力選択され 1つの金属集合の金属である

常温接合装置。