JP2008166586A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
２枚の板状部材を仮接合する際に、ボイドを発生させず、均一に板状部材を密着させ、製品の品質を高める接合方法を提供すること。
【解決手段】
シリコンウェーハ１０の反りの凸方向と、ガラスウェーハ１１の反りの凸方向とが向き合うようにシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とを密着させて仮接合を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は２枚の板状部材の表面をプラズマ活性化することにより接合する接合方法に関する。

デジタルカメラや携帯電話に用いられるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）からなる固体撮像装置の製造工程においては、例えばＳｉにより形成された板状部材と、ガラスにより形成された板状部材とを接合する接合工程が実施される。近年、このような２種類の板状部材の接合においては、２つの板状部材を接触させた状態で電圧を印加すると同時に、高温で加熱することで接合させる陽極接合による方法が提案されている（例えば、特許文献１、又は特許文献２参照。）。

陽極接合は、例えば図６に示すように、第１の板状部材としてのシリコンウェーハ１０、第２の板状部材としてのガラスウェーハ１１、シリコンウェーハ１０を載置するテーブル１２、及びテーブル１２とガラスウェーハ１１とにつながる高圧電源１３等の構成を備えた接合装置１で実施される。

接合装置１では、接触されたシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とは不図示の加熱装置により４００℃から５００℃の高温で加熱されるとともに、高圧電源１３によりガラスウェーハ１１側をカソードとして、５００Ｖから１０００Ｖ程度の直流高電圧を印加する。

これにより、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との間に大きな静電引力が発生し、界面部で化学結合することによって強固にシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とが接合される。

この他、２種類の板状部材の接合させる方法としては、板状部材の接合面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマ等のエネルギー波により活性化して接合する方法も提案されている（例えば、特許文献３、又は特許文献４参照。）。
特開２００１−６４０４１号公報 特開２００５−１８７３２１号公報 特開２００６−７３７８０号公報 特開２００６−２４８８９５号公報

前記特許文献に記載されるような接合方法では、加熱等の処理により最終的な強固な接合力を得る前段階として、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマ等のエネルギー波により接合する２枚の板状部材の表面を活性化させた後、板状部材を接近させてファンデルワールス力により分子レベルで板状部材を接合する仮接合が行われる。

この仮接合においては、最終的な全面に渡る強固な接合を実現するため、板状部材の全面に渡り均一に密着させることが必要となる。しかし、板状部材は、径が大きくなるに従い反りが発生しやすく、均一に密着させることが困難となり、密着された板状部材の間に部分的に空気層（ボイドと称する）が残りやすくなる。このようなボイドが発生した場所では接合力が低下するため、後の工程で結合した板状部材が剥がれるなど、製品の品質を下げる大きな問題となっていた。

本発明はこのような問題に対して成されたものであり、２枚の板状部材を仮接合する際に、ボイドを発生させず、均一に板状部材を密着させ、製品の品質を高める接合方法を提供することを目的としている。

本発明は前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１の板状部材と第２の板状部材との表面を、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波を照射することにより活性化させた後、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とを密着させて接合する接合方法において、前記第１の板状部材の反りの凸方向と、前記第２の板状部材の反りの凸方向とが向き合うように該第１の板状部材と該第２の板状部材とが密着されて接合されることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、第１の板状部材と第２の板状部材との表面は、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波を照射することにより活性化される。表面の活性化後、第１の板状部材と第２の板状部材とは、位置を合わせて接触されることにより、ファンデルワールス力により分子レベルで自発的に接合が進行していく。このとき、第１の板状部材と第２の板状部材には微小な反りが生じており、反りの凸方向が向き合うように第１の板状部材と第２の板状部材とを接触させる。

これにより、接触された第１の板状部材と第２の板状部材との間に隔離された空気の層が生じず、接合は接触している凸部の頂点から外側に向かって進行するので、第１の板状部材と第２の板状部材との間にボイドが生じることなく仮接合が行われる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とは、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、またはガラスのいずれかにより形成されていることを特徴としている。

請求項２の発明によれば、第１の板状部材と第２の板状部材とは、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、またはガラスにより形成され、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の固体撮像装置用の半導体素子が形成されたウェーハ、もしくは「パイレックス（登録商標）ガラス」等の熱膨張係数がＳｉに近い透明ガラスウェーハ等が用いられる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とは、中心部に向かって凸形状に形成されたテーブルにそれぞれ固定され、前記第１の板状部材の反りの凸方向と、前記第２の板状部材の反りの凸方向とが向き合い、該第１の板状部材と該第２の板状部材との中心部の一点が密着されて接合されることを特徴としている。

請求項３によれば、第１の板状部材と第２の板状部材は中心部に向かって凸形状に形成されたテーブルに吸引吸着等の方法により固定される。凸形状のテーブルに固定されて一方方向に反った状態が維持された第１の板状部材と第２の板状部材とは、反りの凸方向が向き合わされ、凸部の頂点となる中心部の一点が密着されて接合が行われる。

第１の板状部材と第２の板状部材との接合は、中心部から外側に向かってファンデルワールス力により分子レベルで自発的に進行していく。

これにより、接触された第１の板状部材と第２の板状部材との間に隔離された空気の層が生じず、第１の板状部材と第２の板状部材との間にボイドが生じることなく仮接合が行われる。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２、又は３のうちいずれか１項に記載の発明において、前記第１の板状部材を固定する前記テーブル、または前記第２の板状部材を固定する前記テーブルのいずれか一方は、板状部材を固定する面が弾性体により形成されていることを特徴としている。

請求項４によれば、第１の板状部材と第２の板状部材が固定される中心部に向かって凸形状に形成されたテーブルのいずれか一方の表面は、弾性体によって形成されている。これにより、第１の板状部材と第２の板状部材とを密着させる際に、一方の板状部材から押圧力をかけ、より均一に密着させることが可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１、２、３、又は４のうちいずれか１項に記載の発明において、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との反りを無くし、平坦な状態に戻るのに必要な該第１の板状部材の弾性力と該第２の板状部材の弾性力に対応する力は、該第１の板状部材と該第２の板状部材とが接合する際に生じる接合力よりも小さい大きさであることを特徴としている。

請求項５によれば、反っている状態の第１の板状部材と第２の板状部材とが接合する際、板状部材はファンデルワールス力を起因とする接合力により、反った状態から平坦な状態に戻っていく。このとき、反っている状態の第１の板状部材と第２の板状部材とを平坦な状態に戻す為の第１の板状部材の弾性力と第２の板状部材の弾性力に対応する力は、接合力よりも小さくなるように板状部材の厚さ、または弾性係数、テーブルの凸形状等が調整されている。反りを戻すための弾性力よりも接合力の方が大きい為、第１の板状部材と第２の板状部材とは良好に仮接合される。

請求項６に記載の発明は、請求項１、２、３、４、又は５のうちいずれか１項に記載の発明において、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とは、接合後に加熱されることを特徴としている。

請求項６によれば、仮接合された第１の板状部材と第２の板状部材は、本接合として加熱されることにより強固に接合される。

以上説明したように、本発明の接合方法によれば、２枚の板状部材を仮接合する際に、凸形状の頂点となる中心部から仮接合され、間に空気の隔離された空気の層が作られない為、ボイドを発生させない。これにより、均一に板状部材を密着させて仮接合が行われ、後の工程で問題が起こらず、製品の品質を高める。

以下添付図面に従って本発明に係る接合方法の好ましい実施の形態について詳説する。図１は、本発明に係る接合方法行う接合装置における接合工程の概略を示したもの、図２は板状部材の活性化を行う装置の模式図である。

接合装置では、第１の板状部材としてＳｉ、ＳｉＯ２、またはＳｉＮにより形成されたシリコンウェーハ１０と第２の板状部材としてガラスにより形成されたガラスウェーハ１１とを、まずチャンバー減圧下に置き、酸素プラズマ処理を実施した後、窒素プラズマ処理を行う。

酸素プラズマ処理、窒素プラズマ処理では、図２に示すように、チャンバー３０内に設けられた中心部に向かって凸形状となったテーブル２０Ａ、２０Ｂ上にシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１を固定し、プラズマ発生源２２Ａ、２２Ｂよりシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１表面に酸素プラズマ、窒素プラズマを照射する。

これにより、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との表面が活性化されるとともに、親水化される。

続いて、チャンバー３０内を大気状態に戻し、シリンダー２１Ａ、２１Ｂを移動させてシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との接合面全面を密着させ、仮接合を行う。仮接合後、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とは、加圧されるとともに、不図示の加熱装置により加熱され、接合温度（例えば４００℃から５００℃）まで温度上昇される。この状態で、高圧電源１３によりガラスウェーハ１１側をカソードとして直流高電圧（例えば５００Ｖから１０００Ｖ）を印加する。

これにより、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との間に大きな静電引力が発生し、界面部で化学結合することによって、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とが強固に結合される。

なお、上記の接合方法では、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とは鏡面加工されたものが使用され、平坦度は１００μｍ、面粗さは１ｎｍ以下の物が望ましい。

また、本発明に係る接合方法、及び本発明に係わる接合部材の製造を行う接合装置では、上記接合工程に限らず、加熱の工程を伴う既知の接合工程であれば、いずれの接合工程であっても好適に利用可能である。

次に、本発明に係わる接合方法について説明する。図３は本発明に係わる接合方法を示した断面図、図４は通常の接合方法と本発明に係わる接合方法を比較した断面図である。

本発明に係わる接合方法では、図２に示されるチャンバー３０内に設けられた中心部に向かって凸形状となったテーブル２０Ａ、２０Ｂ上にシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とが固定され、プラズマ発生源２２Ａ、２２Ｂよりシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との表面へ向かって原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波が照射される。

これにより表面が活性かされたシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とは、チャンバー内を大気状態に戻した後、シリンダー２１Ａ、２１Ｂを移動させてシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との接合面を密着させて仮接合が開始される。

仮接合では、テーブル２０Ａ、２０Ｂが中心部に向かって凸形状なため、図３（ａ）に示すようにシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とがテーブル２０Ａ、２０Ｂの形状に沿って中心部が凸となるように反る。シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とは、テーブル２０Ａ、２０Ｂが向き合って接近することにより、それぞれの反りの凸方向が向き合い、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との中心部の一点が密着される。

中心部の一点が密着された表面が活性化されているシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とは、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように中心部から外側に向かってファンデルワールス力により分子レベルで自発的に進行していく。

通常の接合方法では、本発明とは異なり、図４（ａ）に示すように、凹方向を向けて密着されてしまう場合があり、隔離された空気の層がシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との間に生じる。隔離された空気の層が生じた状態で接合が進行すると、接合は外周部から中心部に向かって進み、中心部にボイド１４が生じる。

本発明の接合は、図４（ｂ）に示すように、接触している凸部の頂点から外側に向かって進行するので、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との間にボイド１４が生じることなく仮接合が行われる。

これにより、本発明の接合方法では、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との全面に渡り均一に密着させて仮接合が行われ、後の工程で問題が起こらず、製品の品質を高める。

また、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とがテーブル２０Ａ、２０Ｂの凸形状に沿って反った際、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との反りを無くし、平坦な状態に戻るのに必要なシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との弾性力に対応する力が、仮接合時のシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との接合力よりも小さくなるように、テーブル２０Ａ、２０Ｂの凸形状は形成されている。

これにより、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との反りを戻すための弾性力よりも接合力の方が大きくなるため、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とは良好に仮接合される。

なお、テーブル２０Ａ、２０Ｂの凸形状以外に、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との厚み、または弾性係数を調整することにより、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との反りを戻すための弾性力よりも接合力の方が大きくなるようにしてもよい。

次に、本発明に係わる接合方法の別の実施の形態について説明する。図５は本発明に係わる接合方法の別の実施の形態を示した断面図である。

別の実施の形態では、図２に示されるチャンバー３０内にテーブル２０Ａ、２０Ｂに代わり、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とをそれぞれ固定するテーブル４０Ａとテーブル４０Ｂが設けられる。テーブル４０Ｂは、図５（ａ）に示すように、中心部に向かって凸形状に形成され、表面がゴム等の弾性体により形成されている。テーブル４０Ａは、平坦に形成され、金属、または多孔性シリコン等により形成されている。

テーブル４０Ｂに固定されたガラスウェーハ１１は、テーブル４０Ｂの凸形状に沿って中心部が凸となるように反り、テーブル４０Ａに固定されたシリコンウェーハ１０は、平坦に固定される。

固定されたシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とは、プラズマ発生源２２Ａ、２２Ｂより表面へ向かって原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波が照射されて表面が活性化される。

表面が活性かされたシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とは、チャンバー内を大気状態に戻した後、シリンダー２１Ａ、２１Ｂを移動させてシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との接合面を密着させて仮接合が開始される。

仮接合では、図５（ａ）に示すように、ガラスウェーハ１１の反りの凸方向の頂点となるガラスウェーハ１１の中心部がテーブル４０Ａに固定された平坦なシリコンウェーハ１０の中心部の一点に密着される。

中心部の一点が密着された表面が活性化されているシリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１とは、図５（ｂ）に示すように中心部から外側に向かってファンデルワールス力により分子レベルで自発的に進行していく。

このとき、テーブル４０Ｂは表面が弾性体で形成されているため、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１の密着を補助し、均一な力でガラスウェーハ１１側を押圧していく。

これにより、本発明の別の実施の形態に接合方法では、シリコンウェーハ１０とガラスウェーハ１１との全面に渡り均一に密着されるとともに、押圧されて仮接合が行われ、後の工程で問題が起こらず、製品の品質を高める。

なお、別の実施の形態では、ガラスウェーハ１１が固定されたテーブル４０Ｂのみが弾性体により形成されているが、本発明はそれに限らず、テーブル４０Ａ側、または双方のテーブルが弾性体を有していても好適に実施可能である。

以上説明したように、本発明の接合方法によれば、２枚の板状部材を仮接合する際に、２枚の板状部材の反りの凸方向を向けて密着させることにより、凸形状の頂点となる中心部から仮接合され、間に空気の隔離された空気をつくることなく、ボイドが発生しない均一で良好な仮接合が行われる。これにより、後の工程で問題が起こらず、製品の品質を高めることが可能となる。

なお、本実施形態では、第１の板状部材としてＳｉ、ＳｉＯ２、またはＳｉＮにより形成されたシリコンウェーハ１０、第２の板状部材としてガラスにより形成されたガラスウェーハ１１としたが、本発明はこれに限らず、第１の板状部材がシリコンウェーハ１０、第２の板状部材がガラスウェーハ１１、または第１の板状部材と第２の板状部材ともシリコンウェーハ１０、もしくは第１の板状部材と第２の板状部材ともガラスウェーハ１１であっても好適に実施可能である。

本発明に係る接合方法が使用される接合装置における接合工程の概略図。 板状部材の活性化を行う装置の模式図。 本発明に係わる接合方法を示した断面図。 通常の接合方法と本発明に係わる接合方法を比較した断面図。 本発明に係わる接合方法の別の実施の形態を示した断面図。 陽極接合の接合装置を示した模式図。

符号の説明

１０…シリコンウェーハ（第１の板状部材），１１…ガラスウェーハ（第２の板状部材），１２、２０Ａ、２０Ｂ、４０Ａ、４０Ｂ…テーブル，１３…高圧電源、１４…ボイド、２１Ａ、２１Ｂ…シリンダー，２２Ａ、２２Ｂ…プラズマ発生源，３０…チャンバー

Claims (6)

1. 第１の板状部材と第２の板状部材との表面を、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波を照射することにより活性化させた後、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とを密着させて接合する接合方法において、
   前記第１の板状部材の反りの凸方向と、前記第２の板状部材の反りの凸方向とが向き合うように該第１の板状部材と該第２の板状部材とが密着されて接合されることを特徴とする接合方法。
2. 前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とは、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、またはガラスのいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とは、中心部に向かって凸形状に形成されたテーブルにそれぞれ固定され、前記第１の板状部材の反りの凸方向と、前記第２の板状部材の反りの凸方向とが向き合い、該第１の板状部材と該第２の板状部材との中心部の一点が密着されて接合されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合方法。
4. 前記第１の板状部材を固定する前記テーブル、または前記第２の板状部材を固定する前記テーブルのいずれか一方は、板状部材を固定する面が弾性体により形成されていることを特徴とする請求項１、２、または３のいずれか１項に記載の接合方法。
5. 前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との反りを無くし、平坦な状態に戻るのに必要な該第１の板状部材の弾性力と該第２の板状部材の弾性力に対応する力は、該第１の板状部材と該第２の板状部材とが接合する際に生じる接合力よりも小さい大きさであることを特徴とする請求項１、２、３、または４のいずれか１項に記載の接合方法。
6. 前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とは、接合後に加熱されることを特徴とする請求項１、２、３、４、または５のいずれか１項に記載の接合方法。

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