JP2009010263A

JP2009010263A - 基板接合装置

Info

Publication number: JP2009010263A
Application number: JP2007171938A
Authority: JP
Inventors: Yasuhei Takahashi; 泰平高橋
Original assignee: Eiko Engineering Co Ltd
Current assignee: Eiko Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2009-01-15

Abstract

【課題】単一の真空チャンバで様々な接合技術を選択して使用することが出来ると共に、それらの併用を可能とする。
【解決手段】基板接合装置は、接合すべき一対の基板６、７を互いに対向するよう保持する基板ホルダ２、３と、この基板６、７の接合すべき面に向けて配置したイオン・ラジカル源１１、１１と、前記の少なくとも一方の基板ホルダ２、３を移動させて基板２、３の接合すべき表面を互いに接触、加圧する移動機構とを有する。そして、前記イオン・ラジカル源１１、１１は、プラズマ中でガスをイオン化及び／またはラジカル化するプラズマ室１２、１２と、このプラズマ室１２、１２で発生したイオンを前記基板６、７の接合すべき面に向けて発射するイオン引出電極１４、１４と、イオンをトラップし、前記プラズマ室１２、１２で発生したラジカルのみを前記基板６、７の接合すべき面に向けて発射するイオントラップ電極１５、１５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の基板を接合する基板接合装置に関し、特に基板の接合面にアルゴンのイオンや水素のラジカルを照射することにより、接合すべき基板の表面を活性化し、その後に接合すべき基板の表面を接触させて基板を接合したり、或いは陽極接合や加熱加圧接合を単一の真空チャンバで実現し得る基板接合装置に関する。

半導体ウエハ等の基板の接合技術の代表的な手段として、陽極接合、加熱加圧接合、表面活性化接合がある。陽極接合は、基板を数百度℃の温度に加熱すると共に、重ね合わせた基板に数百Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加し、基板に大きな静電引力を発生させ、基板の界面で化学結合させることで接合する技術である。加熱加圧接合は、基板を数百度℃の温度に加熱すると共に、重ね合わせた基板に圧力を加え、基板の界面を拡散結合させることで接合する技術である。また、表面活性化接合は、例えば、真空中でアルゴンイオン等の荷電粒子を基板の接合すべき表面に衝突させ、その表面上の酸化膜などの不純物を除去すると共に、活性化させ、その後この接合面を互いに接触させることにより、一対の基板の表面を分子結合させることで接合する技術である。

従来の装置は、前述の陽極接合、加熱加圧接合、表面活性化接合を行う装置がそれぞれ個別の装置となっていた。そのため基板の種類や使用目的に応じた接合技術を実施するためには幾つかの接合装置が必要であり、手数の点や経費の点で不都合があった。また、これら接合技術を併用することも困難であった。さらに、表面活性化接合においても基板の表面を活性化するため手段がイオンの照射による手段に限られている等、必要に応じて適宜の活性化手段を選択或いは併用出来ないという課題があった。

２００７−１１５８２５号公報２００６−３３９３６３号公報２００６−２２２４３６号公報２００６−７３７８０号公報２００５−２９４８００号公報２００４−３４２８５５号公報

本発明は、前記従来の基板接合装置における課題に鑑み、単一の真空チャンバで様々な接合技術を選択して使用することが出来ると共に、それらの併用も可能であり、しかも表面活性化接合においては、接合すべき基板の表面を活性化するイオンの照射とラジカルの照射とを適宜選択及び併用することを可能とするものである。

本発明は、前記の目的を達成するため、基板ホルダ２、３に保持された基板６、７に向けてそれぞれ必要に応じてイオンとラジカルを適宜選択して照射することが出来るイオン・ラジカル源１１、１１と基板ホルダ２、３に保持された基板２、３を移動させて活性化された表面を互いに接触させる移動機構とを単一の真空チャンバ１に設け、さらに基板ホルダ２、３には、基板６、７を加熱したり電圧を印加出来るようにして単一の真空チャンバ１において各種の接合技術が選択、併用出来るようにしたものである。

本発明による基板接合装置は、接合すべき一対の基板６、７を互いに対向するよう保持する基板ホルダ２、３と、この基板６、７の接合すべき面に向けて配置したイオン・ラジカル源１１、１１と、前記の少なくとも一方の基板ホルダ２、３を移動させて基板２、３の接合すべき表面を互いに接触、加圧する移動機構とを有する。そして、前記イオン・ラジカル源１１、１１は、プラズマ中でガスをイオン化及び／またはラジカル化するプラズマ室１２、１２と、このプラズマ室１２、１２で発生したイオンを前記基板６、７の接合すべき面に向けて発射するイオン引出電極１４、１４と、イオンをトラップし、前記プラズマ室１２、１２で発生したラジカルのみを前記基板６、７の接合すべき面に向けて発射するイオントラップ電極１５、１５とを有するものである。

このような本発明による基板接合装置では、接合すべき一対の基板６、７を互いに対向するよう保持する基板ホルダ２、３に保持された基板６、７の接合すべき面に向けてイオンやラジカルを照射するイオン・ラジカル源１１、１１を真空チャンバ１に備えているため、基板２、３の表面の活性化をイオン照射とラジカル照射の何れかを選択し、或いはその併用により行える。すなわち、イオン引出電極１４、１４によりプラズマ室１２、１２からイオンを引き出して基板６、７に発射することにより、イオンによる基板６、７の表面活性化が可能である。また、イオントラップ電極１５、１５によりプラズマ室１２、１２で発生したイオンをトラップし、ラジカルのみを基板６、７に発射することにより、ラジカルによる基板６、７の表面活性化が可能である。これらの活性化の後、基板６、７の表面の表面が完全に接合される。

さらにこの基板接合装置では、、基板ホルダ２、３にそれに保持した基板６、７を加熱するヒータ４、５が設けられており、また基板６、７に電圧を印加する基板電圧印加用電源２８、２９が接続されている。これにより、基板ホルダ２、３にそれに保持した基板６、７を加熱したり、電圧を印加することが出来るようにしている。従って、基板２、３の移動によるその表面の接合はもちろん、陽極接合のための基板６、７への電圧の印加や、加熱加圧接合のための基板２、３の加熱や加圧も単一の真空チャンバ１内おいて行える。

以上説明した通り、本発明による基板接合装置では、基板２、３の表面のイオンによる活性化とラジカルによる活性化を単一真空チャンバ１の中で行えるので、必要に応じて基板２、３の表面の活性化手段を単一真空チャンバ１において適宜選択、併用することが出来る。しかも、基板ホルダ２及び／または３の移動機構を備えることにより、基板の表面の活性化とその後の基板２、３の接合が単一の真空チャンバ１内おいて連続して行える。さらに、基板ホルダ２、３にそれに保持した基板６、７を加熱したり電圧を印加することが出来るので、陽極接合や加熱加圧接合も単一の真空チャンバ１内おいて行える。よって多様な接合手段を選択、併用出来る多目的接合装置が得られる。

本発明では、基板ホルダ２、３に保持された基板６、７に向けてそれぞれイオンやラジカルを照射するイオン・ラジカル源１１、１１と基板ホルダ２、３に保持された基板２、３を移動させて活性化された表面を互いに接触させる移動機構とを単一の真空チャンバ１に設けることで前記の目的を達成するものである。加えて、基板ホルダ２、３にそれに保持した基板６、７を加熱するヒータ４、５を設けたり、基板電圧印加用電源２８、２９を接続することで前記の目的を達成するものである。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１は、本発明による基板接合装置の一実施例を示すもので、基板６、７に向けてそれぞれイオンを照射するイオン・ラジカル源１１、１１を２基設けたものである。
真空チャンバ１の中には上下に対向して一対の基板ホルダ２、３が配置されている。上側の基板ホルダ２は、ロードセル２２を介してエアシリンダ２１に連結されたトラスファーロッド２６の下端に取り付けられている。トラスファーロッド２６の上端にはベローズ２３が設けられ、前記エアシリンダ２１の動作により上側の基板ホルダ２は上下に移動される。他方、下側の基板ホルダ３は、支持柱２７を介して真空チャンバ１の底壁に固定されている。もちろん、前記のような移動機構を有する基板ホルダ２、３を上下逆にしてもよいし、双方の基板ホルダ２、３に移動機構を設けてもよい。

真空チャンバ１にはゲートバルブ８を介してターボ分子ポンプ９が接続され、さらにこのターボ分子ポンプ９にはロータリポンプ１０が接続されている。真空チャンバ１内はこれらターボ分子ポンプ９とロータリポンプ１０とにより排気、減圧され、高真空に維持される。

基板ホルダ２、３にはそれぞれ半導体ウエハ等の基板６、７が取り付けられ、これら基板６、７が真空チャンバ１の中で上下に対向している。基板ホルダ２、３にはそれぞれヒータ４、５が設けられ、これらヒータ４、５により前記の基板６、７が加熱される。さらに、この基板ホルダ２、３にはそれに保持した基板６、７に電圧を印加する基板電圧印加用電源２８、２９が接続されている。

これら基板６、７に向けてイオンとラジカルを発射する一対のイオン・ラジカル源１１、１１が設けられている。これらイオン・ラジカル源１１、１１は、石英ガラス等、熱的、化学的に安定した材料からなる円筒容器状のプラズマ室１２、１２を有し、このプラズマ室１２、１２の周囲は高周波コイル１３、１３で囲まれている。この高周波コイル１３、１３には高周波電源３０、３０が接続されている。

このプラズマ室１２、１２には、マスフローコントローラ２０とバルブ１９を介してアルゴンや水素等のガスをプラズマ室１２、１２に供給するガス供給源１６、１６が接続されている。マスフローコントローラ２０を通してアルゴンや水素等の希薄ガスをプラズマ室１２、１２に送り、前記の高周波電源３０、３０で高周波コイル１３、１３に高周波を流すことにより、プラズマ室１２、１２にプラズマが形成されて、その中のアルゴンガス分子が電離し、アルゴンイオンが発生する。或いは水素ガス分子がラジカル化され、水素ラジカルが発生する。ラジカルは不対電子を持つ通常の原子や分子よりエネルギーレベルの高い原子や分子である。

基板６、７に向いたプラズマ室１２、１２の先端側には、窓状の開口部が設けられており、この先にイオン引出電極１４とイオントラップ電極１５、１５が設けられている。イオン引出電極１４は、プラズマ室１２、１２内で発生したイオンを加速して基板６、７に向けてそれぞれ発射するための電極であり、イオン引出電源３１、３１により負の電位が与えられる。イオントラップ電極１５、１５は、イオンをトラップし、イオンの発射を抑えて電荷的に中性のラジカルのみを前記基板６、７の接合すべき面に向けて発射するための電極であり、イオントラップ電源３２、３２により正の電位が与えられる。

例えば、プラズマ室１２、１２からアルゴン等のイオンを発射する場合、ガス供給源１６、１６からプラズマ室１２、１２にアルゴンを供給し、同プラズマ室１２、１２を希薄ガス雰囲気とする。この状態で高周波電源３０、３０で高周波コイル１３、１３に高周波を流すことにより、プラズマ室１２、１２にプラズマが形成される。このプラズマの中でアルゴンガス分子が電離し、アルゴンイオンが発生する。このときイオン引出電源３１によりイオン引出電極１４、１４に負の電位を与ええることにより、アルゴンイオンがプラズマ室１２、１２の先端側の窓状の開口部から引き出され、基板６、６に向けて発射される。

他方、プラズマ室１２、１２から水素等のラジカルを発射する場合、ガス供給源１６、１６からプラズマ室１２、１２に水素を供給し、同プラズマ室１２、１２を希薄ガス雰囲気とする。この状態で高周波電源３０、３０で高周波コイル１３、１３に高周波を流すことにより、プラズマ室１２、１２にプラズマが形成される。このプラズマの中で水素ガス分子がラジカル化され、不対電子を持つラジカル水素が発生する。このときイオントラップ電源３２、３２によりイオントラップ電極１５、１５に正の電位を与ええることにより、イオンの放出が抑えられ、プラズマ室１２、１２の先端側の窓状の開口部からラジカルのみが基板６、６に向けて発射される。

このようにしてイオン或いはラジカルにより基板６、７の表面を活性化し、その後、前述した移動機構により基板６を移動させて、基板６、７の表面を互いに接触させることにより、基板６、７の表面が互いに接合される。基板ホルダ２、３に備えたヒータ４、５は、前記基板６、７の表面を活性化する際、或いはその基板６、７の表面を接合する際に基板６、７を所要の温度に加熱するために使用される。

前記ような基板６、７の接合時の基板６の移動のため、イオン・ラジカル源１１、１１は、基板６の移動経路から外れた位置に配置されている。すなわち上側の基板６に向けたイオン・ラジカル源１１は、基板６に向けて斜め下方に配置され、イオンやラジカルを基板６に対して或る程度の確度をもって入射するように配置されている。また、下側の基板７に向けたイオン・ラジカル源１１は、基板７に向けて斜め上方に配置され、やはりイオンやラジカルを基板７に対して或る程度の確度をもって入射するように配置されている。

この基板接合装置では、イオンとラジカルの何れかの基板６、７の表面の活性化手段の選択あるいはその併用が可能である。また、基板ホルダ２、３にそれぞれヒータ４、５が設けられ、これらヒータ４、５により前記の基板６、７が加熱されるので、表面活性化接合だけでなく、加熱加圧接合も行える。さらに、この基板ホルダ２、３にはそれに保持した基板６、７に電圧を印加する基板電圧印加用電源２８、２９が接続されているので、陽極接合も行える。このため、様々なケースでの基板６、７の接合試験や接合工程の検討に応用出来る。

図２は、本発明による基板接合装置の他の実施例を示すもので、基板６、７に向けてそれぞれイオンやラジカルを照射するイオン・ラジカル源１１を１基設けたものである。それ以外は基本的に図１により前述した実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。同じ部分の説明は省略し、以下に相違点を中心に説明する。

この実施例では、イオン・ラジカル源１１が１基であり、このイオン・ラジカル源１１が基板ホルダ２、３に保持されて対向して配置された基板６、７の間に挿入される。イオン・ラジカル源１１にはそのプラズマ室１２の側壁の上下の位置に窓状の開口部を有していると共に、同プラズマ室１２で発生するイオンを引き出すイオン引出電極１４、１４とイオンをトラップするイオントラップ電極１５、１５とがそのプラズマ室１２の側壁の開口部の上下にそれぞれ設けられている。従って、このイオン・ラジカル源１１からはその上下に配置された基板６、７に向けてイオンやラジカルを発射することが出来る。

しかし、イオン・ラジカル源１１が基板ホルダ２、３に保持されて対向して配置された基板６、７の間に挿入されるため、基板６、７の表面を接合する時にイオン・ラジカル源１１が邪魔になる。そのため、イオン・ラジカル源１１は移動機構１８により基板６、７が対向した位置から退避できるようになっている。この移動機構はベローズ１７を備え、この伸縮により、イオン・ラジカル源１１を図２において左右に所要のストロークで移動させることが出来る。

本発明による基板接合装置では、接合すべき基板の表面をイオンの照射だけでなく、ラジカルを照射して活性化することが出来るので、単一の真空チャンバで幾つかの活性手段を用いた接合が可能となる。さらに、加熱加圧接合や陽極接合も単一の真空チャンバで行うことが出来るので、多目的な接合装置として基板の接合という技術分野での産業上の利用が可能となる。

本発明による基板接合装置の一実施例を示す概略縦断側面図である。本発明による基板接合装置の他の実施例を示す概略縦断側面図である。

符号の説明

１真空チャンバ
２基板ホルダ
３基板ホルダ
４ヒータ
５ヒータ
６基板
７基板
１１イオン・ラジカル源
１２プラズマ室
１４イオン引出電極
１５イオントラップ電極
１８イオン・ラジカル源の移動機構
２８基板電圧印加用電源
２９基板電圧印加用電源

Claims

真空状態に保持された真空チャンバ（１）内にて基板（６）、（７）の表面を互いに接触させて接合させる基板接合装置において、接合すべき一対の基板（６）、（７）を互いに対向するよう保持する基板ホルダ（２）、（３）と、この基板（６）、（７）の接合すべき面に向けて配置したイオン・ラジカル源（１１）、（１１）と、前記の少なくとも一方の基板ホルダ（２）、（３）を移動させて基板（２）、（３）の接合すべき表面を互いに接触、加圧する移動機構とを有し、前記イオン・ラジカル源（１１）、（１１）は、プラズマ中でガスをイオン化及び／またはラジカル化するプラズマ室（１２）、（１２）と、このプラズマ室（１２）、（１２）で発生したイオンを前記基板（６）、（７）の接合すべき面に向けて発射するイオン引出電極（１４）、（１４）と、イオンをトラップし、前記プラズマ室（１２）、（１２）で発生したラジカルのみを前記基板（６）、（７）の接合すべき面に向けて発射するイオントラップ電極（１５）、（１５）とを有することを特徴とする基板接合装置。
基板ホルダ（２）、（３）にそれに保持した基板（６）、（７）を加熱するヒータ（４）、（５）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の基板接合装置。
基板ホルダ（２）、（３）にそれに保持した基板（６）、（７）に電圧を印加する基板電圧印加用電源（２８）、（２９）が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の基板接合装置。