JP2006248895A - 接合方法及びこの方法により作成されるデバイス並びに接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、前記両被接合物を陽極接合する接合方法及び接合装置を提供する。
【解決手段】ガラスからなる上ウエハー７とＳｉからなる下ウエハー８を、プラズマを利用して接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、陽極接合することにより、より低温で、かつ、接合強度をアップすることができる。また、親水化処理による仮接合後、陽極接合で本接合することにより、生産効率をアップし、そりを発生させずに３層構造で被接合物同士を接合することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ウエハーなどの複数の被接合物を陽極接合により張り合わせる技術に関する。

従来、Ｓｉとガラスのウエハー接合において、両ウエハーを接触させた状態でガラス側をカソードとして電圧を印加し、かつ４００℃〜５００℃程度の高温に加熱することで陽極接合させる方法が知られている。従来方式ではウエハーの洗浄後、大気中を搬送して陽極接合するため、接合表面への有機物の付着などは避けられない。強度は図５に示すように２００℃では３ＭＰａと弱く、そのため４００℃程度の高温加熱により９ＭＰａ程度に強度をアップさせている。すなわち従来の陽極接合では高温の加熱を併用しなければならない。

また、特許文献１に示す常温接合方法では金属同士をＡｒイオンビームによりエッチングし、接合面を表面活性化させた状態で常温で接合する例が示されている。しかし、この方法では、接合表面の有機物や酸化膜を除去することで、金属のダングリングボンドで電気的に活性化された接合面を作りだし原子間力により接合するため、半導体であるＳｉや特に酸化物であるガラスやＳｉＯ_２は強固に接合できない。

また、特許文献２に示すように被接合物を対向配置してプラズマ処理した場合には、必ずどちらかの被接合物側がプラズマ電極となり、反応ガスのイオン粒子が加速されてプラズマ電極側の被接合物に衝突する。そのため、接合面の有機物層を取り除く物理的なエッチングには適するが、接合面にＯＨ基を付着させるなどの化学処理にはイオン衝突力が強すぎて向かない。

また、陽極接合が良く使われるアプリケーションとして、図８に示すように高周波デバイスやＭＥＭＳデバイスを片側や両側から封止する方法がよく用いられる。

特開昭５４−１２４８５３号公報 特開２００３−３１８２１７号公報

従来の陽極接合方法では、接合表面には少なくとも幾らかは有機物が再付着しており、陽極接合時には接合界面に少なくとも幾らかの有機物層が挟まれている。本来、ガラスが軟化する２００℃程度まで加熱すれば電圧印加による陽極接合で強固に接合できるはずであるが、有機物層が付着しているため４００℃〜５００℃程度の高温加熱で有機物を分解することにより始めて接合強度が上がっていることが分かる。また、真空中での接合では無いのでエアボイドの噛み込みの問題もあった。また、従来の方法では陽極接合に数時間を要するため、生産効率が悪かった。また、接着剤など使って被接合物同士を仮接合するとＳｉとガラス間に異物を噛むことになるので陽極接合できなくなる。特に高精度に位置を合わせて接合するＭＥＭＳデバイスなどでは効率が悪いまま生産するしかなかった。

また、特許文献１に示す常温接合方法では、接合表面の有機物や酸化膜を除去することで金属や半導体に電気的活性化された接合面を作りだし原子間力により接合するため、金属以外のＳｉ半導体や特に酸化物であるガラスやＳｉＯ_２は強固に接合できない。また、常温であるが故に、軟化していないので、微小なパーティクルからなるゴミや接合表面の平坦度のうねりにより接合できない隙間や残留応力を残すために接合強度不足の部分をつくってしまうことになる。そのため、低温でも数時間のアニーリングを加えて残留応力を除去してやる必要がある。また、これらの隙間を埋めて接合するために高圧で被接合物同士を押し付け、接合界面のうねりや隙間を密着させる必要があり、３００ＭＰａ以上のかなりの高圧を併用する必要がある。

また、特許文献２に示すように被接合物を対向配置し、プラズマ処理した場合には、必ずどちらかの被接合物側がプラズマ電極となり、反応ガスのイオン粒子が加速されて被接合物に衝突するため、有機物層を取り除く物理的エッチングには適するが、接合面にＯＨ基を付着させるなどの化学処理による表面活性化にはイオン衝突力が強すぎて向かない。以上のように洗浄と吸着の双方を満足する方法は無い。

また、図８に示すように高周波デバイスやＭＥＭＳデバイスを片側や両側から封止する方法において、一般的に良く使われる材料で例をあげると、Ｓｉの片側または両側にガラスを陽極接合して封止する構造となる。しかし、３枚構造でも、デバイスの片側から順番にガラスを陽極接合していくことになるので、Ｓｉとガラスの線膨張係数の差から図９（ａ）に示すように陽極接合時の加熱によりそりが発生してしまい、最悪割れることになる。

そこで本発明の課題は、被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、前記両被接合物を陽極接合する接合方法及び接合装置を提供することにある。また、被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させ前記両被接合物を仮接合した後、前記両被接合物を陽極接合して本接合する接合方法及び接合装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に係る接合方法及び接合装置双方の手段を一括して以下に説明する。

上記課題を解決するために本発明は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ガラスのいずれかである被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、前記両被接合物を陽極接合する接合方法からなる（請求項１）。

また本発明は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ガラスのいずれかである被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させるプラズマ処理手段と、前記プラズマ処理手段により前記接合面にＯＨ基が付着した前記両被接合物を陽極接合する陽極接合手段とを備えた接合装置からなる（請求項１２）。

また本発明は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ガラスのいずれかである被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させ前記両被接合物を仮接合した後、前記両被接合物を陽極接合して本接合する接合方法からなる（請求項２）。

また本発明は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ガラスのいずれかである被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させるプラズマ処理手段と、前記プラズマ処理手段により前記接合面にＯＨ基が付着した前記両被接合物を接触させて仮接合する仮接合手段と、前記仮接合された前記両被接合物を電圧印加し加熱することで本接合する本接合手段とを有する陽極接合手段とを備えた接合装置からなる（請求項１３）。

陽極接合とは、接触させた両被接合物間に電圧を印加し、電圧印加により可動可能なイオンに分解する元素を混入した材料間の静電気力により接合界面を密着させ、加熱することにより少なくとも一方の材料を軟化密着させ、共有結合させる方法である。プラズマによる親水化処理とは、プラズマを利用して接合界面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させ活性化状態にして接合しやすくする処理を示す。

プラズマによる表面活性化による接合原理には次の２つの考え方がある。１つめは、金属のような物質においては表面の有機物や酸化膜など付着物をエッチング除去して、活性な金属原子のダングリングボンドを表面に生成することで、他方のダングリングボンド同士で接合させる。また、２つめは、Ｓｉまたはガラス、ＳｉＯ_２、セラミック系を含む酸化物である場合は、酸素や窒素プラズマによる親水化処理により、接合表面をＯＨ基で活性化し、他方のＯＨ基同士で接合させる。プラズマの場合は減圧プラズマ以外にも大気圧下で処理できる大気圧プラズマもあり容易に扱える。本発明の特徴は２つめの親水化処理による接合原理に従い、プラズマを利用して接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させ親水化処理した後、陽極接合することにより、より低温で、かつ、接合強度をアップすることであり、また、親水化処理による仮接合後に工程または装置を分離した陽極接合で本接合することにより、生産効率をアップし、そりの発生しない３層構造の接合を可能とするところにある。

親水化処理による接合原理を図１０に示す。図１０（ａ）に示すように酸素プラズマなどによる親水化処理によりＳｉ表面にＯＨ基を付着させる。次に図１０（ｂ）に示すように両被接合物を接触させ、水素結合により仮接合する。続いて図１０（ｃ）に示すように加熱によりＨ_２Ｏを放出させ、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの強固な共有結合を得る。プラズマ処理により親水化処理して接合する方法がＳｉやガラス、ＳｉＯ_２、セラミック系を含む酸化物接合には簡易で有効である。

このように、表面にＯＨ基を生成し、両表面のＯＨ基により水素結合させて仮接合できる。強固に本接合するにはその後数時間の加熱が必要となるが、仮接合であれば瞬時に完結する。また、図８に示すような封止を伴う接合においても親水化処理した仮接合が界面に水を伴うので封止性に優れている。親水化処理には一般的に酸素プラズマや窒素プラズマが使用され、大気圧プラズマでも接合が可能である。強固に接合することはそれなりに条件出しが難しいが、仮接合レベルでよい場合は親水化処理による接合は比較的容易にでき仮接合には適している。

従来の方法に記載したように、Ａｒイオンでのエッチングによる表面活性化方法は低温で接合できる方法であるが、表面の有機物や酸化膜除去して金属の電気的活性化された面を作りだし原子間力により接合するため、金属以外の半導体や特に酸化物の接合では強固な本接合は難しく、仮接合には適する。また、金属でないＳｉなどの半導体や、特に酸化物を含んだＳｉＯ_２、ガラス、セラミックに対して常温での仮接合性と陽極接合による本接合によりＳｉ−Ｏなどの共有結合がし易く接合強度も上がるため本発明の親水化処理方式が適する。また、常温接合ではＳｉ同士の接合においても１０^−８Ｔｏｒｒという高真空な状態が必要となるが、プラズマ処理方式では１０^−２Ｔｏｒｒ程度の真空度で容易に扱うことができるため好ましい。特に適する組み合わせはＳｉとガラスからなる組み合わせが陽極接合による本接合によりＳｉ−Ｏなどの共有結合がし易く接合強度も上がるため好適である。また、親水化処理による接合にも適するので、好適である。

また、前記接合面がお互いに密着し合う面形状をしており、前記接合表面にパーティクルが１つ以上乗っており、陽極接合する接合方法であってもよい。また、前記接合面がお互いに密着し合う面形状をしており、前記接合表面にパーティクルが１つ以上乗っており、陽極接合する接合装置でもよい。

前述のように微小パーティクルを挟み込んでも陽極接合であれば加熱によるガラスの軟化や静電気力による密着で隙間なく接合することができる。換言すれば、被接合物の親水化処理後、被接合物同士を重ね合わせる際に、接合面に微小パーティクル（ボイド）を挟みこんでしまったとしても、陽極接合の際の加熱により被接合物が軟化して静電気力によって接合面同士が引き合うことで、接合面が密着して被接合物同士を隙間無く接合することができる。この際、従来の陽極接合ではなしえなかった低温での接合でボイドを皆無とすることができる。すなわち、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ガラスのいずれかである被接合物を、低温で、しかもボイドの発生を防止して接合することができる。また、前記本接合時に３００Ｍｐａ以下の加圧力で陽極接合する方法からなる。また、前記本接合時に３００Ｍｐａ以下の加圧力で加圧する加圧手段を備え、陽極接合する接合装置からなる。前述の常温接合においては材料が軟化していないので３００Ｍｐａ以上の加圧力が必要となるが、陽極接合による加熱と静電気力により３００Ｍｐａ以下での接合、例えば１００Ｍｐａで接合が可能となる。

なお、表面活性化及び陽極接合を行う環境は、特に限定されるものではなく、真空中であっても大気中であっても本発明に含む。また、本発明は、表面活性化装置を接合装置と別に分離した状態も含む。

また本発明は、常温のもと前記仮接合した後、工程または装置を分離して前記陽極接合による本接合を行う請求項２に記載の接合方法からなる（請求項３）。

また本発明は、前記仮接合手段および前記本接合手段がそれぞれ独立した空間に設けられている請求項１３に記載の接合装置からなる（請求項１４）。

常温とは、従来低温で金属接合できる代表的なハンダが１８３℃で接合できるのに対し、さらなる低温での接合が可能となる１５０℃以下での接合を示し、室温であることがより好ましい。従来からの接合方法は接着剤を使用したり、高温加熱により拡散接合する方法が知られている。接着剤は仮接合することができるが、ＭＥＭＳのような微細な構造体の接合や、半導体のような電気的接合には使用できない。また、接着力も弱かったり、ガスを放出したり、水分を吸収するなどデメリットも多い。また、拡散方法では、高温であるため、材料の耐熱の問題や異種材料間の接合では線膨張係数の差からそりが発生したり、最悪割れるという問題が残る。

しかし、プラズマにより親水化処理し、表面活性化されたものを常温で直接接合できればこれらの課題は解決できる。ところが、常温であるが故、量産材料の表面粗さやうねりによる残留応力やひずみを除去しないと接合強度はアップしないので、仮接合には容易に使用できるが、本接合するためには、加熱のもと数時間アニーリングして接合強度をアップする必要があり、これをひとつの工程または装置で行うと量産効率は低下する。そのため、常温で張り合わせる仮接合工程と加熱による本接合工程を分離し、別装置で行うことで量産効率をアップすることができる。前述のように、表面活性化処理とは、エッチングによる付着物除去と親水化処理を含む処理を示し、特にＳｉやガラス、ＳｉＯ_２、セラミックでは親水化処理にも適するので好適である。

また本発明は、前記仮接合の工程の数１に対し、複数の前記本接合の工程をバランスさせる請求項３に記載の接合方法からなる（請求項４）。

また本発明は、前記陽極接合手段は、前記仮接合手段の数１に対し、複数の前記本接合手段を有する請求項１４に記載の接合装置からなる（請求項１５）。

１台の仮接合を行う装置または工程に対し、複数の本接合を行う装置でラインバランスをとることでさらに量産効率をアップすることができる。たとえば、仮接合に１０分かかり、本接合に１時間を要する場合は、仮接合の装置１に対し、本接合の装置を６並べることで１０分に１枚の接合が可能となる。コスト的にも６台の仮本一体装置を並べるより、１台の仮接合の装置と単純に電圧印加して加熱するだけの本接合の装置を６台並べるほうが圧倒的にコウトダウンできる。

また本発明は、減圧またはガス置換された減圧チャンバー中で前記仮接合を行い、大気中で前記本接合を行う請求項２ないし４のいずれかに記載の接合方法からなる（請求項５）。

また本発明は、前記仮接合手段が内部に配設された減圧チャンバーを備え、減圧またはガス置換された前記減圧チャンバー中で前記仮接合を行い、大気中で前記本接合を行う請求項１３ないし１５のいずれかに記載の接合装置からなる（請求項１６）。

図８に示すような内部を真空または不活性ガスで封止するデバイスにおいて、仮接合を減圧チャンバー中で減圧雰囲気またはガス置換雰囲気で行えば、本接合は大気中で行っても、仮接合状態で封止されているので大気が混入することはない。特に親水化処理で接合している場合は水が界面に介在しているので封止効果も高い。そのため本接合は大気中で行え、コストダウンと効率アップが達成される。

また、プラズマが減圧または大気圧プラズマであれば、他のエネルギー波に比べて容易な真空度で扱え、コストダウンできる。また、大気圧プラズマであればより容易に扱える。但し、接合材料によっては減圧プラズマ処理をしないと接合できないものもあり、接合には優位である。

また本発明は、前前記接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、大気に暴露することなく前記両被接合物を陽極接合する請求項１ないし４のいずれかに記載の接合方法からなる（請求項６）。

また本発明は、前記プラズマ処理手段と前記陽極接合手段とがそれぞれ減圧チャンバー中に設けられ、前記プラズマ処理手段により前記接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、大気に暴露することなく前記両被接合物を陽極接合する請求項１３ないし１５のいずれかに記載の接合装置からなる（請求項１７）。

プラズマにより表面をエッチングし、付着物を除去し、基材の新生面が露出した状態で大気に暴露することなく、続いてプラズマにより親水処理することで、有機物層を伴わない親水処理ができる。続いて両被接合物を接触させ、電圧を印加し、加熱して陽極接合を行うため、有機物の付着も無く、基本的に接合力は電圧印加によることでＳｉ−Ｏなどの共有結合が行われる。そのため、水素結合力による接合後の強度やアニーリング後の強度も弱い有機物層からの剥がれが無いため、拡散させなくとも水素結合後のＨ_２Ｏを放出させるための低温でのアニーリングのみで十分な接合強度を得ることが可能となる。一方がガラスである場合、加熱はガラスを軟化させ、相手側被接合物に隙間無く倣わせるために必要な温度で良く、２００℃程度で十分となる。また、被接合物同士の平坦度、平面度が出ていれば軟化させる必要もなく常温でも接合強度はそれなりに上がる。

また本発明は、前記プラズマが減圧プラズマであり、前記接合面に前記減圧プラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、同じチャンバー内で連続して前記両被接合物を真空中で接触させる請求項１ないし４のいずれかに記載の接合方法からなる（請求項７）。

前記プラズマ処理手段と前記陽極接合手段とが内部に配設された減圧チャンバーを備え、前記プラズマ処理手段による前記プラズマが減圧プラズマであり、前記接合面に前記減圧プラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、前記減圧チャンバー内で連続して前記両被接合物を真空中で接触させる請求項１３ないし１５のいずれかに記載の接合装置からなる（請求項１８）。

プラズマによる親水化処理と陽極接合を行うチャンバーを分割してハンドリングすることも可能であるが、例えば同じチャンバー内で両被接合物を上下電極に対向保持し、親水化処理後、連続してプラズマ電源を陽極接合電源と切り替えることにより同じ電極でそのまま使え、１チャンバーで済むのでコンパクト、コストダウンにつながる。また、他のエネルギー波に比べ高真空まで引く必要が無い。また、接合が真空中であるのでボイドの噛み込みも防ぐことができる。

また、プラズマ処理と接合を行うチャンバーを分割してハンドリングすることも可能であるが、図１や図１１に示すように、同じチャンバー内で両被接合物を上下電極に対向保持し、プラズマ処理後、連続して仮接合することで、１チャンバーで済むのでコンパクト、コストダウンにつながり、また、仮接合が真空中であるのでボイドの噛み込みも防ぐことができる。また、前記プラズマが交番電源を用いる方法からなる。また、前記プラズマが交番電源を用いる接合装置からなる。交番電源を用いることにより、プラスイオンとマイナス電子が交互に被接合物表面にあたるため、中和され、他のエネルギー波に比べチャージアップなどのダメージが少ない。そのため、半導体や各デバイスには好適である。

なお、前記プラズマが交番電源を用いる方法及び装置であってもよい。交番電源を用いることにより、プラスイオンとマイナス電子が交互に被接合物表面にあたるため、中和され、他のエネルギー波に比べチャージアップなどのダメージが少ない。そのため、半導体や各デバイスには好適である。

また本発明は、前記両被接合物を接合時または接合後に２００℃以下で加熱する請求項１ないし７のいずれかに記載の接合方法からなる（請求項８）。

また本発明は、前記両被接合物を接合時または接合後に２００℃以下で加熱する請求項１２ないし１８のいずれかに記載の接合装置からなる（請求項１９）。

加熱手段においても４００℃以上に加熱する手段は特殊なヒータを選定する必要があり、難しい。図５に示すように、従来の大気搬送後にガラスとＳｉを陽極接合する方法では真空中で接合しても２００℃で３ＭＰａの接合強度しか無く、４００℃の高温に上げてやっと９ＭＰａの強度を得ることができた。これは大気搬送中に有機物が付着し、有機物層を含んだ接合面を含むため接合強度が上がらず、４００℃の高温に上げて有機物を分解して始めて接合強度がアップしている。

しかし、真空中でＡｒエッチングによるドライ洗浄後、大気に暴露することなく引き続き真空中で陽極接合されたものは、常温でも６ＭＰａの接合強度であり、２００℃で１０ＭＰａと従来の４００℃の加熱と同等以上の十分な接合強度を得ることができた。ちなみにＡｒイオンビーム処理後の高真空中での接合強度を測定すると常温で５ＭＰａ、４００℃加熱してもそのままと接合強度が従来方法以上に上がらないことが分かる。ここでの接合強度は測定方法により倍近い強度を示す場合もあり、比較的低い強度データではあるが比較データとして用いる。また、詳細は後述するが、図６における親水化処理方法においても２００℃以下での良好な接合結果が得られている。

また本発明は、前記接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させる際にＨ_２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記両被接合物を接触させる請求項１ないし８のいずれかに記載の接合方法からなる（請求項９）。

また本発明は、水ガス発生手段を備え、前記接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させる際にＨ_２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記両被接合物を接触させる請求項１２ないし１９のいずれかに記載の接合装置からなる（請求項２０）。

Ｈ_２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを水ガスとも呼ぶ。通常、酸素プラズマにより処理し、大気中を搬送されると雰囲気中には水分が含まれるため、自然とＯＨ基が作られるが、不純物や有機物の付着を避けるために真空中で大気に暴露することなく仮接合まで進める場合には、水分が不足してＯＨ基が十分作られない場合が生じる。そのため、酸素プラズマ処理時または処理後接合までの間にＨ_２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを供給することが有効である。水ガスをそのまま供給することもできるが、水ガスを酸素に混入するか、酸素プラズマ処理後、連続して水ガスを反応ガスとしてプラズマ処理することで活性化し、より有効である。

また本発明は、３個以上の被接合物を重ねて接合する接合方法であって、線膨張係数が等しい被接合物で、線膨張係数の異なる被接合物を両側から挟み込む請求項１ないし９のいずれかに記載の接合方法からなる（請求項１０）。

また本発明は、線膨張係数が等しい被接合物で、線膨張係数の異なる被接合物を両側から挟み込み、３個以上の被接合物を重ねて接合する接合装置であって、電圧印加手段により、前記挟み込まれた内側の線膨張係数の異なる被接合物から、前記線膨張係数が等しい外側の被接合物に向けて電圧を同時に印加する請求項１２ないし２０のいずれかに記載の接合装置からなる（請求項２１）。

図８に示すように、高周波デバイスやＭＥＭＳデバイスにおいては、片側を封止する方法(同図（ａ）)と両側を封止する方法（同図（ｂ））があるが、図９（ａ）に示すように、片側を封止する方法では、２つの材料の線膨張係数の差からそりが発生する。一方、図９（ｂ）に示すように、線膨張係数が等しい被接合物で、線膨張係数の異なる被接合物を両側から挟み込んだのち加熱すれば、両サイドから相反する力で打ち消すため、そりは発生しなくなる。

しかし、従来の方法では、張り合わせ精度を出すためにはひとつずつ加熱して接合していくしか方法がなかった。これは、接着剤を使わずに仮止めするために治具でクランプすることになるが、位置がずれたり、クランプするスペースがなかったりして問題があった。そのため、表面活性化により常温で仮接合する方法を用いれば、図９（ｂ）に示すように３つ以上の部材を両側を線膨張係数の等しい材料で挟み込んで、位置精度をだして常温仮接合させた後、加熱して本接合することでそりなく高精度に接合することができる。もちろん仮接合装置に対し、複数の本接合装置を並べることで生産効率を上げることができる。

また本発明は、前記プラズマによる親水化処理を、前記親水化処理前半において前記両被接合物をイオン衝突力の強い前記プラズマによりエッチングし、衝突したイオン分子を前記両被接合物の表面分子と置換するまたは該表面に付着させる物理処理後、大気に暴露することなく、前記親水化処理後半において、イオン衝突力を弱め、該イオン衝突力の弱いプラズマの活性なラジカルや活性なイオンにより前記両被接合物の表面を化学処理して行ってもよい。

また本発明は、被接合物に対するイオン衝突力を切り替える減圧プラズマ処理手段を備え、該減圧プラズマ処理手段により、前記プラズマによる親水化処理を、前記親水化処理前半において前記両被接合物をイオン衝突力の強い前記プラズマによりエッチングし、衝突したイオン分子を前記両被接合物の表面分子と置換するまたは該表面に付着させる物理処理後、大気に暴露することなく、前記親水化処理後半において、前記減圧プラズマ処理手段によりイオン衝突力を弱め、該イオン衝突力の弱いプラズマの活性なラジカルや活性なイオンにより前記両被接合物の表面を化学処理して行ってもよい。

プラズマ処理による洗浄工程をプラズマ処理後半においてイオン衝突力を弱めてプラズマ処理を行うことにより、親水化処理がうまく行われる。通常のプラズマ処理においては物理処理により不純物を除去し、化学処理により表面にＯＨ基を付けて並べたり、窒素などの置換が行われるが、せっかく表面に化学処理されたものがイオン衝突力が強いので除去され、表面を均一に化学処理することは難しい。

そこで、プラズマ処理後半において、イオン衝突力を弱めてプラズマ処理することにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に化学処理を行い、表面活性化処理を行うことができる。そのため、低温で接合強度を増すことができ、しかも仮接合をしやすくできる。また、プラズマ処理後半とは時間的に半分とは限らず時間に関係しない意味を持つ。また、プラズマ処理前半と後半は間隔があっても良いが、連続された方が化学処理上好ましい。

また本発明は、前記物理処理をＡｒまたはＣＦ_４プラズマにより行ってもよい。

また本発明は、前記化学処理を酸素または窒素プラズマにて行ってもよい。

また本発明は、前記物理処理をＡｒまたはＣＦ_４プラズマにより行ってもよい。

また本発明は、前記化学処理を酸素または窒素プラズマにて行ってもよい。

プラズマにより表面をエッチングし、付着物を除去し、基材の新生面が露出した状態で大気に暴露することなく、続いて酸素プラズマにより親水処理することで、有機物層を伴わない親水処理ができる。そのため、水素結合力による接合後の強度やアニーリング後の強度も弱い有機物層からの剥がれが無いため、拡散させなくとも水素結合後のＨ_２Ｏを放出させるための低温でのアニーリングのみで十分な接合強度を得ることが可能となる。図６に示すように、従来の大気搬送後の酸素プラズマ処理で接合する方法では常温で３ＭＰａの接合強度で２００℃で６ＭＰａ、４００℃で９ＭＰａとなっている。これは大気搬送中に有機物が付着し、有機物層を含んだ接合面を含むため接合強度が上がらず、拡散によってのみ強度アップしている。物理処理とは、表面層がエッチングされる現象、及びイオン分子が表面層に衝突することにより表面分子と置き換わる現象や表面に付着する現象を示す。例えばＡｒプラズマによりＡｒイオンが付着層をエッチングする行為であり、また、酸素プラズマにおいて酸素イオンが表面層と置き換わったり付着することを示す。化学処理とは、活性なラジカルやイオン衝突力の弱まった活性なイオンにより表面層が化学反応により処理される現象を示す。

しかし、真空中でＡｒエッチングによるドライ洗浄後、大気に暴露することなく引き続き酸素プラズマにより親水化処理されたものは、常温でも５ＭＰａの接合強度であり、２００℃で８ＭＰａと十分な接合強度を得ることができた。ちなみにＡｒイオンビーム処理後の高真空中での接合強度を測定すると常温で５ＭＰａ、４００℃加熱してもそのままと接合強度が従来方法以上に上がらないことが分かった。物理処理で使用するプラズマとしては不活性であるＡｒを使用すればどのような素材に対しても影響なく、原子重量も大きいのでエッチング力も高く好適である。また、被接合物がＳｉ、ＳｉＯ_２、ガラス、セラミックである場合には、プラズマ反応ガスとしてＣＦ_４を使用するとより効率的な素材をエッチングすることができ、適する。化学処理で使用するプラズマとしては、酸素を使用することでＯＨ基が付着し易くなり好適である。また、窒素を使用しても、同様にＯＨ基を付着させることができる。

なお、イオン衝突力を切り替えるプラズマ処理手段を備え、プラズマ処理後半においてイオン衝突力を弱め、化学処理を促進する接合方法、および、接合装置であってもよい。

プラズマ処理による親水化処理する工程をプラズマ処理後半においてイオン衝突力を弱めてプラズマ処理を行うことにより、通常のプラズマ処理においては物理処理により不純物を除去し、化学処理により表面にＯＨ基を付けて並べたり、窒素などの置換が行われるが、せっかく表面が化学処理されてもイオン衝突力が強いので除去され、表面を均一に化学処理することは難しい。

そこで、プラズマ処理後半において、イオン衝突力を弱めてプラズマ処理することにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に化学処理を行い、表面活性化処理を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができる。低温とは、従来方法では４００℃以上必要であり、それ以下である４００℃以内で接合できるので好ましい。

なお、前記接合温度が２００℃以下である接合方法及び接合装置であってもよい。図６に示すように２００℃での接合が可能である。また、プラズマ処理後半とは時間的に半分とは限らず時間に関係しない意味を持つ。また、プラズマ処理前半と後半は間隔があっても良いが、連続された方が化学処理上好ましい。特に、物理処理とはＯＨ基を付着させる前処理として不純物を除去するためのエッチングであるが、ここではＯＨ基を付着させる工程において、イオン衝突力を切り替えることにより、物理処理により酸素を付着させ、化学処理によりＯＨ基付着を増進させることであり、効率良くＯＨ基を付着させることを目的とする。

また、イオン衝突力を切り替えるプラズマ処理手段が、減圧プラズマであり、プラズマ電極を被接合物保持電極と対向面電極の２箇所に切り替え可能に配置したものからなり、被接合物保持電極側に電源を印加してプラズマ処理を行い、次いで対向面電極側に電源を印加してイオン衝突力を弱め、化学処理を促進するプラズマ処理を行う接合方法、及び、接合装置であってもよい。

プラズマ電極側では、電界が作られるためイオンが加速して衝突するのでイオン衝突力が増し、電極と対向面ではイオンは加速衝突しないのでイオン衝突力は低いが、加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進される。プラズマ電極を被接合物保持電極と対向面電極の２箇所に切り替え可能に配置し、被接合物保持電極側に電源を印加してプラズマ処理を行い、次いで対向面電極側に電源を切り替えてイオン衝突力の弱いプラズマ処理を行うことにより、不純物を除去し、かつ、イオン衝突力を弱めることにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に表面活性化を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができる。

従来の被接合物保持電極のみにプラズマ電源を印加した場合と、被接合物保持電極と対向面電極を切り替え処理した場合の温度と接合強度の違いを図６に示す。従来方法では十分な強度を得るのに４００℃必要であったが、本方式では４００℃以内である常温から２００℃以内で十分な接合強度を得ることができた。また、対向電極とは、平行平板型のように対向配置しても良いが、電極以外の周囲に配置しても同様な効果が表れる。また、スパッタエッチングによる電極材料の再付着を避けるためには、対向面より側面の方が好ましい。本文でいう対向面電極とはこれらの周囲の部位に電極を配置することも含む。

また、前記イオン衝突力を切り替えるプラズマ処理手段が、減圧プラズマであり、Ｖｄｃが調整可能であるＲＦプラズマ電源からなり、プラズマ処理後半においてＶｄｃ値を変化させ、イオン衝突力を弱め、化学処理を促進するプラズマ処理を行う接合方法、及び、接合装置であってもよい。

プラズマ電極側では、電界が作られるが、Ｖｄｃ値によりイオンが衝突する速度が変わる。例えば＋酸素イオンはＶｄｃ値が−である程加速されイオン衝突力は増加し、０に近づく程、速度は遅くなり、イオン衝突力は低下し、加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進される。Ｖｄｃ値を−側に大きくしてプラズマ処理を行い、次いでＶｄｃ値を０に近づけ吸着工程を行うことにより、プラズマ処理後半に、イオン衝突力を弱めたプラズマ処理を行うことにより、不純物を除去し、かつ、イオン衝突力を弱めることにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に表面活性化を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができる。接合結果も図６と同様な結果が得られた。

また、イオン衝突力を切り替えるプラズマ処理手段が、減圧プラズマであり、パルス幅が調整可能であるパルス波プラズマ電源からなり、プラズマ処理後半においてパルス幅を変化させ、イオン衝突力を弱め、化学処理を促進するプラズマ処理を行う接合方法、及び、接合装置であってもよい。

プラズマ電極側では、電界が作られるが、パルス幅を調整することにより＋イオンが衝突する−電界の時間と、衝突が弱まる−電界が弱い時間との間隔を調整することができる。−電界の時間を多くすると＋イオンの衝突は強められ、−電界の時間を少なくすると＋イオンの衝突は弱められる。

例えば、＋酸素イオンは−電界の時間を長くする程加速されイオン衝突力は増加し、−電界の時間を短くする程速度は遅くなり、イオン衝突力は低下し、加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進される。パルス幅を調整して−電界の時間を多くしてプラズマ処理を行い、次いで−電界の時間を短くしてプラズマ処理を行うことにより、イオン衝突力を強めた減圧プラズマ処理後、イオン衝突力を弱めた減圧プラズマ処理にて、不純物を除去し、かつ、イオン衝突力を弱めることにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に表面活性化を行うことができる。そのため、低温で接合強度を増すことができる。接合結果も図６と同様な結果が得られた。

なお、前記処理工程後に複数の被接合物を大気中で接合面同士を密着させ接合する接合方法、及び、接合装置であってもよい。この場合、プラズマ処理後半にてイオン衝突力を弱めることにより化学反応は促進され接合表面に均一に表面活性化処理を行うことができる。既に接合表面にはＯＨ基や窒素置換などの化学処理が施されているので大気中でも接合することができる。

さらに、前記処理工程後に複数の被接合物を減圧中で接合面同士を密着させ接合する接合方法及び表面活性化装置であってもよい。一旦大気圧に戻して吸着層を付けたとしても、真空チャンバー中で減圧して両被接合物を密着させ接合させることにより、空気を接合界面に巻き込むことなくボイドレスで接合させることができるので好ましい。

また、イオン衝突力を切り替えるプラズマ処理手段が、２つの減圧プラズマ照射手段を切り替える手段であり、被接合物保持電極側に電源を印加してプラズマ処理を行う第１のプラズマ照射手段と、プラズマ処理後半において別室で発生したプラズマをイオンをトラップしてラジカルを照射する第２のプラズマ照射手段に切り替えて、イオン衝突力を弱め、化学処理を促進するプラズマ処理を行う接合方法、及び、接合装置であってもよい。

図１２に示すように被接合物となるウエハー５０３をプラズマ電源となる被接合物保持電極に保持した状態で、まず、ＲＦプラズマ電源５０１を印加して被接合物にイオン衝突による物理処理を行う。続いて上部の表面波プラズマにより、より多く発生されたラジカル５０４を、イオントラップ板５０２を通してダウンフローに照射する。イオントラップ板５０２により、イオン５０５は捕獲されるため、ラジカル５０４がより多く照射させることができ、より化学処理が促進される。なお、図１２において、５００は表面波プラズマ発生手段、５０６は真空チャンバー、５０７は反応ガス供給口、５０８は排気口、５０９は被接合物保持電極、５１０はマイクロウエーブ電源、５１１は表面波プラズマ発生領域、５１２はＲＦプラズマ発生領域である。

また、イオン衝突力を切り替えるプラズマ処理手段が、減圧プラズマと大気圧プラズマを切り替える手段であり、被接合物表面を減圧プラズマにてイオン衝突力を高めて処理した後、大気圧プラズマにてイオン衝突力を弱め、化学処理を促進するプラズマ処理を行う接合方法、及び、接合装置であってもよい。

プラズマ処理を減圧プラズマと大気圧プラズマに分けることにより、減圧プラズマ処理においては物理処理により不純物を除去し、化学処理により表面にＯＨ基を付けて並べたり、窒素などの置換が行われるが、せっかく表面に化学処理されたものがイオン衝突力が強いので除去され、表面を均一に化学処理することは難しい。

そこで、減圧プラズマ処理後に大気圧プラズマ処理を行うことにより、大気圧プラズマでは、真空中のようにイオンが電界により加速できないのでイオン衝突力は弱く、加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に化学処理を行い、表面活性化処理を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができる。低温とは、従来方法では４００℃以上必要であり、それ以下である４００℃以内で接合できるので好ましい。なお、前記接合温度が２００℃以下である接合方法及び表面活性化装置であってもよい。図６に示すように２００℃での接合が可能であり、より好ましい。

なお、反応ガスが酸素と窒素を含んだ混合ガスからなる接合方法、及び、接合装置であっても構わない。

窒素を含むガスを使用することにより、イオン衝突力を弱めた化学処理において、ＯＨ基のみならず、ＯとＮを含んだ基が生じる。そのことにより接合時に界面にＳｉ、Ｏ、Ｎの化合物が生成され、常温においても強固な接合が可能となる。図６に酸素反応ガスのみの場合と酸素と窒素を含んだ反応ガスの場合の比較を示す。酸素のみの場合は、２００℃程度加熱しないと強固な接合にはならないが、酸素と窒素が混合されたものでは常温から１００℃でも強固な接合が可能となる。

なお、プラズマ反応ガスをプラズマ処理後半に異なるガスまたは異なる配合ガスを使用する接合方法、及び、接合化装置であってもよい。プラズマ処理後半に異なるガスまたは異なる配合ガスを使用することにより化学処理に優位なガスを使用することができ好ましい。例えば、プラズマ処理前半にＡｒガスを用い、後半に酸素ガスを用いることで効率よいプラズマ処理が可能となる。さらに、前半に酸素ガスを用い、後半に窒素ガスを用いることもできる。また、単に異なるガスを使用しなくとも、Ａｒと酸素の混合ガスを使用し、前半ではＡｒを多めに後半では酸素を多めに配合すれば良い。また、酸素と窒素の混合ガスを使用した場合は、前半では酸素を多めに後半では窒素を多めに配合すれば良い。

また、プラズマ反応ガスが、酸素を含んだ反応ガスを用い、イオン衝突力を弱めたプラズマ処理時に窒素を含んだ反応ガスに切り替える接合方法、及び、接合装置であってもよい。

イオン衝突力を弱めた化学処理において、窒素を含むガスを使用することにより、ＯＨ基のみならず、ＯとＮを含んだ基が生じる。また、プラズマ処理前半においても幾分ＯＨ基は付着しているので、イオン衝突力を弱めた化学処理時にＯＨ基とＮとの置換が行われる。化学処理とは置換も含む処理を意味する。そのことにより接合時に界面にＳｉ、Ｏ、Ｎの化合物が生成され、常温においても強固な接合が可能となる。本方式においても図６と同様な良好な結果が得られた。

なお、接合時の加熱温度が１００℃以下で固層で接合する接合方法及び表面活性化装置であってもよい。さらに、接合時の加熱温度が常温で固層で接合する接合方法、及び、接合装置であっても構わない。

水分子を除きＯＨ基のみを効率良く配列させれば、１００℃以下で接合させることが可能となる。また、窒素を含んだ反応ガスでプラズマ処理後半に化学処理すれば常温でも接合が可能となり好ましい。また、前記処理工程後、接合工程前に大気圧下の水分子または水素を含んだガス中に暴露する吸着工程後、接合する前記に記載の方法及び接合装置からなる。処理工程の後、大気圧下の水分子または水素を含んだガス中に暴露することにより、接合表面は、水分子や水素が少ない減圧プラズマ中と比べ、容易に水分子や水素を吸着してＯＨ基を並べ、水素結合し易くなる。

また本発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載の接合方法により作成されたデバイスであって、被接合物がウエハーまたはウエハーから切り出されたチップであり、ＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、前記陽極接合することで作成された半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスなどのデバイスからなる（請求項１１）。

半導体においてＳｉは基材として用いられるため本方式は特に適する。また、半導体とパッケージとの封止や接合においても絶縁体であるガラス、セラミック、ＳｉＯ_２は頻繁に用いられ有効である。具体的には、半導体の製造工程であるウエハー上でハンドリングして張り合わせるとが一番有効であるが、ダイシング後のチップ状態でも適する。

低温での接合が可能となり、イオン注入後、高温加熱するとイオンが抜けてしまうため、熱に弱い半導体デバイスには好適である。異種材料を重ね合わせるＭＥＭＳデバイスでは従来接合時の高温加熱によりひずみが生じ、一方がアクチュエータの場合は動作に不良が起こる。しかし、本方式においては低温で接合できるため、熱によるひずみが押さえられ好適である。また、圧力センサーなどでは、従来ガラスとＳｉの接合であったため、接合時の高温加熱によるひずみがデバイスの信頼性に影響を与えていた。本方式においては低温で接合できるため、ひずみなく信頼性の高いＭＥＭＳデバイスを作ることができ好適である。

また本発明は、被接合物同士の接合面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波により表面活性化処理した後、両被接合物を陽極接合する接合方法であって、前記エネルギー波による前記表面活性化処理でエッチングする量は１ｎｍ以上である接合方法からなる。

また本発明は、電圧印加する手段と加熱する手段とを有し、被接合物同士の接合面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波により表面活性化処理した後、両被接合物を陽極接合する陽極接合手段を備えた接合装であって、前記エネルギー波による前記表面活性化処理でエッチングする量は１ｎｍ以上である接合装置からなる。

被接合物表面に存在する付着物はウェット洗浄後においても大気に暴露すると数秒で１ｎｍ以上付着することから少なくとも１ｎｍ以上エッチングすることが有効である。

本発明の効果はプラズマを利用して接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させ親水化処理した後、陽極接合することにより、より低温で、かつ、接合強度をアップすることができる。また、被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させ前記両被接合物を仮接合した後、前記両被接合物を陽極接合して本接合することで、生産効率をアップし、そりを発生させずに３層構造で被接合物同士を接合することができる。

また、両被接合物を同じ真空チャンバー内で対向配置して処理することで１チャンバーで全処理が可能となる。

この実施形態では、被接合物であるウエハーをプラズマにより表面活性化し、仮接合させ、工程を分けた本接合において陽極接合を行う方法及び接合装置である。以下に本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図７に本発明の一実施形態として表面活性化による仮接合と陽極接合による本接合を分離して生産効率をアップさせる構成を示す。

図７に示すように、エネルギー波処理装置としてプラズマ処理装置Ａで接合表面を表面活性化し、真空中での常温仮接合を、仮接合装置Ｂで行い、大気中での加熱本接合を本接合装置Ｃを複数台（図７では３台）でバランスさせて生産効率を上げている。

また、プラズマ処理装置Ａと仮接合装置Ｂは同一装置でも構成できる。図１にプラズマ処理装置Ａと仮接合装置Ｂを同一装置とした本発明の一実施形態に係るガラスとＳｉのウエハーを仮接合または、本接合となる陽極接合まで行うウエハー接合装置を示す。この実施形態では、被接合物であるガラスウエハーを上部にＳｉウエハーを下部に上下に対向して保持させた状態でチャンバーを閉じ、真空内でＡｒプラズマによりエッチング後、両被接合物を接触させ接合させる。また、本接合まで行う場合は、電圧を印加して陽極接合させ、場合によっては加熱によりガラスを軟化させ接合面積を上げて強度アップさせる装置である。

装置構成は、図１に示すように、ガラスからなる上ウエハー７を保持し、Ｚ軸１により昇降制御と加圧制御を行うヘッド部と、Ｓｉからなる下ウエハー８を保持し、場合によってはウエハーをアライメントするステージ部に分けられる。Ｚ軸１には圧力検出手段が組み込まれ、Ｚ軸サーボモータのトルク制御へフィードバックすることで加圧力制御を行う。別途アクチュエータにより昇降可能なチャンバー壁３が下降し、チャンバー台１０に固定パッキン５を介して接地した状態で真空に引き、反応ガスを導入してプラズマ処理を行い、ヘッド部が下降して両ウエハーを接触加圧させ、陽極電源に切り替えて電圧を印加し陽極接合する構成となっている。チャンバー壁３を昇降可能にＯリングで封止しているが、シャフトの細くなったところで受けてもピストン外周で受けても良い。また、場合によっては上部電極６、下部電極９は加熱ヒータも備えており、接合時に加熱することもできる。

図２に１台でプラズマ処理から陽極接合による本接合までを連続して行う一実施例を示す。動作を順を追って説明すると、図２（ａ）のようにチャンバー壁３が上昇した状態でガラスからなる上ウエハー７を上部電極６に保持させる。続いてＳｉからなる下ウエハー８を下部電極９に保持させる。保持させる方法はメカニカルなチャッキング方式もあるが、静電チャック方式が望ましい。続いて、同図（ｂ）に示すようにチャンバー壁３を下降させ、チャンバー台１０に固定パッキン５を介して接地させる。チャンバー壁３は摺動パッキン４により大気と遮断されているので、吸入バルブ１３を閉止した状態で排出バルブ１４を空け、真空ポンプ１５により真空引きを行うことでチャンバー内の真空度を高めることができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、チャンバー内をＡｒからなる反応ガスで満たす。真空ポンプ１５は動作させながら排出バルブ１４の排出量と吸入バルブ１３でのガス吸入量をコントロールすることである一定の真空度に保ちながら反応ガスで満たすことが可能である。同図（ｄ），（ｅ）に示すように、本方式では、まずＡｒガスを充満させ、１０^−２Ｔｏｒｒ程度の真空度で下部電極９に交番電源プラズマ電圧を印加することでプラズマを発生させ、下部ウエハー８表面をＡｒプラズマによりエッチングし洗浄する。続いて、上部電極６に同様な交番電源を印加することで上部ウエハーをＡｒプラズマによりエッチングし洗浄する。次に、図２（ｂ）のようにチャンバー内を真空に引きＡｒを排出する。場合によっては両電極を１００℃程度に加熱しながら真空引きを行うことにより表面に付着したり部材内部に打ち込まれたＡｒを排出する。

続いて、図２（ｆ）に示すように、真空中でチャンバー壁３とＺ軸１とが摺動パッキン４で接しながらピストン型ヘッド２がＺ軸１により下降され、両ウエハーを真空中で接触させ、ガラスからなる上ウエハー７を保持している上部電極６をカソードとして下部電極９との間に陽極電源の電圧を印加し、接合界面でＳｉ−Ｏなどの共有結合を起させ陽極接合させる。チャンバー内はチャンバー壁３とＺ軸１との間の摺動パッキン４により外部雰囲気と遮断され、真空に保持された状態でピストン型ヘッド部が下降することができる。また、場合によっては同時に両電極に仕込まれたヒータにより２００℃から４００℃に加熱し、強度アップを行う。

その後、図２（ｈ）に示すようにチャンバー内に大気を供給し大気圧に戻して、ヘッド部を上昇させ、接合された両ウエハーを取り出す。Ａｒと大気または窒素、酸素などの２種類のガスを１チャンバーで切り替える方法の場合はガス切替弁１６にてＡｒと大気ガスを選択して供給することができる。まずＡｒを選択して充填した後、吸入バルブ１３を閉じてチャンバー内を真空引きしＡｒを排出した後、ガス切替弁１６にて大気ガスに切り替え、吸入バルブ１３を開き、チャンバー内を大気で充満させ、チャンバーを開く時に大気解放させることができる。

また、場合によっては、接合に際し、両ウエハー７，８の位置をアライメントした後、接合する場合もある。図３に真空引きする前にアライメントする方法を示す。上ウエハー７にはアライメント用の上マーク２３が２箇所に付けられ、下ウエハー８にはアライメント用の下マーク２４が同様な位置２箇所に付けられている。両ウエハー７，８の間に２視野の認識手段２５を挿入し、上下のマーク位置を認識手段２５で読み取る。２視野の認識手段２５は上下のマーク像をプリズム２６により分岐し、上マーク認識手段２７と下マーク認識手段２８に分離して読み取る。認識手段２５はＸ軸、Ｙ軸と場合によってはＺ軸を持ったテーブルで移動され、任意の位置のマークを読み取ることができる。その後、アライメントテーブル２０により下ウエハー８の位置を上ウエハー７の位置に補正移動させる。移動後、再度２視野の認識手段２５を挿入して繰り返して補正し、精度を上げることも可能である。

図４に真空引きした後の接合する前にでもアライメントできる方法を示す。高精度に両被接合物をアライメントする必要がある場合には、プラズマ処理する工程の後、アライメントしてやる必要がある。これは、プラズマ処理の発熱により、被接合物や被接合物保持手段が熱膨張により位置ずれを起こすためであり、プラズマ処理後に両被接合物の位置を認識手段により認識してアライメントすることで位置ずれ無く数μｍ以内の高精度な接合が可能となる。

アライメントのための被接合物を平行移動及び／または回転移動させる手段は真空チャンバー内に設けることが精度上好ましく、両被接合物の位置を認識する認識手段となる光学系や撮像素子はチャンバーにガラス窓を設けることによりチャンバー外に設けることが好ましい。光学系や撮像素子は真空中で使用できないものが多く、精度を維持するためには外部大気中に設置することが好ましい。また、アライメントのための移動手段は外部からの操作では微少な移動を行うことは難しく、高精度を出すためにはチャンバー内に設けることが好ましい。また、プラズマ処理工程とアライメント工程及び／または仮接合工程を個別のチャンバーで行い、クラスター構造として真空中の搬送手段でつなげることも可能ではあるが、複雑で高価な装置となってしまう。

これを図１に示すような装置構成で、かつ、図４に示すようなアライメント方法を用いることで１つのチャンバーで連続して行うことが可能となり、装置の簡易化コストダウンが可能となる。また、連続して行うことで付着物を最小限に抑えることができる。上ウエハー７にはアライメント用の上マーク２３が２箇所に付けられ、下ウエハー８にはアライメント用の下マーク２４が２箇所に付けられている。上下マークは重なっても同視野で認識できるような形状となっている。プラズマ処理後の両ウエハーを近接させ、マーク読みとり用透過部１９とガラス窓２１を透過してＩＲ（赤外）認識手段２２により下ウエハーを透過して金属でつけられた上下のアライメントマークを同時に認識して位置を読み取る。焦点深度が合わない場合は、ＩＲ認識手段２２を上下移動させて読み取る場合もある。

ＩＲ認識手段２２はＸ軸、Ｙ軸と場合によってはＺ軸を持ったテーブルで移動され任意の位置のマークを読み取ることができるようにしても良い。その後、アライメントテーブル２０により下ウエハー８の位置を上ウエハー７の位置に補正移動させる。移動後、再度ＩＲ認識手段２２により繰り返して補正し、精度を上げることも可能である。ＩＲ認識方式はＳｉ同士の接合にも使用できる。また、ガラスを下にＳｉを上に保持した場合は、可視光でもアライメントが可能である。酸素プラズマ処理後、Ｈ_２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスに置換した後接合する方法として、水ガスが容易であるが、Ｈ_２Ｏ分子ビーム、水素ガスなども用いることができる。

Ａｒプラズマにてエッチングすることが効率上好ましいが、窒素、酸素など他のガスで表面活性化処理することも可能であり、本発明に含む。特に、親水化処理により仮接合する場合は、酸素や窒素プラズマが使用され、接合表面にＯＨ基を配置して表面活性化し、両ウエハーを接触させ、水素結合させる。加熱を併用すれば共晶結合へと強度アップしていく。また、本装置を仮接合装置として使用し、また、表面活性化による仮接合後に工程または装置を分離した陽極接合で本接合することにより、生産効率をアップし、そりの発生しない３層構造の接合を可能とすることもできる。上記フローに追記して説明すると、Ａｒプラズマ処理の後、図２（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示す動作を、Ａｒに替わって酸素ガスを供給することで表面を酸素プラズマ処理する。Ａｒと酸素の２ガスを１チャンバーで切り替える方法はガス切替弁１６にてＡｒと酸素ガス（Ｏ_２）を選択して供給することができる。まずＡｒを選択して充填した後、吸入バルブ１３を閉じてチャンバー内を真空引きしＡｒを排出した後、ガス切替弁１６にて酸素ガスに切り替え、吸入バルブ１３を開き、チャンバー内を酸素ガスで充満させる。また、このガス切替弁１６は大気を吸入させることもできるのでチャンバーを開く時に大気解放させることもできる。次に、水ガスを供給し、場合によっては反応ガスとしてプラズマ処理し、表面を親水化処理する。

続いて、図２（ｆ）に示すように、真空中でチャンバー壁３とＺ軸１とが摺動パッキン４で接しながらピストン型ヘッド２がＺ軸１により下降され、両ウエハーを真空中で接触させ、水素結合力により仮接合させる。仮圧着本圧着一括接合させる装置として使用する場合は、図２（ｇ）に示すように両電極６，９間に電圧を印加しながら加熱し、陽極接合を行う。チャンバー内はチャンバー壁３とＺ軸１との間の摺動パッキン４により外部雰囲気と遮断され、真空に保持された状態でピストン型ヘッド部が下降することができる。また、場合によっては同時に両電極に仕込まれたヒータにより加熱し、強度アップを行う。その後、図２（ｈ）に示すようにチャンバー内に大気を供給し大気圧に戻して、ヘッド部を上昇させ、接合された両ウエハー７，８を取り出す。

ＩＲ認識手段２２にてマークを読み取る構成において、マーク読みとり用透過部１９やガラス窓２１、アライメントテーブル間の空間などにおけるＩＲ光源の通り道は、空間やガラスに限らず、ＩＲ光を透過する材質で構成されていればよい。また、反射光のみならずＩＲ認識手段２２の反対側に光源を用いて透過光としても良い。

プラズマ処理する方法として交番電極面のウエハーを洗浄するのが効率上好ましいが、均一性やダメージ軽減から電極をウエハー以外の場所に設置しウエハーを洗浄する場合もある。

次にプラズマ処理を、ウエハーを対向配置した位置で行わず、スライドさせた位置で行う仮接合装置を図１１に示す。この仮接合装置は、図１１に示すように構成され、上ウエハー２１０を保持するヘッド２０７と下ウエハー２０９を保持するステージ２０８が真空チャンバー２１１中に配置され、ヘッド２０７はトルク制御式昇降駆動モータ２０１が連結されたＺ軸昇降機構２０２とＺ軸昇降機構２０２を回転させるθ軸機構２０３と、ヘッド２０７をＸＹ水平方向へアライメント移動させるＸＹアライメントテーブル２０６とが設けられている。圧力検出手段２０４により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ２０１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が切り替えながら行えるようになっている。ＸＹアライメントテーブル２０６は真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ、θ軸機構は真空チャンバー外部に設置するため、ベローズ２０５により移動可能にヘッド部と外部が遮断されている。

ステージ２０８は接合位置と待機位置間をスライド移動手段２２９によりスライド移動することができる。スライド移動手段２２９には高精度なガイドと位置を認識するリニアスケールが取り付けられており、接合位置と待機位置間の停止位置を高精度に維持することができる。この移動手段２２９はいかなる構成であっても良い。

ヘッド２０７及びステージ２０８の被接合物保持手段としては、メカニカルなチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、加熱のためのヒータを備え、プラズマ電極ともなっており、保持手段、加熱手段、プラズマ発生手段の３つの機能を備える。

減圧手段としては、排気管２１５に真空ポンプ２１７がつながれ、排気弁２１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管２１８に吸入ガス切り替え弁２２０が連結され吸気弁２１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしてはプラズマの反応ガスを２種類連結でき、例えばＡｒ２２１と酸素（Ｏ_２）２２２をつなぐことができる。また、混合ガスの配合を変えたガスを連結することもできる。もう一つは大気圧解放用の大気２２３または水分子を含んだ窒素がつながれる。大気圧を含めた真空度や反応ガス濃度は、吸気弁２１９と排気弁２１６の開閉を含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。

アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段がステージ待機位置の上方とヘッド下方に真空チャンバー２１１外部に、それぞれステージ側認識手段２１３、ヘッド側認識手段２１２として配置される。これら認識手段は最低ステージ、ヘッド側に１つずつあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマーク２２７，２２８がθ方向成分も読みとれる形状や２つのマークを１視野内に配置することで１つの認識手段でも十分読み取ることができる。また、認識手段は、例えば可視光やＩＲ（赤外）光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。

真空チャンバー２１１には認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなるガラス窓２１４が配置され、そこを透過して真空チャンバー２１１中の被接合物のアライメントマーク２２７，２２８を認識する。また、ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、粗位置決めを行った後、上ウエハー２１０と下ウエハー２０９を数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段２１２に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識して再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。

このような仮接合装置により、上ウエハー２１０と下ウエハー２０９をスライドさせた位置でプラズマ処理することで、エッチングされた物質が対向ウエハーへ再付着することを防止したり、ウエハーと対向した面を電極とすることでエッチング力を弱めて化学処理を増進させＯＨ基を付着しやすくすることができる。プラズマ処理後は下部ステージが上部ウエハーと対向する位置までスライドし、上記と同様の接合処理を行う。

また、エネルギー波処理がプラズマ以外のイオンビームや原子ビームである場合には図１１の装置にビーム照射装置を２つ取り付けて、スライドさせた位置で斜めからウエハー表面に個別に照射させればいい。

前述の仮接合装置は、もちろん、プラズマなどエネルギー波処理を専用装置で行い、エネルギー波処理を除いた仮接合装置として使用することもできる。

次に本接合装置について説明する。本接合装置はすでに仮接合装置において、真空封止やガス封入された状態であるので、大気中で電圧を印加し、加熱するだけの簡易な装置でもよい。陽極接合装置として電圧を印加して加熱によりガラスを軟化させ、ゴミの噛み込みや材料の凹凸、うねりによる隙間を埋めて接合面積を上げて強度アップさせることができる。この簡易な本接合装置を図７（ｃ）に示すように複数台並べることで生産効率をアップさせ、コストダウンをはかることができる。

図９（ｂ）に示すように３つ以上の部材を両側を線膨張係数の等しい材料で挟み込んで位置精度を出して常温仮接合させた後、加熱して本接合することでそりなく高精度に接合することができる。

また、プラズマ処理工程をプラズマ処理後半においてエッチング力を弱めてプラズマ処理を行うことにより、親水化処理がうまく行われる。通常のプラズマ処理においては物理処理により不純物を除去し、化学処理により表面にＯＨ基を付けて並べたり、窒素などの置換が行われるが、せっかく表面に化学処理されたにもかかわらずエッチング力が強いので除去され、表面を均一に化学処理することは難しい。

そこで、プラズマ処理後半において、エッチング力を弱めてプラズマ処理することにより加速されないイオンやラジカルは多く存在するので化学反応は促進され接合表面に均一に化学処理を行い、表面活性化処理を行うことができる。そのため低温で接合強度を増すことができ、また、仮接合をしやすくできる。エッチング力を切り替える方法はプラズマのＶｄｃ値を切り替えたり、パルス幅を切り替えたり、ウエハーと対向面を電極にしたりすることで行える。

本発明の一実施態様に係る接合装置の概略構成図である。 一実施態様における実際の接合過程を示す図である。 ２視野の認識手段を用いた大気中でのアライメント構成図である。 ＩＲ認識手段を用いた真空中でのアライメント構成図である。 従来工法とＡｒプラズマ処理後の比較グラフである。 接合の比較グラフである。 仮接合装置、本接合装置を効率よく構成した図である。 封止を伴うデバイス図である。 加熱によるそりを示す図である。 親水化処理による接合化学式を示す図である。 ステージスライド式仮接合装置図である。 変形例における装置の概略構成図である。

符号の説明

１ Ｚ軸
２ ピストン型ヘッド
３ チャンバー壁
４ 摺動パッキン
５ 固定パッキン
６ 上部電極
７ 上ウエハー
８ 下ウエハー
９ 下部電極
１０ チャンバー台
１１ 吸入口
１２ 排出口
１３ 吸入バルブ
１４ 排出バルブ
１５ 真空ポンプ
１６ ガス切替弁
１７ ガスＡ
１８ ガスＢ
１９ マーク読みとり用透過部
２０ アライメントテーブル
２１ ガラス窓
２２ ＩＲ認識手段
２３ 上マーク
２４ 下マーク
２５ ２視野認識手段
２６ プリズム
２７ 上マーク認識手段
２８ 下マーク認識手段
１００ ガラス
１０１ シリコン
２０１ トルク制御式昇降駆動モータ
２０２ Ｚ軸昇降機構
２０３ θ軸回転機構
２０４ 圧力検出手段
２０５ ベローズ
２０６ ＸＹアライメントテーブル
２０７ ヘッド
２０８ ステージ
２０９ 下ウエハー
２１０ 上ウエハー
２１１ 真空チャンバー
２１２ ヘッド側認識手段
２１３ ステージ側認識手段
２１４ ガラス窓
２１５ 排気管
２１６ 排気弁
２１７ 真空ポンプ
２１８ 吸気管
２１９ 吸気弁
２２０ 吸入ガス切り替え弁
２２１ Ａｒ
２２２ Ｏ_２
２２３ 大気
２２７ 上アライメントマーク
２２８ 下アライメントマーク
２２９ スライド移動手段

Claims (21)

1. Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ガラスのいずれかである被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、前記両被接合物を陽極接合する接合方法。
2. Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ガラスのいずれかである被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させ前記両被接合物を仮接合した後、前記両被接合物を陽極接合して本接合する接合方法。
3. 常温のもと前記仮接合した後、工程または装置を分離して前記陽極接合による本接合を行う請求項２に記載の接合方法。
4. 前記仮接合の工程の数１に対し、複数の前記本接合の工程をバランスさせる請求項３に記載の接合方法。
5. 減圧またはガス置換された減圧チャンバー中で前記仮接合を行い、大気中で前記本接合を行う請求項２ないし４のいずれかに記載の接合方法。
6. 前記接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、大気に暴露することなく前記両被接合物を陽極接合する請求項１ないし４のいずれかに記載の接合方法。
7. 前記プラズマが減圧プラズマであり、前記接合面に前記減圧プラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、同じチャンバー内で連続して前記両被接合物を真空中で接触させる請求項１ないし４のいずれかに記載の接合方法。
8. 前記両被接合物を接合時または接合後に２００℃以下で加熱する請求項１ないし７のいずれかに記載の接合方法。
9. 前記接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させる際にＨ_２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記両被接合物を接触させる請求項１ないし８のいずれかに記載の接合方法。
10. ３個以上の被接合物を重ねて接合する接合方法であって、線膨張係数が等しい被接合物で、線膨張係数の異なる被接合物を両側から挟み込む請求項１ないし９のいずれかに記載の接合方法。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の接合方法により作成されたデバイスであって、被接合物がウエハーまたはウエハーから切り出されたチップであり、ＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、前記陽極接合することで作成された半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスなどのデバイス。
12. Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ガラスのいずれかである被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させるプラズマ処理手段と、
    前記プラズマ処理手段により前記接合面にＯＨ基が付着した前記両被接合物を陽極接合する陽極接合手段と
    を備えた接合装置。
13. Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ガラスのいずれかである被接合物同士の接合面にプラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させるプラズマ処理手段と、
    前記プラズマ処理手段により前記接合面にＯＨ基が付着した前記両被接合物を接触させて仮接合する仮接合手段と、前記仮接合された前記両被接合物を電圧印加し加熱することで本接合する本接合手段とを有する陽極接合手段と
    を備えた接合装置。
14. 前記仮接合手段および前記本接合手段がそれぞれ独立した空間に設けられている請求項１３に記載の接合装置。
15. 前記陽極接合手段は、
    前記仮接合手段の数１に対し、複数の前記本接合手段を有する請求項１４に記載の接合装置。
16. 前記仮接合手段が内部に配設された減圧チャンバーを備え、
    減圧またはガス置換された前記減圧チャンバー中で前記仮接合を行い、大気中で前記本接合を行う請求項１３ないし１５のいずれかに記載の接合装置。
17. 前記プラズマ処理手段と前記陽極接合手段とがそれぞれ減圧チャンバー中に設けられ、前記プラズマ処理手段により前記接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、大気に暴露することなく前記両被接合物を陽極接合する請求項１３ないし１５のいずれかに記載の接合装置。
18. 前記プラズマ処理手段と前記陽極接合手段とが内部に配設された減圧チャンバーを備え、
    前記プラズマ処理手段による前記プラズマが減圧プラズマであり、前記接合面に前記減圧プラズマを利用してＯＨ基を原子的に結合させて付着させた後、前記減圧チャンバー内で連続して前記両被接合物を真空中で接触させる請求項１３ないし１５のいずれかに記載の接合装置。
19. 前記両被接合物を接合時または接合後に２００℃以下で加熱する請求項１２ないし１８のいずれかに記載の接合装置。
20. 水ガス発生手段を備え、
    前記接合面にＯＨ基を原子的に結合させて付着させる際にＨ_２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記両被接合物を接触させる請求項１２ないし１９のいずれかに記載の接合装置。
21. 線膨張係数が等しい被接合物で、線膨張係数の異なる被接合物を両側から挟み込み、３個以上の被接合物を重ねて接合する接合装置であって、
    電圧印加手段により、前記挟み込まれた内側の線膨張係数の異なる被接合物から、前記線膨張係数が等しい外側の被接合物に向けて電圧を同時に印加する請求項１２ないし２０のいずれかに記載の接合装置。

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