JP3811715B2

JP3811715B2 - 基板接合装置および基板接合方法

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Publication number: JP3811715B2
Application number: JP2003137887A
Authority: JP
Inventors: 智之阿部; 唯知須賀
Original assignee: Ayumi Industry Co Ltd
Current assignee: Ayumi Industry Co Ltd
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP2004337928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体またはセラミックスからなる２以上の基板同士を表面活性化接合する基板接合装置および接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種基板の接合技術の一つとして、表面活性化接合技術が注目を集めている。一般的な表面活性化接合技術によれば、真空中でアルゴン中性原子ビームなどの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が基板の接合面へ照射される。この結果、接合面上の酸化膜などの不純物が除去され、接合面が活性化される。このように活性化された接合面同士を重ね合わせて押圧することによって、複数の基板を接合することができる。
【０００３】
近年では、セラミックスと金属箔との接合にも表面活性化接合技術が適用されており、たとえば、セラミックスと金属箔とをローラに挟み込んで押圧して接合する技術が提案されている（特許文献１参照。）また、同様に、コイル状に巻き取り可能な帯板の表面活性化接合において、ローラを用いて加圧する技術が提案されている（特許文献２参照）。
【０００４】
これらの技術においては、ローラによる押圧時に、金属箔などが圧延されると考えられる。したがって、金属箔の圧延による効果によって、セラミックス基板などへの局所的な力が分散され、セラミックス基板の破損が防止される。
【０００５】
しかしながら、金属箔などを介在させることなく、セラミックス基板同士、半導体基板同士、またはセラミックス基板と半導体基板同士を表面活性化接合する際には、金属箔による力の分散化を図ることができないので、ローラを用いた加圧によって、基板が破損されやすい。したがって、セラミックス基板同士、半導体基板同士、またはセラミックス基板と半導体基板同士を表面活性化接合する際に、ローラを用いて加圧する技術は実現されていなかった。
【０００６】
加えて、従来の半導体同士やセラミックスの接合では、基板の全面積で加重を与える面圧接方式が採用されているが、この方式では、半導体やセラミックスのような硬い材料では接合材料同士を十分に変形させて密着させるだけの加重量を確保できないという問題があった。
【０００７】
また、ローラによって基板を押圧する際に荷重分布に不均衡が生じ、あるいは加えられる圧力が不均一となることによって、基板が破損し、あるいは接合が不十分となるおそれがあった。
【０００８】
また、基板同士を重ね合わせてアラインメント（位置合わせ）しても、ローラによって基板を押圧して接合する段階や、それ以前の搬送段階で、位置ずれが生じるおそれがある。このような位置ずれを防止する技術についても要望されている。
【０００９】
【特許文献１】
国際公開第ＷＯ９９／５８４７０号パンフレット
【特許文献２】
特開平１１−２２６７５３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、半導体またはセラミックスからなる複数の基板同士をローラによる加重により、表面活性化接合することができる表面活性化接合技術を提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、半導体またはセラミックスからなる基板同士の表面活性化接合の際に基板に加えられる荷重分布を均等とし、基板に加えられる圧力を均一にすることができ、基板の破損を防止しつつ基板を接合することができる表面活性化接合技術を提供することである。
【００１２】
さらに、本発明の他の目的は、基板同士をアライメントした後の位置ずれを防止することができる表面活性化接合技術を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決し、目的を達成するための本発明は、以下の構成によって達成される。
【００１５】
（１）本発明の基板接合装置は、半導体またはセラミックスからなる複数の基板同士を接合する基板接合装置であって、基板が搬入される真空チャンバと、前記真空チャンバ内で各基板の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を照射するビーム照射手段と、基板の接合面同士を重ね合わせた状態で前記複数の基板を挟み込んで押圧して前記複数の基板同士を表面活性化接合するための少なくとも一組のワークローラと、を有し、前記ワークローラが鼓形状をしており、基板を押圧する際に押圧面が扁平となることを特徴とする。
【００１６】
（２）上記の鼓形状のワークローラは、中央の円柱状部分と、その両側に位置する円錐台状部分とを有し、円柱状部分の大径ｄ１と円錐台状部分の端部小径ｄ２との差であるδ（μｍ）と、ローラによる基板へ加える力Ｇ（ｋｇ重）とが、０．０２Ｇ≦δ≦０．０１５Ｇ＋１５の関係にある
【００１７】
（３）上記の鼓形状のワークローラは、中央の円柱状部分と、その両側に位置する円錐台状部分とを有し、前記ワークローラの軸方向の長さＬ１に対する前記中央の円柱状部分の軸方向の長さＬ２の比率が０．７５以下である。
【００１８】
（４）上記のワークローラを前記基板の背面側から押圧する少なくとも一つのバックアップローラが設置されている。
【００１９】
（５）上記のバックアップローラの径は、前記ワークローラの径よりも大きい。
【００２０】
（６）上記の基板接合装置は、接合面同士を重ね合わせた状態で、基板の中央近傍の少なくとも一点に集中荷重をかけて前記複数の基板同士を仮接合するための仮接合手段を有し、前記ワークローラは、仮接合された基板を押圧する。
【００２１】
（７）上記の基板接合装置は、前記ワークローラに対する基板の相対的な移動に伴って、前記ワークローラが基板に接している領域の長さが変化するのに応じて、前記ワークローラが基板を押圧する力を調節し、前記ワークローラによって基板に加えられる圧力を一定とする制御手段を有する。
【００２２】
（８）上記の基板は、円形状の半導体ウェハであり、前記制御手段は、半導体ウェハの半径をｒ、前記半導体ウェハの中心から前記ワークローラまでの変位をｘ、所定の定数をＰ_０としたとき、ワークローラは、
【００２３】
【数２】

【００２４】
で与えられる力Ｇで押圧する。
【００２５】
（９）上記のワークローラは、板材を介して基板を挟み込んで押圧する。
【００２７】
（１０）本発明の基板接合方法は、半導体またはセラミックスからなる複数の基板同士を接合する基板接合方法であって、真空中で各基板の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を照射する照射段階と、基板の接合面同士を重ね合わせた状態で、押圧時に押圧面が扁平となる鼓形状のワークローラにより前記複数の基板を挟み込んで押圧して、複数の基板同士を表面活性化接合する本接合段階と、を有することを特徴とする。
【００２８】
（１１）上記の基板接合方法は、さらに、前記本接合段階の前に、基板の中央近傍の少なくとも一点に集中荷重をかけて仮接合するための仮接合段階を有する。
【００２９】
（１２）上記の本接合段階では、前記ワークローラに対する前記基板の相対的な移動に伴って、前記ワークローラが基板に接している領域の長さが変化するのに応じて、前記ワークローラによって基板が押圧される力を調整して、前記ワークローラによって基板に加えられる圧力を一定とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る基板接合装置についての好適な実施形態を詳細に説明する。この説明に使用される図面における縦方向の寸法は明細書の明確性のため誇張されて示されている場合がある。
【００３１】
（第１の実施形態）
本実施形態に係る基板接合装置は、真空チャンバ内で、各基板の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を照射する。そして、基板接合装置は、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が照射された接合面同士を重ね合わせた状態で一組のワークローラにより基板を挟み込んで押圧して表面活性化接合する。ここで、本実施の形態におけるワークローラは鼓形状をしており、ワークを押圧する際に押圧面が略扁平となるように構成されている。なお、基板の「接合面」とは、基板同士が接合される面である。
【００３２】
図１および図２は、本実施形態に係る基板接合装置の概略構成を示す上面図および側面図である。基板接合装置１０は、照射室１００、反転・アライメント室２００、および加重室３００を有する。また、基板接合装置１０は、基板８００を装置１０内に搬入したり装置１０内から搬出したりするために用いられるロードロック室４００、および装置１０内で基板を搬送するための搬送用ロボット５５０が設置された搬送室５００を有する。
【００３３】
なお、本実施の形態の基板接合装置１０は、半導体またはセラミックスからなる壊れやすい基板８００を接合する際に、適用することができる。
【００３４】
各室１００、２００、３００、４００、５００はバルブを介して相互に連通している。また、基板接合装置１０には、各室を真空状態に維持するためのターボ分子ポンプ６１０やロータリーポンプ６２０（以下、「真空ポンプ」という）が接続されている。
【００３５】
図３に、照射室１００の一例を示す。照射室１００は、真空チャンバを構成している。照射室１００には、ロードロック室４００に搬入された基板８００が最初に搬送される。照射室１００内部は、真空ポンプによって真空度１０^-2Ｔｏｒｒ（約１Ｐａ）よりも高真空、より好ましくは１０^-5Ｔｏｒｒ（約１０^-3Ｐａ）以下の高真空に排気されている。照射室１００の壁部１１０には、基板搬入側バルブ１２０および基板取出側バルブ１３０が設けられている。基板搬入側バルブ１２０は、ロードロック室４００に挿入された基板８００を照射室１００内に搬入するための搬入口に設けられたバルブである。一方、基板搬出側バルブ１３０は、照射室１００内で処理された基板８００を反転・アライメント室２００へ搬出するための搬出口に設けられたバルブである。
【００３６】
照射室１００内には、基板８００を保持するための基板保持部材１５０が設けられており、照射室１００内に搬入された基板８００は、基板保持部材１５０によって保持される。基板保持部材１５０には基板昇降機構１６０が設けられている。基板昇降機構１６０は、基板保持部材１５０に接続されたロッド１６１と、ロッド１６１を介して基板保持部材を昇降させるためのシリンダ１６２とからなる。この基板昇降機構１６０によって、基板保持部材１５０に保持された基板８００と、以下に説明するビーム照射部１４０との間の距離が適宜に調整される。
【００３７】
照射室１００内に設けられているビーム照射部１４０は、不活性ガスイオンビームおよび／または不活性ガス中性原子ビームを基板８００の接合面へ照射して、表面活性化させるものである。
【００３８】
ビーム照射部１４０は、電圧が印加される電極を有する。ビーム照射部１４０の内部では、印加された電圧によってアルゴンガスがプラズマ状態となり、アルゴンイオンが発生する。そして、発生したアルゴンイオンが上記電圧に基づく電界によって開口部へ移動して、開口部から外部に放出される。
【００３９】
なお、アルゴンイオンからなるアルゴンイオンビームをそのまま基板８００の表面に照射してもよいが、本実施の形態では、基板８００表面の帯電を避けるために、アルゴンイオンの少なくとも一部を、開口部付近で中性化している。言い換えれば、アルゴンイオンビームなどの不活性ガスイオンビームを中性化してなる不活性ガス原子ビームが基板８００の表面に照射される。すなわち、本明細書における「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」という用語には、不活性ガスイオンビーム、不活性ガス中性原子ビーム、および不活性ガスイオンビームと不活性不活性ガス中性原子ビームが混在したビームが含まれる。なお、本実施形態のビーム照射部１４０の構成については、従来から市販されているものと同様であるので、ビーム照射部１４０についての詳しい説明は省略する。
【００４０】
次に、図２に戻り、反転・アライメント室２００の構成について説明する。反転・アライメント室２００には、アルゴンイオンビームなどの不活性ガスイオンビームまたはアルゴン中性原子ビームなどの不活性ガス中性原子ビームを接合面へ照射済みの少なくとも一対の基板８００ａ、８００ｂが照射室１００から搬入される。なお、基板８００ａ、８００ｂの搬入は、搬入搬出口を通して行われる。搬入搬出口には、バルブ２１０が設けられている。
【００４１】
また、反転・アライメント室２００は、反転機構２２０、チャック機構２３０、アライメントテーブル２４０、および光学装置２５０を備える。
【００４２】
反転機構２２０は、一方の基板８００ａの接合面が他方の基板８００ｂの接合面に向くように基板８００ａの向きを反転するものである。チャック機構２３０は、向きを反転した一の基板８００ａをチャックする。アライメントテーブルは、Ｘ−Ｙテーブルであり、一対の基板８００ａと８００ｂとの相対的な位置関係を調整するためのものである。光学装置２５０は、アライメントの際の基板同士の位置関係をビューポートを通じて観察するためのものである。
【００４３】
まず、反転機構２２０は、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が照射された前記接合面同士が対向するように一の基板８００ａの向きを反転する。そして、アライメントテーブル２４０によって、基板８００ａと８００ｂの面内方向のずれが修正される。この状態でチャックされている一の基板８００ａが他の基板８００ｂの上に重ねられる。
【００４４】
また、本実施の形態の反転・アライメント室２００には、アライメントが終了した時点で、基板同士を仮接合するための仮接合機構が設けられている。図４は、仮接合機構２６０の概略構成について示す図である。仮接合機構２６０は、接合面同士を重ね合わせた状態で、好ましくは、基板の中央近傍の少なくとも一点に集中荷重をかけて仮接合するための仮接合手段である。具体的には、図４に示されるとおり、仮接合機構２６０は、チャック機構２３０の近傍に設けられた孔部２３１に挿し込まれて当該孔部２３１に沿って並進移動可能に設置された仮押さえピン２６１と、仮押さえピン２６１を並進移動させるモータやシリンダなどの駆動源２６２を有する。
【００４５】
次に、仮接合された基板を本接合するための加重室３００を説明する。加重室３００では、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を照射済みの前記接合面同士を反転・アライメント室２００で重ね合わせた状態の基板８００ａ、８００ｂがワークローラにより挟み込まれて押圧される。
【００４６】
図５は、加重室３００の構成を示す正面方向からみた断面図であり、図６は、側面方向からみた断面図である。図に示されるとおり、加重室３００は、内部を真空に保つための真空チャンバ３０１を有しており、真空チャンバ３０１内は、真空状態を維持している。真空チャンバ３０１の内部は、真空ポンプにより真空度１０^-2Ｔｏｒｒ（約１Ｐａ）よりも高真空、より好ましくは１０^-5Ｔｏｒｒ（約１０^-3Ｐａ）以下の高真空に排気されている。なお、真空チャンバ３０１の一部には、図６に示されるようにバルブ３０２が設けられている。このバルブ３０２が開閉されて、反転・アライメント室で重ね合わされた基板８００ａ、８００ｂが搬入される。
【００４７】
ワークローラ３１０は、基板８００ａ、８００ｂを挟み込んで押圧するための上側ワークローラ３１０ａと下側ワークローラ３１０ｂとからなる。上側ワークローラ３１０ａの両端および下側ワークローラ３１０ｂの両端からは、それぞれローラ軸３２０ａ、３２０ｂが伸延されている。上側ローラ軸３２０ａは、上側ローラ支持ブラケット３３０ａに回転自在に取付けられており、下側ローラ軸３２０ｂは、下側ローラ支持ブラケット３３０ｂに回転自在に取付けられている。
【００４８】
下側ローラ軸ブラケット３３０ｂは、真空チャンバ３０１内の底部に位置する底板３４０に固定されており、上側ローラ軸ブラケット３３０ａは、真空チャンバ３０１内に設けられた昇降板３５０に取付けられている。昇降板３５０は、底板３４０から伸びたガイド支柱３６０に案内されて昇降するものである。また、昇降板３５０は、ロッド３７０を介して、真空チャンバ３０１の外部上方に設けられたシリンダ３８０に連結されており、シリンダ３８０の動作に応じて昇降するように構成されている。ロッド３７０が真空チャンバ３０１を貫通する部分は、シール部材３５１によりシールされており、気密性を保つように構成されている。また、真空チャンバ３０１内部の上面近傍には、上板３９０が設けられていてもよく、この場合は、上板３９０と底板３４０とは支柱３９５を介して連結されて、剛性が強化される。
【００４９】
シリンダ３８０が駆動されると、ロッド３７０および昇降板３５０を介して上側ワークローラ３１０ａが基板８００ａに当接され、上側ワークローラ３１０ａと下側ワークローラ３１０ｂは、基板８００ａ、８００ｂを挟み込んで、押圧する。たとえば、数１０〜数１０００ｋｇ重程度の力で押圧することができる。
【００５０】
次に、図７は、本実施の形態のワークローラ３１０ａ、３１０ｂの詳細を示す図である。図７（Ａ）は、基板を押圧していない状態のワークローラ３１０ａ、３１０ｂの形状を示し、図７（Ｂ）は、基板を押圧している状態のワークローラ３１０ａ、３１０ｂの形状を示す。
【００５１】
図７（Ａ）に示されるとおり、基板８００ａ、８００ｂを押圧していない状態では、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂは、略鼓形状をしている。そして、図７（Ｂ）に示されるとおり、基板８００ａ、８００ｂを押圧している状態では、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂが基板に接触して押圧する面（以下「押圧面」という）は、略扁平となる。ワークローラ３１０ａ、３１０ｂは、たとえば、鉄などの金属で構成されている。このように、略鼓形状をしているワークローラ３１０ａ、３１０ｂを、表面活性化接合における接合機構に適用したことは、本実施の形態の特徴の一つである。さらに、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂの形状について、詳細に説明する。
【００５２】
図８は、一組のワークローラ３１０ａ、３１０ｂの中から上側ワークローラ３１０ａを模式的に示した図である。なお、以下の説明では、上側ワークローラ３１０ａを例にとって、その形状を説明するが、下側ワークローラ３１０ｂについても、同様の形状を有している。なお、図８は、明細書の明確性のために、径方向の寸法を誇張して記載している。
【００５３】
各ワークローラ３１０ａの形状は、上述のとおり略鼓形状をしており、径が、ほとんど変化しない略円柱形状をした中央部である円柱状部分３１１と、その両側に位置しており、端部へ進むにつれて径が小さくなる円錐台部分３１２とを有している。特に、シリコン基板を接合する場合を例にとれば、円柱状部分３１１の大径ｄ１と円錐台部分３１２の端部小径ｄ２との差をδ（μｍ）とし、ワークローラ３１０ａによる基板への加重量をＧ（ｋｇ重）とする場合、０．０２Ｇ≦δ≦０．０１５Ｇ＋１５の関係を満たすようにワークローラ３１０ａの形状を設計することが望ましい。
【００５４】
図９は、上記関係を説明するためのグラフであり、図中の縦軸は、円柱状部分３１１の大径ｄ１と端部小径ｄ２との差δ（μｍ）を示し、横軸は、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂによって基板へ加えられる力（加重量）Ｇ（ｋｇ重）を示している。したがって、図９に示されるとおり、δ＝０．０２Ｇの直線と、δ＝０．０１５Ｇ＋１５の直線とによって区画される領域の座標値をとるように、押圧する力（加重量）Ｇに応じてδが設定されている。
【００５５】
また、シリコン基板の場合を例にとれば、図１０に示されるとおり、ワークローラ３１０ａの軸方向の全長をＬ１とし、中央の円柱状部分３１１の軸方向の長さＬ２とすると、このＬ１に対するＬ２の比率が０．７５以下であることが望ましい。
【００５６】
しかしながら、基板８００の材質およびワークローラ３１０ａ、３１０ｂの材質によっても、ワークローラのδ、Ｌ１、およびＬ２の関係は変化する。したがって、有限要素法などを用いた構造解析などによって、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂに求められる適切な鼓型形状を算出してもよい。
【００５７】
次に、本実施の形態の基板接合装置１０を用いた基板接合方法について説明する。
【００５８】
基板８００ａおよび８００ｂがロードロック室４００に搬入される（図１参照）。まず、基板８００ａが照射室１００に搬送される。そして、図３に示されるように、照射室１００内では、ビーム照射部１４０は、基板８００ａの接合面上にアルゴンイオンビームまたはアルゴン中性原子ビームを照射する。たとえば、基板８００ａの帯電を防ぐために、中性化されたアルゴン中性原子ビームが照射されて、基板表面の自然酸化膜および表面吸着膜が除去される。アルゴン中性原子ビームの照射時間は、たとえば、１０秒から１８００秒、特に好ましくは１０秒から３０秒程度である。ビーム照射部１４０に印加される電圧は、たとえば、０．１〜３．０ｋＶであり、プラズマ電流は、たとえば、１ｍＡ〜５Ａ程度である。ただし、印加電圧およびプラズマ電流は、使用するビーム照射部１４０の種類に依存する。
【００５９】
表面が活性化された基板８００ａは、大気中に露出されることなく次の反転・アライメント室２００へ移送される（図２参照）。反転・アライメント室２００では、反転機構２２０により、基板８００ａは上下逆向きになるように１８０度反転され、この反転された状態でチャック機構２３０によりチャックされる。
【００６０】
次に、同様に表面が活性化された他方の基板８００ｂが、大気中に露出されることなく、反転・アライメント室２００へ移送される。この結果、基板８００ａと基板８００ｂとは、それぞれの活性化された接合面が向き合った状態となり、この状態で面内方向での位置が調整され、重ね合わされる。
【００６１】
この基板８００ａおよび基板８００ｂが、接合面を重ね合わされた状態になった後、図４に示されるように、仮接合機構２６０である仮押さえピン２６１を基板８００に向かって突き立てる。この結果、基板８００の中央近傍の少なくとも一点に集中荷重がかかる。なお、この仮接合時点では、本接合の場合と異なり、小さい荷重をかければ十分であり、基板８００の破損は問題とならない。
【００６２】
基板８００の少なくとも一点に集中荷重がかかると、基板８００ａと基板８００ｂの夫々の表面間にファンデルワールス力が生じ、その集中荷重点を中心にして、仮接合される範囲が順次に外側へ広がり、仮接合が終了する。
【００６３】
そして、仮接合された基板８００は、大気中に露出されないまま、図５および図６に示される加重室３００に搬送される。基板８００は一組のワークローラ３１０ａ、３１０ｂの間に挟み込まれ、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂの回転に伴って移動する。この際、シリンダ３８０が駆動され、昇降板３５０が降下することによって、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂは所定の加重を基板８００に加える。
【００６４】
この際にワークローラ３１０ａへの力は、ワークローラ３１０ａの端部から伸延したローラ軸３２０ａを介して伝達される。また、ワークローラ３１０ａへの力は、ワークローラ３１０ａの端部から伸延したローラ軸３２０ａを介して伝達される（たとえば、図７（Ｂ）参照）。したがって、通常の円柱状のワークローラを用いた場合には、ワークローラの中央部に比べて端部側において、より高い圧力が加わり、圧力の不均一性が生じる。
【００６５】
一方、本発明においては、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂが鼓形状をしており、押圧時には押圧面が略扁平になる。したがって、端部にテーパが設けられている分だけ端部側の圧力が中央部の圧力に比べて相対的に弱まる。この結果、押圧時の圧力の不均一性を是正し、均等な圧力を加えることができる。
【００６６】
図１１に、円柱型ワークローラ（フラット形状）を用いた場合の圧力分布（白丸）と本実施の形態の鼓形状のワークローラを用いた場合の圧力分布（黒四角）を示す。なお、図１１に示される縦軸は、圧力（ＭＰａ）を示し、横軸は、ワークローラの端部からの距離（ｍｍ）を示す。なお、図１１は、加重１０１２ｋｇ重で、８インチシリコンウェハを挟み込んで押圧した場合を示している。図１１に示されるように、本実施の形態のように鼓形状のワークローラを表面活性化接合に適用することによって、押圧時の圧力の不均一性を是正し、均等な圧力を加えることができることがわかる。
【００６７】
以上のとおり、本実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
【００６８】
（イ）ワークローラ３１０ａ、３１０ｂによって、基板の接合面同士を重ね合わせた状態で前記複数の基板を挟み込んで押圧して前記複数の基板同士を直接的に表面活性化接合するので、半導体またはセラミックスからなる複数の基板同士を接合する際にも、基板全体を均等に加重することができる。しかも、剪断応力により基板に加重をかけるため、基板の全面積で加重を受ける面圧接方式に比べて少ない加重量で接合面を密着できる。半導体やセラミックス基板を硬くて割れやすいため、ワークローラを鼓形状としたことで、割れなくなっている。
【００６９】
（ロ）ワークローラ３１０ａ、３１０ｂが略鼓形状をしており、基板を押圧する際に押圧面が略扁平となるので、表面活性化接合の際に、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂの端部側の圧力と中央側の圧力とに違いが生じることを防止し、均一な圧力で基板を押圧することができる。したがって、半導体またはセラミックスからなる破損しやすい基板を表面活性化接合する際にも、基板が破損されることが防止される。
【００７０】
（ハ）特に、前記鼓形状のワークローラ３１０ａ、３１０ｂを構成する円柱状部分の大径ｄ１と円錐台状部分の端部小径ｄ２との差であるδと、ローラによる基板への加重量Ｇ（ｋｇ重）とが、０．０２Ｇ≦δ≦０．０１５Ｇ＋１５の関係にあり、前記ワークローラの軸方向の長さＬ１に対する円柱状部分の軸方向の長さＬ２の比率が０．７５以下である場合には、シリコンウェハなどの基板を張り合わせる際に、基板を破損することが防止される。
【００７１】
（ニ）さらに、基板の中央近傍の少なくとも一点に集中荷重をかけて仮接合するための仮接合機構２６０を設ける場合には、アライメントの後、本接合前に、基板同士が相対的にずれるのを防止することもできる。
【００７２】
（第２の実施形態）
本実施形態に係る基板接合装置は、第１の実施形態の場合と比べて加重室３００の構成が異なり、他の構成は上記の第１の実施形態の場合と同様である。したがって、同様の部材についての説明は省略し、同様の部材については同じ符号を付して説明する。
【００７３】
本実施の形態では、第１の実施形態における略鼓形状のワークローラ３１０ａ、３１０ｂに加えて、当該ワークローラ３１０ａ、３１０ｂを背面側から押圧するためのバックアップローラを設けたことを特徴とする。
【００７４】
図１２は、本実施の形態におけるバックアップローラを模式的に示した図である。上側ワークローラ３１０ａの背面側には、２つの上側バックアップローラ７１１ａおよび７１２ａが上側ワークローラ３１０ａと独立して設けられている。同様に下側ワークローラ３１０ｂの背面側にも、２つの下側バックアップローラ７１１ｂおよび７１２ｂが独立して設けられている。なお、各バックアップローラ７１１ａ、７１２ａ、７１１ｂ、７１２ｂの径は、上側ワークローラ３１０ａ、や下側ワークローラ３１０ｂの径と比べて、大きいことが望ましい。
【００７５】
図１に示される第１実施の形態とは異なり、本実施の形態では、上側バックアップローラ７１１ａ、７１２ａのそれぞれの端部から伸延されたバックアップローラ軸（不図示）が上側ローラ支持ブラケット３３０ａに回転自在に取付けられている。一方、上側ワークローラ３１０ａは、図示していないバネ等の弾性体によって上記ローラ支持ブラケット３３０ａに吊持され、上側バックアップローラ７１１ａ、７１２ａの下端に置かれる。
【００７６】
同様に下側バックアップローラ７１１ｂ、７１２ｂのそれぞれの端部から伸延されたバックアップローラ軸（不図示）が下側ローラ軸ブラケット３３０ｂに回転自在に取付けられている。そして、下側ワークローラ３１０ｂは、図示していないバネ等の弾性体により、下側バックアップローラ７１１ｂ、７１２ｂの面に当接されている。
【００７７】
以上のような構成において、シリンダ３８０を動作させて、ロッド３７０を下降させると、昇降板３５０に接続された上側ローラ支持ブラケット３３０を介して、上側バックアップローラ７１１ａおよび７１２ａの各端部に力が伝達される。
【００７８】
そして、この上側バックアップローラ７１１ａおよび７１２ａの周面全域により、上側ワークローラ３１０ａの周面全域が力を受け、この結果、上側ワークローラ３１０ａが基板８００ａ、８００ｂを押圧することとなる。同様に、下側ワークローラ３１０ｂは、下側バックアップローラ７１１ｂおよび７１２ｂから周面全域が力を受け、基板８００ａ、８００ｂを押圧することとなる。この結果、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂの端部側へ伝達される力が強くなることが軽減されて、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂに均等に力が伝達される。
【００７９】
なお、本実施の形態では、一つのワークローラあたり二つのバックアップローラを用いる場合を説明したが、バックアップローラの数はこの場合に限定されず、一つ以上のバックアップローラを用いればよい。また、ワークローラの背面に一つ以上のバックアップローラが置かれていればよく、複数段のバックアップローラを設けてもよい。
【００８０】
したがって、本実施の形態の基板接合装置によれば、上記の第１実施の形態における（イ）〜（二）の効果に加えて、さらに次の効果が得られる。
【００８１】
（ホ）ワークローラ３１０ａ、３１０ｂの端部と中央部とが同様に力を受けて、基板８００を押圧することができるので、基板８００に加わる圧力が均一になり、特に、半導体またはセラミックスからなる破損しやすい基板を表面活性化接合する際にも、基板が破損されることが防止される。
【００８２】
（第３の実施形態）
本実施形態に係る基板接合装置は、第１および第２の実施形態の場合と比べて加重室３００の構成が異なり、他の構成は上記の第１の実施形態の場合と同様である。したがって、同様の部材についての説明は省略し、同様の部材については同じ符号を付して説明する。
【００８３】
基板８００ａ、８００ｂを本接合する際に、基板８００ａ、８００ｂがワークローラ３１０ａ、３１０ｂに対して相対的に移動するのに伴って、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂが基板８００ａ、８００ｂに接している部分の長さ（以下、「加圧長さ」と呼ぶ）が変化する。なお、加圧長さは、基板を押圧している部分の長さに対応する。
【００８４】
本実施の形態では、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂによって基板８００ａ、８００ｂが押圧される力を調節し、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂによって基板８００ａ、８００ｂに加えられる圧力を略一定とする制御手段を有することを特徴とする。
【００８５】
図１３は、本実施形態に係る基板接合装置の制御システムの概略構成を示すブロック図である。
【００８６】
本実施形態の基板接合装置１０は、加重室３００のシリンダ３８０に加重量を制御する制御部３８１と、基板８００ａ、８００ｂとワークローラ３１０ａ、３１０ｂとの相対的な位置関係を測定するセンサ３８２と、事前に基板の寸法を入力するための操作部３８３と、を有する。
【００８７】
制御部３８１は、センサ３８２による基板とワークローラ３１０ａ、３１０ｂとの相対的な位置関係の測定結果と、操作部３８３によって入力された基板８００ａ、８００ｂの寸法とに基づいて、加圧長さを算出する機能を有する。制御部３８１は、算出された加圧長さに応じて、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂが基板を押圧する力を調整し、接合面内で加わる圧力を略一定とする機能を有する。
【００８８】
図１４は、基板８００ａ、８００ｂとして略円形をした半導体ウェハを用いて、この半導体ウェハ同士を表面活性化接合する場合を示している。図１４に示されるように、基板８００ａ、８００ｂの半径をｒとし、基板８００ａ、８００ｂの中心位置からワークローラ３１０ａ、３１０ｂの軸中心までの距離をｘとし、基板の加圧長さをＬとする。
【００８９】
まず、基板の半径ｒは、操作部３８３などによって事前に設定される。なお、画像処理などを用いて、基板の半径ｒを自動的に測定することもできる。また、制御部３８１は、センサ３８２による基板８００ａ、８００ｂとワークローラ３１０ａ、３１０ｂとの相対的な位置関係の測定結果に基づいて、基板８００ａ、８００ｂの中心位置からワークローラ３１０ａ、３１０ｂの軸中心までの距離ｘを取得する。
【００９０】
次に、制御部３８１は、基板８００ａ、８００ｂの半径ｒと、基板８００ａ、８００ｂの中心位置からワークローラ３１０ａ、３１０ｂの軸中心までの距離ｘとを用いて、加圧長さＬを求める。図１４の場合には、基板が略円形形状をしているので、幾何学的な計算によって、加圧長さＬは、次の式（１）で与えられる。
【００９１】
【数３】

【００９２】
そして、得られた加圧長さＬに応じて、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂが基板を押圧する力が調整される。好ましくは、制御部３８１は、得られた加圧長さＬに比例するように力を調整する。すなわち、Ｐ₀を定数とすると、押圧する力Ｇは、次の式（２）で制御される。
【００９３】
【数４】

【００９４】
この結果、加圧長さＬが長い場合には、比較的強い力で押圧することになり、加圧長さＬが短い場合には、比較的弱い力で押圧することになる。そして、式（２）の力で押圧することによって、基板表面内に加えられる圧力を略一定とすることができる。なお、ここでは、押圧時には、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂは、基板に対して線接触しているものとしている。
【００９５】
なお、基板８００ａ、８００ｂが半導体ウェハである場合には、面方位を示すために円周の一部に切り欠きが設けられていることが多い。したがって、画像処理技術を用いて切り欠きの方向を確認し、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂの軸線とが平行になるように、基板８００ａ、８００ｂの向きを合わせた上で、式（２）に示される制御を実行してもよい。
【００９６】
以上のとおり、本実施の形態によれば、上述した第１および第２実施形態による（イ）〜（ホ）の効果に加えて、さらに次の効果が得られる。
【００９７】
（ヘ）半導体ウェハのような略円形状の基板をローラ３１０で押圧して表面活性化接合する際にも、接合面内で加わる圧力を略一定とすることができる。この結果、基板の面内全域にわたって確実に表面活性化接合することができる。また、面内で不均一な圧力が加わることによる基板の破損を防止することができる。
【００９８】
（ト）特に、ワークローラ３１０ａ、３１０ｂの形状を略鼓型形状とするとともに、加圧長さに基づく制御を実行することによって、その相乗効果として、接合すべき基板８００のすべての領域において、一定の圧力を加えることができる。
【００９９】
以上のとおり、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、これらの場合に限られず、当業者によって、種々の省略、追加、および変形が可能である。たとえば、図１５（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、バッファの働きを有する板材８３０ａおよび／または板材８３０ｂを介して、基板８００ａ、８００ｂをワークロール３１０ａ、３１０ｂで挟み込んで押圧してもよい。
【０１００】
半導体またはセラミックスからなる複数の基板同士の接合のように、圧延性を期待できない基板に対して、基板を押圧する際に押圧面が扁平となる鼓形状のワークローラによる加圧処理を適用した点は、従来にない新たな特徴点の一つである。
【０１０１】
【発明の効果】
請求項１および請求項１０に記載の発明によれば、半導体またはセラミックスからなる複数の基板同士を表面活性化接合する際にも、ワークローラによって加圧することができ、基板全体に均一に圧力を加えることができる。
【０１０２】
また、半導体またはセラミックスからなる複数の基板を挟み込んで押圧して前記複数の基板同士を表面活性化接合するために、押圧時に押圧面が扁平となる鼓形状のワークローラを有するので、表面活性化接合の際の荷重分布を均等とし、基板に加えられる圧力を均一にすることができ、基板の破損を防止しつつ基板を接合することができる。
【０１０３】
請求項２および請求項３に記載の発明によれば、本来的には押圧時の圧力が高くなりやすいワークローラ両端部による圧力を軽減して、均等な圧力で押圧することができるので、破損しやすいシリコン基板を表面活性化接合する場合にも、基板の破損が防止される。
【０１０４】
請求項４に記載の発明によれば、前記鼓形状のワークローラを前記基板の背面側から押圧する少なくとも一つのバックアップローラを設置するので、さらに、基板を押圧する荷重分布を均等とすることができ、基板の破損を防止しつつ基板を接合することができる。特に、請求項５に記載の発明のように、バックアップローラの径をワークローラの径よりも大きくする場合には、その効果が高い。
【０１０５】
請求項６および請求項１１に記載の発明によれば、接合面同士を重ね合わせた状態で、基板の中央近傍の少なくとも一点に集中荷重をかけて前記複数の基板同士を仮接合するので、本接合前における基板の位置ずれを防止することができる。
【０１０６】
請求項７および請求項１２に記載の発明によれば、前記ワークローラに対する基板の相対的な移動に伴って、前記ワークローラが基板に接している領域の長さが変化するのに応じて、前記ワークローラが基板を押圧する力を調節し、前記ワークローラによって基板に加えられる圧力を一定とするので、基板の形状によらず、一定の圧力で押圧することができ、しかも、剪断応力により基板に加重をかけるため、基板の全面積で加重を受ける面圧接方式に比べて少ない加重量で接合面を密着でき、基板の破損を防止することができる。特に、ワークローラの形状を鼓型形状とするとともに、上記の領域の長さに基づく制御を実行することによって、その相乗効果として、接合すべき基板のすべての領域において、一定の圧力を加えることができる。
【０１０７】
請求項８に記載の発明によれば、半導体ウェハのような円形状の基板を押圧して表面活性化接合する際にも、接合面内で加わる圧力を略一定とすることができる。
【０１０８】
請求項９に記載の発明によれば、板材がバッファとして働き、基板の破損をさらに防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る基板接合装置の概略構成を示す上面図である。
【図２】第１実施形態に係る基板接合装置の概略構成を示す側面図である。
【図３】図１に示される照射部の一例を示す図である。
【図４】図１に示される反転・アライメント室内の仮接合機構の概略構成を示す図である。
【図５】図１に示される加重室の正面方向からみた断面図である。
【図６】図１に示される加重室の側面方向からみた断面図である。
【図７】図５に示されるワークローラの概略形状を示す図である。
【図８】図６に示されるワークローラの形状を説明するための図である。
【図９】図６に示されるワークローラの寸法関係を示したグラフである。
【図１０】図６に示されるワークローラの形状を説明するための図である。
【図１１】円柱状のワークローラで押圧した場合と鼓形状のワークローラで押圧した場合のそれぞれの圧力分布の一例を示すグラフである。
【図１２】第２実施形態に係る基板接合装置におけるバックアップローラの概略構成を示す図である。
【図１３】第３実施形態に係る基板接合装置の制御システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示される基板接合装置を用いて、半導体ウェハを接合する場合の処理内容を説明する図である。
【図１５】板材を介して基板を押圧する場合の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０…基板接合装置、
１００…照射室（真空チャンバ）、
１４０、９４０…ビーム照射部（ビーム照射手段）、
２００…反転・アライメント室、
２６０…仮接合機構、
３００…加重室、
３０１…真空チャンバ、
３１０ａ…上側ワークローラ、
３１０ｂ…下側ワークローラ、
３１１…中央部、
３１２…円錐台部分、
３８１…制御部（制御手段）、
７１１ａ、７１２ａ…上側バックアップローラ、
７１１ｂ、７１２ｂ…下側バックアップローラ、
８００ａ、８００ｂ…基板、
８１０ａ、８１０ｂ…島状の金属薄膜、
９４１…ビーム源、
９４２…金属製グリッド。

Claims

半導体またはセラミックスからなる複数の基板同士を接合する基板接合装置であって、
基板が搬入される真空チャンバと、
前記真空チャンバ内で各基板の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を照射するビーム照射手段と、
基板の接合面同士を重ね合わせた状態で前記複数の基板を挟み込んで押圧して前記複数の基板同士を表面活性化接合するための少なくとも一組のワークローラと、を有し、
前記ワークローラが鼓形状をしており、基板を押圧する際に押圧面が扁平となることを特徴とする基板接合装置。
前記鼓形状のワークローラは、中央の円柱状部分と、その両側に位置する円錐台状部分とを有し、
円柱状部分の大径ｄ１と円錐台状部分の端部小径ｄ２との差であるδ（μｍ）と、ワークローラによる基板へ加える力Ｇ（ｋｇ重）とが、
０．０２Ｇ≦δ≦０．０１５Ｇ＋１５の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の基板接合装置。
前記鼓形状のワークローラは、中央の円柱状部分と、その両側に位置する円錐台状部分とを有し、
前記ワークローラの軸方向の長さＬ１に対する前記中央の円柱状部分の軸方向の長さＬ２の比率が０．７５以下であることを特徴とする請求項１に記載の基板接合装置。
前記ワークローラを前記基板の背面側から押圧する少なくとも一つのバックアップローラを設置したことを特徴とする請求項１に記載の基板接合装置。
前記バックアップローラの径は、前記ワークローラの径よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の基板接合装置。
さらに、前記基板接合装置は、接合面同士を重ね合わせた状態で、基板の中央近傍の少なくとも一点に集中荷重をかけて前記複数の基板同士を仮接合するための仮接合手段を有し、前記ワークローラは、仮接合された基板を押圧することを特徴とする請求項１に記載の基板接合装置。
前記ワークローラに対する基板の相対的な移動に伴って、前記ワークローラが基板に接している領域の長さが変化するのに応じて、前記ワークローラが基板を押圧する力を調節し、前記ワークローラによって基板に加えられる圧力を一定とする制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の基板接合装置。
前記基板は、円形状の半導体ウェハであり、
前記制御手段は、半導体ウェハの半径をｒ、前記半導体ウェハの中心から前記ワークローラまでの変位をｘ、所定の定数をＰ_０としたとき、ワークローラは、

で与えられる力Ｇで押圧することを特徴とする請求項１に記載の基板接合装置。
前記ワークローラは、板材を介して基板を挟み込んで押圧することを特徴とする請求項１に記載の基板接合装置。
半導体またはセラミックスからなる複数の基板同士を接合する基板接合方法であって、
真空中で各基板の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を照射する照射段階と、
基板の接合面同士を重ね合わせた状態で、押圧時に押圧面が扁平となる鼓形状のワークローラにより前記複数の基板を挟み込んで押圧して、複数の基板同士を表面活性化接合する本接合段階と、を有することを特徴とする基板接合方法。
さらに、前記本接合段階の前に、基板の中央近傍の少なくとも一点に集中荷重をかけて仮接合するための仮接合段階を有することを特徴とする請求項１０に記載の基板接合方法。
前記本接合段階では、前記ワークローラに対する前記基板の相対的な移動に伴って、前記ワークローラが基板に接している領域の長さが変化するのに応じて、前記ワークローラによって基板が押圧される力を調整して、前記ワークローラによって基板に加えられる圧力を一定とすることを特徴とする請求項１０に記載の基板接合方法。