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JP3848989B2 - 基板接合方法および基板接合装置 - Google Patents

基板接合方法および基板接合装置 Download PDF

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JP3848989B2 JP2003137882A JP2003137882A JP3848989B2 JP 3848989 B2 JP3848989 B2 JP 3848989B2 JP 2003137882 A JP2003137882 A JP 2003137882A JP 2003137882 A JP2003137882 A JP 2003137882A JP 3848989 B2 JP3848989 B2 JP 3848989B2
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Landscapes

  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２以上の基板同士を表面活性化接合する基板接合方法および基板接合装置に関する。
【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。表面活性化接合では、真空中において不活性ガスを基板の接合面に照射して不純物を取り除いて、ダングリングボンドを剥き出しの状態（表面が活性化した状態）とした後に、これら基板の接合面同士を重ね合わせて複数の基板を互いに接合する。
【０００３】
たとえば、シリコンウェハ同士を接合するのに先立って、シリコンウェハの接合面に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して、シリコンウェハ表面の不純物を取り除くことによって、常温でシリコンウェハ同士を接合する技術が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００４】
このような表面活性化接合技術は、ハンダ付けなどの他の基板接合技術に比べて、低温度での処理が可能であることから、種々の材料の基板への適用が期待されている。
【０００５】
しかしながら、従来の表面活性化接合技術は、金属および半導体を低温度処理を用いて接合することができるものの、クオーツ、酸化珪素、窒化珪素、サファイア、ＬｉＮｂＯ3、またはその他のイオン性結晶で表面が構成される基板の接合への適用が難しく、表面がこれらの材料からなる基板同士を低温度処理を用いて接合することが難しかった。
【０００６】
たとえば、光学素子や光学フィルタの作製の際にクオーツ基板同士を接合する際に表面活性化接合技術を適用することが困難であった。また、表面に金属電極層が設けられており絶縁層（酸化珪素や窒化珪素）で保護されている状態の半導体回路基板を接合して立体構造をもった新たなタイプの電子デバイスを作製する際に、表面活性化接合技術を適用することが困難であった。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−９２７０２号公報
【０００８】
【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、従来の表面活性化接合が難しかったイオン性結晶等からなる基板同士を低温度での処理により接合することができる新たな表面活性化接合技術を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、表面の多くが絶縁膜で覆われており表面に金属電極層が設けられた半導体基板同士を接合するのに適した表面活性化接合技術を提供することである。
【００１０】
【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。
【００１１】
本発明の基板接合方法は、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と、金属イオンビームまたは金属中性原子ビームとを同時に照射することによって、前記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によって前記基板表面が削り取られる作用と前記金属イオンビームまたは金属中性原子ビームによって金属原子が堆積する作用との均衡により、各基板の接合面上に１ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚の金属薄膜を形成する段階と、各基板の接合面同士を重ね合わせることによって前記金属薄膜を媒体として前記基板同士を表面活性化接合する段階と、を有することを特徴とする。
【００１２】
形成される上記の金属薄膜は、島状の金属薄膜である。
【００１４】
上記の基板同士を表面活性化接合する段階は、前記各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する段階を含む。
【００１５】
さらに、上記の基板接合方法は、前記島状の金属薄膜を媒介として表面活性化接合された基板を加熱して、前記金属薄膜を基板と反応させて拡散させる段階を有する。
【００１６】
さらに、上記の基板接合方法は、前記島状の金属薄膜を媒介として表面活性化接合された基板を加熱して、前記島状の金属薄膜を連続した薄膜に変化させる段階を有する。
【００１８】
上記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を発生させるビーム源への印加電圧は、５０Ｖ〜５００Ｖである。
【００１９】
上記の基板は、半導体基板、セラミックス基板、ガラス基板、またはプラスチック基板である。
【００２０】
上記の基板は、表面に絶縁膜および金属電極層が形成されている半導体回路基板である。
【００２１】
本発明の基板接合装置は、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と、金属イオンビームまたは金属中性原子ビームとを同時に照射して、前記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によって前記基板表面が削り取られる作用と前記金属イオンビームまたは金属中性原子ビームによって金属原子が堆積する作用との均衡により、各基板の接合面上に１ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚の金属薄膜を形成するビーム照射手段と、を有し、各基板の接合面同士を重ね合わせることによって前記金属薄膜を媒介として前記基板同士を表面活性化接合することを特徴とする。
【００２２】
形成される上記の金属薄膜は、島状の金属薄膜である。
【００２３】
上記のビーム照射手段は、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発生させるビーム源と、当該ビーム源の開口部に設けられた金属製グリッドとを有し、前記金属イオンビームまたは金属中性原子ビームは、前記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前記金属製グリッドに衝突することによって発生する。
【００２４】
上記の基板接合装置は、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する少なくとも一組のローラを有する。
【００２５】
上記の基板接合装置は、さらに、前記島状の金属薄膜を媒介として前記基板同士を表面活性化接合した基板を加熱する加熱手段を有する。
【００２６】
【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。
【００２７】
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と、金属イオンビームまたは金属中性原子ビームとを同時に照射して、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によって基板表面が削り取られる作用と金属イオンビームまたは金属中性原子ビームによって金属原子が堆積する作用との均衡により、各基板の接合面上に膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の金属薄膜を作成し、この金属薄膜を媒介として基板同士を表面活性化接合するものである。特に、基板接合装置は、真空チャンバ内で、各基板の接合面上に島状の金属薄膜を作製するものである。
【００２８】
図１は、本実施形態に係る基板接合装置の概略を示す図である。なお、本実施の形態において接合される基板８００は、たとえば、半導体基板、セラミックス基板、ガラス基板、プラスチック基板、または、その他のイオン性結晶の基板である。基板８００が、半導体基板である場合には、基板８００の表面に絶縁膜および金属電極層が形成されている半導体回路基板であってもよい。
【００２９】
本実施形態に係る基板接合装置１０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するための照射室１００と、照射室１００で処理された基板同士を接合するための加重室２００と、を有する。
【００３０】
照射室１００は、真空チャンバを構成しており、照射室１００内部は、真空ポンプ１０１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には、基板８００の取り出し口１０２が設けられており、この取り出し口は、扉１０３によって開閉可能である。照射室１００内には、基板８００を保持するための基板保持部材１０４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１０４によって保持される。なお、照射室１００内への基板８００の搬入は、図示しないロボットなどの搬入装置によって搬入されてもよい。
【００３１】
照射室１００内には、ビーム照射部３００が設けられている。ビーム照射部３００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と、金属イオンビームまたは金属中性原子ビームとを共に照射して基板８００の接合面上に島状の金属薄膜を形成するためのものである。具体的には、ビーム照射部３００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するためのビーム源３０１と、その開口部に設けられた金属製のグリッド３０２とを有する。
【００３２】
ビーム源３０１は、ビーム照射部３００の本体であり、電圧が印加される電極を有する。ビーム源３０１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。なお、このアルゴンイオンなどの不活性ガス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、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もよい。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中性原子ビームが基板８００の表面に照射されてもよい。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、ビーム源３０１への印加電圧、すなわち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に与えられるエネルギーが通常の表面活性化接合装置の場合に比べて低いことを除いて、ビーム源３０１自体の構成は、従来から市販されているものと同様である。したがって、ビーム源３０１についての詳しい説明は省略する。
【００３３】
ビーム源３０１の開口部に設けられたグリッド３０２は金属によって構成されている。具体的には、グリッド３０２は、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、または金（Ａｕ）などの金属で構成されている。ビーム源３０１で発生した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の一部は、グリッド３０２に衝突し、グリッド３０２の一部をスパッタリングする。そして、スパッタリングされた金属原子が基板８００上へ照射される。このように、グリッド３０２は、ビーム源３０１から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を受けることによって金属イオンビームまたは金属中性原子ビームを発生して、基板８００上へ照射する機能を有する。
【００３４】
次に、加重室２００を説明する。加重室２００は、真空チャンバを構成しており、真空ポンプ２０１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。加重室２００と照射室１００とは、搬入口２０２を通じて連通している。照射室１００内において、それぞれの接合面に島状の金属薄膜が形成された一対の基板８００ａ、８００ｂが加重室２００に搬入される。この搬入の際に、一方の基板８００ａは、接合面が他方の基板８００ｂへ向くように反転される。この結果、一対の基板８００ａ、８００ｂ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と金属イオンビームまたは金属中性原子ビームとが照射されている接合面同士を接触するように重ね合わされる。
【００３５】
加重室２００には、接合機構が設けられている。本実施の形態では、接合機構は、一組のワークローラ２０３ａ、２０３ｂで構成される。ワークローラ２０３ａ、２０３ｂは、接合面同士が重ね合わされた一対の基板８００ａ、８００ｂを押圧する。この結果、基板８００ａ、８００ｂ同士が島状の金属薄膜を介して表面活性化接合される。なお、加重室２００には、基板８００ａ、８００ｂを加熱するための加熱手段であるヒータ２０４が設けられていてもよい。
【００３６】
なお、接合機構の省スペース化を図りつつ基板８００ａ、８００ｂ全体に対して必要十分な加重を加える見地からは、接合機構としてワークローラを用いることが望ましいが、本実施の形態と異なり、ワークローラ以外の接合機構を用いてもよい。また、接合機構は、加重室２００に設けるのではなく、照射室１００内に設けられていてもよい。この場合は、加重室２００を別途用意する必要はない。
【００３７】
図２は、以上のように構成される基板接合装置１０における照射室１００内での作用を説明するための模式図である。図２では、基板８００として、表面に酸化珪素層（ＳｉＯ2層）が形成されたシリコン基板を用いており、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して、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用いている。なお、図２では、グリッド３０２が鉄（Ｆｅ）で構成されている場合を例にとって説明する。
【００３８】
まず、ビーム源３０１の電極３０３に電圧を加えてエネルギーを与えることによって、アルゴンイオンビームが発生する。アルゴンイオンは、電極と開口部との間の電位差に基づく電界によって移動し、一部は、途中で中性化されてアルゴン中性原子ビームとなり、ビーム源３０１の外部へ放出される。この結果、アルゴンイオンビームとアルゴン中性原子ビームが、基板８００の表面へ照射される。また、アルゴンイオンの一部は、鉄で構成されたグリッド３０２に衝突する。この結果、鉄原子がスパッタリングされて、微量の鉄イオンビームまたは鉄中性原子ビームも基板８００の表面へ照射される。このように、不活性ガスイオンビームであるアルゴンイオンビームまたは不活性ガス中性原子ビームであるアルゴン中性原子ビームと、金属イオンビームである鉄イオンビームまたは金属中性原子ビームである鉄中性原子ビームとが、同時に基板８００の表面へ照射される。
【００３９】
照射されたアルゴンイオンビームまたはアルゴン中性原子ビームは、基板表面（この場合は、ＳｉＯ２層）の一部を削り取り、クリーニングする。この点は、通常の表面活性化処理の場合と同様である。一方、基板表面のクリーニングと同時に、微量の鉄原子（金属原子）が基板表面に堆積して、最終的に島状の鉄薄膜（金属薄膜）が基板表面に残る。この点は、通常の表面活性化処理の場合と比べて大きく異なる。すなわち、通常の表面活性化処理では、グリッドを構成する物質が基板８００の表面へ残留しないことが望まれており、通常の表面活性化処理では、アルゴンイオンビームへ比較的高いエネルギーを与えることによって、基板８００の表面上にあるすべての物質を除去する作用を有する。これに対し、本実施形態の表面活性化処理の場合には、通常の表面活性化処理に比べて、アルゴンイオンビームへ与えられるエネルギーをあえて低くする。この結果、金属原子の一部を基板８００の表面上に残留させる。この点は、本実施形態の基板接合処理の特徴の一つである。すなわち、本実施形態の表面活性化処理では、ビーム源３０１への印加電圧を調整することによって、アルゴンイオンビームによって基板８００の表面の一部が削り取られる作用と、基板８００の表面へ金属原子が堆積する作用との均衡が得られる。この結果、所定の膜厚（たとえば、数ｎｍオーダー）を有する島状の金属薄膜が形成される。具体的には、ビーム源３０１に印加される電圧は、５０Ｖ〜５００Ｖであることが望ましい。ただし、印加される電圧は、装置にかなり依存することはもちろんである。また、アルゴンイオンビームの照射時間は、１秒〜３０分である。この結果、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚を持った島状の金属薄膜が形成され、より好ましくは、数ｎｍ程度の膜厚を持った金属薄膜が形成される。このように、膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の金像薄膜を接合面に形成して、表面活性化接合する点は、本実施の形態の基板接合処理の特徴である。
【００４０】
図３は、本実施の形態の基板接合装置１０を用いた基板接合方法の処理過程を模式的に示す図である。
【００４１】
図３（Ａ）では、各基板８００ａ、８００ｂの接合面へ真空中で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することによって、それぞれの接合面上に島状の金属薄膜８１０ａ、８１０ｂが形成されている状態を示している。すなわち、図３（Ａ）の過程では、基板８００の表面を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によるクリーニングと、金属イオンビームまたは金属中性原子ビームによる金属の蒸着とが同時に行われる。
【００４２】
図３（Ｂ）では、互いの接合面を接触させて、複数の基板８００ａと８００ｂを重ね合わせる。この結果、島状の金属薄膜８１０を媒介として、基板８００ａと８００ｂとが表面活性化接合される。すなわち、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による表面活性化の効果によって、基板８００ａと島状の金属薄膜８１０ａとの間、金属薄膜８１０ａと金属薄膜８１０ｂとの間、金属薄膜８１０ｂと基板８００ｂとの間、金属薄膜８１０ａと基板８００ｂとの間、および基板８００ａと金属薄膜８１０ｂとの間で、それぞれ表面活性化接合が生じ、全体として基板８００ａと８００ｂとが接合される。なお、図３（Ｂ）の処理は、低温度で行われる。実際の処理温度は、基板８００ａ、８００ｂの性質や仕様に応じて設定される。具体的には、ハンダ付け温度よりも低くする必要がある場合には、たとえば、２００℃以下の温度で処理される。また、基板８００ａ、８００ｂが圧電性のセラミックスなどの場合には、キュリー温度以下の温度、たとえば１５０℃以下の温度で処理される。基板８００ａ、８００ｂがガラス基板であれば、たとえば、５００℃以下の温度で処理される。この図３（Ｂ）の段階で、本実施の形態の基本的な処理は完了する。
【００４３】
図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）の処理の後に実行することができる付加的なアニール処理を示している。図３（Ｃ）に示される段階では、ヒータ２０４は、島状の金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを媒介として表面活性化接合された基板８００ａ、８００ｂを加熱して、島状の金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを連続した薄膜８２０に変化させる。たとえば、光学素子基板同士の接合では、界面での光の散乱を防ぐために、島状の金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを連続した薄膜８２０に変化させる処理が有効である。
【００４４】
また、島状の金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを媒介として表面活性化接合された基板８００ａ、８００ｂを加熱して、金属薄膜８１０ａ、８１０ｂと基板８００ａ、８００ｂとを拡散反応させてもよい。たとえば、加熱によって、金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを構成する金属原子が基板側へ拡散される。この結果、基板接合の強度が高くなる。なお、図３（Ｃ）の処理は、基板８００ａ、８００ｂの性質や仕様に基づいて、必要に応じて実行すればよい。
【００４５】
なお、金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを、島状に形成することなく、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度、さらに好ましくは１ｎｍ〜５ｎｍの膜厚をもって連続的な状態に形成した場合には、当初から図３（Ｃ）と同様の状態が得られる。この場合、膜厚の範囲は、基板の透過特性に応じて、光の透過深さ以下となるように設定することが望ましい。
【００４６】
図４は、本実施の形態の基板接合装置を用いて、クオーツ基板同士を接合した場合の高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）像を示す。なお、図４に示される試料は、鉄（Ｆｅ）製のグリッド３０２を使用して接合された。図４に示される試料は、室温で表面活性化接合した後、大気圧の下、空気中で加熱処理（アニール）された。アニール条件は、温度７７３Ｋ（１０４６℃）で１時間とした。図４の上側の黒く表示されている領域が基板８００ａであり、その下側の領域が基板８００ｂである。なお、基板８００ａ、８００ｂの接合面近傍には、１００ｎｍ程度のアモルファス層が形成されている。エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）による検出によって、基板８００ａと８００ｂとの接合面で鉄（Ｆｅ）薄膜８２０が形成されていることが確認された。一方、基板８００ａ、８００ｂの内部においては、鉄（Ｆｅ）は検出されなかった。このように、図４に示される試料は、クオーツ／Ｆｅ／クオーツの構造を有し、クオーツ基板とクオーツ基板とが、鉄で構成された金属薄膜を媒介として接合されることが確認された。
【００４７】
なお、基板８００ａと８００ｂとは、同じ材料でなくてもよい。また、金属製のグリッド３０２として鉄（Ｆｅ）以外の物質で構成されたものを採用してもよい。たとえば、図示していないが、金（Ａｕ）製のグリッド３０２を使用することによって、Ｓｉ／Ａｕ／クオーツの構造が形成されることが確認された。このように、シリコン基板とクオーツ基板とが、金で構成された金属薄膜を媒介として接合されることが確認された。また、表面活性化接合の後、５７３Ｋ（８４６℃）でアニールすることによって、金（Ａｕ）がシリコン基板側へ拡散する現象が確認された。
【００４８】
図５および図６は、本実施の形態の基板接合装置を用いて、クオーツ基板上に島状の金属薄膜を形成した場合における透過率と反射率を示す。図５および図６の場合は、低エネルギー条件、具体的には、ビーム源３０１での印加電圧が８０Ｖでありプラズマ電流が３Ａである条件で、ビーム源３０１を使用した。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してアルゴンガスイオンビームまたはアルゴンガス中性原子ビームを用いた。また、グリッド３０２として、鉄製のグリッドを用いた。なお、比較のために、図５および図６には、アルゴンガスイオンビームまたはアルゴンガス中性原子ビームの照射時間が１分の場合と３０分の場合の測定結果を示すとともに、ビームを照射していない場合の測定結果についても示している。なお、照射時間が１分程度であっても、オージェ電子スペクトル分析装置の最小検出限界を超える鉄（Ｆｅ）が存在することが確認され、基板８００の接合面上に極薄い金属薄膜が形成されることが確認されている。
【００４９】
透過率および反射率は、紫外領域から可視光領域の広い範囲において測定された。照射の有無に応じて透過率および反射率の差異が生じたが、照射時間が１分の場合と３０分の場合とでは大きな差異は生じなかった。ただし、アルゴンガス原子ビームの照射時間が３０分の場合には、黒色をした端部（黒色端部）が生じており、この黒色端部の部分の反射率は、他の場合に対して低くなった。したがって、アルゴンガス原子ビームの照射時間は、黒色端部が生じない程度に制限することが望ましい。
【００５０】
図５および図６に示される結果によれば、照射時間が１分から３０分程度の範囲においては、島状の金属薄膜が形成され、この金属薄膜を通じて光が十分に透過できることが理解される。したがって、本実施の形態の基板接合処理によれば、光学素子や光学フィルタの作製の際に透明基板同士を接合した場合であっても、基板同士の間に介在する金属薄膜が十分に薄いので、基板における光の透過性をあまり損ねることない。また、金属薄膜が島状でない場合であっても、光の透過深さよりも薄い金属薄膜を形成し、この金属薄膜を介して表面活性化接合する場合には、同様の効果を奏することが可能となる。
【００５１】
最後に、表面に絶縁膜および金属電極層が形成されている半導体回路基板同士を接合する場合について説明する。
【００５２】
図７は、半導体回路基板の断面を模式的に示す図であり、本実施の形態における基板接合装置によって半導体回路基板同士を接合する場合の処理内容を模式的に示す。なお、半導体回路基板９００ａと９００ｂとを表面活性化接合する場合を説明する。
【００５３】
半導体回路基板９００ａを例にとると、半導体回路基板９００ａは、シリコン基板９１０ａと、シリコン基板９１０ａの表面に形成された酸化珪素層または窒化珪素層からなる絶縁膜９２０ａと、金属電極層（金属配線層）９３１ａ〜９３３ａを有する。絶縁膜９２０ａは、保護膜として機能する。絶縁膜９２０ａの一部分には、フォトリソグラフィー技術を用いて開口が設けられており、この開口から金属電極層９３１ａ〜９３３ａの一部が露出している。ここで、金属電極層９３１ａ〜９３３ａのピッチは、たとえば、１μｍ〜１０μｍ程度である。半導体基板９００内には、各種の半導体プロセスを用いてｎ型およびｐ型不純物層（不図示）が形成されており、種々の電子回路（不図示）が構成されている。なお、半導体回路基板９００ｂについても、基本的な構成は、半導体回路基板９００ａと同様である。半導体回路基板９００ｂでは、半導体回路基板９００ａ上の金属電極層９３１ａ〜９３３ａと対向する位置に、金属電極層９３１ｂ〜９３３ｂが設けられている。
【００５４】
各半導体回路基板９００ａ、９００ｂの表面上に、夫々、真空中で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が同時に照射して、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によって基板表面が削り取られる作用と金属イオンビームまたは金属中性原子ビームによって金属原子が堆積する作用との均衡により、各半導体回路基板９００ａ、９００ｂの表面には、それぞれ１０ｎｍ以下の膜厚（より好ましくは、数ｎｍオーダー）の膜厚を有する島状の金属薄膜９４０ａ、９４０ｂが形成されている。
【００５５】
位置合わせによって、半導体回路基板９００ａ、９００ｂは、対応する金属電極層９３１ａ〜９３３ａの位置と金属電極層９３１ｂ〜９３３ｂの位置とが一致するように整列される。そして、整列された状態で、金属薄膜９４０ａ、９４０ｂが形成された接合面同士を重ね合わされる。そして、島状の金属薄膜９４０ａ、９４０ｂを媒介として、半導体回路基板９００ａ、９００ｂが表面活性化接合される。表面活性化接合は、低温（たとえば、常温）で実行することができる。この結果、対応する金属電極層９３１ａ〜９３３ａと金属電極層９３１ｂ〜９３３ｂとが電気的に接続される。
【００５６】
図７に示される処理によれば、半導体回路基板９００ａと９００ｂとは、本来であれば表面活性化接合が難しい絶縁膜９２０ａ、９２０ｂが表面に存在するにもかかわらず、低温で接合することができる。また、金属薄膜９４０ａ、９４０ｂは、接合面内で島状に点在しているので、金属電極層９３１ａ〜９３３ａ同士、および金属電極層９３１ｂ〜９３３ｂ同士が短絡する確率は小さい。仮に、金属薄膜９４０ａ、９４０ｂによって、金属電極層９３１ａ〜９３３ａ等が互いに連結されたとしても、金属薄膜９４０ａ、９４０ｂの膜厚が例えば数ｎｍ程度であるので、接合面に沿う方向での電気抵抗が高くなり、金属電極層９３１ａ〜９３３ａ同士、および金属電極層９３１ｂ〜９３３ｂ同士の短絡は問題とならない。なお、金属薄膜９４０ａ、９４０ｂの膜厚が１００ｎｍ以上になると、金属電極層９３１ａ〜９３３ａ同士、および金属電極層９３１ｂ〜９３３ｂ同士が完全に短絡される傾向を示すので、金属膜厚９４０ａ、９４０ｂの膜厚は、１０ｎｍ以下、より好適には、数ｎｍオーダーとすることが望ましい。
【００５７】
以上のとおり、本実施の形態の基板接合装置１０、および図２および図３に示される基板接合方法によれば、以下のような効果を奏することができる。
（イ）各基板８００ａ、８００ｂの接合面に対して、アルゴンガスイオンビーム、および／またはアルゴンガス中性原子ビームと、鉄や金などの金属イオンビームおよび／または金属中性原子ビームとを共に照射して、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によって基板表面が削り取られる作用と金属イオンビームまたは金属中性原子ビームによって金属原子が堆積する作用との均衡により、膜厚数ｎｍ程度の島状の金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを形成し、この島状の金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを媒介として、基板８００ａ、８００ｂ同士を表面活性化接合するので、従来の表面活性化接合技術では接合が難しかったクオーツ、酸化珪素、または窒化珪素などの表面を持つ基板８００ａ、８００ｂ同士を互いに表面活性化接合することができる。また、表面活性化接合を用いているので、ハンダ付け等を用いた基板接合技術と比べて低温での処理が可能となり、たとえば、室温での接合が可能となる。
（ロ）ビーム照射部３００が、アルゴンガスイオンビームおよび／またはアルゴンガス中性原子ビームを照射するためのビーム源３０１と、その開口部に設けられた鉄製や金製の金属製グリッド３０２とを有し、金属イオンビームまたは金属中性原子ビームは、前記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金属製グリッド３０２に衝突することによって発生するので、一つのビーム源３０１（ガン）で、アルゴンイオンビームおよび／またはアルゴン中性原子ビームと、鉄や金などの金属イオンビームまたは金属中性原子ビームを照射することができる。したがって、複数のビーム源を用意する必要がなくなり、省スペース化を実現できる。また、異なる金属で製造されたグリッド３０２を用意しておき、選択的に用いることによって、所望の材料で島状の金属薄膜を作製することができる。さらに、ビーム源と３０１とグリッド３０２との構造上、アルゴンガスイオンビームおよび／またはアルゴンガス中性原子ビームと、鉄や金などの金属イオンビームまたは金属中性原子ビームとは、同時に照射されるので、基板表面のクリーニングと金属のデポジションが同時に実行される。したがって、基板表面および島状の金属薄膜の表面を、十分に活性化することができ、良質な表面活性化接合が可能となる。
（ハ）ビーム源３０１へのエネルギー（たとえば、印加電圧）を高くすると金属薄膜が基板８００の接合面から除去されやすくなり、ビーム源３０１へのエネルギーを低くすると金属薄膜が基板８００の接合面に残存しやすくなる傾向があるので、印加電圧を調整することによって、鉄や金属などの金属薄膜の膜厚を制御することができ、数ｎｍオーダーの島状の金属薄膜を形成することができる。たとえば、ビーム源３０１への印加電圧を調整することによって、基板８００の接合面上の金属がすべて除去されてしまうことを防止し、所望の膜厚の金属薄膜を形成することができる。
（二）また、両基板８００ａ、８００ｂの接合面同士を重ね合わせた状態で挟み込んで押圧するので、基板の全面にわたって必要十分な加重を行うことができ、基板８００ａと８００ｂとを確実に接合することができる。
（ホ）さらに、必要に応じて、島状の金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを媒介として表面活性化接合された基板８００ａ、８００ｂを加熱して、金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを基板８００ａ、８００ｂと反応させて拡散させることによって、基板８００ａと８００ｂの接合強度を高めることができる。
（へ）さらに、必要に応じて、島状の金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを媒介として表面活性化接合された基板８００ａ、８００ｂを加熱して、島状の金属薄膜８１０ａ、８１０ｂを連続した薄膜８２０に変化させることによって、光学素子基板同士を接合した試料における界面での光の散乱を軽減できる。
（ト）島状の金属薄膜の平均膜厚を１ｎｍ〜１０ｎｍとすることによって、たとえば、光学素子や光学フィルタの作製の際に透明基板同士を接合した場合であっても、基板同士の間に介在する金属薄膜が十分に薄いので、基板における光の透過性をあまり損ねることない。また、半導体回路基板同士を接合する場合に、接合面に沿う方向の電気抵抗が高くなるので、金属電極層相互間が短絡することによる影響を軽減することができる。
（チ）特に、表面に金属電極層９３１ａ〜９３３ａ、９３１ｂ〜９３３ｂが設けられており、絶縁層９２０ａ、９２０ｂ（酸化珪素や窒化珪素）で保護されている状態の半導体回路基板９００ａ、９００ｂ同士を、ハンダ付け工程などを用いることなく、互いに接合することができる。したがって、２以上の複数の半導体回路基板を接合して立体構造をもった電子デバイスを作製することができる。また、島状の金属薄膜を介して半導体回路基板同士を接合するので、接合面に沿って隣接する金属電極層同士の不要な短絡を防止しつつ、十分な強度で半導体回路基板を接合することができる。
【００５８】
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、本発明の基板接合方法および基板接合装置は、この場合に限定されない。たとえば、不活性ガスとしてアルゴンを例にとって説明したが、他の希ガス類元素を不活性ガスとして用いることもできる。
【００５９】
また、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は、同時に照射されることが望ましいが、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先に照射しておくこともできる。また、省スペース化の見地からは、一台のビーム源と付随する金属製グリッドとによりビーム照射部を構成することが望ましいが、本発明は、この場合に限られない。たとえば、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のみを照射する専用のビーム源を別途設けておいてもよい。
【００６０】
【発明の効果】
請求項１、９に記載の発明によれば、各基板の接合面へ真空中で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て、前記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によって前記基板表面が削り取られる作用と前記金属イオンビームまたは金属中性原子ビームによって金属原子が堆積する作用との均衡により、膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚の金属薄膜を形成し、前記金属薄膜を媒介として前記基板同士を表面活性化接合するので、基板表面のクリーニングと金属のデポジションが同時に実行されて、基板表面および金属薄膜の表面を、十分に活性化することができ、良質な表面活性化接合が可能となり、室温や低温での基板接合が可能となる。さらに、ビーム源へのエネルギーを低くすると金属薄膜が基板の接合面に残存しやすくなる傾向があるので、印加電圧を調整することによって、鉄や金などの金属薄膜の膜厚を制御することができ、数ｎｍオーダーの金属薄膜を形成することができる。
【００６１】
請求項２、１０に記載の発明によれば、島状の金属薄膜を形成し、前記金属薄膜を媒介として前記基板同士を表面活性化接合するので、基板内での短絡を防止しつつ、従来の表面活性化接合技術では接合が難しかったクオーツ、酸化珪素、または窒化珪素などの表面を持つ基板同士を表面活性化接合することができる。特に、前記島状の金属薄膜の膜厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍであるので、基板における光の透過率をあまり損ねることがない。また、半導体回路基板同士を接合する場合に、接合面に沿う方向の電気抵抗が高くなるので、金属電極層相互間が短絡することによる影響を軽減することができる。
【００６３】
請求項３、１２に記載の発明によれば、前記両基板の接合面同士を重ね合わせた状態で挟み込んで押圧するので、基板の全面にわたって必要十分な加重を行うことができ、基板同士を確実に接合することができる。
【００６４】
請求項４に記載の発明によれば、さらに、前記島状の金属薄膜を媒介として表面活性化接合された基板を加熱して、前記金属薄膜を基板と反応させて拡散させるので、基板同士の接合強度を高めることができる。
【００６５】
請求項５に記載の発明によれば、さらに、前記島状の金属薄膜を媒介として表面活性化接合された基板を加熱して、前記島状の金属薄膜を連続した薄膜に変化させるので、光学素子基板同士を接合する際などに、界面での光の散乱を軽減できる。
【００６７】
請求項６に記載の発明によれば、前記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発生させるビーム源への印加電圧は、５０Ｖ〜５００Ｖであるので、基板の接合面上の金属がすべて除去されてしまうことを防止し、所望の膜厚の金属薄膜を形成することができる。
【００６８】
請求項７に記載の発明によれば、前記基板として、半導体基板、セラミックス基板、ガラス基板、またはプラスチック基板などの各種基板を採用することができ、汎用性を高めることができる。
【００６９】
請求項８に記載の発明によれば、前記基板は、表面に金属電極層が形成されている半導体回路基板であるので、ハンダ付け工程などを用いることなく、２以上の複数の半導体回路基板を接合して立体構造をもった電子デバイスを作製することができる。また、島状の金属薄膜を介して半導体回路基板同士を接合するので、接合面に沿って隣接する金属電極層同士の不要な短絡を防止しつつ、十分な強度で半導体回路基板を接合することができる。
【００７０】
請求項１１に記載の発明によれば、前記ビーム照射手段は、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発生させるビーム源と、当該ビーム源の開口部に設けられた金属製グリッドとを有し、前記金属イオンビームまたは金属中性原子ビームは、前記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金属製グリッドに衝突することによって発生するので、一つのビーム源により、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することができる。したがって、複数のビーム源を用意する必要がなくなり、省スペース化を実現できる。また、異なる金属で製造されたグリッドを用意しておき、選択的に用いることによって、所望の材料で島状の金属薄膜を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態に係る基板接合装置の概略を示す図である。
【図２】 図１に示される照射室内での作用を説明する模式図である。
【図３】 図１に示される基板接合装置を用いた基板接合方法の一例を示す図である。
【図４】 図１に示される基板接合装置を用いて接合したクオーツ基板の高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）像を示す図である。
【図５】 図１に示される基板接合装置を用いて、クオーツ基板上に島状の金属薄膜を形成した場合における透過率を示す図である。
【図６】 図１に示される基板接合装置を用いて、クオーツ基板上に島状の金属薄膜を形成した場合における反射率を示す図である。
【図７】 半導体回路基板同士を接合する場合の処理内容を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０…基板接合装置、
１００…照射室（真空チャンバ）、
２００…加重室、
２０３ａ、２０３ｂ…ワークローラ、
２０４…ヒータ（加熱手段）、
３００…ビーム照射部（ビーム照射手段）、
３０１…ビーム源、
３０２…金属製グリッド、
８００ａ、８００ｂ…基板、
８１０ａ、８１０ｂ…島状の金属薄膜。
８２０…連続した金属薄膜、
９００ａ、９００ｂ…半導体回路基板、
９３１ａ〜９３３ａ、９３１ｂ〜９３３ｂ…金属電極層。

Claims (13)

  1. 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と、金属イオンビームまたは金属中性原子ビームとを同時に照射して、前記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によって前記基板表面が削り取られる作用と前記金属イオンビームまたは金属中性原子ビームによって金属原子が堆積する作用との均衡により、各基板の接合面上に１ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚の金属薄膜を形成する段階と、
    各基板の接合面同士を重ね合わせることによって前記金属薄膜を媒体として前記基板同士を表面活性化接合する段階と、を有することを特徴とする基板接合方法。
  2. 形成される前記金属薄膜は、島状の金属薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の基板接合方法。
  3. 前記基板同士を表面活性化接合する段階は、前記各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する段階を含むことを特徴とする請求項２に記載の基板接合方法。
  4. さらに、前記島状の金属薄膜を媒介として表面活性化接合された基板を加熱して、前記金属薄膜を基板と反応させて拡散させる段階を有することを特徴とする請求項２に記載の基板接合方法。
  5. さらに、前記島状の金属薄膜を媒介として表面活性化接合された基板を加熱して、前記島状の金属薄膜を連続した薄膜に変化させる段階を有することを特徴とする請求項２に記載の基板接合方法。
  6. 前記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発生させるビーム源への印加電圧は、５０Ｖ〜５００Ｖであることを特徴とする請求項２に記載の基板接合方法。
  7. 前記基板は、半導体基板、セラミックス基板、ガラス基板、またはプラスチック基板であることを特徴とする請求項２に記載の基板接合方法。
  8. 前記基板は、表面に絶縁膜および金属電極層が形成されている半導体回路基板であることを特徴とする請求項２に記載の基板接合方法。
  9. 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と、金属イオンビームまたは金属中性原子ビームとを同時に照射して、前記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によって前記基板表面が削り取られる作用と前記金属イオンビームまたは金属中性原子ビームによって金属原子が堆積する作用との均衡により、各基板の接合面上に１ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚の金属薄膜を形成するビーム照射手段と、を有し、
    各基板の接合面同士を重ね合わせることによって前記金属薄膜を媒介として前記基板同士を表面活性化接合することを特徴とする基板接合装置。
  10. 形成される前記金属薄膜は、島状の金属薄膜であることを特徴とする請求項９に記載の基板接合装置。
  11. 前記ビーム照射手段は、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発生させるビーム源と、当該ビーム源の開口部に設けられた金属製グリッドとを有し、
    前記金属イオンビームまたは金属中性原子ビームは、前記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前記金属製グリッドに衝突することによって発生することを特徴とする請求項１０に記載の基板接合装置。
  12. 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する少なくとも一組のローラを有することを特徴とする請求項１０に記載の基板接合装置。
  13. さらに、前記島状の金属薄膜を媒介として前記基板同士を表面活性化接合した基板を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求項１０に記載の基板接合装置。
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