JP4701953B2 - 押圧装置 - Google Patents

Description

本発明は、一の対象物を他の対象物に向けて押圧する技術に関する。

従来より、多層デバイス等の製造において、半導体基板等の２枚の基板の主面を接合する技術が知られている。基板の接合を行う装置では通常、両基板の主面を当接させた状態で、一方の基板を他方の基板に向けて押圧することにより２枚の基板が接合される。このような２つの対象物を互いに押圧する装置では、対象物を均等に押圧するために、一方の対象物を支持する支持部と他方の対象物に力を加えて支持部に向けて押圧するツールとの平行度を調整するための様々な技術が提案されている。

例えば、特許文献１のチップボンディング装置では、チップをその接合面上に回転中心を有する球面軸受を介して支持した状態で基板に押し付けて、チップを球面軸受にてその回転中心を中心にして任意に傾動させることにより、基板の接合面に対してチップの接合面が倣って平行となり、すべてのバンプ接点とリードを確実に接合することができる技術が開示されている。

また、特許文献２の倣い装置では、倣いステージの背面を球面部に点接触させつつ倣いステージが環状の板バネを介して保持され、倣いステージ上に保持された一のワークを下側の固定ステージ上に保持された他のワークの所定面に当接させて押圧したときに、板バネを弾性変形させながら点接触部を支点として倣いステージ上のワークの当接面を固定ステージ上のワークに対して平行となるように倣わせる技術が開示されている。

特許文献３の半導体実装装置では、絶縁テープ上に形成された回路パターンと複数の熱圧着部との圧着作業において、熱圧着用ツールの上部に形成された加圧部を頂点とした力の三角錐形の底面の頂点が全ての熱圧着部と重ねられたときに、複数の熱圧着部の総合重心点からの垂直軸線上に加圧部がくるように設定したなじみ構造が用いられ、加圧部に一点集中して加圧を行うことにより、数マイクロメートルレベルでの平行度出しが自動的に行え、安定した半導体実装作業ができる技術が開示されている。
特許第２５３２４０９号公報 特開２００４−２８１４７６号公報 特開平６−９７２３８号公報

ところで、特許文献２および特許文献３の装置では、当接させる２つの対象物の当接面と倣い動作時の一方の対象物の回転中心との距離が大きいため、一方の対象物が他方の対象物に倣う際に回転すると当接面間において大きな位置ずれが発生する。また、特許文献１の装置では、２つの対象物の平行度を調整するためにエア圧やオイルが利用される球面軸受が用いられるため、減圧環境で接合を行うことができない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、第１対象物を第２対象物に押圧する際に、簡素化された構造で第１対象物の第１当接領域を第２対象物の第２当接領域に倣わせつつ第１対象物の第２対象物に対する位置ずれを抑制することを目的とする。

本願に記載の発明は、第１対象物を第２対象物に向けて押圧する押圧装置であって、第１対象物を保持する第１保持部と、前記第１対象物と第２対象物とが対向する様に前記第２対象物を保持する第２保持部と、前記第１保持部を前記第２保持部に対し相対的に移動し前記第１対象物を前記第２対象物に向けて押圧する押圧機構と、前記第１保持部と前記押圧機構との間に配置した前記第１保持部と前記押圧機構とを接続する平行度調整機構と、を備え、前記平行度調整機構が、前記押圧機構に固定される固定部と、前記第１保持部を取り付けた、重力方向に関して前記固定部の下側に位置する可動部と、前記固定部に取り付けた、前記可動部に対して接離する押圧部と、前記固定部に取り付けた、前記可動部と前記押圧部とが非接触の状態の際に前記可動部を支持する支持部と、前記固定部に取り付けた、前記可動部に作用する重力よりも小さい力を、重力方向と逆向きに、前記可動部に作用させる付勢機構と、前記固定部と前記可動部とを接続し、前記押圧方向に対して垂直な面内の、前記第１保持部の周囲の３カ所以上に設けた複数の板バネで構成するガイド機構と、を備える。

本発明では、第１当接領域が第２当接領域に接触してから押圧部が可動部に当接することから、平行度調整機構が倣い動作を行ったときの第２対象物に対する第１対象物の当接の瞬間の衝撃を緩和することができる。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る押圧装置である基板接合装置１の構成を示す正面図である。基板接合装置１は、第１対象物である略円板状の半導体基板（以下、「第１基板」という。）９１を第２対象物である略円板状の半導体基板（以下、「第２基板」という。）９２に向けて押圧することにより、両基板の当接領域である主面を接合する装置であり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイス等の製造に利用される。図１中では、図示の都合上、基板接合装置１の構成の一部を断面にて描いており、断面の細部では平行斜線を省略している（図５においても同様）。

図１に示すように、基板接合装置１は、第１基板９１および第２基板９２を内部に収容して外気から隔離するチャンバ２、チャンバ２内において第１基板９１を第１保持部３１にて保持するとともに第１基板９１を第２基板９２に向けて押圧する押圧ヘッド３、チャンバ２内において第２基板９２を静電気力により吸着して保持する第２保持部４１、チャンバ２内を減圧環境または不活性ガス環境とする環境調整機構２１、並びに、第１保持部３１および第２保持部４１に保持された第１基板９１および第２基板９２を撮像する撮像部５を備える。

押圧ヘッド３の第１保持部３１は、第１基板９１を静電気力により吸着して保持し、第１保持部３１に保持された第１基板９１の（−Ｚ）側の主面（すなわち、下面）は、第２保持部４１に保持された第２基板９２の（＋Ｚ）側の主面（すなわち、上面）に対向する。本実施の形態では、第１基板９１の下面のほぼ全体が第２基板９２に当接する予定の領域であり、また、第２基板９２の上面のほぼ全体が第１基板９１に当接する当接領域であるため、第１基板９１の下面を第１当接領域９１１、第２基板９２の上面を第２当接領域９２１と呼ぶ。

押圧ヘッド３は、第１保持部３１の（＋Ｚ）側に接続されるとともに第１基板９１の第２基板９２への押圧時に第１当接領域９１１を第２当接領域９２１に倣わせる平行度調整機構３２、および、平行度調整機構３２の（＋Ｚ）側に接続される押圧機構３３を備える。換言すれば、平行度調整機構３２は、第１保持部３１と押圧機構３３との間に配置されて第１保持部３１と押圧機構３３とを接続する。

押圧機構３３は、平行度調整機構３２が取り付けられる円筒状のシャフト３３１、並びに、シャフト３３１および平行度調整機構３２を介して第１保持部３１を第２保持部４１に対して相対的に離れる方向および近づく方向に移動する（すなわち、図１中のＺ方向に昇降する）保持部昇降機構３３２を備える。シャフト３３１は、チャンバ２の（＋Ｚ）側の面に設けられた開口に挿入されており、当該開口はベローズ３３３によりシールされる。押圧ヘッド３では、押圧機構３３が平行度調整機構３２を介して第１保持部３１を第２保持部４１に対して所定の押圧方向（すなわち、図１中のＺ方向）に相対的に移動することにより、第１保持部３１に保持された第１基板９１が第２基板９２に向けて押圧される。

図２は、押圧ヘッド３の一部を拡大して示す縦断面図であり、図３は、押圧ヘッド３の底面図である。図１ないし図３に示すように、平行度調整機構３２は、第１保持部３１が取り付けられる可動部３２１、押圧機構３３に固定される固定部３２２、固定部３２２に取り付けられて可動部３２１に対して接離可能とされる押圧部３２３、弾性体を有する複数のガイド機構３２４、および、可動部３２１と固定部３２２との間に配置される複数の付勢機構３２５を備える。ここで、可動部３２１は固定部３２２に対して重力方向に関して下側に位置し、本実施の形態ではガイド機構３２４および付勢機構３２５の個数はそれぞれ３とされる。

固定部３２２は、中央にくびれ部３２２１ａ（図２参照）を有する略円柱状の固定本体３２２１、および、固定本体３２２１に固定されるとともに複数のガイド機構３２４がそれぞれ取り付けられる複数の支持アーム３２２２を備え、支持アーム３２２２の底部には、図２に示すように、内側に向かって突出して可動部３２１を支持する支持部３２２４が設けられる。固定部３２２では、固定本体３２２１内に複数の調整ネジ３２２３が周方向に等間隔にて６個配置され、第１基板９１および第２基板９２の接合に先立って行われる基板接合装置１の調整の際に、各調整ネジ３２２３をねじ込んだり緩めたりすることにより、固定本体３２２１のくびれ部３２２１ａを中心としてくびれ部３２２１ａよりも下側の構成の第２保持部４１に対する平行度がある程度まで調整される。

押圧部３２３は、（−Ｚ）側の面が球面状（球面の一部）とされ、可動部３２１と点接触した際に押圧機構３３からの押圧力を可動部３２１に伝達する。押圧部３２３は、押圧機構３３による押圧前においては可動部３２１に対して非接触状態とされ、この状態において可動部３２１と押圧部３２３との間の隙間は好ましくは５０μｍとされる。なお、図１および図２では、可動部３２１と押圧部３２３との間の隙間を実際より大きく描いており、押圧部３２３の球面部の曲率半径を実際よりも小さく描いている。

既述のように複数のガイド機構３２４は、図２および図３に示すように、第１当接領域９１１の周囲の３カ所に周方向に関して等間隔に設けらる（図３参照）。これにより、ガイド機構は３２４は第１当接領域９１１の重心を囲む３カ所に位置する、すなわち、これらの３カ所を結んでできる多角形の中に第１当接領域９１１の重心が位置する。また、押圧時における押圧部３２３と可動部３２１との間の接触点を通る押圧方向に平行な直線と第１当接領域９１１との交点も、第１当接領域９１１の重心を囲む３カ所を結ぶ多角形の中に位置することとなる。もちろん、複数のガイド機構３２４は、第１当接領域９１１の重心を囲む４カ所以上に設けられてもよい。

各ガイド機構３２４は、押圧方向に対して垂直に設けられる板バネ３２４１、可動部３２１に取り付けられて板バネ３２４１の一端が取り付けられる第１取付部３２４２、板バネ３２４１の他端が取り付けられる第２取付部３２４３、および、板バネ３２４１に張力を作用させる引張機構３２４４を備える。第２取付部３２４３および引張機構３２４４は、支持アーム３２２２の（−Ｚ）側の端面に取り付けられ、複数の板バネ３２４１により固定部３２２と可動部３２１とが接続される。つまり、複数のガイド機構３２４は、第１当接領域９１１の周囲において固定部３２２と可動部３２１とを接続する接続部としての役割を果たす。

各ガイド機構３２４では、第２取付部３２４３が押圧方向に対して垂直な方向にスライド移動可能とされ、引張機構３２４４が第１当接領域９１１から外側に向かう方向の張力を板バネ３２４１に作用させた状態で第２取付部３２４３が支持アーム３２２２に固定される。これにより、各板バネ３２４１に圧縮力が作用することが防止される。板バネ３２４１により、複数のガイド機構３２４のそれぞれは、可動部３２１の押圧方向に垂直な方向（すなわち、板バネ３２４１の長手方向）への移動を拘束するとともに、板バネ３２４１が弾性変形して撓むことで可動部３２１の押圧方向への移動を可能とする。

複数の付勢機構３２５は、図３に示すように、可動部３２１および固定本体３２２１の周囲において等間隔に設けられ、各付勢機構３２５は互いに隣接する２つのガイド機構３２４の間に配置される。図２に示すように付勢機構３２５は、両ネジ型のボルト３２５１、圧縮コイルバネ３２５２、および、二重ナットを含むバネ係止部３２５３を備える。付勢機構３２５では、ボルト３２５１の下端が、可動部３２１に取り付けられたプレート３２１１に締結され、ボルト３２５１の上端にバネ係止部３２５３が固定され、バネ係止部３２５３と固定本体３２２１に取り付けられたプレート３２２５との間に圧縮コイルバネ３２５２が挟み込まれる。そして、圧縮コイルバネ３２５２により可動部３２１に作用する重力よりも小さい上方に向かう力（可動部３２１の質量および押圧時の可動部３２１の下降速度にもよるが、好ましくは、可動部３２１の重量の１／２以上の力、さらに好ましくは、９／１０以上の力）が可動部３２１に作用する。これにより、３つの支持部３２２４が受ける力は、可動部３２１に作用する重力よりも小さくなる。

図１に示す撮像部５は、（＋Ｚ）側および（−Ｚ）側を撮像するための２つの撮像窓５１を備え、２つの撮像窓５１はチャンバ２内においてＸ方向に一体的に進退可能とされる。また、撮像部５は、チャンバ２の（＋Ｘ）側の面に設けられた開口に挿入されており、当該開口はベローズによりシールされている。

基板接合装置１は、第２保持部４１の（−Ｚ）側に配置されて第２保持部４１をＸ方向およびＹ方向に移動する保持部移動機構４２、並びに、第２保持部４１の中心を通ってＺ方向に伸びる回転軸を中心に第２保持部４１を回動する保持部回動機構４３をさらに備え、撮像部５により撮像された第１基板９１および第２基板９２の画像に基づいて第２基板９２の位置および向きがチャンバ２内において調整されることにより、第１基板９１および第２基板９２の位置合わせが行われる。

基板接合装置１は、第１保持部３１内に設けられた電極に接続される高周波電源２２をさらに備え、第２保持部４１内に設けられた電極は接地されている。基板接合装置１では、第１基板９１および第２基板９２の接合の過程において、所定の減圧環境または不活性ガス環境とされたチャンバ２内において、第１保持部３１および第２保持部４１により第１基板９１および第２基板９２が離間した状態で保持され、この状態で高周波電源２２から第１保持部３１に高周波の電圧が付与されることにより、第１保持部３１と第２保持部４１との間に高周波電圧が印加されてプラズマが発生する。これにより、第１当接領域９１１および第２当接領域９２１にプラズマが照射され、両基板の当接領域９１１，９２１上に付着している水や有機物等の不要物質が除去されるとともに当接領域の表面改質が行われる。

換言すれば、基板接合装置１では、高周波電源２２、第１保持部３１内の電極および第２保持部４１内の電極が、第１基板９１および第２基板９２の当接領域にエネルギー波であるプラズマを照射するエネルギー波照射機構となり、エネルギー波照射機構が能動化されることにより、両基板の当接領域９１１，９２１にいわゆるプラズマ洗浄処理が行われる。なお、第１保持部３１が金属等の導電体により形成されている場合には、第１保持部３１内に電極が設けられる必要はなく、第１保持部３１全体が、第１基板９１および第２基板９２を挟んで配置される１対の電極の一方となる（第２保持部４１についても同様）。

次に、基板接合装置１による第１基板９１と第２基板９２との接合の流れについて説明する。図４は、基板接合装置１による接合動作の流れを示す図である。基板接合装置１により基板の接合が行われる際には、まず、チャンバ２のゲートが開放され、第１基板９１が当該ゲートからチャンバ２内に搬入され、図１に示すように、チャンバ２内において第１保持部３１により保持される（ステップＳ１１）。続いて、第１基板９１と同様にチャンバ２内に搬入された第２基板９２が第２保持部４１により保持され、これにより、第１基板９１と第２基板９２とが離間した状態で、第１当接領域９１１が第２当接領域９２１に対向する（ステップＳ１２）。なお、第１保持部３１および第２保持部４１による第１基板９１および第２基板９２の保持は並行して行われてもよく、第２基板９２の保持が第１基板９１の保持よりも先に行われてもよい。

第１保持部３１および第２保持部４１により第１基板９１および第２基板９２がチャンバ２内にて保持されると、チャンバ２のゲートが閉じられて第１基板９１および第２基板９２が外気から隔離される。そして、環境調整機構２１（例えば、真空ポンプおよびガス供給機構）により、チャンバ２内のエアが排気され、アルゴン（Ａｒ）ガス等の処理ガスが供給されてチャンバ２内が所定の減圧環境（または、不活性ガス環境）とされる（ステップＳ１３）。

チャンバ２内が減圧環境とされると、第１保持部３１および第２保持部４１の（＋Ｘ）側に位置する撮像部５が（−Ｘ）方向に移動し、図１中に二点鎖線にて示す位置に位置する。２つの撮像窓５１は、対向する第１基板９１と第２基板９２との間に位置し、（＋Ｚ）側の撮像窓５１を介して第１基板９１の下面に設けられたパターン（例えば、配線パターンや位置合わせ用の印）が撮像され、これと同時に（−Ｚ）側の撮像窓５１を介して第２基板９２の上面に設けられたパターンが撮像される（ステップＳ１４）。

次に、撮像部５により取得された第１基板９１および第２基板９２の画像に基づいて第１基板９１の第２基板９２に対する相対位置のずれ量が求められる。そして、保持部移動機構４２および保持部回動機構４３により、第２保持部４１に保持された第２基板９２が移動および回動され、第１基板９１の第２基板９２に対する相対的な位置および向きが調整されて第１基板９１および第２基板９２の位置合わせ（いわゆる、アライメント）が行われる（ステップＳ１５）。

このとき、平行度調整機構３２では、可動部３２１の下面の一部が支持部３２２４（図２参照）に当接して可動部３２１が支持される状態となっている。換言すれば、可動部３２１と押圧部３２３が非接触の状態において、上下方向に関して固定部３２２に対する可動部３２１の位置が一定とされ、非押圧時に可動部３２１の自重が平行度調整機構３２に与える影響（例えば、板バネ３２４１が大きく撓んでしまう等）をなくすことができる。その結果、撮像部５による撮像の際に、可動部３２１の自重による第１基板９１の上下方向に関する位置の変化（あるいは位置の不安定さ）が防止され、第１基板９１および第２基板９２の位置合わせを高い精度にて行うことができる。

第１基板９１および第２基板９２の位置合わせが行われると、撮像部５の２つの撮像窓５１が一体的に（＋Ｘ）方向に移動し、第１基板９１および第２基板９２の間から退避する。そして、高周波電源２２が能動化され、減圧環境下において第１当接領域９１１および第２当接領域９２１にプラズマが照射されて第１基板９１および第２基板９２に対するプラズマ洗浄処理が行われる（ステップＳ１６）。

図５は、第１基板９１および第２基板９２の接合途上の様子を示す基板接合装置１の正面図である。図５では、第１基板９１に対して第２基板９２が傾斜しているものとして第２保持部４１の上面の傾きを強調して示しており、これに合わせて第１基板９１および第２基板９２の傾き、板バネ３２４１の撓み、並びに、可動部３２１の下面と支持アーム３２２２の支持部３２２４との間の距離を実際よりも大きく描いている。また、図６ないし図８は、両基板の当接途上における可動部３２１の上部および押圧部３２３の様子を拡大して示す図である。なお、図６ないし図８においても、可動部３２１と押圧部３２３との間の距離を実際よりも大きく描いており、押圧部３２３の球面部の曲率半径を実際よりも小さく描いている。

プラズマ洗浄処理が完了して両基板９１，９２の接合が行われる際には、まず、図６に示すように可動部３２１と押圧部３２３との間の隙間が保たれたまま、押圧機構３３により第１保持部３１が（−Ｚ）方向に移動して第１基板９１が第２基板９２に対して相対的に近づけられ、やがて、第１当接領域９１１が第２当接領域９２１に当接する。押圧機構３３により第１基板９１が第２基板９２に向けてさらに移動すと、図５に示すように、複数の板バネ３２４１が撓む（すなわち、弾性変形する）ことにより可動部３２１の下面と支持部３２２４との接触が解除される。このとき、図７に示すように可動部３２１が元の姿勢から傾斜することにより、第１当接領域９１１が第２当接領域９２１に倣うこととなる（ステップＳ１７）。その後、押圧機構３３が平行度調整機構３２をさらに押圧することにより、図８に示すように押圧部３２３に可動部３２１が当接し、（−Ｚ）方向の押圧力が可動部３２１に伝達されて第１基板９１の第２基板９２への押圧が開始される。

上記のように第１当接領域９１１を第２当接領域９２１に倣わせつつ第１基板９１を第２基板９２に向けて押圧することにより、大気圧より低い減圧環境（または、不活性ガス環境）とされたチャンバ２内において第１当接領域９１１全体と第２当接領域９２１全体とが密着し、第１基板９１と第２基板９２とが接合される（ステップＳ１８）。

なお、基板接合装置１では、第２保持部４１のみ、あるいは、第１保持部３１および第２保持部４１の双方がＺ方向に移動することにより、第１基板９１が第２基板９２に対して相対的に近づけられて第１基板９１と第２基板９２との接合が行われてもよい。

第１基板９１と第２基板９２との接合が完了すると、第１保持部３１による第１基板９１の吸着が解除され、第１保持部３１が（＋Ｚ）側へと上昇して第１基板９１から離れる。このとき、複数の板バネ３２４１が元の状態に戻って可動部３２１の下面と支持アーム３２２２の支持部３２２４とが当接し、第１保持部３１が押圧前の初期位置に戻される。そして、環境調整機構２１によりチャンバ２内にエアが供給された後にチャンバ２のゲートが開放され、第１基板９１および第２基板９２がチャンバ２外に搬出されて第１基板９１および第２基板９２の接合が終了する。

次に、第１当接領域９１１が第２当接領域９２１に倣う際に、当接直後の状態から第１基板９１の位置が第２基板９２に対して僅かにずれる位置ずれについて説明する。図９は、第２基板９２に対する第１基板９１の位置ずれ量を説明する図であり、第１基板９１が第２基板９２に倣う前の第１基板９１を破線、倣った後の第１基板９１を実線にて示しているが、実際には第１基板９１の第２基板９２に対する傾斜は極めて僅かである。なお、図示の都合上、可動部３２１、第２基板９２、および、第２当接領域９２１を省略して描いている。

図９に示すように、押圧時に第１当接領域９１１が第２当接領域９２１に倣う際の可動部３２１の回転中心Ｊ１から第１当接領域９１１までの距離をｈ［ｍｍ］と想定し、第１当接領域９１１の幅（正確には可動部３２１の回転の中心軸に垂直な方向の最大幅を指すが、第１当接領域９１１の最大幅や平均幅が採用されてよい。）をＬ［ｍｍ］、押圧方向に関して第１当接領域９１１と第２当接領域９２１との間の距離の差（いわゆる、第１基板９１の倣い量）の最大値をδ［ｍｍ］とし、倣い動作時の第１当接領域９１１の許容位置ずれ量がＡ［ｍｍ］であるとすると、距離ｈと許容位置ずれ量Ａとの関係は、数５で表される。なお、図９では倣い動作時の第１当接領域９１１の位置ずれ量に符号Ａ１を付している。

数５から明らかなように、第１当接領域の幅Ｌおよび倣い量δが固定されると、可動部３２１の回転中心Ｊ１と第１当接領域９１１との間の距離ｈの許容される最大値は許容位置ずれ量Ａに比例し、距離ｈを小さくすることが両基板の接合の質の向上に重要であることが判る。

基板接合装置１では、押圧前に可動部３２１と押圧部３２３とが非接触の状態とされ、第１当接領域９１１が第２当接領域９２１に接触してから押圧部３２３が可動部３２１に当接することから、倣い動作時の回転中心Ｊ１が容易に第１当接領域９１１に近づけられる（すなわち、距離ｈを小さくすることができる）。これにより、倣い動作時の第２基板９２に対する第１基板９１の位置ずれを容易に抑制することができ、位置ずれ量を容易に許容位置ずれ量以下とすることができる。また、可動部３２１を支持部３２２４で支持すると共に付勢機構３２５により上方に可動部３２１をある程度付勢しておくことにより、押圧前の可動部３２１と押圧部３２３との間の距離を所望の僅かな距離とすることができ、かつ、第１基板９１が第２基板９２に当接する前に支持部３２２４が受ける可動部３２１からの力を低減し、第１基板９１が第２基板９２に当接する瞬間の衝撃も緩和される。

なお、基板接合装置１では、押圧前に可動部３２１と押圧部３２３とが非接触状態とされるのであれば、可動部３２１と固定部３２２との接続構造として他の様々なものが採用されてよいが、この場合であっても所定の許容位置ずれ量Ａに基づいて数５が満たされるように設計が行われる。これにより、倣い動作時の第１基板９１の位置ずれによる接合不良を防止することができる。

典型的な例としては、第１当接領域９１１の幅（すなわち、第１基板９１の直径）Ｌが１００ｍｍの半導体基板において、第１基板９１の倣い量の最大値δが５０μｍとされ、許容位置ずれ量Ａが１０μｍ以下の場合が想定される。この場合の回転中心Ｊ１から第１当接領域９１１までの距離ｈは、数５より２０ｍｍ以下となり、距離ｈが第１当接領域９１１の幅Ｌの１／５以下とすればよいことが判る。もちろん、第１当接領域９１１の幅Ｌ、倣い量の最大値δおよび許容位置ずれ量Ａとしては他のものも想定されるが、距離ｈを第１当接領域９１１の幅Ｌの１／５とするという条件は、多くの場合において適用可能であり、一般的な条件として受け入れることができる。許容位置ずれ量が１０μｍ以下という条件も基板接合装置１の構造が必要とされる高精度な接合の一般的な条件として決定することができる。

ところで、基板接合装置１では板バネ３２４１を利用することで第１当接領域９１１を第２当接領域９２１に倣わせるための構造を簡素化しつつ距離ｈを容易に小さくする工夫も実現されている。複数の板バネ３２４１は押圧方向に対して垂直に設けられるため、既述のように各ガイド機構３２４は可動部３２１の押圧方向に垂直な方向への移動を拘束するとともに押圧方向への移動を許容する。倣い動作時の可動部３２１の各部位は回転中心に向かう方向に対して垂直な方向に移動することから、上下方向にガイドするという各ガイド機構３２４の上記特性により可動部３２１の回転中心は必然的に第１当接領域９１１に近づくこととなる。

さらに、基板接合装置１では図１に示すように各板バネ３２４１が第１当接領域９１１の側方（すなわち、真横）に設けられるため、可動部３２１と第１当接領域９１１との間の距離ｈを極めて小さくすることが容易に実現される。その結果、基板接合装置１では許容位置ずれ量が極めて小さい場合の押圧（および接合）にも対応することができる。さらに、複数の板バネ３２４１に外側に向かう張力を作用させることにより、可動部３２１の押圧方向に垂直な方向に対する拘束を確実に行うことができ、位置ずれをさらに防止することができる。

以上に説明したように、基板接合装置１では、平行度調整機構３２において倣い動作時の可動部３２１の回転中心が第１当接領域９１１に近づけられることにより、倣い動作時の第１基板９１の第２基板９２に対する位置ずれ量を容易に低減することができ、基板接合の質を向上することができる。

また、基板接合装置１では、基板の平行度の調整に球面軸受等を利用する場合に比べて、平行度の調整に係る機構（すなわち、平行度調整機構３２）の構造を簡素化することができるとともに、押圧部３２３と可動部３２１との間の接触点を通る押圧方向に平行な直線と第１当接領域９１１との交点が、第１当接領域９１１の重心を囲む複数のガイド機構３２４の位置を結ぶ多角形の中に位置することから、第１当接領域９１１と第２当接領域９２１との平行度を精度良く調整しつつ第１基板９１を第２基板９２に対して均等に押圧することができる。その結果、第１基板９１と第２基板９２との接合の質をさらに向上することができる。

基板の接合に先立って行われる基板接合装置１の調整時においても、第１保持部３１の下面と第２保持部４１の上面との平行度を厳密に調整する必要がないため、基板接合装置１の調整に係る作業時間および労力を低減することができる。

また、エア圧やオイルを利用する球面軸受は減圧環境で利用することができないが、基板接合装置１では、エア圧やオイルが不要である平行度調整機構３２がチャンバ２内に設けられることにより、減圧環境にて接合が行われる場合であっても簡単な構造で接合を行うことができる。これにより、プラズマを用いる接合において第１基板９１および第２基板９２に対して照射されるプラズマの分布の均一性を向上して第１基板９１および第２基板９２の接合の質を向上することができ、チャンバ２内におけるプラズマの異常放電を防止することもできる。さらには、基板接合装置１の調整やメンテナンスを簡素化することもできる。

また、第１保持部３１および第２保持部４１はメカニカルチャックでもよく、常圧にて押圧が行われるのであれば、真空吸着により第１基板９１および第２基板９２が保持されてもよい。支持部３２２４や付勢機構３２５も同等の機能を果たすのであれば他の構造が採用されてよく、例えば、支持部３２２４は可動部３２１の上部にて固定部３２２に係合してもよく、付勢機構３２５は基板を避けつつ可動部３２１を下方から付勢してもよい。

基板接合装置１による第１基板９１と第２基板９２との接合には、プラズマ以外に紫外線、高速原子ビーム等の他のエネルギー波が利用されてもよい。さらには、必ずしもエネルギー波による表面改質後の接触により接合が行われる必要はなく、例えば、第１基板９１および第２基板９２を加熱しつつ第１基板９１を第２基板９２に向けて押圧することにより行われてもよい。この場合、チャンバ２は適宜省略されてもよい。

基板接合装置１は、半導体基板同士の接合に利用される他、半導体基板と他の種類の基板（例えば、セラミック基板）との接合に利用されてもよく、また、半導体基板以外の他の種類の基板（例えば、金属基板）同士の接合に利用されてもよい。また、基板接合装置１により接合される基板は、円板状以外の他の形状（例えば、矩形の薄板状）であってもよい。

基板接合装置１の構成は、接合時の平行度の調整が重要となる比較的大きな基板同士の接合に適しているが、基板の接合以外にも、一の対象物を他の対象物に向けて押圧する他の装置に適用することもできる。例えば、基板に比べて小さい電子部品であってバンプを有するものを回路基板に向けて押圧して実装する電子部品の実装装置に利用されてもよい。この場合、電子部品のバンプの下面、および、回路基板の電極の表面が、実装装置にて扱われる２つの対象物の当接領域となる。

さらには、基板接合装置１の構成は、電子部品や回路基板上に形成された複数のバンプの頂部をレベリングプレートにより押圧してバンプの高さを揃えるレベリング装置に利用されてもよい。この場合、レベリングプレートのバンプに当接する主面、および、複数のバンプの頂部が、レベリング装置にて扱われる２つの対象物の当接領域となる。

本発明は、対象物を他の対象物に向けて押圧する様々な技術に利用可能であり、例えば、基板を他の基板に向けて押圧して接合する基板接合装置に利用することができる。

基板接合装置を示す正面図 押圧ヘッドを示す縦断面図 押圧ヘッドを示す底面図 第１基板と第２基板との接合動作の流れを示す図 基板接合装置を示す正面図 押圧部と可動部を拡大して示す図 押圧部と可動部を拡大して示す図 押圧部と可動部を拡大して示す図 基板の位置ずれ量を示す図

符号の説明

１ 基板接合装置
２ チャンバ
３１ 第１保持部
３２ 平行度調整機構
３３ 押圧機構
４１ 第２保持部
９１ 第１基板
９２ 第２基板
３２１ 可動部
３２２ 固定部
３２３ 押圧部
３２４ ガイド機構
３２５ 付勢機構
９１１ 第１当接領域
９２１ 第２当接領域
３２２４ 支持部
３２４１ 板バネ
３２４４ 引張機構
Ｊ１ 回転中心
Ｓ１１〜Ｓ１８ ステップ

Claims (5)

1. 第１対象物を第２対象物に向けて押圧する押圧装置であって、
   第１対象物を保持する第１保持部と、
   前記第１対象物と第２対象物とが対向する様に前記第２対象物を保持する第２保持部と、
   前記第１保持部を前記第２保持部に対し相対的に移動し前記第１対象物を前記第２対象物に向けて押圧する押圧機構と、
   前記第１保持部と前記押圧機構との間に配置した前記第１保持部と前記押圧機構とを接続する平行度調整機構と、
   を備え、
   前記平行度調整機構が、
   前記押圧機構に固定される固定部と、
   前記第１保持部を取り付けた、重力方向に関して前記固定部の下側に位置する可動部と、
   前記固定部に取り付けた、前記可動部に対して接離する押圧部と、
   前記固定部に取り付けた、前記可動部と前記押圧部とが非接触の状態の際に前記可動部を支持する支持部と、
   前記固定部に取り付けた、前記可動部に作用する重力よりも小さい力を、重力方向と逆向きに、前記可動部に作用させる付勢機構と、
   前記固定部と前記可動部とを接続し、前記押圧方向に対して垂直な面内の、前記第１保持部の周囲の３カ所以上に設けた複数の板バネで構成するガイド機構と、
   を備えることを特徴とする押圧装置。
2. 前記ガイド機構は、前記可動部の前記押圧方向に垂直な方向への移動を拘束するとともに前記押圧方向への移動を可能とすることを特徴とする請求項１に記載の押圧装置。
3. 前記ガイド機構は、前記第１保持部の外側に向かう張力を前記複数の板バネに作用させる複数の引張機構をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項２に記載の押圧装置。
4. 前記可動部と接触する前記押圧部の接触面は球面状で、前記可動部は前記可動部と点接触することを特徴とする請求項１から請求項３に記載の押圧装置。
5. 前記第１保持部に保持された前記第１対象物および前記第２保持部に保持された前記第２対象物を外気から隔離する減圧チャンバと、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４に記載の押圧装置。