JP2007141972A - 加圧方法およびこの方法を用いた接合方法並びにこの接合方法により作成されるデバイス並びに加圧装置およびこの装置を用いた接合装置 - Google Patents

加圧方法およびこの方法を用いた接合方法並びにこの接合方法により作成されるデバイス並びに加圧装置およびこの装置を用いた接合装置 Download PDF

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Abstract

【課題】被加圧体を破壊することなく、適切に加圧することのできる技術を提供する。
【解決手段】押圧体部が、チップと基板との接触位置Ｚ０から、金属電極が加圧されて生じる応力が増大することにより押圧体部の移動速度Ｖが急減する急減位置（停止位置）Ｚ１まで移動する間、押圧体部による加圧力Ｐを、金属電極の材質、形状、大きさ等に応じて適切に設定されたほぼ一定の加圧力Ｐ０に保持しつつ、押圧体部が予め設定された設定速度ＶＤ以下の移動速度で移動するように制御している。したがって、金属電極は徐々につぶれていくため、急速に押しつぶされてしまうことで不均一に変形してしまうことを防止することができる。したがって、チップおよび基板を破壊することなく、適切に加圧することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、流体圧シリンダを用いた加圧機構による加圧方法および加圧装置に並びに、当該加圧方法および加圧装置を用いた接合方法および接合装置に関する。
従来、特許文献１に開示されているように、被接合物どうしを接合する際に、当該被接合物どうしを加圧しながら同時に超音波振動を印加することで被接合物どうしを接合する技術が知られている。また、このように超音波振動を印加する際、被接合物どうしを加圧する装置としては、特許文献２に開示されているような、流体圧シリンダを用いた加圧装置が知られている。この加圧装置は、流体圧シリンダと、流体圧シリンダ内に設けられたピストンヘッドに一端が連結され、他端が流体圧シリンダ外に導出されたピストンシャフトと、ピストンシャフトの他端に結合され一方の被接合物であるウエハーやチップを保持する押圧体とを備えている。また、この加圧装置を備える接合装置は、上記した押圧体に対向して固定配置され、押圧体に保持された一方の被接合物と接合させるウエハー等の他方の被接合物を保持するステージを備えている。そして、加圧装置を駆動することで押圧体をステージに近接させて被接合物どうしを接触させる。その後、さらに押圧体をステージに近接させ、これらの被接合物どうしを加圧しながら同時に超音波振動を印加することで被接合物どうしを接合している。
特許第３４４７９８２号公報 特開２００１−３５１８９２公報
ところで、上記した特許文献１に記載の接合装置では、作業者が任意に被接合物に対して加圧力を設定しており、当該接合装置による被接合物の接合状態は作業者の作業に対する熟練度に大きく影響されていた。例えば、図１４（ａ）、（ｂ）に示すようにＳｉのような金属、ＳｉＯ２、ガラス、イオン酸リチウム、酸化物単結晶（ＬＴ）、セラミック系を含む酸化物等からなるウエハー２０にバンプ２０ａが形成されたものが一方の被接合物である場合、バンプ２０ａの高さにバラつきが生じてしまうことがある。しかしながら、ウエハー２０に形成されたバンプ２０ａの状態を１回の接合ごとに確認することは生産効率を著しく低下させてしまうため、上記した接合装置ではこれらのバンプ２０ａの高さのバラつきを考慮せずに加圧しており、次のような問題が生じることがあった。
すなわち、図１４（ａ）に示すように、バンプ２０ａの高さがほぼ揃った状態のウエハー２０に適した加圧力で当該ウエハー２０を加圧すれば、押圧体による加圧力をすべてのバンプ２０ａで受けて、すべてのバンプ２０ａをほぼ一定の速さで徐々につぶしていくことができる。しかしながら、上記した図１４（ａ）のウエハー２０に適した加圧力で図１４（ｂ）に示すウエハー２０を加圧しても、バンプ２０ａの高さが揃っていないと、加圧の初期段階において、図１４（ｂ）に示すウエハー２０に形成されたバンプ２０ａのうち一番高いバンプ２０ａのみで押圧体による加圧力のすべてを受けるため、この一番高いバンプ２０ａが、図１５（ｄ）に示すように、特に時刻ｔ＝ＴＡの状態（図１５（ａ）の状態）から時刻ｔ＝ＴＢの状態（図１５（ｂ）の状態）へと急速に加圧されたのち、時刻ｔ＝ＴＣの状態（図１５（ｃ）の状態）となってしまう。
このような、時刻ｔ＝ＴＡからｔ＝ＴＢの状態への急速な加圧の結果、当該バンプ２０ａは、図１５（ｃ）に示すように他方のウエハー２２に接するバンプ２０ａの接触部分が均一につぶれずに良好にバンプ２０ａとウエハー２２とが接触しないことがあった。そのため、このバンプ２０ａとウエハー２２との接触部に超音波振動エネルギーを与えられたとしても振動エネルギーを均一に印加することができず、接合不良が生じてしまう。なお、図１４は被加圧体の一例を示す図、図１５は被加圧体が加圧される様子を示す模式図である。
一方、上記したようにバンプ２０ａが不均一につぶれてしまうのを防止するために、一方のウエハー２０を保持した押圧体を、ステージに保持された他方のウエハー２２に対して十分に低く、かつ一定の速度で近づけてウエハー２０、２２どうしを加圧することで、ゆっくりとバンプ２０ａをつぶしていく方法が知られている。
この方法では、ウエハー２０を保持する押圧体のステージからの位置をＺ、ウエハー２０、２２への加圧力をＰ、押圧体の移動速度をＶとしたとき、
Ｐ＝Ｃ（Ｚ）・Ｖ
と表すことのできる比例係数Ｃ（Ｚ）を計測することで押圧体を停止させる。具体的には、まず、加圧したい被加圧体（ウエハー２０、２２）を加圧して、押圧体を停止させたい位置Ｚ１における比例係数Ｃ（Ｚ）の固有の値Ｃ１を計測してメモリー等に格納しておく。
続いて、実際にウエハー２０、２２どうしを加圧していく過程で、加圧力Ｐ（可変値）および押圧体の移動速度Ｖ（一定の設定値）に基づいて、
比例係数：Ｃ（Ｚ）＝Ｐ／Ｖ
として、比例係数Ｃ（Ｚ）をリアルタイムで算出する。そして、算出された比例係数Ｃ（Ｚ）の値と、格納された値Ｃ１とを比較して、比例係数Ｃ（Ｚ）が予め計測された設定値Ｃ１を超えたときに、押圧体を停止させることで、押圧体を任意に設定された位置Ｚ１に停止させることができる。なお、比例係数Ｃ（Ｚ）は被接合物の材料によって決まった値を採る比例係数である。
この方法では、例えば、ガラスを加圧して加工することでレンズを形成する場合等、加圧される被加圧体が１つであり、被加圧体の硬度等がほぼ一定である場合には、押圧体の位置Ｚと加圧力Ｐとの関係がほぼ一定であるため、被加圧体の材料に応じて適切な位置Ｚまで押圧体を下降させて被加圧体を加圧することができる。しかしながら、図１４に示すように、被加圧体が、例えば、複数のバンプ２０ａがウエハー２０に形成された被接合物のようなものである場合、バンプ２０ａの高さにバラつきがあるため、押圧体の位置Ｚと加圧力Ｐとの関係が一定とならない。
例えば、押圧体が同じ位置Ｚ１にあったとしても、図１４（ａ）に示す被接合物で計測された比例係数ＣＡ（Ｚ１）と図１４（ｂ）に示す被接合物で計測された比例係数ＣＢ（Ｚ１）の値は異なるものとなる。その結果、ウエハー２０に形成されたバンプ２０ａの高さのバラつきによって、押圧体が停止する位置にバラつきが生じてしまい、押圧体が十分に下降せずに、ウエハー２０をウエハー２２に接合するのに必要な量だけバンプ２０ａをつぶすことができなかったり、最悪の場合、押圧体を下降させすぎてウエハー２０、２２を破損させてしまうことがあった。
また、押圧体を停止させる方法としては、単純にステージからの位置Ｚ１（固定値）を押圧体の停止位置として、押圧体を停止させる方法も知られている。しかしながら、この方法でも、上記したウエハー２０に形成されたバンプ２０ａの高さのバラつきによって、同様の問題が生じてしまうことがあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被加圧体を破壊することなく、適切に加圧することのできる技術を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、被接合物を適切に加圧することで、被接合物を破損させることなく、被接合物どうしを良好に接合することのできる技術を提供することを第２の目的とする。
上記した第１の目的を解決するために、本発明にかかる加圧方法は、流体圧シリンダと、前記流体圧シリンダ内にスライド可能に配設され、前記流体圧シリンダを第１および第２圧力室に分離するピストンヘッドと、一端が該ピストンヘッドに連結されて他端が前記流体圧シリンダ外に導出されたピストンシャフトとを有するピストン体と、サーボ弁を介して前記第１および第２圧力室にそれぞれ供給する流体の圧力を調整して前記ピストンヘッドを駆動する流体回路と、前記ピストンシャフトの他端に結合された押圧体と、前記ピストンヘッドの位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、前記第１および第２圧力室の流体の圧力の差圧を検出して差圧検出信号を出力する圧力検出手段とを備えた加圧装置を用いて前記押圧体により被加圧体を加圧する加圧方法において、前記位置検出信号に基づき前記押圧体の移動速度を算出し、加圧方向へ移動中の前記押圧体が前記被加圧体に接触する接触位置を接触位置導出部により導出するとともに、前記接触位置から、前記押圧体の加圧力を前記被加圧体の材質に応じてほぼ一定に保持しつつ、前記押圧体の移動速度を予め設定された設定速度以下に制御することを特徴としている（請求項１）。
また、本発明にかかる加圧方法は、流体圧シリンダと、前記流体圧シリンダ内にスライド可能に配設され、前記流体圧シリンダを第１および第２圧力室に分離するピストンヘッドと、一端が該ピストンヘッドに連結されて他端が前記流体圧シリンダ外に導出されたピストンシャフトとを有するピストン体と、サーボ弁を介して前記第１および第２圧力室にそれぞれ供給する流体の圧力を調整して前記ピストンヘッドを駆動する流体回路と、前記ピストンシャフトの他端に結合された押圧体と、前記ピストンヘッドの位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、前記第１および第２圧力室の流体の圧力の差圧を検出して差圧検出信号を出力する圧力検出手段とを備えた加圧装置を用いて前記押圧体により被加圧体を加圧する加圧方法において、前記位置検出信号に基づき前記押圧体の移動速度を算出し、加圧方向へ移動中の前記押圧体が前記被加圧体に接触する接触位置を接触位置導出部により導出するとともに、前記接触位置から、前記押圧体の加圧力を前記被加圧体の材質に応じた所定の加圧力まで徐々に増大させつつ、前記押圧体の移動速度を予め設定された設定速度以下に制御することを特徴としている（請求項２）。
また、本発明にかかる接合装置は、流体圧シリンダと、前記流体圧シリンダ内にスライド可能に配設され、前記流体圧シリンダを第１および第２圧力室に分離するピストンヘッドと、一端が該ピストンヘッドに連結されて他端が前記流体圧シリンダ外に導出されたピストンシャフトとを有するピストン体と、サーボ弁を介して前記第１および第２圧力室にそれぞれ供給する流体の圧力を調整して前記ピストンヘッドを駆動する流体回路と、前記ピストンシャフトの他端に結合された押圧体と、前記ピストンヘッドの位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、前記第１および第２圧力室の流体の圧力の差圧を検出して差圧検出信号を出力する圧力検出手段と、前記位置検出信号および前記差圧検出信号を受けて前記流体回路を制御して、前記ピストンヘッドを駆動する駆動制御手段とを備え、前記押圧体により被加圧体を加圧する加圧装置において、前記駆動制御手段は、前記位置検出信号に基づき前記押圧体の移動速度を算出する速度算出部と、加圧方向へ移動中の前記押圧体が前記被加圧体に接触する接触位置を導出する接触位置導出部と、前記接触位置から、前記押圧体の加圧力を前記被加圧体の材質に応じてほぼ一定に保持しつつ、前記押圧体の移動速度を予め設定された設定速度以下に制御する制御部とを有することを特徴としている（請求項１２）。
また、本発明にかかる加圧装置は、流体圧シリンダと、前記流体圧シリンダ内にスライド可能に配設され、前記流体圧シリンダを第１および第２圧力室に分離するピストンヘッドと、一端が該ピストンヘッドに連結されて他端が前記流体圧シリンダ外に導出されたピストンシャフトとを有するピストン体と、サーボ弁を介して前記第１および第２圧力室にそれぞれ供給する流体の圧力を調整して前記ピストンヘッドを駆動する流体回路と、前記ピストンシャフトの他端に結合された押圧体と、前記ピストンヘッドの位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、前記第１および第２圧力室の流体の圧力の差圧を検出して差圧検出信号を出力する圧力検出手段と、前記位置検出信号および前記差圧検出信号を受けて前記流体回路を制御して、前記ピストンヘッドを駆動する駆動制御手段とを備え、前記押圧体により被加圧体を加圧する加圧装置において、前記駆動制御手段は、前記位置検出信号に基づき前記押圧体の移動速度を算出する速度算出部と、加圧方向へ移動中前記押圧体が前記被加圧体に接触する接触位置を導出する接触位置導出部と、前記接触位置から、前記押圧体の加圧力を前記被加圧体の材質に応じた所定の加圧力まで徐々に増大させつつ、前記押圧体の移動速度を予め設定された設定速度以下に制御する制御部とを有することを特徴としている（請求項１３）。
このように構成された発明では、押圧体が、押圧体と被加圧体との接触位置から、押圧体の加圧力を、被加圧体の材質、形状、大きさ等に応じて適切に設定されたほぼ一定の加圧力に保持しつつ、押圧体が予め設定された設定速度の大きさを超えない速度で移動するように制御している。したがって、押圧体の移動に伴って、被加圧体が押圧体で加圧されて生じる応力が増大して、この増大した応力が押圧体の加圧力に近づくにつれて、押圧体の加圧方向への移動量が急減するため、確実に押圧体で被加圧体を加圧することができるとともに、被加圧体を押圧体で加圧しすぎることがない。また、上記した接触位置から押圧体は設定速度以下の移動速度で移動して被加圧体を加圧して当該被加圧体を徐々につぶしていくので、被加圧体が急速につぶれてしまうことで不均一に変形してしまうことを防止することができる。したがって、被加圧体を破壊することなく、適切に加圧することができる。
なお、押圧体による被加圧体への加圧力は、被加圧体の材質、形状、大きさ等に応じて適切に設定すればよく、被加圧体の試験加圧を行うことによって加圧力を決定してもよいし、被加圧体の材質の硬度等から算出される理論値を加圧力として設定してもよい。要は、被加圧体を確実に加圧変形できるとともに、該被加圧体を過剰な加圧力によって破壊してしまわない加圧力であればよい。また、押圧体の設定速度は、被加圧体が急速につぶれてしまうことで不均一に変形してしまうことを防止することのできる速度であればよい。この設定速度の値も、被加圧体の試験加圧を行うことによって決定してもよいし、被加圧体の材質等から理論値として算出しても構わない。
また、接触位置から、押圧体による加圧力を、被加圧体の材質、形状、大きさ等に応じて適切に設定された所定の加圧力まで徐々に増大させる制御を行っても、同様の作用効果を奏することができる。
また、前記押圧体が加圧方向へ移動中の前記位置検出信号に基づき、前記押圧体の移動量が急減する急減位置を導出し、前記押圧体が前記急減位置を超えて前記被加圧体の破壊を招くおそれのある限界位置まで移動する場合、前記押圧体を当該限界位置を超えない位置で停止させる制御を行ってもよい。（請求項３、１４）。このような構成とすれば、押圧体が、被加圧体が加圧されて生じる応力が増大することにより押圧体の移動量が急減する急減位置を超えて被加圧体の材質、高さ、形状、大きさ等から定まる、被加圧体の破壊を招くおそれのある限界位置まで移動する場合には、押圧体を当該限界位置を超えない位置で停止させる。したがって、例えば、被加圧体が合金である場合等、製造過程で被加圧体の硬度にバラつきが生じてしまい、押圧体が通常の急減位置を超えて限界位置まで移動する場合には、被加圧体が押圧体によって過剰に加圧されて破壊されてしまう前に、押圧体を限界位置を超えない位置で停止させることができるので、被加圧体を過剰に加圧してしまい当該被加圧体が破壊されることを未然に防止することができる。
前記押圧体の移動が停止した後も、所定の時間は前記押圧体を当該停止位置に保持する制御を行ってもよい（請求項４、１５）。このような構成とすれば、押圧体の移動が停止して、被加圧体が押圧体によって加圧変形された後、所定の時間は押圧体を停止位置に保持している。したがって、該押圧体を停止位置に保持している間に被加圧体の応力が除去されるので、当該被加圧体を確実に塑性変形させて所定の形状につぶした状態とすることができる。
また、前記押圧体を、移動が停止した位置から前記接触位置まで復帰移動させる間、前記押圧体の移動速度を、前記加圧方向へ移動するときの前記設定速度と異なる値に制御する構成でもよい（請求項５、１６）。このような構成とすれば、押圧体を、移動が停止した位置から接触位置まで復帰移動させる間、押圧体の移動速度を、加圧方向へ移動するときの設定速度と異なる値に制御することで、押圧体の移動が停止して、被加圧体が押圧体によって加圧変形された後、当該異なる値に設定された速度の大きさを超えない移動速度で徐々に押圧体による被加圧体への加圧力を除去することができる。したがって、被加圧体への押圧体による加圧力を徐々に除去していく間に被加圧体の応力が徐々に除去されていくため、加圧変形された被加圧体が残留応力によって所定の変形状態から元の形に戻ってしまうことを防止することができる。なお、押圧体を復帰移動させる間の押圧体の設定速度は、被加圧体への押圧体による加圧力を徐々に除去していくことで被加圧体の応力が徐々に除去することができる速度であればどのような速度であってもよいが、十分に遅い速度とするのがより好ましい。また、押圧体を接触位置まで復帰移動させた後は押圧体の移動速度を任意に変更して、押圧体を所定の位置までさらに移動させてもよい。
また、上記した第２の目的を解決するために、本発明にかかる接合方法は、請求項１ないし５のいずれかに記載の加圧方法を用いて、前記被加圧体として被接合物どうしを加圧して接合する接合方法において、一方の被接合物を前記押圧体で保持するとともに、他方の被接合物を前記押圧体に対向して配置されたステージで保持し、前記押圧体を前記ステージに近接させることで前記被接合物の接合部どうしを押しつぶして接合することを特徴としている（請求項６）。
また、本発明にかかる接合装置は、請求項１２ないし１９のいずれかに記載の加圧装置を用いて、前記被加圧体として被接合物どうしを加圧して接合する接合装置において、前記押圧体に対向して配置されたステージを備え、一方の被接合物を前記押圧体で保持するとともに、他方の被接合物を前記ステージで保持し、前記制御部は、前記押圧体を前記ステージに近接させることで前記被接合物の接合部どうしを押しつぶして接合することを特徴としている（請求項２０）。
このように構成された発明では、押圧体により保持された一方の被接合物と、ステージに保持された他方の被接合物の接合部どうしを、ほぼ一定の加圧力で、または、所定の加圧力まで加圧力を徐々に増大させて、押しつぶしつつ、押圧体を設定速度以下の移動速度で移動させることで接合速度を制御している。したがって、被接合物どうしを加圧する際、接合部が一定の速度で均一につぶれるため、接合部がつぶれることで、接合部表面に付着した酸化膜や有機物層が除去されて現れた新生面どうしを良好に接触させて該接合部どうしを良好に接合することができる。また、被接合物の材質、形状、大きさ等によって押圧体による加圧力を適切に設定しているため、被接合物が破壊されるのを防止することができる。したがって、被接合物を適切に加圧して、被接合物を破損させることなく、被接合物どうしを良好に接合することができる。
また、押圧体の移動が停止した後も、所定の時間は押圧体を当該停止位置に保持する制御を行う構成とすれば、押圧体の移動が停止して、両被接合物の接合部どうしが押しつぶされた後、所定の時間は押圧体を停止位置に保持する。したがって、該押圧体を停止位置に保持している間に押しつぶされた接合部の応力が除去されるので、残留応力によって接合された被接合物どうしが再び剥がれてしまうことを防止することができる。
また、被接合物の接合後、押圧体を設定速度と異なる値に制御してステージから離間させて接触位置まで復帰移動させる制御を行う構成とすれば、押圧体による両被接合物の接合部への加圧力の除去速度を制御することができる。したがって、被接合物の接合後、押圧体による加圧力を被接合物から徐々に除去することができるため、当該加圧力を両被接合物から徐々に除去していく間に押しつぶされた接合部の応力が徐々に除去され、接合部がつぶれることによって現れた新生面どうしが接触することで接合された被接合物どうしが接合部の残留応力によって再び剥がれてしまうことをさらに効率よく防止することができる。
なお、上記した接合方法および接合装置では、押圧体による被接合物への加圧力は、被接合物の接合部の材質、形状、大きさ等に応じて適切に設定すればよく、被接合物の試験加圧を行うことによって加圧力を決定してもよいし、接合部の材質の硬度等から算出される理論値であっても構わない。要は、接合部を確実に加圧して押しつぶすことができるとともに、該接合部を過剰な加圧力によって破壊してしまわない加圧力であればよい。例えば、被接合物がＳｉウエハーであり、接合部（電極）としてＳｉウエハーにＡｕバンプが１００個形成されたものである場合、１個のＡｕバンプあたりに０．３Ｎ（１２０ＭＰａ）の加圧力が加わるように３０Ｎ（０．３Ｎ×１００個）の加圧力を加えることができる。また、Ａｕバンプの換わりにＣｕバンプが形成されている場合には、１個のＣｕバンプあたりに０．５Ｎ（２００ＭＰａ）の加圧力が加わるように５０Ｎ（０．５Ｎ×１００個）の加圧力を加えることができる。
また、押圧体が上記した急減位置を超えて被接合物の破壊を招く恐れのある限界位置まで移動する場合、押圧体を当該限界位置を超えない位置で停止させる制御を行えば、被接合物が押圧体による過剰な加圧力で破壊されてしまう前に、押圧体を限界位置を超えない位置で停止させることができるので、被接合物が過剰に加圧されて破壊されることを未然に防止することができる。なお、限界位置としては、例えば、５０μｍの高さのバンプを形成し、そのうちの先端部分３０μｍを加圧された際のつぶし代として、バンプが３０μｍ以上つぶれない位置に該限界位置を設定することができる。
また、前記両被接合物の接合部どうしを押しつぶす間、超音波印加手段により前記両被接合物に超音波振動を印加してもよい（請求項７、２１）。このような構成とすれば、接合部を押圧体によって押しつぶす間、超音波振動を印加している。したがって、接合部が押しつぶされる過程で超音波振動が印加されるため、接合部どうしが押し付けられた状態で当該接合部間に「滑り」が発生し、こすり合わせられて、接合部表面の埃、酸化膜、有機物層等が効率よく除去されるので、接合部に新生面を効率よく出現させることができ、より効率よく被接合物どうしを接合することができる。なお、被接合物どうしを加圧する際の押圧体の設定速度は、接合部が急速につぶれてしまうのを防止して、該接合部に均一に超音波振動エネルギーを与えることのできる速度であればよい。
例えば、この設定速度の値は、バンプの高さ、形状等から理論値として算出することができる。具体的には、５０μｍの高さのバンプを形成し、そのうちの先端部分３０μｍを加圧された際のつぶし代とした場合に、この３０μｍのつぶし代がつぶれる間に十分に超音波振動エネルギーを与えることのできる移動速度を設定速度とすればよい。例えば、上記した形状のバンプがＡｕバンプである場合には、設定速度を約４ｍｍ／ｓとすることができる。
また、両被接合物の接合部どうしを押しつぶす初期の段階では、接合部表面の酸化膜等が十分に除去されていないため当該接合部どうしが接合している接合面積は小さい。そのため、被接合物どうしの接合力が小さいので、この状態で大きな超音波振動エネルギーを印加すると被接合物どうしが過剰に振動してしまい、被接合物が破損したり、被接合物どうしの接合位置に位置ズレが生じる原因となる。したがって、接合の初期の段階（被接合物どうしの加圧を開始した段階）においては、比較的、小さい超音波振動エネルギーを印加するのが好ましい。
しかしながら、両被接合物の接合部どうしの加圧が進み、接合部表面の酸化膜等が除去されていくつれて接合部表面の新生面が増大していくと、当該接合部どうしが接合している接合面積が大きくなり、被接合物どうしの接合力も大きくなる。そのため、被接合物の接合を開始した初期の段階に印加した、比較的、小さい超音波振動エネルギーでは両被接合物の接合部間で「滑り」が十分に発生しなくなるので、被接合物に印加する超音波振動エネルギーを増大させるのが好ましい。したがって、両被接合物の接合部どうしを押しつぶす間に印加する超音波振動エネルギーは、接合部が押しつぶされていく過程で当該接合部に現れる新生面が増大することで接合面積が増大するのに伴って増大させていくのがより好ましい。
なお、具体的には、押圧体を設定速度以下の移動速度ステージに近接させていく、すなわち、両被接合物の接合部が押しつぶされる速度を制御することで接合部に現れる新生面（接合面積）が増大する速度を制御し、当該新生面が増大するのに伴って、被接合物に印加する超音波振動エネルギーを増大させればよい。このようにすれば、接合部に現れる新生面が増大して接合面積が増大するのに伴って、被接合物に印加する超音波振動エネルギーを増大させることができる。
また、両被接合物の接合部の加圧が終了して、接合部の押しつぶしが完了した後も超音波振動エネルギーを印加し続けると、過剰な超音波振動エネルギーを印加してしまう原因となり、被接合物を破損させるおそれがある。したがって、押圧体が急減位置まで移動した後、または押圧体が停止した後は、両被接合物に超音波振動を印加するのを終了する制御を行ってもよい。このような構成とすれば、両被接合物に過剰な超音波振動エネルギーを印加することで被接合物が破損してしまうのを防止することができる。
また、前記両被接合物の接合部どうしを押しつぶす間、加熱手段により前記両被接合物を加熱してもよい（請求項８、２２）。このような構成とすれば、加熱手段によって接合部を溶融させて被接合物どうしを接合することができる。したがって、より低い加圧力で被接合物どうしを接合することができる。なお、接合部の種類としてはハンダ等、比較的低温で溶融する金属を採用するのがより好ましい。
また、前記ピストンシャフトの回転を阻止するガイドをさらに備える構成でもよい（請求項１７）。このような構成とすれば、ピストンシャフトの移動方向を１方向にのみ限定することができるため、位置精度を向上させることができる。
また、前記ピストンシャフトの少なくとも前記ガイドによりガイドされる部分の切断面が多角形状であって、前記ガイドの切断面は前記ピストンシャフトの切断面とほぼ同形状を有するとともに当該ガイドの内周面に複数のローラーが設けられ、前記ピストンシャフトは前記ガイドに挿通されている構成でもよい（請求項１８）。このような構成とすると、ガイドの剛性を向上させることができるため、比較的、強い加圧力で被加圧体を押圧体により加圧することができる。また、例えば、上記したような超音波振動、特に、ピストンシャフトの軸方向に対してほぼ垂直な方向へ振動する超音波振動を被加圧体に印加しながら当該被加圧体を加圧する場合等、ガイドの軸方向に対して横方向に力が加わる場合でも、ガイドを上記したような構成とすればガイドの剛性が高いため、効率よく超音波振動エネルギーを被加圧体に伝達することができる。したがって、例えば、この加圧装置を用いた接合装置で被接合物どうしを接合する場合には、被接合物に効率よく超音波振動エネルギーを伝達して被接合物どうしを接合することができる。なお、ガイドによってガイドされる部分はピストンシャフトと一体構造であってもよいが、ガイドによってガイドされる部分とピストンシャフトとが分離構造でも構わない。
また、前記ピストンシャフトの切断面が多角形状であって、前記ガイドがエアーベアリングである構成でもよい（請求項１９）。このような構成とすれば、ピストンシャフトとエアーベアリングとの間の摺動摩擦を小さくすることができる。したがって、比較的、弱い加圧力で精度よく被加圧体を押圧体により加圧することができる。
また、前記被接合物がウエハーまたはウエハーを分割したチップである構成でもよい（請求項９、２３）。ウエハーとは、例えば、Ｓｉのような金属、ＳｉＯ２、ガラス、イオン酸リチウム、酸化物単結晶（ＬＴ）、セラミック系を含む酸化物等で構成され、チップは、一般的にウエハーをダイシングした個辺のものを示し、トランジスタや抵抗、コンデンサ、リアクタンス等で構成される。なお、被接合物として、ウエハーどうしや、ウエハーに数百〜数千の接合部（バンプ）が形成されたものどうしを接合する場合、比較的、強い加圧力が必要である。したがって、これらの被接合物どうしを接合する場合には上記した複数のローラーを有するガイドを利用して、強い加圧力で超音波振動を印加して接合するのがより好ましい。
また、前記被接合物が光素子である構成でもよい（請求項１０、２４）。光素子としては、例えば、Ｇａ−Ａｓ素子等、様々なものがあり、周知のものであればどのようなものを採用しても構わない。なお、これらの素子は比較的微小な素子であり、強い加圧力を加えると破壊されてしまう素子が多い。したがって、これらの素子を接合する場合には上記したエアーベアリングを利用して、弱い加圧力で光素子の接合部を溶融させて接合するのがより好ましい。
また、請求項６ないし１０のいずれかに記載の接合方法で、半導体デバイス、ＭＥＭＳデバイスまたは光素子デバイスなどのデバイスを形成してもよい（請求項１１）。上記した方法でデバイスを形成することで、デバイスを作成する過程でウエハー、チップ等を加圧する際、接合部を押しつぶす速度を制御して当該接合部を均一に押しつぶすことができるので、高精度にデバイスを作成することができる。したがって、微細なバンプで構成される電極の接合が必要となる半導体デバイスやＭＥＭＳデバイス、光素子デバイス等を特に精度良く形成することができる。
請求項１、２、１２、１３に記載の発明によれば、押圧体は、被加圧体を加圧しすぎて破壊することなく確実に被加圧体を加圧することができるとともに、設定速度以下の移動速度で移動して被加圧体を加圧するため、被加圧体が不均一に変形することを防止することができる。したがって、被加圧体を破壊することなく、適切に加圧することができる。
請求項３、１４に記載の発明によれば、押圧体が、被加圧体の破壊を招くおそれのある限界位置まで移動する場合には、押圧体を当該限界位置を超えない位置で停止させ、押圧体が限界位置を超えて移動するのを防止して被加圧体が破壊されることを未然に防止することができる。
請求項４、１５に記載の発明によれば、被加圧体が押圧体によって加圧変形された後、所定の時間は押圧体を停止位置に保持することで、該押圧体を停止位置に保持している間に被加圧体の応力を除去することができるため、被加圧体を確実に塑性変形させることができる。
請求項５、１６に記載の発明によれば、押圧体を、移動が停止した位置から接触位置まで復帰移動させる間、押圧体による被加圧体への加圧力を徐々に除去することで被接合物の応力が徐々に除去されていくため、加圧変形された被加圧体が残留応力によって所定の変形状態から元の形に戻ってしまうことを防止することができる。
請求項６、２０に記載の発明によれば、被接合物どうしを加圧する際、接合部が一定の速度で均一に押しつぶされるため、接合部がつぶれることによって現れた新生面どうしを良好に接触させ、該接合部どうしを良好に接合することができるとともに、押圧体による加圧力を適切に設定しているため、被接合物が破壊されるのを防止することができる。したがって、被接合物を適切に加圧して、被接合物を破損させることなく、被接合物どうしを良好に接合することができる。
請求項７、２１に記載の発明によれば、接合部がつぶれる過程で超音波振動を印加して接合部に新生面を効率よく出現させることができるため、より効率よく被接合物どうしを接合することができる。
請求項８、２２に記載の発明によれば、加熱手段によって接合部を溶融させて被接合物どうしを接合することができるため、より低い加圧力で被接合物どうしを接合することができる。
請求項１７に記載の発明によれば、ピストンシャフトの移動方向を１方向にのみ限定することができるため、位置精度を向上させることができる。
請求項１８に記載の発明によれば、ガイドの剛性を向上させることができるため、比較的、強い加圧力で被加圧体を押圧体により加圧することができる。
請求項１９に記載の発明によれば、ピストンシャフトとエアーベアリングとの間の摺動摩擦を小さくすることができため、比較的、弱い加圧力で精度よく被加圧体を押圧体により加圧することができる。
請求項９、２３に記載の発明によれば、例えば、Ｓｉのような金属、ＳｉＯ２、ガラス、イオン酸リチウム、酸化物単結晶（ＬＴ）、セラミック系を含む酸化物等で構成されるウエハー、または、ウエハーをダイシングしたもの、トランジスタや抵抗、コンデンサ、リアクタンス等で構成されるチップを良好に接合することができる。
請求項１０、２４に記載の発明によれば、例えば、Ｇａ−Ａｓ素子等の光素子を良好に接合することができる。
請求項１１に記載の発明によれば、ウエハー、チップ等を加圧する際、接合部を押しつぶす速度を制御して当該接合部を均一に押しつぶすことができるので、高精度にデバイスを作成することができる。したがって、微細なバンプで構成される電極の接合が必要となる半導体デバイスやＭＥＭＳデバイス、光素子デバイス等を特に精度良く形成することができる。
＜第１実施形態＞
この発明の第１実施形態について図１ないし図６を参照して説明する。図１はこの発明にかかる接合装置の第１実施形態を示す図、図２は図１に示す接合装置における加圧装置を示す拡大模式図、図３は図２に示す加圧装置のガイドを示す図、図４は図１の接合装置の動作説明図、図５は図１の接合装置を用いた被接合物どうしの接合の様子を示す模式図、図６は被接合物の接合前と接合後の状態を示す模式図である。図１に示す接合装置２００では、共振器７（本発明の「押圧体」に相当）が保持する一方の被接合物であり、半導体の接合面に金からなる金属電極２０ａを有するチップ２０と、共振器７に対向して配置されたステージ１０が保持する他方の被接合物である金属電極２２ａを有する基板２２とを、加圧装置１００によって、金属電極２０ａと金属電極２２ａとが接触するように加圧するとともに、振動子８および共振器７により超音波振動を印加することで、チップ２０と基板２２とを接合している。このように、振動子８および共振器７が本発明の「超音波振動印加手段」として機能している。また、本実施形態では、本発明の「被加圧体」として、被接合物であるチップ２０および基板２２を加圧している。
図１に示すように、接合装置２００は、接合機構２７と、ステージ１０とステージテーブル１２とを有する実装機構２８と、位置認識部２９と、搬送部３０と、制御装置３１とを備えている。また、接合機構２７は、上下駆動機構２５と、押圧体部２６を有する加圧装置１００とを備え、上下駆動機構２５は上下駆動モータ１とボルト・ナット機構２により、上下ガイド３でガイドされながら加圧装置保持部６を上下動させるようになっている。加圧装置保持部６は、ヘッド逃がしガイド５で上下方向にガイドされ、自重をキャンセルするための自重カウンター４に牽引された状態でボルト・ナット機構２に連結されている。そして、この加圧装置保持部６に押圧体部２６を有する加圧装置１００が結合されている。また、加圧装置１００が有する押圧体部２６は、チップ２０を吸着保持し、内部に共振器ヒーター９が埋設された共振器７と、振動子８とを備えており、共振器７の振動が阻害されないように配設されている。また、押圧体部２６の高さは加圧装置保持部６に設けられた押圧体部高さ検出手段２４によって検出することができる。なお、加圧装置１００の構成および動作については後で詳細に述べる。
また、実装機構２８は、基板２２を吸着保持し、内部にステージヒーター１１を内蔵したステージ１０と、チップ２０に対する基板２２の位置を調整するために平行・回転移動自在な移動軸を有するステージテーブル１２とを備えている。そして、接合機構２７はフレーム３４に結合されて、フレーム３４は加圧装置１００の加圧中心の周辺を囲むように配設された４本の支柱１３により架台３５と連結されている。このように、共振器ヒーター９およびステージヒーター１１が本発明の「加熱手段」として機能し被接合物であるチップ２０および基板２２を加熱する。なお、支柱１３およびフレーム３４の一部は図示省略している。
また、位置認識部２９は、対向されたチップ２０と基板２２の間に挿入して、上下のチップ２０と基板２２各々の位置認識用のアライメントマークを認識する上下マーク認識手段１４と、発光点認識手段３３と、チップ２０、基板２２および共振器７の振幅を検出する振幅検出器（図示省略）と、これらの認識手段１４、３３および振幅検出器を水平および／または上下移動させる認識手段移動テーブル１５とを備えている。また、搬送部３０は、基板２２を搬送する基板搬送装置１６および基板搬送コンベア１７と、チップ２０を搬送するチップ供給装置１８およびチップトレイ１９とを備えている。また、制御装置３１は、本発明の「駆動制御手段」として機能し、加圧装置を制御するとともに、接合装置２００全体の制御を行う操作部とを備えており、押圧体部高さ検出手段２４からの検出信号によって上下駆動機構２５を制御して押圧体部２６の図１中の矢印Ｚ方向の高さを調節することができる。なお、制御装置３１の構成および動作については後で詳細に述べる。
続いて、図１および図２を参照して加圧装置１００について詳細に述べる。図２に示すように、加圧装置１００は加圧機構１０１と押圧体部２６とを備えている。また、加圧機構１０１は、流体圧シリンダ１０２と、流体圧シリンダ１０２の内部を第１および第２圧力室１０４ａ，１０４ｂに分割するピストンヘッド１０３ａと一端がピストンヘッド１０３ａに連結され他端が流体圧シリンダ１０２外に導出されたピストンシャフト１０３ｂとを有するピストン体１０３と、サーボ弁１０５ｂを介して第１および第２圧力室１０４ａ，１０４ｂにそれぞれ供給する圧縮空気の圧力を調整してピストンヘッド１０３ａを駆動する流体回路１０５と、ピストンヘッド１０３ａに連結された位置センサ用シャフト１０６ａを有しピストンヘッド１０３ａの位置を検出して位置検出信号（図示省略）を出力する位置センサ（本発明の「位置検出手段」に相当）１０６と、第１および第２圧力室１０４ａ，１０４ｂの差圧を検出して差圧検出信号（図示省略）を出力する圧力センサ（本発明の「圧力検出手段」に相当）１０７と、ピストンシャフト１０３ｂの回転を阻止するガイド１０８ａとを備えている。このように、この実施形態では、流体として圧縮空気を用いてピストンヘッド１０３ａを駆動している。
また、図１に示す制御装置３１は、上記したように、本発明の「駆動制御手段」として機能し、位置センサ１０６の位置検出信号および圧力センサ１０７の差圧検出信号を受けて流体回路１０５を制御してピストンヘッド１０３ａを駆動する。具体的には、制御装置３１は、位置センサ１０６の位置検出信号に基づきピストンシャフト１０３ｂに連結された共振器７（押圧体部２６）の移動速度を算出する速度算出部と、圧力センサ１０７の差圧検出信号に基づき共振器７に保持されたチップ２０がステージ１０に保持された基板２２に接触する接触位置を導出する接触位置導出部と、位置センサ１０６の位置検出信号に基づき移動中の共振器７（押圧体部２６）の速度が急減する急減位置を導出する急減位置導出部と、上記した速度算出部・接触位置導出部・急減位置算出部からの信号に基づき共振器７（押圧体部２６）の加圧力および移動速度を制御する制御部としての機能を備えている。
また、流体回路１０５は制御装置３１により制御されて、常に一定圧の空気を第１圧力室１０４ａに導入して、第１圧力室１０４ａの圧力を一定に保持している。そして、制御装置３１からの信号に応じてサーボ弁１０５ｂを調整し、調整された圧力および流量の空気を第２圧力室１０４ｂに導入することで第２圧力室１０４ｂの圧力を調整してピストンヘッド１０３ａを駆動することができる。そして、上記したようにピストンヘッド１０３ａを駆動することにより、圧力センサ１０７によって検出される任意の差圧（加圧力）でチップ２０および基板２２を加圧することができるとともに、押圧体部２６を任意の移動速度でステージ１０に近接・離間させることができる。
また、流体圧シリンダ１０２には、中心軸方向に孔１０６ｂが形成され、この孔１０６ｂにはピストンヘッド１０３ａの中心に固定されて中心軸方向に延びる位置センサ用シャフト１０６ａが挿入されているとともに、位置センサ用シャフト１０６ａとともにピストン体１０３の位置検出を行うための位置センサ１０６が固定されている。このような位置センサ用シャフト１０６ａと位置センサ１０６としては、例えば、定ピッチで磁性体と非磁性体とが交互に配列されている位置センサ用シャフト１０６ａがピストン体１０３とともに中心軸方向に移動すると、移動した磁性体の数が位置センサ１０６で検出され、この検出信号を用いてピストン体１０３の移動量あるいは位置を検出して位置検出信号を出力するものを使用することができる。
また、流体圧シリンダ１０２は、断面円形の空間を有し、この空間に断面円形のピストンヘッド１０３ａが挿通されている。一方、図３に示すように、ガイド１０８ａは断面多角形状（ここでは十角形状）であって、このガイド１０８ａにほぼ同じの断面形状を有するピストンシャフト１０３ｂが軸方向にスライド自在に挿通されて、ピストンシャフト１０３ｂの回転が阻止されている。具体的には、図３（ａ）に示すように、この加圧装置１００が備えるピストン体１０３のピストンシャフト１０３ｂは、その断面形状が多角形状を有し、図３（ｂ）に示すように、このピストンシャフト１０３ｂが、その内周面に複数個の円柱状のローラー１０８ａ１が配設されたガイド１０８ａに挿通されている。したがって、このピストンシャフト１０３ｂはガイド１０８ａに対して軸方向にスライド可能であるとともに、その回転が阻止される。
以上のように、本実施形態における加圧装置１００では、ピストン体１０３の制御系として、位置センサ１０６からの位置検出信号による位置フィードバック系、圧力センサ１０７からの差圧検出信号による圧力フィードバック系が形成されている。すなわち、制御装置３１は、位置検出信号、差圧検出信号に基づいて、流体回路１０５が備えるサーボ弁１０５ｂを制御して第２圧力室１０４ｂへの流体（圧縮空気）の入出力制御を行うことにより、ピストン体１０３（押圧体部２６）の高精度の位置決め制御、圧力制御、移動速度制御を同時に行うことができる。
なお、サーボ弁１０５ｂは、周知のように、スプールの位置を検出するためのスプール位置センサを内蔵しており、位置決め制御に際しては、制御装置３１はこのスプール位置センサからの信号も用いてサーボ弁１０５ｂを制御することもできる。もちろん、制御装置３１は、これらの位置決め制御、圧力制御、移動速度制御をそれぞれ切り換えて行うことができるように構成されている。また、この切り換えは、それぞれの制御の１つのみを行うこともできるし、制御の途中、例えば、位置決め制御によりピストン体１０３、つまり押圧体部２６を所定の位置に位置決めした後、圧力制御に切り換えて被加圧体に所定の圧力を与えるようにすることもできる。
なお、圧力制御とは、第２圧力室１０４ｂに面したピストンヘッド１０３ａの受圧面積をＳ２、そこに作用する圧力をＰ２とし、第１圧力室１０４ａに面したピストンヘッド１０３ａの受圧面積をＳ１（但し、Ｓ２＞Ｓ１）、そこに作用する圧力をＰ１（ただし、Ｐ１＞Ｐ２）とすると、圧力Ｐ＝Ｐ２・Ｓ２−Ｐ１・Ｓ１の演算に基づいて、ピストンシャフト１０３ｂの他端に設けられる押圧体部２６に対して任意に設定された値に基づく圧力を与える制御である。
続いて、図１、２および図４を参照して接合装置２００により被接合物を接合する動作の一例について説明する。まず、チップ２０はチップ供給装置１８によりチップトレイ１９から共振器７に供給され、吸着保持される。また、基板２２は、基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７からステージ１０に供給され、吸着保持される。そして、接合面を対向保持されたチップ２０と基板２２との間に上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５により挿入され、対向保持されたチップ２０と基板２２各々の位置合わせ用アライメントマークの位置を上下マーク認識手段１４により認識する。この後、チップ２０の位置を基準として、ステージテーブル１２を平行・回転移動することで基板２２の位置を移動させてチップ２０および基板２２の位置のアライメントを行う。
次に、チップ２０および基板２２の接合位置が整合された状態（金属電極２０ａ、２２ａの位置が合わされた状態）で、上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５により待避される。続いて、加圧装置保持部６が上下駆動機構２５により下降され、チップ２０（金属電極２０ａ）と基板２２（金属電極２２ａ）が接触する直前で停止されて、その位置で保持される。なお、加圧装置保持部６の高さ方向（矢印Ｚの方向）の位置は押圧体部高さ検出手段２４により検出されており、加圧装置保持部６が停止された後、制御装置３１は加圧装置１００の制御を開始し、押圧体部２６をさらに下降させて、チップ２０と基板２２とを近接させる。また、制御装置３１によって加圧装置１００の制御が開始されるまでは、ピストン体１０３は流圧体シリンダ１０２内において上限位置、すなわち位置センサ１０６の方向へ最も移動した位置を待機位置として停止した状態で保持されている。
制御装置３１は図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、加圧装置保持部６を、押圧体部２６の位置がステージ１０からの位置（高さ）ＺＨとなる位置（待機位置）で停止させた後、加圧装置１００の制御を開始して、時刻ｔ０から押圧体部２６の下降を予め設定された設定速度であるＶＤよりも少し速い速度の大きさで開始する。そして、時刻ｔ１で押圧体部２６の位置が高さＺ０に達したときに圧力センサ１０７からの差圧検出信号に基づいて接触位置導出部によりチップ２０と基板２２との接触する接触位置Ｚ０を検出し、その後、押圧体部２６によるチップ２０および基板２２への加圧力制御と超音波振動の印加、押圧体２６の移動速度Ｖの制御を開始する。なお、接触位置導出部は、チップ２０と基板２２とが接触位置Ｚ０で接触した際に、差圧検出信号に基づいて第１および第２圧力室１０４ａ，１０４ｂの差圧が微小に変化するのを検出することで接触位置Ｚ０を検出することができる。
具体的には、チップ２０が基板２２に接触した時刻ｔ１から、時刻ｔ２において位置センサ１０６からの位置検出信号に基づいて急減位置導出部により検出される押圧体部２６の移動速度（移動量）Ｖが急減する急減位置Ｚ１までの間、すなわち、図４（ｃ）の矢印ＤＴの間、図４（ｂ）に示すようにチップ２０と基板２２を、金属電極２０ａ，２２ｂの材質に応じたほぼ一定の加圧力Ｐ０で加圧する。そして、図４（ｃ）に示すように押圧体部２６の移動速度Ｖの大きさが予め設定された設定速度ＶＤ以下となるように制御を行う。また、図４（ａ）に示すように、押圧体部２６が下降するのに伴い、金属電極２０ａ、２２ａ（接合部）がつぶれて接合面積Ｓが増大し、図４（ｂ）に示すように、チップ２０と基板２２との間の接合面積が増大するのに伴い、チップ２０および基板２２に印加する超音波振動エネルギーＥを増大させる。
なお、図４（ａ）中、Ｓｍａｘとは押圧体部２６が急減位置Ｚ１を超えてチップおよび基板２２の破壊を招くおそれのある限界位置ＺＬまで移動した場合の接合面積の大きさである。また、図４（ｂ）中、Ｅｍａｘとはチップ２０および基板２２に印加する超音波振動エネルギーＥの最大値であり、同図中一点鎖線で示す超音波振動エネルギーＥは、押圧体部２６の位置が限界位置ＺＬに達したときに最大値Ｅｍａｘとなるように増大させている。また、超音波振動を印加している間、図示省略された振幅検出器によりチップ２０と基板２２との間で「滑り」が生じていることを確認しつつ超音波振動を印加するとともに、押圧体部２６をステージ１０へ近接（下降）させている。
また、押圧体部２６の移動速度Ｖは、金属電極２０ａ，２２ａが押しつぶされることに伴って増大する金属電極２０ａ，２２ａの応力の大きさが加圧力Ｐ０の大きさに近づくにつれて急減し、押圧体部２６は時刻ｔ２において急減位置（停止位置）Ｚ１で停止する。そして、押圧体部２６が停止した時刻ｔ２において、チップ２０および基板２２への超音波振動エネルギーＥの印加を終了して、その後、時刻ｔ３までの所定の時間ＳＴの間、押圧体部２６の位置を急減位置（停止位置）Ｚ１に保持する制御を行う。なお、この際、ヒーター９，１１によりチップ２０および基板２２を加熱してアニーリングを行うことで、金属電極２０ａ，２２ｂとの間で拡散が生じ応力を除去することができる。
続いて、一定時間ＳＴの間、押圧体部２６を急減位置（停止位置）Ｚ１に保持した後、時刻ｔ３において共振器７によるチップ２０の吸着を解除し、急減位置（停止位置）Ｚ１から待機位置ＺＨまで押圧体部２６の復帰移動を開始する。この際、押圧体部２６の移動が停止した位置Ｚ１から接触位置Ｚ０までの間、すなわち、時刻ｔ３からｔ４までの間、押圧体部２６の移動速度を、設定速度ＶＤと異なる値ＶＵに制御する。すなわち、図４（ｃ）中、矢印ＵＴの間、押圧体部２６の移動速度の大きさがＶＵ以下となる制御を行い、図４（ｂ）に示すようにチップ２０および基板２２への加圧力Ｐを徐々に除去する。なお、この実施形態では、設定速度ＶＤとＶＵの大きさを同じ値として制御を行っている。
そして、押圧体部２６の位置が接触位置Ｚ０に達した時刻ｔ４から押圧体部２６の移動速度の大きさをＶＵよりも大きくして、押圧体部２６が待機位置ＺＨに達するまで移動させて、押圧体部２６が待機位置ＺＨに達した時刻ｔ５において押圧体部２６の移動を停止させる。この後、チップ２０が実装された状態でステージ１０上に保持された基板２２を基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７へ排出して一連の接合動作が終了する。
以上のように、この実施形態では、押圧体部２６が、チップ２０（金属電極２０ａ）と基板２２（金属電極２２ａ）との接触位置Ｚ０から、金属電極２０ａ，２２ａが加圧されて生じる応力が増大することにより押圧体部２６の移動速度Ｖが急減する急減位置（停止位置）Ｚ１まで移動する間、押圧体部２６による加圧力Ｐを、金属電極２０ａ，２２ａの材質、形状、大きさ等に応じて適切に設定されたほぼ一定の加圧力Ｐ０に保持しつつ、押圧体部２６が予め設定された設定速度ＶＤ以下の移動速度で移動するように制御している。したがって、押圧体部２６の移動に伴って、金属電極２０ａ，２２ａが加圧されて生じる応力が増大して、この増大した応力が押圧体部２６の加圧力Ｐ０に近づくにつれて、押圧体部２６の加圧方向への移動速度（移動量）が急減するため、確実に押圧体部２６でチップ２０（金属電極２０ａ）および基板２２（金属電極２２ａ）を加圧することができるとともに、チップ２０および基板２２を押圧体部２６で加圧しすぎて破壊することがない。
また、上記した接触位置Ｚ０から急減位置Ｚ１までの間、押圧体部２６は設定速度ＶＤの大きさ以下の移動速度で移動してチップ２０および基板２２を加圧するため、図５（ｄ）に示すように、金属電極２０ａ，２２ａは図５（ｂ）の状態で徐々につぶれていくため、金属電極２０ａ，２２ａが急速につぶれてしまい不均一に変形してしまうことを防止することができる。したがって、チップ２０（金属電極２０ａ）および基板２２（金属電極２２ａ）を破損させることなく、適切に加圧することができる。
また、上記したように、金属電極２０ａ，２２ａ（接合部）がつぶれる速度を制御して、一定の設定速度ＶＤ以下で均一に押しつぶしているため、図６に示すように、金属接合部２０ａ，２２ａに付着した酸化膜や有機物層等が除去されて現れた金属電極２０ａ，２２ａの新生面どうしを良好に接触させ、これら金属電極２０ａ，２２ａどうしを良好に接合することができる。
また、金属電極２０ａ，２２ａを押圧体部２６によって押しつぶす間、超音波振動を印加しているため、金属電極２０ａ，２２ａどうしが押し付けられた状態で金属電極２０ａ，２２ａ間に「滑り」が発生し、こすり合わせられて、金属電極２０ａ，２２ａ表面の埃、酸化膜、有機物層等が効率よく除去される。したがって、金属電極２０ａ，２２ａに新生面をより効率よく出現させることができ、より効率よくチップ２０と基板２２とを接合することができる。
また、押圧体部２６が急減位置（停止位置）Ｚ１まで移動した後、チップ２０および基板２２に超音波振動を印加するのを終了しているため、チップ２０および基板２２に過剰な超音波振動エネルギーＥを印加することで、チップ２０および基板２２が破損してしまうのを防止することができる。
また、押圧体部２６の移動が急減位置（停止位置）Ｚ１で停止して、金属電極２０ａ，２２ｂが押圧体部２６によって押しつぶされた後、所定の時間ＳＴの間、押圧体部２６を急減位置（停止位置）Ｚ１に保持している。したがって、押圧体部２６を急減位置（停止位置）Ｚ１に保持している間に金属電極２０ａ，２２ａの応力が除去されるので、図６に示すように、金属電極２０ａ，２２ａを確実に塑性変形させて表面に新生面が現れた状態とすることができる。また、押圧体部２６を急減位置（停止位置）Ｚ１に保持している間に加熱してアニーリングを行っているので、より効率よく金属電極２０ａ，２２ａの応力を除去することができる。したがって、金属電極２０ａ，２２ａの残留応力によって、接合されたチップ２０および基板２２が再び剥がれてしまうことを効率よく防止することができる。
また、押圧体部２６を、急減位置（停止位置）Ｚ１から接触位置Ｚ０まで復帰移動させる間、押圧体部２６の移動速度Ｖの大きさがＶＵ以下となるよう制御することで、押圧体部２６によるチップ２０および基板２２への加圧力を徐々に除去しているため、加圧力がチップ２０および基板２２から徐々に除去される間に金属電極２０ａ，２２ａの応力が徐々に除去されていくので、押しつぶされた金属電極２０ａ，２２ａが残留応力によって押しつぶされた状態から元の形に戻ってしまい、再び剥がれてしまうことをさら効率よく防止することができる。
また、ガイド１０８ａによりピストンシャフト１０３ｂの回転を阻止しているため、ピストンシャフト１０３ｂの移動方向を１方向にのみ限定することができるので、位置精度を向上させることができる。また、図３（ｂ）に示すように、複数の円柱状のローラーが設けられたガイド１０８ａを用いることで、ガイド１０８ａの剛性を向上させることができるため、比較的、強い加圧力Ｐでチップ２０および基板２２を押圧体部２６により加圧することができる。
なお、上記した接合装置２００では、押圧体部２６によるチップ２０および基板２２への加圧力Ｐ０は、金属電極２０ａ，２２ａの材質、形状、大きさ等に応じて適切に設定すればよく、チップ２０および基板２２の試験加圧を行うことによって加圧力Ｐ０を決定してもよいし、金属電極２０ａ，２２ａの材質の硬度等から算出される理論値として加圧力Ｐ０を設定してもよい。要は、金属電極２０ａ，２２ａを確実に加圧して押しつぶすことができるとともに、金属電極２０ａ，２２ａを過剰な加圧力によって破壊してしまわない加圧力Ｐ０であればよい。例えば、金属電極がＡｕバンプである場合で、チップ２０および基板２２との接合面間に５０μｍ×５０μｍの面積を有するＡｕバンプが１００個形成されている場合、１個のＡｕバンプあたりに０．３Ｎ（１２０ＭＰａ）の加圧力が加わるように３０Ｎ（０．３Ｎ×１００個）の加圧力を加えることができる。また、Ａｕバンプの換わりにＣｕバンプが形成されている場合には、１個のＣｕバンプあたりに０．５Ｎ（２００ＭＰａ）の加圧力が加わるように５０Ｎ（０．５Ｎ×１００個）の加圧力を加えることができる。
また、チップ２０および基板２２を加圧する際の押圧体部２６の設定速度ＶＤは、金属電極２０ａ，２２ａが急速につぶれてしまうのを防止して、金属電極２０ａ，２２ａに均一に超音波振動エネルギーＥを印加することのできる速度であればよい。例えば、この設定速度ＶＤの値は、バンプ（金属電極２０ａ，２２ａ）の高さ、形状等から理論値として算出することができる。具体的には、５０μｍの高さのバンプを形成し、そのうちの先端部分３０μｍを加圧された際のつぶし代とした場合に、この３０μｍのつぶし代がつぶれる間に十分に超音波振動エネルギーＥを与えることのできる移動速度を設定速度ＶＤとすればよい。例えば、上記した形状のバンプがＡｕバンプである場合には、設定速度を約４ｍｍ／ｓとすることができる。
また、印加する超音波振動エネルギーＥの増大のさせ方は、上記した方法に限定されず、指数関数的に増大させてもよいし、対数関数的に増大させても良い。要は、接合面積Ｓが増大するのに伴って、印加する超音波振動エネルギーＥを増大させればよい。
また、実際に接合される接合界面での振幅（チップ２０と基板２２との間の「滑り」）を常に接合に最適な値とする方法として、チップ２０および基板２２の振幅を検出する振幅検出器を複数設け、チップ２０と基板２２との間の振幅が任意の一定値となるように印加する超音波振動エネルギーＥを制御してもよい。また、チップ２０または基板２２の振幅を振幅検出器により検出し、いずれか一方の振幅が任意の一定値となるように印加する超音波振動エネルギーＥを制御してもよい。上述したように、金属電極２０ａ，２２ａ間の接合面積が増大すると、被接合物どうしの接合力が強くなるため、超音波振動エネルギーＥを一定とすると徐々に被接合物間の振幅が小さくなる。そこで、チップ２０と基板２２との間で振幅が一定になるように印加する超音波振動エネルギーＥを増大させることで、常に接合界面において一定の振幅が得られるのでより良好に接合を行うことができる。
また、チップ２０および基板２２間の振幅を求めるためには、複数の振幅検出器を設けて、チップ２０および基板２２の振幅を同時に測定することが好ましいが、１つの振幅検出器で順番にチップ２０および基板２２の振幅を測定した後、時間軸をずらして時間軸を重ねた状態で振幅差を計算することで、チップ２０および基板２２間の振幅を計測することもできる。また、チップ２０および基板２２が、共振器７およびステージ１０に確実に保持されていれば、チップ１０および基板２２のいずれか一方の振幅を検出するだけでよい。
また、振幅検出器としては、うず電流式、静電容量式、光照射式または音波検出式等、周知のものであればどのようなものを用いても構わない。これらの手段を用いることにより、例えば、レーザードップラー測定器を使用する場合に比べ、低コスト化を達成することができる。
また、この実施形態では、被接合物が金属電極２０ａ，２２ａを有するチップ２０と基板２２である場合について説明したが、被接合物としては半導体以外の材料でもよい。また接合部はＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ等が適するが、その他の金属や金属以外のものでも超音波振動を印加することで接合できるものであればよい。
また、被接合物としては、ウエハーをダイシングしたチップ等、どのような形態のものであってもよい。また、接合部としての金属電極は個々に独立した複数のバンプ形状であってもよいし、被接合物間のある領域を、当該被接合物どうしで封止可能につながった形状であってもよい。また、電極どうしの接合ではなく、被接合物の一方面の全面を接合部として接合してもよい。
また、接合装置の構成としては、図１に示すように被接合物を上下方向（Ｚ方向）で重ね合わせて接合してもよいし、Ｚ方向にほぼ直交する左右方向で重ね合わせて接合する構成でもよい。また、３つ以上の被接合物を重ね合わせて接合してもよい。
また、被接合物の接合面間に生じる「滑り」とは、適切な加圧力下で、接合部の酸化膜等を除去して被接合物どうしを接合するために必要な振幅が印加されることにより生じる接合界面での滑りである。この「滑り」の大きさは、接合部の材質、面積などにより異なるが、一例として、０．１μｍ〜０．５μｍ程度の振幅とすることができる。
＜第２実施形態＞
続いて、図７および図８を参照して本発明の第２実施形態について詳述する。図７はこの発明にかかる接合装置の第２実施形態における加圧装置の拡大模式図、図８は図７に示す加圧装置のガイドを示す図である。この実施形態が、上記第１実施形態と大きく相違する点は、押圧体部２６０が、共振器７の換わりにチップ保持ツールヒーター９０（本発明の「加熱手段」に相当）を内蔵するチップ保持ツール７０により構成されており、ガイド１０８ｂがエアーベアリングで構成されている点である。また、押圧体部２６０をステージ１０に近接させて金属電極２０ａ，２２ａを押しつぶす間に、超音波振動を印加する代わりにチップ保持ツールヒーター９０およびステージヒーター１１によってチップ２０および基板２２を加熱している。なお、その他の構成および動作は上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその構成および動作の説明を省略し、以下、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
図７に示すように、加圧装置１００ｂはチップ保持ツールヒーター９０を内蔵したチップ保持ツール７０を備えており、金属電極２０ａ，２２ａを押しつぶす間に、チップ保持ツールヒーター９０およびステージヒーター１１によりチップ２０および基板２２を加熱することで、金属電極２０ａ，２２ａを溶融させてチップ２０と基板２２とを接合することができる。
また、図８（ｂ）に示すように、加圧装置１００ｂが備えるガイド１０８ｂは、空気導口１０８ｂ１を有しており、断面多角形状のピストンシャフト１０３ｂの周囲に形成された静圧空気軸受け部１０８ｂ２（ガイド１０８ｂの内周面）に空気導入口１０８ｂ１から空気を導入することで、摺動摩擦の無い状態でピストン体１０３が直線運動できるとともに、ピストン体１０３の回転を阻止することができる。したがって、比較的、弱い加圧力Ｐで精度よくチップ２０および基板２２を押圧体部２６０で加圧することができる。このように、弱い加圧力Ｐで精度よくチップ２０および基板２２を加圧することができるため、チップ２０として、加圧されることで破壊されやすい素子、例えば発光素子（光素子）等を精度よく加圧することができる。以下、この加圧装置１００ｂを備える接合装置によって接合することのできる発光素子（チップ２０）を例を挙げて説明する。
図１、図９および図１０を参照して、この実施形態において接合されるチップ２０（発光素子）の第１の例を説明する。図９は図７に示す加圧装置を備える接合装置により接合される側面発光素子とファイバーを固定するＶ溝の付いたＰＬＣ（Planner Light wave guide Circuit）基板との調芯方法の説明図、図１０は図９の側面図である。この第１の例では、発光素子（チップ）２０と基板２２とを調芯して接合している。発光素子２０は接合面（接合部）として金からなる金属電極４３を有し、基板２２は接合面（接合部）として比較的低温で溶融するＡｌ、ハンダ等からなる金属電極４５を有しており、発光素子２０の金属電極４３と基板２２の金属電極４５とが対向した位置に配置されている。そして、発光点認識手段３３により、発光点４１と光ファイバー４６との位置が調芯された後、発光素子２０の金属電極４３と基板２２の金属電極４５とが加熱により溶融されて接合される。
具体的には、発光素子２０および基板２２が対向配置された後、位置合わせ用アライメントマーク２１、２３が上下マーク認識手段１４により認識され、ステージテーブル１２が平行・回転移動することにより発光素子２０を基準に基板２２の位置がアライメントされる。そして、発光素子２０および基板２２の位置が整合された状態で、上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５により待避される。続いて、加圧装置１００ｂによって発光素子２０および基板２２が加圧されている状態で、プローブ４２が発光素子２０上面の電極４３へ、プローブ４４が基板２２上面の電極４５へ接触される。プローブ４２は押圧体部２６０に取り付けられて、押圧体部２６０と同時に上下動することが好ましい。また、チップ保持ツール７０の一部表面を金属メッキしてプローブとすることもできる。このように、両金属電極４３，４５へプローブ４２，４４を接触させて、電気的に発光素子２０を発光させる。一方、ＰＬＣ基板にＶ字溝が形成されており光ファイバー４６が保持されている場合には光ファイバー４６の他端に発光点認識手段３３（光度計）を配置し、光量が最大となる発光素子２０の位置を計測するすることで、発光点４１と光ファイバー４６との調芯をサブミクロン台の精度で行うことができる。
さらに具体的に説明すれば、発光素子２０と基板２２との間の位置は既にアライメントマーク２１，２３により位置補正されているので数μｍ以内の位置精度となっている。この状態で、発光素子２０を発光させ、押圧体部２６０を上下させて発光素子２０の位置を微妙に変化させながら光ファイバー４６からの光量を発光点認識手段３３により測定して、光量が最大となる位置を測定する。そして、光量が最大となる位置に発光素子２０の位置を決定し、ヒーター９０、１１により発光素子２０および基板２２を加熱して金属電極４３，４５を溶融させて接合する。このようにすれば、発光素子２０と基板２２との位置が高精度に調整された状態で、しかも電気的にも接続された状態で金属電極４３，４５どうしを確実に接合することができる。また、発光点認識手段３３が、例えば、ＣＣＤ等のマトリックス撮像素子で構成されている場合には、発光点４１の位置は、一般的に、発光点認識手段３３により認識されている光で、光度が最大となる点を発光点４１とするが、最大値でなくとも周辺の濃淡状態に基づいて発光点４１を決定してもよい。
また、発光点４１の高さ方向の位置は発光素子２０の下部から発光点４１までの厚みで決まるため、発光素子２０の製作時に留意すれば、発光点４１の高さ方向の位置を精度よくほぼ同一にすることができる。しかしながら、発光点の水平方向の位置は、発光素子２０を基板２２に実装する際の位置精度に依存し、アライメントマーク２１，２３を利用して発光素子２０を基板２２に実装したとしても、アライメントマーク２１，２３と発光点４１との位置誤差等から高精度に発光素子２０を実装することは困難である。したがって、このように光ファイバー４６を利用した調芯方法を行うことで、非常に高い位置精度で発光素子２０を基板２２へ実装することができる。
次に、接合が完了した後、発光素子２０のチップ保持ツール７０による吸着を解除して、発光素子２０が実装された状態でステージ１０上に保持された基板２２を再び基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７へ排出して一連の接合動作が終了する。
続いて、発光素子２０として表面発光タイプのものを使用した第２の例について図１１を参照して説明する。図１１は図７に示す加圧装置を備える接合装置により接合される表面発光素子の光ファイバー埋め込み型基板への調芯方法を示す側面図である。表面発光素子２０の場合は、まず、対向する表面発光素子２０と基板２２の各々の位置合わせ用アライメントマーク２１，２３の位置が上下マーク認識手段１４により認識される。そして、表面発光素子２０と基板２２の位置がアライメントされた後、一定の加圧力Ｐを両接合面となる金属電極４３，４５間に加えた状態で、基板２２上に埋め込まれた光ファイバー４６を挟んで設けられた両方の電極４５へプローブ４２，４４を接触させて電気的に表面発光素子２０を発光させる。発光点認識手段３３は、認識手段移動テーブル１５により基板２２に埋め込まれた光ファイバー４６端へ移動し、光量を測定する。表面発光素子２０と基板２２間の位置は既にアライメントマーク２１，２３により位置補正されているので数μｍ以内の位置精度となっている。その状態から発光点４１と光ファイバー４６との調芯をサブミクロン台の精度で行う。
具体的な調芯方法としては、表面発光素子２０を発光させ、押圧体部２６０を上下させて、表面発光素子２０の位置を微妙に変化させながら光ファイバー４６からの光量を測定し、光量が最大となる位置を測定する。このように光量が最大となる位置に表面発光素子２０の位置を決定し、表面発光素子２０および基板２２を加熱して電極４３，４５を溶融させて接合する。このようにすれば、発光素子２０と基板２２との位置が高精度に調整された状態で、しかも電気的にも接続された状態で電極４３，４５どうしを確実に接合することができる。
続いて、この実施形態で接合する発光素子２０の第３の例について図１２を参照して説明する。図１２は図７に示す加圧装置を備える接合装置のチップ保持ツールに光学路変換手段を設けて発光素子とを基板の位置調整を行う方法を示す側面図である。図１２に示すように、チップ保持ツール７０にはプリズムやミラーからなる光学路変換手段４０が設けられている。そして、ステージ１０側からチップ保持ツール７０の方向へＩＲ光を照射することで、光学路変換手段４０によってＩＲ光が発光点４１の発光方向と同じ方向に反射される。したがって、この反射されたＩＲ光と発光点４１からの光とを同時に測定することで、発光点４１からの光とアライメントマーク２１，２３の位置とを同時に同じ発光点認識手段３３によって計測することができ、より高精度に位置調整を行うことができる。
続いて、この実施形態で接合する発光素子２０の第４の例について図１３を参照して説明する。図１３は図７に示す加圧装置を備える接合装置のステージに光学路変換手段を設けて発光素子と基板の位置調整を行う方法を示す側面図である。図１３に示すように、ステージ１０にはプリズムやミラーからなる光学路変換手段４０が設けられている。そして、チップ保持ツール７０側からステージ１０の方向へＩＲ光を照射することで、光学路変換手段４０によってＩＲ光と発光点４１からの光とが同じ方向に反射される。したがって、これらの反射された光を同時に測定することで、発光点の位置とアライメントマーク２１，２３の位置とを同時に同じ発光点認識手段３３によって計測することができ、より高精度に位置調整を行うことができる。
なお、この第２実施形態では、発光素子２０と基板２２との接合を例に挙げて説明したが、被接合物は発光素子２０以外の位置調整が必要な機能デバイスであってもよい。要は、被接合物の接合部を溶融させて被接合物どうしを接合することのできる被接合物であればどのようなものであっても構わない。
＜その他＞
なお、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、押圧体部２６，２６０が急減位置Ｚ１を超えてチップ（発光素子）２０および基板２２の破壊を招くおそれのある限界位置ＺＬまで移動する場合（図４参照）、押圧体部２６，２６０を限界位置ＺＬを超えない位置で停止させる制御を行ってもよい。このような構成とすれば、押圧体２６，２６０が、チップ２０および基板２２の材質、高さ、形状、大きさ等から定まる、チップ２０およびチップ２２の破壊を招くおそれのある限界位置ＺＬまで移動する場合には、押圧体部２６，２６０を限界位置ＺＬを超えない位置で停止させる。
したがって、例えば、チップ２０および基板２２の金属電極２０ａ，２２ａの硬度や高さに製造過程でバラつきが生じてしまい、押圧体部２６，２６０が通常の急減位置（停止位置）Ｚ１を超えて限界位置ＺＬまで移動する場合には、チップ２０および基板２２が押圧体部２６，２６０による加圧によって破壊されてしまう前に、押圧体部２６，２６０を限界位置ＺＬを超えない位置で停止させるので、チップ２０および基板２２が破壊されることを未然に防止することができる。また、限界位置ＺＬとしては、例えば、５０μｍの高さのバンプを形成し、そのうちの先端部分３０μｍを加圧された際のつぶし代として、バンプが３０μｍ以上つぶれない位置に当該限界位置ＺＬを設定することができる。
また、上記した第１実施形態において、超音波振動を印加するのと同時にチップ２０および基板２２を加熱して、金属電極２０ａ，２２ａを溶融させて、チップ２０と基板２２とを接合してもよい。また、上記した第２実施形態において、押圧体部２６０を第１実施形態の押圧体部２６とする構成として、発光素子（チップ）２０および基板２２とを超音波振動を印加しながら加熱して接合する構成としてもよい。
また、位置センサ１０６は上記したものに限定されず、流体圧シリンダ内のピストン体１０３の位置を検出できるものであればどのようなものであってもよい。例えば、流体圧シリンダ１０２の外部からレーザー変位計等によって計測することができる。また、圧力センサを第１および第２圧力室１０４ａ，１０４ｂにそれぞれ１つずつ設け、これらの圧力センサの値を制御装置３１で比較することによって、第１および第２圧力室１０４ａ，１０４ｂの差圧を検出してもよい。また、流体としては圧縮空気に限定されず、他の気体もしくは液体を用いても構わない。
また、上記した第１および第２実施形態ではステージ１０側がアライメント機能、押圧体部２６，２６０側が上下駆動機能を有するように構成したが、アライメント機能、上下駆動機能はステージ１０側、押圧体部２６，２６０側にどのように組み合わせてもよく、また、重複するように構成してもよい。また、押圧体部２６，２６０およびステージ１０を上下方向（矢印Ｚ方向）に配置しているが、配置方向としてはこれに限定されず、左右方向や斜め方向であってもよい。
また、上記した第１および第２実施形態では、接触位置導出部は、押圧体が加圧方向へ移動中の差圧検出信号に基づき、押圧体が被加圧体に（被接合物どうしが）接触する接触位置を導出しているが、接触位置を導出する方法としてはこの方法に限定されず、要は被接合物どうしが接触したことを検出することができれば、どのような方法であってもよい。例えば、圧力センサまたは接触センサをステージや押圧体に別途設け、これらのセンサからの検出信号を接触位置導出部によって検出することで接触位置を導出することができる。
また、上記した第１および第２実施形態ではフレーム３４に、加圧装置１００が結合された上下駆動機構２５を結合して接合機構２７が構成されているが、上下駆動機構２５を用いなくともフレーム３４に押圧体部２６を有する加圧装置１００を直接結合して接合機構を構成してもよい。
また、上記した第１および第２実施形態では、ガイドおよびピストンシャフト１０３ｂは断面十角形状であるが、断面形状としては十角形状に限定されず、四角形状等、どのような形状であっても構わない。要は、確実にガイドによってピストンシャフト１０３ｂの回転を阻止することのできる形状であればどのような形状であってもよい。
また、上記した第１および第２実施形態では、被加圧体（被接合物）を加圧する際、接触位置Ｚ０からほぼ一定の加圧力で加圧しているが、例えば、接触位置Ｚ０から、被加圧体（被接合物）の材質に応じた所定の加圧力まで徐々に加圧力を増大させる制御を行ってもよい。このような構成としても、上記した実施形態と同様の効果を奏することができる。
また、上記した第１および第２実施形態では、ピストンヘッド１０３ａの受圧面積Ｓ１、Ｓ２を異なる面積としたが同じ面積としてもよい。要は、上記した圧力Ｐの演算に基づいて、任意の加圧力をピストンシャフト１０３ｂの他端に設けられた押圧体に加えることができる構成であればよい。
また、上記した第１および第２実施形態では、この発明にかかる加圧装置を接合装置の加圧装置として用いているが、この加圧装置の適用対象としてはこれに限定されるものではない。すなわち、ガラス等の被加圧体を加圧することによってレンズに加工する等、被加圧体を特定の形に加工するプレス加工を行う装置全般に適用することができる。また、本発明にかかる接合装置は、プラズマによって表面活性化処理（親水化処理等）された後の被接合物（Ｓｉのような金属、ＳｉＯ２、ガラス、イオン酸リチウム、酸化物単結晶（ＬＴ）、セラミック系を含む酸化物等で構成されるウエハー等）どうしを接合する際の接合装置として用いることもできる。
この発明にかかる接合装置の第１実施形態を示す図である。 図１に示す接合装置の加圧装置の拡大模式図である。 図２に示す加圧装置のガイドを示す図である。 図１の接合装置の動作説明図である。 図１の接合装置を用いた被接合物どうしの接合の様子を示す模式図である。 被接合物の接合前と接合後の状態を示す模式図である。 この発明にかかる接合装置の第２実施形態における加圧装置の拡大模式図である。 図７に示す加圧装置のガイドを示す図である。 図７に示す加圧装置を備える接合装置により接合される側面発光素子とファイバーを固定するＶ溝の付いたＰＬＣ基板との調芯方法の説明図である。 図９の側面図である。 図７に示す加圧装置を備える接合装置により接合される表面発光素子の光ファイバー埋め込み型基板への調芯方法を示す側面図である。 図７に示す加圧装置を備える接合装置のチップ保持ツールに光学路変換手段を設けて発光素子とを基板の位置調整を行う方法を示す側面図である。 図７に示す加圧装置を備える接合装置のステージに光学路変換手段を設けて発光素子と基板の位置調整を行う方法を示す側面図である。 一般の被加圧体の一例を示す図である。 一般の被加圧体が加圧される様子を示す模式図である。
符号の説明
１０…ステージ
１００，１００ｂ…接合装置
１０２…流体圧シリンダ
１０３…ピストン体
１０３ａ…ピストンヘッド
１０３ｂ…ピストンシャフト
１０４ａ…第１圧力室
１０４ｂ…第２圧力室
１０５…流体回路
１０６…位置センサ（位置検出手段）
１０７…圧力センサ（圧力検出手段）
１１…ステージヒーター（加熱手段）
２０…チップ、発光素子（被加圧体、被接合物）
２０ａ，２２ａ，４３，４５…金属電極（接合部）
２２…基板（被加圧体、被接合物）
３１…制御装置（駆動制御手段）
７…共振器（超音波振動印加手段）
８…共振子（超音波振動印加手段）
９…共振器ヒーター（加熱手段）
９０…チップ保持ツールヒーター（加熱手段）
ＶＤ、ＶＵ…設定速度
Ｚ０…接触位置
Ｚ１…急減位置、停止位置
ＺＬ…限界位置

Claims (24)

  1. 流体圧シリンダと、
    前記流体圧シリンダ内にスライド可能に配設され、前記流体圧シリンダを第１および第２圧力室に分離するピストンヘッドと、一端が該ピストンヘッドに連結されて他端が前記流体圧シリンダ外に導出されたピストンシャフトとを有するピストン体と、
    サーボ弁を介して前記第１および第２圧力室にそれぞれ供給する流体の圧力を調整して前記ピストンヘッドを駆動する流体回路と、
    前記ピストンシャフトの他端に結合された押圧体と、
    前記ピストンヘッドの位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、
    前記第１および第２圧力室の流体の圧力の差圧を検出して差圧検出信号を出力する圧力検出手段とを備えた加圧装置を用いて前記押圧体により被加圧体を加圧する加圧方法において、
    前記位置検出信号に基づき前記押圧体の移動速度を算出し、
    加圧方向へ移動中の前記押圧体が前記被加圧体に接触する接触位置を接触位置導出部により導出するとともに、
    前記接触位置から、前記押圧体の加圧力を前記被加圧体の材質に応じてほぼ一定に保持しつつ、前記押圧体の移動速度を予め設定された設定速度以下に制御することを特徴とする加圧方法。
  2. 流体圧シリンダと、
    前記流体圧シリンダ内にスライド可能に配設され、前記流体圧シリンダを第１および第２圧力室に分離するピストンヘッドと、一端が該ピストンヘッドに連結されて他端が前記流体圧シリンダ外に導出されたピストンシャフトとを有するピストン体と、
    サーボ弁を介して前記第１および第２圧力室にそれぞれ供給する流体の圧力を調整して前記ピストンヘッドを駆動する流体回路と、
    前記ピストンシャフトの他端に結合された押圧体と、
    前記ピストンヘッドの位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、
    前記第１および第２圧力室の流体の圧力の差圧を検出して差圧検出信号を出力する圧力検出手段とを備えた加圧装置を用いて前記押圧体により被加圧体を加圧する加圧方法において、
    前記位置検出信号に基づき前記押圧体の移動速度を算出し、
    加圧方向へ移動中の前記押圧体が前記被加圧体に接触する接触位置を接触位置導出部により導出するとともに、
    前記接触位置から、前記押圧体の加圧力を前記被加圧体の材質に応じた所定の加圧力まで徐々に増大させつつ、前記押圧体の移動速度を予め設定された設定速度以下に制御することを特徴とする加圧方法。
  3. 前記押圧体が加圧方向へ移動中の前記位置検出信号に基づき、前記押圧体の移動量が急減する急減位置を導出し、
    前記押圧体が前記急減位置を超えて前記被加圧体の破壊を招くおそれのある限界位置まで移動する場合、前記押圧体を当該限界位置を超えない位置で停止させる制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の加圧方法。
  4. 前記押圧体の移動が停止した後も、所定の時間は前記押圧体を当該停止位置に保持することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の加圧方法。
  5. 前記押圧体を、移動が停止した位置から前記接触位置まで復帰移動させる間、前記押圧体の移動速度を、前記加圧方向へ移動するときの前記設定速度と異なる値に制御することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の加圧方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の加圧方法を用いて、前記被加圧体として被接合物どうしを加圧して接合する接合方法において、
    一方の被接合物を前記押圧体で保持するとともに、他方の被接合物を前記押圧体に対向して配置されたステージで保持し、
    前記押圧体を前記ステージに近接させることで前記被接合物の接合部どうしを押しつぶして接合することを特徴とする接合方法。
  7. 前記両被接合物の接合部どうしを押しつぶす間、超音波印加手段により前記両被接合物に超音波振動を印加することを特徴とする請求項６に記載の接合方法。
  8. 前記両被接合物の接合部どうしを押しつぶす間、加熱手段により前記両被接合物を加熱することを特徴とする請求項６に記載の接合方法。
  9. 前記被接合物がウエハーまたはウエハーを分割したチップであることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の接合方法。
  10. 前記被接合物が光素子であることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の接合方法。
  11. 請求項６ないし１０のいずれかに記載の接合方法で形成された半導体デバイス、ＭＥＭＳデバイスまたは光素子デバイスなどのデバイス。
  12. 流体圧シリンダと、
    前記流体圧シリンダ内にスライド可能に配設され、前記流体圧シリンダを第１および第２圧力室に分離するピストンヘッドと、一端が該ピストンヘッドに連結されて他端が前記流体圧シリンダ外に導出されたピストンシャフトとを有するピストン体と、
    サーボ弁を介して前記第１および第２圧力室にそれぞれ供給する流体の圧力を調整して前記ピストンヘッドを駆動する流体回路と、
    前記ピストンシャフトの他端に結合された押圧体と、
    前記ピストンヘッドの位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、
    前記第１および第２圧力室の流体の圧力の差圧を検出して差圧検出信号を出力する圧力検出手段と、
    前記位置検出信号および前記差圧検出信号を受けて前記流体回路を制御して、前記ピストンヘッドを駆動する駆動制御手段とを備え、
    前記押圧体により被加圧体を加圧する加圧装置において、
    前記駆動制御手段は、
    前記位置検出信号に基づき前記押圧体の移動速度を算出する速度算出部と、
    加圧方向へ移動中の前記押圧体が前記被加圧体に接触する接触位置を導出する接触位置導出部と、
    前記接触位置から、前記押圧体の加圧力を前記被加圧体の材質に応じてほぼ一定に保持しつつ、前記押圧体の移動速度を予め設定された設定速度以下に制御する制御部と
    を有することを特徴とする加圧装置。
  13. 流体圧シリンダと、
    前記流体圧シリンダ内にスライド可能に配設され、前記流体圧シリンダを第１および第２圧力室に分離するピストンヘッドと、一端が該ピストンヘッドに連結されて他端が前記流体圧シリンダ外に導出されたピストンシャフトとを有するピストン体と、
    サーボ弁を介して前記第１および第２圧力室にそれぞれ供給する流体の圧力を調整して前記ピストンヘッドを駆動する流体回路と、
    前記ピストンシャフトの他端に結合された押圧体と、
    前記ピストンヘッドの位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、
    前記第１および第２圧力室の流体の圧力の差圧を検出して差圧検出信号を出力する圧力検出手段と、
    前記位置検出信号および前記差圧検出信号を受けて前記流体回路を制御して、前記ピストンヘッドを駆動する駆動制御手段とを備え、
    前記押圧体により被加圧体を加圧する加圧装置において、
    前記駆動制御手段は、
    前記位置検出信号に基づき前記押圧体の移動速度を算出する速度算出部と、
    加圧方向へ移動中前記押圧体が前記被加圧体に接触する接触位置を導出する接触位置導出部と、
    前記接触位置から、前記押圧体の加圧力を前記被加圧体の材質に応じた所定の加圧力まで徐々に増大させつつ、前記押圧体の移動速度を予め設定された設定速度以下に制御する制御部と
    を有することを特徴とする加圧装置。
  14. 前記制御部は、
    前記押圧体が加圧方向へ移動中の前記位置検出信号に基づき、前記押圧体の移動量が急減する急減位置を導出する急減位置導出部をさらに有し、
    前記押圧体が前記急減位置を超えて前記被加圧体の破壊を招くおそれのある限界位置まで移動する場合、前記押圧体を当該限界位置を超えない位置で停止させる制御を行うことを特徴とする請求項１２または１３に記載の加圧装置。
  15. 前記制御部は、
    前記押圧体の移動が停止した後も、所定の時間は前記押圧体を当該停止位置に保持することを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれかに記載の加圧装置。
  16. 前記制御部は、
    前記押圧体を、移動が停止した位置から前記接触位置まで復帰移動させる間、前記押圧体の移動速度を、前記加圧方向へ移動するときの前記設定速度と異なる値に制御することを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれかに記載の加圧装置。
  17. 前記ピストンシャフトの回転を阻止するガイドをさらに備えることを特徴とする請求項１２ないし１６のいずれかに記載の加圧装置。
  18. 前記ピストンシャフトの少なくとも前記ガイドによりガイドされる部分の切断面が多角形状であって、前記ガイドの切断面は前記ピストンシャフトの切断面とほぼ同形状を有するとともに当該ガイドの内周面に複数のローラーが設けられ、前記ピストンシャフトは前記ガイドに挿通されていることを特徴とする請求項１７に記載の加圧装置。
  19. 前記ピストンシャフトの切断面が多角形状であって、前記ガイドがエアーベアリングであることを特徴とする請求項１７に記載の加圧装置。
  20. 請求項１２ないし１９のいずれかに記載の加圧装置を用いて、前記被加圧体として被接合物どうしを加圧して接合する接合装置において、
    前記押圧体に対向して配置されたステージを備え、
    一方の被接合物を前記押圧体で保持するとともに、他方の被接合物を前記ステージで保持し、
    前記制御部は、
    前記押圧体を前記ステージに近接させることで前記被接合物の接合部どうしを押しつぶして接合することを特徴とする接合装置。
  21. 前記被接合物に超音波振動を印加する超音波振動印加手段をさらに備え、
    前記制御部は、
    前記両被接合物の接合部どうしを押しつぶす間、超音波印加手段により前記両被接合物に超音波振動を印加することを特徴とする請求項２０に記載の接合装置。
  22. 前記被接合物を加熱する加熱手段をさらに備え、
    前記制御部は、
    前記両被接合物の接合部どうしを押しつぶす間、加熱手段により前記両被接合物を加熱することを特徴とする請求項２０に記載の接合装置。
  23. 前記被接合物がウエハーまたはウエハーを分割したチップである請求項２０ないし２２のいずれかに記載の接合装置。
  24. 前記被接合物が光素子である請求項２０ないし２２のいずれかに記載の接合装置。
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