JP2008162861A - 接合方法および接合部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】
熱膨張率の異なる板状部材を加熱して接合する際に、発生する反りを低減させ、反りを起因とする接合部材の劣化を防いだ接合方法、および接合部材を提供すること。
【解決手段】
第1の板状部材10と第2の板状部材11との厚み比、接合を行う時の昇温速度、または第1の板状部材10と第2の板状部材11との熱膨張率の差のいずれか1つ以上の条件を調整することにより、接合された第1の板状部材10と第2の板状部材11との冷却時の反り量を減少させる。
【選択図】図1
熱膨張率の異なる板状部材を加熱して接合する際に、発生する反りを低減させ、反りを起因とする接合部材の劣化を防いだ接合方法、および接合部材を提供すること。
【解決手段】
第1の板状部材10と第2の板状部材11との厚み比、接合を行う時の昇温速度、または第1の板状部材10と第2の板状部材11との熱膨張率の差のいずれか1つ以上の条件を調整することにより、接合された第1の板状部材10と第2の板状部材11との冷却時の反り量を減少させる。
【選択図】図1
Description
本発明はイメージングデバイス製作における、異なる素材により形成される板状部材を接合する接合方法、及び接合された接合部材に関する。
イメージングデバイスの製造工程において、例えばSiにより形成された板状部材と、ガラスにより形成された板状部材とを接合する接合工程が実施される。近年、このような2種類の板状部材の接合においては、2つの板状部材を接触させた状態で電圧を印加すると同時に、高温で加熱することで接合させる陽極接合による方法が提案されている(例えば、特許文献1、又は特許文献2参照。)。
陽極接合は、例えば図6に示すように、第1の板状部材としての第1の板状部材10、第2の板状部材としての第2の板状部材11、第1の板状部材10を載置するテーブル12、及びテーブル12と第2の板状部材11とにつながる高圧電源13等の構成を備えた接合装置1で実施される。
接合装置1では、接触された第1の板状部材10と第2の板状部材11とは不図示の加熱装置により400℃から500℃の高温で加熱されるとともに、高圧電源13により第2の板状部材11側をカソードとして、500Vから1000V程度の直流高電圧を印加する。
これにより、第1の板状部材10と第2の板状部材11との間に大きな静電引力が発生し、界面部で化学結合することによって強固に第1の板状部材10と第2の板状部材11とが接合される。
この他、2種類の板状部材の接合させる方法としては、板状部材の接合面をプラズマやイオンビーム等のエネルギー波により活性化して接合する方法も提案されている(例えば、特許文献3、又は特許文献4参照。)。
特開2001−64041号公報
特開2005−187321号公報
特開2006−73780号公報
特開2006−248895号公報
しかし、特許文献1から4に記載されるような接合方法においては、接合時に加熱する工程が含まれるため、2枚の板状部材の熱膨張率の違いから、冷却時に接合部材に反りが発生し、半導体を使用したイメージングデバイスなどの製造においては、後工程で大きな問題となっている。
この問題に対応するため、引用文献1から4に記載される接合方法では、例えば接合する部材の厚み方向に温度勾配をつける、または一枚の部材を熱膨張率が同じ2枚の部材で挟むなどの方法により反りを低減している。
ところが、これらの方法では、接合面の上下での精密な冷却温度制御が困難であり、特に薄い部材を接合する場合には熱容量が小さいため、瞬時に全体が均一な温度となり温度勾配をつけることが出来ない。また、熱膨張率が同じ2枚の部材で挟む場合は、本来不要なもう一枚の部材を接合させる必要があるため、工程の増加やコスト増加が新たな問題となる。
本発明はこのような問題に対して成されたものであり、熱膨張率の異なる板状部材を加熱して接合する際に、発生する反りを低減させ、反りを起因とする接合部材の劣化を防いだ接合方法、および接合部材を提供することを目的としている。
本発明は前記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、第1の板状部材と第2の板状部材とを接合する際に加熱を伴う工程が実施される接合方法において、前記第1の板状部材と前記第2の板状部材との厚み比、接合を行う時の昇温速度、または前記第1の板状部材と前記第2の板状部材との熱膨張率の差のいずれか一つ以上の条件を調整することにより、接合された前記第1の板状部材と前記第2の板状部材との冷却時の反り量を減少させることを特徴としている。
請求項1の発明によれば、第1の板状部材と第2の板状部材を密着させ、加熱する工程が実施されることにより2枚の板状部材が接合される接合方法において、第1の板状部材と第2の板状部材の厚み比、接合を行う時の昇温速度、または第1の板状部材と第2の板状部材との熱膨張率の差のいずれか一つ以上の条件が調整される。
これにより、第1の板状部材と第2の板状部材は熱膨張率の差による影響を受けにくくなり、加熱工程後の反りが減少する。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1の板状部材と前記第2の板状部材とはSi、SiO2、またはガラスのいずれかの材質により形成され、該第1の板状部材と該第2の板状部材とは異なる材質により形成されていることを特徴としている。
請求項2の発明によれば、第1の板状部材と第2の板状部材とはSi、SiO2、またはガラスのいずれかの材質により形成されるとともに、第1の板状部材と第2の板状部材とは異なる素材で形成されている。
第1の板状部材と第2の板状部材とのいずれかの形成に使用されるガラスは、例えば「パイレックス(登録商標)ガラス」等の熱膨張係数が低いガラスがより好適であるがこの限りではなく、もう一方の板状部材に対し熱膨張係数が略2倍以下であるガラスが好ましい。
第1の板状部材と第2の板状部材としては、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のイメージングデバイス用の半導体素子が形成されたウェーハが用いられてもよい。
請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の発明において、前記厚み比をn、前記縦弾性係数比をmとした時、n>0.8、2.5<nであり、
r=(mn3+1)×(mn+1)÷mn(mn+1)2+3の式で表されるrは、r>5.3であることを特徴としている。
r=(mn3+1)×(mn+1)÷mn(mn+1)2+3の式で表されるrは、r>5.3であることを特徴としている。
請求項3によれば、第1の板状部材と第2の板状部材との厚みの比と縦弾性係数の比から求められる値より、加熱後の接合部材が冷却された際の反りの曲率半径を最小とするように、それぞれの板状部材の厚みが調整される。
これにより、第1の板状部材と第2の板状部材とに発生する応力による影響が緩和され、接合部材の反りが減少する。
請求項4に記載の発明は、請求項1、2、又は3のうちいずれか1項に記載の発明において、前記昇温速度は、1分あたり10℃以下であることを特徴としている。
請求項4によれば、加熱の際に通常の温度上昇速度よりも遅い温度上昇速度で加熱することにより、接合が行なわれる温度よりも低温の段階から段階的に接合が行われ、必要以上に各板状部材が膨張することがなく、常温に戻った際の反りや接合不良が低減される。
請求項5に記載の発明は、請求項1、2、3、又は4のうちいずれか1項に記載の発明において、前記熱膨張率の差は、前記第1の板状部材と前記第2の板状部材との間に、該第1の板状部材の熱膨張率と該第2の板状部材の熱膨張率との間の熱膨張率を有する膜を、該第1の板状部材と該第2の板状部材とが接合される接合面に形成することにより調整されることを特徴としている。
請求項5によれば、第1の板状部材と第2の板状部材とが接合される接合面には、第1の板状部材の熱膨張率と第2の板状部材の熱膨張率との間の熱膨張率を有する膜が形成されている。
これにより、第1の板状部材の熱膨張率と第2の板状部材の熱膨張率との差が、接合面に形成された膜により緩和され、接合部材の反りが減少する。
請求項6に記載の発明は、請求項1、2、3、4、又は5のうちいずれか1項に記載の発明において、前記熱膨張率の差は、前記第1の板状部材、または前記第2の板状部材のいずれか一方の板状部材において、接合された面の近傍に他方の板状部材の成分を含有することにより調整されることを特徴としている。
請求項6によれば、第1の板状部材と第2の板状部材とのいずれか一方の板状部材は、接合された面から厚み方向に他方の板状部材の成分を含む層が形成されている。他方の成分を含む層は、層に含まれる成分が接合面から離れるに従い少なくなるように傾斜して含有される。
これにより、一方の板状部材には、接合面近傍に他方の膨張係数に近い膨張係数を備えた層が形成され、第1の板状部材の熱膨張率と第2の板状部材の熱膨張率との差が緩和され、接合部材の反りが減少する。
以上説明したように、本発明の接合方法および接合部材によれば、熱膨張率の異なる板状部材を加熱して接合する際に、熱膨張率の差による影響を緩和し、発生する反りを低減させ、反りを起因とする接合部材の劣化を防ぐ。
以下添付図面に従って本発明に係る接合方法および接合部材の好ましい実施の形態について詳説する。
図1は、本発明に係る接合方法、及び本発明に係わる接合部材の製造を行う接合装置における接合工程の概略を示したものである。
接合装置では、Si、SiO2、またはガラスのいずれかの材質であって、それぞれ異なる材質により形成された第1の板状部材10と第2の板状部材11とを、まずチャンバー減圧下に置き、酸素プラズマ処理を実施した後、窒素プラズマ処理を行う。
これにより、第1の板状部材10と第2の板状部材11との表面が活性化されるとともに、親水化される。
続いて、第1の板状部材10と第2の板状部材11とを大気中に戻し、両部材の接合面全面を密着させ、仮接合を行う。仮接合後、第1の板状部材10と第2の板状部材11とは、加圧されるとともに、不図示の加熱装置により加熱され、接合温度(例えば400℃から500℃)まで温度上昇される。この状態で、高圧電源13により第2の板状部材11側をカソードとして直流高電圧(例えば500Vから1000V)を印加する。
これにより、第1の板状部材10と第2の板状部材11との間に大きな静電引力が発生し、界面部で化学結合することによって、第1の板状部材10と第2の板状部材11とが強固に結合される。
なお、上記の接合方法では、第1の板状部材10と第2の板状部材11とは鏡面加工されたものが使用され、平坦度は100μm、面粗さは1nm以下の物が望ましい。
また、本発明に係る接合方法、及び本発明に係わる接合部材の製造を行う接合装置では、上記接合工程に限らず、加熱の工程を伴う既知の接合工程であれば、いずれの接合工程であっても好適に利用可能である。
次に、本発明に係わる接合方法の第1の実施の形態を説明する。図2は、接合部材が反った状態を示した断面図である。
第1の板状部材10と第2の板状部材11とは、接合時に接合する温度まで加熱され、接合後に接合前の温度まで冷却される際、第1の板状部材10と第2の板状部材11との熱膨張率の差から、図2に示す曲率半径Rで反りが発生する。
このとき、部材の長さをLとした場合、反り量をδとすると反り量δはδ=R±SQRT(R2−L2÷4)の式により示される。
曲率半径Rは、h1、h2をそれぞれ第1の板状部材10と第2の板状部材11との厚み、α1、α2をそれぞれ第1の板状部材10と第2の板状部材11との熱膨張率、△Tを加熱により上昇した温度、mを第1の板状部材10と第2の板状部材11との縦弾性係数比、nを第1の板状部材10と第2の板状部材11の厚み比とした場合、R=(h1+h2)÷{6(α2−α1)×△T}×{(mn3+1)×(mn+1)÷mn(mn+1)2+3}となる。
ここで、第1の板状部材10と第2の板状部材11の熱膨張率、縦男性係数は各素材により決定するため、r=(mn3+1)×(mn+1)÷mn(mn+1)2+3とすると、第1の板状部材10と第2の板状部材11とのそれぞれの厚みを変えることにより、厚みの比であるnの値が変化し、rの値が変化する。これにより、曲率半径Rの値も変化する。
曲率半径Rの値をより小さい最適な値にする場合は、第1の板状部材10をSi、SiO2、第2の板状部材11をパイレックス(登録商標)ガラス等の透明なガラス素材とすると、第1の板状部材10の縦弾性係数は180GPaであって、第2の板状部材11の縦弾性係数は90GPaとし、△Tが100Kであるとした際、厚み比nの値はn>0.8、2.5<nであることが好ましく、n>0.48、5<nであることがより好ましく、更に反り量δが300μm以下となるn>0.2、15<nであることがより一層好ましい。
また、rの値は、r>5.3であることが好ましく、反り量δが300μm以下となるr>30であることがより好ましく、更に反り量δが100μmとなるr>100であることがより一層好ましい。
次に、本発明に係わる接合方法の第2の実施の形態を説明する。図3は、温度上昇を変えた場合の接合状態の違いを示した断面図である。
図3(a)に示すように、第1の板状部材10と第2の板状部材11とは、接合面を接触させた状態で不図示の押圧手段により圧力がかけられている。一方の第1の板状部材10と第2の板状部材11とは、常温下から、例えば100℃〜500℃の環境へセットされて非常に急速に加熱され、他方の第1の板状部材10と第2の板状部材11とは、それよりも遅い昇温速度で加熱される。
このとき、第1の板状部材10と第2の板状部材11とは温度上昇とともに膨張し、遅い昇温速度で加熱した第1の板状部材10と第2の板状部材11との間には、図3(b)に示すように、最終的に到達させる見かけ上の接合温度(例えば400℃から500℃)よりも低温の段階で部分的に接合が開始され、内部に第1の板状部材10と第2の板状部材11とが接合している部分である結合手14が形成され始める。
このとき、通常の昇温速度で加熱したものは、温度の上昇が急激な為、遅い昇温速度のものよりも高い温度で結合手14が形成されることとなる。この状態で加熱を続け、昇温速度が速いものも、遅いものも最終的に到達させる見かけ上の接合温度まで第1の板状部材10と第2の板状部材11とが加熱されると、図3(c)に示すように、遅い昇温速度で加熱されたものは結合手14が膨張により延びた方向に傾く。それと異なり、早い昇温速度で加熱された第1の板状部材10と第2の板状部材11とは、既に第1の板状部材10と第2の板状部材11とが大きく膨張した状態で結合手14が形成されるため、結合手14が第1の板状部材10と第2の板状部材11とに対して垂直な方向へ形成される。
この状態で冷却され、第1の板状部材10と第2の板状部材11とが接合された接合部材が常温まで戻ると、第1の板状部材10と第2の板状部材11とは収縮してもとの大きさまで戻り、遅い昇温速度で加熱されたものは、膨張方向に結合手14が傾いていたため、結合手14が第1の板状部材10と第2の板状部材11とに対して垂直な方向に戻る。
それに対し、早い昇温速度で加熱した第1の板状部材10と第2の板状部材11との接合部材は、結合手14が第1の板状部材10と第2の板状部材11とに対して垂直な方向であったため、接合部材が収縮する際に、第1の板状部材10と第2の板状部材11との熱膨張率の差の影響で、結合手14が収縮方向に傾き、大きな反りが発生する。更に、反りを緩和する為に結合手が切断され、部分的な接合不良が発生する場合がある。
よって、昇温速度をより遅く調整することにより、接合部材の熱膨張率の差による影響を受けにくくなり、加熱工程後の反りが減少する。
本実施例の場合、昇温速度は、1分あたり10℃以下が好ましく、1分あたり5℃以下であることがより好ましい。
次に、本発明に係わる接合方法の第3の実施の形態を説明する。図4は、中間に膜を備えた接合部材と通常の接合部材を示した断面図である。
第3の実施の形態では、図4(a)に示されるように、密着されて不図示の押圧手手段により押圧されている第1の板状部材10と第2の板状部材11とのいずれか一方には、第1の板状部材10と第2の板状部材11との間の熱膨張率である中間膜15が形成されている。
中間膜は、例えば第1の板状部材10がSi、第2の板状部材11がSiO2等の透明なガラス素材である場合、例えばSiO2、B2O3、Al2O3、Na2O、からなる、成分比によって熱膨張率を制御した層が第1の板状部材10、または第2の板状部材11のいずれか一方の接合面に成膜される。
このように中間膜15が間に形成された第1の板状部材10と第2の板状部材11とは接合温度まで加熱される際、第1の板状部材10と第2の板状部材11との熱膨張率差による膨張量差を抑制する。
これにより、接合部材の熱膨張率の差による影響を受けにくくなり、加熱時の反りが減少する。
次に、本発明に係わる接合方法の第4の実施の形態を説明する。図5は、他方の成分を含有する板状部材が接合された接合部材と通常の接合部を示した断面図である。
第4の実施の形態では、図5(a)に示されるように、密着されて不図示の押圧手手段により押圧されている第1の板状部材10と第2の板状部材11とのいずれか一方には、他方の部材の成分を含む含有層16が形成されている。含有層16は、接合面から離れるに従い他方の成分の含有量が減るように成分が傾斜して存在する。本実施の形態の場合、第1の板状部材10に第2の板状部材11の成分が含まれるものとする。
このように、含有層16が接合面近傍に形成された第1の板状部材10と第2の板状部材11とは接合温度まで加熱される際、含有層16に第2の板状部材11の成分が含まれるので、含有層16部分の熱膨張率が第2の板状部材11に近くなり、第1の板状部材10と第2の板状部材11との熱膨張率差による膨張量差を抑制する。
これにより、接合部材の熱膨張率の差による影響を受けにくくなり、加熱時の反りが減少する。
表は本発明における接合方法について接合試験を行った結果をまとめたものである。
熱膨張係数比を固定した場合(No.1〜5)、厚み比・温度勾配で、接合性・反り量がどの様に変化するかを調べた。
熱膨張係数比を固定した場合(No.1〜5)、厚み比・温度勾配で、接合性・反り量がどの様に変化するかを調べた。
まず、厚み比を変化する事で、No.1,2における条件での接合と、No.3〜5における条件での接合とにおいて、接合性に差が現れた。厚み比が小さい部材では接合ができていないが、比を大きくする事で接合性が改善された。1、2の未接合結果は反り量起因と考えられる。
また、温度勾配を変化する事で接合性及び反り量に差が現れた(No.3〜5)。温度勾配がゆっくりである程、反り量が低下されている。なお急加熱では反りが小さいものの接合不良部が多く見受けられた。十分な接合がなされていない為、全体の反りを軽減したと考えられる。
更に、熱膨張係数比が近い条件であるNo.6,7における接合では、厚み比・温度勾配に関らず、接合性・そり量とも良好であった。
以上説明したように、本発明に係る接合方法および接合部材によれば、熱膨張率の異なる板状部材を加熱して接合する際に、厚み比、接合を行う時の昇温速度、熱膨張率の差のいずれか一つ以上の条件が調整される際に熱膨張率の差による影響を緩和し、発生する反りを低減させ、反りを起因とする接合部材の劣化を防ぐ。
1…接合装置、10…第1の板状部材、11…第2の板状部材、13…高圧電源、14…結合手、15…中間膜、16…含有層
Claims (12)
- 第1の板状部材と第2の板状部材とを接合する際に加熱を伴う工程が実施される接合方法において、
前記第1の板状部材と前記第2の板状部材との厚み比、接合を行う時の昇温速度、または前記第1の板状部材と前記第2の板状部材との熱膨張率の差のいずれか1つ以上の条件を調整することにより、接合された前記第1の板状部材と前記第2の板状部材との冷却時の反り量を減少させることを特徴とする接合方法。 - 前記第1の板状部材と前記第2の板状部材とはSi、SiO2、またはガラスのいずれかの材質により形成され、該第1の板状部材と該第2の板状部材とは異なる材質により形成されていることを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
- 前記厚み比をn、前記縦弾性係数比をmとした時、n>0.8、2.5<nであり、
r=(mn3+1)×(mn+1)÷mn(mn+1)2+3の式で表されるrは、r>5.3であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の接合方法。 - 前記昇温速度は、1分あたり10℃以下であることを特徴とする請求項1、2、または3のいずれか1項に記載の接合方法。
- 前記熱膨張率の差は、前記第1の板状部材と前記第2の板状部材との間に、該第1の板状部材の熱膨張率と該第2の板状部材の熱膨張率との間の熱膨張率を有する膜を、該第1の板状部材と該第2の板状部材とが接合される接合面に形成することにより調整されることを特徴とする請求項1、2、3、または4のいずれか1項に記載の接合方法。
- 前記熱膨張率の差は、前記第1の板状部材、または前記第2の板状部材のいずれか一方の板状部材において、接合された面の近傍に他方の板状部材の成分を含有することにより調整されることを特徴とする請求項1、2、3、4、または5のいずれか1項に記載の接合方法。
- 第1の板状部材と第2の板状部材とを接合する際に加熱を伴う工程が実施される接合方法において、
第1の板状部材と第2の板状部材との厚み比、接合を行う時の昇温速度、または前記第1の板状部材と前記第2の板状部材との熱膨張率の差のいずれか一つ以上の条件を調整することにより冷却時の反り量を減少させて接合された接合部材。 - 前記第1の板状部材と前記第2の板状部材とはSi、SiO2、またはガラスのいずれかの材質により形成され、該第1の板状部材と該第2の板状部材とは異なる材質により形成されていることを特徴とする請求項7に記載の接合部材。
- 前記厚み比をn、前記縦弾性係数比をmとした時、n>0.8、2.5<nであり、
r=(mn3+1)×(mn+1)÷mn(mn+1)2+3の式で表されるrは、r>5.3であることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の接合部材。 - 前記昇温速度は、1分あたり10℃以下であることを特徴とする請求項7、8、または9のいずれか1項に記載の接合部材。
- 前記熱膨張率の差は、前記第1の板状部材と前記第2の板状部材との間に、該第1の板状部材の熱膨張率と該第2の板状部材の熱膨張率との間の熱膨張率を有する膜を、該第1の板状部材、または該第2の板状部材の接合される面に形成することにより調整されることを特徴とする請求項7、8、9、または10のいずれか1項に記載の接合部材。
- 前記熱膨張率の差は、前記第1の板状部材、または前記第2の板状部材のいずれか一方の板状部材において、接合された面の近傍に他方の板状部材の成分を含有することにより調整されることを特徴とする請求項7、8、9、10、または11のいずれか1項に記載の接合部材。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2019006671A (ja) * | 2017-06-22 | 2019-01-17 | ショット アクチエンゲゼルシャフトSchott AG | 部材、特に電子部材とガラス材料またはガラスセラミック材料との接合体 |
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2006
- 2006-12-28 JP JP2006355829A patent/JP2008162861A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2019006671A (ja) * | 2017-06-22 | 2019-01-17 | ショット アクチエンゲゼルシャフトSchott AG | 部材、特に電子部材とガラス材料またはガラスセラミック材料との接合体 |
JP7166802B2 (ja) | 2017-06-22 | 2022-11-08 | ショット アクチエンゲゼルシャフト | 部材、特に電子部材とガラス材料またはガラスセラミック材料との接合体 |
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