JP2013251405A - Bonding method of substrate having metal region - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for mutually bonding substrates having a junction interface having metal regions.SOLUTION: The method of mutually bonding substrates having a junction interface having metal regions includes a step (S1) for polishing a junction interface having metal regions, a step (S2) for performing surface activation by colliding particles having predetermined kinetic energy against a polished junction interface, and further performing hydrophilic treatment by depositing the water, a step (S3) for forming a substrate assembly by bonding the junction interfaces of the substrates so that the metal regions subjected to surface activation and hydrophilic treatment come into contact with each other, and a step (S4) for heating the substrate assembly.

Description

本願発明は、金属領域を有する基板（ウエハ）同士の接合方法に関する。   The present invention relates to a method for bonding substrates (wafers) having metal regions.

エレクトロニクスの分野では、デバイス実装の更なる高密度化と効率化が求められている。そこで、既に半導体集積回路や電気配線が形成された基板を他の同様の基板と接合する、ウエハオンウエハ（ＷｏＷ、Ｗａｆｅｒ−Ｏｎ−Ｗａｆｅｒ）又はウエハレベルパッケージング（ＷＬＰ、Ｗａｆｅｒ−Ｌｅｖｅｌ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ）と呼ばれる接合技術が注目を集めている。この方法により、より面積の大きいウエハに適用することで、ウエハの面に垂直方向に電気素子や回路を積層することが可能になるとともに、ウエハの面方向に一度に、片方の基板上に形成された電気回路又は電気配線を、他の基板上の対応する電気回路又は電気配線と接合することができる。したがって、この技術により、半導体集積回路の３次元実装と製造方法の効率化との両方が同時に可能になる。   In the field of electronics, there is a demand for higher density and efficiency of device mounting. Therefore, a wafer-on-wafer (WoW, Wafer-On-Wafer) or wafer-level packaging (WLP), which joins a substrate on which a semiconductor integrated circuit or electrical wiring has already been formed with another similar substrate, The so-called joining technology is attracting attention. By applying this method to a wafer with a larger area, it becomes possible to stack electrical elements and circuits in a direction perpendicular to the wafer surface, and at the same time, form it on one substrate in the wafer surface direction. The resulting electrical circuit or wiring can be joined with a corresponding electrical circuit or wiring on another substrate. Therefore, this technique enables both the three-dimensional mounting of the semiconductor integrated circuit and the efficiency of the manufacturing method at the same time.

ウエハの表面には上記電気回路等と電気的に接続された又は接続される金属領域が設けられていて、接合工程でこれらの金属領域間で電気的接続が確立されることで、ウエハ間での電気的接続が確立される。一般的に、接合工程においては、まず、接合されるウエハの、対応する金属領域間で、ウエハ面方向の位置合わせがなされて、次に、金属領域が互いに接触するようにウエハ同士が近づけられ、さらにウエハ面垂直方向に力が加えられ、接触したままで加熱されることで、金属領域間で原子の拡散が生じて電気的接続が確立される。   A metal region that is electrically connected to or connected to the electrical circuit or the like is provided on the surface of the wafer, and electrical connection is established between these metal regions in the bonding process, so that The electrical connection is established. In general, in the bonding process, first, alignment in the wafer surface direction is performed between corresponding metal regions of wafers to be bonded, and then the wafers are brought close to each other so that the metal regions are in contact with each other. Further, a force is applied in the direction perpendicular to the wafer surface, and heating is performed while being in contact with each other, whereby atomic diffusion occurs between the metal regions, and electrical connection is established.

接合に用いられるウエハの金属領域の表面には、金属領域が形成後、接合工程までに大気中の酸素に曝されることにより、比較的厚い酸化膜が形成されている場合が多い。この酸化膜は、接合前に除去が不十分だと最終的に形成された接合界面の導電性や機械的強度を低下させる原因となる。そのため従来では４００℃、１５０ＭＰａ以上の高温、高圧下で拡散接合されていた。また表面活性化処理された状態でも１５０〜３００ＭＰａという高圧接合が必要であった（特許文献１）。表面粗さが小さい場合は、基板同士は、接触させ、又は小さい圧力を掛けられただけでも、ファンデルワールス力や水素結合で、互いに吸着しあう。しかし、金属領域は、金属の蒸着などの堆積方法により形成されると、表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１００ナノメートル（ｎｍ）から２００ナノメートル（ｎｍ）となる場合が多い。このように大きい表面粗さの接合面同士を接触させ、又はさらに小さい圧力を加えただけでは、基板同士を吸着させることが困難である。したがって、表面処理後に接触により貼り合わせてから加熱が完了するまで、基板同士を押さえつけておく必要がある。   In many cases, a relatively thick oxide film is formed on the surface of a metal region of a wafer used for bonding by exposure to oxygen in the atmosphere before the bonding step after the metal region is formed. If the oxide film is not sufficiently removed before bonding, it causes a decrease in conductivity and mechanical strength of the finally formed bonding interface. Therefore, conventionally, diffusion bonding has been performed at 400 ° C., a high temperature of 150 MPa or more, and a high pressure. In addition, high-pressure bonding of 150 to 300 MPa was necessary even in the surface activated state (Patent Document 1). When the surface roughness is small, the substrates are adsorbed to each other by van der Waals force or hydrogen bond even if they are brought into contact with each other or are subjected to a small pressure. However, when the metal region is formed by a deposition method such as metal vapor deposition, the surface roughness is often from 100 nanometers (nm) to 200 nanometers (nm) in terms of arithmetic average roughness (Ra). In this way, it is difficult to adsorb the substrates only by bringing the bonding surfaces having a large surface roughness into contact with each other or by applying a smaller pressure. Therefore, it is necessary to hold the substrates together until the heating is completed after bonding by contact after the surface treatment.

さらに、従来、酸化膜を消滅させるために、接合時に金属領域に対して高圧を掛けるとともに高温で加熱することが行われてきた。高圧を掛けることで、微視的に実際に接触している箇所は、大きな力を受けて塑性変形する。これにより、酸化膜が破れて新生表面同士が接触に及ぶ。同時に高温で加熱することで、接触した新生表面近傍の原子の拡散を促進し十分な接合界面が得られることになる。表面粗さが小さい場合は、微視的に実際に接触している箇所が受ける力は小さくなり、大きな塑性変形は起こりにくいので、より大きな力を基板に加える必要がある。   Further, conventionally, in order to eliminate the oxide film, a high pressure is applied to the metal region during bonding and heating is performed at a high temperature. By applying a high pressure, a portion that is actually in contact microscopically receives a large force and undergoes plastic deformation. As a result, the oxide film is broken and the new surfaces are brought into contact with each other. At the same time, heating at a high temperature promotes diffusion of atoms in the vicinity of the contacted new surface, and a sufficient bonding interface is obtained. When the surface roughness is small, the force received by the portion actually in contact with the microscopic surface is small, and large plastic deformation is unlikely to occur. Therefore, it is necessary to apply a larger force to the substrate.

特開２００４−１１９４３０JP 2004-119430 A

最終的に酸化物の残渣が少ない接合界面を形成するためには、高温で加熱しつつ大きな力を数十分に亘り加えることが必要であるため、その結果接合システムが大型になるとともに、基板が変形してしまうという課題があった。また、基板の寸法が増大する傾向に従うと、同様の加熱条件でより大きな力を掛けるために、さらに大型の接合システムが必要となるという課題があった。また、高温、高圧下での接合においては、薄いウエハや熱膨張の異なる異種材料間での接合には不向きであり、かつ熱膨張により位置合わせ精度が劣化するという課題があった。   In order to finally form a bonding interface with little oxide residue, it is necessary to apply a large force for several tens of minutes while heating at a high temperature. As a result, the bonding system becomes large and the substrate becomes large. There was a problem that would be deformed. Further, according to the trend of increasing the size of the substrate, there is a problem that a larger joining system is required in order to apply a larger force under similar heating conditions. Further, the bonding under high temperature and high pressure is not suitable for bonding between thin wafers or different materials having different thermal expansion, and there is a problem that the alignment accuracy is deteriorated due to thermal expansion.

そこで、本願発明は、金属領域を接合面に有するウエハの接合において、低圧力、低温プロセスでも、最終的に酸化物の残渣が少ない形成される接合界面を、大きな面積のウエハに亘って形成する、ウエハ接合技術を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention forms a bonding interface over which a large area of a wafer is finally formed even in a low-pressure, low-temperature process in the bonding of a wafer having a metal region on the bonding surface over a large area wafer. An object of the present invention is to provide a wafer bonding technique.

本願発明において、ウエハ（以下、基板と称する。）は、板状の半導体を含むが、これに限定されず、半導体以外にも、ガラス、セラミックス、金属、プラスチックなどの材料、又はこれらの複合材料により形成されていてもよく、円形、長方形等の種々の形状に形成される。   In the present invention, a wafer (hereinafter referred to as a substrate) includes a plate-shaped semiconductor, but is not limited thereto, and other than the semiconductor, a material such as glass, ceramics, metal, plastic, or a composite material thereof. It may be formed by various shapes such as a circle and a rectangle.

本願において、「基板」は、金属領域が形成されている接合面を有する。一対の基板が貼り合わせにより接合される場合、一方の基板の金属領域と他の基板の金属領域とは、互いに対応する位置関係を有するように形成されている。双方の基板の金属領域同士が接合されることにより、基板間で電気的接続が確立され、所定の機械的強度が得られる。また、接合面には、接合に寄与しない金属領域があってもよく、他の基板の非金属領域と接合される金属領域があってもよい。   In the present application, the “substrate” has a bonding surface on which a metal region is formed. When a pair of substrates are bonded together by bonding, the metal region of one substrate and the metal region of the other substrate are formed to have a corresponding positional relationship. By joining the metal regions of both substrates, electrical connection is established between the substrates, and a predetermined mechanical strength is obtained. Further, the bonding surface may include a metal region that does not contribute to bonding, or may include a metal region that is bonded to a non-metal region of another substrate.

また、「基板」は、複数のチップが２次元的に配置された集合体、例えばウエハからダイシングされ粘着シート上に配置されたものも含む。さらには、「基板」は、既に１又は複数の層のチップが接合されることで形成されたチップと基板とを含む構造体も含む。ここで「チップ」とは、半導体部品を含む成型加工半導体の板状部品、パッケージされた半導体集積回路（ＩＣ）などの電子部品等を示す広い概念の用語として与えられる。「チップ」には、一般に「ダイ」と呼ばれる部品や、基板よりも寸法が小さくて、複数個を当該基板に接合できるほどの大きさを有する部品又は小型の基板も含まれる。また、電子部品以外に、光部品、光電子部品、機械部品も含まれる   The “substrate” also includes an assembly in which a plurality of chips are two-dimensionally arranged, for example, a substrate diced from a wafer and arranged on an adhesive sheet. Furthermore, the “substrate” includes a structure including a chip and a substrate that are already formed by bonding chips of one or more layers. Here, the “chip” is given as a broad concept term indicating a molded semiconductor plate-like component including a semiconductor component, an electronic component such as a packaged semiconductor integrated circuit (IC), and the like. The “chip” includes a component generally called a “die”, a component having a size smaller than that of the substrate, and a size that allows a plurality of components to be bonded to the substrate, or a small substrate. In addition to electronic components, optical components, optoelectronic components, and mechanical components are also included.

上記の技術的課題を解決するために、本願発明に係る金属領域を有する接合面を有する基板を接合する方法は、金属領域を有する接合面を研磨するステップと、研磨した接合面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、表面活性化処理と親水化処理とが行われた金属領域同士が接触するように基板の接合面同士を貼り合わせて基板接合体を形成するステップと、基板接合体を加熱するステップとを備えるようにしたものである。本願発明によれば、高い圧力を加えることなく、比較的低温で、大きい面積の基板に亘って、接合された金属領域において導電性及び機械的強度の高い接合界面を形成することができる。また、高い圧力を加えるための大掛かりな装置は必要なく、接合プロセスの短時間化が可能になるという効果を奏する。   In order to solve the above technical problem, a method of bonding a substrate having a bonding surface having a metal region according to the present invention includes a step of polishing the bonding surface having a metal region, and a predetermined method for the polished bonding surface. The surface activation treatment is performed by colliding particles having the kinetic energy and the hydrophilic treatment is performed by attaching water, and the metal regions subjected to the surface activation treatment and the hydrophilization treatment are bonded to each other. A step of bonding the bonding surfaces of the substrates so as to contact each other to form a substrate bonded body and a step of heating the substrate bonded body are provided. According to the present invention, it is possible to form a bonding interface having high conductivity and mechanical strength in a bonded metal region over a large area substrate at a relatively low temperature without applying a high pressure. Further, there is no need for a large-scale device for applying a high pressure, and the bonding process can be shortened.

本願発明に係る接合方法は、接合面を研磨するステップと表面活性化処理後の親水化処理により、接触した接合面の金属領域に１００ＭＰａ以下の圧力が加えられることで行われるようにしたものである。また１ＭＰａ以下の圧力でも可能であり、仮接合に用いる装置を簡易な構成とすることができる。これは従来の固体同志の接合に対して、活性化処理された表面にＯＨ基や水分子を付着させることで水素結合により大きな圧力を伴わずに接合することが可能となる。また、その後の加熱処理により水分子を放出して強固な金属結合又は共有結合へと変化させることが可能となる。また、研磨工程により材料を押しつぶすことなく面で接触できるため低圧での接合を可能としている。   The joining method according to the present invention is performed by applying a pressure of 100 MPa or less to the metal region of the joined surface in contact with the step of polishing the joined surface and the hydrophilic treatment after the surface activation treatment. is there. Moreover, the pressure of 1 MPa or less is also possible, and the apparatus used for temporary joining can be made into a simple structure. In contrast to the conventional joining of solid members, it is possible to join without enormous pressure due to hydrogen bonding by attaching OH groups or water molecules to the activated surface. Further, it becomes possible to release water molecules by subsequent heat treatment and change them into a strong metal bond or covalent bond. Further, since the material can be contacted without crushing the material by the polishing process, bonding at a low pressure is possible.

本願発明に係る接合方法は、接合面を研磨するステップが、金属領域の表面粗さがＲａ１０ｎｍ以下になるように接合面を研磨することで行われるようにしたものである。これにより、仮接合時に金属領域に加える圧力を低くしても、十分な仮接合の接合強度を得ることができる。   In the bonding method according to the present invention, the step of polishing the bonding surface is performed by polishing the bonding surface so that the surface roughness of the metal region is Ra 10 nm or less. Thereby, even if the pressure applied to the metal region at the time of temporary bonding is lowered, sufficient bonding strength of temporary bonding can be obtained.

本願発明に係る接合方法は、接合面が金属領域と非金属領域とを有し、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることが、接合面から離間された位置から、基板の接合面に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射することで行われるようにしたものである。これにより、所定の運動エネルギーを有する粒子の衝突により非金属領域から弾き飛ばされた物質が、表面活性化された金属領域に汚染物として付着する量を最小限に抑えることができる。その結果、最終製品において、清浄で導電性及び機械的強度の高い接合界面を形成することができる。   In the bonding method according to the present invention, the bonding surface has a metal region and a non-metal region, and colliding particles having a predetermined kinetic energy from a position spaced from the bonding surface toward the bonding surface of the substrate. And radiating particles having a predetermined kinetic energy. Thereby, it is possible to minimize the amount of a substance that is blown off from the non-metal region by collision of particles having a predetermined kinetic energy and adheres to the surface-activated metal region as a contaminant. As a result, it is possible to form a bonded interface that is clean and has high conductivity and mechanical strength in the final product.

本願発明に係る接合方法は、金属領域の主たる成分が銅（Ｃｕ）又はハンダ材料であることを特徴とするようにしたものである。銅は、低抵抗かつ高エレクトロマイグレーション耐性を有する優れた配線材料として広範囲の先端技術に使用されている。また、ハンダ材料は、さらに広範囲に配線材料として使用されている。したがって、これらの材料を金属領域に用いることで、広い電子デバイスの応用範囲で高性能の電気的接続で高密度化と効率化を実現することができる。   The joining method according to the present invention is characterized in that the main component of the metal region is copper (Cu) or a solder material. Copper is used in a wide range of advanced technologies as an excellent wiring material having low resistance and high electromigration resistance. Further, the solder material is used as a wiring material in a wider range. Therefore, by using these materials for the metal region, it is possible to achieve high density and high efficiency with high-performance electrical connection in a wide range of application of electronic devices.

本願発明に係る接合方法は、接合面同士が貼りあわされた基板で構成される構造体を、摂氏１００度以上、金属領域を形成する金属の融点未満の温度で、１０分から１００時間に亘って加熱するステップを更に備えるようにしたものである。本願発明によれば、加熱処理中の最高温度を、チップと基板との接合面を形成する材料の融点未満に設定しても、接合界面近傍で材料の固相拡散が生じて接合面積が大きくなるので、十分な電気的特性及び機械的特性を得ることができる。   In the bonding method according to the present invention, a structure composed of substrates bonded to each other is bonded at a temperature of 100 degrees Celsius or higher and lower than the melting point of the metal forming the metal region for 10 minutes to 100 hours. A heating step is further provided. According to the present invention, even if the maximum temperature during the heat treatment is set below the melting point of the material forming the bonding surface between the chip and the substrate, solid phase diffusion of the material occurs in the vicinity of the bonding interface, resulting in a large bonding area. Therefore, sufficient electrical characteristics and mechanical characteristics can be obtained.

本願発明によれば、比較的低温低圧力下で、大きい面積の基板に亘って、接合された金属領域において導電性及び機械的強度の高い接合界面を形成することができる。また、接合装置の簡略化と、接合プロセスの短時間化が可能になるという効果を奏する。   According to the present invention, a bonded interface having high conductivity and mechanical strength can be formed in a bonded metal region over a large area substrate at a relatively low temperature and low pressure. In addition, it is possible to simplify the joining device and shorten the joining process.

本願発明に係る基板の接合方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the joining method of the board | substrate which concerns on this invention. 本願発明に係る基板の接合方法の処理過程を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the process of the joining method of the board | substrate which concerns on this invention. 基板の表面処理システムの概略構成を示す正面図である。It is a front view which shows schematic structure of the surface treatment system of a board | substrate.

以下、添付の図面を参照して本願発明に係る実施形態を説明する。
本願発明によれば、図１に示すように、まず工程Ｓ１において、金属領域を有する基板の接合面を研磨し、工程Ｓ２において、研磨された金属領域の表面に対して表面活性化処理を行い、続いて親水化処理を行い、工程Ｓ３において、親水化処理された金属領域同士が接触するように、２つの基板を互いに貼り合わせることで仮接合を行い、そして、工程Ｓ４において、金属領域間での電気的接続を確立するように、仮接合された基板を加熱することで本接合を行う。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
According to the present invention, as shown in FIG. 1, first, in step S1, the bonding surface of the substrate having the metal region is polished, and in step S2, the surface activation process is performed on the surface of the polished metal region. Subsequently, a hydrophilic treatment is performed, and in step S3, temporary bonding is performed by bonding the two substrates together so that the metal regions subjected to the hydrophilic treatment are in contact with each other. The main bonding is performed by heating the temporarily bonded substrates so as to establish the electrical connection at.

＜１． 研磨＞
基板１の接合面２上に、めっきや蒸着などの堆積法により、金属領域３を形成することができる。このようにして形成された金属領域３の表面の粗さは比較的大きい場合が多い（図２（ａ））。工程Ｓ１において、金属領域３を有する基板の接合面２を研磨する（図２（ｂ））。基板の接合面の研磨には種々の研磨を適用することができる。 <1. Polishing>
The metal region 3 can be formed on the bonding surface 2 of the substrate 1 by a deposition method such as plating or vapor deposition. In many cases, the surface roughness of the metal region 3 formed in this way is relatively large (FIG. 2A). In step S1, the bonding surface 2 of the substrate having the metal region 3 is polished (FIG. 2B). Various types of polishing can be applied to polishing the bonding surface of the substrate.

たとえば、研磨は、半導体装置製造工程で使用される化学機械研磨（ＣＭＰ）方法により行われてもよい。化学機械研磨（ＣＭＰ）の条件は、金属領域を形成する金属、金属領域以外の領域を形成する材料や、両者の接合面での配置に応じて、スラリーの化学成分や研磨粒子の機械的性質、研磨パッドの性質、基板と研磨パッドの相対運動や加圧条件などの研磨装置の動作条件により決定することができる。   For example, the polishing may be performed by a chemical mechanical polishing (CMP) method used in a semiconductor device manufacturing process. The conditions of chemical mechanical polishing (CMP) include the chemical components of the slurry and the mechanical properties of the abrasive particles, depending on the metal that forms the metal region, the material that forms the region other than the metal region, and the arrangement at the joint surface of both. It can be determined by the operating conditions of the polishing apparatus, such as the properties of the polishing pad, the relative movement of the substrate and the polishing pad, and the pressing conditions.

例えば、金属領域が主成分として銅（Ｃｕ）により形成されている場合には、コロイダルシリカを主たる砥粒として含有するスラリーを使用することができる。   For example, when the metal region is formed of copper (Cu) as a main component, a slurry containing colloidal silica as main abrasive grains can be used.

スラリーが含む研磨粒子の成分として、二酸化ケイ素（シリカ）を挙げたが、これに限られない。金属領域を形成する金属の性質、研磨装置の動作条件などに応じて、例えば、酸化セリウム（セリア）、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）、二酸化チタン（チタニア）、酸化錫を採用してもよい。   Although silicon dioxide (silica) was mentioned as a component of the abrasive particles contained in the slurry, it is not limited thereto. For example, cerium oxide (ceria), aluminum oxide (alumina), zirconium oxide (zirconia), titanium dioxide (titania), tin oxide are used depending on the nature of the metal forming the metal region and the operating conditions of the polishing apparatus. May be.

スラリーは、好ましくはコロイド安定なコロイド分散体として、ＣＭＰ組成物中に懸濁されることが望ましい。「コロイド」とは、液体中の研磨粒子の懸濁液を意味する。「コロイド安定性」は、選択された期間中、最小限の沈殿しか伴わずにその懸濁状態を維持することを意味する。   The slurry is preferably suspended in the CMP composition as a colloidal stable colloidal dispersion. “Colloid” means a suspension of abrasive particles in a liquid. “Colloidal stability” means maintaining its suspension with minimal precipitation for a selected period of time.

また、スラリーは、界面活性剤や過酸化水素などの酸化剤を含んでいることが好ましい。これらの、濃度や比率は調節されうる。   Moreover, it is preferable that the slurry contains an oxidizing agent such as a surfactant or hydrogen peroxide. These concentrations and ratios can be adjusted.

研磨は、研磨後の金属表面の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１ナノメートル（ｎｍ）以下又は未満になるように行われることが好ましい。接合前に金属領域の表面粗さが上記の値であることで、十分な接合界面を形成させるために、接合際の金属領域に加えられる圧力を０．３ＭＰａ以下にすることができる。金属表面には、実質上接合に寄与しない窪みやスクラッチなどの溝がある場合がある。上記表面粗さの算定には、これらの実質上接合に寄与しない窪みや溝などの部分を含めないものとする。   The polishing is preferably performed so that the surface roughness of the metal surface after polishing is 1 nanometer (nm) or less in arithmetic average roughness (Ra). When the surface roughness of the metal region is the above value before joining, the pressure applied to the metal region during joining can be set to 0.3 MPa or less in order to form a sufficient joining interface. The metal surface may have grooves such as dents and scratches that do not substantially contribute to bonding. The calculation of the surface roughness does not include such portions as depressions and grooves that do not substantially contribute to bonding.

また、研磨を行う手法はＣＭＰに限られない。たとえば、本願発明における研磨は、研削やラッピングも含むものである。金属表面を研削することにより、金属領域の表面近傍の結晶構造が乱される。ＣＭＰでは結晶構造が乱れる表面層の厚さを極めて小さく抑えることができるのに対し、研削により結晶構造が乱れた表面層の厚さが比較的大きくなり、例えば数十ナノメートルから数十ミクロンメータになる場合もある。この結晶構造が乱れた金属領域の表面はより高い表面エネルギーを有すると考えられる。したがって、研磨として研削を採用することで、後述のように親水化処理をより効率的に行い、かつ比較的低温での本接合プロセスを実現することができると考えられる。   Further, the method of polishing is not limited to CMP. For example, the polishing in the present invention includes grinding and lapping. By grinding the metal surface, the crystal structure near the surface of the metal region is disturbed. In CMP, the thickness of the surface layer whose crystal structure is disturbed can be kept extremely small, whereas the thickness of the surface layer whose crystal structure is disturbed by grinding becomes relatively large, for example, several tens to several tens of micrometers. Sometimes it becomes. The surface of the metal region where the crystal structure is disturbed is considered to have a higher surface energy. Therefore, by adopting grinding as polishing, it is considered that the hydrophilic treatment can be performed more efficiently as described later, and the main joining process at a relatively low temperature can be realized.

＜２． 表面活性化処理＞
工程Ｓ２において、金属領域３を含む基板１の接合面２に、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることで表面活性化処理を行う。 <2. Surface activation treatment>
In step S <b> 2, surface activation treatment is performed by causing particles having a predetermined kinetic energy to collide with the bonding surface 2 of the substrate 1 including the metal region 3.

所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させて、接合面を形成する物質を物理的に弾き飛ばす現象（スパッタリング現象）を生じさせることで、酸化物などの金属領域の表面層を除去し、表面エネルギーの高い、すなわち活性な新生表面を露出させることができる。   The surface energy of the metal region such as oxide is removed by causing a phenomenon (spattering phenomenon) in which particles having a predetermined kinetic energy collide and physically blow off the material forming the bonding surface. High, ie active, nascent surfaces can be exposed.

表面活性化処理には、表面層を除去して接合すべき物質の新生表面を露出させるのみならず、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることで、露出された新生表面近傍の結晶構造を乱し、アモルファス化する作用もあると考えられている。アモルファス化した新生表面は、原子レベルの表面積が増え、より高い表面エネルギーを有するので、その後の親水化処理において結合される、単位表面積当たりの水酸基（ＯＨ基）の数が増加すると考えられる。これに対し、従来のウェット処理による表面の不純物の除去工程後に化学的に親水化処理する場合には、所定の運動エネルギーを有する粒子の衝突に起因する新生表面の物理的変化がないので、本願発明の接合方法に係る表面活性化処理に続く親水化処理は、この点で従来の親水化処理とは根本的に異なると考えられる。また、結晶構造が乱れ、アモルファス化した新生表面近傍の領域にある原子は、後述の本接合時の加熱処理の際に、比較的低い熱エネルギーで拡散しやすく、比較的低温での本接合プロセスを実現することができると考えられる。   In the surface activation treatment, not only the surface layer is removed to expose the nascent surface of the substance to be bonded, but also the crystal structure near the exposed nascent surface is collided with particles having a predetermined kinetic energy. It is thought that there is also an effect of disturbing and amorphizing. Since the amorphized new surface has a higher surface area at the atomic level and a higher surface energy, it is considered that the number of hydroxyl groups (OH groups) per unit surface area to be bonded in the subsequent hydrophilization treatment is increased. On the other hand, in the case of chemically hydrophilizing after the surface impurity removal step by conventional wet processing, there is no physical change of the nascent surface due to collision of particles having a predetermined kinetic energy. The hydrophilization treatment following the surface activation treatment according to the bonding method of the invention is considered to be fundamentally different from the conventional hydrophilization treatment in this respect. In addition, atoms in the region near the nascent surface where the crystal structure is disordered and become amorphous easily diffuse with relatively low thermal energy during the heat treatment during the main bonding described later, and the main bonding process at a relatively low temperature. Can be realized.

表面活性化処理に用いる粒子として、例えば、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガス又は不活性ガスを採用することができる。これらの希ガスは、衝突される接合面を形成する物質と化学反応を起こしにくいので、化合物を形成するなどして、接合面の化学的性質を大きく変化させることはない。また、比較的大きい質量を有しているので、効率的に、スパッタリング現象を生じさせることができ、新生表面の結晶構造を乱すことも可能になると考えられる。   As particles used for the surface activation treatment, for example, a rare gas or an inert gas such as neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), or xenon (Xe) can be employed. These rare gases are unlikely to cause a chemical reaction with a substance that forms a collision surface to be collided, so that a chemical property of the bonding surface is not greatly changed by forming a compound or the like. Further, since it has a relatively large mass, it is considered that a sputtering phenomenon can be efficiently generated and the crystal structure of the nascent surface can be disturbed.

表面活性化処理に用いる粒子として、酸素のイオン、原子、分子などを採用することもできる。酸素イオン等を用いて表面活性化処理を行うことで、表面層を除去した後に新生表面上を酸化物の薄膜で覆うことが可能になる。新生表面上の酸化物の薄膜は、その後の親水化処理における、水酸（ＯＨ）基の結合又は水の付着の効率を高めると考えられる。また、新生表面上に形成された酸化物の薄膜は、後述の本接合での加熱処理の際に、比較的容易に分解すると考えられる。   As particles used for the surface activation treatment, oxygen ions, atoms, molecules, and the like may be employed. By performing the surface activation treatment using oxygen ions or the like, it is possible to cover the new surface with an oxide thin film after removing the surface layer. The oxide thin film on the nascent surface is believed to enhance the efficiency of hydroxyl (OH) group bonding or water attachment in subsequent hydrophilization treatments. Further, it is considered that the oxide thin film formed on the nascent surface decomposes relatively easily during the heat treatment in the main bonding described later.

表面活性化される接合面に衝突させる粒子の運動エネルギーは、１ｅＶから２ｋｅＶであることが好ましい。上記の運動エネルギーにより、効率的に表面層におけるスパッタリング現象が生じると考えられる。除去すべき表面層の厚さ、材質などの性質、新生表面の材質などに応じて、上記運動エネルギーの範囲から所望の運動エネルギーの値を設定することもできる。   It is preferable that the kinetic energy of the particles colliding with the surface to be surface activated is 1 eV to 2 keV. It is considered that the above kinetic energy efficiently causes a sputtering phenomenon in the surface layer. A desired value of kinetic energy can also be set from the above kinetic energy range according to the thickness of the surface layer to be removed, the properties such as the material, the material of the new surface, and the like.

表面活性化される接合面に衝突させる粒子には、粒子を接合面に向けて加速することで所定の運動エネルギーを与えることができる。   Predetermined kinetic energy can be applied to the particles that collide with the surface-activated joint surface by accelerating the particles toward the joint surface.

＜２．１ 表面活性化処理１＞
プラズマ発生装置を用いて、粒子に所定の運動エネルギーを与えることができる。基板の接合面に対して、交番電圧を印加することで、接合面の周りに粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の電離した粒子の陽イオンを、上記電圧により接合面に向けて加速させることで、所定の運動エネルギーを与える。プラズマは数パスカル（Ｐａ）程度の低真空度の雰囲気で発生させることができるので、真空システムを簡易化でき、かつ真空引きなどの工程を短縮化することができる。 <2.1 Surface activation treatment 1>
Predetermined kinetic energy can be imparted to the particles using a plasma generator. By applying an alternating voltage to the bonding surface of the substrate, a plasma containing particles is generated around the bonding surface, and the cations of the ionized particles in the plasma are accelerated toward the bonding surface by the voltage. Thus, given kinetic energy is given. Since the plasma can be generated in an atmosphere with a low degree of vacuum of about several pascals (Pa), the vacuum system can be simplified and the steps such as evacuation can be shortened.

あるいはまた、接合面から離間された位置に配置された、中性原子ビーム源、イオンビーム源などの粒子ビーム源を用いて、粒子に所定の運動エネルギーを与えることもできる。所定の運動エネルギーが付与された粒子は、粒子ビーム源から基板の接合面に向けて放射される。   Alternatively, a predetermined kinetic energy can be given to the particles by using a particle beam source such as a neutral atom beam source or an ion beam source disposed at a position separated from the bonding surface. The particles to which a predetermined kinetic energy is applied are emitted from the particle beam source toward the bonding surface of the substrate.

＜２．２ 表面活性化処理２＞
粒子ビーム源を用いて、粒子に所定の運動エネルギーを与えることもできる。粒子ビーム源は、例えば１×１０−５Ｐａ（パスカル）以下などの、比較的高い真空中で作動するので、表面活性化処理後に、新生表面の不要な酸化や新生表面への不純物の付着などを防ぐことができる。さらに、粒子ビーム源は、比較的高い加速電圧を印加することができるので、高い運動エネルギーを粒子に付与することができる。したがって、効率良く表面層の除去及び新生表面のアモルファス化を行うことができると考えられる。 <2.2 Surface activation treatment 2>
A particle beam source can also be used to impart a predetermined kinetic energy to the particles. Since the particle beam source operates in a relatively high vacuum, such as 1 × 10 −5 Pa (pascal) or less, for example, unnecessary oxidation of the nascent surface or adhesion of impurities to the nascent surface after the surface activation treatment, etc. Can be prevented. Furthermore, since the particle beam source can apply a relatively high acceleration voltage, high kinetic energy can be imparted to the particles. Therefore, it is considered that the removal of the surface layer and the amorphization of the new surface can be performed efficiently.

比較的高い真空に引くために真空ポンプの作動により、金属領域の表面から除去された物質が効率よく雰囲気外へ排気される。すなわち、露出された新生表面へ再び付着し汚染するような、望ましくない物質が効率よく雰囲気外へ排気される。   The substance removed from the surface of the metal region is efficiently exhausted out of the atmosphere by the operation of the vacuum pump to draw a relatively high vacuum. That is, undesired substances that reattach and contaminate the exposed new surface are efficiently exhausted out of the atmosphere.

プラズマ発生装置の場合は、金属領域の表面から除去された物質が、プラズマ化されてその陽イオンが加速され金属領域に再び衝突し付着する確立が高い場合がある。したがって、基板の接合面が、金属領域以外に、一つ又は複数の非金属領域を有する場合には、粒子ビーム源を用いて、表面活性化処理を行うことが好ましい。これにより、露出された新生表面への望ましくない物質の付着を抑制することができる。   In the case of a plasma generating device, there is a high probability that the substance removed from the surface of the metal region is turned into plasma, and its cations are accelerated and collide with the metal region again to adhere. Therefore, when the bonding surface of the substrate has one or a plurality of non-metal regions in addition to the metal region, it is preferable to perform the surface activation process using a particle beam source. Thereby, adhesion of the undesirable substance to the exposed new surface can be suppressed.

中性原子ビーム源としては、高速原子ビーム源（ＦＡＢ，Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｅａｍ）を用いることができる。高速原子ビーム源（ＦＡＢ）は、典型的には、ガスのプラズマを発生させ、このプラズマに電界をかけて、プラズマから電離した粒子の陽イオンを摘出し電子雲の中を通過させて中性化する構成を有している。この場合、例えば、希ガスとしてアルゴン（Ａｒ）の場合、高速原子ビーム源（ＦＡＢ）への供給電力を、１．５ｋＶ（キロボルト）、１５ｍＡ（ミリアンペア）に設定してもよく、あるいは０．１から５００Ｗ（ワット）の間の値に設定してもよい。たとえば、高速原子ビーム源（ＦＡＢ）を１００Ｗ（ワット）から２００Ｗ（ワット）で稼動してアルゴン（Ａｒ）の高速原子ビームを２分ほど照射すると、接合面の上記酸化物、汚染物等（表面層）は除去され、新生表面を露出させることができる。   As the neutral atom beam source, a fast atom beam source (FAB, Fast Atom Beam) can be used. Fast atom beam sources (FABs) typically generate a plasma of gas, apply an electric field to the plasma, extract the cations of particles ionized from the plasma, and pass them through an electron cloud. It has the composition which becomes. In this case, for example, when argon (Ar) is used as the rare gas, the power supplied to the fast atom beam source (FAB) may be set to 1.5 kV (kilovolt), 15 mA (milliampere), or 0.1 To a value between 500 W (watts). For example, when a fast atom beam source (FAB) is operated at 100 W (watts) to 200 W (watts) and irradiated with a fast atom beam of argon (Ar) for about 2 minutes, the oxide, contaminants, etc. (surface) Layer) can be removed to expose the nascent surface.

本願発明において、表面活性化に用いられる粒子は、中性原子又はイオンでもよく、さらには、ラジカル種でもよく、またさらには、これらが混合した粒子群でもよい。   In the present invention, the particles used for surface activation may be neutral atoms or ions, may be radical species, and may be a particle group in which these are mixed.

各プラズマ又はビーム源の稼動条件、又は粒子の運動エネルギーに応じて、表面層の除去速度は変化しえる。そこで、表面活性化処理に必要な処理時間を調節する必要がある。例えば、オージェ電子分光法（ＡＥＳ，Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）やＸ線光電子分光法（ＸＰＳ，Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの表面分析法を用いて、表面層に含まれる酸素や炭素の存在が確認できなくなる時間又はそれより長い時間を、表面活性化処理の処理時間として採用してもよい。   Depending on the operating conditions of each plasma or beam source, or the kinetic energy of the particles, the removal rate of the surface layer can vary. Therefore, it is necessary to adjust the treatment time required for the surface activation treatment. For example, the presence of oxygen and carbon contained in the surface layer is confirmed using surface analysis methods such as Auger Electron Spectroscopy (AES) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). You may employ | adopt the time which becomes impossible or longer than it as a processing time of a surface activation process.

表面活性化処理において接合面をアモルファス化するためには、粒子の照射時間を、表面層を除去し新生表面を露出させるために必要な時間より、長く設定してもよい。長くする時間は、１０秒から１５分、あるいは、表面層を除去し新生表面を露出させるために必要な時間の５％以上に設定してもよい。表面活性化処理において接合面をアモルファス化するための時間は、接合面を形成する材料の種類、性質、及び所定の運動エネルギーを有する粒子の照射条件によって適宜設定してもよい。   In order to make the bonding surface amorphous in the surface activation treatment, the particle irradiation time may be set longer than the time necessary for removing the surface layer and exposing the new surface. The lengthening time may be set to 10 to 15 minutes, or 5% or more of the time required for removing the surface layer and exposing the new surface. The time for making the bonding surface amorphous in the surface activation treatment may be appropriately set according to the type and nature of the material forming the bonding surface and the irradiation conditions of particles having a predetermined kinetic energy.

表面活性化処理において接合面をアモルファス化するためには、照射される粒子の運動エネルギーは、表面層を除去し新生表面を露出させるために必要な運動エネルギーより、１０％以上高く設定されてもよい。表面活性化処理において接合面をアモルファス化するための粒子の運動エネルギーは、接合面を形成する材料の種類、性質、及び粒子の照射条件によって適宜設定してもよい。   In order to make the bonding surface amorphous in the surface activation treatment, the kinetic energy of the irradiated particles is set to be 10% or more higher than the kinetic energy necessary for removing the surface layer and exposing the new surface. Good. The kinetic energy of the particles for making the bonding surface amorphous in the surface activation treatment may be appropriately set depending on the type and property of the material forming the bonding surface and the irradiation conditions of the particles.

ここで、「アモルファス化した表面」又は「結晶構造が乱れた表面」とは、具体的に表面分析手法を用いた測定により存在が確認されたアモルファス層又は結晶構造が乱れた層を含むとともに、粒子の照射時間を比較的長く設定した場合、又は粒子の運動エネルギーを比較的高く設定した場合に想定される結晶表面の状態を表現する概念的な用語であって、具体的に表面分析手法を用いた測定によりアモルファス層又は結晶構造が乱れた表面の存在が確認されていない表面をも含むものである。また、「アモルファス化する」又は「結晶構造を乱す」とは、上記アモルファス化した表面又は結晶構造が乱された表面を形成するための動作を概念的に表現したものである。   Here, the “amorphized surface” or “surface with disordered crystal structure” specifically includes an amorphous layer whose presence has been confirmed by measurement using a surface analysis technique or a layer with a disordered crystal structure, This is a conceptual term that expresses the state of the crystal surface assumed when the particle irradiation time is set to be relatively long or the particle kinetic energy is set to be relatively high. It includes a surface in which the presence of an amorphous layer or a surface having a disordered crystal structure is not confirmed by the measurement used. Also, “amorphize” or “disturb the crystal structure” conceptually represents the operation for forming the amorphized surface or the surface in which the crystal structure is disturbed.

＜２．３ 表面活性化処理３＞
中性原子ビーム源、イオンビーム源、高速原子ビーム源などの粒子ビーム源は、ライン型でもよい。本願におけるライン型の粒子ビーム源とは、ライン型（線状）の又は細長い粒子ビーム放射口を有する粒子ビーム源であり、この放射口からライン型（線状）に粒子ビームを放射することができる。放射口の長さは、粒子ビームが照射される基板の直径より大きいことが好ましい。基板が円形でない場合には、放射口の長さは、粒子ビーム源に対して相対的に移動させられる基板に係る放射口が延びる方向の最大寸法より大きいことが好ましい。 <2.3 Surface activation treatment 3>
A particle beam source such as a neutral atom beam source, an ion beam source, or a fast atom beam source may be a line type. The line type particle beam source in the present application is a particle beam source having a line type (linear) or an elongated particle beam emission port, and the particle beam is emitted from the emission port in a line type (linear). it can. The length of the radiation port is preferably larger than the diameter of the substrate irradiated with the particle beam. When the substrate is not circular, the length of the radiation aperture is preferably larger than the maximum dimension in the direction in which the radiation aperture associated with the substrate moved relative to the particle beam source extends.

ライン型の粒子ビーム源から放射された粒子ビームは、表面活性化処理中のある時刻においては、基板の表面の線状の領域を照射している。そして、ライン型の粒子ビーム源を、接合面を有する基板に向けて粒子ビームを放射しつつ、放射口が延びる方向と垂直方向に走査させる。その結果、線状の粒子ビームの照射領域が基板のすべての接合部上を通過する。ライン型の粒子ビーム源が、基板上を通過し終えると、基板全体が、粒子ビームにより照射され、表面活性化される。   The particle beam emitted from the line-type particle beam source irradiates a linear region on the surface of the substrate at a certain time during the surface activation process. The line-type particle beam source is scanned in a direction perpendicular to the direction in which the radiation port extends while emitting the particle beam toward the substrate having the bonding surface. As a result, the irradiation region of the linear particle beam passes over all the joints of the substrate. When the line-type particle beam source finishes passing over the substrate, the entire substrate is irradiated with the particle beam and surface activated.

ライン型の粒子ビーム源は、比較的面積の大きい基板の表面を、比較的均一に粒子ビームで照射する際に適している。また、ライン型の粒子ビーム源は、基板の様々な形状に対応して、比較的均一に粒子ビームを照射することができる。   The line type particle beam source is suitable for irradiating the surface of a substrate having a relatively large area with a particle beam relatively uniformly. Further, the line type particle beam source can irradiate the particle beam relatively uniformly corresponding to various shapes of the substrate.

＜３． 親水化処理＞
工程Ｓ２において、親水化処理は、好ましくは上記表面活性化処理の後に行われる。親水化処理は、上記表面活性化処理の後に続けて真空中で行われることが好ましい。しかし、表面活性化処理が完了する前に、親水化処理を開始してもよい。また、表面活性化処理と親水化処理を同時に行ってもよい。表面活性化処理が、親水化処理の完了後に行われなければ、表面活性化処理と親水化処理との時間上の前後関係は、所望の条件により調節することができる。 <3. Hydrophilization treatment>
In step S2, the hydrophilization treatment is preferably performed after the surface activation treatment. The hydrophilization treatment is preferably performed in a vacuum following the surface activation treatment. However, the hydrophilic treatment may be started before the surface activation treatment is completed. Moreover, you may perform a surface activation process and a hydrophilization process simultaneously. If the surface activation treatment is not performed after completion of the hydrophilic treatment, the temporal relationship between the surface activation treatment and the hydrophilic treatment can be adjusted according to desired conditions.

接合面の親水化処理により、表面活性化処理が行われえた金属領域３の表面に水４が付着することで、当該表面に水酸基（ＯＨ基）からなる層が形成され、その上に水の層４が形成されると考えられている（図２（ｃ））。水の付着量を増やすことで、水の層４の厚さを増やすことができる。   The water 4 adheres to the surface of the metal region 3 that has been subjected to the surface activation treatment by the hydrophilization treatment of the joint surface, whereby a layer made of a hydroxyl group (OH group) is formed on the surface. It is believed that layer 4 is formed (FIG. 2 (c)). By increasing the amount of water attached, the thickness of the water layer 4 can be increased.

水酸化処理により、接合面に酸化物が形成されることもある。しかし、この酸化物は、比較的薄い（例えば、数ｎｍ又は数原子層以下）ので、本接合の際の加熱処理において、金属材料内で吸収され、又は水として接合界面から外側へ逃げるなどして、消滅あるいは減少すると考えられる。したがって、この場合、基板との間の接合界面を介した導電性には実用上の問題が生じることはほぼないと考えられる。   An oxide may be formed on the joint surface by the hydroxylation treatment. However, since this oxide is relatively thin (for example, several nm or several atomic layers or less), it is absorbed in the metal material or escapes from the bonding interface as water in the heat treatment during the main bonding. Disappear or decrease. Therefore, in this case, it is considered that there is almost no practical problem in the conductivity through the bonding interface with the substrate.

親水化処理は、表面活性化された接合面に水を供給することにより行われる。当該水の供給は、上記表面活性化された接合面の周りの雰囲気に、水（Ｈ２Ｏ）を導入することで行うことができる。水は、気体状で（ガス状で、又は水蒸気として）導入されても、液体状（霧状）で導入されてもよい。さらに、水の付着の他の態様として、ラジカルやイオン化されたＯＨなどを付着させてもよい。しかし、水の導入方法はこれらに限定されない。 The hydrophilization treatment is performed by supplying water to the surface-activated joint surface. The water can be supplied by introducing water (H 2 O) into the atmosphere around the surface activated bonding surface. Water may be introduced in a gaseous state (in a gaseous state or as water vapor) or in a liquid state (a mist state). Furthermore, as another aspect of the attachment of water, radicals, ionized OH, or the like may be attached. However, the method of introducing water is not limited to these.

表面活性化された接合面の周りの雰囲気の湿度を制御することで、親水化処理の工程を制御することができる。当該湿度は、相対湿度として計算しても、絶対湿度として計算してもよく、又は他の定義を採用してもよい。   By controlling the humidity of the atmosphere around the surface activated bonding surface, the hydrophilization process can be controlled. The humidity may be calculated as relative humidity, may be calculated as absolute humidity, or other definitions may be employed.

気体状の水は、たとえば液体の水の中に窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ２）などのキャリアガスを泡状にして通過させること（バブリング）で、気体状の水がキャリアガスに混合されて、表面活性化された接合面を有する基板が配置された空間又はチャンバ内に導入されることが好ましい。 Gaseous water can be obtained by passing a carrier gas such as nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), oxygen (O 2 ) in the form of bubbles in liquid water (bubbling), for example. It is preferable that gaseous water is mixed with a carrier gas and introduced into a space or chamber in which a substrate having a surface-activated bonding surface is disposed.

水の導入は、基板の接合部の周りの雰囲気における相対湿度を１０％から９０％となるように制御することが好ましい。   The introduction of water is preferably controlled so that the relative humidity in the atmosphere around the joint portion of the substrate is 10% to 90%.

たとえば、窒素（Ｎ２）又は酸素（Ｏ２）をキャリアガスとして気体状の水を導入する場合、上記チャンバ内の全圧を９．０×１０４Ｐａ（パスカル）、すなわち０．８９ａｔｍ（アトム）とし、チャンバ内での気体状の水の量を、容積絶対湿度で８．６ｇ／ｍ３（グラム／立方メートル）又は１８．５ｇ／ｍ３（グラム／立方メートル）、２３℃（摂氏２３度）の相対湿度でそれぞれ４３％又は９１％となるように制御することができる。 For example, when gaseous water is introduced using nitrogen (N 2 ) or oxygen (O 2 ) as a carrier gas, the total pressure in the chamber is 9.0 × 10 4 Pa (Pascal), that is, 0.89 atm (Atom ) And the amount of gaseous water in the chamber is 8.6 g / m 3 (gram / cubic meter) or 18.5 g / m 3 (gram / cubic meter) in absolute volume humidity, 23 ° C. (23 degrees Celsius) The relative humidity can be controlled to be 43% or 91%, respectively.

また、チャンバ内の酸素（Ｏ２）の雰囲気中濃度を１０％としてもよい。 Further, the concentration of oxygen (O 2 ) in the chamber in the atmosphere may be 10%.

親水化処理は、表面活性化処理された接合面を大気に曝すことなく、当該接合面に水を供給することで行うことが好ましい。   The hydrophilic treatment is preferably performed by supplying water to the joint surface without exposing the joint surface subjected to the surface activation treatment to the atmosphere.

また、親水化処理を行うために、所定の湿度を有するチャンバ外の大気を導入してもよい。大気をチャンバ内に導入する際には、望ましくない不純物の接合面への付着を防ぐために、当該大気が所定のフィルタを通過するように構成することが好ましい。所定の湿度を有するチャンバ外の大気を導入して親水化処理を行うことで、接合面の親水化処理を行う装置構成を簡略化することができる。   Further, in order to perform the hydrophilic treatment, air outside the chamber having a predetermined humidity may be introduced. When air is introduced into the chamber, it is preferable that the air passes through a predetermined filter in order to prevent unwanted impurities from adhering to the bonding surface. By introducing the atmosphere outside the chamber having a predetermined humidity and performing the hydrophilic treatment, the configuration of the apparatus for performing the hydrophilic treatment on the joint surface can be simplified.

また、水（Ｈ２Ｏ）の分子やクラスターなどを加速して、接合面に向けて放射してもよい。水（Ｈ２Ｏ）の加速に、上記表面活性化処理に用いる粒子ビーム源などを使用してもよい。この場合、上記バブリングなどで生成したキャリアガスと水（Ｈ２Ｏ）との混合ガスを、上記粒子ビーム源に導入することにより、水の粒子ビームを発生させ、親水化処理すべき接合面に向けて照射することができる。 Alternatively, water (H 2 O) molecules or clusters may be accelerated and radiated toward the bonding surface. The acceleration of the water (H 2 O), may be used, such as particle beam source used for the surface activation treatment. In this case, a mixed gas of carrier gas and water (H 2 O) generated by bubbling or the like is introduced into the particle beam source, thereby generating a water particle beam, and on the joint surface to be hydrophilized. It can be irradiated towards.

親水化処理により形成された水酸基（ＯＨ基）の層又水酸基の層上に形成された水の層には、大気中の存在する酸素との接触による金属領域の酸化を最低限に抑制する働きがあると考えられる。   The hydroxyl layer (OH group) layer formed by the hydrophilization treatment or the water layer formed on the hydroxyl layer serves to minimize oxidation of the metal region due to contact with oxygen present in the atmosphere. It is thought that there is.

これにより、親水化処理が完了した金属領域の表面は、非酸化雰囲気から取り出し、大気中に曝したとしても、酸化されにくい。よって、親水化処理が完了した金属領域の表面を数時間から数十時間に亘り大気中に放置しても、最終製品において良好な接合界面を得ることができる。   Thereby, even if the surface of the metal region where the hydrophilization treatment is completed is taken out from the non-oxidizing atmosphere and exposed to the air, it is difficult to be oxidized. Therefore, even if the surface of the metal region that has been subjected to the hydrophilic treatment is left in the atmosphere for several hours to several tens of hours, a good bonding interface can be obtained in the final product.

図２（ｃ）では、親水化処理により水の層４が金属領域３の表面に形成され、金属領域３以外の接合面２上の領域（非金属領域）では形成されていない実施例が示されている。この実施例においては、工程Ｓ２の前に、非金属領域の表面の一部又は全部を疎水化処理されている。後述のように、基板の接合面が親水化され水の層が形成された領域と疎水化されて水の層が形成されなかった領域とを有することで、仮接合において、一方の基板の親水化された金属領域と他方の基板の接合面上において対応する親水化された金属領域とが引き合って、金属領域間のセルフアラインメントを実現することができる。   FIG. 2C shows an embodiment in which the water layer 4 is formed on the surface of the metal region 3 by the hydrophilization treatment and is not formed in a region (non-metal region) on the bonding surface 2 other than the metal region 3. Has been. In this embodiment, part or all of the surface of the non-metallic region is subjected to a hydrophobic treatment before step S2. As will be described later, by having a region where the bonding surface of the substrate is hydrophilized and a layer of water is formed and a region where the layer of water is hydrophobicized and no water layer is formed, the hydrophilicity of one substrate in temporary bonding Self-alignment between the metal regions can be achieved by attracting the corresponding metal region and the corresponding hydrophilic metal region on the bonding surface of the other substrate.

図２（ｃ）では、工程Ｓ２の親水化処理後に金属領域３の表面のみに水の層４が形成されているが、これに限られない。例えば、基板の接合面上に所定の箇所に、親水化処理をする領域と疎水化処理をする領域とをそれぞれ画定することで、種々の態様をとることができる。   In FIG. 2C, the water layer 4 is formed only on the surface of the metal region 3 after the hydrophilization treatment in step S2, but this is not restrictive. For example, various aspects can be taken by demarcating a region to be hydrophilized and a region to be hydrophobized at predetermined locations on the bonding surface of the substrate.

＜４． 仮接合＞
工程Ｓ３において、工程Ｓ３で接合面が表面活性化処理され親水化処理された一対の基板１及び１１が接合（仮接合）される。ここで、一方の基板１の金属領域３が、他方の基板１１の接合面２上で対応する金属領域１３に向き合うように位置決めされ、金属領域３及び１３上に形成された水の層４を介して接触するように仮接合が行われる。（図２（ｄ）） <4. Temporary joining>
In step S3, the pair of substrates 1 and 11 whose surface has been subjected to surface activation treatment and hydrophilic treatment in step S3 are joined (temporary joining). Here, the metal region 3 of one substrate 1 is positioned so as to face the corresponding metal region 13 on the bonding surface 2 of the other substrate 11, and the water layer 4 formed on the metal regions 3 and 13 is formed. Temporary joining is performed so as to contact each other. (Fig. 2 (d))

親水化処理が施された基板の金属領域の表面は、水酸（ＯＨ）基又は水の層４により覆われているため、基板の貼り付け時（仮接合時）の接触により、水酸基又は水分子間に水素結合などの引力が働き、基板は互いに吸着される。   Since the surface of the metal region of the substrate subjected to the hydrophilization treatment is covered with the hydroxyl (OH) group or the water layer 4, hydroxyl group or water is brought into contact with the substrate at the time of bonding (temporary bonding). An attractive force such as a hydrogen bond acts between the molecules, and the substrates are adsorbed to each other.

図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、基板の接合面が親水化された領域と疎水化された領域とを有する場合には、仮接合の際に、水の層で発生する表面張力の作用が大きくなり、接合面内の方向に、水の層４を介して接触する金属領域同士が互いに引っ張り合う力が生じる。これにより、接合される一対の基板間で、互いに対応する金属領域同士の位置決めの精度がさらに向上する。   As shown in FIG. 2 (c) and FIG. 2 (d), when the bonding surface of the substrate has a hydrophilized region and a hydrophobized region, it occurs in the water layer during temporary bonding. The action of the surface tension is increased, and a force is generated in which the metal regions in contact with each other through the water layer 4 are pulled in the direction in the joint surface. This further improves the positioning accuracy of the metal regions corresponding to each other between the pair of substrates to be joined.

上記の基板同士の仮接合により、少なくとも、仮接合が完了してから後述の本接合において加熱処理が行われるまでの過程において、仮接合された基板で構成される構造体が、搬送される際や位置変換される際に、基板がずれ落ちたり、基板の相対的な位置がずれたりすることがない十分な接合力で固定される。   When the structure composed of the temporarily bonded substrates is transported by the temporary bonding between the substrates, at least in the process from the completion of the temporary bonding to the heat treatment in the main bonding described later. When the position is changed, the substrate is fixed with a sufficient bonding force so that the substrate does not slip off and the relative position of the substrate does not shift.

基板の仮接合時に、圧力を掛けてもよい。金属領域を有する接合面を研磨することで、仮接合時の圧力が１ＭＰａ以下でも、十分な仮接合時の接合強度が得られた。更に、研磨された金属領域の表面粗さがＲａ１０ｎｍ以下である場合には、仮接合時の圧力が０．５ＭＰａで十分な仮接合時の接合強度が得られた。また更には、金属領域が銅で形成され、研磨された金属領域の表面粗さがＲａ５ｎｍ程度である場合には、仮接合時の圧力が０．３ＭＰａで十分な仮接合時の接合強度が得られた。   Pressure may be applied during temporary bonding of the substrates. By polishing the bonding surface having the metal region, sufficient bonding strength at the time of temporary bonding was obtained even when the pressure at the time of temporary bonding was 1 MPa or less. Furthermore, when the surface roughness of the polished metal region was Ra 10 nm or less, the pressure at the time of temporary bonding was 0.5 MPa, and sufficient bonding strength at the time of temporary bonding was obtained. Furthermore, when the metal region is made of copper and the surface roughness of the polished metal region is about Ra 5 nm, the pressure at the time of temporary bonding is 0.3 MPa, and sufficient bonding strength at the time of temporary bonding is obtained. It was.

基板間で対応する金属領域同士の位置決めは、例えば、一方の基板上に複数の位置調節用マークを設け、他方の基板の対応する位置に、対応する複数の位置調節用マークを設け、両方の位置調節用マークを互いに合わせることで行っても良い。両方の位置調節用マーク間のずれは、基板を透過する光を、いずれかの基板側から接合面に垂直方向に入射し、その反対側に設けたカメラにより撮像された、当該透過光による位置調節用マークの画像を観察することにより測定するように構成してもよい。   The positioning of the corresponding metal regions between the substrates is performed by, for example, providing a plurality of position adjustment marks on one substrate and providing a plurality of corresponding position adjustment marks at the corresponding positions on the other substrate. This may be done by aligning the position adjustment marks with each other. The deviation between both position adjustment marks is the position of the transmitted light that is transmitted through the substrate vertically from one of the substrates and is imaged by the camera provided on the opposite side. You may comprise so that it may measure by observing the image of the mark for adjustment.

上述のように、一例として、基板の対応する金属領域間の位置決めは、両方の基板側に設けられた位置調節用マークを、基板を透過する光を用いて、互いに合わせることで行われる。これにより、例えば、±１μｍの位置決め精度を得ることができる。さらに、位置決めが十分でなかった場合には、仮接合直後に基板を互いから離し、再度位置決めしてから仮接合を行うことを、所定の位置決め精度が得られるまで繰り返すこともできる。これにより、±０．２μｍの位置決め精度を得ることができる。   As described above, as an example, the positioning between the corresponding metal regions of the substrate is performed by aligning the position adjustment marks provided on both the substrate sides with each other using the light transmitted through the substrate. Thereby, for example, a positioning accuracy of ± 1 μm can be obtained. Furthermore, when the positioning is not sufficient, the substrates can be separated from each other immediately after the temporary bonding, the positioning is performed again, and the temporary bonding can be repeated until a predetermined positioning accuracy is obtained. Thereby, positioning accuracy of ± 0.2 μm can be obtained.

基板を互いに離す工程は、仮接合された基板のエッジから面方向に、ブレードを機械的に挿入し、又は水や空気などの流体を吹き込むことで行ってもよい。   The step of separating the substrates from each other may be performed by mechanically inserting a blade or blowing a fluid such as water or air in the surface direction from the edge of the temporarily bonded substrates.

仮接合の際の、基板の周りの雰囲気の湿度を所定の値に保つようにしてもよい。   You may make it keep the humidity of the atmosphere around a board | substrate at the time of temporary joining to a predetermined value.

また、仮接合は、大気などの非酸化雰囲気中で行ってもよい。上述のとおり、親水化処理が完了した金属領域の表面は大気中でも安定であるので、親水化処理が完了した後、仮接合するまで数分から数時間、放置することも可能である。したがって、表面活性化処理や親水化処理を行う装置とは別に、大気中で動作する仮接合装置を設置してもよい。これにより、真空などの特殊な環境を作り、その中で動作する接合装置を製造する必要はなく、仮接合装置を比較的簡易な構成とすることができる。   Moreover, you may perform temporary joining in non-oxidizing atmospheres, such as air | atmosphere. As described above, the surface of the metal region that has been subjected to the hydrophilization treatment is stable in the air, and therefore, after the hydrophilization treatment is completed, it can be left for several minutes to several hours until it is temporarily joined. Therefore, a temporary bonding apparatus that operates in the atmosphere may be installed separately from the apparatus that performs the surface activation treatment and the hydrophilic treatment. Thereby, it is not necessary to create a special environment such as a vacuum, and to manufacture a bonding apparatus that operates in the environment, and the temporary bonding apparatus can be configured to be relatively simple.

上述の仮接合された基板で構成される構造体は、基板同士が比較的強い水素結合で結合しているので、仮接合後に本接合をするための加熱装置へ搬送されても、基板がすべり落ち、又は剥がれ落ちる危険性は小さい。また、仮接合された基板で構成される構造体は、比較的安定であるので、加熱処理まで数時間から数日までの間、大気中で保存することも可能である。したがって、任意のタイミングで、そして、仮接合された基板で構成される構造体を複数個まとめて、加熱処理を行うことができる。   In the structure composed of the above temporarily bonded substrates, the substrates are bonded to each other by relatively strong hydrogen bonds. Therefore, even if the substrates are transported to a heating apparatus for final bonding after temporary bonding, the substrates do not slip. The risk of falling or peeling off is small. In addition, since a structure including a temporarily bonded substrate is relatively stable, it can be stored in the air for several hours to several days until heat treatment. Therefore, heat treatment can be performed on a plurality of structures each including a temporarily bonded substrate at an arbitrary timing.

＜５． 本接合＞
工程Ｓ４では、工程Ｓ３で仮接合された基板で構成される構造体に加熱処理を行うことにより、接合された金属領域３及び１３の間で清浄な接合界面５が形成され、この接合界面５により所定の導電性（抵抗率）又は接合強度（機械的強度）が得られる。 <5. Main joining>
In step S4, a heat treatment is performed on the structure formed of the substrates temporarily bonded in step S3, thereby forming a clean bonding interface 5 between the bonded metal regions 3 and 13, and this bonding interface 5 Thus, predetermined conductivity (resistivity) or bonding strength (mechanical strength) is obtained.

加熱処理中の最高温度は、１００℃（摂氏１００度）以上、金属領域を形成する材料の融点未満の温度に設定することが好ましい。   The maximum temperature during the heat treatment is preferably set to 100 ° C. (100 ° C.) or higher and lower than the melting point of the material forming the metal region.

加熱処理中の最高温度を１００℃（摂氏１００度）以上に設定することで、接合界面に含まれている水酸（ＯＨ）基又は水の多くが、接合界面外部に抜け出していくと考えられる。このとき、水が仮接合の界面から抜け出していく過程で、それまでは接触していなかった接合面同士が接触するようになり、実質的な接合界面が広がり、接合面積が大きくなると考えられる。   By setting the maximum temperature during the heat treatment to 100 ° C. (100 degrees Celsius) or higher, it is considered that most of the hydroxyl (OH) groups or water contained in the bonding interface escapes to the outside of the bonding interface. . At this time, it is considered that in the process of water escaping from the temporary bonding interface, the bonding surfaces that have not been in contact with each other come into contact with each other, the substantial bonding interface expands, and the bonding area increases.

接合界面に含まれている水酸（ＯＨ）基又は水が接合界面まわりの材料中へ拡散しても、接合界面近傍の部位の電気的特性又は機械的特性が顕著に低下することはないと考えられる。   Even if the hydroxyl (OH) group or water contained in the bonding interface diffuses into the material around the bonding interface, the electrical or mechanical properties of the portion in the vicinity of the bonding interface are not significantly reduced. Conceivable.

また、本願の発明によれば、加熱処理中の最高温度を、金属領域を形成する材料の融点未満に設定しても、十分な電気的特性及び機械的特性を得ることができる。従来の接合方法では、金属領域の表面に強固な酸化膜があると当該表面の近傍での原子の拡散が起こりにくかったが、本願発明は表面活性化処理に続いて親水化処理を行うことで、酸化膜がほぼない状態で金属領域の表面同士が接触しているので、本接合時に接合界面近傍での固相拡散が促進されると考えられる。その結果、それまでは接触していなかった接合面間の隙間を埋めることで、実質的な接合界面が広がり、接合面積が大きくなると考えられる。   Further, according to the invention of the present application, even if the maximum temperature during the heat treatment is set to be lower than the melting point of the material forming the metal region, sufficient electrical characteristics and mechanical characteristics can be obtained. In the conventional bonding method, if there is a strong oxide film on the surface of the metal region, it is difficult for atoms to diffuse near the surface. However, the present invention performs a hydrophilic treatment after the surface activation treatment. Since the surfaces of the metal regions are in contact with each other with almost no oxide film, it is considered that solid phase diffusion near the bonding interface is promoted during the main bonding. As a result, it is considered that a substantial bonding interface is expanded and a bonding area is increased by filling a gap between the bonding surfaces that have not been in contact with each other.

また、加熱処理中の最高温度を、金属領域を形成する材料の融点未満に設定して、固相拡散により本接合を行うことで、本接合における位置ずれをほぼなくすことができる。これにより、最終製品において、接合される金属領域間の位置決め精度を高くすることができ、例えば±１μｍ以下に抑えることが可能になる。   Further, by performing the main bonding by solid phase diffusion by setting the maximum temperature during the heat treatment to be lower than the melting point of the material forming the metal region, it is possible to substantially eliminate the positional shift in the main bonding. Thereby, in the final product, the positioning accuracy between the metal regions to be joined can be increased, and for example, it can be suppressed to ± 1 μm or less.

加熱処理中の最高温度を、金属領域を形成する材料の融点以上に設定して本接合を行うと、仮接合で取り付けられた位置から、金属領域がずれることがあり得る。この位置ずれは、数μｍになる場合がある。本接合する際に位置ずれが生じると、ある金属領域が隣接する金属領域と接触するなどして、ショートの原因となる。また、接合面積が小さくなり、接合界面で生じる段差などにより、接合界面の接合強度が低下する場合がある。   When the maximum temperature during the heat treatment is set to be equal to or higher than the melting point of the material forming the metal region and the main bonding is performed, the metal region may be displaced from the position attached by the temporary bonding. This positional deviation may be several μm. When a positional shift occurs during the main joining, a certain metal region comes into contact with an adjacent metal region, which causes a short circuit. In addition, the bonding area may be reduced, and the bonding strength at the bonding interface may decrease due to a step generated at the bonding interface.

したがって、位置調節用マークを用いるなどして、基板上の所定の位置に対して位置決めした上で仮接合を行い、さらに本接合において加熱温度を金属領域を形成する材料の融点未満に設定することで、最終製品において、接合される基板間の位置決め精度を極めて高くすることができる。これにより、ショートなどの欠陥の発生を抑制することができる。   Therefore, the temporary bonding is performed after positioning with respect to a predetermined position on the substrate by using a position adjustment mark, and the heating temperature in the main bonding is set below the melting point of the material forming the metal region. Thus, in the final product, the positioning accuracy between the substrates to be bonded can be made extremely high. Thereby, generation | occurrence | production of defects, such as a short circuit, can be suppressed.

たとえば、金属領域が銅（Ｃｕ）で形成されている場合には、仮接合された基板で構成される構造体を１５０℃（摂氏１５０度）で６００秒間、加熱することで、高い導電率と接合強度とを有する基板の接合体が得られる。   For example, in the case where the metal region is formed of copper (Cu), the structure formed of the temporarily bonded substrates is heated at 150 ° C. (150 degrees Celsius) for 600 seconds, thereby achieving high conductivity. A bonded body of the substrate having bonding strength is obtained.

金属領域が銅（Ｃｕ）で形成されている場合には、加熱中に０．１４ＭＰａ（メガパスカル）程度の圧力を接合界面に垂直な方向に加えることで十分な導電性及び機械的強度が得られる。   When the metal region is formed of copper (Cu), sufficient electrical conductivity and mechanical strength can be obtained by applying a pressure of about 0.14 MPa (megapascal) in the direction perpendicular to the bonding interface during heating. It is done.

従来、銅（Ｃｕ）と銅（Ｃｕ）とを直接接合するために、３５０℃（摂氏３５０度）程度での高温で、基板毎に数トンもの力を１０分ほど保持することが必要だったが、本願発明において金属領域を形成する材料として銅を採用することで、低温、低圧、かつ高速に、所望の導電性及び機械的強度を有する基板の接合体を製造することができる。   Conventionally, in order to directly bond copper (Cu) and copper (Cu), it has been necessary to maintain a force of several tons per substrate for about 10 minutes at a high temperature of about 350 ° C. (350 degrees Celsius). However, by adopting copper as a material for forming the metal region in the present invention, it is possible to manufacture a joined body of substrates having desired conductivity and mechanical strength at low temperature, low pressure, and high speed.

各金属領域が、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、スズ（Ｓｎ）、スズ―銀の合金などの金属で、２０μｍ（マイクロメータ）四方、高さ３μｍ（マイクロメータ）から１０μｍ（マイクロメータ）のパッド状に形成されている場合は、各パッドに対し０．５ＭＰａ（メガパスカル）から４００ＭＰａ（メガパスカル）の圧力を加熱処理中に加えてもよい。   Each metal region is made of metal such as nickel (Ni), gold (Au), tin (Sn), tin-silver alloy, 20 μm (micrometer) square, height 3 μm (micrometer) to 10 μm (micrometer) In the case of being formed in a pad shape, a pressure of 0.5 MPa (megapascal) to 400 MPa (megapascal) may be applied to each pad during the heat treatment.

加熱処理中の構造体周りの雰囲気は、大気でもよく、窒素又は希ガス雰囲気でもよい。   The atmosphere around the structure during the heat treatment may be air, or nitrogen or a rare gas atmosphere.

加熱処理中の構造体周りの雰囲気の湿度を調節してもよい。この湿度は、得られる接合界面の電気的特性又は機械的特性に応じて調節してもよい。   The humidity of the atmosphere around the structure during the heat treatment may be adjusted. This humidity may be adjusted according to the electrical or mechanical properties of the resulting bonded interface.

本願発明に係る仮接合と本接合とを有する接合方法を採用することで、大きい面積のウエハを用いた実装の生産効率が従来の接合方法と比較して著しく向上する。   By adopting a bonding method having temporary bonding and main bonding according to the present invention, the production efficiency of mounting using a wafer with a large area is remarkably improved as compared with the conventional bonding method.

＜６． 装置構成＞
図３は、本願発明に係る接合方法を実施するための表面活性化処理と親水化処理とを行う表面処理システムの概略構成の一実施例を示す図である。 <6. Device configuration>
FIG. 3 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a surface treatment system that performs surface activation treatment and hydrophilic treatment for carrying out the bonding method according to the present invention.

図３に示す表面処理システム１００は、真空容器１０１と、表面活性化処理手段として真空容器１０１内に配置された粒子ビーム源１０２と、親水化処理手段として水蒸気源１０３、水蒸気制御バルブ１０５及び水蒸気１０８を真空容器１０１に放出する水蒸気導入口１０４とを有して構成されている。   A surface treatment system 100 shown in FIG. 3 includes a vacuum vessel 101, a particle beam source 102 disposed in the vacuum vessel 101 as surface activation treatment means, a water vapor source 103, a water vapor control valve 105, and water vapor as hydrophilic treatment means. It has a water vapor inlet 104 for discharging 108 to the vacuum vessel 101.

真空容器１０１は、接続された真空ポンプ１０６により真空引きされるように構成されている。粒子ビーム源の作動と表面化成果処理を有効に行うために、真空ポンプ１０６は、真空容器１０１内の気圧を１×１０−５Ｐａ（パスカル）以下などの比較的高い真空にする能力を有するものが好ましい。 The vacuum vessel 101 is configured to be evacuated by a connected vacuum pump 106. In order to effectively operate the particle beam source and process the surface treatment result, the vacuum pump 106 has the ability to make the atmospheric pressure in the vacuum vessel 101 a relatively high vacuum such as 1 × 10 −5 Pa (pascal) or less. Is preferred.

次に図３に示す表面処理システムを用いた、本願発明に係る接合方法について説明する。   Next, a bonding method according to the present invention using the surface treatment system shown in FIG. 3 will be described.

基板１を研磨する研磨装置は、図３には図示されていないが、表面処理システム１００とは別個に配置されてもよい。研磨装置で研磨された基板は、真空容器１０１内に搬送手段（図示せず）を用いて搬送される。研磨された基板１が真空１０１内の基板支持体１０９上に載置された後に、真空容器１０１は、真空ポンプ１０６の作動により、所定の真空度に到達するように真空引きされる。   A polishing apparatus for polishing the substrate 1 is not shown in FIG. 3, but may be arranged separately from the surface treatment system 100. The substrate polished by the polishing apparatus is transferred into the vacuum container 101 using a transfer means (not shown). After the polished substrate 1 is placed on the substrate support 109 in the vacuum 101, the vacuum vessel 101 is evacuated to reach a predetermined degree of vacuum by the operation of the vacuum pump 106.

真空容器１０１内の気圧が所定値に到達した後に、粒子ビーム源１０２を作動させて、粒子ビーム１０７を金属領域３を有する基板１の表面に向けて照射させる。上記のとおり表面活性化処理の完了時間は、予め行われる実験により定められてもよく、又は所定の表面評価手段（図示せず）を用いてその場（ｉｎ―ｓｉｔｕ）観察により十分な表面活性化処理が行われたことを確認することで決定されてもよい。   After the atmospheric pressure in the vacuum vessel 101 reaches a predetermined value, the particle beam source 102 is operated to irradiate the particle beam 107 toward the surface of the substrate 1 having the metal region 3. As described above, the completion time of the surface activation treatment may be determined by an experiment performed in advance, or sufficient surface activity is obtained by in-situ observation using a predetermined surface evaluation means (not shown). It may be determined by confirming that the conversion processing has been performed.

十分な表面活性化処理が行われたと判断されると、粒子ビーム源１０２の作動を止め、水蒸気源１０３から送られる水蒸気１０８を水蒸気導入口１０４を介して真空容器１０１内に導入する。   When it is determined that sufficient surface activation processing has been performed, the operation of the particle beam source 102 is stopped, and the water vapor 108 sent from the water vapor source 103 is introduced into the vacuum vessel 101 through the water vapor inlet 104.

粒子ビーム源１０２として、ライン型粒子ビーム源を採用してもよい。この場合、基板支持体１０９と粒子ビーム源１０２とは、粒子ビーム１０７が基板１の表面に均一な条件で照射されるように、相対的に可動な構成を有するように配置されることが好ましい。ライン型粒子ビーム源を、基板１に対して相対的に移動させ、粒子ビームの照射領域が基板１上を通過させることで、比較的面積の大きい基板の表面を比較的均一に粒子ビームで照射することができる。   A line type particle beam source may be adopted as the particle beam source 102. In this case, the substrate support 109 and the particle beam source 102 are preferably arranged so as to have a relatively movable configuration so that the particle beam 107 is irradiated on the surface of the substrate 1 under uniform conditions. . By moving the line-type particle beam source relative to the substrate 1 and passing the irradiation region of the particle beam over the substrate 1, the surface of the substrate having a relatively large area is irradiated with the particle beam relatively uniformly. can do.

親水化処理に必要な真空容器１０１内の湿度の制御は、水蒸気源１０３で生成される水蒸気の湿度、水蒸気制御バルブ１０５により制御される水蒸気の真空容器１０１への導入量、真空ポンプ１０６による水蒸気の排気量、真空容器１０１内の温度などを調節することにより行うことができる。   The humidity in the vacuum vessel 101 necessary for the hydrophilic treatment is controlled by the humidity of the water vapor generated by the water vapor source 103, the amount of water vapor introduced into the vacuum vessel 101 controlled by the water vapor control valve 105, and the water vapor by the vacuum pump 106. This can be done by adjusting the amount of exhaust gas, the temperature in the vacuum vessel 101, and the like.

親水化処理の完了時間は、予め行われる実験により定められてもよく、又は所定の表面評価手段を用いてその場（ｉｎ―ｓｉｔｕ）観察により十分な親水化処理が行われたことを確認することで決定されてもよい。   The completion time of the hydrophilization treatment may be determined by an experiment performed in advance, or it is confirmed that sufficient hydrophilization treatment has been performed by in-situ observation using a predetermined surface evaluation means. May be determined.

図３では、本願発明に係る表面処理方法を実施するための装置は、１つの真空容器１０１で構成されているが、２つの真空容器を用いて構成されてもよい。この場合、上記装置は、第１の真空容器に表面活性化処理手段が配置され、第２の真空容器に親水化処理手段が配置され、第１の真空容器と第２の真空容器は真空バルブで連結され、基板を第１の真空容器から真空を破らずに搬送できるように構成されることが好ましい。これらの構成を採用することで、表面活性化処理された接合面を大気に曝さずに、親水化処理を行うことができる。また、水蒸気が第２の真空容器内の第１の真空容器へ流れる量を最小限に抑え、第１の真空容器内の高い真空度を長時間に亘り維持することが容易となるとともに、表面活性化処理と親水化処理とを同時に異なる基板に対して行うことができるので処理効率が上がる。   In FIG. 3, the apparatus for carrying out the surface treatment method according to the present invention is constituted by one vacuum vessel 101, but may be constituted by using two vacuum vessels. In this case, in the above apparatus, the surface activation processing means is arranged in the first vacuum container, the hydrophilic treatment means is arranged in the second vacuum container, and the first vacuum container and the second vacuum container are vacuum valves. It is preferable to be configured so that the substrate can be transported from the first vacuum vessel without breaking the vacuum. By adopting these configurations, the hydrophilic treatment can be performed without exposing the joint surface subjected to the surface activation treatment to the atmosphere. In addition, the amount of water vapor flowing to the first vacuum vessel in the second vacuum vessel is minimized, and it is easy to maintain a high degree of vacuum in the first vacuum vessel over a long period of time. Since the activation process and the hydrophilic process can be performed on different substrates at the same time, the processing efficiency is improved.

仮接合を行う装置（図示せず）は、図３に示す表面処理装置に連結して構成されてもよく、また図３に示す表面処理システムとは別個な装置として構成されてもよい。親水化処理された金属表面は大気中でも比較的安定であるので、仮接合を行う装置は、表面処理システムと別個な装置とすることで、簡易な構造で構成されうる。   An apparatus (not shown) that performs temporary bonding may be configured to be connected to the surface treatment apparatus illustrated in FIG. 3 or may be configured as an apparatus separate from the surface treatment system illustrated in FIG. 3. Since the hydrophilized metal surface is relatively stable even in the atmosphere, the temporary bonding apparatus can be configured with a simple structure by using an apparatus separate from the surface treatment system.

また、本接合を行う装置（図示せず）として、基板を摂氏１００度以上に加熱することができる、基板加熱装置を採用することができる。   Further, as a device (not shown) for performing the main bonding, a substrate heating device that can heat the substrate to 100 degrees Celsius or higher can be employed.

以上、本願発明の幾つかの実施形態及び実施例について説明したが、これらの実施形態及び実施例は、本願発明を例示的に説明するものである。特許請求の範囲は、本願発明の技術的思想から逸脱することのない範囲で、実施の形態に対する多数の変形形態を包括するものである。したがって、本明細書に開示された実施形態及び実施例は、例示のために示されたものであり、本願発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。   As mentioned above, although several embodiment and the Example of this invention were described, these embodiment and an Example demonstrate this invention exemplarily. The scope of the claims encompasses many modifications to the embodiments without departing from the technical idea of the present invention. Accordingly, the embodiments and examples disclosed herein are presented for purposes of illustration and should not be considered as limiting the scope of the present invention.

１、１１ 基板
２ 接合面
３、１３ 金属領域
４ 水の層
５ 接合界面
１００ 表面処理システム
１０１ 真空容器
１０２ 粒子ビーム源
１０３ 水蒸気源
１０４ 水蒸気導入口
１０５ 水蒸気制御バルブ
１０６ 真空ポンプ
１０７ 粒子ビーム
１０８ 水蒸気
１０９ 基板支持体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,11 Substrate 2 Bonding surface 3, 13 Metal region 4 Water layer 5 Bonding interface 100 Surface treatment system 101 Vacuum vessel 102 Particle beam source 103 Water vapor source 104 Water vapor inlet 105 Water vapor control valve 106 Vacuum pump 107 Particle beam 108 Water vapor 109 Substrate support

Claims (6)

金属領域を有する接合面を有する基板同士を接合する方法であって、
金属領域を有する接合面を研磨するステップと、
研磨された接合面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、
表面活性化処理と親水化処理とが行われた金属領域同士が接触するように基板の接合面同士を貼り合わせて基板接合体を形成するステップと、
前記基板接合体を加熱するステップと、
を備える、基板の接合方法。 A method of bonding substrates having a bonding surface having a metal region,
Polishing a bonding surface having a metal region;
Performing a surface activation treatment by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the polished bonding surface, and performing a hydrophilic treatment by adhering water; and
Bonding the bonding surfaces of the substrates together so that the metal regions subjected to the surface activation treatment and the hydrophilic treatment are in contact with each other, and forming a substrate assembly,
Heating the substrate assembly;
A method for bonding substrates, comprising: 前記接合面を研磨するステップは、接触した接合面の金属領域に１００ＭＰａ以下の圧力が加えられることで行われる、請求項１に記載の基板の接合方法。   The substrate bonding method according to claim 1, wherein the step of polishing the bonding surface is performed by applying a pressure of 100 MPa or less to a metal region of the bonding surface in contact. 前記接合面を研磨するステップは、金属領域の表面粗さがＲａ１０ｎｍ以下になるように接合面を研磨することで行われる、請求項１又は２に記載の基板の接合方法。   The substrate bonding method according to claim 1, wherein the step of polishing the bonding surface is performed by polishing the bonding surface so that the surface roughness of the metal region is Ra 10 nm or less. 前記接合面は、金属領域と非金属領域とを有し、
前記所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることは、前記接合面から離間された位置から、前記基板の接合面に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射することで行われる、請求項１から３のいずれか一項に記載の基板の接合方法。 The joint surface has a metal region and a non-metal region,
The collision of the particles having the predetermined kinetic energy is performed by radiating particles having a predetermined kinetic energy from a position separated from the bonding surface toward the bonding surface of the substrate. 4. The method for bonding substrates according to any one of items 1 to 3. 前記金属領域の主たる成分が銅（Ｃｕ）又はハンダ材料である、請求項１から４のいずれか一項に記載の基板の接合方法。   The method for bonding substrates according to any one of claims 1 to 4, wherein a main component of the metal region is copper (Cu) or a solder material. 前記基板接合体を加熱するステップは、摂氏１００度以上、金属領域を形成する金属の融点未満の温度で、１０分から１００時間に亘って加熱することにより行われる、請求項１から５のいずれか一項に記載の基板の接合方法。   The step of heating the substrate assembly is performed by heating for 10 minutes to 100 hours at a temperature of 100 degrees Celsius or higher and lower than the melting point of the metal forming the metal region. The method for bonding substrates according to one item.
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