JP2015211130A - 基板接合装置および基板接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板同士の接合強度を向上するとともに基板間のボイドを減少させる。
【解決手段】基板接合装置１００は、真空チャンバ２００と、第１基板３０１の第１接合面および第２基板３０２の第２接合面を活性化させる表面活性化処理部６１０と、第１接合面および第２接合面に対して親水化処理を行う親水化処理部６２０と、第１基板３０１および第２基板３０２を互いに対して押圧することにより、第１基板３０１と第２基板３０２とを仮接合し、仮接合後の第１基板３０１と第２基板３０２とを離間させ、真空中において第１接合面と第２接合面とを接触させて第１基板３０１と第２基板３０２とを接合する基板接合機構４０３，４０４とを備える。これにより、基板３０１，３０２同士の接合強度を向上するとともに基板３０１，３０２間のボイドを減少させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板を接合する技術に関する。

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３次元実装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、ＣＯＣ（チップオンチップ）、ＣＯＷ（チップオンウエハ）、ＷＯＷ（ウエハオンウエハ）とチップレベルからウエハレベルまでの３次元実装があるが、、ウエハオンウエハ（ＷＯＷ、Ｗａｆｅｒ−Ｏｎ−Ｗａｆｅｒ）またはウエハレベルパッケージング（ＷＬＰ、Ｗａｆｅｒ−Ｌｅｖｅｌ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ）呼ばれるような、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。また、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または電気配線を、他の基板上の対応する電気回路また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。

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、または、接続される金属領域が設けられており、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る。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る。そして、比較的高温に加熱されることにより、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。また、隣り合う電極と電極間は電極間のショートを避けるために絶縁層で埋められているのが一般的である。この絶縁層部分は酸化膜や窒化膜、樹脂層等が一般的に用いられ、電極の接合と同時にこの絶縁層を接合することが好ましい。特に、この酸化膜や窒化膜は数千度の高温下でないと拡散接合しないため、低温で接合する手法として接合表面にＯＨ基を付着させ親水化して水を介在させながら接合し、比較的低温下で加熱して水分子を除去して強固な共有結合に変遷する方式が用いられることが多い。

ところで、高温下での接合は、薄いウエハや熱膨張率が異なる異種材料間での接合には不向きである。そこで、特許文献１では、金属領域を接合面に有するウエハを接合する際に、金属領域に表面活性化処理および親水化処理を行った後に、金属領域同士が接触するようにウエハの接合面同士を貼り合わせて加熱することにより、比較的低温にてウエハを接合する技術が提案されている。

特開２０１３−２５１４０５号公報

ところで、特許文献１のように、表面活性化処理および親水化処理が施されたウエハ同士を大気中にて接合すると、ウエハ間に空気が巻き込まれ大きなボイドとなって接合しない部分が残ってしまう。そのため、真空中にて接合することが好ましいが、真空中では接合強度の向上に限界がある、という課題が存在する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板同士の接合強度を向上するとともに基板間のボイドを減少させることを目的としている。

請求項１に記載の発明は、基板接合装置であって、真空チャンバと、前記真空チャンバ内において、第１基板の第１接合面および第２基板の第２接合面を活性化させる表面活性化処理部と、前記表面活性化処理部による活性化後に、親水化処理がそれぞれ行われた前記第１接合面と前記第２接合面とを接触させ、前記第１基板および前記第２基板を互いに対して押圧することにより、前記第１基板と前記第２基板とを仮接合し、仮接合後の前記第１基板と前記第２基板とを離間させ、真空中において前記第１接合面と前記第２接合面とを接触させて前記第１基板と前記第２基板とを接合する基板接合機構とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板接合装置であって、前記第１基板と前記第２基板との仮接合が、大気中において行われる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の基板接合装置であって、仮接合後の前記第１基板と前記第２基板との離間が、真空中において行われる。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の基板接合装置であって、前記親水化処理と並行して、または、前記親水化処理と前記基板接合機構による仮接合との間に、前記第１接合面および前記第２接合面に水分子を付着させる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の基板接合装置であって、前記第１接合面および前記第２接合面を冷却することにより、前記第１接合面および前記第２接合面に水分子を付着させる基板冷却部をさらに備える。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の基板接合装置であって、前記第１接合面および前記第２接合面への水分子の付着が、前記真空チャンバ内に水分子を含むガスを供給することにより行われる。

請求項７に記載の発明は、請求項４ないし６のいずれかに記載の基板接合装置であって、前記第１接合面および前記第２接合面に対する水洗浄を行うことにより、前記第１接合面および前記第２接合面への水分子の付着を行う水洗浄部をさらに備える。

請求項８に記載の発明は、基板接合方法であって、ａ）真空中において第１基板の第１接合面および第２基板の第２接合面を活性化させる工程と、ｂ）前記ａ）工程よりも後に、前記第１接合面および前記第２接合面に対して親水化処理を行う工程と、ｃ）前記第１接合面と前記第２接合面とを接触させ、前記第１基板および前記第２基板を互いに対して押圧することにより、前記第１基板と前記第２基板とを仮接合する工程と、ｄ）前記ｃ）工程において仮接合された前記第１基板と前記第２基板とを離間させる工程と、ｅ）真空中において前記第１接合面と前記第２接合面とを接触させて前記第１基板と前記第２基板とを接合する工程とを備える。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の基板接合方法であって、前記ｃ）工程において、大気中にて前記第１接合面と前記第２接合面とが接触する。

請求項１０に記載の発明は、請求項８または９に記載の基板接合方法であって、前記ｄ）工程が真空中において行われる。

請求項１１に記載の発明は、請求項８ないし１０のいずれかに記載の基板接合方法であって、ｆ）前記ｂ）工程と並行して、または、前記ｂ）工程と前記ｃ）工程との間において、前記第１接合面および前記第２接合面に水分子を付着させる工程をさらに備える。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の基板接合方法であって、前記ｆ）工程が、前記第１接合面および前記第２接合面を冷却する工程を含む。

請求項１３に記載の発明は、請求項１１または１２に記載の基板接合方法であって、前記ｆ）工程が、前記真空チャンバ内に水分子を含むガスを供給する工程を含む。

請求項１４に記載の発明は、請求項１１ないし１３のいずれかに記載の基板接合方法であって、前記ｆ）工程が、前記第１接合面および前記第２接合面に対する水洗浄を行う工程を含む。

本発明では、基板同士の接合強度を向上するとともに基板間のボイドを減少させることができる。

一の実施の形態に係る基板接合装置の正面図である。 表面活性化処理部の斜視図である。 ライン式粒子ビーム源、遮蔽部材および基板を示す正面図である。 ライン式粒子ビーム源、遮蔽部材および基板を示す正面図である。 ライン式粒子ビーム源、遮蔽部材および基板を示す正面図である。 ライン式粒子ビーム源、遮蔽部材および基板を示す正面図である。 基板の接合の流れを示す図である。 基板の接合面の状態を示す概念図である。 基板の接合面の状態を示す概念図である。 基板の接合面の状態を示す概念図である。 基板の接合面の状態を示す概念図である。 基板の接合面の状態を示す概念図である。 基板の接合面の状態を示す概念図である。 基板接合装置の他の好ましい例を示す正面図である。 基板接合装置の他の好ましい例を示す平面図である。 表面活性化処理部の他の好ましい例を示す平面図である。 基板接合装置の他の好ましい例を示す平面図である。

本願において、ウエハ（以下、「基板」という。）は、板状の半導体を含むが、これに限定されない。「基板」は、半導体以外にも、ガラス、セラミックス、金属、プラスチック等の材料、または、これらの材料のうち複数の材料を利用した複合材料により形成されてもよい。基板の材料には、剛性が高い材料も低い材料も含まれる。「基板」は、円形、長方形等の種々の形状に形成される。

上記基板は、例えば、接合面に金属領域が形成された基板でもよく、あるいは、接合面に金属領域等が設けられないベアガラスやベアＳｉ基板でもよい。接合面に金属領域が設けられた一対の基板が、貼り合わせにより接合される場合、例えば、一方の基板の金属領域と他方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。

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、１つのチップまた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）等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また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「チップ」に含まれる。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る基板接合装置１００の構成を示す正面図である。図１では、基板接合装置１００の内部の概略構造を示す。なお、以下の各図においては、便宜上、ＸＹＺ直交座標系を用いて方向等を示す。なお、Ｚ方向を便宜上、上下方向とも呼ぶが、Ｚ方向は必ずしも上下方向に一致する必要はない。

基板接合装置１００は、真空チャンバ２００と、基板支持部４００と、位置測定部５００と、表面処理部６００と、コントローラ７００とを備える。基板支持部４００は、被接合物である基板３０１，３０２を互いに対向させて支持し、両基板３０１，３０２の相対的な位置決めを行う。位置測定部５００は、基板３０１，３０２の相対的位置関係を測定する。表面処理部６００は、Ｚ方向において互いに対向して支持された基板３０１，３０２の表面に対して表面処理を行う。以下、基板３０１，３０２をそれぞれ、「第１基板３０１」および「第２基板３０２」とも呼ぶ。図１では、第１基板３０１が第２基板３０２の下方（（−Ｚ）側）に配置されるが、第１基板３０１は第２基板３０２の上方（（＋Ｚ）側）に配置されてもよい。コントローラ７００は、上述の各構成と接続され、これらの構成からの情報を受信し、演算し、各構成に指令を出すように、プログラムを搭載するコンピュータである。

真空チャンバ２００は、基板支持部４００の後述のステージ４０１，４０２と表面処理部６００とを収容する。また、真空チャンバ２００は、内部を真空引きするための真空引き部として、真空ポンプ２０１を備える。当該真空ポンプ２０１は、排気管２０２と排気弁２０３とを介して真空チャンバ２００内の気体を外部に排出するように構成されている。

真空ポンプ２０１の吸引動作に応じて真空チャンバ２００内の圧力が低減（減圧）されることにより、真空チャンバ２００内の雰囲気は真空または低圧状態にされる。また、排気弁２０３は、その開閉動作と排気流量の調整動作とによって、真空チャンバ２００内の真空度を制御および調整することができる。

真空ポンプ２０１は、真空チャンバ２００内の気圧を１Ｐａ（パスカル）以下にする能力を有する。真空ポンプ２０１は、以下で説明する表面処理部６００が作動する前のバックグラウンド圧力を、１×１０^−２Ｐａ（パスカル）以下にする能力を有することが好ましい。真空ポンプ２０１は、表面処理部６００の後述するライン式粒子ビーム源６０１が１ｅＶから２ｋｅＶの運動エネルギーを有する粒子（エネルギー粒子）を放射する場合には、１×１０^−５Ｐａ（パスカル）以下にする能力を有することが好ましい。

これにより、ライン式粒子ビーム源６０１による基板３０１，３０２の表面活性化処理の際に、雰囲気中に存在する不純物の量を低減させ、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等を防止することができる。さらに、ライン式粒子ビーム源６０１は、比較的高い加速電圧を印加することができるので、比較的高い真空度では、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および新生表面のアモルファス化を行い、基板３０１，３０２の表面を活性化することができると考えられる。

真空ポンプ２０１の作動により比較的高い真空に引くことで、粒子ビームの照射により基板表面の表面層から除去された物質が効率良く雰囲気（真空チャンバ２００）外へと排気される。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雰囲気外へ効率良く排気される。

基板支持部４００は、基板３０１，３０２を支持するステージ４０１，４０２と、それぞれのステージを移動させるステージ移動機構４０３，４０４と、Ｚ軸方向に基板同士を加圧する際の圧力を測定する圧力センサ４０８，４１１と、基板を加熱し、または、冷却する基板温度調節部４２０とを備える。ステージ移動機構４０３，４０４は、基板３０１，３０２を移動する基板移動機構である。第２ステージ移動機構４０４は、ＸＹ方向並進移動機構４０５、Ｚ方向昇降移動機構４０６およびＺ軸周り回転移動機構４０７を備える。

基板３０１，３０２は、ステージ４０１，４０２の支持面に取り付けられる。ステージ４０１，４０２は、機械式チャック、静電チャック等の保持機構を有し、これにより基板を支持面に固定して保持し、または、保持機構を開放することで基板を取り外すことができるように構成されている。以下、ステージ４０１，４０２をそれぞれ、「第１ステージ４０１」および「第２ステージ４０２」とも呼ぶ。

図１において下側の第１ステージ４０１は、スライド式の第１ステージ移動機構４０３に接続される。これにより、第１ステージ４０１は、真空チャンバ２００に対して、または、上側の第２ステージ４０２に対してＸ方向に並進移動することができる。

図１において上側の第２ステージ４０２は、アライメントテーブルとも呼ばれるＸＹ方向並進移動機構４０５に接続される。アライメントテーブル４０５により、第２ステージ４０２は真空チャンバ２００に対して、または、下側の第１ステージ４０１に対して、ＸＹ方向に並進移動することができる。

Ｚ方向昇降移動機構４０６は、アライメントテーブル４０５に連結される。Ｚ方向昇降移動機構４０６により、第２ステージ４０２は、上下方向（Ｚ方向）に移動し、両ステージ４０１，４０２間のＺ方向の間隔を変え、または、調節することができるように構成されている。また、両ステージ４０１，４０２は、保持する基板３０１，３０２の対向する接合面同士を接触させ、または、接触後に加圧することができる。

Ｚ方向昇降移動機構４０６には、そのＺ軸に係る力を測定するＺ軸圧力センサ４０８が配置され、これにより加圧下で接触している接合面に垂直方向に係る力を測定し、接合面に係る圧力を計算することができる。Ｚ軸圧力センサ４０８には、例えばロードセルを用いてもよい。

アライメントテーブル４０５と第２ステージ４０２との間には、３つのステージ圧力センサ４１１と、各ステージ圧力センサ４１１においてＺ軸方向にピエゾアクチュエータ４１２とが設けられている。各ステージ圧力センサ４１１とピエゾアクチュエータ４１２の組は、第２ステージ４０２の基板支持面上の非同一線上の異なる３つの位置に配置されている。より詳細には、３つのステージ圧力センサ４１１と、３つのピエゾアクチュエータ４１２とにより構成される各組は、略円柱状の第２ステージ４０２の略円形上面内の外周部付近において略等角度間隔で配置されている。

また、３つのステージ圧力センサ４１１は、対応する各ピエゾアクチュエータ４１２の上端面とアライメントテーブル４０５の下面とを接続している。これにより、ステージ圧力センサ４１１により基板の接合面に掛かる力、または、圧力の分布を測定することができる。そして、ピエゾアクチュエータ４１２を互いに独立にＺ方向に伸縮させることで上記力、または、圧力の分布を微細または正確に調節し、あるいは、基板の接合面に掛かる力または圧力を、接合面に亘って均一、または、所定の分布にするように制御することができる。

Ｚ軸周り回転移動機構４０７は、第２ステージ４０２をＺ軸周りに回転させることができる。Ｚ軸周り回転移動機構４０７により、第２ステージ４０２の第１ステージ４０１に対するＺ軸周りの相対的な回転位置θを制御して、両基板３０１，３０２の回転方向の相対的位置を制御することができる。

基板接合装置１００は、基板３０１，３０２の相対的位置関係を測定するための位置測定部５００として、窓５０３と、光源（図示せず）と、複数のカメラ５０１，５０２とを備える。窓５０３は、真空チャンバ２００に設けられる。複数のカメラ５０１，５０２は、光源から発せられ両基板３０１，３０２のマークが設けられた部分（図示せず）および上記窓５０３を通過して真空チャンバ２００の外部に伝播する光と、上記マークの影とを撮像する。

位置測定部５００は、Ｚ方向に伝播する光をＸＹ面方向に屈折させるミラー５０４，５０５を有し、カメラ５０１，５０２はＹ方向に屈折した光を撮像するように配置されている。この構成により、Ｚ軸方向の装置の大きさを小さくすることができる。

図１では、カメラ５０１，５０２は、それぞれ、同軸照明系を有している。光源は、第１ステージ４０１の上側に設けられてもよく、また、カメラ５０１，５０２側からその光軸を進む光を発するように設けられてもよい。なお、カメラ５０１，５０２の各同軸照明系の光としては、基板３０１，３０２のマークが附された部分および両ステージ等の光が通過すべき箇所を透過する波長領域（例えば基板がシリコンで出来ている場合には、赤外光）の光を用いる。

本基板接合装置１００は、上記位置測定部５００と、ステージの位置決めをするステージ移動機構４０３，４０４と、これらに接続されたコントローラ７００とを用いて、水平方向（ＸおよびＹ方向）並びにＺ軸周りの回転方向（θ方向）について、基板３０１，３０２の各々の真空チャンバ２００内の位置（絶対的位置）、または、基板３０１，３０２間の相対的位置とを測定および制御することができるように構成されている。

基板３０１，３０２には、測定用の光が通過する箇所が規定されており、ここにマークが附されていて、通過光の一部を遮断または屈折させる。カメラ５０１，５０２が通過光を受光すると、明視野像である撮影画像内でマークは暗く現れる。マークは、好ましくは、基板に複数個、例えば基板の対向する２つの角に設けられている。これにより、複数個のマークの位置から、基板３０１または基板３０２の絶対的位置を特定することができる。

好ましくは、基板３０１，３０２の対応する箇所、例えば接合時にＺ方向に重なり合う位置に、対応するマークが附されている。基板３０１，３０２の両方のマークを同じ視野内で観測して、その相対的ずれ（Δｘ，Δｙ）を測定する。複数個所での相対的ずれ（Δｘ，Δｙ）を測定することにより、基板３０１，３０２間の相対的位置（ΔＸ，ΔＹ，Δθ）を計算することができる。

基板３０１，３０２間の相対的位置（ΔＸ，ΔＹ，Δθ）に基づいて、コントローラ７００から指示を出して、各ステージ４０１，４０２の移動機構に基板を（−ΔＸ，―ΔＹ，―Δθ）だけ移動させる。

基板３０１，３０２の相対的位置を正確に測定するために、一旦接近または接触させてもよい。この場合、各ステージ４０１，４０２を移動させる際には、また、基板３０１，３０２を離間させるようにしてもよい。基板３０１，３０２の相対的位置の測定および位置決め動作は、複数回繰り返して行ってもよい。

図１のステージ４０１，４０２は、それぞれ基板温度調節部４２０として、加熱冷却部４２１，４２２を内蔵している。加熱冷却部４２１，４２２は、例えば、ヒータとペルチェ素子とを備えるモジュールである。加熱冷却部４２１，４２２は、ステージ４０１，４０２に支持されている基板３０１，３０２を、ステージ４０１，４０２を介して加熱し、または、冷却する。すなわち、基板温度調節部４２０は、基板加熱部としても機能し、基板冷却部としても機能する。加熱冷却部４２１，４２２を制御することにより、基板３０１，３０２の温度や基板３０１，３０２の接合面の温度を調節し制御することができる。

表面処理部６００は、表面活性化処理部６１０と、親水化処理部６２０とを備える。表面活性化処理部６１０として、例えば、イオンや中性原子等の粒子ビーム源、あるいは、プラズマ源を採用することができる。これにより、基板３０１，３０２の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、表面層を除去することができる。

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により、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ため、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。なお、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、上述の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。

ここで、「アモルファス化した表面」または「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また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、または、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また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」または「結晶構造を乱す」とは、上記アモルファス化した表面、または、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。

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）等の希ガスまた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、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。

表面活性化処理に用いる粒子として、酸素のイオン、原子、分子等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）基の結合または水の付着の効率を高めると考えられる。

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〜２ｋｅＶであることが好ましい。上記の運動エネルギーにより、表面層におけるスパッタリング現象が効率良く生じると考えられる。除去すべき表面層の厚さ、材質等の性質、新生表面の材質等に応じて、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。表面活性化される接合面に衝突させる粒子を接合面に向けて加速することにより、当該粒子に所定の運動エネルギーを与えることができる。

図２は、表面活性化処理部６１０の斜視図である。図１および図２に示す例では、表面活性化処理部６１０は、ライン式粒子ビーム源６０１と、遮蔽部材６０２と、ビーム源移動機構６０３とを備える。ビーム源移動機構６０３は、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とを、基板３０１，３０２の接合面（すなわち、表面活性化処理の対象となる対象面）に略平行に移動する。ビーム源移動機構６０３は、ライン式粒子ビーム源６０１および遮蔽部材６０２を、基板３０１，３０２の間の空間へと挿入し、また、当該空間から退避させる。また、ビーム源移動機構６０３は、ライン式粒子ビーム源６０１および遮蔽部材６０２を、ライン式粒子ビーム源６０１等のライン方向（Ｘ方向）周りに揺動する。

図２に示すように、ライン式粒子ビーム源６０１は、ライン方向または長手方向がＸ方向に平行になるように配置されている。ライン式粒子ビーム源６０１は、中性原子である粒子に所定の運動エネルギーを与え、当該粒子を基板３０１，３０２の接合面に向けて放射する。遮蔽部材６０２は、長方形の板状に形成され、ライン式粒子ビーム源６０１のライン方向と平行に、Ｘ方向と平行になるように配置されている。遮蔽部材６０２の長手方向の長さは、ライン式粒子ビーム源６０１の長手方向の長さとほぼ同じである。

ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とは、ビーム源移動機構６０３により、そのＹ方向の間隔を一定に保ちつつ、両者の長手方向にほぼ垂直方向であるＹ方向に並進移動する。ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２との間のＹ方向の間隔を一定に保つために、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とを機械部材で連結してもよい。また、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とを同じ速度で移動させることにより、Ｙ方向の間隔を一定に保ってもよい。

Ｙ方向に張られた複数のリニアガイド６０４，６０５，６０６は、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２との長手方向の両端を支持しつつ、Ｙ方向に所望の距離を並進移動させ、または、所望の位置に位置決めさせることができる。

リニアガイド６０４は、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とのそれぞれの一端をＹ方向に移動可能に支持している。このリニアガイド６０４は、Ｙ方向に延びるネジ６０４ａと、ネジ６０４ａの長手方向の回転により動くナット６０４ｂと、ネジ６０４ａを回転させるサーボモータ６０４ｃとを備える。ナット６０４ｂは、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とをＸ方向の各回転軸周りに回転可能に、かつ、ＸＹＺ方向に固定して支持している。ナット６０４ｂは、図２においては、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２との間のＹ方向の間隔または距離を一定に保つ機能も有している。

リニアガイド６０５，６０６は、Ｚ方向にずれて平行に配置されていて、それぞれ、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２との他端をＹ方向に移動可能に支持している。さらに、リニアガイド６０５，６０６は、回転式リニアガイドであり、それぞれの長手軸方向の軸周りに回転可能であり、当該回転を、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とのライン方向（Ｘ方向）の回転軸６０９ａ，６０９ｂ周りの回転運動に変換して伝達する機構を有している。具体的には、各回転式リニアガイド６０５，６０６は、Ｙ方向に平行移動可能な回転ギア６０７Ｌ，６０８Ｌを有し、それぞれ、ライン式粒子ビーム源６０１に連結された回転ギア６０７Ｇと遮蔽部材６０２に連結された回転ギア６０８Ｇと歯車で連結されている。回転ギア６０７Ｌ，６０８Ｌ，６０７Ｇ，６０８Ｇは、傘歯車であり、噛み合う回転ギア間で回転運動を垂直回転軸周りの回転運動に変換して伝達することができる。これらのギアには、傘歯車を用いているが、これに限られない。例えばウォームギアを採用してもよい。

表面活性化処理部６１０では、回転式のリニアガイド６０５，６０６をＹ方向軸周りに回転または揺動させ、この回転角によって、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とのＸ方向軸周りの揺動を制御または設定することができる。また、回転式のリニアガイド６０５，６０６は、それぞれ個別にライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とに連結され、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とのＸ方向軸周りの回転角を独立に制御または設定することができるように構成されている。

ライン式粒子ビーム源６０１は、回転軸６０９ａ周りで基板３０１の接合面に対して所定の角度を保ったまま、粒子ビームＢを放射しつつ、基板３０１上をＹ方向に並進移動することができる。ある時刻において、ライン式粒子ビーム源６０１は、基板３０１上のＸ方向に伸びた帯状のビーム照射領域Ｒを粒子ビームＢで照射しており、Ｙ方向の並進移動にともない、照射領域Ｒは基板３０１の接合面をスキャンする。

遮蔽部材６０２は、ライン式粒子ビーム源６０１とのＹ方向の上記所定の間隔を有して配置される。遮蔽部材６０２は、ライン式粒子ビーム源６０１のビーム照射により基板３０１から飛散するスパッタ粒子を遮蔽するように、回転軸６０９ｂ周りで基板３０１の接合面に対して所定の角度を保ちつつ、ライン式粒子ビーム源６０１と共にＹ方向に並進移動する。

粒子ビームＢの放射条件を一定に保ったまま一定速度でスキャンをすることにより、基板３０１の接合面全面に亘って、極めて均一な条件で粒子ビーム照射を行うことができる。粒子ビームＢの基板上の単位面積当たりの照射量は、粒子ビーム源６０１の基板３０１に対するスキャン速度によっても調整することができる。

上述のように、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とは、それぞれ回転軸６０９ａ，６０９ｂ周りに回転可能に構成されている。したがって、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、第１基板３０１に対して粒子ビームＢの照射スキャンを行った後に（図３Ａ）、第２基板３０２に対しても、基板３０１と同様の工程を実行することができる（図３Ｂ）。

第１基板３０１に対して粒子ビームＢの照射スキャンを行う場合（図３Ａ）と、第２基板３０２に対して粒子ビームＢの照射スキャンを行う場合（図３Ｂ）との各々に応じて、遮蔽部材６０２とライン式粒子ビーム源６０１とは、向きが、それぞれ所定の向きに設定できるように構成されている。

図３Ａに示すように、第１基板３０１に対して粒子ビームＢの照射スキャンを行う場合には、遮蔽部材６０２の遮蔽面６１１をほぼ第１基板３０１に向け、ライン式粒子ビーム源６０１からの粒子ビーム照射によるスパッタで第１基板３０１から飛散するスパッタ粒子Ｐを当該遮蔽面６１１で遮断する。これにより、対向して配置された他方の基板である第２基板３０２には、第１基板３０１からのスパッタ粒子Ｐが付着しないようにし、または、その付着量を最小限に抑制することができる。

そして、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とは、上記の向きに保たれたまま、第１基板３０１上を走査（スキャン）される。これにより、ビーム照射領域Ｒ１が第１基板３０１上をスキャンして、第１基板３０１の接合面である第１接合面全体に亘って均一にビーム照射を行うことができる。

基板接合装置１００では、図３Ａに示すように、第２基板３０２にスパッタ粒子Ｐが付着することを回避または最小限に抑えつつ、第１基板３０１に対する粒子ビーム照射をスキャンすることができる。したがって、その後、第２基板３０２に対する粒子ビーム照射をほぼ理想的に行うことができる。すなわち、第１基板３０１に対する粒子ビーム照射中に第２基板３０２上にスパッタ粒子Ｐが付着してしまうと、これを除去するために第２基板３０２のみの処理に比べて粒子ビームＢの照射時間を長く設定することが必要となる。あるいは、望ましくない不純物が第２基板３０２上に付着している場合には、粒子ビーム照射による原子の衝突により当該不純物が第２基板３０２内に潜り込み、または、混合（ミキシング）が生じるため、第２基板３０２の表面近傍を改質する必要が生じ得る。基板接合装置１００では、このような不具合を回避または最小限に抑制することができる。

また、基板接合装置１００では、図３Ｂに示すように、第２基板３０２のビーム照射領域Ｒ２に粒子ビーム照射を行う際に、第２基板３０２から飛散するスパッタ粒子Ｐを遮蔽部材６０２の遮蔽面６１１でブロックすることができる。したがって、粒子ビーム照射を完了した第１基板３０１の領域Ｒ１へのスパッタ粒子Ｐの付着を回避または抑制することができる。換言すれば、第２基板３０２に対して、第２基板３０２の接合面である第２接合面に対する粒子ビーム照射をスキャンして実行しつつ、これに併せて第２基板３０２から飛散するスパッタ粒子Ｐを遮蔽して第１基板３０１に付着するのを防止することができる。これにより、粒子ビーム照射で得られた第１基板３０１の領域Ｒ１の所定の性質を維持することができる。具体的には、一旦粒子ビーム照射により表面活性化された第１基板３０１の接合面は、第２基板３０２の接合面の表面活性化処理の間も、その活性度を維持することができる。したがって、交互に基板表面を活性化しても接合強度が高く、不純物の混入が少ない固相接合界面を形成することができる。

ライン式粒子ビーム源６０１は、例えば１ｘ１０^−５Ｐａ（パスカル）以下等の、比較的高い真空中で作動するため、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等を防止することができる。さらに、ライン式粒子ビーム源６０１は、比較的高い加速電圧を印加することができるため、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、表面層の除去、および、新生表面のアモルファス化を効率良く行うことができると考えられる。

図３Ａおよび図３Ｂのように、ライン式粒子ビーム源６０１と板状の遮蔽部材６０２とは、Ｘ方向に平行な回転軸周りに回転可能であるので、互いに近接して配置されてもよい。例えば、板状の遮蔽部材６０２が基板面に平行な状態で、第１基板３０１に対するビーム照射が終わった後に、ライン式粒子ビーム源６０１のみを第２基板３０２に向けて回転させると、ライン式粒子ビーム源６０１が遮蔽部材６０２に衝突または接触する程度に近接して配置されていてもよい。このような場合には、遮蔽部材６０２のライン式粒子ビーム源６０１側の辺が第１基板３０１側に近づくように遮蔽部材６０２を回転させ、次に、ライン式粒子ビーム源６０１を第２基板３０２に向けて回転させる。これにより、遮蔽部材６０２に接触することなく、第２基板３０２に向くようにライン式粒子ビーム源６０１の姿勢を変更することができる。その後、第２基板３０２へのビーム照射のために、遮蔽部材６０２を回転して基板３０１，３０２の接合面に平行な位置に位置決めすることができる。

なお、図３Ｂでは、ライン式粒子ビーム源６０１は第２基板３０２に対して図中の左から右（＋Ｙ方向）へ移動しているが、右から左（−Ｙ方向）に移動しつつ粒子ビーム照射を行ってもよい。ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とを第１基板３０１に対して左から右へ移動させて粒子ビーム照射を行い、第２基板３０２に対して右から左へ移動させて粒子ビーム照射を行ってもよい。これにより、いずれの基板にも同じ方向（例えば、図中の左から右）に移動させて粒子ビーム照射を行う場合よりも、ライン式粒子ビーム源６０１の移動距離を短くすることができるため、プロセス効率が向上する。

ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２との間隔は常に同じである必要はない。例えば、スパッタ粒子の飛散方向が、スキャン方向の相違などにより、第１基板３０１と第２基板３０２とで異なる場合には、上記間隔を変えてもよい。すなわち、遮蔽部材６０２は、粒子ビーム照射の各条件で、飛散するスパッタ粒子を効率よく遮蔽して、他の基板へ到達することを回避または最小限に抑制する寸法、形状または姿勢となるように構成されていればよい。

例えば、所定のプロセスまたはスキャン毎に、ライン式粒子ビーム源６０１の基板表面に成す角度、粒子ビーム（エネルギー粒子）の種類や運動エネルギー、基板表面の材料、表面形状や結晶方向等々のビーム照射の条件に応じて、スパッタ粒子の飛散方向や飛散角度が変わり得る。したがって、所定のビーム照射の条件に応じて、飛散するスパッタ粒子を効率良く遮蔽するように、遮蔽部材６０２の角度や大きさ、ライン式粒子ビーム源６０１や基板３０１，３０２に対する位置または姿勢等を変更することができるように装置が構成されてもよい。

なお、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とは、基板３０１，３０２間を接合面に平行に移動するように構成されているが、これに限られない。基板３０１，３０２が２次元的に平坦ではない場合等、種々の場合に応じて、ライン式粒子ビーム源６０１および遮蔽部材６０２が基板３０１，３０２間で適切な移動をするように装置が構成されてもよい。

また、図２に示す例では、ライン式粒子ビーム源６０１と遮蔽部材６０２とは、長手方向をライン方向（Ｘ方向）にほぼ平行に配置され、ライン方向（Ｘ方向）にほぼ垂直方向（Ｙ方向）に並進移動するように構成されているが、これに限られない。ライン式粒子ビーム源６０１等の長手方向は、並進移動方向に対して垂直（９０度）でなくてもよく、例えば、所定の角度（６０度、４５度）を成すように装置が構成されてもよい。当該所定の角度は、スキャン毎に可変であるように装置が構成されてもよい。

図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、表面活性化処理部６１０は、単一のライン式粒子ビーム源６０１により両基板３０１，３０２に対してビーム照射ができるように構成されているが、これに限られない。例えば、表面活性化処理部６１０は、複数のライン式粒子ビーム源６０１を備えていてもよい。

例えば、図４Ａおよび図４Ｂに示すライン式粒子ビーム源６０１は、第１ライン式粒子ビーム源６０１１と第２ライン式粒子ビーム源６０１２とを有し、２つの対向する基板３０１，３０２間に配置される。第１ライン式粒子ビーム源６０１１は第１基板３０１に対してビーム照射を行い、第２ライン式粒子ビーム源６０１２は第２基板３０２に対してビーム照射を行う。

この場合、遮蔽部材６０２は、基板３０１，３０２間に配置され、両基板３０１，３０２から飛散するスパッタ粒子Ｐを遮蔽する。すなわち、遮蔽部材６０２の第１基板３０１に向いた面６０２１は、第１基板用ライン式粒子ビーム源（第１ライン式粒子ビーム源）６０１１のビーム照射により第１基板３０１から第２基板３０２に向けて飛散するスパッタ粒子Ｐを遮蔽して、当該スパッタ粒子Ｐが第２基板３０２に付着することを回避または最小限に抑えるように構成されている。一方、遮蔽部材６０２の第２基板３０２に向いた面６０２２は、第２基板用ライン式粒子ビーム源（第２ライン式粒子ビーム源）６０１２のビーム照射により第２基板３０２から第１基板３０１に向けて飛散するスパッタ粒子Ｐを遮蔽して、当該スパッタ粒子Ｐが第１基板３０１に付着することを回避または最小限に抑えるように構成されている。

当該遮蔽部材６０２は、略板状に形成されている。両基板３０１，３０２の対向する表面が平行である場合には、板状の遮蔽部材６０２は、その主面が両基板３０１，３０２の表面に平行となるように配置される。この構成により、効率良い基板表面処理を行うことができるとともに、基板表面処理装置を小さく構成することができる。

ライン式粒子ビーム源６０１１，６０１２を作動させて基板３０１，３０２に対して粒子ビーム照射を行いつつ、両ライン式粒子ビーム源６０１１，６０１２および遮蔽部材６０２をＹ方向または基板面に平行な方向に並進移動させることにより、両基板３０１，３０２に対する粒子ビーム照射処理を同一スキャンで行うことができる。したがって、効率良く、清浄な表面活性化処理が可能になる。

２つの対向する基板３０１，３０２が平行に配置されている場合には、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、両基板３０１，３０２の対称中心面に対して鏡面対称となるように、両ライン式粒子ビーム源６０１１，６０１２および遮蔽部材６０２を配置することが好ましい。この構成で、両ライン式粒子ビーム源６０１１，６０１２および遮蔽部材６０２を基板３０１，３０２に対して、同一速度でスキャンし、あるいは、それらの間の相対的位置関係を維持しつつスキャンすることができる。これにより、両基板３０１，３０２に対して同時にビーム照射を行い、かつ、ビーム照射により各基板３０１，３０２から飛散するスパッタ粒子Ｐを同時に遮蔽することができる。したがって、両基板３０１，３０２に対して清浄な表面活性化処理を同時に、極めて効率良く行うことが可能になる。

図４Ａに示す構成では、第１基板用ライン式粒子ビーム源６０１１と第２基板用ライン式粒子ビーム源６０１２とは、遮蔽部材６０２に対して進行方向側に配置され、Ｙ方向から向きが逆でほぼ同じ角度だけ傾いた状態で配置される。両基板用ライン式粒子ビーム源６０１１，６０１２は、それぞれ基板３０１，３０２のほぼ同じＹ方向位置のビーム照射領域Ｒ１とＲ２とにビーム照射を行うことができる。板状の遮蔽部材６０２は、適切な形状を有し、両基板用ライン式粒子ビーム源６０１１，６０１２に対して適切なＹ方向位置に配置されることで、両基板３０１，３０２から飛散するスパッタ粒子Ｐを遮蔽することができる。

なお、図示しないが、第１基板用ライン式粒子ビーム源６０１１と第２基板用ライン式粒子ビーム源６０１２とは、その両方が、遮蔽部材６０２に対して進行方向と逆側に配置されていてもよい。

図４Ｂに示す構成では、第１基板用ライン式粒子ビーム源６０１１と第２基板用ライン式粒子ビーム源６０１２とは、それぞれ、遮蔽部材６０２に対して進行方向側と進行方向の逆側とに配置されている。この場合、両基板用ライン式粒子ビーム源６０１１，６０１２は、遮蔽部材６０２の長手方向軸を中心にほぼ回転対称に配置されている。遮蔽部材６０２は、両基板用ライン式粒子ビーム源６０１１，６０１２のほぼ中心に位置しており、適切な形状を有することで、両基板３０１，３０２から飛散するスパッタ粒子Ｐを遮蔽することができる。

ライン式粒子ビーム源６０１としては、例えば、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、希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。例えば、希ガスとしてアルゴン（Ａｒ）が利用される場合、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０．１Ｗ（ワット）から５００Ｗ（ワット）の間の値に設定してもよい。例えば、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。

ライン式粒子ビーム源６０１として、例えば、イオンである粒子を基板３０１，３０２の接合面に向けて放射するイオンビーム源（イオンガン）が利用されてもよい。当該イオンビーム源は、例えば１１０Ｖ、３Ａで稼動し、アルゴン（Ａｒ）を加速して基板３０１，３０２の接合面に６００秒ほど照射するように使用されてもよい。また、他の条件として、加速電圧１．５ｋＶ〜２．５ｋＶ，電流３５０ｍＡ〜４００ｍＡを採用してもよく、さらに他の条件として、加速電圧１．０ｋＶ〜２．０ｋＶ，電流３００ｍＡ〜５００ｍＡを採用してもよい。イオンビーム源として、冷陰極型、熱陰極型、ＰＩＧ（Ｐｅｎｎｉｎｇ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｇａｕｇｅ）型、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）型の粒子ビーム源、あるいは、クラスターイオン源などが採用されうる。

ライン式粒子ビーム源６０１から基板の接合面に粒子ビームを照射することにより、表面活性化処理を行うことができる。表面活性化処理により、基板の接合面同士を常温または非加熱で固相接合させることができる。

ライン式粒子ビーム源６０１によるその他のビーム照射条件として、真空チャンバ２００内のバックグラウンド圧力を１０ ^−６Ｐａ（パスカル）の状態から、ガスとしてＡｒを１００ｓｃｃｍの流量で流し、真空チャンバ２００内の圧力を１０^−３Ｐａ（パスカル）以下として、ライン式粒子ビーム源６０１を２ｋＶ、２０ｍＡで作動し、ライン式粒子ビーム源６０１の基板３０１，３０２に対するスキャン速度を１０ｍｍ／ｓとすることもできる。上述の各ビーム照射条件は、例示を目的とするものであり、これに限定されない。ビーム照射条件は、各装置構成、ビーム照射条件、基板等の処理対象の物性等に応じて適宜変更することができる。

表面活性化処理部６１０では、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もできる。この場合、基板３０１，３０２の接合面に対して交番電圧を印加することにより、接合面の周りに粒子を含むプラズマを発生させる。そして、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することにより、当該粒子に所定の運動エネルギーを与える。プラズマは数Ｐａ（パスカル）程度の低真空度の雰囲気で発生させることができる。このため、真空システムを簡素化することができるとともに、真空引き等の工程を短縮化することができる。

上述のプラズマ発生装置は、例えば、１００Ｗで稼動してアルゴン（Ａｒ）のプラズマを発生させ、当該プラズマを基板３０１，３０２の接合面に６００秒ほど照射させるように使用されてもよい。

表面活性化処理部６１０では、表面活性化に用いられる粒子は、中性原子やイオン以外に、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。粒子ビームには、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス以外に、例えば、窒素、酸素または水が粒子ビームとして用いられてもよい。

図１に示す基板接合装置１００では、表面活性化処理部６１０による基板３０１，３０２の表面活性化処理が終了すると、親水化処理部６２０による親水化処理が行われる。これにより、清浄化または活性化された基板３０１，３０２の接合面に水酸基（ＯＨ基）が結合されると考えられる。さらには、水酸基（ＯＨ基）が結合された接合面上に水分子が付着する。

基板３０１，３０２の親水化処理は、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（Ｈ_２Ｏ）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、または、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、接合面に対する親水化処理の他の態様として、ラジカルやイオン化されたＯＨなどを付着させてもよい。接合面に対する親水化処理の方法はこれらに限定されない。

親水化処理部６２０では、例えば、液体状の水の中に窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ_２）等のキャリアガスを通過させること（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３０１，３０２が配置された真空チャンバ２００内に導入されることが好ましい。

図１に示す例では、親水化処理部６２０は、ガス供給源６２１と、流量制御バルブ６２２と、ガス導入部６２３とを備える。ガス供給源６２１は、上述のバブリングにより生成されたキャリアガスと水（Ｈ_２Ｏ）との混合ガス（すなわち、水分子を含むガス）を、ガス導入部６２３を介して真空チャンバ２００内へと供給する。流量制御バルブ６２２は、ガス供給源６２１から真空チャンバ２００へと供給される混合ガスの流量を制御する。

基板接合装置１００では、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により、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、または、他の定義を採用してもよい。

真空チャンバ２００内の湿度の制御は、ガス供給源６２１で生成される混合ガスの湿度、流量制御バルブ６２２により制御される混合ガスの真空チャンバ２００への導入量、真空ポンプ２０１による真空チャンバ２００内のガスの排出量、および、真空チャンバ２００内の温度等を調節することにより行うことができる。真空チャンバ２００内の湿度は、両基板３０１，３０２の接合面の少なくとも一方または両方の周りの雰囲気における相対湿度を１０％以上かつ９０％以下となるように制御することが好ましい。

親水化処理部６２０は、基板３０１，３０２を冷却する上述の基板温度調節部４２０をさらに備えてもよい。基板温度調節部４２０により基板３０１，３０２の接合面を冷却することにより、基板３０１，３０２の接合面の周りの雰囲気における相対湿度を容易に増大させることができる。これにより、接合面に対する水の供給量を容易に増大させることができる。

親水化処理部６２０では、例えば、窒素（Ｎ_２）または酸素（Ｏ_２）をキャリアガスとして気体状の水を導入する場合、真空チャンバ２００内の全圧を９．０ｘ１０^４Ｐａ（パスカル）、すなわち０．８９ａｔｍ（アトム）とし、真空チャンバ２００内での気体状の水の量を、容積絶対湿度で８．６ｇ／ｍ^３（グラム／立方メートル）または１８．５ｇ／ｍ^３（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％または９１％となるように制御することができる。また、チャンバ内の酸素（Ｏ_２）の雰囲気中濃度を１０％としてもよい。

親水化処理部６２０では、親水化処理を行うために、所定の湿度を有する真空チャンバ２００外の大気を、真空チャンバ２００内に導入してもよい。大気を真空チャンバ２００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真空チャンバ２００外の大気を導入して親水化処理を行うことにより、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。

また、親水化処理部６２０では、水（Ｈ_２Ｏ）の分子やクラスター等を加速して、基板３０１，３０２の接合面に向けて放射してもよい。水（Ｈ_２Ｏ）の加速に、上記表面活性化処理に用いるライン式粒子ビーム源６０１等を使用してもよい。この場合、上述のガス供給源６２１で生成したキャリアガスと水（Ｈ_２Ｏ）との混合ガスを、ライン式粒子ビーム源６０１等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。また、親水化処理は、接合面の近傍の雰囲気中で、水分子をプラズマ化して、これを接合面に接触させることにより行われてもよい。

基板３０１，３０２の接合面の親水化処理として、基板３０１，３０２の表面活性化処理の後に、基板３０１，３０２からのパーティクル（汚染粒子）等の除去を兼ねた水洗浄が行われてもよい。当該水洗浄により、上述の親水化処理と同様の効果を得ることができる。当該水洗浄は、例えば、超音波を付与された水流を基板３０１，３０２の接合面に向けて噴射することにより行われてもよい。水洗浄は、通常、真空チャンバ２００では行われず、後述するように、真空チャンバ２００の外で行われる。

基板３０１，３０２の接合面の親水化処理として、同種または異種の親水化処理が複数回行われてもよい。また、親水化処理と並行して、あるいは、親水化処理の後に、接合面に強制的に水分子を付着させてもよい。これにより、接合面上の水分子の量を増やし、または、制御することができる。当該水分子の付着は、例えば、基板温度調節部４２０による基板３０１，３０２の接合面の冷却により行われてもよい。あるいは、当該水分子の付着は、上述の基板３０１，３０２の接合面に対する水洗浄により行われてもよい。

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、あるいは、所定の表面評価部を用いてその場（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。

図１に示す例では、基板３０１，３０２に対する表面活性化処理と親水化処理とは、１つの真空チャンバ２００内にて連続して行われる。したがって、表面活性化処理された基板３０１，３０２の接合面を大気に曝すことなく、当該接合面の親水化処理を行うことができる。これにより、基板３０１，３０２の接合面の望ましくない酸化や、接合面への不純物等の付着を防止することができる。また、親水化処理をより容易に制御することができ、表面活性化処理の後に親水化処理を続けて効率良く実行することができる。

図５は、第１基板３０１と第２基板３０２との接合の流れを示す図である。まず、第１基板３０１の第１接合面に対して表面活性化処理が行われ、第２基板３０２の第２接合面に対して表面活性化処理が行われる（ステップＳ１１）。表面活性化処理が終了すると、第１基板３０１の接合面および第２基板３０２の接合面に対して親水化処理が行われる（ステップＳ１２）。これにより、基板３０１，３０２の接合面に水酸（ＯＨ）基が結合する。

親水化処理が終了すると、基板３０１，３０２の接合面に水分子が付与され、当該水分子が接合面に付着する（ステップＳ１３）。ステップＳ１２において基板３０１，３０２の接合面に水分子が付着している場合、ステップＳ１３では、当該接合面に水分子が追加付着する。ステップＳ１３の水分子を付着させる工程は、ステップＳ１２の親水化処理と並行して行われてもよい。ステップＳ１３は、ステップＳ１２の親水化処理の一部とみなされ得る。

続いて、第１基板３０１の接合面と第２基板３０２の接合面とを接触させ、基板３０１，３０２同士を後述する臨界圧力以下の圧力にて加圧する（すなわち、臨界圧力以下の圧力にて第１基板３０１および第２基板３０２を互いに対して押圧する）ことにより、第１基板３０１と第２基板３０２とが仮接合される（ステップＳ１４）。ステップＳ１４では、基板３０１，３０２同士が、例えば約０．０５ＭＰａの圧力にて加圧される。

ステップＳ１４における加圧は、第１基板３０１と第２基板３０２との接触と同時に開始されてもよく、あるいは、接触してから所定時間の経過後に開始されてもよい。また、ステップＳ１４における加圧は、基板３０１，３０２が接触状態にある時間の一部に亘って行われてもよく、全体に亘って行われてもよい。さらにまた、ステップＳ１４における加圧は、断続的に行われてもよい。ステップＳ１４における加圧中は、一定の圧力が保たれても、圧力が時間的に変化してもよい。なお、ステップＳ１４における第１基板３０１および第２基板３０２の互いに対する押圧は、数ｇ（グラム）の加重、自重レベルでの接触を含む。

図６Ａ〜図６Ｃは、ステップＳ１２〜Ｓ１４における基板３０１の接合面の状態を概念的に示す図である。基板３０２の接合面の状態も図６Ａ〜図６Ｃに示すものと同様である。基板３０１，３０２の接合面には、上述のように、水酸（ＯＨ）基が結合しており、水酸（ＯＨ）基上に水分子が付着している。ステップＳ１２において、水酸（ＯＨ）基は、ステップＳ１１によりアモルファス状とされた基板３０１，３０２の界面が、水分子を吸収して酸化を促すことにより接合面に結合される。このとき、水分子が十分に反応しきれないため、図６Ａに示すように、接合面に結合された水酸（ＯＨ）基の密度が十分に高くなっていないものと考えられる。換言すれば、水酸（ＯＨ）基の間に隙間（図６Ａ中にて二点鎖線にて囲む。）が生じていると考えられる。

ステップＳ１４では、水酸（ＯＨ）基上の水分子の一部が、仮接合時の基板３０１，３０２の密着や基板３０１，３０２に加えられる上記圧力等により、図６Ｂに示すように、接合面上の水酸（ＯＨ）基の間の隙間に浸透する。浸透した水分子は、アモルファス状の基板３０１，３０２の界面に吸収されて酸化に利用され、水酸（ＯＨ）基として基板３０１，３０２の接合面に結合される。これにより、図６Ｃに示すように、基板３０１，３０２の接合面上の水酸（ＯＨ）基が増加する。ステップＳ１４では、基板３０１，３０２の接合面に結合する水酸（ＯＨ）基同士の水素結合により、基板３０１，３０２が仮接合される。仮接合後の基板３０１，３０２同士の接合強度は、例えば、約０．２Ｊ／ｍ^２〜０．５Ｊ／ｍ^２である。

次に、第１基板３０１の接合面と第２基板３０２の接合面とを、両接合面に対して実質的に垂直方向（Ｚ方向）に離間させる（ステップＳ１５）。その後、第１基板３０１の接合面と第２基板３０２の接合面とを再度接触させ、基板３０１，３０２同士を臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧することにより、第１基板３０１と第２基板３０２とが接合（本接合）される（ステップＳ１６）。換言すれば、臨界圧力よりも大きい圧力にて第１基板３０１および第２基板３０２を互いに対して押圧することにより、基板３０１，３０２の最終的な接合が行われる。ステップＳ１６では、基板３０１，３０２同士が、例えば約５ＭＰａの圧力にて加圧されることにより、容易に離間することができない程度に接合される。

ステップＳ１６では、接合面同士を接触させた基板３０１，３０２を臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧した後に、または、臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧するのと並行して、基板３０１，３０２が加熱されてもよい。基板３０１，３０２の加熱は、例えば、図１に示すステージ４０１，４０２から熱を伝導させることにより行われる。基板３０１，３０２の加熱は、例えば、基板３０１，３０２の接合面に光を照射すること等により行ってもよい。

図７Ａ〜図７Ｃは、ステップＳ１６の基板３０１，３０２の接合時における接合面の状態を概念的に示す図である。図７Ａに示す多数の水酸（ＯＨ）基が結合された基板３０１，３０２の接合面が接触すると、図７Ｂに示すように、水酸（ＯＨ）基同士の水素結合が生じる。その後、基板３０１，３０２に加えられる上記圧力や熱等により、図７Ｃに示すように、水（Ｈ_２Ｏ）が基板３０１，３０２間から離脱し（すなわち、脱水し）、水素結合が共有結合へと変化することにより、基板３０１，３０２同士の接合強度が向上する。ステップＳ１６終了後（すなわち、本接合後）の基板３０１，３０２同士の接合強度は、例えば、約１．０Ｊ／ｍ^２〜２．５Ｊ／ｍ^２である。

上述のステップＳ１１，Ｓ１２は、比較的高い真空中にて行われる。ステップＳ１３〜Ｓ１５は、例えば、真空中にて行われてもよく、大気中にて行われてもよい。ステップＳ１６は、比較的高い真空中にて行われる。なお、ここでいう真空中とは、大気に限らず、任意のガスの減圧環境下を含む。また、ステップＳ１６が行われるよりも前に、ステップＳ１４，Ｓ１５が複数回繰り返されてもよい。

ステップＳ１６では、必ずしも、基板３０１，３０２同士を臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧する必要はない。例えば、接合面同士を接触させた基板３０１，３０２を臨界圧力以下の圧力にて加圧した後に、または、臨界圧力以下の圧力にて加圧するのと並行して加熱することにより、基板３０１，３０２同士が、容易に離間することができない程度に接合されてもよい。あるいは、基板３０１，３０２を加圧することなく、所定の温度にて加熱することにより、基板３０１，３０２同士が、容易に離間することができない程度に接合されてもよい。

上記臨界圧力とは、それよりも大きい圧力で接合面を押圧すると、接合面の所望の特性が変化し、または、失われる圧力として定義され得る。

例えば、ステップＳ１６において基板３０１，３０２間に最終的な接合界面を形成する前に、ステップＳ１４の仮接合工程（接触工程）において基板３０１，３０２の接合面に圧力を掛けすぎると、両基板３０１，３０２が接合して離間させることができなくなる場合や、離間させることはできたとしても、再度接触させて加圧した際に所望の接合ができなくなる場合がある。そこで、ステップＳ１４の仮接合工程で接合面に印加する圧力を低くすると、所望の接合を行うための表面特性を損なわずに、接触した基板３０１，３０２を離間させることができる。このように、仮接合の後に基板３０１，３０２を離間し得る最大の圧力を臨界圧力と定義してもよい。

あるいは、基板３０１，３０２の仮接合と離間とを複数回繰り返すと、離間させることはできるが、仮接合または仮接合の繰り返しにより、その後、ステップＳ１６の接合工程を行っても、所望の接合強度等の特性を得ることができなくなる場合がある。例えば、ステップＳ１４の仮接合工程において、接触界面の一部で新生表面同士が接触して、局部的にまたは微視的に強固な接合界面が形成されても、比較的小さい力で基板３０１，３０２を離間させることが可能な場合がある。しかし、基板３０１，３０２自体は離間させることができたとしても、離間により上述の強固に形成された接合界面が破壊する等して基板３０１，３０２の表面特性が悪化し、その結果、所望の接合特性が最終的に得られなくなる場合がある。この場合には、仮接合工程において接合面に掛かる圧力を小さくすることで、新生表面の露出や接触を十分に回避することも可能である。このように、仮接合工程において接合面に掛かる圧力が実質的に高いことが原因である場合には、当該圧力を低くすることにより、仮接合と離間とを複数回繰り返しても、最終的に所望の接合強度を得ることが可能になる。このように離間可能で、かつ、最終的に所望の接合強度が得られる仮接合工程における最大の圧力を臨界圧力と定義してもよい。

臨界圧力は、それよりも大きい圧力を基板３０１，３０２に掛けると所望の接合を行うことができなくなる圧力と定義されてもよい。

臨界圧力は、基板３０１，３０２の接合面を形成する材料、接合面上の表面層の存在の有無、表面層の特性、表面エネルギー等、種々の要因に応じて決定することができる。したがって、本願の接合方法は、図５のステップＳ１１よりも前に、基板３０１，３０２の接合面の臨界圧力を決定する工程（図示せず）を有していてもよい。

ステップＳ１４の仮接合工程において基板３０１，３０２に印加される圧力は、両基板３０１，３０２の接合面に定義される臨界圧力のうち小さい方の臨界圧力以下であることが好ましい。これにより、いずれの接合面に対しても、適切な圧力の印加を確実に行うことができる。一方の基板の接合面に臨界圧力が定義されていない場合には、臨界圧力が定義されている他方の基板の接合面の臨界圧力以下の圧力を、基板３０１，３０２に印加してもよい。

臨界圧力は、ステップＳ１４の仮接合工程およびステップＳ１５の離間工程が複数回行われる場合、仮接合工程毎に変化し得る。基板３０１，３０２の接合面の接触により、また、接触時の加圧条件や接合面の状況により、接合面における所定の表面層の存在または消滅、微細表面形状等の表面特性は変化し得る。したがって、一の仮接合工程は、次の仮接合工程の臨界圧力に影響を及ぼし得る。ステップＳ１４，Ｓ１５が複数回行われる場合、ステップＳ１４，Ｓ１５が１回行われる毎に、基板３０１，３０２の接合面の表面状態が検査され、検査結果に基づいて次のステップＳ１４またはステップＳ１６の臨界圧力が定義または計算されてもよい。

例えば、基板３０１，３０２の接合面が所定の表面層で覆われている場合、仮接合工程により、当該表面層が部分的に破壊されることで、表面特性が変化することがあり得る。表面特性の変化の一例として、親水化処理が行われた基板３０１，３０２の接合面において、仮接合時の接触により水酸基（ＯＨ基）の層が一部破壊され、金属の新生表面同士が接触して局部的に強固な接合界面を形成することが考えられる。

また他の例として、仮接合工程前の接合面上に酸化膜層が形成されている場合、仮接合工程により、当該酸化膜層が一部破壊され、同様に、新生表面同士が接触して局部的に強固な接合界面を形成することが考えられる。あるいは、仮接合工程前の接合面上に水酸基（ＯＨ基）が形成され、その上に水分子が存在する場合、仮接合工程により、水分子を追いやり水酸基同士で接触する、あるいは水酸基層を突き抜けて新生表面同士が接触して局部的に強固な接合界面を形成することも考えられる。

上記例では、接合強度を臨界圧力に影響を及ぼす特性としたが、これに限られない。例えば、接合強度以外の機械的特性でもよく、あるいは電気的又は化学的特性でもよい。

上述のように、ステップＳ１１〜Ｓ１６にて基板３０１，３０２の接合を行うことにより、基板３０１，３０２同士の接合強度を向上することができる。当該接合強度の向上は、上述のように、ステップＳ１２の親水化処理において基板３０１，３０２の接合面上に付着した水分子が、ステップＳ１４の仮接合工程において、基板３０１，３０２に加えられる圧力（すなわち、臨界圧力以下の圧力）等により水酸基（ＯＨ基）として当該接合面に新たに結合し、接合面の単位表面積当たりの水酸基（ＯＨ基）の数が増加することによるものと考えられる。増加した水酸基（ＯＨ基）は、ステップＳ１６の接合工程において、基板３０１，３０２に加えられる圧力（例えば、臨界圧力よりも大きい圧力）または熱、あるいは、その双方により、基板３０１，３０２の強固な接合に寄与する状態に変化すると考えられる。

また、ステップＳ１１〜Ｓ１６にて基板３０１，３０２の接合を行うことにより、基板３０１，３０２間のボイドを減少させることができる。具体的には、ステップＳ１４の仮接合工程等において生じたボイドが、ステップＳ１５の離間工程、および、ステップＳ１６における真空中の再接合工程により減少する。これにより、高い接合強度を有し、かつ、ボイドが少ない接合基板を提供することができる。

上述のように、ステップＳ１３の水分子の付着がステップＳ１２とステップＳ１４との間において、または、ステップＳ１２と並行して行われることにより、基板３０１，３０２の接合面上の水分子の量を増やすことができる。これにより、ステップＳ１４の仮接合工程において、接合面に結合すると考えられる水酸基（ＯＨ基）を増加させることができ、その結果、基板３０１，３０２同士の接合強度をさらに向上することができる。なお、基板３０１，３０２同士の接合強度を十分に確保することができる場合等、ステップＳ１３は省略されてもよい。

上述のステップＳ１４の仮接合工程は、大気中にて行われることが好ましい。これにより、真空中にてステップＳ１４の仮接合工程が行われる場合に比べて、ステップＳ１６の終了後における基板３０１，３０２同士の接合強度を、より向上することができる。

また、ステップＳ１５の離間工程は、比較的高い真空中にて行われることが好ましい。これにより、ステップＳ１６の終了後における基板３０１，３０２同士の接合強度を、さらに向上することができる。ステップＳ１５を大気中で行う場合に比べてさらに接合強度が向上する理由は、ステップＳ１５の基板３０１，３０２の離間から、ステップＳ１６の真空中における基板３０１，３０２の接合までの経過時間が短縮されることによるものと考えられる。

図１に示す基板接合装置１００にて上述の基板３０１，３０２の接合（ステップＳ１１〜Ｓ１６）が行われる場合、まず、真空チャンバ２００内において、表面活性化処理部６１０により、第１基板３０１の第１接合面、および、第２基板３０２の第２接合面が活性化される（ステップＳ１１）。具体的には、第１基板３０１の接合面にライン式粒子ビーム源６０１から粒子ビームが照射されることにより、第１基板３０１の接合面が活性化される。また、第２基板３０２の接合面にライン式粒子ビーム源６０１から粒子ビームが照射されることにより、第２基板３０２の接合面が活性化される。

続いて、親水化処理部６２０により、第１基板３０１の接合面および第２基板３０２の接合面に対して親水化処理が行われる（ステップＳ１２）。具体的には、ガス供給源６２１からキャリアガスと水（Ｈ_２Ｏ）との混合ガスが真空チャンバ２００に供給され、真空チャンバ２００内において、第１基板３０１の接合面および第２基板３０２の接合面に水酸基（ＯＨ基）が結合され、基板３０１，３０２の接合面が親水化される。

基板接合装置１００では、ステップＳ１２と並行して、基板温度調節部４２０による基板３０１，３０２の接合面の冷却が行われることにより、当該接合面の周りの雰囲気における相対湿度が増大する。その結果、接合面に対する水の供給量が増大し、水分子が基板３０１，３０２の接合面上（例えば、接合面の水酸基層上）に付着する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３における水分子の接合面への付着は、ステップＳ１２とステップＳ１４との間に行われてもよい。基板温度調節部４２０により基板３０１，３０２の接合面を冷却することにより、ステップＳ１３における接合面上への水分子の付着を容易に行うことができる。

次に、第１基板３０１の接合面と第２基板３０２の接合面とを接触させ、臨界圧力以下の圧力にて基板３０１，３０２同士が加圧されることにより、第１基板３０１と第２基板３０２とが仮接合される（ステップＳ１４）。基板３０１，３０２の仮接合の際には、位置測定部５００により基板３０１，３０２の相対位置が測定され、第１ステージ移動機構４０３や第２ステージ移動機構４０４のアライメントテーブル４０５等により、基板３０１，３０２の相対位置が調節される。これにより、基板３０１，３０２の相対位置のずれを２μｍ程度に抑えることができる。そして、Ｚ方向昇降移動機構４０６により第２基板３０２が下降し、第１基板３０１に接触する。基板３０１，３０２間に掛かる圧力はステージ圧力センサ４１１により測定され、測定結果に基づいてピエゾアクチュエータ４１２が制御されることにより、基板３０１，３０２同士が臨界圧力以下の圧力にて加圧される。

基板３０１，３０２の仮接合が終了すると、Ｚ方向昇降移動機構４０６により第２基板３０２が上昇し、第１基板３０１から離間する（ステップＳ１５）。上述のステップＳ１４の仮接合では、基板３０１，３０２同士が臨界圧力以下の圧力にて加圧されているため、ステップＳ１５における基板３０１，３０２の離間は、基板３０１，３０２にダメージを与えることなく容易に行うことができる。

その後、第１基板３０１の接合面と第２基板３０２の接合面とを再度接触させ、臨界圧力よりも大きい圧力にて基板３０１，３０２同士が加圧されることにより、第１基板３０１と第２基板３０２とが接合される（ステップＳ１６）。ステップＳ１６における基板３０１，３０２の接合の際にも、位置測定部５００により基板３０１，３０２の相対位置が測定され、アライメントテーブル４０５等により基板３０１，３０２の相対位置が再度調節される。このように相対位置の調節を繰り返すことにより、基板３０１，３０２の相対位置のずれを０．２μｍ程度に抑えることができる。そして、Ｚ方向昇降移動機構４０６により第２基板３０２が下降して第１基板３０１に接触し、基板３０１，３０２同士が臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧されることにより、基板３０１，３０２同士の最終的な接合が終了する。

上述のように、ステップＳ１６では、Ｚ方向昇降移動機構４０６により基板３０１，３０２同士が臨界圧力以下の圧力にて加圧された後、または、臨界圧力以下の圧力にて加圧するのと並行して、基板温度調節部４２０により加熱されることにより、基板３０１，３０２同士の最終的な接合が行われてもよい。あるいは、基板３０１，３０２同士を加圧することなく、基板温度調節部４２０により所定の温度にて加熱することにより、基板３０１，３０２同士の最終的な接合が行われてもよい。

基板接合装置１００では、上述のように、基板３０１，３０２同士の接合強度を向上することができるとともに、基板３０１，３０２間のボイドを減少させることができる。また、基板３０１，３０２同士の相対位置精度を向上しつつ基板３０１，３０２の接合を行うことができる。基板接合装置１００では、ステージ移動機構４０３，４０４は、基板３０１，３０２の仮接合、離間および接合を行う基板接合機構でもある。

基板３０１，３０２に対する表面活性化処理と親水化処理とは、異なる真空チャンバ内にて行われてもよい。図８は、基板接合装置の他の好ましい例を示す正面図である。図８では、基板接合装置の内部の概略構造を示す（図９においても同様）。図８に示す基板接合装置１００ａでは、真空チャンバ２００とは別に、真空ポンプにより排気可能な第２真空チャンバ２５０（例えば、ロードロックチャンバ）が設けられ、第２真空チャンバ２５０に親水化処理部６２０が設けられる。

基板接合装置１００ａでは、真空チャンバ２００（以下、「第１真空チャンバ２００」ともいう。）と第２真空チャンバ２５０とが、開閉可能な真空弁２３０を介して連結されている。基板接合装置１００ａでは、基板搬送機構２７０により、基板３０１，３０２が、第１真空チャンバ２００と第２真空チャンバ２５０との間を、大気に晒されることなく搬送される。第１真空チャンバ２００では、上記と同様に、基板３０１，３０２の接合面に対する表面活性化処理（ステップＳ１１）が行われる。第２真空チャンバ２５０では、基板３０１，３０２の接合面に対する親水化処理および水分子の付着（ステップＳ１２，Ｓ１３）が行われる。

基板接合装置１００ａでは、第１真空チャンバ２００と第２真空チャンバ２５０とにより、基板３０１，３０２に対する表面活性化処理および親水化処理が行われる真空チャンバシステムが構成される。これにより、基板３０１，３０２の親水化処理を行う空間と、基板３０１，３０２の表面活性化処理を行う空間とを分けることができる。また、基板３０１，３０２の親水化処理を行う空間と、基板３０１，３０２の接合を行う空間とを分けることもできる。

当該真空チャンバシステムでは、表面活性化処理が行われた基板３０１，３０２の接合面を大気に曝すことなく、当該接合面に対して親水化処理を行うことができる。また、第２真空チャンバ２５０内の水蒸気等が第１真空チャンバ２００へと流入することを抑制し、第１真空チャンバ２００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。さらに、一の基板の接合面に対する表面活性化処理と、他の基板の接合面に対する親水化処理とを、並行して行うことができる。このため、基板接合装置１００における基板の処理効率を向上することができる。

基板接合装置１００では、ステップＳ１４の仮接合工程は、例えば、真空チャンバ２００内が真空の状態にて行われてもよく、第１真空チャンバ２００内に大気が導入された状態（すなわち、大気中）にて行われてもよい。第１真空チャンバ２００内に大気が導入された状態にてステップＳ１４の仮接合工程が行われることにより、上述のように、真空中にて基板３０１，３０２の仮接合が行われる場合に比べて、ステップＳ１６の終了後における基板３０１，３０２同士の接合強度を、より向上することができる。

ステップＳ１３における水分子の接合面への付着は、基板３０１，３０２の冷却以外の方法により行われてもよい。例えば、基板接合装置１００においてステップＳ１２の親水化処理が行われた基板３０１，３０２が、基板接合装置１００から搬出され、基板接合装置１００の外部に設けられた水洗浄部により、基板３０１，３０２の接合面に対する水洗浄が行われることにより、ステップＳ１３における水分子の接合面への付着が行われてもよい。また、ステップＳ１２の親水化処理も、基板接合装置１００から搬出されて大気に暴露されることにより、あるいは、第２真空チャンバ２５０内に大気が導入されて大気に暴露されることにより行われてもよい。

図９は、基板接合装置の他の好ましい例を示す正面図である。図９に示す基板接合装置１００ｂでは、図８に示す基板接合装置１００ａの第１真空チャンバ２００からライン式粒子ビーム源および遮蔽部材が省略され、第２真空チャンバ２５０にＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）機構６１３が表面活性化処理部６１０として設けられる。ＲＩＥ機構６１３は、第２真空チャンバ２５０内にて基板を保持するステージ２５１に設けられた陰極６１４と、第２真空チャンバ２５０に反応ガスを供給する反応ガス供給部６１５とを備える。反応ガスとしては、例えば、アルゴン（Aｒ）、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）等が利用される。

ＲＩＥ機構６１３は、反応ガス供給部６１５から第２真空チャンバ２５０内に供給された反応ガスに電磁波等を付与することにより当該反応ガスをプラズマ化する。また、ＲＩＥ機構６１３は、基板を支持するステージ２５１に設けられた陰極６１４に高周波電圧を印加する。これにより、基板とプラズマとの間に自己バイアス電位を生じさせ、プラズマ中のイオンやラジカル種を基板に向けて加速して衝突させる。これにより、上述のステップＳ１１における基板の接合面に対する表面活性化処理が行われる。基板接合装置１００ｂでは、基板３０１，３０２が１枚ずつ第２真空チャンバ２５０に搬入され、基板３０１，３０２に対する表面活性化処理が順に行われる。

基板接合装置１００ｂでは、ＲＩＥ機構６１３による基板３０１，３０２の表面活性化処理が行われた後、図８に示す基板接合装置１００ａと同様に、第２真空チャンバ２５０においてステップＳ１２の親水化処理が行われる。また、基板接合装置１００ａと同様に、ステップＳ１３〜Ｓ１６が行われる。

基板接合装置１００ｂにおける表面活性化処理では、例えば、気圧が約３０Ｐａ（パスカル）とされた第２真空チャンバ２５０に、反応ガス供給部６１５から２０ｓｃｃｍにて反応ガスが供給され、１００ＷのＲＩＥプラズマ処理が約３０秒行われることにより、基板３０１，３０２の表面活性化処理が行われる。基板接合装置１００ｂでは、基板３０１，３０２の表面活性化処理がプラズマにより行われるため、当該表面活性化処理が行われる空間の真空度を比較的低くすることができる。したがって、基板接合装置１００ｂの構造を簡素化することができ、基板接合装置１００ｂの製造コストを低減することができる。一方、基板３０１，３０２の接合面が金属と絶縁物の混合材料により形成されており、ＲＩＥ機構６１３により接合面における不純物や材料同士の混合が懸念される場合等、上述の粒子ビーム照射による表面活性化処理が好ましい場合もある。

プラズマによる基板３０１，３０２の表面活性化処理は、基板３０１，３０２に対する親水化処理が行われる空間（例えば、第２真空チャンバ２５０）とは異なる空間にて行われてもよい。例えば、図１０に示すように、プラズマチャンバ６１７と、電極ステージ６１８とを備えるプラズマ処理部６１６が表面活性化処理部６１０として設けられてもよい。プラズマ処理部６１６では、例えば、基板３０１，３０２に対する表面活性化処理のみが行われる。プラズマチャンバ６１７および電極ステージ６１８は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）により形成される。電極ステージ６１８は高周波電源に接続され、プラズマチャンバ６１７は設置される。電極ステージ６１８とプラズマチャンバ６１７とは、ガラス等の絶縁体６１９により電気的に絶縁される。基板３０１，３０２（図１０では、基板３０１）は、プラズマチャンバ６１７内において電極ステージ６１８上に保持される。電極ステージ６１８に高周波電圧を印加することにより、上述のＲＩＥ機構６１３と同様に、基板３０１，３０２の接合面に対する表面活性化処理が行われる。プラズマ処理部６１６では、プラズマチャンバ６１７の上部に、プラズマチャンバ６１７の内部空間にプラズマを供給するラジカルダウンフロー機構が設けられてもよい。

図１１は、基板接合装置の他の好ましい例を示す平面図である。図１１に示す基板接合装置１００ｃは、基板処理部１０１と、水洗浄部１０２と、仮接合部１０３と、接合部１０４とを備える。基板処理部１０１は、例えば、上述の基板接合装置１００ａ（図８参照）と略同様の構造を有する。基板処理部１０１では、第１真空チャンバ２００において基板３０１，３０２の接合面に対する表面活性化処理が行われ、第２真空チャンバ２５０において基板３０１，３０２の接合面に対する親水化処理が行われる。

水洗浄部１０２は、表面活性化処理および親水化処理が行われた基板３０１，３０２の接合面に対する水洗浄を行うことにより、基板３０１，３０２の接合面への水分子の付着を行う。水洗浄部１０２による接合面の水洗浄は、例えば、超音波を付与された水流を、大気中において基板３０１，３０２に向けて噴射することにより行われる。基板３０１，３０２の接合面への水分子の付着は、基板処理部１０１において基板温度調節部４２０により基板３０１，３０２の接合面が冷却されることにより行われ、さらに、当該水洗浄部１０２による水洗浄により行われてもよい。

仮接合部１０３は、基板３０１，３０２の接合面を接触させ、基板３０１，３０２同士を臨界圧力以下の圧力にて加圧することにより、基板３０１，３０２を仮接合する。仮接合部１０３は、例えば、図１に示す基板接合装置１００の基板支持部４００および位置測定部５００と略同様の構成を備える。仮接合部１０３における基板３０１，３０２の仮接合が大気中にて行われる場合、仮接合部１０３には、真空チャンバ等の構成は設けられなくてよい。

接合部１０４は、例えば、図１に示す基板接合装置１００から表面処理部６００が省略された構造を有する。接合部１０４は、仮接合された基板３０１，３０２を真空中において離間させる。その後、真空中において基板３０１，３０２の接合面を再度接触させ、基板３０１，３０２同士を臨界圧力よりも大きい圧力にて加圧することにより、基板３０１，３０２を接合する。

基板接合装置１００ｃでは、水洗浄部１０２において基板３０１，３０２の接合面に対して水洗浄を行うことにより、接合面上への水分子の付着を容易に行うことができるとともに、接合面からパーティクル等を除去することもできる。また、仮接合部１０３において、基板３０１，３０２が大気中にて仮接合されることにより、上記と同様に、真空中にて基板３０１，３０２の仮接合が行われる場合に比べて、ステップＳ１６の終了後における基板３０１，３０２同士の接合強度を、さらに向上することができる。

以下の表１は、様々な条件下で基板同士を接合した場合の基板同士の接合強度および基板間のボイドの多少を示すものである。

表１中の１列目はケース名を示し、２列目はステップＳ１３の水分子の付着処理の有無および付着処理の方法を示す。３列目は、ステップＳ１４の基板の仮接合の有無を示し、４列目は、ステップＳ１５の基板の剥離の有無、および、基板の剥離が行われる場合の雰囲気（大気中または真空中）を示す。５列目は、基板同士の本接合が行われる空間の雰囲気（大気中または真空中）を示す。６列目は、本接合後の基板同士の接合強度を示し、７列目は、本接合後の基板間のボイドの多少を示す。７列目にて「少」と記載されているケースは、基板間のボイドが比較的少ない、または、ボイドが存在しないことを示す。

表１は、ＳｉＯ_２基板同士の接合結果を示すものである。ＳｉＯ_２は、熱酸化膜、ＣＶＤ、ガラス等を含む。表中には記載していないが、ケース１〜１０では、ステップＳ１３よりも前に、高速原子ビーム源（ＦＡＢ）を用いた粒子ビームの照射による表面活性化処理（ステップＳ１１）、および、上述の親水化処理（ステップＳ１２）が行われる。ケース１〜６は、本願発明との比較のための比較例の実験結果である。ケース７〜１０は、本願発明に係る実験結果である。なお、ステップＳ１１における表面活性化処理が高速原子ビーム源（ＦＡＢ）以外の上述の方法（例えば、イオンビーム源やプラズマ）により行われた場合も、表１と同様の結果が確認された。また、ＳｉＯ_２基板以外の基板（例えば、窒化膜を有する基板、化合物半導体、Ｌｔ（タンタル酸リチウム）基板）についても、表１と同様の結果が確認された。

ケース１〜３では、ステップＳ１４，Ｓ１５は行われず、ステップＳ１２またはステップＳ１３が行われた後の基板を真空チャンバ内にて対向配置させた後、真空引きを行い、真空中にて接合したケースである。ケース１〜３では、接合強度は０．２〜０．３Ｊ／ｍ^２と比較的低く、不十分な接合といえる。ケース４〜６では、ステップＳ１４，Ｓ１５は行われず、ステップＳ１２またはステップＳ１３が行われた後の基板が大気中にて接合される。ケース４〜６では、接合強度は２．０〜２．５Ｊ／ｍ^２と比較的高く十分な接合であるといえるが、基板間のボイドが多い。

ケース７では、ステップＳ１３は行われず、ステップＳ１２の親水化処理が行われた基板同士が大気中にて仮接合され（ステップＳ１４）、大気中にて剥離される（ステップＳ１５）。そして、剥離後の両基板が真空チャンバ内にて対向配置された後、真空引きが行われ、真空中にて本接合される（ステップＳ１６）。ケース８では、ステップＳ１３は行われず、ステップＳ１２の親水化処理が行われた基板同士が大気中にて仮接合される（ステップＳ１４）。そして、仮接合状態の両基板が真空チャンバ内に配置された後に真空引きが行われ、真空中にて基板同士が剥離され、真空中にて本接合される（ステップＳ１５，Ｓ１６）。ケース９は、ケース８のステップＳ１２とステップＳ１４との間に、冷却による水分子の付着処理（ステップＳ１３）が行われたものである。ケース１０は、ケース８のステップＳ１２とステップＳ１４との間に、水洗浄による水分子の付着処理（ステップＳ１３）が行われたものである。

ケース７〜１０では、接合強度は１．８〜２．５Ｊ／ｍ^２であり、ケース１〜３に比べて十分に高く、ケース４〜６と同等である。また、ケース７〜１０では、ケース４〜６と異なり、基板間のボイドは少ない（または、実質的に存在しない）。このように、本願発明では、基板同士の接合強度を向上するとともに基板間のボイドを減少させることができる。

上述の基板接合装置１００では、様々な変更が可能である。

例えば、表面活性化処理部６１０の粒子ビーム源６０１は、ライン式には限定されず、非ライン式の粒子ビーム源が利用されてもよい。

上述のステップＳ１４，Ｓ１６における基板３０１，３０２同士の加圧、および、ステップＳ１５における基板３０１，３０２の離間は、Ｚ方向昇降移動機構４０６以外の構成により行われてもよい。例えば、基板３０１，３０２に対して反対電荷を与えることにより、当該電荷による静電気の引力を利用して、電気的に基板３０１，３０２同士の加圧が行われてもよい。仮接合された基板３０１，３０２の離間は、基板３０１，３０２のエッジから面方向に、ブレードを機械的に挿入し、または、水や空気等の流体を吹き込むことにより行われてもよい。

既述のように、基板の材料としては様々なものが採用される。両接合面において接合される材質は、様々なものであってよい。例えば、シリコンに代表される半導体、銅、アルミニウム、金等の金属、酸化珪素、窒化珪素、樹脂等の絶縁物であってもよい。基板接合装置１００，１００ａ〜１００ｃでは、様々な材料間で接合を行うことができるため、基板同士の接合の際に、封止剤を用いることなく回路を封止することが実現される。さらには、面接合による基板の積層や大型の基板同士の面接合も実現される。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１００，１００ａ〜１００ｃ 基板接合装置
１０２ 水洗浄部
２００ 真空チャンバ
３０１，３０２ 基板
４０３，４０４ ステージ移動機構
４２０ 基板温度調節部
６１０，６１３，６１７ 表面活性化処理部
６１１ 遮蔽面
６２０ 親水化処理部
Ｓ１１〜Ｓ１６ ステップ

Claims (14)

1. 基板接合装置であって、
   真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内において、第１基板の第１接合面および第２基板の第２接合面を活性化させる表面活性化処理部と、
   前記表面活性化処理部による活性化後に、親水化処理がそれぞれ行われた前記第１接合面と前記第２接合面とを接触させ、前記第１基板および前記第２基板を互いに対して押圧することにより、前記第１基板と前記第２基板とを仮接合し、仮接合後の前記第１基板と前記第２基板とを離間させ、真空中において前記第１接合面と前記第２接合面とを接触させて前記第１基板と前記第２基板とを接合する基板接合機構と、
   を備えることを特徴とする基板接合装置。
2. 請求項１に記載の基板接合装置であって、
   前記第１基板と前記第２基板との仮接合が、大気中において行われることを特徴とする基板接合装置。
3. 請求項１または２に記載の基板接合装置であって、
   仮接合後の前記第１基板と前記第２基板との離間が、真空中において行われることを特徴とする基板接合装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の基板接合装置であって、
   前記親水化処理と並行して、または、前記親水化処理と前記基板接合機構による仮接合との間に、前記第１接合面および前記第２接合面に水分子を付着させることを特徴とする基板接合装置。
5. 請求項４に記載の基板接合装置であって、
   前記第１接合面および前記第２接合面を冷却することにより、前記第１接合面および前記第２接合面に水分子を付着させる基板冷却部をさらに備えることを特徴とする基板接合装置。
6. 請求項４または５に記載の基板接合装置であって、
   前記第１接合面および前記第２接合面への水分子の付着が、前記真空チャンバ内に水分子を含むガスを供給することにより行われることを特徴とする基板接合装置。
7. 請求項４ないし６のいずれかに記載の基板接合装置であって、
   前記第１接合面および前記第２接合面に対する水洗浄を行うことにより、前記第１接合面および前記第２接合面への水分子の付着を行う水洗浄部をさらに備えることを特徴とする基板接合装置。
8. 基板接合方法であって、
   ａ）真空中において第１基板の第１接合面および第２基板の第２接合面を活性化させる工程と、
   ｂ）前記ａ）工程よりも後に、前記第１接合面および前記第２接合面に対して親水化処理を行う工程と、
   ｃ）前記第１接合面と前記第２接合面とを接触させ、前記第１基板および前記第２基板を互いに対して押圧することにより、前記第１基板と前記第２基板とを仮接合する工程と、
   ｄ）前記ｃ）工程において仮接合された前記第１基板と前記第２基板とを離間させる工程と、
   ｅ）真空中において前記第１接合面と前記第２接合面とを接触させて前記第１基板と前記第２基板とを接合する工程と、
   を備えることを特徴とする基板接合方法。
9. 請求項８に記載の基板接合方法であって、
   前記ｃ）工程において、大気中にて前記第１接合面と前記第２接合面とが接触することを特徴とする基板接合方法。
10. 請求項８または９に記載の基板接合方法であって、
    前記ｄ）工程が真空中において行われることを特徴とする基板接合方法。
11. 請求項８ないし１０のいずれかに記載の基板接合方法であって、
    ｆ）前記ｂ）工程と並行して、または、前記ｂ）工程と前記ｃ）工程との間において、前記第１接合面および前記第２接合面に水分子を付着させる工程をさらに備えることを特徴とする基板接合方法。
12. 請求項１１に記載の基板接合方法であって、
    前記ｆ）工程が、前記第１接合面および前記第２接合面を冷却する工程を含むことを特徴とする基板接合方法。
13. 請求項１１または１２に記載の基板接合方法であって、
    前記ｆ）工程が、前記真空チャンバ内に水分子を含むガスを供給する工程を含むことを特徴とする基板接合方法。
14. 請求項１１ないし１３のいずれかに記載の基板接合方法であって、
    前記ｆ）工程が、前記第１接合面および前記第２接合面に対する水洗浄を行う工程を含むことを特徴とする基板接合方法。

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