JP4439675B2 - 光学素子基板の基板接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子基板の基板接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来基板同士の直接接合技術は、半導体基板上に絶縁層を介して半導体層が形成されてなるＳＯＩ基板形成の一工程として研究が盛んである。従来、半導体基板の貼り合わせ工程において、二枚の半導体基板の貼り合わせ界面に気泡が入るのを防止するため、第一の半導体基板または第一の半導体基板及び第二の半導体基板両方を中央が凸になるようテーパもしくは曲率を有した半導体基板支持台に真空吸引し、半導体基板の中央部から外周に向かって貼り合わせを進行させるという方法が一般的にとられている。
【０００３】
このような方法には特公平５−６０２５０号公報に開示された方法がある。これは鏡面研磨された半導体基板同士を清浄な条件下で直接接合するものであって、図１８に示す通り一方の基板を凸に反らせて中央部から接合する接合方法と、一方の基板を凸に反らせるための接合ジグに関する手段が開示されている。これによれば、真空吸引することでジグの形状に合わせて一方の半導体基板を凸形状に反らし、中央部から貼り合わせを開始することで、接合界面に気泡残留が発生しないようにする手法が採られている。
【０００４】
また、二枚の半導体基板を直接接合する方法には、図１９に示す特開平５−１５２５４９号公報に開示された方法がある。この方法は、二枚の半導体基板を接合する際に、接合面とは反対面のＯＦ（オリエンテーションフラット）近傍部分を真空ピンセットで吸着し、この真空ピンセットで吸着した半導体基板のＯＦ部の接合面側の縁とを軽く接触させ、その際、両半導体基板のＯＦ部とは反対側に位置する端部の接合面同士の間隔が１ｍｍ以下となるようにし、その後、真空ピンセットによる半導体基板の吸着状態を解除して当該半導体基板を接触させるようにする接合方法である。この方法によっても接合界面に気泡の残留なく接合することができる。
【０００５】
また、周辺部より接合する方法としては、図２０に示す特開平７−６９３７号公報に開示された方法がある。半導体基板の元々の反り状態や表面状態の分布等々により、周辺から接合を開始した際には貼り合わせ部の広がり速度の異なりが問題となる。貼り合わせ部の広がり速度の差から速い部分が遅い部分を巻き込み、貼り合わせ部に気泡が残留してしまう。このため、特開平７−６９３７号公報では周辺部から加圧する手段と、加圧開始位置とは反対側の二枚の半導体基板の間隔を加圧手段の動きに合わせて能動的に制御する手段とを有する接合装置が開示されている。この方法によれば周辺部からの接合を加圧して行い、かつ反対側の基板間の間隔を加圧手段の動きに合わせて制御するため、接合領域の広がりを能動的に制御することが可能となり接合工程の信頼性を上げることができる。
【０００６】
また、接合すべき基板の位置合わせをする方法としては、図２１に示す特開平５−２１８１８１号公報に開示された方法がある。この方法によれば二本のピンにオリエンテーションフラットが接触した基板は水平に対する二本のピンの傾きによって二本のピンに均等に接触しながら滑べって行こうとする。これを第三のピンによって止めて位置決めを行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、基板同士の接合では、基板表面を鏡面に研磨し、清浄にし、気泡さえも残留しない状態で両面を接触させることが重要である。無論、基板間にパーティクル等が侵入すると接合不良の原因となるため、極力、基板間にパーティクル等が侵入するのを避けなければならない。
一方、基板を直接接合する前には基板表面を洗浄するのが一般的である。洗浄工程から接合工程までの移行の工程でパーティクル等の侵入、表面への付着を避けるには、作業を行う雰囲気をパーティクルフリーの状態にしなければならないが、実際には限りなくパーティクル等の存在確率を小さくすることが現実的な対処になる。さらには高度なクリーンルームにあっても作業者がかかわると、作業者自身がパーティクル等の発生源となってしまう。したがって、高度なクリーンルーム以外に自動化を実施して、作業者が近付かない環境を実現するなど、雰囲気実現のためには多大な設備投資が必要となる。
しかしながら、従来技術として説明した特公平５−６０２５０号公報、特開平５−１５２５４９号公報等では接合界面に気泡を残留させないことが主たる課題であり、洗浄工程から接合に至る工程でのパーティクル等の接合界面への侵入、または接合面への付着の問題については何ら対処されていない。
また、従来技術として説明した特開平７−６９３７号公報に記載の基板間隙の制御手段、あるいは特開平５−２１８１８１号公報に記載の位置決め手段等においても、必ずしも満足のいくものでなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、低い設備コストによって歩留まりがきわめて良好な光学素子基板の基板接合方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、つぎの（１）〜（６）のように構成した光学素子基板の基板接合方法を提供するものである。
（１）互いに接合すべき基板の表面を洗浄工程で洗浄した後、該基板同士を接合工程で接合する光学素子基板の基板接合方法において、
前記洗浄工程から前記接合工程での接合開始までの間、前記接合すべき基板の表面をパーティクルの進入、付着を低減させる一定の間隔で対向させて保持するため、
前記接合すべき基板の表面を、前記パーティクルの進入、付着を低減させる一定の間隔で対向させて略平行に洗浄用ジグに保持して洗浄する工程と、
前記洗浄用ジグに保持した状態で接合用ジグに搭載する工程と、
を有することを特徴とする基板接合方法。
（２）前記洗浄する工程の後に、
前記洗浄用ジグに保持した状態で前記基板を乾燥する乾燥工程と、
前記乾燥工程を経た後、前記洗浄用ジグに保持した状態で接合用ジグに搭載する工程と、
を行うことを特徴とする上記（１）に記載の基板接合方法。
（３）前記接合用ジグに搭載する工程の後に、
前記洗浄用ジグで保持された基板周辺の間隔部に別部材を挿入した後、前記洗浄用ジグを除去して両基板を近接させる工程と、
前記両基板を近接させた後に、該基板の中央に力を加えて中心部より接合を行う工程と、
前記中心部より接合を行った後に、前記別部材を除去して前記基板の全面を接合する工程と、
を行うことを特徴とする上記（１）または上記（２）に記載の基板接合方法。
（４）前記接合用ジグに搭載する工程の後に、
前記洗浄用ジグで保持された基板周辺の間隔部に別部材を挿入した後、前記洗浄用ジグを除去して両基板を近接させる工程と、
前記両基板を近接させた後、基板の位置合わせを行う工程と、
前記基板の位置合わせを行った後、前記基板の中央に力を加えて中心部より接合を行う工程と、
前記基板の中央部が接合した後、前記別部材を除去して前記基板の全面を接合する工程と、
を行うことを特徴とする上記（１）または上記（２）に記載の基板接合方法。
（５）前記基板の位置合わせを行う工程が、二点の突き当てによって行われることを特徴とする上記（４）に記載の基板接合方法。
（６）前記別部材が、少なくとも２つ以上の板状部材であることを特徴とする上記（３）〜（５）のいずれかに記載の基板接合方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、上記構成を適用して、接合工程を洗浄工程まで含めて最適化することで、高度な作業雰囲気を必要としない接合方法及びジグを達成することができ、パーティクル等の接合界面への侵入を、作業雰囲気の改善によって達成しようとしたため、環境整備のコストが問題となっていた従来の課題を解決することが可能となる。すなわち、洗浄工程から接合開始までの間、接合すべき基板表面を一定の間隔で対向させて保持することで、パーティクル等の侵入の確率、洗浄後の接合面への付着の確率を低減することが可能となる。
また、上記構成を適用して、洗浄ジグと接合ジグの両方を最適に設計し、両者が干渉すること無く連係して作業ができ、さらに接合基板同士の効率的な位置合わせの可能な構造を実現することができる。
【００１１】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらによって何ら制限されるものではない。
［実施例１］
図１から図７に本発明の実施例１に係る構成を示す。図１は洗浄ジグで基板を保持した状態を示した図であり、図２は図１を横から見たものである。
図１において、１はガラス基板Ａ、２はガラス基板Ｂ、３は洗浄ジグＡ、４は洗浄ジグＢである。
また、図３において６は接合ジグで、接合ジグを構成するパーツは７が基板搭載斜面、８が基板位置決めピン、９はブレード、１０は接合開始アーム、１１は加圧点である。
また、図６において１２はガイドピン、１３はスプリング、１４はスプリングストッパーである。
また、図７において１５はスピン乾燥機のチャックである。
【００１２】
洗浄ジグは、上記３の洗浄ジグＡと上記４の洗浄ジグＢの２部材からなり、上記３の洗浄ジグＡの二股部に形成された腕部と上記４の洗浄ジグＢに形成された腕部の３点でガラス基板を保持する構造になっており、３点の腕部にはそれぞれ突起があり基板が動くのを防止している。また両基板間の突起によって基板同士が接触することも防いでいる。上記３の洗浄ジグＡと上記４の洗浄ジグＢは可動式になっており、固定機構（不図示）によって基板を保持した後に固定できる。
【００１３】
次に基板の洗浄について説明する。洗浄ジグは、洗浄工程中も基板を近接して一定間隔で対向した状態を維持する。超音波洗浄や洗浄ジグを揺動させることで基板表面に沿って洗浄液が流れるような層流を起こすと、より洗浄が効果的である。
【００１４】
洗浄工程の最後は純水による流水洗浄を行った。洗浄が終了した基板はスピン乾燥機で乾燥される。このとき、スピン乾燥機のチャックは図７に示すように洗浄ジグの三方向の腕部がはめ込める形状をしている。基板は洗浄ジグごとスピン乾燥機のチャックにセットされ、チャックの回転で水分を除去する。
【００１５】
接合ジグは図３に示した通り、基板を搭載する面は斜めになっている。
基板が搭載される面は基板搭載斜面７で鏡面研磨されている。斜面上に搭載された基板を固定するために基板位置決めピン８がある。スピン乾燥が終了した基板は洗浄ジグで保持されたまま、接合ジグに搭載される。
【００１６】
ここで、搭載した状態を示したのが、図４である。図４では不図示であるが、洗浄ジグで基板を保持した状態のまま図３に示したように基板搭載斜面７の両側に位置するブレード９を両基板間に挿入する。ブレード９は図６に示すようにピン１２回りに回転可能となっており、しかもスプリング１３によって基板に密着する構造となっている。またブレード９はその形状から下側基板に突き当てられて止まる構造になっている。
【００１７】
ブレード９を挿入した後に、初めて洗浄ジグが外される。基板は下側基板が基板搭載斜面７で支持され、上側の基板は下側基板との間に挿入されたブレードによって支持されている。さらに基板搭載斜面７は傾いているために重力によって基板は滑べろうとする。基板は基板搭載斜面７の下方に配置された基板位置決めピン８によっても支持される。また重力によって基板が滑べろうとする力を用いて基板位置決めピン８に突き当てて基板の位置決めを行う。この様子を基板表面の垂直方向から観察したものが図５になる。
【００１８】
接合すべきガラス基板はそれぞれ公差内で加工されている。基板位置決めピン８に突き当てられた基板は無視できる誤差内で中心が一致して支持される。
続けて接合開始アーム１０を降ろして加圧点１１により基板中心部を加圧すると、基板中央部より接合が開始される。３か所ブレード９が差し込まれた部分をのぞいて接合が完了する。この状態からブレード９を除去すると、接合領域が全面に広がり接合が完了する。
【００１９】
我々の実験では直径２００ｍｍ、厚さ０．９５ｍｍｔの基板に２５０μｍのブレードを使い、良好に接合することができた。基板が厚い場合には、同じ加圧力でも発生するたわみ量が減少する。この場合にはブレードはより薄いことが望ましい。直径が２００ｍｍで厚みが１ｍｍｔ程度の基板では、自重による変形は１０μｍ程度と予想される。したがって、ブレード厚が自重変形量よりも大きければ意志に反して接合すること無く基板を近接させることができる。
【００２０】
本実施例では接合すべき基板を対向・近接した状態で洗浄できる洗浄ジグ、さらに前記ジグで保持したまま搭載できる接合ジグを用いることで、歩留まり良くガラス基板を接合することができた。また二本のピンを用いた突き当て位置合わせ法を用いることで簡便ながら良好な位置合わせ精度を達成することができた。また突き当て法のように簡素な構造の位置合わせ方法を採用したことで、洗浄から一貫して基板を対向した状態で保持するジグを、基板保持状態のまま接合ジグに搭載することが容易となった。
【００２１】
［実施例２］
図８及び図９に実施例２に係る構成を示す。図８において１６は方形基板用洗浄ジグＡ、１７は方形基板用洗浄ジグＢ、１８は方形基板である。
接合する基板はともに方形である。洗浄ジグは確実に基板を保持できるよう４点で接触することにした。またブレード９は４か所に設置した。実施例１と同様に基板設置斜面に搭載された状態を示した図が図９である。基板位置決めピン８に接触することで両方形基板の位置決めが行われる。接合前後の工程は実施例１と同じである。
【００２２】
［実施例３］
図１０に実施例３に係る構成を示す。図１０はＡＢＣそれぞれが各方向から洗浄ジグを見た図で、特にＣは説明のため、洗浄ジグのみ断面を示している。図中１９が洗浄ジグＣ、２０、２１が第一、第二の基板、２２、２３が基板チャック、３３は開口である。
【００２３】
実施例３の洗浄ジグはジグのフレームとなる部分を基板外周部に形成したものである。蝶番が構成されているので基板を保持、開放する際はジグが二手に分かれる。また側面には洗浄時に薬液が接合する表面に十分回り込むよう開口３３が形成されている。洗浄工程で薬液に基板を投入した際に気泡等が残留して薬液の回り込みが不十分と思われるときは図１７に示した形状のジグを用いても良い。
【００２４】
実施例３の洗浄ジグの特徴は接合する面とは反対側の表面が大きく露出している点である。これにより図１１にしめすような接合方法が実施できる。図１１は基板チャック２２、２３が上下面から配置されており、基板チャック２２は平面、基板チャック２３が中央部を凸に変形させるように凸形状をした基板チャックである。図では誇張するため、曲率半径が実際のそれと比較してかなり小さいが、実際には直径２００ｍｍの基板でも凸形状の突出量は基板周辺部を基準として中心部で数十μｍである。両チャックにより両面から支持された後、洗浄ジグは除去される。その後両基板を接近させると、基板チャック２３によって中央部が凸形状に下側基板が反っているため、中央部から接合が実施される（図１２）。中央部が接合した後、基板チャック２３の吸引を徐々に開放すれば、接合領域が全面に広がり接合工程が完了する。
【００２５】
［実施例４］
図１３及び１４に実施例４に係る構成示す。図１３中の２４は真空ピンセットの吸着部位であり、図１４中の２５は真空ピンセット、２６、２７は真空ピンセットを支持するアーム類である。２８はアーム類を支持するとともに動きを制御するガイドの役目も果たしている構造である。
実施例１と同様な洗浄ジグを用いて基板を洗浄する。その後、接合ジグに基板を搭載した状態が図１４である。ここで、洗浄ジグは実施例１と比較して９０度回転しているが、これは洗浄ジグの搭載方向がいづれでも構わないことを示している。ここで図１３中２４で示した領域は図１４にある真空ピンセットの吸着部位を示している。基板を接合ジグ上に搭載し、真空ピンセット２５で吸着した後、洗浄ジグは取り外される。ここで真空ピンセット２５を支持しているアーム２６を起こすと上側の基板は下側の基板に対してわずかに傾く。
【００２６】
図では分かりやすいように誇張している。ここでの傾きはアーム２６を支えるアーム２７にストッパー構造があり、一意に決まる角度である。アーム２７は支持部２８に導かれて下方に動くことができる。アーム２７が下方に動くとそれに連れてアーム２６、および基板が動き、真空ピンセットで吸着した所に近い周辺部から接合が開始される。接合が開始した後に真空ピンセットの負圧を徐々に開放すれば自重によって接合領域は全面に広がり、接合工程が完了する。
【００２７】
［実施例５］
図１５及び図１６に実施例５に係る構成を示す。図１５及び図１中２９は基板の位置決めを行う構造で、３０は弾性体、３１は第一の基板を支持する接合ジグ上の支持ピンである。実施例１と同様な洗浄ジグによって基板は洗浄工程／乾燥工程を完了する。その後、接合ジグ上に搭載されるが、本実施例の接合ジグの基板設置面は水平になっている。そして外周部均等分配された位置にブレードと基板位置出しの構造２９がある。なお、ここでは基板設置面上に設けた３本の支持ピンによって第一の基板を支持するように構成したが、これを板設置面上に設けた同心円状の円環状突起を介して前記一方の基板を支持するように構成してもよい。
【００２８】
基板位置出しの構造２９は図１６に示したもので、空気圧を導入する機構がある。導入された気体圧力は弾性体３０を膨らませる。弾性体が膨らむ先には支持ピン３１に支持された第一の基板とブレードによって間隔を保たれた第二の基板がある。基板位置だしの構造２９は三か所で気体の圧力が等しくなるように圧力の供給源は共通化している。これにより、三方から弾性体によって押えられた二枚の基板はもともとの直径の加工精度で決まる誤差内で中心が一致する。
【００２９】
［実施例６］
本出願の洗浄及び接合行程を用いて、光学素子を接合したところ良好な接合を実現した。
光学素子は回折光学素子で、１ｍｍｔ未満の厚さの透明基板に半導体リソグラフィーを用いて作製したものである。前記回折光学素子は１ｍｍｔの厚みでありながら直径２００ｍｍ強のサイズであるために自重変形や保持時の変形が発生していた。このような変形は光学系の性能低下につながるため問題であった。
しかしながら、本出願の洗浄工程、接合行程を実施すること、厚さ１５ｍｍｔの透明基板と接合することで強度を増すことができた。したがって、前記変形等の問題が発生しなくなった。
さらに本実施例の回折光学素子を半導体露光装置の光学系に搭載したところ、良好な光学特性を発揮することが出来た。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、低い設備コストによって歩留まりがきわめて良好な光学素子基板の基板接合方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１を説明するための図である。
【図２】 本発明の実施例１を説明するための図である。
【図３】 本発明の実施例１を説明するための図である。
【図４】 本発明の実施例１の作業工程を説明するための図である。
【図５】 本発明の実施例１の作業工程を説明するための図である。
【図６】 本発明の実施例１の作業工程を説明するための図である。
【図７】 本発明の実施例１の作業工程を説明するための図である。
【図８】 本発明の実施例２の構成を説明するための図である。
【図９】 本発明の実施例２の構成を説明するための図である。
【図１０】 本発明の実施例３の構成を説明するための図である。
【図１１】 本発明の実施例３の作業工程を説明するための図である。
【図１２】 本発明の実施例３の作業工程を説明するための図である。
【図１３】 本発明の実施例４の構成を説明するための図である。
【図１４】 本発明の実施例４の構成を説明するための図である。
【図１５】 本発明の実施例５の構成を説明するための図である。
【図１６】 本発明の実施例５の構成を説明するための図である。
【図１７】 本発明の実施例３の構成を説明するための図である。
【図１８】 従来例における基板の接合方法を説明するための図である。
【図１９】 従来例における基板の接合方法を説明するための図である。
【図２０】 従来例における基板の接合方法を説明するための図である。
【図２１】 従来例における基板の位置合わせ方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１：基板Ａ
２：基板Ｂ
３：洗浄ジグＡ
４：洗浄ジグＢ
６：接合ジグ
７：基板搭載斜面
８：基板位置決めピン
９：ブレード
１０：接合開始アーム
１１：加圧点
１２：ガイドピン
１３：スプリング
１４：スプリングストッパー
１５：スピン乾燥機のチャック
１６：方形基板用洗浄ジグＡ
１７：方形基板用洗浄ジグＢ
１８：方形基板
１９：洗浄ジグＣ
２０：第１基板
２１：第２基板
２２，２３：基板チャック
２４：真空ピンセット吸着部位
２５：真空ピンセット
２６，２７：真空ピンセットを支持するアーム類
２８：支持部
２９：基板の位置決め
３０：弾性体
３１：支持ピン
３２：洗浄ジグ
３３：開口

Claims (6)

1. 互いに接合すべき基板の表面を洗浄工程で洗浄した後、該基板同士を接合工程で接合する光学素子基板の基板接合方法において、
   前記洗浄工程から前記接合工程での接合開始までの間、前記接合すべき基板の表面をパーティクルの進入、付着を低減させる一定の間隔で対向させて保持するため、
   前記接合すべき基板の表面を、前記パーティクルの進入、付着を低減させる一定の間隔で対向させて略平行に洗浄用ジグに保持して洗浄する工程と、
   前記洗浄用ジグに保持した状態で接合用ジグに搭載する工程と、
   を有することを特徴とする基板接合方法。
2. 前記洗浄する工程の後に、
   前記洗浄用ジグに保持した状態で前記基板を乾燥する乾燥工程と、
   前記乾燥工程を経た後、前記洗浄用ジグに保持した状態で接合用ジグに搭載する工程と、
   を行うことを特徴とする請求項１に記載の基板接合方法。
3. 前記接合用ジグに搭載する工程の後に、
   前記洗浄用ジグで保持された基板周辺の間隔部に別部材を挿入した後、前記洗浄用ジグを除去して両基板を近接させる工程と、
   前記両基板を近接させた後に、該基板の中央に力を加えて中心部より接合を行う工程と、
   前記中心部より接合を行った後に、前記別部材を除去して前記基板の全面を接合する工程と、
   を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板接合方法。
4. 前記接合用ジグに搭載する工程の後に、
   前記洗浄用ジグで保持された基板周辺の間隔部に別部材を挿入した後、前記洗浄用ジグを除去して両基板を近接させる工程と、
   前記両基板を近接させた後、基板の位置合わせを行う工程と、
   前記基板の位置合わせを行った後、前記基板の中央に力を加えて中心部より接合を行う工程と、
   前記基板の中央部が接合した後、前記別部材を除去して前記基板の全面を接合する工程と、
   を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板接合方法。
5. 前記基板の位置合わせを行う工程が、二点の突き当てによって行われることを特徴とする請求項４に記載の基板接合方法。
6. 前記別部材が、少なくとも２つ以上の板状部材であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の基板接合方法。

Images