JP6813816B2 - 接合システムおよび接合方法 - Google Patents

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Description

本開示は、接合システムおよび接合方法に関する。
従来、半導体ウェハなどの基板同士を接合する手法として、基板の接合される表面を改質し、改質された基板の表面を親水化し、親水化された基板同士をファンデルワールス力および水素結合（分子間力）によって接合する手法が知られている（特許文献１参照）。
特開２０１７−００５０５８号公報
本開示は、接合された基板に発生するエッジボイドを低減することができる技術を提供する。
本開示の一態様による接合システムは、表面改質装置と、表面親水化装置と、接合装置とを備える。表面改質装置は、第１基板の接合面および第２基板の接合面をプラズマによって改質する。表面親水化装置は、前記表面改質装置によって改質された前記第１基板の接合面および前記第２基板の接合面を親水化する。接合装置は、向かい合う前記第１基板の接合面の周縁部と前記第２基板の接合面の周縁部との間に結露を抑制する結露抑制ガスを吐出する結露抑制ガス吐出部を有し、前記表面親水化装置によって親水化された前記第１基板の接合面および前記第２基板の接合面を分子間力によって接合する。
本開示によれば、接合された基板に発生するエッジボイドを低減することができる。
図１は、実施形態に係る接合システムの構成を示す模式平面図である。 図２は、実施形態に係る接合システムの構成を示す模式側面図である。 図３は、実施形態に係る上ウェハおよび下ウェハの模式側面図である。 図４は、実施形態に係る表面改質装置の構成を示す模式断面図である。 図５は、実施形態に係る接合装置の構成を示す模式平面図である。 図６は、実施形態に係る接合装置の構成を示す模式側面図である。 図７は、実施形態に係る接合装置の上チャックおよび下チャックの構成を示す模式側面図である。 図８は、実施形態に係る接合システムが実行する処理の処理手順の一部を示すフローチャートである。 図９は、実施例１、実施例２および参考例の重合ウェハのエッジボイドの面積の測定結果を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本願の開示する接合システムおよび接合方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
従来、半導体ウェハなどの基板同士を接合する手法として、基板の接合される表面を改質し、改質された基板の表面を親水化し、親水化された基板同士をファンデルワールス力および水素結合（分子間力）によって接合する手法が知られている。
一方で、親水化された基板同士を接合する際に、接合された基板の周縁部にボイド（以下、エッジボイドと呼称する。）が発生する場合がある。かかるエッジボイドが発生すると、発生した部分を製品として使用することができなくなることから、歩留まりが低下する恐れがある。
そこで、接合された基板に発生するエッジボイドを低減することが期待されている。
＜接合システムの構成＞
まず、実施形態に係る接合システム１の構成について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係る接合システム１の構成を示す模式平面図であり、図２は、同模式側面図である。また、図３は、実施形態に係る上ウェハおよび下ウェハの模式側面図である。なお、以下参照する各図面では、説明を分かりやすくするために、鉛直上向きをＺ軸の正方向とする直交座標系を示す場合がある。
図１に示す接合システム１は、第１基板Ｗ１と第２基板Ｗ２とを接合することによって重合ウェハＴを形成する。
第１基板Ｗ１は、たとえばシリコンウェハや化合物半導体ウェハなどの半導体基板に複数の電子回路が形成された基板である。また、第２基板Ｗ２は、たとえば電子回路が形成されていないベアウェハである。第１基板Ｗ１と第２基板Ｗ２とは、略同径を有する。なお、第２基板Ｗ２に電子回路が形成されていてもよい。
以下では、第１基板Ｗ１を「上ウェハＷ１」と記載し、第２基板Ｗ２を「下ウェハＷ２」と記載する。すなわち、上ウェハＷ１は第１基板の一例であり、下ウェハＷ２は第２基板の一例である。また、上ウェハＷ１と下ウェハＷ２とを総称する場合、「ウェハＷ」と記載する場合がある。
また、以下では、図３に示すように、上ウェハＷ１の板面のうち、下ウェハＷ２と接合される側の板面を「接合面Ｗ１ｊ」と記載し、接合面Ｗ１ｊとは反対側の板面を「非接合面Ｗ１ｎ」と記載する。また、下ウェハＷ２の板面のうち、上ウェハＷ１と接合される側の板面を「接合面Ｗ２ｊ」と記載し、接合面Ｗ２ｊとは反対側の板面を「非接合面Ｗ２ｎ」と記載する。
図１に示すように、接合システム１は、搬入出ステーション２と、処理ステーション３とを備える。搬入出ステーション２および処理ステーション３は、Ｘ軸正方向に沿って、搬入出ステーション２および処理ステーション３の順番で並べて配置される。また、搬入出ステーション２および処理ステーション３は、一体的に接続される。
搬入出ステーション２は、載置台１０と、搬送領域２０とを備える。載置台１０は、複数の載置板１１を備える。各載置板１１には、複数枚（たとえば、２５枚）の基板を水平状態で収容するカセットＣ１、Ｃ２、Ｃ３がそれぞれ載置される。たとえば、カセットＣ１は上ウェハＷ１を収容するカセットであり、カセットＣ２は下ウェハＷ２を収容するカセットであり、カセットＣ３は重合ウェハＴを収容するカセットである。
搬送領域２０は、載置台１０のＸ軸正方向側に隣接して配置される。かかる搬送領域２０には、Ｙ軸方向に延在する搬送路２１と、この搬送路２１に沿って移動可能な搬送装置２２とが設けられる。
搬送装置２２は、Ｙ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向にも移動可能かつＺ軸周りに旋回可能である。そして、搬送装置２２は、載置板１１に載置されたカセットＣ１〜Ｃ３と、後述する処理ステーション３の第３処理ブロックＧ３との間で、上ウェハＷ１、下ウェハＷ２および重合ウェハＴの搬送を行う。
なお、載置板１１に載置されるカセットＣ１〜Ｃ３の個数は、図示のものに限定されない。また、載置板１１には、カセットＣ１、Ｃ２、Ｃ３以外に、不具合が生じた基板を回収するためのカセットなどが載置されてもよい。
処理ステーション３には、各種装置を備えた複数の処理ブロック、たとえば３つの処理ブロックＧ１、Ｇ２、Ｇ３が設けられる。たとえば、処理ステーション３の正面側（図１のＹ軸負方向側）には、第１処理ブロックＧ１が設けられ、処理ステーション３の背面側（図１のＹ軸正方向側）には、第２処理ブロックＧ２が設けられる。また、処理ステーション３の搬入出ステーション２側（図１のＸ軸負方向側）には、第３処理ブロックＧ３が設けられる。
第１処理ブロックＧ１には、上ウェハＷ１および下ウェハＷ２の接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊを処理ガスのプラズマによって改質する表面改質装置３０が配置される。表面改質装置３０は、上ウェハＷ１および下ウェハＷ２の接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊにおけるＳｉＯ２の結合を切断して単結合のＳｉＯとすることで、その後親水化されやすくするように当該接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊを改質する。
なお、表面改質装置３０では、たとえば、減圧雰囲気下において所定の処理ガスが励起されてプラズマ化され、イオン化される。そして、かかる処理ガスに含まれる元素のイオンが、上ウェハＷ１および下ウェハＷ２の接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊに照射されることにより、接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊがプラズマ処理されて改質される。かかる表面改質装置３０の詳細については後述する。
第２処理ブロックＧ２には、表面親水化装置４０と、接合装置４１とが配置される。表面親水化装置４０は、たとえば純水によって上ウェハＷ１および下ウェハＷ２の接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊを親水化するとともに、接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊを洗浄する。
表面親水化装置４０では、たとえばスピンチャックに保持された上ウェハＷ１または下ウェハＷ２を回転させながら、当該上ウェハＷ１または下ウェハＷ２上に純水を供給する。これにより、上ウェハＷ１または下ウェハＷ２上に供給された純水が上ウェハＷ１または下ウェハＷ２の接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊ上を拡散し、接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊが親水化される。
接合装置４１は、上ウェハＷ１および下ウェハＷ２を接合する。かかる接合装置４１の詳細については後述する。
第３処理ブロックＧ３には、図２に示すように、上ウェハＷ１、下ウェハＷ２および重合ウェハＴのトランジション（ＴＲＳ）装置５０、５１が下から順に２段に設けられる。
また、図１に示すように、第１処理ブロックＧ１、第２処理ブロックＧ２および第３処理ブロックＧ３に囲まれた領域には、搬送領域６０が形成される。搬送領域６０には、搬送装置６１が配置される。搬送装置６１は、たとえば鉛直方向、水平方向および鉛直軸周りに移動自在な搬送アームを有する。
かかる搬送装置６１は、搬送領域６０内を移動し、搬送領域６０に隣接する第１処理ブロックＧ１、第２処理ブロックＧ２および第３処理ブロックＧ３内の所定の装置に上ウェハＷ１、下ウェハＷ２および重合ウェハＴを搬送する。
また、接合システム１は、制御装置３００を備える。制御装置３００は、接合システム１の動作を制御する。かかる制御装置３００は、たとえばコンピュータであり、図示しない制御部および記憶部を備える。記憶部には、接合処理などの各種処理を制御するプログラムが格納される。制御部は記憶部に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって接合システム１の動作を制御する。
なお、かかるプログラムは、コンピュータによって読み取り可能な記録媒体に記録されていたものであって、その記録媒体から制御装置３００の記憶部にインストールされたものであってもよい。コンピュータによって読み取り可能な記録媒体としては、たとえばハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルディスク（ＭＯ）、メモリカードなどがある。
＜表面改質装置の構成＞
次に、表面改質装置３０の構成について、図４を参照しながら説明する。図４は、表面改質装置３０の構成を示す模式断面図である。
図４に示すように、表面改質装置３０は、内部を密閉可能な処理容器７０を有する。処理容器７０の搬送領域６０（図１参照）側の側面には、上ウェハＷ１または下ウェハＷ２の搬入出口７１が形成され、当該搬入出口７１にはゲートバルブ７２が設けられる。
処理容器７０の内部には、ステージ８０が配置される。ステージ８０は、たとえば下部電極であり、たとえばアルミニウムなどの導電性材料で構成される。ステージ８０の下方には、たとえばモータなどを備えた複数の駆動部８１が設けられる。複数の駆動部８１は、ステージ８０を昇降させる。
ステージ８０と処理容器７０の内壁との間には、複数のバッフル孔が設けられた排気リング１０３が配置される。排気リング１０３により、処理容器７０内の雰囲気が処理容器７０内から均一に排気される。
ステージ８０の下面には、導体で形成された給電棒１０４が接続される。給電棒１０４には、たとえばブロッキングコンデンサなどからなる整合器１０５を介して、第１の高周波電源１０６が接続される。プラズマ処理時には、第１の高周波電源１０６から所定の高周波電圧がステージ８０に印加される。
処理容器７０の内部には、上部電極１１０が配置される。ステージ８０の上面と上部電極１１０の下面とは、互いに平行に、所定の間隔をあけて対向して配置されている。ステージ８０の上面と上部電極１１０の下面との間隔は、駆動部８１により調整される。
上部電極１１０は接地され、グランド電位に接続されている。このように上部電極１１０が接地されているため、プラズマ処理中、上部電極１１０の下面の損傷を抑制することができる。
このように、第１の高周波電源１０６から下部電極であるステージ８０に、高周波電圧が印加されることにより、処理容器７０の内部にプラズマが発生する。
実施形態において、ステージ８０、給電棒１０４、整合器１０５、第１の高周波電源１０６、上部電極１１０、および整合器は、処理容器７０内に処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構の一例である。なお、第１の高周波電源１０６は、上述の制御装置３００によって制御される。
上部電極１１０の内部には中空部１２０が形成されている。中空部１２０には、ガス供給管１２１が接続されている。ガス供給管１２１は、内部に処理ガスや除電用ガスを貯留するガス供給源１２２に連通している。また、ガス供給管１２１には、処理ガスや除電用ガスの流れを制御するバルブや流量調節部などを含む供給機器群１２３が設けられている。
そして、ガス供給源１２２から供給された処理ガスや除電用ガスは、供給機器群１２３で流量制御され、ガス供給管１２１を介して、上部電極１１０の中空部１２０に導入される。処理ガスには、たとえば酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガスなどが用いられる。また、除電用ガスには、たとえば窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスが用いられる。
中空部１２０の内部には、処理ガスや除電用ガスの均一拡散を促進するためのバッフル板１２４が設けられている。バッフル板１２４には、多数の小孔が設けられている。上部電極１１０の下面には、中空部１２０から処理容器７０の内部に処理ガスや除電用ガスを噴出させる多数のガス噴出口１２５が形成されている。
処理容器７０には、吸気口１３０が形成される。吸気口１３０には、処理容器７０の内部の雰囲気を所定の真空度まで減圧する真空ポンプ１３１に連通する吸気管１３２が接続される。
ステージ８０の上面、すなわち上部電極１１０との対向面は、上ウェハＷ１および下ウェハＷ２よりも大きい径を有する平面視円形の水平面である。かかるステージ８０の上面にはステージカバー９０が載置され、上ウェハＷ１または下ウェハＷ２は、かかるステージカバー９０の載置部９１上に載置される。
＜接合装置の構成＞
次に、接合装置４１の構成について、図５および図６を参照しながら説明する。図５は、実施形態に係る接合装置４１の構成を示す模式平面図であり、図６は、実施形態に係る接合装置４１の構成を示す模式側面図である。
図５に示すように、接合装置４１は、内部を密閉可能な処理容器１９０を有する。処理容器１９０における搬送領域６０側の側面には、上ウェハＷ１、下ウェハＷ２および重合ウェハＴの搬入出口１９１が形成され、当該搬入出口１９１には開閉シャッタ１９２が設けられる。
処理容器１９０の内部は、内壁１９３によって搬送領域Ｔ１と処理領域Ｔ２に区画される。上述した搬入出口１９１は、搬送領域Ｔ１における処理容器１９０の側面に形成される。また、内壁１９３にも、上ウェハＷ１、下ウェハＷ２および重合ウェハＴの搬入出口１９４が形成される。
搬送領域Ｔ１のＹ軸負方向側には、上ウェハＷ１、下ウェハＷ２および重合ウェハＴを一時的に載置するためのトランジション２００が設けられる。トランジション２００は、たとえば２段に形成され、上ウェハＷ１、下ウェハＷ２および重合ウェハＴのいずれか２つを同時に載置することができる。
搬送領域Ｔ１には、搬送機構２０１が設けられる。搬送機構２０１は、たとえば鉛直方向、水平方向および鉛直軸周りに移動自在な搬送アームを有する。そして、搬送機構２０１は、搬送領域Ｔ１内、または搬送領域Ｔ１と処理領域Ｔ２との間で上ウェハＷ１、下ウェハＷ２および重合ウェハＴを搬送する。
搬送領域Ｔ１のＹ軸正方向側には、上ウェハＷ１および下ウェハＷ２の水平方向の向きを調節する位置調節機構２１０が設けられる。かかる位置調節機構２１０では、図示しない保持部に吸着保持された上ウェハＷ１および下ウェハＷ２を回転させながら図示しない検出部で上ウェハＷ１および下ウェハＷ２のノッチ部の位置を検出する。
これにより、位置調節機構２１０は、当該ノッチ部の位置を調節して上ウェハＷ１および下ウェハＷ２の水平方向の向きを調節する。また、搬送領域Ｔ１には、上ウェハＷ１の表裏面を反転させる反転機構２２０が設けられる。
また、図６に示すように、処理領域Ｔ２には、上チャック２３０と下チャック２３１とが設けられる。上チャック２３０は、上ウェハＷ１を上方から吸着保持する。また、下チャック２３１は、上チャック２３０の下方に設けられ、下ウェハＷ２を下方から吸着保持する。
上チャック２３０は、図６に示すように、処理容器１９０の天井面に設けられた支持部材２８０に支持される。支持部材２８０には、下チャック２３１に保持された下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊを撮像する図示しない上部撮像部が設けられる。かかる上部撮像部は、上チャック２３０に隣接して設けられる。
また、図５および図６に示すように、下チャック２３１は、当該下チャック２３１の下方に設けられた第１下チャック移動部２９０に支持される。第１下チャック移動部２９０は、後述するように下チャック２３１を水平方向（Ｙ軸方向）に移動させる。また、第１下チャック移動部２９０は、下チャック２３１を鉛直方向に移動自在、且つ鉛直軸回りに回転可能に構成される。
図５に示すように、第１下チャック移動部２９０には、上チャック２３０に保持された上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊを撮像する図示しない下部撮像部が設けられている。かかる下部撮像部は、下チャック２３１に隣接して設けられる。
また、図５および図６に示すように、第１下チャック移動部２９０は、当該第１下チャック移動部２９０の下面側に設けられ、水平方向（Ｙ軸方向）に延伸する一対のレール２９５に取り付けられる。第１下チャック移動部２９０は、レール２９５に沿って移動自在に構成される。
一対のレール２９５は、第２下チャック移動部２９６に設けられる。第２下チャック移動部２９６は、当該第２下チャック移動部２９６の下面側に設けられ、水平方向（Ｘ軸方向）に延伸する一対のレール２９７に取り付けられる。
そして、第２下チャック移動部２９６は、レール２９７に沿って移動自在に、すなわち下チャック２３１を水平方向（Ｘ軸方向）に移動させるように構成される。なお、一対のレール２９７は、処理容器１９０の底面に設けられた載置台２９８上に設けられる。
次に、接合装置４１における上チャック２３０と下チャック２３１の構成について、図７を参照しながら説明する。図７は、実施形態に係る接合装置４１の上チャック２３０および下チャック２３１の構成を示す模式側面図である。
上チャック２３０は、略円板状であり、図７に示すように、複数、たとえば３つの領域２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃに区画される。これらの領域２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃは、上チャック２３０の中心部から周縁部（外周部）に向けてこの順で設けられる。領域２３０ａは平面視において円形状を有し、領域２３０ｂ、２３０ｃは平面視において環状形状を有する。
各領域２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃには、図７に示すように上ウェハＷ１を吸着保持するための吸引管２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃがそれぞれ独立して設けられる。各吸引管２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃには、異なる真空ポンプ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃがそれぞれ接続される。このように、上チャック２３０は、各領域２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ毎に上ウェハＷ１の真空引きを設定可能に構成されている。
上チャック２３０の中心部には、当該上チャック２３０を厚み方向に貫通する貫通孔２４３が形成される。この上チャック２３０の中心部は、当該上チャック２３０に吸着保持される上ウェハＷ１の中心部Ｗ１ａに対応している。そして、貫通孔２４３には、基板押圧機構２５０の押圧ピン２５３が挿通するようになっている。
基板押圧機構２５０は、上チャック２３０の上面に設けられ、押圧ピン２５３によって上ウェハＷ１の中心部Ｗ１ａを押圧する。押圧ピン２５３は、シリンダ部２５１およびアクチュエータ部２５２によって鉛直軸沿いに直動可能に設けられ、先端部において対向する基板（実施形態では上ウェハＷ１）をかかる先端部で押圧する。
具体的には、押圧ピン２５３は、後述する上ウェハＷ１および下ウェハＷ２の接合時に、まず上ウェハＷ１の中心部Ｗ１ａと下ウェハＷ２の中心部Ｗ２ａとを当接させるスタータとなる。
下チャック２３１は、略円板状であり、複数、たとえば２つの領域２３１ａ、２３１ｂに区画される。これらの領域２３１ａ、２３１ｂは、下チャック２３１の中心部から周縁部に向けてこの順で設けられる。そして、領域２３１ａは平面視において円形状を有し、領域２３１ｂは平面視において環状形状を有する。
各領域２３１ａ、２３１ｂには、図７に示すように下ウェハＷ２を吸着保持するための吸引管２６０ａ、２６０ｂがそれぞれ独立して設けられる。各吸引管２６０ａ、２６０ｂには、異なる真空ポンプ２６１ａ、２６１ｂがそれぞれ接続される。このように、下チャック２３１は、各領域２３１ａ、２３１ｂ毎に下ウェハＷ２の真空引きを設定可能に構成されている。
下チャック２３１の周縁部には、上ウェハＷ１、下ウェハＷ２および重合ウェハＴが当該下チャック２３１から飛び出したり、滑落したりすることを防止するストッパ部材２６３が複数箇所、たとえば５箇所に設けられる。
また、接合装置４１は、互いに向かい合う上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと、下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとに対して、結露を抑制する結露抑制ガスＧを吐出する結露抑制ガス吐出部２７０を有する。
実施形態において、結露抑制ガスＧは、たとえば、ジュール・トムソン効果が高く、結露を抑制する効果のあるＨｅガスやＡｒガス、Ｎｅガス、窒素ガスなどの不活性ガスを含む。また、結露抑制ガスＧは、たとえば、水分含有量が少なく、結露を抑制する効果のある乾燥空気を含んでもよい。
結露抑制ガス吐出部２７０は、本体部２７１と、結露抑制ガス供給源２７２と、流量調節器２７３と、バルブ２７４とを有する。本体部２７１は、たとえば円環形状を有し、上チャック２３０の周縁部を取り囲むように配置される。
本体部２７１には、たとえば、環状の配管２７１ａが設けられている。そして、かかる配管２７１ａから、周方向に均等に配置された複数の吐出口２７１ｂが、互いに向かい合う上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと、下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に向かうように形成されている。
また、本体部２７１の配管２７１ａは、流量調節器２７３およびバルブ２７４を介して、結露抑制ガス供給源２７２に連通している。
そして、結露抑制ガス供給源２７２から供給された結露抑制ガスＧは、流量調節器２７３およびバルブ２７４で流量制御され、配管２７１ａに導入される。さらに、結露抑制ガスＧは、互いに向かい合う上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと、下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に向かって、吐出口２７１ｂから吐出される。
また、本体部２７１には、複数の吐出口２７１ｂが周方向に均等に複数（たとえば、３０°間隔で１２箇所）形成されている。これにより、結露抑制ガス吐出部２７０は、互いに向かい合う上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に、結露抑制ガスＧを周方向に略均等に吐出することができる。
なお、実施形態では、本体部２７１に複数の吐出口２７１ｂが周方向に均等に形成される例について示したが、本体部２７１に形成される吐出口は複数でなくともよい。たとえば、本体部２７１には、スリット形状を有する１つの吐出口が周方向に沿って形成されていてもよい。
このような構成であっても、結露抑制ガス吐出部２７０は、互いに向かい合う上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に、結露抑制ガスＧを周方向に略均等に吐出することができる。
また、実施形態では、結露抑制ガス吐出部２７０が、上チャック２３０の周縁部に配置された例について示したが、結露抑制ガス吐出部２７０の配置はかかる例に限られない。たとえば、結露抑制ガス吐出部２７０は、下チャック２３１の周縁部に配置されていてもよい。
このように、実施形態の接合装置４１は、結露抑制ガス吐出部２７０によって、互いに向かい合う上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと、下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に向かって、結露抑制ガスＧを吐出可能に構成される。
＜接合システムが実行する処理＞
つづいて、図８を参照しながら、実施形態に係る接合システム１が実行する処理の詳細について説明する。図８は、実施形態に係る接合システム１が実行する処理の処理手順の一部を示すフローチャートである。なお、図８に示す各種の処理は、制御装置３００による制御に基づいて実行される。
まず、複数枚の上ウェハＷ１を収容したカセットＣ１、複数枚の下ウェハＷ２を収容したカセットＣ２、および空のカセットＣ３が、搬入出ステーション２の所定の載置板１１に載置される。その後、搬送装置２２によりカセットＣ１内の上ウェハＷ１が取り出され、処理ステーション３の第３処理ブロックＧ３のトランジション装置５０に搬送される。
次に、上ウェハＷ１は、搬送装置６１によって第１処理ブロックＧ１の表面改質装置３０に搬送される。このとき、ゲートバルブ７２が開かれており、処理容器７０内が大気圧に開放されている。表面改質装置３０では、所定の減圧雰囲気下において、処理ガスが励起されてプラズマ化され、イオン化される。
このように発生したイオンが上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊに照射されて、当該接合面Ｗ１ｊがプラズマ処理される。これにより、接合面Ｗ１ｊの最表面にシリコン原子のダングリングボンドが形成され、上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊが改質される（ステップＳ１０１）。
次に、上ウェハＷ１は、搬送装置６１によって第２処理ブロックＧ２の表面親水化装置４０に搬送される。表面親水化装置４０では、スピンチャックに保持された上ウェハＷ１を回転させながら、当該上ウェハＷ１上に純水を供給する。
そうすると、供給された純水は上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊ上を拡散する。これにより、表面改質装置３０では、改質された上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊにおけるシリコン原子のダングリングボンドにＯＨ基（シラノール基）が付着して当該接合面Ｗ１ｊが親水化される（ステップＳ１０２）。また、当該純水によって、上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊが洗浄される。
次に、上ウェハＷ１は、搬送装置６１によって第２処理ブロックＧ２の接合装置４１に搬送される。接合装置４１に搬入された上ウェハＷ１は、トランジション２００を介して位置調節機構２１０に搬送される。そして位置調節機構２１０によって、上ウェハＷ１の水平方向の向きが調節される（ステップＳ１０３）。
その後、位置調節機構２１０から反転機構２２０に上ウェハＷ１が受け渡される。続いて搬送領域Ｔ１において、反転機構２２０を動作させることにより、上ウェハＷ１の表裏面が反転される（ステップＳ１０４）。すなわち、上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊが下方に向けられる。
その後、反転機構２２０が回動して上チャック２３０の下方に移動する。そして、反転機構２２０から上チャック２３０に上ウェハＷ１が受け渡される。上ウェハＷ１は、上チャック２３０にその非接合面Ｗ１ｎが吸着保持される（ステップＳ１０５）。
上ウェハＷ１に上述したステップＳ１０１〜Ｓ１０５の処理が行われている間、下ウェハＷ２の処理が行われる。まず、搬送装置２２によりカセットＣ２内の下ウェハＷ２が取り出され、処理ステーション３のトランジション装置５０に搬送される。
次に、下ウェハＷ２は、搬送装置６１によって表面改質装置３０に搬送され、下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊが改質される（ステップＳ１０６）。なお、かかるステップＳ１０６は、上述のステップＳ１０１と同様の処理である。
その後、下ウェハＷ２は、搬送装置６１によって表面親水化装置４０に搬送され、下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊが親水化される（ステップＳ１０７）。なお、かかるステップＳ１０７は、上述のステップＳ１０２と同様の処理である。
その後、下ウェハＷ２は、搬送装置６１によって接合装置４１に搬送される。接合装置４１に搬入された下ウェハＷ２は、トランジション２００を介して位置調節機構２１０に搬送される。そして位置調節機構２１０によって、下ウェハＷ２の水平方向の向きが調節される（ステップＳ１０８）。
その後、下ウェハＷ２は、下チャック２３１に搬送され、下チャック２３１に吸着保持される（ステップＳ１０９）。下ウェハＷ２は、ノッチ部を予め決められた方向に向けた状態で、下チャック２３１にその非接合面Ｗ２ｎが吸着保持される。
次に、上チャック２３０に保持された上ウェハＷ１と下チャック２３１に保持された下ウェハＷ２との水平方向の位置調節が行われる（ステップＳ１１０）。
次に、結露抑制ガス吐出部２７０は、互いに向かい合う上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと、下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に向かって、結露抑制ガスＧの吐出を行う（ステップＳ１１１）。
これにより、互いに向かい合う上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと、下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に結露抑制ガスＧが供給される。なお、かかる結露抑制ガスＧの供給は、以降の処理でも引き続き行われる。
次に、第１下チャック移動部２９０によって下チャック２３１を鉛直上方に移動させて、上チャック２３０と下チャック２３１の鉛直方向位置の調節を行う。これにより、当該上チャック２３０に保持された上ウェハＷ１と下チャック２３１に保持された下ウェハＷ２との鉛直方向位置の調節が行われる（ステップＳ１１２）。
このとき、下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊと上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊとの間の間隔は所定の距離、たとえば８０μｍ〜２００μｍになっている。
次に、基板押圧機構２５０の押圧ピン２５３を下降させることによって、上ウェハＷ１の中心部Ｗ１ａを押し下げて、上ウェハＷ１の中心部Ｗ１ａと下ウェハＷ２の中心部Ｗ２ａとを所定の力で押圧する（ステップＳ１１３）。
これにより、押圧された上ウェハＷ１の中心部Ｗ１ａと下ウェハＷ２の中心部Ｗ２ａとの間で接合が開始する。具体的には、上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊと下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊはそれぞれステップＳ１０１、Ｓ１０６において改質されているため、まず、接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊ間にファンデルワールス力（分子間力）が生じ、当該接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊ同士が接合される。
さらに、上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊと下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊはそれぞれステップＳ１０２、Ｓ１０７において親水化されているため、接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊ間のＯＨ基が水素結合し、接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊ同士が強固に接合される。
その後、上ウェハＷ１と下ウェハＷ２との接合領域は、上ウェハＷ１の中心部Ｗ１ａおよび下ウェハＷ２の中心部Ｗ２ａから外周部へ拡大していく。その後、押圧ピン２５３によって上ウェハＷ１の中心部Ｗ１ａと下ウェハＷ２の中心部Ｗ２ａを押圧した状態で、真空ポンプ２４１ｂの作動を停止して、領域２３０ｂにおける吸引管２４０ｂからの上ウェハＷ１の真空引きを停止する。
そうすると、領域２３０ｂに保持されていた上ウェハＷ１が下ウェハＷ２上に落下する。さらにその後、真空ポンプ２４１ｃの作動を停止して、領域２３０ｃにおける吸引管２４０ｃからの上ウェハＷ１の真空引きを停止する。
このように上ウェハＷ１の中心部Ｗ１ａから外周部に向けて、上ウェハＷ１の真空引きを段階的に停止し、上ウェハＷ１が下ウェハＷ２上に段階的に落下して当接する。そして、上述した接合面Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊ間のファンデルワールス力と水素結合による接合が中心部Ｗ１ａ、Ｗ２ａから外周部に向けて順次拡がる。
こうして、上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊと下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊが全面で当接し、上ウェハＷ１と下ウェハＷ２が接合される（ステップＳ１１４）。
その後、押圧ピン２５３を上チャック２３０まで上昇させる。また、下チャック２３１において吸引管２６０ａ、２６０ｂからの下ウェハＷ２の真空引きを停止して、下チャック２３１による下ウェハＷ２の吸着保持を解除する。
最後に、結露抑制ガス吐出部２７０は、結露抑制ガスＧの吐出を停止して（ステップＳ１１５）、接合装置４１での接合処理が終了する。
ここまで説明したように、実施形態では、上ウェハＷ１と下ウェハＷ２とを接合する前に、互いに向かい合う上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと、下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に向かって、結露抑制ガスＧの吐出を行う。これにより、重合ウェハＴに発生するエッジボイドを低減することができる。
つづいては、上ウェハＷ１と下ウェハＷ２とを接合する前に、結露抑制ガスＧの吐出を行う場合と、結露抑制ガスＧの吐出を行わない場合との違いについて説明する。具体的には、結露抑制ガスＧとしてＨｅガスを吐出する場合（以降、「実施例１」と呼称する。）と、同じく窒素ガスを吐出する場合（以降、「実施例２」と呼称する。）と、結露抑制ガスＧを吐出しない場合（以降、「参考例」と呼称する。）とを比較する。
上記実施例１、２および参考例の条件で接合された重合ウェハＴについて、周縁部に形成されるエッジボイドの面積についての評価を行った。なお、かかるエッジボイドの面積評価は、Ｃ−ＳＡＭ（Constant-depth mode Scaning Acoustic Microscorpe：超音波顕微鏡）により撮像された画像を解析することにより行った。
図９は、実施例１、実施例２および参考例の重合ウェハＴのエッジボイドの面積の測定結果を示す図である。参考例のエッジボイドの面積と、実施例１および実施例２のエッジボイドの面積との比較により、実施例１および実施例２において、エッジボイドの発生が低減していることがわかる。
また、実施形態では、Ｈｅガスを吐出した実施例１と、窒素ガスを吐出した実施例２との比較により、ジュール・トムソン効果が非常に高いＨｅガスを吐出することにより、エッジボイドの発生がさらに低減していることがわかる。
次に、実施形態においてエッジボイドの発生が低減した要因について説明する。上ウェハＷ１と下ウェハＷ２とを接合する際に、中心部Ｗ１ａと中心部Ｗ２ａとが分子間力によって接合し接合領域が形成された後、ウェハＷの外周部に向けて接合領域が拡大していく際に波（いわゆるボンディングウェーブ）が発生する。
ここで、エッジボイドの発生要因の１つとして、かかるボンディングウェーブがウェハＷの周縁部に到達した場合に、ウェハＷの周縁部において急激な圧力の変動が起こることが考えられる。なぜなら、かかる急激な圧力の変動により、上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとで結露が発生し、かかる発生した結露に起因してエッジボイドが形成されるからである。
そこで、実施形態では、上ウェハＷ１と下ウェハＷ２とを接合する前に、エッジボイドの原因となる結露が発生する領域に結露抑制ガスＧの吐出を行う。これにより、上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅおよび下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅにおいて、結露の発生を抑制することができる。
したがって、実施形態によれば、上ウェハＷ１と下ウェハＷ２とを接合する前に結露抑制ガスＧを吐出することにより、重合ウェハＴに発生するエッジボイドを低減することができる。
また、実施形態では、結露抑制ガス吐出部２７０によって、エッジボイドの原因となる結露を抑制したい領域に限って結露抑制ガスＧを吐出することができる。したがって、実施形態によれば、処理容器１９０の内部を結露抑制ガスＧで満たす場合に比べて、結露抑制ガスＧの使用量を低減することができる。
また、実施形態では、上述のステップＳ１１５のように、上ウェハＷ１と下ウェハＷ２との接合処理が終了した後、結露抑制ガスＧの吐出を停止するとよい。これにより、エッジボイドの原因となる結露を抑制したいタイミングに限って結露抑制ガスＧを吐出することができる。したがって、実施形態によれば、結露抑制ガスＧの使用量を低減することができる。
また、実施形態では、結露抑制ガスＧが、ジュール・トムソン効果が高く結露を抑制する効果のある不活性ガスや、水分含有量が少なく結露を抑制する効果のある乾燥空気を含むとよい。
さらに、実施形態では、結露抑制ガスＧが、ジュール・トムソン効果が非常に高く、結露を抑制する効果の高いＨｅガスを含むとよい。これにより、重合ウェハＴに発生するエッジボイドを効果的に低減することができる。
実施形態に係る接合システム１は、表面改質装置３０と、表面親水化装置４０と、接合装置４１とを備える。表面改質装置３０は、第１基板（上ウェハＷ１）の接合面Ｗ１ｊおよび第２基板（下ウェハＷ２）の接合面Ｗ２ｊをプラズマによって改質する。表面親水化装置４０は、表面改質装置３０によって改質された第１基板（上ウェハＷ１）の接合面Ｗ１ｊおよび第２基板（下ウェハＷ２）の接合面Ｗ２ｊを親水化する。接合装置４１は、結露抑制ガス吐出部２７０を有し、表面親水化装置４０によって親水化された第１基板（上ウェハＷ１）の接合面Ｗ１ｊおよび第２基板（下ウェハＷ２）の接合面Ｗ２ｊを分子間力によって接合する。また、結露抑制ガス吐出部２７０は、向かい合う第１基板（上ウェハＷ１）の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと第２基板（下ウェハＷ２）の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に結露を抑制する結露抑制ガスＧを吐出する。これにより、接合された重合ウェハＴに発生するエッジボイドを低減することができる。
また、実施形態に係る接合システム１において、結露抑制ガスＧは、不活性ガスを含む。これにより、接合された重合ウェハＴに発生するエッジボイドを低減することができる。
また、実施形態に係る接合システム１において、結露抑制ガスＧは、Ｈｅガスを含む。これにより、接合された重合ウェハＴに発生するエッジボイドを効果的に低減することができる。
また、実施形態に係る接合システム１において、結露抑制ガスＧは、乾燥空気を含む。これにより、接合された重合ウェハＴに発生するエッジボイドを低減することができる。
また、実施形態に係る接合システム１において、結露抑制ガス吐出部２７０は、円環形状であり、結露抑制ガスＧを吐出する吐出口２７１ｂが形成される本体部２７１を有する。これにより、上ウェハＷ１や下ウェハＷ２が接合装置４１に搬入出される際に、結露抑制ガス吐出部２７０が上ウェハＷ１や下ウェハＷ２の搬送の妨げとなることを抑制することができる。
また、実施形態に係る接合システム１において、結露抑制ガス吐出部２７０の本体部２７１には、複数の吐出口２７１ｂが周方向に均等に形成される。これにより、向かい合う上ウェハＷ１の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと下ウェハＷ２の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に結露抑制ガスＧを周方向に略均等に吐出することができる。
また、実施形態に係る接合方法は、表面改質工程（ステップＳ１０１、Ｓ１０６）と、表面親水化工程（ステップＳ１０２、Ｓ１０７）と、ガス吐出工程（ステップＳ１１１）と、接合工程（ステップＳ１１４）と、を含む。表面改質工程は、第１基板（上ウェハＷ１）の接合面Ｗ１ｊおよび第２基板（下ウェハＷ２）の接合面Ｗ２ｊを改質する。表面親水化工程は、改質された第１基板（上ウェハＷ１）の接合面Ｗ１ｊおよび第２基板（下ウェハＷ２）の接合面Ｗ２ｊを親水化する。ガス吐出工程は、向かい合う第１基板（上ウェハＷ１）の接合面Ｗ１ｊの周縁部Ｗ１ｊｅと第２基板（下ウェハＷ２）の接合面Ｗ２ｊの周縁部Ｗ２ｊｅとの間に結露を抑制する結露抑制ガスＧを吐出する。接合工程は、親水化された第１基板（上ウェハＷ１）の接合面Ｗ１ｊおよび第２基板（下ウェハＷ２）の接合面Ｗ２ｊを分子間力によって接合する。これにより、接合された重合ウェハＴに発生するエッジボイドを低減することができる。
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。たとえば、上述の実施形態では、結露抑制ガスＧに用いられるジュール・トムソン効果の高いガスとして不活性ガスを用いた例について示したが、ジュール・トムソン効果の高いガスであれば不活性ガス以外のガスを用いてもよい。
また、上記の実施形態では、結露抑制ガス吐出部２７０が、円環状の配管２７１ａおよび吐出口２７１ｂで構成された例について示したが、結露抑制ガス吐出部２７０の構成はかかる例に限られない。たとえば、結露抑制ガス吐出部２７０は、結露抑制ガスＧを吐出可能なノズルを周方向に複数並べて配置してもよい。
今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１ 接合システム
３０ 表面改質装置
４０ 表面親水化装置
４１ 接合装置
２３０ 上チャック
２７０ 結露抑制ガス吐出部
２７１ 本体部
２７１ｂ 吐出口
Ｗ１ 上ウェハ（第１基板の一例）
Ｗ１ｊ 接合面
Ｗ１ｊｅ 周縁部
Ｗ２ 下ウェハ（第２基板の一例）
Ｗ２ｊ 接合面
Ｗ２ｊｅ 周縁部
Ｇ 結露抑制ガス

Claims (8)

  1. 第１基板の接合面および第２基板の接合面をプラズマによって改質する表面改質装置と、
    前記表面改質装置によって改質された前記第１基板の接合面および前記第２基板の接合面を親水化する表面親水化装置と、
    向かい合う前記第１基板の接合面の周縁部と前記第２基板の接合面の周縁部との間に向けて結露を抑制する結露抑制ガスを吐出する結露抑制ガス吐出部を有し、前記表面親水化装置によって親水化された前記第１基板の接合面および前記第２基板の接合面を分子間力によって接合する接合装置と
    を備え、
    前記結露抑制ガス吐出部は、前記第１基板を保持する上チャックおよび前記第２基板を保持する下チャックのいずれかの周縁部に円環状に配置される
    接合システム。
  2. 前記結露抑制ガスは、不活性ガスを含む、請求項１に記載の接合システム。
  3. 前記結露抑制ガスは、Ｈｅガスを含む、請求項２に記載の接合システム。
  4. 前記結露抑制ガスは、乾燥空気を含む、請求項１に記載の接合システム。
  5. 前記結露抑制ガス吐出部には、前記結露抑制ガスを吐出する複数の吐出口が周方向に均等に形成される、請求項１〜４のいずれか一つに記載の接合システム。
  6. 前記結露抑制ガス吐出部には、前記結露抑制ガスを吐出するスリット状の吐出口が周方向に沿って形成される、請求項１〜４のいずれか一つに記載の接合システム。
  7. 前記結露抑制ガス吐出部から吐出される前記結露抑制ガスは、流量調節器およびバルブで流量制御される、請求項１〜６のいずれか一つに記載の接合システム。
  8. 第１基板の接合面および第２基板の接合面を改質する表面改質工程と、
    改質された前記第１基板の接合面および前記第２基板の接合面を親水化する表面親水化工程と、
    向かい合う前記第１基板の接合面の周縁部と前記第２基板の接合面の周縁部との間に向けて結露を抑制する結露抑制ガスを吐出するガス吐出工程と、
    向かい合う前記第１基板と前記第２基板との鉛直方向位置の調節を行う位置調節工程と、
    親水化された前記第１基板の接合面および前記第２基板の接合面を分子間力によって接合する接合工程と、
    を含み、
    前記ガス吐出工程は、前記位置調節工程を開始する前から前記接合工程が終了した後まで継続される
    接合方法。
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