KR20050022953A - 기판 접합 방법 및 이에 이용되는 입자 빔의 조사 방법 - Google Patents

기판 접합 방법 및 이에 이용되는 입자 빔의 조사 방법 Download PDF

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Abstract

복수의 기판을 서로 접합시키는 기판 접합 방법은, 각 기판의 표면에 산소 입자 빔을 조사하는 제1의 조사 단계와, 제1의 조사 단계와 동시 또는 후속되며, 각 기판의 표면에 질소 입자 빔을 조사하는 제2의 조사 단계와, 제1 및 제2의 조사 단계후, 각 기판의 표면을 중첩하여 접합시키는 단계를 갖는다. 특히, 산소 플라즈마를 조사한 후에 질소 플라즈마를 조사한 기판을 서로 중첩하여 접합이 실행된다.

Description

기판 접합 방법 및 이에 이용되는 입자 빔의 조사 방법{Method for bonding substrates and method for irradiating particle beam to be utilized therefor}
본 발명은 기판 접합 방법 및 기판 접합 장치, 및 이에 이용가능한 입자 빔의 조사 방법 및 조사 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 기판 접합 방법 및 기판 접합 장치는 복수 종류의 입자 빔을 조사함으로써 기판의 접합 강도를 높인 기판 접합 방법 및 기판 접합 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명의 조사 방법 및 조사 장치는 1대의 장치에서 여러 종류의 입자 빔을 조사할 수 있는 조사 방법 및 조사 장치에 관한 것이다.
반도체 기판 등의 기판을 서로 접합시키는 기술로서 플라즈마 어시스트 본딩이라고 하는 기술이 주목받고 있다. 예컨대, 산소 플라즈마(O+ 플라즈마)를 기판 표면에 조사하고, 분위기 중의 물 성분과 반응시켜 수산기(OH기)를 기판 표면에 형성하고, 수산기가 형성된 기판을 서로 밀착시켜 접합하는 기술이 알려져 있다.
또한 미국 특허 제6,180,496호는 접합 장치가 탑재된 챔버 중에서 플라즈마를 조사한 복수의 기판 표면을 서로 접촉시켜 접합하는 기술을 개시하고 있다.
그러나 이상과 같은 종래의 기판 접합 기술에서는 산소 플라즈마와 질소 라디칼을 병용하여 조사하는 것과 같이 여러 종류의 입자 빔을 조사함으로써 기판의 접합 강도를 높이는 기술은 개시되어 있지 않았다. 따라서, 종래의 기판 접합 기술에 의해서는 기판의 접합 강도를 충분히 높이기 어려운 경우가 있었다. 또한 1대의 장치로 플라즈마 조사와 라디칼 조사를 실행할 수 있는 간편한 조사 방법도 제안되어 있지 않았다.
본 발명의 목적은 여러 종류의 입자 빔을 기판의 표면에 조사함으로써, 접합 강도를 높일 수 있는 기판 접합 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다. 특히, 산소 플라즈마와 질소 라디칼을 기판의 표면에 조사함으로써, 기판의 접합 강도를 높일 수 있는 기판 접합 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 1대의 장치로 플라즈마 조사와 라디칼 조사를 실행할 수 있는 조사 방법 및 조사 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일구현예에 의한 복수의 기판을 서로 접합시키는 기판 접합 방법은, 각 기판의 표면에 산소 입자 빔을 조사하는 제1의 조사 단계와, 제1의 조사 단계와 동시 또는 후속되며, 각 기판의 표면에 질소 입자 빔을 조사하는 제2의 조사 단계를 갖는다. 그리고 제1 및 제2의 조사 단계 후, 각 기판의 표면을 중첩하여 접합시키는 단계가 실행된다.
본 발명의 다른 구현예에 의한 복수의 기판을 서로 접합시키는 기판 접합 방법은 각 기판의 표면에 플라즈마를 조사하는 제1의 조사 단계와, 제1의 조사 단계와 동시 또는 후속되며, 각 기판의 표면에 라디칼을 조사하는 제2의 조사 단계를 갖는다. 그리고 제1 및 제2의 조사 단계 후, 각 기판의 표면을 중첩하여 접합시키는 접합 단계가 실행된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의한 기판에 플라즈마 및 라디칼을 조사하는 조사 방법은 기판, 개구를 갖는 제1 전극, 및 제2 전극 순서로 대향 배치하는 단계를 갖는다. 그리고 플라즈마의 조사시에 있어서, 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 기판에 고주파 전압을 가하고, 당해 제1 전극과 당해 기판 간의 공간에서 플라즈마를 발생시킴으로써, 당해 플라즈마가 기판에 조사된다. 한편, 라디칼의 조사시에 있어서, 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 제2 전극에 고주파 전압을 가하고, 당해 제1 전극과 당해 제2 전극 간의 공간에서 플라즈마를 발생시킴으로써 당해 플라즈마의 발생으로 인해 상기 제1 전극의 상기 개구를 통과한 라디칼이 기판에 조사된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의한 복수의 기판을 서로 접합시키는 기판 접합 장치는 각 기판의 표면에 산소 입자 빔을 조사하는 제1의 조사 유닛과, 상기 산소 입자 빔의 조사와 동시 또는 후속되며, 각 기판의 표면에 질소 입자 빔을 조사하는 제2의 조사 유닛을 갖는다. 산소 입자 빔 및 질소 입자 빔이 조사된 각 기판의 표면을 중첩하여 접합시키는 접합 유닛이 설치되어 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의한 복수의 기판을 서로 접합시키는 기판 접합 장치는 기판, 개구를 갖는 제1 전극, 제2 전극 순서로 대향 배치되는 챔버; 산소 플라즈마 및 질소 라디칼의 각각의 원료 가스를 상기 챔버 내로 공급하는 배관; 기판, 제1 전극, 및 제2 전극의 전기 접속 상태를 제어하는 제어 유닛; 및 산소 플라즈마 및 질소 라디칼이 조사된 복수의 기판의 표면을 중첩하여 접합시키는 접합 유닛을 갖는다. 상기 제어 유닛은 산소 플라즈마를 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 기판에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 기판 간의 공간에서 산소 플라즈마를 발생시켜 당해 산소 플라즈마를 기판의 표면으로 조사한다. 한편, 제어 유닛은 질소 라디칼을 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 제2 전극에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시켜 질소 플라즈마의 발생으로 인해 상기 제1 전극의 상기 개구를 통과한 질소 라디칼을 기판의 표면으로 조사한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의한 기판에 플라즈마 및 라디칼을 조사하는 조사 장치는 기판, 개구를 갖는 제1 전극, 제2 전극 순서로 대향 배치되는 챔버; 산소 플라즈마 및 질소 라디칼의 각각의 원료 가스를 상기 챔버 내로 공급하는 배관; 및 기판, 제1 전극, 및 제2 전극의 전기 접속 상태를 제어하는 제어 유닛을 갖는다. 상기 제어 유닛은 산소 플라즈마를 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 기판에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 기판 간의 공간에서 산소 플라즈마를 발생시켜 당해 산소 플라즈마를 기판의 표면으로 조사한다. 한편, 제어 유닛은, 질소 라디칼을 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 제2 전극에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시켜 질소 플라즈마의 발생으로 인해 상기 제1 전극의 상기 개구를 통과한 질소 라디칼을 기판의 표면으로 조사한다.
본 발명의 기판 접합 방법 및 장치에 의하면, 각 기판의 표면에 산소 입자 빔을 조사하고, 이와 동시 또는 후속되며, 각 기판의 표면에 질소 입자 빔을 조사한 후, 각 기판의 표면을 중첩하여 접합시킴으로써 기판을 서로 견고하게 접합할 수 있다. 특히, 본 발명의 기판 접합 방법 및 장치에 의하면, 각 기판의 표면에 플라즈마를 조사하고, 이와 동시 또는 후속되며, 각 기판의 표면에 라디칼을 조사한 후, 각 기판의 표면을 중첩하여 접합시킴으로써 기판을 서로 견고하게 접합할 수 있다.
또한 본 발명 조사 방법 및 장치에 의하면, 전압의 인가 및 접지 상태를 바꿈으로써 1대의 장치로 플라즈마 조사와 라디칼 조사를 모두 실행할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 기판 접합 장치에 대한 바람직한 실시의 형태를 상세히 설명하기로 한다. 이 설명에 사용되는 도면에서의 치수는 명세서의 명확성을 위해 과장되어 표현된 경우가 있다.
<제1의 실시의 형태>
본 실시의 형태의 기판 접합 장치는 각 기판의 표면에 산소 입자 빔을 조사하는 것 뿐만 아니라, 각 기판의 표면으로 질소 입자 빔을 더 조사하는 기능을 갖는다. 그리고 산소 입자 빔 및 질소 입자 빔을 조사한 후에 기판의 표면이 서로 중첩되어 기판이 접합된다.
여기서, 「입자 빔」에는, 이온 빔, 중성 원자 빔, 플라즈마, 및 라디칼 등 모든 형태의 입자 빔이 포함된다. 그러나 이하의 설명에서는, 바람직한 예로서, 산소 플라즈마를 조사하고 질소 라디칼을 더 조사한 후에 각 기판의 표면을 서로 중첩하여 접합시키는 경우를 설명하기로 한다. 본 실시 형태의 기판 접합 장치는 1대의 장치에 있어서, 플라즈마의 조사와 라디칼의 조사를 모두 실행하는 구성을 가지고 있는 것이 바람직하다.
도 1은 본 실시의 형태의 기판 접합 장치에 관한 개략 구성을 나타내는 도면이다. 기판 접합 장치(10)는 챔버(100)를 구비하고 있다. 챔버(100) 내에는 대별하여 반입된 기판의 표면에 산소 플라즈마(O+ 플라즈마) 및 질소 라디칼(N 라디칼)을 모두 조사하는 조사 기구(조사 유닛)와, 산소 플라즈마 및 질소 라디칼이 조사된 후에 각 기판(800a, 800b)의 표면을 중첩하여 접합시키는 접합 기구(접합 유닛)가 구비되어 있다.
여기서, 도 1에 도시한 예에서는 접합 기구로서 가중 실린더(721)와, 가중 실린더(721)의 동작에 의해 제1 기판(800a)과 제2 기판(800b)을 개재하도록 이동하는 워크 롤러(722)가 설치되어 있다. 워크 롤러(722)는 제1 기판(800a)과 제2 기판(800b)을 중첩한 상태로 개재하고 가압하여 제1 기판(800a)과 제2 기판(800b)을 접합한다. 단, 접합 기구는 이 경우에 한정되지 않으며 제1 기판(800a)과 제2 기판(800b)의 표면을 밀착시키는 것이라면 복수의 구성 접합 기구를 채용할 수 있다.
도 2는 본 실시의 형태의 기판 접합 장치에 있어서의 조사 기구의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 챔버(100) 내에는 제1 기판(800a), 제1 전극(110), 제2 전극(120), 및 제2 기판(800b) 순서로 대향 배치된다. 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)은 각각 제1 지지부(130) 및 제2 지지부(140)에 지지된다.
제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 금속 등의 도전체로 형성되어 있고, 각각 복수의 개구(111, 121)(제1 개구(111) 및 제2 개구(121))가 설치되어 있다. 또한 제1 지지부(130) 및 제2 지지부(140)는 제1 기판(800a), 제2 기판(800b)에 전압을 가하기 위한 제1 기판측 전극 및 제2 기판측 전극으로서도 기능한다.
또한 챔버(100)에는 산소 플라즈마 및 질소 라디칼의 원료 가스를 챔버(100) 내로 공급하기 위한 가스 배관(공급 수단)(150)이 설치되어 있다. 산소 플라즈마의 원료 가스(가스종류)로는 예컨대 산소(O2)가 이용되고, 질소 라디칼의 원료 가스로는 예컨대, 질소(N2)가 이용된다.
또한, 기판 접합 장치(10)는 전압을 가하기 위한 하나 또는 복수의 전원(210)을 가지고 있다. 전원(210)은 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 각각에 예컨대 13MHz 정도의 고주파(RF) 전압을 가하기 위한 전원이다. 그러나 플라즈마의 발생이 가능한 한 다른 주파수의 전압을 가하는 전원을 사용할 수도 있다.
기판 접합 장치(10)는 제1 전극(110), 제2 전극(120), 제1 기판(800a), 및 제2 기판(800b)으로의 전압의 인가 및 접지(그랜드)의 상태를 제어하기 위한 제어부(300)(제어 수단)를 가지고 있다. 이 제어부(300)에 의한 제어에 의해 제1 전극(110), 제2 전극(120), 제1 기판(800a), 및 제2 기판(800b)으로의 전압 인가의 상태 및 접지 상태를 전환할 수 있다. 이 전환에 의해 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 표면에 플라즈마를 조사하는 처리, 제1 기판(800a)의 표면에 라디칼을 조사하는 처리, 및 제2 기판(800b)의 표면에 라디칼을 조사하는 처리를 적절히 전환할 수 있다. 이하, 제어부(300)의 제어 내용에 대하여 설명하기로 한다.
(플라즈마를 조사하는 처리)
도 3은 플라즈마를 조사하는 경우의 조사 기구의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다. 산소 플라즈마를 조사하는 경우에는 제어부(300)는 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)을 접지하는 한편, 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)(정확하게는, 제1 기판측 전극 및 제2 기판측 전극)의 각각에 고주파 전압을 인가하도록 제어한다.
제1 기판(800a)에 고주파 전압이 인가됨으로써 제1 전극(110)과 제1 기판(800a) 간의 공간에 RF 플라즈마가 발생한다. 플라즈마란 저압의 전리된 원자와 전자와 중성 프래그먼트의 집합체로서 전체적으로는 전기적 중성이 유지되고 있다. 구체적으로는 가스 배관(150)으로부터 원료 가스로서 산소가 공급되고 산소 플라즈마가 발생한다.
고주파의 작용에 의해 플라즈마와 제1 기판(800a)과의 사이에 자기 바이어스 전압이 발생하고, 제1 기판(800a)에 대하여 산소 이온이 조사된다. 단, 산소 이온뿐만 아니라 플라즈마 중에서 생성된 중성 라디칼도 확산 기구에 의해 제1 기판(800)에 조사된다.
마찬가지로, 제2 기판(800b)에 고주파 전압이 인가됨으로써, 제2 전극(120)과 제2 기판(800b) 간의 공간에도 산소 플라즈마가 발생한다. 그리고 자기 바이어스 전압에 의해 제2 기판(800b)에 대하여 산소 이온이 조사된다.
이상과 같이, 플라즈마의 조사의 처리는 가속된 산소 이온과 중성 라디칼을 조사하는 처리라고 할 수 있다.
(라디칼을 조사하는 처리)
도 4는 라디칼을 제1 기판에 조사하는 경우의 조사 기구의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다. 질소 라디칼을 조사하는 경우에는 제어부(300)는 이하와 같은 제어를 행한다.
제1 기판(800a)에 질소 라디칼을 조사하는 경우에는 제어부(300)는 제1 전극(110)을 접지하는 한편, 제2 전극(120)에 고주파 전압을 인가하도록 제어한다. 즉, 제어부(300)는 제1 전극(110)을 접지함과 동시에, 제2 전극(120)에 고주파 전압을 인가함으로써 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 간의 공간에 플라즈마를 발생시킨다. 구체적으로는, 가스 배관(150)으로부터 원료 가스로서 질소가 공급되고 질소 플라즈마가 발생한다.
이와 같이 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 간의 공간은 플라즈마원으로서 기능한다. 따라서, 제1 기판(800a)은 플라즈마원으로부터 이격 배치된다. 질소 플라즈마가 제1 전극(110)의 개구(111) 부근에 존재하는 상태가 발생하면, 제1 전극(110)에 설치된 복수의 개구(111)로부터는 중성의 질소 라디칼만이 통과하여 수송된다. 질소 라디칼은 전기적으로 중성이기 때문에, 가속되지 않고 확산 기능에 의해 제1 기판(800a) 상에 조사된다.
도 5는 라디칼을 제2 기판에 조사하는 경우의 기판 접합 장치(10)의 상태를 나타내는 도면이다. 제2 기판(800a)에 질소 라디칼을 조사하는 경우에 제어부(300)는 제2 전극(120)을 접지하는 한편, 제1 전극(110)에 고주파 전압을 인가하도록 제어한다. 즉, 제어부(300)는 제2 전극(120)을 접지함과 동시에, 제1 전극(110)에 고주파 전압을 인가함으로써, 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 간의 공간에 질소 플라즈마를 발생시킨다. 그리고 제2 전극(120)의 개구(121)를 통과한 중성의 질소 라디칼이 제2 기판(800b) 상에 조사된다.
이상과 같이, 본 실시의 형태의 기판 접합 장치(10)는 1대의 장치로 플라즈마의 조사와 라디칼의 조사를 실행할 수 있다. 그리고 이와 같이 산소 플라즈마를 조사하는 단계에 후속하여 질소 라디칼을 조사하도록 한 후, 기판(800a, 800b)을 서로 접촉시킴으로써 제1 기판(800a)과 제2 기판(800b)을 견고하게 접합할 수 있다.
이상과 같이 구성되는 기판 접합 장치(10)를 사용한 기판 접합 방법에 대하여 설명하기로 한다. 여기서는 제1 기판(800a), 제2 기판(800b)으로서 실리콘 기판(Si)을 사용하는 경우를 설명한다.
도 6 내지 도 9는 본 실시의 형태의 기판 접합 방법을 나타내는 도면이다. 또한, 이하의 도 6 내지 도 8의 설명에서는 기판으로서 제1 기판(800a)만을 나타내었지만, 제2 기판(800b)에 대해서도 같은 방법으로 처리됨은 물론이다. 또한, 도 6 내지 도 9에 도시한 예에서는 처리는 예컨대 공기 중 상온에서 실행된다.
도 6은 처리 전의 기판을 나타내는 도면이다. 이 도 6에 도시된 단계에서, 불활성 가스 입자를 제1 기판(800a)의 표면에 조사하여 청정화시켜 두는 것도 가능하다.
이어서, 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 기판(800a)의 표면에 플라즈마를 조사하는 처리(제1의 조사 단계)가 실행된다. 구체적으로는, 제1 기판(800a)의 표면에 산소 플라즈마를 조사하는 처리가 실행된다. 그 결과 제1 기판(800a)의 표면에는 산소 이온이 조사된다. 이와 같은 도 7의 처리에 따라 기판 표면이 분위기 중의 물 성분 등과 반응하고, 제1 기판(800a)의 표면에 수산기(OH기)가 발생하는 것으로 생각된다.
이어서, 도 7의 처리에 연속하여 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 기판(800a)의 표면에 라디칼을 조사하는 처리(제2의 조사 단계)가 실행된다. 구체적으로는, 제1 기판(800a)의 표면에 질소 라디칼을 조사하는 처리가 실행된다. 또한, 도 7에 도시한 제1의 조사 단계와 동시에 도 8에 도시한 제2의 조사 단계를 행할 수도 있고, 제1의 조사 단계가 완료된 후에 제2의 조사 단계를 행할 수도 있다. 또한, 라디칼의 조사는 플라즈마의 조사와의 경우와 달리 전기적으로 중성이며 가속되지 않는 입자 빔의 조사이기 때문에 기판 표면의 손상이 적다.
이어서, 도 9에 도시한 바와 같이, 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 표면을 중첩하고, 필요에 따라 가중한다. 그 결과, 제1 기판(800a)과 제2 기판(800b)을 접합할수 있다.
특히, 상기의 기판 접합 장치(10)를 사용함으로써, 도 7에 도시한 플라즈마 조사의 처리와 도 8에 도시한 라디칼 조사의 처리를 1대의 장치로 연속적으로 실행할 수 있다. 또한 조사 단계에 있어서, 제1 기판(800a)의 표면과 제2 기판(800b)의 표면이 대향된 상태에서 배치되기 때문에, 제1 기판(800a)의 표면과 제2 기판(800b)의 표면을 중첩시킥 때 기판을 180도 반전시키는 조작이 불필요하게 된다.
또한, 산소 플라즈마의 조사와 질소 라디칼의 조사를 병용함으로써 견고한 기판 접합이 실현되는 메카니즘은 상세한 것은 불명확하지만, 가스종(種)으로서 산소와 질소를 병용하는 효과와 플라즈마와 라디칼을 병용하는 효과에 기인하는 것이라 생각된다. 가스종으로서 산소와 질소를 병용함으로써 기판 접합 강도가 높아지는 것은 기판 표면에 산질화물이 형성되는 것과 관계가 있을 가능성이 있다. 또한 플라즈마와 라디칼을 병용함으로써 기판 접합 강도가 높아지는 것은 가속 입자를 포함하고 있어 기판 표면으로의 영향이 강한 플라즈마 조사와 기판 표면으로의 데미지가 적은 라디칼 조사와의 작용에 의해 어떠한 양호한 표면 상태가 실현되는 것과 관계가 있을 가능성이 있다.
<제2의 실시의 형태>
제1의 실시의 형태에서는 제1 기판(800a), 제1 전극(110), 제2 전극(120), 및 제2 기판(800b) 순서로 배치하고, 제1 기판(800a)과 제2 기판(800b)에 동시에 플라즈마 조사하는 경우를 나타내었다. 고효율 프로세스 실현의 관점에서는, 제1의 실시의 형태에 나타낸 처리가 바람직하지만, 본 발명은 이 경우에 한정되는 것은 아니다.
제2의 실시의 형태는 각 기판별로 플라즈마 조사 및 라디칼 조사를 행하는 경우를 나타내고 있다. 제1의 실시의 형태와 같은 부재에는 동일한 부재 번호를 첨부하여 설명하기로 한다. 또한 원료 가스의 공급 및 접합 처리는 제1의 실시의 형태의 경우와 같으므로 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 10은 본 실시의 형태의 기판 접합 장치의 조사 기구의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 10은 제1 기판(800a)에 플라즈마 조사 및 라디칼 조사를 행하는 경우를 나타내고 있는데, 제2 기판(800b)을 처리하는 경우도 마찬가지이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 챔버(100) 내에는 제1 기판(800a), 개구(111)를 갖는 제1 전극(110), 및 제2 전극(120) 순서로 대향 배치된다. 본 실시의 형태에서는 제2 전극은 개구를 가지고 있을 필요가 없다.
플라즈마 조사의 단계에서는 제어부(300)는 제1 전극(110)을 접지함과 동시에 제1 기판(800a)(보다 정확하게는, 기판측 전극)에 고주파 전압을 가하도록 제어한다. 그 결과, 제1 전극(110)과 제1 기판(800a) 간의 공간에서 산소 플라즈마가 발생하고, 이 산소 플라즈마가 제1 기판(800a)의 표면에 조사된다. 한편, 라디칼 조사의 단계에서는, 제어부(300)는 제1 전극(110)을 접지함과 동시에 제2 전극에 고주파 전압을 가하도록 제어한다. 그 결과, 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 간의 공간에서 질소 플라즈마가 발생하고, 질소 플라즈마의 발생에 따라 제1 전극(110)의 개구를 통과한 중성의 질소 라디칼이 제1 기판(800a)에 조사된다.
제1 기판(800a)의 처리가 종료되면, 제2 기판(800b)에 대해서도, 마찬가지로 플라즈마 조사 및 라디칼 조사가 실행된다. 그리고 제1 기판(800a)의 표면과 제2 기판(800b)의 표면을 중첩하고 가중하여 접합한다. 이와 같이 본 실시의 형태에 의해서도 견고한 기판 접합을 실현할 수 있다.
<제3의 실시의 형태>
제1의 실시의 형태 및 제2의 실시의 형태에서는, 플라즈마의 조사 및 라디칼의 조사시에 고주파(RF) 전압을 가함으로써, 산소 플라즈마나 질소 플라즈마를 발생시키는 경우를 나타내었다.
그러나 플라즈마 발생에 이용되는 유도 방출 방식으로서, 고주파(RF) 뿐만 아니라, 저주파, 마이크로파, 헬리콘파, 표면파 등 복수의 방법을 이용해도 됨은 물론이다.
본 실시의 형태에서는 플라즈마 조사시에 고주파(RF) 전압을 가함으로써 플라즈마를 발생시킨다. 한편, 라디칼 조사시에는 마이크로파를 가함으로써 플라즈마를 발생시키고 이 플라즈마가 발생되고 있는 상태에서 소정의 개구를 통과한 라디칼이 기판에 대하여 조사된다. 본 실시의 형태에 있어서, 원료 가스의 공급 및 기판을 서로 중첩하고 가중하는 처리는 제1의 실시의 형태의 경우와 같다. 따라서, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 11은 본 실시의 형태의 기판 접합 장치의 조사 기구의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 11에 도시되어 있는 챔버(100) 내에는 제1 기판(800a), 복수의 개구가 설치된 도전체 플레이트인 제1 전극(110), 및 유전체 플레이트(410) 순서로 배치되어 있다. 유전체 플레이트(410)에는 마이크로파 도파관(420)이 슬롯 안테나부(430)를 통하여 접속되어 있다. 마이크로파 도파관(420)은 예컨대, 2.45GHz 정도의 주파수를 갖는 마이크로파를 슬롯 안테나부(430)를 통하여 유전체 플레이트(410)에 전하는 책임을 맡는다. 그리고 이 유전체 플레이트(420)에 전해진 마이크로파에 의해 플라즈마가 발생한다.
본 실시의 형태의 기판 접합 장치에 의하면, 이하와 같은 처리가 행해진다. 플라즈마 조사의 단계에서는 제2의 실시의 형태의 경우와 같이 제1 전극(110)이 접지됨과 동시에 제1 기판(800a)(구체적으로는, 기판측 전극)에 고주파 전압이 가해진다. 그 결과, 제1 전극(110)과 제1 기판(800a) 간의 공간에서 산소 플라즈마가 발생하고 이 산소 플라즈마가 제1 기판(800a)의 표면으로 조사된다. 예컨대, 고주파 전압으로서 주파수 13MHz, 200V의 전압이 이용된다.
한편, 라디칼 조사의 단계에서는 제1 전극(110)을 접지함과 동시에, 마이크로파 도파관(420)에 의해 마이크로파가 유전체 플레이트(410)에 전달된다. 그 결과, 제1 전극(110)과 유전체 플레이트(420) 간의 공간에서 질소 플라즈마가 발생한다. 그리고 질소 플라즈마의 발생으로 인해 제1 전극(110)의 개구를 통과한 질소 라디칼이 제1 기판(800a)에 조사된다. 도 11은 라디칼 조사의 경우를 모식적으로 나타내고 있다.
본 실시의 형태에 의해서도 산소 플라즈마의 조사에 후속되어 질소 라디칼을 조사할 수 있고, 이러한 조사가 이루어진 제1 기판(800a)의 표면과 제2 기판(800b)의 표면을 중첩하여 밀착시킴으로써 기판을 서로 견고하게 접합할 수 있다.
<제4의 실시의 형태>
상기 제1의 실시의 형태에서는 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)을 이용하여 1대의 장치로 산소 플라즈마의 조사 및 질소 라디칼의 조사를 함께 실행하는 경우를 설명하였다. 본 실시의 형태에서는 1대의 장치에 있어서 산소 플라즈마의 조사 및 질소 라디칼의 조사뿐만 아니라, 아르곤 원자 빔과 같은 불활성 가스 중성 원자 빔도 조사하는 경우를 설명하기로 한다.
도 12는 본 실시의 형태의 기판 접합 장치의 조사 기구의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 12에 도시한 챔버(100) 내에는 제1 기판(800a), 제1 전극(110), 제2 전극(120), 및 제2 기판(800b) 순서로 대향 배치된다. 또한 제1 전극(120) 및 제2 전극에는 각각 복수의 개구(제1 개구(111), 및 제2 개구(121))가 설치되어 있다. 또한 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)을 유지하기 위한 제1 지지부(130) 및 제2 지지부(140)는 각각 제1 기판(800a), 제2 기판(800b)에 전압을 가하기 위한 제1 기판측 전극 및 제2 기판측 전극으로서 기능한다. 이러한 점은 제1의 실시의 형태의 경우와 같다.
본 실시의 형태에 특징적인 구성으로서 챔버(100) 내에는 통상 부재(510)가 준비되어 있고, 통형 부재(510)의 양단을 막도록 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)이 설치되어 있다. 또한, 통형 부재(510)는 금속 등의 도전성 물질로 구성되어 있다. 여기서, 통형 부재(510)와 제1 전극(110)의 사이, 및 통형 부재(510)와 제2 전극(120)의 사이는 각각 절연 부재(520)를 통하여 설치되어 있다. 따라서, 통형 부재(510), 제1 전극(110), 및 제2 전극(120)의 사이는 전기적으로는 분리되어 있다.
또한 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 간의 공간에는 예컨대 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)에 평행하게 연장된 한 쌍의 봉형상의 내부 전극(530)이 설치되어 있다. 보다 구체적으로는, 내부 전극(530)은 제1 전극(110), 제2 전극(120), 및 통형 부재(510)로 닫힌 공간 내에 설치되어 있다. 또한 상기 가스 배관(150) 외에 상기 공간 내로 가스를 도입하기 위한 제2 가스 배관(540)이 설치되어도 된다.
그리고 기판 접합 장치(10)는 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 각각에 대하여, 예컨대 13 MHz 정도의 고주파(RF) 전압을 가하기 위한 전원(210)을 가지고 있다. 또한 기판 접합 장치(10)는 한 쌍의 내부 전극(530)에 직류 전압을 가하기 위한 직류 전원(550)을 더 가지고 있다.
또한 본 실시의 형태의 제어부(300)는 제1 전극(110), 제2 전극(120), 제1 기판(800a), 제2 기판(800b)으로의 전압의 인가 및 접지(그랜드)의 상태를 제어하는 것 뿐만 아니라, 상기 내부 전극(530)으로의 전압의 인가 및 통형 부재(510)의 접지에 대해서도 제어한다.
이 제어부(300)에 의한 제어에 의해 제1 전극(110), 제2 전극(120), 제1 기판(800a), 제2 기판(800b), 내부 전극(530), 및 통형 부재(510)로의 전압의 인가 상태나 접지 상태가 전환된다. 그리고 이 제어부(300)에 의해 플라즈마 조사 처리와 라디칼 조사 처리가 절활될 뿐만 아니라, 불활성 가스 중성 원자 빔의 조사 처리로 전환하는 것도 가능하게 된다. 즉, 본 실시의 형태의 장치는 1대로, 플라즈마 조사 처리, 라디칼 조사 처리, 및 중성 원자 빔의 조사 처리 등 3종류의 조사 처리를 실현할 수 있다. 또한 중성 원자 빔의 조사 처리는 산소 플라즈마 조사 처리 및 질소 라디칼 조사 처리 전에 기판 표면의 청정화를 위해서 행할 수 있다. 이하, 제어부(300)의 제어 내용에 대하여 설명하기로 한다. 또한, 본 실시의 형태에서는 아르곤 중성 원자 빔을 조사하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
(중성 원자 빔의 조사 처리)
도 13은 중성 원자 빔을 조사하는 경우의 조사 기구의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다. 중성 원자 빔을 조사하는 경우 제어부(300)는 상기 내부 전극(530)에 직류 전압을 가함과 동시에 제1 전극(110), 제2 전극(120), 및 통형 부재(510)를 접지하도록 제어한다.
제2 가스 배관을 통해 아르곤 가스가 공급되고 있는 상태에서, 내부 전극(530)에 직류 전압을 가함으로써, 아르곤 가스가 플라즈마 상태가 되고, 아르곤 이온이 발생한다. 그리고 발생한 아르곤 이온이 상기 직류 전압에 따른 전계에 의해 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)으로 나아가 중성화 되어 아르곤 중성 원자 빔이 발생된다. 그리고 발생된 아르곤 중성 원자 빔이 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)에 각각 설치된 개구(111, 112)를 통과하여 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)으로 조사된다.
(플라즈마를 조사하는 처리 및 라디칼을 조사하는 처리)
플라즈마를 조사하는 처리 및 라디칼을 조사하는 처리는 기본적으로 제1의 실시의 형태의 경우와 같다. 이 경우, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)과 통형 부재(510)가 전기적으로 절연되어 있으므로, 통형 부재(510)를 통하여 제1 전극(110)과 제2 전극(120)이 단락되어 버릴 염려는 없다.
이어서, 이상과 같이 구성되는 기판 접합 장치(10)을 이용한 기판 접합 방법을 설명하기로 한다. 우선, 한 쌍의 내부 전극(530)에 직류 전압이 인가됨과 동시에, 제1 전극(110), 제2 전극(120), 및 통형 부재(510)가 접지된다. 그 결과, 내부 전극(530)은 접지된 금속 부재로 덮힌 상태가 된다. 직류 전압에 의해 아르곤 가스는 플라즈마 상태가 되고, 최종적으로 아르곤 중성 원자 빔이 제1 기판(800a, 800b)에 조사된다. 그 결과, 제1 기판(800a, 800b)의 표면이 청정화된다.
이어서, 제1의 실시의 형태에서 나타낸 처리와 같이, 제1 전극(110), 제2 전극(120), 제1 기판(800a), 및 제2 기판(800b)으로의 전압의 인가 상태 및 접지 상태를 전환함으로써, 산소 플라즈마 및 질소 라디칼이 연속적으로 조사된다. 그리고 최종적으로, 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 표면을 중첩하여, 필요에 따라 가중시킨다. 그 결과, 제1 기판(800a)과 제2 기판(800b)를 접합할 수 있다.
본 실시의 형태에 의하면, 산소 플라즈마 및 질소 라디칼의 조사에 이용되는 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)을 중성 원자 빔 발생 기구의 일부로서 겸용할 수 있다. 따라서, 기판(800a, 800b)의 청정화용의 중성 원자 빔 발생원을 별도로 장치할 필요가 없어진다.
<제5의 실시의 형태>
제1의 실시의 형태에서는 제1 전극, 제2 전극, 제1 기판(800a), 및 제2 기판(800b)으로의 전압의 인가 상태 및 접지 상태를 전환함으로써 복수 종류의 입자 빔을 조사하는 경우가 설명되었다. 본 실시의 형태에서는, 제1 전극 및 제2 전극 대신에 유도 결합 플라즈마(ICP) 발생용 코일을 사용하는 경우를 설명하기로 한다.
도 14는 본 실시의 형태의 기판 접합 장치의 조사 기구의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 14에 도시한 챔버(100) 내에는 제1 기판(800a), 코일(610), 제2 기판(800b) 순서로 대향 배치된다. 또한 제1 지지부(130), 제2 지지부(140), 및 가스 배관(150) 등의 구성은 제1의 실시의 형태의 경우와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
코일(610)은 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 평행면을 따라 권취된 것이다. 환언하면, 코일(610)의 권취축은 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)에 수직이 된다. 이러한 코일(610)은 통상 기둥형 코일이라 불리는 것으로, 전선을 수회 혹은 그 이상 권취하여 이루어진 것이다. 코일(610)은 고주파 유도 자계를 발생시키기 위하여 이용된다. 코일(610)은 제1 기판(800a)과 제2 기판(800b)의 중간점 근방에 배치된다.
코일(610)의 지름은 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 지름보다 크게 구성되는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 도 14에 화살표로 나타낸 바와 같이, 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)이 코일(610)에 접촉되지 않고 링형의 코일(610)을 통과할 수 있도록 코일(610)의 지름이 구성되어 있는 것이 바람직하다.
기판 접합 장치(10)는 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 각각에, 예컨대, 13 MHz 정도의 고주파(RF) 전압을 가하기 위한 전원(210)과, 코일(610)에 예컨대 2MHz 정도의 고주파 전압을 가하기 위한 코일용 전원(620)을 갖는다. 그러나 이러한 전원(210) 및 코일용 전원(620) 대신에 다른 주파수의 전압을 가하기 위한 전원을 채용할 수도 있다.
기판 접합 장치(10)는 제1 기판(800a), 제2 기판(800b), 및 코일(610)로의 전압의 인가 및 접지 상태를 제어하기 위한 제어부(300)을 갖고 있다. 이 제어부(300)에 의한 제어에 의해 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)으로의 전압의 인가 및 접지 상태를 전환할 수 있다. 그리고 이 제어부(300)에 의해 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 표면에 RF 플라즈마를 조사하는 처리와, 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 표면에 유도 결합 플라즈마로부터 발생한 이온 및/또는 라디칼을 조사하는 처리를 적절히 전환할 수 있다. 이하, 제어부(300)의 제어 내용에 대하여 설명하기로 한다.
(RF 플라즈마를 조사하는 처리)
도 15는 RF 플라즈마를 조사하는 경우의 기판 접합 장치(10)의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다. RF 플라즈마를 조사하는 경우, 제어부(300)는 상기 코일(610)에 고주파 전압을 가함과 동시에 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)에 전압을 가하도록 제어한다.
코일(610) 근방에서는 후술하는 바와 같이 유도 결합 플라즈마가 발생하고, 자기 바이어스에 의해 코일(610)과 제1 전극(800a)과의 사이, 및 코일(610)과 제2 전극(800b)과의 사이에, 각각 전위차가 발생한다. 그 결과, 코일(610)과 제1 기판(800a) 간의 공간, 및 코일(610)과 제2 기판(800b) 간의 공간에서 각각 RF 플라즈마가 발생한다. 특히, RF 플라즈마는 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 근방에서 발생한다. 그리고 발생한 RF 플라즈마가 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 표면에 조사된다. 바람직하게는 산소 가스를 공급하면서 이상의 처리를 행함으로써, 코일(610)과 제1 기판(800a) 간의 공간, 및 코일(610)과 제2 기판(800b) 간의 공간에서 산소 플라즈마가 발생되고, 산소 플라즈마가 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 표면으로 조사된다.
(유도 결합 플라즈마로부터 발생한 라디칼 및/또는 이온을 조사하는 처리)
도 16은 유도 결합 플라즈마로부터 발생한 라디칼 및/또는 이온을 조사하는 경우의 조사 기구의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
유도 결합 플라즈마로부터 발생한 라디칼 및/또는 이온을 조사하는 경우, 제어부(300)는 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)을 접지함과 동시에, 고주파 전압을 코일(610)에 가하도록 제어한다.
코일(610)에 고주파 전압을 가함으로써 고주파 유도 자계가 발생한다. 그리고 이 고주파 유도 자계에 의해 생기는 유도 전계에 의해 전자가 가속되고, 이에 따라 코일(610) 근방에서 플라즈마(유도 결합 플라즈마)가 발생한다. 그리고 이 유도 결합 플라즈마로부터 발생한 이온 및/또는 라디칼 등이 확산 기구 등에 의해 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 표면으로 조사된다. 바람직하게는 질소를 공급하면서 이상의 처리를 행함으로써, 코일(610) 근방에서 질소 플라즈마가 발생되고, 이 질소 플라즈마로부터 발생한 질소 이온 및/또는 질소 라디칼이 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 표면으로 조사된다.
산소 플라즈마, 및 질소 라디칼 등의 조사가 종료된 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 각 표면을 중첩하여 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)가 접합된다. 이 때, 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)을 제1 지지부(130) 및 제2 지지부(140)에 유지한 채, 제1 지지부(130) 및 제2 지지부(140)를 상하 방향으로 이동하여 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)를 접촉시켜 접합할 수 있다. 이 경우, 코일(610)의 지름이, 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)의 지름보다 크기 때문에, 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)은 코일(610) 내를 통과하여 이동할 수 있다. 따라서, 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)은 코일(610)에 간섭되지 않고, 제1 기판(800a) 및 제2 기판(800b)을 접합할 수도 있다.
이상과 같이 제1 내지 제5의 실시의 형태를 설명하였지만, 이하 본 발명의 작용 효과를 명백하게 하기 위해 실제로 실험을 행한 결과를 실시예로서 나타낸다.
<실시예>
본 실시예는 상기 제3의 실시의 형태에서 설명한 장치(도 11 참조)를 이용하여 행해졌다. 도 17은 본 실시예에서의 인장 강도 시험의 결과를 나타내는 도면이고, 도 18은 기판 접합의 조건을 나타낸다. 기판 접합 조건으로는 도 18에 도시된 바와 같이, 산소의 압력은 30(Pa)로 하고, 질소의 압력은 100(Pa)로 하였다. RF 전압으로는 주파수 13.4 MHz에서 200V의 전압을 사용하였다. 또한 마이크로파의 출력은 2000W로 하였다. 플라즈마 조사 및 라디칼 조사의 처리 시간은 각각 60초로 하였다.
도 17에는 본 실시예 외에 비교예를 나타내었다. 구체적으로는 (1) 산소 라디칼 조사만의 경우, (2) 질소 라디칼 조사만의 경우, (3) 산소 플라즈마 조사만의 경우, (4) 질소 플라즈마 조사만의 경우, (5) 아르곤 이온 빔 조사만의 경우, (6) 질소 플라즈마 조사 후에 산소 라디칼 조사의 경우, (7) 질소 플라즈마 조사 후에 산소 플라즈마 조사의 경우, (8) 산소 라디칼 조사 후에 질소 라디칼 조사의 경우, (9) 산소 플라즈마 조사 후에 질소 플라즈마 조사의 경우(「비교 실시예 1)로 한다), (10) 산소 플라즈마 조사 후에 질소 라디칼 조사의 경우(「가장 바람직한 실시예)로 한다), (11) 산소와 질소를 혼합하여 플라즈마 조사한 경우(「비교 실시예 2)라 한다), (12) 산소와 질소를 혼합하여 라디칼 조사한 경우가 나타나 있다.
도 17 중에 있어서 「접착제 한계」라고 하는 기재는 접합한 기판이 서로 박리되기 전에 인장 강도 시험기와 기판을 결합하는 접착제 부분이 해리된 경우를 나타내고, 기판이 서로 견고하게 접합되어 있는 경우에 발생한다. 또한 도 17 중, 「×」라고 기입되어 있는 부분은 접합할 수 없었던 경우를 나타내고 있다.
도 17에 도시한 바와 같이, (10) 산소 플라즈마 조사 후에 질소 라디칼 조사한 경우(「가장 바람직한 실시예)의 경우)는 기판이 서로 가장 견고하게 접합되어 있고, 18.9MPa 및 20MPa의 강도 이상으로 인장된 경우라 하더라도 기판끼리 박리가 발생하지 않았다.
또한 (9) 산소 플라즈마 조사 후에 질소 플라즈마 조사한 경우(「비교 실시예 1)의 경우), 및 (11) 산소와 질소를 혼합하여 플라즈마 조사한 경우(「비교 실시예 2)의 경우), 상기 가장 바람직한 실시예의 경우와 비교하여 떨어지지만, 기판이 서로 비교적 견고하게 접합되는 것을 알 수 있었다.
한편, 산소 플라즈마 또는 질소 플라즈마를 단독으로 조사한 경우나, 산소 라디칼 또는 질소 라디칼을 단독으로 조사한 경우에는 접합되지 않았다. 또한 질소 플라즈마나 질소 라디칼의 조사를 산소 플라즈마나 산소 라디칼의 조사에 앞서 행한 경우에도 견고한 접합은 얻어지지 않았다.
이상의 결과로부터, 산소 플라즈마의 조사 단계와 동시 또는 후속되며 질소 라디칼 또는 질소 플라즈마를 조사한 후, 기판을 서로 중첩함으로써, 비교적 견고한 기판 접합을 실현할 수 있음이 명백해졌다. 여기서 「동시」에 조사하는 경우에는, 산소와 질소를 혼합하여 플라즈마 조사 등을 실행하는 경우(상기 비교 실시예 2의 경우)가 포함된다.
이상과 같이, 플라즈마 조사와 동시 또는 후속하여 라디칼 조사를 행함으로써, 다른 경우와 비교하여 견고한 기판 접합을 실현할 수 있음이 명백하게 되었다. 특히, 산소 플라즈마 조사 단계가 종료된 후에 연속적으로 질소 라디칼 조사 단계를 실행한 경우, 가장 우수한 접합을 얻을 수 있음이 명백하게 되었다.
이상의 설명에 의하면, 산소 입자 빔의 조사 단계와 동시 또는 후속하여 질소 입자 빔을 조사한 후 기판을 서로 중첩함으로써 기판을 서로 접합한다고 하는 신규 기판 접합 기술이 개시되었다. 다른 관점에 의하면, 플라즈마 조사와 동시 또는 후속하여 라디칼 조사를 행하고, 기판을 서로 중첩함으로써 기판을 서로 접합한다고 하는 신규 기판 접합 기술이 개시되었다고도 할 수 있다. 특히, 효과적인 기판 접합 기술로서 산소 플라즈마의 조사 단계가 종료된 후에 연속적으로 질소 라디칼을 조사하여 기판을 서로 중첩시키는 기판 접합 기술이 개시되었다.
또한 기판에 플라즈마 및 라디칼을 조사하기 위하여 제1 내지 제5의 실시의 형태에서 사용된 구성은 그 자체가 신규한 조사 장치 및 조사 방법으로서 기판 접합 분야에 한정되지 않고 폭넓은 이용이 기대된다. 특히, 제1 전극, 제2 전극 및 기판으로의 전압의 인가 및 접지 상태를 제어하는 것만으로 동일한 장치로 플라즈마 조사와 라디칼 조사를 모두 간편하게 실현할 수 있으므로 유용성이 높다.
이상과 같이, 본 발명의 바람직한 실시의 형태에 대하여 설명하였지만, 당업자에 의해 다양한 생략, 추가 및 변경이 가능함은 물론이다.
예컨대, 상기 실시의 형태에서는 기판을 접합시키는 처리를 실온, 대기 중에서 실행하는 경우를 나타내었지만, 본 발명은 이 경우에 한정되지 않는다. 예컨대, 기판을 접합시키는 처리를 진공 중에서 실행할 수도 있다. 실험에 의하면, 실리콘 기판간의 접합을 진공 중에서 실행한 경우(100℃, 7시간), 27.3 MPa 이상의 강도로 인장한 경우에도 기판간의 박리는 발생하지 않고 견고한 접합이 얻어졌다.
또한 상기 실시의 형태에서는 기판으로서 실리콘 기판을 이용하였지만, 다른 종류의 기판의 접합에도 본 발명을 이용할 수 있음은 물론이다. 예컨대, 실험에 의하면, 실리콘 기판의 표면에 500nm 두께의 열산화막(SiO2)을 형성한 기판을 접합한 경우에도 견고한 접합이 가능하다고 하는 결과가 얻어졌다. 구체적으로는 산소 플라즈마 조사 후에 질소 라디칼을 조사한 경우에는 25.6MPa 이상의 강도로 인장한 경우에도 기판간의 박리는 일어나지 않는다고 하는 결과가 얻어졌다(접착제의 해리 시점까지 기판간의 박리는 일어나지 않았다). 또한 산소와 질소를 혼합한 플라즈마 조사의 경우에는 13.5MPa 및 7.45MPa로 기판 표면의 박리가 일어났지만 비교적 견고한 접합이 얻어졌다.
이상과 같이, 플라즈마 조사와 라디칼 조사를 병용한 새로운 기판 접합 기술에 의해 종래의 플라즈마 어시스트 본딩 기술에서는 달성할 수 없었던 수준의 견고한 기판 접합을 완수할 수 있다. 따라서, 본 발명은 반도체, 세라믹스, 산화물, 또는 금속 등의 각 기판의 접합에 널리 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1의 실시의 형태의 기판 접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 기판 접합 장치에 있어서의 조사 기구의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 플라즈마를 조사하는 경우에 있어서의 도 2의 조사 기구의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 라디칼을 제1 기판에 조사하는 경우에 있어서의 도 2의 조사 기구의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 라디칼을 제2 기판에 조사하는 경우에 있어서의 도 2의 조사 기구의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 9는 도 1의 기판 접합 장치를 사용한 기판 접합 방법을 나타내는 모식도이다.
도 10은 제2의 실시의 형태의 기판 접합 장치에 있어서의 조사 기구의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 제3의 실시의 형태의 기판 접합 장치에 있어서의 조사 기구의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 제4의 실시의 형태의 기판 접합 장치에 있어서의 조사 기구의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 13은 중성 원자 빔을 조사하는 경우에 있어서의 도 12의 조사 기구의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 14는 제5의 실시의 형태의 기판 접합 장치에 있어서의 조사 기구의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 15는 RF 플라즈마를 조사하는 경우에 있어서의 도 14의 조사 기구의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 16은 유도 결합 플라즈마로부터 발생한 이온 및/또는 라디칼을 조사하는 경우에 있어서의 조사 기구의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 17은 실시예에 있어서의 인장 강도 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 18은 실시예에 있어서의 기판 접합 실험 조건을 나타내는 도면이다.

Claims (19)

  1. 각 기판의 표면에 산소 입자 빔을 조사하는 제1의 조사 단계;
    상기 제1의 조사 단계와 동시 또는 후속되며 각 기판의 표면에 질소 입자 빔을 조사하는 제2의 조사 단계; 및
    상기 제1 및 제2의 조사 단계 후 각 기판의 표면을 중첩하여 접합시키는 단계를 포함하는 복수의 기판을 서로 접합시키는 기판 접합 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1의 조사 단계는 산소 플라즈마를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제2의 조사 단계는 질소 라디칼을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1의 조사 단계 전에 불활성 가스 중성 원자 빔을 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1의 조사 단계, 제2의 조사 단계, 및 접합 단계는 진공 상태에서 실행되는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 기판, 개구를 갖는 제1 전극, 및 제2 전극 순서로 대향 배치하는 단계를 더 포함하는 기판 접합 방법으로서,
    상기 제1의 조사 단계는,
    상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 기판에 고주파 전압을 가하여 당해 제1 전극과 당해 기판 간의 공간에서 산소 플라즈마를 발생시키고, 발생된 산소 플라즈마를 기판의 표면으로 조사하는 단계를 포함하며, 또한
    상기 제2의 조사 단계는,
    상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 제2 전극에 고주파 전압을 가하여 당해 제1 전극과 당해 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시키고, 당해 질소 플라즈마의 발생에 기인하여 상기 제1 전극의 상기 개구를 통과한 질소 라디칼을 기판의 표면으로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 공간에 설치된 내부 전극에 전압을 가함과 동시에 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 접지하고, 상기 제1 전극의 상기 개구를 통과한 불활성 가스 중성 원자 빔을 상기 기판의 표면으로 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 제1 기판, 제1 개구를 갖는 제1 전극, 제2 개구를 갖는 제2 전극, 및 제2 기판 순서로 대향 배치하는 단계를 더 포함하는 기판 접합 방법으로서,
    상기 제1의 조사 단계는,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 접지함과 동시에 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판에 고주파 전압을 가하고, 당해 제1 전극과 당해 제1 기판 간의 공간, 및 당해 제2 전극과 당해 제2 기판 간의 공간에서 산소 플라즈마를 발생시키며, 당해 산소 플라즈마를 제1 기판 및 제2 기판의 표면에 동시에 조사하는 단계를 포함하며,
    상기 제2의 조사 단계는,
    상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 제2 전극에 고주파 전압을 가하고, 당해 제1 전극과 당해 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시키며, 당해 질소 플라즈마의 발생에 기인하여 상기 제1 전극의 상기 제1 개구를 통과한 질소 라디칼을 제1 기판의 표면으로 조사하는 단계, 및
    상기 제2 기판을 접지함과 동시에 상기 제1 전극에 고주파 전압을 가하고, 당해 제1 전극과 당해 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시키며, 당해 질소 플라즈마의 발생에 기인하여 상기 제2 전극의 상기 제2 개구를 통과한 질소 라디칼을 제2 기판의 표면으로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 기판 및 코일을 대향 배치하는 단계를 더 포함하는 기판 접합 방법으로서,
    상기 제1의 조사 단계는,
    상기 기판 및 상기 코일의 각각에 고주파 전압을 가하고, 상기 기판과 상기 코일 간의 공간에서 산소 플라즈마를 발생시키고, 당해 산소 플라즈마를 기판의 표면으로 조사하는 단계를 포함하며,
    상기 제2의 조사 단계는,
    상기 기판을 접지함과 동시에 상기 코일에 고주파 전압을 가하고, 상기 코일 근방에서 질소를 가스종으로 하여 유도 결합 플라즈마를 발생시키고, 당해 유도 결합 플라즈마에 기인하여 발생한 질소 이온 및/또는 질소 라디칼을 상기 기판의 표면으로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 제1 기판, 코일, 제2 기판 순서로 대향 배치하는 단계를 더 포함하는 기판 접합 방법으로서,
    상기 제1의 단계는,
    상기 제1 기판, 상기 제2 기판, 및 상기 코일의 각각에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 기판과 상기 코일 간의 공간, 및 상기 제2 기판과 상기 코일의 사이의 공간에서 산소 플라즈마를 발생시키고, 당해 산소 플라즈마를 제1 기판 및 제2 기판의 표면으로 조사하는 단계를 포함하며,
    상기 제2의 단계는,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판을 접지함과 동시에, 상기 코일에 고주파 전압을 가하고, 코일 근방에서 질소를 가스종으로 하여 유도 결합 플라즈마를 발생시키고, 당해 유도 결합 플라즈마에 기인하여 발생한 질소 이온 및/또는 질소 라디칼을 제1 기판 및 제2 기판의 표면으로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  11. 각 기판의 표면에 플라즈마를 조사하는 제1의 조사 단계;
    상기 제1의 조사 단계와 동시 또는 후속되며 각 기판의 표면에 라디칼을 조사하는 제2의 조사 단계; 및
    상기 제1 및 제2의 조사 단계 후 각 기판의 표면을 중첩하여 접합시키는 접합 단계를 포함하는 복수의 기판을 서로 접합시키는 기판 접합 방법.
  12. 기판, 개구를 갖는 제1 전극, 및 제2 전극 순서로 대향 배치하는 단계;
    상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 기판에 고주파 전압을 가하고, 당해 제1 전극과 당해 기판 간의 공간에서 플라즈마를 발생시키고, 당해 플라즈마를 기판에 조사하는 단계; 및
    상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 제2 전극에 고주파 전압을 가하고, 당해 제1 전극과 당해 제2 전극 간의 공간에서 플라즈마를 발생시키며, 당해 플라즈마의 발생으로 인해 상기 제1 전극의 상기 개구를 통과한 라디칼을 기판에 조사하는 단계를 포함하는 기판에 플라즈마 및 라디칼을 조사하는 조사 방법.
  13. 각 기판의 표면에 산소 입자 빔을 조사하는 제1의 조사 유닛;
    상기 산소 입자 빔의 조사와 동시 또는 후속되며 각 기판의 표면에 질소 입자 빔을 조사하는 제2의 조사 유닛; 및
    상기 산소 입자 빔 및 상기 질소 입자 빔이 조사된 각 기판의 표면을 중첩하여 접합시키는 접합 유닛을 포함하는 복수의 기판을 서로 접합시키는 기판 접합 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제1의 조사 유닛은 산소 플라즈마를 조사하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제2의 조사 유닛은 질소 라디칼을 조사하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 장치.
  16. 기판, 개구를 갖는 제1 전극, 및 제2 전극 순서로 대향 배치되는 챔버;
    산소 플라즈마 및 질소 라디칼의 각각의 원료 가스를 상기 챔버 내로 공급하는 배관;
    기판, 제1 전극, 및 제2 전극의 전기 접속 상태를 제어하는 제어 유닛; 및
    상기 산소 플라즈마 및 질소 라디칼이 조사된 복수의 기판의 표면을 중첩하여 접합시키는 접합 유닛을 포함하는 기판 접합 장치로서,
    상기 제어 유닛은,
    산소 플라즈마를 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 기판에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 기판 간의 공간에서 산소 플라즈마를 발생시키며, 당해 산소 플라즈마를 기판의 표면으로 조사하며,
    질소 라디칼을 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 제2 전극에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시켜 질소 플라즈마의 발생으로 인하여 상기 제1 전극의 상기 개구를 통과한 질소 라디칼을 기판의 표면으로 조사하는 복수의 기판을 서로 접합시키는 기판 접합 장치.
  17. 제1 기판, 제1 개구를 갖는 제1 전극, 제2 개구를 갖는 제2 전극, 및 제2 기판 순서로 대향 배치되는 챔버;
    산소 플라즈마 및 질소 라디칼의 각각의 원료 가스를 상기 챔버 내로 공급하는 배관;
    제1 기판, 제1 전극, 제2 전극, 및 제2 기판의 전기 접속 상태를 제어하는 제어 유닛; 및
    상기 산소 플라즈마 및 질소 라디칼이 조사된 복수의 기판의 표면을 중첩하여 접합시키는 접합 유닛을 포함하는 기판 접합 장치로서,
    상기 제어 유닛은,
    산소 플라즈마를 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 접지함과 동시에 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 제1 기판 간의 공간, 및 상기 제2 전극과 상기 제2 기판 간의 공간에서 산소 플라즈마를 발생시켜 당해 산소 플라즈마를 제1 기판 및 제2 기판의 표면으로 조사하고,
    제1 기판 표면에 질소 라디칼을 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 제2 전극에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시켜 당해 질소 플라즈마의 발생으로 인해 상기 제1 전극의 상기 제1 개구를 통과한 질소 라디칼을 상기 제1 기판의 표면으로 조사하며, 또한
    제2 기판 표면에 질소 라디칼을 조사하는 경우에는, 상기 제2 전극을 접지함과 동시에 상기 제1 전극에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시켜 당해 질소 플라즈마의 발생으로 인해 상기 제2 전극의 상기 제2 개구를 통과한 질소 라디칼을 상기 제2 기판의 표면으로 조사하는 복수의 기판을 서로 접합시키는 기판 접합 장치.
  18. 기판, 개구를 갖는 제1 전극, 제2 전극 순서로 대향 배치되는 챔버;
    산소 플라즈마 및 질소 라디칼의 각각의 원료 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 배관; 및
    기판, 제1 전극, 및 제2 전극의 전기 접속 상태를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 조사 장치로서,
    상기 제어 유닛은,
    산소 플라즈마를 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 기판에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 기판 간의 공간에서 산소 플라즈마를 발생시켜 당해 산소 플라즈마를 기판의 표면으로 조사하며, 또한
    질소 라디칼을 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 제2 전극에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시켜 질소 플라즈마의 발생으로 인해 상기 제1 전극의 상기 개구를 통과한 질소 라디칼을 기판의 표면으로 조사하는 기판에 플라즈마 및 라디칼을 조사하는 조사 장치.
  19. 제1 기판, 제1 개구를 갖는 제1 전극, 제2 개구를 갖는 제2 전극, 및 제2 기판 순서로 대향 배치되는 챔버;
    산소 플라즈마 및 질소 라디칼의 각각의 원료 가스를 상기 챔버 내로 공급하는 배관; 및
    제1 기판, 제1 전극, 제2 전극, 및 제2 기판의 전기 접속 상태를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 조사 장치로서,
    상기 제어 유닛은,
    산소 플라즈마를 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 접지함과 동시에 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 제1 기판 간의 공간, 및 상기 제2 전극과 상기 제2 기판 간의 공간에서 산소 플라즈마를 발생시켜 당해 산소 플라즈마를 제1 기판 및 제2 기판의 표면으로 조사하고,
    제1 기판 표면에 질소 라디칼을 조사하는 경우에는, 상기 제1 전극을 접지함과 동시에 상기 제2 전극에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시켜 당해 질소 플라즈마의 발생으로 인해 상기 제1 전극의 상기 제1 개구를 통과한 질소 라디칼을 상기 제1 기판의 표면으로 조사하며, 또한
    제2 기판 표면에 질소 라디칼을 조사하는 경우에는, 상기 제2 전극을 접지함과 동시에 상기 제1 전극에 고주파 전압을 가하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 공간에서 질소 플라즈마를 발생시켜 당해 질소 플라즈마의 발생으로 인해 상기 제2 전극의 상기 제2 개구를 통과한 질소 라디칼을 상기 제2 기판의 표면으로 조사하는 기판에 플라즈마 및 라디칼을 조사하는 조사 장치.
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