接合方法およびこの方法により作成されるデバイス並びに接合装置
【課題】被接合物にダメージを与えることなく、被接合物を接合することができる接合方法およびその方法により作成されたデバイス並びにその接合装置を提供することを目的とする。
【解決手段】基板２２の表面に形成された金からなる接合部２２ａの表面に、洗浄部においてプラズマによるエネルギー波を照射し、表面に形成された酸化膜等を除去して表面活性化処理を行う。その後、チップ２０に形成された断面尖形形状を有する金属バンプ２０ａと、接合部２２ａを接地して加圧する。加圧により、金属バンプ２０ａは押し潰されて新生面が露出するため、金属バンプ２０ａは接合部２２ａに接合される。なお、金属バンプ２０ａは、チップ２０の接合面から金属バンプ２０ａの先端までの高さが２０〜９０％の高さとなるように、加圧力を５０〜７００ＭＰａとすることにより、チップ２０および基板２２へのダメージを与えることなく、かつ、接合強度が大きく電気的に精度の高い接合を行うことができる。
【解決手段】基板２２の表面に形成された金からなる接合部２２ａの表面に、洗浄部においてプラズマによるエネルギー波を照射し、表面に形成された酸化膜等を除去して表面活性化処理を行う。その後、チップ２０に形成された断面尖形形状を有する金属バンプ２０ａと、接合部２２ａを接地して加圧する。加圧により、金属バンプ２０ａは押し潰されて新生面が露出するため、金属バンプ２０ａは接合部２２ａに接合される。なお、金属バンプ２０ａは、チップ２０の接合面から金属バンプ２０ａの先端までの高さが２０〜９０％の高さとなるように、加圧力を５０〜７００ＭＰａとすることにより、チップ２０および基板２２へのダメージを与えることなく、かつ、接合強度が大きく電気的に精度の高い接合を行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属接合部を有する複数の被接合物を常温接合する接合技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の被接合物の接合方法として、被接合物の接合表面に原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波を照射することにより、接合表面に形成された酸化膜や有機物の付着層を除去して活性化し、接合表面の金属等の原子が引き合う現象を利用して被接合物の接合を行う方法がある。
【０００３】
このような接合方法の一例として、特許文献１では、金属からなる接合部を有する両被接合物の表面に、プラズマによるエネルギー波を照射して表面活性化処理を行った後、低真空中または大気中で両被接合物の接合部どうしを衝合させ、加圧を行っている。それによって、表面活性化処理後に両被接合物表面に再付着した酸化膜や有機物付着層が押し破られて新生面が露出する。そして、金属原子のダングリングボンドが接合表面に生成して、ダングリングボンド同士が接合されて両被接合物の接合が行われるという方法である。
【０００４】
【特許文献１】特許第３７９０９９５号公報（段落０００８〜００１０、０１６５、図１９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の方法における接合装置では、両被接合物をプラズマによるエネルギー波によって表面活性化処理した後接合を行うため、エネルギー波の照射により被接合物にイオン等による電気的なダメージを与えるおそれがある。また、被接合物の硬度によっては、エネルギー波により被接合物表面が大きく削られ、機械的ダメージを与えるおそれもある。そのため、特許文献１の方法における接合装置は、センシング素子、例えば受光素子等エネルギー波によるダメージを受けるおそれがある被接合物を基板に接合するような場合には適しておらず、これらの被接合物に対してもダメージを与えることなく接合を行うことができる接合装置の実現が望まれる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被接合物にダメージを与えることなく被接合物を接合することができる接合方法およびその方法により作成されたデバイス並びにその接合装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明にかかる接合方法は、一方の被接合物の接合面に断面尖形形状を有する金属接合部を形成し、他方の被接合物の接合面に金からなる接合部を形成して、前記両被接合物どうしを、前記他方の被接合物の前記接合部をエネルギー波で表面活性化処理した後、前記一方の被接合物の前記金属接合部と前記他方の被接合物の前記接合部とを衝合させ、前記一方の被接合物の接合面から前記金属接合部先端までの高さが、２０％〜９０％の高さとなる加圧力で加圧して前記金属接合部を押しつぶして接合することを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
また、本発明にかかる接合方法は、前記エネルギー波がプラズマであることを特徴としている（請求項２）。
【０００９】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物に形成した前記金属接合部が金属バンプであることを特徴としている（請求項３）。
【００１０】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物に形成した前記金属接合部が、当該被接合物の所定領域を囲んで形成した金属枠体であることを特徴としている（請求項４）。
【００１１】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物の前記金属枠体および前記他方の被接合物の前記接合部の衝合、加圧を真空中で行うことにより、前記一方の被接合物と前記他方の被接合物の間の前記金属枠体によって囲まれる空間を真空封止することを特徴としている（請求項５）。
【００１２】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物の前記金属枠体および前記他方の被接合物の前記接合部の衝合、加圧を封入ガス中で行うことにより、前記一方の被接合物と前記他方の被接合物の間の前記金属枠体によって囲まれる空間に前記封入ガスを封入することを特徴としている（請求項６）。
【００１３】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物の前記金属接合部が金めっきで形成されていることを特徴としている（請求項７）。
【００１４】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物に形成した一の前記金属接合部あたりの前記加圧力が５０ＭＰａ〜７００ＭＰａとなるように加圧することを特徴としている（請求項８）。
【００１５】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物がセンシング素子であることを特徴としている（請求項９）。
【００１６】
また、請求項１ないし９に記載の接合方法により形成されるデバイスは、半導体デバイス、光デバイスまたはＭＥＭＳデバイスからなることを特徴としている（請求項１０）。
【００１７】
また、上記課題を解決するために、本発明にかかる接合装置は、ヘッドおよびステージに保持した被接合物どうしを接合する接合装置において、いずれか一方の前記被接合物の接合面に断面尖形形状を有する金属接合部を形成し、他方の前記被接合物の接合面に金からなる接合部を形成しておいた前記両被接合物どうしを、前記一方の被接合物の前記金属接合部と前記他方の被接合物の前記接合部とを衝合させ、前記一方の被接合物の接合面から前記金属接合部先端までの高さが、つぶれて２０％〜９０％の高さとなる加圧力で加圧する加圧制御手段を備え、前記加圧制御手段は、前記他方の被接合物の前記接合部がエネルギー波で表面活性化処理された前記両被接合物どうしを加圧して前記一方の被接合物の前記金属接合部を押しつぶして前記両被接合物どうしを接続することを特徴としている（請求項１１）。
【００１８】
また、本発明にかかる接合装置は、前記加圧制御手段は、前記一方の被接合物に形成した一の前記金属接合部あたりの前記加圧力が５０ＭＰａ〜７００ＭＰａとなるように加圧することを特徴としている（請求項１２）。
【００１９】
また、本発明にかかる接合装置は、前記表面活性化処理を行うエネルギー波照射手段をさらに備えたことを特徴としている（請求項１３）。
【００２０】
また、本発明にかかる接合装置は、前記エネルギー波照射手段はプラズマを発生させることを特徴としている（請求項１４）。
【発明の効果】
【００２１】
本願発明者は、一方の被接合物の接合面に形成された金属接合部は断面尖形形状を有し、加圧によって押し潰しやすい形状を成しており、このような金属接合部の高さが２０〜９０％となる範囲で金属接合部を押し潰せば、酸化膜や有機物の付着層を確実に除去しながら新生面を出すことができ、かつ、他の金属接合部と接触することもなく電気的信頼性のよい接合が可能であることを実験的に見出した。したがって、請求項１、１１に記載の発明によれば、前記断面尖形形状を有する金属接合部を一方の被接合物の接合面から金属接合部の先端までの高さが２０〜９０％となる範囲で押し潰すことにより、酸化膜や有機物の付着層を押し破ることができ、その結果断面尖形形状を有する金属接合部に関しては、接合前のプラズマ等のエネルギー波による表面活性化処理を省略することができて工程の簡略化を図ることができる。
【００２２】
また、他方の被接合物の接合面に形成された接合部は、大気中で酸化されない金によって形成されているため、表面活性化後には接合部の表面に酸化膜や有機物が再付着して層が形成されることはほとんどなく、良好な接合を行うことができる。また、有機物などが再付着して層が形成されたとしても、接合部が表面活性化処理された後一定時間内であれば、その再付着層の厚さは薄いので、断面尖形形状を有する金属接合部と金からなる接合部を衝合して加圧することによって、断面尖形形状を有する金属接合部と金からなる接合部の界面のすべりにより再付着層が効率よく削り取られ、信頼性の高い接合が行われる。
【００２３】
請求項２、１４に記載の発明によれば、金からなる接合部の表面活性化処理を行うためのエネルギー波がプラズマであるため、真空度が１０−２Ｔｏｒｒ程度の低真空の空間で接合部の表面活性化処理を行うことができる。そのため、表面活性化処理を行うための装置構成は、簡易な設備で済み、装置のコンパクト化、コストダウン化が可能となる。
【００２４】
請求項３の発明によれば、一方の被接合物の断面尖形形状を有する金属接合部として金属バンプが形成されているので、金属バンプを加圧によって押し潰して他方の被接合物の接合部と接合することにより、微細電極を有する基板や高精度な実装が要求される接合等において、一方の被接合物と他方の被接合物を高精細に接合することができる。
【００２５】
請求項４の発明によれば、一方の被接合物の接合面には接合部として断面尖形形状を有する金属枠体が形成されているので、金属枠体を加圧によって押し潰して他方の被接合物の接合部と接合することにより、両被接合物の接合面と金属枠体で囲まれる空間を所定の雰囲気で封止することができる。したがって、両被接合物の接合面と金属枠体で囲まれる空間に表面弾性波デバイスやＲＦデバイスといった半導体デバイス、機械的な可動部分を有するＭＥＭＳデバイス等のデバイスの本体部が配設されているときには、デバイス等を外部刺激から保護することができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、両被接合物の接合部を真空中で接合することにより、両被接合物の接合面と金属枠体で囲まれる空間を、容易に真空雰囲気に封止することができる。また、他方の被接合物の接合部の表面活性化処理と両被接合物の接合部の接合を同一チャンバー内で行うとすれば、表面活性化処理後にチャンバーから反応ガスを排出して真空雰囲気としてそのまま接合することができるので、チャンバーの開閉や再度の真空引き等の手順を省略することができ、効率よく接合を行うことができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、両被接合物の接合部を封入ガス中で接合することにより、両被接合物の接合面と金属枠体で囲まれる空間に、容易に封入ガスを封入することができる。また、例えばエネルギー波にＡｒプラズマを使用し、封入ガスもＡｒを使用する場合には、Ａｒプラズマによるエネルギー波によって他方の被接合物の接合部の表面活性化処理を行った後、表面活性化処理で利用したＡｒ雰囲気をそのまま接合の際にも使用できるため、効率よく接合を行うことができる。
【００２８】
請求項７に記載の発明によれば、金属接合部が金めっきによって形成されるため、結晶性が良く、金属接合部と金からなる接合面との金属同士が結合しやすい。さらに、接合部と同じ材料である金を金属接合部の材料として使用するため、大気中で酸化膜の形成がされず、薄く有機物などの再付着層が形成されたとしても、硬度が低いので加圧によって容易に押し潰すことができ、新生面が現れる。したがって、接合強度の大きい良好な接合を行うことができる。
【００２９】
本願発明者は、一方の被接合物に形成された一の前記金属接合部あたりの加圧力が５０〜７００ＭＰａの範囲内であれば、金属の種類や加圧の速さ等の条件に関わらず、金属接合部の高さは２０〜９０％の範囲の高さとなることを実験的に見出した。したがって、請求項８、１２に記載の発明によれば、前記一方の被接合物に形成された一の前記金属接合部あたりの加圧力が５０〜７００ＭＰａとなるように加圧を行うことにより、接合強度が大きく、かつ、被接合物にダメージ等がない良好な接合を行うことができる。また、加圧力においても、例えば断面尖形形状を有していない金属バンプ同士を接合する場合に比べ低加圧化が可能となる。
【００３０】
請求項９に記載の発明によれば、プラズマによるダメージ等を受けやすいセンシング素子、例えば受光素子を一方の被接合物とした場合でも、断面尖形形状を有する金属接合部を形成した一方の被接合物である受光素子にはエネルギー波による表面活性化処理が行われないので、受光素子にダメージ等を与えることなく、受光素子を他方の被接合物の接合部に接合することができる。
【００３１】
請求項１０に記載の発明によれば、例えば一方の被接合物がプラズマ等によるエネルギー照射によりダメージを受けやすいセンシング素子であっても被接合物にダメージを受けることなく形成され、また、低温で接合することにより熱による損傷を防止され、かつ、アライメント精度が高いデバイスを提供することができる。
【００３２】
請求項１３に記載の発明によれば、接合装置に表面活性化処理を行うエネルギー波照射手段を備えるため、他方の被接合物の接合部の表面活性化処理と、断面尖形形状を有する金属接合部が形成された一方の被接合物および他方の被接合物の接合動作を、連続して１つの装置で行うことができる。したがって、前記接合部の表面活性化処理を行った後接合を行うまでの時間を短縮することができ、表面活性化処理後、有機物等が前記接合部に再付着するのを防止することが可能になる。また、一連の接合動作を１つの装置で行うことができるので簡便であり、装置をコンパクト化することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（第１実施形態）
以下に本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明にかかる接合装置の一実施形態の概略構成図、図２は接合過程を表す図、図３は接合時の接合界面での結晶方向の回転模式図、図４はバンプ高さと接合強度との関係を示す図、図５はチップの一部と金属バンプを拡大して示した斜視図である。なお、図１に示す本発明にかかる装置構成では、一方の被接合物であるチップ２０の接合面に形成された断面尖形形状を有する金属接合部としての金属バンプ２０ａと他方の被接合物である基板２２の接合面に形成された金からなる接合部２２ａを大気中で接合するための装置を例として挙げる。
【００３４】
本実施形態における接合装置は、図１に示すように、上下駆動機構２５とヘッド部２６を合わせた接合機構２７とステージ１０とステージテーブル１２からなる実装機構２８、位置認識部２９、搬送部３０、制御装置３１、洗浄部４０を備えている。また、接合機構２７は、上下駆動機構２５と、ヘッド部２６とを備え、上下駆動機構２５は上下駆動モータ１とボルト・ナット機構２により、上下ガイド３でガイドされながらヘッド保持部６を上下動できるように構成されている。そして、接合機構２７はフレーム３４に結合されて、フレーム３４はヘッド部２６の加圧中心の周辺を囲むように配設された４本の支柱１３により架台３５と連結されている。なお、支柱１３およびフレーム３４の一部は図示省略している。
【００３５】
ヘッド保持部６は、ヘッド逃がしガイド５で上下方向にガイドされ、自重をキャンセルするための自重カウンター４に牽引された状態でボルト・ナット機構２に連結されている。そして、このヘッド保持部６にヘッド部２６が結合されている。
【００３６】
また、ヘッド保持部６には加圧力検出手段３２が配設されており、先端ツール９とステージ１０との間に挟持されたチップ２０、基板２２等の被接合物への加圧力が検出できるように構成されている。したがって、加圧力検出手段３２により検出された被接合物に対する加圧力に基づいて、制御装置３１により上下駆動機構２５を制御して、被接合物への加圧力を制御することができる。
【００３７】
また、ヘッド部２６は、チップ２０を吸着保持するチップ保持ツール８と先端ツール９、平行移動、回転移動の移動軸を持った位置補正を行うヘッド側アライメントテーブル７、それらを支えるヘッド保持部６により構成されている。なお、ヘッド部２６の高さはヘッド部高さ検出手段２４によって検出することができる。
【００３８】
実装機構２８は、基板２２を保持するステージ１０と、チップ２０に対する基板２２の位置を調整するために平行・回転移動自在な移動軸を有するステージテーブル１２とを備えている。また、ステージ１０は、基板２２を保持するための保持機構（図示せず）を備えている。ここで、チップ保持ツール８およびステージ１０の保持機構として、真空吸着あるいは静電吸着を利用したものを用いるとよい。また、ステージ１０上に基板２２を置くだけとしてもよい。また、チップ保持ツール８の内部には加熱用ヒータ（図示せず）が埋設されており、ステージ１０内部にはステージヒータ１１が内蔵されている。
【００３９】
位置認識部２９は、相対されたチップ２０と基板２２の間に挿入され、上下のチップと基板各々の位置認識用のアライメントマークを認識する上下マーク認識手段１４、上下マーク認識手段１４を水平および／または上下移動させる認識手段移動テーブル１５から構成される。
【００４０】
また、搬送部３０はチップ２０を搬送するチップ供給装置３６、チップトレイ３８および基板２２を搬送する基板搬送装置３７、基板トレイ３９により構成される。チップトレイ３８はチップトレイカセット４１から供給収納され、基板２２は、基板カセット４２から供給収納される。
【００４１】
制御装置３１は、制御に必要な操作を行うための操作部を備えており、制御装置３１によって装置全般の制御が行われる。特に加圧力制御においては、加圧力検出手段３２からの信号により上下駆動モータ１のトルクを制御し、被接合物への加圧力の制御が行われる。
【００４２】
洗浄部４０では、基板２２の接合部２２ａの表面にプラズマ等のエネルギー波によって、接合部２２ａ表面の酸化膜や有機物からなる付着物の層を除去する表面活性化処理が行われる。なお、プラズマ等のエネルギー波以外の、イオンビーム、原子ビーム等により表面活性化処理を行うとしてもよい。
【００４３】
洗浄部４０は、真空チャンバー４３、被接合物保持手段４４、エネルギー波照射手段４５、吸気管および排気管（図示せず）を備えている。被接合物保持手段４４にはヒーター（図示せず）が内蔵され、交番電源が接続された電極面に、機械的方法により基板２２が固定される。
【００４４】
吸入ガスとしては、例えばＡｒガスが用いられるが、窒素、酸素等を用いてもよく、Ａｒと酸素等の混合気体でもよい。例えばＡｒガスを使用する場合、１０−２Ｔｏｒｒ程度の一定の真空度でプラズマが発生される。
【００４５】
発生されたプラズマは、被接合物保持手段４４に保持された基板２２の接合部２２ａの表面に向かって衝突し、表面の酸化膜や有機物等による付着物層が除去され、新生面が現れて表面が活性化される。
【００４６】
なお、基板２２の接合部２２ａを表面活性化処理する方法として、交番電源が接続された電極面に保持された基板２２に表面活性化処理を行うのが効率上好ましいが、均一性やダメージ軽減から、前記電極を基板２２の保持位置以外の場所に設置して、表面活性化処理を行っても構わない。
【００４７】
なお、洗浄と接合を連続して行うために、洗浄部４０は搬送部３０により接合装置と連結されているが、洗浄部４０を備えない装置構成としてもよい。その場合は、予め別の洗浄装置等により、基板２２の表面活性化処理を行っておくことが必要である。
【００４８】
次に、一連の接合動作について図２を参照して説明する。本実施形態では、一方の被接合物である半導体からなるチップ２０を他方の被接合物である基板２２に接合する接合動作を例として挙げる。
【００４９】
チップ２０の接合面には、電極であって尖頭を有するすなわち断面尖形形状の銅からなる金属バンプ２０ａが形成され、基板２２の接合面には、電極であり金からなる接合部２２ａが、チップ側の金属バンプ２０ａに対向した位置に配設されている。金属バンプ２０ａの形状の一例を図５に示す。同図（ａ）に示すように、金属バンプ２０ａはピラミッド型をしており、チップ２０と金属バンプ２０ａの接合面では、金属バンプ２０ａは一辺が１０μｍの正方形をしており、前記接合面から金属バンプ２０ａの先端までの長さは１０μｍである。なお、金属バンプ２０ｂの形状は、ピラミッド型に限らず、その他の角錐や円錐等、それ以外の形状であってもよい。例えば、同図（ｂ）に示すように、断面尖形形状を有していれば、断面形状が五角形等の柱状であってもよい。また、寸法に関しても、上記した例に限らずどのようなものであってもよい。また、金であれば好ましい。
【００５０】
さらに、金属バンプ２０ａの材質は金に限らずその他の材料によって形成されたものであってもよいし、金属からなる母材の表面に金膜等を形成して金属バンプ２０ａを構成してもよい。例えば、潰れ易くするために、硬度が低い錫または金と錫の合金層を母材とし、表面に金膜を形成した金属バンプ２０ａを形成してもよい。なお、前記のように金属バンプ２０ａを母材および金膜により形成する場合、金属バンプ２０ａが加圧により押し潰された後も金属バンプ２０ａの表面に金膜が残っていると、金属バンプ２０ａと基板２２の接合部２２ａの金原子同士が引き合うため接合強度の大きい良好な接合を行うことができる。したがって、加圧後も金属バンプ２０ａの表面に金膜が残るように金膜の厚さおよび加圧力を調整するとよい。
【００５１】
基板２２は、基板搬送装置３７によって基板トレイ３９から洗浄器４０へ搬入される。そして、図２（ａ）に示すようにプラズマ等のエネルギー波が接合部２２ａに照射され、接合部２２ａの表面に形成された酸化膜や有機物からなる付着物の層を除去する表面活性化処理が行われる。そして、洗浄部４０により表面活性化処理が終了すると、基板２２は洗浄部４０から取り出され、基板搬送装置３７により実装機構２８のステージ１０へと搬送され、ステージ１０に吸着保持される。
【００５２】
一方、チップ２０はチップ供給装置３６によりチップトレイ３８からチップ保持ツール８に搬送され、図２（ｂ）に示すように基板２２と接合面を対向してチップ保持ツール８に吸着保持される。
【００５３】
チップ２０と基板２２が接合面を対向してそれぞれ吸着保持されると、上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５によってチップ２０と基板２２の間に挿入され、対向するチップ２０と基板２２各々の位置合わせ用アライメントマークが上下マーク認識手段１４により検出される。この後、チップ２０を基準として、ステージテーブル１２を平行・回転移動することで基板２２の位置を移動させて、チップ２０および基板２２の位置の調整が行われる。チップ２０と基板２２の位置調整はステージテーブル１２およびヘッド側アライメントテーブル７によって行ってもよく、またはヘッド側アライメントテーブル７のみにて位置調整してもよい。また、どちらか一方のテーブルのみの構成でもよい。アライメント方法は２視やカメラにとらわれず、個別に配置した認識手段で認識してもよい。
【００５４】
次に、チップ２０および基板２２の接合位置が整合された状態で、上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５により待避される。次いで、ヘッド部２６が上下駆動機構２５により下降され、チップ２０の金属バンプ２０ａと基板２２の接合部２２ａが接地される。ヘッド部２６の高さ方向の位置は、ヘッド高さ検出手段２４により検出されている。そして、チップ２０と基板２２の接地タイミングは加圧力検出手段３２により検出され、上下駆動モータ１は位置制御からトルク制御へと切り替えられ、図２（ｃ）に示すようにチップ２０と基板２２へ加圧力が加えられ、接合が行われる。
【００５５】
なお、チップ保持ツール８の内部には加熱用ヒータ（図示せず）が埋設されており、ステージ１０内部にはステージヒータ１１が内蔵されているため、加圧中にチップ２０および基板２２を加熱しながら接合することもできる。加熱することにより、効率良く結晶方位の回転や粒子の移動が行われ、接合が進み、残留応力が除去されることにより、接合強度を増大することができる。なお、トルク制御に切り替えられている加圧中においても、ヘッド高さはヘッド高さ検出手段２４によりモニタされており、高さ方向の位置も調整可能である。
【００５６】
一般に、大気中ではチップ２０や基板２２等の被接合物の表面に酸化膜や有機物等の付着物層が形成されるので、１８０℃以下の低温で固相のまま被接合物同士を接触させても、そのままでは接合されない。そこで、真空中で金属バンプ２０ａおよび接合部２２ａにプラズマ等のエネルギー波等を照射し新生面を露出させた状態で、引き続き真空中で金属バンプ２０ａおよび接合部２２ａの接合が行われる。
【００５７】
しかし、本実施形態では、チップ２０および基板２２を加圧することによって、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、金属バンプ２０ａの尖頭が潰されることにより、並んだ結晶の移動や結晶方向の回転が起こり、新生面が露出することとなる。つまり、チップ２０の金属バンプ２０ａは加圧により尖頭が押し潰されて広がり、金属バンプ２０ａと接合部２２ａとの間に滑りが生じるため、金属バンプ２０ａの表面に形成された酸化膜や付着した有機物等の層は押し潰されて新生面が露出することとなる。
【００５８】
また、接合部２２ａの表面に形成された酸化膜や有機物等の層は、上記のとおり接合前に洗浄部４０において接合部２２ａの表面活性化処理が行われ除去されているので、接合部２２ａの表面には新生面が露出している。また、接合部２２ａは金からなるため、酸化膜や有機物等の再付着層等は形成されにくく、形成されたとしても表面活性化処理後一定時間内であればその厚さは薄いので、金属バンプ２０ａを接合部２２ａに接地し加圧することによって押し破られる。したがって、再び接合部２２ａの表面でも新生面が露出し、金属バンプ２０ａと接合部２２ａの金属原子が原子間力により引き合い、大気中でも図２（ｄ）に示すように接合が行われることとなる。
【００５９】
また、従来技術では、チップ側の接合部は断面尖形形状を有しておらず変形しにくい形状であったため、チップ側の接合部を基板側の接合部に加圧したときに、チップ側の接合部が押し潰されて広がるときに生じる接合部間の滑りが小さく、プラズマ等のエネルギー波により予めチップ側および基板側の両接合部の接合表面の酸化膜等を除去する必要があった。
【００６０】
一方、本実施形態では、チップ２０の金属バンプ２０ａは断面尖形形状を有しており、従来技術に比べて金属バンプ２０ａは加圧によって変形しやすい形態である。そこで、金属バンプ２０ａの変形に伴って、金属バンプ２０ａと接合部２２ａの界面では、金属バンプ２０ａが押し潰されて広がるときに生じる金属バンプ２０ａと接合部２２ａ間の滑りが大きくなる。よって、金属バンプ２０ａで新生面が露出するのと同時に、接合部２２ａの再付着層等も前記滑りにより押し破られやすくなり、新生面は出やすくなる。また、加圧力においても断面尖形形状を有していない金属バンプ同士を接合する場合に比べ低加圧化が可能となる。
【００６１】
したがって、本実施形態では、チップ２０の金属バンプ２０ａの表面活性化処理を行わなくても金属バンプ２０ａに新生面を露出させることができる。さらに、接合部２２ａに対しても、加圧したときの金属バンプ２０ａと接合部２２ａの間の滑りにより、表面活性化処理後に形成された再付着層の除去を容易にすることができる。よって、例えば他方の被接合物の接合部がパッドである場合に、プラズマ洗浄後の前記バッド表面においても、金属バンプが断面尖形形状を有していない場合に比べて、断面尖形形状を有する金属バンプ２０ａとパッド表面との界面のすべりにより再付着層が効率よく削り取られるため、信頼性の高い接合が行われる。
【００６２】
また、本発明者は、金属バンプ２０ａを接合面から先端までの高さが２０〜９０％となる範囲で押し潰せば、金属バンプ２０ａの表面の酸化膜や有機物等の付着層を確実に除去して新生面を露出することができ、電気的信頼性のよい接合が可能であることを実験的に見出した。図４を参照して、金属バンプ２０ａの接合面から先端までの高さと接合強度との関係について説明する。
【００６３】
図４は金属バンプ２０ａがＡｕ、Ａｌ、Ｃｕである場合における金属バンプ２０ａの高さと接合強度との関係を示した図である。同図において金属バンプ２０ａの高さは、完全につぶれてしまったときを０％、全く潰れていないときを１００％としている。同図において、接合が良好であるための接合強度は１バンプ当たり１５ｇ以上の場合とし、１バンプ当たりの接合強度が１５ｇ以上となり接合強度が十分良好であるためには、加圧し潰した後の接合部から金属バンプ２０ａの先端までの高さは、加圧前のおよそ２０〜９０％となる場合であればよいことが分かる。
【００６４】
また、図４では、加圧後の金属バンプ２０ａの高さが、加圧前の金属バンプ２０ａの高さの０〜２０％となるときは、金属バンプ２０ａは大きく潰れているため十分接合していると考えられるが、加圧力が十分過ぎ、チップ２０および基板２２に余計なダメージが与えられる等、接合されない可能性が含まれると考えられる。また、加圧後の接合面から金属バンプ２０ａの高さが加圧前の金属バンプ２０ａの高さの９０〜１００％となるときは、金属バンプ２０ａの潰れ方が小さいため、接合されない可能性があると考えられる。以上の点を考慮すると、接合を良好に行うための金属バンプの高さは、加圧後の金属バンプの高さが加圧前の金属バンプ２０ａの高さの２０〜９０％の場合とするのがよい。
【００６５】
したがって、金属バンプ２０ａの接合面からの高さが加圧前の接合面からの高さの２０〜９０％の範囲となるように、チップ２０や基板２２等の被接合物に加圧するのがよい。
【００６６】
そこで、加圧中は、ヘッド高さ検出手段（図示省略）により基板を保持するヘッドの高さをモニタすることにより、金属バンプ２０ａの、基板２２からの高さを検出し、金属バンプ２０ａの高さが加圧前の金属バンプ２０ａの高さの２０〜９０％となるように加圧力の調整を行えばよい。
【００６７】
なお、本発明者は、チップ２０に形成された金属バンプ２０ａへの加圧力が、金属の種類、加圧の速さ等の条件に関わらず、１バンプあたり５０〜７００ＭＰａの範囲のときに、金属バンプ２０ａが２０〜９０％の範囲の高さに押し潰されることを実験的に見出した。したがって、チップ２０および基板２２に、１バンプあたり５０〜７００ＭＰａの範囲の加圧力が加えられ、金属バンプ２０ａの高さが２０〜９０％の高さとなるように制御を行い、接合を行うこともできる。
【００６８】
そして接合完了後、チップ２０の吸着は解除され、基板２２側にチップ２０が実装された状態でステージ１０上に残り、再び基板搬送装置３７により、接合されたチップ２０および基板２２が基板トレイ３９へ排出され、一連の接合動作は終了する。
【００６９】
したがって、第１実施形態によると、チップ２０ａに形成された金属バンプ２０ａは断面尖形形状を有し、加圧によって押し潰しやすい形状を成しており、図４から分かるように、金属バンプ２０ａの高さが２０〜９０％となる範囲で金属バンプを押し潰せば、金属バンプ２０ａおよび接合部２２ａの表面に形成された酸化膜や有機物の付着層を確実に除去することができ、かつ、他のバンプと接触することもなく電気的信頼性のよい接合が可能であることが実験的に明らかになった。よって、断面尖形形状を有する金属バンプ２０ａの高さが２０〜９０％となる範囲で押し潰すことにより、酸化膜や有機物の付着層を押し破ることができ、その結果金属バンプ２０ａに関しては、接合前のプラズマ等のエネルギー波による表面活性化処理を省略することができ、工程の簡略化を図ることができる。
【００７０】
また、基板２２の接合面に形成された接合部２２ａは、大気中で酸化されない金によって形成されているため、表面活性化処理後には接合部２２ａの表面に酸化膜や有機物が再付着して層が形成されることはほとんどない。また、酸化膜や有機物が再付着して層が形成されたとしても、接合部が表面活性化処理された後一定時間内であれば、その再付着層の厚さは薄いので、金属バンプ２０ａと金からなる接合部２２ａを衝合して加圧することによって再付着層を押し破ることができる。したがって、本実施形態によると、大気中でも金属バンプ２０ａおよび接合部２２ａの接合を行うことができる。
【００７１】
また、チップ２０に形成された金属バンプ２０ａあたりの加圧力が５０〜７００ＭＰａの範囲で加圧力の制御を行うと、金属バンプ２０ａの高さは２０〜９０％の範囲の高さとなり、接合強度が大きく、かつ、被接合物にダメージ等がない良好な接合を行うことができる。
【００７２】
また、プラズマ等のエネルギー波により接合部２２ａを表面活性化させて接合しているため、低温での接合が可能である。例えば、従来の錫鉛ハンダと比較すると、被接合どうしの接合時の加熱温度を錫鉛ハンダの溶融温度である１８３℃以下である１８０℃以下で、固相で接合することができる。また、金属バンプ２０ａおよび接合部２２ａの材料によっては１００℃以下または常温でも可能であり、加熱によりチップ２０や基板２２にダメージを与えるおそれが低減される。また、固相で接合することができるため、微細ピッチ電極や数μｍ以内の高精度な実装が要求される接合においては、従来のように錫鉛ハンダが高温により再溶融するという現象が生じることもなく、高精細な接合が可能である。
【００７３】
また、接合部２２ａの表面活性化処理を行うためのエネルギー波がプラズマであるため、真空度が１０−２Ｔｏｒｒ程度の低真空の空間で接合部の表面活性化処理を行うことができる。そのため、表面活性化処理を行うための装置構成は、簡易な設備で済み、装置のコンパクト化、コストダウン化が可能となる。
【００７４】
なお、接合部２２ａを金属バンプ２０ａと同様に断面尖形形状を有するバンプ形状（金属バンプ２２ｂとする。）とする変形例が考えられる。この場合、原理的には、金属バンプ同士の接合では、両金属バンプが押し潰され新生面が現れるので、両金属バンプともプラズマ等のエネルギー波による表面活性化処理を行わなくても接合を行うことができると考えられる。しかし、実際は、両金属バンプの先端の位置が合わないので、加圧によりチップ２０の金属バンプ２０ａを基板２２の金属バンプ２２ｂに押し込むと、尖った先端に沿って両金属バンプの位置がずれることになる。その結果、両金属バンプの新生面同士は圧接されず、接合ができないことになる。
【００７５】
したがって、大気中で低温で接合するには、本実施形態のように、予め基板２２の接合部２２ａを、プラズマ等のエネルギー波によって表面活性化処理を行い、金属バンプ２０ａを加圧して接合する方法が効果的である。
【００７６】
（第２実施形態）
続いて、本発明にかかる接合装置の第２実施形態について詳述する。本実施形態が上記第１実施形態と大きく相違する点は、被接合物であるチップ２０の金属バンプ２０ａが金めっきにより形成して構成されている点であり、その他の構成は第１実施形態と同様である。以下、第１実施形態との相違点を中心に第２実施形態について詳細に述べる。なお、第１実施形態と同一の構成および動作については、その構成および動作の説明を省略する。
【００７７】
この第２実施形態では、チップ２０の金属バンプ２０ａは、金めっきにより形成された金属バンプとして構成されている。一例として、金を電解めっき法により順次積層して、例えばピラミッド状に形成して金属バンプ２０ａを形成している。このような方法で形成することにより、結晶性の良い金属バンプを形成することができる。また、酸化膜や有機物等からなる付着層が前記金属バンプ２０ａの接合表面に付着しづらく、また硬度が低いため、加圧により表面の酸化膜等を押し破りやすく、大気中でも接合がしやすくなる。したがって、金属バンプ２０ａと接合面２２ａの接合界面で結晶構造を整合させるために加熱する場合の加熱温度をより低く、または常温とすることができ、チップ２０や基板２２への加熱によるダメージを防止することができる。なお、金属バンプ２０ａの形状は、ピラミッド型に限らず、その他の角錐型や円錐型等、どのような形状でもよい。
【００７８】
また、上記したような方法で形成した場合、例えば、先端を引きちぎることにより新生面を生じさせて接合を行うスタッドバンプのように、材料に不純物を混入させることがないので、接合強度が強く、しかも電気的特性の優れた金属バンプを形成することができる。また、スタッドバンプの場合には、引きちぎりや加圧による塑性変形により、破断面の中央部と周辺部とでは結晶構造が変化し、例えばスタッドバンプの破断面の中央部が接合面２２ａに接合しないという問題が生じることがある。しかし、上記したように金めっきにより金属バンプ２０ａを形成した場合には、金属バンプ２０ａの結晶性が良く、また、押し潰すことにより新生面が現れ金属バンプ２０ａと接合面２２ａの結晶構造が整合されるため、金属バンプ２０ａの中央でも接合が行われることとなる。
【００７９】
したがって、第２実施形態によると、金属バンプ２０ａが金めっきによって形成されるため、結晶性の良いバンプを形成することができる。そして、酸化膜や付着物等の層が形成されにくく新生面が露出しているので、金属バンプ２０ａは接合部２２ａとの接合を行いやすく、加熱温度を低くすることができるため、チップ２０や基板２２への加熱によるダメージを防止することができる。また、付着物等の層が形成されたとしても、金属バンプ２０ａは金めっきにより形成されるので硬度が低く、加圧によって押し潰すことによって容易に新生面が現れることとなる。また、接合部２２ａと同じ材料である金を金属バンプの材料として使用するため、金属同士が結合しやすく、接合強度の大きい良好な接合を行うことができる。
【００８０】
（第３実施形態）
続いて第３実施形態について詳細に述べる。以下、上記第１実施形態と異なる点について述べ、上記第１実施形態と同一の構成および動作についての説明は省略する。
【００８１】
本実施形態が、上記第１実施形態と大きく相違する点は、チップ２０として可視光や赤外光を含めた受光素子であるＣＭＯＳイメージセンサを基板２２に接合する点であり、その他の点は上記第１実施形態と同一の構成および動作である。チップ２０が受光素子である場合、接合前に表面活性化処理を行うとすると、プラズマ等のエネルギー波の照射によりチップ２０に不要な電荷等が与えられ、チップ２０がダメージを受けるおそれがある。
【００８２】
本実施形態によると、プラズマによるダメージ等を受けやすい受光素子を一方の被接合物とした場合でも、受光素子であるチップ２０には断面尖形形状を有する金属バンプ２０ａが形成されているため、表面活性化処理は不要であり、チップ２０と基板２２の接合前に表面活性化処理の工程を省略することができる。したがって、受光素子であるチップ２０を、ダメージを受けることなく接合することができる。なお、受光素子はＣＭＯＳイメージセンサに限られず、ＣＣＤ等の受光素子や、その他のセンシング素子でもよい。また、センシング素子に限られず、プラズマによりダメージを受けやすい材質を使ったデバイス、エッチングにより損傷されるおそれのある薄膜や銀等による配線パターンが形成されたデバイスでもよい。
【００８３】
（第４実施形態）
続いて第４実施形態について詳細に述べる。本実施形態が、上記第１実施形態と大きく相違する点は、一方の被接合物であるデバイス基板９０１の基板本体９０１ａの表面に、所定領域を囲んだ断面尖形形状を有する金属接合部としての金属枠体９０４が突出形成され、他方の被接合物である蓋基板９０２と金属枠体９０４を接合し、デバイス基板９０１および蓋基板９０２の接合面と金属枠体９０４で囲まれる空間を、所定の雰囲気に封止する点である。以下、上記第１実施形態と異なる点について述べ、上記第１実施形態と同一の構成および動作についての説明は省略する。
【００８４】
まず、本発明の接合装置において接合される基板の構造について詳細に述べる。図６はデバイス基板および蓋基板の一例を示す図、図７は図６のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【００８５】
図６を参照して基板の一例について説明する。図６に示すように、デバイス基板９０１の基板本体９０１ａの表面には、所定領域を囲んだ断面尖形形状を有する金属枠体９０４が金めっきによって突出形成されている。また、金属枠体９０４に囲まれた領域には、表面弾性波デバイスやＲＦデバイスといった半導体デバイス、機械的な可動部分を有するＭＥＭＳデバイスなどのデバイスの本体部９０３が形成されている。ここで、所定領域とは、回路の動作部分や振動部分などが形成される領域のことである。なお、金属枠体９０４の材質は金に限らず銅やアルミニウム等その他ものであってもよい。
【００８６】
また、蓋基板９０２の基板本体９０２ａの表面には接合部として金薄膜９０５がスパッタリングまたは金属めっきにより形成されている。なお、金薄膜９０５の代わりに、金属枠体９０４に対応する位置に突出形成された金属枠体等であってもよい。
【００８７】
このような構成とすれば、金は腐食せず、また、加熱してもガスを発生しないので、後述するように、デバイス基板９０１と蓋基板９０２との接合を行って、両基板９０１、９０２の接合面と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を封入し、当該空間を外部の雰囲気から遮断する封止材として、実用的である。
【００８８】
なお、上記した基板の一例では、金めっきを厚膜状に施すことにより、基板本体９０１ａの表面に断面尖形形状を有する金属枠体９０４を突出形成したが、金属からなる母材の表面に金膜を形成して構成してもよい。
【００８９】
例えば、潰れ易くするために、硬度が低い錫または金と錫の合金層を母材とし、表面に金膜を形成した断面尖形形状を有する金属枠体９０４を形成してもよい。なお、この場合、金属枠体９０４が加圧により押し潰された後も金属枠体９０４の表面に金膜が残っていると、金属枠体９０４と接合部９０５の金原子同士が引き合うため接合強度の大きい良好な接合を行うことができる。したがって、加圧後も金属枠体９０４の表面に金膜が残るように金膜の厚さおよび加圧力を調整するとよい。また、錫に代わってインジウムを使用してもよい。
【００９０】
また、接合装置および接合動作については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。なお、図３に示した装置では、金属枠体９０４と接合部９０５の接合を大気中で行うため、デバイス基板９０１と蓋基板９０２の接合面と金属枠体９０４で囲まれた空間には、大気が封入されることとなる。
【００９１】
また、図８は金属枠体９０４がＡｕ、Ａｌ、Ｃｕである場合の、金属枠体９０４の高さと接合強度との関係を示した図である。同図において金属枠体９０４の接合面からの高さは、完全につぶれたときを０％、全く潰れていないときを１００％としている。同図において、接合が良好であるための接合強度は１金属枠体当たり１５０ｇ以上の場合とし、１金属枠体当たりの接合強度が１５０ｇ以上となり接合強度が十分良好であるためには、接合部が金属バンプであるときと同様、金属枠体９０４の高さが接合面から金属枠体９０４の先端までの高さのおよそ２０〜９０％となるように加圧して押し潰すとよいことが分かる。また、金属バンプの場合と同様、金属枠体９０４の接合面からの高さが２０〜９０％の高さとなるように１金属枠体当たり５０〜７００ＭＰａの範囲で加圧力の制御を行うこととしてもよい。
【００９２】
（第５実施形態）
続いて第５実施形態について説明する。本実施形態では、上記第４実施形態と同様デバイス基板９０１の所定領域を囲んで突出形成された断面尖形形状を有する金属枠体９０４と蓋基板９０２の接合部９０５の接合を行う。本実施形態が上記第４実施形態と大きく相違する点は、接合部９０５の表面活性化処理後、金属枠体９０４と接合部９０５の接合を行うための接合装置がチャンバー内に配設されている点である。以下、本装置について詳しく説明する。
【００９３】
図９は本実施形態における装置構成を示した概略構成図である。本実施形態では、同図に示すように、チャンバー５２内に表面活性化処理室５１と、チャンバー５６内に接合室５５が構成され、表面活性化処理室５１には表面活性化処理装置５３が、接合室５５には接合装置５７が配設されている。また、チャンバー５２および５６の入口には気密シャッター５４および５８が設けられ、この気密シャッター５４および５８を閉じることでチャンバー５２および５６を気密化して、所定の雰囲気中で表面活性化処理および接合処理を行うことができる。
【００９４】
また、表面活性化処理室５１と接合室５５との間には、表面活性化処理装置５３から接合装置５７へと両基板９０１、９０２を搬送可能にするための搬送機構５９が配設されている。このような構成とすれば、表面活性化処理および接合処理において、蓋基板９０２を表面活性化処理室５１から接合室５５の上部電極８０６へと搬送することができる。なお、搬送装置５９については、周知の種々の搬送装置を採用することができ、その構成および動作は周知のものであるため、その構成および動作の説明は省略する。
【００９５】
したがって、本実施形態によると、蓋基板９０２を表面活性化処理後、搬送装置５９により接合室へ搬送し、上部電極８０６に保持することにより、チャンバー５６内の所定の雰囲気中でデバイス基板９０１と蓋基板９０２の接合を行うことができる。よって、デバイス基板９０１および蓋基板９０２の接合面と金属枠体９０４で囲まれた所定の空間を大気以外の所定の雰囲気に封入する場合には簡便である。
【００９６】
（第６実施形態）
続いて、本発明にかかる接合装置の第６実施形態について説明する。本実施形態が上記第５実施形態と大きく相違する点は、表面活性化処理と接合処理を続けて行うことができる表面活性化・接合装置が配設されている点であり、蓋基板９０２の表面活性化処理前にデバイス基板９０１および蓋基板９０２を同一チャンバー内にセットし、蓋基板９０２に表面活性化処理を行った後、続けて所定の雰囲気中でデバイス基板９０１および蓋基板９０２の接合を行うことができる。その他の構成は第５実施形態と同様である。以下、第５実施形態との相違点を中心に第９実施形態について説明する。
【００９７】
なお、図１０は、本実施形態における装置構成を示した概略構成図である。また、図１１は表面活性化処理および接合処理の手順を示す図である。また、図１２は図１０の装置において２視野認識手段を用いた大気中でのアライメント処理を示す図である。
【００９８】
図１０に示すように、表面活性化・接合装置５０において、図示省略したアクチュエータにより昇降可能に構成されたチャンバー壁８０３と、チャンバー台８１０とにより減圧チャンバーが構成されている。この表面活性化・接合装置５０では、蓋基板９０２とデバイス基板９０１とを上下に対向保持した状態でチャンバー壁８０３を下降して減圧チャンバーを閉じ、真空内でＡｒプラズマにより表面活性化処理（エッチング）を行った後、両基板９０１、９０２を接合することができる。
【００９９】
また、この装置５０は、デバイス基板９０１を保持し、この保持されている基板の位置調整が可能に構成されたステージ部と、蓋基板９０２を保持し、Ｚ軸８０１により昇降制御と加圧制御を行うヘッド部とを備えている。また、ヘッド部はピストン型ヘッド８０２と、上部電極８０６とを備え、ステージ部は位置調整（アライメント処理）が可能に構成されたアライメントテーブル８２０と下部電極８０９とを備えている。なお、本実施形態では、蓋基板９０２を上部電極８０６により保持し、デバイスの本体部９０３が形成されたデバイス基板９０１を下部電極８０９により保持している。また、本実施形態では、デバイス基板９０１に金属枠体９０４が形成されており、デバイス基板９０１および蓋基板９０２を接合する。
【０１００】
また、Ｚ軸８０１には図示省略する圧力検出手段が組み込まれ、この圧力検出手段による検出信号をＺ軸サーボモータのトルク制御装置（図示省略）へフィードバックすることで、ピストン型ヘッド８０２を基板９０１、９０２の接合面とほぼ垂直な方向に加圧力制御を行うことができる。なお、ステージ部側のみ、または、ヘッド部側およびステージ部側の両方を加圧制御可能に構成してもよい。
【０１０１】
そして、摺動パッキン８０４がＺ軸８０１に摺接しつつ、アクチュエータによりＺ軸８０１と独立して昇降可能なチャンバー壁８０３が下降し、チャンバー台８１０に固定パッキン８０５を介して接地した状態でチャンバー内を外気と遮断することができる。この状態で、排出バルブ８１４を開放して真空ポンプ８１５を作動させて排出口８１２を介してチャンバー内を真空に引きした後、ガス切換弁８１６をＡｒガス８１７（図１２参照）を導入するように切換えて吸入バルブ８１３を開放することで、吸入口８１１を介して反応ガスとしてＡｒガス８１７をチャンバー内に導入することができる。
【０１０２】
そして、Ａｒプラズマによる蓋基板９０２の表面活性化処理を行った後、チャンバー内を所定の封入ガス雰囲気に置換してピストン型ヘッド８０２を下降させることで両基板９０１、９０２を接合することができる。また、上部電極８０６および下部電極８０９は図示省略する加熱ヒータを備えており、基板９０１、９０２どうしの接合時に加熱を併用することで、基板９０１、９０２どうしの接合強度を向上させることができる。
【０１０３】
なお、後述するように、表面活性化処理後、チャンバー内を所定の雰囲気（Ａｒガス８１７、窒素ガス８１８、真空、大気等）に置換してピストン型ヘッド８０２を下降させることで、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって囲まれて形成される空間に当該所定の雰囲気を封入して接合することができる。例えば、ガス切換弁８１６を窒素ガス８１８（図１２参照）を導入するように切換えることで、吸入口８１１を介して封入ガスとして窒素ガス８１８をチャンバー内に導入し、窒素ガス８１８を当該所定の空間に封入することができる。
【０１０４】
また、チャンバー壁８０３の摺動パッキン（Ｏリング）８０４をＺ軸８０１に摺接させてＯリングでチャンバーを気密化しているが、ピストン型ヘッド８０２の外周面に摺動パッキン（Ｏリング）８０４を設け当該摺動パッキンをチャンバー壁８０３に摺接させてチャンバーを気密化してもよい。
【０１０５】
次に、この表面活性化・接合装置５０における表面活性化処理（表面活性化工程）および接合処理（接合工程）の処理手順について図１１を参照して説明する。まず、同図（ａ）に示すようにチャンバー壁８０３が上昇した状態で蓋基板９０２を上部電極８０６により保持し、デバイス基板９０１を下部電極８０９により保持する。基板９０１、９０２の保持方法は機械的なチャッキング方式でもよいが、静電チャック方式がより好ましい。
【０１０６】
そして、図１１（ｂ）に示すようにチャンバー壁８０３を下降させ、チャンバー台８１０に固定パッキン８０５を介して接地させる。チャンバー壁８０３は摺動パッキン８０４がＺ軸８０１に摺接することでにより大気と遮断されているので、吸入バルブ８１３を閉止した状態で排出バルブ８１４を開放して真空ポンプ８１５により真空引きを行うことでチャンバー内の真空度を高めることができる。
【０１０７】
次に、図１１（ｃ）に示すようにチャンバー内に反応ガスを導入する。真空ポンプ８１５を動作させながら排出バルブ８１４の排出量と吸入バルブ８１３のガス吸入量を調整することで、ある一定の真空度に保ちながらチャンバー内を任意の反応ガスで満たすことができる。この実施形態では、反応ガスとして、Ａｒガス８１７を１０−２Ｔｏｒｒ程度の真空度でチャンバー内に充満させ、同図（ｄ）に示すように、上部電極８０６に交番電源により電圧印加することで同様にしてＡｒプラズマを発生させ、蓋基板９０２に形成された接合部９０５の表面活性化処理を行う。
【０１０８】
次に、図１１（ｂ）に示すように、吸入バルブ８１３を閉じた状態でチャンバー内をさらに真空引きしてＡｒガスを排出する。なお、両電極８０６，８０９を１００℃程度に加熱しながら真空引きを行うことにより基板９０１、９０２表面に付着したり、基板９０１、９０２内部に打ち込まれたＡｒイオンを排出することもできる。
【０１０９】
その後、図１１（ｃ）に示すように、チャンバー内を所定の封入ガスに置換する。なお、ガス切替弁８１６でＡｒガス８１７と窒素ガス８１８を選択して吸入口８１１に導入することで、Ａｒガス８１７と窒素ガス８１８の２つのガスを１チャンバーで切り替えることができる。また、このガス切替弁８１６は大気を吸入可能に構成されているので封入ガスとしてチャンバー内に大気を導入することもできる。また、チャンバー内に大気を導入してチャンバー内を大気圧とした後に、チャンバーを開いて大気解放させることもできる。
【０１１０】
したがって、本実施形態では、封入ガスとして、Ａｒガス８１７、窒素ガス８１８、大気ガス、真空のうちから１つのガスを選択してチャンバー内に導入することができる。なお、封入ガスをＡｒガス８１７とする場合には上記した表面活性化処理後にチャンバー内を真空引きする処理を省略すれば、Ａｒガス８１７の消費量を抑制できる。また、封入ガスを真空とする場合には上記した表面活性化処理後にチャンバー内を真空引きする処理を行った後、そのまま後述する接合処理を行えばよい。
【０１１１】
続いて、図１１（ｅ）に示すように、真空中または封入ガス中でチャンバー壁８０３とＺ軸８０１とが摺動パッキン８０４で接しながらピストン型ヘッド８０２がＺ軸８０１により下降される。このとき、蓋基板９０２の接合部９０５がＡｒプラズマにより表面活性化処理された後、表面活性化処理により除去された付着物層の浮遊物が当該接合部９０５および金属枠体９０４に付着したり、当該接合部９０５および金属枠体９０４が大気に暴露されることで、当該接合部９０５および金属枠体９０４に有機物や酸化膜などの付着物層が付着することがある。
【０１１２】
しかしながら、基板９０１に形成された金属枠体９０４および蓋基板９０２に形成された接合部９０５を真空中または封入ガス中で接触させ、加圧することで金属枠体９０４および接合部９０５に再付着した付着物層が押し破られて金属枠体９０４および接合部９０５が接合し、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を封入する接合処理が行われる。
【０１１３】
なお、チャンバー内はチャンバー壁８０３とＺ軸８０１との間の摺動パッキン８０４により外部雰囲気と遮断され、チャンバー内を真空または封入ガス雰囲気に維持した状態でピストン型ヘッド８０２を下降させることができる。また、接合処理の際に両電極８０６，８０９に備えられた加熱ヒータにより１８０℃程度の温度で加熱して、接合強度を向上させることができる。最後に、図１１（ｆ）に示すように、チャンバー内に大気を供給し大気圧に戻した後にヘッド部を上昇させて、接合された両基板９０１、９０２をチャンバー内から取り出し、表面活性化処理および接合処理が終了する。
【０１１４】
ところで、デバイス基板９０１および蓋基板９０２の接合の際に、デバイス基板９０１および蓋基板９０２の位置調整（アライメント）を行った後、接合することもできる。図１２に示すように、両基板９０１、９０２の間に２視野認識手段８２５を挿入することで、デバイス基板９０１に形成された金属枠体９０４や両基板９０１、９０２に形成されたアライメントマーク等の位置を当該２視野認識手段８２５で検出できる。
【０１１５】
この２視野認識手段８２５は両基板９０１、９０２間に挿入された状態で、上下に位置する両基板９０１、９０２の金属枠体９０４やアライメントマーク等の像を、プリズム８２６により、上マーク認識手段８２７と下マーク認識手段８２８の方向に屈折させてそれぞれ読み取ることができる。また、２視野認識手段８２５は両基板９０１、９０２の接合面にほぼ平行なＸＹ軸方向と、両基板９０１、９０２面にほぼ垂直なＺ軸方向とに移動可能に構成されたテーブル（図示省略）により移動可能に構成され、両基板９０１、９０２の任意の位置に形成された金属枠体９０４やアライメントマーク等の位置を読み取ることができる。
【０１１６】
そして、両基板９０１、９０２に形成された金属枠体９０４やアライメントマーク等の位置を読み取った後、アライメントテーブル８２０によりデバイス基板９０１の位置を、蓋基板９０２の位置に合わせる位置調整を行う。なお、１回目の位置調整が終了した後、再度、２視野認識手段８２５を両基板９０１、９０２に挿入して繰り返して位置調整を行い、位置精度を向上させることもできる。
【０１１７】
このように、この表面活性化・接合装置５０において、Ａｒプラズマによる接合部９０５の表面活性化処理後、表面活性化処理により除去された付着物層の浮遊物が接合部９０５および金属枠体９０４に付着しても、加圧することで該付着した付着物層を押し破ってデバイス基板９０１に形成された金属枠体９０４および蓋基板９０２に形成された接合部９０５を接合することができ、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を封入する接合処理を行うことができる。
【０１１８】
なお、接合処理を真空中で行うことにより、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって囲まれて形成される空間を容易に真空雰囲気で封止することができる。また、接合処理をＡｒガス、窒素ガス、大気といった封入ガス中で行うことにより、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって囲まれて形成される空間に容易にこれらの封入ガスを封入することができる。
【０１１９】
また、封入ガスは、接合部を金とすれば、不活性なガスでなくとも腐食されないため接合に影響はでない。そのため、不活性なガス以外のガスも採用することができる。
【０１２０】
また、Ａｒプラズマにより表面活性化処理を行えば、接合部９０５の付着物層を除去するエッチング力が高く効率がよい。しかしながら、窒素、酸素など他の反応ガスによるプラズマにより表面活性化処理を行うこともできる。
【０１２１】
（第７実施形態）
続いて、本発明にかかる接合装置の第７実施形態について説明する。本実施形態が上記第６実施形態と大きく相違する点は、表面活性化処理室と接合室が同一チャンバー内に気密シャッターにより仕切られて構成されている点であり、その他の構成は第６実施形態と同様である。以下、第６実施形態との相違点を中心に第７実施形態について詳細に述べる。なお、第６実施形態と同一の構成および動作については、その構成および動作の説明を省略する。
【０１２２】
図１３は本実施形態における装置構成を示した概略構成図である。同図に示すように、表面活性化・接合装置６０は、チャンバー６１が表面活性処理室および接合室から構成され、表面活性化処理室に表面活性化処理装置６４が、接合室に接合装置５７が配設されている。
【０１２３】
そして、表面活性化処理室の入口には気密シャッター６２が設けられ、この気密シャッター６２を閉じることで表面活性化処理室を気密化することができる。また、チャンバー６１内の表面活性化処理室と接合室との間には、表面活性化処理装置６４から接合装置５７へと両基板９０１、９０２を搬送可能に搬送機構６３が配設されている。なお、搬送装置６３については、周知の種々の搬送装置６３を採用することができ、その構成および動作は周知のものであるため、その構成および動作の説明は省略する。また、以下の実施形態で説明する搬送装置についても、その構成および動作の説明は省略する。
【０１２４】
本実施形態では、蓋基板９０２の表面活性化処理が行われる間は、気密シャッター６２を閉じて表面活性化処理室をＡｒ雰囲気にし、Ａｒプラズマによって蓋基板９０２の表面活性化処理が行われる。
【０１２５】
その後、気密シャッター６２が開放され、搬送機構６３により蓋基板９０２が接合室に搬送されて上部電極８０６に保持される。また、デバイス基板９０１は接合室の下部電極８０９に予め保持されている。そして、接合室の加圧手段８０１によりデバイス基板９０１と蓋基板９０２が加圧されて接合が行われる。
【０１２６】
なお、表面活性化処理中は、接合室は真空、大気またはその他の封入ガス雰囲気等、どのような雰囲気でもよい。そして、蓋基板９０２の表面活性化処理後、蓋基板９０２は接合室に搬送されて上部電極８０６に保持され、接合室を所望の雰囲気として接合動作が行われる。
【０１２７】
例えば、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４で囲まれた空間にＡｒガスを封入する場合は、蓋基板９０２をＡｒプラズマにより表面活性化処理する際に、デバイス基板９０１を下部電極８０９に保持した接合室をＡｒ雰囲気としておけば、表面活性化処理後、気密シャッター６３を開放して蓋基板９０２を搬送機構６３によって接合室へ搬送して上部電極８０６に保持した後すぐに接合を行うことができる。
【０１２８】
このような構成とすることにより、第６実施形態の装置構成と比較して、表面活性化処理を行ったときに、表面活性化処理により除去された付着物層の浮遊物がデバイス基板９０１に付着するのを防止することができる。また同一チャンバー内に表面活性化処理室と接合室を備えているので、表面活性化処理後短時間で金属枠体９０４および接合部９０５の接合を行うことができ、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４で囲まれた空間に容易に所定の雰囲気を封入することができる。
【０１２９】
また、接合前に接合室に所定の気体を導入して超高気圧とすることで、大気圧によって両基板９０１、９０２を加圧して接合処理を行うこともできる。また、チャンバー６１内を任意の気圧で所定のガス雰囲気とすることができ、あるいは、チャンバー６１内を真空雰囲気とすることができるように構成されている。以上のような構成とすれば、上記した第４ないし第６実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１３０】
（第８実施形態）
続いて、本発明にかかる接合装置の第８実施形態について、図１４および１５を参照して説明する。なお、図１４は、本実施形態のデバイス基板および蓋基板の一例を示す概略構成図、図１５は接合装置の概略構成図を示す。
【０１３１】
本接合動作例が上記第７実施形態と大きく相違する点は、デバイス基板９０１に形成された複数の金属枠体９０４を取り囲んで断面尖形形状を有する金属外枠体９０６が形成され、金属外枠体９０６が接合部９０５に仮接合された後、金属枠体９０４が接合部９０５に本接合される点である。以下、第７実施形態との相違点を中心に第８実施形態について説明する。
【０１３２】
図１４は本実施形態の基板の一例を示す図であり、同図に示すように、デバイス基板９０１の基板本体９０１ａの表面には、複数の金属枠体９０４が形成されている。同図では、デバイス基板９０１の基板本体９０１ａの表面には、所定領域をそれぞれ囲んだ断面尖形形状を有する金属枠体９０４がそれぞれ金めっきにより複数突出形成されている。また、金属枠体９０４に囲まれたぞれぞれの領域には、表面弾性波デバイスやＲＦデバイスといった半導体デバイス、機械的な可動部分を有するＭＥＭＳデバイスなどのデバイスの本体部９０３が形成されている。
【０１３３】
また、蓋基板９０２の基板本体９０２ａの表面には金薄膜９０５がスパッタリングまたは金属めっきにより形成されている。なお、金薄膜９０５の代わりに、金属枠体９０４に対応する位置に突出形成された金属枠体等であってもよい。
【０１３４】
なお、図１４に示すように形成されたデバイス基板９０１と蓋基板９０２とを接合した後、接合されたデバイス基板９０１および蓋基板９０２を、金属枠体９０４で囲まれた領域ごとにダイシングすることで、複数のデバイスを効率よく形成することができる。
【０１３５】
また、デバイス基板９０１および蓋基板９０２は、樹脂により構成されたプリント基板、配線層が積み上げられたビルドアップ基板またはＳｉ、ＳｉＯ２、ガラス、セラミックおよびＬＴ（酸化物単結晶）からなるウエハー等、種々の材料で構成することができる。
【０１３６】
次に、図１５に示した接合装置を参照して、本実施形態の接合動作について説明する。本実施形態では、同図に示すようにチャンバー７１内に表面活性化・仮接合装置７２が配設された表面活性化・仮接合室が構成されている。
【０１３７】
なお、この表面活性化・仮接合室は、第６実施形態の図１０に示した表面活性化・接合装置５０を簡略化して示した図であり、装置の動作は第６実施形態と同様である。本実施形態では、蓋基板９０２の表面活性化処理を行った後、続けて本装置内で金属外枠体９０６の仮接合を行い、その後、搬送装置７３により、仮接合された基板９０１、９０２を大気中の本接合装置７５へと搬出し、本接合動作を行う。
【０１３８】
したがって、この表面活性化・仮接合装置７２において、Ａｒプラズマによる接合部９０５の表面活性化処理後、エッチングにより除去された付着物層の浮遊物が金属外枠体９０６に再付着しても、加圧することで該再付着した付着物層を押し破って両基板９０１、９０２の金属外枠体９０６と接合部９０５を接合することができ、両基板９０１、９０２の接合面間に金属外枠体９０６によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を封入する仮接合処理を行うことができる。
【０１３９】
なお、仮接合処理を真空中で行うことにより、金属外枠体９０６によって囲まれて形成される空間を容易に真空雰囲気で封止することができる。また、接合処理をＡｒガス、窒素ガス、大気といった封入ガス中で行うことにより、金属外枠体９０６によって囲まれて形成される空間に容易にこれらの封入ガスを封入することができる。
【０１４０】
また、封入ガスは、接合部を金とすれば、不活性なガスでなくとも腐食されないため接合に影響はない。そのため、不活性なガス以外のガスも採用することができる。
【０１４１】
また、Ａｒプラズマにより表面活性化処理を行えば、接合部９０５の付着物層を除去するエッチング力が高く効率がよい。しかしながら、窒素、酸素など他の反応ガスによるプラズマにより表面活性化処理を行うこともできる。
【０１４２】
なお、金属外枠体９０６を仮接合する仮接合処理時に、金属枠体９０４も部分的に接触して接合することがある。このような場合であっても、所定の雰囲気中で金属枠体９０４の接合が行われることになるので、接合処理後、後述する本接合処理を行うことで、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を確実に封入することができる。
【０１４３】
次に、図１５を参照して本接合装置７５について説明する。同図に示すように、本接合装置７５は接合が行われたデバイス基板９０１および蓋基板９０２を保持するステージ２２１と、当該ステージ２２１に保持された両基板９０１、９０２を基板全面にわたって一括加圧する高圧プレス手段２２０とを備えている。したがって、高圧プレス手段２２０により仮接合された両基板９０１、９０２の基板全面にわたって一括加圧することで、金属外枠体９０６の内側に形成された金属枠体９０４のすべてを確実に接合することができる。
【０１４４】
なお、高圧プレス手段２２０に代えて、加圧位置をずらしながら加圧する加圧手段により、仮接合された両基板９０１、９０２の加圧位置をずらしながら加圧を行うことによって、金属外枠体９０６の内側に形成された金属枠体９０４のすべてを確実に接合することができるとしてもよい。
【０１４５】
また、高圧プレス手段２２０およびステージ２２１の代わりに、接合が行われたデバイス基板９０１および蓋基板９０２の上下に加圧ローラを配設し、上下の加圧ローラの間に仮接合がされた両基板９０１、９０２を通過させて加圧することにより、金属外枠体９０６の内側に形成された金属枠体９０４のすべてを確実に接合することができるとしてもよい。
【０１４６】
このように、仮接合処理によって両基板９０１、９０２の接合面間と金属外枠体９０６によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気が封入された状態で、両基板９０１、９０２を全面にわたって加圧することで当該空間内に形成されているすべての金属枠体９０４と接合部９０５を接合し、本接合を確実に行うことができる。したがって、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を確実に封入できる。
【０１４７】
すなわち、本接合処理において、両基板９０１、９０２を全面にわたって余すところなく加圧することができるので、金属外枠体９０６の内側に形成されているデバイス基板９０１の金属枠体９０４と蓋基板９０２の接合部９０５を確実に接合して本接合を行うことができる。
【０１４８】
また、本接合処理を大気中で行うことにより、本接合を行う際に真空チャンバーが不要となり、かつ、封入ガスの使用量を削減できコストダウンを図ることができる。
【０１４９】
なお、Ａｒプラズマによる接合部９０５の表面活性化処理後、接合処理が行われる前に、エッチングにより除去された付着物層の浮遊物が接合部９０５および金属枠体９０４に付着しても、加圧することで該付着した付着物層を押し破ってデバイス基板９０１の金属枠体９０４および蓋基板９０２の接合部９０５を本接合することができ、接合面と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気をに封入する本接合を行うことができる。
【０１５０】
以上のように、本実施形態によれば、デバイス基板９０１に形成された金属外枠体９０６および蓋基板９０２の接合部９０５を加圧して接合することで、両基板９０１、９０２の接合面間と金属外枠体９０６によって囲まれる空間に所定の雰囲気を封入できる。したがって、当該空間内の所定の雰囲気中で加圧することにより、デバイス基板９０１の金属枠体９０４および蓋基板９０２の接合部９０５の本接合を確実に行うことができるので、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を封入するとともに、この空間を外部の雰囲気から確実に遮断できる。
【０１５１】
また、本実施形態では、接合に先立ち、Ａｒプラズマであるエネルギー波で蓋基板９０２の接合部９０５を表面活性化処理することで、蓋基板９０２の接合部９０５に形成された酸化膜等を除去することができるため、接合を確実に行うことができる。
【０１５２】
また、本実施形態では、デバイス基板９０１に形成された金属枠体９０４および金属外枠体９０６と、蓋基板９０２に形成された接合部９０５とを、加圧することで密着させることができ、それぞれ確実に仮接合および本接合を行うことができる。
【０１５３】
また、デバイス基板９０１の金属枠体９０４に囲まれた領域に、表面弾性波デバイス、ＲＦデバイスなどの半導体デバイスの本体部、機械的な可動部を有するＭＥＭＳデバイスの本体部、またはデバイスの電極等を形成して、デバイス基板９０１の金属枠体９０４および金属外枠体９０６と、蓋基板９０２の接合部９０５との仮接合および本接合を行った後、接合後のデバイス基板９０１および蓋基板９０２を、金属枠体９０４によって囲まれた領域ごとにダイシングすることができ、デバイスの本体部や電極が、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって囲まれた空間に封止され、外部の雰囲気と遮断された複数のデバイスを提供できる。
【０１５４】
また、本実施形態では、デバイス基板９０１に金属枠体９０４および金属外枠体９０６が、蓋基板９０２に接合部９０５が形成されているが、蓋基板９０２の接合部９０５は金属枠体９０４および金属外枠体９０６に対応する位置に突出形成された金属枠体等であってもよい。
【０１５５】
なお、本実施形態では、接合する基板９０１、９０２の種類、基板上に形成されたデバイスの種類に応じて、種々の接合装置から最適なものを組み合わせて変更することができる。以下、接合装置の変形例について図１６を参照して説明する。図１６は接合装置の変形例を示す図である。
【０１５６】
接合装置９０について説明する。図１６（ａ）に示すように、接合装置９０は、表面活性化装置が配設された表面活性化室と、仮接合装置が配設された仮接合室と、本接合装置が配設された本接合室とを有するチャンバー９１を備えている。また、チャンバー９１内には基板９０１、９０２を各室の間で搬送する搬送機構９２が配設されている。また、各室の入口にはそれぞれの空間を気密化できる気密シャッター（図示省略）が配設されている。このように、各処理はすべて同一のチャンバー９１内で実行される。このような構成としても上記した第１ないし第７実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１５７】
また、次に接合装置９５について説明する。図１６（ｂ）に示すように、接合装置９５は、表面活性化装置と、接合装置と、本接合装置とを備えている。また、各装置の間で基板９０１、９０２を搬送可能に搬送機構９６が大気中に配設されている。このような構成としても上記した第１ないし第７実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１５８】
（その他）
なお、本発明は上記した各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上記したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
【０１５９】
例えば、第６実施形態では、同一の装置で被接合物の表面活性化処理から被接合物の接合までを一括した処理として実行していたが、エネルギー波による接合部９０５の表面活性化処理と、被接合物の接合を行う接合処理とを、それぞれ別の装置で行っても構わない。
【０１６０】
このような構成とすれば、蓋基板９０２の接合部９０５が表面活性化処理された後、デバイス基板９０１と蓋基板９０２のアライメントを大気中で行ったり、蓋基板９０２を大気中を経て接合装置に搬送した場合に、接合部９０５に酸化膜や有機物等からなる付着物の層が再形成されやすい。しかしながら、上記したように、再形成された付着物層を加圧して押し破ることで金属枠体９０４および接合部９０５を接合することができる。
【０１６１】
また、被接合物の保持手段としては真空チャック方式、静電チャック方式等どのような吸着保持方式でもよい。なお、表面活性化処理を行うチャンバー内部は表面活性化処理を行う過程で真空とするため、チャンバー内部の被接合物の保持手段は静電チャック方式が望ましいが、機械的に固定する方式でもよい。また、大気中でまず真空吸着保持させておいて密着させた後、機械的に固定する方法が密着性が良く好ましい。
【０１６２】
また、例えば、第１実施形態における接合装置では、ヘッド側に平行移動および回転移動の移動軸と昇降軸が、ステージ側に平行移動と回転移動の移動軸が配設されるとしたが、平行移動および回転移動の移動軸、昇降軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられてもよく、また、重複してもよい。また、ヘッドおよびステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜め等に配置してもよい。
【０１６３】
また、上記実施形態において、ヘッド部２６の先端ツール９および／またはステージ１０の表面に弾性材を配し、チップ２０および基板２２の接合時に弾性材を介して両被接合物を加圧しても構わない。このような構成とすれば、被接合物どうしの平行度をならわせることができる。また、薄い被接合物であれば平坦度もならわせることができる。
【０１６４】
また、上記実施形態において、ステージ１０および／またはヘッド部２６に球面軸受けを配設し、被接合物の接合時または接合前に被接合物同士を接触加圧して、少なくとも一方の被接合物に他方の傾きを合わせることができる構造にしてもよい。このような構成とすれば、平行度を倣わせて接合することができる。
【０１６５】
また, チップ２０が発光素子である場合には, 位置認識部２９に位置認識用のアライメントマークを認識する上下マーク認識手段１４の他に、発光点認識手段３３を備えるとしてもよい。この場合、上下マーク認識手段１４によりアライメントマークを認識して、チップ２０と基板２２の位置を粗調整し、その後電気的に発光素子を発光させた状態で、発光点認識手段３３により発光点を認識し、チップ２０と基板２２の位置を微調整することにより、サブミクロンの精度で位置調整を行うことができる。
【０１６６】
また、被接合物の位置認識手段は、上下マーク認識手段１４、発光点認識手段３３以外のいかなる手段であってもよい。例えばマークが反対面にある場合には、ＩＲ（赤外）光による被接合物認識手段を用い、被接合物を透過させて金属からなるアライメントマークを認識して、チップ２０と基板２２の位置を認識し、位置調整を行ってもよい。
【０１６７】
また、例えば第１実施形態において、一定時間ヘッド部２６のヘッド高さを一定に保持して被接合物の加圧を行ってもよい。この場合、被接合物の接合界面では、荷重に耐え切れなくなり結晶方位の回転や粒子の移動が起こり、新生面が現れて接合し、粒子の移動によって残留応力が除去される。一方、被接合物を瞬間的に加圧した状態では、被接合物の表面は弾性変形しているため、界面の結晶が回転していない場合や、弾性変形が残留応力として残り、接合力に対して引き剥がす方向に働くため、接合強度が落ちることもある。したがって、被接合物の加圧時に、一定時間ヘッド部２６のヘッド高さを一定に保持することにより、接合強度が落ちない良好な接合を行うことができる。この停止時間は材料や接合状態によるが、１秒以上から効果があり、２分以上では効果は変わらないものである。
【０１６８】
また、上記停止時に１８０℃以下で加熱を行うと、効率良く結晶方位の回転や粒子の移動が行われて接合が進み、残留応力が除去されることにより、接合強度を増加することができる。なお、加熱温度としては１８０℃以下の低温加熱で十分である。したがって、金属突起となる電極部を多数持つ半導体チップのフリップチップ接合においては、半導体への熱影響から１８０℃以下好ましくは室温での低温で接合する要望が高く、微細ピッチ電極等の数μｍ以内の高精度な実装が望まれているため、特に有効である。
【０１６９】
また、上記した接合時の加熱に代えて超音波振動を与えることで、熱膨張影響を受けずより容易に固相で金属接合することもできる。この場合、超音波発振器とホーンをヘッド部２６のチップ保持ツール８の代わりに備える構成としてもよい。超音波振動を与えることにより、室温から１８０℃以下程度の低温で、加圧力を小さく抑えて接合することが可能であるため、加圧や高温加熱により被接合物に与えるダメージを抑えることができる。また、振幅を小さく抑え、加圧してから振動を与え、接合が進むにつれ接合面積に比例して加圧力を制御することにより位置ずれなく実装することができる。
【０１７０】
例えば、ホーンとホーン保持部と振動子からなる超音波振動ヘッドを備え、前記大気中での接合時に２μｍ以下の振幅からなる超音波振動を被接合物に印加し、１５０ＭＰａ以下の荷重、１８０℃以下の加熱で固相で金属接合する方法および接合装置であってもよい。大気中での接合時に超音波振動を印加するとより接合しやすくなる。既に表面活性化されているので超音波エネルギーは小さくて良く、ダメージや位置ずれを押さえられる２μｍ以下の振幅で十分であり、１μｍ以下であればより好ましい。また、金からなる金属バンプ２０ａを接合部２２ａに接合する場合、常温では３００ＭＰａ程度の高加圧力で押しつぶさないと接合できないが、超音波を印加することで接合荷重は半分以下の１５０ＭＰａ以下に下げることができる。
【０１７１】
また、超音波振動を利用して大面積を接合する場合は、横振動タイプの超音波ヘッドでは横振動させるには接合面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの超音波ヘッドであれば、大面積な面接合も可能となる。また、超音波振動と呼ぶが振動周波数は特に超音波の領域でなくとも良い。特に縦振動タイプにおいては、低周波でも十分効力を発揮する。
【０１７２】
また、一方の被接合物に金属接合部が複数形成されている場合には、被接合物の接合前に金属接合部を平面度の出た基準台に押し付けることで高さや表面粗さを均一に修正するレベリングを行うとしてもよい。レベリングを行うことにより、被接合物への接合加重を低減することができる。一例として、高さばらつき２μｍ、表面粗さ２００ｎｍである金属バンプ２０ａを有するチップ２０にレベリングを行った場合、レベリングにより高さばらつきおよび表面粗さは５０ｎｍ以下となり、加圧力はレベリング前には３００ＭＰａであったが、レベリング後は１５０ＭＰａへと低減された。
【０１７３】
また、チップ２０に形成された金属バンプ２０ａの形状は、ピラミッド型、円錐型等断面尖形形状を有している形状であればどのような形状であってもよい。
【０１７４】
また、被接合物は半導体以外のデバイスでもよく、表面弾性波デバイスやＲＦデバイスといった半導体デバイス、機械的な可動部分を有するＭＥＭＳデバイス等、どのような材料であってもよく、ウエハー等でもよい。また、一方の被接合物の金属接合部および他方の被接合物の接合部は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、錫等が適するが、その他の金属や金属以外のものでも表面活性化接合できるものであればよい。また、他方の被接合物は、全面が接合面であってもよいし、一方の被接合物の金属接合部の対応する位置に、金属接合部を突出形成してもよい。
【０１７５】
また、上記した実施形態では、Ａｒプラズマによるエネルギー波で他方の被接合物の接合部の表面活性化処理を行ったが、窒素、酸素など他のガスで行ってもよく、例えばＡｒと酸素を混合したものでも構わない。またプラズマ等のエネルギー波でなくても、イオンビームや原子ビーム等で表面活性化処理を行うとしてもよい。
【０１７６】
また、他方の被接合物の接合部を表面活性化処理する方法として、交番電源が接続された電極面に保持された基板２２に表面活性化処理を行うのが効率上好ましいが、均一性やダメージ軽減から、前記電極を基板２２の保持位置以外の場所に設置して、表面活性化処理を行うとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】本発明にかかる接合装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】接合過程を表す図である。
【図３】接合時の接合界面での結晶方向の回転模式図である。
【図４】バンプ高さと接合強度との関係を示す図である。
【図５】チップの一部と金属バンプを拡大して示した斜視図である。
【図６】デバイス基板および蓋基板の一例を示す図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図８】金属枠体の高さと接合強度との関係を示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態における装置構成を示した概略構成図である。
【図１０】本発明の第６実施形態における装置構成を示した概略構成図である。
【図１１】本発明の第６実施形態における表面活性化処理および接合処理の手順を示す図である。
【図１２】図１０の装置において２視野認識手段を用いた大気中でのアライメント処理を示す図である。
【図１３】本発明の第７実施形態における装置構成を示した概略構成図である。
【図１４】デバイス基板および蓋基板の他の例を示す図である。
【図１５】本発明の第８実施形態における装置構成を示した概略構成図である。
【図１６】本発明の接合装置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【０１７８】
２０…チップ（一方の被接合物）
２０ａ…金属バンプ（金属接合部）
２２…基板（他方の被接合物）
２２ａ…接合部
２５…上下駆動機構（加圧制御手段）
２６…ヘッド部（加圧制御手段）
３１…制御装置（加圧制御手段）
４０…洗浄部（エネルギー波照射手段）
５３、６４…表面活性化処理装置（エネルギー波照射手段）
２２０…高圧プレス手段（加圧制御手段）
８０１…Ｚ軸（上下駆動機構、加圧制御手段）
９０１…デバイス基板（一方の被接合物）
９０１ａ…デバイス基板本体
９０２…蓋基板（他方の被接合物）
９０２ａ…蓋基板本体
９０３…デバイス本体部
９０４…金属枠体（金属接合部）
９０５…接合部
９０６…金属外枠体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属接合部を有する複数の被接合物を常温接合する接合技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の被接合物の接合方法として、被接合物の接合表面に原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波を照射することにより、接合表面に形成された酸化膜や有機物の付着層を除去して活性化し、接合表面の金属等の原子が引き合う現象を利用して被接合物の接合を行う方法がある。
【０００３】
このような接合方法の一例として、特許文献１では、金属からなる接合部を有する両被接合物の表面に、プラズマによるエネルギー波を照射して表面活性化処理を行った後、低真空中または大気中で両被接合物の接合部どうしを衝合させ、加圧を行っている。それによって、表面活性化処理後に両被接合物表面に再付着した酸化膜や有機物付着層が押し破られて新生面が露出する。そして、金属原子のダングリングボンドが接合表面に生成して、ダングリングボンド同士が接合されて両被接合物の接合が行われるという方法である。
【０００４】
【特許文献１】特許第３７９０９９５号公報（段落０００８〜００１０、０１６５、図１９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の方法における接合装置では、両被接合物をプラズマによるエネルギー波によって表面活性化処理した後接合を行うため、エネルギー波の照射により被接合物にイオン等による電気的なダメージを与えるおそれがある。また、被接合物の硬度によっては、エネルギー波により被接合物表面が大きく削られ、機械的ダメージを与えるおそれもある。そのため、特許文献１の方法における接合装置は、センシング素子、例えば受光素子等エネルギー波によるダメージを受けるおそれがある被接合物を基板に接合するような場合には適しておらず、これらの被接合物に対してもダメージを与えることなく接合を行うことができる接合装置の実現が望まれる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被接合物にダメージを与えることなく被接合物を接合することができる接合方法およびその方法により作成されたデバイス並びにその接合装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明にかかる接合方法は、一方の被接合物の接合面に断面尖形形状を有する金属接合部を形成し、他方の被接合物の接合面に金からなる接合部を形成して、前記両被接合物どうしを、前記他方の被接合物の前記接合部をエネルギー波で表面活性化処理した後、前記一方の被接合物の前記金属接合部と前記他方の被接合物の前記接合部とを衝合させ、前記一方の被接合物の接合面から前記金属接合部先端までの高さが、２０％〜９０％の高さとなる加圧力で加圧して前記金属接合部を押しつぶして接合することを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
また、本発明にかかる接合方法は、前記エネルギー波がプラズマであることを特徴としている（請求項２）。
【０００９】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物に形成した前記金属接合部が金属バンプであることを特徴としている（請求項３）。
【００１０】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物に形成した前記金属接合部が、当該被接合物の所定領域を囲んで形成した金属枠体であることを特徴としている（請求項４）。
【００１１】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物の前記金属枠体および前記他方の被接合物の前記接合部の衝合、加圧を真空中で行うことにより、前記一方の被接合物と前記他方の被接合物の間の前記金属枠体によって囲まれる空間を真空封止することを特徴としている（請求項５）。
【００１２】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物の前記金属枠体および前記他方の被接合物の前記接合部の衝合、加圧を封入ガス中で行うことにより、前記一方の被接合物と前記他方の被接合物の間の前記金属枠体によって囲まれる空間に前記封入ガスを封入することを特徴としている（請求項６）。
【００１３】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物の前記金属接合部が金めっきで形成されていることを特徴としている（請求項７）。
【００１４】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物に形成した一の前記金属接合部あたりの前記加圧力が５０ＭＰａ〜７００ＭＰａとなるように加圧することを特徴としている（請求項８）。
【００１５】
また、本発明にかかる接合方法は、前記一方の被接合物がセンシング素子であることを特徴としている（請求項９）。
【００１６】
また、請求項１ないし９に記載の接合方法により形成されるデバイスは、半導体デバイス、光デバイスまたはＭＥＭＳデバイスからなることを特徴としている（請求項１０）。
【００１７】
また、上記課題を解決するために、本発明にかかる接合装置は、ヘッドおよびステージに保持した被接合物どうしを接合する接合装置において、いずれか一方の前記被接合物の接合面に断面尖形形状を有する金属接合部を形成し、他方の前記被接合物の接合面に金からなる接合部を形成しておいた前記両被接合物どうしを、前記一方の被接合物の前記金属接合部と前記他方の被接合物の前記接合部とを衝合させ、前記一方の被接合物の接合面から前記金属接合部先端までの高さが、つぶれて２０％〜９０％の高さとなる加圧力で加圧する加圧制御手段を備え、前記加圧制御手段は、前記他方の被接合物の前記接合部がエネルギー波で表面活性化処理された前記両被接合物どうしを加圧して前記一方の被接合物の前記金属接合部を押しつぶして前記両被接合物どうしを接続することを特徴としている（請求項１１）。
【００１８】
また、本発明にかかる接合装置は、前記加圧制御手段は、前記一方の被接合物に形成した一の前記金属接合部あたりの前記加圧力が５０ＭＰａ〜７００ＭＰａとなるように加圧することを特徴としている（請求項１２）。
【００１９】
また、本発明にかかる接合装置は、前記表面活性化処理を行うエネルギー波照射手段をさらに備えたことを特徴としている（請求項１３）。
【００２０】
また、本発明にかかる接合装置は、前記エネルギー波照射手段はプラズマを発生させることを特徴としている（請求項１４）。
【発明の効果】
【００２１】
本願発明者は、一方の被接合物の接合面に形成された金属接合部は断面尖形形状を有し、加圧によって押し潰しやすい形状を成しており、このような金属接合部の高さが２０〜９０％となる範囲で金属接合部を押し潰せば、酸化膜や有機物の付着層を確実に除去しながら新生面を出すことができ、かつ、他の金属接合部と接触することもなく電気的信頼性のよい接合が可能であることを実験的に見出した。したがって、請求項１、１１に記載の発明によれば、前記断面尖形形状を有する金属接合部を一方の被接合物の接合面から金属接合部の先端までの高さが２０〜９０％となる範囲で押し潰すことにより、酸化膜や有機物の付着層を押し破ることができ、その結果断面尖形形状を有する金属接合部に関しては、接合前のプラズマ等のエネルギー波による表面活性化処理を省略することができて工程の簡略化を図ることができる。
【００２２】
また、他方の被接合物の接合面に形成された接合部は、大気中で酸化されない金によって形成されているため、表面活性化後には接合部の表面に酸化膜や有機物が再付着して層が形成されることはほとんどなく、良好な接合を行うことができる。また、有機物などが再付着して層が形成されたとしても、接合部が表面活性化処理された後一定時間内であれば、その再付着層の厚さは薄いので、断面尖形形状を有する金属接合部と金からなる接合部を衝合して加圧することによって、断面尖形形状を有する金属接合部と金からなる接合部の界面のすべりにより再付着層が効率よく削り取られ、信頼性の高い接合が行われる。
【００２３】
請求項２、１４に記載の発明によれば、金からなる接合部の表面活性化処理を行うためのエネルギー波がプラズマであるため、真空度が１０−２Ｔｏｒｒ程度の低真空の空間で接合部の表面活性化処理を行うことができる。そのため、表面活性化処理を行うための装置構成は、簡易な設備で済み、装置のコンパクト化、コストダウン化が可能となる。
【００２４】
請求項３の発明によれば、一方の被接合物の断面尖形形状を有する金属接合部として金属バンプが形成されているので、金属バンプを加圧によって押し潰して他方の被接合物の接合部と接合することにより、微細電極を有する基板や高精度な実装が要求される接合等において、一方の被接合物と他方の被接合物を高精細に接合することができる。
【００２５】
請求項４の発明によれば、一方の被接合物の接合面には接合部として断面尖形形状を有する金属枠体が形成されているので、金属枠体を加圧によって押し潰して他方の被接合物の接合部と接合することにより、両被接合物の接合面と金属枠体で囲まれる空間を所定の雰囲気で封止することができる。したがって、両被接合物の接合面と金属枠体で囲まれる空間に表面弾性波デバイスやＲＦデバイスといった半導体デバイス、機械的な可動部分を有するＭＥＭＳデバイス等のデバイスの本体部が配設されているときには、デバイス等を外部刺激から保護することができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、両被接合物の接合部を真空中で接合することにより、両被接合物の接合面と金属枠体で囲まれる空間を、容易に真空雰囲気に封止することができる。また、他方の被接合物の接合部の表面活性化処理と両被接合物の接合部の接合を同一チャンバー内で行うとすれば、表面活性化処理後にチャンバーから反応ガスを排出して真空雰囲気としてそのまま接合することができるので、チャンバーの開閉や再度の真空引き等の手順を省略することができ、効率よく接合を行うことができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、両被接合物の接合部を封入ガス中で接合することにより、両被接合物の接合面と金属枠体で囲まれる空間に、容易に封入ガスを封入することができる。また、例えばエネルギー波にＡｒプラズマを使用し、封入ガスもＡｒを使用する場合には、Ａｒプラズマによるエネルギー波によって他方の被接合物の接合部の表面活性化処理を行った後、表面活性化処理で利用したＡｒ雰囲気をそのまま接合の際にも使用できるため、効率よく接合を行うことができる。
【００２８】
請求項７に記載の発明によれば、金属接合部が金めっきによって形成されるため、結晶性が良く、金属接合部と金からなる接合面との金属同士が結合しやすい。さらに、接合部と同じ材料である金を金属接合部の材料として使用するため、大気中で酸化膜の形成がされず、薄く有機物などの再付着層が形成されたとしても、硬度が低いので加圧によって容易に押し潰すことができ、新生面が現れる。したがって、接合強度の大きい良好な接合を行うことができる。
【００２９】
本願発明者は、一方の被接合物に形成された一の前記金属接合部あたりの加圧力が５０〜７００ＭＰａの範囲内であれば、金属の種類や加圧の速さ等の条件に関わらず、金属接合部の高さは２０〜９０％の範囲の高さとなることを実験的に見出した。したがって、請求項８、１２に記載の発明によれば、前記一方の被接合物に形成された一の前記金属接合部あたりの加圧力が５０〜７００ＭＰａとなるように加圧を行うことにより、接合強度が大きく、かつ、被接合物にダメージ等がない良好な接合を行うことができる。また、加圧力においても、例えば断面尖形形状を有していない金属バンプ同士を接合する場合に比べ低加圧化が可能となる。
【００３０】
請求項９に記載の発明によれば、プラズマによるダメージ等を受けやすいセンシング素子、例えば受光素子を一方の被接合物とした場合でも、断面尖形形状を有する金属接合部を形成した一方の被接合物である受光素子にはエネルギー波による表面活性化処理が行われないので、受光素子にダメージ等を与えることなく、受光素子を他方の被接合物の接合部に接合することができる。
【００３１】
請求項１０に記載の発明によれば、例えば一方の被接合物がプラズマ等によるエネルギー照射によりダメージを受けやすいセンシング素子であっても被接合物にダメージを受けることなく形成され、また、低温で接合することにより熱による損傷を防止され、かつ、アライメント精度が高いデバイスを提供することができる。
【００３２】
請求項１３に記載の発明によれば、接合装置に表面活性化処理を行うエネルギー波照射手段を備えるため、他方の被接合物の接合部の表面活性化処理と、断面尖形形状を有する金属接合部が形成された一方の被接合物および他方の被接合物の接合動作を、連続して１つの装置で行うことができる。したがって、前記接合部の表面活性化処理を行った後接合を行うまでの時間を短縮することができ、表面活性化処理後、有機物等が前記接合部に再付着するのを防止することが可能になる。また、一連の接合動作を１つの装置で行うことができるので簡便であり、装置をコンパクト化することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（第１実施形態）
以下に本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明にかかる接合装置の一実施形態の概略構成図、図２は接合過程を表す図、図３は接合時の接合界面での結晶方向の回転模式図、図４はバンプ高さと接合強度との関係を示す図、図５はチップの一部と金属バンプを拡大して示した斜視図である。なお、図１に示す本発明にかかる装置構成では、一方の被接合物であるチップ２０の接合面に形成された断面尖形形状を有する金属接合部としての金属バンプ２０ａと他方の被接合物である基板２２の接合面に形成された金からなる接合部２２ａを大気中で接合するための装置を例として挙げる。
【００３４】
本実施形態における接合装置は、図１に示すように、上下駆動機構２５とヘッド部２６を合わせた接合機構２７とステージ１０とステージテーブル１２からなる実装機構２８、位置認識部２９、搬送部３０、制御装置３１、洗浄部４０を備えている。また、接合機構２７は、上下駆動機構２５と、ヘッド部２６とを備え、上下駆動機構２５は上下駆動モータ１とボルト・ナット機構２により、上下ガイド３でガイドされながらヘッド保持部６を上下動できるように構成されている。そして、接合機構２７はフレーム３４に結合されて、フレーム３４はヘッド部２６の加圧中心の周辺を囲むように配設された４本の支柱１３により架台３５と連結されている。なお、支柱１３およびフレーム３４の一部は図示省略している。
【００３５】
ヘッド保持部６は、ヘッド逃がしガイド５で上下方向にガイドされ、自重をキャンセルするための自重カウンター４に牽引された状態でボルト・ナット機構２に連結されている。そして、このヘッド保持部６にヘッド部２６が結合されている。
【００３６】
また、ヘッド保持部６には加圧力検出手段３２が配設されており、先端ツール９とステージ１０との間に挟持されたチップ２０、基板２２等の被接合物への加圧力が検出できるように構成されている。したがって、加圧力検出手段３２により検出された被接合物に対する加圧力に基づいて、制御装置３１により上下駆動機構２５を制御して、被接合物への加圧力を制御することができる。
【００３７】
また、ヘッド部２６は、チップ２０を吸着保持するチップ保持ツール８と先端ツール９、平行移動、回転移動の移動軸を持った位置補正を行うヘッド側アライメントテーブル７、それらを支えるヘッド保持部６により構成されている。なお、ヘッド部２６の高さはヘッド部高さ検出手段２４によって検出することができる。
【００３８】
実装機構２８は、基板２２を保持するステージ１０と、チップ２０に対する基板２２の位置を調整するために平行・回転移動自在な移動軸を有するステージテーブル１２とを備えている。また、ステージ１０は、基板２２を保持するための保持機構（図示せず）を備えている。ここで、チップ保持ツール８およびステージ１０の保持機構として、真空吸着あるいは静電吸着を利用したものを用いるとよい。また、ステージ１０上に基板２２を置くだけとしてもよい。また、チップ保持ツール８の内部には加熱用ヒータ（図示せず）が埋設されており、ステージ１０内部にはステージヒータ１１が内蔵されている。
【００３９】
位置認識部２９は、相対されたチップ２０と基板２２の間に挿入され、上下のチップと基板各々の位置認識用のアライメントマークを認識する上下マーク認識手段１４、上下マーク認識手段１４を水平および／または上下移動させる認識手段移動テーブル１５から構成される。
【００４０】
また、搬送部３０はチップ２０を搬送するチップ供給装置３６、チップトレイ３８および基板２２を搬送する基板搬送装置３７、基板トレイ３９により構成される。チップトレイ３８はチップトレイカセット４１から供給収納され、基板２２は、基板カセット４２から供給収納される。
【００４１】
制御装置３１は、制御に必要な操作を行うための操作部を備えており、制御装置３１によって装置全般の制御が行われる。特に加圧力制御においては、加圧力検出手段３２からの信号により上下駆動モータ１のトルクを制御し、被接合物への加圧力の制御が行われる。
【００４２】
洗浄部４０では、基板２２の接合部２２ａの表面にプラズマ等のエネルギー波によって、接合部２２ａ表面の酸化膜や有機物からなる付着物の層を除去する表面活性化処理が行われる。なお、プラズマ等のエネルギー波以外の、イオンビーム、原子ビーム等により表面活性化処理を行うとしてもよい。
【００４３】
洗浄部４０は、真空チャンバー４３、被接合物保持手段４４、エネルギー波照射手段４５、吸気管および排気管（図示せず）を備えている。被接合物保持手段４４にはヒーター（図示せず）が内蔵され、交番電源が接続された電極面に、機械的方法により基板２２が固定される。
【００４４】
吸入ガスとしては、例えばＡｒガスが用いられるが、窒素、酸素等を用いてもよく、Ａｒと酸素等の混合気体でもよい。例えばＡｒガスを使用する場合、１０−２Ｔｏｒｒ程度の一定の真空度でプラズマが発生される。
【００４５】
発生されたプラズマは、被接合物保持手段４４に保持された基板２２の接合部２２ａの表面に向かって衝突し、表面の酸化膜や有機物等による付着物層が除去され、新生面が現れて表面が活性化される。
【００４６】
なお、基板２２の接合部２２ａを表面活性化処理する方法として、交番電源が接続された電極面に保持された基板２２に表面活性化処理を行うのが効率上好ましいが、均一性やダメージ軽減から、前記電極を基板２２の保持位置以外の場所に設置して、表面活性化処理を行っても構わない。
【００４７】
なお、洗浄と接合を連続して行うために、洗浄部４０は搬送部３０により接合装置と連結されているが、洗浄部４０を備えない装置構成としてもよい。その場合は、予め別の洗浄装置等により、基板２２の表面活性化処理を行っておくことが必要である。
【００４８】
次に、一連の接合動作について図２を参照して説明する。本実施形態では、一方の被接合物である半導体からなるチップ２０を他方の被接合物である基板２２に接合する接合動作を例として挙げる。
【００４９】
チップ２０の接合面には、電極であって尖頭を有するすなわち断面尖形形状の銅からなる金属バンプ２０ａが形成され、基板２２の接合面には、電極であり金からなる接合部２２ａが、チップ側の金属バンプ２０ａに対向した位置に配設されている。金属バンプ２０ａの形状の一例を図５に示す。同図（ａ）に示すように、金属バンプ２０ａはピラミッド型をしており、チップ２０と金属バンプ２０ａの接合面では、金属バンプ２０ａは一辺が１０μｍの正方形をしており、前記接合面から金属バンプ２０ａの先端までの長さは１０μｍである。なお、金属バンプ２０ｂの形状は、ピラミッド型に限らず、その他の角錐や円錐等、それ以外の形状であってもよい。例えば、同図（ｂ）に示すように、断面尖形形状を有していれば、断面形状が五角形等の柱状であってもよい。また、寸法に関しても、上記した例に限らずどのようなものであってもよい。また、金であれば好ましい。
【００５０】
さらに、金属バンプ２０ａの材質は金に限らずその他の材料によって形成されたものであってもよいし、金属からなる母材の表面に金膜等を形成して金属バンプ２０ａを構成してもよい。例えば、潰れ易くするために、硬度が低い錫または金と錫の合金層を母材とし、表面に金膜を形成した金属バンプ２０ａを形成してもよい。なお、前記のように金属バンプ２０ａを母材および金膜により形成する場合、金属バンプ２０ａが加圧により押し潰された後も金属バンプ２０ａの表面に金膜が残っていると、金属バンプ２０ａと基板２２の接合部２２ａの金原子同士が引き合うため接合強度の大きい良好な接合を行うことができる。したがって、加圧後も金属バンプ２０ａの表面に金膜が残るように金膜の厚さおよび加圧力を調整するとよい。
【００５１】
基板２２は、基板搬送装置３７によって基板トレイ３９から洗浄器４０へ搬入される。そして、図２（ａ）に示すようにプラズマ等のエネルギー波が接合部２２ａに照射され、接合部２２ａの表面に形成された酸化膜や有機物からなる付着物の層を除去する表面活性化処理が行われる。そして、洗浄部４０により表面活性化処理が終了すると、基板２２は洗浄部４０から取り出され、基板搬送装置３７により実装機構２８のステージ１０へと搬送され、ステージ１０に吸着保持される。
【００５２】
一方、チップ２０はチップ供給装置３６によりチップトレイ３８からチップ保持ツール８に搬送され、図２（ｂ）に示すように基板２２と接合面を対向してチップ保持ツール８に吸着保持される。
【００５３】
チップ２０と基板２２が接合面を対向してそれぞれ吸着保持されると、上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５によってチップ２０と基板２２の間に挿入され、対向するチップ２０と基板２２各々の位置合わせ用アライメントマークが上下マーク認識手段１４により検出される。この後、チップ２０を基準として、ステージテーブル１２を平行・回転移動することで基板２２の位置を移動させて、チップ２０および基板２２の位置の調整が行われる。チップ２０と基板２２の位置調整はステージテーブル１２およびヘッド側アライメントテーブル７によって行ってもよく、またはヘッド側アライメントテーブル７のみにて位置調整してもよい。また、どちらか一方のテーブルのみの構成でもよい。アライメント方法は２視やカメラにとらわれず、個別に配置した認識手段で認識してもよい。
【００５４】
次に、チップ２０および基板２２の接合位置が整合された状態で、上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５により待避される。次いで、ヘッド部２６が上下駆動機構２５により下降され、チップ２０の金属バンプ２０ａと基板２２の接合部２２ａが接地される。ヘッド部２６の高さ方向の位置は、ヘッド高さ検出手段２４により検出されている。そして、チップ２０と基板２２の接地タイミングは加圧力検出手段３２により検出され、上下駆動モータ１は位置制御からトルク制御へと切り替えられ、図２（ｃ）に示すようにチップ２０と基板２２へ加圧力が加えられ、接合が行われる。
【００５５】
なお、チップ保持ツール８の内部には加熱用ヒータ（図示せず）が埋設されており、ステージ１０内部にはステージヒータ１１が内蔵されているため、加圧中にチップ２０および基板２２を加熱しながら接合することもできる。加熱することにより、効率良く結晶方位の回転や粒子の移動が行われ、接合が進み、残留応力が除去されることにより、接合強度を増大することができる。なお、トルク制御に切り替えられている加圧中においても、ヘッド高さはヘッド高さ検出手段２４によりモニタされており、高さ方向の位置も調整可能である。
【００５６】
一般に、大気中ではチップ２０や基板２２等の被接合物の表面に酸化膜や有機物等の付着物層が形成されるので、１８０℃以下の低温で固相のまま被接合物同士を接触させても、そのままでは接合されない。そこで、真空中で金属バンプ２０ａおよび接合部２２ａにプラズマ等のエネルギー波等を照射し新生面を露出させた状態で、引き続き真空中で金属バンプ２０ａおよび接合部２２ａの接合が行われる。
【００５７】
しかし、本実施形態では、チップ２０および基板２２を加圧することによって、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、金属バンプ２０ａの尖頭が潰されることにより、並んだ結晶の移動や結晶方向の回転が起こり、新生面が露出することとなる。つまり、チップ２０の金属バンプ２０ａは加圧により尖頭が押し潰されて広がり、金属バンプ２０ａと接合部２２ａとの間に滑りが生じるため、金属バンプ２０ａの表面に形成された酸化膜や付着した有機物等の層は押し潰されて新生面が露出することとなる。
【００５８】
また、接合部２２ａの表面に形成された酸化膜や有機物等の層は、上記のとおり接合前に洗浄部４０において接合部２２ａの表面活性化処理が行われ除去されているので、接合部２２ａの表面には新生面が露出している。また、接合部２２ａは金からなるため、酸化膜や有機物等の再付着層等は形成されにくく、形成されたとしても表面活性化処理後一定時間内であればその厚さは薄いので、金属バンプ２０ａを接合部２２ａに接地し加圧することによって押し破られる。したがって、再び接合部２２ａの表面でも新生面が露出し、金属バンプ２０ａと接合部２２ａの金属原子が原子間力により引き合い、大気中でも図２（ｄ）に示すように接合が行われることとなる。
【００５９】
また、従来技術では、チップ側の接合部は断面尖形形状を有しておらず変形しにくい形状であったため、チップ側の接合部を基板側の接合部に加圧したときに、チップ側の接合部が押し潰されて広がるときに生じる接合部間の滑りが小さく、プラズマ等のエネルギー波により予めチップ側および基板側の両接合部の接合表面の酸化膜等を除去する必要があった。
【００６０】
一方、本実施形態では、チップ２０の金属バンプ２０ａは断面尖形形状を有しており、従来技術に比べて金属バンプ２０ａは加圧によって変形しやすい形態である。そこで、金属バンプ２０ａの変形に伴って、金属バンプ２０ａと接合部２２ａの界面では、金属バンプ２０ａが押し潰されて広がるときに生じる金属バンプ２０ａと接合部２２ａ間の滑りが大きくなる。よって、金属バンプ２０ａで新生面が露出するのと同時に、接合部２２ａの再付着層等も前記滑りにより押し破られやすくなり、新生面は出やすくなる。また、加圧力においても断面尖形形状を有していない金属バンプ同士を接合する場合に比べ低加圧化が可能となる。
【００６１】
したがって、本実施形態では、チップ２０の金属バンプ２０ａの表面活性化処理を行わなくても金属バンプ２０ａに新生面を露出させることができる。さらに、接合部２２ａに対しても、加圧したときの金属バンプ２０ａと接合部２２ａの間の滑りにより、表面活性化処理後に形成された再付着層の除去を容易にすることができる。よって、例えば他方の被接合物の接合部がパッドである場合に、プラズマ洗浄後の前記バッド表面においても、金属バンプが断面尖形形状を有していない場合に比べて、断面尖形形状を有する金属バンプ２０ａとパッド表面との界面のすべりにより再付着層が効率よく削り取られるため、信頼性の高い接合が行われる。
【００６２】
また、本発明者は、金属バンプ２０ａを接合面から先端までの高さが２０〜９０％となる範囲で押し潰せば、金属バンプ２０ａの表面の酸化膜や有機物等の付着層を確実に除去して新生面を露出することができ、電気的信頼性のよい接合が可能であることを実験的に見出した。図４を参照して、金属バンプ２０ａの接合面から先端までの高さと接合強度との関係について説明する。
【００６３】
図４は金属バンプ２０ａがＡｕ、Ａｌ、Ｃｕである場合における金属バンプ２０ａの高さと接合強度との関係を示した図である。同図において金属バンプ２０ａの高さは、完全につぶれてしまったときを０％、全く潰れていないときを１００％としている。同図において、接合が良好であるための接合強度は１バンプ当たり１５ｇ以上の場合とし、１バンプ当たりの接合強度が１５ｇ以上となり接合強度が十分良好であるためには、加圧し潰した後の接合部から金属バンプ２０ａの先端までの高さは、加圧前のおよそ２０〜９０％となる場合であればよいことが分かる。
【００６４】
また、図４では、加圧後の金属バンプ２０ａの高さが、加圧前の金属バンプ２０ａの高さの０〜２０％となるときは、金属バンプ２０ａは大きく潰れているため十分接合していると考えられるが、加圧力が十分過ぎ、チップ２０および基板２２に余計なダメージが与えられる等、接合されない可能性が含まれると考えられる。また、加圧後の接合面から金属バンプ２０ａの高さが加圧前の金属バンプ２０ａの高さの９０〜１００％となるときは、金属バンプ２０ａの潰れ方が小さいため、接合されない可能性があると考えられる。以上の点を考慮すると、接合を良好に行うための金属バンプの高さは、加圧後の金属バンプの高さが加圧前の金属バンプ２０ａの高さの２０〜９０％の場合とするのがよい。
【００６５】
したがって、金属バンプ２０ａの接合面からの高さが加圧前の接合面からの高さの２０〜９０％の範囲となるように、チップ２０や基板２２等の被接合物に加圧するのがよい。
【００６６】
そこで、加圧中は、ヘッド高さ検出手段（図示省略）により基板を保持するヘッドの高さをモニタすることにより、金属バンプ２０ａの、基板２２からの高さを検出し、金属バンプ２０ａの高さが加圧前の金属バンプ２０ａの高さの２０〜９０％となるように加圧力の調整を行えばよい。
【００６７】
なお、本発明者は、チップ２０に形成された金属バンプ２０ａへの加圧力が、金属の種類、加圧の速さ等の条件に関わらず、１バンプあたり５０〜７００ＭＰａの範囲のときに、金属バンプ２０ａが２０〜９０％の範囲の高さに押し潰されることを実験的に見出した。したがって、チップ２０および基板２２に、１バンプあたり５０〜７００ＭＰａの範囲の加圧力が加えられ、金属バンプ２０ａの高さが２０〜９０％の高さとなるように制御を行い、接合を行うこともできる。
【００６８】
そして接合完了後、チップ２０の吸着は解除され、基板２２側にチップ２０が実装された状態でステージ１０上に残り、再び基板搬送装置３７により、接合されたチップ２０および基板２２が基板トレイ３９へ排出され、一連の接合動作は終了する。
【００６９】
したがって、第１実施形態によると、チップ２０ａに形成された金属バンプ２０ａは断面尖形形状を有し、加圧によって押し潰しやすい形状を成しており、図４から分かるように、金属バンプ２０ａの高さが２０〜９０％となる範囲で金属バンプを押し潰せば、金属バンプ２０ａおよび接合部２２ａの表面に形成された酸化膜や有機物の付着層を確実に除去することができ、かつ、他のバンプと接触することもなく電気的信頼性のよい接合が可能であることが実験的に明らかになった。よって、断面尖形形状を有する金属バンプ２０ａの高さが２０〜９０％となる範囲で押し潰すことにより、酸化膜や有機物の付着層を押し破ることができ、その結果金属バンプ２０ａに関しては、接合前のプラズマ等のエネルギー波による表面活性化処理を省略することができ、工程の簡略化を図ることができる。
【００７０】
また、基板２２の接合面に形成された接合部２２ａは、大気中で酸化されない金によって形成されているため、表面活性化処理後には接合部２２ａの表面に酸化膜や有機物が再付着して層が形成されることはほとんどない。また、酸化膜や有機物が再付着して層が形成されたとしても、接合部が表面活性化処理された後一定時間内であれば、その再付着層の厚さは薄いので、金属バンプ２０ａと金からなる接合部２２ａを衝合して加圧することによって再付着層を押し破ることができる。したがって、本実施形態によると、大気中でも金属バンプ２０ａおよび接合部２２ａの接合を行うことができる。
【００７１】
また、チップ２０に形成された金属バンプ２０ａあたりの加圧力が５０〜７００ＭＰａの範囲で加圧力の制御を行うと、金属バンプ２０ａの高さは２０〜９０％の範囲の高さとなり、接合強度が大きく、かつ、被接合物にダメージ等がない良好な接合を行うことができる。
【００７２】
また、プラズマ等のエネルギー波により接合部２２ａを表面活性化させて接合しているため、低温での接合が可能である。例えば、従来の錫鉛ハンダと比較すると、被接合どうしの接合時の加熱温度を錫鉛ハンダの溶融温度である１８３℃以下である１８０℃以下で、固相で接合することができる。また、金属バンプ２０ａおよび接合部２２ａの材料によっては１００℃以下または常温でも可能であり、加熱によりチップ２０や基板２２にダメージを与えるおそれが低減される。また、固相で接合することができるため、微細ピッチ電極や数μｍ以内の高精度な実装が要求される接合においては、従来のように錫鉛ハンダが高温により再溶融するという現象が生じることもなく、高精細な接合が可能である。
【００７３】
また、接合部２２ａの表面活性化処理を行うためのエネルギー波がプラズマであるため、真空度が１０−２Ｔｏｒｒ程度の低真空の空間で接合部の表面活性化処理を行うことができる。そのため、表面活性化処理を行うための装置構成は、簡易な設備で済み、装置のコンパクト化、コストダウン化が可能となる。
【００７４】
なお、接合部２２ａを金属バンプ２０ａと同様に断面尖形形状を有するバンプ形状（金属バンプ２２ｂとする。）とする変形例が考えられる。この場合、原理的には、金属バンプ同士の接合では、両金属バンプが押し潰され新生面が現れるので、両金属バンプともプラズマ等のエネルギー波による表面活性化処理を行わなくても接合を行うことができると考えられる。しかし、実際は、両金属バンプの先端の位置が合わないので、加圧によりチップ２０の金属バンプ２０ａを基板２２の金属バンプ２２ｂに押し込むと、尖った先端に沿って両金属バンプの位置がずれることになる。その結果、両金属バンプの新生面同士は圧接されず、接合ができないことになる。
【００７５】
したがって、大気中で低温で接合するには、本実施形態のように、予め基板２２の接合部２２ａを、プラズマ等のエネルギー波によって表面活性化処理を行い、金属バンプ２０ａを加圧して接合する方法が効果的である。
【００７６】
（第２実施形態）
続いて、本発明にかかる接合装置の第２実施形態について詳述する。本実施形態が上記第１実施形態と大きく相違する点は、被接合物であるチップ２０の金属バンプ２０ａが金めっきにより形成して構成されている点であり、その他の構成は第１実施形態と同様である。以下、第１実施形態との相違点を中心に第２実施形態について詳細に述べる。なお、第１実施形態と同一の構成および動作については、その構成および動作の説明を省略する。
【００７７】
この第２実施形態では、チップ２０の金属バンプ２０ａは、金めっきにより形成された金属バンプとして構成されている。一例として、金を電解めっき法により順次積層して、例えばピラミッド状に形成して金属バンプ２０ａを形成している。このような方法で形成することにより、結晶性の良い金属バンプを形成することができる。また、酸化膜や有機物等からなる付着層が前記金属バンプ２０ａの接合表面に付着しづらく、また硬度が低いため、加圧により表面の酸化膜等を押し破りやすく、大気中でも接合がしやすくなる。したがって、金属バンプ２０ａと接合面２２ａの接合界面で結晶構造を整合させるために加熱する場合の加熱温度をより低く、または常温とすることができ、チップ２０や基板２２への加熱によるダメージを防止することができる。なお、金属バンプ２０ａの形状は、ピラミッド型に限らず、その他の角錐型や円錐型等、どのような形状でもよい。
【００７８】
また、上記したような方法で形成した場合、例えば、先端を引きちぎることにより新生面を生じさせて接合を行うスタッドバンプのように、材料に不純物を混入させることがないので、接合強度が強く、しかも電気的特性の優れた金属バンプを形成することができる。また、スタッドバンプの場合には、引きちぎりや加圧による塑性変形により、破断面の中央部と周辺部とでは結晶構造が変化し、例えばスタッドバンプの破断面の中央部が接合面２２ａに接合しないという問題が生じることがある。しかし、上記したように金めっきにより金属バンプ２０ａを形成した場合には、金属バンプ２０ａの結晶性が良く、また、押し潰すことにより新生面が現れ金属バンプ２０ａと接合面２２ａの結晶構造が整合されるため、金属バンプ２０ａの中央でも接合が行われることとなる。
【００７９】
したがって、第２実施形態によると、金属バンプ２０ａが金めっきによって形成されるため、結晶性の良いバンプを形成することができる。そして、酸化膜や付着物等の層が形成されにくく新生面が露出しているので、金属バンプ２０ａは接合部２２ａとの接合を行いやすく、加熱温度を低くすることができるため、チップ２０や基板２２への加熱によるダメージを防止することができる。また、付着物等の層が形成されたとしても、金属バンプ２０ａは金めっきにより形成されるので硬度が低く、加圧によって押し潰すことによって容易に新生面が現れることとなる。また、接合部２２ａと同じ材料である金を金属バンプの材料として使用するため、金属同士が結合しやすく、接合強度の大きい良好な接合を行うことができる。
【００８０】
（第３実施形態）
続いて第３実施形態について詳細に述べる。以下、上記第１実施形態と異なる点について述べ、上記第１実施形態と同一の構成および動作についての説明は省略する。
【００８１】
本実施形態が、上記第１実施形態と大きく相違する点は、チップ２０として可視光や赤外光を含めた受光素子であるＣＭＯＳイメージセンサを基板２２に接合する点であり、その他の点は上記第１実施形態と同一の構成および動作である。チップ２０が受光素子である場合、接合前に表面活性化処理を行うとすると、プラズマ等のエネルギー波の照射によりチップ２０に不要な電荷等が与えられ、チップ２０がダメージを受けるおそれがある。
【００８２】
本実施形態によると、プラズマによるダメージ等を受けやすい受光素子を一方の被接合物とした場合でも、受光素子であるチップ２０には断面尖形形状を有する金属バンプ２０ａが形成されているため、表面活性化処理は不要であり、チップ２０と基板２２の接合前に表面活性化処理の工程を省略することができる。したがって、受光素子であるチップ２０を、ダメージを受けることなく接合することができる。なお、受光素子はＣＭＯＳイメージセンサに限られず、ＣＣＤ等の受光素子や、その他のセンシング素子でもよい。また、センシング素子に限られず、プラズマによりダメージを受けやすい材質を使ったデバイス、エッチングにより損傷されるおそれのある薄膜や銀等による配線パターンが形成されたデバイスでもよい。
【００８３】
（第４実施形態）
続いて第４実施形態について詳細に述べる。本実施形態が、上記第１実施形態と大きく相違する点は、一方の被接合物であるデバイス基板９０１の基板本体９０１ａの表面に、所定領域を囲んだ断面尖形形状を有する金属接合部としての金属枠体９０４が突出形成され、他方の被接合物である蓋基板９０２と金属枠体９０４を接合し、デバイス基板９０１および蓋基板９０２の接合面と金属枠体９０４で囲まれる空間を、所定の雰囲気に封止する点である。以下、上記第１実施形態と異なる点について述べ、上記第１実施形態と同一の構成および動作についての説明は省略する。
【００８４】
まず、本発明の接合装置において接合される基板の構造について詳細に述べる。図６はデバイス基板および蓋基板の一例を示す図、図７は図６のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【００８５】
図６を参照して基板の一例について説明する。図６に示すように、デバイス基板９０１の基板本体９０１ａの表面には、所定領域を囲んだ断面尖形形状を有する金属枠体９０４が金めっきによって突出形成されている。また、金属枠体９０４に囲まれた領域には、表面弾性波デバイスやＲＦデバイスといった半導体デバイス、機械的な可動部分を有するＭＥＭＳデバイスなどのデバイスの本体部９０３が形成されている。ここで、所定領域とは、回路の動作部分や振動部分などが形成される領域のことである。なお、金属枠体９０４の材質は金に限らず銅やアルミニウム等その他ものであってもよい。
【００８６】
また、蓋基板９０２の基板本体９０２ａの表面には接合部として金薄膜９０５がスパッタリングまたは金属めっきにより形成されている。なお、金薄膜９０５の代わりに、金属枠体９０４に対応する位置に突出形成された金属枠体等であってもよい。
【００８７】
このような構成とすれば、金は腐食せず、また、加熱してもガスを発生しないので、後述するように、デバイス基板９０１と蓋基板９０２との接合を行って、両基板９０１、９０２の接合面と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を封入し、当該空間を外部の雰囲気から遮断する封止材として、実用的である。
【００８８】
なお、上記した基板の一例では、金めっきを厚膜状に施すことにより、基板本体９０１ａの表面に断面尖形形状を有する金属枠体９０４を突出形成したが、金属からなる母材の表面に金膜を形成して構成してもよい。
【００８９】
例えば、潰れ易くするために、硬度が低い錫または金と錫の合金層を母材とし、表面に金膜を形成した断面尖形形状を有する金属枠体９０４を形成してもよい。なお、この場合、金属枠体９０４が加圧により押し潰された後も金属枠体９０４の表面に金膜が残っていると、金属枠体９０４と接合部９０５の金原子同士が引き合うため接合強度の大きい良好な接合を行うことができる。したがって、加圧後も金属枠体９０４の表面に金膜が残るように金膜の厚さおよび加圧力を調整するとよい。また、錫に代わってインジウムを使用してもよい。
【００９０】
また、接合装置および接合動作については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。なお、図３に示した装置では、金属枠体９０４と接合部９０５の接合を大気中で行うため、デバイス基板９０１と蓋基板９０２の接合面と金属枠体９０４で囲まれた空間には、大気が封入されることとなる。
【００９１】
また、図８は金属枠体９０４がＡｕ、Ａｌ、Ｃｕである場合の、金属枠体９０４の高さと接合強度との関係を示した図である。同図において金属枠体９０４の接合面からの高さは、完全につぶれたときを０％、全く潰れていないときを１００％としている。同図において、接合が良好であるための接合強度は１金属枠体当たり１５０ｇ以上の場合とし、１金属枠体当たりの接合強度が１５０ｇ以上となり接合強度が十分良好であるためには、接合部が金属バンプであるときと同様、金属枠体９０４の高さが接合面から金属枠体９０４の先端までの高さのおよそ２０〜９０％となるように加圧して押し潰すとよいことが分かる。また、金属バンプの場合と同様、金属枠体９０４の接合面からの高さが２０〜９０％の高さとなるように１金属枠体当たり５０〜７００ＭＰａの範囲で加圧力の制御を行うこととしてもよい。
【００９２】
（第５実施形態）
続いて第５実施形態について説明する。本実施形態では、上記第４実施形態と同様デバイス基板９０１の所定領域を囲んで突出形成された断面尖形形状を有する金属枠体９０４と蓋基板９０２の接合部９０５の接合を行う。本実施形態が上記第４実施形態と大きく相違する点は、接合部９０５の表面活性化処理後、金属枠体９０４と接合部９０５の接合を行うための接合装置がチャンバー内に配設されている点である。以下、本装置について詳しく説明する。
【００９３】
図９は本実施形態における装置構成を示した概略構成図である。本実施形態では、同図に示すように、チャンバー５２内に表面活性化処理室５１と、チャンバー５６内に接合室５５が構成され、表面活性化処理室５１には表面活性化処理装置５３が、接合室５５には接合装置５７が配設されている。また、チャンバー５２および５６の入口には気密シャッター５４および５８が設けられ、この気密シャッター５４および５８を閉じることでチャンバー５２および５６を気密化して、所定の雰囲気中で表面活性化処理および接合処理を行うことができる。
【００９４】
また、表面活性化処理室５１と接合室５５との間には、表面活性化処理装置５３から接合装置５７へと両基板９０１、９０２を搬送可能にするための搬送機構５９が配設されている。このような構成とすれば、表面活性化処理および接合処理において、蓋基板９０２を表面活性化処理室５１から接合室５５の上部電極８０６へと搬送することができる。なお、搬送装置５９については、周知の種々の搬送装置を採用することができ、その構成および動作は周知のものであるため、その構成および動作の説明は省略する。
【００９５】
したがって、本実施形態によると、蓋基板９０２を表面活性化処理後、搬送装置５９により接合室へ搬送し、上部電極８０６に保持することにより、チャンバー５６内の所定の雰囲気中でデバイス基板９０１と蓋基板９０２の接合を行うことができる。よって、デバイス基板９０１および蓋基板９０２の接合面と金属枠体９０４で囲まれた所定の空間を大気以外の所定の雰囲気に封入する場合には簡便である。
【００９６】
（第６実施形態）
続いて、本発明にかかる接合装置の第６実施形態について説明する。本実施形態が上記第５実施形態と大きく相違する点は、表面活性化処理と接合処理を続けて行うことができる表面活性化・接合装置が配設されている点であり、蓋基板９０２の表面活性化処理前にデバイス基板９０１および蓋基板９０２を同一チャンバー内にセットし、蓋基板９０２に表面活性化処理を行った後、続けて所定の雰囲気中でデバイス基板９０１および蓋基板９０２の接合を行うことができる。その他の構成は第５実施形態と同様である。以下、第５実施形態との相違点を中心に第９実施形態について説明する。
【００９７】
なお、図１０は、本実施形態における装置構成を示した概略構成図である。また、図１１は表面活性化処理および接合処理の手順を示す図である。また、図１２は図１０の装置において２視野認識手段を用いた大気中でのアライメント処理を示す図である。
【００９８】
図１０に示すように、表面活性化・接合装置５０において、図示省略したアクチュエータにより昇降可能に構成されたチャンバー壁８０３と、チャンバー台８１０とにより減圧チャンバーが構成されている。この表面活性化・接合装置５０では、蓋基板９０２とデバイス基板９０１とを上下に対向保持した状態でチャンバー壁８０３を下降して減圧チャンバーを閉じ、真空内でＡｒプラズマにより表面活性化処理（エッチング）を行った後、両基板９０１、９０２を接合することができる。
【００９９】
また、この装置５０は、デバイス基板９０１を保持し、この保持されている基板の位置調整が可能に構成されたステージ部と、蓋基板９０２を保持し、Ｚ軸８０１により昇降制御と加圧制御を行うヘッド部とを備えている。また、ヘッド部はピストン型ヘッド８０２と、上部電極８０６とを備え、ステージ部は位置調整（アライメント処理）が可能に構成されたアライメントテーブル８２０と下部電極８０９とを備えている。なお、本実施形態では、蓋基板９０２を上部電極８０６により保持し、デバイスの本体部９０３が形成されたデバイス基板９０１を下部電極８０９により保持している。また、本実施形態では、デバイス基板９０１に金属枠体９０４が形成されており、デバイス基板９０１および蓋基板９０２を接合する。
【０１００】
また、Ｚ軸８０１には図示省略する圧力検出手段が組み込まれ、この圧力検出手段による検出信号をＺ軸サーボモータのトルク制御装置（図示省略）へフィードバックすることで、ピストン型ヘッド８０２を基板９０１、９０２の接合面とほぼ垂直な方向に加圧力制御を行うことができる。なお、ステージ部側のみ、または、ヘッド部側およびステージ部側の両方を加圧制御可能に構成してもよい。
【０１０１】
そして、摺動パッキン８０４がＺ軸８０１に摺接しつつ、アクチュエータによりＺ軸８０１と独立して昇降可能なチャンバー壁８０３が下降し、チャンバー台８１０に固定パッキン８０５を介して接地した状態でチャンバー内を外気と遮断することができる。この状態で、排出バルブ８１４を開放して真空ポンプ８１５を作動させて排出口８１２を介してチャンバー内を真空に引きした後、ガス切換弁８１６をＡｒガス８１７（図１２参照）を導入するように切換えて吸入バルブ８１３を開放することで、吸入口８１１を介して反応ガスとしてＡｒガス８１７をチャンバー内に導入することができる。
【０１０２】
そして、Ａｒプラズマによる蓋基板９０２の表面活性化処理を行った後、チャンバー内を所定の封入ガス雰囲気に置換してピストン型ヘッド８０２を下降させることで両基板９０１、９０２を接合することができる。また、上部電極８０６および下部電極８０９は図示省略する加熱ヒータを備えており、基板９０１、９０２どうしの接合時に加熱を併用することで、基板９０１、９０２どうしの接合強度を向上させることができる。
【０１０３】
なお、後述するように、表面活性化処理後、チャンバー内を所定の雰囲気（Ａｒガス８１７、窒素ガス８１８、真空、大気等）に置換してピストン型ヘッド８０２を下降させることで、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって囲まれて形成される空間に当該所定の雰囲気を封入して接合することができる。例えば、ガス切換弁８１６を窒素ガス８１８（図１２参照）を導入するように切換えることで、吸入口８１１を介して封入ガスとして窒素ガス８１８をチャンバー内に導入し、窒素ガス８１８を当該所定の空間に封入することができる。
【０１０４】
また、チャンバー壁８０３の摺動パッキン（Ｏリング）８０４をＺ軸８０１に摺接させてＯリングでチャンバーを気密化しているが、ピストン型ヘッド８０２の外周面に摺動パッキン（Ｏリング）８０４を設け当該摺動パッキンをチャンバー壁８０３に摺接させてチャンバーを気密化してもよい。
【０１０５】
次に、この表面活性化・接合装置５０における表面活性化処理（表面活性化工程）および接合処理（接合工程）の処理手順について図１１を参照して説明する。まず、同図（ａ）に示すようにチャンバー壁８０３が上昇した状態で蓋基板９０２を上部電極８０６により保持し、デバイス基板９０１を下部電極８０９により保持する。基板９０１、９０２の保持方法は機械的なチャッキング方式でもよいが、静電チャック方式がより好ましい。
【０１０６】
そして、図１１（ｂ）に示すようにチャンバー壁８０３を下降させ、チャンバー台８１０に固定パッキン８０５を介して接地させる。チャンバー壁８０３は摺動パッキン８０４がＺ軸８０１に摺接することでにより大気と遮断されているので、吸入バルブ８１３を閉止した状態で排出バルブ８１４を開放して真空ポンプ８１５により真空引きを行うことでチャンバー内の真空度を高めることができる。
【０１０７】
次に、図１１（ｃ）に示すようにチャンバー内に反応ガスを導入する。真空ポンプ８１５を動作させながら排出バルブ８１４の排出量と吸入バルブ８１３のガス吸入量を調整することで、ある一定の真空度に保ちながらチャンバー内を任意の反応ガスで満たすことができる。この実施形態では、反応ガスとして、Ａｒガス８１７を１０−２Ｔｏｒｒ程度の真空度でチャンバー内に充満させ、同図（ｄ）に示すように、上部電極８０６に交番電源により電圧印加することで同様にしてＡｒプラズマを発生させ、蓋基板９０２に形成された接合部９０５の表面活性化処理を行う。
【０１０８】
次に、図１１（ｂ）に示すように、吸入バルブ８１３を閉じた状態でチャンバー内をさらに真空引きしてＡｒガスを排出する。なお、両電極８０６，８０９を１００℃程度に加熱しながら真空引きを行うことにより基板９０１、９０２表面に付着したり、基板９０１、９０２内部に打ち込まれたＡｒイオンを排出することもできる。
【０１０９】
その後、図１１（ｃ）に示すように、チャンバー内を所定の封入ガスに置換する。なお、ガス切替弁８１６でＡｒガス８１７と窒素ガス８１８を選択して吸入口８１１に導入することで、Ａｒガス８１７と窒素ガス８１８の２つのガスを１チャンバーで切り替えることができる。また、このガス切替弁８１６は大気を吸入可能に構成されているので封入ガスとしてチャンバー内に大気を導入することもできる。また、チャンバー内に大気を導入してチャンバー内を大気圧とした後に、チャンバーを開いて大気解放させることもできる。
【０１１０】
したがって、本実施形態では、封入ガスとして、Ａｒガス８１７、窒素ガス８１８、大気ガス、真空のうちから１つのガスを選択してチャンバー内に導入することができる。なお、封入ガスをＡｒガス８１７とする場合には上記した表面活性化処理後にチャンバー内を真空引きする処理を省略すれば、Ａｒガス８１７の消費量を抑制できる。また、封入ガスを真空とする場合には上記した表面活性化処理後にチャンバー内を真空引きする処理を行った後、そのまま後述する接合処理を行えばよい。
【０１１１】
続いて、図１１（ｅ）に示すように、真空中または封入ガス中でチャンバー壁８０３とＺ軸８０１とが摺動パッキン８０４で接しながらピストン型ヘッド８０２がＺ軸８０１により下降される。このとき、蓋基板９０２の接合部９０５がＡｒプラズマにより表面活性化処理された後、表面活性化処理により除去された付着物層の浮遊物が当該接合部９０５および金属枠体９０４に付着したり、当該接合部９０５および金属枠体９０４が大気に暴露されることで、当該接合部９０５および金属枠体９０４に有機物や酸化膜などの付着物層が付着することがある。
【０１１２】
しかしながら、基板９０１に形成された金属枠体９０４および蓋基板９０２に形成された接合部９０５を真空中または封入ガス中で接触させ、加圧することで金属枠体９０４および接合部９０５に再付着した付着物層が押し破られて金属枠体９０４および接合部９０５が接合し、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を封入する接合処理が行われる。
【０１１３】
なお、チャンバー内はチャンバー壁８０３とＺ軸８０１との間の摺動パッキン８０４により外部雰囲気と遮断され、チャンバー内を真空または封入ガス雰囲気に維持した状態でピストン型ヘッド８０２を下降させることができる。また、接合処理の際に両電極８０６，８０９に備えられた加熱ヒータにより１８０℃程度の温度で加熱して、接合強度を向上させることができる。最後に、図１１（ｆ）に示すように、チャンバー内に大気を供給し大気圧に戻した後にヘッド部を上昇させて、接合された両基板９０１、９０２をチャンバー内から取り出し、表面活性化処理および接合処理が終了する。
【０１１４】
ところで、デバイス基板９０１および蓋基板９０２の接合の際に、デバイス基板９０１および蓋基板９０２の位置調整（アライメント）を行った後、接合することもできる。図１２に示すように、両基板９０１、９０２の間に２視野認識手段８２５を挿入することで、デバイス基板９０１に形成された金属枠体９０４や両基板９０１、９０２に形成されたアライメントマーク等の位置を当該２視野認識手段８２５で検出できる。
【０１１５】
この２視野認識手段８２５は両基板９０１、９０２間に挿入された状態で、上下に位置する両基板９０１、９０２の金属枠体９０４やアライメントマーク等の像を、プリズム８２６により、上マーク認識手段８２７と下マーク認識手段８２８の方向に屈折させてそれぞれ読み取ることができる。また、２視野認識手段８２５は両基板９０１、９０２の接合面にほぼ平行なＸＹ軸方向と、両基板９０１、９０２面にほぼ垂直なＺ軸方向とに移動可能に構成されたテーブル（図示省略）により移動可能に構成され、両基板９０１、９０２の任意の位置に形成された金属枠体９０４やアライメントマーク等の位置を読み取ることができる。
【０１１６】
そして、両基板９０１、９０２に形成された金属枠体９０４やアライメントマーク等の位置を読み取った後、アライメントテーブル８２０によりデバイス基板９０１の位置を、蓋基板９０２の位置に合わせる位置調整を行う。なお、１回目の位置調整が終了した後、再度、２視野認識手段８２５を両基板９０１、９０２に挿入して繰り返して位置調整を行い、位置精度を向上させることもできる。
【０１１７】
このように、この表面活性化・接合装置５０において、Ａｒプラズマによる接合部９０５の表面活性化処理後、表面活性化処理により除去された付着物層の浮遊物が接合部９０５および金属枠体９０４に付着しても、加圧することで該付着した付着物層を押し破ってデバイス基板９０１に形成された金属枠体９０４および蓋基板９０２に形成された接合部９０５を接合することができ、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を封入する接合処理を行うことができる。
【０１１８】
なお、接合処理を真空中で行うことにより、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって囲まれて形成される空間を容易に真空雰囲気で封止することができる。また、接合処理をＡｒガス、窒素ガス、大気といった封入ガス中で行うことにより、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって囲まれて形成される空間に容易にこれらの封入ガスを封入することができる。
【０１１９】
また、封入ガスは、接合部を金とすれば、不活性なガスでなくとも腐食されないため接合に影響はでない。そのため、不活性なガス以外のガスも採用することができる。
【０１２０】
また、Ａｒプラズマにより表面活性化処理を行えば、接合部９０５の付着物層を除去するエッチング力が高く効率がよい。しかしながら、窒素、酸素など他の反応ガスによるプラズマにより表面活性化処理を行うこともできる。
【０１２１】
（第７実施形態）
続いて、本発明にかかる接合装置の第７実施形態について説明する。本実施形態が上記第６実施形態と大きく相違する点は、表面活性化処理室と接合室が同一チャンバー内に気密シャッターにより仕切られて構成されている点であり、その他の構成は第６実施形態と同様である。以下、第６実施形態との相違点を中心に第７実施形態について詳細に述べる。なお、第６実施形態と同一の構成および動作については、その構成および動作の説明を省略する。
【０１２２】
図１３は本実施形態における装置構成を示した概略構成図である。同図に示すように、表面活性化・接合装置６０は、チャンバー６１が表面活性処理室および接合室から構成され、表面活性化処理室に表面活性化処理装置６４が、接合室に接合装置５７が配設されている。
【０１２３】
そして、表面活性化処理室の入口には気密シャッター６２が設けられ、この気密シャッター６２を閉じることで表面活性化処理室を気密化することができる。また、チャンバー６１内の表面活性化処理室と接合室との間には、表面活性化処理装置６４から接合装置５７へと両基板９０１、９０２を搬送可能に搬送機構６３が配設されている。なお、搬送装置６３については、周知の種々の搬送装置６３を採用することができ、その構成および動作は周知のものであるため、その構成および動作の説明は省略する。また、以下の実施形態で説明する搬送装置についても、その構成および動作の説明は省略する。
【０１２４】
本実施形態では、蓋基板９０２の表面活性化処理が行われる間は、気密シャッター６２を閉じて表面活性化処理室をＡｒ雰囲気にし、Ａｒプラズマによって蓋基板９０２の表面活性化処理が行われる。
【０１２５】
その後、気密シャッター６２が開放され、搬送機構６３により蓋基板９０２が接合室に搬送されて上部電極８０６に保持される。また、デバイス基板９０１は接合室の下部電極８０９に予め保持されている。そして、接合室の加圧手段８０１によりデバイス基板９０１と蓋基板９０２が加圧されて接合が行われる。
【０１２６】
なお、表面活性化処理中は、接合室は真空、大気またはその他の封入ガス雰囲気等、どのような雰囲気でもよい。そして、蓋基板９０２の表面活性化処理後、蓋基板９０２は接合室に搬送されて上部電極８０６に保持され、接合室を所望の雰囲気として接合動作が行われる。
【０１２７】
例えば、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４で囲まれた空間にＡｒガスを封入する場合は、蓋基板９０２をＡｒプラズマにより表面活性化処理する際に、デバイス基板９０１を下部電極８０９に保持した接合室をＡｒ雰囲気としておけば、表面活性化処理後、気密シャッター６３を開放して蓋基板９０２を搬送機構６３によって接合室へ搬送して上部電極８０６に保持した後すぐに接合を行うことができる。
【０１２８】
このような構成とすることにより、第６実施形態の装置構成と比較して、表面活性化処理を行ったときに、表面活性化処理により除去された付着物層の浮遊物がデバイス基板９０１に付着するのを防止することができる。また同一チャンバー内に表面活性化処理室と接合室を備えているので、表面活性化処理後短時間で金属枠体９０４および接合部９０５の接合を行うことができ、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４で囲まれた空間に容易に所定の雰囲気を封入することができる。
【０１２９】
また、接合前に接合室に所定の気体を導入して超高気圧とすることで、大気圧によって両基板９０１、９０２を加圧して接合処理を行うこともできる。また、チャンバー６１内を任意の気圧で所定のガス雰囲気とすることができ、あるいは、チャンバー６１内を真空雰囲気とすることができるように構成されている。以上のような構成とすれば、上記した第４ないし第６実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１３０】
（第８実施形態）
続いて、本発明にかかる接合装置の第８実施形態について、図１４および１５を参照して説明する。なお、図１４は、本実施形態のデバイス基板および蓋基板の一例を示す概略構成図、図１５は接合装置の概略構成図を示す。
【０１３１】
本接合動作例が上記第７実施形態と大きく相違する点は、デバイス基板９０１に形成された複数の金属枠体９０４を取り囲んで断面尖形形状を有する金属外枠体９０６が形成され、金属外枠体９０６が接合部９０５に仮接合された後、金属枠体９０４が接合部９０５に本接合される点である。以下、第７実施形態との相違点を中心に第８実施形態について説明する。
【０１３２】
図１４は本実施形態の基板の一例を示す図であり、同図に示すように、デバイス基板９０１の基板本体９０１ａの表面には、複数の金属枠体９０４が形成されている。同図では、デバイス基板９０１の基板本体９０１ａの表面には、所定領域をそれぞれ囲んだ断面尖形形状を有する金属枠体９０４がそれぞれ金めっきにより複数突出形成されている。また、金属枠体９０４に囲まれたぞれぞれの領域には、表面弾性波デバイスやＲＦデバイスといった半導体デバイス、機械的な可動部分を有するＭＥＭＳデバイスなどのデバイスの本体部９０３が形成されている。
【０１３３】
また、蓋基板９０２の基板本体９０２ａの表面には金薄膜９０５がスパッタリングまたは金属めっきにより形成されている。なお、金薄膜９０５の代わりに、金属枠体９０４に対応する位置に突出形成された金属枠体等であってもよい。
【０１３４】
なお、図１４に示すように形成されたデバイス基板９０１と蓋基板９０２とを接合した後、接合されたデバイス基板９０１および蓋基板９０２を、金属枠体９０４で囲まれた領域ごとにダイシングすることで、複数のデバイスを効率よく形成することができる。
【０１３５】
また、デバイス基板９０１および蓋基板９０２は、樹脂により構成されたプリント基板、配線層が積み上げられたビルドアップ基板またはＳｉ、ＳｉＯ２、ガラス、セラミックおよびＬＴ（酸化物単結晶）からなるウエハー等、種々の材料で構成することができる。
【０１３６】
次に、図１５に示した接合装置を参照して、本実施形態の接合動作について説明する。本実施形態では、同図に示すようにチャンバー７１内に表面活性化・仮接合装置７２が配設された表面活性化・仮接合室が構成されている。
【０１３７】
なお、この表面活性化・仮接合室は、第６実施形態の図１０に示した表面活性化・接合装置５０を簡略化して示した図であり、装置の動作は第６実施形態と同様である。本実施形態では、蓋基板９０２の表面活性化処理を行った後、続けて本装置内で金属外枠体９０６の仮接合を行い、その後、搬送装置７３により、仮接合された基板９０１、９０２を大気中の本接合装置７５へと搬出し、本接合動作を行う。
【０１３８】
したがって、この表面活性化・仮接合装置７２において、Ａｒプラズマによる接合部９０５の表面活性化処理後、エッチングにより除去された付着物層の浮遊物が金属外枠体９０６に再付着しても、加圧することで該再付着した付着物層を押し破って両基板９０１、９０２の金属外枠体９０６と接合部９０５を接合することができ、両基板９０１、９０２の接合面間に金属外枠体９０６によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を封入する仮接合処理を行うことができる。
【０１３９】
なお、仮接合処理を真空中で行うことにより、金属外枠体９０６によって囲まれて形成される空間を容易に真空雰囲気で封止することができる。また、接合処理をＡｒガス、窒素ガス、大気といった封入ガス中で行うことにより、金属外枠体９０６によって囲まれて形成される空間に容易にこれらの封入ガスを封入することができる。
【０１４０】
また、封入ガスは、接合部を金とすれば、不活性なガスでなくとも腐食されないため接合に影響はない。そのため、不活性なガス以外のガスも採用することができる。
【０１４１】
また、Ａｒプラズマにより表面活性化処理を行えば、接合部９０５の付着物層を除去するエッチング力が高く効率がよい。しかしながら、窒素、酸素など他の反応ガスによるプラズマにより表面活性化処理を行うこともできる。
【０１４２】
なお、金属外枠体９０６を仮接合する仮接合処理時に、金属枠体９０４も部分的に接触して接合することがある。このような場合であっても、所定の雰囲気中で金属枠体９０４の接合が行われることになるので、接合処理後、後述する本接合処理を行うことで、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を確実に封入することができる。
【０１４３】
次に、図１５を参照して本接合装置７５について説明する。同図に示すように、本接合装置７５は接合が行われたデバイス基板９０１および蓋基板９０２を保持するステージ２２１と、当該ステージ２２１に保持された両基板９０１、９０２を基板全面にわたって一括加圧する高圧プレス手段２２０とを備えている。したがって、高圧プレス手段２２０により仮接合された両基板９０１、９０２の基板全面にわたって一括加圧することで、金属外枠体９０６の内側に形成された金属枠体９０４のすべてを確実に接合することができる。
【０１４４】
なお、高圧プレス手段２２０に代えて、加圧位置をずらしながら加圧する加圧手段により、仮接合された両基板９０１、９０２の加圧位置をずらしながら加圧を行うことによって、金属外枠体９０６の内側に形成された金属枠体９０４のすべてを確実に接合することができるとしてもよい。
【０１４５】
また、高圧プレス手段２２０およびステージ２２１の代わりに、接合が行われたデバイス基板９０１および蓋基板９０２の上下に加圧ローラを配設し、上下の加圧ローラの間に仮接合がされた両基板９０１、９０２を通過させて加圧することにより、金属外枠体９０６の内側に形成された金属枠体９０４のすべてを確実に接合することができるとしてもよい。
【０１４６】
このように、仮接合処理によって両基板９０１、９０２の接合面間と金属外枠体９０６によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気が封入された状態で、両基板９０１、９０２を全面にわたって加圧することで当該空間内に形成されているすべての金属枠体９０４と接合部９０５を接合し、本接合を確実に行うことができる。したがって、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を確実に封入できる。
【０１４７】
すなわち、本接合処理において、両基板９０１、９０２を全面にわたって余すところなく加圧することができるので、金属外枠体９０６の内側に形成されているデバイス基板９０１の金属枠体９０４と蓋基板９０２の接合部９０５を確実に接合して本接合を行うことができる。
【０１４８】
また、本接合処理を大気中で行うことにより、本接合を行う際に真空チャンバーが不要となり、かつ、封入ガスの使用量を削減できコストダウンを図ることができる。
【０１４９】
なお、Ａｒプラズマによる接合部９０５の表面活性化処理後、接合処理が行われる前に、エッチングにより除去された付着物層の浮遊物が接合部９０５および金属枠体９０４に付着しても、加圧することで該付着した付着物層を押し破ってデバイス基板９０１の金属枠体９０４および蓋基板９０２の接合部９０５を本接合することができ、接合面と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気をに封入する本接合を行うことができる。
【０１５０】
以上のように、本実施形態によれば、デバイス基板９０１に形成された金属外枠体９０６および蓋基板９０２の接合部９０５を加圧して接合することで、両基板９０１、９０２の接合面間と金属外枠体９０６によって囲まれる空間に所定の雰囲気を封入できる。したがって、当該空間内の所定の雰囲気中で加圧することにより、デバイス基板９０１の金属枠体９０４および蓋基板９０２の接合部９０５の本接合を確実に行うことができるので、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって輪郭状に囲まれて形成される空間に所定の雰囲気を封入するとともに、この空間を外部の雰囲気から確実に遮断できる。
【０１５１】
また、本実施形態では、接合に先立ち、Ａｒプラズマであるエネルギー波で蓋基板９０２の接合部９０５を表面活性化処理することで、蓋基板９０２の接合部９０５に形成された酸化膜等を除去することができるため、接合を確実に行うことができる。
【０１５２】
また、本実施形態では、デバイス基板９０１に形成された金属枠体９０４および金属外枠体９０６と、蓋基板９０２に形成された接合部９０５とを、加圧することで密着させることができ、それぞれ確実に仮接合および本接合を行うことができる。
【０１５３】
また、デバイス基板９０１の金属枠体９０４に囲まれた領域に、表面弾性波デバイス、ＲＦデバイスなどの半導体デバイスの本体部、機械的な可動部を有するＭＥＭＳデバイスの本体部、またはデバイスの電極等を形成して、デバイス基板９０１の金属枠体９０４および金属外枠体９０６と、蓋基板９０２の接合部９０５との仮接合および本接合を行った後、接合後のデバイス基板９０１および蓋基板９０２を、金属枠体９０４によって囲まれた領域ごとにダイシングすることができ、デバイスの本体部や電極が、両基板９０１、９０２の接合面間と金属枠体９０４によって囲まれた空間に封止され、外部の雰囲気と遮断された複数のデバイスを提供できる。
【０１５４】
また、本実施形態では、デバイス基板９０１に金属枠体９０４および金属外枠体９０６が、蓋基板９０２に接合部９０５が形成されているが、蓋基板９０２の接合部９０５は金属枠体９０４および金属外枠体９０６に対応する位置に突出形成された金属枠体等であってもよい。
【０１５５】
なお、本実施形態では、接合する基板９０１、９０２の種類、基板上に形成されたデバイスの種類に応じて、種々の接合装置から最適なものを組み合わせて変更することができる。以下、接合装置の変形例について図１６を参照して説明する。図１６は接合装置の変形例を示す図である。
【０１５６】
接合装置９０について説明する。図１６（ａ）に示すように、接合装置９０は、表面活性化装置が配設された表面活性化室と、仮接合装置が配設された仮接合室と、本接合装置が配設された本接合室とを有するチャンバー９１を備えている。また、チャンバー９１内には基板９０１、９０２を各室の間で搬送する搬送機構９２が配設されている。また、各室の入口にはそれぞれの空間を気密化できる気密シャッター（図示省略）が配設されている。このように、各処理はすべて同一のチャンバー９１内で実行される。このような構成としても上記した第１ないし第７実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１５７】
また、次に接合装置９５について説明する。図１６（ｂ）に示すように、接合装置９５は、表面活性化装置と、接合装置と、本接合装置とを備えている。また、各装置の間で基板９０１、９０２を搬送可能に搬送機構９６が大気中に配設されている。このような構成としても上記した第１ないし第７実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１５８】
（その他）
なお、本発明は上記した各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上記したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
【０１５９】
例えば、第６実施形態では、同一の装置で被接合物の表面活性化処理から被接合物の接合までを一括した処理として実行していたが、エネルギー波による接合部９０５の表面活性化処理と、被接合物の接合を行う接合処理とを、それぞれ別の装置で行っても構わない。
【０１６０】
このような構成とすれば、蓋基板９０２の接合部９０５が表面活性化処理された後、デバイス基板９０１と蓋基板９０２のアライメントを大気中で行ったり、蓋基板９０２を大気中を経て接合装置に搬送した場合に、接合部９０５に酸化膜や有機物等からなる付着物の層が再形成されやすい。しかしながら、上記したように、再形成された付着物層を加圧して押し破ることで金属枠体９０４および接合部９０５を接合することができる。
【０１６１】
また、被接合物の保持手段としては真空チャック方式、静電チャック方式等どのような吸着保持方式でもよい。なお、表面活性化処理を行うチャンバー内部は表面活性化処理を行う過程で真空とするため、チャンバー内部の被接合物の保持手段は静電チャック方式が望ましいが、機械的に固定する方式でもよい。また、大気中でまず真空吸着保持させておいて密着させた後、機械的に固定する方法が密着性が良く好ましい。
【０１６２】
また、例えば、第１実施形態における接合装置では、ヘッド側に平行移動および回転移動の移動軸と昇降軸が、ステージ側に平行移動と回転移動の移動軸が配設されるとしたが、平行移動および回転移動の移動軸、昇降軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられてもよく、また、重複してもよい。また、ヘッドおよびステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜め等に配置してもよい。
【０１６３】
また、上記実施形態において、ヘッド部２６の先端ツール９および／またはステージ１０の表面に弾性材を配し、チップ２０および基板２２の接合時に弾性材を介して両被接合物を加圧しても構わない。このような構成とすれば、被接合物どうしの平行度をならわせることができる。また、薄い被接合物であれば平坦度もならわせることができる。
【０１６４】
また、上記実施形態において、ステージ１０および／またはヘッド部２６に球面軸受けを配設し、被接合物の接合時または接合前に被接合物同士を接触加圧して、少なくとも一方の被接合物に他方の傾きを合わせることができる構造にしてもよい。このような構成とすれば、平行度を倣わせて接合することができる。
【０１６５】
また, チップ２０が発光素子である場合には, 位置認識部２９に位置認識用のアライメントマークを認識する上下マーク認識手段１４の他に、発光点認識手段３３を備えるとしてもよい。この場合、上下マーク認識手段１４によりアライメントマークを認識して、チップ２０と基板２２の位置を粗調整し、その後電気的に発光素子を発光させた状態で、発光点認識手段３３により発光点を認識し、チップ２０と基板２２の位置を微調整することにより、サブミクロンの精度で位置調整を行うことができる。
【０１６６】
また、被接合物の位置認識手段は、上下マーク認識手段１４、発光点認識手段３３以外のいかなる手段であってもよい。例えばマークが反対面にある場合には、ＩＲ（赤外）光による被接合物認識手段を用い、被接合物を透過させて金属からなるアライメントマークを認識して、チップ２０と基板２２の位置を認識し、位置調整を行ってもよい。
【０１６７】
また、例えば第１実施形態において、一定時間ヘッド部２６のヘッド高さを一定に保持して被接合物の加圧を行ってもよい。この場合、被接合物の接合界面では、荷重に耐え切れなくなり結晶方位の回転や粒子の移動が起こり、新生面が現れて接合し、粒子の移動によって残留応力が除去される。一方、被接合物を瞬間的に加圧した状態では、被接合物の表面は弾性変形しているため、界面の結晶が回転していない場合や、弾性変形が残留応力として残り、接合力に対して引き剥がす方向に働くため、接合強度が落ちることもある。したがって、被接合物の加圧時に、一定時間ヘッド部２６のヘッド高さを一定に保持することにより、接合強度が落ちない良好な接合を行うことができる。この停止時間は材料や接合状態によるが、１秒以上から効果があり、２分以上では効果は変わらないものである。
【０１６８】
また、上記停止時に１８０℃以下で加熱を行うと、効率良く結晶方位の回転や粒子の移動が行われて接合が進み、残留応力が除去されることにより、接合強度を増加することができる。なお、加熱温度としては１８０℃以下の低温加熱で十分である。したがって、金属突起となる電極部を多数持つ半導体チップのフリップチップ接合においては、半導体への熱影響から１８０℃以下好ましくは室温での低温で接合する要望が高く、微細ピッチ電極等の数μｍ以内の高精度な実装が望まれているため、特に有効である。
【０１６９】
また、上記した接合時の加熱に代えて超音波振動を与えることで、熱膨張影響を受けずより容易に固相で金属接合することもできる。この場合、超音波発振器とホーンをヘッド部２６のチップ保持ツール８の代わりに備える構成としてもよい。超音波振動を与えることにより、室温から１８０℃以下程度の低温で、加圧力を小さく抑えて接合することが可能であるため、加圧や高温加熱により被接合物に与えるダメージを抑えることができる。また、振幅を小さく抑え、加圧してから振動を与え、接合が進むにつれ接合面積に比例して加圧力を制御することにより位置ずれなく実装することができる。
【０１７０】
例えば、ホーンとホーン保持部と振動子からなる超音波振動ヘッドを備え、前記大気中での接合時に２μｍ以下の振幅からなる超音波振動を被接合物に印加し、１５０ＭＰａ以下の荷重、１８０℃以下の加熱で固相で金属接合する方法および接合装置であってもよい。大気中での接合時に超音波振動を印加するとより接合しやすくなる。既に表面活性化されているので超音波エネルギーは小さくて良く、ダメージや位置ずれを押さえられる２μｍ以下の振幅で十分であり、１μｍ以下であればより好ましい。また、金からなる金属バンプ２０ａを接合部２２ａに接合する場合、常温では３００ＭＰａ程度の高加圧力で押しつぶさないと接合できないが、超音波を印加することで接合荷重は半分以下の１５０ＭＰａ以下に下げることができる。
【０１７１】
また、超音波振動を利用して大面積を接合する場合は、横振動タイプの超音波ヘッドでは横振動させるには接合面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの超音波ヘッドであれば、大面積な面接合も可能となる。また、超音波振動と呼ぶが振動周波数は特に超音波の領域でなくとも良い。特に縦振動タイプにおいては、低周波でも十分効力を発揮する。
【０１７２】
また、一方の被接合物に金属接合部が複数形成されている場合には、被接合物の接合前に金属接合部を平面度の出た基準台に押し付けることで高さや表面粗さを均一に修正するレベリングを行うとしてもよい。レベリングを行うことにより、被接合物への接合加重を低減することができる。一例として、高さばらつき２μｍ、表面粗さ２００ｎｍである金属バンプ２０ａを有するチップ２０にレベリングを行った場合、レベリングにより高さばらつきおよび表面粗さは５０ｎｍ以下となり、加圧力はレベリング前には３００ＭＰａであったが、レベリング後は１５０ＭＰａへと低減された。
【０１７３】
また、チップ２０に形成された金属バンプ２０ａの形状は、ピラミッド型、円錐型等断面尖形形状を有している形状であればどのような形状であってもよい。
【０１７４】
また、被接合物は半導体以外のデバイスでもよく、表面弾性波デバイスやＲＦデバイスといった半導体デバイス、機械的な可動部分を有するＭＥＭＳデバイス等、どのような材料であってもよく、ウエハー等でもよい。また、一方の被接合物の金属接合部および他方の被接合物の接合部は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、錫等が適するが、その他の金属や金属以外のものでも表面活性化接合できるものであればよい。また、他方の被接合物は、全面が接合面であってもよいし、一方の被接合物の金属接合部の対応する位置に、金属接合部を突出形成してもよい。
【０１７５】
また、上記した実施形態では、Ａｒプラズマによるエネルギー波で他方の被接合物の接合部の表面活性化処理を行ったが、窒素、酸素など他のガスで行ってもよく、例えばＡｒと酸素を混合したものでも構わない。またプラズマ等のエネルギー波でなくても、イオンビームや原子ビーム等で表面活性化処理を行うとしてもよい。
【０１７６】
また、他方の被接合物の接合部を表面活性化処理する方法として、交番電源が接続された電極面に保持された基板２２に表面活性化処理を行うのが効率上好ましいが、均一性やダメージ軽減から、前記電極を基板２２の保持位置以外の場所に設置して、表面活性化処理を行うとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】本発明にかかる接合装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】接合過程を表す図である。
【図３】接合時の接合界面での結晶方向の回転模式図である。
【図４】バンプ高さと接合強度との関係を示す図である。
【図５】チップの一部と金属バンプを拡大して示した斜視図である。
【図６】デバイス基板および蓋基板の一例を示す図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図８】金属枠体の高さと接合強度との関係を示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態における装置構成を示した概略構成図である。
【図１０】本発明の第６実施形態における装置構成を示した概略構成図である。
【図１１】本発明の第６実施形態における表面活性化処理および接合処理の手順を示す図である。
【図１２】図１０の装置において２視野認識手段を用いた大気中でのアライメント処理を示す図である。
【図１３】本発明の第７実施形態における装置構成を示した概略構成図である。
【図１４】デバイス基板および蓋基板の他の例を示す図である。
【図１５】本発明の第８実施形態における装置構成を示した概略構成図である。
【図１６】本発明の接合装置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【０１７８】
２０…チップ（一方の被接合物）
２０ａ…金属バンプ（金属接合部）
２２…基板（他方の被接合物）
２２ａ…接合部
２５…上下駆動機構（加圧制御手段）
２６…ヘッド部（加圧制御手段）
３１…制御装置（加圧制御手段）
４０…洗浄部（エネルギー波照射手段）
５３、６４…表面活性化処理装置（エネルギー波照射手段）
２２０…高圧プレス手段（加圧制御手段）
８０１…Ｚ軸（上下駆動機構、加圧制御手段）
９０１…デバイス基板（一方の被接合物）
９０１ａ…デバイス基板本体
９０２…蓋基板（他方の被接合物）
９０２ａ…蓋基板本体
９０３…デバイス本体部
９０４…金属枠体（金属接合部）
９０５…接合部
９０６…金属外枠体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の被接合物の接合面に断面尖形形状を有する金属接合部を形成し、他方の被接合物の接合面に金からなる接合部を形成して、前記両被接合物どうしを、
前記他方の被接合物の前記接合部をエネルギー波で表面活性化処理した後、
前記一方の被接合物の前記金属接合部と前記他方の被接合物の前記接合部とを衝合させ、前記一方の被接合物の接合面から前記金属接合部先端までの高さが、２０％〜９０％の高さとなる加圧力で加圧して前記金属接合部を押しつぶして接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記エネルギー波はプラズマであることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記一方の被接合物に形成した前記金属接合部が金属バンプであることを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記一方の被接合物に形成した前記金属接合部が、当該被接合物の所定領域を囲んで形成した金属枠体であることを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。
【請求項５】
前記一方の被接合物の前記金属枠体および前記他方の被接合物の前記接合部の衝合、加圧を真空中で行うことにより、前記一方の被接合物と前記他方の被接合物の間の前記金属枠体によって囲まれる空間を真空封止することを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
【請求項６】
前記一方の被接合物の前記金属枠体および前記他方の被接合物の前記接合部の衝合、加圧を封入ガス中で行うことにより、前記一方の被接合物と前記他方の被接合物の間の前記金属枠体によって囲まれる空間に前記封入ガスを封入することを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
【請求項７】
前記一方の被接合物の前記金属接合部が金めっきで形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の接合方法。
【請求項８】
前記一方の被接合物に形成した一の前記金属接合部あたりの前記加圧力が５０ＭＰａ〜７００ＭＰａとなるように加圧することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の接合方法。
【請求項９】
前記一方の被接合物がセンシング素子であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の接合方法により形成されたデバイスであって、半導体デバイス、光デバイスまたはＭＥＭＳデバイスからなることを特徴とするデバイス。
【請求項１１】
ヘッドおよびステージに保持した被接合物どうしを接合する接合装置において、
いずれか一方の前記被接合物の接合面に断面尖形形状を有する金属接合部を形成し、他方の前記被接合物の接合面に金からなる接合部を形成しておいた前記両被接合物どうしを、前記一方の被接合物の前記金属接合部と前記他方の被接合物の前記接合部とを衝合させ、前記一方の被接合物の接合面から前記金属接合部先端までの高さが、つぶれて２０％〜９０％の高さとなる加圧力で加圧する加圧制御手段を備え、
前記加圧制御手段は、
前記他方の被接合物の前記接合部がエネルギー波で表面活性化処理された前記両被接合物どうしを加圧して前記一方の被接合物の前記金属接合部を押しつぶして前記両被接合物どうしを接続することを特徴とする接合装置。
【請求項１２】
前記加圧制御手段は、
前記一方の被接合物に形成した一の前記金属接合部あたりの前記加圧力が５０ＭＰａ〜７００ＭＰａとなるように加圧することを特徴とする請求項１１に記載の接合装置。
【請求項１３】
前記表面活性化処理を行うエネルギー波照射手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の接合装置。
【請求項１４】
前記エネルギー波照射手段はプラズマを発生させることを特徴とする請求項１３に記載の接合装置。
【請求項１】
一方の被接合物の接合面に断面尖形形状を有する金属接合部を形成し、他方の被接合物の接合面に金からなる接合部を形成して、前記両被接合物どうしを、
前記他方の被接合物の前記接合部をエネルギー波で表面活性化処理した後、
前記一方の被接合物の前記金属接合部と前記他方の被接合物の前記接合部とを衝合させ、前記一方の被接合物の接合面から前記金属接合部先端までの高さが、２０％〜９０％の高さとなる加圧力で加圧して前記金属接合部を押しつぶして接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記エネルギー波はプラズマであることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記一方の被接合物に形成した前記金属接合部が金属バンプであることを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記一方の被接合物に形成した前記金属接合部が、当該被接合物の所定領域を囲んで形成した金属枠体であることを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。
【請求項５】
前記一方の被接合物の前記金属枠体および前記他方の被接合物の前記接合部の衝合、加圧を真空中で行うことにより、前記一方の被接合物と前記他方の被接合物の間の前記金属枠体によって囲まれる空間を真空封止することを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
【請求項６】
前記一方の被接合物の前記金属枠体および前記他方の被接合物の前記接合部の衝合、加圧を封入ガス中で行うことにより、前記一方の被接合物と前記他方の被接合物の間の前記金属枠体によって囲まれる空間に前記封入ガスを封入することを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
【請求項７】
前記一方の被接合物の前記金属接合部が金めっきで形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の接合方法。
【請求項８】
前記一方の被接合物に形成した一の前記金属接合部あたりの前記加圧力が５０ＭＰａ〜７００ＭＰａとなるように加圧することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の接合方法。
【請求項９】
前記一方の被接合物がセンシング素子であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の接合方法により形成されたデバイスであって、半導体デバイス、光デバイスまたはＭＥＭＳデバイスからなることを特徴とするデバイス。
【請求項１１】
ヘッドおよびステージに保持した被接合物どうしを接合する接合装置において、
いずれか一方の前記被接合物の接合面に断面尖形形状を有する金属接合部を形成し、他方の前記被接合物の接合面に金からなる接合部を形成しておいた前記両被接合物どうしを、前記一方の被接合物の前記金属接合部と前記他方の被接合物の前記接合部とを衝合させ、前記一方の被接合物の接合面から前記金属接合部先端までの高さが、つぶれて２０％〜９０％の高さとなる加圧力で加圧する加圧制御手段を備え、
前記加圧制御手段は、
前記他方の被接合物の前記接合部がエネルギー波で表面活性化処理された前記両被接合物どうしを加圧して前記一方の被接合物の前記金属接合部を押しつぶして前記両被接合物どうしを接続することを特徴とする接合装置。
【請求項１２】
前記加圧制御手段は、
前記一方の被接合物に形成した一の前記金属接合部あたりの前記加圧力が５０ＭＰａ〜７００ＭＰａとなるように加圧することを特徴とする請求項１１に記載の接合装置。
【請求項１３】
前記表面活性化処理を行うエネルギー波照射手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の接合装置。
【請求項１４】
前記エネルギー波照射手段はプラズマを発生させることを特徴とする請求項１３に記載の接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−１０５２５４（Ｐ２００９−１０５２５４Ａ）
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７６１７３（Ｐ２００７−２７６１７３）
【出願日】平成１９年１０月２４日（２００７．１０．２４）
【出願人】（３０４０１９３５５）ボンドテック株式会社 (36)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２４日（２００７．１０．２４）
【出願人】（３０４０１９３５５）ボンドテック株式会社 (36)
【Ｆターム（参考）】
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