表面活性化方法および表面活性化装置
【課題】 被接合物の接合面の表面活性化処理を効率よく行うことで該被接合物どうしの接合強度の向上を図ることのできる技術を提供する。
【解決手段】 プラズマ処理前半とプラズマ処理後半とでウエハー３０８の接合面を表面活性化する化学処理の強度を効率よく切り替えることで、ウエハー３０８の接合面を酸素プラズマによって効率よく親水化（表面活性化）することができる。このように、その接合面を効率よく親水化処理されたウエハー３０８どうしを適当な周知の接合装置によって重ね合わせてＯＨ基どうしによる水素結合により接合した後、Ｈ２Ｏを接合界面から放出させるための低温（例えば、常温〜約２００℃）でのアニーリングを行うのみで十分な接合強度を得ることが可能となり、接合強度の向上を図ることができる。
【解決手段】 プラズマ処理前半とプラズマ処理後半とでウエハー３０８の接合面を表面活性化する化学処理の強度を効率よく切り替えることで、ウエハー３０８の接合面を酸素プラズマによって効率よく親水化（表面活性化）することができる。このように、その接合面を効率よく親水化処理されたウエハー３０８どうしを適当な周知の接合装置によって重ね合わせてＯＨ基どうしによる水素結合により接合した後、Ｈ２Ｏを接合界面から放出させるための低温（例えば、常温〜約２００℃）でのアニーリングを行うのみで十分な接合強度を得ることが可能となり、接合強度の向上を図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被接合物どうしを接合するために、該被接合物の接合面をプラズマで表面活性化する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シリコン基板の接合面どうしを張り合わせるために、該接合面を酸素プラズマで親水化処理（表面活性化処理）する技術が知られている。例えば、特許文献１に記載の技術では、高周波電源によるプラズマ発生装置を用いて酸素を含んだ雰囲気下で発生させた酸素プラズマによって、サブオキサイドを有する酸化層がシリコン基板の研磨面に形成される。このサブオキサイドを有する酸化層では接合界面において有効に働くシリコンの未結合手が多く形成され、このように親水化処理された接合面どうしが直接密着され、加熱処理されて２枚のシリコン基板が相互に接合される。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−８２４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記した従来技術では、シリコン基板が設置された電極に電圧印加して酸素プラズマを発生させているため、次のような問題が生じることがあった。すなわち、酸素イオンが該電極（シリコン基板）の方向へ加速してシリコン基板に衝突するため、酸素イオンによるエッチング力が強すぎてシリコン基板の接合面に破損が生じてしまい、該接合面の活性化処理（親水化処理）が上手く行われないことがあった。そのため、シリコン基板どうしの接合強度が低下してしまう。また、加速した酸素イオンが、シリコン基板が設置されている電極をエッチングしてしまうこともあった。このようにエッチングされた電極の埃がシリコン基板の接合面に付着してしまうと、該シリコン基板どうしの接合強度が低下してしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被接合物の接合面の表面活性化処理を効率よく行うことで該被接合物どうしの接合強度の向上を図ることのできる技術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】
【０００６】
この発明は、上記目的を達成するため、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化方法において、プラズマ処理前半において、プラズマ処理手段の被接合物を保持する被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成し、前記接合面のプラズマ処理を行い、プラズマ処理後半において、前記プラズマ処理手段の前記被接合物保持電極に対向配置された対向面電極に、前記所定周波数よりも高い周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴としている（請求項１）。
【０００７】
また、この発明にかかる表面活性化装置は、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化装置において、被接合物を保持する被接合物保持電極と、該被接合物保持電極に対向配置された対向面電極と、それぞれの電極に電圧を印加してプラズマを発生させる少なくとも１つの交番電源とを有するプラズマ処理手段を備え、前記プラズマ処理手段は、プラズマ処理前半において、前記被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成し、前記接合面のプラズマ処理を行い、プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記所定周波数よりも高い周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴としている（請求項４）。
【０００８】
このように構成された発明では、プラズマ処理前半において、プラズマ処理手段の被接合物を保持する被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成しているため、プラズマ中のイオンは、被接合物電極側、すなわち被接合物側へ加速される。そのため、比較的、強い衝突力で被接合物表面の接合面に衝突するイオンと、電気的に中性なラジカルとによって該接合面が表面活性化処理される。続いて、プラズマ処理手段の被接合物保持電極に対向配置された対向面電極に、プラズマ処理前半よりも高い周波数で電圧印加してプラズマを生成することによって、プラズマ中のイオンは、対向面電極側に加速されるため、被接合物の接合面に衝突するイオンの衝突力を弱めるとともに、衝突するイオンの数を減少させることができる。その結果、被接合物の接合面は、主にプラズマ中のラジカルと反応して表面活性化処理される。このラジカルは、電気的に中性であるので電極への電圧印加により発生する電界によって加速されないため、被接合物の接合面を破損させることなく、該接合面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、該被接合物どうしの接合強度の向上を図ることができる。
【０００９】
ところで、本発明において、プラズマによる「表面活性化処理」とは、プラズマ中の活性なラジカルやイオンによって被接合物の接合面の表面層を化学反応処理し、被接合物の接合面を活性化状態にして被接合物どうしが接合しやすくする処理を示している。本願発明者らによる種々の実験の結果、プラズマ処理後半において対向面電極に電圧印加してプラズマを生成させる際、プラズマ処理前半において被接合物保持電極に電圧印加する際よりも周波数を高くして電圧印加した方が、接合面の表面活性化処理が効率よく行われ、被接合物どうしの接合強度が向上することを見出した。この現象は以下に詳述することが原因で生じていると考えられる。すなわち、所定の反応ガス雰囲気で、交番電源により電極へ所定の周波数で電圧印加して生じた＋−方向が切り替わる電界によって生成したプラズマ中には、大きく分けて、反応ガスイオン、電子以外に、中性ではあるが電子が励起軌道に移動した励起状態の反応ガス原子・分子(ラジカル)や、基底状態のままの反応ガス分子・原子が存在する。プラズマは電界中を移動する電子と反応ガス分子との衝突によって生成されるため、この電子が電界中を移動する移動速度や、この電子と反応ガス分子との衝突回数はプラズマの生成状態に大きな影響を与える。
【００１０】
したがって、電極への印加電圧の周波数に応じて電界の＋−方向が切り替わる周波数が変化するため、電界中の電子のエネルギー分布も変化し、この印加電圧の周波数が反応ガス分子のイオン化・解離化・ラジカル化（励起化）に大きく影響する。すなわち、電界の＋−方向が切り替わる周波数が高くなれば、一般的に、電子が電極間を振動移動する回数が増えるため、この振動移動する電子のエネルギー分布を尖鋭なものとすることができる。このように、印加電圧の周波数を変更することで電界の＋−方向が切り替わる周波数を変化させて、プラズマを生成するために必要な電子のエネルギー分布を制御することが可能となる。したがって、電界中の電子のエネルギー分布を制御することでプラズマ中に存在する粒子の成分比を制御することが可能となり、プラズマ中のラジカルの量を増大させることができる。そのため、上記したようにプラズマ処理後半において、対向面電極に、プラズマ処理前半よりも高い周波数で電圧印加することによって、プラズマ処理前半よりも対向面電極と被接合物保持電極との間の電子のエネルギー分布を尖鋭化させることができる。したがって、プラズマ処理後半では、プラズマ処理前半よりも多くの反応ガスのイオンやラジカルを含むプラズマを生成することができる。その結果、被接合物保持電極に保持されている被接合物の接合面に照射されるラジカルの量が増大し、該接合面の表面活性化処理が促進されると考えられる。
【００１１】
例えば、被接合物がＳｉのような金属、またはガラス、ＳｉＯ２、セラミック系を含む酸化物である場合には、反応ガスとして酸素ガスを選択すれば、まず、プラズマ処理前半において、酸素プラズマ中の酸素イオンが接合面に比較的強い衝突力で衝突するため、該接合面の表面層が酸素イオンと入れ替わってＯＨ基が付着しやすい状態となって接合面が親水化処理され、ＯＨ基で表面活性化処理される。続いて、プラズマ処理後半において、上記したように酸素イオンの衝突力を弱めるとともに、増大させた酸素ラジカルによって接合面の表面活性化処理が促進され接合面へのＯＨ基の付着が効率よく増進されるので、接合面に均一にＯＨ基を付着させることができる。その結果、被接合物の表面を酸素プラズマによって効率よく表面活性化（親水化）することができ、被接合物をＯＨ基どうしによる水素結合により接合した後、Ｈ２Ｏを接合界面から放出させるための低温（例えば、常温〜約２００℃）でのアニーリングを行うのみで十分な接合強度を得ることが可能となり、接合強度の向上を図ることができる。また、この場合には、プラズマ処理前半からプラズマ処理後半へ連続的に切り替えれば、接合面へのＯＨ基の付着をより効率よく増進させることができ、該接合面の表面活性化処理をより効果的に行うことができる。
【００１２】
なお、対向面電極は、平行平板型のように被接合物保持電極に対向配置してもよいが、被接合物保持電極の周囲に配置するのみで同様の作用効果を奏することができる。また、プラズマによってエッチングされた対向面電極の埃が被接合物の接合面に付着するのを防止するためには、被接合物保持電極から見て側方側へずらした位置に対向面電極を対向配置するのが好ましい。このように、対向面電極の配置位置としては、被接合物保持電極が被接合物を保持する側の周囲空間であれば平行でなくても構わない。
【００１３】
また、前記プラズマ処理手段は、前記プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記所定周波数のＮ倍（Ｎは２以上の自然数）の周波数で電圧印加してプラズマを生成する構成でもよい（請求項２）。
【００１４】
また、前記プラズマ処理手段は、前記電源による印加電圧を前記所定周波数のＮ倍（Ｎは２以上の自然数）に逓倍する逓倍手段を備え、前記プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記逓倍手段により逓倍した周波数で電圧印加してプラズマを生成する構成でもよい（請求項５）。
【００１５】
このような構成とすれば、プラズマ処理前半において、被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成してプラズマ処理を行った後、プラズマ処理後半において、交番電源が供給する電圧周波数を逓倍手段により逓倍して対向面電極に電圧印加してプラズマを生成することができるため、１つの交番電源で、プラズマ処理前半とプラズマ処理後半において電極に電圧印加する周波数を変更することができる。すなわち、プラズマ処理後半において、プラズマ処理前半における被接合物保持電極への印加電圧の周波数よりも逓倍手段によりＮ倍に逓倍された周波数で対向面電極へ電圧印加することが可能となる。したがって、上記したように電極への印加電圧の周波数をプラズマ処理の後半において、プラズマ処理前半の周波数よりも高めるために、印加電圧の周波数を切り替え可能な特殊な回路を有する電源や、印加電圧の周波数が異なる電源を２つ使用したりしなくとも、一の周波数で電極に電圧印加することのできる交番電源を１つ使用するのみで印加電圧の周波数の切り替えが可能となるため、装置のコストダウン化を図ることができる。
【００１６】
また、上記目的を達成するため、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理するプラズマ電極を備えた表面活性化装置において、前記プラズマ電極はガラスで被覆されている構成としてもよい（請求項６）。このような構成とすれば、ガラスはプラズマのエッチング力に対する耐性が高いため、プラズマによる被接合物の接合面の表面活性化処理中に、該プラズマによってプラズマ電極がエッチングされてしまい、このプラズマ電極を構成する金属の埃が被接合物の接合面に付着してしまうのを防止することができる。このように、被接合物の接合面の表面活性化処理中に不純物（プラズマ電極を構成する金属の破片等）が接合面に付着するのを防止することができるので、該接合面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、被接合物どうしの接合強度の向上を図ることができる。ここで、プラズマ電極を被覆するガラスとしては、石英ガラスやホウケイ酸ガラス等のガラスが考えられるが、特に石英ガラスでプラズマ電極を被覆するのが好ましい。例えば、被接合物がＳｉのような金属、またはガラス、ＳｉＯ２、セラミック系を含む酸化物である場合には、プラズマによる被接合物の接合面の表面活性化処理中に、該プラズマによってプラズマ電極を被覆している石英ガラスがエッチングされて、その埃が接合面に付着してしまったとしても、石英ガラスの組成はこれらの被接合物の組成とほぼ同一であり、被接合物の接合面を表面活性化処理する際に、該接合面に付着してしまった石英ガラスの埃が不純物として接合面の表面活性化処理の妨げとならないため効率よく接合面の表面活性化処理を行うことができる。
【００１７】
また、上記目的を達成するため、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化方法において、前記接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記接合面に窒素ラジカルを照射する構成としてもよい（請求項３）。
【００１８】
また、この発明にかかる表面活性化装置は、プラズマ電極と、電源とを有し、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理するプラズマ処理手段を備えた表面活性化装置において、前記プラズマ処理手段は、前記接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記接合面に窒素ラジカルを照射する構成としてもよい（請求項７）。
【００１９】
被接合物の接合面を通常酸素プラズマで親水化処理する際、水分が不足して該接合面にＯＨ基が十分作られない場合がある。そこで、上記した構成とすれば、被接合物の接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を混入させているので、水分の不足を補うことができ、接合面を均一に親水化処理して該接合面の表面全体にＯＨ基を生成することができる。水ガスの供給方法としては、水ガスをそのまま供給するだけでも接合面の親水化処理は促進されるが、酸素プラズマによる親水化処理中に水ガスを酸素ガスに混入するか、あるいは、酸素プラズマによる親水化処理後、連続して水ガスを供給して、該水ガスを反応ガスとしてプラズマ処理することによって、水ガスが活性化し、より効果的に接合面の親水化処理を促進することができる。
【００２０】
続いて、効率よく均一に親水化処理された接合面に窒素ラジカルを照射することで、親水化処理された接合面に生成されたＯＨ基が窒素置換されることによりＯＮ基に置換される。この状態で、被接合物どうしを重ね合わせることによって接合界面に窒素化合物（Ｓｉ、Ｏ、Ｎの化合物）が形成され、常温〜１００℃以下の低温でも被接合物どうしを強固に接合することができる。このように、接合面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、被接合物どうしの接合強度の向上を図ることができる。なお、水ガスとしてアルコール類により発生させたガスを混入することによってＯＨ基の数を増大させて、被接合物の接合面の親水化処理を促進させることもできる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、請求項１および４に記載の発明によれば、プラズマ処理前半とプラズマ処理後半とで被接合物の接合面を表面活性化処理する強度を効率よく切り替えることで、被接合物接合面を破損させることなく効率よく表面活性化処理することができる。そして、このように、その接合面を効率よく表面活性化処理された被接合物どうしを重ね合わせることによって、該被接合物どうしの接合強度の向上を図ることができる。
【００２２】
また、請求項２および５に記載の発明によれば、１つの交番電源で、プラズマ処理前半とプラズマ処理後半において電極に電圧印加する周波数を変更することができるため、一の周波数で電極に電圧印加することのできる交番電源を１つ使用するのみで印加電圧の周波数の切り替えが可能となり、装置のコストダウン化を図ることができる。
【００２３】
また、請求項３および７に記載の発明によれば、被接合物の接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を混入させることで、接合面を均一に親水化処理して該接合面の表面全体にＯＨ基を生成することができる。続いて、効率よく均一に親水化処理された接合面に窒素ラジカルを照射してＯＨ基をＯＮ基に置換した被接合物どうしを重ね合わせることで、接合界面に窒素化合物（Ｓｉ、Ｏ、Ｎの化合物）が形成され、常温〜１００℃以下の低温でも被接合物どうしを強固に接合することができる。
【００２４】
また、請求項６に記載の発明によれば、プラズマによる被接合物の接合面の表面活性化処理中に、該プラズマによってプラズマ電極がエッチングされてしまい、このプラズマ電極を構成する金属の埃が被接合物の接合面に付着してしまうのを防止することができるので、該接合面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、被接合物どうしの接合強度の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
＜第１実施形態＞
図１および図２は本発明の第１実施態様における表面活性化装置の概略構成図であり、図２は図１と異なる状態での表面活性化装置の概略構成図である。また、図３はＳｉＯ２やＳｉの親水化処理による接合原理の説明図である。この表面活性化装置３００は、図１に示すように、内部に被接合物保持電極３０９および対向面電極３０６が配設された真空チャンバー３０３と、本発明における「交番電源」に相当するＲＦプラズマ電源３０１（発生電圧周波数：約１３．５６ＭＨｚ）と、ＲＦプラズマ電源３０１が供給する電圧の周波数を２倍に逓倍可能に構成されている逓倍回路３１６（本名発明の「逓倍手段」に相当）とを備えている。真空チャンバー３０３は任意のプラズマ反応ガスを供給可能に構成された反応ガス供給口３１４と、真空チャンバー３０３内のガスを真空チャンバー３０３外に排気可能に構成された排気口３１３とを備えており、反応ガス供給口３１４によるガス供給量と排気口３１３からのガス排気量を調整することによって、真空チャンバー３０３内を任意の真空度に調整可能に構成されている。また、逓倍回路３１６は、図１に示すように、ＲＦプラズマ電源３０１から供給される電圧を所定周波数である約１３．５６ＭＨｚのままで被接合物保持電極３０９に接続するとともに対向面電極３０６を接地してプラズマを生成する状態と、図２に示すように、ＲＦプラズマ電源３０９から供給される電圧を所定の周波数から２倍に逓倍して約２７．１２ＭＨｚとして対向面電極３０６に接続するとともに被接合物保持電極３０９を接地してプラズマを生成する状態とを切り替え自在に構成されている。このように、この実施形態では表面活性化装置３００が本発明の「プラズマ処理手段」として機能している。なお、図２に示すように被接合物保持電極３０９を接地する替わりに真空チャンバー３０３の壁面を接地してもよい。
【００２６】
続いて、この表面活性化装置３００の動作について図１および図２を参照して説明する。まず、プラズマ処理前半において、図１に示すように、ウエハー（被接合物）３０８を被接合物保持電極３０９で保持した状態で、真空チャンバー３０３内へプラズマ反応ガスとして、例えば、酸素ガスを反応ガス供給口３１４から供給しつつ排気口３１３から真空チャンバー３０３内のガスを排気することによって、例えば、真空チャンバー３０３内の真空度を約１０−２Ｔｏｒｒ程度で一定となるようにガス給排気動作の調整を行う。そして、真空チャンバー３０３内の真空度がほぼ一定となった後、逓倍回路３１６によって、ＲＦプラズマ電源３０１から供給される電圧を所定周波数である約１３．５６ＭＨｚのままで被接合物保持電極３０９に接続して電圧印加するとともに、対向面電極３０６を接地して酸素プラズマを発生させる。この酸素プラズマの構成粒子の１つである酸素イオン３１０等が、電圧印加されている被接合物保持電極３０９側に移動することで、被接合物保持電極３０９側にプラズマを構成する粒子が多く集まった領域であるシース領域３１２が形成される。シース領域３１２内には活性な酸素イオン３１０、酸素ラジカル３１１が多数集まっており、シース領域３１２に移動してくる酸素イオン３１０が被接合物保持電極３０９に保持されたウエハー３０８の表面（接合面）に向かって比較的強い衝突力で衝突することで、ウエハー３０８の表面層が酸素イオン３１０と入れ替わってＯＨ基が付着しやすい状態となり、酸素イオン３１０および酸素ラジカル３１１によってウエハー３０８表面は親水化処理されてＯＨ基で表面活性化される。
【００２７】
ところが、図１に示す状態では、酸素イオン３１０がウエハー３０８に衝突する衝突力が比較的強いため、この酸素イオン３１０の衝突により、親水化処理されたウエハー３０８表面のＯＨ基の一部が再び除去されたりすることがある。そこで、プラズマ処理後半において、図２に示すように逓倍回路３１６によって、ＲＦプラズマ電源３０９から供給される電圧を２倍の周波数である約２７．１２ＭＨｚに逓倍して対向面電極３０６に印加する。このとき、被接合物保持電極３０９を接地した状態に切り替えて酸素プラズマを生成する。このようにすると、酸素プラズマ中の酸素イオン３１０は、対向面電極３０６側に加速されて移動し、対向面電極３０６側にシース領域３１２を形成する。その結果、ウエハー３０８の表面に衝突する酸素イオン３１０の衝突力を弱めるとともに、衝突するイオンの数を減少させることができるとともに、対向面電極３０６への印加電圧の周波数をプラズマ処理前半より高めたことにより、プラズマ処理前半よりもその数を増大させた酸素プラズマ中の酸素ラジカル３１１がウエハー３０８表面と反応して親水化処理される。この酸素ラジカル３１１は、電気的に中性であるので電極への電圧印加により発生する電界によって加速されないため、ウエハー３０８の表面を破損させることなく、ウエハー３０８表面の親水化処理が促進されＯＨ基の付着が効率よく増進されるので、ウエハー３０８表面に均一にＯＨ基を付着させることができる。
【００２８】
以上のように、この実施形態によれば、プラズマ処理前半とプラズマ処理後半とでウエハー３０８の接合面を表面活性化する化学処理の強度を効率よく切り替えることで、ウエハー３０８の接合面を酸素プラズマによって効率よく親水化処理（表面活性化処理）することができる。このように、その接合面を効率よく親水化処理されたウエハー３０８どうしを適当な周知の接合装置によって重ね合わせてＯＨ基どうしによる水素結合により接合した後、Ｈ２Ｏを接合界面から放出させるための低温（例えば、常温〜約２００℃）でのアニーリングを行うのみで十分な接合強度を得ることが可能となり、接合強度の向上を図ることができる。また、この場合には、プラズマ処理前半からプラズマ処理後半へ連続的に切り替えれば、接合面へのＯＨ基の付着をより効率よく増進させることができ、ウエハー３０８の接合面の親水化処理をより効果的に行うことができる。
【００２９】
このように、親水化処理されることによって、ＳｉＯ２やＳｉからなるウエハーが接合される原理を図３に示す。図３（ａ）に示すように、酸素プラズマによる親水化処理によりＳｉ表面にＯＨ基を付着させる。次に、同図（ｂ）に示すように、両被接合物を接触させ、水素結合により仮接合する。続いて、同図（ｃ）に示すように、加熱によりＨ２Ｏを放出させ、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの強固な結合を得る。
【００３０】
また、この実施形態では、逓倍回路３１６を備えることにより、１つのＲＦプラズマ電源３０１のみでプラズマ処理前半とプラズマ処理後半において被接合物保持電極３０９および対向面電極３０６に電圧印加する周波数を変更することができる。したがって、所定周波数で電圧印加することのできるＲＦプラズマ電源を１つ使用するのみで印加電圧の周波数の切り替えが可能となるため、装置のコストダウン化を図ることができる。また、マイクロウエーブにより生成したプラズマによる表面活性化装置と比べると、マイクロウエーブを発生させるマイクロウエーブ電源に比べ、ＲＦプラズマ電源は非常に安価であり、装置全体のコストダウン化を図ることができる。また、マイクロウエーブ電源を使用した表面活性化装置に比べると簡易な構成でウエハー３０８の表面活性化処理が可能となる。
【００３１】
なお、この実施形態では反応ガスとして酸素のみを使用したが、反応ガスの種類としては酸素に限定されるものではなく、被接合物の接合面の表面活性化処理を行うことのできる反応ガスであればよい。例えば、反応ガスとして、酸素ガスと窒素ガスとの混合ガスを使用することができる。また、プラズマ処理前半とプラズマ処理後半とで反応ガスの種類を変えてももちろんよい。例えば、プラズマ処理前半で反応ガスとして酸素ガスを使用し、プラズマ処理後半で反応ガスとして窒素ガスを使用することができる。このように、反応ガスとして窒素ガスを含むガスを使用することによって、被接合物の接合面にＯＮ基を生成することができるため、被接合物どうしを窒素化合物（ＮｘＯｘ）で強固に常温接合することが可能となる。要は、被接合物の種類によって、種々、反応ガスを変更し、または組み合わせればよい。
【００３２】
また、ウエハー３０８表面へのＯＨ基の吸着が酸素プラズマによるプラズマ処理で十分でない場合は、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含んだガス、あるいは大気をそのまま供給することで、ウエハー３０８表面へのＯＨ基の吸着効率を向上させることができる。
【００３３】
また、この実施形態におけるウエハー３０８の材料としてはＳｉ、ＳｉＯ２、ガラス、セラミック等が考えられる。また、被接合物の形状としては、ウエハーまたは該ウエハーをダイシングしたウエハーチップ等でも、上記したように表面活性化処理することによって、効率よく強固に接合することができる。
【００３４】
また、この実施形態では、逓倍回路３１６によって、プラズマ処理後半において、プラズマ処理前半よりも高い周波数で対向面電極３０６に電圧印加しているが、逓倍回路３１６を使用せずに、印加電圧の周波数を切り替え可能な特殊な回路を有するＲＦプラズマ電源や、印加電圧の周波数が異なるＲＦプラズマ電源を２つ使用してももちろんよい。
【００３５】
また、この実施形態では、逓倍回路３１６によって、プラズマ処理後半において、印加電圧の周波数を２倍にして対向面電極３０６に電圧印加しているが、倍数としては２倍に限られず、必要に応じて、Ｎ倍（Ｎは２以上の自然数）とする構成としてももちろんよい。
【００３６】
続いて、この実施形態における構成でウエハー（Ｓｉ基板）を接合した場合の接合強度の一例を示す。なお、接合強度は、ウエハー接合後の引張強度を示す。
（実験条件）
１．プラズマ処理前半
反応ガス：酸素、出力：５０Ｗ、照射時間：３０秒
２．プラズマ処理後半
反応ガス：窒素、出力：５０Ｗ、照射時間：２０秒
（接合強度）
１．プラズマ処理後半の周波数１倍（約１３．５６ＭＨｚ）…約１８Ｍｐａ
２．プラズマ処理後半の周波数２倍（約２７．１２ＭＨｚ）…約２０Ｍｐａ
３．プラズマ処理後半の周波数３倍（約４０．６８ＭＨｚ）…約２３Ｍｐａ
以上のように、プラズマ処理後半において、ＲＦプラズマ電源による印加電圧の周波数を高くすることによって、ウエハーどうしを接合した際の接合強度を向上させることができた。
【００３７】
＜第２実施形態＞
続いて、本発明の第２実施態様を図４、５を参照して説明する。図４本発明の第２実施態様における表面活性化装置の概略構成図であり、図５はＳｉＯ２やＳｉの窒素化合物による接合原理の説明図である。この第２実施形態が上記第１実施形態と大きく異なる点は、図４に示す表面活性化装置が、マイクロウエーブ電源とＲＦプラズマ電源の２つのプラズマ発生手段を用いて被接合物の表面活性化処理を行っている点である。すなわち、この表面活性化装置５５０では、被接合物保持電極５０９に被接合物としてのウエハー５０３を保持した状態で、プラズマ処理前半において、酸素ガスを反応ガスとして、ＲＦプラズマ電源５０１により酸素プラズマを発生させてウエハー５０３表面に酸素プラズマを照射して親水化処理を行い、該親水化処理中または親水化処理後に、真空チャンバー５０６内にＨ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を混入させた後、窒素ガスを反応ガスとして、マイクロウエーブ電源５１０により窒素プラズマを発生させてウエハー５０３の表面に窒素ラジカルを照射して、親水化処理されたウエハー５０３表面のＯＨ基を窒素置換することを特徴としている。
【００３８】
図４に示すように、表面活性化装置５５０は、その内部に被接合物保持電極５０９、表面波プラズマ発生手段５００およびイオントラップ板５０２が配設された真空チャンバー５０６と、マイクロウエーブ波電源５１０と、ＲＦプラズマ電源５０１とを備えている。真空チャンバー５０６は任意のプラズマ反応ガスを供給可能に構成された反応ガス供給口５０７と、真空チャンバー５０６外に排気可能に構成された排気口５０８とを備えており、反応ガス供給口５０７によるガス供給量と排気口５０８からのガス排気量を調整することによって、真空チャンバー５０６内を任意の真空度に調整可能に構成されている。また、ＲＦプラズマ電源５０１により被接合物保持電極５０９へ電圧印加することによって、上記第１実施形態と同様に被接合物保持電極５０９側にシース領域５１２が形成され、被接合物の接合面に対する比較的強めのイオン衝突による表面活性処理を行うことができる。また、マイクロウエーブ電源５１０により表面波プラズマ発生手段にマイクロ波を印加することによって図４に示す位置にシース領域５１１が形成される。このシース領域５１１に存在するイオン５０５はイオントラップ板５０２により捕獲されるが、ラジカル５０４は電気的に中性であるため、イオントラップ板５０２には捕獲されずに、イオントラップ板が有する開口を通ってダウンフローして被接合物に照射することができる。このように、この実施形態では表面活性化装置５５０が本発明の「プラズマ処理手段」として機能している。
【００３９】
続いて、この表面活性化装置５５０の動作について図４を参照しつつ説明する。被接合物となるウエハー５０３を被接合物保持電極５０９に保持した状態で、まず、反応ガス吸気口５０７を介して真空チャンバー内に反応ガスとして酸素ガスが供給される。このとき、反応ガス供給口５０７によるガス供給量と排気口５０８からのガス排気量を調整して、真空チャンバー５０６内は任意の真空度に調整されている。この状態で、ＲＦプラズマ電源５０１により被接合物保持電極５０９に電圧印加して酸素プラズマを発生させ、シース領域５１２中のウエハー５０３の表面が親水化処理される。そして、この親水化処理中または処理後に、反応ガス吸気口５０７を介して、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を真空チャンバー５０６に混入させることによって、ウエハー５０３表面の親水化処理を促進させる。その後、真空チャンバー５０６から排気口５０８を介して酸素ガスを排気しつつ、反応ガス供給口５０７を介して窒素ガスを真空チャンバー５０６内に供給し、真空チャンバー５０６内を任意の真空度で窒素ガスで充満させる。この状態で、マイクロウエーブ電源５１０によりマイクロウエーブを表面波プラズマ発生手段５００に印加することにより窒素プラズマを発生させる。そして、窒素プラズマのシース領域５１１からイオントラップ板５０２の開口を介してダウンフローする窒素ラジカル５０４をウエハー５０３表面へ照射して、親水化されているウエハー５０３表面のＯＨ基を窒素置換して、該表面上にＯＮ基を形成する。この窒素ラジカルによる表面活性化処理終了後、周知の接合装置によってウエハー５０３どうしを重ね合わせることで、常温で、かつ強力に接合することができる。
【００４０】
以上のように、この実施形態によれば、ウエハー５０３の表面に酸素プラズマを照射して親水化処理中に、または親水化処理後に、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を混入させているので、水分や水素（Ｈ）の不足を補うことができるため、ウエハー５０３表面を均一に親水化処理して、ウエハー５０３表面全体に均一にＯＨ基を生成することができる。続いて、効率よく均一に親水化処理されたウエハー５０３表面に窒素ラジカルを照射することで、親水化処理されたウエハー５０３表面に生成されたＯＨ基が窒素置換されることによりＯＮ基に置換される。この状態で、ウエハー５０３どうしを重ね合わせることによって接合界面に窒素化合物（Ｓｉ、Ｏ、Ｎの化合物）が形成され、常温〜１００℃以下の低温でもウエハー５０３どうしを強固に接合することができる。このように、接合面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、ウエハー５０３どうしの接合強度の向上を図ることができる。
【００４１】
このように、親水化処理後にＯＨ基を窒素置換することによって、ＳｉＯ２やＳｉからなるウエハー５０３が接合される原理を図５に示す。図５（ａ）に示すように、酸素プラズマによる親水化処理によりＳｉ表面にＯＨ基を付着させる。次に、同図（ｂ）に示すように、ＯＨ基を窒素ラジカルによって窒素置換した後、両被接合物を接触させることで、同図（ｃ）に示すように、接合界面に窒素化合物（ＮｘＯｘ）が形成されて常温でも強固な結合を得る。
【００４２】
なお、水ガスの供給方法としては、水ガスをそのまま供給するだけでも接合面の親水化処理は促進されるが、酸素プラズマによる親水化処理中に水ガスを酸素ガスに混入するか、あるいは、酸素プラズマによる親水化処理後、連続して水ガスを供給して、該水ガスを反応ガスとしてプラズマ処理することによって、水ガスが活性化し、より効果的に接合面の親水化処理を促進することができる。また、水ガスとしてアルコール類により発生させたガスを混入することによってＯＨ基の数を増大させて、被接合物の接合面の親水化処理を促進させることもできる。
【００４３】
また、この実施形態では、ＲＦプラズマ電源による被接合物保持電極５０９への電圧印加によって発生した酸素プラズマによる親水化処理の後、反応ガスを窒素ガスと入れ替えて、窒素ラジカルによる窒素置換を行っているが、酸素ガスを窒素ガスに入れ替える前に、反応ガスを酸素ガスとしたままで、マイクロウエーブ電源５１０による表面波プラズマ発生手段５００へのマイクロウエーブ印加によって酸素プラズマを発生させて、上記した窒素ラジカルと同様に酸素ラジカルをウエハー５０３にダウンフローに照射する構成としてもよい。このような構成とすれば、ウエハー５０３表面の親水化処理をさらに効率よく行うことができる。この親水化処理後、反応ガスを窒素ガスと置換して、窒素ラジカルによるＯＨ基の窒素置換処理を行えばよい。
【００４４】
また、この実施形態におけるウエハー５０３の材料としてはＳｉ、ＳｉＯ２、ガラス、セラミック等が考えられる。また、被接合物の形状としては、ウエハーまたは該ウエハーをダイシングしたウエハーチップ等でも、上記したように表面活性化処理することによって、効率よく強固に接合することができる。
【００４５】
続いて、この実施形態における構成でウエハー（Ｓｉ基板）を接合した場合の接合強度の一例を示す。
（実験条件）
１．プラズマ処理前半
反応ガス：酸素、出力：５０Ｗ、照射時間：３０秒
２．プラズマ処理後半
反応ガス：窒素、照射時間：２０秒
（接合強度）
１．水ガスを混入しなかった場合…約２５Ｍｐａ
２．水ガスを混入した場合 …約２８Ｍｐａ
以上のように、酸素プラズマによる親水化処理中または親水化処理後に、真空チャンバー５０６内にＨ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を混入させた場合には、水ガスを混入させなかった場合よりもウエハーどうしを接合した際の接合強度を向上させることができた。
【００４６】
＜第３実施形態＞
続いて、本発明の第３実施態様を図６、７を参照して説明する。図６は本発明の第３実施態様における装置の概略構成図であり、図７は第３実施態様の接合手順を示す工程図である。この第３実施形態が上記第１実施形態と大きく異なる点は、図６に示す装置が、被接合物の表面活性化処理および被接合物どうしの接合処理の両方を実行可能に構成されている点である。この装置では、被接合物であるウエハー７，８を上下に対向して保持させた状態でチャンバーを閉じ、真空内で酸素プラズマや窒素プラズマにより表面活性化処理をした後、ウエハー７，８を接合させることができる。
【００４７】
この装置は、ウエハー７を保持し、Ｚ軸１により昇降制御と加圧制御を行うヘッド部と、ウエハー８を保持し、場合によってはウエハー８の位置を調整可能に構成されたステージ部とを備えている。Ｚ軸１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へフィードバックすることで加圧力制御を行うことができる。摺動パッキン４によってＺ軸１に摺接しつつ、図示省略するアクチュエータによりＺ軸１と独立して昇降可能なチャンバー壁３が下降し、チャンバー台１０に固定パッキン５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１４を開放して真空ポンプ１５を作動させて排出口１２を介してチャンバー内を真空引きした後、ガス切替弁１６を窒素ガス１７を導入するように切り替えて吸入バルブ１３を開放することで、吸入口１１を介して反応ガスとして窒素ガス１７をチャンバー内に導入することができる。また、ガス切替弁１６を酸素ガス１８を導入するように切り替えることで、吸入口１１を介して反応ガスとして酸素ガス１８をチャンバー内に導入することができる。そして、酸素プラズマや窒素プラズマによるウエハー７，８の表面活性化処理（親水化処理）を行った後、ピストン型ヘッド２を下降させることで両ウエハー７，８を接合することができる。また、上部電極６、下部電極９は、それぞれガラス６ａ，９ａで被覆されているとともに、図示省略する加熱ヒータを備えている。
【００４８】
次に、この装置における処理手順について図７を参照して説明する。まず図７（ａ）のようにチャンバー壁３が上昇した状態でウエハー７を上部電極６に保持させ、ウエハー８を下部電極９に保持させる。ウエハー７，８の保持方法は機械的なチャッキング方式でも構わないが、静電チャック方式がより好ましい。そして、図７（ｂ）に示すように、チャンバー壁３を下降させ、チャンバー台１０に固定パッキン５を介して接地させる。チャンバー壁３は摺動パッキン４がＺ軸１に摺動することで大気と遮断されているので、吸入バルブ１３を閉じた状態で排出バルブ１４を開放して真空ポンプ１５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。
【００４９】
次に、図７（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１５は動作させながら排出バルブ１４の排出量と吸入バルブ１３でのガス吸入量をコントロールすることで、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、酸素ガス１８を１０−２Ｔｏｒｒ程度の真空度でチャンバー内に充満させ、同図（ｄ），（ｅ）に示すように、最初に下部電極９に交番電源により電圧印加することで酸素プラズマを発生させ、ウエハー８表面を表面活性化処理（親水化処理）する。続いて、上部電極６に同様な交番電源により電圧印加することでウエハー７表面を表面活性化処理（親水化処理）する。次に、同図（ｂ）に示すように、吸入バルブ１３を閉じた状態でチャンバー内をさらに真空引きして酸素ガス１８を排出する。なお、この後、同図（ｃ）〜（ｅ）の手順を酸素ガス１８に替わって窒素ガス１７をチャンバー内に導入して行うことで、ウエハー７，８の表面を窒素プラズマにより表面活性化処理することもできる。このように、上部電極６および下部電極９が本発明における「プラズマ電極」として機能している。
【００５０】
なお、ガス切替弁１６で窒素ガス１７と酸素ガス１８を選択して吸入口１１に導入することで、窒素ガス１７と酸素ガス１８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、ガス切替弁１６は窒素ガス１７と酸素ガス１８の混合ガスを任意の混合率でチャンバーに供給することもできるように構成されている。そして、ガス切替弁１６で窒素ガス１７や酸素ガス１８に切り替えて、吸入バルブ１３を開き、チャンバー内を窒素ガス１７または酸素ガス１８、あるいは窒素ガス１７と酸素ガス１８の混合ガスで充満させて表面活性化処理を行うことができる。また、このガス切替弁１６は大気を吸入させることもできるのでチャンバーを開く時に大気解放させることもできる。
【００５１】
次に、場合によっては、水分を含んだガスを供給することで、ウエハー７，８の表面の親水化処理を促進させる。続いて、図７（ｆ）に示すように、真空中でチャンバー壁３とＺ軸１とが摺動パッキン４で接しながらピストン型ヘッド２がＺ軸１により下降され、両ウエハー７，８を真空中で接触させ、水素結合力により接合させる。チャンバー内はチャンバー壁３とＺ軸１との間の摺動パッキン４により外部雰囲気と遮断され、真空に保持された状態でピストン型ヘッド部を下降させることができる。
【００５２】
その後、図７（ｇ）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て、ヘッド部を上昇させ、接合された両ウエハー７，８を取り出す。場合によっては、接合に際し、両ウエハーの位置をアライメントした後、接合する場合もある。
【００５３】
以上のように、この実施形態によれば、両電極６，９はガラス６ａ，９ａで被覆されているため、酸素プラズマや窒素プラズマによるウエハー７，８の表面の表面活性化処理中に、これらのプラズマによって両電極６，９がエッチングされてしまい、この両電極６，９を構成する金属の埃がウエハー７，８の表面に付着してしまうのを防止することができる。このように、ウエハー７，８の表面の表面活性化中に不純物（両電極６，９を構成する金属の破片等）がウエハー７，８の表面に付着するのを防止することができるので、ウエハー７，８の表面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、ウエハー７，８の接合強度の向上を図ることができる。
【００５４】
続いて、この実施形態における構成でウエハー（Ｓｉ基板）を接合した場合の接合強度の一例を示す。
（実験条件）
１．プラズマ処理前半
反応ガス：酸素、出力：５０Ｗ、照射時間：３０秒
２．プラズマ処理後半
反応ガス：窒素、５０Ｗ、照射時間：２０秒
（接合強度）
１．ガラスによる電極の被覆無し…約７．５Ｍｐａ
２．ガラスによる電極の被覆有り…約１２Ｍｐａ
以上のように、電極をガラスで被覆した場合、電極をガラスで被覆しなかった場合よりもウエハーどうしを接合した際の接合強度を向上させることができた。
【００５５】
なお、この構成は、表面活性化処理するウエハーや、ウエハーをダイシングしたチップの大きさが電極よりも小さい場合に、ウエハーやチップによって被覆されない部分の電極がプラズマによってエッチングされるのを防止することができるため、特に有効である。このようにウエハーやチップの大きさが電極よりも小さい場合に、例えば、上記した第１実施形態の構成において、ウエハー（Ｓｉ基板）を接合した場合の接合強度の一例を示す。第１実施形態の構成では、電極をガラスで被覆することで、特に、対向面電極３０６がプラズマによってエッチングされて、この対向面電極３０６を構成する金属の埃がウエハーの表面に付着してしまうのを防止することができる。
（第１実施形態の構成で電極をガラスで被覆した場合）
１．プラズマ処理前半
反応ガス：酸素、出力：５０Ｗ、照射時間：３０秒
２．プラズマ処理後半
反応ガス：窒素、５０Ｗ、照射時間：２０秒
（接合強度）
１．ガラスによる電極の被覆無し…約１５Ｍｐａ
２．ガラスによる電極の被覆有り…約１９Ｍｐａ
以上のように、電極をガラスで被覆した場合、電極をガラスで被覆しなかった場合よりも被接合物どうしを接合した際の接合強度を向上させることができた。
【００５６】
続いて、同様に、上記した第２実施形態の構成において、水ガスを混入させなかった場合にウエハー（Ｓｉ基板）を接合した場合の接合強度の一例を示す。
（第２実施形態の構成で電極をガラスで被覆した場合）
１．プラズマ処理前半
反応ガス：酸素、出力：５０Ｗ、照射時間：３０秒
２．プラズマ処理後半
反応ガス：窒素、照射時間：２０秒
（接合強度）
１．ガラスによる電極の被覆無し…約１７Ｍｐａ
２．ガラスによる電極の被覆有り…約２５Ｍｐａ
以上のように、電極をガラスで被覆した場合、電極をガラスで被覆しなかった場合よりも被接合物どうしを接合した際の接合強度を向上させることができた。
【００５７】
＜第４実施形態＞
続いて、本発明の第４実施態様を図８、９を参照して説明する。図８は本発明の第４実施態様における装置の概略構成図であり、図９は本発明の第４実施態様による接合手順を示す工程図である。この第４実施形態が上記第１ないし第３実施形態と大きく異なる点は、この装置において、上記した本発明の第１ないし第３実施態様で具現化された発明のすべてを同時に具現化している点である。したがって、上記第１ないし第３実施形態と同様の作用効果を奏することができる。以下、この装置について詳細に述べる。
【００５８】
まず、装置構成について記述する。図８に示すように、ウエハー２１０を保持するヘッド２０７とウエハー２０９を保持するステージ２０８が真空チャンバー２１１中に配置される。ヘッド部は、トルク制御式昇降駆動モータ２０１が連結されたＺ軸昇降機構２０２によってヘッド２０７をＺ方向に昇降させる昇降手段と、圧力検出手段２０４と、Ｚ軸昇降機構２０２を回転させるθ軸回転機構２０３およびＸＹ水平方向へアライメント移動させるＸＹアライメントテーブル２０６により、ヘッド２０７をＸ、Ｙ、θ方向でアライメント移動させる移動手段とを備えている。圧力検出手段２０４により検出されたウエハー接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ２０１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御を切り替えながら行えるようになっている。また、圧力検出手段２０４は被接合物どうしが接触したことを検出する接触検出手段としても利用できる。ＸＹアライメントテーブル２０６は真空中でも使用できるが、Ｚ、θ軸機構は真空チャンバー２１１外部に設置するため、ベローズ２０５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。
【００５９】
ステージ２０８は接合位置と待機位置間をスライド移動手段２２９によりスライド移動することができる。スライド移動手段２２９には高精度なガイドと位置を認識するリニアスケールが取り付けられており、接合位置と待機位置との間の停止位置を高精度に維持することができる。また、スライド移動手段２２９は真空チャンバー内部に組み込んでいるが、移動手段を外部に配置し、パッキングされた連結棒でステージ２０８と連結することで外部にシリンダやリニアサーボモータなどを配置することも可能である。また、真空中にボールネジを配置し、外部にサーボモータを設置することも可能である。このように、ステージ２０８を接合位置と待機位置との間で高精度に移動させることのできる手段であれば、移動手段はいかなる移動手段であってもよい。ヘッド２０７およびステージ２０８の被接合物保持手段としては、機械的なチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、ヘッド２０７およびステージ２０８は、加熱のためのヒータを備えるとともに、プラズマ電極ともなっており、被接合物保持手段、加熱手段、プラズマ発生手段の３つの機能を備えている。また、この実施形態では、ヘッド２０７およびステージ２０８はガラスで被覆されており、プラズマによってエッチングされて破損するのが防止されている。また、ヘッド２０７の対向面には図示省略する対向面電極が設けられており、ステージ２０８が待機位置に位置するときの対向面には図示省略する対向面電極が設けられている。そして、これらの対向面電極は、ヘッド２０７およびステージ２０８と同様にガラスで被覆されている。
【００６０】
減圧手段としては、排気管２１５に真空ポンプ２１７がつながれ、排気弁２１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管２１８に吸入ガス切り替え弁２２０が連結され吸気弁２１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしてはプラズマの反応ガスを３種類連結でき、例えばＡｒガス２２１と酸素ガス２２２と窒素ガス２２３とをつなぐことができる。また、図示省略しているが、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含んだ水ガスが供給可能なように連結されている。真空チャンバー２１１の真空度や反応ガス濃度は吸気弁２１９と排気弁２１６の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを真空チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。
【００６１】
アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段２１３，２１２がステージ２０８の待機位置の上方とヘッド２０７の下方に真空チャンバー外部に配置されている。そして、例えば、被接合物としての各ウエハー２０９，２１０の窓２１４に対向する表面にアライメントマーク２２７，２２８を施すことで位置精度良く認識することができる。
【００６２】
次に、この装置の動作を図９を参照しながら解説する。まず、図９（ａ）に示すように、真空チャンバー２１１の前扉を開いた状態でウエハー２０９とウエハー２１０をステージ２０８とヘッド２０７に保持させる。これは人手でもよいが、カセットから自動でローディングしてもよい。次に、同図（ｂ）に示すように、前扉を閉め、真空チャンバー内を減圧する。
【００６３】
続いて、図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、反応ガスとして酸素ガス２２２供給し、例えば、１０−２Ｔｏｒｒ程度の一定の真空度でヘッド２０７およびステージ２０８にＲＦプラズマ電源より電圧印加して、酸素プラズマを発生させ、ウエハー２０９，２１０表面の親水化処理を行う。酸素プラズマによる処理の途中で、対向面電極にＲＦプラズマ電源からの電圧印加を切り替えることにより酸素イオン衝突力を弱めて、酸素イオンや酸素ラジカルによるウエハー２０９，２１０表面の親水化処理を促進させてもよい。また、この親水化処理中、または親水化処理後に水ガスを真空チャンバー内に供給することで、ウエハー２０９，２１０表面の親水化処理をさらに効率よく行い、親水化処理したウエハー２０９，２１０の表面に均一にＯＨ基を並べることができる。この後、真空チャンバー２１１内を窒素ガス２２３に入れ替えるとともに、ＲＦプラズマ電源により対向面電極に周波数を酸素プラズマ処理の際の周波数よりも高い周波数として電圧印加することによって、窒素ラジカルを親水化処理されたウエハー２０９，２１０表面に照射して、ウエハー２０９，２１０表面のＯＨ基を窒素置換してＯＮ基とすることができる。この後、真空中で接合する場合は、同図（ｅ）に示すように再度、減圧を行う。
【００６４】
続いて、図９（ｆ）に示すように、ステージ２０８の待機位置でヘッド２０７側、ステージ２０８側の各々の認識手段で真空中で両ウエハー２０９，２１０上のアライメントマークを読み取り、位置を認識する。そして、同図（ｇ）に示すように、ステージ２０８を接合位置へスライド移動させる。
【００６５】
続いて、図９（ｉ）に示すように、ヘッド２０７を下降させ、両ウエハー２０９，２１０を接触させる。ウエハー２０９，２１０の表面はＯＮ基によって表面活性化されているため、このように、ウエハー２０９，２１０を重ね合わせることで強固に常温接合することができる。
【００６６】
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述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、第４実施形態では本発明の第１ないし第３実施態様で具現化された発明のすべてを具現化したが、具現化する発明の組合せはこれに限られず、必要に応じて変更すればよい。要は、採算性、コスト、必要な接合強度等、様々な要因に応じて種々組合わせる発明を変更すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施態様における表面活性化装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施態様における表面活性化装置の概略構成図である。
【図３】ＳｉＯ２やＳｉの親水化処理による接合原理の説明図である。
【図４】本発明の第２実施態様における表面活性化装置の概略構成図である。
【図５】ＳｉＯ２やＳｉの窒素化合物による接合原理の説明図である。
【図６】本発明の第３実施態様における装置の概略構成図である。
【図７】第３実施態様の接合手順を示す工程図である。
【図８】本発明の第４実施態様における装置の概略構成図である。
【図９】本発明の第４実施態様による接合手順を示す工程図である。
【符号の説明】
【００６８】
２０９，２１０，３０８，５０３，７，８…ウエハー（被接合物）
３００，５５０…表面活性化装置
３０９…被接合物保持電極
３０６…対向面電極
３１６…逓倍回路（逓倍手段）
６…上部電極
９…下部電極
６ａ，９ａ…ガラス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被接合物どうしを接合するために、該被接合物の接合面をプラズマで表面活性化する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シリコン基板の接合面どうしを張り合わせるために、該接合面を酸素プラズマで親水化処理（表面活性化処理）する技術が知られている。例えば、特許文献１に記載の技術では、高周波電源によるプラズマ発生装置を用いて酸素を含んだ雰囲気下で発生させた酸素プラズマによって、サブオキサイドを有する酸化層がシリコン基板の研磨面に形成される。このサブオキサイドを有する酸化層では接合界面において有効に働くシリコンの未結合手が多く形成され、このように親水化処理された接合面どうしが直接密着され、加熱処理されて２枚のシリコン基板が相互に接合される。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−８２４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記した従来技術では、シリコン基板が設置された電極に電圧印加して酸素プラズマを発生させているため、次のような問題が生じることがあった。すなわち、酸素イオンが該電極（シリコン基板）の方向へ加速してシリコン基板に衝突するため、酸素イオンによるエッチング力が強すぎてシリコン基板の接合面に破損が生じてしまい、該接合面の活性化処理（親水化処理）が上手く行われないことがあった。そのため、シリコン基板どうしの接合強度が低下してしまう。また、加速した酸素イオンが、シリコン基板が設置されている電極をエッチングしてしまうこともあった。このようにエッチングされた電極の埃がシリコン基板の接合面に付着してしまうと、該シリコン基板どうしの接合強度が低下してしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被接合物の接合面の表面活性化処理を効率よく行うことで該被接合物どうしの接合強度の向上を図ることのできる技術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】
【０００６】
この発明は、上記目的を達成するため、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化方法において、プラズマ処理前半において、プラズマ処理手段の被接合物を保持する被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成し、前記接合面のプラズマ処理を行い、プラズマ処理後半において、前記プラズマ処理手段の前記被接合物保持電極に対向配置された対向面電極に、前記所定周波数よりも高い周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴としている（請求項１）。
【０００７】
また、この発明にかかる表面活性化装置は、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化装置において、被接合物を保持する被接合物保持電極と、該被接合物保持電極に対向配置された対向面電極と、それぞれの電極に電圧を印加してプラズマを発生させる少なくとも１つの交番電源とを有するプラズマ処理手段を備え、前記プラズマ処理手段は、プラズマ処理前半において、前記被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成し、前記接合面のプラズマ処理を行い、プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記所定周波数よりも高い周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴としている（請求項４）。
【０００８】
このように構成された発明では、プラズマ処理前半において、プラズマ処理手段の被接合物を保持する被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成しているため、プラズマ中のイオンは、被接合物電極側、すなわち被接合物側へ加速される。そのため、比較的、強い衝突力で被接合物表面の接合面に衝突するイオンと、電気的に中性なラジカルとによって該接合面が表面活性化処理される。続いて、プラズマ処理手段の被接合物保持電極に対向配置された対向面電極に、プラズマ処理前半よりも高い周波数で電圧印加してプラズマを生成することによって、プラズマ中のイオンは、対向面電極側に加速されるため、被接合物の接合面に衝突するイオンの衝突力を弱めるとともに、衝突するイオンの数を減少させることができる。その結果、被接合物の接合面は、主にプラズマ中のラジカルと反応して表面活性化処理される。このラジカルは、電気的に中性であるので電極への電圧印加により発生する電界によって加速されないため、被接合物の接合面を破損させることなく、該接合面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、該被接合物どうしの接合強度の向上を図ることができる。
【０００９】
ところで、本発明において、プラズマによる「表面活性化処理」とは、プラズマ中の活性なラジカルやイオンによって被接合物の接合面の表面層を化学反応処理し、被接合物の接合面を活性化状態にして被接合物どうしが接合しやすくする処理を示している。本願発明者らによる種々の実験の結果、プラズマ処理後半において対向面電極に電圧印加してプラズマを生成させる際、プラズマ処理前半において被接合物保持電極に電圧印加する際よりも周波数を高くして電圧印加した方が、接合面の表面活性化処理が効率よく行われ、被接合物どうしの接合強度が向上することを見出した。この現象は以下に詳述することが原因で生じていると考えられる。すなわち、所定の反応ガス雰囲気で、交番電源により電極へ所定の周波数で電圧印加して生じた＋−方向が切り替わる電界によって生成したプラズマ中には、大きく分けて、反応ガスイオン、電子以外に、中性ではあるが電子が励起軌道に移動した励起状態の反応ガス原子・分子(ラジカル)や、基底状態のままの反応ガス分子・原子が存在する。プラズマは電界中を移動する電子と反応ガス分子との衝突によって生成されるため、この電子が電界中を移動する移動速度や、この電子と反応ガス分子との衝突回数はプラズマの生成状態に大きな影響を与える。
【００１０】
したがって、電極への印加電圧の周波数に応じて電界の＋−方向が切り替わる周波数が変化するため、電界中の電子のエネルギー分布も変化し、この印加電圧の周波数が反応ガス分子のイオン化・解離化・ラジカル化（励起化）に大きく影響する。すなわち、電界の＋−方向が切り替わる周波数が高くなれば、一般的に、電子が電極間を振動移動する回数が増えるため、この振動移動する電子のエネルギー分布を尖鋭なものとすることができる。このように、印加電圧の周波数を変更することで電界の＋−方向が切り替わる周波数を変化させて、プラズマを生成するために必要な電子のエネルギー分布を制御することが可能となる。したがって、電界中の電子のエネルギー分布を制御することでプラズマ中に存在する粒子の成分比を制御することが可能となり、プラズマ中のラジカルの量を増大させることができる。そのため、上記したようにプラズマ処理後半において、対向面電極に、プラズマ処理前半よりも高い周波数で電圧印加することによって、プラズマ処理前半よりも対向面電極と被接合物保持電極との間の電子のエネルギー分布を尖鋭化させることができる。したがって、プラズマ処理後半では、プラズマ処理前半よりも多くの反応ガスのイオンやラジカルを含むプラズマを生成することができる。その結果、被接合物保持電極に保持されている被接合物の接合面に照射されるラジカルの量が増大し、該接合面の表面活性化処理が促進されると考えられる。
【００１１】
例えば、被接合物がＳｉのような金属、またはガラス、ＳｉＯ２、セラミック系を含む酸化物である場合には、反応ガスとして酸素ガスを選択すれば、まず、プラズマ処理前半において、酸素プラズマ中の酸素イオンが接合面に比較的強い衝突力で衝突するため、該接合面の表面層が酸素イオンと入れ替わってＯＨ基が付着しやすい状態となって接合面が親水化処理され、ＯＨ基で表面活性化処理される。続いて、プラズマ処理後半において、上記したように酸素イオンの衝突力を弱めるとともに、増大させた酸素ラジカルによって接合面の表面活性化処理が促進され接合面へのＯＨ基の付着が効率よく増進されるので、接合面に均一にＯＨ基を付着させることができる。その結果、被接合物の表面を酸素プラズマによって効率よく表面活性化（親水化）することができ、被接合物をＯＨ基どうしによる水素結合により接合した後、Ｈ２Ｏを接合界面から放出させるための低温（例えば、常温〜約２００℃）でのアニーリングを行うのみで十分な接合強度を得ることが可能となり、接合強度の向上を図ることができる。また、この場合には、プラズマ処理前半からプラズマ処理後半へ連続的に切り替えれば、接合面へのＯＨ基の付着をより効率よく増進させることができ、該接合面の表面活性化処理をより効果的に行うことができる。
【００１２】
なお、対向面電極は、平行平板型のように被接合物保持電極に対向配置してもよいが、被接合物保持電極の周囲に配置するのみで同様の作用効果を奏することができる。また、プラズマによってエッチングされた対向面電極の埃が被接合物の接合面に付着するのを防止するためには、被接合物保持電極から見て側方側へずらした位置に対向面電極を対向配置するのが好ましい。このように、対向面電極の配置位置としては、被接合物保持電極が被接合物を保持する側の周囲空間であれば平行でなくても構わない。
【００１３】
また、前記プラズマ処理手段は、前記プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記所定周波数のＮ倍（Ｎは２以上の自然数）の周波数で電圧印加してプラズマを生成する構成でもよい（請求項２）。
【００１４】
また、前記プラズマ処理手段は、前記電源による印加電圧を前記所定周波数のＮ倍（Ｎは２以上の自然数）に逓倍する逓倍手段を備え、前記プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記逓倍手段により逓倍した周波数で電圧印加してプラズマを生成する構成でもよい（請求項５）。
【００１５】
このような構成とすれば、プラズマ処理前半において、被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成してプラズマ処理を行った後、プラズマ処理後半において、交番電源が供給する電圧周波数を逓倍手段により逓倍して対向面電極に電圧印加してプラズマを生成することができるため、１つの交番電源で、プラズマ処理前半とプラズマ処理後半において電極に電圧印加する周波数を変更することができる。すなわち、プラズマ処理後半において、プラズマ処理前半における被接合物保持電極への印加電圧の周波数よりも逓倍手段によりＮ倍に逓倍された周波数で対向面電極へ電圧印加することが可能となる。したがって、上記したように電極への印加電圧の周波数をプラズマ処理の後半において、プラズマ処理前半の周波数よりも高めるために、印加電圧の周波数を切り替え可能な特殊な回路を有する電源や、印加電圧の周波数が異なる電源を２つ使用したりしなくとも、一の周波数で電極に電圧印加することのできる交番電源を１つ使用するのみで印加電圧の周波数の切り替えが可能となるため、装置のコストダウン化を図ることができる。
【００１６】
また、上記目的を達成するため、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理するプラズマ電極を備えた表面活性化装置において、前記プラズマ電極はガラスで被覆されている構成としてもよい（請求項６）。このような構成とすれば、ガラスはプラズマのエッチング力に対する耐性が高いため、プラズマによる被接合物の接合面の表面活性化処理中に、該プラズマによってプラズマ電極がエッチングされてしまい、このプラズマ電極を構成する金属の埃が被接合物の接合面に付着してしまうのを防止することができる。このように、被接合物の接合面の表面活性化処理中に不純物（プラズマ電極を構成する金属の破片等）が接合面に付着するのを防止することができるので、該接合面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、被接合物どうしの接合強度の向上を図ることができる。ここで、プラズマ電極を被覆するガラスとしては、石英ガラスやホウケイ酸ガラス等のガラスが考えられるが、特に石英ガラスでプラズマ電極を被覆するのが好ましい。例えば、被接合物がＳｉのような金属、またはガラス、ＳｉＯ２、セラミック系を含む酸化物である場合には、プラズマによる被接合物の接合面の表面活性化処理中に、該プラズマによってプラズマ電極を被覆している石英ガラスがエッチングされて、その埃が接合面に付着してしまったとしても、石英ガラスの組成はこれらの被接合物の組成とほぼ同一であり、被接合物の接合面を表面活性化処理する際に、該接合面に付着してしまった石英ガラスの埃が不純物として接合面の表面活性化処理の妨げとならないため効率よく接合面の表面活性化処理を行うことができる。
【００１７】
また、上記目的を達成するため、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化方法において、前記接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記接合面に窒素ラジカルを照射する構成としてもよい（請求項３）。
【００１８】
また、この発明にかかる表面活性化装置は、プラズマ電極と、電源とを有し、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理するプラズマ処理手段を備えた表面活性化装置において、前記プラズマ処理手段は、前記接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記接合面に窒素ラジカルを照射する構成としてもよい（請求項７）。
【００１９】
被接合物の接合面を通常酸素プラズマで親水化処理する際、水分が不足して該接合面にＯＨ基が十分作られない場合がある。そこで、上記した構成とすれば、被接合物の接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を混入させているので、水分の不足を補うことができ、接合面を均一に親水化処理して該接合面の表面全体にＯＨ基を生成することができる。水ガスの供給方法としては、水ガスをそのまま供給するだけでも接合面の親水化処理は促進されるが、酸素プラズマによる親水化処理中に水ガスを酸素ガスに混入するか、あるいは、酸素プラズマによる親水化処理後、連続して水ガスを供給して、該水ガスを反応ガスとしてプラズマ処理することによって、水ガスが活性化し、より効果的に接合面の親水化処理を促進することができる。
【００２０】
続いて、効率よく均一に親水化処理された接合面に窒素ラジカルを照射することで、親水化処理された接合面に生成されたＯＨ基が窒素置換されることによりＯＮ基に置換される。この状態で、被接合物どうしを重ね合わせることによって接合界面に窒素化合物（Ｓｉ、Ｏ、Ｎの化合物）が形成され、常温〜１００℃以下の低温でも被接合物どうしを強固に接合することができる。このように、接合面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、被接合物どうしの接合強度の向上を図ることができる。なお、水ガスとしてアルコール類により発生させたガスを混入することによってＯＨ基の数を増大させて、被接合物の接合面の親水化処理を促進させることもできる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、請求項１および４に記載の発明によれば、プラズマ処理前半とプラズマ処理後半とで被接合物の接合面を表面活性化処理する強度を効率よく切り替えることで、被接合物接合面を破損させることなく効率よく表面活性化処理することができる。そして、このように、その接合面を効率よく表面活性化処理された被接合物どうしを重ね合わせることによって、該被接合物どうしの接合強度の向上を図ることができる。
【００２２】
また、請求項２および５に記載の発明によれば、１つの交番電源で、プラズマ処理前半とプラズマ処理後半において電極に電圧印加する周波数を変更することができるため、一の周波数で電極に電圧印加することのできる交番電源を１つ使用するのみで印加電圧の周波数の切り替えが可能となり、装置のコストダウン化を図ることができる。
【００２３】
また、請求項３および７に記載の発明によれば、被接合物の接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を混入させることで、接合面を均一に親水化処理して該接合面の表面全体にＯＨ基を生成することができる。続いて、効率よく均一に親水化処理された接合面に窒素ラジカルを照射してＯＨ基をＯＮ基に置換した被接合物どうしを重ね合わせることで、接合界面に窒素化合物（Ｓｉ、Ｏ、Ｎの化合物）が形成され、常温〜１００℃以下の低温でも被接合物どうしを強固に接合することができる。
【００２４】
また、請求項６に記載の発明によれば、プラズマによる被接合物の接合面の表面活性化処理中に、該プラズマによってプラズマ電極がエッチングされてしまい、このプラズマ電極を構成する金属の埃が被接合物の接合面に付着してしまうのを防止することができるので、該接合面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、被接合物どうしの接合強度の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
＜第１実施形態＞
図１および図２は本発明の第１実施態様における表面活性化装置の概略構成図であり、図２は図１と異なる状態での表面活性化装置の概略構成図である。また、図３はＳｉＯ２やＳｉの親水化処理による接合原理の説明図である。この表面活性化装置３００は、図１に示すように、内部に被接合物保持電極３０９および対向面電極３０６が配設された真空チャンバー３０３と、本発明における「交番電源」に相当するＲＦプラズマ電源３０１（発生電圧周波数：約１３．５６ＭＨｚ）と、ＲＦプラズマ電源３０１が供給する電圧の周波数を２倍に逓倍可能に構成されている逓倍回路３１６（本名発明の「逓倍手段」に相当）とを備えている。真空チャンバー３０３は任意のプラズマ反応ガスを供給可能に構成された反応ガス供給口３１４と、真空チャンバー３０３内のガスを真空チャンバー３０３外に排気可能に構成された排気口３１３とを備えており、反応ガス供給口３１４によるガス供給量と排気口３１３からのガス排気量を調整することによって、真空チャンバー３０３内を任意の真空度に調整可能に構成されている。また、逓倍回路３１６は、図１に示すように、ＲＦプラズマ電源３０１から供給される電圧を所定周波数である約１３．５６ＭＨｚのままで被接合物保持電極３０９に接続するとともに対向面電極３０６を接地してプラズマを生成する状態と、図２に示すように、ＲＦプラズマ電源３０９から供給される電圧を所定の周波数から２倍に逓倍して約２７．１２ＭＨｚとして対向面電極３０６に接続するとともに被接合物保持電極３０９を接地してプラズマを生成する状態とを切り替え自在に構成されている。このように、この実施形態では表面活性化装置３００が本発明の「プラズマ処理手段」として機能している。なお、図２に示すように被接合物保持電極３０９を接地する替わりに真空チャンバー３０３の壁面を接地してもよい。
【００２６】
続いて、この表面活性化装置３００の動作について図１および図２を参照して説明する。まず、プラズマ処理前半において、図１に示すように、ウエハー（被接合物）３０８を被接合物保持電極３０９で保持した状態で、真空チャンバー３０３内へプラズマ反応ガスとして、例えば、酸素ガスを反応ガス供給口３１４から供給しつつ排気口３１３から真空チャンバー３０３内のガスを排気することによって、例えば、真空チャンバー３０３内の真空度を約１０−２Ｔｏｒｒ程度で一定となるようにガス給排気動作の調整を行う。そして、真空チャンバー３０３内の真空度がほぼ一定となった後、逓倍回路３１６によって、ＲＦプラズマ電源３０１から供給される電圧を所定周波数である約１３．５６ＭＨｚのままで被接合物保持電極３０９に接続して電圧印加するとともに、対向面電極３０６を接地して酸素プラズマを発生させる。この酸素プラズマの構成粒子の１つである酸素イオン３１０等が、電圧印加されている被接合物保持電極３０９側に移動することで、被接合物保持電極３０９側にプラズマを構成する粒子が多く集まった領域であるシース領域３１２が形成される。シース領域３１２内には活性な酸素イオン３１０、酸素ラジカル３１１が多数集まっており、シース領域３１２に移動してくる酸素イオン３１０が被接合物保持電極３０９に保持されたウエハー３０８の表面（接合面）に向かって比較的強い衝突力で衝突することで、ウエハー３０８の表面層が酸素イオン３１０と入れ替わってＯＨ基が付着しやすい状態となり、酸素イオン３１０および酸素ラジカル３１１によってウエハー３０８表面は親水化処理されてＯＨ基で表面活性化される。
【００２７】
ところが、図１に示す状態では、酸素イオン３１０がウエハー３０８に衝突する衝突力が比較的強いため、この酸素イオン３１０の衝突により、親水化処理されたウエハー３０８表面のＯＨ基の一部が再び除去されたりすることがある。そこで、プラズマ処理後半において、図２に示すように逓倍回路３１６によって、ＲＦプラズマ電源３０９から供給される電圧を２倍の周波数である約２７．１２ＭＨｚに逓倍して対向面電極３０６に印加する。このとき、被接合物保持電極３０９を接地した状態に切り替えて酸素プラズマを生成する。このようにすると、酸素プラズマ中の酸素イオン３１０は、対向面電極３０６側に加速されて移動し、対向面電極３０６側にシース領域３１２を形成する。その結果、ウエハー３０８の表面に衝突する酸素イオン３１０の衝突力を弱めるとともに、衝突するイオンの数を減少させることができるとともに、対向面電極３０６への印加電圧の周波数をプラズマ処理前半より高めたことにより、プラズマ処理前半よりもその数を増大させた酸素プラズマ中の酸素ラジカル３１１がウエハー３０８表面と反応して親水化処理される。この酸素ラジカル３１１は、電気的に中性であるので電極への電圧印加により発生する電界によって加速されないため、ウエハー３０８の表面を破損させることなく、ウエハー３０８表面の親水化処理が促進されＯＨ基の付着が効率よく増進されるので、ウエハー３０８表面に均一にＯＨ基を付着させることができる。
【００２８】
以上のように、この実施形態によれば、プラズマ処理前半とプラズマ処理後半とでウエハー３０８の接合面を表面活性化する化学処理の強度を効率よく切り替えることで、ウエハー３０８の接合面を酸素プラズマによって効率よく親水化処理（表面活性化処理）することができる。このように、その接合面を効率よく親水化処理されたウエハー３０８どうしを適当な周知の接合装置によって重ね合わせてＯＨ基どうしによる水素結合により接合した後、Ｈ２Ｏを接合界面から放出させるための低温（例えば、常温〜約２００℃）でのアニーリングを行うのみで十分な接合強度を得ることが可能となり、接合強度の向上を図ることができる。また、この場合には、プラズマ処理前半からプラズマ処理後半へ連続的に切り替えれば、接合面へのＯＨ基の付着をより効率よく増進させることができ、ウエハー３０８の接合面の親水化処理をより効果的に行うことができる。
【００２９】
このように、親水化処理されることによって、ＳｉＯ２やＳｉからなるウエハーが接合される原理を図３に示す。図３（ａ）に示すように、酸素プラズマによる親水化処理によりＳｉ表面にＯＨ基を付着させる。次に、同図（ｂ）に示すように、両被接合物を接触させ、水素結合により仮接合する。続いて、同図（ｃ）に示すように、加熱によりＨ２Ｏを放出させ、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの強固な結合を得る。
【００３０】
また、この実施形態では、逓倍回路３１６を備えることにより、１つのＲＦプラズマ電源３０１のみでプラズマ処理前半とプラズマ処理後半において被接合物保持電極３０９および対向面電極３０６に電圧印加する周波数を変更することができる。したがって、所定周波数で電圧印加することのできるＲＦプラズマ電源を１つ使用するのみで印加電圧の周波数の切り替えが可能となるため、装置のコストダウン化を図ることができる。また、マイクロウエーブにより生成したプラズマによる表面活性化装置と比べると、マイクロウエーブを発生させるマイクロウエーブ電源に比べ、ＲＦプラズマ電源は非常に安価であり、装置全体のコストダウン化を図ることができる。また、マイクロウエーブ電源を使用した表面活性化装置に比べると簡易な構成でウエハー３０８の表面活性化処理が可能となる。
【００３１】
なお、この実施形態では反応ガスとして酸素のみを使用したが、反応ガスの種類としては酸素に限定されるものではなく、被接合物の接合面の表面活性化処理を行うことのできる反応ガスであればよい。例えば、反応ガスとして、酸素ガスと窒素ガスとの混合ガスを使用することができる。また、プラズマ処理前半とプラズマ処理後半とで反応ガスの種類を変えてももちろんよい。例えば、プラズマ処理前半で反応ガスとして酸素ガスを使用し、プラズマ処理後半で反応ガスとして窒素ガスを使用することができる。このように、反応ガスとして窒素ガスを含むガスを使用することによって、被接合物の接合面にＯＮ基を生成することができるため、被接合物どうしを窒素化合物（ＮｘＯｘ）で強固に常温接合することが可能となる。要は、被接合物の種類によって、種々、反応ガスを変更し、または組み合わせればよい。
【００３２】
また、ウエハー３０８表面へのＯＨ基の吸着が酸素プラズマによるプラズマ処理で十分でない場合は、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含んだガス、あるいは大気をそのまま供給することで、ウエハー３０８表面へのＯＨ基の吸着効率を向上させることができる。
【００３３】
また、この実施形態におけるウエハー３０８の材料としてはＳｉ、ＳｉＯ２、ガラス、セラミック等が考えられる。また、被接合物の形状としては、ウエハーまたは該ウエハーをダイシングしたウエハーチップ等でも、上記したように表面活性化処理することによって、効率よく強固に接合することができる。
【００３４】
また、この実施形態では、逓倍回路３１６によって、プラズマ処理後半において、プラズマ処理前半よりも高い周波数で対向面電極３０６に電圧印加しているが、逓倍回路３１６を使用せずに、印加電圧の周波数を切り替え可能な特殊な回路を有するＲＦプラズマ電源や、印加電圧の周波数が異なるＲＦプラズマ電源を２つ使用してももちろんよい。
【００３５】
また、この実施形態では、逓倍回路３１６によって、プラズマ処理後半において、印加電圧の周波数を２倍にして対向面電極３０６に電圧印加しているが、倍数としては２倍に限られず、必要に応じて、Ｎ倍（Ｎは２以上の自然数）とする構成としてももちろんよい。
【００３６】
続いて、この実施形態における構成でウエハー（Ｓｉ基板）を接合した場合の接合強度の一例を示す。なお、接合強度は、ウエハー接合後の引張強度を示す。
（実験条件）
１．プラズマ処理前半
反応ガス：酸素、出力：５０Ｗ、照射時間：３０秒
２．プラズマ処理後半
反応ガス：窒素、出力：５０Ｗ、照射時間：２０秒
（接合強度）
１．プラズマ処理後半の周波数１倍（約１３．５６ＭＨｚ）…約１８Ｍｐａ
２．プラズマ処理後半の周波数２倍（約２７．１２ＭＨｚ）…約２０Ｍｐａ
３．プラズマ処理後半の周波数３倍（約４０．６８ＭＨｚ）…約２３Ｍｐａ
以上のように、プラズマ処理後半において、ＲＦプラズマ電源による印加電圧の周波数を高くすることによって、ウエハーどうしを接合した際の接合強度を向上させることができた。
【００３７】
＜第２実施形態＞
続いて、本発明の第２実施態様を図４、５を参照して説明する。図４本発明の第２実施態様における表面活性化装置の概略構成図であり、図５はＳｉＯ２やＳｉの窒素化合物による接合原理の説明図である。この第２実施形態が上記第１実施形態と大きく異なる点は、図４に示す表面活性化装置が、マイクロウエーブ電源とＲＦプラズマ電源の２つのプラズマ発生手段を用いて被接合物の表面活性化処理を行っている点である。すなわち、この表面活性化装置５５０では、被接合物保持電極５０９に被接合物としてのウエハー５０３を保持した状態で、プラズマ処理前半において、酸素ガスを反応ガスとして、ＲＦプラズマ電源５０１により酸素プラズマを発生させてウエハー５０３表面に酸素プラズマを照射して親水化処理を行い、該親水化処理中または親水化処理後に、真空チャンバー５０６内にＨ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を混入させた後、窒素ガスを反応ガスとして、マイクロウエーブ電源５１０により窒素プラズマを発生させてウエハー５０３の表面に窒素ラジカルを照射して、親水化処理されたウエハー５０３表面のＯＨ基を窒素置換することを特徴としている。
【００３８】
図４に示すように、表面活性化装置５５０は、その内部に被接合物保持電極５０９、表面波プラズマ発生手段５００およびイオントラップ板５０２が配設された真空チャンバー５０６と、マイクロウエーブ波電源５１０と、ＲＦプラズマ電源５０１とを備えている。真空チャンバー５０６は任意のプラズマ反応ガスを供給可能に構成された反応ガス供給口５０７と、真空チャンバー５０６外に排気可能に構成された排気口５０８とを備えており、反応ガス供給口５０７によるガス供給量と排気口５０８からのガス排気量を調整することによって、真空チャンバー５０６内を任意の真空度に調整可能に構成されている。また、ＲＦプラズマ電源５０１により被接合物保持電極５０９へ電圧印加することによって、上記第１実施形態と同様に被接合物保持電極５０９側にシース領域５１２が形成され、被接合物の接合面に対する比較的強めのイオン衝突による表面活性処理を行うことができる。また、マイクロウエーブ電源５１０により表面波プラズマ発生手段にマイクロ波を印加することによって図４に示す位置にシース領域５１１が形成される。このシース領域５１１に存在するイオン５０５はイオントラップ板５０２により捕獲されるが、ラジカル５０４は電気的に中性であるため、イオントラップ板５０２には捕獲されずに、イオントラップ板が有する開口を通ってダウンフローして被接合物に照射することができる。このように、この実施形態では表面活性化装置５５０が本発明の「プラズマ処理手段」として機能している。
【００３９】
続いて、この表面活性化装置５５０の動作について図４を参照しつつ説明する。被接合物となるウエハー５０３を被接合物保持電極５０９に保持した状態で、まず、反応ガス吸気口５０７を介して真空チャンバー内に反応ガスとして酸素ガスが供給される。このとき、反応ガス供給口５０７によるガス供給量と排気口５０８からのガス排気量を調整して、真空チャンバー５０６内は任意の真空度に調整されている。この状態で、ＲＦプラズマ電源５０１により被接合物保持電極５０９に電圧印加して酸素プラズマを発生させ、シース領域５１２中のウエハー５０３の表面が親水化処理される。そして、この親水化処理中または処理後に、反応ガス吸気口５０７を介して、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を真空チャンバー５０６に混入させることによって、ウエハー５０３表面の親水化処理を促進させる。その後、真空チャンバー５０６から排気口５０８を介して酸素ガスを排気しつつ、反応ガス供給口５０７を介して窒素ガスを真空チャンバー５０６内に供給し、真空チャンバー５０６内を任意の真空度で窒素ガスで充満させる。この状態で、マイクロウエーブ電源５１０によりマイクロウエーブを表面波プラズマ発生手段５００に印加することにより窒素プラズマを発生させる。そして、窒素プラズマのシース領域５１１からイオントラップ板５０２の開口を介してダウンフローする窒素ラジカル５０４をウエハー５０３表面へ照射して、親水化されているウエハー５０３表面のＯＨ基を窒素置換して、該表面上にＯＮ基を形成する。この窒素ラジカルによる表面活性化処理終了後、周知の接合装置によってウエハー５０３どうしを重ね合わせることで、常温で、かつ強力に接合することができる。
【００４０】
以上のように、この実施形態によれば、ウエハー５０３の表面に酸素プラズマを照射して親水化処理中に、または親水化処理後に、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を混入させているので、水分や水素（Ｈ）の不足を補うことができるため、ウエハー５０３表面を均一に親水化処理して、ウエハー５０３表面全体に均一にＯＨ基を生成することができる。続いて、効率よく均一に親水化処理されたウエハー５０３表面に窒素ラジカルを照射することで、親水化処理されたウエハー５０３表面に生成されたＯＨ基が窒素置換されることによりＯＮ基に置換される。この状態で、ウエハー５０３どうしを重ね合わせることによって接合界面に窒素化合物（Ｓｉ、Ｏ、Ｎの化合物）が形成され、常温〜１００℃以下の低温でもウエハー５０３どうしを強固に接合することができる。このように、接合面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、ウエハー５０３どうしの接合強度の向上を図ることができる。
【００４１】
このように、親水化処理後にＯＨ基を窒素置換することによって、ＳｉＯ２やＳｉからなるウエハー５０３が接合される原理を図５に示す。図５（ａ）に示すように、酸素プラズマによる親水化処理によりＳｉ表面にＯＨ基を付着させる。次に、同図（ｂ）に示すように、ＯＨ基を窒素ラジカルによって窒素置換した後、両被接合物を接触させることで、同図（ｃ）に示すように、接合界面に窒素化合物（ＮｘＯｘ）が形成されて常温でも強固な結合を得る。
【００４２】
なお、水ガスの供給方法としては、水ガスをそのまま供給するだけでも接合面の親水化処理は促進されるが、酸素プラズマによる親水化処理中に水ガスを酸素ガスに混入するか、あるいは、酸素プラズマによる親水化処理後、連続して水ガスを供給して、該水ガスを反応ガスとしてプラズマ処理することによって、水ガスが活性化し、より効果的に接合面の親水化処理を促進することができる。また、水ガスとしてアルコール類により発生させたガスを混入することによってＯＨ基の数を増大させて、被接合物の接合面の親水化処理を促進させることもできる。
【００４３】
また、この実施形態では、ＲＦプラズマ電源による被接合物保持電極５０９への電圧印加によって発生した酸素プラズマによる親水化処理の後、反応ガスを窒素ガスと入れ替えて、窒素ラジカルによる窒素置換を行っているが、酸素ガスを窒素ガスに入れ替える前に、反応ガスを酸素ガスとしたままで、マイクロウエーブ電源５１０による表面波プラズマ発生手段５００へのマイクロウエーブ印加によって酸素プラズマを発生させて、上記した窒素ラジカルと同様に酸素ラジカルをウエハー５０３にダウンフローに照射する構成としてもよい。このような構成とすれば、ウエハー５０３表面の親水化処理をさらに効率よく行うことができる。この親水化処理後、反応ガスを窒素ガスと置換して、窒素ラジカルによるＯＨ基の窒素置換処理を行えばよい。
【００４４】
また、この実施形態におけるウエハー５０３の材料としてはＳｉ、ＳｉＯ２、ガラス、セラミック等が考えられる。また、被接合物の形状としては、ウエハーまたは該ウエハーをダイシングしたウエハーチップ等でも、上記したように表面活性化処理することによって、効率よく強固に接合することができる。
【００４５】
続いて、この実施形態における構成でウエハー（Ｓｉ基板）を接合した場合の接合強度の一例を示す。
（実験条件）
１．プラズマ処理前半
反応ガス：酸素、出力：５０Ｗ、照射時間：３０秒
２．プラズマ処理後半
反応ガス：窒素、照射時間：２０秒
（接合強度）
１．水ガスを混入しなかった場合…約２５Ｍｐａ
２．水ガスを混入した場合 …約２８Ｍｐａ
以上のように、酸素プラズマによる親水化処理中または親水化処理後に、真空チャンバー５０６内にＨ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガス（水ガス）を混入させた場合には、水ガスを混入させなかった場合よりもウエハーどうしを接合した際の接合強度を向上させることができた。
【００４６】
＜第３実施形態＞
続いて、本発明の第３実施態様を図６、７を参照して説明する。図６は本発明の第３実施態様における装置の概略構成図であり、図７は第３実施態様の接合手順を示す工程図である。この第３実施形態が上記第１実施形態と大きく異なる点は、図６に示す装置が、被接合物の表面活性化処理および被接合物どうしの接合処理の両方を実行可能に構成されている点である。この装置では、被接合物であるウエハー７，８を上下に対向して保持させた状態でチャンバーを閉じ、真空内で酸素プラズマや窒素プラズマにより表面活性化処理をした後、ウエハー７，８を接合させることができる。
【００４７】
この装置は、ウエハー７を保持し、Ｚ軸１により昇降制御と加圧制御を行うヘッド部と、ウエハー８を保持し、場合によってはウエハー８の位置を調整可能に構成されたステージ部とを備えている。Ｚ軸１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へフィードバックすることで加圧力制御を行うことができる。摺動パッキン４によってＺ軸１に摺接しつつ、図示省略するアクチュエータによりＺ軸１と独立して昇降可能なチャンバー壁３が下降し、チャンバー台１０に固定パッキン５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１４を開放して真空ポンプ１５を作動させて排出口１２を介してチャンバー内を真空引きした後、ガス切替弁１６を窒素ガス１７を導入するように切り替えて吸入バルブ１３を開放することで、吸入口１１を介して反応ガスとして窒素ガス１７をチャンバー内に導入することができる。また、ガス切替弁１６を酸素ガス１８を導入するように切り替えることで、吸入口１１を介して反応ガスとして酸素ガス１８をチャンバー内に導入することができる。そして、酸素プラズマや窒素プラズマによるウエハー７，８の表面活性化処理（親水化処理）を行った後、ピストン型ヘッド２を下降させることで両ウエハー７，８を接合することができる。また、上部電極６、下部電極９は、それぞれガラス６ａ，９ａで被覆されているとともに、図示省略する加熱ヒータを備えている。
【００４８】
次に、この装置における処理手順について図７を参照して説明する。まず図７（ａ）のようにチャンバー壁３が上昇した状態でウエハー７を上部電極６に保持させ、ウエハー８を下部電極９に保持させる。ウエハー７，８の保持方法は機械的なチャッキング方式でも構わないが、静電チャック方式がより好ましい。そして、図７（ｂ）に示すように、チャンバー壁３を下降させ、チャンバー台１０に固定パッキン５を介して接地させる。チャンバー壁３は摺動パッキン４がＺ軸１に摺動することで大気と遮断されているので、吸入バルブ１３を閉じた状態で排出バルブ１４を開放して真空ポンプ１５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。
【００４９】
次に、図７（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１５は動作させながら排出バルブ１４の排出量と吸入バルブ１３でのガス吸入量をコントロールすることで、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、酸素ガス１８を１０−２Ｔｏｒｒ程度の真空度でチャンバー内に充満させ、同図（ｄ），（ｅ）に示すように、最初に下部電極９に交番電源により電圧印加することで酸素プラズマを発生させ、ウエハー８表面を表面活性化処理（親水化処理）する。続いて、上部電極６に同様な交番電源により電圧印加することでウエハー７表面を表面活性化処理（親水化処理）する。次に、同図（ｂ）に示すように、吸入バルブ１３を閉じた状態でチャンバー内をさらに真空引きして酸素ガス１８を排出する。なお、この後、同図（ｃ）〜（ｅ）の手順を酸素ガス１８に替わって窒素ガス１７をチャンバー内に導入して行うことで、ウエハー７，８の表面を窒素プラズマにより表面活性化処理することもできる。このように、上部電極６および下部電極９が本発明における「プラズマ電極」として機能している。
【００５０】
なお、ガス切替弁１６で窒素ガス１７と酸素ガス１８を選択して吸入口１１に導入することで、窒素ガス１７と酸素ガス１８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、ガス切替弁１６は窒素ガス１７と酸素ガス１８の混合ガスを任意の混合率でチャンバーに供給することもできるように構成されている。そして、ガス切替弁１６で窒素ガス１７や酸素ガス１８に切り替えて、吸入バルブ１３を開き、チャンバー内を窒素ガス１７または酸素ガス１８、あるいは窒素ガス１７と酸素ガス１８の混合ガスで充満させて表面活性化処理を行うことができる。また、このガス切替弁１６は大気を吸入させることもできるのでチャンバーを開く時に大気解放させることもできる。
【００５１】
次に、場合によっては、水分を含んだガスを供給することで、ウエハー７，８の表面の親水化処理を促進させる。続いて、図７（ｆ）に示すように、真空中でチャンバー壁３とＺ軸１とが摺動パッキン４で接しながらピストン型ヘッド２がＺ軸１により下降され、両ウエハー７，８を真空中で接触させ、水素結合力により接合させる。チャンバー内はチャンバー壁３とＺ軸１との間の摺動パッキン４により外部雰囲気と遮断され、真空に保持された状態でピストン型ヘッド部を下降させることができる。
【００５２】
その後、図７（ｇ）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て、ヘッド部を上昇させ、接合された両ウエハー７，８を取り出す。場合によっては、接合に際し、両ウエハーの位置をアライメントした後、接合する場合もある。
【００５３】
以上のように、この実施形態によれば、両電極６，９はガラス６ａ，９ａで被覆されているため、酸素プラズマや窒素プラズマによるウエハー７，８の表面の表面活性化処理中に、これらのプラズマによって両電極６，９がエッチングされてしまい、この両電極６，９を構成する金属の埃がウエハー７，８の表面に付着してしまうのを防止することができる。このように、ウエハー７，８の表面の表面活性化中に不純物（両電極６，９を構成する金属の破片等）がウエハー７，８の表面に付着するのを防止することができるので、ウエハー７，８の表面の表面活性化処理を効率よく行うことができ、ウエハー７，８の接合強度の向上を図ることができる。
【００５４】
続いて、この実施形態における構成でウエハー（Ｓｉ基板）を接合した場合の接合強度の一例を示す。
（実験条件）
１．プラズマ処理前半
反応ガス：酸素、出力：５０Ｗ、照射時間：３０秒
２．プラズマ処理後半
反応ガス：窒素、５０Ｗ、照射時間：２０秒
（接合強度）
１．ガラスによる電極の被覆無し…約７．５Ｍｐａ
２．ガラスによる電極の被覆有り…約１２Ｍｐａ
以上のように、電極をガラスで被覆した場合、電極をガラスで被覆しなかった場合よりもウエハーどうしを接合した際の接合強度を向上させることができた。
【００５５】
なお、この構成は、表面活性化処理するウエハーや、ウエハーをダイシングしたチップの大きさが電極よりも小さい場合に、ウエハーやチップによって被覆されない部分の電極がプラズマによってエッチングされるのを防止することができるため、特に有効である。このようにウエハーやチップの大きさが電極よりも小さい場合に、例えば、上記した第１実施形態の構成において、ウエハー（Ｓｉ基板）を接合した場合の接合強度の一例を示す。第１実施形態の構成では、電極をガラスで被覆することで、特に、対向面電極３０６がプラズマによってエッチングされて、この対向面電極３０６を構成する金属の埃がウエハーの表面に付着してしまうのを防止することができる。
（第１実施形態の構成で電極をガラスで被覆した場合）
１．プラズマ処理前半
反応ガス：酸素、出力：５０Ｗ、照射時間：３０秒
２．プラズマ処理後半
反応ガス：窒素、５０Ｗ、照射時間：２０秒
（接合強度）
１．ガラスによる電極の被覆無し…約１５Ｍｐａ
２．ガラスによる電極の被覆有り…約１９Ｍｐａ
以上のように、電極をガラスで被覆した場合、電極をガラスで被覆しなかった場合よりも被接合物どうしを接合した際の接合強度を向上させることができた。
【００５６】
続いて、同様に、上記した第２実施形態の構成において、水ガスを混入させなかった場合にウエハー（Ｓｉ基板）を接合した場合の接合強度の一例を示す。
（第２実施形態の構成で電極をガラスで被覆した場合）
１．プラズマ処理前半
反応ガス：酸素、出力：５０Ｗ、照射時間：３０秒
２．プラズマ処理後半
反応ガス：窒素、照射時間：２０秒
（接合強度）
１．ガラスによる電極の被覆無し…約１７Ｍｐａ
２．ガラスによる電極の被覆有り…約２５Ｍｐａ
以上のように、電極をガラスで被覆した場合、電極をガラスで被覆しなかった場合よりも被接合物どうしを接合した際の接合強度を向上させることができた。
【００５７】
＜第４実施形態＞
続いて、本発明の第４実施態様を図８、９を参照して説明する。図８は本発明の第４実施態様における装置の概略構成図であり、図９は本発明の第４実施態様による接合手順を示す工程図である。この第４実施形態が上記第１ないし第３実施形態と大きく異なる点は、この装置において、上記した本発明の第１ないし第３実施態様で具現化された発明のすべてを同時に具現化している点である。したがって、上記第１ないし第３実施形態と同様の作用効果を奏することができる。以下、この装置について詳細に述べる。
【００５８】
まず、装置構成について記述する。図８に示すように、ウエハー２１０を保持するヘッド２０７とウエハー２０９を保持するステージ２０８が真空チャンバー２１１中に配置される。ヘッド部は、トルク制御式昇降駆動モータ２０１が連結されたＺ軸昇降機構２０２によってヘッド２０７をＺ方向に昇降させる昇降手段と、圧力検出手段２０４と、Ｚ軸昇降機構２０２を回転させるθ軸回転機構２０３およびＸＹ水平方向へアライメント移動させるＸＹアライメントテーブル２０６により、ヘッド２０７をＸ、Ｙ、θ方向でアライメント移動させる移動手段とを備えている。圧力検出手段２０４により検出されたウエハー接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ２０１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御を切り替えながら行えるようになっている。また、圧力検出手段２０４は被接合物どうしが接触したことを検出する接触検出手段としても利用できる。ＸＹアライメントテーブル２０６は真空中でも使用できるが、Ｚ、θ軸機構は真空チャンバー２１１外部に設置するため、ベローズ２０５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。
【００５９】
ステージ２０８は接合位置と待機位置間をスライド移動手段２２９によりスライド移動することができる。スライド移動手段２２９には高精度なガイドと位置を認識するリニアスケールが取り付けられており、接合位置と待機位置との間の停止位置を高精度に維持することができる。また、スライド移動手段２２９は真空チャンバー内部に組み込んでいるが、移動手段を外部に配置し、パッキングされた連結棒でステージ２０８と連結することで外部にシリンダやリニアサーボモータなどを配置することも可能である。また、真空中にボールネジを配置し、外部にサーボモータを設置することも可能である。このように、ステージ２０８を接合位置と待機位置との間で高精度に移動させることのできる手段であれば、移動手段はいかなる移動手段であってもよい。ヘッド２０７およびステージ２０８の被接合物保持手段としては、機械的なチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、ヘッド２０７およびステージ２０８は、加熱のためのヒータを備えるとともに、プラズマ電極ともなっており、被接合物保持手段、加熱手段、プラズマ発生手段の３つの機能を備えている。また、この実施形態では、ヘッド２０７およびステージ２０８はガラスで被覆されており、プラズマによってエッチングされて破損するのが防止されている。また、ヘッド２０７の対向面には図示省略する対向面電極が設けられており、ステージ２０８が待機位置に位置するときの対向面には図示省略する対向面電極が設けられている。そして、これらの対向面電極は、ヘッド２０７およびステージ２０８と同様にガラスで被覆されている。
【００６０】
減圧手段としては、排気管２１５に真空ポンプ２１７がつながれ、排気弁２１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管２１８に吸入ガス切り替え弁２２０が連結され吸気弁２１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしてはプラズマの反応ガスを３種類連結でき、例えばＡｒガス２２１と酸素ガス２２２と窒素ガス２２３とをつなぐことができる。また、図示省略しているが、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含んだ水ガスが供給可能なように連結されている。真空チャンバー２１１の真空度や反応ガス濃度は吸気弁２１９と排気弁２１６の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを真空チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。
【００６１】
アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段２１３，２１２がステージ２０８の待機位置の上方とヘッド２０７の下方に真空チャンバー外部に配置されている。そして、例えば、被接合物としての各ウエハー２０９，２１０の窓２１４に対向する表面にアライメントマーク２２７，２２８を施すことで位置精度良く認識することができる。
【００６２】
次に、この装置の動作を図９を参照しながら解説する。まず、図９（ａ）に示すように、真空チャンバー２１１の前扉を開いた状態でウエハー２０９とウエハー２１０をステージ２０８とヘッド２０７に保持させる。これは人手でもよいが、カセットから自動でローディングしてもよい。次に、同図（ｂ）に示すように、前扉を閉め、真空チャンバー内を減圧する。
【００６３】
続いて、図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、反応ガスとして酸素ガス２２２供給し、例えば、１０−２Ｔｏｒｒ程度の一定の真空度でヘッド２０７およびステージ２０８にＲＦプラズマ電源より電圧印加して、酸素プラズマを発生させ、ウエハー２０９，２１０表面の親水化処理を行う。酸素プラズマによる処理の途中で、対向面電極にＲＦプラズマ電源からの電圧印加を切り替えることにより酸素イオン衝突力を弱めて、酸素イオンや酸素ラジカルによるウエハー２０９，２１０表面の親水化処理を促進させてもよい。また、この親水化処理中、または親水化処理後に水ガスを真空チャンバー内に供給することで、ウエハー２０９，２１０表面の親水化処理をさらに効率よく行い、親水化処理したウエハー２０９，２１０の表面に均一にＯＨ基を並べることができる。この後、真空チャンバー２１１内を窒素ガス２２３に入れ替えるとともに、ＲＦプラズマ電源により対向面電極に周波数を酸素プラズマ処理の際の周波数よりも高い周波数として電圧印加することによって、窒素ラジカルを親水化処理されたウエハー２０９，２１０表面に照射して、ウエハー２０９，２１０表面のＯＨ基を窒素置換してＯＮ基とすることができる。この後、真空中で接合する場合は、同図（ｅ）に示すように再度、減圧を行う。
【００６４】
続いて、図９（ｆ）に示すように、ステージ２０８の待機位置でヘッド２０７側、ステージ２０８側の各々の認識手段で真空中で両ウエハー２０９，２１０上のアライメントマークを読み取り、位置を認識する。そして、同図（ｇ）に示すように、ステージ２０８を接合位置へスライド移動させる。
【００６５】
続いて、図９（ｉ）に示すように、ヘッド２０７を下降させ、両ウエハー２０９，２１０を接触させる。ウエハー２０９，２１０の表面はＯＮ基によって表面活性化されているため、このように、ウエハー２０９，２１０を重ね合わせることで強固に常温接合することができる。
【００６６】
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述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、第４実施形態では本発明の第１ないし第３実施態様で具現化された発明のすべてを具現化したが、具現化する発明の組合せはこれに限られず、必要に応じて変更すればよい。要は、採算性、コスト、必要な接合強度等、様々な要因に応じて種々組合わせる発明を変更すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施態様における表面活性化装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施態様における表面活性化装置の概略構成図である。
【図３】ＳｉＯ２やＳｉの親水化処理による接合原理の説明図である。
【図４】本発明の第２実施態様における表面活性化装置の概略構成図である。
【図５】ＳｉＯ２やＳｉの窒素化合物による接合原理の説明図である。
【図６】本発明の第３実施態様における装置の概略構成図である。
【図７】第３実施態様の接合手順を示す工程図である。
【図８】本発明の第４実施態様における装置の概略構成図である。
【図９】本発明の第４実施態様による接合手順を示す工程図である。
【符号の説明】
【００６８】
２０９，２１０，３０８，５０３，７，８…ウエハー（被接合物）
３００，５５０…表面活性化装置
３０９…被接合物保持電極
３０６…対向面電極
３１６…逓倍回路（逓倍手段）
６…上部電極
９…下部電極
６ａ，９ａ…ガラス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化方法において、
プラズマ処理前半において、プラズマ処理手段の被接合物を保持する被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成し、前記接合面のプラズマ処理を行い、
プラズマ処理後半において、前記プラズマ処理手段の前記被接合物保持電極に対向配置された対向面電極に、前記所定周波数よりも高い周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴とする表面活性化方法。
【請求項２】
前記プラズマ処理手段は、前記プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記所定周波数のＮ倍（Ｎは２以上の自然数）の周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴とする請求項１記載の表面活性化方法。
【請求項３】
被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化方法において、
前記接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記接合面に窒素ラジカルを照射することを特徴とする表面活性化方法。
【請求項４】
被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化装置において、
被接合物を保持する被接合物保持電極と、該被接合物保持電極に対向配置された対向面電極と、それぞれの電極に電圧を印加してプラズマを発生させる少なくとも１つの交番電源とを有するプラズマ処理手段を備え、
前記プラズマ処理手段は、
プラズマ処理前半において、前記被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成し、前記接合面のプラズマ処理を行い、
プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記所定周波数よりも高い周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴とする表面活性化装置。
【請求項５】
前記プラズマ処理手段は、前記電源による印加電圧を前記所定周波数のＮ倍（Ｎは２以上の自然数）に逓倍する逓倍手段を備え、
前記プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記逓倍手段により逓倍した周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴とする請求項４記載の表面活性化装置。
【請求項６】
被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理するプラズマ電極を備えた表面活性化装置において、
前記プラズマ電極はガラスで被覆されていることを特徴とする表面活性化装置。
【請求項７】
プラズマ電極と、電源とを有し、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理するプラズマ処理手段を備えた表面活性化装置において、
前記プラズマ処理手段は、
前記接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記接合面に窒素ラジカルを照射することを特徴とする表面活性化装置。
【請求項１】
被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化方法において、
プラズマ処理前半において、プラズマ処理手段の被接合物を保持する被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成し、前記接合面のプラズマ処理を行い、
プラズマ処理後半において、前記プラズマ処理手段の前記被接合物保持電極に対向配置された対向面電極に、前記所定周波数よりも高い周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴とする表面活性化方法。
【請求項２】
前記プラズマ処理手段は、前記プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記所定周波数のＮ倍（Ｎは２以上の自然数）の周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴とする請求項１記載の表面活性化方法。
【請求項３】
被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化方法において、
前記接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記接合面に窒素ラジカルを照射することを特徴とする表面活性化方法。
【請求項４】
被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理する表面活性化装置において、
被接合物を保持する被接合物保持電極と、該被接合物保持電極に対向配置された対向面電極と、それぞれの電極に電圧を印加してプラズマを発生させる少なくとも１つの交番電源とを有するプラズマ処理手段を備え、
前記プラズマ処理手段は、
プラズマ処理前半において、前記被接合物保持電極に所定周波数で電圧印加してプラズマを生成し、前記接合面のプラズマ処理を行い、
プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記所定周波数よりも高い周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴とする表面活性化装置。
【請求項５】
前記プラズマ処理手段は、前記電源による印加電圧を前記所定周波数のＮ倍（Ｎは２以上の自然数）に逓倍する逓倍手段を備え、
前記プラズマ処理後半において、前記対向面電極に前記逓倍手段により逓倍した周波数で電圧印加してプラズマを生成することを特徴とする請求項４記載の表面活性化装置。
【請求項６】
被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理するプラズマ電極を備えた表面活性化装置において、
前記プラズマ電極はガラスで被覆されていることを特徴とする表面活性化装置。
【請求項７】
プラズマ電極と、電源とを有し、被接合物の接合面をプラズマで表面活性化処理するプラズマ処理手段を備えた表面活性化装置において、
前記プラズマ処理手段は、
前記接合面に酸素プラズマを照射して該接合面を親水化処理し、該親水化処理中または親水化処理後、Ｈ２ＯまたはＨ、ＯＨ基を含むガスを混入させた後、前記接合面に窒素ラジカルを照射することを特徴とする表面活性化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−３３９３６３（Ｐ２００６−３３９３６３Ａ）
【公開日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６１５６２（Ｐ２００５−１６１５６２）
【出願日】平成１７年６月１日（２００５．６．１）
【出願人】（３０４０１９３５５）ボンドテック株式会社 (36)
【出願人】（０００１９２５６７）神港精機株式会社 (54)
【公開日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月１日（２００５．６．１）
【出願人】（３０４０１９３５５）ボンドテック株式会社 (36)
【出願人】（０００１９２５６７）神港精機株式会社 (54)
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