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JP3790995B2 - 接合方法及びこの方法により作成されるデバイス並びに接合装置 - Google Patents

接合方法及びこの方法により作成されるデバイス並びに接合装置 Download PDF

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JP3790995B2
JP3790995B2 JP2005013920A JP2005013920A JP3790995B2 JP 3790995 B2 JP3790995 B2 JP 3790995B2 JP 2005013920 A JP2005013920 A JP 2005013920A JP 2005013920 A JP2005013920 A JP 2005013920A JP 3790995 B2 JP3790995 B2 JP 3790995B2
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JP
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bonded
bonding
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joined
joining
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唯知 須賀
益明 岡田
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Bondtech Inc
Original Assignee
Bondtech Inc
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Description

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。
従来、常温接合方法は、接合表面をエネルギー波により洗浄した後、特許文献１に示すように真空中での接合であったり、特許文献２に示すように不活性ガス中での接合であった。これは、接合表面が大気に触れると、酸化や有機物などの再付着により、金属同士の原子が引き合わないためである。
特許文献２の場合は、金であれば反応しないので酸化は防げるが、有機物の付着はある。そのため不活性なガス中で接合している。
また、接合面は数ｎｍオーダーまで研磨を施し面精度が出た状態で低荷重で接合している。これは数ｎｍオーダーに面精度が出ていれば真空中であれば分子間力で自然と接合が進むからである。
特許第２７９１４２９号公報 特開２００１−３５１８９２公報
しかし、従来の方法では、真空中での接合が必要であり、少なくとも大気中では再付着した膜により接合が難しかった。また、低い荷重で接触だけで接合させているため、面精度を数ｎｍオーダーまで上げる必要があり、うねったり表面精度のでていない複数回の薄膜処理や熱処理された後の半導体ウエハーやチップなどには向かない。
そこで本発明の課題は、高真空下でのエネルギー波処理及び連続した高真空化での接合を必要とせず、面精度を数ｎｍオーダーまで必要としない実用化できる固相で常温接合する接合技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明にかかる接合方法は、金属からなる接合部を有する被接合物どうしを、前記接合部をプラズマで処理した後、１０−５ Ｔｏｒｒ以上の低真空下または大気中で前記接合部どうしを衝合させて加圧することにより該接合部に再付着した有機物や酸化膜からなる付着物層を押し破って室温〜１８０℃以下の低温加熱下で固相で常温接合することを特徴とすることを特徴としている（請求項１）。また、前記接合部の硬度が２０Ｈｖ〜２００Ｈｖであればより好ましい（請求項２）。
また、本発明にかかる接合装置は、一方の被接合物を保持するヘッドと、他方の被接合物を保持するステージと、前記ヘッドまたは前記ステージの少なくとも一方を前記被接合物の接合面とほぼ垂直な方向に加圧制御が可能な上下駆動機構とを備え、金属からなる接合部を有する前記被接合物どうしを、前記接合部をプラズマで処理した後、１０−５ Ｔｏｒｒ以上の低真空下または大気中で前記接合部どうしを衝合させて加圧することにより該接合部に再付着した有機物や酸化膜からなる付着物層を押し破って室温〜１８０℃以下の低温加熱下で固相で常温接合することを特徴としている（請求項２３）。また、前記接合部の硬度が２０Ｈｖ〜２００Ｈｖである被接合物どうしを接合すのがより好ましい（請求項２４）。
本発明において、プラズマによる処理とは、プラズマで被接合物の接合界面を活性化状態にして、低温で固相で接合するための処理を示す。本処理を表面活性化処理ともいい、表面活性化による接合原理は次の考え方ができる。すなわち、被接合物が金属のような物質においては接合表面の有機物や酸化膜など付着物をエッチング除去して、活性な金属原子のダングリングボンドを接合表面に生成することで、他方の被接合物の接合表面のダングリングボンド同士で接合させる。また、金属が金であれば、接合表面に有機物や酸化膜などの再付着もしにくく、真空雰囲気でなくとも数時間以内であれば接合が可能となる。
また、本発明において常温接合とは、室温〜１８０℃以下の低温加熱下、好ましくは室温で接合する方法を示す。従来の低温接合は鉛錫ハンダが１８３℃であるのでそれ以下の温度で接合できることは有効である。また、１５０℃以下、１００℃以下での接合が好ましく、室温であればさらに良い。
特許文献１に示すように１０−５ Ｔｏｒｒ以下である高真空中でエネルギー波により表面活性化処理することにより被接合物の接合表面（接合部）の酸化膜や有機物のような付着物が除去され、高真空中であれば、そのまま接触させれば接合できる。しかし、洗浄後、１０−５ Ｔｏｒｒ以上である低真空下や大気中で被接合物どうしを接合する場合には、接合表面に付着物層が形成されるので、接触させても、そのままでは接合されない。しかし、表面活性化処理後すぐには付着物層は再付着しても薄いので、該付着物層を押し破って接合すれば、接合界面は広がり、接合表面に新生面が現れ、被接合物どうしが接合される。付着物層を押し破って易くするためには、被接合物が有する接合部の接合金属の硬度が低くなければならない。本発明者らによる種々の実験の結果、接合部の硬度がビッカース硬度で２００Ｈｖ以下、好ましくは２０Ｈｖ〜２００Ｈｖであることが、常温接合に特に有効であることを見出した（図１参照）。
図１は接合部の硬度による接合強度比較実験の結果を示す。実験条件としては、プラズマとしてＡｒプラズマを使用して、１００Ｗの強度のもと３０秒間照射することによって表面活性化処理を行った。表面活性化処理後、Ａｒ雰囲気のまま被接合物を加圧接合した。結果として、接合部の硬度が３００ＨｖからなるＮｉメッキや６００Ｈｖのクロムメッキは接合不良であったが、接合部として、ビッカース硬度が２００Ｈｖ以下の金属である銅、金、Ａｌを採用した場合では良好な接合強度が得られた。さらに領域を限定するならば、図１においてカーブをつないだビッカース硬度が２０Ｈｖ〜２００Ｈｖの範囲が良好な接合領域であると考えられる。なお、最大強度の８０％に相当する３０ｇ／ｂｕｍｐ以上の強度で接合された場合、接合良好な領域とし、１５g／ｂｕｍｐ以下の強度で接合された場合、接合不良と判断した。また、ウエハーなど面接合する場合には引っ張り強度で示し、２０ＭＰａ以上の強度ならば良好、１０ＭＰａ以下の強度ならば不良と判断する場合もある。
また、プラズマ処理後、ただちに接合すれば大気中であっても金と銅は接合可能で
あった。特に金においては大気暴露１時間経過後もＡｒ雰囲気での接合強度と同等レベルが得られた。また、被接合物どうしを接合させる際、加圧手段によって該被接合物へ１５０Ｍｐａ以上の圧力を与えることによって、より強固に被接合物どうしを接合させることができることを見出した。この際、接合部を構成する金属が、金や銅、Ａｌである場合、特に有効に接合することができた。
また、接合させる被接合物どうしが異種材料構成されている場合、このような異種材料を溶融させて拡散させることにより接合させると、脆くなったり材料的に弱くなるため、本発明を適用することによって、固相の状態で接合できるため特に有効である。また、被接合物を溶融させると、溶融した金属が均等に広がらないため、固化するときに多い方に引っ張られ位置ズレが発生するという問題があった。そのため、固相で接合できることは有効である。
なお、プラズマによる被接合物の表面活性化を行う処理と、被接合物どうしを接合する処理とを、それぞれ個別の装置で行っても、両処理を実行する機能が組み込まれた一体の装置で行っても構わない。
また、前記プラズマを発生させるエネルギー波照射手段を備える構成としても構わない（請求項２５）。この場合、請求項２３記載の発明におけるプラズマは、装置外部に設けられた手段を利用することも想定しているが、本請求項２５のような構成とすれば、プラズマによる被接合物の表面活性化処理から被接合物どうしの接合処理までを一括して実行することが可能となる。その結果、例えば、表面活性化処理と接合処理とを１つのチャンバー内で実行する事が可能となり、装置の省スペース化を図ることができる。
また、被接合物の表面活性化処理から、該被接合物どうしを接合する処理までの間を大気に暴露せず実行する接合方法及び接合装置でもよい。このような構成とすれば、接合する被接合物を大気に暴露することなく、該被接合物の表面活性化処理から接合処理までを実行するので、被接合物の表面活性化後に、該被接合物に浮遊物等が再付着することを防ぐことができるため、好適である。
また、被接合物の表面活性化処理から接合処理までを、一環した処理として実行する接合装置でもよい。被接合物の表面活性化処理から接合処理までを、一環した処理として行うことにより、浮遊物等の再付着をより防ぐことができる。また、被接合物の表面活性化処理と接合処理とを同一チャンバー内で行えば、浮遊物等の再付着はさらに防げると同時に接合装置のコンパクト化、コストダウン化も達成できる。
また、前記接合部を金で構成しても構わない（請求項３、２６）。このような構成とすれば、特に金においては、硬度も低く、かつ、大気中でも酸化しないので付着物も少なく有効な金属である。後述するように大気暴露しても数時間以内であれば接合することが可能である。
また、全被接合物の前記接合部は、硬度が２００Ｈｖ以下である母材の表面に金膜を形成して構成され、該被接合物どうしを接合した後、前記金膜を前記母材に拡散させる構成としても構わない（請求項４、２７）。このように、接合表面（接合部の表面）が金でさえあれば、接合に関しては、プラズマによる処理の後、有機物等が再付着しづらく大気中での接合も可能であるので有効である。被接合物どうしの接合後、金膜を母材中に拡散させてしまえば、接合後は母材同士で接合されるため、強度も強く、均一な材料で構成できる。拡散する方法としては常温でも時間をかければ拡散させることができる。また、低温でも熱を加えればより早く拡散させることができる。なお、拡散とは、分子や原子からなる粒子が移動して、広がるさまを示し、接合界面において対向材料中や母材中へ粒子が拡散していくさまを示す。
また、少なくとも一方の前記被接合物の接合部を構成する金または金膜を、アニーリングにより硬度１００Ｈｖ以下とする接合方法および接合装置でも構わない。上記のように、接合部をつぶして倣わせるためには接合部硬度を落として柔らかくしておくことが好ましい。そのため通常１２０Ｈｖ以上ある金メッキの硬度をアニーリングにより１００Ｈｖ以下とすることが好ましい。また、６０Ｈｖ以下とした方がより好ましい。
また、前記被接合物は、前記接合部が、前記母材が銅で、該母材の表面に金膜を形成して構成された複数の金属バンプからなる半導体またはＭＥＭＳデバイスであり、該被接合物どうしを接合した後、前記金膜を前記母材に拡散させる構成としても構わない（請求項５、２８）。半導体やＭＥＭＳデバイスにおける電気的機能デバイスにおいては電流容量から従来のＡｌ電極から銅電極への切り替えが要望されている。しかし、銅バンプでは接合温度が高く実用上難しい。そのため、銅で構成される母材の表面を金膜で被うことで、接合を低温化することができ、さらに、ガス中や大気中など真空でない雰囲気も選択できるので有効である。その後、金を母材中に拡散してやれば銅同士での接合となり、目的を達せられる。
また、前記プラズマは減圧プラズマである構成としてもよい（請求項６、２９）。表面活性化処理がイオンビームや原子ビームによるものであるとすると、１０−８ Ｔｏｒｒ程度の高真空雰囲気が要求され設備に負担がかかる。プラズマを使用することで真空度は１０−２ Ｔｏｒｒ程度で可能となるので簡易な設備でプラズマ処理が可能となる。その結果、装置のコンパクト化、コストダウン化につながる。また、プラズマを発生させる反応ガスにＡｒを使用すれば不活性で、かつ、エッチング能力も高いのでより好ましい。また、被接合物の洗浄（プラズマ処理）後または洗浄中に、反応ガスやエッチング物を取り除くために１０−３ Ｔｏｒｒ以下に減圧することが好ましい。被接合物の接合表面（接合部）に打ち込まれたＡｒなど反応ガスを取り除くために１００〜１８０℃程度の加熱を併用することもできる。
また、少なくとも一方の前記被接合物が半導体であり、交番電源により生じた＋−方向が切り替わる電界によって生成した前記減圧プラズマによって、各前記被接合物の前記接合部をプラズマ洗浄した後、前記被接合物どうしを固相で常温接合する接合方法であってもよい（請求項７）。
また、少なくとも一方の前記被接合物が半導体であり、交番電源により生じた＋−方向が切り替わる電界によって生成した前記減圧プラズマによって、各前記被接合物の前記接合部をプラズマ洗浄した後、前記被接合物どうしを固相で常温接合する接合装置であっても構わない（請求項３０）。
少なくとも一方の被接合物が半導体である場合などでは、＋イオンや−電子が半導体の回路面に衝突すると、回路、特にゲート酸化膜などにチャージアップダメージを与えることがある。これを回避するために＋イオンと−電子を交互に衝突させることにより電荷がチャージする前に中和させてしまうことができる。そうすることによりチャージアップダメージを回避することが可能となる。プラズマにて接合表面の付着物がエッチング除去され表面活性化されれば、金属やＳｉ、酸化物は低温下で固相で接合することができる。
また、前記交番電源が１：５より均等に切り替わる接合方法および接合装置であっても構わない。交互に切り替わる比率としては１：５より均等であればチャージアップダメージを軽減できる。また、１：２より均等であればより好ましい。
また、前記交番電源においてＶｄｃが−値であり、＋領域が２０％〜４０％である接合方法及び接合装置からなる。また、Ａｒや酸素プラズマなどは＋イオンとなるため、加速して洗浄面に衝突させエッチングするためには、被接合物を保持する電極は−電界である必要がある。そのため、Ｖｄｃ値は−であることが好ましい。ここで、Ｖｐｐとは、電圧の交流波形におけるピークトウピークを示し、Ｖｄｃとは、Ｖｐｐの中心となる電圧値の０Ｖからのオフセット値であるバイアス電圧を示す。
また、前記交番電源は、バイアス電圧Ｖｄｃ値を調整可能なＲＦプラズマ発生電源である構成としてもよい（請求項８、３１）。交番電源の＋−を均等にしすぎると＋イオンが衝突する機会が減るため洗浄能力（表面活性化能力）が減少する。また、−電子によるチャージアップダメージが発生する。そのため、アプリケーション毎に最適なＶｄｃ値を調整できるようにすることにより、チャージアップダメージを起こさず最適な洗浄能力を発揮することができて好ましい。
また、交番電源として、図２６に示すような交流からなるＲＦプラズマ発生電源を使用することで交互に電界を＋−切り替えることが容易にできる。また、前記Ｖｄｃ値の調整で容易に＋と−の割合を調整可能である。
また、前記交番電源は、パルス幅を調整可能なパルス波発生電源である構成としてもよい（請求項９、３２）。交番電源としては、図２７に示すようなパルス波発生電源を用いることができる。パルス波であれば急峻な立ち上がりと立ち下げが可能であり、洗浄能力もアップする。
また、Ｖｄｃ値の調整だけでなく、図２８に示すようにパルス幅や間隔を調整することで＋−の割合や衝突時間を管理できるので交流であるＲＦよりより細かく設定が可能となり、最適な値を探し出しやすい。
また、前記プラズマ洗浄中または洗浄前または洗浄後に真空度を１０−３ Ｔｏｒｒ以下にすることが好ましい。不純物を取り除くために１０−３ Ｔｏｒｒ以下に減圧してから洗浄することが好ましい。また、洗浄後または洗浄中にプラズマの反応ガスやエッチング物を取り除くために１０−３ Ｔｏｒｒ以下に減圧することが好ましい。また、接合表面に打ち込まれたＡｒなど反応ガスを取り除くには１００〜１８０℃程度の加熱を併用することもできる。また、前記洗浄時に、被接合物の一方の側方から反応ガスを供給し他方の側方側から反応ガスを吸引してもよい。このような構成とすれば、被接合面を反応ガスを一方向へ流すことができるため、プラズマ洗浄時に飛散した付着物を効率良く除去でき、除去物の被接合物への再付着を減少させることができるので効果的である。
また、本発明におけるヘッドおよびステージは、それぞれ被接合物保持手段を備えており、片当たり無く均一に接合するためには、少なくとも一方の被接合物保持手段の表面に弾性材を配し、被接合物の接合時に弾性材を介して両被接合物を加圧することが好ましい。本発明における接合方法では、ハンダのように溶融させて接合するのでは無く、固相で金属接合するため、被接合物間の平行度や平面度がでていないと、接触したところしか接合できない。そのため、少なくとも一方の被接合物保持手段の表面に弾性材を配し、接合時に弾性材を介して両被接合物を加圧することで、被接合物どうしの平行度をならわせ、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。また、被接合物を接触させた後、弾性材を被接合物と被接合物保持手段との間に挿入しても良い。
また、少なくとも一方の被接合物保持手段が球面軸受けで保持され、被接合物の接合時または接合前に被接合物どうし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好ましい。ステージ及び／又はヘッドに被接合物保持手段が球面軸受けで保持され、被接合物の接合時または接合前に被接合物どうし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とすることで、被接合物どうしの平行度をならわせて接合することができる（図２９参照）。球面軸受けはロック／フリーを選択するロック機構を持っており、通常はロックさせた状態で、ならわせる時だけフリーとすることができる構成としてもよい。また、一旦、平行度をならわせた後、球面軸受けをロックし、その状態を保持してからプラズマ処理して被接合物どうしアライメント後、接合することもでき、平行度があった状態でアライメントするため、被接合物の接合時に位置ずれ無く接合できるので好ましい。
また、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及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易くなる。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る。また、１μｍ以下であればより好ましい。また、超音波を印加することで接合荷重は半分以下の１５０ＭＰａ以下に下げられる。金の金属突起を接合する場合、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ことになる。このバンプが半導体回路面上にある場合は、一般的に２００ＭＰａ以上では回路によってはダメージを与えてしまう。実験条件としては、半導体チップに金属突起となる５０μｍ角で高さ２０μｍ、バンプの高さばらつきが１μｍの金バンプを使用した半導体チップを金薄膜基板上へ超音波接合した場合と常温接合した場合、常温接合の場合は、８０ｇ/ｂｕｍｐで始めて接合可能となったが、超音波を印加した場合においては４０ｇ/ｂｕｍｐ以上の荷重で接合が可能であった。よってバンプつぶれ代として１μｍ以上のバンプを押しつぶすことが必要であることが分かる。２０μｍ高さのバンプを金メッキで作る場合において、高さばらつきを１μｍに抑えるのが限界であるため、この程度のバンプを押しつぶすことが必要である。
また、前記減圧下での洗浄と大気中での接合間において、少なくとも一方の被接合物を洗浄チャンバーに搬入し、洗浄後の被接合物を接合部へ搬出する搬送手段でつなぎ、接合中に後続の被接合物を洗浄する接合方法及び接合装置であってもよい。接合表面が金または銅からなる被接合物を個別に事前に真空チャンバー内でプラズマ処理することにより表面活性化し、大気中に取り出して固相で金属接合することができる。洗浄後の被接合物を接合部へ搬出する搬送手段でつなぎ、接合中に後続の被接合物を洗浄することにより、洗浄時間を並列処理できるのでタクトアップすることが可能となる。また、１つずつではバランスしない場合はトレイなどに複数個入れた状態で一括洗浄すれば良い。また、連続したリール上の被接合物であれば、チャンバー扉にパッキンを介して挟み込んでプラズマ処理すれば良い。
また、少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部の表面粗さＲｙが１２０ｎｍ〜２μｍである構成としても構わない（請求項１０）。また、少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部の表面粗さＲｙが１２０ｎｍ〜２μｍである前記被接合物どうしを接合する構成としても構わない（請求項３３）。ここで、表面粗さとは、うねりを除いた一定面積内での微小な凹凸を示す。例えば１０μｍ２中での微小凹凸の最大値と最小値で示す。特許文献１に示すように、被接合物を真空中でエネルギー波により洗浄することにより接合表面の酸化膜や有機物のような付着物が除去され、真空中であれば、そのまま接触させれば接合できる。しかし、洗浄後、大気中や浮遊物も多い低真空下で接合する場合には、接合表面に付着物層が形成されるので、接触させても、そのままでは接合されない。しかし、洗浄後すぐには付着物層も薄いので次の方法で接合させることができる。それは、図２（ａ）に示すように、接合表面に微小な凹凸をつくることにより、加圧により凸部が押しつぶされて広がり、新生面が現れて接合されるからである（図２（ｂ）参照）。また、ミクロに考察すると、図３（ａ），（ｂ）に示すように並んだ結晶方位が凸部がつぶされることにより、結晶方位が回転し、新生面が現れることになる。この微小な凹凸となる表面粗さは、図４に示すように１２０ｎｍ以上となるところで十分な接合強度が得られるようになる。この測定方法は被接合物に複数のバンプとなる金属突起を設け、接合後シェア強度を測定し、１バンプあたりのシェア強度で示す。本バンプは金メッキからなる４０μｍ角で高さが１５μｍのものを使用した。十分なシェア強度としては、最大強度の８０％以上となる３０ｇ／ｂｕｍｐを目安とした。
また、少なくとも一方の接合面の表面粗さＲｙを１２０ｎｍ以上、２μｍ以下とした接合方法および接合装置とするのが好ましい。被接合物の接合表面（接合部）の凹凸が大きくなりすぎると押しつぶし量は最大でも数μｍ程度であるので接触面積が小さくなるため接合強度は落ちてしまう。図４に示すように２μｍ以上になると十分な接合強度が得られなく、１２０ｎｍ以上、２μｍ以下であることが好ましいことがわかる。
また、被接合物の接合面が複数の金属突起であり、先端を凸状にした接合方法および接合装置としても構わない。面同士の接合においては、前述のようにミクロの凹凸が有効となるように、各接合部を各々凸状にして、複数用いても接合面積は面接合より落ちるが、同様な効果が得られる。
また、被接合物を表面活性化処理する際のプラズマとして、反応ガスをＡｒガスとしたＡｒプラズマを使用して、該Ａｒプラズマにより被接合物の接合面をエッチングすることにより、該接合面を粗す接合方法および接合装置としても構わない。Ａｒプラズマを使用して被接合物を洗浄する時に、洗浄時間を長めに設定すると、例えば通常３０秒のところを３分行うことにより、接合面が粗される。丁度その粗さを１２０ｎｍ以上とすることができ、効果的である。
また、一方の前記被接合物を保持するヘッドと、他方の前記被接合物を保持するステージと、前記ヘッドまたは前記ステージの少なくとも一方を前記被接合物の接合面とほぼ垂直な方向に位置制御し、かつ、加圧制御が可能な上下駆動機構とを設け、少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部の表面粗さＲｙが１２０ｎｍ〜２μｍである前記被接合物どうしを接合する際、該接合時に、前記上下駆動機構を駆動して、前記被接合物どうしを加圧した後、前記上下駆動機構を停止させて、一定時間、前記ヘッドの前記ステージからの高さを一定に保つ接合方法としてもよい（請求項１１）。
また、前記上下駆動手段は、前記ヘッドまたは前記ステージの少なくとも一方を前記被接合物の接合面とほぼ垂直な方向に位置制御可能に構成されており、前記被接合物どうしを接合する際、該接合時に、前記上下駆動機構を駆動して、前記被接合物どうしを加圧した後、前記上下駆動機構を停止させて、一定時間、前記ヘッドの前記ステージからの高さを一定に保つ接合装置であってもよい（請求項３４）。
ここで、ステージからのヘッドの高さとは、ヘッドに保持された被接合物を、対向するステージに保持された被接合物に押し付け接合部をミクロに押しつぶす過程において、被接合物間の距離を表す。ステージからのヘッドの高さを一定に保つということは、被接合物間の距離を一定に保つことを示す。被接合物どうしを接合する際、瞬間的に加圧した状態では接合面の凹凸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がある。また、弾性変形は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になる。これを防止する方法として、一定時間ヘッドの高さを一定にすることにより接合界面ではミクロには、荷重に耐え切れなくなり結晶方位の回転が行われたり、粒子の移動が起き、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。圧力制御しているとどんどん高さは低くなって常に弾性変形しているため、結晶方位がずれない。しかし、一定高さで停止していると、弾性変形から結晶方位がずれ始め時間とともに順次結晶方位の崩壊が始まる。それにより新生面が現れ接合に寄与する。
また、上下駆動機構の先端に位置するヘッド部にヘッド高さ検出手段を備え、停止時の高さをコントロールする接合装置としてもよい。ヘッド高さ検出手段を備え、サブミクロンオーダーでヘッド高さを一定に保つ構成としても構わない。ミクロに接合界面を考えると弾性変形した接合界面は結晶方位の回転や粒子の移動により弾性変形が解除される。Ｚ昇降機構（上下駆動機構）のボルトナット機構部のボールなどに弾性変形箇所があれば駆動モータが停止していてもさらに押し込むことにより、また弾性変形モードへと入ってしまう。これを解決するには、ヘッド部に高さ検出手段を設け、サブミクロン台で高さを一定にコントロールすることである。そうすることにより弾性変形は徐々に解消され、接合強度のアップへと向かう。図５にヘッド停止後の接合強度のアップ度を示す。
なお、加圧制御と位置制御が可能なヘッド構造としては、圧力検出手段を直列配置したボールネジとサーボモータで構成することができる。また、シリンダに位置検出手段を配置してサーボ弁により加圧制御と位置制御を可能とすることもできる。なお、加圧制御および位置制御が可能であれば、上記した構成に限らず、加圧手段と位置制御手段として、いかなる方法を用いても構わない。
また、前記停止時間を１秒以上とする接合方法及び接合装置としてもよい。この停止時間は図５に示すように材料や接合状態により１秒以上から効果があり、２分以上では変化が無かった。
また、加熱手段を備え、上記停止時に１８０℃以下で加熱する接合方法及び接合装置としてもよい。上記停止中に熱を加えると、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、接合強度がアップする。図６にヘッド停止時の加熱温度と接合強度を示す。加熱温度としては１８０℃以下の低温加熱で十分であった。
また、少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部をレベリングした後、各前記被接合物の前記接合部を前記プラズマで処理した後、固相で常温接合する接合方法であってもよい（請求項１２）。
また、少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部をレベリングした後、各前記被接合物の前記接合部を前記プラズマで処理した後、固相で常温接合する接合装置であってもよい（請求項３５）。
このような構成とすれば、図７に示すように、大気中であってもドライ洗浄（プラズマ処理）後、放置しなければ加圧することにより固相で常温接合することができる。これは接合表面に薄く付着層ができるが、該付着層の厚さは加圧により押し破られる程度であるからと考えられる。また、常温であるが故に、バンプを押しつぶして接触させるには加熱時の約倍の荷重が必要であった。しかし、レベリングしたバンプの場合は、しない場合に３００ＭＰａの加圧が必要であったのに対し、１５０ＭＰａの加圧力で十分な接合強度を得ることができている。被接合物どうしを確実に接触させるために、該被接合物の接合表面の粗さ等を押しつぶす必要があり、これはバンプの高さばらつきや表面粗さの大きさに応じた加圧力が必要となるからである。通常のバンプでは高さばらつき２μｍあった。しかし、レベリングした後では高さばらつきは１２０ｎｍ以下となっていた。そのため接合荷重は低減できたと考えられる。ここで、レベリングとは、図８に示すバンプ表面の表面粗さや図９に示す各バンプ間の高さばらつきを図１０に示すように平面度の出た基準台などの平滑化手段にバンプを押しつけることで高さや表面粗さを均一に修正することを示す。レベリング後、図１１に示すように被接合物同士を接合する。この例では、バンプが施されたチップとパッドを持った基板からなるが、その他の接合物であっても良い。
また、前記レベリングを対向する前記被接合物により、該被接合物どうしを接合する前に行う構成としてもよい（請求項１３）。また、前記レベリングを、前記ヘッドおよび前記ステージにそれぞれ対向保持された前記被接合物どうしを衝合させることにより行った後、各前記被接合物の前記接合部を前記プラズマで処理した後、固相で常温接合する構成としてもよい（請求項３６）。このような構成とすれば、対向する被接合物を利用してレベリングを行うため、その被接合物の表面凹凸の特徴にあわせてレベリングすることができる。そのため、面の出ていない被接合物に対しても接合荷重を低下することができる。例えば配線層が積み重ねられたビルドアップ基板であれば、下部の配線パターンにより上部の電極パッド高さが位置により微妙に差が生じる。
また、両被接合物が金属バンプ（接合部）を有し、レベリングを施した金属バンプどうし同士で接合する接合方法及び接合装置としてもよい。両被接合物がレベリングを施したものどうしであればさらに接合面が、凹凸なく合うので接合荷重をより低減でき、好ましい。図７と同様に測定すると１００ＭＰａ以下の接合荷重に低下できた。
また、減圧下のチャンバー内で、接合させる前記被接合物の接合面どうしが対向配置されていない状態において、前記接合部を前記プラズマで処理した後、少なくとも一方の前記被接合物を移動させて、前記接合面どうしが対向配置された状態にした後、さらに、少なくとも一方の前記被接合物を前記接合面にほぼ垂直な方向へ移動させて、前記接合部どうしを衝合させることにより、前記被接合物どうしを固相で接合する接合方法であってもよい（請求項１４）。
また、真空チャンバー内に、前記ヘッドと、前記ステージと、前記上下駆動機構と、前記ステージまたは前記ヘッドの少なくとも一方を側方へ移動させる移動手段とを備え、前記エネルギー波照射手段は、各前記被接合物に対して個別に前記プラズマによる処理を行うことが可能に構成されており、減圧下の前記真空チャンバー内で、前記移動手段によって、接合させる前記被接合物の接合面どうしが対向配置されていない状態にして、前記接合部を前記プラズマで処理した後、少なくとも一方の前記被接合物を移動させて、前記接合面どうしが対向配置された状態にした後、さらに、前記上下駆動機構によって、少なくとも一方の前記被接合物を前記接合面にほぼ垂直な方向へ移動させて、前記接合部どうしを衝合させることにより、前記被接合物どうしを固相で接合する接合装置であってもよい（請求項３７）。
従来、両被接合物を対向配置した状態でプラズマ処理すると一方のエッチングされた付着物が他方へ再付着してしまうという問題があった。そこで本発明では、前記被接合物の接合面どうしが対向配置されていない状態において、接合部をプラズマ処理し、その後対向位置まで移動させ接合させれば上記した再付着を防ぐことが可能となる。ステージを待機位置へスライドさせた状態でプラズマ洗浄（処理）することによりエッチングされた付着物は対向面へ飛散し、他方へ再付着することは無い。
また、前記プラズマ洗浄（処理）時に真空度を１０−３ Ｔｏｒｒ以下とする接合方法及び接合装置としてもよい。真空度を１０−３ Ｔｏｒｒ以下とすることで飛散物がイオンに衝突して方向が変わり再付着する確率も減少するので好ましい。
また、前記接合位置へスライド後の被接合物間のすきまが２０ｍｍ以内である接合方法及び接合装置としてもよい。従来、プラズマを発生させるためには上下の被接合物間は少なくとも３０ｍｍ程度離す必要があることから、ヘッドを下降させる時にＺ軸（上下駆動機構）の傾きやガタからせっかくアライメントしても位置ずれを起こしてしまうという問題があった。しかし、ステージを待機位置へスライドさせた状態でヘッド側、ステージ側各々にプラズマを発生させれば、Ｚ軸の移動距離は最小限に押さえることができるので、被接合物間の距離を従来の３０ｍｍ以下である２０ｍｍ以下に設定可能である。また、５μｍ以下にも設定可能でありより好ましい。数μｍ以内に押さえればＺ軸の傾きによる誤差は無視でき、Ｚ移動による水平方向の誤差も移動量に比例して最小限に押さえられる。
また、スライドさせてプラズマ発生できるので、被接合物の対向面にスパッタさせる金属を配置し、その金属をプラズマ電極とすることにより、金属が被接合物表面にスパッタされ、薄膜形成がなされる。両被接合物表面に金属膜がスパッタされれば、その金属同士で接合させることができる。その結果、従来の表面活性化では接合が難しかったＡｌやセラミック、酸化物なども適用でき、接合できるようになる。また、上記したスパッタ前に被接合物側をプラズマ電極として、被接合物の接合表面を事前にエッチングして洗浄しておけばより接合し易くなる。また、スライド後、被接合物どうしを対向配置させた状態で一方の金属表面を持つ被接合物を電極側として対向する他方の被接合物に対してスパッタすることもできる。特に一方が接合し易い金や銅からなる金属で他方が接合しにくい材料であるときに適する。
また、前記接合部を前記プラズマによって処理する際、少なくとも一方の前記被接合物の接合面の対向する位置に金属電極を配置して、スパッタすることにより該被接合物の前記接合面に前記金属電極を構成する金属からなる金属膜を形成し、前記被接合物どうしを固相で接合する構成としてもよい（請求項１５、３８）。
Ｎｉなど硬い金属や酸化物、Ｓｉまたはセラミックからなる他方の被接合物の接合表面に金属膜を形成し、同金属同士で固相で金属接合する接合方法及び接合装置としてもよい。被接合物の接合面と対向する位置へスパッタさせる金属を配置し、プラズマを該金属に照射し、金属が被接合物表面にスパッタされ、薄膜形成がなされる。両被接合物表面に金属膜がスパッタされれば、その金属同士で固相で金属接合させることができる。従来表面活性化では接合が難しかったＮｉなど硬い金属やセラミック、酸化物、Ｓｉなどにも適用でき、接合できるようになる。また、プラズマが減圧プラズマであれば、プラズマ電極をその金属にすることにより、スパッタできる。また、スパッタ前に被接合物側をプラズマ電極とすることで被接合物の接合表面を事前にエッチングして洗浄（プラズマ処理）しておけばより接合し易くなる。また、対向配置させた状態で一方の金属表面を持つ被接合物を電極側として対向する他方の被接合物に対してスパッタすることもできる。特に一方が接合し易い金や銅からなる金属で他方が接合しにくい材料である時に適する。
プラズマによる表面活性化時に、一方の被接合物の金または銅からなる表面金属をスパッタすることにより他方の接合表面に金または銅からなる金属膜を形成し、大気中で、固相で常温接合する接合方法および接合装置としてもよい。スパッタ金属を金または銅とすることで大気中で固相で常温接合することができる。
また、前記接合部を輪郭状に形成し、該接合部を前記プラズマによって表面活性化した後、前記被接合物どうしを固相で常温接合することにより、前記被接合物の接合面間に前記接合部によって前記輪郭状に囲まれた空間を形成し、該空間を所定の雰囲気に封止する構成としてもよい。このような構成とすれば、接合部を金属にすることにより、プラズマによるエッチング（表面活性化処理）により常温〜１８０℃以内の低温で固相で被接合物どうしを接合することができる。従来の低温で金属接合できる方法であるハンダと比べてもハンダの融点である１８３℃以下、さらに、１５０℃以下でも接合が可能である。また、被接合物を雰囲気を真空中や封入ガス中で接合することができる。そのことにより１つの装置で１工程で接合、真空引き、ガス置換、封止工程が可能となる。また、プラズマによるエッチングにより表面（接合部）を活性化し、原子間力で接合するため、常温ででも接合が可能である。１５０℃程度の加熱併用した方が接合強度は上がるが、常温でも従来の加熱拡散接合よりも接合強度は高く十分である。なお、プラズマによる被接合物の表面活性化を行う処理と、被接合物どうしを接合する処理とを、それぞれ個別の装置で行っても構わない。
また、本発明は被接合物の表面活性化処理から接合までの間を大気に暴露せず行う接合方法及び接合装置でもよい。このような構成とすれば、大気に暴露せず表面活性化から接合まで行うため、表面活性化後に被接合物に浮遊物が再付着することを防ぐことができ、好適である。
また、本発明は、表面活性化から接合までを一環して行う接合装置でもよい。被接合物の表面活性化から接合までを一環して行うことにより、浮遊物の再付着をより防ぐことができる。また、表面活性化と接合とを同一チャンバー内で行えば、浮遊物の再付着はさらに防げると同時にコンパクト化、コストダウン化も達成できる。
また、接合部が金である構成とすれば、接合部が腐食したり、ガスの発生もしないので、雰囲気を封止する封止材としては好適である。また、融点が非常に高いため、低温で固相で接合した後の高温での信頼性も高く好適である。このように、金であれば表面活性化後、一定時間内であれば大気中や封入ガス中で接合できる。また、本発明において、金は接合表面だけでもよい。高さをかせぐ部分は、接合部の母材として柔らかい材料を選択することもできる。
また、前記接合部は金、あるいは硬度が２００Ｈｖ以下である母材の表面に金膜を形成して構成されており、少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部を構成する前記金あるいは前記金膜は、１μｍ以上の厚さの金メッキである構成としてもよい。また、前記接合部は金、あるいは硬度が２００Ｈｖ以下である母材の表面に金膜を形成して構成されており、少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部を構成する前記金あるいは前記金膜は、１μｍ以上の厚さの金メッキである被接合物どうしを接合する構成としてもよい。このような構成とすれば、被接合物の接合面（接合部）のうねりや表面粗さを吸収する方法として少なくとも一方の接合面がある高さを持ってつぶれることにより隙間を埋めて倣わせることができる。そのため、一方の金を１μｍ以上にメッキすることが有効である。
また、真空中で接合することにより前記空間を真空雰囲気で封止する構成としてもよい。このような構成とすれば、被接合物の接合方法が低真空中でのプラズマによる接合部のエッチング（表面活性化処理）であるため、容易に空間を低真空雰囲気で封止することができ、好適である。また、表面活性化と接合が同一チャンバーであれば、表面活性化の低真空雰囲気でそのまま接合すればよいので好適である。
また、前記接合部の前記表面活性化後、減圧チャンバー内を真空状態から封入ガスに置換し、該封入ガス中で前記被接合物を接合することにより、前記空間を前記封入ガス雰囲気で封止する構成としてもよい。
また、接合部を金とすることにより真空中や不活性なガス中でなくとも腐食されないし、一定時間異物付着も抑えられるため、真空中でなくとも接合に影響はでない。そのため、不活性なもの以外のガスでも本発明を適用できて好適である。
なお、前記封入ガスがＡｒ、窒素である接合方法および接合装置であってもよい。封入ガスがＡｒや窒素であれば、デバイスにも腐食などの影響を与えないので適する。また、封入ガスがＡｒであれば接合のために使った反応雰囲気をそのまま使えて好適である。
プラズマによる表面活性化処理は、被接合物表面に存在する付着物はウェット洗浄後においても大気に暴露すると数秒で１ｎｍ以上付着することから少なくとも１ｎｍ以上エッチングすることが有効である。
また、本発明は、少なくとも一方の被接合物の接合部を構成する金をアニーリングにより硬度１００Ｈｖ以下とする接合方法及び接合装置でも良い。
上記ように、接合部をつぶして倣わせるためには該接合部の硬度を落として柔らかくしておくことが好ましい。そのため通常１２０Ｈｖ以上ある金の硬度をアニーリングにより１００Ｈｖ以下とすることが好ましい。また、６０Ｈｖ以下とするのがより好ましい。
また、被接合物がウエハーであれば一度に複数個のデバイスを一括して接合でき好適である。接合後にダイシングし個片化すればよい。
また、本発明は、被接合物が表面弾性波デバイス、ＲＦデバイスなどからなるデバイスからなる接合方法及び接合装置であっても良い。半導体デバイス、表面弾性波デバイス、ＲＦデバイスなどからなる半導体デバイスや、メカニカルな可動部分を持ったようなＭＥＭＳデバイスなどは、特に封止を要求されるものであり、また、これらは熱に弱く、また、異種材料の組み合わせで作られるので熱膨張によりひずみが生じたりして、高温での接合に耐えられないという課題があるため本方式に好適である。また、２００℃以内で樹脂からのガスや湿気を嫌うこれらデバイスとしては従来接合する方法が無かった。また、これらデバイスは表面が振動したり、ＭＥＭＳにおいてはメカニカルに動くアクチュエータを持つので樹脂による接着はできず直接接合することが要求されるので好適である。形態としては半導体の製造工程であるウエハー上でハンドリングして張り合わせることが一番有効であるが、ダイシング後のチップ状態でも適する。
また、大気中で前記被接合物どうしの接合を行う構成としてもよい（請求項１６、３９）。このような構成とすれば、大気中であっても表面活性化処理後すぐには付着物層も薄いので、押しつぶして接合すれば、接合部の接合界面は広がり、新生面が現れ接合される。時間的には表面活性化処理後、特に接合部が金であれば、酸化や有機物等が再付着しにくいので、１時間以内であれば接合は容易である。
実験結果より、接合部のプラズマ処理後の経過時間やガスの種類、水分の含み具合（湿度）により、必要な加熱温度は左右される。大気暴露後１時間以内に実装（接合）すれば１００℃以内の加熱でも接合が可能であった。また、本接合方法においては固相ではあるが、接合面は金属分子同士が直接結合されているので、接合後に高温、例えば３５０℃に加熱されたとしても、金属分子が拡散されるのみで接合強度が落ちたり、抵抗値が増大したりすることは無く、高温でも信頼性が高い。
また、前記被接合物の一方が、前記接合部を電極として電気的に機能するデバイスであって、前記接合部の表面が金または銅からなり、接合する前記被接合物の前記接合部を前記プラズマにより洗浄した後、該接合部にガスにより付着層を形成し、大気中で金属電極からなる前記接合部どうしを接触させ、前記デバイスを電気的に機能させた状態で最適位置に調整した後、固相で常温接合する接合方法であってもよい（請求項１７）。
また、前記被接合物の一方が、前記接合部を電極として電気的に機能するデバイスであって、前記機能デバイスを保持する前記ヘッドと、他方の前記被接合物を保持する前記ステージと、前記ヘッドまたは前記ステージの少なくとも一方を上下動する前記上下駆動機構と、前記機能デバイスを電気的に機能させるプローブと、前記機能デバイスの機能を認識する認識手段と、前記機能デバイスと前記被接合物の相対的な位置を補正するアライメントテーブルとを備え、前記接合部の表面が金または銅からなり、接合する前記被接合物の前記接合部を前記プラズマにより洗浄した後、該接合部にガスにより付着層を形成し、大気中で金属電極からなる前記接合部どうしを接触させ、前記デバイスを電気的に機能させた状態で最適位置に調整した後、固相で常温接合する接合装置であってもよい（請求項４０）。
効率良く、かつ、高精度に機能デバイスの位置を調整して実装するためには、実装時に金属電極を接触させながら、直接機能デバイスを電気的に機能させた状態で位置調整した後、加熱により金属電極を金属接合させることが有効である。従来のように、一旦アライメントマークに置き換えると誤差を含み、また、複雑で効率が良くない。そこで、機能デバイス（被接合物）の接合部の表面が金または銅からなり、両方の接合面をプラズマにより真空中で処理した後、ガスにより該接合部に付着層をつけ、大気中で金属電極からなる接合部同士を接触させ、機能デバイスを電気的に機能させた状態で最適位置に調整した後、１８０℃以内の加熱により固相で金属接合すればよい。
常温で金属同士を固相接合する方法は、金からなる接合面を真空中でプラズマにより処理し、不活性ガス雰囲気で接合する方法が有効であるが、接触させると接合してしまうので、プラズマ処理後、一旦ガスにより付着層を形成し、大気中で金属電極同士を接触させることにより、接触のみでは接合されなくなる。そのため、機能デバイスを電気的に機能させながら、機能デバイスと被接合物との相対的な位置を調整することが可能となる。また、位置調整が完了したならば１８０℃以内の低温加熱を加えるのみで両電極は金属接合される。このように、従来の低温金属接合である鉛錫ハンダの溶融温度１８３℃より低く設定できる。また、加熱による位置ずれを低く押さえるためには１５０℃以内が好ましい。また、１００℃以内であればより好ましい。
また、溶融させるとハンダが均等に広がらないため、ハンダが固化するときに、被接合物がハンダが多い方に引っ張られ位置ズレが発生するという問題があった。そのため、被接合物（機能デバイス）どうしを固相で接合できることは有効である。データからは、接合部のプラズマ処理後の経過時間やガスの種類、水分の含み具合（湿度）により、必要な加熱温度は左右される。大気で付着層を付け１時間以内に実装すれば１００℃以内の加熱でも接合が可能であった。また、本接合方法においては固相ではあるが、接合面は金属分子同士が直接結合されているので、接合後に高温、例えば３５０℃に加熱されたとしても、金属分子が拡散されるのみで接合強度が落ちたり、抵抗値が増大したりすることは無く、高温でも信頼性が高い。
また、付着層を付けるガスとしては、窒素、酸素、Ｈｅ、水素、フッ素、炭素を含んだガスが不活性なＡｒなどのガスに比べて付着されることにより接触のみで接合されなくなり、かつ、低温で接合が可能である。
また、前記ガスが大気である接合方法及び接合装置であってもよい。大気であれば容易に扱え、かつ、上記の効果が期待できる。
また、プラズマによる被接合物の洗浄方法は、１０−５ Ｔｏｒｒ程度の高真空を必要とする原子ビームやイオンビームに比べ、１０−２ Ｔｏｒｒ程度でよいため容易でかつ有効である。また、反応ガスとしてＡｒを使用することにより効率良くエッチングされ、また、Ａｒガスが不活性なため被接合物の表面に反応物を形成することもなく適している。
また、一方の前記被接合物が発光素子であり、該発光素子の電極として機能する前記接合部に電源からのプローブを接触させ、該発光素子を電気的に機能させた状態で、該発光素子の発光点を認識手段により認識し、該発光素子の位置を最適位置に調整した後、固相で常温接合する構成としてもよい（請求項１８、４１）。
また、発光素子が表面発光タイプであり、該発光素子の接合面に直角方向に、かつ、一方の被接合物側に発光する方式である接合方法及び接合装置であってもよい。
また、一方の被接合物が接合面に平行に発光する発光素子であり、発光素子の接合面と反対側の電極にプローブを接触させ、もう一方のプローブを他極に接触させ、電気的に機能させて発光点を認識手段により認識し、発光素子の位置を最適値に調整した後、１８０℃以内の加熱により固相で金属接合する接合法及び接合装置であってもよい。特に機能デバイスが発光素子である場合には、発光点と光ファイバーとの位置合わせはサブミクロン台の精度が要望され、精度上本発明が有効である。また、発光素子の場合、発光時に放熱されるため２５０℃以上の高温での信頼性も要求され、低温で接合して、かつ、接合温度より高温での信頼性を保てる本接合方法が有効である。
本発明では図１２，１３に示すように接合面に平行に発光するレーザダイオードのような発光素子の場合において、本発明は有効である。この場合、図１２，１３に示すように発光素子の接合面となる電極を被接合物側にし、反対面を保持して上下動させながら位置を調整する。発光素子下部電極を被接合物上部電極に押し当てながら、発光素子保持面の電極と被接合物側の上面電極にプローブを接触させ、電気的に発光素子を機能させる。発光点を最適位置に調整した後、１８０℃以内の加熱により固相で金属接合する。
また、前記発光素子が表面発光タイプであり、接合面に直角方向に、かつ、一方の被接合物側に発光する方式であり、被接合物の接合電極と発光素子表面の電極である接合面を接触させ、被接合物の他端へプロービングして電気的に機能させて発光点を認識手段により認識し、発光素子の位置を最適値に調整した後、１８０℃以内の加熱により固相で金属接合する接合方法及び接合装置であってもよい。前述のように接合面に平行に発光する発光素子（図１３）以外に接合面に垂直方向に発光する表面発光レーザのような発光素子の場合においては、図１４に示すように特に発光方向と電極の方向が下側にできるので、簡単に構成することができる。この場合、図１４に示すように発光面を被接合物側にし、反対面を保持して位置を調整する。電極は発光面と同じサイドに位置するため、被接合物側の電極に押し当てながら、被接合物上面の電極にプローブを接触させ、電気的に発光素子を機能させる。発光点を最適位置に調整した後、１８０℃以内の加熱により固相で金属接合する。光ファイバーが埋め込まれておらず下側に発光する場合は、ステージに例えばプリズムからなる光学路変換手段を設ければ側面から認識することができる。
また、前記最適値への調整方法が発光素子から発光された光を光ファイバーに入力し、その入力値を検出して発光素子位置を調整する接合方法及び接合装置であってもよい。発光点の認識方法として、光ファイバーへ入力する場合、光ファイバーの他端を測定装置につなぎ込み、出力をモニタリングして最大値になる位置を調芯することが有効であり、かつ、容易な方法である。また、発光点を認識する方法としては一般的に光量が最大となる位置を発光点と見るが、最大値でなくとも周辺の濃淡状態を含めて発光点を認識することが好ましい。
また、被接合物認識手段と発光点認識手段を持ち、前記最適値への調整方法が、被接合物認識手段により被接合物位置を認識する第１工程と、次いで発光素子から発光された光をマトリックス撮像素子で読みとり、発光点位置を認識する第２工程と、認識結果に基づいて発光素子位置を調整する第３工程とを備える接合方法および接合装置であってもよい。特に光ファイバーへの入力で無かったり、光ファイバーの他端がつなげ込めなかったりした場合は、まず、被接合物の位置を被接合物認識手段により認識し、発光点がくるべき位置を認識する。次いで直接発光点をマトリックス撮像素子に入力し、その入力値を検出して、光量が最大値となるマトリックス撮像素子上の位置が、目的とするマトリックス撮像素子上の位置となるように光素子位置を調整することにより達成できる。詳細を説明すると、まず、発光素子を発光させ、マトリックス撮像素子で読み取ることにより、マトリックス撮像素子上の最大光量位置を求める。テーブル上に移動可能に取り付けられたマトリックス撮像素子の位置はあらかじめ分かっているので、発光素子の発光点位置が認識できる。そこで、マトリックス撮像素子上で、本来、該発光点位置がくるべき位置は分かっているので、マトリックス撮像素子上の最大光量となるべき位置に発光点がくるように発光素子の位置を修正する。また、マトリックス撮像手段で発光点を認識する方法としては一般的に最大となる撮像素子位置を発光点と見るが、最大値でなくとも周辺の濃淡状態を含めて発光点を撮像素子のサブピクセル単位で認識することが好ましい。
また、上記被接合物認識手段と発光点認識手段が個別のマトリックス撮像素子であり、各撮像素子の相対的な位置を、発光点と被接合物マーク位置が決められている基準ジグを認識することによりキャリブレーションして認識する接合方法および接合装置であってもよい。発光点認識手段と被接合物認識手段が例えば光学系の倍率が違う場合など個別のマトリックス撮像素子となる。その場合、個々のマトリックス撮像素子間の相対的な位置が分からないと被接合物マークを認識しても発光点をどこへ持ってくるべきか分からない。そこで、事前に発光点と被接合物認識マークの相対的な位置が決められている基準ジグを使用して両認識してやれば、相対的な位置関係がキャリブレーションできる。そうすることにより、発光点と被接合物の認識するものの大きさが違うものでも認識することができる。
また、前記発光素子を電気的に機能させて発光点を認識手段により位置認識する際、間欠的に発光させ、位置を認識する接合方法および接合装置であってもよい。発光素子の場合、発光時に放熱することから連続発光させると２５０℃程度に蓄熱されてしまう。これでは位置調整時に接合されてしまうのと、熱膨張などにより位置ずれの要因となってしまう。そのため、間欠的に発光させ、発光時に同期させて瞬間的に発光点を取り込むことにより、蓄熱を防ぎ、低温で発光点を認識することが可能となる。
また、両被接合物上にアライメントマークが施され、アライメントマーク認識手段を備え、両被接合物のアライメントマークにより位置補正した後、電気的に機能させ、最適位置に調整する接合方法および接合装置であってもよい。発光点を認識するにあたり、いきなり位置精度が悪い場合、発光素子を接触させても位置ずれが大きいと発光点を調芯するには時間がかかってしまう。また、発光点認識手段の視野を大きくする必要から精度も悪化してしまう。そのため、事前に発光素子と被接合物に設けられたアライメントマークを使用して両アライメントマークを認識手段にて認識した後、位置を修正して粗位置決めした状態から発光点認識することが好ましい。また、特にアライメントマークを設けなくとも外形や認識できるパターンなどがあればそれをアライメントマークとして認識することができる。
また、発光点認識手段と被接合物認識手段が同じ認識手段からなる接合方法および接合装置であってもよい。また、少なくとも一方の被接合物を光学路変換手段を持ったツールで保持し、側方から被接合物と発光点を認識する接合方法及び接合装置であってもよい。平面発光素子の場合は、プリズムやミラーのような光学路変換手段を持ったツールで保持し下から側方へ光学路変換すれば、被接合物位置と発光点位置双方が側方から読み取ることもでき、シンプルな構造とできる。また、平行発光素子の場合は、発光素子を光学路変換手段を持ったツールで保持し、被接合物上面マークを側方から読み取ることができ、シンプルな構造となる。被接合物位置とは、発光素子や基板上のアライメントマークや外形などを画像認識して位置を割り出すことを言い、発光点位置を決めるために基板上のマークを認識するためや事前にアライメントするために発光素子と基板上のアライメントマークを認識するためにも使われる。
また、ＩＲ（赤外）光を使用すれば、少なくとも一方の被接合物を透過させて被接合物のアライメントマークを読み取ることもできる。例えば接合面に平行に発光する発光素子の場合は、発光素子保持ツール内に光学路変換手段を持ち、ＩＲ光により認識することにより発光素子または被接合物を透過させてアライメントマークを読み取ることができる。ＩＲ光源は同軸上で反射光を使用しても良いし、反対側に光源を用いて透過光を使用しても良い。本光学路変換手段は保持ツール以外に被接合物保持ステージ側に設けても良い。光学路変換手段を用いることで発光点と発光素子を含む被接合物位置認識を同方向から同じ認識手段で認識すればより高精度に測定できる。例えば発光点認識手段の光学系にて被接合物上のマークまたは外形を認識すれば、被接合物を認識した後、次の発光点が来るべき位置は容易に分かり、個別に認識手段をもつことによる相対位置誤差や熱膨張などによる経時変化を生じないため好ましい。また、装置の簡略化もはかれ、特に認識手段に複数軸の移動テーブルを設ける必要もなく簡略化でき、アライメントテーブルをヘッド側かステージ側一方と限定すればより簡略化できる。また、たとえマトリックス撮像素子が個別に分かれても光学系を途中から分岐することで一体構造とすることもできる。
また、上記した接合方法で作られた発光モジュールでは、前述の方法で発光素子を効率良く、高精度に実装され、高精度に、かつ、コストも安く作ることができ、本発明が効果的である。
また、一方の前記被接合物がチップであり、もう一方の前記被接合物が複数の前記チップを実装するウエハーからなり、複数の前記チップを前記ウエハーに連続して接合する接合方法であってもよい（請求項１９）。
また、一方の前記被接合物がチップであり、もう一方の前記被接合物が複数の前記チップを実装するウエハーからなり、複数の前記チップを前記ウエハーに連続して接合する接合装置であってもよい（請求項４２）。
図７に示すように、大気中であってもドライ洗浄（プラズマによる表面活性化）後、放置しなければ加圧することにより固相で常温接合することができる。これは被接合物の接合表面（接合部）に薄く付着層ができるが、該付着層の厚さは加圧により押し破られる程度であるからと考えられる。また、ウエハー上へ複数のチップを実装するにはハンダでは高温に加熱するため、周辺のウエハー上のハンダへも影響があり、溶けたり酸化する不具合や、接合済みのチップがハンダが溶けて外れたりずれたりする不具合があったが、本発明ではハンダ溶融温度である１８３℃以下で接合することができるので、周辺に影響なく連続して実装が可能となる。また、固相で接合できるので前述のように溶融による位置ずれがない。ちなみにプラズマ処理しないチップは接合されなかった。なお、チップとは、一般的にウエハーをダイシングした個辺のものを示し、トランジスタや抵抗、コンデンサ、リアクタンスなどの実装部品も含む。
また、チップとウエハーとの接合時間が２秒以内であり、連続してチップを実装していく接合方法及び接合装置であってもよい。ハンダでは加熱して溶融後、冷却して固定されるまでチップを離すと位置ズレやハンダが外れるため、チップの連続実装には時間がかかり生産効率が良くない。例えば１チップの接合時間は１０秒程度必要となる。しかし、本発明では、加圧すれば接合されるので接合時間は極端に短くても可能である。このように接合時間が２秒以下で、ウエハー上へ連続してチップを接合すれば効率が良い。また、接合時間は１秒以下であれば好ましく、さらに０．５秒以下であれば超音波振動接合による接合よりも短時間であるため、より好ましい。
また、前記チップを前記ウエハーに連続して接合していく途中において、一定時間経過後、前記ウエハーを再度前記プラズマによって処理し、その後続けて前記チップを該ウエハーに接合する構成でもよい（請求項２０、４３）。複数のチップを１枚のウエハー上に連続して接合していくにはチップ数が多ければ数時間を必要とする。ドライ洗浄（プラズマによる活性化処理）後、大気中で常温接合するには約１時間以内に接合しないと被接合物の接合表面への付着物が増加し、接合できなくなってしまう。そのため、１時間以内、好ましくは３０分以内に再度、減圧プラズマ等のプラズマにて被接合物をドライ洗浄することが好ましい。そのため、洗浄機（エネルギー波照射手段）を被接合物の接合装置とドッキングしておき、ウエハーへのチップ接合時に一定時間が経過すると、一旦ウエハーを洗浄機へ搬送し、再洗浄する。洗浄後、ウエハーを再度ステージへセットしてチップ接合を開始する。そうすることで多数チップを接合するウエハーにおいても連続してチップを大気中で常温接合することができる。
また、半導体においては多数の電極接合をバンプにより接合するため、高温ではダメージが生じるため、低温で接合することが望まれる。また、約５０μｍよりも小さい微細ピッチのバンプを接合するには熱膨張を押さえた低温での接合が要望される。また、回路面へのダメージから低荷重も要求される。また、ウエハー上へ連続してチップを接合すれば効率が良い。これらの理由から、本発明が好適である。
また、前記被接合物が、半導体もしくはＭＥＭＳデバイスからなるチップ、またはウエハーである接合方法であってもよい（請求項２１）。
また、請求項１〜２１のいずれかに記載の接合方法で作られた半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスなどのデバイス（請求項２２）。
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は、半導体への熱影響や、微細ピッチ電極から数μｍ以内の高精度な実装が望まれ、１８０℃以下好ましくは室温での低温で接合する要望が高く、本発明は特に有効である。
また、前記被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体チップである接合方法及び接合装置であってもよい。また、被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体チップである前記方法で作られた半導体装置であってもよい。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は、半導体への熱影響や、微細ピッチ電極から数μｍ以内の高精度な実装が望まれ、１８０℃以下好ましくは室温での低温で接合する要望が高く、本発明は特に有効である。
また、半導体同士を張り合わせることで三次元的な構造とでき、より集積度を上げた半導体装置とできるので好ましい。また、ウエハーで接合し、後からダイシングしてチップ化すれば生産効率は上がり好ましい。
金属接合表面を持った複数の被接合物同士を低温で接合する接合方法において、大気中で常温接合することが可能になる。また、従来の常温接合のように面精度を出さなくとも直接接合が可能となる。
また、少なくとも一方の被接合物が半導体であり、各被接合物の接合面を、交番電源により生じた＋−方向が切り替わる電界によって生成したプラズマで、減圧下でプラズマ洗浄した後、洗浄された接合表面どうしを低温下で固相で金属接合することで、被接合物に＋イオンと−電子を交互に衝突させることにより電荷がチャージする前に中和させてしまうことができる。そうすることにより、被接合物のチャージアップダメージを回避することが可能となる。また、＋領域、−領域の時間をバイアス電圧Ｖｄｃや、パルス波のパルス幅で調整することで最適な中和領域を作り出すことができる。
また、金または銅からなる金属接合表面を持った複数の被接合物同士を低温で接合する接合方法において、大気中で常温接合することが可能になる。また、接合荷重を低減することができる。
また、減圧下のチャンバー内で、両被接合物どうしを接合面が重ならない側方位置へ移動した状態で配置し、両接合表面をプラズマ洗浄した後、両接合表面が対向する位置へ移動させ、少なくとも一方の被接合物を、該被接合物の接合面にほぼ垂直な方向へ移動させ接合することにより、他方への有機物等の再付着をふせぎつつ、被接合物をプラズマで洗浄（表面活性化処理）することができる。また、両被接合物の高さ方向の隙間を最小限にすることができるのでアライメント後の位置ずれがなく高精度に接合することができる。
また、機能デバイスを機能させた状態で位置調整した位置で直接接合できるようになり、効率良く、かつ、位置ずれ無く接合できる。また、低温で、かつ、固相で接合できるため、高精度に接合できる。
また、金または銅からなる金属接合表面を持った複数の被接合物同士を低温で接合する接合方法において、大気中で固相で常温接合することが可能になる。また、ウエハー上へのチップの連続実装が短い接合時間で効率良く行える。また、常温、固相であっても低荷重で接合が可能となる。
＜第１実施形態＞
以下に本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。図１５に本発明にかかる接合装置の第１実施形態を示す。この実施形態では第１の被接合物である半導体からなるチップ２０と第２の被接合物である基板２２を接合するための装置を例として上げる。チップ２０の接合面には電極である金からなる金属電極２０ａを有し、基板２２の接合面には電極である金属電極２２ａがチップ側金属電極２０ａに対向した位置に配している。チップ側金属電極２０ａと基板側金属電極２２ａとが、加圧されることにより接合される。
接合装置は、大まかには、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２４からなる。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部２６を上下動させる。ヘッド部２６は、ヘッド逃がしガイド５で上下方向にガイドされ、自重をキャンセルし、加圧力検出手段３２に押しあてるためのヘッド自重カウンター４に牽引された状態で加圧力を検出する加圧力検出手段３２と上下駆動機構２５に接地されている。
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。また、チップ保持ツール８の内部には加熱用ヒータが埋設されている。実装機構２８は、基板２２を吸着保持するステージ１０、チップと基板の位置をアライメントするための平行移動、回転移動の移動軸を持ったステージテーブル１２により構成される。また、ステージ１０内部にはステージヒータ１１を内蔵する。接合機構はフレーム３４に結合され加圧中心の周辺を４本の支柱１３により架台３５と連結されている。
位置認識部２９は、相対されたチップと基板間に挿入して、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を水平及び／又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。搬送部３０は基板２２を搬送する基板搬送装置１６、基板搬送コンベア１７及びチップ２０を搬送するチップ供給装置１８、チップトレイ１９からなる。制御部３１は、装置全般の制御と操作部を備える。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、接合に関する加圧力をコントロールする。
次に、一連の動作を説明する。チップ２０はチップ供給装置１８によりチップトレイ１９からチップ保持ツール８に供給され、吸着保持される。基板２２は、基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７からステージ１０に供給され、吸着保持される。接合面を対向保持されたチップ２０と基板２２の間に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を上下マーク認識手段１４により位置認識する。チップ２０を基準として基板２２の位置をステージテーブル１２により平行移動及び回転移動方向へアライメント移動する。アライメント時はステージテーブル１２及びヘッド側アライメントテーブルにて位置補正しても良く、またはヘッド側アライメントテーブルのみにて位置補正しても良い。また、どちらか一方のテーブルのみの構成でも良い。
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は上下駆動機構２５により下降され、チップ２０と基板２２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。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、上下駆動モータは位置制御からトルク制御へと切り替えられる。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、高さ方向の位置もコントロール可能である。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上に残る。これを再び基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７へ排出して一連動作は終了する。
大気中で１８０℃以下の低温で固相のまま金属接合させるためには、事前に金属からなる被接合物（チップ２０、基板２２）の接合表面（接合部）を真空中で、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により数ｎｍエッチング（洗浄）し、付着物を除去する。洗浄（表面活性化処理）後、大気中で接合する場合には、接合表面に付着物層が形成されるので、接触させても、そのままでは接合されない。しかし、洗浄後すぐには付着物層も薄いので、加圧により該付着物層が押しつぶされて、該付着物層が押しつぶされて新生面が現れ接合される。本実施形態においては、接合部としてビッカース硬度が６０Ｈｖの金を採用しているため、図１より常温でも強固にチップ２０および基板２２が接合される。
＜第２実施形態＞
続いて、図１６を参照しつつ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は、被接合物の接合部が金属からなる母材の表面に金膜を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。
この第２実施形態では、チップ２０および基板２２の接合部が以下のように構成されている。すなわち、複数の銅を母材２０ｂ，２２ｂとして、該母材２０ｂ，２２ｂ表面に金膜２０ｃ，２２ｃを形成した金属バンプとして構成されている。そして、該金属バンプをエネルギー波によって表面活性化処理した後、大気中で接合し、低温加熱して金を拡散させている。図１６（ａ）に銅を母材として金膜を構成して形成された接合部を示す。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）に示す接合物を接合後、低温加熱により金膜２０ｃ，２２ｃが母材２０ｂ，２２ｂ内に拡散していく様子を示している。なお、接合表面が金であれば、表面活性化処理後に有機物等が該接合表面に再付着しずらく、数時間以内であれば大気中での接合も可能である。このように、常温接合後、金膜を母材中に拡散させてしまえば、接合後は母材同士で接合となるため、強度も強く、均一な材料で構成できる。拡散する方法としては常温でも放置することにより拡散させることができる。また、低温で加熱することでより拡散を早く進ませることができる。本実施形態では、１５０℃で２時間の加熱を行うことにより、金膜２０ｃ，２２ｃを母材２０ｂ，２２ｂ内に拡散させることができた。
また、被接合物が、半導体やＭＥＭＳデバイスにおける電気的機能デバイスである場合、電流容量の関係から従来のＡｌ電極から銅電極への切り替えが要望されている。しかし、銅バンプでは接合温度が高く実用上難しかった。そのため、本実施形態のように、銅で構成される母材の表面を金膜で被うことで、接合を低温化することができ、さらに、ガス中や大気中など真空でない雰囲気も選択できるので有効である。その後、金を母材中に拡散してやれば銅同士での接合となって、目的が達せられる。
＜第３実施形態＞
続いて本発明にかかる接合装置の第３実施形態について詳述する。本実施形態が上記第１および第２実施形態と大きく相違する点は、接合部表面に微小な凹凸が形成されている点であり、その他の構成および動作は上記第１および第２実施形態と同様であり、説明を省略する。以下、本実施形態に特有の構成について詳述する。
本実施形態によれば、被接合物を接合する際の加圧により図２に示すように凸部が押しつぶされて広がり、新生面が現れ接合される。また、ミクロに考察すると、図３に示すように並んだ結晶方位が凸部がつぶされることにより、結晶方位が回転し、新生面が現れることになる。この微小な凹凸となる表面粗さは、図４に示すように１２０ｎｍ以上となるところで十分な接合強度が得られるようになる。
また、面同士の接合においては、前述のようにミクロの凹凸が有効となるように、各々凸状の接合部が複数用いても接合面積は、面接合より落ちるが、同様な効果が得られる。また、ミクロの凹凸を押しつぶし接合するには、接合金属の硬度が低くなければならない。本実施形態では、非接合部として、硬度が２００Ｈｖ以下で金を採用しているため、強固に接合する事ができた。なお、接合部として、銅やＡｌを採用しても有効に接合することができた。また、この時の加圧力は１５０Ｍｐａ以上であると、より強固に接合する事ができた。また、特に接合部を金で構成した場合、硬度も低く、かつ、大気中でも酸化しないので有効であった。
また、Ａｒプラズマを使用して接合部を洗浄（表面活性化処理）する時に、洗浄時間を長めに設定すると、例えば通常３０秒のところを３分行うことにより、接合面が粗される。丁度その粗さを１２０ｎｍ以上とすることができる時間だけ、Ａｒプラズマを利用して被接合物の洗浄を行えば、表面活性化処理と、接合部表面に接合部表面に微小な凹凸を形成する作業とを同時に行うことができ、効率が良い。
＜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。以下、上記第１ないし第３実施形態と異なる点について述べ、上記第１ないし第３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。
上記第３実施形態において、被接合物を瞬間的に加圧した状態では、接合面（接合部）の凹凸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がある。また、弾性変形は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になる。これを防止する方法として、一定時間、ヘッド部２６のヘッド高さを一定にすることにより被接合物の接合界面ではミクロには、荷重に耐え切れなくなり結晶方位の回転が行われたり、粒子の移動が起き、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。この停止時間は図５に示すように材料や接合状態により１秒以上から効果があり、２分以上では変化が無かった。
また、上記停止時に１８０℃以下で加熱を加えると、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、接合強度がアップする。加熱温度としては１８０℃以下の低温加熱で十分であった。また、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は、半導体への熱影響や、微細ピッチ電極から数μｍ以内の高精度な実装が望まれ、１８０℃以下好ましくは室温での低温で接合する要望が高く、本実施形態は特に有効である。
一実施形態としてチップと基板における実施形態を説明したが、被接合物は半導体以外の材料でも良い。また接合部は金、Ａｌ、銅、などが適するが、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良い。
半導体チップはチップ、ウエハーなどどのような形態であっても良い。また、金属突起は個々に独立した複数の形状であっても良いし、ある領域を閉じ込めたつながった形状であっても良い。また、全面が接合面であっても良い。
＜第５実施形態＞
続いて、本発明の第５実施形態について詳述する。本実施形態が、上記第１ないし第４実施形態と大きく相違する点は、チップ２０が発光素子である点である。以下、本実施形態に特有の構成について詳細に述べる。図１２に側面発光素子とファイバーを固定するＶ溝の付いたＰＬＣ（Planner Light wave guide Circuit）基板との調芯方法を説明する図を、図１３にその側面図を示す。この実施形態では第１の被接合物である機能デバイスとなる発光素子２０と第２の被接合物である基板２２を調芯して接合するための装置を例として上げる。発光素子２０の接合面には電極である金からなる金属電極を有し、基板２２の接合面には電極である金属電極が発光素子側金属電極に対向した位置に配している。発光素子側金属電極と基板側金属電極が発光点４１と光ファイバー４６との位置を調芯後、加熱により接合される。
続いて、本実施形態における接合装置について、上記実施形態と相違する点を中心に詳述する。接合装置は、大まかには、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２４からなる。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部２６を上下動させる。ヘッド部２６は、ヘッド逃がしガイド５で上下方向にガイドされ、自重をキャンセルし、加圧力検出手段３２に押しあてるためのヘッド自重カウンター４に牽引された状態で加圧力を検出する加圧力検出手段３２と上下駆動機構に接地されている。ヘッド部２６は、発光素子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。また、チップ保持ツール内部には加熱用ヒータが埋設されている。実装機構２８は、基板２２を吸着保持するステージ１０、発光素子と基板の位置をアライメントするための平行移動、回転移動の移動軸を持ったステージテーブル１２により構成される。また、ステージ１０内部にはステージヒータ１１を内蔵する。接合機構はフレーム３４に結合され加圧中心の周辺を４本の支柱１３により架台３５と連結されている。位置認識部２９は、相対された発光素子と基板間に挿入して、上下の発光素子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を水平及び／又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。また、発光点認識手段３３が上下マーク認識手段１４の先端に設けられており、認識手段移動テーブル１５により任意の位置へ移動して発光点の位置測定が可能である。
また、光ファイバーが基板内部に埋設され他端が外部に出ている場合は、その他端を直接光度計に入力すれば、発光点認識手段を使用しなくとも発光点となる最大ポイントを検出できる。搬送部３０は基板２２を搬送する基板搬送装置１６、基板搬送コンベア１７及び発光素子２０を搬送する発光素子（チップ）供給装置１８、発光素子（チップ）トレイ１９からなる。制御部３１は、装置全般の制御と操作部を備える。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、接合に関する加圧力をコントロールする。
次に、一連の動作を説明する。発光素子２０は発光素子供給装置１８により発光素子トレイ１９から発光素子保持ツール８に供給され、吸着保持される。基板２２は、基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７からステージ１０に供給され、吸着保持される。接合面を対向保持された発光素子２０と基板２２の間に上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５により挿入され、対向する発光素子２０と基板２２各々の位置合わせ用アライメントマークを上下マーク認識手段１４により位置認識する。発光素子２０を基準として基板２２の位置をステージテーブル１２により平行移動及び回転移動方向へアライメント移動する。ヘッド側アライメントテーブルにて発光素子側で位置補正しても良いが、本実施例ではヘッド側アライメントテーブルは発光点調芯用の微少ストロークで高精度なピエゾで構成されるようなアライメントテーブルを想定する。
両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は上下駆動機構２５により下降され、発光素子２０と基板２２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。発光素子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、上下駆動モータは位置制御からトルク制御へと切り替えられる。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、高さ方向の位置もコントロール可能である。
モータのトルクにより一定の加圧力が両被接合物間に加えられた状態で、プローブ４２は発光素子上面の電極４３へ、プローブ４４は基板上面の電極４５へ接触される。プローブ４２はヘッドから取り付けられヘッドと同時に上下動することが好ましい。また、保持ツールの一部表面を金属メッキしてプローブとすることもできる。両電極へプローブが接触され、電気的に発光素子を発光させ、機能させる。ＰＬＣ基板にはＶ字溝が切られており光ファイバーが保持されている場合は光ファイバーの他端に光度計を設定し、最大光度となる発光素子位置を探す。発光素子と基板間の位置は既にアライメントマークにより位置補正されているので数μｍ以内の位置精度は出ている。
その状態から発光点と光ファイバーとの調芯をサブミクロン台の精度で行う。調芯方法は、発光素子を発光させ、光ファイバーからの光度を測定し、ヘッドを上下させながら発光素子の位置を微妙に変化させながら光量を測定し、最大ポイントを求める。その最大ポイントに発光素子の位置を決定し、１８０℃以下の低温加熱により接合する。そのことにより位置的にも電気的にも接合される。発光点を認識する方法としては一般的に光量が最大となる位置を発光点と見るが、最大値でなくとも周辺の濃淡状態を含めて発光点を認識することが好ましい。発光点の位置は高さ方向には発光素子の下部から発光点までの厚みで決まるため、製作時に留意しておけば精度良く保つことができる。しかし、水平方向は実装する位置精度に依るため、アライメントマークを使用してもアライメントマークと発光点との位置誤差などを含み高精度に実装することは難しく本実施形態が有効である。
光ファイバーが取り付けられていない場合は、被接合物認識手段によりＰＬＣ基板の外形または基準マークを認識する。被接合物認識手段は上下マーク認識手段１４であっても良いし、発光点認識手段であっても良く、いかなる手段であっても良い。また、基板マークが発光方向と垂直面にある場合は、例えば、先端ツール側またはステージ側に例えばプリズムからなる光学路変換手段を設ければ良い。また、マークが反対面にある場合は、ＩＲ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２３を認識すれば認識することができる。
まず、ＰＬＣ基板のＶ溝位置を認識し、光ファイバーの中心となる位置を認識する。次いで発光点を発光点認識手段中のマトリックス撮像素子に入力し、その入力値を検出して最大値となるマトリックス撮像素子位置が光ファイバーの中心となる目的とするマトリックス撮像素子位置へなるように発光素子位置を調整する。また、マトリックス撮像位置を目的とする位置へ移動させて発光点を中心位置にあわせても良い。ＰＬＣ外形位置認識や発光点認識のために認識手段移動テーブル１５により必要に応じて発光点認識手段３３を移動させる。発光素子の位置を決定した後、１８０℃以下の低温加熱により接合する。
また、被接合物上のマークが発光方向と同方向にある場合は、発光点認識手段の光学系にて被接合物上のマークまたは外形を認識すれば、被接合物を認識した後、次の発光点が来るべき位置は容易に分かり、個別に認識手段をもつことによる相対位置誤差や熱膨張などによる経時変化を生じないため好ましい。また、図１７に示すように少なくとも一方の被接合物をプリズムやミラーからなる光学路変換手段を持ったツールで保持し、側方から被接合物と発光点を同じ認識手段で認識することにより、より高精度に測定できる。
また、発光点認識手段と被接合物認識手段が例えば光学系の倍率が違う場合など個別のマトリックス撮像素子となる。その場合、個々のマトリックス撮像素子間の相対的な位置が分からないと被接合物マークを認識しても発光点をどこへ持ってくるべきか分からない。そこで、事前に発光点と被接合物認識マークの相対的な位置が決められている基準ジグを使用して両認識してやれば、相対的な位置関係がキャリブレーションできる。そうすることにより、発光点と被接合物の認識するものの大きさが違うものでも認識することができる。
接合完了後、発光素子２０の吸着は解除され、基板２２側に発光素子２０が実装された状態でステージ上に残る。これを再び基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７へ排出して一連動作は終了する。
また、加熱接合に代わり超音波振動を与えることでも接合できる。本方式は低温で接合でき、また、室温でも接合することが可能であるため、熱膨張影響を受けず固相で金属接合できる。振幅を小さく抑え、加圧してから振動を与えることにより位置ずれなく高精度に実装することができる。
次に表面発光タイプの発光素子を使用した場合の変形例について上記との違いを解説する。図１４に変形例である表面発光素子と光ファイバーが埋め込まれた基板との間で調芯し接合する方法説明図を示す。表面発光素子の場合は、対向する発光素子２０と基板２２各々の位置合わせ用アライメントマークを上下マーク認識手段１４により位置認識し、発光素子２０と基板２２の位置をアライメントされ、一定の加圧力が両接合面となる電極間に加えられた状態で、基板上の両電極へプローブが接触され、電気的に発光素子を発光させ、機能させる。発光点認識手段３３は、認識手段移動テーブル１５により基板２２に埋め込まれた光ファイバー端へ移動し、光度を測定する。発光素子と基板間の位置は既にアライメントマークにより位置補正されているので数μｍ以内の位置精度は出ている。その状態から発光点と光ファイバーとの調芯をサブミクロン台の精度で行う。
調芯方法は、発光素子を発光させ、光ファイバーからの光度を測定し、ヘッドを上下させながら発光素子の位置を微妙に変化させながら光量を測定し、最大ポイントを求める。その最大ポイントに発光素子の位置を決定し、１８０℃以下の低温加熱により接合する。そのことにより位置的にも電気的にも接合される。発光点を認識する方法としては一般的に光量が最大となる位置を発光点と見るが、最大値でなくとも周辺の濃淡状態を含めて発光点を認識することが好ましい。発光点の位置は高さ方向には発光素子の下部から発光点までの厚みで決まるため、製作時に留意しておけば精度良く保つことができる。しかし、水平方向は実装する位置精度に依るため、アライメントマークを使用してもアライメントマークと発光点との位置誤差などを含み高精度に実装することは難しく本方式が有効である。
また、基板に光ファイバーが埋め込まれていなく、光路孔の開いたサブマウント基板の場合は、被接合物認識手段によりサブマウント基板の外形または基準マークを認識する。また、被接合物認識手段は上下マーク認識手段１４であっても良いし、発光点認識手段であっても良く、いかなる手段であっても良い。また、基板マークが垂直面にある場合は、例えば、先端ツール側またはステージ側に例えばプリズムからなる光学路変換手段を設ければ良い。また、マークが反対面にある場合は、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２３を認識すれば認識することができる。
事前にサブマウントの光路孔位置またはサブマウント位置を外形またはマークから認識して発光点がくるべき位置を認識しておけば、直接発光点をマトリックス撮像素子に入力し、その入力値を検出して最大値となるマトリックス撮像素子位置が目的とするマトリックス撮像素子位置へなるように発光素子位置を調整することにより達成できる。また、マトリックス撮像位置を目的とする位置へ移動させて発光点を中心位置にあわせても良い。 マトリックス撮像手段で発光点を認識する方法としては一般的に最大となる撮像素子位置を発光点と見るが、最大値でなくとも周辺の濃淡状態を含めて発光点を撮像素子のサブピクセル単位で認識することが好ましい。また、被接合物上のマークが発光方向と同方向にある場合は、発光点認識手段の光学系にて被接合物上のマークまたは外形を認識すれば、被接合物を認識した後、次の発光点が来るべき位置は容易に分かり、個別に認識手段をもつことによる相対位置誤差や熱膨張などによる経時変化を生じないため好ましい。
また、少なくとも一方の被接合物を例えば図１８に示すようなプリズムやミラーからなる光学路変換手段を持ったツールで保持し、側方から被接合物と発光点を同じ認識手段で認識することにより、より高精度に測定できる。また、基板外形位置認識や発光点認識のために認識手段移動テーブル１５により必要に応じて発光点認識手段３３を移動させる。発光点接合完了後、発光素子２０の吸着は解除され、基板２２側に発光素子２０が実装された状態でステージ上に残る。これを再び基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７へ排出して一連動作は終了する。
また、超音波発信器とホーンを発光素子保持ツール８及び／又は先端ツール９の代わりに備えることで、前記接合時に加熱接合に代えて超音波振動を与えることで、より容易に固相で金属接合することができる。この場合、低温で接合でき、また、室温でも接合することが可能であるため、熱膨張影響を受けず固相で金属接合できる。振幅を小さく抑え、加圧してから振動を与えることにより位置ずれなく高精度に実装することができる。
第５実施形態では、発光素子と基板における例について説明したが、被接合物は発光素子以外の位置調整が必要な機能デバイスであっても本発明に含まれる。
＜第６実施形態＞
続いて本発明の第６実施形態について詳細に述べる。本実施形態が上記第１ないし第５実施形態と大きく相違する点は、被接合物を接合する前に、接合部に上述したレベリングを施している点である（図８〜図１１参照）。以下、本実施形態に特有の構成について詳細に述べる。
大気中で固相のまま常温接合温させるためには、事前に接合表面（接合部）を真空中でＡｒプラズマ（エネルギー波）により数ｎｍエッチングし、付着物を除去する。洗浄後、大気中で接合する場合には、該接合表面に付着物層が形成されるので、接触させても、そのままでは接合されない。しかし、洗浄後すぐには付着物層も薄いので、加圧により新生面が現れて接合される。図７に示すように、大気中であってもドライ洗浄後、放置しなければ加圧することにより常温接合することができる。これは接合表面に薄く付着層ができるが、加圧により押し破られる程度であると考えられる。
また、本実施形態では、接合部にレベリングを施しているため、レベリングを実施しない場合に接合するために３００ＭＰａの加圧が必要であったのに対し、１５０ＭＰａの加圧力で十分な接合強度を得ることができた。これはバンプ２０ａ，２２ａの高さばらつきや表面粗さの問題から、接合部どうしを接触させるために、該接合部の粗さ部分を押しつぶすために必要とする加圧力が異なるためであると考えられる。レベリングを施さない、通常のバンプでは高さばらつき２μｍ、表面粗さ２００ｎｍあった。しかし、レベリングした後では、バンプの高さばらつき表面粗さとも５０ｎｍ以下となっていた。そのため接合荷重は低減できたと考えられる。レベリングとは、図１０に示すように平面度の出た基準台４０にバンプを押しつけることで高さや表面粗さを均一に修正することを示す。事前にレベリングしたチップを整列しておいても良いし、接合前に接合装置でレベリングしてから基板へ接合しても良い。
また、接合部を押しつぶして接合するには、接合金属の硬度が低くなければならない。本実施形態では上記実施形態と同様に、硬度が２００Ｈｖ以下の金属接合部を採用しており、特に、金や銅を採用した場合、強固に接合できた。また、レベリングした際の加圧力は１５０Ｍｐａ以下で接合が可能であった。特に金においては、硬度も低く、かつ、大気中でも酸化しないので有効な金属である。
また、金属バンプ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は、半導体への熱影響や、微細ピッチ電極から数μｍ以内の高精度な実装が望まれ、１８０℃以下好ましくは室温での低温で接合する要望が高い。そのため、本実施形態における構成は特に有効である。
半導体チップはチップ、ウエハーなどどのような形態であっても良い。また、金属バンプは個々に独立した複数の形状であっても良いし、ある領域を閉じ込めたつながった形状であっても良い。また、全面が接合面であっても良い。
第６実施形態では、チップと基板における例について説明したが、被接合物は半導体以外の材料でも良い。
＜第７実施形態＞
以下に本発明の第７実施形態について詳細に述べる。図１９に本発明にかかる接合装置の第７実施形態を示す。この第７実施形態では第１の被接合物である半導体からなるチップ２０と第２の被接合物であるウエハーからなる基板２２を接合するための装置を例として上げる。チップ２０の接合面には電極である金からなる金属電極であるバンプ２０ａを複数有し、基板２２の接合面には電極である金属パッド２２ａがチップ側金属電極に対向した位置に配している。チップ側金属電極と基板側金属電極が、エネルギー波による処理の後、加圧により接合される。
接合装置は、大まかには、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２４からなる。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部２６を上下動させる。ヘッド部２６は、ヘッド逃がしガイド５で上下方向にガイドされ、自重をキャンセルし、加圧力検出手段３２に押しあてるためのヘッド自重カウンター４に牽引された状態で加圧力を検出するし、加圧力検出手段３２と上下駆動機構に接地されている。
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。また、チップ保持ツール内部には加熱用ヒータが埋設されている。実装機構２８は、基板２２を吸着保持するステージ１０、チップと基板の位置をアライメントするための平行移動、回転移動の移動軸を持ったステージテーブル１２により構成される。また、ステージ１０内部にはステージヒータ１１を内蔵する。接合機構はフレーム３４に結合され加圧中心の周辺を４本の支柱１３により架台３５と連結されている。位置認識部２９は、相対されたチップと基板間に挿入して、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を水平及び／又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。
搬送部３０は基板２２を搬送する基板搬送装置１６、ウエハーカセット２４３及びチップ２０を搬送するチップ供給装置１８、チップトレイ１９からなる。また、洗浄と接合を連続して行うために、洗浄機２４１を接合装置と搬送手段で連結し、チップトレイ、ウエハーを必要に応じて洗浄機へ搬入洗浄し、取り出す。チップトレイ１９はチップトレイカセット２４２から供給収納される。ウエハー２２はウエハーカセット２４３から供給収納される。制御部３１は、装置全般の制御と操作部を備える。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、接合に関する加圧力をコントロールする。
次に、一連の動作を説明する。洗浄されたチップ２０はチップ供給装置１８によりチップトレイ１９からチップ保持ツール８に供給され、吸着保持される。洗浄されたウエハーからなる基板２２は、基板搬送装置１６によりステージ１０に供給され、吸着保持される。接合面を対向保持されたチップ２０と基板２２の間に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を上下マーク認識手段１４により位置認識する。チップ２０を基準として基板２２の位置をステージテーブル１２により平行移動及び回転移動方向へアライメント移動する。アライメント時はステージテーブル１２及びヘッド側アライメントテーブルにて位置補正しても良く、またはヘッド側アライメントテーブルのみにて位置補正しても良い。また、どちらか一方のテーブルのみの構成でも良い。
両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は上下駆動機構２５により下降され、チップ２０と基板２２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。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、上下駆動モータは位置制御からトルク制御へと切り替えられる。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、高さ方向の位置もコントロール可能である。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上に残る。これを連続してチップをウエハーからなる基板上へ接合していくことにより実装を完了する。これを再び基板搬送装置１６によりウエハーカセット２４３へ排出して一連動作は終了する。
なお、複数のチップを１枚のウエハー上に連続して接合していく場合には、チップ数が多ければ数時間が経過する。ドライ洗浄後、大気中で常温接合するには約１時間以内に接合しないと接合表面への付着物が増加し、接合できなくなってしまう。そのため、１時間以内、好ましくは３０分以内に再度、減圧プラズマ（エネルギー波）にてドライ洗浄（表面活性化処理）することが好ましい。そのため、洗浄機２４１を接合装置とドッキングしておき、ウエハーへのチップ接合時に一定時間が経過すると、一旦ウエハーをステージから洗浄機へ搬送し、再洗浄する。洗浄後ウエハーを再度ステージへセットしてチップ接合を開始する。そうすることで多数チップを接合するウエハーにおいても連続してチップを大気中で常温接合することができる。
＜第８実施形態＞
以下に本発明の第８実施形態について詳細に述べる。まず、本実施形態における、被接合物について図２４を参照しつつ詳述する。図２４に示すように、本実施形態ではデバイス８２９と蓋８３０との接合を行う。デバイス８２９の接合面には、接合部として輪郭上に１μｍ以上の厚さで金メッキ８３１が形成されている。また、蓋８３０のの接合面には金薄膜８３２がスパッタリングまたはフラッシュメッキにより形成されている。なお、圧膜メッキ８３１と薄膜８３２側を、逆に形成してもよい。図２４はチップ状態の図であるが、図２５に示すように、ダイシング前のウエハー上での接合が最も効率がよい。
図２０に本発明の第８実施形態に係るウエハー接合装置を示す。この実施形態では、蓋となる被接合物であるウエハーを上部にデバイスとなるウエハーを下部に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Ａｒプラズマによりエッチング後、両被接合物を接触させ、加圧して接合させる。場合によっては１８０℃以内の低温で加熱を行い強度アップさせる装置である。装置構成は、上ウエハー８０７（蓋８３０）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、下ウエハー８０８（デバイス８２９）を保持し、場合によってはウエハーをアライメントするステージ部に分けられる。
Ｚ軸８０１には圧力検出手段が組み込まれ、Ｚ軸サーボモータのトルク制御へフィードバックすることで加圧力制御を行う。別途アクチュエータにより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真空に引き、反応ガスを導入してプラズマ処理を行い、真空引きし、封入ガスで封入する場合は封入ガスと置換し、ヘッド部が下降して両ウエハーを接触加圧させ接合する構成となっている。チャンバー壁８０３を昇降可能にＯリングで封止しているが、シャフトの細くなったところで受けてもピストン外周で受けても良い。また、場合によっては上部電極８０６、下部電極８０９は加熱ヒータも備えており、接合時に加熱することもできる。
図２１に示すように動作を順を追って説明すると、（ａ）のようにチャンバー壁８０３が上昇した状態で上ウエハー８０７を上部電極（エネルギー波照射手段）８０６に保持させる。保持させる方法はメカニカルなチャッキング方式もあるが、静電チャック方式が望ましい。続いて下ウエハー８０８を下部電極（エネルギー波照射手段）８０９に保持させる。続いて、（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を空け、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。
次に、図２１（ｃ）に示すようにチャンバー内をＡｒからなる反応ガスで満たす。真空ポンプ８１５は動作させながら排出バルブ８１４の排出量と吸入バルブ８１３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反応ガスで満たすことが可能である。（ｄ）、（ｅ）に示すように、本実施形態では、まずＡｒガスを充満させ、１０−２ Ｔｏｒｒ程度の真空度で下部電極８０９に交番電源によるプラズマ発生用の電圧を印加することでプラズマを発生させ、下部ウエハー８０８表面をＡｒプラズマによりエッチングし洗浄する。続いて、上部電極８０６に同様な交番電源からの電圧を印加することで上部ウエハーをＡｒプラズマによりエッチングし洗浄する。次に、（ｂ）のようにチャンバー内を真空に引きＡｒを排出する。場合によっては両電極を１００℃程度に加熱しながら真空引きを行うことにより表面に付着したり部材内部に打ち込まれたＡｒを排出する。その後、封入ガスで封入する場合は封入ガスと置換する。
続いて、図２１（ｆ）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４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、両ウエハーを真空中または封入ガス中で接触させ、加圧して接合させる。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、真空または封入ガスに保持された状態でピストン型ヘッド部が下降することができる。また、場合によっては同時に両電極に仕込まれたヒータにより１８０℃程度に加熱し、強度アップを行う。その後、（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を取り出す。Ａｒと大気または窒素の２ガスを１チャンバーで切り替える方法はガス切替弁８１６にてＡｒと大気ガスを選択して供給することができる。まずＡｒを選択して充填した後、吸入バルブ８１３を閉じてチャンバー内を真空引きしＡｒを排出した後、ガス切替弁８１６にて大気ガスに切り替え、吸入バルブ８１３を開き、チャンバー内を大気で充満させ、チャンバーを開く時に大気解放させることができる。
場合によっては、被接合物の接合に際し、デバイスおよび蓋の位置をアライメントした後、接合する場合もある。図２２に真空引きする前にアライメントする方法を示す。上ウエハー８０７にはアライメント用の上マーク８２３が２箇所に付けられ、下ウエハー８０８にはアライメント用の下マーク８２４が同様な位置２箇所に付けられている。両ウエハーの間に２視野認識手段８２５を挿入し、上下のマーク位置を認識手段で読み取る。２視野の認識手段８２５は上下のマーク像をプリズム８２６により分岐し、上マーク認識手段８２７と下マーク認識手段８２８に分離して読み取る。２視野認識手段８２５はＸＹ軸と場合によってはＺ軸を持ったテーブルで移動され、任意の位置のマークを読み取ることができる。その後、アライメントテーブル８２０により下ウエハー８０８の位置を上ウエハー８０７の位置に補正移動させる。移動後、再度２視野認識手段８２５を挿入して繰り返して補正し、精度を上げることも可能である。
図２３に真空引きした後の接合する前にでもアライメントできる方法を示す。上ウエハー８０７にはアライメント用の上マーク８２３が２箇所に付けられ、下ウエハー８０８にはアライメント用の下マーク８２４が２箇所に付けられている。上下マークは重なっても同視野で認識できるような形状となっている。プラズマ処理後の両ウエハーを近接させ、マーク読みとり用透過部８１９とガラス窓８２１を透過してＩＲ認識手段８２２により下ウエハーを透過して金属でつけられた上下のアライメントマークを同時に認識して位置を読み取る。焦点深度が合わない場合は、ＩＲ認識手段８２２を上下移動させて読み取る場合もある。ＩＲ認識手段８２２はＸＹ軸と場合によってはＺ軸を持ったテーブルで移動され任意の８２０により下ウエハー８０８の位置を上ウエハー８０７の位置に補正移動させる。移動後、再度ＩＲ認識手段２２により繰り返して補正し、精度を上げることも可能である。
なお、封入ガスは、接合部を金とすることにより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、不活性なもの以外のガスでも本実施形態では適用することができる。
また、Ａｒプラズマにてエッチングすることが効率上好ましいが、窒素、酸素など他のガスでエッチングしても構わない。
また、被接合物をプラズマ処理（エネルギー波による処理、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ウエハーを洗浄するのが効率上好ましいが、均一性やダメージ軽減から、該電極をウエハーの保持位置以外の場所に設置して、ウエハーを洗浄（表面活性化処理）しても構わない。
また、ＩＲ認識手段にてマークを読み取る構成において、マーク読みとり用透過部８１９やガラス窓８２１、アライメントテーブル間の空間などにおけるＩＲ光源の通り道は、空間やガラスに限らず、ＩＲ光を透過する材質で構成されていればよい。また、反射光のみならずＩＲ認識手段の反対側に光源を用いて透過光としてもよい。
また、少なくとも一方の被接合物保持手段（ヘッドまたはステージ）の表面に弾性材を配し、被接合物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。
また、ステージ及び／またはヘッドに被接合物保持手段が球面軸受けで保持され、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、平行度をならわせて接合することができる（図２９参照）。
また、本実施形態における接合装置は、被接合物の表面活性化処理（洗浄）から被接合物の接合までを一括した処理として実施できる構成であったが、エネルギー波による表面活性化処理を行う表面活性化装置と、接合を行うと接合装置とは分離しても構わない。
＜第９実施形態＞
本発明の第９実施形態について、図２９を参照しつつ詳述する。この実施形態では、被接合物であるウエハー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Ａｒプラズマ、酸素プラズマにより処理後、接合させ、場合によっては加熱により強度アップさせる装置である。装置構成は、上ウエハー５３７を保持し、Ｚ軸５３１により昇降制御と加圧制御を行うヘッド部と、下ウエハー５３８を保持し、場合によってはウエハーをアライメントするステージ部に分けられる。Ｚ軸５３１には圧力検出手段が組み込まれ、Ｚ軸サーボモータのトルク制御へフィードバックすることで加圧力制御を行う。別途アクチュエータにより昇降可能なチャンバー壁５３３が下降し、チャンバー台５４０に固定パッキン５３５を介して接地した状態で真空に引き、反応ガスを導入してプラズマ処理（表面活性化処理）を行い、ヘッド部が下降して両ウエハーを接合する構成となっている。
また、場合によっては上部電極５３６、下部電極５３９は加熱ヒータも備えており、接合時に加熱することもできる。その後、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、接合することも可能である。大気中アライメントする場合は上下２視野の光学系を両被接合物間に挿入してヘッドまたはステージ側を水平及び回転方向に補正移動させる。真空中でアライメントする場合は下部からステージの一部を透過材で作りＩＲ光源により両被接合物を透過させながら金属からなるアライメントマークを読みとり、ヘッドまたはステージ側を水平及び回転方向に補正移動させれば良い。
また、下部電極（被接合物保持手段）５３９が倣い機構（球面軸受け）５５０で保持され、ウエハーの接合時または接合前にウエハーどうしを接触加圧して、上部電極５３６側の上ウエハー５３７の傾きに下ウエハー５３８の傾きを合わせる構成となっている。このような構成とすれば、ウエハー（被接合物）どうしの平行度をならわせて接合することができる（図２９参照）。倣い機構５５０はロック／フリーを選択するロック機構を持っており、通常はロックさせた状態で、倣わせる時だけフリーとすることができる構成としてもよい。また、一旦、平行度をならわせた後、倣い機構５５０をロックし、その状態を保持してからプラズマ処理（エネルギー波処理）してウエハーどうしアライメント後、接合することもでき、平行度があった状態でアライメントするため、ウエハーの接合時に位置ずれ無く接合することができる。
＜第１０実施形態＞
本発明の第１０実施形態について図３０を参照しつつ詳述する。本実施形態では、真空中でプラズマ洗浄（表面活性化処理）した後、大気中で被接合物を接合する。少なくとも一方の被接合物を洗浄チャンバーに搬入し、洗浄後の被接合物を接合部へ搬出する搬送手段でつなぎ、接合中に後続の被接合物を洗浄する接合装置となる。
接合表面が金または銅からなる被接合物を個別に事前に真空チャンバー内でプラズマ処理することにより表面活性化し、大気中に取り出して接合することができる。洗浄後の被接合物を接合部へ搬出する搬送手段でつなぎ、接合中に後続の被接合物を洗浄することにより、洗浄時間を並列処理できるのでタクトアップすることが可能となる。
また、１つずつではバランスしない場合はトレイなどに複数個入れた状態で一括洗浄すれば良い。また、連続したリール上の被接合物であれば、チャンバー扉にパッキンを介して挟み込んでプラズマ処理すれば良い。また、接合前アライメントする場合は上下２視野の認識手段６６３を両被接合物間に挿入してヘッドまたはステージ側を水平及び回転方向に補正移動させれば良い。上下２視野の認識手段６６３は認識手段移動テーブルにより任意の位置へ移動して位置測定が可能である。
なお、真空中での被接合物の保持手段としては静電チャック方式が望ましいが、メカニカルにチャッキングする方式でも良い。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、メカニカルチャックする方法が密着性が上がり好ましい。
＜第１１実施形態＞
続いて、本発明の第１１実施形態について図３１を参照しつつ詳細に述べる。この実施形態では第１の被接合物である上ウエハーと第２の被接合物である下ウエハーを接合するための装置として例に上げる。まず、装置構成について記述する。上ウエハーを保持するヘッド９０７と下ウエハーを保持するステージ９０８が真空チャンバー９１１中に配置され、ヘッドはトルク制御式昇降駆動モータ９０１が連結されたＺ軸昇降機構（上下駆動機構）９０２とＺ軸昇降機構９０２を回転させるθ軸機構と、ヘッド部を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９０６により、Ｘ、Ｙ、θ方向のアライメント移動手段とＺ方向の昇降手段からなる。
圧力検出手段９０４により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ９０１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が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９０４は被接合物同士の接触検出にも利用できる。ＸＹアライメントテーブル９０６は真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ、θ軸機構は真空チャンバー外部に設置するため、ベローズ９０５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。
ステージ９０８は接合位置と待機位置間をスライド移動手段９２９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間の停止位置を高精度に維持することができる。また、移動手段としては、真空チャンバー内部に組み込んだかたちとしているが、移動手段を外部に配置し、パッキンされた連結棒で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が可能である。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でも対応できる。移動手段はいかなる移動手段であったも良い。
ヘッド及びステージの被接合物保持手段としては、メカニカル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、加熱のためのヒータを備えるとともに、プラズマ電極（エネルギー波照射手段）ともなっており、保持手段、加熱手段、プラズマ発生手段の３つの機能を備える。減圧手段としては、排気管９１５に真空ポンプ９１７がつながれ、排気弁９１６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９１８に吸入ガス切り替え弁９２０が連結され吸気弁９１９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２種類連結でき、例えばＡｒと酸素をつなぐことができる。もう一つは大気解放用の大気または窒素がつながれる。真空度や反応ガス濃度は吸気弁９１９と排気弁９１６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。
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がステージ待機位置の上方とヘッド下方に真空チャンバー外部に配置される。認識手段の数は最低ステージ、ヘッド側に１つずつあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマークがθ方向成分も読みとれる形状や２つのマークを１視野内に配置することで１つの認識手段でも十分読み取ることができるが、本実施形態のようにウエハーのような半径方向に大きなものは両端に２つずつ配置した方がθ方向の精度を高く読み取ることができるので好ましい。
また、認識手段は水平方向や焦点方向へ移動可能な手段を設けて、任意の位置のアライメントマークを読みとれるようにしても良い。また、認識手段は、例えば可視光やＩＲ（赤外）光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。真空チャンバーには認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなる窓が配置され、そこを透過して真空チャンバー中の被接合物のアライメントマークを認識する。被接合物上には例えば各上ウエハー、下ウエハーの対向する表面にアライメントマークが施され位置精度良く認識することができる。アライメントマークは特定の形状であることが好ましいが、ウエハー上に施された回路パターンなどの一部を流用しても良い。また、マークとなるものが無い場合はオリフラなどの外形を利用することもできる。
ステージ待機位置で上下ウエハーの両アライメントマークを読み取り、接合位置へステージを移動させ、ヘッド側でＸ、Ｙ、θ方向へアライメント移動を行う。待機位置の読みとり結果を接合位置で反映させるため、ステージの待機位置と接合位置の相対移動距離ベクトルは繰り返し同じ結果となるよう精度が必要である。そのため、ガイドには高精度な繰り返し精度を持つものを使用し、かつ、両サイドでの位置認識を高精度に読み取るリニアスケールを配置している。
リニアスケールを移動手段にフィードバックすることで停止位置精度を高める方法と移動手段が簡易なシリンダのようなものやボルトナット機構のようなバックラッシュのあるものである場合は、リニアスケールを両停止位置で読み取り、行き過ぎや行き足りない分をヘッド側アライメント移動手段を移動させる時に考慮して補正することで容易に高精度を達成することができる。また、ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識して再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。認識手段が焦点方向に移動手段を持つ場合は上下個別に認識することもできるが、近接させて同時認識した方が精度上より好ましい。
ファインアライメントする場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。画像認識手段としてはサブピクセルアルゴリズムを使用することで赤外線の解像度以上の認識精度を得ることが可能となる。また、近接させてアライメントしておけば接合時に必要なＺ移動量は最低限の数μｍ以内となるため、Ｚ移動に対するガタや傾きを最小限に押さえられ高精度なナノレベルの接合精度を達成することができる。
次に動作フローを図３２を参照しながら解説する。まず、（ａ）に示すように、真空チャンバーの前扉を開いた状態で上ウエハーと下ウエハーをステージとヘッドに保持させる。これは人手でも良いが、カセットから自動でローディングしても良い。次に（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。不純物を取り除くために１０−３ Ｔｏｒｒ以下に減圧することが好ましい。続いて（ｃ）、（ｄ）に示すように、プラズマ反応ガスである例えばＡｒを供給し、例えば１０−２ Ｔｏｒｒ程度の一定の真空度でプラズマ電極にプラズマ発生用電圧を印加し、プラズマを発生させる。
発生されたプラズマイオンは電源が接続された側の電極に保持されたウエハーの表面に向かって衝突し、表面の酸化膜や有機物層などの付着物がエッチングされることにより表面活性化される。同時に両ウエハーを洗浄することも可能であるが、１つのマッチングボックスを切り替えることで交互に洗浄することもできる。また、洗浄後または洗浄中に反応ガスやエッチング物を取り除くために１０−３ Ｔｏｒｒ以下に減圧することが好ましい。接合表面に打ち込まれたＡｒを取り除くには１００〜２００℃程度に加熱を併用することもできる。
続いて、図３２（ｅ）に示すようにステージ待機位置でヘッド側、ステージ側の各々の認識手段で真空中で上下ウエハー上のアライメントマークを読み取り、位置を認識する。続いて（ｆ）に示すように、ステージは接合位置へスライド移動する。この時の認識された待機位置とスライド移動した接合位置の相対移動はリニアスケールを用いて高精度に行われる。ナノレベルの高精度が要求される場合は７に示す工程を追加する。粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを赤外透過して同時認識し、再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。この場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。
続いて、図３２（ｈ）に示すように、ヘッドを下降させ、両ウエハーを接触させ、位置制御から圧力制御へと切り替え加圧する。圧力検出手段により接触を検出し高さ位置を認識しておいた状態で、圧力検出手段の値をトルク制御式昇降駆動モータにフィードバックし設定圧力になるように圧力コントロールする。また、必要に応じて接合時に加熱を加える。常温で接触させた後、昇温させることで精度をキープさせた状態で加熱することができる。続いて（ｉ）に示すように、ヘッド側保持手段を解放し、ヘッドを上昇させる。続いて（ｊ）に示すように、ステージを待機位置に戻し、真空チャンバー内を大気解放する。続いて（ｋ）に示すように、前扉を開けて接合された上下ウエハーを取り出す。人手でも良いが自動でカセットにアンローディングすることが好ましい。
また、洗浄（エネルギー波による処理）時に少なくとも一方の被接合物の対向面に金属電極を配置し、スパッタすることにより該被接合物の接合表面に電極を構成する金属からなる金属膜を形成した後、被接合物どうしを接合することもできる。被接合物を移動させて、被接合物の接合面が対向していない状態で、プラズマを発生させることができるため、接合面（接合部）の対向面にスパッタさせる金属を配置し、その金属をプラズマ発生用の電極とすることにより、該金属が被接合物表面（接合面）にスパッタされ、該金属からなる金属薄膜が形成される。また、スパッタする金属をヘッド側、ステージ側で異なるものを使用することができる。
また、プラズマの反応ガスを一方の被接合物と他方の被接合物とで異なるガスを使用し、個別に洗浄するすることができる。
また、少なくとも一方の被接合物保持手段の表面に弾性材を配し、被接合物の接合時に弾性材を介して両被接合物を加圧してもよい。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。
また、ステージ及び／又はヘッドに被接合物保持手段が球面軸受けで保持される構成としてもよい。このような構成とすれば、被接合物の接合時、または接合前に被接合物どうし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。そのため、被接合物どうしの平行度をならわせて接合することができる。
また、プラズマ処理により被接合物の接合面を表面活性化させて接合しているため、被接合どうしの接合時の加熱温度を従来の錫鉛ハンダの溶融温度である１８３℃以下である１８０℃以下で固相接合することができる。また、１００℃以下でも可能であり、室温でも可能であり好ましい。
また、上記方法で半導体同士を張り合わせることで三次元的な構造にできるため、より集積度を上げた半導体装置を形成できるので好ましい。
また、接合時に超音波振動を併用する場合には、ヘッド９０７はホーン保持部、ホーン、振動子から構成され、振動子による振動がホーンに伝達され、超音波振動をホーンが保持する被接合物へ伝達する。ホーン保持部はホーンや振動子の振動を殺さないように保持する手段からなる。この時の伝達率はホーンと被接合物の摩擦係数と圧力で決まるため、接合が進むにつれ接合面積に比例して加圧力を制御してやることが好ましい。また、ウエハーのような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。
また、上記実施形態では被接合物としてウエハーを上げたが、チップと基板であっても良い。被接合物はウエハーやチップ、基板に限らずいかなる形態のものでも良い。
また、被接合物の保持手段としては静電チャック方式が望ましいが、メカニカルにチャッキングする方式でも良い。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、メカニカルチャックする方法が密着性が上がり好ましい。
また、上記実施形態では、ヘッド側がアライメント移動手段と昇降軸を持ち、ステージ側がスライド軸を持ったが、アライメント移動手段、昇降軸、スライド軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。
また、ステージを移動させた状態でプラズマ洗浄する場合は、ヘッドとステージの電極形状、周囲の形状が似かよっているため電界環境は似かよっている。そのため、プラズマ電源を自動調整するマッチングボックスは個別のものを使用しなくとも、一つのもので電極を切り替え、順次ヘッド側、ステージ側と洗浄することができる。そうすることでコンパクト化、コストダウン化を達成できる。
＜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１実施形態おいて、同一の装置で被接合物の表面活性化処理（洗浄）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被接合物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。
また、上記実施形態において、少なくとも一方の被接合物保持手段（ヘッドまたはステージ）の表面に弾性材を配し、被接合物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。
また、上記実施形態において、ステージ及び／またはヘッドに被接合物保持手段が球面軸受けで保持され、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、平行度をならわせて接合することができる（図２９参照）。
また、超音波発信器とホーンを被接合物保持ツールの代わりに備えることで、前記接合時に加熱接合に代えて超音波振動を与えることで、より容易に固相で金属接合することができる。この場合、低温で接合でき、また、室温でも接合することが可能であるため、熱膨張影響を受けず固相で金属接合できる。振幅を小さく抑え、加圧してから振動を与えることにより位置ずれなく高精度に実装することができる。
また、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及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易くなる。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る。また、１μｍ以下であればより好ましい。また、超音波を印加することで接合荷重は半分以下の１５０ＭＰａ以下に下げられる。金の金属突起を接合する場合、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ことになる。このバンプが半導体回路面上にある場合は、一般的に２００ＭＰａ以上では回路によってはダメージを与えてしまう。実験条件としては、半導体チップに金属突起となる５０μｍ角で高さ２０μｍ、バンプの高さばらつきが１μｍの金バンプを使用した半導体チップを金薄膜基板上へ超音波接合した場合と常温接合した場合、常温接合の場合は、８０ｇ／ｂｕｍｐで始めて接合可能となったが、超音波を印加した場合においては４０ｇ／ｂｕｍｐ以上の荷重で接合が可能であった。よってバンプつぶれ代として１μｍ以上のバンプを押しつぶすことが必要であることが分かる。２０μｍ高さのバンプを金メッキで作る場合において、高さばらつきを１μｍに抑えるのが限界であるため、この程度のバンプを押しつぶすことが必要である。
金属の硬度と接合強度との関係を示す図。 接合界面の凹凸による付着膜の除去状況模式図。 接合時の接合界面での結晶方向の回転模式図。 接合表面粗さと接合強度との関係を示す図。 接合時のヘッド停止時間と接合強度との関係を示す図。 接合時のヘッド停止時の加熱温度と接合強度との関係を示す図。 レベリングの有無による接合荷重と接合強度との関係を示す図。 バンプ表面の粗さを表す模式図。 バンプ高さのばらつきを表す模式図。 レベリングの模式図。 レベリング後のチップと基板との接合を表す模式図。 発光素子の調芯方法説明図。 側面発光素子のＰＬＣ上の光ファイバーへの調芯方法側面図。 側面発光素子の光ファイバー埋め込み型基板への調芯方法側面図。 発行素子調芯接合装置。 金膜の拡散を表す模式図。 平行発光素子の光学路変換手段による側方からの一括認識構成図。 平面発光素子の光学路変換手段による側方からの一括認識構成図。 接合装置を示す図。 接合装置を示す図。 接合過程を示す図。 ２視野認識手段を用いた大気中でのアライメント構成図。 ＩＲ認識手段を用いた真空中でのアライメント構成図。 デバイスのチップレベルの構成図。 デバイスのウエハーレベルの構成図。 ＲＦプラズマ電源図。 パルス波プラズマ電源図。 パルス幅によるダメージ軽減方法。 接合装置を示す図。 洗浄装置および接合装置を示す図。 接合装置を示す図。 接合過程を示す図。
符号の説明
２０…チップ（被接合物）
２０ａ…バンプ（接合部）
２２…チップ（被接合物）
２２ａ…バンプ（接合部）
２５…上下駆動機構
２６…ヘッド部
２８…実装機構（ステージ）
４２，４４…プローブ
５３１…Ｚ軸（上下駆動機構）
５３２…ピストン型ヘッド（ヘッド）
５３９…下部電極（ステージ）
５５０…倣い機構（球面軸受け）

Claims (43)

  1. 金属からなる接合部を有する被接合物どうしを、前記接合部をプラズマで処理した後、１０−５ Ｔｏｒｒ以上の低真空下または大気中で前記接合部どうしを衝合させて加圧することにより該接合部に再付着した有機物や酸化膜からなる付着物層を押し破って室温〜１８０℃以下の低温加熱下で固相で常温接合することを特徴とする接合方法。
  2. 前記接合部の硬度が２０Ｈｖ〜２００Ｈｖであることを特徴とする請求項１記載の接合方法。
  3. 前記接合部は金で構成される請求項１または２記載の接合方法。
  4. 前記被接合物の前記接合部は、硬度が２００Ｈｖ以下である母材の表面に金膜を形成して構成され、
    該被接合物どうしを接合した後、前記金膜を前記母材に拡散させる請求項１または２記載の接合方法。
  5. 前記被接合物は、前記接合部が、前記母材が銅で、該母材の表面に金膜を形成して構成された複数の金属バンプからなる半導体またはＭＥＭＳデバイスであり、該被接合物どうしを接合した後、前記金膜を前記母材に拡散させる請求項４記載の接合方法。
  6. 前記プラズマは減圧プラズマである請求項１〜５のいずれかに記載の接合方法。
  7. 少なくとも一方の前記被接合物が半導体であり、
    交番電源により生じた＋−方向が切り替わる電界によって生成した前記減圧プラズマによって、各前記被接合物の前記接合部をプラズマ洗浄した後、前記被接合物どうしを固相で常温接合する請求項６記載の接合方法。
  8. 前記交番電源は、バイアス電圧Ｖｄｃ値を調整可能なＲＦプラズマ発生電源である請求項７記載の接合方法。
  9. 前記交番電源は、パルス幅を調整可能なパルス波発生電源である請求項７記載の接合方法。
  10. 少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部の表面粗さＲｙが１２０ｎｍ〜２μｍである請求項１〜９のいずれかに記載の接合方法。
  11. 一方の前記被接合物を保持するヘッドと、
    他方の前記被接合物を保持するステージと、
    前記ヘッドまたは前記ステージの少なくとも一方を前記被接合物の接合面とほぼ垂直な方向に位置制御し、かつ、加圧制御が可能な上下駆動機構とを設け、
    少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部の表面粗さＲｙが１２０ｎｍ〜２μｍである前記被接合物どうしを接合する際、該接合時に、前記上下駆動機構を駆動して、前記被接合物どうしを加圧した後、前記上下駆動機構を停止させて、一定時間、前記ヘッドの前記ステージからの高さを一定に保つ請求項１０記載の接合方法。
  12. 少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部をレベリングした後、各前記被接合物の前記接合部を前記プラズマで処理した後、固相で常温接合する請求項１〜９のいずれかに記載の接合方法。
  13. 前記レベリングを対向する前記被接合物により、該被接合物どうしを接合する前に行う請求項１２記載の接合方法。
  14. 減圧下のチャンバー内で、
    接合させる前記被接合物の接合面どうしが対向配置されていない状態において、前記接合部を前記プラズマで処理した後、
    少なくとも一方の前記被接合物を移動させて、前記接合面どうしが対向配置された状態にした後、さらに、
    少なくとも一方の前記被接合物を前記接合面にほぼ垂直な方向へ移動させて、前記接合部どうしを衝合させることにより、前記被接合物どうしを固相で接合する請求項１〜１３のいずれかに記載の接合方法。
  15. 前記接合部を前記プラズマによって処理する際、少なくとも一方の前記被接合物の接合面の対向する位置に金属電極を配置して、スパッタすることにより該被接合物の前記接合面に前記金属電極を構成する金属からなる金属膜を形成し、前記被接合物どうしを固相で接合する請求項１〜１４のいずれかに記載の接合方法。
  16. 大気中で前記被接合物どうしの接合を行う請求項１〜１５のいずれかに記載の接合方法。
  17. 前記被接合物の一方が、前記接合部を電極として電気的に機能するデバイスであって、
    前記接合部の表面が金または銅からなり、接合する前記被接合物の前記接合部を前記プラズマにより洗浄した後、該接合部にガスにより付着層を形成し、大気中で金属電極からなる前記接合部どうしを接触させ、前記デバイスを電気的に機能させた状態で最適位置に調整した後、固相で常温接合する請求項１６記載の接合方法。
  18. 一方の前記被接合物が発光素子であり、該発光素子の電極として機能する前記接合部に電源からのプローブを接触させ、該発光素子を電気的に機能させた状態で、該発光素子の発光点を認識手段により認識し、該発光素子の位置を最適位置に調整した後、固相で常温接合する請求項１７記載の接合方法。
  19. 一方の前記被接合物がチップであり、もう一方の前記被接合物が複数の前記チップを実装するウエハーからなり、複数の前記チップを前記ウエハーに連続して接合する請求項１６〜１８のいずれかに記載の接合方法。
  20. 前記チップを前記ウエハーに連続して接合していく途中において、一定時間経過後、前記ウエハーを再度前記プラズマによって処理し、その後続けて前記チップを該ウエハーに接合する請求項１９記載の接合方法。
  21. 前記被接合物が、半導体もしくはＭＥＭＳデバイスからなるチップ、またはウエハーである請求項１〜２０のいずれかに記載の接合方法。
  22. 請求項１〜２１のいずれかに記載の接合方法で形成された半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスなどのデバイス。
  23. 一方の被接合物を保持するヘッドと、
    他方の被接合物を保持するステージと、
    前記ヘッドまたは前記ステージの少なくとも一方を前記被接合物の接合面とほぼ垂直な方向に加圧制御が可能な上下駆動機構とを備え、
    金属からなる接合部を有する前記被接合物どうしを、前記接合部をプラズマで処理した後、１０ −５ Ｔｏｒｒ以上の低真空下または大気中で前記接合部どうしを衝合させて加圧することにより該接合部に再付着した有機物や酸化膜からなる付着物層を押し破って室温〜１８０℃以下の低温加熱下で固相で常温接合することを特徴とする接合装置。
  24. 前記接合部の硬度が２０Ｈｖ〜２００Ｈｖである被接合物どうしを接合することを特徴とする請求項２３記載の接合装置。
  25. 前記プラズマを発生させるエネルギー波照射手段を備えた請求項２３または２４記載の接合装置。
  26. 前記接合部が金で構成される前記被接合物どうしを接合する請求項２３ないし２５のいずれかに記載の接合装置。
  27. 前記被接合物の前記接合部は、硬度が２００Ｈｖ以下である母材の表面に金膜を形成して構成され、
    該被接合物どうしを接合した後、前記金膜を前記母材に拡散させる請求項２３ないし２５のいずれかに記載の接合装置。
  28. 前記被接合物は、前記接合部が、前記母材が銅で、該母材の表面に金膜を形成して構成された複数の金属バンプからなる半導体またはＭＥＭＳデバイスであり、該被接合物どうしを接合した後、前記金膜を前記母材に拡散させる請求項２７記載の接合装置。
  29. 前記プラズマは減圧プラズマである請求項２３〜２８のいずれかに記載の接合装置。
  30. 少なくとも一方の前記被接合物が半導体であり、
    交番電源により生じた＋−方向が切り替わる電界によって生成した前記減圧プラズマによって、各前記被接合物の前記接合部をプラズマ洗浄した後、前記被接合物どうしを固相で常温接合する請求項２９記載の接合装置。
  31. 前記交番電源は、バイアス電圧Ｖｄｃ値を調整可能なＲＦプラズマ発生電源である請求項３０記載の接合装置。
  32. 前記交番電源は、パルス幅を調整可能なパルス波発生電源である請求項３０記載の接合装置。
  33. 少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部の表面粗さＲｙが１２０ｎｍ〜２μｍである前記被接合物どうしを接合する請求項２３〜３２のいずれかに記載の接合装置。
  34. 前記上下駆動手段は、前記ヘッドまたは前記ステージの少なくとも一方を前記被接合物の接合面とほぼ垂直な方向に位置制御可能に構成されており、
    前記被接合物どうしを接合する際、該接合時に、前記上下駆動機構を駆動して、前記被接合物どうしを加圧した後、前記上下駆動機構を停止させて、一定時間、前記ヘッドの前記ステージからの高さを一定に保つ請求項３３記載の接合装置。
  35. 少なくとも一方の前記被接合物の前記接合部をレベリングした後、各前記被接合物の前記接合部を前記プラズマで処理した後、固相で常温接合する請求項２３〜３２のいずれかに記載の接合装置。
  36. 前記レベリングを、前記ヘッドおよび前記ステージにそれぞれ対向保持された前記被接合物どうしを衝合させることにより行った後、各前記被接合物の前記接合部を前記プラズマで処理した後、固相で常温接合する請求項３５記載の接合装置。
  37. 真空チャンバー内に、
    前記ヘッドと、
    前記ステージと、
    前記上下駆動機構と、
    前記ステージまたは前記ヘッドの少なくとも一方を側方へ移動させる移動手段とを備え、
    前記エネルギー波照射手段は、各前記被接合物に対して個別に前記プラズマによる処理を行うことが可能に構成されており、
    減圧下の前記真空チャンバー内で、
    前記移動手段によって、接合させる前記被接合物の接合面どうしが対向配置されていない状態にして、前記接合部を前記プラズマで処理した後、
    少なくとも一方の前記被接合物を移動させて、前記接合面どうしが対向配置された状態にした後、さらに、
    前記上下駆動機構によって、少なくとも一方の前記被接合物を前記接合面にほぼ垂直な方向へ移動させて、前記接合部どうしを衝合させることにより、前記被接合物どうしを固相で接合する請求項２５〜３６のいずれかに記載の接合装置。
  38. 前記接合部を前記プラズマによって処理する際、少なくとも一方の前記被接合物の接合面の対向する位置に金属電極を配置して、スパッタすることにより該被接合物の前記接合面に前記金属電極を構成する金属からなる金属膜を形成し、前記被接合物どうしを固相で接合する請求項２３〜３７のいずれかに記載の接合装置。
  39. 大気中で前記被接合物どうしの接合を行う請求項２３〜３８のいずれかに記載の接合装置。
  40. 前記被接合物の一方が、前記接合部を電極として電気的に機能するデバイスであって、
    前記機能デバイスを保持する前記ヘッドと、
    他方の前記被接合物を保持する前記ステージと、
    前記ヘッドまたは前記ステージの少なくとも一方を上下動する前記上下駆動機構と、
    前記機能デバイスを電気的に機能させるプローブと、
    前記機能デバイスの機能を認識する認識手段と、
    前記機能デバイスと前記被接合物の相対的な位置を補正するアライメントテーブルとを備え、
    前記接合部の表面が金または銅からなり、接合する前記被接合物の前記接合部を前記プラズマにより洗浄した後、該接合部にガスにより付着層を形成し、大気中で金属電極からなる前記接合部どうしを接触させ、前記デバイスを電気的に機能させた状態で最適位置に調整した後、固相で常温接合する請求項３９記載の接合装置。
  41. 一方の前記被接合物が発光素子であり、該発光素子の電極として機能する前記接合部に前記プローブを接触させ、該発光素子を電気的に機能させた状態で、該発光素子の発光点を認識手段により認識し、該発光素子の位置を最適位置に調整した後、固相で常温接合する請求項４０記載の接合装置。
  42. 一方の前記被接合物がチップであり、もう一方の前記被接合物が複数の前記チップを実装するウエハーからなり、複数の前記チップを前記ウエハーに連続して接合する請求項３９〜４１のいずれかに記載の接合装置。
  43. 前記チップを前記ウエハーに連続して接合していく途中において、一定時間経過後、前記ウエハーを再度前記プラズマによって処理し、その後続けて前記チップを該ウエハーに接合する請求項４２記載の接合装置。
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