JP4671900B2 - Joining method and joining apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、基板の接合面同士を接合させるための接合方法および装置、ならびに、その方法および装置により製造される接合基板に関するものである。 The present invention relates to a bonding method and apparatus for bonding bonding surfaces of substrates, and a bonded substrate manufactured by the method and apparatus.
従来、半導体素子,弾性表面波素子、その他各種の電子素子などにおいて、それらを大気中に存在する水分や酸素などの影響から保護する方法として、容器内部に電子素子を収納し、容器内部を密閉して電子素子を封止する技術が知られている。 Conventionally, as a method for protecting semiconductor elements, surface acoustic wave elements, and other various electronic elements from the influence of moisture, oxygen, etc. existing in the atmosphere, the electronic elements are accommodated inside the container and the interior of the container is sealed. Thus, a technique for sealing an electronic element is known.
このような電子素子を内部空間に配置して封止した電子デバイスでは、容器内部の気密性(密閉性)を向上させて水分などの浸入を、より確実に防止するための様々な技術が提案されている。例えば従来では、底面に電子素子が実装されたキャビティ(凹部)を有するセラミック基板の開口部を金属蓋で覆い、セラミック基板と金属蓋とを、はんだやガラスパウダーなどを用いて、接合および封止することが行われている。 For electronic devices in which such electronic elements are placed and sealed in the internal space, various technologies have been proposed to improve the air tightness (sealing property) inside the container and prevent moisture and other substances from entering more reliably. Has been. For example, conventionally, an opening of a ceramic substrate having a cavity (concave portion) having an electronic element mounted on the bottom surface is covered with a metal lid, and the ceramic substrate and the metal lid are joined and sealed using solder, glass powder, or the like. To be done.
一方、フリップチップボンディングにより搭載された電子素子と基板との空隙を密閉して、電子素子を封止する技術も利用されている。例えば、特許文献1では、表面弾性波デバイスの製造において、表面弾性波チップがフリップチップ接続されたパッケージ基板上を低融点ガラスを用いて封止することにより、樹脂を用いて封止する場合に比べて高い気密性を得るようにした技術が記載されている。 On the other hand, a technique of sealing an electronic element by sealing a gap between the electronic element mounted by flip chip bonding and the substrate is also used. For example, in Patent Document 1, in the manufacture of a surface acoustic wave device, a package substrate to which a surface acoustic wave chip is flip-chip connected is sealed with a low-melting glass, thereby sealing with a resin. A technique for obtaining higher airtightness is described.
ところで、特許文献1に記載されているように、低融点ガラスにより封止したり、あるいは容器を構成する部材を、はんだやガラスパウダーにて接合する場合は、高い気密性を得ることができる反面、高温にて低融点ガラスやはんだを溶融するための加熱処理が必要となり、耐熱性の低い電子素子の封止には適していない。特に、化合物半導体などの電子素子は耐熱性が低いため、高温加熱により損傷する可能性が高い。 By the way, as described in Patent Document 1, when sealing with a low melting point glass or joining members constituting a container with solder or glass powder, high airtightness can be obtained. Heat treatment for melting low melting glass or solder at a high temperature is required, and it is not suitable for sealing an electronic element having low heat resistance. In particular, electronic devices such as compound semiconductors have low heat resistance, and thus are highly likely to be damaged by high-temperature heating.
また、シリコン基板に電子素子を直接形成し、ガラス製の蓋を用いて、400℃で加熱して陽極接合でシリコン基板とガラス製の蓋とを接合することにより密閉する方法もある。この場合は、基板同士を直接密閉接合した後、ダイシング法により個片に分離する。しかし、陽極接合では温度が高いために、耐熱性の低い部品は熱損傷を受ける可能性がある。 There is also a method in which an electronic element is directly formed on a silicon substrate and sealed by using a glass lid and heating at 400 ° C. to join the silicon substrate and the glass lid by anodic bonding. In this case, the substrates are directly sealed and separated into individual pieces by a dicing method. However, due to the high temperature in anodic bonding, parts with low heat resistance may be thermally damaged.
温度を低下して接合するための処理方法として、特許文献2には親水化処理して接合する方法が記載されている。
しかしながら、特許文献2に記載されている接合方法では、真空中の加熱下で接合するため、基板前面に均一に加熱されないで接合される可能性が高く、チップの個片に分割したときに信頼性が劣り、最終製品の歩留まりが低下する。また、真空中で加熱接合するため、生産性が低下するという課題がある。 However, in the bonding method described in Patent Document 2, since bonding is performed under heating in a vacuum, there is a high possibility that bonding is performed without being heated uniformly on the front surface of the substrate. Inferior, resulting in a decrease in the yield of the final product. Moreover, since it heat-joins in a vacuum, there exists a subject that productivity falls.
本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、接合対象である基板を低温にて、高生産性かつ高信頼性にて密閉空間状態で接合することができる接合方法および接合装置、ならびに、その方法および装置にて製造される接合基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and a bonding method and a bonding apparatus that can bond substrates to be bonded at a low temperature in a sealed space state with high productivity and high reliability, and An object is to provide a bonded substrate manufactured by the method and apparatus.
前記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、基板の接合面同士を接合させるための接合方法であって、一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄工程と、エネルギ波を照射するための電力を徐々に減少させ、電力をゼロにして前記エネルギ波の照射を停止する工程と、エネルギ波の照射を停止した後、前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合工程とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a bonding method for bonding the bonding surfaces of the substrates to each other, wherein the bonding surface of one substrate and the bonding surface of the other substrate are made of water or water vapor. A cleaning process for cleaning by irradiating energy waves in the atmosphere, a process for gradually reducing the power for irradiating energy waves, setting the power to zero and stopping the irradiation of the energy waves, And a bonding step of bonding the cleaned bonding surfaces of the one substrate and the other substrate while applying pressure after the irradiation is stopped .
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の接合方法において、洗浄工程を大気圧より低い圧力の減圧雰囲気中で行うことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the bonding method according to the first aspect, the cleaning step is performed in a reduced pressure atmosphere having a pressure lower than the atmospheric pressure.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2記載の接合方法において、洗浄工程において、圧力が120Pa〜300Paの雰囲気中で洗浄することを特徴とする。
The invention described in
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3いずれか1項記載の接合方法において、洗浄工程の前に、アルゴンガスあるいは酸素ガスあるいはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスの雰囲気中でエネルギ波により洗浄することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the joining method according to any one of the first to third aspects, an energy wave is generated in an atmosphere of argon gas, oxygen gas, or a mixed gas of argon gas and oxygen gas before the cleaning step. It is characterized by washing | cleaning by.
請求項5に記載の発明は、請求項1記載の接合方法において、接合工程の後、接合された両基板を大気圧中で加熱する加熱工程を有することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the bonding method according to the first aspect, after the bonding step, there is a heating step of heating both the bonded substrates in atmospheric pressure.
請求項6に記載の発明は、請求項1または4記載の接合方法において、エネルギ波として、プラズマ放電、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビームのいずれかを用いることを特徴とする。
The invention described in
請求項7に記載の発明は、請求項1記載の接合方法において、各基板の接合面を、水酸基を介在した状態で接合することを特徴とする。 The invention according to claim 7 is characterized in that, in the bonding method according to claim 1, the bonding surfaces of the respective substrates are bonded in a state where a hydroxyl group is interposed.
請求項8に記載の発明は、基板の接合面同士を接合させるための接合装置であって、一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄手段と、洗浄終了後に、エネルギ波を照射するための電力を徐々に減少させ、電力をゼロにして前記エネルギ波の照射を停止する制御部と、エネルギ波の照射を停止した後、前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合手段とを備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 8 is a bonding apparatus for bonding the bonding surfaces of the substrates, and the energy wave is applied to the bonding surface of one substrate and the bonding surface of the other substrate in an atmosphere of water or water vapor. A cleaning means for cleaning by irradiating, a controller for gradually decreasing the power for irradiating the energy wave after the cleaning is completed, and setting the power to zero to stop the irradiation of the energy wave; After stopping, a bonding means for bonding the cleaned bonding surfaces of the one substrate and the other substrate while applying pressure is provided.
請求項9に記載の発明は、請求項8記載の接合装置において、制御部が、さらに、洗浄における雰囲気を、圧力を120Pa〜300Paである雰囲気に設定することを特徴とする。 The invention according to claim 9, in the bonding apparatus according to claim 8, the control unit is further an atmosphere in the wash, and wherein the Turkey set atmosphere is a 120Pa~300Pa pressure.
請求項10に記載の発明は、請求項8または9記載の接合装置において、洗浄の前に、アルゴンガスあるいは酸素ガスあるいはアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスの雰囲気中でエネルギ波により洗浄する手段を備えたことを特徴とする。 Invention according to claim 1 0, in the joining apparatus according to claim 8 or 9 wherein, prior to washing, means for cleaning the energy wave in an argon gas or oxygen gas or argon gas and in an atmosphere of a mixed gas of oxygen gas It is provided with.
請求項11に記載の発明は、請求項8または10記載の接合装置において、エネルギ波が、プラズマ、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビームのいずれかであることを特徴とする。 The invention of claim 1 1, in the bonding apparatus according to claim 8 or 10, wherein the energy waves, plasma, ion beam, atomic beam, characterized in that either a radical beam.
本発明によれば、接合対象である対向する基板の接合面を、水を用いた雰囲気中でプラズマなどのエネルギ波を照射して洗浄することにより、低温にて接合することができる。その際、事前に不活性ガスによるプラズマ処理を行ったり、前記プラズマ処理する際の電力停止を、徐々に電力を減少させるようにすることにより、より低温接合の処理効果を向上することができる。さらに、接合後に大気中にて加熱することにより、信頼性が向上する。このようにしたことにより、基板を低温にて信頼性高く、かつ強固に接合することが可能になる。 According to the present invention, the bonding surfaces of opposing substrates to be bonded can be bonded at a low temperature by cleaning them by irradiating energy waves such as plasma in an atmosphere using water. At that time, the processing effect of the low temperature bonding can be improved by performing plasma processing with an inert gas in advance, or by gradually reducing the power when the plasma processing is stopped. Furthermore, reliability is improved by heating in the atmosphere after bonding. By doing in this way, it becomes possible to bond a board | substrate highly reliably and firmly at low temperature.
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明に係る接合基板の実施形態である電子素子パッケージの構成を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an electronic device package which is an embodiment of a bonded substrate according to the present invention.
図1において、電子素子パッケージ1は、内部に電子素子である半導体素子11が複数個形成された一方の接合対象としての基板12と、半導体素子11を収納するための複数個のキャビティ(凹)部14を有する他方の接合対象の基板としての蓋部材13とからなる。
In FIG. 1, an electronic device package 1 includes a
蓋部材13には、キャビティ部14と、最終的に基板12と蓋部材13とを接合した後、チップにダイシング加工するための溝加工部15が施されている。基板12と蓋部材13はSi(シリコン)からなる。
The
基板12には、半導体素子11からの電気信号を受発信するための電気回路(図示せず)が形成されており、銅18が埋め込まれたスルーホール16を通して外部と電気的に接続されている。17はダイシング加工した後の個片のチップを外部基板に実装するための電極である。
An electric circuit (not shown) for receiving and transmitting electric signals from the semiconductor element 11 is formed on the
図2は前記構成の電子素子パッケージの製造工程を示すフローチャートであって、電子素子パッケージ1は、基板12と蓋部材13を接合して形成される。
FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of the electronic element package having the above-described configuration. The electronic element package 1 is formed by bonding a
図2において、まず、基板12の形成工程について説明する。基板12の基材であるSi基板に複数個の半導体素子11を形成する(S1)。次に、Si基板にドライエッチング加工でスルーホール16を形成する(S2)。次に、銅18をメッキでスルーホール16に埋め込み(S3)、最後に、スパッタ法およびレジスト塗布,露光,現像,エッチング工程を経て電極17を形成する(S4)。
In FIG. 2, first, the formation process of the
次に、蓋部材13の製造工程について説明する。蓋部材13の基材であるSi基板をレジスト塗布,露光,現像工程を経て、ドライエッチング加工によりキャビティ部14を形成する(S5)。
Next, the manufacturing process of the
前記のようにして製造した基板12と蓋部材13とに対し、接合前に後述する改質処理を施し、基板12と蓋部材13とを接合する。
The
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態1について図3を参照して説明する。図3は本発明に係る接合装置の実施形態1である改質/接合装置の概略構成を示す断面図である。 Next, Embodiment 1 of the joining method and apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a reforming / bonding apparatus which is Embodiment 1 of the bonding apparatus according to the present invention.
図3において、反応室20は、ガス導入口21と真空排気口22を有し、かつ接地されている。高周波電極23上に、図1に示す構成の基板12が載置され、高周波発振器24からの電力が、図示しないマッチングチューナーおよび高周波電力供給部を通って、高周波電極23に供給される。高周波電極23は、絶縁リング25により反応室20に対して絶縁が保たれている。高周波電極23,絶縁リング25と反応室20は、Oリング(図示せず)により真空に保たれている。26はOリングが150℃以上に加熱されないように冷却水を流すための冷却溝である。
In FIG. 3, the reaction chamber 20 has a gas introduction port 21 and a vacuum exhaust port 22 and is grounded. The
27は上部高周波電極であって、図1に示す構成の蓋部材13を落下しないように保持する静電チャック28が埋め込まれている。該静電チャック28とは、静電チャック28に電圧を印加してクーロン力で蓋部材13を固定する冶具である。上部高周波電極27は高周波電極23と対向する位置に配設されており、高周波発振器29からの電力が、図示しないマッチングチューナー,高周波電力供給部を通って上部高周波電極27に供給される。
An upper high-frequency electrode 27 is embedded with an
また、上部高周波電極27は、ベローズ部材30に固定されていて、上下に移動が可能である。上部高周波電極27は、絶縁リング31により反応室20と絶縁が保たれている。上部高周波電極27,絶縁リング31と反応室20は、Oリング(図示せず)により真空に保たれている。ベローズ部材30と絶縁リング31間にもOリング(図示せず)が介在しており、反応室20の真空を保つ構造となっている。32は、Oリングが150℃以上に加熱されないように冷却水を流すための冷却溝である。
The upper high-frequency electrode 27 is fixed to the
高周波発信器29からの高周波電力が、静電チャック28の電源(図示せず)に入力されないように、静電チャック28と電源の配線間にはノイズフィルタ(図示せず)が組み込まれている。
A noise filter (not shown) is incorporated between the
33はアース電極であって、アース電極用ベローズ部材34に固定されており、アース電極用ベローズ部材34により移動可能になっている。
An earth electrode 33 is fixed to the earth electrode bellows
前記高周波電極23と前記上部高周波電極27とが、本実施形態1における洗浄手段と接合手段の主要部をなしている。 The high-frequency electrode 23 and the upper high-frequency electrode 27 form the main part of the cleaning means and the joining means in the first embodiment.
以上のように構成された実施形態1の改質/接合装置における電子素子パッケージの製造工程について、以下説明する。 The manufacturing process of the electronic element package in the reforming / bonding apparatus of Embodiment 1 configured as described above will be described below.
ガス導入口21から水蒸気(水も可)を20sccm流しながら、反応室20内の真空度を20Paに保った状態で高周波電極23および上部高周波電極27に200Wの高周波を印加する。高周波電極23とアース電極33間、および上部高周波電極27とアース電極33間のそれぞれでプラズマ放電し、酸素イオン,水素イオン,酸素ラジカル,水素ラジカルと電子が発生する。 A high frequency of 200 W is applied to the high-frequency electrode 23 and the upper high-frequency electrode 27 while keeping the degree of vacuum in the reaction chamber 20 at 20 Pa while flowing water vapor (water is also acceptable) from the gas inlet 21. Plasma discharge occurs between the high-frequency electrode 23 and the ground electrode 33, and between the upper high-frequency electrode 27 and the ground electrode 33, and oxygen ions, hydrogen ions, oxygen radicals, hydrogen radicals, and electrons are generated.
前記プラズマ処理を基板12および蓋部材13に対して30秒間処理する。プラズマ中に曝された基板12および蓋部材13の接合面上には、プラズマ中にある酸素イオンや水素イオンが照射され、基板12および蓋部材13の接合面は、イオンの照射によりスパッタ作用にて汚染物が除去され、清浄な表面となる(洗浄工程)。
The plasma treatment is performed on the
また、酸素ラジカルや水素ラジカルにより、基板12および蓋部材13の接合面上には、水酸基(−OH)が形成される。
In addition, hydroxyl groups (—OH) are formed on the bonding surfaces of the
プラズマ処理後、高周波発信器24,29からの高周波電力を停止し、ガス導入口21からの水蒸気の供給を停止する。 After the plasma processing, the high frequency power from the high frequency transmitters 24 and 29 is stopped, and the supply of water vapor from the gas inlet 21 is stopped.
次に、アース電極用ベローズ部材34を伸長してアース電極33を外方へ移動させ、また、ベローズ30を圧縮させて上部高周波電極27を下方に移動させ、上部高周波電極27上の蓋部材13と高周波電極23上の基板12とを接触させて、5×105N/m2の圧力で加圧して接合する(接合工程)。
Next, the ground electrode bellows
以上のように実施形態1によれば、基板12および蓋部材13に対して水蒸気を供給したプラズマ処理を行うことにより、基板12および蓋部材13の表面(接合面)は、洗浄され、かつ水酸基が形成されているため、室温での接合が可能となる。
As described above, according to the first embodiment, the surface (bonding surface) of the
これにより、室温で作製した電子素子パッケージ1をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。この電子素子パッケージ1のシェア強度を測定した結果、3.4×107N/m2となった。また、5×105N/m2の圧力で加圧しないで、接合した場合には、基板のそり状態によって、強度のばらつきが大きい結果となった。 As a result, the electronic device package 1 manufactured at room temperature was diced and divided into chips, and as a result, good bonding could be obtained. As a result of measuring the shear strength of the electronic device package 1, it was 3.4 × 10 7 N / m 2 . Moreover, when it joined without pressurizing with the pressure of 5 * 10 < 5 > N / m < 2 >, the result of the dispersion | variation in intensity | strength was large depending on the curvature state of the board | substrate.
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態2について図4を参照して説明する。図4は本発明に係る接合装置の実施形態2である改質/接合装置の概略構成を示す断面図である。 Next, Embodiment 2 of the joining method and apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a reforming / bonding apparatus which is Embodiment 2 of the bonding apparatus according to the present invention.
図4において、40は反応室であって、図1に示す構成の基板12が基板台41上に載置され、蓋部材13が上部基板台42に固定される。上部基板台42には、静電チャック43が埋め込まれ、この静電チャック43に電圧を印加することにより、蓋部材13が静電チャック43に吸着される。上部基板台42は、ベローズ部材44に取り付けられている。このベローズ部材44を上下することにより、上部基板台42は上下に移動することができる。45は真空排気口である。
In FIG. 4, reference numeral 40 denotes a reaction chamber. The
46は基板12を改質するための基板用中性ビーム源であり、47は蓋部材13を改質するための蓋部材用中性ビーム源である。両中性ビーム源46,47には、それぞれガス供給配管48,49と電力供給配線50,51が接続されている。ガス供給配管48,49と電力供給配線50,51は、供給コネクター52,53により真空度が保たれている。
46 is a neutral beam source for the substrate for modifying the
前記基板用中性ビーム源46と前記蓋部材用中性ビーム源47とが本実施形態2における洗浄手段の主要部をなし、前記基板台41と前記上部基板台42とが本実施形態2における接合手段の主要部をなしている。
The neutral beam source for substrate 46 and the neutral beam source for
以上のように構成された実施形態2の改質/接合装置における電子素子パッケージの製造工程について、以下説明する。 The manufacturing process of the electronic device package in the reforming / bonding apparatus of Embodiment 2 configured as described above will be described below.
反応室40を真空度10−5Paまで真空引きした後、中性ビーム源46,47それぞれにガス供給配管48,49に水蒸気を20sccm供給し、電力供給配線50,51から電圧1.2KVを印加する。反応室40は、水蒸気が供給されているため、真空度は10−2Paに保たれている。中性ビーム源46,47中にはプラズマが発生し、各中性ビーム源46,47それぞれから酸素ラジカルおよび水素ラジカルが引き出される。
After the reaction chamber 40 is evacuated to a vacuum degree of 10 −5 Pa, 20 sccm of water vapor is supplied to the
基板12は、基板用中性ビーム源46により酸素ラジカルおよび水素ラジカルが照射され、蓋部材13は、蓋部材用中性ビーム源47により酸素ラジカルおよび水素ラジカルが照射される。基板12および蓋部材13の接合面は、スパッタリング作用で洗浄され、かつ水素ラジカルや酸素ラジカルにより水酸基(−OH)が形成される(洗浄工程)。
The
酸素ラジカルおよび水素ラジカルを60秒照射した後、蓋部材13を固定している上部基板台42を下降し、蓋部材13を基板12に接触させ、5×105N/m2の圧力で加圧して接合する(接合工程)。
After irradiating oxygen radicals and hydrogen radicals for 60 seconds, the upper substrate base 42 to which the
このようにして作製した電子素子パッケージ1である接合基板のシェア強度を測定した結果、3.5×107N/m2となった。 As a result of measuring the shear strength of the bonded substrate which is the electronic device package 1 manufactured as described above, it was 3.5 × 10 7 N / m 2 .
以上のように本実施形態2によれば、基板12および蓋部材13に対して、水蒸気を供給した中性ビーム源46,47で処理することにより、基板12および蓋部材13の接合面は、スパッタリング作用で洗浄され、かつ水酸基が形成されているため、室温での接合が可能となる。室温で形成した電子パッケージ1をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。
As described above, according to the second embodiment, by treating the
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態3について図3を参照して説明する。なお、以下の説明において、図3にて既に説明した部材には同一符号を付して、その説明は省略し、実施形態3の改質/接合装置における電子素子パッケージの製造工程について説明する。
Next,
ガス導入口21からアルゴンガスを10sccm流しながら、反応室20内の真空度を20Paに保った状態で高周波電極23および上部高周波電極27に200Wの高周波を印加する。これにより高周波電極23とアース電極33間、および上部高周波電極27とアース電極33間のそれぞれでプラズマ放電してアルゴンイオンを発生する。このプラズマ処理を基板12および蓋部材13に対して30秒間処理する。プラズマ中に曝された基板12および蓋部材13の接合面上には、プラズマ中にあるアルゴンイオンが照射され、基板12および蓋部材13の接合面は、イオンの照射によりスパッタ作用で汚染物が除去され、清浄な表面となる(前洗浄工程)。
While flowing argon gas from the gas inlet 21 at 10 sccm, a high frequency of 200 W is applied to the high-frequency electrode 23 and the upper high-frequency electrode 27 while maintaining the degree of vacuum in the reaction chamber 20 at 20 Pa. Thereby, plasma discharge is generated between the high-frequency electrode 23 and the ground electrode 33 and between the upper high-frequency electrode 27 and the ground electrode 33 to generate argon ions. This plasma treatment is performed on the
次に、ガス導入口21から水蒸気を20sccm流しながら、反応室20内の真空度を20Paに保った状態で高周波電極23および上部高周波電極27に200Wの高周波を印加する。これにより高周波電極23とアース電極33間、および上部高周波電極27とアース電極33間のそれぞれでプラズマ放電し、酸素イオン,水素イオン,酸素ラジカル,水素ラジカルと電子を発生する。このプラズマ処理を基板12および蓋部材13に対して30秒間処理する。プラズマ中に曝された基板12および蓋部材13の接合面上には、プラズマ中にある酸素イオンや水素イオンが照射され、このイオンの照射によるスパッタ作用によって、基板12および蓋部材13の接合面は、汚染物が除去されて清浄な表面となる(洗浄工程)。
Next, a high frequency of 200 W is applied to the high-frequency electrode 23 and the upper high-frequency electrode 27 while maintaining the degree of vacuum in the reaction chamber 20 at 20 Pa while flowing water at 20 sccm from the gas inlet 21. As a result, plasma discharge occurs between the high-frequency electrode 23 and the ground electrode 33 and between the upper high-frequency electrode 27 and the ground electrode 33 to generate oxygen ions, hydrogen ions, oxygen radicals, hydrogen radicals, and electrons. This plasma treatment is performed on the
また、酸素ラジカルや水素ラジカルにより、基板12および蓋部材13の接合面上には、水酸基(−OH)が形成される。
In addition, hydroxyl groups (—OH) are formed on the bonding surfaces of the
プラズマ処理後、高周波発信器24,29からの高周波電力を停止し、ガス導入口21からの水蒸気の供給を停止する。次に、アース電極用ベローズ部材34を伸長してアース電極33を外方へ移動させ、また、ベローズ部材30を圧縮して上部高周波電極27を下方に移動し、上部高周波電極27上の蓋部材13と高周波電極23上の基板12とを接触させて、5×105N/m2の圧力で加圧して接合する(接合工程)。
After the plasma processing, the high frequency power from the high frequency transmitters 24 and 29 is stopped, and the supply of water vapor from the gas inlet 21 is stopped. Next, the ground electrode bellows
以上のように本実施形態3によれば、基板12および蓋部材13に対して、最初にアルゴンガスを供給してアルゴンイオンによりプラズマ処理して第1の洗浄を行った後、水蒸気を供給したプラズマ処理して第2の洗浄を行うことにより、基板12および蓋部材13の接合面が良好に洗浄され、かつ水酸基が形成されているため、室温での接合が可能となる。このように室温で形成した電子パッケージ1をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。
As described above, according to the third embodiment, the
特に、実施形態1の電子パッケージに比べて、アルゴンイオンにより基板を洗浄する効果が大きく、より良好な結果が得られた。シェア強度を測定した結果、4.2×107N/m2となった。ダイシング加工してチップに分割した場合、実施形態3では、実施形態1のチップ不良率(基板と蓋部材が剥がれる状態)よりも1.2%向上した。これは、アルゴンのスパッタ率が水素イオンや酸素イオンに比べて高いため、水酸基を形成する前に、より良好な洗浄効果が得られるためと考えられる。
In particular, compared with the electronic package of Embodiment 1, the effect of cleaning the substrate with argon ions was large, and a better result was obtained. As a result of measuring the shear strength, it was 4.2 × 10 7 N / m 2 . In the case of dicing and dividing into chips, in
次に、本発明に係る接合方法および装置の実施形態4について図3を参照して説明する。なお、以下の説明において、図3にて既に説明した部材には同一符号を付して、その説明は省略し、実施形態4の改質/接合装置における電子素子パッケージの製造工程について説明する。
Next,
ガス導入口21から水蒸気を20sccm流しながら、反応室20内の真空度を20Paに保った状態で、高周波電極23および上部高周波電極27に200Wの高周波を印加する。これにより高周波電極23とアース電極33間、および上部高周波電極27とアース電極間のそれぞれでプラズマ放電して、酸素イオン,水素イオン,酸素ラジカル,水素ラジカルと電子を発生する。このプラズマ処理を基板12および蓋部材13に対して30秒間処理する。プラズマ中に曝された基板12および蓋部材13の接合面上には、プラズマ中にある酸素イオンや水素イオンが照射され、基板12および蓋部材13の接合面は、イオンの照射によるスパッタ作用によって汚染物が除去され、清浄な表面となる(洗浄工程)。
A high frequency of 200 W is applied to the high-frequency electrode 23 and the upper high-frequency electrode 27 in a state where the degree of vacuum in the reaction chamber 20 is maintained at 20 Pa while flowing water vapor at 20 sccm from the gas inlet 21. As a result, plasma discharge is generated between the high-frequency electrode 23 and the ground electrode 33 and between the upper high-frequency electrode 27 and the ground electrode to generate oxygen ions, hydrogen ions, oxygen radicals, hydrogen radicals, and electrons. This plasma treatment is performed on the
また、酸素ラジカルや水素ラジカルにより、基板12および蓋部材13の接合面上には、水酸基(−OH)が形成される。
In addition, hydroxyl groups (—OH) are formed on the bonding surfaces of the
本実施形態4では、30秒間プラズマ処理した後、電力を200Wから0Wにせずに、図5に示すように、30秒後に、高周波発信器24,29からの高周波電力を10秒かけて徐々に電圧を減少させる。そして、高周波発信器24,29からの高周波電力を停止した後、ガス導入口21からの水蒸気の供給を停止する。 In the fourth embodiment, after the plasma treatment for 30 seconds, the high-frequency power from the high-frequency transmitters 24 and 29 is gradually increased over 10 seconds after 30 seconds as shown in FIG. 5 without changing the power from 200 W to 0 W. Reduce voltage. And after stopping the high frequency electric power from the high frequency transmitters 24 and 29, supply of the water vapor | steam from the gas inlet 21 is stopped.
次に、アース電極用ベローズ部材34を伸長し、アース電極33を外方へ移動させ、また、ベローズ部材30を圧縮して上部高周波電極27を下方に移動し、上部高周波電極27上の蓋部材13と高周波電極23上の基板12とを接触させて、5×105N/m2の圧力で加圧して接合する(接合工程)。
Next, the ground electrode bellows
以上のように本実施形態4によれば、基板12および蓋部材13に対して水蒸気を供給したプラズマ処理により、基板12および蓋部材13の接合面は洗浄され、かつ水酸基が形成される。また、高周波電力を徐々に減少させることにより、水酸基がプラズマにより、再度スパッタされることなく、実施形態1より水酸基の表面上の濃度を向上させることができ、室温での接合がより強固となる。
As described above, according to the fourth embodiment, the bonding surface of the
本実施形態4により室温で形成した電子パッケージ1をダイシング加工して、チップに分割した結果、良好な接合を得ることができた。シェア強度を測定した結果、3.7×107N/m2となった。 As a result of dicing the electronic package 1 formed at room temperature according to the fourth embodiment and dividing it into chips, good bonding could be obtained. As a result of measuring the shear strength, it was 3.7 × 10 7 N / m 2 .
次に、本発明に係る接合方法の実施形態5について説明する。 Next, Embodiment 5 of the joining method according to the present invention will be described.
本実施形態5における改質/接合装置は、前記実施形態1で用いた図3に示す装置と同じである。同装置において、反応室20内の真空度の圧力を変更して接合強度を測定したところ、図6に示すように、接合強度は、圧力20Paの場合(実施形態1の場合)には3.4×107N/m2であるのに対して、150Paでは4.1×107N/m2、また200Paでは4.2×107N/m2となり、圧力が高いほど、接合強度は高い傾向となった。ただし、350Paでは放電が安定せずに異常放電が発生した。
The reforming / bonding apparatus in the fifth embodiment is the same as the apparatus shown in FIG. 3 used in the first embodiment. In the same apparatus, when the bonding strength was measured by changing the pressure of the degree of vacuum in the reaction chamber 20, as shown in FIG. 6, the bonding strength was 3 in the case of a pressure of 20 Pa (in the case of Embodiment 1). Whereas it is 4 × 10 7 N / m 2, it is 4.1 × 10 7 N /
よって、圧力が120Pa〜300Paが、接合強度においては良好であることが判明した。これは、圧力が20Paのときは、イオンによる照射が多いが、100Pa以上の圧力が高い領域では、イオンよりラジカルが増加し、より水酸基が結合したためと考えられる。 Therefore, it was found that the pressure of 120 Pa to 300 Pa is good in the bonding strength. This is presumably because when the pressure is 20 Pa, there is much irradiation with ions, but in the region where the pressure is 100 Pa or higher, radicals are increased more than ions and more hydroxyl groups are bonded.
以上のように、本実施形態5によれば、接合時の圧力を120〜300Paにすることにより、より接合強度の高い信頼性ある接合を実現することができる。 As described above, according to the fifth embodiment, by setting the pressure at the time of bonding to 120 to 300 Pa, it is possible to realize a reliable bonding with higher bonding strength.
次に、本発明の実施形態6における接合方法について説明する。
Next, the joining method in
本発明の実施形態6における改質/接合装置において、前記実施形態1で用いた図3に示す装置と同じ条件で処理し、加圧接合した後、大気中にて電子素子パッケージ1をアニール炉に投入し、3時間加熱したときの接合強度の変化を測定したところ、図7に示すように、100℃以上で強度が向上していた。アニール温度は、図3を参照すれば、半導体素子11と基板12と蓋部材13の耐熱性を考慮して、決定しなければならないが、温度の高い方が、信頼性が向上することが判明した。
In the reforming / bonding apparatus according to
以上のように、本実施形態6によれば、洗浄(改質)処理して基板12と蓋部材13との接合後に、大気中にて100℃以上の温度で加熱することにより、接合強度が向上し、かつ大気中にて加熱することにより、均一加熱が実現され信頼性ある接合を実現することができる。さらに、真空中での加熱を伴う接合に比べて、高生産性にすることができる。
As described above, according to the sixth embodiment, after the
なお、実施形態1〜6において、前記方法を実施し、かつ各部をコントロールするためCPU(中央演算処理ユニット)などからなる制御部を具備する。 In the first to sixth embodiments, a control unit composed of a CPU (Central Processing Unit) or the like is provided for performing the method and controlling each unit.
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。 As mentioned above, although embodiment which concerns on this invention was described, this invention is not limited to the structure of each said embodiment, A various deformation | transformation is possible.
例えば、実施形態3において水蒸気の処理の前にアルゴンガス雰囲気中でのプラズマ処理をしたが、アルゴンガスに代えて酸素ガス雰囲気中でプラズマ処理しても、スパッタリング効果や有機物を除去する効果があるため、同様の効果がある。 For example, the plasma treatment in the argon gas atmosphere is performed before the water vapor treatment in the third embodiment. However, even if the plasma treatment is performed in the oxygen gas atmosphere instead of the argon gas, the sputtering effect and the organic substance removal effect are obtained. Therefore, there is a similar effect.
プラズマの発生にしても、実施形態1,3,4のように平行平板の電極を用いる方法や、実施形態2のように中性ビームによる改質(洗浄)方法に限定されず、他の方法、例えばイオンビームにより改質するようにしてもよい。 The generation of plasma is not limited to the method using parallel plate electrodes as in the first, third, and fourth embodiments, and the modification (cleaning) method using a neutral beam as in the second embodiment. For example, it may be modified by an ion beam.
また、実施形態4において、30秒間のプラズマ処理した後、10秒かけて除々に電力を200Wから0Wに減少させるようにしたが、除々に電力を減少させることが重要であり、特に10秒に限定されない。 In the fourth embodiment, after the plasma treatment for 30 seconds, the power is gradually reduced from 200 W to 0 W over 10 seconds. However, it is important to gradually reduce the power, especially in 10 seconds. It is not limited.
また、実施形態2に対しても、水蒸気により改質処理する前に、実施形態3のようにアルゴンガス雰囲気で処理すれば、接合面に水酸基をつける前に、スパッタリング処理効果により洗浄することができるため、より良好な改質効果が得られる。 Also, in the case of the second embodiment, if the treatment is performed in an argon gas atmosphere as in the third embodiment before the reforming treatment with water vapor, the bonding surface can be cleaned by the sputtering treatment effect before the hydroxyl group is formed. Therefore, a better modification effect can be obtained.
また、実施形態2に対しても、水蒸気により改質処理する際に実施形態4のように、電力供給配線50,51への電力の供給を徐々に減少させることによって、スパッタリング処理効果を低減させながら、水酸基を供給することができ、より良好な改質効果が得られる。
Further, also in the second embodiment, when the reforming process is performed with water vapor, the effect of the sputtering process is reduced by gradually decreasing the power supply to the
また、実施形態1,3〜6の高周波電極23と実施形態2の基板台34とに、静電チャック28,36を埋め込むことにより、より精度良く接合することができる。
Further, by embedding the
また、実施形態1〜6では、蓋部材13の材質をシリコンとしたが、セラミック,ガラス(SiO2)などの他の絶縁材料を用いても適用できる。
In the first to sixth embodiments, the
また、実施形態1〜6では、真空中で接合処理を行っているが、改質処理を行ってから大気圧に戻し、大気圧で接合することも可能である。 In the first to sixth embodiments, the bonding process is performed in a vacuum. However, after the reforming process is performed, it is possible to return to atmospheric pressure and perform bonding at atmospheric pressure.
本発明は、密閉された内部空間に電子素子を備えた電子素子パッケージにおける基板の接合面同士を接合させるための接合方法および装置に適用され、例えば、加速度センサ,圧力センサ,SAWフィルタなどの電子素子パッケージに用いて有効である。 The present invention is applied to a bonding method and apparatus for bonding the bonding surfaces of substrates in an electronic element package having an electronic element in a sealed internal space. For example, an electronic device such as an acceleration sensor, a pressure sensor, or a SAW filter is used. It is effective for use in device packages.
1 電子素子パッケージ
11 半導体素子
12 基板
13 蓋部材
20,40 反応室
21 ガス導入口
22,45 真空排気口
23 高周波電極
24,29 高周波発振器
27 上部高周波電極
33 アース電極
41 基板台
42 上部基板台
46,47 中性ビーム源
48,49 ガス供給配管
50,51 電力供給配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electronic element package 11
Claims (11)
一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄工程と、
前記エネルギ波を照射するための電力を徐々に減少させ、前記電力をゼロにして前記エネルギ波の照射を停止する工程と、
前記エネルギ波の照射を停止した後、前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合工程とを有することを特徴とする接合方法。 A bonding method for bonding the bonding surfaces of the substrates,
A cleaning step of cleaning the bonding surface of one substrate and the bonding surface of the other substrate by irradiating energy waves in an atmosphere of water or water vapor;
Gradually reducing the power for irradiating the energy wave, setting the power to zero and stopping the energy wave irradiation; and
And a bonding step of bonding the cleaned bonding surfaces of the one substrate and the other substrate while applying pressure after stopping the irradiation of the energy wave.
一方の基板の接合面と他方の基板の接合面を、水あるいは水蒸気の雰囲気中でエネルギ波を照射することにより洗浄する洗浄手段と、
前記洗浄終了後に、前記エネルギ波を照射するための電力を徐々に減少させ、前記電力をゼロにして前記エネルギ波の照射を停止する制御部と、
前記エネルギ波の照射を停止した後、前記一方の基板と前記他方の基板との洗浄された接合面を加圧しながら接合する接合手段とを備えたことを特徴とする接合装置。 A bonding apparatus for bonding the bonding surfaces of substrates,
Cleaning means for cleaning the bonding surface of one substrate and the bonding surface of the other substrate by irradiating energy waves in an atmosphere of water or water vapor;
After the cleaning is completed, a control unit that gradually decreases the power for irradiating the energy wave, sets the power to zero, and stops the irradiation of the energy wave;
A bonding apparatus comprising: a bonding unit configured to bond the cleaned bonding surface between the one substrate and the other substrate while applying pressure after stopping the energy wave irradiation.
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