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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025144080
(43)【公開日】2025-10-02
(54)【発明の名称】基板接合方法および基板接合装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/02 20060101AFI20250925BHJP
H01L 21/3205 20060101ALI20250925BHJP
【ＦＩ】
H01L21/02 B
H01L21/88 T
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024043677
(22)【出願日】2024-03-19
(71)【出願人】
【識別番号】000207551
【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス
(74)【代理人】
【識別番号】110002310
【氏名又は名称】弁理士法人あい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】清水 英樹
(72)【発明者】
【氏名】橋本 光治
(72)【発明者】
【氏名】武藤 正吾
(72)【発明者】
【氏名】藤岡 僚太
(72)【発明者】
【氏名】小松 輝幸
(72)【発明者】
【氏名】大澤 篤史
【テーマコード（参考）】
5F033
【Ｆターム（参考）】
5F033HH11
5F033QQ53
5F033QQ91
5F033RR04
5F033RR06
5F033SS04
5F033VV07
(57)【要約】
【課題】銅パッドの表面から酸化銅を除去した状態で２枚の基板を接合できる基板接合方法を提供する。
【解決手段】基板接合方法は、各基板Ｗの接合面１１１、２１１を希ガスのプラズマである希ガスプラズマで処理し、希ガスプラズマで処理された各基板Ｗの接合面１１１、２１１を水素のプラズマである水素プラズマで処理し、水素プラズマで処理された各基板Ｗの接合面１１１、２１１を窒素のプラズマである窒素プラズマで処理するプラズマ処理工程と、プラズマ処理工程の後に、２枚の基板Ｗの銅パッド１１２、２１２同士が向かい合い、２枚の基板Ｗの絶縁膜同士が向かい合うように２枚の基板Ｗの接合面１１１、２１１を接触させることにより、２枚の基板Ｗを接合する基板接合工程とを含む。
【選択図】図４Ａ－Ｆ
【解決手段】基板接合方法は、各基板Ｗの接合面１１１、２１１を希ガスのプラズマである希ガスプラズマで処理し、希ガスプラズマで処理された各基板Ｗの接合面１１１、２１１を水素のプラズマである水素プラズマで処理し、水素プラズマで処理された各基板Ｗの接合面１１１、２１１を窒素のプラズマである窒素プラズマで処理するプラズマ処理工程と、プラズマ処理工程の後に、２枚の基板Ｗの銅パッド１１２、２１２同士が向かい合い、２枚の基板Ｗの絶縁膜同士が向かい合うように２枚の基板Ｗの接合面１１１、２１１を接触させることにより、２枚の基板Ｗを接合する基板接合工程とを含む。
【選択図】図４Ａ－Ｆ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
銅パッドの酸化銅と絶縁膜とが露出した接合面をそれぞれが有する２枚の基板を接合する基板接合方法であって、
各基板の前記接合面を希ガスのプラズマである希ガスプラズマで処理し、前記希ガスプラズマで処理された前記各基板の前記接合面を水素のプラズマである水素プラズマで処理し、前記水素プラズマで処理された前記各基板の前記接合面を窒素のプラズマである窒素プラズマで処理するプラズマ処理工程と、
前記プラズマ処理工程の後に、前記２枚の基板の前記銅パッド同士が向かい合い、前記２枚の基板の前記絶縁膜同士が向かい合うように前記２枚の基板の前記接合面を接触させることにより、前記２枚の基板を接合する基板接合工程と、を含む、基板接合方法。
各基板の前記接合面を希ガスのプラズマである希ガスプラズマで処理し、前記希ガスプラズマで処理された前記各基板の前記接合面を水素のプラズマである水素プラズマで処理し、前記水素プラズマで処理された前記各基板の前記接合面を窒素のプラズマである窒素プラズマで処理するプラズマ処理工程と、
前記プラズマ処理工程の後に、前記２枚の基板の前記銅パッド同士が向かい合い、前記２枚の基板の前記絶縁膜同士が向かい合うように前記２枚の基板の前記接合面を接触させることにより、前記２枚の基板を接合する基板接合工程と、を含む、基板接合方法。
【請求項2】
前記プラズマ処理工程は、前記希ガスプラズマを含み、前記窒素プラズマを含まないプラズマで前記接合面を処理する希ガスプラズマ処理工程と、前記窒素プラズマで前記接合面を処理する窒素プラズマ処理工程と、前記希ガスプラズマ処理工程および窒素プラズマ処理工程の少なくとも一方と同時に、または、前記希ガスプラズマ処理工程の後であって前記窒素プラズマ処理工程の前に、前記水素プラズマで前記接合面を処理する水素プラズマ処理工程と、を前記２枚の基板のそれぞれに対して行う工程である、請求項１に記載の基板接合方法。
【請求項3】
前記プラズマ処理工程は、前記基板を収容する密閉容器内に前記希ガスおよび水素を含み前記窒素を含まない第１反応ガスを供給し、前記第１反応ガスから生成された第１プラズマで前記接合面を処理する第１プラズマ処理工程と、前記密閉容器内に前記窒素を含む第２反応ガスを供給し、前記第２反応ガスから生成された第２プラズマで前記接合面を処理する第２プラズマ処理工程と、を前記２枚の基板のそれぞれに対して行う工程である、請求項２に記載の基板接合方法。
【請求項4】
前記プラズマ処理工程が行われた後に、大気中の酸素および液体中の酸素の少なくとも一方を前記各基板の前記接合面に接触させる酸素接触工程をさらに含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の基板接合方法。
【請求項5】
前記酸素接触工程は、前記プラズマ処理工程が行われた後であって前記基板接合工程を行う前に、前記２枚の基板のそれぞれを洗浄液で洗浄し乾燥させる洗浄工程を含む、請求項４に記載の基板接合方法。
【請求項6】
接合された前記２枚の基板を加熱することにより、前記２枚の基板のうちの一方の前記銅パッドに含まれる銅と、前記２枚の基板のうちの他方の前記銅パッドに含まれる銅と、を直接結合する熱処理工程をさらに含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の基板接合方法。
【請求項7】
前記プラズマ処理工程は、基板接合装置のプラズマ処理ユニットに前記希ガスプラズマと前記水素プラズマと前記窒素プラズマとを生成させることにより、前記各基板の前記接合面を前記希ガスプラズマと前記水素プラズマと前記窒素プラズマとで処理する工程であり、
前記基板接合工程は、前記基板接合装置の接合ユニットに、前記２枚の基板の前記銅パッド同士が向かい合い、前記２枚の基板の前記絶縁膜同士が向かい合うように前記２枚の基板の前記接合面を接触させることにより、前記２枚の基板を接合する工程であり、
前記熱処理工程は、接合された前記２枚の基板を前記基板接合装置の熱処理ユニットに加熱させることにより、前記２枚の基板のうちの一方の前記銅パッドに含まれる銅と、前記２枚の基板のうちの他方の前記銅パッドに含まれる銅と、を直接結合する工程である、請求項６に記載の基板接合方法。
前記基板接合工程は、前記基板接合装置の接合ユニットに、前記２枚の基板の前記銅パッド同士が向かい合い、前記２枚の基板の前記絶縁膜同士が向かい合うように前記２枚の基板の前記接合面を接触させることにより、前記２枚の基板を接合する工程であり、
前記熱処理工程は、接合された前記２枚の基板を前記基板接合装置の熱処理ユニットに加熱させることにより、前記２枚の基板のうちの一方の前記銅パッドに含まれる銅と、前記２枚の基板のうちの他方の前記銅パッドに含まれる銅と、を直接結合する工程である、請求項６に記載の基板接合方法。
【請求項8】
前記プラズマ処理工程は、前記基板を収容した密閉容器の外壁の内面で開口した穴を塞ぐインナプレートと前記外壁の外面で開口した穴を塞ぐアウタプレートとの間の空間に配置されたアンテナに高周波電流を供給することにより、前記希ガス、水素、および窒素の少なくとも１つの誘導結合プラズマを生成する工程である、請求項１～３のいずれか一項に記載の基板接合方法。
【請求項9】
銅パッドの酸化銅と絶縁膜とが露出した接合面をそれぞれが有する２枚の基板を接合する基板接合装置であって、
各基板の前記接合面を希ガスのプラズマである希ガスプラズマで処理し、前記希ガスプラズマで処理された前記各基板の前記接合面を水素のプラズマである水素プラズマで処理し、前記水素プラズマで処理された前記各基板の前記接合面を窒素のプラズマである窒素プラズマで処理するプラズマ処理ユニットと、
前記プラズマ処理工程の後に、前記２枚の基板の前記銅パッド同士が向かい合い、前記２枚の基板の前記絶縁膜同士が向かい合うように前記２枚の基板の前記接合面を接触させることにより、前記２枚の基板を接合する接合ユニットと、を含む、基板接合装置。
各基板の前記接合面を希ガスのプラズマである希ガスプラズマで処理し、前記希ガスプラズマで処理された前記各基板の前記接合面を水素のプラズマである水素プラズマで処理し、前記水素プラズマで処理された前記各基板の前記接合面を窒素のプラズマである窒素プラズマで処理するプラズマ処理ユニットと、
前記プラズマ処理工程の後に、前記２枚の基板の前記銅パッド同士が向かい合い、前記２枚の基板の前記絶縁膜同士が向かい合うように前記２枚の基板の前記接合面を接触させることにより、前記２枚の基板を接合する接合ユニットと、を含む、基板接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、２枚の基板を接合する基板接合方法および基板接合装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、互いに貼合される第１基板と第２基板とを備える半導体装置を開示している。特許文献１の段落００６１には「第２接続配線層２２を形成した第２基板２と、当該第１基板３とを貼合する。この状態では、第１電極３３と第２電極２３との間の貼合面Ｘには、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ等）のＯが存在している。」との記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２４－６７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の少なくとも１つの実施形態は、銅パッドの表面から酸化銅を除去した状態で２枚の基板を接合できる基板接合方法および基板接合装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一実施形態は、銅パッドの酸化銅と絶縁膜とが露出した接合面をそれぞれが有する２枚の基板を接合する基板接合方法であって、各基板の前記接合面を希ガスのプラズマである希ガスプラズマで処理し、前記希ガスプラズマで処理された前記各基板の前記接合面を水素のプラズマである水素プラズマで処理し、前記水素プラズマで処理された前記各基板の前記接合面を窒素のプラズマである窒素プラズマで処理するプラズマ処理工程と、前記プラズマ処理工程の後に、前記２枚の基板の前記銅パッド同士が向かい合い、前記２枚の基板の前記絶縁膜同士が向かい合うように前記２枚の基板の前記接合面を接触させることにより、前記２枚の基板を接合する基板接合工程と、を含む、基板接合方法を提出する。
【0006】
前記実施形態において、以下の特徴の少なくとも１つを前記基板接合方法に加えてもよい。
【0007】
前記プラズマ処理工程は、前記希ガスプラズマを含み、前記窒素プラズマを含まないプラズマで前記接合面を処理する希ガスプラズマ処理工程と、前記窒素プラズマで前記接合面を処理する窒素プラズマ処理工程と、前記希ガスプラズマ処理工程および窒素プラズマ処理工程の少なくとも一方と同時に、または、前記希ガスプラズマ処理工程の後であって前記窒素プラズマ処理工程の前に、前記水素プラズマで前記接合面を処理する水素プラズマ処理工程と、を前記２枚の基板のそれぞれに対して行う工程である。
【0008】
前記プラズマ処理工程は、前記基板を収容する密閉容器内に前記希ガスおよび水素を含み前記窒素を含まない第１反応ガスを供給し、前記第１反応ガスから生成された第１プラズマで前記接合面を処理する第１プラズマ処理工程と、前記密閉容器内に前記窒素を含む第２反応ガスを供給し、前記第２反応ガスから生成された第２プラズマで前記接合面を処理する第２プラズマ処理工程と、を前記２枚の基板のそれぞれに対して行う工程である。
【0009】
前記基板接合方法は、前記プラズマ処理工程が行われた後に、大気中の酸素および液体中の酸素の少なくとも一方を前記各基板の前記接合面に接触させる酸素接触工程をさらに含む。
【0010】
前記酸素接触工程は、前記プラズマ処理工程が行われた後であって前記基板接合工程を行う前に、前記２枚の基板のそれぞれを洗浄液で洗浄し乾燥させる洗浄工程を含む。
【0011】
前記基板接合方法は、接合された前記２枚の基板を加熱することにより、前記２枚の基板のうちの一方の前記銅パッドに含まれる銅と、前記２枚の基板のうちの他方の前記銅パッドに含まれる銅と、を直接結合する熱処理工程をさらに含む。
【0012】
前記プラズマ処理工程は、基板接合装置のプラズマ処理ユニットに前記希ガスプラズマと前記水素プラズマと前記窒素プラズマとを生成させることにより、前記各基板の前記接合面を前記希ガスプラズマと前記水素プラズマと前記窒素プラズマとで処理する工程であり、前記基板接合工程は、前記基板接合装置の接合ユニットに、前記２枚の基板の前記銅パッド同士が向かい合い、前記２枚の基板の前記絶縁膜同士が向かい合うように前記２枚の基板の前記接合面を接触させることにより、前記２枚の基板を接合する工程であり、前記熱処理工程は、接合された前記２枚の基板を前記基板接合装置の熱処理ユニットに加熱させることにより、前記２枚の基板のうちの一方の前記銅パッドに含まれる銅と、前記２枚の基板のうちの他方の前記銅パッドに含まれる銅と、を直接結合する工程である。
【0013】
前記プラズマ処理工程は、前記基板を収容した密閉容器の外壁の内面で開口した穴を塞ぐインナプレートと前記外壁の外面で開口した穴を塞ぐアウタプレートとの間の空間に配置されたアンテナに高周波電流を供給することにより、前記希ガス、水素、および窒素の少なくとも１つの誘導結合プラズマを生成する工程である。
【0014】
本発明の他の実施形態は、銅パッドの酸化銅と絶縁膜とが露出した接合面をそれぞれが有する２枚の基板を接合する基板接合装置であって、各基板の前記接合面を希ガスのプラズマである希ガスプラズマで処理し、前記希ガスプラズマで処理された前記各基板の前記接合面を水素のプラズマである水素プラズマで処理し、前記水素プラズマで処理された前記各基板の前記接合面を窒素のプラズマである窒素プラズマで処理するプラズマ処理ユニットと、前記プラズマ処理工程の後に、前記２枚の基板の前記銅パッド同士が向かい合い、前記２枚の基板の前記絶縁膜同士が向かい合うように前記２枚の基板の前記接合面を接触させることにより、前記２枚の基板を接合する接合ユニットと、を含む、基板接合装置を提供する。基板接合方法に関する前述の特徴の少なくとも１つを前記基板接合装置に加えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】接合される前の２枚の基板を示す概略図である。
【図2A-B】接合される前後の２枚の基板の断面を示す概略図である。
【図3A-F】基板をプラズマで処理してから接合された２枚の基板を加熱するまでの流れの一例について説明するための概略図である。
【図4A-F】基板をプラズマで処理しているときまたは加熱しているときに銅パッドの表面で生じると想定される変化の一例について説明するための概略図である。
【図5】本発明の一実施形態に係る基板接合装置の概略図である。
【図6】プラズマ処理ユニットの鉛直な断面を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【0017】
最初に、接合すべき２枚の基板Ｗについて説明する。２枚の基板Ｗを区別する場合、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２という。貼り合わせは、接合と同義である。
【0018】
図１は、接合される前の２枚の基板Ｗを示す概略図である。第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２は、直径が互いに等しい平らな円形基板Ｗである。第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２の直径は、３００ｍｍであってもよいし、これ以外であってもよい。第１基板Ｗ１は、互いに平行な２つの円形の平面である第１接合面１１１および第１非接合面１３１と、第１接合面１１１および第１非接合面１３１の外縁同士を接続する環状の第１端面とを含む。同様に、第２基板Ｗ２は、互いに平行な２つの円形の平面である第２接合面２１１および第２非接合面２３１と、第２接合面２１１および第２非接合面２３１の外縁同士を接続する環状の第２端面とを含む。第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２は、第１接合面１１１および第２接合面２１１が向かい合うように接合される。
【0019】
図２Ａおよび図２Ｂは、接合される前後の２枚の基板Ｗの断面を示す概略図である。図２Ａおよび図２Ｂは、２枚の基板Ｗに直交する平面で切断した断面を示している。図２Ａは、接合される前の２枚の基板Ｗの断面を示している。図２Ｂは、接合された後の２枚の基板Ｗの断面を示している。図２Ａは、第１接合面１１１および第２接合面２１１を平坦化する研磨が行われた２枚の基板Ｗの断面を示している。図２Ａおよび図２Ｂに示す各要素の比率は、実際の比率と同じとは限らない。
【0020】
図２Ａに示すように、第１基板Ｗ１は、第１基板Ｗ１の厚み方向に積層された円板状の複数の層と、複数の層を支持する円板状の第１基材１３０とを含む。複数の層は、第１基材１３０上に形成された円板状の第１デバイス層１２０と、第１デバイス層１２０上に形成された円板状の第１接合層１１０とを含む。同様に、第２基板Ｗ２は、第２基板Ｗ２の厚み方向に積層された円板状の複数の層と、複数の層を支持する円板状の第２基材２３０とを含む。複数の層は、第２基材２３０上に形成された円板状の第２デバイス層２２０と、第２デバイス層２２０上に形成された円板状の第２接合層２１０とを含む。
【0021】
第１基材１３０および第２基材２３０は、シリコンの単結晶などの半導体製である。第１基材１３０は、半導体以外の材料製であってもよい。第２基材２３０についても同様である。第１デバイス層１２０とは反対側の第１基材１３０の表面は、第１非接合面１３１（図１参照）に相当する。第１デバイス層１２０とは反対側の第１接合層１１０の表面は、第１接合面１１１に相当する。同様に、第２デバイス層２２０とは反対側の第２基材２３０の表面は、第２非接合面２３１（図１参照）に相当する。第２デバイス層２２０とは反対側の第２接合層２１０の表面は、第２接合面２１１に相当する。
【0022】
トランジスタやダイオードなどの半導体デバイスは、第１デバイス層１２０および第２デバイス層２２０に配置されている。第１デバイス層１２０は、電子回路を形成する複数の第１半導体デバイス１２１と、複数の第１半導体デバイス１２１を電気的に絶縁する第１絶縁膜１２２とを含む。同様に、。第２デバイス層２２０は、電子回路を形成する複数の第２半導体デバイス２２１と、複数の第２半導体デバイス２２１を電気的に絶縁する第２絶縁膜２２２とを含む。第１基板Ｗ１の電子回路の機能は、第２基板Ｗ２の電子回路の機能と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【0023】
第１接合層１１０は、第１デバイス層１２０の複数の第１半導体デバイス１２１に電気的に接続された複数の第１銅パッド１１２と、複数の第１銅パッド１１２を電気的に絶縁する第１絶縁膜１１３とを含む。同様に、第２接合層２１０は、第２デバイス層２２０の複数の第２半導体デバイス２２１に電気的に接続された複数の第２銅パッド２１２と、複数の第２銅パッド２１２を電気的に絶縁する第２絶縁膜２１３とを含む。
【0024】
第１銅パッド１１２および第２銅パッド２１２は、いずれも銅（Ｃｕ）製である。第１銅パッド１１２は、第１絶縁膜１１３によって他の第１銅パッド１１２から電気的に絶縁されている。同様に、第２銅パッド２１２は、第２絶縁膜２１３によって他の第２銅パッド２１２から電気的に絶縁されている。第１絶縁膜１１３は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）製である。第２絶縁膜２１３も酸化シリコン製である。第１絶縁膜１１３および第２絶縁膜２１３は、ＴＥＯＳ（tetraethoxysilane）を用いて作製された酸化シリコン膜であってもよいし、これ以外の酸化シリコン膜であってもよい。第１絶縁膜１１３および第２絶縁膜２１３は、窒化シリコン（ＳｉＮ）などの酸化シリコン以外のシリコンを含む絶縁材料製であってもよいし、それ以外の絶縁材料製であってもよい。
【0025】
第１銅パッド１１２および第１絶縁膜１１３は、第１接合面１１１で露出している。言い換えると、第１銅パッド１１２および第１絶縁膜１１３は、第１接合面１１１を構成している。第１銅パッド１１２および第１絶縁膜１１３は、第１接合面１１１の全体を構成していてもよいし、第１接合面１１１の一部だけを構成していてもよい。同様に、第２銅パッド２１２および第２絶縁膜２１３は、第２接合面２１１で露出している。言い換えると、第２銅パッド２１２および第２絶縁膜２１３は、第２接合面２１１を構成している。第２銅パッド２１２および第２絶縁膜２１３は、第２接合面２１１の全体を構成していてもよいし、第２接合面２１１の一部だけを構成していてもよい。
【0026】
図２Ｂに示すように、第１基板Ｗ１の第１接合面１１１と第２基板Ｗ２の第２接合面２１１とは、複数の第１銅パッド１１２と複数の第２銅パッド２１２とが向かい合い、第１絶縁膜１１３と第２絶縁膜２１３とが向かい合うように重ねられる。その後、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２が加熱される。これにより、１つの第１銅パッド１１２に対して１つの第２銅パッド２１２が電気的に接続され、第１半導体デバイス１２１と第２半導体デバイス２２１とが、第１銅パッド１１２と第２銅パッド２１２とを介して電気的に接続される。
【0027】
次に、基板Ｗをプラズマで処理してから接合された２枚の基板Ｗを加熱するまでの流れの一例について説明する。
【0028】
図３Ａ～図３Ｆは、同一例について説明するための概略図である。図４Ａ～図４Ｄは、基板Ｗをプラズマで処理しているときに銅パッド１１２、２１２の表面で生じると想定される変化の一例について説明するための概略図である。図４Ｅ～図４Ｆは、基板Ｗを加熱しているときに銅パッド１１２、２１２の表面で生じると想定される変化の一例について説明するための概略図である。
【0029】
第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を接合するときは、プラズマで第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を処理する。具体的には、図３Ａに示すように、第１基板Ｗ１を密閉容器１２内に搬入し、密閉容器１２内に配置された基板ホルダ１１に支持させる。図３Ａは、第１基板Ｗ１の第１接合面１１１が上に向けられた状態で、第１基板Ｗ１が基板ホルダ１１によって密閉容器１２内で水平に支持された例を示している。
【0030】
第１基板Ｗ１が基板ホルダ１１に支持され、密閉容器１２のドア１２ｄが閉じられた後は、密閉容器１２内のガスを排出し、密閉容器１２内の気圧を大気圧よりも低い値まで低下させる。その後、第１反応ガスから生成された第１プラズマＰ１で第１基板Ｗ１の第１接合面１１１を処理する第１プラズマ処理工程を行う。具体的には、密閉容器１２内の気圧が大気圧よりも低い状態で、第１反応ガス、つまり、アルゴンガスおよび水素ガスの混合ガスを密閉容器１２内に供給した後、プラズマ源１４に密閉容器１２内の第１反応ガスを電離させる。これにより、密閉容器１２内の第１反応ガスが第１プラズマＰ１、つまり、アルゴンおよび水素のプラズマに変化し、第１基板Ｗ１の第１接合面１１１が第１プラズマＰ１に晒される。
【0031】
第１プラズマ処理工程で生成されるプラズマは、誘導結合プラズマ（inductively coupled plasma）であってもよいし、容量結合プラズマ（capacitively coupled plasma）や表面波プラズマ（surface wave plasma）などの誘導結合プラズマ以外のプラズマであってもよい。これは、後述する第２プラズマ処理工程および第３プラズマ処理工程についても同様である。誘導結合プラズマで第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を処理する場合、密閉容器１２内に配置された少なくとも１つのアンテナ、または、密閉容器１２の外壁１２ｗ内の空間に配置された少なくとも１つのアンテナに、高周波電流を供給することにより、密閉容器１２内の反応ガスから誘導結合プラズマを生成してもよい（図６参照）。
【0032】
前述のように、第１基板Ｗ１の第１接合面１１１は、第１銅パッド１１２と第１絶縁膜１１３とによって構成されている。図４Ａに示すように、第１接合面１１１の一部である第１銅パッド１１２の表面は、酸化銅（Ｉ）（酸化第一銅：Ｃｕ２Ｏ）や酸化銅（ＩＩ）（酸化第二銅：ＣｕＯ）などの酸化銅で構成されている。言い換えると、第１銅パッド１１２の表面は、酸素原子で終端化されている。第２銅パッド２１２の表面も、酸素原子で終端化されている。これは、第１銅パッド１１２および第２銅パッド２１２の表面を構成する銅原子が空気中の酸素や液体中の酸素によって酸化されるからである。
【0033】
図４Ｂに示すように、希ガス（１８族元素）の一例であるアルゴンのプラズマは、第１銅パッド１１２の表面を構成する酸化銅から酸素原子を除去し、Ｃｕ２ＯおよびＣｕＯの少なくとも一方をＣｕに変化させる。図４Ｃに示すように、水素プラズマに含まれる水素原子（厳密には、水素原子のラジカルまたは励起した水素原子。以下同様。）は、第１銅パッド１１２の表面を構成する銅に結合し、Ｃｕ－Ｈ結合を第１銅パッド１１２の表面に形成する。言い換えると、第１銅パッド１１２の表面が水素原子で終端化される。これにより、第１銅パッド１１２の表面で露出した酸素原子が水素原子で置換される。
【0034】
第１基板Ｗ１の第１接合面１１１で露出した酸素原子を水素原子で置換した後は、第２反応ガスから生成された第２プラズマＰ２で第１基板Ｗ１の第１接合面１１１を処理する第２プラズマ処理工程を行う。具体的には、図３Ｂに示すように、密閉容器１２内の気圧が大気圧よりも低い状態で、第２反応ガス、つまり、アルゴンガス、水素ガス、および窒素ガスの混合ガスを密閉容器１２内に供給した後、プラズマ源１４に密閉容器１２内の第２反応ガスを電離させる。これにより、密閉容器１２内の第２反応ガスが第２プラズマＰ２、つまり、アルゴン、水素、および窒素のプラズマに変化し、第１基板Ｗ１の第１接合面１１１が第２プラズマＰ２に晒される。
【0035】
第２反応ガスを密閉容器１２内に供給するとき、全ての第１反応ガスを密閉容器１２内から排出した後に第２反応ガスの供給を開始してもよいし、第１反応ガスが密閉容器１２内に残った状態で第２反応ガスの供給を開始してもよい。前述の例では、第１反応ガスがアルゴンガスおよび水素ガスの混合ガスであり、第２反応ガスがアルゴンガス、水素ガス、および窒素ガスの混合ガスなので、窒素ガスを密閉容器１２内に供給することにより、密閉容器１２内に残ったアルゴンガスおよび水素ガスに窒素ガスを混合してもよい。プラズマ源１４に密閉容器１２内の第１反応ガスを電離させながら、第２反応ガスの供給を開始してもよいし、プラズマ源１４が第１反応ガスの電離を停止した後に第２反応ガスの供給を開始してもよい。
【0036】
前述のように、第１基板Ｗ１の第１接合面１１１で露出した酸素原子は、水素原子によって置換されている。図４Ｄに示すように、窒素のプラズマは、第１銅パッド１１２の表面で露出した水素原子を窒素原子に置換し、Ｃｕ－Ｎ結合を第１銅パッド１１２の表面に形成する。水素原子が窒素原子に置換された直後であれば（窒素原子の活性が高い状態であれば）、第１銅パッド１１２等から切断された水素原子と水素プラズマに含まれる水素原子との少なくとも一方は、銅原子に結合している窒素原子に結合される。これにより、図４Ｄに示すように、Ｃｕ－ＮＨ２結合が第１銅パッド１１２の表面に形成される。言い換えると、第１銅パッド１１２の表面がアミノ基（ＮＨ２）で終端化される。
【0037】
第１銅パッド１１２の表面をアミノ基で終端化した後は、プラズマ源１４が密閉容器１２内の第１反応ガスの電離を停止する。これにより、アルゴン、水素、および窒素のプラズマの生成が停止される。その後、不活性ガス（窒素ガスやアルゴンガスなど）を密閉容器１２内に供給しながら、密閉容器１２からのガスの排出を停止する。これにより、密閉容器１２内の第１反応ガスや第１プラズマＰ１が排出されると共に、密閉容器１２内の気圧が大気圧またはその付近まで上昇する。その後、密閉容器１２のドア１２ｄを開き、第１基板Ｗ１を密閉容器１２から搬出する。
【0038】
第２基板Ｗ２の第２接合面２１１についても、第１基板Ｗ１の第１接合面１１１と同様に、第１プラズマ処理工程および第２プラズマ処理工程を行う。具体的には、第１プラズマＰ１であるアルゴンおよび水素のプラズマで第２基板Ｗ２の第２接合面２１１を処理し、その後、第２プラズマＰ２であるアルゴン、水素、および窒素のプラズマで第２基板Ｗ２の第２接合面２１１を処理する。これにより、第２銅パッド２１２の表面がアミノ基で終端化される。その後、密閉容器１２内の第２反応ガスや第２プラズマＰ２を排出し、密閉容器１２内の気圧を大気圧またはその付近まで上昇させる。その後、密閉容器１２のドア１２ｄを開き、第２基板Ｗ２を密閉容器１２から搬出する。
【0039】
第１基板Ｗ１の第１接合面１１１を第１プラズマＰ１および第２プラズマＰ２で順次処理すると、第１接合面１１１の一部である第１絶縁膜１１３の表面も第１プラズマＰ１および第２プラズマＰ２で順次処理される。同様に、第２基板Ｗ２の第２接合面２１１を第２プラズマＰ２および第２プラズマＰ２で順次処理すると、第２接合面２１１の一部である第２絶縁膜２１３の表面も第１プラズマＰ１および第２プラズマＰ２で順次処理される。第１絶縁膜１１３および第２絶縁膜２１３は、いずれも酸化シリコン製である。酸化シリコンに含まれる酸素原子は、アミノ基で置換される。これにより、第１絶縁膜１１３および第２絶縁膜２１３の表面がアミノ基で終端化される。
【0040】
第１基板Ｗ１を密閉容器１２から搬出すると、空気が第１基板Ｗ１の第１接合面１１１に触れる。同様に、第２基板Ｗ２を密閉容器１２から搬出すると、空気が第２基板Ｗ２の第２接合面２１１に触れる。したがって、空気中の酸素が第１銅パッド１１２の表面に接触する。第１銅パッド１１２の表面がアミノ基で終端化されているので、空気が第１基板Ｗ１の第１接合面１１１に触れても、第１銅パッド１１２の表面を構成する銅原子は酸化銅に変化しない。第２銅パッド２１２の表面を構成する銅原子も酸化銅に変化しない。したがって、空気が第１基板Ｗ１の第１接合面１１１と第２基板Ｗ２の第２接合面２１１とに触れても、第１銅パッド１１２の表面と第２銅パッド２１２の表面とは、アミノ基で終端化された状態に維持される。
【0041】
図示はしないが、第１基板Ｗ１は、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２のアライメントを調整する際の基準となる少なくとも１つのアライメントマークを含む。第２基板Ｗ２も同様である。第１反応ガスおよび第２反応ガスから生成されたプラズマで第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２のそれぞれを処理した後は、図３Ｄに示すように、第１基板Ｗ１の第１接合面１１１と第２基板Ｗ２の第２接合面２１１とが間隔を空けて向かい合った状態で、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２のずれの大きさおよび方向を表すアライメントを確認するアライメント確認工程を行う。その後、確認されたアライメントに基づいて第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を相対的に動かすことにより、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２のずれ量を減少させるアライメント調整工程を行う。図３Ｄは、第１基板Ｗ１を保持する第１チャック３１Ａおよび第２基板Ｗ２を保持する第２チャック３１Ｂにそれぞれ設けられた第１マスクＭ１および第２マスクＭ２を撮影するカメラ３４によって生成された画像に基づいて第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２のアライメントを確認および調整する例を示している。
【0042】
第２プラズマ処理工程を行った後であってアライメント確認工程を行う前に、図３Ｃに示すように、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２のそれぞれを純水などの洗浄液で洗浄し、乾燥させる洗浄工程を行ってもよい。これを行えば、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２をプラズマで処理したときに発生したパーティクル（銅のパーティクルなど）を第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２から除去することができる。さらに、空気中の酸素や洗浄液中の酸素が第１基板Ｗ１の第１接合面１１１と第２基板Ｗ２の第２接合面２１１とに触れても、前述のように、第１銅パッド１１２の表面と第２銅パッド２１２の表面とがアミノ基で終端化された状態を維持することができる。
【0043】
第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２のアライメントを調整した後は、図３Ｅに示すように、第１基板Ｗ１の第１接合面１１１と第２基板Ｗ２の第２接合面２１１とを大気圧下において直接接触させることにより、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を接合する基板接合工程を行う。その後、図３Ｆに示すように、接合された第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を加熱する熱処理工程を行う。図３Ｆは、複数組の第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を一括して加熱する例を示している。この加熱はアニールともいわれる。
【0044】
第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を加熱した後に接触しているのであれば、第１基板Ｗ１の第１銅パッド１１２と第２基板Ｗ２の第２銅パッド２１２とは、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を加熱する前に離れていてもよい。この場合、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を加熱すると、第１銅パッド１１２および第２銅パッド２１２が膨張し互いに接触する。これにより、第１銅パッド１１２および第２銅パッド２１２が互いに接触した状態で第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２が加熱される。
【0045】
図４Ｅに示すように、第１銅パッド１１２の表面はアミノ基で終端化されており、第２銅パッド２１２の表面はアミノ基で終端化されている。第１銅パッド１１２および第２銅パッド２１２が互いに接触した状態で第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を加熱すると、２つのアミノ基が第１銅パッド１１２の表面と第２銅パッド２１２の表面とから脱離する。これにより、「Ｃｕ－ＮＨ２＋Ｃｕ－ＮＨ２→Ｃｕ－Ｃｕ＋Ｎ２＋２Ｈ２」（「－」は２つの原子の結合を表す。）の反応が起こり、図４Ｆに示すように、第１銅パッド１１２の表面を構成する銅原子と第２銅パッド２１２の表面を構成する銅原子とが直接結合される。この化学反応式に示される通り、脱離した２つのアミノ基は、１つの窒素分子（気体）と２つの水素分子（気体）とに変化する。このような窒素分子および水素分子は、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２の間から排出される、もしくは、第１絶縁膜１１３または第２絶縁膜２１３に吸収される。
【0046】
銅原子に結合されたアミノ基の脱離は、２００℃以上で発生すると考えられる。したがって、熱処理工程において第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を２００℃以上で加熱すればよい。具体的には、２００℃以上、３５０℃未満の温度で第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を加熱してもよいし、２００℃以上、２５０℃未満の温度で第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を加熱してもよい。アミノ基ではなく１つの窒素原子だけが１つの銅原子に結合されている場合、この窒素原子の脱離は、アミノ基が脱離する温度よりも高い温度で第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を加熱したときに発生する。したがって、アミノ基を脱離させる場合は、窒素原子を脱離させる場合に比べて、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２の加熱温度を低下させることができる。
【0047】
その一方で、第１絶縁膜１１３および第２絶縁膜２１３が互いに接触した状態で第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を加熱すると、４つの水素原子が、２つのアミノ基、つまり、第１絶縁膜１１３の表面を構成する１つのアミノ基と第２絶縁膜２１３の表面を構成する１つのアミノ基とから脱離する。これにより、「Ｓｉ－ＮＨ２＋Ｓｉ－ＮＨ２→Ｓｉ－Ｎ－Ｎ－Ｓｉ＋２Ｈ２」（「－」は２つの原子の結合を表す。）の反応が起こり、第１絶縁膜１１３の表面を構成するシリコン原子と第２絶縁膜２１３の表面を構成するシリコン原子とが、２つの窒素原子を介して結合される。この化学反応式に示される通り、脱離した４つの水素原子は、２つの水素分子（気体）に変化する。このような水素分子は、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２の間から排出される、もしくは、第１絶縁膜１１３または第２絶縁膜２１３に吸収される。
【0048】
第１基板Ｗ１の第１接合面１１１と第２基板Ｗ２の第２接合面２１１とが直接接触した状態で第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を加熱すると、前述の反応が第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２の界面のあらゆる場所で起こる。これにより、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２の接合強度が高まる。さらに、第１銅パッド１１２および第２銅パッド２１２の界面で２つの銅原子が直接結合されるので、酸化銅が２つの銅原子の間に介在する場合に比べて、電気抵抗を低下させることができる。
【0049】
なお、前述の例では、第１反応ガスがアルゴンガスおよび水素ガスの混合ガスであり、第２反応ガスがアルゴンガス、水素ガス、および窒素ガスの混合ガスであったが、末端の酸素原子をアミノ基に置換できるのであれば、第１反応ガスおよび第２反応ガスの組成はこれに限られない。第１基板Ｗ１の第１接合面１１１と第２基板Ｗ２の第２接合面２１１をプラズマで処理する回数（プラズマ処理工程の回数）は１回または３回であってもよい。
【0050】
例えば、前述の例において、第２プラズマ処理工程を省略し、アルゴン、水素、および窒素のプラズマで第１基板Ｗ１の第１接合面１１１と第２基板Ｗ２の第２接合面２１１とを処理してもよい。
【0051】
前述の例において、第１反応ガスがアルゴンガスおよび水素ガスの混合ガスであり、第２反応ガスが窒素ガスであってもよい。第１反応ガスがアルゴンガスであり、第２反応ガスがアルゴンガス、水素ガス、および窒素ガスであってもよい。
【0052】
前述の例において、第１プラズマ処理工程および第２プラズマ処理工程を行った後であって熱処理工程を行う前に、第３反応ガスから生成された第３プラズマで第１基板Ｗ１の第１接合面１１１または第２基板Ｗ２の第２接合面２１１を処理する第３プラズマ処理工程を行ってもよい。この場合、第１反応ガスがアルゴンガスであり、第２反応ガスが、水素ガス、または、アルゴンガスおよび水素ガスの混合ガスであり、第３反応ガスが、窒素ガス、水素ガスおよび窒素ガスの混合ガス、または、アルゴンガス、水素ガス、および窒素ガスの混合ガスであってもよい。
【0053】
次に、前述の各工程を行う基板接合装置１について説明する。
【0054】
【0055】
基板接合装置１は、半導体ウエハなどの円板状の２枚の基板Ｗを接合する装置である。図５に示すように、基板接合装置１は、ＦＯＵＰ（Front-Opening Unified Pod）などの複数枚の基板Ｗを収容するキャリアＣＡが１つずつ置かれる複数のロードポートＬＰと、複数のロードポートＬＰから搬送された基板Ｗを処理する複数の処理ユニット２と、複数のロードポートＬＰと複数の処理ユニット２との間で基板Ｗを搬送する搬送システムＴＳと、複数の処理ユニット２および搬送システムＴＳを収容した密閉空間を形成する外壁１ａとを備えている。基板接合装置１は、さらに、基板接合装置１を制御する制御装置３を備えている。
【0056】
図５は、３つのロードポートＬＰが設けられた例を示している。３つのロードポートＬＰは、第１基板Ｗ１を収容したキャリアＣＡが置かれる第１ロードポートＬＰ１と、第２基板Ｗ２を収容したキャリアＣＡが置かれる第２ロードポートＬＰ２と、接合された第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を収容するキャリアＣＡが置かれる第３ロードポートＬＰ３とを含む。第１ロードポートＬＰ１および第２ロードポートＬＰ２は、基板接合装置１で接合すべき基板Ｗを収容したキャリアＣＡが置かれる搬入ポートである。第３ロードポートＬＰ３は、基板接合装置１で接合された２枚の基板Ｗを収容したキャリアＣＡが置かれる搬出ポートである。
【0057】
搬送システムＴＳは、第１ロードポートＬＰ１および第２ロードポートＬＰ２から複数の処理ユニット２に基板Ｗを搬送し、複数の処理ユニット２から第３ロードポートＬＰ３に基板Ｗを搬送する。搬送システムＴＳは、さらに、複数の処理ユニット２の間で基板Ｗを搬送する。搬送システムＴＳは、図５において太線で示す搬送路ＴＰ上で１枚以上の基板Ｗを水平な姿勢で搬送する少なくとも１つの搬送ロボットＴＲを備えていてもよい。
【0058】
搬送ロボットＴＲは、１枚の基板Ｗを水平な姿勢で保持する少なくとも１つのハンドＴＨを含む。搬送ロボットＴＲは、ハンドＴＨで基板Ｗを水平に保持しながら搬送路ＴＰに沿って移動する。図５は、搬送路ＴＰが、第１ロードポートＬＰ１および第２ロードポートＬＰ２のそれぞれから複数の処理ユニット２に延び、複数の処理ユニット２から第３ロードポートＬＰ３に戻る例を示している。
【0059】
複数の処理ユニット２は、プラズマ処理ユニット２ａと、洗浄ユニット２ｂと、接合ユニット２ｃと、熱処理ユニット２ｄとを含む。図５は、プラズマ処理ユニット２ａと洗浄ユニット２ｂとが２つずつ設けられた例を示している。特に断りが無い限り、本明細書に記載の接合ユニット２ｃは、大気圧下において基板Ｗの接合を行うものである。
【0060】
プラズマ処理ユニット２ａは、前述の第１プラズマ処理工程、第２プラズマ処理工程、および第３プラズマ処理工程などのプラズマ処理工程を行うユニットである。洗浄ユニット２ｂは、純水などの洗浄液で基板Ｗを洗浄した後に基板Ｗを乾燥させるユニットである。接合ユニット２ｃは、２枚の基板Ｗを接触させることにより、当該２枚の基板Ｗを接合するユニットである。熱処理ユニット２ｄは、前述の熱処理工程を行うユニットである。
【0061】
プラズマ処理ユニット２ａ、洗浄ユニット２ｂ、および接合ユニット２ｃは、基板Ｗを１枚ずつ処理する枚葉式のユニットである（だたし、接合ユニット２ｃについては１組の第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を１枚の基板Ｗとみなす。）。熱処理ユニット２ｄは、接合基板Ｗを１枚ずつ処理する枚葉式のユニットであってもよいし、複数枚の接合基板Ｗを一括して処理するバッチ式のユニットであってもよい。１枚の接合基板Ｗは、接合された１組の第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２である。
【0062】
洗浄ユニット２ｂは、１枚の基板Ｗを水平に保持しながら基板Ｗの中央部を通る鉛直な直線まわりに基板Ｗを回転させるスピンチャック２１と、スピンチャック２１に保持されている基板Ｗを収容するチャンバ２２と、スピンチャック２１に保持されている基板Ｗに向けて洗浄液を吐出する洗浄液ノズル２３とを含む。
【0063】
接合ユニット２ｃは、第１基板Ｗ１を保持する第１チャック３１Ａと、第２基板Ｗ２を保持する第２チャック３１Ｂと、第１チャック３１Ａおよび第２チャック３１Ｂに保持されている第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を収容するチャンバ３２とを含む。第１チャック３１Ａは第１マスクＭ１、第２チャック３１Ｂは第２マスクＭ２をそれぞれ備える。第１マスクＭ１及び第２マスクＭ２はガラスなどの可視光を透過する部材で構成される。接合ユニット２ｃは、さらに、第１チャック３１Ａおよび第２チャック３１Ｂを相対的に動かす少なくとも１つのアクチュエータ３３と、第１マスクＭ１と第２マスクＭ２を撮影することにより第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２のアライメントを確認するカメラ３４を含む。なお、第１マスクＭ１と第１基板Ｗ１の位置関係及び、第２マスクＭ２と第２基板Ｗ２の位置関係は、不図示のカメラにて別途検出されてもよいし、第１マスクＭ１、第２マスクＭ２に設けられた位置決め部材（位置決めピン等）に基づき規定されていてもよい。
【0064】
接合ユニット２ｃの少なくとも１つのアクチュエータ３３は、第１チャック３１Ａおよび第２チャック３１Ｂを相対的に動かすことにより、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２のアライメントを調整する。少なくとも１つのアクチュエータ３３は、さらに、第１チャック３１Ａおよび第２チャック３１Ｂを相対的に動かすことにより、第１基板Ｗ１および第２基板Ｗ２を接合する。アクチュエータは、電気、流体、磁気、熱、または化学エネルギーを表す駆動エネルギーを機械的な仕事、つまり、有体物の運動に変換する装置である。アクチュエータには、電動モータ（ロータリモータ）、リニアモータ、エアシリンダ、およびその他の装置が含まれる。
【0065】
図５は、熱処理ユニット２ｄがバッチ式である例を示している。熱処理ユニット２ｄが枚葉式およびバッチ式のいずれであっても、熱処理ユニット２ｄは、接合された２枚の基板Ｗを保持する基板ホルダ４１と、基板ホルダ４１に保持されている２枚の基板Ｗを収容する熱処理炉４２と、熱処理炉４２内の温度を上昇させるヒータ４３とを含む。
【0066】
図６に示すように、プラズマ処理ユニット２ａは、第１基板Ｗ１または第２基板Ｗ２を支持する基板ホルダ１１と、基板ホルダ１１に支持されている第１基板Ｗ１または第２基板Ｗ２を収容する密閉容器１２とを含む。プラズマ処理ユニット２ａは、さらに、密閉容器１２から排出されたガスを案内する排気配管１３ｄと、反応ガスなどの密閉容器１２に供給すべきガスを案内するガス供給配管１３ｓと、密閉容器１２内の反応ガスからプラズマを発生させるプラズマ源１４とを含む。密閉容器１２は、第１基板Ｗ１または第２基板Ｗ２を収容する内部空間と内部空間に出入りする第１基板Ｗ１または第２基板Ｗ２が通過する通過口とを形成した外壁１２ｗと、通過口を開閉するドア１２ｄとを含む。
【0067】
図６は、プラズマ源１４が誘導結合プラズマを生成する例を示している。プラズマ源１４は、コイルに相当する少なくとも１つのアンテナ１５と、少なくとも１つのアンテナ１５に高周波電流を供給する高周波電源１６とを含む。図６は、２つのアンテナ１５が外壁１２ｗ内の２つの空間に配置された例を示している。この例では、外壁１２ｗの内面で開口した穴を塞ぐインナプレート１７と外壁１２ｗの外面で開口した穴を塞ぐアウタプレート１８との間の空間にアンテナ１５が配置されている。
【0068】
高周波電源１６は、インナプレート１７とアウタプレート１８との間の空間内の気圧が大気圧よりも低い値まで低下した状態で、高周波電流をアンテナ１５に供給する。高周波電流がアンテナ１５に供給されると、誘導電界が密閉容器１２内に発生し、密閉容器１２内の反応ガスが電離する。これにより、プラズマが生成される。密閉容器１２の外壁１２ｗ内に配置された埋め込み型のアンテナ１５は、誘電体であるインナプレート１７によってプラズマから電気的に絶縁される。
【0069】
図６は、Ｕ字状のアンテナ１５が上向きに開いた姿勢で鉛直な平面内に配置された例を示している。Ｕ字状のアンテナ１５は、互いに平行またはほぼ平行な２つの平行部と、２つの平行部を接続する接続部（図６において左右に延びる部分）とを含む。アンテナ１５の接続部は、外壁１２ｗ内の空間に配置されている。アンテナ１５の内側の空間の面積は、アンテナ１５の面積に相当する。アンテナ１５の面積は、第１基板Ｗの第１接合面１１１の面積よりも小さい。アンテナ１５のインダクタンスは、アンテナ１５の面積が減少するにしたがって減少する。アンテナ１５の面積は、第１接合面１１１の面積以上であってもよい。アンテナ１５は、水平な姿勢に維持されていてもよい。アンテナ１５は、密閉容器１２の中または外に配置されていてもよい。コイル状のアンテナ１５の巻き数は１以上であってもよい。
【0070】
制御装置３（図５参照）は、基板接合装置１に備えられた電気機器および電子機器を制御する。制御装置３は、プログラムの実行などの情報の処理を行うプロセッサ３ａと、プロセッサ３ａによって実行すべきプログラム等の情報を記憶するメモリ３ｂとを含む。制御装置３は、基板接合装置１を制御することにより、前述の基板Ｗの搬送および処理等を行う。言い換えると、制御装置３は、前述の基板Ｗの搬送および処理等を行うようにプログラムされている。制御装置３は、基板接合装置１を制御することにより、図１～図４Ｆを参照しながら説明したプラズマ処理工程から熱処理工程までの各工程を行う。なお、プロセッサ３ａとしては、ＣＰＵ（central processing unit）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）のいずれか、またはこれらの組み合わせであってよい。あるいは、プロセッサ３ａはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）もしくはＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を含んで構成されてもよい。
【0071】
次に、本実施形態に係る効果について説明する。
【0072】
本実施形態では、銅パッド１１２、２１２の酸化銅と絶縁膜１１３、２１３とが露出した接合面１１１、２１１を希ガスプラズマ（希ガスのプラズマ）と水素プラズマ（水素のプラズマ）と窒素プラズマ（窒素のプラズマ）とで処理する。アルゴンは希ガス（１８族元素）の一例である。希ガスプラズマは、銅パッド１１２、２１２の酸化銅から酸素原子を除去し、酸化銅を銅原子に変化させる。水素プラズマは、銅パッド１１２、２１２の銅原子に水素原子を結合させる。窒素プラズマは、銅パッド１１２、２１２の銅原子に結合している水素原子を窒素原子に置換し、銅原子に窒素原子を結合させる。銅原子と結合した直後は窒素原子の活性が高いので、銅原子から分離された水素原子などの接合面１１１、２１１上にある水素原子がこの窒素原子に結合する。これにより、アミノ基が銅原子に結合し、銅パッド１１２、２１２の表面がアミノ基で終端化される。
【0073】
各基板Ｗの接合面１１１、２１１をプラズマで処理した後は、２枚の基板Ｗの接合面１１１、２１１を接触させる。これにより、２枚の基板Ｗの銅パッド１１２、２１２同士が向かい合い、２枚の基板Ｗの絶縁膜１１３、２１３同士が向かい合う。前述のように、銅パッド１１２、２１２の表面は、アミノ基で終端化されている。したがって、２つのアミノ基は、２つの銅原子の間に配置される。接合された２枚の基板Ｗを加熱すれば、２つの銅パッド１１２、２１２の界面からアミノ基が脱離し、２つの銅パッド１１２、２１２の銅原子同士が直接結合される。したがって、接合された２つの銅パッド１１２、２１２の界面に酸化銅が存在する場合に比べて、同界面の電気抵抗を低下させることができる。
【0074】
本実施形態では、希ガスプラズマを含み、窒素プラズマを含まないプラズマで各基板Ｗの接合面１１１、２１１を処理する。その後、窒素プラズマで各基板Ｗの接合面１１１、２１１を処理する。水素プラズマによる接合面１１１、２１１の処理である水素プラズマ処理は、窒素プラズマによる接合面１１１、２１１の処理である窒素プラズマ処理の前に行ってもよいし、窒素プラズマ処理と同時に行ってもよい。前者の場合、希ガスプラズマによる接合面１１１、２１１の処理である希ガスプラズマ処理と同時に水素プラズマ処理を行ってもよい。
【0075】
酸化銅から酸素原子を除去する前に、希ガスプラズマと窒素プラズマとを含み、水素プラズマを含まないプラズマで基板Ｗの接合面１１１、２１１を処理すると、酸化銅から酸素原子が除去された後に、窒素原子が銅原子と結合した状態で安定する場合がある。言い換えると、窒化銅（Ｃｕ３Ｎ）が銅パッド１１２、２１２の表面に発生する場合がある。窒素原子と銅原子との結合が安定した後に、水素プラズマで基板Ｗの接合面１１１、２１１を処理しても、窒素原子はアミノ基に変わらないまたは殆ど変わらない。さらに、窒化銅に含まれる窒素原子は、アミノ基を脱離させる場合に比べて高い温度で２枚の基板Ｗを加熱しないと２つの銅パッド１１２、２１２の界面から脱離しない。
【0076】
前記のように、希ガスプラズマ、水素プラズマ、および窒素プラズマで各基板Ｗの接合面１１１、２１１を処理すれば、窒素原子が銅原子と結合する前に、水素原子が銅原子に結合する確率が高まる。水素原子が先に銅原子に結合すれば、銅パッド１１２、２１２の表面をアミノ基で終端化することができる。これにより、窒化銅が銅パッド１１２、２１２の表面に発生することを防止できる、もしくは、銅パッド１１２、２１２の表面に発生する窒化銅を減らすことができる。
【0077】
本実施形態では、基板Ｗを収容する密閉容器１２内に希ガスおよび水素を含み窒素を含まない第１反応ガスを供給し、希ガスおよび水素を含み窒素を含まない第１プラズマＰ１を第１反応ガスから生成する。これにより、酸化銅に含まれる酸素原子が水素原子に置換される。その後、少なくとも窒素を含む第２反応ガスを密閉容器１２内に供給し、少なくとも窒素を含む第２プラズマＰ２を第２反応ガスから生成する。これにより、銅パッド１１２、２１２の表面を構成する銅原子にアミノ基が結合する。第２反応ガスは、希ガスおよび水素を含まないガス（窒素ガス）であってもよいし、窒素に加えて、希ガスおよび水素の一方または両方を含むガスであってもよい。後者の場合、銅パッド１１２、２１２の表面に酸化銅が残っているときは、酸化銅に含まれる酸素原子が水素原子に置換され、その後、この水素原子がアミノ基に置換される。
【0078】
第１反応ガスは、窒素を含まない点で第２反応ガスと異なる。したがって、希ガス、水素ガス、および窒素ガスの混合ガスを密閉容器１２内に供給しなくても、密閉容器１２内の第１反応ガスに窒素ガスを加えることで、第２反応ガスを密閉容器１２内に供給することができる。したがって、第２反応ガスの供給を開始する前に、第１反応ガスを密閉容器１２から排出しなくてもよい。さらに、プラズマ源１４に密閉容器１２内のガスを電離させながら、密閉容器１２内の第１反応ガスに窒素ガスを加えれば、第１プラズマ処理工程から第２プラズマ処理工程に連続的に切り替えることができる。
【0079】
本実施形態では、プラズマで処理された基板Ｗの接合面１１１、２１１に酸素を接触させる。具体的には、空気などの酸素を含む気体を基板Ｗに接触させたり、酸素が溶け込んだ液体を基板Ｗに接触させたりする。銅パッド１１２、２１２の表面から酸化銅を除去しても、酸素原子または酸素分子が銅パッド１１２、２１２の表面に接触すると、２枚の基板Ｗを接合する前に銅パッド１１２、２１２の表面で銅原子が酸化される。銅パッド１１２、２１２の表面をアミノ基で終端化した場合は、このような酸化を防止または減らすことできる。したがって、真空で２枚の基板Ｗを接合したり、真空で各基板Ｗを搬送ロボットＴＲによって搬送したりしなくてもよい。
【0080】
本実施形態では、プラズマで処理された基板Ｗの接合面１１１、２１１を洗浄液で洗浄し乾燥させる。洗浄液に酸素が溶け込んでいたとしても、銅パッド１１２、２１２の表面がアミノ基で終端化されているので、銅パッド１１２、２１２の表面で銅原子が洗浄液中の酸素によって酸化されることを抑制または防止することできる。さらに、基板Ｗの接合面１１１、２１１に洗浄液を供給するので、基板Ｗの接合面１１１、２１１をプラズマで処理した際に発生したパーティクルを減らすことができる。これにより、接合された２枚の基板Ｗの界面に残るパーティクルを減らすことができる。
【0081】
本実施形態では、接合された２枚の基板Ｗを加熱する。この加熱によって２つの銅パッド１１２、２１２の界面からアミノ基が脱離し、２つの銅パッド１１２、２１２の銅原子同士が直接結合される。したがって、接合された２つの銅パッド１１２、２１２の界面に酸化銅が存在する場合に比べて、同界面の電気抵抗を低下させることができる。さらに、接合された２枚の基板Ｗを加熱することによって２つの銅パッド１１２、２１２の界面から酸化銅を消失させる場合に比べて２枚の基板Ｗの加熱温度を低下させることができる。
【0082】
本実施形態では、プラズマ処理と基板Ｗの接合とを１つの基板接合装置１で行う。具体的には、基板接合装置１のプラズマ処理ユニット２ａが２枚の基板Ｗのそれぞれに対してプラズマ処理を行い、その後、基板接合装置１の接合ユニット２ｃが２枚の基板Ｗを接合する。２枚の基板Ｗを接合した後は、基板接合装置１の熱処理ユニット２ｄが２枚の基板Ｗを加熱する。この加熱によって２つの銅パッド１１２、２１２の界面からアミノ基が脱離する。プラズマ処理および基板Ｗの接合だけでなく熱処理も１つの基板接合装置１で行うので、プラズマ処理を行ってから熱処理を行うまでの期間を短縮できる。したがって、この期間中に変質するまたは無くなるアミノ基を減らすことができる。
【0083】
本実施形態では、高周波電流をアンテナ１５に供給することにより、基板Ｗを収容した密閉容器１２内に誘導電界を発生させる。これにより、密閉容器１２内のガスが電離し、希ガス、水素、および窒素の少なくとも１つの誘導結合プラズマが生成される。この誘導結合プラズマが密閉容器１２内の基板Ｗの接合面１１１、２１１に接触することにより接合面１１１、２１１が処理される。誘導結合プラズマは、電子、イオン、ラジカルなど密度が高い高密度のプラズマである。したがって、基板Ｗの接合面１１１、２１１を均一に処理することができる。
【0084】
アンテナ１５は、密閉容器１２の外壁１２ｗの内面で開口した穴を塞ぐインナプレート１７と密閉容器１２の外壁１２ｗの外面で開口した穴を塞ぐアウタプレート１８との間の空間に配置されている。アンテナ１５は、外壁１２ｗ内の空間に配置できる大きさに制限される。これにより、アンテナ１５を小型化でき、アンテナ１５のインダクタンスを低下させることができる。アンテナ１５のインダクタンスが低いと、高周波電流をアンテナ１５に供給したときにアンテナ１５に印加される電圧が低下し、プラズマによる基板Ｗのダメージが軽減される。したがって、ダメージを軽減しながら、接合面１１１、２１１をプラズマで均一に処理することができる。
【0085】
次に、他の実施形態について説明する。
【0086】
プラズマ生成用の反応ガスに含まれる希ガス（１８族元素）は、ヘリウムやネオンなどのアルゴン以外の希ガスであってもよい。
【0087】
プラズマ処理ユニット２ａおよび熱処理ユニット２ｄの少なくとも一方は、基板接合装置１とは別の装置であってもよい。すなわち、プラズマ処理ユニット２ａおよび熱処理ユニット２ｄの少なくとも一方は、基板接合装置１の外壁１ａの外に配置されていてもよい。
【0088】
前述の全ての構成の２つ以上を組み合わせてもよい。前述の全ての工程の２つ以上を組み合わせてもよい。
【0089】
本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、これらは本発明の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本発明はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなく、本発明の精神および範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【0090】
１：基板接合装置、２ａ：プラズマ処理ユニット、２ｂ：洗浄ユニット、２ｃ：接合ユニット、２ｄ：熱処理ユニット、１１：基板ホルダ、１２：密閉容器、１２ｄ：ドア、１２ｗ：外壁、１３ｄ：排気配管、１３ｓ：ガス供給配管、１４：プラズマ源、１５：アンテナ、１６：高周波電源、１７：インナプレート、１８：アウタプレート、３１Ａ：第１チャック、３１Ｂ：第２チャック、３２：チャンバ、３３：アクチュエータ、３４：カメラ、４１：基板ホルダ、４２：熱処理炉、４３：ヒータ、１１０：第１接合層、１１１：第１接合面、１１２：第１銅パッド、１１３：第１絶縁膜、１２０：第１デバイス層、１２１：第１半導体デバイス、１２２：第１絶縁膜、１３０：第１基材、１３１：第１非接合面、２１０：第２接合層、２１１：第２接合面、２１２：第２銅パッド、２１３：第２絶縁膜、２２０：第２デバイス層、２２１：第２半導体デバイス、２２２：第２絶縁膜、２３０：第２基材、２３１：第２非接合面、Ｐ１：第１プラズマ、Ｐ２：第２プラズマ、Ｗ：基板、Ｗ１：第１基板、Ｗ２：第２基板
【図1】
【図2A-B】
【図3A-F】
【図4A-F】
【図5】
【図6】