專利名稱：常溫接合的器件、器件制造方法以及常溫接合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及常溫接合，尤其涉及通過常溫接合制造的器件、該器件的 制造方法及其用于其的常溫接合裝置。
背景技術(shù)：
公知的有將微型電氣零件或機械零件集成化而成的MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)。作為該MEMS，例示微機、壓力傳感器、超 小型電動機等。至于MEMS器件的制造，通常使用晶片級的半導(dǎo)體器件 制造工藝，在晶片襯底上一并形成"密封多個器件，通過劃片分成各器件。 在該制造工藝的晶片級封裝中，在形成器件上的器件晶片襯底上層疊*接 合密封用晶片襯底，將器件密封。
近年來，提案了一種制造方法，該方法對晶片襯底間的接合使用直接 接合。由于直接接合不使用粘著劑或軟焊料，所以在接合界面上不介有其 它的材料。因此，具有可得到高的接合強度和良好的界面物性的優(yōu)點。一 直以來，作為應(yīng)用于MEMS器件的制造的直接接合法的例子，可以舉出 陽極接合及擴散接合。另外，在近幾年又提案了一種接合方法，該接合方 法在平坦化，清凈化后的表面上賦予羥基等，并通過與氧氣接合的熱處理 得到堅固接合。
但是，在這些直接接合法中，伴隨接合工序或接合后的工序的熱處理 成為MEMS器件制造上的問題。MEMS器件大多將基于利用方式或制造 上的要求確定的材料襯底接合形成。所以，在材料襯底的熱膨脹率不同的 情況下，往往由于熱處理而在接合界面發(fā)生熱變形，從而影響器件的可靠 性 耐久性。接合工藝溫度的降低成為MEMS器件制造上大的技術(shù)課題。 另外，由于加熱和冷卻需要時間而不能夠縮短制造時的生產(chǎn)節(jié)拍時間也是 制造上的課題之一。因此，希望在接合工序中實現(xiàn)不進行加熱的常溫接合工藝。該情況下， 常溫接合、尤其是不在表面賦予活性基而通過被接合面的自由鍵等進行接 合的常溫接合，其被接合材料的材料物性對接合性能影響大。公知的是， 作為電子器件材料大多使用的氧化物材料、尤其是Si02類材料(合成石英、 玻璃等)為在常、溫接合中接合困難的材料。
常溫接合作為金屬的接合方法早己知道，但近年來，正在向半導(dǎo)體材 料或氧化物材料的接合的應(yīng)用擴大。有關(guān)氧化物材料，公知的是Al203等 一部分的氧化物材料中通過表面活性和壓接得到一定程度的接合強度的
氧化物材料，其記載于高木等人的報告(NEDO技術(shù)開發(fā)機構(gòu)平成15年 度研究助成事業(yè)成果報告會予稿集pp.220—225 (2003))，但大多的材料 得不到實用的接合強度。因此，提案了一種方法，該方法利用賦予活性基 等對接合面進行表面處理或加熱后的處理。
特開2004 — 054170號公報公開了一種激光光學(xué)結(jié)晶的接合方法。不 使用粘合劑等中間材料，而是對接合面只實施離子束蝕刻而接合激光光學(xué) 結(jié)晶。該方法作為激光光學(xué)結(jié)晶、尤其是YV04結(jié)晶的接合方法被開發(fā)了。 但是，該方法如上所述，雖然能夠適用于一部分的氧化物材料，但不能適 用于例如Si02類材料。另外，作為接合的后工序進行加熱處理，在向MEMS 器件制造工序的應(yīng)用上存在問題。
特開2005 — 104810號公報公開了一種方法，該方法將功能性陶瓷多 結(jié)晶體與Si等半導(dǎo)體單結(jié)晶材料進行常溫接合。據(jù)該方法在陶瓷多結(jié)晶體 的表面形成具有與半導(dǎo)體的反應(yīng)活性的金屬薄膜層，經(jīng)由通過金屬和半導(dǎo) 體的反應(yīng)生成的反應(yīng)生成物層實現(xiàn)接合。為對表面粗糙度大的陶瓷襯底接 合有效的方法。由于該方法以接合對象襯底和金屬層的反應(yīng)性為前提，所 以限定對象材料，另外，在接合時，也有時需要加熱處理。
另一方面，對于只通過表面活性化和壓接得不到強度的Si02的難接合 性材料，通過在被接合面形成金屬膜也能夠進行常溫接合的可能性在高木 的報告(機械技術(shù)研究所報告189號(2000))中已經(jīng)指出。具體實施該 技術(shù)的方法目前已經(jīng)提案。
特開2004 — 337927號公報中敘述了在目前的常溫接合中作為將難接 合性的離子性結(jié)晶襯底彼此接合的方法，在被接合面上形成金屬薄膜。在
6真空中向被接合面照射惰性氣體離子束或惰性氣體中性原子束、和金屬離
子束或金屬中性原子束，在各襯底的接合面上形成lnm 100nm膜厚的金
屬薄膜。
在特開2004—343359號公報中公開了一種常溫接合的彈性表面波元 件的制造方法。作為該方法，例示有經(jīng)由中間膜的接合方法。LiTa02等壓 電單結(jié)晶襯底和八1203或Si等結(jié)晶性襯底通過表面活性化處理和壓接，不 進行高溫?zé)崽幚矶雍?。作為該方法之一，例示以Si或絕緣材料、金屬作 為中間層形成而進行接合的方法。
如上所述，只通過表面活性化和壓接難于以實用的接合強度將Si02 類材料接合，為了得到實用的接合強度，作為產(chǎn)生接合強度的接合功能材 料將金屬等介于接合界面的方法有效。但是，有關(guān)介于的金屬組成或濃度 的適宜條件還沒有充分進行研究。尤其是，用于得到實用上所要求的接合 強度的金屬的適宜量的定量評價還不充分。作為過度形成金屬中間層的不 利方面，例如，中間層形成工藝所需要的時間延長，引起工藝成本的增 大*生產(chǎn)節(jié)拍間隔時間延伸的生產(chǎn)率下降。另外，過度形成金屬中間層影 響到器件接合界面的物性，也有可能影響器件的性能。例如，在通過伴隨 離子束等物理濺射的裝置形成金屬中間層的情況下，當(dāng)照射時間延長時， 在形成金屬中間層的同時，對被接合面的進行濺射，被接合面的表面粗糙 度增大，故也發(fā)生接合強度反而下降的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的課題在于提供器件及其器件的制造方法，該器件更堅固地接 合襯底。
本發(fā)明的另外課題在于提供一種器件制造方法，該方法使難接合性材 料的接合裝置的條件適宜化。
本發(fā)明的另外課題在于提供器件及其器件的制造方法，該器件通過常
溫接合將難接合性材料組成的襯底(例如，Si02類材料襯底)以實用的接
合強度接合得到。
本發(fā)明的另外課題在于提供一種常溫接合裝置，該常溫接合裝置作為 難接合性材料的接合裝置，提供適宜化后的接合條件。本發(fā)明的器件具備第一襯底和第二襯底。此時，在第一襯底和第二襯 底的界面存在至少一種金屬元素。通過經(jīng)由該金屬元素的常溫接合，將第 一襯底和第二襯底接合。
優(yōu)選該至少一種金屬的界面元素存在比率為0.07以上。更優(yōu)選界面元
素存在比率為O.l以上，此外，更優(yōu)選0.2以上。在此，所謂界面元素存 在比率是指所述至少一種金屬的原子數(shù)相對存在于接合界面的全部原子 數(shù)的比率。具體而言，將居間接合的至少一種金屬元素的原子數(shù)的合計相 對存在于界面的被接合材料的構(gòu)成元素及居間接合的至少一種金屬元素 的原子數(shù)的合計占的比率，作為界面元素存在比率定義。在此，所說的界 面，例如是指從被接合面到深度5nm的范圍。該值通過通常使用的組成分 析設(shè)備，例如X線電子分光分析(XPS)或利用透過型電子顯微鏡的能量 分散型熒光線分析(EDX分析)，定量賦予。
在其金屬為多種時，作為多種金屬，例示選自由以下集合組成的集合 的一種金屬集合，即鐵和鉻組成的金屬集合、鐵和鋁組成的金屬集合、 鐵和鉻和鋁組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳和 鋁組成的金屬集合。
金屬在第一材料和第二材料的界面連續(xù)或不連續(xù)地層狀分布，另外， 在該界面島狀、或連續(xù)地層狀分布。在該界面也可以存在除此之外的金屬。 例如，也可以包含鎢W、金Au、銀Ag、銅Cu、鉭Ta、鋅Zn的任一種。
本發(fā)明的器件中，被接合的第一襯底的主要成分也可以是氧化物、例 如二氧化硅。另外，本發(fā)明的器件中，第一襯底也可以選自單結(jié)晶材料、 多結(jié)晶材料、玻璃、陶瓷的任一種或其組合。除此之外，本發(fā)明的器件的 第一襯底的主要成分也可以是氟化物、碳化物或氮化物。另外，第一襯底 的材料的主要成分與第二襯底的材料的主要成分相同。
本發(fā)明的器件制造方法包括對第一襯底的表面進行濺射的步驟、將
至少一種金屬附著在第一襯底的表面的步驟、將第二襯底與第一襯底的表
面常溫接合的步驟。優(yōu)選該至少一種金屬的界面元素存在比率為0.07以 上。另外，在本發(fā)明的器件制造方法中，在濺射第一襯底的表面的同時濺 射第二襯底的表面。另外，本發(fā)明的器件制造方法還包括在對其襯底的表 面進行濺射的同時，在襯底表面附著至少一種金屬的步驟。在包含多種金屬時，作為該多種金屬，例示選自由以下集合組成的集 合的一種金屬集合，即鐵和鉻組成的金屬集合、鐵和鋁組成的金屬集合、 鐵和鉻和鋁組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳和 鋁組成的金屬集合。在其界面也可以存在其以外的金屬。例如，也可以含
有鴇W、金Au、銀Ag、銅Cu、鉭Ta、鋅Zn的任一種。
對第一襯底和第二襯底的表面照射并濺射加速后的粒子。另一方面， 至少一種金屬從照射了加速后的粒子的金屬釋放體釋放，且附著在表面。 作為金屬釋放體，例示構(gòu)成設(shè)置于接合裝置或接合裝置內(nèi)部的襯底保持機 構(gòu)、襯底移送機構(gòu)、襯底壓接機構(gòu)的各內(nèi)部裝置的結(jié)構(gòu)部件或構(gòu)成零件。 本發(fā)明的器件制造方法，通過加速且控制與照射到金屬釋放體的粒子有關(guān) 的參數(shù)，適宜控制釋放到襯底表面的金屬，從而形成得到實用的接合強度 的金屬中間層。具體而言，優(yōu)選設(shè)定加速進行照射的粒子的速度，以使多 種金屬的界面元素存在比率成為0.07以上。例如，作為濺射裝置在使用離 子束的情況下，被照射的粒子速度能夠通過施加到離子束源的加速電壓控 制。另外，優(yōu)選設(shè)定照射粒子的照射時間，以使多種金屬的界面元素存在 比率成為0.07以上。優(yōu)選設(shè)定每單位時間照射的粒子的照射量，以使多種 金屬的界面元素存在比率成為0.07以上。
本發(fā)明的常溫接合裝置具備在內(nèi)部生成真空氣氛的真空室、在該真 空氣氛下保持被接合材料即襯底材料的保持機構(gòu)、將襯底材料移送到規(guī)定 位置的移送機構(gòu)、將襯底材料的被接合面活性化的物理濺射機構(gòu)、使活性 化了的被接合面彼此重合且壓接的壓接機構(gòu)。理想的是真空室的內(nèi)壁、結(jié) 構(gòu)部件及構(gòu)成保持機構(gòu)、移送機構(gòu)或壓接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)部件 構(gòu)成零件的任 一個由附著的材料形成，以通過物理濺射機構(gòu)進行濺射而使之釋放以規(guī)定 組成的多種金屬形成的濺射粒子群，以使在該襯底材料表面的該多種金屬 的界面元素存在比率為0.07以上。
作為該多種金屬例示選自由以下集合組成的集合的一種金屬集合， 即鐵和鉻組成的金屬集合、鐵和鋁組成的金屬集合、鐵和鉻和鋁組成的 金屬集合、鐵和鉻和鎳組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳和鋁組成的金屬集合。 在其界面，也可以存在除此之外的金屬。例如，也可以含有鎢W、金Au、 銀Ag、銅Cu、鉭Ta、鋅Zn的任一種。


圖1是表示本發(fā)明的常溫接合裝置的實施方式的剖面圖2是表示襯底狀態(tài)的剖面圖3是表示襯底其它狀態(tài)的剖面圖4是表示襯底又其它狀態(tài)的剖面圖5是表示襯底又其它狀態(tài)的剖面圖6是表示評價接合強度時的襯底狀態(tài)的剖面圖7是表示能量相對照射時間變化的曲線圖8是表示結(jié)合能量相對界面的界面元素存在比率變化的曲線圖。
具體實施例方式
參照附圖，對本發(fā)明的常溫接合裝置進行詳細說明。如圖1所示，該 常溫接合裝置1具備真空室2、離子槍3、上側(cè)臺5和下側(cè)臺6。
真空室2為確保內(nèi)部空間并隔離周圍環(huán)境的容器，由在濺射時以規(guī)定 的組成釋放鐵Fe、鋁Al和鉻Cr的材料形成。作為該材料，例示以規(guī)定組 成含有鐵Fe和鉻Cr的不銹鋼。真空室2還具備未圖示的真空管和蓋。該 真空管從真空室2的內(nèi)部排放氣體。作為該真空管，例示通過內(nèi)部的金屬 制的多個葉片彈飛氣體分子而排氣的渦輪分子泵。其蓋閉鎖或開放連接真 空室2的外部和內(nèi)部的口。
上側(cè)臺5形成為圓柱狀，相對真空室2可與垂直方向平行移動地被支 承。上側(cè)臺5由在進行著濺射時以規(guī)定組成釋放鐵Fe和鋁Al和鉻Cr的 材料形成，例如，由以規(guī)定組成含有鐵Fe和鉻Cr的不銹鋼和鋁Al形成。 上側(cè)臺5在其圓柱的下端具備感應(yīng)層，在其感應(yīng)層和襯底11之間施加電 壓，利用靜電力吸引襯底11支承在該感應(yīng)層上。上側(cè)臺5具備未圖示的 壓接機構(gòu)。該壓接機構(gòu)通過操作著的操作，使上側(cè)臺5相對于真空室2沿 垂直方向平行移動。
下側(cè)臺6由在濺射時以規(guī)定組成釋放鐵Fe和鋁Al和鉻Cr的材料形 成，例如，由以規(guī)定組成含有鐵Fe和鉻Cr的不銹鋼和鋁Al形成。下側(cè) 臺6還具備未圖示的移送機構(gòu)。該移送機構(gòu)通過操作著的操作，使下側(cè)臺6沿水平方向平行移動，使下側(cè)臺6以與垂直方向平行的旋轉(zhuǎn)軸為中心旋
轉(zhuǎn)移動。另外，下側(cè)臺6例如具備由鋁形成的襯底支架。另外，下側(cè)臺6 也可以是在其上端具備感應(yīng)層，在該感應(yīng)層和襯底12之間施加電壓，利 用靜電力吸附襯底12支承在該感應(yīng)層的機構(gòu)。
離子槍3面向支承于上側(cè)臺5的襯底11和支承于下側(cè)臺6的襯底12。 離子槍3朝向該面對的方向釋放加速了的帶電粒子。作為該帶電粒子，例 示氬離子。真空室2中也可以具備未圖示的電子槍。該電子槍面向通過離 子槍照射帶電粒子的對象配置，朝向該對象釋放加速了的電子。這樣的電 子用于中和通過由離子槍3釋放出來的帶電粒子而帶正電的對象。
接受帶電粒子的照射，通過濺射從裝置內(nèi)的金屬釋放體釋放多種金 屬。對這種情況的金屬釋放體沒有特別限定，作為例子，可以舉出室內(nèi)的 結(jié)構(gòu)材料或以上側(cè) 下側(cè)的載物臺為主的襯底保持機構(gòu) 移送機構(gòu) 壓接 機構(gòu)的表面部件。
圖2 圖5表示使用常溫接合裝置1進行常溫接合時襯底11和襯底 12的狀態(tài)。首先，操作者打開真空室2的蓋，將襯底11保持在上側(cè)臺5 上，將襯底12保持在下側(cè)臺6上。操作者關(guān)閉真空室2的蓋，在真空室2 的內(nèi)部生成真空氣氛。操作者操作下側(cè)臺6的定位機構(gòu)，水平移動下側(cè)臺 6，以使襯底11與襯底12對置。
此時，如圖2所示，襯底11在表面形成有惰性表面層21。該惰性表 面層21由附著于其表面的雜質(zhì)、襯底材料變形生成的生成物、因氧氣等 而成為以結(jié)合鍵為終端且反應(yīng)活性匱乏的狀態(tài)的材料最表面層等構(gòu)成。襯 底12與襯底11 一樣，在表面形成惰性表面層22。該惰性表面層22由附 著于該表面的雜質(zhì)、襯底材料變成的生成物、因氧氣等而成為以結(jié)合鍵為 終端且反應(yīng)活性匱乏的狀態(tài)的材料最外面層等形成。
如圖3所示，操作者在使襯底11和襯底12充分分開的狀態(tài)下，使用 離子槍3對襯底12照射帶電粒子，使用離子槍3對襯底11照射帶電粒子。 襯底12和襯底11通過照射該帶電粒子進行濺射，分別除去形成于其表面 的惰性表面層21、 22。此時，該帶電粒子也對室內(nèi)的金屬釋放體(例如， 真空室2和上側(cè)臺5和下側(cè)臺6)進行照射。當(dāng)對該金屬釋放體照射該帶 電粒子時，進行濺射，在真空氣氛中釋放其構(gòu)成元素即多種金屬，例如Fe和鋁Al和鉻Cr。此時，操作者通過設(shè)定離子槍運轉(zhuǎn)參數(shù)來調(diào)整帶電粒子 的照射條件，釋放出來的金屬在接合界面形成中間材料層，將在界面的界 面元素存在率控制為取得規(guī)定的合適濃度范圍的值。
如圖4所示，當(dāng)帶電粒子的照射結(jié)束時，襯底11在其表面露出活性 表面24，襯底12在其表面露出活性表面25。在活性表面24和活性表面 25形成中間材料26。中間材料26由含有從真空室2和上側(cè)臺5和下側(cè)臺 6釋放出來的原子，比如，鐵Fe和鋁Al和鉻Cr的層形成。
操作者操作上側(cè)臺5的壓接機構(gòu)，使上側(cè)臺5沿垂直方向下降，如圖 5所示，使襯底11和襯底12接觸。襯底11和襯底12通過這樣接觸而進 行常溫接合，從而堅固地被接合成一體。此時，在襯底11和襯底12的界 面27形成中間材料層28。中間材料層28由中間材料26形成。這樣的中 間材料層28起到進一步增強襯底11和襯底12的接合強度的作用。
另外，在上述例子中，敘述了如下的裝置由不銹鋼形成真空室2， 由不銹鋼和鋁形成上側(cè)臺5、下側(cè)臺6，由鋁形成襯底支架，但也可以由 其它的材料形成這些構(gòu)成的一部分。例如，也可以由鋁形成真空室2。另 外，例如由鋁合金形成上側(cè)臺5、下側(cè)臺6。另外，也可以由不銹鋼形成 襯底支架。
在本發(fā)明實施例的常溫接合方法中，使用常溫接合裝置1生產(chǎn)制品。 本發(fā)明的常溫接合方法通過確定物理濺射機構(gòu)的運轉(zhuǎn)參數(shù)，控制適宜的濃 度范圍，以使作為接合功能材料形成于被接合面的中間材料得到實用的接
合強度。
作為該運轉(zhuǎn)參數(shù)，例示離子槍3加速帶電粒子的電壓、離子槍3照射 帶電粒子的時間、離子槍3釋放帶電粒子的量(離子束強度、電流量)。 操作者基于實測出運轉(zhuǎn)參數(shù)與存在于被接合面的多數(shù)金屬原子的界面元 素存在比率的對應(yīng)關(guān)系，確定運轉(zhuǎn)參數(shù)，以使在被接合界面的多個金屬的 界面元素存在比率成為合適的范圍。作為該合適的范圍，例示0.07以上。 其后，襯底11和12在通過濺射除去惰性表面后被接合。
多數(shù)金屬原子的界面元素存在比率作為居間接合的多個金屬元素的 原子數(shù)的合計相對存在于接合界面的被接合材料的構(gòu)成元素及居間接合 的多個金屬元素的原子數(shù)的合計的比率被定義。即，設(shè)居間接合的金屬元素(例如，F(xiàn)e和鉻Cr和鋁Al)全部原子數(shù)的合計相對構(gòu)成存在于被接合 界面襯底的元素(例如，石英玻璃襯底時的珪Si和氧O)及居間接合的金 屬元素(例如，F(xiàn)e和鉻Cr和鋁Al)的全部原子數(shù)合計的比率為居間接合 的金屬原子的界面元素存在比率。在此所說的界面為從被接合面到深度 5nm的范圍。
界面元素存在比率能夠基于通過通常的分析方法測定出的界面的元 素濃度算出。作為該元素濃度的測定方法，例示X線電子分光法分析 (XPS)。 XPS可計測與所存在的原子數(shù)成正比的信號強度，根據(jù)該信號 強度換算襯底的構(gòu)成元素及金屬元素的各自的組成比。能夠基于該分析結(jié) 果算出界面元素存在比率。操作者確定運轉(zhuǎn)參數(shù)以使其界面元素存在比率 為0.07以上。另外，理想的是，操作者確定運轉(zhuǎn)參數(shù)以使其界面元素存在 比率為0.1以上。更理想的是，操作者確定運轉(zhuǎn)參數(shù)以使其界面元素存在 比率為0.2以上。另外，該金屬原子也可以由鐵和鉻形成。此外，該金屬 原子也可以由鐵和鋁形成。此外，該金屬原子也可以由鐵、鉻和鎳形成。 此外，該金屬原子也可以由鐵、鉻、鎳和鋁形成。
根據(jù)這樣的常溫接合方法，制品在被常溫接合的界面適度介有多種金 屬原子，接合界面堅固，具有實用的接合強度。因此，本發(fā)明的常溫接合 方法不會使由難于進行常溫接合的材料形成的襯底發(fā)生因中間材料形成 過度或工藝時間冗長導(dǎo)致的器件性能的惡化或生產(chǎn)性的下降，而能夠更堅 固地以實用的接合強度進行常溫接合。作為該材料，例示氧化物、氮化物、 碳化物和氟化物。作為該氧化物，例示Si02類材料、Ab03類材料。作為 該Si02類材料，例示水晶、合成石英、硼硅酸(注冊商標(biāo))、玻璃、石英 玻璃。作為該八1203類材料，例示藍寶石、氧化鋁。作為該氮化物，例示 氮化硅SiN、氮化鈦TiN。作為該碳化物，例示碳化硅SiC、碳化鈦TiC。 作為氟化物，例示氟化鈣CaF2、氟化鎂MgF2。作為該金屬，例示單體金 屬和合金。作為該材料，還例示光學(xué)結(jié)晶、壓電材料*磁致伸縮材料。作 為該光學(xué)結(jié)晶，例示CaC03、 YV04、 YAG。作為該壓電材料 磁致伸縮 材料，例示PZT。本發(fā)明的常溫接合方法在被常溫接合的兩個襯底由這樣 的材料中的不同的材料形成時，也能夠適用，且不會使這樣的兩個襯底發(fā) 生因中間材料的過度形成或工藝時間冗長導(dǎo)致的器件性能的惡化或生產(chǎn)
13性的下降，而能夠更堅固地進行常溫接合。
利用這樣的常溫接合方法制造出來的制品能夠測定在被接合的界面 介有的金屬原子的界面元素存在比率。作為該測定方法，例示使用透過型 電子顯微鏡的EDX分析。上述電子分光法分析(XPS)和使用透過型電
子顯微鏡的EDX分析，其方法雖然不同，但是都能夠定量地對元素濃度 進行分析，從各自的分析法導(dǎo)出來的濃度分析結(jié)果存在相關(guān)關(guān)系?；谠?相關(guān)關(guān)系，對接合后的界面也分析并評價存在于接合界面的金屬的界面元 素存在比率，能夠確認(rèn)作為接合條件是否位于適宜的范圍。
被常溫接合后的襯底的接合強度能夠利用接合部的結(jié)合能量進行評 價。該結(jié)合能量可以利用周知的內(nèi)插法進行評價。該內(nèi)插法，例如公開有 "Maszaraetal.， J. Appl Phys 64 (10) pp.4943—4950 (1988)"。圖6 表示通過該內(nèi)插法計測結(jié)合能量時的襯底狀態(tài)。即，檢査者在被常溫接合 后的襯底41和襯底42的界面插入剃刀刃43。此時，襯底41和襯底42 彼此剝離產(chǎn)生裂縫44。檢查者測定裂縫44的進展長度。接合界面的一表 面的每單位面積的結(jié)合能量Y利用裂縫44的進展長度L和剃刀刃43厚度 一半的值y和襯底41、 42的厚度和襯底41、 42的揚格率E，由下式表達 [數(shù)l]
—3及y
表示結(jié)合能量Y的值越大，接合強度越大，襯底彼此越不容易剝離。
作為實用的接合強度的基準(zhǔn)，例示結(jié)合能量Y的值為0.1J/m2以上。 另外，結(jié)合能量Y的值為0.1J/m2以上例如表示的是，雖然接合強度弱但 平緩地切割襯底41和襯底42時，襯底41和襯底42接合成不剝離的程度。 結(jié)合能量Y的值為0.5J/m2以上例如表示的是，高速切割襯底41和襯底42 時，襯底41和襯底42以不剝離的程度實用的接合強度接合。
結(jié)合能量隨產(chǎn)生接合功能的金屬的增加而增大，相反，過度的工藝會 發(fā)生接合能量的下降。眾所周知，襯底表面的表面粗糙度隨著濺射而增大。 另外，還知道襯底的接合強度隨著被常溫接合的表面的表面粗糙度增大而減小。圖7表示利用實施例的常溫接合裝置的襯底的結(jié)合能量相對于對襯 底照射帶電粒子的照射時間(進行濺射時間)的變化。圖7的曲線表示在 照射時間小于某值的區(qū)域，作為接合功能材料居間接合的金屬隨著照射時 間的延長而增加，其效果是結(jié)合能量增大，表示在照射時間大于該值的區(qū) 域，表面粗糙度的增大效果隨照射時間的延長而增大，結(jié)合能量減小。艮口， 在照射時間上存在合適的范圍(上限和下限)。
圖8表示接合強度相對接合界面的界面元素存在比率的變化。界面元 素存在比率x與被接合之前的襯底表面有關(guān)，基于利用XPS測定出的接合 界面的元素濃度測定的結(jié)果算出。結(jié)合能量y利用界面元素存在比率x，
通過下式大約表達 y:3.336x — 0.242
艮口，圖8的曲線表示界面元素存在比率x和結(jié)合能量存在相關(guān)關(guān)系。 圖8的曲線還表示在界面元素存在比率x為0.07以上時，結(jié)合能量達到 0.0J/i^以上，對襯底進行常溫接合。圖8的曲線還表示在界面元素存在比 率x為O.l以上時，結(jié)合能量達到0.1J/n^以上，在切割平緩時，襯底接合 成不剝離的程度。圖8的曲線還表示在界面元素存在比率x為0.2以上時， 結(jié)合能量達到0.5J/m2以上，襯底接合成即使高速切割也不剝離的程度。 即，在不過度超過得到界面元素存在比率為0.2以上的運轉(zhuǎn)參數(shù)的運轉(zhuǎn)條 件下進行濺射接合，不會發(fā)生性能惡化，而能夠制造具有0.5J/m2以上的 實用的接合強度的器件。另外，這樣的相關(guān)關(guān)系，不用測定界面元素濃度 的特定方法算出。用其它的測定方法算出的界面元素存在比率也同樣表示 與結(jié)合能量相關(guān)關(guān)系。另外，該界面元素存在比率與被接合的襯底有關(guān)， 可以基于界面的元素濃度測定的結(jié)果算出。作為該測定方法，例示利用透 過型電子顯微鏡的EDX分析。與被接合的襯底關(guān)聯(lián)地算出的界面元素存 在比率也同樣表示與結(jié)合能量y相關(guān)關(guān)系。
通過本發(fā)明的實施例制造的器件利用常溫接合裝置1進行常溫接合制 造。作為該器件，例示微機、壓力傳感器、超小型電動機。該器件具備常 溫接合的兩個襯底。該襯底由難于常溫接合的材料形成。作為該材料，例 示氧化物、氮化物、碳化物、氟化物和金屬。作為該氧化物，例示Si02 類材料、八1203類材料。作為該Si02類材料，例示水晶、合成石英、硼硅酸(注冊商標(biāo))、玻璃、石英玻璃。作為該Al203類材料，例示藍寶石、氧
化鋁。作為該氮化物，例示氮化硅SiN、氮化鈦TiN。作為該碳化物，例 示碳化硅SiC、碳化鈦TiC。作為該氟化物，例示氟化鈣CaF2、氟化鎂 MgF2。作為該金屬，例示單體金屬和合金。作為該材料，還例示光學(xué)結(jié)晶、 壓電材料*磁致伸縮材料。作為該光學(xué)結(jié)晶，例示CaCO" YV04、 YAG。 作為該壓電材料，磁致伸縮材料，例示PZT。該兩個襯底由相同的材料形 成、或不同的材料形成。
在該兩個襯底的界面形成中間材料層。該中間材料層配置于該界面的 局部，或配置于該界面的全部。該中間材料層由多種金屬原子形成。作為 該金屬原子，例示鐵、鋁和鉻。該中間材料層形成為在其界面的該金屬原 子的界面元素存在比率為0.07以上。其零件具備該中間材料層的情況，例 如能夠利用能量分散型熒光X線分析裝置(EDX)進行測定。本發(fā)明的器 件的通過這樣的中間材料層進行常溫接合的界面的接合強度更堅固。另 外，更優(yōu)選該中間材料層形成為在其界面的其金屬原子的界面元素存在比 率為0.1以上，此外，更優(yōu)選形成為該界面元素存在比率為0.2以上。
權(quán)利要求
1、一種器件，其具備至少一種金屬、第一襯底、經(jīng)由所述至少一種金屬通過常溫接合與所述第一襯底接合的第二襯底，其中，所述至少一種金屬的界面元素存在比率為0.07以上。
2、 如權(quán)利要求l所述的器件，其中，所述至少一種金屬的界面元素存在比率為0.1以上。
3、 如權(quán)利要求2所述的器件，其中， 所述至少一種金屬的界面元素存在比率為0.2以上。
4、 如權(quán)利要求1 3中任一項所述器件，其中， 所述器件包含多種金屬，所述多種金屬為從下述集合中選出的一種金屬集合的金屬鐵和鉻組成的金屬集合、鐵和鋁組成的金屬集合、鐵和鉻和鋁組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳和鋁組成的金屬集合。
5、 如權(quán)利要求1 4中任一項所述器件，其中， 所述第一襯底的主要成分為氧化物。
6、 如權(quán)利要求5所述的器件，其中， 所述第一襯底的主要成分為二氧化硅。
7、 如權(quán)利要求6所述的器件，其中，所述第一襯底由從單結(jié)晶材料和多結(jié)晶材料和玻璃和陶瓷組成的集 合中選出的材料形成。
8、 如權(quán)利要求1 4中任一項所述器件，其中， 所述第一襯底的主要成分為氟化物。
9、 如權(quán)利要求1 4中任一項所述器件，其中， 所述第一襯底的主要成分為碳化物。
10、 如權(quán)利要求1 4中任一項所述器件，其中， 所述第一襯底的主要成分為氮化物。
11、 如權(quán)利要求1 10中任一項所述器件，其中，形成所述第一襯底的材料的主要成分與形成所述第二襯底的材料的 主要成分相等。
12、 一種器件制造方法，包括對第一襯底的表面進行濺射的步驟、 將至少一種金屬附著于所述第一襯底的表面的步驟、將第二襯底與所述第 一襯底的表面常溫接合的步驟，其中，所述至少一種金屬的界面元素存在比率為0.07以上。
13、 如權(quán)利要求12所述的器件制造方法，其中， 所述至少一種金屬的界面元素存在比率為0.1以上。
14、 如權(quán)利要求13所述的器件制造方法，其中， 所述至少一種金屬的界面元素存在比率為0.2以上。
15、 如權(quán)利要求12 14中任一項所述的器件制造方法，其中， 還包括在對所述第一襯底的表面進行濺射的同時，對所述第二襯底的表面進行濺射的步驟。
16、 如權(quán)利要求12 15中任一項所述的器件制造方法，其中， 所述濺射的步驟和所述附著的步驟同時實行。
17、 如權(quán)利要求12 16中任一項所述的器件制造方法，其中， 所述濺射的步驟包括照射被加速的粒子對所述第一襯底的表面進行濺射的步驟，所述附著的步驟是所述至少一種金屬從照射了所述粒子的金屬釋放 體釋放，附著在所述第一襯底的表面。
18、 如權(quán)利要求17所述的器件制造方法，其中， 所述金屬釋放體為構(gòu)成設(shè)置于接合裝置或接合裝置內(nèi)部的襯底保持機構(gòu)、襯底移送機構(gòu)、襯底壓接機構(gòu)的各內(nèi)部裝置的結(jié)構(gòu)部件或構(gòu)成零件 的至少一種。
19、 如權(quán)利要求17或18所述的器件制造方法，其中，有關(guān)所述粒子的參數(shù)為所述粒子的速度。
20、 如權(quán)利要求17或18所述的器件制造方法，其中， 有關(guān)所述粒子的參數(shù)為照射所述粒子的照射時間。
21、 如權(quán)利要求17或18所述的器件制造方法，其中，有關(guān)所述粒子的參數(shù)為在所述第一襯底的表面每單位時間照射的所 述粒子的照射量。
22、 如權(quán)利要求12 21中任一項所述的器件制造方法，其中， 所述附著的金屬為多種金屬，所述多種金屬為從以下集合中選出的一種金屬集合的金屬鐵和鉻組成的金屬集合、鐵和鋁組成的金屬集合、鐵和鉻和鋁組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳和鋁組成的金屬集合。
23、 一種常溫接合裝置，其中，具備在內(nèi)部生成真空氣氛的真空室、 在所述真空氣氛下保持被接合材料即襯底材料的保持機構(gòu)、將所述襯底材 料移送到規(guī)定位置的移送機構(gòu)、將所述襯底材料的被接合面活性化的物理 濺射機構(gòu)、使所述活性化的被接合面彼此重合壓接的壓接機構(gòu)，所述真空室的內(nèi)壁或結(jié)構(gòu)部件，構(gòu)成所述保持機構(gòu)、所述移送機構(gòu)或所述壓接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)部件、構(gòu)成零件的至少一個，通過所述物理濺射機構(gòu) 被濺射，由此，以規(guī)定的組成釋放多種金屬，所述被釋放出來的多種金屬附著在所述襯底材料的表面，使所述襯底材料表面的所述被釋放出來的多種金屬的界面元素存在比率為0.07以上。
24、 如權(quán)利要求23所述的常溫接合裝置，其中，所述多種金屬為從以下集合中選出的一種金屬集合的金屬鐵和鉻組成的金屬集合、鐵和鋁組成的金屬集合、鐵和鉻和鋁組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳組成的金屬集合、鐵和鉻和鎳和鋁組成的金屬集合。
全文摘要
本發(fā)明提供常溫接合的器件、器件的制造方法以及常溫接合裝置。該器件在第一襯底和第二襯底的界面形成生成接合強度的中間材料，在該中間材料層內(nèi)存多種金屬元素。根據(jù)濺射時的運轉(zhuǎn)參數(shù)，該多種金屬元素的界面元素存在比率為0.07以上。這樣，將難接合性材料組成的襯底(例如，SiO₂類材料襯底)通過常溫接合，以實用的接合強度進行接合，從而得到器件。
文檔編號B23K20/00GK101454113SQ200780019998
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日
發(fā)明者井手健介, 內(nèi)海淳, 后藤崇之, 船山正宏, 高木秀樹 申請人:三菱重工業(yè)株式會社