JPH07169660A

JPH07169660A - ウェハ対を接合する装置及び方法

Info

Publication number: JPH07169660A
Application number: JP6206171A
Authority: JP
Inventors: David J Collins; ジェイコリンズディヴィッド; Daniel E Kuhman; イークーマンダニエル; Herman A Hermanson; エイハーマンソンハーマン
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1995-07-04
Also published as: US5545283A

Abstract

(57)【要約】【目的】熱及び圧力を使用してウェハを接合し、イン
クジェットプリントヘッドを製造する方法及び装置を提
供する。【構成】ウェハ対を接合する装置は、加熱されるプラ
テンと、その周りの加圧容器とを備えている。加熱され
るプラテンは、該プラテンを通して延びる穴に接続され
たチャンネルを備えている。ウェハ対がプラテンの上面
に配置されると、そのウェハ対の上にゴムマットが配置
され、穴及びチャンネルを経て真空が引かれる。ゴムマ
ットは、ウェハ対を圧縮する。接合プロセスに対してプ
ラテンが加熱される。加圧チャンバが加圧され、付加的
な接合圧力をウェハ対に供給する。充分に加熱される
と、加熱されたプラテンは液体冷却され、接合プロセス
を完了する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、シリコンウェ
ハの接合（ボンディング）に係り、より詳細には、イン
クジェットプリントヘッドを製造するために熱及び圧力
を用いてウェハを接合する方法及び装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】ウェスト氏等の米国特許第４，９５３，
２８７号には、柔軟なシートを真空チャックに対してシ
ールするためにＯリングが安住されたフランジをもつ空
気作動ラムを備えた熱接合装置が開示されている。真空
チャックは、プリントヘッド組立体を保持する。加圧さ
れた空気が、ラムに含まれたチャンバに導入され、加熱
中に柔軟なシートをプリントヘッド組立体に押しつけ、
プリントヘッド組立体を接合する。

【０００３】ウェル氏等の米国特許第５，１３１，９６
８号には、ウェハを一緒に接合する装置及び方法が開示
されている。第１のウェハはフラットなチャックに真空
取り付けされ、そして第２のウェハは凸状圧力勾配チャ
ックに取り付けられる。ウェハがスクラビングされ研磨
されると、これらチャックが一緒に移動される。凸状圧
力勾配チャックは、圧力勾配をウェハ面に付与して接合
を行う。

【０００４】

【発明の構成】本発明の１つの特徴によれば、コンポー
ネント対を接合するための装置が提供される。このコン
ポーネント対を接合する装置は、コンポーネント対を支
持する部材と、コンポーネント対が配置される真空チャ
ンバを上記部材とで画成する柔軟な部材とを備えてい
る。更に、コンポーネント対を接合する装置は、コンポ
ーネント対を加熱するヒータと、少なくとも上記部材及
び柔軟な部材が配置された圧力チャンバを画成する圧力
部材とを備えている。この圧力部材は、コンポーネント
対の接合を行うために圧力チャンバの圧力を増加する。

【０００５】本発明の別の特徴によれば、コンポーネン
ト対を接合する方法が提供される。コンポーネント対を
接合する方法は、一方のコンポーネントを他方のコンポ
ーネントに隣接して支持する段階を備えている。これら
のコンポーネントは、非接合のコンポーネント対を形成
するように２つのコンポーネント間に介在された接合材
料を有する。非接合のコンポーネント対は、内部チャン
バと外部チャンバが画成されるようにカバーされる。内
部チャンバは、非接合のコンポーネント対を含む。非接
合のコンポーネント対は加熱され、内部チャンバの圧力
が減少され、そして外部チャンバの圧力が増加されて、
接合されたコンポーネント対が形成される。

【０００６】

【実施例】図１は、テーブル１１に取り付けられた本発
明のウェハ接合装置１０を示す図である。ウェハ接合装
置１０は加圧容器１２を備え、これは、蓋１４と、円筒
状底部１６とを有している。この底部１６は、１部片の
ミリング加工された容器であり、底部１６の上縁２０に
はグルーブ１８が形成されている。ステンレススチール
又は他の材料でも、それが選択された温度及び圧力に耐
えるに充分なものであれば、使用できる。グルーブ１８
は、Ｏリング２２を受け入れるために形成され、これ
は、このＯリングは、蓋１４が加圧のために底部１６の
上に位置されたときに接合装置１０をシールするのに使
用される。蓋１４は、アーム２４からスクリューメカニ
ズム２６によって懸架され、このスクリューメカニズム
は、ハンドル３０に取り付けられたスクリュー２８と、
蓋１４に取り付けられたフランジ３２とを備えている。
アーム２４は、ピボット点３４の周りで枢着回転し、こ
のピボット点は、底部１６に取り付けられたブラケット
３６に取り付けられる。

【０００７】支持構造体４０は、底部１６の内部であっ
て且つその内側の底に取り付けられる。支持構造体４０
は、シェルフ４４を支持するスタンド４２を有してい
る。シャルフ４４はプラテン４６を支持し、その上に基
板又はウェハ対が接合のために配置される。プラテン４
６は、ボルト又は他の手段によってシェルフ４４に取り
付けられる。ボルト／ナット組立体４８は、シェルフ４
４をプラテン４６に結合する。図示明瞭化のために更に
別のボルト／ナット組立体は図示されていない。絶縁ス
ペーサ５０は、シェルフ４４をプラテン４６から分離
し、シェルフとプラテンとの間に熱絶縁を与えるのに使
用される。

【０００８】本発明においては、ウェハ対が互いに接合
されて、多数のサーマルインクジェットプリントヘッド
を形成する。これらサーマルインクジェットプリントヘ
ッドは、ヒータウェハをチャンネルウェハに接合するこ
とにより形成される。チャンネルウェハは、関連マニホ
ルドをもつ複数組のチャンネルを有している。ヒータウ
ェハは、ウェハを貫通する穴をもたない内実のウェハで
あり、複数組のヒータ素子及びアドレス電極を有してい
る。ウェハ対より成る組立体を接合するプロセスは、熱
を付与する間にウェハ対を圧縮整列状態に保持すること
を含む。これらのウェハは、接合材料又は接着剤の層を
チャンネルウェハに付着しそして２つのウェハを互いに
嵌合して互いに整列させることにより接合される。いっ
たん整列されると、チャンネルウェハ上の数カ所にシア
ノアクリレート接着剤を付与し、接合を行うまで若干の
整列を維持することにより一緒に留められる。

【０００９】プラテン４６は、直径が約１２インチで且
つ厚みが約１インチの円盤の形状に構成される。これら
の測定値は厳密なものではなく、一度に４対のウェハの
接合を受け入れるように選択され、その各ウェハは直径
が約４インチである。プラテン４６の表面は、接合され
たウェハ対がそこにくっつくのを防止するために、テフ
ロン（登録商標）又はポリテトラフルオロエチレンで覆
われて非粘着性表面を形成する。

【００１０】図２から明らかなように、プラテン４６の
上面５０は、４つの領域即ちゾーン５２に分割される。
各ゾーンは、円形上面５０の約１／４である。各ゾーン
は、組立体又は単一ウェハ対５４を受け入れるに充分な
大きさである。これらゾーンの他の形状も可能であり、
その形状は、プラテンのサイズ、ウェハのサイズ及び一
度に接合されるウェハ対５４の数に基づくものである。
例えば、一度に２つのウェハ対が接合されそして円盤状
のプラテンが使用される場合には、各ゾーンが半円形と
なる。ウェハ対を適切に接合するには、接合されるウェ
ハの表面が互いにできるだけ平行であることが必要であ
るから、各ゾーンにおけるプラテンの表面は実質的に平
らにされる。ここに示す実施例では、この表面は、平面
にわたって１２μという平坦さに合致するようにされ
る。

【００１１】各ゾーン５２は、１つのグルーブ又は複数
のグルーブ５６によって他のゾーン５２から分離され、
これらのグルーブは、外側の円形グルーブ５７と、第１
及び第２の交差グルーブ各々５８及び５９とを含む。ゾ
ーン５２を分離しているグルーブ５６は、プラテン４６
の表面５０に形成される。各グルーブ５６は、図１に示
すように、全プラテン４６を貫通して延びる穴６０に結
合される。穴６０は、シェルフ４４、支持体４２及び底
部１６を通して延びる真空管路６１に結合されている。
この真空管路６１は、穴６０及びグルーブ５６を経て真
空を引くのに使用される真空源（図示せず）に接続され
る。

【００１２】穴及びグルーブを通して引かれる真空は、
プラテン４６の全上面５０を本質的にカバーするゴムシ
ート又はマット６２のような柔軟な部材と組み合わせて
使用される（ウェハ対及びその他プラテンの特徴を覆い
隠さないように一部分しか示されていない）。マット６
２と、シールグルーブ６６に保持されたシールガスケッ
ト又はＯリング６４との間にはシールが作られる。ゾー
ン５２にウェハ対が配置されると、ウェハ対、プラテン
４６の面５０及びＯリング６４の上部にマット６２が配
置される。マット６２は、各ウェハ対の上面全体、各ウ
ェハ対の外周を取り巻くプラテンの上面、チャンネル５
６、穴６０、及びＯリング６４に接触する。

【００１３】マット６２は、静電気を消散するために炭
素が含浸されたシリコーンゴムで作られる。炭素の含浸
は、静電気の導通を与えて、静電気によってマット上に
収集する粒子の量を減少させるために所望される。これ
ら粒子が存在すると、接合中にウェハ対を汚染すること
がある。他の柔軟な材料も使用できるが、このようなマ
ットは、吸引した粒子を除去するために頻繁に清掃する
ことを必要とする。更に、円形のテフロンシート又は他
の非粘着性の柔軟な材料の部片を各ウェハ対の全上面を
覆うようにその上に個々に配置すると、接合プロセスが
完了したときにウェハ対がマットにくっつくのを防止す
ることが分かった。

【００１４】穴６０及びグルーブ５６を経て真空が引か
れ、マット６２が表面５０に引っ張られる。マットは、
外側の円形グルーブ５７、各交差グルーブ５８及び５
９、穴６０において且つＯリング６４に対して下方に引
っ張られる。グルーブは各ウェハ対の外周の外側にある
ので、マットはウェハ対の外縁にわたって下方に引っ張
られて、ウェハ対が位置保持されると共に、既に整列さ
れたウェハ対の整列が維持される。更に、マット６２
は、接合プロセス中にウェハ対５４を位置保持する手段
を形成するので、ウェハ対は、これらウェハ対を位置保
持するためのくぼみ又は側壁を有する機械的な器具を必
要としないし、マット６２が、これをＯリング６４に対
してシールするための機械的な手段を必要とすることも
ない。又、真空は、チャンネルウェハをヒータウェハに
圧着する。真空の付与は、約１４ポンド／平方インチの
下向きの力をウェハ対に供給する。

【００１５】ここに示す実施例では、グルーブ５６は本
質的に長方形の形状であり、グルーブの深さは、グルー
ブの巾よりも大きい。又、他のグルーブ形状を使用する
こともできる。例えば、グルーブ５６は、三角形の形状
であって、その三角形の頂点がプラテン４６において最
も深くなるようにしてもよい。選択された形状が、マッ
トが真空の作用のもとでグルーブへと引っ張られてグル
ーブ５６の若干又は全部への真空を遮断しないよう防止
する限り、形状は厳密なものでない。

【００１６】マット６２が真空を遮断しないよう防止す
る別の特徴は穴挿入物６８である。この穴挿入物６８が
図３に示されている。この穴挿入物６８は穴６０に適合
し、そして穴挿入物６８の中心を貫通する穴７０と、４
つのグルーブ穴７２とを含んでいる。穴挿入物６８がプ
ラテン４６の穴６０に配置されると、マット６２は穴６
０を塞がないよう防止される。というのは、グルーブ穴
７２は、マット６２が真空の供給を閉じることがないよ
うに配置されているからである。

【００１７】更に、プラテン４６は、図１及び４に示す
ヒータ円盤７４も備えている。このヒータ円盤７４は、
伝導加熱によってプラテン４６の表面５０を加熱するこ
とにより接合操作中にプラテンを加熱する。ヒータ円盤
７４は、ワイヤハーネス７６に接続され、これは、ヒー
タ円盤７４によって発生される熱の量を制御するのに必
要な電気信号を搬送する。熱の量は、導体８０に接続さ
れたサーモカップル７８によって測定される。サーモカ
ップル７８は、表面５０において測定されている熱の量
を表す信号を発生する。表面５０に付与される熱の量
は、当業者に明らかなように、一定の温度を維持するよ
うにフィードバック制御ループをもつ制御装置によって
制御される。

【００１８】ここに示す実施例では、ウェハ対に付与さ
れる熱の量は、約１３０℃である。ウェハ対に付与され
る熱の一部は、使用する接着剤の形式によって確立され
る。プラテン及び加圧容器を構成するのに使用する材料
がそれより高い温度に耐え得る限りは、このように高い
加熱温度も可能である。

【００１９】ウェハ対を接合するための製造時間を減少
するために、ヒータ円盤７４の上でプラテンを貫通して
延びる水冷管路８２によってプラテンが水で冷却され
る。水は、冷却管路８２を通り、入口８４及び出口８６
を経て案内される。ここに示す実施例は水を冷却する手
段を含まないが、ラジエータ又は他の何らかの冷却装置
を用いて水を冷却することもできる。図５は、水管路の
１つの考えられる構成を示している。プラテンは、ミズ
リー州、セントルイスのワットロー・エレクトリック・
マニュファクチャリング社で現在製造されているもので
ある。

【００２０】本発明は、自動又は手動のいずれで操作す
ることもできる。接合プロセスを開示するために、オペ
レータは、各領域５２においてプラテンの上部にウェハ
対５４を配置する。ウェハ対５４が配置されると、オペ
レータはウェハ対の上にマット６２を配置し、各ウェハ
対、各ウェハ対の全周をめぐる表面５０及びＯリング６
４をマットが完全にカバーするよう確保する。マット６
２が適切に配置されると、真空管路６１を経て真空が引
かれ、プラテン４６の表面５０及びＯリング６４に対し
てマット６２を引っ張る。ウェハのこの最初の圧縮は、
各ウェハ対を撓ませる必要なくウェハ対５４を位置保持
すると共に、ヒータウェハをチャンネルウェハに加圧接
触できるようにする圧縮力を作用させる。

【００２１】ウェハは、清潔な室内環境で厳密な裕度で
製造されるが、個々のプリントヘッドの機能不良を生じ
させるだけでなく、ウェハが嵌合されたときにその隣接
するプリントヘッドにも影響を及ぼすような欠陥（典型
的には不所望な持ち上がった部分）を有し且つ有するこ
とがある。本発明においては、ウェハ上の各素子又はダ
イは、数百以上の個々のヒータ又はチャンネルを含むこ
とがある。

【００２２】個々のヒータ素子又はチャンネル素子に対
する欠陥は、それが嵌合される関連素子にダメージを及
ぼすだけでなく、その隣接素子又はダイにもダメージを
及ぼすことがある。というのは、接合プロセス中に互い
に嵌合されたときにいずれかのウェハの欠陥がチャンネ
ルウェハをヒータウェハに対して平行でない状態にさせ
るからである。

【００２３】真空を加えると共に加圧容器内に正の圧力
を加えることによりウェハ全体にわたって一定の下向き
の圧力を加えると、個々のプリントヘッドの製造能力が
改善される。マットを下方に引っ張る真空を用いること
により、保持器具を必要とせずにウェハ対が位置保持さ
れるだけでなくて、上部ウェハの表面に等しい圧力が一
貫して加えられる。本発明においては、他の方法のよう
に表面に対して圧力が非一貫的に加えられるのではな
く、ウェハの表面全体に圧力が加えられる。ウェハはも
ろいものであるから、公知のシステムでは、嵌合面が平
行にならなかったり互いにスキューしたりする。本発明
においては、ヒータウェハの欠陥によってチャンネルウ
ェハに生じるダメージは非常に局所化される。というの
は、チャンネルウェハの上面に対して圧力が均一に加え
られるからである。本発明は、隣接するアレーに二次的
な欠陥を生じさせる個々の欠陥の数を減少させる。更
に、ペーパに噴射されるインクスポットの質が相当に高
くなる。というのは、チャンネルプレートとヒータプレ
ートとの間のギャップが排除されるからである。

【００２４】この圧縮力の付与は、又、図６及び７に示
すように、ヒータウェハ８８又はチャンネルウェハ９０
のいずれかに生じる欠陥を分離する傾向がある。例え
ば、ヒータウェハ８８は欠陥９２を含む。従来のシステ
ムでは、図示されたように、欠陥９２が存在すると、ウ
ェハの嵌合面が非平行となるか又は互いにスキューした
状態となる。これは、１つの欠陥が広い領域に影響を及
ぼすので、多数の個々のプリントヘッドに多数の欠陥を
生じさせる。このように製造された場合にはたとえプリ
ントヘッドが機能しても、個々のインクジェットノズル
によって供給されるインクスポットの質に影響が及ぶ。
ヒータウェハとチャンネルウェハとの間のギャップは、
インクスポットに対して不明瞭は縁を生じさせる。

【００２５】図７から明らかなように、本発明は、ヒー
タウェハ８８の欠陥９２によるダメージの程度を低減さ
せる。ゴムマット６２は、ウェハ対の全面に対してより
一定の圧力を付与するので、欠陥がチャンネルウェア９
０を貫通する傾向となり、その結果、チャンネルウェハ
に含まれた単一のチャンネル素子に対してダメージが生
じることになる。

【００２６】更に、真空の付与は、接合中にウェハ対に
生じることのあるクラック及びストレスの程度を制限す
る。ここに示す実施例では、ヒータは固体シリコンで形
成される。これらヒータは、シリコンの上面に敷設さ
れ、次いで、ヒータ上にポリイミド層がスピン処理さ
れ、電気的な分離を与える。しかしながら、ポリイミド
層がスピン処理されるので、ヒータウェハの外縁は、過
剰な量のポリイミドを有し（しばしばエッジビードと称
する）、これを除去しなければならない。このエッジビ
ードは、ウェハの圧縮接合中にチャンネルウェハがヒー
タウェハに適切に嵌合するように除去される。ポリイミ
ド層は選択的に除去できないので、円盤の外縁における
全ての層が、外周から約３．５ｍｍの距離にわたって除
去される。しかしながら、エッジビードの除去は、ヒー
タウェハとチャンネルウェハとの間で外側の縁にギャッ
プを残す。従って、円盤の外周面は一致しない。このギ
ャップは、ウェハにストレスがかかるために欠陥を生じ
させる。

【００２７】しかしながら、本発明においては、マット
６２に真空を付与すると、外側の非支持の周囲縁が周囲
線に沿って破れ、欠陥がウェハ対の他の領域へ進入する
のを防止する。チャンネルウェハのこのクラックは、チ
ャンネルウェハへのストレスを減少し、２つのウェハを
良好に嵌合させる。

【００２８】真空が引かれると、オペレータは、ピボッ
ト点３４の周りの位置へ蓋１４を揺動することにより蓋
を閉じ、蓋１４が底部１６に対してセンタリングされる
ようにする。底部１６に対して蓋１４がセンタリングさ
れると、ハンドル３０が回転されて蓋１４をＯリング２
０に接触させる。充分な接触がなされると、トグルクラ
ンプ９８が蓋に対して閉じられ、加圧容器１２のシール
を確保する。本発明では、蓋１４の外周に９０°の間隔
で配置された４つのトグルクランプ９８を使用してい
る。図示を容易にするために、２つしか示されていな
い。

【００２９】いったんシールされると、ウェハ対は、オ
ペレータによって手動で処理されるか、プログラムされ
たロジックコントローラによって自動的に処理される
か、或いはその２つの組み合わせによって処理される。
容器１２は、入力加圧ライン１００を通して加圧され、
そしてヒータ円盤７４によってウェハ対に熱が加えられ
る。容器１２は、ここに示す実施例では、約６０ＰＳＩ
に加圧される。加圧容器１２が所望の圧力を保持及び維
持するように構成される限り、もちろん、他の圧力も考
えられる。加圧容器１２はマット６２の上面に圧力を付
与し、マット６２は、同時に、真空によって下方に引っ
張られる。２つの圧力が加わることにより接触に対して
更に多量の圧力が与えられる。

【００３０】Ｏリング６４とマット６２との間のシール
は、真空源を加圧源から分離し、それにより、真空ポン
プへのダメージを防止する。更に、機械的な装置ではな
くて真空がマット６２をＯリング６４にシールするの
で、マット６２はウェハ対（それより下に機械的な制約
がない）に対して非常に適合性が良い。

【００３１】ヒータ円盤は、１３０℃の温度に加熱され
る。ここに示す実施例では、熱及び圧力が約１時間維持
されて、ウェハ間の接着層を実質的に硬化させる。本発
明においては、この操作によって接着層は完全に硬化さ
れない。というのは、接着層が完全に硬化されない場合
にはウェハをプリントヘッドにダイシングする操作にお
いて良好な結果が得られることが分かったからである。
もちろん、この方法によっても完全な硬化を達成するこ
とはできる。時間周期が完了すると、ヒータ円盤７４は
オフにされ、給水管路に水が送られて、プラテンが冷却
される。プラテンが室温に達すると、排気管路１０２を
経て容器が排気され、真空管路６１を経て与えられる真
空がオフにされる。このとき、オペレータはウェハ対を
取り出して、新たな操作を開始することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ウェハ接合装置の部分断面正面図である。

【図２】４対のウェハと、ゴムマットの一部分とを含む
ウェハ接合装置のプラテンの部分断面平面図である。

【図３】本発明に用いられるホール挿入物の正面図であ
る。

【図４】電気ライン、給水管路及び真空管路に対する接
続を含む図２のプラテンの斜視図である。

【図５】プラテンを冷却するのに使用される給水管路の
１つの構成を示す図である。

【図６】２つのウェハの圧縮状態と、一方のウェハにお
ける欠陥の影響とを示す図である。

【図７】２つのウェハの圧縮状態と、一方のウェハにお
ける欠陥の影響とを示す図である。

【符号の説明】

１０ウェハ接合装置１１テーブル１２加圧容器１４蓋１６円筒状底部１８グルーブ２２Ｏリング２４アーム２６スクリューメカニズム２８スクリュー３０ハンドル３２フランジ４０支持構造体４２スタンド４４シェルフ４６プラテン５０スペース５２ゾーン５４ウェハ対５６、５８、５９グルーブ６０穴６１真空管路６２マット６４Ｏリング７４ヒータ円盤７８サーモカップル８８ヒータウェハ９０チャンネルウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ダニエルイークーマンアメリカ合衆国ニューヨーク州 14450 フェアポートクウェイルブッシュドライヴ 23 (72)発明者ハーマンエイハーマンソンアメリカ合衆国ニューヨーク州 14526 ペンフィールドペンフィールドロード 2240

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンポーネント対を接合する装置におい
て、上記コンポーネント対を支持する部材と、上記コンポーネント対が配置される真空チャンバを上記
部材とで画成する柔軟な部材と、上記コンポーネント対を加熱するヒータと、少なくとも上記部材及び上記柔軟な部材が配置される圧
力チャンバを画成する圧力部材とを備え、この圧力部材
は、上記コンポーネント対の接合を行うように上記圧力
チャンバの圧力を増加することを特徴とする装置。
【請求項２】コンポーネント対を接合する方法におい
て、接合材料を間に介在させて一方のコンポーネントを他方
のコンポーネントに隣接支持して、非接合のコンポーネ
ント対を形成し、上記非接合のコンポーネント対が配置される内部チャン
バと、外部チャンバとを画成するように上記非接合のコ
ンポーネント対を覆い、上記コンポーネント対を加熱し、上記内部チャンバの圧力を減少し、そして上記外部チャ
ンバの圧力を増加して、接合したコンポーネント対を形
成する、という段階を備えたことを特徴とする方法。