AT516576B1 - Verfahren zum Verbinden von zwei Substraten - Google Patents

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Abstract

Zur Verbindung von zwei Substraten (1, 2) durch molekulare Adhäsion, wobei die zwei Substrate (1, 2) in engen Kontakt gebracht werden, um eine Einheit (3) mit einer Verbindungs- Schnittstelle (4) zu bilden, und der Grad der Adhäsion der Einheit (3) durch thermisches Brennen über einen Schwellenwert der Adhäsion, über dem Wasser nicht mehr in der Lage ist, sich entlang der Verbindungs- Schnittstelle (4) auszubreiten, verstärkt wird, werden die zwei Substrate (1, 2) einer wasserfreien Atmosphäre mit einem Taupunkt unter -10°C ausgesetzt Die beiden Substrate (1, 2) werden einer Atmosphäre mit einem Taupunkt über -10°C nicht länger als 10 Minuten bis zum Ende der Verstärkung der Adhäsion der Einheit (3) ausgesetzt, um das Auftreten von Klebefehlern an der Verbindungs- Schnittstelle zu begrenzen oder zu verhindern.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Verbinden von zwei Substraten durch molekulare Adhäsion.
[0002] Mehr im Einzelnen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbindung von zwei Substraten (1, 2) durch molekulare Adhäsion, wobei die zwei Substrate (1, 2) in engen Kontakt gebracht werden, um eine Einheit (3) mit einer Verbindungs-Schnittstelle (4) zu bilden, und der Grad der Adhäsion der Einheit (3) durch thermisches Brennen bei einer Temperatur zwischen 50°C und 1200°C über einen Schwellenwert der Adhäsion, über dem Wasser nicht mehr in der Lage ist, sich entlang der Verbindungs-Schnittstelle (4) auszubreiten, verstärkt wird.
[0003] Das Verbinden von Substraten durch molekulare Adhäsion (engl.:„Direct Wafer Bonding“) ist eine bekannte Technik, die in Anwendungen in der Mikroelektronik, in der Optoelektronik und in elektromechanischen Mikrosystemen zu finden ist, beispielsweise für die Herstellung von Silizium-Isolator-Substraten, Mehrfach-Übergangs-Fotovoltaikzellen oder für die Herstellung von 3D-Strukturen.
[0004] Nach dieser Technik werden zwei Substrate derart in engen Kontakt gebracht, dass sich ihre Oberflächen ausreichend einander nähern, um eine atomare und/oder molekulare Verbindung (hydroxyle oder kovalente Bindung) herzustellen. Die Anwesenheit von Wasser an der Schnittstelle erleichtert die Herstellung dieser Verbindungen. Es werden so Haftkräfte zwischen den beiden Oberflächen in Kontakt herbeigeführt, ohne eine Zwischenhaftschicht zu verwenden, wie eine Klebeschicht oder ein Polymer.
[0005] Die erhaltene Verbindung wird anschließend im Allgemeinen einer thermischen Behandlung unterzogen um die Haftung zu stärken; hierbei kann die Temperatur zwischen 50°C und 1200°C variieren, je nach Art der Substrate und der geplanten Anwendung.
[0006] Die Verbindung durch die molekulare Adhäsion bringt in bestimmten Fällen das Auftreten von Fehlern an der Verbindungsfläche, bezeichnet als Klebefehler, mit sich. Dabei kann es sich um Fehler vom „Blasen“-Typ (engl.: „bonding voids“) handeln. Mängel bei Verklebungen können zum Einfangen und Anhäufen von Gasen zwischen den Oberflächen der aneinander geführten Substrate führen. Diese Flächen können den adsorbierten Flächen auf der Oberfläche der Substrate bei deren Vorbereitung vor der Montage entsprechen, sie können den Rückständen von chemischen Reaktionen entsprechen, insbesondere von chemischen Reaktionen mit Wasser während der Berührung der Substrate oder während der Aushärtung der Klebeverstärkung. Eine Beschreibung der chemischen Phänomene, die sich während der Zusammenführung durch molekulare Adhäsion entwickeln, ist beispielsweise im Artikel „Hydrophilie lowtemperature direct wafer bonding von C. Ventosa et al, Journal of Applied Physics 104, 123534 (2008) oder im Artikel „A review of hydrophilic silicon wafer bonding von V. Masteika et al, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 3(4) Q42-Q54 (2014) enthalten.
[0007] Klebemängel an den Verbindungs- Schnittstellen sind der Qualität der erzeugten Struktur abträglich. Zum Beispiel kann, wenn dem Schritt des Zusammenführens der Substrate ein Schritt des Dünnens der beiden Substrate durch Schleifen oder die Smart Cut™ -Technologie folgt, um eine Schicht zu bilden, eine fehlende Adhäsion zwischen zwei Oberflächen an der Stelle eines Klebefehlers zum lokalen Ablösen der Schicht an dieser Stelle führen. Im Falle einer Integration von 3D-Komponenten verhindert ein Klebefehler die Herstellung des elektrischen Kontakts der auf dem einen oder anderen Substrat gebildeten Komponenten, und dies macht diese Komponenten funktionsunfähig.
[0008] Zur Reduzierung von Montagefehlern und insbesondere von Klebefehlern wird in US2013/0139946 A ein Montageverfahren durch molekulare Adhäsion inklusive der Gaszirkulation auf den Substratoberflächen vor deren Montage vorgeschlagen. Dieses Verfahren ermöglicht, Wassermoleküle, die von den Oberflächen durch Gasstromzirkulation desorbiert werden, außerhalb der Klebekammer zu beseitigen. Diese Methode ermöglicht, laut diesem Dokument, eine Wassersättigung der Umgebung zu vermeiden, und die Qualität bei allen Montagen kon
1/18
AT 516 576 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt stant aufrecht zu erhalten. Jedoch ist die Anwendung dieser Methode sehr empfindlich und kann beispielsweise durch die Art der zusammengeführten Substrate und nach der Verstärkungsbehandlung zu einer unzureichenden Adhäsion zwischen den Substraten oder zu vorhandenen Restfehlern der Verklebung führen. Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, dass ein Gasfluss ein bedeutender Träger für die Partikel-Kontamination ist, für die insbesondere die molekulare Adhäsion sehr anfällig ist, wobei die Partikel Klebefehler verursachen können.
[0009] Aus der US 2014/0295642 A1 ist ein Verfahren zum Übertragen einer Schicht bekannt, bei dem die Schicht, die sich anfänglich auf einem Substrat befindet, mit ihrer vom anfänglichen Substrat abgewandten Seite mit einem Zwischen-Substrat verbunden wird, wonach das anfängliche Substrat in einer wasserfreien Umgebung von der Schicht getrennt wird, die so freigelegte Rückseite der Schicht mit einem endgültigen Substrat verbunden wird, und schließlich das Zwischen-Substrat in einer feuchten Umgebung von der Schicht entfernt wird. Dabei sind in den einzelnen Schritten voneinander verschiedene Bindeenergien einzuhalten.
[0010] In der EP 2 579 303 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Silizium-auf-lsolatorStruktur geoffenbart, wobei zwei Substrate, ein Basissubstrat und ein darauf angebrachtes Donatarsubstrat, als Ausgangsmaterialien verwendet werden.
[0011] Weitere Verfahren zum Verbinden von mehreren Substraten sind in der EP 2 200 077 A1, der US 2008/0014714 A1 und der US 2008/0014712 A1 beschrieben.
[0012] Ein Ziel der Erfindung ist, ein robustes Verfahren anzubieten, um Klebefehler bei der Zusammenführung von zwei Substraten und der molekularen Adhäsion zu reduzieren oder überhaupt zu verhindern. Weiters ist es Ziel der Erfindung, einen ausreichenden Grad der Adhäsion zwischen den zusammengeführten Substraten zu sichern.
[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Substrate (1, 2) einer wasserfreien Atmosphäre mit einem Taupunkt unter -10°C ausgesetzt werden, und dass die beiden Substrate einer Atmosphäre mit einem Taupunkt über 10°C nicht länger als 10 Minuten bis zum Ende der Verstärkung der Adhäsion der Einheit ausgesetzt werden, um das Auftreten von Klebefehlern an der VerbindungsSchnittstelle zu begrenzen oder zu verhindern.
[0014] Zur Umsetzung von mindestens einem der erfindungsgemäßen Ziele schlägt die Erfindung somit ein Verfahren zur Zusammenführung von zwei Substraten durch molekulare Adhäsion vor, mit:
[0015] - einem ersten Schritt des Kontaktes des ersten und zweiten Substrats, um eine Einheit mit einer Verbindungsschnittstelle zu bilden;
[0016] - einem zweiten Schritt der Stärkung der Adhäsion dieser Einheit über einen Schwellenwert der Adhäsion, über welchen Schwellenwert Wasser nicht mehr in der Lage ist, sich über die Länge der Verbindungs-Schnittstelle auszubreiten;
[0017] - ferner einem Schritt der Aussetzung des ersten und zweiten Substrats in einer wasserfreien Atmosphäre mit einem Taupunkt unter -10°C; und [0018] - einer Kontrolle des Taupunkts in einer Atmosphäre, der das erste und das zweite Substrat ab der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und bis zum Ende des Schritts der Stärkung der Adhäsion der erhaltenen Einheit ausgesetzt sind, um das Auftreten von Klebefehlern an der Verbindungsschnittstelle zu begrenzen oder zu verhindern.
[0019] Somit wird durch eine Kontrolle des Taupunkts die Verbreitung von Wasser der Atmosphäre verhindert, die die Einheit an der Verbindungsschnittstelle umgibt, und man verhindert oder begrenzt das Auftreten von Klebefehlern. Die Kontrolle des Taupunkts der Atmosphäre besteht darin, die Temperatur des Taupunkts auf über -10°C höchstens 10 Minuten ab dem Schritt des thermischen Brennens und bis zum Ende des zweiten Schritts aufrechtzuerhalten.
[0020] Die Kontrolle des Taupunkts beinhaltet weiters bevorzugt die Temperatur des Taupunkts
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AT 516 576 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt auf unter -10°C ab dem Schritt des thermischen Brennens und bis zum Ende des zweiten Schritts aufrechtzuerhalten.
[0021] Gemäß weiteren vorteilhaften, nicht zwingenden Maßnahmen der Erfindung ist Folgendes anzuführen:
[0022] - Die Atmosphäre ist die Umgebungsatmosphäre, in der das Verfahren ausgeführt wird.
[0023] - Der Schritt der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre wird in einem Sicherheitsbehälter durchgeführt.
[0024] - Der zweite Schritt, nämlich der Schritt zur Verstärkung der Adhäsion, umfasst ein thermisches Brennen der Einheit bei einer Temperatur zwischen 50°C und 1200°C.
[0025] - Die Temperatur des Brennens liegt insbesondere über 300°C.
[0026] - Das Brennen erfolgt in einer neutralen Brennatmosphäre.
[0027] - Die Bearbeitungsatmosphäre ist statisch.
[0028] - Die Bearbeitung erfolgt bei atmosphärischem Druck.
[0029] - Der Schritt des Inkontaktbringens wird bei Umgebungstemperatur ausgeführt.
[0030] - Das Verfahren umfasst einen vorherigen Schritt der Vorbereitung der hydrophilen Oberfläche des ersten und des zweiten Substrats.
[0031] - Das Verfahren umfasst einen Schritt der Zwischenlagerung der Einheit zwischen dem Schritt der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und dem zweiten Schritt, dem Schritt zur Verstärkung des Grads der Adhäsion.
[0032] - Der Schritt der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre wird gleichzeitig mit dem Schritt der Inkontaktbringung der zwei Substrate ausgeführt.
[0033] - Der Schritt der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre weist eine Dauer von mindestens 30 Sekunden vor dem Inkontaktbringen des ersten und des zweiten Substrats auf.
[0034] - Der Schritt der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre wird nach dem Schritt des Inkontaktbringens der Substrate ausgeführt.
[0035] - Der Schritt des Inkontaktbringens erfolgt in einer Atmosphäre mit einem Taupunkt von über -10°.
[0036] - Der Schritt der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre wird bei einer Temperatur zwischen 20°C und 150°C durchgeführt.
[0037] - Das erste oder das zweite Substrat besteht aus Silizium und die Temperatur der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre liegt zwischen 40°C und 60°C.
[0038] - Der Schritt der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre dauert zwischen 1 Stunde und 100 Tagen.
[0039] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen in der Zeichnung:
[0040] Fig. 1 eine Darstellung einer Akustikmikroskop-Aufnahme einer Verbindungsschnittstelle von zwei Siliziumsubstraten, von denen eines mit einer Siliziumoxid-Schicht mit einer Dicke von 10 nm versehen ist;
[0041] Fig. 2a und 2b Darstellungen von Akustikmikroskop-Aufnahmen von Verbindungsschnittstellen von zwei Paaren von Substraten, die in einer feuchten Umgebung für 5 Tage bzw. 60 Tage gelagert wurden;
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AT 516 576 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt [0042] Fig. 3 [0043] Fig. 4 [0044] Fig. 5 [0045] Fig. 6 [0046] Fig. 7 eine Darstellung einer Akustikmikroskop-Aufnahme einer Verbindungsschnittstelle von einem Paar von Substraten, die 20 Tage in einer wasserfreien Umgebung gelagert wurden;
eine grafische Darstellung, die den Abstand einer Wasserdiffusion von der Verbindungsschnittstelle über der Lagertemperatur zeigt:
in Teilfiguren c), a) und b) schematisch das Verbinden von zwei Substraten in einer Ausführungsform der Erfindung;
in Teilfiguren a)/c) und b) eine Variante dieser Ausführungsform der Erfindung; und in Teilfiguren a), c) und b) eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
[0047] Ein ungebrauchtes Siliziumsubstrat wurde mit einem anderen Siliziumsubstrat, mit einer feinen Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von 10 nm, verbunden. Das Inkontaktbringen der Substrate erfolgte in Reinraumatmosphäre, mit einer standardmäßigen relativen Luftfeuchte von 50 % (entspricht einem Taupunkt von 9°C); gefolgt von einem Schritt der Stärkung des Grads der Adhäsion der zwei miteinander verbundenen Substrate, die durch den Zwischenschritt eines Brennens bei 550°C für 2 Stunden erfolgte.
[0048] Dieses Inkontaktbringen ist besonders anfällig für das Auftreten von Klebefehlern, insbesondere aufgrund der feinen Siliziumoxid- Schicht an der Schnittstelle.
[0049] Nach dieser Schrittfolge wurde die Kontakt-Schnittstelle durch ein Akustikmikroskop betrachtet. Fig. 1 zeigt das Ergebnis dieser Beobachtung: Die schwarzen Bereiche der Kontaktfläche entsprechen Klebefehlern, d.h. Kontaktbereichen, an denen keine Adhäsion auftrat und die mit Gas gefüllt sein können. Aus Fig. 1 ist, ebenso wie aus den Fig. 2a, 2b und 3, die Kontur der aus den beiden Substraten gebildeten Einheit ersichtlich.
[0050] Anschließend wurden zwei weitere Testserien durchgeführt.
[0051] In der ersten Serie wurden zwei Einheiten durch Inkontaktbringen von identischen Substraten gebildet, was zu den Ergebnissen von Fig. 1 führte. Am Ende des Inkontaktbringens wurden beide Einheiten in einer feuchten Atmosphäre (Taupunkt unter -10°C) 5 Tage bis 60 Tage lang gelagert. Nach Ablauf dieser Lagerzeiten wurde jede der Einheiten zur Verstärkung der Bindung einem Brennen bei 550°C für 2 Stunden unterzogen, und anschließend wurden die Kontakt-Schnittstellen mit dem Akustikmikroskop untersucht. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in den Fig. 2a und 2b dargestellt. Zu erkennen ist hierbei, dass - im Vergleich zu Fig. 1 - die Lagerung in feuchter Atmosphäre zwischen dem Inkontaktbringen und der Behandlung zur Bindungs-Verstärkung zu einer Nettoerhöhung der Anzahl an Klebefehlern und von deren Dichte führt. Zu erkennen ist überdies, dass diese Erhöhung der Zahl der Klebefehler mit der Dauer der Lagerung, durch Ausbreitung der Ränder der Substrate in Richtung weg von deren Zentrum, steigt.
[0052] In der zweiten Teilserie wurde eine Einheit durch Inkontaktbringen von identischen Substraten gebildet; dies führte zu den Ergebnissen der Fig. 1. Am Ende des Inkontaktbringens wurde die Einheit in wasserfreier Atmosphäre mit einem Feuchtigkeitsgehalt von unter 10 ppm (Taupunkt < - 63°C) 20 Tage lang gelagert. Nach Ablauf dieses Zeitraums wurde auch diese Einheit bei 550°C 2 Stunden lang zur Aushärtung gebrannt.
[0053] Fig. 3 zeigt die Ergebnisse in einer mit einem Akustikmikroskop erhaltenen Darstellung der Schnittstelle des Inkontaktbringens dieser Einheit, und zwar nach dem Brennen. Aus Fig. 3 ist, bei einem Vergleich mit Fig. 1, zu erkennen, dass die Lagerung in wasserfreier Atmosphäre zu einer Reduzierung der Anzahl der Klebefehler führt, und zwar insbesondere an den Rändern der Einheit.
[0054] Es ergibt sich somit aus diesen Experimenten und im Gegensatz zur allgemeinen Annahme, dass Wasser nach der Inkontaktbringung der Substrate weiterhin in der Lage ist, zwischen der Verbindungs-Schnittstelle und der die Einheit umgebenden Atmosphäre zu diffundie
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AT 516 576 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt ren. Somit führt eine relativ feuchte Umgebung zu einer Rückkehr von Wasser, das ausgehend von den Rändern der Einheit im Laufe der Zeit in Richtung Zentrum der Einheit diffundiert. Umgekehrt führt eine relativ trockene Atmosphäre dazu, dass Wasser über die Ränder der Einheit austritt.
[0055] Ergänzende Untersuchungen haben es ermöglicht, dieses Phänomen genauer zu analysieren. Daraus ging hervor, dass der Austritt von Wasser aus der Kontakt-Schnittstelle durch eine relativ trockene Umgebung begünstigt wird und auch gegenüber der Temperatur, der sie ausgesetzt ist, empfindlich ist.
[0056] Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung dieses Phänomens. Die Ordinatenachse gibt die Dimension (in mm) des gesamten Ringbereichs an, der nach 300 Lagerstunden der Einheit ohne Wasser fehlerfrei bleibt, die außerdem ähnlich wie bei den vorherigen Beispielen gebrannt wurde. Diese Dimension kann der Distanz der Diffusion von Wasser an der KontaktSchnittstelle während der Lagerung gleichen. Die Abszissenachse der Fig. 4 zeigt die Lagertemperatur (in °C) an.
[0057] Es ist zu beobachten, dass der Distanzverlauf um eine Lagertemperatur von 50°C ein Maximum aufweist. Die Erhöhung der Adhäsionsenergie, die durch das Aussetzen der Einheit gegenüber der Lagertemperatur hervorgerufen wird, stellt sich der Mobilität des Wassers entgegen und führt dazu, die Länge der Diffusion bei einer erhöhten Lagertemperatur empfindlich zu beschränken.
[0058] Sicherlich sind die Ergebnisse, die in Fig. 4 dargestellt sind, auch abhängig von den besonderen Bedingungen des Experiments, wie z.B. von der Oberflächenbehandlung, die dem Inkontaktbringen vorausgeht, von der Dicke des Siliziumoxids, das auf einer der Substratoberflächen gebildet wurde etc., sie sind aber dennoch für die Phänomene der Diffusion, die an der Kontakt-Schnittstelle entsprechend der Lagertemperatur gegeben sind, repräsentativ. Insbesondere kann sich das Maximum der Länge der Diffusion, bei 50°C gemäß Fig.4, verschieben. In jedem Fall existiert ein Schwellenwert des Grads der Adhäsion der Einheit, über dem man davon ausgehen kann, dass das Wasser nicht mehr in der Lage ist, an der Kontakt-Schnittstelle des Inkontaktbringens zu diffundieren. Somit kann man davon ausgehen, dass, wenn mindestens eines der Substrate 1,2 (s. Fig. 5) aus Silizium besteht, dieser Schwellenwert erreicht wird, wenn die Temperatur beim Brennen über 300°C liegt.
[0059] Die Erfindung nutzt die aufgezeigten Phänomene, die durch die Tests erfasst wurden, um ein Verbinden durch molekulare Adhäsion zu entwickeln, das besonders vorteilhaft ist und dessen detaillierte Beschreibung nun folgt.
[0060] Gemäß Fig. 5 bis 7 umfasst dieses Verbindungsverfahren wie an sich bekannt einen ersten Schritt a) des Inkontaktbringens eines ersten Substrats 1 und eines zweiten Substrats 2, um eine Einheit 3 mit einer Verbindungs- bzw. Kontakt-Schnittstelle 4 zu bilden (Fig. 5b). Vorzugsweise erfolgt, aus Gründen der Einfachheit der Umsetzung, dieser erste Schritt a) des Inkontaktbringens bei Umgebungstemperatur (d.h. zwischen 10°C und 30°C). Das eine oder das andere der Substrate 1, 2 kann aus beliebigem Material bestehen, von besonderem Interesse ist es jedoch, wenn mindestens eines der Substrate 1, 2 aus einem Material besteht oder ein Material enthält, das chemisch mit Wasser reagiert. Wie vorstehend erläutert kann diese chemische Reaktion die Ursache für Klebefehler sein, die sich an der Kontakt-Schnittstelle der beiden Substrate entwickeln.
[0061] Dies ist insbesondere der Fall bei Halbleitermaterialien wie Silizium, Germanium, Siliziumkarbid, InP, AsGa, und bei Metallen wie Kupfer, Titan, Wolfram, Aluminium und Nickel.
[0062] Dies ist auch der Fall, wenn ein Material, das chemisch mit Wasser reagiert, sich unter einem anderen Material befindet, das chemisch nicht mit Wasser reagiert (wie beispielsweise Siliziumoxid oder amorphes Aluminiumoxid), das aber von Wasser durchquert werden kann, sodass dieses Wasser mit dem darunterliegenden Material reagieren kann.
[0063] Vor dem Schritt a) des Kontaktierens haben beide Substrate 1, 2 hydrophile Oberflä
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AT 516 576 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt chenbehandlungen, wie eine Reinigung, eine Aktivierung durch Plasma oder Schleifen, erhalten. Das eine und/oder das andere der Substrate 1, 2 kann mit einer Zwischenschicht, wie beispielsweise Oxid oder Siliziumnitrid, versehen sein.
[0064] Die Vorgehensweise des Inkontaktbringens umfasst auch einen zweiten Schritt b) der Verstärkung der Adhäsion der Einheit 3 über einen Adhäsions-Schwellenwert, oberhalb von dem Wasser nicht mehr in der Lage ist, über die Verbindungsschnittstelle zu diffundieren. Dieser zweite Schritt b) der Verstärkung umfasst thermisches Brennen zwischen einer Temperatur von 50°C und 1200°C, und deren Dauer kann sich über wenige Sekunden oder mehrere Stunden erstrecken. Das Brennen erfolgt in einer neutralen Atmosphäre.
[0065] Der exakte Adhäsion-Schwellenwert, bei dem Wasser nicht mehr in der Lage ist, sich erwähnenswert zur Verbindungs-Schnittstelle auszubreiten, kann je nach Art der verbundenen Materialien variieren, wie auch in Abhängigkeit vom Grad der Feuchtigkeit der Umgebung der Einheit. Jedoch kann man davon ausgehen, wenn mindestens eines der Substrate 1, 2 aus Silizium besteht, dass dieser Schwellenwert erreicht wird, wenn die Temperatur des Brennens über 300°C liegt. Fachleute können den Betrag dieses Schwellenwerts für andere Materialien, beispielsweise ausgehend von ähnlichen Experimenten, wie sie oben erwähnt wurden, mit Leichtigkeit festlegen.
[0066] Weiters umfasst das Verbindungsverfahren gemäß Fig. 5 auch einen Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre des ersten Substrats 1 und des zweiten Substrats 2 in einer Behandlungsatmosphäre, die einen Taupunkt von unter -10°C aufweist. Dieser Schritt c) geht dem vorerwähnten Schritt b) der Verstärkung des Grades der Adhäsion voraus.
[0067] Die Temperatur des Taupunkts ist als die geringste Temperatur definiert, bei der Gas einströmen kann, ohne dass sich durch Sättigung flüssiges Wasser bildet. Es handelt sich um eine traditionelle und zuverlässige Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Gas. Aus Gründen der Vereinfachung kann auch ein Reifpunkt als Taupunkt bezeichnet werden.
[0068] Die Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre erfolgt daher in einer besonders trockenen Atmosphäre, die es ermöglicht, die Menge von Wasser an der Verbindungsschnittstelle zu limitieren oder zu senken. Somit kann der Taupunkt der wasserfreien Atmosphäre unter -10°C oder unter -50°C oder sogar unter -85°C gewählt werden.
[0069] Um die Entwicklung von Klebefehlern einzuschränken und somit einen zufriedenstellenden Grad an Adhäsion zu erreichen, ist auch vorgesehen, dass der Taupunkt der Atmosphäre, der die beiden Substrate 1, 2 ausgesetzt sind, ab dem Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und bis zum Ende des zweiten Schritts b) der Verstärkung des Adhäsionsgrades kontrolliert wird.
[0070] Unter Kontrolle wird verstanden, dass der Taupunkt ausreichend gering gehalten wird, und zwar während der Dauer zwischen dem Ende des Schritts c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und dem folgenden Schritt b) der Verstärkung der Adhäsion, um zu verhindern, dass sich Wasser aus der Atmosphäre an der Verbindungsschnittstelle verteilt und so zu Klebefehlern bzw. zu deren Entwicklung führt. Gleichzeitig kann diese Taupunkt-Atmosphäre so angepasst werden, dass die Kontakt-Schnittstelle ausreichend Wasser aufweist, um einen ausreichenden Grad der Adhäsion zwischen den beiden Substraten 1, 2 zu entwickeln. Die Art dieser Kontrolle wird für jede Art der Umsetzung der Verbindung der Substrate detailliert angegeben, wie nachstehend beschrieben wird.
[0071] Eine erste Art der Verbindungs-Herstellung ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei geht der Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre dem ersten Schritt a) des Inkontaktbringens der beiden Substrate 1, 2 voraus, oder er wird gleichzeitig mit letzterem ausgeführt.
[0072] Dies kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Behandlungsatmosphäre die Umgebungsatmosphäre sein, in der das Verfahren des Inkontaktbringens abläuft (im Allgemeinen in einem Reinraum). Diese Atmosphäre wird auf einer Taupunkttemperatur von unter - 10°C gehalten. Somit erfolgt die Gesamtheit der Schritte und der
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Behandlungen, die das Verfahren darstellen, und insbesondere der Schritt a) des Inkontaktbringens in einer besonders trockenen Atmosphäre, wobei eine kontrollierte Menge Wasser auf der Oberfläche der Substrate 1,2 und der Bindungs-Schnittstelle erhalten wird.
[0073] Im Bereich der Mikroelektronik und des Zusammenfügens von Substraten ist es üblich, eine relative Luftfeuchte der Arbeitsumgebung von 30% bis 50% vorzusehen (dies entspricht einer Taupunkttemperatur zwischen 3°C und 9°C). Es gibt jedoch Bereiche, wie den Bereich der Herstellung von Batterien, in denen die Arbeitsatmosphäre eine Taupunkttemperatur von üblicherweise unter -10°C aufweist. Diese Art der Durchführung der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre kann dazu führen, dass relativ wichtige Mittel benötigt werden, hat jedoch den Vorteil, dass gleichermaßen die Kontrolle der Taupunkttemperatur der Arbeitsatmosphäre ab dem Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und bis zum Ende des zweiten Schritts b) der Haftverstärkung gewährleistet ist.
[0074] In diesem Fall besteht die Kontrolle der Taupunkttemperatur der Arbeitsatmosphäre darin, die Einheit 3 in der Atmosphäre des Arbeitsraumes auf einer Taupunkttemperatur von unter -10°C zu halten, und dies gilt für die gesamte Prozessdauer. Je nach Abfolge der Schritte im Rahmen des vorliegenden Verfahrens kann diese Dauer 1 Stunde oder sogar 100 Tage betragen.
[0075] Gemäß einer zweiten Art der Anwendung von Schritt c), dargestellt in Fig. 6, wird die Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre gleichzeitig mit dem ersten Schritt a) des Inkontaktbringens ausgeführt. Die Schritte c) und a) können auch in einem Sicherheitsbehälter 5 in einer Behandlungsatmosphäre ausgeführt werden. Der Sicherheitsbehälter 5 kann eine Kammer mit einer Ausstattung für das Inkontaktbringen sein, in dem der Schritt a) des Inkontaktbringens ausgeführt wird.
[0076] Der Behälter 5 bzw. die Kammer wird daher durch geeignete Mittel auf einer Taupunkttemperatur von unter -10°C gehalten. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine Einheit bzw. Anlage 6 zur Reinigung von Gas handeln, das in den Behälter 5 bzw. die Kammer eintritt. Das Gas, das die Behandlungsatmosphäre bildet, zirkuliert vor seinem Eintritt in den Behälter 5 bzw. in die Kammer in der Reinigungsanlage 6 über ein Molekularsieb 7, beispielsweise aus Kupfer, das mit Wasser aus der Atmosphäre gefüllt wird, um ein besonders trockenes Gas zu erzeugen, und dessen Taupunkttemperatur kann dabei kontrolliert werden.
[0077] Wenn das erste Substrat 1 und das zweite Substrat 2 in den Sicherheitsbehälter 5 bzw. in die Kammer eingebracht werden, werden beide der Schutzatmosphäre ausgesetzt, die eine Taupunkttemperatur von unter -10°C aufweist; entsprechend dem Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre beim vorliegenden Verfahren.
[0078] Vorzugsweise und aus Gründen der Einfachheit der Umsetzung weist die wasserfreie Sicherheitsatmosphäre atmosphärischen Druck auf. Außerdem kann die Sicherheitsatmosphäre statisch sein, d.h. dass diese Atmosphäre nicht in Form eines Stroms in der Kammer zirkuliert. Somit wird verhindert, dass die Substrat-Oberflächen vor dem Inkontaktbringen mit Partikeln verunreinigt werden.
[0079] Vorteilhafterweise werden die Oberflächen der Substrate der Schutzatmosphäre mindestens 30 Sekunden lang vor dem Inkontaktbringen der Substrate ausgesetzt. Damit wird sichergestellt, dass die Wassermenge an der Schnittfläche dieser Substrate 1, 2 im gewünschten Gleichgewicht liegt. Aus demselben Grund ist es möglich, die wasserfreie Sicherheitsatmosphäre zu erhitzen, beispielsweise auf zwischen 20°C und 150°C. Der Schritt des Inkontaktbringens kann in derselben Schutzumgebung durchgeführt werden.
[0080] Am Ende dieser Schritte, unabhängig von der Art, wie diese in Schritt c) der Aussetzung der wasserfreien Atmosphäre in der ersten Art der Umsetzung angewendet werden, verfügt man über die Einheit 3, die durch Inkontaktbringen des ersten Substrats 1 und des zweiten Substrats 2 gebildet wurde, und die eine kontrollierte Wassermenge an der Schnittstelle der Inkontaktbringung 4 aufweist.
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AT 516 576 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt [0081] Wie bereits vorstehend erwähnt, folgt diesem ersten Schritt a) der Schritt b) der Stärkung des Grads der Adhäsion der Einheit 3 auf über einen Schwellenwert der Adhäsion, über dem Wasser nicht mehr in der Lage ist, zur Verbindungs-Schnittstelle 4 zu diffundieren.
[0082] Um die reduzierte Wassermenge an der Verbindungs-Schnittstelle 4 auf einem Niveau zu erhalten, das das Auftreten oder die Entwicklung von Klebefehlern begrenzt, wird die Taupunkttemperatur der Arbeitsatmosphäre, der die Einheit 3 ausgesetzt ist, zwischen diesen beiden Schritten kontrolliert.
[0083] Wie bereits erwähnt, wird diese Kontrolle durchgeführt, wenn die Atmosphäre des Raumes, in dem das Verfahren stattfindet, auf einer Taupunkttemperatur von beispielsweise unter -10 °C gehalten wird.
[0084] Als Alternative und insbesondere wenn der Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre im Inneren eines Sicherheitsbehälters 5 durchgeführt wird, s. Fig. 6, wird das Verbinden so durchgeführt, dass die Einheit 3 einer Atmosphäre mit einer Taupunkttemperatur von über -10°C nicht länger als 10 Minuten ausgesetzt wird. Mit anderen Worten, die Kontrolle des Taupunkts der Betriebsatmosphäre besteht darin, die Temperatur des Taupunkts auf einer Temperatur über -10°C nicht länger als 10 Minuten ab dem Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und bis zum Ende des zweiten Schritts b) der Adhäsionsverstärkung zu halten.
[0085] Es hat sich gezeigt, dass dann, wenn die Substrate 1, 2 einer Taupunkttemperatur von über -10°C während eines Zeitraums von maximal 10 Minuten ausgesetzt werden, die Diffusion von Wasser zur Verbindungsschnittstelle beschränkt und die Qualität der Verbindung erhalten werden kann, insbesondere was Haft-Fehler betrifft.
[0086] Dies kann bei Durchführung des Verfahrens erreicht werden, wenn der Beginn des zweiten Schritts b) innerhalb von weniger als 10 Minuten nach Entnahme der Einheit 3 aus dem Sicherheitsbehälter 5 umgesetzt wird.
[0087] Schritt b) entspricht einem Brennvorgang, und das Gas, das sich in der Brennatmosphäre bildet, weist eine Taupunkttemperatur von unter -10°C auf. Damit wird sichergestellt, dass während der ersten Sekunden dieses Brennens zur Bindungs-Verstärkung, auch wenn der Grad der Adhäsion noch nicht den Schwellenwert erreicht hat, das Wasser, das im Brenngas vorhanden ist, nicht zur Kontakt-Schnittstelle diffundieren kann.
[0088] Wenn das Gas, das im Brennofen zirkuliert, nicht trocken ist (d.h. eine Taupunkttemperatur von über -10°C aufweist), muss sichergestellt werden, dass die Dauer der Exposition zwischen dem Ende des Schritts c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und dem Beginn des zweiten Schritts, kumuliert während der Dauer des Brennens, deutlich unter 10 Minuten liegt, um den Schwellenwert der Adhäsion zu erreichen.
[0089] Im Falle, dass es nicht möglich ist, systematisch den Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und den zweiten Schritt b) innerhalb von weniger als 10 Minuten hintereinander auszuführen, wird vorgesehen, die Einheit 3 in einem Bereich zwischenzulagern, wie in einem Trockenschrank, der eine Taupunktatmosphäre von unter -10 °C aufweist. Dieser Zwischenlagerung kann von beliebiger Dauer sein, beispielsweise von 1 Stunde bis zu 100 Tagen oder mehr, ohne dass dabei die Gefahr besteht, dass überschüssiges Wasser zur Verbindungs-Schnittstelle eindringt und die Qualität der Verbindung beeinträchtigt.
[0090] Diese Zwischenlagerung kann auch in einer Atmosphäre mit einer Taupunkttemperatur von weniger als -10°C, wie beispielsweise - 30°C oder -80°C, erfolgen, gegebenenfalls bei einer Temperatur von beispielsweise 20°C bis 150°C. Diese Maßnahmen ermöglichen, die Qualität der Verbindung weiter zu verbessern.
[0091] Gemäß einer weiteren Ausführungsform, vgl. Fig. 7, wird der Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre nach dem ersten Schritt a) des Inkontaktbringens der beiden Substrate 1, 2 ausgeführt. Dabei wird der Umstand genützt, dass das Wasser in der Lage ist, von der Kontakt-Schnittstelle 4 der Einheit 3 nach außen zu diffundieren, um die Wassermenge
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AT 516 576 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt an dieser Schnittstelle 4 zu kontrollieren.
[0092] In diesem Fall kann der erste Schritt a) des Inkontaktbringens in einer Atmosphäre mit einer Taupunkttemperatur von über -10°C erfolgen. Somit ist es nicht notwendig, diesen Schritt a) in einer Sicherheitsumgebung auszuführen, wie in einer Kammer, und/oder die Verbindungsausstattung mit einer Reinigungsanlage auszurüsten. Dies ist somit besonders vorteilhaft.
[0093] Außerdem kann ein Großteil des Verfahrens des Inkontaktbringens in einer beliebigen Atmosphäre stattfinden, mit der Maßgabe, dass der Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre vor dem zweiten Schritt b) stattfindet, und dass die Arbeitsatmosphäre zwischen dem Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und dem Ende des zweiten Schritts b) kontrolliert wird.
[0094] Somit kann die Einheit 3 beliebig lang in einer beliebigen Atmosphäre zwischen dem ersten Schritt a) des Inkontaktbringens und dem Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre gelagert werden.
[0095] In dieser Ausführungsform weist die Einheit 3, die aus der Verbindung der zwei Substrate 1 und 2 am Ende des ersten Schritts a) erhalten wurde, Wasser in einer nicht kontrollierten Menge an ihrer Verbindungs-Schnittstelle 4 auf.
[0096] Um die Qualität der Verbindung zu verbessern, insbesondere in Bezug auf Klebefehler, wird die Einheit 3 einer wasserfreien Atmosphäre im Rahmen des Schritts c) ausgesetzt, und zwar bei einer Taupunkttemperatur von unter -10°C, beispielsweise -30°C oder gar -80°C.
[0097] Vorzugsweise wird diese Behandlung in einem Trockenschrank durchgeführt, der es ermöglicht, die Einheit 3 auf zwischen 20°C und 150°C zu erhitzen, um die Diffusion von Wasser, insbesondere von der Verbindungs-Schnittstelle 4 nach außen hin, zu begünstigen.
[0098] Wie beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, und um eine Taupunkttemperatur von unter -10°C sicherzustellen, kann der Trockenschrank an eine Reinigungsanlage für seine Atmosphäre angeschlossen werden, was ermöglicht, ein trockenes Gas im Behälter zirkulieren zu lassen, das eine Taupunkttemperatur von unter -10°C aufweist.
[0099] Die Dauer der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre kann an die Bedingungen angepasst werden. Wenn man beispielsweise wünscht, dass sich alles überschüssige Wasser an der Verbindungs-Schnittstelle 4 (über die gesamte Fläche des Kontakts) verteilt, wird diese Dauer also an die Dimension der Substrate 1, 2 angepasst.
[00100] Ebenso wird die Dauer dieser Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre für kreisförmige Substrate 1, 2 von Silizium, wenn die Einheit 3 auf 50°C erhitzt und einer Taupunkttemperatur von -50°C während dieser Behandlung ausgesetzt wird, durch folgende Tabelle festgelegt:
Durchmesser der Substrate 1, 2 in mm Dauer der Behandlung in Tagen
50 2,6
100 11
150 24
200 43
300 97
[00101] Die oben angegebenen experimentellen Werte entsprechen Durchschnittswerten und können angepasst werden, insbesondere entsprechend der Wassermenge, die an der Verbindungs-Schnittstelle 4 vor der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre vorhanden ist.
[00102] Unter Umständen ist es nicht notwendig zu versuchen, das Wasser über die gesamte Verbindungs-Schnittstelle 4 zu verteilen, und es kann eine Diffusion über eine reduzierte Peri
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AT 516 576 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt pheriedistanz ausreichend sein. In diesem Fall kann die Dauer der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre, wie sie in der oben stehenden Tabelle angegeben ist, verkürzt werden.
[00103] Der zweite Schritt b) der Verstärkung des Grades der Adhäsion des Verbindungsverfahrens wird im Anschluss an den Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre durchgeführt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gas beim Brennen eine Taupunkttemperatur von unter -10°C auf. Damit wird sichergestellt, dass während der ersten Sekunden dieses Brennens zur Bindungs-Verstärkung, auch wenn die Adhäsionsenergie noch nicht den Schwellenwert erreicht hat, das Wasser, das im Brenngas vorhanden ist, sich nicht übermäßig auf der Kontakt-Schnittstelle ausbreiten kann.
[00104] Wie im ersten Ausführungsbeispiel wird die Arbeitsatmosphäre, der die Einheit 3 zwischen dem Schritt c) der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und dem zweiten Schritt b) ausgesetzt ist, kontrolliert. Dieselben Mittel, wie sie im Rahmen der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, sind auch für diese zweite Ausführungsform verwendbar und müssen somit nicht neuerlich beschrieben werden.
[00105] Beispiel 1 [00106] Zwei Siliziumsubstrate <001 > mit einem Durchmesser von 200 mm und einem Widerstand p zwischen 1 und 50 Ohm/cm werden mit einer mit Ozon versetzte Wasserlösung, mit 40 mg/l Ozon, mit einer APM-Lösung (Ammonium-Peroxid-Gemisch) mit einer Konzentration aus Ammoniak, sauerstoffhaltigem Wasser und entionisiertem Wasser von je 0,25/1/5 gereinigt. Anschließend werden beide Platten getrocknet und in eine Verbindungskammer gebracht, in der eine Umgebungstemperatur und eine Stickstoffatmosphäre mit einer Taupunkttemperatur von unter -85°C herrscht. Nach 1 Minute Wartezeit werden beide Oberflächen miteinander verbunden und die Einheit aus der Kammer genommen. Mindestens 10 Minuten später wird die Einheit in einen Rohrofen unter Stickstoff platziert, mit einem Wassergehalt des Stickstoffs von höchstens 100 ppb (-90°C Taupunkttemperatur). Unabhängig von der Temperatur des Brennens, das bei zwischen 50°C und 1200°C erfolgt, weist die Klebeverbindung keinerlei Klebefehler auf. Außerdem ist der Grad der Adhäsion zwischen beiden Substraten ausreichend, um mit einer mechanischen Verdünnung von einem der beiden Substrate fortzufahren.
[00107] Beispiel 2 [00108] Zwei Substrate, identisch mit denen aus Beispiel 1, werden, ebenfalls identisch mit diesem Beispiel 1 vorbereitet. Nach dem Trocknen werden die beiden Substrate vorübergehend bei Umgebungstemperatur miteinander verbunden. Anschließend wird die Einheit, die durch diese beiden verbundenen Substrate gebildet ist, in einen Reinraum gebracht, der Luft mit einer Taupunkttemperatur von unter -40°C aufweist, oder in einem Behälter mit Stickstoffatmosphäre und einer Taupunkttemperatur von unter -85°C. Die beiden Substrate werden voneinander gelöst, und ihre Oberflächen werden dieser wasserfreien Atmosphäre ausgesetzt. Nach 1 Minute Wartezeit werden die beiden Substrate bei Umgebungstemperatur miteinander verbunden und verlassen den Reinraum oder Behälter. Mindestens 10 Minuten später wird die Einheit in einem Rohrofen unter Stickstoff angebracht, mit einem Wassergehalt des Stickstoffs von höchstens 100 ppb (-90°C Taupunkttemperatur). Vor dem Anstieg der Temperaturen bleibt sie 10 Minuten in dieser Atmosphäre. Unabhängig von der Temperatur des Brennens, das im Anschluss bei einer Temperatur zwischen 50°C und 1200°C erfolgt, weist die Klebeverbindung keinerlei Klebefehler auf. Außerdem ist der Grad der Adhäsion zwischen beiden Substraten ausreichend, um mit dem mechanischen Dünnen von einem der beiden Substrate fortzufahren.
[00109] Beispiel 3 [00110] In einem Reinraum, der Luft mit einer Taupunkttemperatur von unter -40° enthält, werden zwei Siliziumsubstrate <001 > von 200 mm Durchmesser, einem Widerstand p zwischen 1 und 50 Ohm/cm gleich wie in Beispiel 1 gereinigt. Nach dem Trocknen werden beide Substrate bei Umgebungstemperatur miteinander verbunden. Ohne den trockenen Reinraum zu verlassen, wird die erhaltene Einheit in einen Rohrofen unter Stickstoff gebracht, mit einem Wassergehalt des Stickstoffs von höchstens 100 ppb (-9 °C Taupunkttemperatur). Vor dem Anstieg der
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Temperaturen bleibt sie 10 Minuten in dieser Atmosphäre. Unabhängig von der Temperatur des Brennens, das im Anschluss bei einer Temperatur zwischen 20°C und 120 °C erfolgt, weist die Klebeverbindung keinerlei Klebefehler auf. Außerdem ist der Grad der Adhäsion zwischen beiden Substraten ausreichend, um mit dem mechanischen Dünnen von einem der beiden Substrate fortzufahren.
[00111] Beispiel 4 [00112] Zwei Substrate, identisch mit jenen aus Beispiel 1, werden ebenfalls identisch wie in diesem Beispiel vorbereitet. Nach dem Trocknen werden beide Substrate miteinander verbunden.
[00113] Anschließend werden die Substrate in einem Reinraum, der Luft mit einer Taupunkttemperatur von unter -40°C enthält, voneinander gelöst und 1 Minute lang der Atmosphäre dieses Reinraums ausgesetzt. Anschließend werden sie bei Umgebungstemperatur wieder miteinander verbunden. Ohne den trockenen Reinraum zu verlassen, wird die Einheit, die aus den zwei miteinander verbundenen Substraten gebildet ist, in einen Rohrofen unter Stickstoff platziert, mit einem Wassergehalt des Stickstoffs von höchstens 100 ppb (-90°C Taupunkttemperatur). Vor dem Anstieg der Temperaturen bleibt sie 10 Minuten in dieser Atmosphäre. Unabhängig von der Temperatur des Brennens, das im Anschluss bei einer Temperatur zwischen 20°C und 1200°C erfolgt, weist die Klebeverbindung keinerlei Klebefehler auf. Außerdem ist der Grad der Adhäsion zwischen beiden Substraten ausreichend, um mit dem mechanischen Dünnen von einem der beiden Substrate fortzufahren.
[00114] Beispiel 5 [00115] Zwei Siliziumsubstrate <001 > mit 200 mm im Durchmesser, ähnlich den vorherigen Beispielen und identisch vorbereitet wie in den vorherigen Beispielen, werden in einer Klebeanlage miteinander verbunden, die keinen Sicherheitsbehälter aufweist. Sie werden in einer Atmosphäre mit einer standardmäßigen Taupunkttemperatur von 9°C (entspricht einer relativen Luftfeuchte von 50%) und bei Umgebungstemperatur verbunden. Die verbundenen Substrate werden anschließend in einem Trockenschrank angeordnet, in dem neutrales Stickstoffgas bei einer Temperatur von 50°C zirkuliert; das neutrale Gas weist eine Taupunkttemperatur von 80°C auf; die Einheit verbleibt hier 43 Tage. Die Klebeverbindungs-Einheit wird anschließend direkt in einen Rohrofen mit Stickstoff platziert, der weniger als 100 ppb Wasser aufweist, (Taupunkt -90°C). Unabhängig von der Temperatur des Brennens, das im Anschluss bei einer Temperatur zwischen 300°C und 1200°C erfolgt, weist die Klebeverbindung nach dieser thermischen Behandlung keinerlei Klebefehler auf. Außerdem ist der Grad der Adhäsion zwischen den beiden Substraten ausreichend, um mit einem mechanischen Dünnen von einem der beiden Substrate fortzufahren.
[00116] Beispiele [00117] Siliziumsubstrate <001> mit einem Durchmesser von 200 mm werden identisch wie im vorherigen Beispiel vorbereitet. Die verbundenen Substrate werden anschließend in einem trockenen Schrank angebracht, in dem neutrales Stickstoffgas bei einer Temperatur von 50°C zirkuliert; das neutrale Gas weist eine Taupunkttemperatur von -80°C auf; die Einheit verbleibt hier 43 Tage. Am Ende dieses Zeitraums wird ein Brennen direkt im Lager-Trockenschrank durchgeführt, somit also ohne die Platten zu einem Rohrofen zu übertragen. Ebenso wie in den vorherigen Beispielen weist die Klebeverbindung am Ende dieses Brennvorgangs keinerlei Klebefehler auf. Außerdem ist der Grad der Adhäsion zwischen den beiden Substraten ausreichend, um mit dem mechanischen Dünnen von einem der beiden Substrate fortzufahren.
[00118] Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, und es sind Abwandlungen und Modifikationen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
[00119] Die Erfindung ist von besonderem Interesse für alle Verbindungen von Substraten, bei denen derzeit eine große Anzahl von Klebefehlern festzustellen ist, wie die Verbindung von Substraten mit einer sehr dünnen dämmenden Zwischenschicht (kleiner 50 Nanometer), das /18
AT 516 576 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt direkte Verkleben von heterogenen 111-V-Materialien, mit dem Ziel, Verbindungen zu schaffen (wie die Verbindungen einer Fotovoltaikzelle), die Verbindung von Substraten, die Schritten einer intensiven Aktivierung der Oberfläche unterzogen wurden (wie eine Plasmaaktivierung oder eine Aktivierung durch mechanisch-chemisches Polieren).
[00120] Die Erfindung ist ebenfalls von Interesse in der Verbindung von Substraten, die üblicherweise nicht zu Klebefehlern führen, außer in einem am Rand der Platten lokalisierten Bereich. Diese Konfiguration kann einer Ansammlung von Wasser an dieser Stelle aufgrund der Ausbreitung einer Kleberwelle zugeschrieben werden, wie dies beispielsweise in WO2013/160841 A beschrieben ist. Die Erfindung und insbesondere die Zwischenlagerung in einer wasserfreien Umgebung ermöglichen in diesem Fall, diese Ansammlung von Wasser zu verhindern und die Fehler, die sich infolgedessen dort bilden können, zu vermeiden.
[00121] Wenngleich in der vorstehenden Beschreibung Beispiele mit Siliziumwafern aufgrund der Einfachheit der Beschaffung und der Experimente angeführt wurden, ist die Erfindung keineswegs auf diese Materialien beschränkt. Außerdem kann das eine oder das andere Substrat eine Beschichtung der Oberfläche, die als Dämmstoff dient, aufweisen. Das eine oder das andere der Substrate kann mikroelektronische Komponenten oder einfache Plots einer metallischen Verbindung enthalten. Wenngleich der Schritt b) der Verstärkung der Adhäsion einfach durch den Zwischenschritt eines Brennens erfolgen kann, wie dies vorstehend erläutert wurde, können auch andere thermische Behandlungen für diese Verstärkung umgesetzt werden.
[00122] Beispielsweise ist eine Behandlung mit Mikrowellen oder Laser möglich.
[00123] Dem Inkontaktbringen kann ein Schritt des Dünnens eines der beiden Substrate 1, 2 durch Abrieb, Schleifen oder chemisches Ätzen folgen. Es kann sich hierbei auch um eine Abtrennung eines Teils eines der beiden Substrate 1, 2 entlang einer fragilen Ebene handeln, die vor der Verbindung gebildet wurde, beispielsweise gemäß der Technologie Smart Cut™.

Claims (13)

1. Verfahren zur Verbindung von zwei Substraten (1, 2) durch molekulare Adhäsion, wobei die zwei Substrate (1, 2) in engen Kontakt gebracht werden, um eine Einheit (3) mit einer Verbindungs- Schnittstelle (4) zu bilden, und der Grad der Adhäsion der Einheit (3) durch thermisches Brennen bei einer Temperatur zwischen 50°C und 1200°C über einen Schwellenwert der Adhäsion, über dem Wasser nicht mehr in der Lage ist, sich entlang der Verbindungs- Schnittstelle (4) auszubreiten, verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Substrate (1, 2) einer wasserfreien Atmosphäre mit einem Taupunkt unter -10°C ausgesetzt werden, und dass die beiden Substrate (1, 2) einer Atmosphäre mit einem Taupunkt über - 10°C nicht länger als 10 Minuten bis zum Ende der Verstärkung der Adhäsion der Einheit (3) ausgesetzt werden, um das Auftreten von Klebefehlern an der VerbindungsSchnittstelle zu begrenzen oder zu verhindern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Taupunkts bis zum Ende der Verstärkung der Adhäsion auf unter-10°C gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre, der die Substrate (1,2) ausgesetzt werden, statisch ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre unter atmosphärischem Druck steht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Inkontaktbringens bei Umgebungstemperatur ausgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen vorherigen Schritt zur Vorbereitung einer hydrophilen Oberfläche der zwei Substrate (1, 2).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Zwischenlagerung der Einheit (3) zwischen der Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre und dem Schritt der Verstärkung des Grads der Adhäsion.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussetzung der zwei Substrate (1, 2) einer wasserfreien Atmosphäre dem Inkontaktbringen der zwei Substrate (1,2) vorausgeht oder gleichzeitig mit diesem Schritt ausgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre eine Dauer von mindestens 30 Sekunden vor dem Inkontaktbringen der zwei Substrate (1,2) aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre nach dem Schritt des Inkontaktbringens der Substrate (1, 2) ausgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Inkontaktbringens in einer Atmosphäre mit einem Taupunkt von über -10°C durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre bei einer Temperatur von zwischen 20°C und 150°C durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Substrate (1, 2) aus Silizium besteht und die Aussetzung einer wasserfreien Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 40°C und 60°C durchgeführt wird.
AT510142015A 2014-11-27 2015-11-27 Verfahren zum Verbinden von zwei Substraten AT516576B1 (de)

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