CN106449379A - 用于直接键合硅与硅或碳化硅与碳化硅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于直接键合硅与硅或碳化硅与碳化硅的方法。一种用于键合第一硅部件与第二硅部件的方法，包括：在热绝缘结构的表面上布置所述第一硅部件和所述第二硅部件直接物理接触；控制所述热绝缘结构中的压强至预定压强；使用一个或多个加热器控制所述热绝缘结构中的温度至预定温度；以及在处理时间段期间键合所述第一硅部件与所述第二硅部件。所述预定温度在高于或等于1335℃且低于1414℃的温度范围内。

Description

用于直接键合硅与硅或碳化硅与碳化硅的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年8月7日提交的美国临时申请No.62/202,364的权益。以上引用的申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及用于将硅部件直接键合在一起或碳化硅部件直接键合在一起的系统和方法。
背景技术
这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开内容的背景的目的。在此背景部分中描述的程度上的当前指定的发明人的工作，以及在提交申请时可能无法以其他方式有资格作为现有技术的所述描述的各方面，既不明确也不暗示地承认是针对本发明的现有技术。
半导体处理系统可以包括需要由硅(Si)或碳化硅(SiC)制成的组件。生产使用硅或碳化硅制成的大型组件是很昂贵的。制备用于生产这些大型组件的起始坯料的成本随着成品部件尺寸的增大而增加。当使用硅时，起始坯料通常由切成所要求的厚度的单晶的、无位错(DF)硅锭和多晶硅锭制成。
在许多情况下，该加工过程是耗时的并具有较高的劳动成本。某些组件可能需要从起始坯料去除大量的材料。一些组件(诸如，具有内部气室的气体分配板)无法使用单片硅坯料来制备。针对如环形组件之类的某些类型的组件，岩心钻和电气放电加工(EDM)是用于减少材料损失和加工时间的有效途径。较大的组件可使用两个或更多个分开加工的较小的组件进行组装然后结合在一起。这种方法相对于从单一的单片坯料加工可以显著降低生产成本。
弹性体已被用于结合硅与硅，硅与石墨，以及硅与铝。然而，弹性体结合物具有相对弱的拉伸强度(通常约470psi)。弹性体的使用还限制工作温度为约185℃。弹性体结合物与体硅相比典型地具有较高的电阻率和较低的热导率。弹性体结合物更容易在衬底处理系统中产生颗粒污染。
液相结合涉及在待结合在一起的两个或更多个部件之间放置如铝或金之类的结合剂。结合剂被加热至高于其熔点的温度。虽然结合力通常很强，但是最高施加温度由Si和结合剂的共熔温度限制，Si-Al的共熔温度是580℃，Si-Au的共熔温度是363℃，该共熔温度对于某些衬底处理系统应用而言可能很低。另外，该结合剂可增加金属污染，并在衬底处理系统中的后续使用过程中产生不挥发的颗粒。除了污染的风险，Si和结合材料之间的热膨胀系数(CTE)通常是不同的，从而可在硅中产生剪切应力并削弱结合部分的机械强度。
发明内容
一种用于键合第一硅部件与第二硅部件的方法，其包括在热绝缘结构的表面上布置所述第一硅部件和所述第二硅部件直接物理接触；控制该热绝缘结构的压强至预定压强；使用一个或多个加热器控制该热绝缘结构的温度至预定温度；以及在处理期间键合所述第一硅部件与所述第二硅部件。所述预定温度在高于或等于1335℃和低于1414℃的温度范围内。
在其他特征中，热绝缘结构中的压强小于1托。处理持续时间为介于10小时和50小时之间。该方法还包括在键合期间供给惰性气体到所述热绝缘结构。
在其他特征中，在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键在使用过程中能承受高于580℃的工作温度。在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键在使用过程中能承受高于580℃且低于1335℃的工作温度。
]在其他特征中，该方法包括供给外力以在键合过程中保持所述第一硅部件至所述第二硅部件上。在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键具有1.17+/-0.09W/cm-K的热导率。在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键具有大于2000PSI的拉伸强度。
在其他特征中，该方法还包括在表面与所述第一硅部件和所述第二硅部件中的至少一个之间放置碳材料。碳材料选自石墨和柔性石墨(Grafoil)。外力通过叠压机(press)和重量物(weight)中的一种提供。
在其他特征中，该方法包括在叠压机和重量物中的一种与所述第一硅部件和所述第二硅部件中的至少一个之间布置碳材料。在不使用中间结合材料的情况下使所述第一硅部件与所述第二硅键合在一起。在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键是硅-硅共价键。
在其他特征中，热流入所述第一硅部件和所述第二硅部件从其两侧到其中心。在处理时间段期间在键合区域发生外表面熔融。在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间的接合处的毛细管力驱使熔融硅到所述第一硅部件和所述第二硅部件之间的间隙。在固化时，硅部件被键合在一起。
在其他特征中，所述第一硅部件和所述第二硅部件是由单晶硅制成的。所述第一硅部件和所述第二硅部件是由多晶硅制成的。所述第一硅部件和所述第二部件被布置在所述热绝缘结构的基座上。所述基座包括底表面和侧壁。加热器被布置在所述侧壁和所述热绝缘结构之间。
一种用于键合第一碳化硅部件与第二碳化硅部件的方法，其包括在容器中布置所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件直接物理接触；将所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件包围在碳化硅/硅粉末基质中；在热绝缘结构中布置所述容器；控制该热绝缘结构的压强至预定压强；使用一个或多个加热器控制该热绝缘结构的温度至预定温度；以及在处理时间段期间键合所述第一碳化硅部件与所述第二碳化硅部件。所述预定温度在高于或等于1600℃以及低于2000℃的温度范围内。
在其他特征中，所述热绝缘结构中的压强小于1托。该处理时间段在介于10小时和50小时之间。该方法包括在低于一个大气压的压强下在键合过程中将惰性气体供给到所述热绝缘结构。在所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件之间形成的键能在使用过程中承受高于580℃且低于1600℃的工作温度。
在其他特征中，在不使用中间结合材料的情况下将所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件键合在一起。在所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件之间形成的键是Si-C共价键。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种用于键合第一硅部件与第二硅部件的方法，其包括：
在热绝缘结构的表面上布置所述第一硅部件和所述第二硅部件直接物理接触；
控制所述热绝缘结构中的压强至预定压强；
使用一个或多个加热器控制所述热绝缘结构中的温度至预定温度；以及
在处理时间段期间键合所述第一硅部件和所述第二硅部件，其中，所述预定温度在高于或等于1335℃且低于1414℃的温度范围内。
2.如条款1所述的方法，其中，所述热绝缘结构中的压强小于1托。
3.如条款1所述的方法，其中，所述处理时间段在介于10小时和50小时之间。
4.如条款1所述的方法，其还包括在低于一个大气压的压强下在键合过程中供给惰性气体到所述热绝缘结构。
5.如条款1所述的方法，其中，在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键能够在使用过程中承受高于580℃的工作温度。
6.如条款1所述的方法，其中，在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键能够在使用过程中承受高于580℃且低于1335℃的工作温度。
7.如条款1所述的方法，其还包括在所述键合过程中提供外力以保持所述第一硅部件至所述第二硅部件上。
8.如条款1所述的方法，其中，在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键具有1.17+/-0:09W/cm-K的热导率。
9.如条款1所述的方法，其中，在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键具有大于2000PSI的拉伸强度。
10.如条款1所述的方法，其还包括布置碳材料在重量物或叠压机与所述第一硅部件和所述第二硅部件中的至少一个之间。
11.如条款10所述的方法，其中，所述碳材料选自石墨和柔性石墨。
12.如条款7所述的方法，其中，所述外力通过叠压机和重量物中的一种提供。
13.如条款12所述的方法，其还包括布置碳材料在所述叠压机和所述重量物中的一种与所述第一硅部件和所述第二硅部件中的至少一个之间。
14.条款1所述的方法，其中，所述第一硅部件和所述第二硅部件被键合在一起而不使用中间结合材料。
15.如条款1所述的方法，其中，在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键是硅-硅共价键。
16.如条款1所述的方法，其中，热流到所述第一硅部件和所述第二硅部件从其两侧到其中心，其中，在处理时间段期间发生外表面熔融，并且其中在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间的接合处的毛细管力驱使熔融硅到所述第一硅部件和所述第二硅部件之间的窄隙。
17.如条款1所述的方法，其中，所述第一硅部件和所述第二硅部件是由单晶硅制成的。
18.如条款1所述的方法，其中，所述第一硅部件和所述第二硅部件是由多晶硅制成的。
19.如条款1所述的方法，其中，所述第一硅部件和所述第二硅部件被布置在所述热绝缘结构的基座上。
20.如条款19所述的方法，其中，所述基座包括底表面和侧壁，并且其中所述加热器被布置在所述侧壁和所述热绝缘结构之间。
21.一种用于键合第一碳化硅部件与第二碳化硅部件的方法，其包括：
在容器中布置所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件直接物理接触；
将所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件包围在碳化硅/硅粉末基质中；
在热绝缘结构中布置所述容器；
控制所述热绝缘结构中的压强至预定压强；
使用一个或多个加热器控制所述热绝缘结构中的温度至预定温度；以及
在处理时间段期间键合所述第一碳化硅部件与所述第二碳化硅部件，其中所述预定温度在高于或等于1600℃且低于2000℃的温度范围内。
22.如条款21所述的方法，其中，所述热绝缘结构中的压强小于1托。
23.如条款21所述的方法，其中，所述处理时间段在介于10小时和50小时之间。
24.如条款21所述的方法，其还包括在小于一个大气压的压强下在所述键合过程中供给惰性气体到所述热绝缘结构。
25.如条款21所述的方法，其中，在所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件之间形成的键能在使用过程中承受高于580℃且低于1600℃的工作温度。
26.如条款21所述的方法，其中，在不使用中间粘结材料的情况下将所述第一碳化硅部件与所述第二碳化硅部件键合在一起。
27.如条款21所述的方法，其中，在所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件之间形成的键是Si-C共价键。
本公开内容的适用性的其它方面将根据详细描述、权利要求和附图变得明显。详细描述和具体实施例仅用于说明的目的并且不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
根据详细描述和附图将更充分地理解本发明，其中：
图1是根据本发明所述的用于键合硅部件的键合装置的示例的功能框图；
图2-4是根据本发明所述的用于键合硅部件或碳化硅部件的键合装置的其它示例的功能框图；
图5是根据本发明所述的用于控制硅部件键合的控制器的示例的功能框图；和
图6是用于键合硅部件的方法的示例的流程图。
在附图中，参考数字可以被再使用以标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
现在参考图1-4，示出了键合装置50的示例。在图1中，键合装置50被示为包括外壳52。热绝缘结构56被布置在外壳52内。热绝缘结构56包括底部57和限定内腔59的一个或多个侧壁58，顶部55是可移除的并且/或者包括开口(未示出)。
基座60被布置在热绝缘结构56的内腔59中。基座60包括底部61和限定内腔65以接收待键合的部件的一个或多个侧壁62。在一些实施例中，基座60由石墨制成并具有圆柱形或立方体形的横截面，但可以使用其他材料和/或横截面。一个或多个支撑件66可附接到基座60或从基座60延伸到热绝缘结构56的内腔59的底表面68。支撑件66将基座60定位在与底面68间隔开的位置。
一个或多个加热器74可围绕基座60的侧壁62的外周布置。加热器74可以以预定间隙与基座60间隔开。同样地，加热器76可以被布置在基座60的顶表面上方的一预定距离处。额外的加热器(未示出)可被布置在基座60的底表面的邻近处。在一些实施例中，加热器74和76可以具有线形、螺旋形、盘绕形、或“S”形结构，但可使用其它结构。
气体可通过气体入口80被供给到热绝缘结构56的内腔59。气体和其他反应物可通过气体出口82从热绝缘结构56的内腔59排放。在一些实施例中，惰性气体，诸如氩(Ar)、氦(He)或氮分子(N2)，或它们的混合气体，诸如Ar/H2、N2/H2，可在键合处理期间被供给到热绝缘结构56的内腔59。压力传感器84可以布置在内腔59中以测量内腔59中的压强。热电偶86和88可以用于感测热绝缘结构56的内腔59中的一个或多个温度。
在使用中，由硅制成的部件90和92可被布置成直接接触基座60的内腔65并放置在基座60的内腔65中。在一些实施例中，如重量物之类的叠压机94可以用于提供外力以将部件保持在一起。在其他实施例中，部件中的一个的重量可被用于将部件保持在一起。在一些实施例中，使用叠压机94或待键合的一个或更多的部件的重量，0.01MPa-10MPa的外力可以用于Si-Si直接键合。
在一些实施例中，本发明描述的系统和方法产生硅(Si)-Si键以将部件连接在一起而无需使用如弹性体或液体结合剂之类的外来介入材料。在一些实施例中，所述方法包括使用叠压机94以将部件保持在一起。在一些实施例中，外力与待键合的表面积成比例。部件在真空中被加热到预定温度持续预定的键合时间段。在一些实施例中，在部件之间产生共价键。
在一些实施例中，硅部件被加热到熔点的6％以内的温度。热从部件的侧面流入部件的中心，从而导致局部外表面熔融。毛细管力将熔融物牵引到两部件之间的间隙并将两部件键合在一起。因为部件的材料是相同的，并且没有使用任何附加材料，因此所得到的组件具有非常高的纯度。相比于使用弹性体或液体结合剂结合的部件，在衬底处理系统中的后续使用过程中的污染被减少。此外，在键合部件中没有CTE失配引起的剪应力。
在一些实施例中，在不使用惰性气体的情况下，键合装置中的压强小于1托。在一些实施例中，当使用惰性气体时，键合装置中的压强小于1个大气压。在一些实施例中，处理温度高于或等于1335℃且低于1414℃(硅的熔化温度)。在一些实施例中，处理时间段在介于10小时和50小时之间
在一些实施例中，在硅部件和外部装置(如基座60和/或叠压机94)之间使用碳材料96。在一些实施例中，碳材料96包括石墨或柔性石墨(Grafoil)，但也可以使用其它材料。
通过本文描述系统和方法产生的键具有超过2000psi的拉伸强度。键的电阻率等于体硅的电阻率。键的热传导率(1.17+/-0.09W/cm-K)等于体硅的电阻率(1.18至1.20W/cm-K)。对于具有相同的电阻率和载流子类型的部件，键将具有相同的电阻率和载流子类型。对于具有不同载流子类型的部件，键相比于这两个部件具有较高的电阻率，并且p-n结会形成。
此外，本文描述的系统和方法能实现对于衬底处理系统是有用的高的工作温度(例如，高于1000℃)。仅作为示例，可以在直接面对基于卤素的等离子体区域使用键合组件。
在图2中，基座盖98可以用于覆盖基座60的内腔65的开口。在图3中，可以使用基座60而没有基座盖98和侧壁62。
在图4中，类似的方法用于将由碳化硅(SiC)制成的两个或更多个部件键合在一起。例如，第一碳化硅部件101被键合到第二碳化硅部件103。在一些实施例中，在容器105中布置第一碳化硅部件101和第二碳化硅部件103直接接触，伴随着SiC/Si粉末基质107围绕第一碳化硅部件101和第二碳化硅部件103。SiC/Si粉末基质107减少可对形成的键造成负面影响的升华。第一碳化硅部件101和第二碳化硅部件103被加热到介于1600℃和2000℃之间的温度范围。在一些实施例中，可以使用以上描述的类似的压强。在一些实施例中，可使用在亚大气压下的诸如Ar等惰性气体。
现在参考图5，控制系统109可用于在部件的键合期间控制键合装置50的操作。控制系统109包括与热电偶114(如热电偶86和88)通信以监测内腔59内的温度的控制器110。控制器110也可与排放泵116和排放阀118通信，以产生真空压强和/或排空内腔59。
控制器110可与压力传感器120通信，以控制内腔59内的压强。使用一个或多个阀122和一个或多个质量流量控制器(MFC)124，惰性气体可以被输送到热绝缘结构56的内腔59。控制器110可以与一个或多个加热器126(如图1和2中的加热器74和76)通信以控制键合过程中键合装置50中的温度。控制器110可与内部计时器(未示出)或外部计时器128通信以确定预定的键合时间段。
现在参考图6，示出了用于将部件键合在一起的方法152。在154，两个或多个部件被布置成在键合装置中直接接触。在碳化硅部件的情况下，SiC部件被布置在容器内的SiC/Si粉末基质中。在156，叠压机可用于提供外力以保持两个或更多个部件的键合表面在一起。在158，压强保持在键合装置内的预定压强下。在160，加热器保持在键合过程中键合装置中的预定温度。在162，方法判定预定键合时间段是否结束。如果不是，则该方法返回到158。否则，该方法结束。
使用本发明描述的系统和方法形成的硅键或碳化硅键是Si-Si或Si-C共价键。键不包括外来物质：如氧、氢或作为结合剂的金属。键因此不包括弱范德华力、氢键、阳极键、或附着力。
本发明描述的系统和方法公开了使用具有低温度梯度的键合装置在邻近硅或碳化硅的熔点进行键合。本发明描述的系统和方法提供了具有所需的物理性能的高纯度的硅或碳化硅。本发明描述的系统和方法在衬底处理系统中使用的元件的设计和制造过程中提供了额外的灵活性。
前面的描述在本质上仅仅是说明性的，并且不以任何方式旨在限制本公开、本公开的应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式来实现。由于其它的修改将根据对附图、说明书和权利要求书的研究变得显而易见，因此，虽然本公开包括特定示例，但本公开的真实范围不应当受此限制。应该理解的是，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时)而不改变本公开的原理来执行。此外，虽然各实施方式在以上描述为具有某些特征，但相对于本公开的任何实施方式描述的这些特征中的任何一个或多个可以在任何其它实施方式中实施和/或组合任何其它实施方式中的特征实施，即使未明确说明该组合也如此。换句话说，所述实施方式不是相互排斥的，并且一个或多个实施方式相互的置换保持在本公开内容的范围内。
使用各种术语来描述元件之间(例如，模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能上的关系，所述术语包括“连接”、“接合”、“联接”，“相邻”，“接近”、“之上”、“上方”、“下方”和“处于”。当在上述公开内容中描述第一元件和第二元件之间的关系时，除非明确描述为“直接”，否则所述关系可以是其中没有其他中间元件存在于第一元件和第二元件之间的直接关系，但也可以是其中一个或多个中间元件(无论是在空间上或功能上)存在于第一元件和第二元件之间的间接关系。如本文所用，短语A、B和C中的至少一个应该被解释为是指使用非排他性逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)，并且不应该被解释为表示“至少一个A，至少一个B，和至少一个C”。
在一些实施方式中，控制器可以控制系统的各种部件或子部件。根据系统的处理要求和/或类型，控制器可以被编程为控制本文公开的任何处理，包括处理气体的输送、温度设置(例如，加热和/或冷却)、压力设置、热设置、真空设置、功率设置、流率设置、位置和操作设置。
控制器可以被定义为具有接收指令、发出指令、控制操作、监控测量参数等的各种集成电路、处理器、逻辑、存储器和/或软件的电子设备。集成电路可以包含存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为特定应用集成电路(ASIC)的芯片、和/或一个或多个微处理器，或者执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是传输到控制器的指令，形式为各种单独设置(或程序文件)，定义用于进行对系统的特定处理的可操作的参数。在某些实施方式中，操作参数是由工艺工程师定义的配方的部分，以在结合过程中完成一个或多个处理步骤。
在一些实施方式中，所述控制器可以是计算机的一部分或耦合到计算机，该计算机与系统集成、耦接至系统、或者通过网络连接至系统，或者其组合。在一些实施例中，所述控制器接收数据形式的指令，其指明了在一个或多个操作期间待执行的每个处理步骤的参数。应该理解的是，参数对于要执行的处理的类型，以及控制器被配置为对接或者控制的工具的类型是特定的。因此如上所述，控制器可以是分布式的，诸如通过包括用通过网络接在一起并朝向共同的目标(诸如本文说明的处理和控制)工作的一个或多个离散控制器而分布。

Claims (10)

1.一种用于键合第一硅部件与第二硅部件的方法，其包括：
在热绝缘结构的表面上布置所述第一硅部件和所述第二硅部件直接物理接触；
控制所述热绝缘结构中的压强至预定压强；
使用一个或多个加热器控制所述热绝缘结构中的温度至预定温度；以及
在处理时间段期间键合所述第一硅部件和所述第二硅部件，其中，所述预定温度在高于或等于1335℃且低于1414℃的温度范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述热绝缘结构中的压强小于1托。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述处理时间段在介于10小时和50小时之间。
4.如权利要求1所述的方法，其还包括在低于一个大气压的压强下在键合过程中供给惰性气体到所述热绝缘结构。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键能够在使用过程中承受高于580℃的工作温度。
6.如权利要求1所述的方法，其中，在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键能够在使用过程中承受高于580℃且低于1335℃的工作温度。
7.如权利要求1所述的方法，其还包括在所述键合过程中提供外力以保持所述第一硅部件至所述第二硅部件上。
8.如权利要求1所述的方法，其中，在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键具有1.17+/-0:09W/cm-K的热导率。
9.如权利要求1所述的方法，其中，在所述第一硅部件和所述第二硅部件之间形成的键具有大于2000PSI的拉伸强度。
10.一种用于键合第一碳化硅部件与第二碳化硅部件的方法，其包括：
在容器中布置所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件直接物理接触；
将所述第一碳化硅部件和所述第二碳化硅部件包围在碳化硅/硅粉末基质中；
在热绝缘结构中布置所述容器；
控制所述热绝缘结构中的压强至预定压强；
使用一个或多个加热器控制所述热绝缘结构中的温度至预定温度；以及
在处理时间段期间键合所述第一碳化硅部件与所述第二碳化硅部件，其中所述预定温度在高于或等于1600℃且低于2000℃的温度范围内。
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