CN107195541B - 永久结合晶圆的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种永久结合晶圆的方法及装置，其中该第二衬底具有最少一个反应层：将该衬底容纳于第一电极与第二电极之间或线圈内，通过对第一接触面施加借助于电极的电容耦合所产生的等离子体而在第一接触面上的储存器形成层中形成储存器，其中在等离子体产生或借助于线圈的电感耦合产生等离子体期间向该第一电极施加与该第二电极的第二频率不同的第一频率，其中在等离子体产生期间在第一发生器产生与第二发生器的第二频率不同的第一频率。此外，本发明涉及一种相应装置。

Description

永久结合晶圆的方法及装置
本申请是申请号为201280074902.9、申请日为2012-07-24、发明名称为“永久结合晶圆的方法及装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种使第一衬底的第一接触面与第二衬底的第二接触面结合的方法及装置。
背景技术
衬底永久或不可逆结合的目的为产生尽可能强且尤其尽可能不可逆的互连，因此要在衬底的两个接触面之间产生高结合力。在现有技术中，存在用于此目的的各种途径及生产方法。
迄今为止遵循的已知生产方法及途径通常产生不可再生或再生可能不佳且几乎不能特别应用于改变的条件的结果。具体来说，目前使用的生产方法通常使用高温(尤其>400°C)以便确保可重复结果。
诸如高能量消耗及衬底上存在的结构可能发生破坏的技术问题是因迄今为止高结合力所必需的在某种程度上远高于300°C的高温产生。
其它需求为以下：
-前段工序兼容性。
此定义为在生产主动式电子组件期间的过程兼容性。因此结合过程必须经设计以使得已存在于结构晶圆上的主动式组件(诸如晶体管)在加工期间既不会受不利影响，亦不会被损坏。兼容性准则主要包括某些化学元素（主要存在于CMOS结构中）的纯度及主要受热应力影响的机械负载能力。
-低污染。
-不施加力。
-温度尽可能低，尤其对于具有不同热膨胀系数的材料。
结合力的降低使得处理结构晶圆更谨慎且从而降低由直接机械负载导致的故障机率。
发明内容
因此本发明的目的为设计一种在尽可能低的温度下节约地产生同时以尽可能高的结合力永久结合的方法及装置。
此目的通过如下所述的方案达成。本发明的有利扩展方案在本申请其它公开内容中给出。本申请中给出的特征中的至少两者的所有组合亦属于本发明的构架内。在值范围给定的情况下，位于指示界限内的值亦应被视为作为边界值而公开且将以任何组合要求保护。根据本发明的一种使第一衬底的第一接触面与第二衬底的第二接触面结合的方法，其中所述第二衬底具有最少一个反应层，所述方法具有以下流程：
-将所述衬底容纳于等离子体腔室中或容纳于连接至等离子体腔室的衬底腔室中，其中所述离子体腔室具有至少两个能在不同频率下操作，尤其是在不同频率下操作以产生等离子体的发生器，
-通过将在所述离子体腔室中产生的等离子体施加于所述第一接触面而在该第一接触面上的储存器形成层中形成储存器，
-用第一离析剂或第一组离析剂至少部分填充所述储存器，
-使所述第一接触面与所述第二接触面接触以形成预结合连接，
-通过使所述第一离析剂与所述第二衬底的反应层中所含的第二离析剂反应来至少部分增强所述第一与第二接触面之间永久结合的形成。
所述的方法中所述第一频率是在1MHz与100MHz之间或所述第二频率是在在10kHz与100MHz之间。填在所述储存器中的所述第一离析剂与用于形成所述永久结合的所述第二离析剂反应。所述第一离析剂与所述第二离析剂的反应将所述第一与第二接触面之间的至少一个间隙至少部分地闭合。
根据本发明的一种使第一衬底的第一接触面与第二衬底的第二接触面结合的方法，其中所述第二衬底具有最少一个反应层，所述方法具有以下流程：
-将所述衬底容纳于电感耦合的等离子体腔室中，
-通过对所述第一接触面施加借助于线圈的电感耦合所产生的等离子体而在所述第一接触面上的储存器形成层中形成储存器，其中在等离子体产生期间在第一发生器上施加不同于第二发生器的第二频率的第一频率，
-用第一离析剂或第一组离析剂至少部分填充所述储存器，
-使所述第一接触面与所述第二接触面接触以形成预结合连接，
-通过使所述第一离析剂与所述第二衬底的反应层中所含的第二离析剂反应来至少部分增强所述第一与第二接触面之间永久结合的形成。
所述的方法中所述储存器包括孔隙率在纳米范围内的多孔层或具有通道的层，其中通道厚度小于10nm。至少部分填充所述储存器包括通过用含有第一离析剂的流体冲洗来填充所述储存器，所述第一离析剂包括H2O、H2O2和NH4OH中的至少一种。
根据本发明的一种使第一衬底的第一接触面与第二衬底的第二接触面结合的装置，其中所述第二衬底具有最少一个反应层，所述装置具有以下特征：
-结合腔室，
-第一电极及布置在相对侧的第二电极，
-容纳部件，其在所述第一电极与所述第二电极之间用于容纳所述衬底，
-储存器形成部件，其用于通过对所述第一接触面施加借助于所述电极的电容耦合所产生的等离子体而在所述第一接触面上的储存器形成层中形成储存器，其中在所述离子体产生期间能在所述第一电极上施加不同于所述第二电极的第二频率的第一频率，
-用于使所述第一接触面与所述第二接触面接触以形成预结合连接的部件。
所述的装置中所述第一频率是在1MHz与100MHz之间或所述第二频率是在在10kHz与100MHz之间。
根据本发明的一种使第一衬底的第一接触面与第二衬底的第二接触面结合的装置，其中所述第二衬底具有最少一个反应层，所述装置具有以下特征：
-结合腔室，
-线圈，
-用于容纳所述衬底的容纳部件，
-储存器形成部件，用于通过对所述第一接触面施加借助于第一和第二发生器的电感耦合所产生的等离子体而在所述第一接触面上的储存器形成层中形成储存器，其中在所述等离子体产生期间能在所述第一发生器上施加不同于所述第二发生器的第二频率的第一频率，
-用于使所述第一接触面与所述第二接触面接触以形成预结合连接的部件。
所述的装置中所述储存器包括孔隙率在纳米范围内的多孔层或具有通道的层，其中通道厚度小于10nm。所述装置包括形成储存器的腔室、分开提供的用以填充所述储存器的腔室。
根据本发明的一种使第一衬底的第一接触面与第二衬底的第二接触面结合的装置，其中所述第二衬底具有最少一个反应层，所述装置具有以下特征：
-用于产生等离子体的等离子体腔室，所述等离子体腔室具有用于产生所述等离子体的至少两个能在不同频率下操作、尤其是在不同频率下操作的发生器，
-连接至所述等离子体腔室的结合腔室，
-储存器形成部件，用于通过对所述第一接触面施加在所述等离子体腔室中产生的等离子体而在所述第一接触面上的储存器形成层中形成储存器，
-用于使所述第一接触面与所述第二接触面接触以形成预结合连接的部件。
所述装置包括形成储存器的腔室、分开提供的用以填充所述储存器的腔室。
本发明的基本思想为使用电容耦合的等离子体或电感耦合的等离子体或来自远程等离子体装置产生等离子体，使用等离子体形成于衬底中容纳第一离析剂的储存器，该离析剂在使衬底之间接触或产生暂时结合之后与存在于其它衬底中的第二离析剂反应，且从而形成衬底之间的不可逆或永久结合。在第一接触面上的储存器形成层中形成储存器之前或之后，一般清洁该一个或多个衬底，尤其通过冲洗步骤清洁。此清洁一般应确保在表面上不存在会导致未结合位点的粒子。储存器及储存器中所含有的离析剂在技术上创造该可能，在接触面上在产生暂时或可逆结合之后以专门方式直接诱导反应(第一离析剂或第一组离析剂与第二离析剂或第二组离析剂），该反应提高结合速度且增强永久结合，尤其通过经该反应使至少一个接触面、优选储存器对面的接触面发生变形。如本发明所主张，在相对的第二接触面上设置发生如本发明所主张的变形且第一离析剂(或第一组第一离析剂)与第二衬底的反应层中存在的第二离析剂(或第二组离析剂)反应的生长层。为加速第一离析剂(或第一组离析剂)与第二离析剂(或第二组离析剂)之间的反应，如本发明中的有利实施例中所主张，提供位于第二衬底的反应层与储存器之间、在接触衬底之前薄化的生长层，因为以此方式反应搭配物之间的距离会以可调方式减小且同时促进如本发明所主张的生长层的变形/形成。通过薄化至少部分，尤其大部分，优选完全地移除生长层。即使已完全移除生长层，亦可在第一离析剂与第二离析剂的反应中再次生长生长层。薄化此生长层可如本发明所主张，尤其借助于蚀刻（尤其干式蚀刻）、抛光、溅镀或还原氧化物来进行。优选可以设想这个方法，尤其溅镀与氧化物还原的组合。
如本发明中所主张，可存在用于在接触面接触之前尤其通过钝化第二衬底的反应层，优选通过施加以N2、成形气体或惰性大气或在真空下或通过非晶形化而抑制生长层的生长的部件。在这个方面，通过含有成形气体，尤其主要由成形气体组成的等离子体的处理已证明为尤其合适的。此处，成形气体定义为含有至少2%、优选4%、理想地10%或15%的氢气的气体。混合物的剩余部分由诸如氮气或氩气的惰性气体组成。
当使用成形气体时，尤其可通过基于溅镀及氧化物还原的方法薄化氧化层。
备选地或附加地，如本发明所主张，最小化薄化与进行接触之间的时间为有利的，尤其<2小时、优选<30分钟、甚至更优选<15分钟、理想地<5分钟。因此，可最小化在薄化之后发生的氧化物生长。
离析剂通过生长层的扩散速率由生长层增加，该生长层已薄化且因此至少在永久结合形成开始时或在反应开始时极其薄。由此导致在相同温度下离析剂的传输时间较短。
对于预结合步骤而言，为产生衬底之间的暂时或可逆结合，存在各种可能性以达到在衬底的接触面之间产生弱相互作用的目的。预结合强度至少为永久结合强度的1/2至1/3、尤其1/5、优选1/15、又更优选1/25。作为基准值，提及具有约100mJ/m2的非活化亲水化纯硅及具有约200-300mJ/m2的纯等离子体活化亲水化硅的预结合强度。分子润湿衬底之间的预结合主要归因于不同晶圆侧的分子之间的凡得瓦尔相互作用（van-der-WaalsWechselwirkungen)而出现。与之相应地，主要具有永久偶极矩的分子适用于实现晶圆之间的预结合。提及以下化合物作为互连剂，例如(但不限于）：
-水
-硫醇
-AP3000
-硅烷及/或
-硅烷醇。
如本发明所主张，适当衬底为材料能够作为离析剂与另一所提供离析剂反应以形成具有较高摩尔体积的产物的衬底，作为该反应的结果致使在衬底上形成生长层。以下组合尤其有利，其中在箭头的左侧指定离析剂且在箭头的右侧指定该一个或多个产物，而与离析剂反应的所提供离析剂或副产物不详细指定：
Figure 996929DEST_PATH_IMAGE001
Figure 873619DEST_PATH_IMAGE002
此外，设想以下混合形式的半导体为衬底：
Figure 696081DEST_PATH_IMAGE003
如本发明所主张，在至少一个晶圆上且直接在各自接触面上，存在储存器(或若干储存器），用于体积膨胀反应的一定量的至少一种所提供离析剂可储存于储存器中。因此，离析剂可为例如O2、O3、H2O、N2、NH3、H2O2等。归因于尤其由氧化物生长支配的膨胀，基于反应搭配物减少系统能量的期望，使接触面之间的可能间隙、孔隙及腔室减至最小，且结合力因此通过使这个区中的衬底之间的距离变窄而增加。在最佳可能状况下，将现有间隙、孔隙及腔室完全闭合以便使整个结合区域增加且因此如本发明所主张的结合力相应地上升。
接触面通常展示二次粗糙度(Rq)为0.2nm的粗糙度。此情况与1nm范围内的表面的峰间（Scheitel-Scheitel）值对应。此等实验值由原子力显微术(AFM)测定。
如本发明所主张，对于具有1个单层(ML)水的直径为200mm至300mm的圆形晶圆的标准晶圆表面，该反应适用于允许生长层生长0.1至0.3nm。
如本发明所主张，因此尤其规定储存器中储存至少2个ML、优选至少5个ML、甚至更优选至少10个ML的流体(尤其为水）。
通过施加等离子体形成储存器尤其优选，因为等离子体施加此外会促使接触面平滑及亲水化作为协同效应。表面主要通过储存器形成层及可能的反应层的材料的黏性流通过等离子体活化而平滑。亲水性尤其通过增加硅羟基化合物而增加，优选通过表面上存在的Si-O化合物(诸如Si-O-Si)的裂解，尤其根据以下反应：
Figure 25431DEST_PATH_IMAGE004
另一副效应(尤其作为上述效应的结果）为预结合强度提高尤其2至3倍。
第一衬底的第一接触面上的储存器形成层（及视情况存在的第二衬底的第二接触面上的储存器形成层）中的储存器例如通过已涂有热氧化物的第一衬底的等离子体活化形成。等离子体活化是在真空腔室中进行以便能够设定等离子体所需的条件。如本发明所主张，等离子体放电是使用离子能在0至2000eV（幅度）范围内的N2气体、O2气体或氩气，从而产生经处理表面(在此状况下为第一接触面)的深度至多20nm、优选至多15nm、更优选至多10nm、最优选至多5nm的储存器。
通过设定真空腔室中的某个压力，可以可设想的方式影响或设定等离子体离子的平均自由行程长度，如本发明所主张。
该一个或多个接触面上产生储存器的可再生结果可通过本发明的在相对电极上使用两种不同频率产生等离子体来产生，该电极尤其经由施加交流电流或交流电压及/或通过使用电感耦合的等离子体源及/或远程等离子体来加速等离子体离子。
在电容耦合的情况下，若电极布置在等离子体腔室内，则为有益的。
此处，接触面的最佳安置及因此产生尤其在体积及/或深度方面经精确界定的储存器是通过设定(不同)参数来实现：电极的频率、振幅，尤其，完全优选地为施加于第二电极上的偏压及腔室压力。
运作如电容耦合的倍频等离子体装置的等离子体活化装置宜能分开设定离子密度及加速离子达到晶圆表面上。因此可得到的过程结果可设定在宽窗口内且可与应用需求最佳相配。
偏压，尤其呈第二电极、尤其下电极的基极电压形式的偏压，是用于影响电极对容纳于第二电极上的衬底的接触面的冲击(速度），尤其使其减弱或加速。
具体来说，储存器中的孔隙密度分布通过前述参数（其中尤其下文所述的有利实施例）而可调。
在电感耦合的等离子体源中，可采用关于与用以产生磁场的交流电流电容耦合的交流电压的相应类似考虑。如本发明所主张，可设想通过变化强度及/或频率的交流电流或交变磁场操纵电感耦合的等离子体源的等离子体，以便等离子体具有如本发明所主张的相应特性。
在远程等离子体中，实际上使用的等离子体是在外部来源中产生且引入样本空间中。具体来说，将这个离子体的组分（尤其离子）传输至样本空间中。等离子体自源空间通入衬底空间中可通过不同组件来确保，诸如锁、加速器、磁性及/或电透镜、膜片等。就电场及/或磁场的频率及/或强度而言，适用于电容及/或电感耦合的等离子体的所有考虑将适用于确保等离子体产生及/或等离子体自源空间通人衬底空间中的所有组件。举例而言，可设想等离子体在源空间中通过如本发明所主张的参数、通过电容或电感耦合产生且之后经前述组件渗入衬底空间中。
如本发明所主张，可使用适用于产生储存器的任何粒子类型(原子及/或分子）。优选使用产生具有所要特性的储存器的那些原子及/或分子。相关特性主要为孔隙大小、孔隙分布及孔隙密度。或者，如本发明所主张，可使用气体混合物，诸如空气或由95%的Ar及5%的H2组成的成形气体。视所用气体而定，在储存器中在等离子体处理期间尤其存在以下离子：N+、N2+、O+、O2+、Ar+。第一离析剂可容纳于该一个或多个储存器的未占用的自由空间中。储存器形成层及因此储存器可延伸至反应层中。
有利地在此存在可与反应层反应且至少部分、优选大部分由第一离析剂组成的不同类型的等离子体物质。就第二离析剂为Si/Si而言，Ox等离子体物质为有利的。
储存器基于以下考虑形成：孔隙大小小于10nm、优选小于5nm、更优选小于1nm、甚至更优选小于0.5nm、最优选小于0.2nm。
孔隙密度优选与通过冲击作用产生孔隙的粒子的密度成正比，最佳可甚至由于冲击物质的分压而变化，且取决于处理时间及尤其所用等离子体系统的参数。
孔隙分布优选在表面下方具有至少一个最大孔隙密集度的区，此是通过迭加至优选平台形区（见图8)中的若干这样的区的参数的变化达成。孔隙分布随厚度增加降至零。在轰击期间在表面附近的区域具有与表面附近的孔隙密度几乎相同的孔隙密度。在等离子体处理结束之后，由于应力松弛机制，表面上的孔隙密度可降低。在厚度方向上的孔隙分布相对于表面具有陡峭侧翼且相对于块体具有较为平坦但持续降低的侧翼(见图8)。
对于孔隙大小、孔隙分布及孔隙密度，类似考虑应用于未通过等离子体产生的所有方法。
可通过控制使用及组合过程参数来设计储存器。图8展示通过等离子体注入的氮原子的浓度随氧化硅层中的穿透深度而变的图示。有可能通过改变该物理参数产生两个曲线。第一曲线11是由氧化硅中较深处的加速得较快的原子产生，相反，曲线12是在改变过程参数之后在较低密度下产生。两个曲线的迭加产生储存器所特有的总和曲线13。注入原子及/或分子物质的浓度之间的关系为明显的。较高浓度指示具有较高缺陷结构的区域，因此有更多空间容纳后续离析剂。在等离子体活化期间尤其以专门方式控制的过程参数的连续变化可使储存器达成所添加离子在深度上尽可能均匀分布。
作为通过等离子体产生的储存器的替代方案，设想在至少一个衬底、至少第一衬底上使用TEOS(正硅酸四乙酯）氧化物层作为储存器。此氧化物的密度一般低于热氧化物，由此如本发明所主张，压紧为有利的。压紧通过热处理发生以达到设定所定义的储存器孔隙率的目的。
根据本发明的一个实施例，填充储存器可尤其有利地与通过将储存器作为涂层涂覆至第一衬底而形成储存器同时发生，其中该涂层已包含第一离析剂。
可将储存器设想为具有孔隙率在纳米范围内的多孔层或具有通道的层，其中通道厚度小于10nm、更优选小于5nm、甚至更优选小于2nm、最优选小于1nm、尤其最优选小于0.5nm。
对于用第一离析剂或第一组离析剂填充储存器的步骤，如本发明所主张，可设想以下实施例(亦为组合）：
-将储存器暴露于环境大气，
-通过尤其去离子水冲洗，
-通过含有离析剂(尤其为H2O、H2O2、NH4OH)或由离析剂组成的流体冲洗，
-使储存器暴露于任何气体环境，尤其原子气体、分子气体、气体混合物，
-将储存器暴露于含有水蒸气或含有过氧化氢蒸气的环境，及
-将已填充有离析剂的储存器作为储存器形成层沉积沉积于第一衬底。
以下化合物可作为离析剂：Ox +、O2、O3、N2、NH3、H2O、H2O2及/或NH4OH。
上述过氧化氢蒸气的使用被视为除了使用水之外的优选变体方案。过氧化氢另外拥有较大的氧氢比的优点。另外，过氧化氢在某些温度以上及/或经由使用MHz范围内的高频场而解离为氢及氧。
另一方面，H2O提供分子尺寸小的优点。H2O分子尺寸甚至小于O2分子，由此H2O提供能更容易插入孔隙中及能更容易扩散于整个生长层中的优点。
主要在使用具有不同热膨胀系数的材料时，有利地使用不导致任何显著温度增加或充其量导致局部/特定温度增加之前述物质解离方法。具体来说，存在至少促进，优选导致解离的微波辐射。
根据本发明的一个有利实施例，规定生长层的形成及不可逆结合的强化是通过第一离析剂扩散至反应层中而发生。
根据本发明的另一个有利实施例，规定不可逆结合的形成是在通常小于300°C、优选地小于200°C、更优选地小于150°C、甚至更优选地小于100°C的温度下、最优选地在室温下，尤其在最多12天、更优选地最多1天、甚至更优选地最多1小时、最优选地最多15分钟期间发生。另一有利热处理方法为通过微波进行介电加热。
此处，若不可逆结合的结合强度大于1.5J/m2、尤其大于2J/m2、优选大于2.5J/m2，则尤其有利。
增加结合强度尤其有利的处在于，在反应期间，如本发明所主张，在反应层中形成摩尔体积比第二离析剂大的产物。以此方式，实现在第二衬底上的生长，作为其结果，接触面之间之间隙可通过化学反应闭合，如本发明所主张。因而，接触面之间的距离，因此平均距离减小，且死空间减至最小。
就通过等离子体活化形成储存器而言，尤其在活化频率在10kHz与20000kHz之间、优选在10kHz与5000kHz之间、甚至更优选在10kHz与1000kHz之间、最优选在10kHz与600kHz之间及/或功率密度在0.075与0.2watt/cm2之间及/或以0.1与0.6毫巴之间的压力加压的情况下，产生诸如使接触面平滑以及明确增加接触面的亲水性的其它作用。
备选地，如本发明所主张形成储存器可通过使用已以特定控制方式压紧达某一孔隙率的四乙氧基硅烷氧化物层作为储存器形成层进行。
根据本发明的另一个有利实施例，规定储存器形成层主要、尤其基本上完全由尤其非晶形二氧化硅、尤其通过热氧化产生的二氧化硅组成，且反应层由可氧化材料、尤其主要、优选基本上完全由Si、Ge、InP、GaP或GaN(或上文作为替代方案提及的另一材料)组成。尤其有效地闭合现存间隙的尤其稳定的反应是通过氧化实现。
此处，如本发明所主张，规定在第二接触面与反应层之间存在生长层，尤其主要为原生二氧化硅（或上文作为替代方案提及的另一材料）的生长层。如本发明所主张，生长层经受由反应导致的生长。尤其在与反应层的界面上，且尤其在第一接触面与第二接触面之间间隙的区域中，通过非晶形SiO2的重新形成及由此导致的生长层的变形(尤其凸出），生长发生于转变Si-SiO2(7)。由此导致两个接触面之间的距离减少或死空间减少，作为其结果，两个衬底之间的结合强度增加。在200°C与40°C之间、优选约200°C与150°C之间的温度、更优选在150°C与100°C之间的温度、最优选在100°C与室温之间的温度尤其有利。生长层可分为若干生长区。生长层可同时为第二衬底的储存器形成层，在该储存器形成层中形成加速反应的另一储存器。
此处，若在形成不可逆结合之前，生长层的平均厚度A在0.1nm与5nm之间，则尤其有利。生长层愈薄则第一离析剂与第二离析剂之间的反应经由生长层，尤其通过第一离析剂通过生长层扩散至反应层中而愈迅速且愈容易发生。离析剂通过生长层的扩散速率由生长层增加，该生长层已薄化且因此至少在永久结合形成开始时或在反应开始时极其薄。由此缩短离析剂在相同温度下的传输时间。
此处，如本发明所主张，薄化起决定性作用，因为反应可通过薄化进一步加速及/或温度可进一步降低。薄化可尤其通过蚀刻，优选在潮湿环境中，又更优选原位进行。或者，薄化尤其通过干式蚀刻，优选原位进行。此处，原位意谓在同一腔室中进行，在该腔室中进行至少一个先前及/或以下步骤。归入此处所用的原位概念的另一装置排列为衬底的传输在可以控制方式调节的环境中（例如使用惰性气体），但尤其在真空环境中在个别过程腔室之间进行的装置。湿式蚀刻通过呈气相的化学品进行，而干式蚀刻通过呈液态的化学品进行。就生长层由二氧化硅组成而言，可通过氢氟酸或稀氢氟酸进行蚀刻。就生长层由纯Si组成而言，可通过KOH进行铀刻。
根据本发明的一个实施例，有利地规定在真空中进行储存器的形成。因此，可避免不需要的材料或化合物污染储存器。
在本发明的另一个实施例中，有利地规定通过一或多个下述步骤进行储存器的填充：
-将第一接触面暴露于大气，以用空气湿度及/或空气中所含的氧气填充储存器，
-对第一接触面施加尤其主要、优选几乎完全由尤其去离子H2O及/或H2O2组成的流体，
-对第一接触面施加以尤其具有0至2000eV范围内的离子能的N2气体及/或O2气体及/或Ar气体及/或尤其由95%的Ar及5%的组成的成形气体，
-气相沉积以用任何已指定离析剂填充储存器。若形成厚度R优选在0.1mn与25nm之间、更佳在0.1nm与15nm之间、甚至更佳在0.1nm与10nm之间、最佳在0.1nm与5nm之间的储存器，则对过程顺序尤其有效。此外，根据本发明的一个实施例，若在即将形成不可逆结合之前，储存器与反应层之间的平均距离B在0.1nm与15nm之间、尤其在0.5nm与5nm之间优选在0.5nm与3nm之间，则为有利的。如本发明所主张，距离B受薄化影响或通过薄化产生。
如本发明所主张，执行该方法的装置经制造而具有用以形成储存器的腔室、尤其与其分别提供的用以填充储存器的腔室及尤其分别提供的用于形成预结合的腔室，所有该腔室均直接经由真空系统彼此连接。
在另一个实施例中，储存器的填充亦可直接经由大气进行，因此在可对大气开放的腔室中或简单地在不具有夹套但可半自动及/或完全自动地处理晶圆的结构上进行。
附图说明
本发明的其它优点、特征及细节将自优选例示性实施例的以下描述且使用附图变得显而易见。
图la展示在使第一衬底与第二衬底接触之后立即进行的如本发明所主张的方法的第一步骤，
图lb展示在使第一衬底与第二衬底接触之后立即进行的如本发明所主张的方法的替代性第一步骤，
图2展示在进行接触之前进行的如本发明所主张的方法的步骤，也就是说薄化第二衬底，
图3a及图3b展示用于形成较高结合强度的如本发明中主张的方法的其它步骤，
图4展示如本发明所主张的方法的另一步骤，其在图la或lb，图2及图3a及3b的步骤之后，其中衬底接触面处于接触状态，
图5展示用于在衬底之间形成不可逆/永久结合的如本发明所主张的步骤，
图6展示在图4及图5的步骤期间在两个接触面上进行的化学/物理过程的放大图，
图7展示在图4及图5的步骤期间在两个接触面之间的界面上进行的化学/物理过程的另一放大图，
图8展示如本发明中主张的产生储存器的圆。
图9展示可施加以真空的电容等离子体腔室的示意图，
图10展示可施加以真空的电感等离子体腔室的示意图，
图11展示可施加以真空的远程等离子体腔室的示意图，及
图12展示两个电极的频率的频率特性的图。
在附图中，相同或等效特征以相同附图标记。
具体实施方式
图1中的情形仅展示在第一衬底1的第一接触面3与第二衬底2的第二接触面4之间的预结合步骤期间或之后立即进行的化学反应的一个片段。表面以极性OH基终止且因此具有亲水性。第一衬底1及第二衬底2由介于表面上存在的OH基与H2O分子之间且亦介于单独H2O分子之间的氢桥的引力固持。至少第一衬底的亲水性已通过先前步骤中的等离子体处理增加。
等离子体处理是在图9的可施加以等离子体及真空及/或规定气体环境的等离子体腔室20中进行。施加以真空及/或规定气体环境表示可设定且控制压力低于1毫巴。在本文所述的例示性实施例中，气体为压力为0.3毫巴的N2。在如本发明所主张的电容及电感耦合的实施例中，等离子体腔室20与衬底腔室相同。在图11的如本发明所主张的远程等离子体的实施例中，等离子体腔室20"(更好为：等离子体产生腔室)与容纳衬底的衬底腔室27分开。
图9中所示的电容等离子体腔室20具有用于离子化气体体积的第一电极21(其位于顶部或作为上电极），该气体体积的离子化是在频率f21在0.001kHz与100000kHz之间、优选0.01kHz与10000kHz之间、甚至更优选0.1kHz与1000kHz之间、最优选250与550kHz之间及振幅在1V与1000V之间、尤其100V与800V之间、优选200V与600V之间、甚至更优选300V与500V之间的情况下由第一电极21上的交流电压产生。一个重要因素为通过上述真空所界定的平均自由行程长度。
存在另一与第一电极21相对(其位于下面或为下电极）的第二电极22，不仅用于施加第一接触面3(该施加与第一电极21的频率耦合），而且具有加速或减弱等离子体离子冲击的偏压作为基极电压。偏压一般为交流电压或直流电压。有利地使用直流电压，其在等离子体活化过程中可随储存/预定形状(规则)界定的曲线发生动态变化。此处，实施例中的第二电极22展示在频率f22在0.001kHz与100000kHz之间、优选在0.01kHz与10000kHz之间，甚至更优选在0.1kMz与1000kHz之间、最优选15kHz至55kHz且振幅在1V与1000V之间、尤其在100V与800V之间、优选在200V与600V之间，甚至更优选在300V且500V之间的情况下工作。此第二交流电压还导致冲击表面3的离子的离子能发生变化，由此可获得离子的均匀深度分布。
另外第二电极21用作第一衬底1的容纳器，其容纳侧背向第一接触面3。因此，第一衬底1(在无第二衬底2的情况下)位于第一电极21与第二电极22之间。电极21、22的固持器未图示。
电极21、22各自优选连接至其自身电源，自身电源的形式对于第一电极21而言为发生器23且对于第二电极22而言为可与发生器23分别控制的第二发生器24。第一发生器23的功率尤其在1瓦特与100000瓦特之间、优选在25瓦特与10000瓦特之间、更优选在30瓦特与1000瓦特之间、最优选在50瓦特与200瓦特之间、尤其最优选在70瓦特与130瓦特之间。第二发生器24同样提供1瓦特与100000瓦特之间、优选25瓦特与10000瓦特之间、更优选30瓦特与1000瓦特之间、最优选50瓦特与200瓦特之间、最优选70瓦特与130瓦特之间的功率。
图10的电感等离子体腔室20'具有围绕其且允许具有该振幅的电流流经的线圈26。衬底1搁置于样本固持器25上。在一个优选实施例中，等离子体腔室20'恰好具有两个发生器23及24。
电感等离子体腔室20'在线圈26的一侧具有第一电流发生器23。第一发生器23产生的流经线圈26的电流的频率f21在0.001kHz与100000kHz之间、优选在0.01kHz与10000kHz之间、甚至更优选在0.1kHz与1000kHz之间、最优选恰好为400kHz且振幅在0.001A与10000A之间、优选在0.01A与1000A之间、更优选在0.1A与100A之间、最优选在1A与10A之间。
线圈26或等离子体腔室20’优选具有第二电流发生器24。第二电流发生器M的频率f22在0.001kHz与100000kHz之间、优选在0.01kHz与10000kHz之间、甚至更优选在0.1kHz与1000kHz之间、最优选恰好为400kHz且振幅在0.001A与10000A之间、优选在0.01A与1000A之间、更优选在0.1A与100A之间、最优选在1A与10A之间。
在根据图11的另一个实施例中，待产生的等离子体是在(远程)等离子体腔室20”中产生。用于电容及/或电感耦合的等离子体的所有所揭示参数均类似地应用。
图12示意性地展示对于两个不同频率如本发明所主张产生的等离子体的孔隙密度随深度的变化。显然密度曲线可以专门方式通过改变频率来调节。
根据备选实施例，尤其在等离子体处理第一衬底1的同时，另外对第二衬底2或第二接触面4进行等离子体处理为尤其有利的。
如本发明所主张，由热二氧化硅组成的储存器形成层6中的储存器5，以及在图lb的替代实施例中，储存器形成层6中的第二相对储存器5'已通过等离子体处理形成。储存器形成层6、6’下的含有第二离析剂或第二组离析剂的反应层7、7’彼此直接邻接。用具有前述离子能的N2离子进行等离子体处理产生平均厚度R约15nm的储存器5，其中储存器形成层6中的离子形成通道或孔隙。
在储存器形成层6与反应层7之间，在第二衬底2上存在生长层8，生长层8可同时至少部分为储存器形成层6'。因此，在储存器形成层6'与反应层7'之间可另外存在另一生长层。
同样地，在图1中所展示的步骤之前且在等离子体处理之后，至少主要用作为第一离析剂的乐0填充储存器5(及视情况存在的储存器5’）。等离子体过程中存在的减少的离子种类也可位于储存器中，尤其O2、N2、H2、Ar。
在该一个或多个储存器5、5’形成之前或之后，在任何情况下，在衬底1、2进行接触之前，通过蚀刻薄化生长层8(及视情况存在的另一生长层）（此处为在储存器5形成之后，参见图2)。以此方式，第二接触面4与反应层7之间的平均距离B减小。同时，第二接触面4宜变得更平坦。
在图la或lb中所示的阶段接触之后，接触面3、4仍具有相对宽距离，尤其由存在于接触面3、4之间的水所示。因此，现有结合强度相对低且大约在100mJ/cm2与300mJ/cm2之间，尤其大于200mJ/cm2。就此而言，先前等离子体活化起决定性作用，尤其归因于等离子体活化的第一接触面3的亲水性增加及由等离子体活化引起的平滑化效应。
图1中所示且称为预结合的过程优选可在环境温度或最大50°C下进行。图3a及图3b展示亲水性结合，其中Si-O-Si桥通过-OH终止表面分裂水而出现。图3a及图3b中的过程在室温下持续约300小时。在50°C下约60小时。图3b中的状态在指定温度下存在，且不会产生储存器5(或储存器5,5’）。
在接触面3,4之间，形成H2O分子且可至少部分地进一步填充于仍有自由空间的储存器5中。移除其它H2O分子。在图1的步骤中，存在OH基或H2O的约3至5个单个层，且利用图1的步骤至图3a的步骤将1至3个H2O单层移除或容纳于储存器5中。
在图3a所示的步骤中，硅氧烷基之间现直接形成氢桥键，作为其结果，出现更强结合力。由此使接触面3、4更强烈地彼此吸引且减小接触面3、4之间的距离。因此，在接触面1、2之间仅存在1至2个单个OH基层。
在图3b中所示的步骤中，又在根据下文插入的反应沉积H2O分子的情况下，由于接触面3、4彼此直接接触，因此接触面3、4之间现形成呈硅烷醇基团形式的共价化合物，由此产生更强结合力且需要的空间更少，以便接触面3、4之间的距离进一步减小直至最终达到图3中所示的最小距离：
Figure 224331DEST_PATH_IMAGE005
直至阶段3，尤其归因于储存器5(及视情况存在的附加储存器5’的形成)，故不必不适当地增加温度，而是允许其甚至在室温下进行。以此方式，图la或图lb至图4的过程步骤尤其可节约地进行。
在图5中所示的方法步骤中，温度优选增至最大500°C、更优选最大300°C、甚至更优选最大200°C、最优选最大100°C、尤其最优选不超过室温以形成第一与第二接触面之间的不可逆或永久结合。与现有技术相比，这个温度相对较低仅可能，时因为储存器5(及视情况附加储存器5’)包括用于图6及图7中所示的反应的第一离析剂：
Figure 158789DEST_PATH_IMAGE006
通过增加摩尔体积及H2O分子的扩散，尤其在储存器形成层6’与反应层7之间的界面(及另外视情况存在的储存器形成层6与反应层7’之间的界面)上的扩散，呈生长层8形式的体积生长，其中归因于使在接触面3、4之间存在间隙9的区域中进行的自由吉布斯焓（Gibb'schen Enthalpie)强化生长减至最小的目的。间隙9通过生长层8的体积增加闭合。更确切地说：
在前述轻微增加的温度下，H2O分子作为第一离析剂自储存器5(或储存器5、5’)扩散至反应层7(及视情况存在的7')。此扩散可经由已形成为氧化物层的储存器形成层6、6'与相应反应层7、7'(或生长层8)的直接接触，或经由氧化物层之间存在之间隙9或自间隙9进行。在那里，自反应层7形成二氧化硅（因此为摩尔体积大于纯硅的化合物）作为前述反应的反应产物10。二氧化硅在反应层7与生长层8及/或储存器形成层6、6’的界面上生长，且因此使已尤其以原生氧化物形式形成的生长层8沿间隙9方向成形。此处，亦需要来自储存器的H2O分子。
归因于纳米范围内之间隙的存在，存在生长层8凸出的可能性，通过这种方式，接触面3,4上的应力可减小。以此方式，接触面3,4之间的距离会减小，通过这种方式，活性接触面及因此结合强度进一步增加。与部分未焊接的现有技术产物形成对比，以此方式出现的闭合所有孔隙且在整个晶圆上形成的焊接连接在根本上有助于结合力增加。彼此焊接的两个非晶形氧化硅表面之间的结合类型为共价及离子部分的混合形式。
第一离析剂(H2O)与第二离析剂(Si)之前述反应是在反应层7中尤其迅速或在尽可能低的温度下进行，达到第一接触面3与反应层7之间的平均距离B尽可能小的程度。
因此，第一衬底1的预处理及由硅反应层7及尽可能薄的原生氧化物层作为生长层8组成的第二衬底2的选择/预处理具有决定性作用。如本发明所主张，出于两个理由提供尽可能薄的原生氧化物层。生长层8极薄，尤其归因于如本发明所主张提供的薄化，以便其可穿过反应层7上的新形成反应产物10朝向相对衬底1的储存器形成层6凸出，该储存器形成层主要在纳米间隙9的区域中以氧化物层形式制得。此外，需要尽可能短的扩散路径以尽可能快且在尽可能低的温度下获得所需效应。第一衬底1同样由硅层及其上所产生的呈储存器形成层6形式的氧化物层组成，在该储存器形成层中至少部分或完全形成储存器5。
如本发明所主张，储存器5(或储存器5,5')至少以闭合纳米间隙9所需量的第一离析剂来填充，以便生长层8的最佳生长可在尽可能短的时间内及/或在尽可能低的温度下进行以闭合纳米间隙9。
附图标记列表
1 第一衬底
2 第二衬底
3 第一接触面
4 第二接触面
5、5' 储存器
6、6' 储存器形成层
7、7' 反应层
8 生长层
9 纳米间隙
10 反应产物
11 第一曲线
12 第二曲线
13 总和曲线
20、20'、20" 等离子体腔室
21 第一电极
22 第二电极
23 第一发生器
24 第二发生器
25 衬底固持器
26 线圈
27 远程等离子体时的衬底腔室
28 诱导的等离子体
29 直流电压源
A 平均厚度
B 平均距离
f21 第一频率
f22 第二频率
R 平均厚度

Claims (14)

1.一种使第一衬底（1)的第一接触面(3)与第二衬底（2）的第二接触面(4)结合的方法，其中所述第二衬底(2)具有最少一个反应层(7)，所述方法具有以下流程：
-将所述第一衬底（1)和所述第二衬底（2）容纳于等离子体腔室(20、20’、20")中或容纳于连接至等离子体腔室(20、20’、20")的衬底腔室中，其中所述等离子体腔室(20、20'、20")具有至少两个能在不同频率(f2l、f22）下操作以产生等离子体的发生器(23、24)，
-通过将在所述等离子体腔室(20、20'、20")中产生的等离子体施加于所述第一接触面(3)而在该第一接触面(3)上的储存器形成层(6)中形成储存器(5)，
-用第一离析剂或第一组离析剂至少部分填充所述储存器(5)，
-使所述第一接触面(3)与所述第二接触面(4)接触以形成预结合连接，
-通过使所述第一离析剂与所述第二衬底(2）的反应层(7)中所含的第二离析剂进行反应来使至少一个所述接触面变形，至少部分增强所述第一与第二接触面(3，4)之间永久结合的形成。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述不同频率(f2l、f22）中的第一频率(f21)是在1MHz与100MHz之间或所述不同频率(f2l、f22）中的第二频率(f22)是在在10kHz与100MHz之间。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中填在所述储存器(5)中的所述第一离析剂与用于形成所述永久结合的所述第二离析剂反应。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第一离析剂与所述第二离析剂的反应将所述第一与第二接触面(3，4)之间的至少一个间隙至少部分地闭合。
5.一种使第一衬底（1)的第一接触面(3)与第二衬底(2）的第二接触面(4)结合的方法，其中所述第二衬底(2)具有最少一个反应层(7)，所述方法具有以下流程：
-将所述第一衬底（1)和所述第二衬底（2）容纳于电感耦合的等离子体腔室中，
-通过对所述第一接触面(3)施加借助于线圈(26)的电感耦合所产生的等离子体而在所述第一接触面(3)上的储存器形成层(6)中形成储存器(5)，其中在等离子体产生期间在第一发生器(23)上施加不同于第二发生器(24)的第二频率(f22)的第一频率(f21)，
-用第一离析剂或第一组离析剂至少部分填充所述储存器(5)，
-使所述第一接触面（3)与所述第二接触面(4)接触以形成预结合连接，
-通过使所述第一离析剂与所述第二衬底(2)的反应层(7)中所含的第二离析剂进行反应来使至少一个所述接触面变形，至少部分增强所述第一与第二接触面(3，4)之间永久结合的形成。
6.如权利要求1或5所述的方法，其中所述储存器(5)包括孔隙率在纳米范围内的多孔层或具有通道的层，其中通道厚度小于10nm。
7.如权利要求1或5所述的方法，其中至少部分填充所述储存器(5)包括通过用含有第一离析剂的流体冲洗来填充所述储存器，所述第一离析剂包括H2O、H2O2和NH4OH中的至少一种。
8.一种使第一衬底（1)的第一接触面(3)与第二衬底(2)的第二接触面(4)结合的装置，其中所述第二衬底具有最少一个反应层(7)，所述装置具有以下特征：
-结合腔室(27)，
-第一电极(21)及布置在相对侧的第二电极(22)，
-容纳部件，其在所述第一电极(21)与所述第二电极(22)之间用于容纳所述第一衬底（1)和所述第二衬底(2)，
-储存器形成部件，其用于通过对所述第一接触面(3)施加借助于所述第一电极(21)和所述第二电极(22)的电容耦合所产生的等离子体而在所述第一接触面（3）上的储存器形成层(6)中形成储存器(5)，其中在所述等离子体产生期间能在所述第一电极(21)上施加不同于所述第二电极(22)的第二频率(f22)的第一频率(f21)，
-用于使所述第一接触面(3)与所述第二接触面(4)接触以形成预结合连接的部件。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述第一频率(f21)是在1MHz与100MHz之间或所述第二频率(f22)是在在10kHz与100MHz之间。
10.一种使第一衬底（1)的第一接触面(3)与第二衬底(2)的第二接触面（4）结合的装置，其中所述第二衬底(2）具有最少一个反应层(7)，所述装置具有以下特征：
-结合腔室(27)，
-线圈(26)，
-用于容纳所述第一衬底（1)和所述第二衬底(2)的容纳部件，
-储存器形成部件，用于通过对所述第一接触面(3)施加借助于第一和第二发生器的电感耦合所产生的等离子体而在所述第一接触面(3)上的储存器形成层(6)中形成储存器(5)，其中在所述等离子体产生期间能在所述第一发生器(23)上施加不同于所述第二发生器(24)的第二频率(f22)的第一频率(f21)，
-用于使所述第一接触面(3)与所述第二接触面(4)接触以形成预结合连接的部件。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述储存器(5)包括孔隙率在纳米范围内的多孔层或具有通道的层，其中通道厚度小于10nm。
12.如权利要求8或10所述的装置，其中所述装置包括形成储存器的腔室、分开提供的用以填充所述储存器的腔室。
13.一种使第一衬底（1)的第一接触面(3)与第二衬底(2)的第二接触面(4)结合的装置，其中所述第二衬底(2)具有最少一个反应层(7)，所述装置具有以下特征：
-用于产生等离子体的等离子体腔室(20、20'、20")，所述等离子体腔室(20、20'、20”)具有用于产生所述等离子体的至少两个能在不同频率(f21、f22)下操作的发生器(23、24)，
-连接至所述等离子体腔室的结合腔室(27)，
-储存器形成部件，用于通过对所述第一接触面(3)施加在所述等离子体腔室(20、20'、20”)中产生的等离子体而在所述第一接触面(3)上的储存器形成层(6)中形成储存器(5)，
-用于使所述第一接触面(3)与所述第二接触面(4)接触以形成预结合连接的部件。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述装置包括形成储存器的腔室、分开提供的用以填充所述储存器的腔室。
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