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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum großflächigen Direktbinden
von mindestens einem ersten Wafer mit mindesten einem zweiten Wafer
sowie mittels des Verfahrens gebondeten Wafer.
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Das
Direktbinden spiegelpolierter Oberflächen ist eine klebstofffreie
Fügetechnick,
die neue Möglichkeiten
und Freiheitsgrade in der Paarung gleicher oder verschiedener Materialien
erschließt, unabhängig von
ihrer kristallographischen Struktur oder Orientierung, siehe z.
B. die Aufsätze
von Q. -Y. Tong and U. Gösele
in Semiconductor Wafer Bonding: Science and Technology. (Electrochem.
Soc. Series) Wiley, New York 1999 und A. Plößl and G. Kräuter, Mater.
Sci. Eng. Rep. 25, 1 (1999). Technisch etabliert sind Verfahren
zum Bonden von Kristall- oder Glasplatten zur Fertigung von Spezialsubstraten
oder von Bauelementen der Optoelektronik, Mikrosystemtechnik oder
Leistungselektronik.
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Außer hinreichender
Glattheit und Ebenheit ist die Partikelfreiheit der zu fügenden Oberflächen eine
unabdingbare Voraussetzung für
die zuverlässige
Anwendung des Direktbondens. Zum Erzielen der nötigen Partikelfreiheit ohne
Nutzung eines Reinraumlabors existieren verschiedene Verfahren und Gerätschaften,
siehe z. B. den Aufsatz von V. Lehmann, K. Mitani, R. Stengl, T.
Mii und U. Gösele
in Jap. J. Appl. Phys. 28, L2141 (1989).
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Für eine mechanisch
stabile, defektfreie Verbindung ist zudem oft eine von chemischen
Verunreinigungnen, wie etwa Kohlenwasserstoffen, befreite Oberfläche nötig. Eine
Reihe gängiger
Direktbondverfahren jedoch nutzt oberflächliche Beläge, wie sie etwa eine wasserstoffterminierte
Siliziumoberfläche im
Modelfall des sogenannten hydrophoben Direktbondens von Silizium
oder eine Siliziumoxidschicht mit möglicherweise adsorbierten Wasserlagen
im Modellfall des sogenannten hydrophilen Direktbondens von Silizium
darstellt, um eine erste, relativ schwache, reversible Verbindung
herzustellen.
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Diese
anfängliche
Verbindung wird in nachfolgenden Temperschritten verstärkt, indem
es zur Ausbildung starker chemischer Bindungen zwischen den Fügepartnern
kommt. Im Falle des hydrophoben Siliziumdirektbondens setzt die
Erhöhung
der Adhäsion
die innere Desorption des Wasserstoffs voraus; im Falle des hydrophilen
Direktbondens von Silizium können
durch geeignete Prozeßbedingungen
entweder zwischen den oberflächlichen
Oxidschichten die starken chemischen Bindungen geknüpft werden oder,
wenn eine solche Zwischenschicht unerwünscht ist, kann diese durch
Diffusion des Sauerstoffs ins Volumen der Fügepartner aufgelöst werden.
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Das
interne Auflösen
der Oxidschichten bringt wegen der nötigen hohen Temperaturen eine Reihe
von Nachteilen und Einschränkungen
mit sich, gerade für
Fügeverbindungen
mit wenigstens einem Verbindungshalbleiter als Partner: Neben der
Degradation von elektronischen Eigenschaften, Interdiffusion von
Schicht- oder Dotierprofilen, inkongruenter Zersetzung u. ä. begrenzen
vor allem thermomechanische Spannungen als Folge von unterschiedlichem Temperaturverlauf
der thermischen Ausdehnung die Anwendbarkeit der Direktbondverfahren
bei der Integration verschiedener Materialien.
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Daß trotz
dieser Schwierigkeiten praktisch alle Direktbondprozesse mit wenigstens
einem Verbindungshalbleiter auf dem hydrophoben oder dem hydrophilen
Bondverfahren fußen,
liegt hauptsächlich
darin begründet,
daß beim
Tempern in Analogie zum sogenannten "proximity annealing" die Verarmung des Verbindungshalbleiters
an seinem flüchtigeren
Konstituenten in der Nähe
der Fügegrenzfläche unterbunden
wird. Zudem setzen viele dieser Prozesse große mechanische Drücke ein,
von 10–40 kp/cm2 wurde beispielsweise berichtet, was einerseits
leicht strukturelle Schäden
verursachen kann, andererseits die Skalierbarkeit des Verfahrens
auf größere Flächen erschwert.
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Das
Direktbonden von Verbindungshalbleitern untereinander oder mit anderem
Material erfolgt trotz dieser Schwierigkeiten nach dem Stand der Technik
im wesentlichen nach zwei alternativen Verfahren:
- 1.
Bonden ganzer Wafer bis 3 Zoll Durchmesser nach hydrophiler oder
hydrophober naßchemischer
Reinigung unter Reinraum-Bedingungen (siehe
K. Hjort, F. Ericson, J. A. Schweitz, C. Hallin, E. Janzén in J.
Electrochem. Soc. 141, 3242 (1994)) oder unter Mikroreinraumbedingungen (siehe
V. Lehmann, K. Mitani, R. Stengl, T. Mii und U. Gösele in
Jap. J. Appl. Phys. 28, L2141 (1989)) mit anschließendem Tempern
in Wasserstoffgas, nötigenfalls
unter mechanischer Belastung (siehe H. Wada, Y. Ogawa, T. Kamijoh
in Appl. Phys. Lett. 62, 738 (1993)),
- 2. Bonden kleinerer Scheiben bis zu einigen cm2 Fläche, auch
als Stapel, in einer Klemmvorrichtung aus Quarzglas und Graphit
und Aufheizen in Wasserstoffgas oder Formiergas bis etwa 600°C, wobei
die unterschiedliche thermische Ausdehnung der Materialien und eine
einstellbare mechanische Vorspannung eine Preßkraft auf die zu bondenden
Scheiben ausübt.
(siehe Z. L. Liau and D. E. Mull in Appl. Phys. Lett. 56, 737 (1990)).
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Diese
Wege haben zu Demonstrationsobjekten technisch nutzbarer Bauelemente
geführt,
vor allem zu kleinflächigen
Laserdioden und zu Leuchtdioden bis 50 mm Durchmesser. Diese Arbeit
ist beispielsweise im Aufsatz von G. E. Hofler, D. A. Vanderwater,
D. C. DeFevere, F. A. Kish, M. D. Camras, F. M. Steranka, I. -H.
Tan in Appl. Phys. Lett. 69, 803 (1996) beschrieben. Günstig wirkt
sich sicherlich die Diffusion zumindest einer Komponente des Verbindungshalbleiters
aus, z. B. von Indium, weshalb auch der Begriff des "Schweißbondens" (fusion bonding)
verwendet wird (siehe beispielsweise den Aufsatz von M. Imada, T.
Ishibashi, S. Noda: Jap. J. Appl. Phys. 37, 1400 (1998)). Problematisch
ist jedoch das völlige
Entfernen unenerwünschter
Oxid- und Fremdschichten und die ungenügende Homogenität über größere Bondflächen (Blasen,
oft schlechte Bondung im Außenbereich).
Eine Ursache sind zufällig
eingeschlossene Gase und gasförmige
Reaktionsprodukte im Verlauf des Heizens. Daher werden in kritischen Fällen feine
Kanäle
in die zu bondenden Oberflächen geätzt, um
das Entweichen unerwünschter
Stoffe zu erleichtern. Dieses Verfahren ist beispielsweise im Aufsatz
von D. I. Babic, J. E. Bowers, E. L. Hu, L. Yang, K. Carey in Int.
J. High Speed Electron. Syst. 8, 357 (1997) beschrieben.
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Seit
den späten
Achtzigern sind Verbindungshalbleiter an die vielversprechende Technologie
des zu dieser Zeit entstehenden Direkt- oder Schmelzwaferbondens
angepaßt
worden. Heute sind diese Anstrengungen hauptsächlich auf optoelektronische
Anwendungen gerichtet, die III-V-Verbindungswafer
betreffen und die Herstellung von lichtemittierenden Dioden mit
transparentem Substrat (LEDs), vertical-cavity surface emit ting
lasers (VCSELs), second-harmonic generator (SHG), Wellenleiteranordnungen
und Anordnungen zur optischen Kopplung, Stapelkaskadensolarzellen,
Feldeffekttransistoren und – nicht
zu vergessen – Optoelektronik
umfassen, die mit Silizium-Mikroelektronikeinrichtungen integriert
ist. Bis jetzt blieb es jedoch eine Herausforderung, die Herstellung
im großen
Maßstab basierend
auf dem Bonden von ganzen III-V-Verbindungswafern einzurichten.
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Frühe Experimente,
um 2'' und 3'' III-V-Wafer zusammen oder mit 4'' Silizium-Wafer zu bonden, sind in den
Literaturstellen A. Yamada, M. Osa, H. Nagabuchi, M. Kawashirna
in Mater. Lett. 6, 167 (1988), V. Lehmann, K. Mitarü, R. Stengl,
T. Mii, U. Gösele
in Jap. J. Appl. Phys. 28, L2141 (1989), und K. Hjort, F. Ericson,
J. A. Schweitz, C. Hallin, E. Janzén in J. Electrochem. Soc.
141, 3242 (1994) beschrieben. In diesen Experimenten wurde zwar
eine ausreichende Festigkeit der Bondgrenzfläche erzielt, aber die Qualität dieser
Grenzfläche
litt an einer atomaren Störung,
die auf wenige atomare Lagen begrenzt war und insbesondere aus Spuren
von Restoxiden bestand. Um die verschiedenen Oxide aus beispielsweise
Ga und As entfernen zu können,
wurden die Wafer gewöhnlich
naßchemisch
gereinigt, und das vorgebondete Waferpaar wurde in einer H2-Atmosphäre
getempert. Zusätzlich
ist die mechanische Belastung der Wafer zur Verfestigung des anfänglichen
Kontaktes praktiziert worden, oft basierend auf dem experimentellen
Verfahren, das von Yamada et al wie oben angegeben beschrieben wurde.
Als eine erste Anzeige eines direkten Gitterkontaktes wurden Versetzungen
durch TEM von GaAs beobachtet, das nach einem Tempern bei 650°C in H2 unter einer mechanischen Belastung an InP
gebondet wurde, wie beispielsweise in den Literaturstellen Y. H.
Lo, R., Bhat, D. M. Hwang, M. A. Koza, T. P. Lee in Appl. Phys.
Lett 58, 161 (1991), H. Wada, Y. Ogawa, T. Kamijoh in Appl. Phys.
Lett. 62, 738 (1993) näher
beschrieben ist.
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In
diesen Fällen,
die InP betrafen, erschien es, daß zwischen den Kontaktebenen
eine gewisse Rekristallisation durch die thermisch mobile In-Komponente begünstigt wurde,
siehe beispielsweise auch die Aufsätze von M. Imada, T. Ishibashi,
S. Noda in Jap. J. Appl. Phys. 37, 1400 (1998), D. I. Babic, LE.
Bowers, E. L. Hu, L. Yang, K. Carey in Int. J. High Speed Electron.
Syst. 8, 357 (1997)
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Detaillierte
Studien der GaAs-Bondung wurden insbesondere auf die optimale Temper-Temperatur
und die Entfernung von Reaktionsprodukten gerichtet. Es wurde von
K. Hjort, F. Ericson, J. A. Schweitz, C. Hallin, E. Janzén in J.
Electrochem. Soc. 141, 3242 (1994) berichtet, daß obere Grenzen von 700°C eine übermäßige Verdampfung
von As verhindern, die auch dafür
bekannt ist, daß sie
zu einer Umwandlung von halbisolierendem GaAs zu GaAs vom p-Typ
führt,
bis das optische IR-Durchlaßvermögen oberhalb
850°C drastisch
verschlechtert ist, wie in Y. S. Wu, R. S. Feigelson, RX. Route,
D. Zheng, L. A. Gordon, M. M. Fejer, R. L. Byer in J. Electrochem.
Soc. 145, 366 (1998) berichtet wurde. Die gasförmigen Produkte, die während des
Temperns (durch die Reduktion von Oxiden, Zersetzung von Schmutzstoffen,
Ausgasen, etc.) freigegeben werden, stellen eine weitere Herausforderung
dar. Wenn die Gase zwischen den Wafern insbesondere unter mechanischer
Belastung eingeschlossen werden, ist es bekannt, daß Blasen
mit verschiedener Größe in einer
mehr oder weniger zufälligen
Verteilung auftreten. Um diese Grenzflächenblasen zu vermeiden, ist
es üblich,
eine der zu bondenen Oberflächen
mit einem Gitter von Kanälen
zu mustern, die einige μm
breit und um einige 100 μm
getrennt sind. Versuche, H2 durch Formiergas
(10% H2, 90% N2) oder
durch N2 zu ersetzen, bewirkten Schwierigkeiten
bei der Oxidentfernung, wie von B. F. Levine, A. R. Hawkins, S.
Hiu, B. J. Tseng, J. P. Reilley, C. A. King, G. A. Gruezke, R. W.
Johnson, D. R. Zolnowski, J. E. Bowers in Appl. Phys. Lett. 71,
1507 (1997) berichtet, wobei eine ungeordnete Grenzfläche nach dem
Tempern in N2 von K. D. Choquette, K. M.
Geib, B. Roberds, H. Q. Hou, R. D. Twesten, B. E. Hammons: Electron.
Lett. 34, 1404 (1998) und von B. E. Roberds, K. D. Choquette, K.
M. Geib, S. H. Kravitz, R. D. Twesten, S. N. Farrens in Proc IVth
Int. Symp. Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology, and
Applications; Eds. Gösele
U., Baumgart H., Abe H., Hunt C, lyer S. Pennington, NY: Electrochem. Soc.
1998, p. 592–7
berichtet wurde. Zusätzlich
ist es erforderlich, einen niedrigen elektrischen Widerstand von
Bond-Grenzflächen
zu erhalten, die in optoelektronischen Einrichtungen angewandt werden.
LEDs mit niedrigem Widerstand, die durch Bonden von 2'' Wafern aus GaP an epitaxiales AlGaInP
auf GaP hergestellt wurden, wurden durch Ausrichten der kristallographischen
Flachstellen (flats) der Wafer innerhalb einer Genauigkeit von wenigen
Graden erhalten (siehe beispielsweise der Aufsatz von G. E. Hofler,
D. A. Vanderwatet, D. C. DeFevere, F. A. Kish, M. D. Camras, F.
M. Steranka, L-H. Tan in Appl. Phys. Lett. 69, 803 (1996). Im Falle
des In-Ga-As-P-Systems wurden
kristallographisch scharfe Grenzflächen zwischen gebondeten Wafern
mit definierten verschiedenen (100), (110) und (111) Orientierungen
mittels TEM beobachtet, wie von Y. Okuno, K. 1Jonü,' M. Aoki, T. Tsuchiya
in IEEE J. Quant. Eleciron. 33, 959 (1997) berichtet wurde.
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Trotz
dieser detaillierten Einblicke bleibt es eine Herausforderung, eine
hohe Bondqualität gleichförmig über eine
ganze Waferfläche
zu erhalten. Die besten Bondqualitäten – speziell für InP/GaAs,
wo Grenzflächenfehlstellen
vom Verdrehungs-, Neigungs- und Fehl-(misfit)-typ mittels TEM unterschieden
wurden (siehe hierzu G. Patriarche, F. Jeanns, JA. Oudar, F. Glas
in J. Appl. Phys. 82, 4892 (1997)) – werden hauptsächlich mit
kleinen Proben mit einer Fläche
von ca. 1 cm2 erhalten.
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Um
diese Stücke
zu bonden, werden sie gewöhnlich
in einen Graphit-Quarz-Behälter gestapelt, der
zuerst von Liau und Mull (siehe beispielsweise Z. L. Liau and D.
E. Mull: Appl. Phys. Lett. 56, 737 (1990)) verwendet wurde und eine
thermisch gesteigerte Druckkraft während der Temperbehandlung vorsieht.
Jedoch ist weder der Druck noch der Gasaustausch während dieses
Vorganges gut definiert. Ähnliche
Einwände
bestehen beim Bonden und Tempern von ganzen Wafern unter Belastung.
Die von verschiedenen Gruppen veröffentlichten Ergebnisse für das Bonden
von 2'' und 3'' Wafern zeigten selten eine Bondfläche, die
im Hinblick auf das optische IR-Durchlaßvermögen gleichförmig ist. In einem Fall, der
in der Literaturstelle von B. E. Roberds, K. D. Choquette, K. M.
Geib, S. H. Kravitz, R. D. Twesten, S. N. Farrens in Proc IVth Int.
Symp. Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology, and Applications;
Eds. Gösele
U., Baumgart H., Abe H., Hunt C, lyer S. Pennington, NY: Electrochem.
Soc. 1998, p. 592–7,
zitiert ist, verbesserte eine in-situ-Plasmabehandlung während des
anfänglichen
Bondens die Bondfestigkeit eines 2'' GaAs-/4'' Si-Waferpaares, das ohne thermisch
bewirkten Bruch bei bis zu 300°C getempert
werden könnte.
In diesem Fall bleiben Fragen betreffend eines potentiellen elektronischen Schadens
an den Oberflächen
durch Ionen, Elektronen und Photonen des Hochfrequenzplasmas.
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Wie
oben zum Ausdruck gebracht ist, ist Galliumarsenid ein III-IV-Verbindungs-Halbleitermaterial mit
der größten Bedeutung
für optische
und Hochgeschwindigkeitselektronik. Die Fähigkeit, zwei GaAs-Wafer miteinander
oder mit anderen Materialien zu verbinden, würde ein zusätzli ches Maß an Freiheit in der Gestaltung
von optoelektronischen Systemen darstellen und die Flexibilität der Herstellungsverfahren
verbessern. Da "Wafer-Direktbonden" nicht von einem
dritten als Klebstoff wirkenden Material abhängig ist, stellt es eine alternative
Verbindungstechnik da. Bisher wurde Direktbonden von GaAs häufig in
inerten oder reduzierenden Atmosphären bei verhältnismäßig hohen
Temperaturen zwischen 400°C
und 975° C
bis zu 20 Stunden lang durchgeführt,
häufig
unter einer Druckbelastung von bis zu 40 kg/cm2 und
für kleine
Stücke
mit einer Fläche
von näherungsweise
1 cm2.
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Das
Tempern bei hoher Temperatur nach dem Bonden hat den Zweck die Adhäsion zwischen den
Proben zu erhöhen
und irgendwelche eingeschlossenen Oberflächenadsorbate zu entfernen. Dieser
Ansatz geht jedoch oft zu Lasten der Qualität der Zwischenschichten und
der gebondeten Materialien. Aufgrund der thermischen Zersetzung
der Oberflächenadsorbate
können
nämlich
Zwischenschichten aus Gallium- oder Arsenoxid eingeschlossen oder
Blasen gebildet werden. Darüber
hinaus sind die hohen Temperaturen zum Bonden unähnlicher Materialien aufgrund
der fehlenden Übereinstimmung
ihrer thermischen Expansion nicht geeignet. Außerdem führt das Anbringen mechanischer
Belastung zu einer strukturellen Beschädigung und ist insbesondere
schwierig auf den gesamten Wafer zu erstrecken. Großflächiges Wafer-Bonden
ist jedoch eine Notwendigkeit für
im wesentlichen alle praktischen Anwendungen.
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In
der
WO 99/10927 A1 ist
ein Verfahren zum Direktbonden von Wafern in einem Plasma beschrieben,
bei dem die Endreinigung der aneinander zu bondenden Flächen der
Wafer mittels eines Wasser enthaltenden Plasmas erfolgt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzustellen, das
es ermöglicht,
bei gemäßigten Bedingungen
klebstofffreie Bondverbindungen ohne unerwünschte Zwischenschichten zwischen
mindestens einem ersten und einem zweiten, vorzugsweise großflächigem Wafer
bei geringen Temperaturen und ohne die Notwendigkeit, nennenswerte
Drücke
auf die Wafer auszuüben,
herzustellen, wobei der erste und zweite Wafer aus einer Vielzahl von
gleichen oder verschiedenen Materialien bestehen können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine Endreinigung
der aneinander zu bondenden Flächen
der Wafer entweder bei hoher Temperatur durch definierte Einwirkung von
molekularem Wasserstoff oder bei geringer Temperatur durch Einwirkung
von molekularem Wasserstoff bei gleichzeitiger Einstrahlung von
ultraviolettem Licht durchgeführt
wird, daß die
gereinigten Oberflächen
der Wafer erst nach der Endreinigung an einem wählbaren Zeitpunkt des Prozeßablaufs
zum Auslösen
des Bondvorgangs in Kontakt gebracht werden und daß die Temperatur
beim Bonden unabhängig von
der Temperatur der Endreinigung gewählt wird.
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Es
handelt sich bei dem ersten Wafer beispielsweise um eine der nachfolgenden
Materialien bzw. Strukturen:
- a) eine einkristalline
Scheibe
- b) eine polykristalline homogene Scheibe
- c) eine einkristalline Schicht auf einem Substrat oder freitragend
- d) eine polykristalline Schicht auf einem Substrat oder freitragend
- e) ein einkristallines Schichtsystem auf einem Substrat oder
freitragend
- f) ein polykristallines Schichtsystem auf einem Substrat oder
freitragend
- g) ein aus mindestens einer einkristallinen Schicht und mindestens
einer polykristallinen Schicht bestehendes Schichtsystem auf einem
Substrat oder freitragend
- h) eine aus einem Verbindungshalbleiter bestehende oder mit
einem Verbindungshalbleiter beschichtete Scheibe
- i) eine Oxidschicht aufweisende Scheibe bzw. eine Oxidschicht
aufweisendes Schichtsystem oder Schicht gemäß einer der vorgenannten Möglichkeiten,
wobei
der zweite Wafer auch aus den oben erläuterten Materialien bzw. Strukturen
ausgewählt
und gleich oder unterschiedlich vom ersten Wafer sein kann.
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Die
aneinander zu bondenden Oberflächen der
Wafer können
glatt oder so strukturiert sein, daß definierte Teilbereiche gebondet
werden. An der Bondung können
Fremdschichten (Oxide) oder Beläge (Wasserstoff
oder Halogene) beteiligt sein.
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Das
Verfahren ist insbesondere dazu geeignet, Verbindungshalbleitermaterialien
mit gleichem Material, mit anderen Verbindungshalbleitermaterialien,
mit IV-Halbleitermaterialien oder mit Oxiden zu verbinden, wobei
die Struktur der Fügepartner
kristallin oder polykristallin sein kann. Da für das Verfahren die Zusammensetzung
nur in der Nähe
der Fügegrenzflächen, d.
h. die aneinander zu bondenden Flächen, entscheidend ist, ist
es unwesentlich, ob ein Fügepartner
als homogener Körper
oder nur in Form einer Schicht auf einem Substrat beliebiger Natur oder
als Film bzw. als Schichtsystem, das vom ursprünglichen Substrat abgelöst wurde,
vorliegt. Analoges gilt für
den anderen Fügepartner,
d. h. für
den zweiten Wafer, der keinen Verbindungshalbleiter enthalten muß.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
gelingt es, die zu fügenden
Oberflächen
vor dem endgültigen
Kontakt von unerwünschten,
schlecht diffundierenden Oberflächenbedeckungen
zu befreien, wobei die ebenfalls erforderliche Partikelfreiheit durch
die ausgewählten
Maßnahmen
ebenfalls sichergestellt ist.
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Das
Bonden erfolgt in einer Kammer mit definierter Gas- oder in Vakuumatmosphäre, in der
die zu bondenden Oberflächen
zunächst
getrennt sind und zu einem wählbaren
Zeitpunkt und einer in einem weiten Bereich ebenfalls wählbaren
Temperatur in Berührung
gebracht werden. Dabei ist keine mechanische Belastung notwendig,
da sich die Bondung, ausgehend von einer ersten Berührung, spontan
unter Energiegewinn ausbreitet. Eine Belastung kann aber zusätzlich erfolgen.
Nach dem Kontakt kann die Verbindung getempert werden.
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Die
Präparation
der Oberflächen
zum Bonden (einschl. Endreinigung) kann für beide Fügepartner gleich sein oder
auf jeden abgestimmt, sie kann für
jeden Fügepartner
separat durchgeführt
werden oder für
beide zusammen. Diese Präparation
kann in einer separaten Kammer bei geeignetem Gasdruck oder im Vakuum
erfolgen, von der aus ein Transfer zur Bondkammer – auch mit
Zwischenlagerung – erfolgt,
ohne daß damit
eine unerwünschte
Atmosphäre
auf die Oberflächen
einwirkt. Zum Transport können
die Partner auch vorübergehend
reversibel gebondet werden. Die zur Präparation gehörende Endreinigung
kann mit verschiedenen Mitteln, auch kombiniert, erfolgen:
- – Thermisch
in molekularem Wasserstoff oder in Inertgas, oder in einem Gasgemisch
aus beidem. Die Gasatmosphäre
kann geeignete Spezies enthalten, um die Zusammensetzung des Verbindungshalbleitermaterials
zu stabilisieren.
- – Photochemisch
in Wasserstoff, kombiniert mit erhöhter Temperatur,
- – In
atomarem Wasserstoff, mit thermischer oder photochemischer Desorption
der Reaktionsprodukte,
- – Durch
naßchemisches
oder durch Gasphasenätzen
mit nachfolgendem Entfernen der Wasserstoff- oder Halogenterminierung
auf thermischem oder photochemischem Weg.
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Die
Erfindung geht über
den derzeitigen Stand der Technik in folgenden Punkten hinaus:
- a) Der Bondvorgang wird zu einem wählbaren Zeitpunkt
bei in einem weiten Bereich wählbarer Temperatur
in definierter Atmosphäre
ausgelöst, indem
die zuvor getrennten Oberflächen
in gegenseitige Berührung
gebracht werden. Nachteil der bisherigen Technik ist der mechanische
Kontakt vor dem Aufheizen in inerter oder reduzierender Atmosphäre. Dadurch
ist der Einsatz des eigentlichen Bondens zeitlich und thermisch
nicht definiert, und die Austauschvorgänge der Endreinigung müssen in
einem nicht definierten Spalt oder längs bereits gebondeter Anteile
der Grenzfläche
erfolgen. Mikrokanäle
sind erfindungsgemäß nicht
erforderlich.
- b) Mechanische Spannungen als Folge unterschiedlicher thermischer
Ausdehnung gebondeter Partner aus verschiedenem Material lassen
sich minimieren, indem nach der Temperatur der Endreinigung die
Temperatur auf einen mittleren Wert erniedrigt wird, bevor die Partner
in Kontakt gebracht werden. Nötigenfalls
kann vor der endgültigen
Abkühlung
nach dem Bonden die Temperatur erhöht werden, um geforderte Bondfestigkeiten
zu erreichen. Durch diese Aufteilung der Temperaturschritte in unterschiedliche
Richtungen entstehen vom Betrag her kleinere Spannungen als bei üblichen
Verfahren, wo nach dem Bonden nahezu der gesamte Temperaturschritt
oder undefinierte Schritte (im Falle der Quarzglas-Graphit-Halterung
durchlaufen werden.
- c) Der Bondvorgang erfolgt, ausgehend vom Ort der ersten Berührung, spontan
ohne äußere Zusatzkraft,
verursacht durch den Gewinn an Grenzflächenenergie. Daher ist die
Größe der zu
bondenden Fläche
grundsätzlich
nicht begrenzt. Nachteil der bisherigen Technik ist die Anwendung
von äußeren, in
ihrer Flächenverteilung schlecht
definierten Kräften
mittels spezieller Halterungen, wobei Scheibendurchmesser um 1 cm üblich sind
und maximal 3 Zoll bekannt wurden.
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Die
Erfindung erschließt
einen rationellen Weg zur Fertigung großflächiger Bauelemente – bis zur
Größe des gesamten
Wafers – und
zur Massenfertigung kleinerer Bauelemente aus Verbindungshalbleiter-Material.
Zu den Beispielen zählen
großflächige Leuchtdioden
(mit Vorteil hoher Lebensdauer, u. a. für Verkehrsampeln), hocheffektive
Kaskaden-Solarzellen sowie die Massenfertigung üblicher kleinerer Leuchtdioden
und komplizierterer optoelektronischer Bauelemente. Die nach (b)
mögliche
Verringerung thermische Spannungen verbessert die Möglichkeiten
zur Paarung von Silizium und Verbindungshalbleiter-Material, was
den vielseitigen Bemühungen
zur Integration optoelektronischer und mikroelektronischer Bauelemente
entgegenkommt.
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Besonders
bevorzugte Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung umfaßt
aber auch aneinander gebondete Wafer, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
aneinander gebondet wurden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher
erläutert
anhand von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen, die zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für das direkte
Waferbonden zweier einander gegenüberstehender Wafer,
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2 eine
Draufsicht in Pfeilrichtung auf die Vorrichtung der 1,
jedoch ohne Vakuumkammer,
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3 eine
Darstellung eines Teils der Vorrichtung der 2 zur Durchführung einer
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
unter Anwendung einer ultravioletten Lichtquelle,
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4 eine
Vorrichtung ähnlich
der 3, jedoch modifiziert, um das gleichzeitige Bonden
von mehreren, gestapelten Wafern zu zeigen,
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5A und 5B Infrarot-Transmissions-Bilder
eines 3-Zoll-Waferpaares, wobei
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5A das
Infrarot-Transmissions-Bild vor der anfänglichen Trennung der ursprünglich aneinander
gelegten Wafer und
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5B das
Infrarot-Transmissions-Bild nach dem Bonden der beiden Wafer zeigt,
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6 die
Grenzflächen-Trennungsenergie der
gebondeten Wafer gemäß 5B nach
dem DCB-Verfahren gemessen,
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7A bis 7C Draufsicht
auf TEM-Bilder der Grenzfläche
zweier aneinander gebondeter Wafer, die unter drei verschiedenen
Bedingungen I, II, III gereinigt wurden,
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8 HREM-Bilder der gleichen Grenzflächen, wie
in den 7A bis 7C gezeigt,
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9 eine
Tabelle mit Angaben zu verschiedenen Reinigungs- und Bondingbedingungen,
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10 IR-Durchstrahlungsbild
eines gebondeten 4'' GaAs-Waferpaares
unter dem Klingeneinsetztest.
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11A und, 11B Draufsicht-TEM
der Bondgrenzfläche
eines 3-Inch GaAs-Waferpaares: (A)
Unterfokuskontrast von Mikroporen (hell), (b) Beugungskontrast des
Kreuzgitters von Schraubenversetzungen.
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12A bis 12C TEM
von 3-Inch GaAs-Wafern, die bei niedrigen Verdrehungswinkeln gebondet
sind, wobei 12A eine Draufsicht des Kreuzgitters
von Versetzungen entsprechend einem Verdrehungswinkel von 4,6°, 12B die Elektronenbeugung bei Durchstrahlung senkrecht
zur Bondebene (entlang der Zonenachse [100]) bei einer Verdrehung
von 6°,
und 12C die Querschnitts-Abbildung
an der Grenzfläche
der Probe zeigt,
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13 IR-Durchstrahlungsbild
eines gebondeten 3-Inch GaAs-Waferpaares
innerhalb des UHV-Systems.
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14 Querschnitt-TEM
der Bondgrenzfläche
der UHV-gebondeten GaAs-Wafer.
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15A und 15B Querschnitt-TEM
eines durchstrahlten GaAs/InGaP/GaAs-Films, wobei 15A eine Übersicht
und 15B Gitterabbildung der Bondgrenzfläche zeigt,
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16 Draufsicht-TEM
der Bondgrenzfläche
von UHV-gebondeten GaAs-Wafern.
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17A und 17B Poren
infolge einer Wärmebehandlung
nach dem UHV-Bonden von GaAs-Wafern, wobei 17A eine
Querschnitt-TEM-Gitterabbildung und 17B eine Draufsicht-TEM
mit Beugungskontrast der Versetzungen und Fresnel-Kontrast von Poren
zeigt.
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1 zeigt
in hochschematischer Form eine Vorrichtung, die zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendet werden kann. Die Vorrichtung 10 der 1 besteht
aus einer Vakuumkammer 12, deren unteres Ende 14 zur
Erzeugung eines gewünschten
Unterdrucks in der Vakuumkammer 12 an einem nicht gezeigten
Unterdruckerzeuger angeschlossen werden kann. Das obere Ende 16 der
Vakuumkammer ist als Zufuhrstütze
für ein
Gas oder für mehrere
Gase ausgebildet. Beispielsweise kann Wasserstoff durch die Stütze 16 in
die Vakuumkammer 12 eingeführt und aus der Ausgangsöffnung 14 strömen. Hierdurch
kann die Vakuumkammer ausgespült
werden, so daß nur
noch Wasserstoff in der Vakuumkammer 12 enthalten ist.
Durch Anschließen der
Vakuumpumpe an die Ausgangsstütze 14 kann dann
der erwünschte
Unterdruck in der Va kuumkammer erzeugt werden. In der Vakuumkammer 12 ist eine
Vorrichtung 18 enthalten (siehe hierzu auch 2),
die zur Aufnahme zweier, aneinander zu bondenden Wafer, nämlich ein
erster Wafer 20 und ein zweiter Wafer 22, ausgebildet
ist. Der Wafer 20 berührt
einen Graphitheizer 24, während der Wafer 22 einem
weiteren Graphitheizer 26 berührt.
-
Wie
in 2 ersichtlich, sind die zwei Wafer 20, 22 zunächst in
einem Abstand voneinander positioniert und zwar durch zwei Keile 28 und 30,
die entsprechend dem Doppelpfeil 32 durch Gewindespindel 34, 36 aufeinander
zu und voneinander wegbewegbar sind. Jede Gewindespindel 34 und 36 hat
an einem Ende ein Linksgewinde und am anderen Ende ein Rechtsgewinde.
Jede Gewindespindel ist von einem eigenen Motor 38, 40 antreibbar,
wobei miteinander synchronisierte Schrittmotoren 38, 40 Verwendung
finden und in an sich bekannter Weise der eine Motor als Mastermotor
und der andere Motor als Slavemotor ausgeführt sein können.
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Jeder
Keil 28 bzw. 30 ist über zwei Stangen 42, 44 bzw. 46, 48 mit
jeweiligen Mutterelementen 50, 52 bzw. 54, 56 gekoppelt,
die auf zugeordneten Abschnitten der Gewindespindel 34 und 36 angeordnet
sind, so daß eine
Drehbewegung der jeweiligen Spindel 34 und 36 zur
erwünschten
traversierenden Bewegung der Mutterelemente und somit der Keile 28 bzw. 30 entsprechend
dem Pfeil 32 führt.
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In
der Mitte der Gewindespindel 34 und 36 sind auf
entgegengesetzten Seiten der Heizer 24 und 26 federbelastete
Kolben-in-Zylinder-Anordnungen 27, 29 vorgesehen,
aufgrund derer die zwei Wafer 20, 22 leicht aufeinander
zu vorgespannt sind.
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Die
zwei Wafer 20, 22 haben jeweils eine Abflachung 60,
wobei nur die Abflachung 60 der ersten Scheibe 20 in 1 gezeigt
ist. Diese Abflachung liegt in der Ebene der Bodenplatte 58 der
Vorrichtung 18. Diese Abflachung bestimmt die kristallmäßige Orientierung
des jeweiligen Wafers 20 bzw. 22. Die Bezugszeichen 62 und 64 weisen
auf zwei senkrecht stehende Platten hin, die an der Bodenplatte 58 rechtwinklig
angebracht sind und welche die Lagerung für die Gewindespindel 34 und 36 bzw.
die Motoren 38 und 40 tragen.
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Die
Vorrichtung der 1 und 2 ist in erster
Linie zur Endreinigung und zum Bonden der beiden Wafer 20 und 22 ausgelegt,
wobei das eigentliche Verfahren in verschiedenen Varianten nachfolgend
näher erläutert wird.
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3 zeigt,
daß die
Keile 28 und 30 auch mit Kanälen 70, 72, 74, 76, 78 und 80 versehen
werden können,
die zur Einführung
von Wasserstoff in den Raum zwischen den einander gegenüberliegenden Wafern 20 und 22 benutzt
werden können,
wobei der Wasserstoff, beispielsweise atomarer Wasserstoff, über die
Zuführleitungen 82 und 84 den
jeweiligen Kanälen 70, 72, 74 bzw. 76, 78, 80 zugeführt wird.
-
Das
Teil 86, das in 3 ersichtlich ist, stellt eine
UV-Lampe dar, von der nur ein Abschnitt gezeigt ist. Diese Lampe
ist oberhalb der einander gegenüberliegenden
Wafer 20, 22 angeordnet und bestrahlt die beiden
Wafer mit ultraviolettem Licht.
-
4 zeigt
schließlich
eine Abwandlung, durch welche ein Stapel von Wafern 20, 22 und 88 endgereinigt
und schließlich
aneinander gebondet werden können.
Zu dieser Zeit sind für
jede zwei benachbarten Wafer 20, 88 bzw. 88, 22 jeweils
zwei Keile 28a, 30a bzw. 28b, 30b vorgesehen.
-
Obwohl 4 lediglich
drei Wafer zeigt, ist es ohne weiteres möglich, den Stapel durch weitere Wafer
und Keile zu ergänzen.
-
Es
soll darauf hingewiesen werden, daß die bisher beschriebenen
Vorrichtungen lediglich beschrieben wurden, um das Verständnis der
nachfolgenden Verfahrensbeschreibung zu erleichtern. In der Praxis
können
die verwendeten Vorrichtungen ganz anders realisiert werden, z.
B. ist es nicht zwingend erforderlich, Wasserstoffgas über die
Keilelemente 28 und 30 dem Raum zwischen den einander gegenüberliegenden
Wafern zuzuführen,
sondern diese Zuführung
kann über
feine Rohre oder Kapillaren getrennt von den Keilen erfolgen.
-
Beispiel I:
-
Die
Bondung erfolgt hier in einer Quarzglasapparatur analog zu 1 und 2.
Das Quarzglasgefäß 12 ist
gegen Verunreinigungen abgedichtet und wird von hochreinem Wasserstoffgas
durch die Zufuhrstütze 16 durchspült und beispielsweise von
Infrarotstrahlen auf die erforderliche Temperatur erhitzt. Damit
entfallen die Heizelemente 24 und 26. Die zu bondenden
Gegenstände,
d. h. die zwei Wafer 20 bzw. 22, befinden sich
zunächst
in einem geometrischem Abstand im Millimeterbereich. Zur Endreinigung
der Wafer wird die Temperatur im Verlauf von 2 Stunden bis auf etwa
600°C – je nach
Material der Wafer 20 bzw. 22 – erhöht und für 1 Stunde bei dieser Temperatur
gehalten.
-
Um
bei geringeren Temperaturen zu reinigen, kann zusätzlich ultraviolettes
Licht auf die zu bondenden Oberflächen der Wafer 20 bzw. 22 gerichtet
werden, und zwar unter Anwendung einer ultravioletten Lichtquelle,
wie 86 in 3.
-
Zum
Auslösen
des Bondvorgangs werden die Abstandshalter, beispielsweise in Form
der Keile 28 bzw. 30, entfernt, beispielsweise
durch entsprechende Drehung der Gewindespindel 34 und 36 mittels
der Motoren 38 und 40, so daß die zu bondenden Oberflächen der
Wafer 20 bzw. 22 aufgrund des Drucks der Schraubenfeder
in Berührung
kommen. Sobald eine leichte Berührung
erfolgt ist, entsteht eine vollflächige Verbindung der beiden
Wafer aneinander. Scheibenförmige
Objekte können
auch im Stapel gebondet werden, beispielsweise unter Anwendung einer
Vorrichtung wie in 4 dargestellt.
-
Beispiel II:
-
Auch
bei diesem Beispiel erfolgt die Bondung mechanisch auf analoge Weise,
jedoch hier in einer Ultrahochvakuum Apparatur. Das heißt, die
Vakuumkammer 12 ist hier als Ultrahochvakuumkammer ausgebildet.
Zur Endreinigung der beiden Wafer 20 bzw. 22 wird
in diesem Fall atomarer Wasserstoff als Gasstrahl gegen die zu bondenden
Oberflächen der
Wafer 20 bzw. 22 gerichtet, während diese beispielsweise
unter Anwendung der Infrarotstrahlen 66, 68 auf
400 bis 500°C
erwärmt
werden. Die Wasserstoffzufuhr kann beispielsweise unter Anwendung der
mit den Kanälen 70, 72, 74 und 76, 78, 80 versehenen
Keile 28 bzw. 30 der 3 erfolgen.
Der Bondvorgang kann unmittelbar nach dieser Endreinigung durch
Entfernen der Keile und Aneinanderdrücken der erwärmten Wafer
mittels der gefederten Kolben in Zylinderanordnungen 27, 29 erfolgen
oder die Temperatur kann herabgesetzt werden und der Bondvorgang
noch im Ultrahochvakuum in der Vakuumkammer 12 ausgelöst werden.
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Die
zu verbindenden Scheiben werden hier einzeln nacheinander oder parallel
in einem geeigneten Behältnis
zum Bonden aktiviert, indem chemieabsorbierte oder physisorbierte
Oberflächenschichten, die
eine unmittelbare chemische Reaktion zwischen den Fügepartnern,
d. h. den aneinander zu bondenen Oberflächen der beiden Wafer 20 bzw. 22,
behindern, entfernt werden. Die Reinigung kann im Ultrahochvakuum
oder bei höheren
Drücken
erfolgen. Die Scheiben können
dabei erwärmt
oder mit UV-Licht bestrahlt werden, um die Desorption der Reaktionsprodukte
zu ermöglichen.
Zum Verbinden der Materialien werden bei einer unabhängig von
der Reinigungstemperatur wählbaren
Temperatur die Fügepartner
in Kontakt gebracht. Die Fügetemperatur kann
geringer als Raumtemperatur sein. Die Fügeatmosphäre kann ein beliebiges inertes
Gas hoher Reinheit sein.
-
Beispiel III:
-
Beim
Fügen unterschiedlicher
Materialien können
unterschiedliche Verfahren für
die jeweiligen Materialien gewählt
werden. So kann beispielsweise eine mit einer III-V-Verbindung beschichtete
Scheibe 22 mit atomarem Wasserstoff von passivierenden Adsorbaten
wie einer Oxidschicht befreit werden, wie zuvor im Zusammenhang
mit Beispiel 2 beschrieben. Der andere Fügepartner, beispielsweise die
Scheibe 22 mit einer dem Wafer 22 gegenüberliegenden Oberfläche aus
Silizium, kann in einem separaten Prozeß thermisch von einer passivierenden
Oxidschicht, eventuell unter Zuhilfenahme von atomarem Wasserstoff,
befreit werden. Die so präparierten Scheiben
werden anschließend
in einer Inertatmosphäre,
die auch ein Vakuum sein kann, bei einer wählbaren Temperatur in Kontakt
gebracht, wobei diese wählbare
Temperatur ganz unterschiedlich von den bei der Reinigung der einzelnen
Wafer herrschenden Temperatur insbesondere deutlich niedriger als
diese gewählt
werden.
-
Alternativ
kann die passivierende Oxidschicht des Gruppe IV-Partners, d. h.
der Siliziumscheibe 22, chemisch, etwa durch HF, entfernt
und durch eine Wasserstoffterminierung substituiert werden. Diese
Wasserstoffpassivierung kann anschließend thermisch oder photochemisch
entfernt werden. Das chemische Entfernen der Oxidschicht kann vor
dem Einbringen der Scheiben in die Apparatur erfolgen oder in der
Apparatur. Die Entfernung der Wasserstoffpassivierung kann parallel
zur Oxidentfernung erfolgen oder separat.
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Zum
Verbinden von Galliumarsenid- oder Indiumphosphidoberflächen mit
Siliziumoberflächen kann
beispielsweise folgende Sequenz Anwendung finden. Beide Fügepartner
stehen in diesem Beispiel einander gegenüber. Die Siliziumoberfläche ist
mit Wasserstoff aufgrund der chemischen Entfernung des Oxids terminiert.
Die Gallimarsenid- oder die Indiumphosphidoberfläche sind mit einer Oberflächenoxidschicht
(plus adsobierten Wassers und anderer Adsorbate) bedeckt. Thermisch
erzeugter atomarer Wasserstoff wirkt in einer Vakuumkammer auf die
zu fügenden
Oberflächen
ein. Die Temperatur beider Scheiben ist dabei so eingestellt, daß die Reaktionsprodukte
von der Verbindungshalbleiteroberfläche desorbieren können, die
Wasserstoffterminierung der Siliziumoberfläche aber erhalten bleibt. Danach kann,
ohne wesentliches Einwirken atomaren Wasserstoffs, bei höherer Temperatur
die Wasserstoffterminierung von Silizium desorbiert werden. Die
Fügepartner
können
sofort, bei geringerer Temperatur, oder in einer anderen Atmosphäre bei einem
anderen Gasdruck in Kontakt gebracht werden.
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Beispiel IV:
-
Beim
Fügen unterschiedlicher
Materialien, etwa einer III-V-Verbindung und einer IV-Verbindung, können beide
Materialien in einem geeigneten Gefäß, etwa einer Vakuumkammer,
die gleiche Behandlung erfahren. Die IV-Oberfläche wurde vorher mit Wasserstoff
terminiert, etwa durch Ätzen
in HF-haltigem Gas oder Flüssigkeit.
In dem Gefäß wird bei
einer Temperatur unter der Desorptionstemperatur der Wasserstoffterminierung
der IV-Oberfläche
die III-V-Oberfläche
mit atomarem Wasserstoff gereinigt.
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Nach
Entfernen der Oxidpassivierung wird die Temperatur erhöht, um die
Wasserstoffpassivierung der IV-Oberfläche zu entfernen. Bei einer
wählbaren
Temperatur, etwa Zimmertemperatur, werden die Fügepartner in einer Inertatmosphäre, die
auch ein Vakuum sein kann, in Kontakt gebracht.
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Beispiel V:
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Es
wurden 2 und 3 Inch-große
LEC-gewachsene halbisolierende GaAs (001)-Wafer mit "epi-fertiger" Oberfläche verwendet,
die von der Freiberger Compound Materials GmbH hergestellt wurden.
Als erster schützender
Schritt wurden die Wafer unmittelbar nach dem Auspacken in einem
Reinraum Vorderseite an Vorderseite zusammengebracht, um sie reversibel
zu bonden. Dieses Konzept ist im Aufsatz von V. Lehmann, U. Gösele, K.
Mitani in "Solid
State Technology",
Vol. 33 (4) 91 (1990) beschrieben. Dieser Schritt hat den Zweck,
das Eindringen von Partikel während
der Behandlung an Luft bis zum Einsetzen in das UHV-System zu vermeiden.
Es wird keinerlei naßchemische
Reinigung durchgeführt.
Das Waferpaar wird vertikal in das UHV-System mit einem Untergrunddruck
von weniger als 666 × 10–11 Pa (5 × 10–11 Torr)
eingeführt,
und durch ca. 1,5 cm lange, scharfe Klingen voneinander getrennt.
Anschließend
werden die Wafer von beiden Seiten zunächst auf eine Temperatur von
400°C erhitzt.
Nachdem die Abnahme des von den Wafern desorbierten Wassers und
der Kontaminationen durch ein Massenspektrometer bestätigt ist,
typischerweise nach 10–15
Minuten, wird bei bestimmten Temperaturen, wie unten erwähnt (siehe
auch die Tabelle in 9), ein Strahl atomaren Wasserstoffs
in die Öffnung
zwischen die beiden Wafer gerichtet.
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Der
Strahl aus atomaren Wasserstoff wird durch Zuführen von Wasserstoffgas durch
eine Tantalkapillare erzeugt, die durch Elektronenbombardment auf
2100 K erhitzt wird. Dieses Verfahren ist in den Literaturstellen
U. Bischler und E. Bertel, J. Vac. Sci. Technol. A 11 (2), 458 (1993),
C. Eibl, G. Lackner und A. Winkler, J. Vac. Sci. Technol. A 16 (5)
2979 (1998) und K. G. Tschersich und V. von Bonin, J. Appl. Phys.
84, 4065 (1998) beschrieben. Die Temperatur der Kapillare wird durch
ein Pyrometer gemessen. Während
des Reinigungsverfahrens wird die Wasserstoffflußrate derart gesteuert, daß der Druck
der Atmosphäre
von 1,33 × 10–6 Pa
erhalten bleibt. In diesem Fall wurde die Zersetzungseffizienz des
Wasserstoffs nicht gemessen, wird aber in den zwei zuletzt genannten
Literaturstellen bei einem ähnlichen System
im Detail untersucht.
-
Die
Verläufe
des Reinigens und des Bondens sind in der Tabelle der 9 aufgelistet.
Die Waferoberfläche
wird zunächst
für 30
Minuten bei 400°C
und für
die nächsten
30 Minuten bei 500°C
(I und II) oder nur für
30 Minuten bei 400°C
(III) gereinigt. Für
die Bedingung (I) werden die Wafer unmittelbar nach der Oberflächenreinigung
miteinander in Kontakt gebracht, typischerweise innerhalb einer
Minute, wogegen bei (II) und (III) das Bonden durchgeführt wird,
nachdem die Temperatur auf 150°C
abgenommen hat, d. h. nach ca. 15 Minuten. Die Wafer werden dann
mittels Führungsstangen
von beiden Seiten behutsam miteinander in Kontakt gebracht. Vor
dem Bonden werden die [110]-Richtungen der beiden Wafer unter Verwendung
der Orientierungsflächen
der Wafer parallel ausgerichtet. Deshalb liegt die Ausrichtungsgenauigkeit
innerhalb +/–1,0° von dem
Fehler in der kristallographischen Orientierung der Waferflächen. Es
wird kein größerer Belastungsdruck
ausgeübt
als derjenige, der ausreichend ist, um die Wafer zu bewegen bis
diese einander berühren. Zum
Vergleich wurde die Wärmebehandlung
in zwei weiteren Verläufen
bei einer Temperatur von 400°C durchgeführt: (IV)
in einer H2-Atmosphäre mit dem gleichen Gesamtdruck
von 1,33 × 10–6 Pa
(1,0 × 10–6 Torr)
für 30
Minuten und (V) in UHV ohne Einleitung H2.
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Die
Grenzschichten wurden durch Infrarot-Transmissionsbilder, Doppeltragarm
(DCB)-Test und Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) (JEOL 4000EX
und Philips CM20T) analysiert. TEM-Proben wurden aus dem zentralen
Teil der gebondeten Bereiche entnommen.
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Die
erreichten Ergebnisse bei diesem Beispiel werden nunmehr unter Bezugnahme
auf die 5 bis 9 näher erläutert.
-
Die 5A und 5B zeigen
typische Infrarotbilder in situ, die vor dem Trennen der vorgebondeten
Wafer (5A) und nach dem UHV-Bonden,
nachdem die Oberfläche
mit Wasserstoffradikalen gesäubert
wurde (5B), aufgenommen wurden. In
allen diesen Fällen
war das Bonden erfolgreich. Das Bonden der Wafer 20, 22 erfolgte
nahezu über
die gesamte Waferfläche
so schnell, daß das Voranschreiten
der Front des Bondens nicht unter Verwendung der Infrarotkamera
verfolgt werden konnte. Die erste Kontaktstelle der Wafer sollte
entweder in der Mitte sein, wo die Führungsstangen angreifen, um
den Kontakt einzuleiten, oder irgendwo an der Kante des Wafers.
In jedem Fall erfolgt das Bonden sich spontan von der Kontaktstelle über den Waferbereich
ausbreitend. Selbst wenn die Wa fer an der Einleitungsstelle behutsam
gegeneinander gepreßt
werden, wird der weitaus größere Teil
des Waferbereichs ohne jede Druckbelastung gebondet. Daraus kann
geschlossen werden, daß die
Wafer praktisch ohne Aufbringen einer Druckbelastung gebondet werden
können.
Außerdem
wird das Bonden über
den gesamten Wafer bis zur Waferkante erfolgreich durchgeführt. Vor
dem Trennen des Waferpaares, das zum Schutz schwach vorgebondet
wurde, waren mindestens drei Fehlstellen 90 zu sehen (5A).
Die Ursache für
diese Fehlstellen können Partikel
auf der Waferoberfläche
sein. Nach dem UHV-Bonden sind zwei der drei Fehlstellen verschwunden;
es wurden keine weiteren makroskopische Defekte gefunden.
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Die
Stärke
des Bondens wurde durch den Doppeltragarm(DCB)-Test gemessen, während die Oberflächenenergie
aus der Cracklänge
an jeder Stelle berechnet wird, während die Klinge sukzessive in
die Zwischenebene eingeführt
wird (2). Die Oberflächenenergie, γ, wird unter
Verwendung der folgenden Formel berechnet. γ = 3Etw 3tb 2/32L4
-
Wobei
E der Elastizitäts-Modul
von GaAs, tw die Waferdicke, tb die
Dicke der Klinge und L die Cracklänge an jeder Position der Klinge
ist. 6 zeigt die Ergebnisse der Verläufe II und
III. Die Oberflächenenergie
wurde auf 0,7–1,0
J/m2 bestimmt, welche vergleichbar ist mit
derjenigen für
einen Bruch, nämlich
0,9 J/m2 (siehe hierzu C. Messmer und J.
C. Bilello in J. Appl. Phys., 52, 4623 (1981)). Die Ergebnisse des
Verlaufes II zeigen einen Fehler von ca. 0,2 J/m2.
Selbst bei dem Verlauf III wurde eine große Bondstärke erzielt. Dadurch garantiert das
Reinigen mit Wasserstoff star kes chemisches Bonden an der Grenzfläche, die
für die üblichen
Anwendungen ausreicht.
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Die
Bedingungen IV (Tempern in molekularem Wasserstoff) und V (Tempern
in Vakuum) zeigen eindeutig die Wichtigkeit atomaren Wasserstoffs: Weder
die Behandlung (IV) noch (V) führen
zu kovalentem Bonden. Tatsächlich
hafteten bei beiden Behandlungen die Wafer überhaupt nicht aneinander. Im
Hinblick auf die für
das Bonden zum Schutz ausgenutzte Anfangsadhäsion erscheint das Fehlen der Adhäsion nach
dem Tempern überraschend.
Es kann jedoch sicher angenommen werden, daß die Wasserstoffbrücken zwischen
den auf der Oberflächenoxidschicht
absorbierten Wassermolekülen
die Anfangsadhäsion
vermitteln. Die Desorbtion der Wasserschicht ohne die Reduktion
der Oberflächenoxide durch
atomaren Wasserstoff bedeutet, daß die Wafer nur über die
Van-der-Waals-Kräfte
aneinander haften können,
einer Wechselwirkung, die viel geringer ist als das Wasserstoffbonden.
In dem Fall dieser schwachen Wechselwirkung ist das γ eher für das vorliegende
Experiment entwickelten Wafer zu groß, um eine Adhäsion zuzulassen.
Diese Experimente definieren eindeutig eine niedrigere Grenze für die Temperatur
zum herkömmlichen
Bonden von oxidbeschichteten GaAs-Wafern.
-
Es
werden nunmehr zwei weitere Beispiele zum Bonden von ganzen Werfern
in situ beschrieben: Bei dem Beispiel VI handelt es sich kurz gesagt um
das Heißbonden
in Gasumgebung: zwei Wafer, die durch Abstandshalter getrennt waren,
werden in einer H2- oder Inertgasatmosphäre erhitzt,
in der sie dann in situ gebondet und bei einer definierten Temperatur
getempert werden. Bei dem Beispiel VII geht es um das UHV-Bonden:
Die Wafer werden in einer UHV-Vorrichtung bei verschiedenen Temperaturen gebondet,
nachdem die Waferoberflächen
durch Anwendung von atomarem Wasserstoff gereinigt worden sind.
-
Beide
Beispiele VI und VII ermöglichen,
daß die
Oberflächenreinigungsreaktionen
anstelle innerhalb des Spaltes von vorgebondeten Wafern in einer offenen,
gut definierten Umgebung ausgeführt
werden können.
Es wird weder eine großflächige mechanische
Belastung noch eine Kanalmusterung der Oberflächen angewandt. Alle Wafer
mit einem Durchmesser von 2, 3 und 4 Inch (und einer jeweiligen
Dicke von 500, 600 und 625 μm),
die für
die Bondexperimente verwendet wurden, waren LEC-aufgewachsene, undotierte, halbisolierende,
polierte GaAs-(001)-Wafer mit Epitaxiequalität, die durch die Fa. Freiberger
Compound Materials GmbH hergestellt wurden. Die Transmissionselektronenmikroskopie
(TEM) wurde umfassend dazu verwendet, Einzelheiten der Bondgrenzfläche zu studieren.
Durch Brechen, Sägen,
Polieren und schließlich
Ionenstrahlabdünnung
wurden Schnitte hergestellt, die unter 90° oder 25° zu dieser Grenzfläche geneigt
waren.
-
Beispiel VI: Heißbonden in Gasumgebung
-
Alle
Arbeiten bei diesem Versuch wurden in einem Reinraum ausgeführt. Es
wurden kristallographische Verdrehungswinkel von ca. 0 bis 5° und 45° zwischen
den Wafern (spiegelbildlich flächig
zueinander angeordnet) dazu verwendet. Die Wafer, deren zu bondende
Oberflächen
1 bis 2 mm getrennt waren, wurden auf Trägern aus Quarzglas innerhalb
des aus Quarzglas bestehenden Zylinders angeordnet, der mit Gasleitungen
für N2, Ar oder H2 eines
herkömmlichen
Ofens verbunden war. Der Bondprozeß konnte bei einer voreingestellten
Temperatur durch Zurückziehen
der Abstandshalter ohne Anlegen einer großflächigen Belastung in situ eingelei tet
werden. Ein typischer Ablauf wurde in drei Schritten ausgeführt: (i)
Vorerhitzen auf 580 bis 620°C
in einer H2-Atmosphäre, um flüchtige Schmutzstoffe und verschiedene
Oxide zu entfernen, die gewöhnlich
auf den Oberflächen
vorliegen, (ii) Einleiten des Bondens bei dieser Temperatur, (iii)
Tempern bei der gleichen Temperatur für 1 bis 3 h in einer H2- oder
Ar-Atmosphäre.
-
Die
erzielte Bondqualität
wurde grob mittels Infrarot-(IR)-Durchstrahlungsabbildung überprüft. Gewöhnlich wurde
eine gleichförmige
Helligkeit über die
gesamte Waferfläche
ohne Blasen beobachtet. 10 zeigt
ein Beispiel eines 4'' GaAs-Waferpaars, wie
es dem Rißöffnungstest
zur Messung der Bondgrenzflächenenergie
unterzogen wird. Dieses Verfahren ist von W. P. Maszara, G. Goetz,
A. Caviglia, J. B. McKitterick: J. Appl. Phys. 64, 4943 (1988) unter Einsetzen
einer 230 μm
dicken Klinge beschrieben. Diese Probe wurde in H2 auf
bis zu 500°C
für 30' erhitzt, bei 400°C gebondet
und für
2 h getempert, wobei eine angenäherte
Grenzflächenenergie
von 0,74 Jm–2 bewirkt
wurde. Höhere
Energien – wenn
der Waferrand beim Einsetzen der Klinge brach – wurden routinemäßig durch
nachfolgendes Tempern in Luft (beispielsweise 60 min bei 400°C oder 30
min bei 600°C),
wie auch durch Bonden und Tempern in H2 bei
ca. 600°C
erreicht. Unter diesen Bedingungen konnte das gebondete Waferpaar
in Stücke
mit einer Größe von einigen
mm ohne irgendein Anzeichen einer Auftrennung der gebondeten Stellen
gespalten werden.
-
Nur
in frühen
Experimenten wurde eine deutlich amorphe dünne Grenzflächenlage mit einer Dicke von
etwa 1 nm mittels Schnitt-TEM gefunden. Diese Lage trat meistens
in dem Fall einer unzureichenden Vorerhitzung in H2 auf.
Wenn dünnere,
diskontinuierliche Lagen erzielt wurden, wurde mittels der FELS-Mikroanalyse
eine lokale Sauerstoffanreicherung gefun den. Überdies wurden Mikroblasen oder "Poren" mit einem Durchmesser
von ca. 5 bis 50 nm bzw. Flächendichten
von ca. 109 bis 1011 cm–2 in verschiedenen
Fällen
sowohl mit als auch ohne den Nachweis einer amorphen Lage detektiert.
Der letztgenannte Fall ist in 11 demonstriert,
wobei 11A und 11B aus
nahezu dem gleichen Probenbereich, aber unter verschiedenen Abbildungszuständen genommen
wurden. 11A ist aus dynamischen Beugungszuständen bei
einem geringfügigen
Unterfokus aufgenommen, so daß der
Fresnel-Kontrast die Mikroblasen freigibt, die hell mit einem dunklen
Rand erscheinen. 11B ist näher den dynamischen Zuständen genommen,
um das Netz von Schraubenversetzungen abzubilden, die für eine verdrehungsgebondete
Grenzfläche
typisch sind und den direkten Gitterkontakt zwischen den Wafern
zeigen. Hierzu wird auf die Literaturstellen G. Patriarche, F. Jeanns,
JA. Oudar, F. Glas in J. Appl. Phys. 82, 4892 (1997) und H. Föll and D.
Ast: Phil. Mag. A 40, 589 (1979) verwiesen. Gemäß der Skala von 11A und 11B ist
die Maschengröße des Netzes
größer als
die mittlere Größe der Blasen.
Daher können
Blasen übersehen
werden, wenn sie nicht richtig abgebildet sind. Während des
nachfolgenden Temperns wurde eine Reifung der Mikroblasen (Erhöhung ihrer
Größe bei Verminderung
der Anzahl) beobachtet, wie es ähnlicherweise
von Scholz et al. berichtet wurde; aber die Blasen verschwanden auch
in manchen Fällen.
Proben, die in H2 erhitzt, aber nachfolgend
in Ar gebondet oder getempert wurden, enthielten häufiger Grenzflächenmikroblasen.
Daher erscheint es vorteilhaft, während des Bondens und Temperns
die H2 Atmosphäre beizubehalten. Auch zeigten
Wafer mit einem Durchmesser von 2 Inch häufiger Mikroblasen als Wafer
mit einem Durchmesser von 3 Inch aus der gleichen Lieferung. Wahrscheinlich
beeinflußt
die Qualität
der Polierung (die in dem Fall von Wafern mit einem Durchmesser von
2 Inch gewöhnlich
niedriger ist) und auch die Zeit der Waferlagerung die Tendenz zur
Bildung von Mikroblasen. Ähnliche
Unterschiede wurden beim Bonden von Wafern beobachtet, die mit GaAs
auf einer durch Ätzen
löslichen
A1GaAs-Lage (Al-GaAs
etch release layer) epitaxisch bedeckt waren. In diesem Fall, wie
auch beim Bonden von reinen GaAs-Wafern könnten Mikroblasen beinahe vollständig durch
Verwendung von gut definierten Proben und einer vollständigen Behandlung
in einer H2-Umgebung vermieden werden.
-
Beispiele
von blasenfreien Grenzflächen sind
in den 12 und 13 angegeben.
Das Mikrobild in der Draufsicht von 12A,
das von einem Waferpaar genommen ist, das bei einem Verdrehungswinkel
von 4,6° gebondet
wurde, zeigt das entsprechende Kreuzgitter von Schraubenversetzungen.
Sehr ähnliche
Beobachtungen sind aus relativ kleinen (100) Siliziumstücken bekannt,
die unter einer Druckbeanspruchung gebondet wurden, und von ganzen
Siliziumwafern, die ohne die Anwendung irgendwelcher äußeren Kräften gebondet
wurden. Die Anwesenheit von Fehlstellen zeigt den direkten Kontakt
beider Gitter. Dies wird auch durch Elektronenbeugung in 12B bestätigt,
wobei die nahezu periodische Anordnung von Versetzungen zusätzliche Beugungsreflexe
bewirkt, die aus dem oben genannten Aufsatz von G. Patriarche, F.
Jeanns, JA. Oudar, F. Glas in J. Appl. Phys. 82, 4892 (1997) bekannt sind.
In 12C sind die Versetzungen als Hell-Dunkel-Kontrast
erkennbar.
-
Beispiel VII: UHV-Bonden
-
Bei
einem schützenden
ersten Schritt dieses Verfahrens wurden die Wafer entpackt und schnell
in einem reinen Raum gebondet, um einen Partikeleinfall zu vermeiden,
der während
der Handhabung in Luft auftreten könnte. Es wurde keine chemische
Reinigung ausgeführt.
Dieses vorge bondete Waferpaar wurde dann in ein UHV-System mit einem
Hintergrunddruc unterhalb 666 × 10–11 Pa
(5 × 10–11 Torr) eingesetzt,
wobei die Waferoberfläche
vertikal auf seiner Flachstelle (flat) lag. Das Waferpaar wurde dann
um ca. 1,5 mm durch Verwendung von scharfen Klingen getrennt. Dann
wurden die Wafer von beiden Seiten mittels Strahlung auf 400°C erwärmt. Nach der
Bestätigung
der Freisetzung von von den Waferoberflächen desorbierendem Wasser
und Schmutz durch ein Massenspektrometer typischerweise für 10 bis
15 min, wurde atomarer Wasserstoff, der durch thermische Spaltung
erzeugt wurde, in die Öffnung
zwischen die beiden Wafer bei 400°C
und 500°C
für 30
min bei jeder Temperatur eingebracht. Da dieser atomare Wasserstoff
eine niedrige kinetische Energie aufweist, vermeidet er eine Beschädigung der
Waferoberflächen,
wie sie beispielsweise in dem Fall einer HF-Plasmareinigung auftreten
würde. Dann
wurden die Wafer direkt nach der Reinigungsprozedur, oder wenn die
Temperatur unter 150°C
abgefallen ist, in Kontakt gebracht. In-situ-Betrachtungen mittels
einer IR-Kamera haben gezeigt, daß nur ein Kontaktpunkt erforderlich
ist, an dem eine sehr kleine Belastung angelegt werden könnte. Nach
dieser Einleitung breitet sich die Bondgrenzfläche spontan über die
Waferfläche
aus.
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Mit
diesem Verfahren und bei Bondtemperaturen in der Höhe von 150°C wurde die
ganze Waferfläche
durch Formen einer direkten und flachen Grenzfläche ohne irgendeine Zwischenlage
(13) gebondet. Der Klingeneinsetztest zeigte eine
Grenzflächenenergie
von 0,7 bis 1,0 J/m2 nahe der des Bruchs
der Masse (bulk fracture). Als Vergleich wurden Wafer i) in UHV
ohne Einführung
von Wasserstoff erhitzt und ii) in einer H2-Atmosphare bei 133 × 10–6 Pa
(1 × 10–6 Torr)
erhitzt, die der gleichen Strömungsrate
von Wasserstoffmolekülgas
entspricht, wie es während
der Reinigungsprozedur mit atomarem Wasserstoff verwendet wird,
aber wobei die Quelle an atomarem Wasserstoff aus bleibt. Keine dieser
Zustände
ohne atomaren Wasserstoff führte zu
einem Bonden. Somit ist die Anwendung von atomarem Wasserstoff zur
Reinigung bei niedrigeren Temperaturen deutlich wirksamer, als Wasserstoffmoleküle allein.
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Ein
TEM mit hoher Auflösung
zeigte, daß eine
atomar abrupte Grenzfläche
ohne irgendeine Zwischenlage (14) gebildet
wurde. Es wird eine niedrige Dichte von Fehlstellen entlang der
Grenzfläche
entsprechend dem niedrigem Verdrehungswinkel von ca. 0,3° beobachtet.
Wie aus dem Reinigungsverfahren mit atomarem H erwartet wird, ist kein
Schaden am Kristallgitter zu sehen. Nahezu die gleiche Perfektion
der Grenzfläche
wurde durch UHV-Bonden von GaAs und einem Lagensystem GaAs/InGaP/GaAs/AlAs
auf GaAs und nachfolgendem Ätzen
der AlAs-Freisetzungslage
erreicht. Somit wurde das Lagensystem durch Bonden übertragen, wie
in der Schnitt-TEM der 15A und 15B gezeigt ist. Wie in 15B gezeigt
ist, trat das Bonden direkt auf dem atomaren Niveau ohne Bildung
irgendwelcher Poren auf. Somit weist dieses Verfahren eine hohe
Anwendbarkeit für
einen derartigen Fall auf, wenn eine Filmstruktur in dem Dickenbereich
von einigen Nanometern hergestellt werden muß.
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Die
Draufsicht-TEM der Proben, die bei niedrigen Verdrehungswinkeln
UHV-gebondet wurden, zeigte ein Netz von schraubenförmigen Fehlstellen, wie
in 16 gezeigt ist. Dieses Netz ist nicht vollständig regelmäßig, wobei
wahrscheinlich zusätzliche
Fehlstellen und Spannungen, die durch eine gewisse Mikrorauheit
der Bondebenen entstehen, vorliegen. Jedoch zeigt die Anwesenheit
des Netzes auch, daß die
beiden Kristalle direkt gebondet wurden.
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Nach
dem Bonden im UHV wurde ein GaAs-Waferpaar bei 580°C für 2h in
einer H2-Atmosphäre wärmebehandelt. Es wurde beobachtet,
daß Leerstellen
mit Größen von
10 bis 20 nm gebildet wurden (17).
Viele von diesen wurden kristallographisch facettiert (17A). Ähnliche
Leerstellen wurden an Si-Si-Wafergebondeten Grenzflächen beobachtet,
an denen sie vorzugsweise an Stufen oder Fehlstellen der Bondgrenzfläche auftreten.
Diese Tendenz kann auch in 17B gesehen
werden. Es kann spekuliert werden, daß die Leerstellen aus gasförmigen Spezies
oder nicht besetzten Gitterstellen bewirkt werden, die an Inhomogenitäten der
gebondeten Grenzfläche,
beispielsweise an früheren
Oberflächenstufen
angeordnet sind, an denen diese Spezies während der Reinigung nicht vollständig entfernt wurden
oder nach dem Bonden eingeschlossen wurden. Da Leerstellen die elektrischen
und optischen Eigenschaften der Grenzfläche verschlechtern, werden
die Umstände
der Leerstellenbildung nun detaillierter studiert. In jedem Fall
erscheint es vorteilhaft, sehr hohe Temperaturen zu vermeiden. In
dieser Hinsicht wäre
die Reinigung mit atomarem H, die bei 400 bis 500°C ausgeführt wird,
sehr nützlich.
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Beispiel VIII: Bonden in Formiergas
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Hier
wurden zwei GaAs-Wafer wie folgt vorgereinigt: Die beiden Wafer
wurden zwei bis drei Minuten mit ultraviolettem Licht in einer Sauerstoffatmosphäre bei 90°C in einem
kommerziellen, sogenannten UV/Ozon-Cleaner bestrahlt. Anschließend wurden
die Wafer für
20 bis 30 Sekunden in eine Lösung von
Zitronensäure
(C6H8O7:H2O2 (45%):H2O) im Gewichtsverhältnis von 1:1:30 eingetaucht,
in H2O abgespült und mit N2 trockengeblasen.
Unmittelbar danach wurden die Wafer in eine Vorrichtung, in der
die Wafer parallel zueinander in einem Abstand von wenigen Millimetern
gehalten waren, in einem Quarzofen eingelegt, der mit einer Vor richtung
zum Auslösen der
Bondung bei hoher Temperatur ausgerüstet ist und der von Formiergas,
z. B. 5% H2 in 95% N2, durchströmt wird.
Dann wurde eine Erwärmung
mit 5° pro
Minute auf 150°C
durchgeführt.
Die Wafer wurden dann für
40 Minuten gehalten. Im Anschluß daran
fand ein weiteres Erwärmen
mit 5°C
pro Minute auf 600°C
statt. Diese Temperatur wurde für
60 Minuten gehalten. Daraufhin wurde die Bondung ausgelöst, und
die gebondeten Wafer wurden für
weitere 120 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Dann fand eine
Abkühlung
mit 5°C
bis 10°C
pro Minute statt, und der Ofen wurde bei ca. 50°C zur Entnahme der fertig gebondeten
Wafer geöffnet.
Bei diesem Beispiel ließen
sich die Wafer durch Einführen
einer Rasierklinge nicht mehr trennen, vielmehr brach 1 bis 2 mm
Material am Rand der Wafer aus. Die elektronenmikroskopische Durchstrahlung
zeigte – im
Fall einer nahezu übereinstimmenden
Kristallorientierung der Wafer – ein
deutlich ausgebildetes Netzwerk von Versetzungen, was auf einen
direkten Kontakt der beiden Kristallgitter schließen läßt. Es ist
anzumerken, daß das
hier genannte Formiergas jedes gewöhnliche Formiergas sein kann.
Derartige Formiergase werden in verschiedenen Industrienormen behandelt
und umfassen gewöhnlich
bis zu 20% H2 in einem inerten Gas, wie
Stickstoff oder Argon. Formiergas hat den besonderen Vorteil, daß es nicht mehr
als explosiv anzusehen ist und somit viel sicherer als reiner Wasserstoff
zu handhaben ist.
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Es
wurde, wie oben beschrieben, gezeigt, daß ein gleichförmiges,
großflächiges Waferbonden von
GaAs ohne Anwendung von äußeren Kräften oder
Kanalmusterung der Oberflächen
entweder in einer H2-Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen oder
innerhalb eines UHV bei verminderten Temperaturen nach Reinigung
mit atomarem Wasserstoff erreicht werden kann. Bei beiden Methoden
breitet sich die gebondete Fläche
spontan aus, sobald sie an irgendeinem Punkt eingeleitet wird. Daher
ist der Durchmesser der zu bondenden Wafer grundsätzlich nicht
begrenzt. Beide Verfahren sind auch auf GaAs/InGaAs- und GaAs/InGaP-Filmsysteme
anwendbar, wodurch sie zum Waferbonden aller relevanten III-V-Verbindungshalbleitermaterialien
nützlich
sind.
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Heißbonden
in Gasumgebung erscheint als das ökonomisch vorteilhafte Verfahren,
aber es ist weitere Arbeit erforderlich, um die Bondtemperatur zu
vermindern. In dieser Hinsicht bewies das UHV-Bonden unter Verwendung
einer Reinigung mit atomarem Wasserstoff, daß es zum Bonden bei Temperaturen
in der Höhe
von 150°C
geeignet ist, da es machbar ist, die gereinigte Oberfläche für eine lange Zeit
beizubehalten. Dieses Niedertemperaturbonden ist insbesondere vorteilhaft
für Halbleitermaterialien mit
verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise
GaAs/Si, das bei 160°C brechen
kann, zur Integration von optoelektronischen Hochgeschwindigkeitsstrukturen
mit Silizium-Mikroelektronik-Vorrichtungen.
Da die Reinigung mit atomarem Wasserstoff für andere III-V-Materialien genausogut
ausgeführt
wurde, kann das Verfahren auf ein Waferbonden zwischen unterschiedlichem
Verbindungshalbleiter-Material zur Herstellung von optoelektronischen
Vorrichtungen erweitert werden. Erfolgreiche Versuche sind beispielsweise
mit Indiumphosphid-Wafern durchgeführt worden.