DE102009020163B4 - Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von Substraten, Vorrichtung zur Durchführung einer Plasmabehandlung sowie deren Verwendung - Google Patents

Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von Substraten, Vorrichtung zur Durchführung einer Plasmabehandlung sowie deren Verwendung Download PDF

Info

Publication number
DE102009020163B4
DE102009020163B4 DE102009020163A DE102009020163A DE102009020163B4 DE 102009020163 B4 DE102009020163 B4 DE 102009020163B4 DE 102009020163 A DE102009020163 A DE 102009020163A DE 102009020163 A DE102009020163 A DE 102009020163A DE 102009020163 B4 DE102009020163 B4 DE 102009020163B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
bonding surface
electrode
bonding
corona discharge
plasma
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE102009020163A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102009020163A1 (de
Inventor
Prof. Dr. Klages Claus-Peter
Benedikt Michel
Marko Eichler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102009020163A priority Critical patent/DE102009020163B4/de
Publication of DE102009020163A1 publication Critical patent/DE102009020163A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102009020163B4 publication Critical patent/DE102009020163B4/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C3/00—Assembling of devices or systems from individually processed components
    • B81C3/001—Bonding of two components
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/16—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • H01L23/18—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
    • H01L23/26—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device including materials for absorbing or reacting with moisture or other undesired substances, e.g. getters
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/47—Generating plasma using corona discharges
    • H05H1/471—Pointed electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01005—Boron [B]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01013—Aluminum [Al]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/0102—Calcium [Ca]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01023—Vanadium [V]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01029—Copper [Cu]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01058—Cerium [Ce]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01074—Tungsten [W]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/0132—Binary Alloys
    • H01L2924/01322—Eutectic Alloys, i.e. obtained by a liquid transforming into two solid phases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/146—Mixed devices
    • H01L2924/1461—MEMS
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/1901—Structure
    • H01L2924/1904—Component type
    • H01L2924/19043—Component type being a resistor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von mindestens zwei Halbleitersubstraten, bei dem eine Vorbehandlung durchgeführt wird, bei der mittels Koronaentladung ein Plasma zwischen einer Bondfläche mindestens eines Halbleitersubstrates und mindestens einer Elektrode erzeugt wird, wobei ein Abstand zwischen der Bondfläche und der Elektrode zwischen 3 mm und 5 cm eingehalten wird, mit der Maßgabe, dass das Plasma die Bondfläche nicht berührt, und im Anschluss die Halbleitersubstrate innerhalb von 30 min nach der Vorbehandlung über die Bondfläche gebondet und getempert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von Substraten.
  • Sowohl die fortschreitende Miniaturisierung als auch steigende Anforderungen an die Maßhaltigkeit von Strukturen verlangen neue Methoden beim Verbinden von Bauteilen. So sind die Grenzen traditioneller Klebverbindungen spätestens dann erreicht, wenn die Dimensionen der Bauteile bzw. der erzeugten Strukturen der Schichtdicke der haftvermittelnden Schicht nahe kommen.
  • Daneben steigen die Anforderungen an Hermetizität und Zuverlässigkeit stetig. Dies zeigt sich verstärkt bei der Produktion von Sensoren und mikrofluidischen Systemen. Bei der Fertigung derartiger Mikrosysteme ist das Verbinden (Bonden) von Wafern ein entscheidender Produktionsschritt. Neben dem anodischen und eutektischen Bonden wird häufig das so genannte Silizium-Direkt-Bonden verwendet. Hierbei werden Substrate über Oxidschichten ohne zusätzliche Zwischenschichten gefügt.
  • Die für die anschließende Temperung notwendigen Temperaturen betragen dabei 900°C bis 1100°C. Die Temperaturlimitierung für die Prozessierung liegt jedoch für viele Anwendungen deutlich unter 450°C, was einen Einsatz des klassischen Silizium-Direkt-Bondens verhindert.
  • Bei der derzeit in der Technik gebräuchlichen, bei Atmosphärendruck stattfindende Plasmaaktivierung handelt es sich um die Verwendung von dielektrischen Barrierenentladungen (DBD), die laut Patentschrift DE 102 56 693 A1 direkt auf die Materialoberflächen einwirken. Die DBD-Aktivierung erfolgt dadurch, dass das Plasma in einem Spalt von wenigen 100 μm direkt über dem zu behandelnden Wafer gezündet wird. Bei einem Druck von 1 bar sind dazu hohe Feldstärken in der Größenordnung von 106 V/m notwendig, denen auch die Oxidschicht auf dem Wafer ausgesetzt ist. Sind auf dem Wafer, wie häufig bei mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) der Fall, elektrisch isolierende Schichten (z. B. thermisches Oxid) vorhanden, werden diese aufgrund des direkt auf die Bondfläche einwirkenden Plasmas von Durchschlägen zerstört und die Oberflächengüte wird durch herausgelöste Partikel degradiert.
  • Aus der US 5 560 777 A ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiters bei atmosphärischem Druck bekannt, der ein erste und eine zweite Elektrode auf weist, die derart ausgebildet sind, dass durch Anlegen einer Wechselspannung eine Koronaentladung stattfindet. Mit dieser Vorrichtung kann ein Halbleitersubstrat beschichtet werden.
  • Die DE 102 56 693 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenmodifizierung und zum Bonden von Halbleitersubstraten mittels atmosphärischer Plasmabehandlung.
  • Zudem ist aus der DE 10 2006 011 312 A1 eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung unter Atmosphärendruck bekannt, mit der eine dielektrischbehinderte Gasentladung erzeugt werden kann.
  • Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, wodurch Substrate nach einer Koronavorbehandlung gebondet werden und bereits bei niedrigen Temperaturen eine deutliche Erhöhung der Festigkeit der Materialverbünde zu erreichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von mindestens zwei Halbleitersubstraten bereitgestellt, bei dem eine Vorbehandlung durchgeführt wird, bei der mittels Koronaentladung ein Plasma zwischen mindestens einer Bondfläche und mindestens einer Elektrode erzeugt wird, wobei ein Abstand zwischen der Bondfläche und der Elektrode zwischen 3 mm und 5 cm eingehalten wird, mit der Maßgabe, dass das Plasma die Bondfläche nicht berührt. Dass das Plasma die Bondfläche nicht berührt, ist daran erkennbar, dass die charakteristische Leuchterscheinung sich nicht bis zur Bondfläche erstreckt.
  • Wesentliches Element der vorliegenden Erfindung ist somit, dass das Verfahren so geführt wird, dass das Plasma die Bondfläche nicht berührt. Das wird dadurch erreicht, dass der Abstand zwischen Elektrode und der Bondfläche auf 3 mm bis 5 cm eingestellt wird und eine Koronaentladung im physikalischen Sinne erzeugt wird. Was erfindungsgemäß unter einer Koronaentladung verstanden wird, wird nachfolgend erläutert.
  • Die Koronaentladung ist ein spezieller Fall einer sogenannten kalten Plasmaentladung, die auch bei Atmosphärendruck unterhalten werden kann, ohne dass sie in einen heißen Funken oder Bogen übergeht.
  • In der Elektrotechnik wird nun eine elektrische Entladung, die durch Ionisation eines Fluids entsteht, das einen elektrischen Leiter umgibt, als Koronaentladung bezeichnet. Sie tritt auf, wenn ein elektrisches Potentialgefälle einen bestimmten Wert überschreitet, aber noch nicht hoch genug ist, um eine Funkenentladung hervorzurufen. Üblicherweise sind die beiden verwendeten Elektroden asymmetrisch. Eine besitzt eine starke Krümmung (z. B. eine Nadelspitze oder ein sehr dünner Draht), um einen lokal konzentrierten Bereich sehr hoher Feldstärke zu erreichen. Die andere Elektrode ist meist schwächer gekrümmt (z. B. eine Platte oder die Erde). Die starke Krümmung erzeugt in ihrer unmittelbaren Umgebung ein sehr starkes elektrisches Feld, wodurch die Luftmoleküle (bzw. auch andere Gase) ionisiert werden.
  • Die Koronaentladung kann aber nur dort existieren, wo aufgrund einer starken Krümmung der Elektrode (Spitze oder Draht) die Feldstärke hoch genug ist; also nur in unmittelbarer Umgebung dieser Elektrode (Ionisationszone, ionization region). Die Entladung selbst hat daher keinen Kontakt mit der Gegenelektrode und deshalb kommt es nicht zu einer stromstarken, heißen Bogen- oder Funkenentladung. Der elektrische Stromkreis wird zwischen Hochspannungs- und Erdelektrode geschlossen durch die Driftbewegung geladener Spezies wie z. B. O2 – oder CO3 – in der Driftregion. Eine Entladung, das heißt, Ionisation, findet in unmittelbarer Nähe der ebenen oder nur schwach gekrümmten Gegenelektrode, die erfindungsgemäß das zu behandelnde Material darstellt, aber nicht statt.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch die Erzeugung des Plasmas, wie vorstehend beschrieben, ein Bonden bei niedrigen Temperaturen ermöglicht wird, so dass auch das Vorhandensein von elektrisch isolierenden Schichten (z. B. thermisches Oxid) bei mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) unproblematisch ist. Gleichzeitig wird trotz der niedrigen Temperaturen eine hohe Festigkeit erreicht. Dies ist offensichtlich darauf zurückzuführen, dass durch die Plasmabehandlung das Oxid modifiziert wird, reaktive Gruppen an der Oberfläche erzeugt werden und monomolekulare Verunreinigungsschichten entfernt werden können, so dass bereits bei geringen Bondtemperaturen kovalente Bindungen entstehen, die zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung führen.
  • Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der Abstand zwischen der mindestens einen Bondfläche und der mindestens einen Elektrode zwischen 3 mm und 3 cm beträgt. Die Elektrode muss hierfür nicht hochspannungsführend sein und könnte somit auch auf Erde liegen, wenn das Substrat die Hochspannungselektrode darstellt bzw. auf einem Träger liegt, der auf Hochspannung liegt.
  • In einer bevorzugten Verfahrensvariante erfolgt die Koronaentladung bei einem Gasdruck zwischen 0,5 und 1,5 bar.
  • Das für die Koronaentladung eingesetzte Gas kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Edelgasen, molekularen Gasen, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und/oder Mischungen hiervon.
  • Es ist auch möglich, dass zusätzlich ein, gegebenenfalls laminarer, Gasstrom von oben bzw. von der Seite eingesetzt wird.
  • In einer weiteren Verfahrensvariante erfolgt vor der Erzeugung des Plasmas mittels Koronaentladung eine Behandlung von mindestens einem Halbleitersubstrat in einem flüssigen Medium, insbesondere Flusssäure. Durch diese Behandlung können Verunreinigungen der Oberfläche, wie auch natives Oxid vollständig entfernt werden.
  • Die Koronaentladung kann bei einer Spannung von 5 bis 25 kV und einer Frequenz von 50 Hz bis 100 MHz erfolgen. Erfindungsgemäß kann sowohl mit Wechselspannung als auch mit Gleichspannung gearbeitet werden. Der Einsatz von Gleichspannung ist insbesondere dann möglich, wenn auf dem Substrat nur eine dünne Oxidschicht vorliegt.
  • Eine bevorzugte Variante des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Bondfläche des mindestens einen Halbleitersubstrats einer Wasserspülung unterzogen wird. Dadurch können z. B. Partikel, die sich ggf. noch auf der Oberfläche befinden können, entfernt werden.
  • Weiterhin kann die mindestens eine Bondfläche des mindestens einen Halbleitersubstrats mit einer Megaschalldüse behandelt werden. Durch diese Behandlung wird die Reinigungswirkung unterstützt.
  • Bevorzugt wird das mindestens eine Halbleitersubstrat während der Vorbehandlung oszillierend bewegt. Weiterhin kann die mindestens eine Elektrode oszillierend bewegt werden. Ziel hiervon ist, die Beanspruchung der Materialoberfläche durch elektrische Felder wesentlich zu minimieren und die Behandlung zu homogenisieren.
  • Die zwei Halbleitersubstrate bestehen bevorzugt jeweils unabhängig voneinander aus Silizium, dotiertem Silizium oder einem dotierten oder undatierten III/V-Halbleitermaterial.
  • Die Halbleitersubstrate werden erfindungsgemäß innerhalb von 30 min. nach der Vorbehandlung gebondet und getempert.
  • Das Verfahren ist besonders für das so genannte Siliziumdirektbonden (silicon fusion bonding, SFB) geeignet.
  • Beim direkten Bonden (Siliziumdirektbonden, SFB) werden hydrophile und hydrophobe Oberflächen bei hohen Temperaturen in Kontakt gebracht. Dabei wird ein Wafer an einer Stelle gegen den anderen Wafer gepresst und es entsteht der erste Kontaktpunkt von dem aus (als Bondfront in Transmission sichtbar) der vollflächige Kontakt entsteht. Die Grundlage der mechanischen Verbindung stellen Wasserstoffbrücken und vander-Waals-Wechselwirkungen im Bereich der Kontaktzone dar. Anschließend werden die Abstandshalter entfernt und die Siliziumverbindungsstelle breitet sich vom Zentrum aus.
  • Bevorzugt werden die Halbleitersubstrate bei Normaldruck und einer Temperatur von 20 bis 500°C, vorzugsweise zwischen 50 und 400°C über eine Zeitspanne von 15 min bis 10 h getempert.
  • In Abhängigkeit von den eingesetzten Materialien werden hierfür die optimal geeigneten Temperaturen wie auch Zeitdauern eingesetzt.
  • Die Bondenergie beträgt bevorzugt oberhalb von 1,5 J/m2 (bestimmbar nach Maszara). Bei der Methode von Maszara wird die Bondenergie aus der Länge des Risses, der sich nach dem Einführen einer dünnen Klinge in den Waferverbund entlang der Grenzfläche ausbreitet, berechnet.
  • Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung einer Plasmabehandlung mittels Koronaentladung beschrieben, umfassend eine Anordnung von mindestens einer Spitze und/oder mindestens einem Draht als Elektrode, einem der Elektrode gegenüberliegenden Träger zur Anbringung von Halbleitersubstraten und einer Gegenelektrode, die mit dem Halbleitersubstrat in elektrischem Kontakt steht, wobei der Abstand zwischen der Elektrode und dem Träger zwischen 3 mm und 5 cm beträgt. Diese Vorrichtung kann zum Bonden von Halbleitersubstraten eingesetzt werden.
  • Durch diesen Abstand zwischen Elektrode und Träger ist gewährleistet, dass das Plasma die Bondfläche nicht berührt.
  • Bevorzugt kann der gegenüberliegende Träger auch als Gegenelektrode ausgebildet sein. Dies ist dann von Vorteil, wenn das zu behandelnde Material elektrisch isolierend ist, z. B. ein undotierter Halbleiter. Wenn das Substrat elektrisch leitfähig ist (dotierter Halbleiter) kann es selbst eine Elektrode darstellen, kann dann also auf einem isolierenden Träger liegen, muss aber elektrisch kontaktiert werden.
  • In der Regel wird eine der beiden Elektroden, der Draht bzw. die Spitze oder aber die Bondfläche bzw. der Träger, auf Erde gelegt und zwar vorzugsweise die Bondfläche bzw. den Träger, und die andere (Draht oder Spitze) auf Hochspannung. Es ist auch möglich umgekehrt vorzugehen oder alles auf eine bestimmte Spannung auszurichten.
  • Bevorzugt sind die Elektrode und der Träger gegeneinander bewegbar. Dadurch wird eine homogene Oberflächenbehandlung ermöglicht, ohne dass das Plasma punktuell einwirkt.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung sind 3 × 24 Spitzen als Hochspannungselektrode, insbesondere aus Kupfer, die in einem quadratischen Gitter mit 5 mm Abstand zum nächsten Nachbarn angeordnet sind, im Abstand von 1,5 cm über einer geerdeten Aluminiumplatte als Gegenelektrode angeordnet.
  • In einer Variante ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass ein Draht mit einem Durchmesser von 2 mm, der an seinen Enden abgerundet oder angespitzt ist, als Hochspannungselektrode im Abstand von 1,5 cm parallel zu der Gegenelektrode angeordnet ist.
  • Die beschriebene Vorrichtung kann zur Durchführung einer Plasmabehandlung von Halbleitersubstraten mittels Koronabehandlung unter den bereits beschriebenen Bedingungen verwendet werden. Das Bonden erfolgt außerhalb dieser Vorrichtung.
  • Anhand der folgenden 1A, 1B und 2 und Beispiele 1 bis 3 soll der anmeldungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf diese Varianten einschränken zu wollen,
  • 1A zeigt die Seitenansicht einer Vorrichtung mit Multipin-Anordnung.
  • 1B zeigt die Frontalansicht einer Vorrichtung mit Multipin-Anordnung.
  • 2 zeigt eine Ausführungsvariante der Vorrichtung mit vertikaler und horizontaler Metallelektrode.
  • In 1A ist ein Aufbau der Vorrichtung, die für eine Plasmabehandlung mittels Koronabonden einsetzbar ist, in Seitenansicht dargestellt. Die Metallspitzen 2 sind durch Drähte 1 verbunden und an einer isolierenden Halterung 3 angeordnet. Diese Anordnung befindet sich über dem auf einem bewegbaren Substrattisch 5 angeordneten Silizium-Wafer 4.
  • 1B zeigt eine Seitenansicht des Multipin-Aufbaus. Die durch Verbindungsdrähte 1 verbundenen Metallspitzen 2 sind an einer isolierenden Halterung 3 angeordnet. Dieser Aufbau ist vertikal zu dem sich auf dem Substrattisch 5 befindenden Silizium-Wafer 4 angeordnet.
  • Eine weitere Variante der Vorrichtung ist in 2 dargestellt. Der Silizium-Wafer 4 ist auf einem Substrattisch 5 angeordnet. Darüber befindet sich eine vertikale Metallelektrode 7, die mit der Hochspannungszuleitung 6 verbunden ist. Neben der vertikalen Metallelektrode 7 ist eine horizontale Metallelektrode 7' angeordnet, die mit einer Hochspannungszuleitung 6' verbunden ist. An der Spitze der vertikalen Metallelektrode 7 sowie an den Enden der horizontalen Metallelektrode 7' befinden sich die Ionisierungsbereiche (ionization region) 8, 8'. Zwischen der vertikal angeordneten Metallelektrode 7 und dem Wafer 4 befindet sich ein sogenannter Driftbereich (drift region) 9. Weitere Driftbereiche 9' sind zwischen den Enden der horizontalen Metallelektrode 7' und dem Silizium-Wafer 4 lokalisiert.
  • Beispiel 1
  • Für Voruntersuchungen wurden 4'' Siliziumwafer mit [100] Orientierung verwendet. Der spezifische Widerstand aufgrund der n-Dotierung lag im Bereich von 3–5 Ωcm.
  • Die Aktivierung erfolgte durch eine Multipin-Korona Anordnung, bei der ein Array von 3 × 24 Kupferspitzen, die in einem quadratischen Gitter mit 5 mm Abstand zum nächsten Nachbarn angeordnet waren, im Abstand von 1,5 cm über einer geerdeten Aluminiumplatte angebracht wurde.
  • Die Koronaentladung wurde durch Anlegen einer bipolaren Hochspannung (Sinusverlauf ohne Offset) mit einer Amplitude > 15 kV und einer Frequenz von ca. 20 kHz an die elektrisch miteinander verbundenen Spitzen angelegt. Die Aktivierungsdauer lag im Minutenbereich.
  • Eine RF-Anregung der Multipin-Koronaentladung (f = 13,56 MHz) wurde ebenfalls erfolgreich getestet, wobei das Substrat im Anschluss getempert wird.
  • Beispiel 2
  • Ein natives Oxid wurde durch Eintauchen der Wafer in 1% Flusssäure für 1 Minute vollständig entfernt. Im unmittelbaren Anschluss erfolgte die Koronabehandlung in normaler Atmosphäre, bei der das Substrat mit einer oszillierenden Bewegung unter dem Spitzenarray bewegt wurde, um eine Homogenisierung der Behandlung zu erreichen.
  • Durch Infrarotspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie konnte nachgewiesen werden, dass sich unter der Einwirkung der Koronaentladung innerhalb weniger Sekunden eine dünne und sehr hydrophile Siliziumoxidschicht an der Oberfläche bildet.
  • Um Partikel von der Oberfläche zu entfernen, wurden beide Wafer danach für 1 Minute einer Wasserspülung in einem Spin-Dryer unterzogen (Drehzahl 4000 U/min) und eine weitere Minute trockengeschleudert. Zur Unterstützung der Reinigungswirkung wurde zusätzlich eine Megaschalldüse eingesetzt.
  • Auf diese Weise vorbehandelte Wafer wurden binnen 10 Minuten in einer Flowbox gebondet und in normaler Atmosphäre bei 200°C für 5 Stunden getempert.
  • Die sogenannte Bondenergie wurde nach der Methode von Maszara bestimmt. Dabei wird die Bondenergie aus der Länge des Risses, der sich nach dem Einführen einer dünnen Klinge in den Waferverbund entlang der Grenzfläche ausbreitet, berechnet. Auf diese Weise ermittelte Ergebnisse liegen im Bereich 2,25 ± 0,2 J/m2, was mit den Ergebnissen nach einer O2-DBD-Behandlung vergleichbar ist.
  • Vergleichsbeispiel 1:
  • Im Vergleich dazu liegt die Bondenergie für die RCA-gereinigte (Kern 70) Referenz, also einen Wafer, der nach W. Kern, D. Puotinen: Cleaning Solutions Based an Hydrogen Peroxide in Silicon Semiconductor Technology, RCA Review 187 (Juni 1970) behandelt worden ist, mit 0,7 bis 1,1 J/m2 deutlich unter der Bondenergie, die für den Wafer aus Beispiel 1 bestimmt wurde. Die RCA-Referenz wurde ebenfalls 5 Stunden bei 200°C getempert.
  • Vergleichsbeispiel 2: Aktivierung von thermischem Oxid
  • Befinden sich auf dem Siliziumwafer isolierende Schichten (z. B. Oxid, Nitrid) mit einer Schichtdicke von 50 bis 500 nm, so kommt es aufgrund der hohen Feldstärken, denen das Substrat bei der Aktivierung mit der direkten Entladung (DBD) ausgesetzt ist, zu Durchschlägen und damit zu einer Degradation der Oberflächengüte. Abgesehen von den negativen Konsequenzen für das Direktbonden können diese Schädigungen auch ein Versagen der technischen Funktion der Schicht auf dem Silizium zur Folge haben.
  • Beispiel 3:
  • Bei Wafer-Behandlungszeiten im Bereich von einer Minute in Luftatmosphäre konnten auf der Oberfläche keine Schädigungen festgestellt werden, da diese Art der Schädigung durch eine Koronaaktivierung verhindert werden kann.
  • Die Aktivierung der Oberfläche im Sinne verbesserter Benetzbarkeit konnte dabei für ein thermisches Oxid erfolgreich gezeigt werden: Der Wasserrandwinkel (gemessen in Hexadekan) sank nach 1 Minute Koronabehandlung an Luft von ca. 85° auf dem unbehandelten Substrat auf ca. 15°.

Claims (14)

  1. Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von mindestens zwei Halbleitersubstraten, bei dem eine Vorbehandlung durchgeführt wird, bei der mittels Koronaentladung ein Plasma zwischen einer Bondfläche mindestens eines Halbleitersubstrates und mindestens einer Elektrode erzeugt wird, wobei ein Abstand zwischen der Bondfläche und der Elektrode zwischen 3 mm und 5 cm eingehalten wird, mit der Maßgabe, dass das Plasma die Bondfläche nicht berührt, und im Anschluss die Halbleitersubstrate innerhalb von 30 min nach der Vorbehandlung über die Bondfläche gebondet und getempert werden.
  2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der mindestens einen Bondfläche und der mindestens einen Elektrode zwischen 3 mm und 3 cm beträgt.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koronaentladung bei einem Gasdruck zwischen 0,5 und 1,5 bar erfolgt.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Koronaentladung eingesetzte Gas ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelgasen, molekularen Gasen, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und/oder Mischungen hiervon.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erzeugung des Plasmas mittels Koronaentladung eine Vorbehandlung von mindestens einem Halbleitersubstrat in einem flüssigen Medium, insbesondere Flusssäure, erfolgt.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koronaentladung bei einer Spannung von 5 bis 25 kV und einer Frequenz von 50 Hz bis 100 MHz erfolgt.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Bondfläche des mindestens einen Halbleitersubstrates einer Wasserspülung unterzogen wird.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Bondfläche des mindestens einen Halbleitersubstrates mit einer Megaschalldüse behandelt wird.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Halbleitersubstrat während der Vorbehandlung oszillierend bewegt wird.
  10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode oszillierend bewegt wird.
  11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Halbleitersubstrate jeweils unabhängig voneinander aus Silizium, dotiertem Silizium oder einem dotierten oder undotierten III/V-Halbleitermaterial bestehen.
  12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Halbleitersubstrate bei Normaldruck und einer Temperatur von 20 bis 500°C, vorzugsweise zwischen 50 und 400°C, getempert werden.
  13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Halbleitersubstrate für 15 min bis 10 h getempert werden.
  14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bondenergie, bestimmbar nach Maszara, oberhalb von 1,5 J/m2 beträgt.
DE102009020163A 2009-05-07 2009-05-07 Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von Substraten, Vorrichtung zur Durchführung einer Plasmabehandlung sowie deren Verwendung Expired - Fee Related DE102009020163B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009020163A DE102009020163B4 (de) 2009-05-07 2009-05-07 Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von Substraten, Vorrichtung zur Durchführung einer Plasmabehandlung sowie deren Verwendung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009020163A DE102009020163B4 (de) 2009-05-07 2009-05-07 Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von Substraten, Vorrichtung zur Durchführung einer Plasmabehandlung sowie deren Verwendung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102009020163A1 DE102009020163A1 (de) 2010-12-02
DE102009020163B4 true DE102009020163B4 (de) 2012-07-19

Family

ID=43028258

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102009020163A Expired - Fee Related DE102009020163B4 (de) 2009-05-07 2009-05-07 Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von Substraten, Vorrichtung zur Durchführung einer Plasmabehandlung sowie deren Verwendung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102009020163B4 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3367425A1 (de) * 2017-02-28 2018-08-29 IMEC vzw Verfahren zum direkten verbinden von halbleitersubstraten
DE102018111200A1 (de) * 2018-05-09 2019-11-14 United Monolithic Semiconductors Gmbh Verfahren zur Herstellung eines wenigstens teilweise gehäusten Halbleiterwafers

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5560777A (en) * 1992-11-09 1996-10-01 Goldstar Co., Ltd. Apparatus for making a semiconductor
DE10256693A1 (de) * 2002-12-04 2004-06-24 Süss Microtec Lithography Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenmodifizierung und zum Bonden von Halbleitersubstraten mittels atmosphärischer Plasmabehandlung
DE102006011312A1 (de) * 2006-03-11 2007-10-04 Fachhochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen Vorrichtung zur Plasmabehandlung unter Atmosphärendruck

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5560777A (en) * 1992-11-09 1996-10-01 Goldstar Co., Ltd. Apparatus for making a semiconductor
DE10256693A1 (de) * 2002-12-04 2004-06-24 Süss Microtec Lithography Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenmodifizierung und zum Bonden von Halbleitersubstraten mittels atmosphärischer Plasmabehandlung
DE102006011312A1 (de) * 2006-03-11 2007-10-04 Fachhochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen Vorrichtung zur Plasmabehandlung unter Atmosphärendruck

Also Published As

Publication number Publication date
DE102009020163A1 (de) 2010-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1568077B1 (de) Verfahren zur vorbehandlung der oberflächen von zu bondenden substraten
EP3161855B9 (de) Verfahren zur oberflächenbehandlung von substraten
DE102018131829A1 (de) Isolierschichtstruktur für ein halbleiterprodukt und herstellungsverfahren dafür
DE2844162A1 (de) Ionenimplantationsverfahren und dessen anwendung
DE2800180A1 (de) Duennschicht-aetzverfahren durch plasmazersetzung eines gases
CH687111A5 (de) Verfahren zum Erzeugen einer Niederspannungsentladung, Vakuumbehandlungsanlage hierfuer sowie Anwendung des Verfahrens.
EP2647037B1 (de) Verfahren zur wasserstoffpassivierung von halbleiterschichten
CH661616A5 (de) Verfahren zur vorbehandlung der kontakte und elektroden elektrischer vakuumgeraete.
DE102009020163B4 (de) Verfahren zum zwischenschichtfreien Verbinden von Substraten, Vorrichtung zur Durchführung einer Plasmabehandlung sowie deren Verwendung
EP0160889A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Folienbahnen
DE19717698A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Aktivierung von elektrischen Leiterbahnen und Platinenoberflächen
EP3271434A1 (de) Niedertemperatur-plasma-behandlung
EP2087503B1 (de) Vorrichtung zum vorbehandeln von substraten
EP3012090A1 (de) Vorrichtung zur plasmabehandlung von oberflächen und ein verfahren zum behandeln von oberflächen mit plasma
DE10322696B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur plasmagestützten Behandlung von vorgebbaren Oberflächenbereichen eines Substrates
DE102007019981B4 (de) Anode für die Bildung eines Plasmas durch Ausbildung elektrischer Bogenentladungen
DE102011054377A1 (de) Herstellung einer Vorrichtung mit einem Halbleiterchip
DE102007006786B4 (de) Anlage und Verfahren zum Beschichten eines Substrates
DE102008028167A1 (de) Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets
DE10349908B4 (de) Zweifach passiviertes Leistungshalbleiterbauelement mit einer MESA Randstruktur und Verfahren zu dessen Herstellung
DE10256693A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenmodifizierung und zum Bonden von Halbleitersubstraten mittels atmosphärischer Plasmabehandlung
WO2005096374A1 (de) Elektrotechnisches erzeugnis mit einem elektrischen bauelement und einer vergussmasse zur elektrischen isolierung des bauelements sowie verfahren zum herstellen des erzeugnisses
DE19538515A1 (de) Verfahren zum Beschichten von Glaskörpern
DE102019112472B3 (de) Verfahren zur Herstellung eines ein Trägersubstrat aufweisenden Displays sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Trägersubstrat
WO2017037223A1 (de) Vorrichtung zur erzeugung eines plasma-jets und verfahren zur oberflächenbehandlung

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final

Effective date: 20121020

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee