JP2004200653A - 基板の粘着表面の形成方法及び形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、他の基板の表面との接合が可能である基板、特にシリコンウェーハの粘着表面の形成方法及び装置に関する。ここで、表面は、表面から酸化物を除去するエッチング液を用いたウェットケミカルエッチングによって処理される。また、本装置において、エッチング液は、ガスの雰囲気を有する室に隣接した溶液槽に入れられる。本発明の目的は、基板の接合可能な表面の効率的な形成が容易であり、当該形成に適する、上記のタイプの方法と装置とを創作することである。
【解決手段】 上記目的は、上記のタイプの方法及び装置によって達成される。ここで上記方法は、ウェットケミカルエッチングの後続けてオゾンガスの雰囲気に表面を露出することを含み、また、装置の雰囲気がオゾンガスの雰囲気である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載する特徴を有する基板、特にシリコンウェーハの粘着表面の形成方法、及び請求項７の前提部に記載する特徴を有する、当該方法に対応する装置に関する。
１９８６年、ラスキー（Ｌａｓｋｙ）及びシンボ（Ｓｈｉｍｂｏ）は、熱処理による２つのシリコンウェーハの接合及び熱処理による接合強度の増加に成功し、接合したウェーハ対の更なる処理が可能となった。現在、シリコンウェーハの接合は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）又はＳＯＩ技術のような半導体技術の様々な分野において、重要な技術ステップとなっている。
シリコン表面の仕様により、疎水性及び親水性の直接のウェーハ接合は区別されなければならない。従来のシリコンウェーハは、通常、数オングストロームの厚さである自然の二酸化ケイ素の層をその表面に有する。当該酸化物の層の上には、雰囲気から水分子を吸収するシラノール部位（−Ｓｉ−ＯＨ）が化学吸着し、従って、数原子層の厚さである水膜がその表面に形成される。当該表面は、吸水性又は親水性を有する。親水性の表面は、高い反応性を有し、それゆえに容易にコンタミネーションする。親水性のシリコン表面をフッ化水素酸溶液に晒すと、二酸化ケイ素がその表面から完全に取り除かれる。残存した純粋なシリコン表面は、水素で飽和する。そのような表面は耐水性又は疎水性を有する。
親水性のウェーハの接合では、隣接する水分子の間、又は向かい合ったウェーハ表面のシラノール部位の間の、室温で既に形成されている水素結合が接合の強さを決定している。接合したウェーハの温度の扱いによって、ウェーハでの接合の化学的及び物理的構造が変化する。室温と約２００℃との間では、水分子は、接合面に沿って拡散し、Ｓｉ−ＯＨ部位は、相互にシロキサン化合物（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）を形成する。約２００℃と約９００℃との間では、結合するウェーハの粗さ次第で、水分子は純粋なケイ素へさらに拡散し、水素分子と二酸化ケイ素とを形成することにより当該ケイ素と反応しうる。接合面の水分子の移動によって、シラノール部位は互いにより接近する。接近は、当該シラノール部位が、共有のシロキサン混合物を形成し、水分子を分離させることにより、反応あるいは凝縮する迄、行われる。約８００℃と１０００℃との間の温度での、更なる熱処理ステップは、接合強度を増加させる。
ウェーハ上の有機的及び無機的なコンタミネーションを除去するために、接合の前に、ウェーハを洗浄する必要がある。当該洗浄は、１以上の溶液槽中での洗浄流体を用いた、ウェットケミカル洗浄（湿式化学的洗浄）及びウェットケミカルエッチング（湿式化学的エッチング）、又はドライケミカルエッチング（乾式化学的エッチング）によって達成できる。ウェットケミカル洗浄及びウェットケミカルエッチングは、例えばＲＣＡ洗浄方法に相当し、ドライケミカルエッチングは、例えばＯ２プラズマに相当する。
従来のＲＣＡ洗浄は、他のより効果的な洗浄方法によって、しばしば補われ、代替される。当該他のより効果的な洗浄方法とは、欧州特許出願公開第０７３１４９５号明細書に記載されている上記の方法のようなものであり、フッ化水素酸（ＨＦ）と界面活性剤とを含む水溶液から成るエッチング液を用い、当該溶液中にオゾン（Ｏ３）ガスの流れを通し、当該エッチング液中で、シリコンウェーハを洗浄するというような方法である。当該エッチング液は、シリコンウェーハ上の金属又は有機的なコンタミネーションの除去に特に適合する。ＨＦ水溶液中のオゾン溶解度が増加すると、ＯＨ基の形成が増加し、結果として、洗浄された表面の粒子の減少を促進する。この方法では、酸化物が除去された後、溶液のＨＦの濃度が０％へ減少する。従って、オゾンの流れが純粋なＤＩ水（脱イオン水）を通り、ＨＦ処理のために疎水性となったシリコンウェーハ表面が、溶液槽から親水性を得ることができる。
親水性の接合方法では、ウェーハ表面上に水の最適条件を与えることが、さらに必要となる。過多な水は、接合面での広範囲の水の含有、又は水蒸気の泡の発生につながり、ウェーハの分離を起こす。それゆえに、接合の前にウェーハ表面上に数原子のみの水の層を得るために、ＤＩ水の極めて正確なゆすぎ及び乾燥の方法をウェーハに適用しなければならない。
本発明の目的は、基板の接合可能な表面の効率的な形成が容易であり、当該形成に適する、上記のタイプの方法と装置とを創作することである。
上記目的は、ウェットケミカルエッチングをした後、続けて、表面をオゾンガスの雰囲気に露出することを特徴とする、上記のタイプの方法で達成される。
本発明の方法は、非常に単純かつ効果的な技術で、接合に適する粘着表面の形成を可能とする。表面上の酸化物を除去するウェットケミカルエッチングによって形成された純粋な表面の部位を、単にガスの雰囲気中の酸素で飽和させるというものである。その結果、純粋な酸化物の層を基板の表面上に作ることができ、乾式の方法で表面を親水性にすることができる。これにより、２つの接合した表面間の粘着の質を高める粘着表面がもたらされる。
本発明の方法は、表面を親水性かつ乾燥したものとする効果を有する。それにより、表面の再度のコンタミネーションを減少させることができ、形成された粘着表面は、湿気がある親水性のウェーハと比較して、少ない粒子濃度を有するものである。
シリコンウェーハの使用では、表面はウェットケミカルエッチングのみがされなければならない。当該ウェットケミカルエッチングは、表面の二酸化ケイ素を除去し、疎水性の表面を作りだす。ケミカルエッチングの後、続けて、オゾンガスの雰囲気中で親水性にさせることができる。この方法によって、高密度のシラノール部位（Ｓｉ−ＯＨ）が表面上に形成されるが、少量の水分子しか当該部位に吸収されない。
本発明の更なる実施形態では、エッチング液は、フッ化水素酸水溶液（ＨＦ）からなる。
ＨＦは酸化物、特に二酸化ケイ素の良好なエッチング液であり、効果的に基板の表面から酸化物を除去する。
本発明の別の実施形態では、エッチング液は、フッ化水素、フッ化アンモニウム及び水の成分を含む。
エッチング液のそれらの成分で、シリコンのような表面の上の酸化物、特に二酸化ケイ素を、極めて効果的に除去することができる。
本発明の好ましい実施形態では、ケミカルエッチングをする時間が、約５秒〜約３０分の範囲にある。
この比較的短い時間で、基板表面上の、特に自然酸化物を完全に除去することができる。当該除去により、続いてのオゾンガスへの露出の良好な基礎としての、基板の純粋な表面を得ることができる。
本発明の有効な実施形態では、ケミカルエッチングの温度が、約１９℃〜約２５℃の室温から約８０℃までの間の範囲にある。
この温度範囲では、基板表面の酸化物を効果的に取り除くことができ、続いてのオゾンガスへの露出の良い基礎を得ることができる。
本発明の更なる変形例では、基板を溶液槽でエッチングし、当該基板を溶液槽から取り出す時、当該基板をオゾンガスの雰囲気を含んだ室に直接、搬入する。
この方法を用いると、エッチングされた表面の再度のコンタミネーションを防止することができる。なぜならば、基板がエッチング溶液槽から引き出された後、エッチングされた表面を直ちに、酸素で飽和させることができるからである。
上記目的は、以下の装置により、更に達成されうる。その装置とは、他の基板の表面との結合が可能である基板、特にシリコンウェーハの粘着表面の形成装置であり、前記表面（粘着表面）から酸化物を除去するためのエッチング液が入れられた溶液槽を有し、前記溶液槽がガスの雰囲気を有する室に隣接しているものをいう。そして、この装置は、前記室内の前記雰囲気がオゾンガスの雰囲気となっていることを特徴としている。
単純であるが効果的な本装置を用いると、基板を溶液槽から直接、ガスの雰囲気に搬入することができる。これにより、エッチング後直ちにオゾンガス雰囲気中にて酸素で飽和される純粋な表面部位を得るため、基板の表面を溶液槽で効果的に洗浄することを可能とする。本装置で形成された表面は、良好な粘着性を有し、接合に適している。
本発明の更なる実施形態では、上記室を密閉された設備の中に備える。
密閉された設備は、設備中の必要なオゾン濃度を保証し、外部からの如何なるコンタミネーションをも防ぐ。それにより、一定の酸素で飽和されて良好な親水性を有する表面を形成することが可能となる。
本発明の更に有効な実施形態では、上記設備をオゾン発生器と連結する。
オゾン発生器は、上記設備の中にオゾン雰囲気を供給し、上記設備は、良好な乾燥した親水性の基板表面を得るために、エッチングされた表面上の表面部位を酸素で飽和させるのに十分高い濃度を有するようになる。
以下、本発明の有効な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明に係る装置１を示す。装置１は密閉されたコンテナ２を含んでいる。コンテナ２は、オゾン発生器１１と連結する入口３、及び廃物処理（図示せず）に繋がる出口４を備える。
コンテナ２の中には溶液槽５が配置されている。溶液槽５にはエッチング液６が入れられている。エッチング液６はフッ化水素酸水溶液（ＨＦ）６から成る。溶液槽５は、更にオゾンを含ませることができる。他に採るべき実施形態として、溶液槽５には、更にフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）を含ませることができる。溶液槽５は、加熱器１０と連結している。加熱器１０は、溶液槽５の温度を約１９℃〜約２５℃の室温から８０℃までの温度に調整することができる。溶液槽５内のセンサ１３で、その温度は制御されている。溶液槽５内での一定の温度及びエッチング液６の一定の濃度を保つため、溶液槽５を再循環し、ろ過することができる。
ウェーハホルダ８は、コンテナ２内に設けられている。ウェーハホルダ８は、テフロンなどの耐エッチング材料で作られている。１枚以上のシリコンウェーハ７をウェーハホルダ８内にて垂直状態あるいは傾斜状態で立てる。ウェーハ７は縁でウェーハホルダ８によって支えられ、従って、大きな平坦状の表面はむき出しとなっており、流体が接することができるようになっている。
コンテナ２の内室は、オゾン濃度が１〜１５ｐｐｍの範囲であるオゾンガスの雰囲気１６を含む。室９の雰囲気に、ＨＦ蒸気及び空気を更に含ませることができる。
図２〜図７に、本発明の実施形態の方法のステップに応じた、それぞれ異なる状態のシリコンウェーハ７を示す。
図２に、大きく平らな表面１５の上に自然のケイ素酸化物の層１２を有するシリコンウェーハ７を示す。自然酸化物１２はそれぞれ、数オングストロームの厚さである。図１に示すように、かかる状態の１枚又は複数枚のウェーハ７をウェーハホルダ８に、垂直あるいは傾けた状態で立たせるように、入れることができる。
ウェーハ７を含むウェーハホルダ８を、エッチング液６が入れられた溶液槽５に、図１の矢印Ａで示すように浸し、それにより、図３に示すようにエッチング液６はウェーハ７を完全に包囲する。
図示実施形態では、エッチング液６は約６０℃の温度である。別の実施形態では、エッチング液の温度を、およそ室温と約８０℃との間の別の値で調整することができる。
図３に示すように、エッチング液６、詳細にはＨＦは二酸化ケイ素１２と反応する。数秒〜数分経過後、自然酸化物１２は表面１５から完全に除去される。図４に示すように、残った純粋なシリコン表面１５は、その後、水素（Ｈ）で基本的に飽和する。
図５に示す次のステップでは、ウェーハホルダに立てられたエッチング済みウェーハ７を溶液槽５から取り出し、オゾンガスの雰囲気１６へ直接搬入する。ここで、オゾンガスの雰囲気１６は、コンテナ２の内室９内で、溶液槽５を包囲している。そこで、オゾン（Ｏ３）が表面１５の上の水素と反応し、表面１５上にシラノール部位（−Ｓｉ−ＯＨ）を形成する。
ステップ６では、上記のようにエッチングをされた２枚のシリコンウェーハ７を、接合するための装置（図示せず）へ、同時に搬入する。これらのウェーハを、従来の方法で接合する。上記従来の方法とは、一方のウェーハ７を他方のウェーハ７の上に置き、上側のウェーハに圧力をかけ、それにより、それらの間に、自発的な接合の波が広がり、接合したウェーハ対が形成されるというものである。図６及び図７に示すように、ウェーハ７の向かい合った表面１５の隣接するシラノール部位（−Ｓｉ−ＯＨ）は、特定の温度で互いに反応し、シロキサン部位（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）と水とになる。その後、ウェーハを約５００℃の温度で熱処理する。接合したウェーハは、室温で、０．２８ＭＰａ〜０．３８ＭＰａの間の範囲での、極めて良好な接合強度を示す。
上記の実施形態は、シリコンウェーハを参照して、本発明の方法を示したものであるが、本方法は、接合可能な金属、半導体、及び伝導性の無い物質のどのような磨き上げられた表面にもまた適用することができる。本方法は、表面に二酸化ケイ素を有する他のシリコンウェーハと接合しうる、単一のシリコンウェーハにもまた適用することができる。更に、予め洗浄された表面を得るために、従来のＲＣＡ洗浄を用いたウェットケミカルエッチング、又はプラズマ処理の前に、ウェーハを洗浄することができる。
本発明の装置の実施形態を示す図である。 図２〜図７は、本発明による実施形態を、本発明の方法におけるいくつかのステップをもって示しており、図２は、ウェットケミカルエッチングの前に、表面に自然酸化物があるシリコンウェーハを示す図である。 エッチング液入りの溶液槽内でエッチングをされている図２のシリコンウェーハを示す図である。 溶液槽でエッチングをされた後の図２及び図３のシリコンウェーハを示す図である。 溶液槽からオゾン中へ搬入された図２〜図４のシリコンウェーハを示す図である。 他のシリコンウェーハと接合している図２〜図５のシリコンウェーハを示す図である。 熱処理をされた、図６の接合したウェーハ対を示す図である。
符号の説明
１…基板の粘着表面形成装置、２…コンテナ、３…入口、４…出口、５…溶液槽、６…エッチング液、７…シリコンウェーハ、８…ウェーハホルダ、９…室、１０…加熱器、１１…オゾン発生器、１２…二酸化ケイ素、１３…センサ、１５…シリコン表面、１６…オゾンガスの雰囲気。

Claims (9)

  1. 他の基板の表面との結合が可能である基板、特にシリコンウェーハ（７）の粘着表面を形成する方法であり、前記表面が、当該表面から酸化物（１２）を除去するために、エッチング液（６）を用いたウェットケミカルエッチングによって処理される、前記方法において、
    ウェットケミカルエッチングをした後、続けて、前記表面をオゾンガスの雰囲気（１６）に露出することを特徴とする方法。
  2. 前記エッチング液（６）は、フッ化水素酸水溶液（ＨＦ）から成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記エッチング液（６）は、フッ化水素（ＨＦ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）及び水の成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. ケミカルエッチングをする時間が、約５秒〜約３０分の範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. ウェットケミカルエッチングの温度が、約１９℃〜約２５℃の室温から約８０℃までの範囲にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記基板を溶液槽（５）でエッチングし、当該基板を溶液槽から取り出す時、当該基板をオゾンガスの雰囲気（１６）を含んだ室（９）に直接、搬入することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 他の基板の表面との結合が可能である基板、特にシリコンウェーハ（７）の粘着表面を形成する装置（１）であり、前記表面から酸化物（１２）を除去するためのエッチング液（６）が入れられた溶液槽（５）を有し、前記溶液槽がガスの雰囲気を有する室（９）に隣接している、前記装置であって、
    前記室の中の前記雰囲気は、オゾンガスの雰囲気（１６）であることを特徴とする装置。
  8. 前記室（９）を、密閉された設備（２）の中に備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
  9. 前記設備（２）を、オゾン発生器（１１）と連結することを特徴とする請求項８に記載の装置。
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