JP2011514669A - ２つの基板を結合するための加工 - Google Patents

Abstract

本発明は２つの基板、特に２つの半導体基板を結合するための方法に関し、その方法の信頼性を間然することを可能にするために、基板の結合表面上に気体流を供給する工程を提供する。また、本発明は対応する結合装置に関する。

Description

本発明は、分子付着により２つの基板を結合する技術分野に関する。

結合は２つの基板を接着する１つの方法であり、Smart Cut（商標）と呼ばれるシリコン・オン・インシュレータ製造技術における応用が見いだされている。分子付着による結合は、２つの基板が密着状態にされる際の技術であり、それら基板の表面特性は、さらなる接着剤の適用なしにそれらを粘着するようなものである。結合のプロセスは、具体的には、密着状態で配置された２つの基板に対して局所的に圧力を印加することにより開始され、次に結合前線はそれら２つの基板の全界面にわたって広がる。

国際公開第２００７／０６０１４５号パンフレットは分子付着による結合のためのプロセスを開示している（特許文献１参照）。その中に記載されている結合方法は、結合の前に基板の一方および／または他方の表面状態を改質することからなる工程を含み、結合前線の伝播速度を調節することを可能にする。表面状態は、結合される基板の一方および／または他方の表面を局所的または均一に加熱することによって改質される。加熱は、結合前の基板の表面から水を消失させるのに役立ち、それは結合欠陥を最小限にすることを可能にする。結合欠陥は、たとえば、いわゆるエッジ・ボイド欠陥であり、それは界面における水の存在によってもたらされる。Smart Cut（商標）プロセスにおいて、この種の欠陥は、最終製品（たとえばＳＯＩウェーハ）における非転写区域の存在をもたらす恐れがある。

国際公開第２００７／０６０１４５号パンフレットのプロセスを用いてさえ、製造ラインにおいて、結合ツール内部で結合される基板の数とともに欠陥数が増大することが観察されている。

国際公開第２００７／０６０１４５号パンフレット

よって、本発明の目的は、結合欠陥の増大を低減することができる方法を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の方法により達成される。驚くべきことには、結合前に基板の結合表面上に気体流を供給することによって、以前に観察された結合欠陥の増大を停止ないし少なくとも低減することができた。

本発明の好ましい実施形態によれば、気体流は２つの基板の間に供給される。この場合、表面のフラッシングは、まさに基板が接触するまで実施することができる。そのようにすることによって、気体流の有益な効果をさらに高めることができる。

好ましくは、気体流は層流であることができる。気体流を供給することによって、そうでなければ結合のために用いられるツールの環境に飽和している可能性のある水を、結合表面から除去することができる。層流を供給することによって、乱流に起因する水の再導入を防止することができる。

有利には、流れは、基板の結合表面に本質的に平行であることができる。この特徴を用いることによって、水除去の有益な効果をさらに高めることができる。

好ましくは、気体流を加熱して、加熱された気体流を用いて熱処理の少なくとも一部を実施するようにすることができる。よって、放射手段または伝導手段を通した基板の加熱に加えて、追加的な対流加熱を提供することができる。

好ましい変形例によれば、加熱された気体流を用いて、熱処理を完全に実施することができる。この場合、熱処理および／または結合を実施するために必要な装置は、追加の加熱デバイスを必要としない。

好ましい実施形態によれば、気体流は２つの基板の接触前に停止される。言い換えれば、気体流を２つの基板が未だ接触していない間に供給して、まさに結合の時点までに有利な効果を達成する。ひとたび基板が結合されたならば、気体流はもはや必要ではなく、プロセスを経済的に実施するために停止される。

好ましくは、気体流の気体は１０×１０^-3Ｗ／ｍＫより良好な熱伝導率を有することができる。熱伝導率が高いほど、気体をより容易に加熱し、さらに基板に対して熱をより容易に伝達することができ、それはプロセス全体をさらに改善する。

有利には、気体流は、窒素および／または不活性ガス（特にアルゴン）を含むことができる。特に、気体流は、少なくとも１０％のこれら元素の１つまたは複数から構成される。さらに、窒素は２４×１０^-3Ｗ／ｍＫの十分に高い熱伝導率を有し、アルゴンはＴｃ（Ａｒ）＝１６×１０^-3Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。加えて、たとえばＨ₂／Ａｒ、Ｃｌ₂／ＡｒまたはＦ₂／Ａｒなどの気体の混合物に依存するが、欠陥を低減しつつ、疎水性表面を結合することができる。疎水性Ｓｉ表面は、Ｓｉダングリングボンドおよび／またはＳｉ−Ｈ（低極性結合）によって、Ａｒ／Ｆ₂（１０％Ｆ₂）気体の場合には少量のＳｉ−Ｆまたは

結合で終端されているはずである。非常に高極性であるが、それら結合は、

架橋によって、水を用いない結合を可能にする。

好ましい変形例によれば、気体流処理は、数秒から開始され数分までの時間にわたって実施することができる。追加の熱源が提供される場合においては、数秒の気体流が所望の結果を得るのに十分である。よって、本プロセスを迅速かつ信頼性の高い方法で行うことができる。一方、十分に長い時間（典型的には分のオーダー）にわたって本プロセスを提供することによって、追加の熱源なしに本プロセスの利点を同様に達成することができる。

好ましくは、気体流は、室温（典型的には１９〜２４℃）から１００℃までの範囲内の温度を有することができる。この温度範囲の気体流を用いて、長期にわたって最良の結果を達成することができた。

有利には、気体流は、酸化性雰囲気（特に空気、またはＮ₂中２０％Ｏ₂）中に、および／または低湿度の乾燥雰囲気に供給することができる。

本発明の目的は、同様に、請求項１４に記載の２つの基板を結合するための装置によって達成することができる。２つの基板を結合するための本発明の装置は、気体流を供給するための手段を含み、請求項１に関して既に前述したものと同一の利点を達成することができる。

好ましくは、気体流を供給するための手段は、通気システムおよび／または吸引システムおよび／または１つまたは複数の気体注入口を含むことができる。そのようなシステムを用いて、必要な気体流を単純かつ信頼性の高い方法で供給することができる。

好ましくは、気体流を供給するための手段を、層流を供給するように設計することができる。そのようにすることによって、前述のように、最終的に基板の結合表面の領域において所望されない水分子の再導入をもたらす恐れのある乱流が防止される。

有利な実施形態によれば、気体流を供給するための手段を、基板表面に本質的に平行な気体流を供給するように設計することができる。この設計において、最適化された結果を達成することができる。

好ましくは、気体流を供給するための手段は、特に１００℃までの温度に気体流を加熱するための手段を含む。そのようにすることによって、基板表面からさらに多くの水を除去することができる。

本発明の第１の実施形態のプロセスを示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は各工程を示す図である。 本発明のコンセプトを示す３Ｄ概念図である。 本発明の結合装置を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の有利な実施形態を詳述する。

図１（ａ）〜（ｃ）は、２つの基板を結合する本発明のプロセスの３つの実施形態を示す。図１（ａ）に例示される第１工程は、結合チャンバー５内に２つの基板１および３を提供する工程からなる。この実施形態において、基板１および３は、半導体ウェーハであり、特にその上に追加の層が提供されているかまたは提供されていないシリコンウェーハである。それらは、半導体表面または（たとえば自然酸化物のような）絶縁性表面のいずれかを有する。

結合チャンバー５に導入する前に、２つの基板１および３を処理して、結合を実施することを可能にするのに必要な表面特性を有するようにする。チャンバー５内において２つの基板１および３は、互いに対してそれぞれの結合表面７および９を対向させる。それらは、特定の距離をおいて、互いに平行な状態で保持される。それらを結合すること可能にするために、結合チャンバー５は、２つの基板１および３を互いに対して移動させる手段（不図示）を含み、それらを接触させることができるようにする。

本発明の次の工程を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）のパートＩは第１の実施形態を示し、図１（ｂ）のパートIIは第２の実施形態を示し、図１（ｂ）のパートIIIは第３の実施形態を示す。

第１の実施形態によれば、２つの基板を提供する工程（図１（ａ））の後に、たとえばランプ１１または任意の他の適当な加熱手段（たとえば、基板ホルダー（不図示）の内部に提供されるようなもの）を用いて、基板を加熱する。本発明のこの実施形態によれば、矢印で示される気体流１３は、２つの基板１および３の間に供給され、それぞれの表面７および９上を移動（スイープ）する。図２は、この状況を概略的に３次元的に示す。図２は、互いに対して結合表面７および９を対向させている２つの基板１および３を示す。その間に、気体流１３を供給し、２つの基板の間に非密閉雰囲気を形成するようにする。

非密閉雰囲気の提供は、表面７および９から脱吸着した水が気体流１３に捕捉され、基板から運び去られるという利点を有する。これは、ウェーハ毎の水分子の蓄積に起因する結合チャンバー５内部の雰囲気の飽和を防止する。したがって、ウェーハ毎に表面７および９からの必要な水分子の除去を達成できるため、結合品質を一定に保つことが可能となる。典型的には、気体流は数秒にわたって供給され、所望される効果を達成する。

この実施形態において、気体流は層流であり、それは、既に運び去られた水の再導入をもたらす恐れがある乱流を防止する。本発明のプロセスをさらに最適化するために、流れは、図２に示されるように、流れは基板１および３の表面７および９に平行に供給される。該実施形態による気体流は、アルゴン、窒素、および／または他の不活性ガス、またはそれらの混合物からなる。この実施形態において、気体流の温度は、略室温、典型的には１９℃〜２４℃の範囲内である。

疎水性結合を提供するために、圧力および温度が制御されたチャンバー内のＨ₂／Ａｒ混合物、Ｃｌ₂／Ａｒ混合物またはＦ₂／Ａｒ混合物を用いることができる。

図１（ｂ）のパートIIは本発明の第２の実施形態を示す。パートＩにおいてと同一の参照符号を有する要素については再度の詳述をしない。それらの記載は、参照により本説明に組みこまれる。

第１および第２の実施形態の間の差異は、第２の実施形態において結合チャンバー５が加熱手段１１をもはや含まないことである。この場合、依然として室温である気体流１３を、より長い時間、特に数分にわたって適用して、ウェーハ１および３の表面から第１の実施形態と同一の量の水を排除することを可能にする。よって、この実施形態において、追加の加熱デバイスの必要のない、単純化された結合チャンバーを使用することができる。

図１（ｂ）のパートIIIは本発明の方法の第３の実施形態を示す。繰り返しになるが、上記の記載で用いられたものと同一の参照符号については詳述しない。しかしながら、それらの記載は、参照により本説明に包含される。

第２の実施形態と比較した際の第３の実施形態の差異は、室温の気体流１３を用いることに代えて、本実施形態の気体流１３’が室温より高い温度、特に１００℃までの温度を有することである。そのようにすることによって、繰り返しになるが、第２の実施形態に比較してより短い時間にわたって気体流１３’を適用する間に、基板１および３の表面７および９から水を除去することが可能となる。同時に、第１の実施形態に存在するような追加の加熱手段を必要としない。

最良の結果のためには、気体流は、（少なくとも１０％のパーセンテージまでの）高い熱伝導率を有する不活性ガスまたはそれらの混合物から構成して、気体から基板１および３への必要な熱移動を最適化できるようにするべきである。それとは無関係に、気体流１３’の特徴は、気体流１３の特徴と合致する。特に、気体流は、表面７および９に平行な層流であるべきである。

もちろん、実施形態１〜３は、自由に組み合わせることができ、たとえば、室温より高い温度を有する気体流１３’をさらなる加熱手段１１と組み合わせて用いて、結合前の熱処理の一部を気体流によって提供し、残余の部分を加熱手段１１によって提供するようにすることができる。

図１（ｃ）は、本発明の第３の工程を示し、２つの基板１および３を密着させ、それによって結合を開始することからなる。結合は、典型的には、弱い圧力の局所的印加によって開始され、引き続いて結合前線が全界面にわたって広がる。

基板１および３が接触する状況の直前において、基板１および３の間の気体流を停止することができる。

本発明の方法は、結合される基板の表面に吸着された水の除去を、先行技術に比較して、信頼性が高く、かつ反復可能な方法で可能にすることである。結合界面における水の量の減少に起因して、結合欠陥が減少し、ひいては結合される基板の品質をより良好にする。本発明のプロセスは、電子産業用シリコン・オン・インシュレータ基板を形成するのに用いられる、いわゆるSmart Cut（商標）型プロセスにおいて特に興味深い。該プロセスは、ドナー基板からハンドル基板へと層を転写する工程からなり、ドナー基板およぎハンドル基板は結合により実現される。

上記の実施形態１〜３において、気体流１３、１３’は、結合チャンバー５の内部で、対向する２つの基板１および３の間に供給される。また、本発明の変形例（不図示）によれば、気体流による結合表面７および９のフラッシングを、チャンバー５内に基板１および３を導入する直前に、結合チャンバー５の外部で実施することもできる。この構成において、基板７および９を、個別に、同時に、または順次的に、洗浄（スイープ）することができる。さらに、不活性ガス中で２つの基板を移動させることによって、非密閉雰囲気を達成することもできる。

図３は、２つの基板を結合するための本発明の装置の１つの実施形態を示す。例示された結合装置２１は、実施形態１〜３に関して上述された結合チャンバー５として役に立つことができる。

結合装置２１は、チャンバー２３を含む。チャンバー内部に、基板ホルダー２５が提供され、結合表面７および９が対向するように基板１および３を保持する。

本発明によれば、結合装置２１は、２つの基板１および３の間に気体流を供給するための手段２５ａおよび２５ｂを含む。この実施形態において、気体流を供給するための手段は、気体流１３を供給するための通気システム２５ａを含み、次いで気体流１３は吸引システム２５ｂにより吸引され、基板１および３の表面から脱吸着した水分子を含む流れが除去される。

代替として、通気システム２５ａを用いることに代えて、対応するガス供給源と接続された１つまたは複数の気体注入口を提供することもできる。気体流を供給するための手段は、好ましくは気体流１３を層流とするように配置または設計されることに言及することは重要である。その利点は前述されている。さらに、気体流を供給するための手段は、好ましくは、気体流が基板表面に平行になるように設計される。変形例によれば、通気システム２５ａは、いくつかの方向から来る２つ以上の気体流を有するように設計することもできる。

実施されるプロセス（図１（ｂ）のパートＩを参照）に依存して、結合装置は、たとえばランプなどの加熱手段２７をさらに含むことができる。加熱手段２７をウェーハの中心または端部に配置して、結合されるウェーハの表面を局所的または全体的に加熱することができる。

Claims (15)

1. ２つの基板、特に２つの半導体基板を結合させる方法であって、結合させる前に、該基板（１，３）の結合表面（７，９）上に気体流（１３）を供給し、該気体流（１３）は、該基板が接触するまで該２つの基板（１，３）の間に供給されることを特徴とする方法。
2. 気体流（１３）が層流であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 気体流（１３）が該基板（１，３）の表面（７，９）に本質的に平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 気体流（１３，１３’）が室温から１００℃までの範囲の温度を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 気体流（１３，１３’）が、該２つの基板（１，３）の熱処理中に供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
6. 気体流（１３’）を加熱し、該熱処理の少なくとも一部が、加熱された気体流（１３’）を用いて実施されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 該熱処理が、完全に、加熱された気体流（１３’）を用いて実施されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 気体流（１３）が１０×１０^-3Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 気体流（１３）が、窒素および／または不活性ガス、特にアルゴンを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 気体流処理が数秒から開始され数分までの時間にわたって実施されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 気体流（１３）は、酸化性雰囲気、特に空気すなわちＮ₂中２０％Ｏ₂に、および／または低湿度の乾燥環境中に供給されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. ２つの基板（１，３）を結合するための装置であって、該装置は、該２つの基板（１．３）の間に気体流（１３）を供給するための手段（２５ａ，２５ｂ）を含み、該手段（２５ａ，２５ｂ）は、層流の気体流を供給するように設計されていることを特徴とする装置。
13. 該気体流を供給するための手段は、通気システム（２５ａ）および／または吸引システム（２５ｂ）および／または１つまたは複数の気体注入口を含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 該手段（２５ａ，２５ｂ）は、該基板の表面（７，９）に本質的に平行な気体流（１３）を供給するように設計されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の装置。
15. 該気体流を供給するための手段（２５ａ，２５ｂ）は、該気体流を特に１００℃まで加熱するための手段（２７）をさらに含むことを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の装置。

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