JP2014516469A - ウェーハを永久的に結合する方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、第１の基板（１）の第１の接触面（３）を第２の基板（２）の第２の接触面（４）に結合する方法に関し、前記第２の基板（２）が少なくとも１つの反応層（７）を有する。該方法は、以下のステップを特に以下の順序で有する。すなわち、−第１の接触面（３）上のレザバー形成層（６）中にレザバーを形成するステップ、−レザバー（５）を第１の反応物又は反応物の第１の群で少なくとも部分的に充填するステップ、−前結合連結部を形成するために第１の接触面（３）を第２の接触面（４）と接触させるステップ、−第２の基板（２）を薄層化するステップ、並びに−第１及び第２の接触面（３、４）間の永久的結合を形成するステップであり、前記結合が、第１の反応物を第２の基板（２）の反応層（７）に含まれる第２の反応物と反応させることにより少なくとも部分的に強化される。
Description
本発明は、請求項１で請求する第１の基板の第１の接触面を第２の基板の第２の接触面に結合する方法に関する。
基板の永久的又は不可逆的結合の目的は、できる限り強く、特にできる限り不可逆的である相互接続、したがって、基板の２つの接触面の間の高い結合力を得ることである。従来技術においてこの目的のための様々なアプローチ及び生産方法が存在する。
現在までに採用された公知の生産方法及びアプローチは、再現させることができず又は不完全にしか再現させることができず、特に変化した状態にほとんど適用することができない結果をもたらすことが多い。特に、現在用いられている生産方法は、再現性のある結果を保証するために、高い温度、特に＞４００℃を使用することが多い。
エネルギー消費が高いこと及び基板上に存在する構造の破壊が起こり得ることなどの技術的問題は、高い結合力を得るために現在まで必要であった３００℃をはるかに上回る高温にある程度起因する。
他の要求は、下記の事項にある。
−フロントエンドオブライン適合性
これは、電気的に活性な構成要素の生産時の工程の適合性と定義される。したがって、結合工程は、構造ウェーハ上に既に存在するトランジスタなどの活性構成要素が加工中に有害な影響も損傷も受けないように計画されなければならない。適合性の基準は、主として特定の化学的要素（主としてＣＭＯＳ構造における）の純度及び主として熱応力による機械的耐荷重性を含む。
−低汚染
−無加力
−特に異なる熱膨張係数を有する材料について、できる限り低い温度
−フロントエンドオブライン適合性
これは、電気的に活性な構成要素の生産時の工程の適合性と定義される。したがって、結合工程は、構造ウェーハ上に既に存在するトランジスタなどの活性構成要素が加工中に有害な影響も損傷も受けないように計画されなければならない。適合性の基準は、主として特定の化学的要素（主としてＣＭＯＳ構造における）の純度及び主として熱応力による機械的耐荷重性を含む。
−低汚染
−無加力
−特に異なる熱膨張係数を有する材料について、できる限り低い温度
結合力の低下は、構造ウェーハのより注意深い取扱いと、ひいては直接的な機械的負荷による破壊の可能性の低下につながる。
したがって、本発明の目的は、同時にできる限り低い温度におけるできる限り高い結合力を有する永久的結合の注意深い形成の方法を考案することである。
この目的は、請求項１の特徴により達成される。本発明の有利な展開を従属請求項に示す。本明細書に示す特徴の少なくとも２つのすべての組合せ、請求項及び／又は図も本発明の枠内に入る。所定の値の範囲において、表示限界内の値は、境界値としても開示されるように考慮され、いずれかの組合せにおいて請求される。
本発明の基本的概念は、基板の少なくとも１つにおける第１のエダクト（ｅｄｕｃｔ）を保持するためのレザバーを考案することであり、基板の間の接触を起こさせ又は一時的結合を形成させた後にそのエダクトは他の基板に存在する第２のエダクトと反応し、それにより、基板間の不可逆的又は永久的結合を形成する。第１の接触面上のレザバー形成層にレザバーを形成する前又は後に、一般的に、特にフラッシングステップによる基板又は複数の基板の洗浄を行う。この洗浄は、非結合部位をもたらすような粒子が表面上に存在しないことを一般的に保証するものである。レザバー及びレザバーに含まれるエダクトは、結合速度を増加させ、特に反応により接触面の少なくとも１つ、好ましくはレザバーの反対側の接触面を変形させることにより、一時的又は可逆的結合を専用の方法により形成させた後の接触面における永久的な結合を直接的に強固にする反応（第１のエダクト又は第１の群と第２のエダクト又は第２の群との）を誘導する技術的可能性をもたらす。本発明において請求するように反対側の第２の接触面上に、本発明において請求するように変形が起こり、第１のエダクト（又は第１の群）が第２の基板の反応層に存在する第２のエダクト（又は第２の群）と反応する成長層が存在する。第１のエダクト（又は第１の群）と第２のエダクト（又は第２の群）との反応を促進するために、本発明において請求するように、第２の基板の反応層とレザバーとの間に位置する成長層を、基板を接触させる前に薄くすることがもたらされる。その理由は、このようにして、反応相手の間の距離が減少し、同時に本発明において請求するように成長層の変形／形成が促進されるからである。成長層は、薄層化によって少なくとも部分的に、とりわけ大部分は、好ましくは完全に除去される。成長層は、完全に除去された場合でも、第１のエダクトと第２のエダクトとの反応で再び成長する。
本発明において請求するように、とりわけ第２の基板の反応層の不動態化により、好ましくはＮ２、フォーミングガス若しくは不活性雰囲気への曝露により又は真空中で又は非晶質化により、接触面を接触させる前に成長層の成長を抑制する手段が存在し得る。これに関連して、フォーミングガスを含む、とりわけ主としてフォーミングガスからなるプラズマによる処理は、とりわけ適切であることが立証された。ここで、フォーミングガスは、少なくとも２％、より有利には４％、理想的には１０％又は１５％の水素を含むガスと定義される。混合ガスの残りの部分は、例えば、窒素又はアルゴンなどの不活性ガスからなる。
或いは又はこの処置に加えて、本発明において請求するように、薄層化するステップと接触させるステップとの間の時間を最小限にすること、とりわけ２時間未満、好ましくは３０分未満、さらにより好ましくは１５分未満、理想的には５分未満にすることが有利である。それにより、薄層化の後に起こる酸化物の成長を最小限にすることができる。
成長層を介するエダクトの拡散速度は、薄くされ、したがって、永久的結合の形成の少なくとも開始時又は反応の開始時に非常に薄い成長層により増加する。これは、同じ温度においてエダクトの移動時間がより短くなることにつながる。
前結合ステップについては、基板の間の一時的又は可逆的結合を形成させることに関して基板の接触面間の弱い相互作用を発生させる目的について様々な可能性が存在する。前結合強さは、永久的結合を少なくとも２〜３倍、特に５倍、好ましくは１５倍、より好ましくは２５倍下回る。指針値として、純粋な非活性化親水性化ケイ素の前結合強さが約１００ｍＪ／ｍ２であり、純粋なプラズマ活性化親水性化ケイ素の前結合強さが約２００〜３００ｍＪ／ｍ２であることに言及する。分子濡れ基板（ｍｏｌｅｃｕｌｅ−ｗｅｔｔｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）間の前結合は、異なるウェーハ側の分子間のファンデルワールス相互作用に主として起因して生ずる。したがって、主として永久双極子モーメントを有する分子は、ウェーハ間の前結合を可能にするのに適する。以下の化合物は、例としてであるが、それらに限定されない相互接続物質として記載する。
−水
−チオール
−ＡＰ３０００
−シラン及び／又は
−シラノール
−水
−チオール
−ＡＰ３０００
−シラン及び／又は
−シラノール
本発明で請求する基板は、その材料がエダクトとして他の供給されたエダクトと反応して、より高い分子体積を有する生成物を生成することができ、その結果として基板上の成長層の形成がもたらされる。以下の組合せは、特に有利であり、矢印の左にエダクトの名称を示し、矢印の右に生成物／複数の生成物の名称を示し、供給されたエダクト又はエダクトと反応する副生成物は、具体的には名称を示さない。
− Ｓｉ → ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮｘＯｙ
− Ｇｅ → ＧｅＯ２、Ｇｅ３Ｎ４
− α−Ｓｎ → ＳｎＯ２
− Ｂ → Ｂ２Ｏ３、ＢＮ
− Ｓｅ → ＳｅＯ２
− Ｔｅ → ＴｅＯ２、ＴｅＯ３
− Ｍｇ → ＭｇＯ、Ｍｇ３Ｎ２
− Ａｌ → Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ
− Ｔｉ → ＴｉＯ２、ＴｉＮ
− Ｖ → Ｖ２Ｏ５
− Ｍｎ → ＭｎＯ、ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ７、Ｍｎ３Ｏ４
− Ｆｅ → ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４
− Ｃｏ → ＣｏＯ、Ｃｏ３Ｏ４，
− Ｎｉ → ＮｉＯ、Ｎｉ２Ｏ３
− Ｃｕ → ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ｃｕ３Ｎ
− Ｚｎ → ＺｎＯ
− Ｃｒ → ＣｒＮ、Ｃｒ２３Ｃ６、Ｃｒ３Ｃ、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ３Ｃ２
− Ｍｏ → Ｍｏ３Ｃ２
− Ｔｉ → ＴｉＣ
− Ｎｂ → Ｎｂ４Ｃ３
− Ｔａ → Ｔａ４Ｃ３
− Ｚｒ → ＺｒＣ
− Ｈｆ → ＨｆＣ
− Ｖ → Ｖ４Ｃ３、ＶＣ
− Ｗ → Ｗ２Ｃ、ＷＣ
− Ｆｅ → Ｆｅ３Ｃ、Ｆｅ７Ｃ３、Ｆｅ２Ｃ
− Ｓｉ → ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮｘＯｙ
− Ｇｅ → ＧｅＯ２、Ｇｅ３Ｎ４
− α−Ｓｎ → ＳｎＯ２
− Ｂ → Ｂ２Ｏ３、ＢＮ
− Ｓｅ → ＳｅＯ２
− Ｔｅ → ＴｅＯ２、ＴｅＯ３
− Ｍｇ → ＭｇＯ、Ｍｇ３Ｎ２
− Ａｌ → Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ
− Ｔｉ → ＴｉＯ２、ＴｉＮ
− Ｖ → Ｖ２Ｏ５
− Ｍｎ → ＭｎＯ、ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ７、Ｍｎ３Ｏ４
− Ｆｅ → ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４
− Ｃｏ → ＣｏＯ、Ｃｏ３Ｏ４，
− Ｎｉ → ＮｉＯ、Ｎｉ２Ｏ３
− Ｃｕ → ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ｃｕ３Ｎ
− Ｚｎ → ＺｎＯ
− Ｃｒ → ＣｒＮ、Ｃｒ２３Ｃ６、Ｃｒ３Ｃ、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ３Ｃ２
− Ｍｏ → Ｍｏ３Ｃ２
− Ｔｉ → ＴｉＣ
− Ｎｂ → Ｎｂ４Ｃ３
− Ｔａ → Ｔａ４Ｃ３
− Ｚｒ → ＺｒＣ
− Ｈｆ → ＨｆＣ
− Ｖ → Ｖ４Ｃ３、ＶＣ
− Ｗ → Ｗ２Ｃ、ＷＣ
− Ｆｅ → Ｆｅ３Ｃ、Ｆｅ７Ｃ３、Ｆｅ２Ｃ
以下の混合形の半導体も基板として考えられる。
− ＩＩＩ−Ｖ：ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ
− ＩＶ−ＩＶ：ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、
− ＩＩＩ−ＩＶ：ＩｎＡｌＰ、
−非線型光学：ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）
−太陽電池：ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ２、ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＩｎＧａＳ２
−伝導性酸化物：Ｉｎ２−ｘＳｎｘＯ３−ｙ
− ＩＩＩ−Ｖ：ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ
− ＩＶ−ＩＶ：ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、
− ＩＩＩ−ＩＶ：ＩｎＡｌＰ、
−非線型光学：ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）
−太陽電池：ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ２、ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＩｎＧａＳ２
−伝導性酸化物：Ｉｎ２−ｘＳｎｘＯ３−ｙ
本発明において請求するように、ウェーハの少なくとも１つに（それぞれの接触面に直接）、体積膨張反応のための特定の量の少なくとも１つの供給エダクトを保存することができるレザバー（又は複数のレザバー）が存在する。したがって、エダクトは、例えば、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ２等であり得る。系のエネルギーを低下させる反応相手の傾向に基づく、特に酸化物の成長により決定づけられる膨張により、接触面間の生じ得る隙間、孔隙及び空洞が最小限となり、これらの領域における基板の間の距離が狭められることにより、結合力がそれ相応に増加する。最善な可能な場合において、既存の隙間、孔隙及び空洞は、完全に閉鎖され、そのため、完全結合面積が増加し、ひいては、本発明において請求する結合力がそれに応じて増加する。
接触面は通常、０．２ｎｍの二次粗度（ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）（Ｒｑ）による粗度を示す。これは、１ｎｍの範囲における表面のピークピーク値に相当する。これらの経験値は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定した。
本発明において請求するような反応は、１単層（ＭＬ）の水を有する直径が２００〜３００ｍｍの円形ウェーハの通常のウェーハ面について成長層を０．１〜０．３ｎｍ成長させるのに適している。
本発明において請求するように、したがって、少なくとも２ＭＬ、好ましくは少なくとも５ＭＬ、より好ましくは少なくとも１０ＭＬの流体、特に水がレザバーに保存されることが特にもたらされる。
プラズマへの曝露によるレザバーの形成は、特に好ましい。その理由は、プラズマ曝露がさらに相乗効果として接触面の平滑化及び親水性化をもたらすからである。表面は、レザバー形成層及び場合によって反応層の物質の主として粘性流によるプラズマ活性化により平滑化される。親水性の増大は、特に以下の反応によるＳｉ−Ｏ−Ｓｉなどの表面上に存在するＳｉ−Ｏ化合物の好ましくは分解による、ケイ素ヒドロキシル化合物の増加によって特に起こる。
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋Ｈ２Ｏ←→２ＳｉＯＨ
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋Ｈ２Ｏ←→２ＳｉＯＨ
特に前述の効果の結果としての他の副次的効果は、前結合強さが特に２〜３倍改善することにある。
第１の基板の第１の接触面上のレザバー形成層における（及び場合によって、第２の基板の第２の接触面上のレザバー形成層の）レザバーは、熱酸化物で被覆された第１の基板の例えばプラズマ活性化により形成される。プラズマ活性化は、プラズマに必要な条件を調節することができるために真空チャンバー中で行われる。本発明において請求するように、プラズマ放電のために０〜２０００ｅＶの範囲のイオンエネルギーを有するＮ２ガス、Ｏ２ガス又はアルゴンガスを用い、その結果として、処理表面、この場合には第１の接触面の２０ｎｍまでの、好ましくは１５ｎｍまでの、より好ましくは１０ｎｍまでの、最も好ましくは５ｎｍまでの深さを有するレザバーが生成される。本発明において請求するように、レザバーを生成するのに適する粒子型、原子及び／又は分子を用いることができる。好ましくは必要な特性を有するレザバーを生成するそれらの原子及び／又は分子を用いる。該当する特性は、主として細孔径、細孔分布及び細孔密度である。或いは、本発明において請求するように、例えば、空気又は９５％Ａｒ及び５％Ｈ２からなるフォーミングガスなどのガス混合物を用いることができる。用いるガスによって、プラズマ処理中にレザバーにとりわけ次のイオンが存在する：Ｎ＋、Ｎ２＋、Ｏ＋、Ｏ２＋、Ａｒ＋。第１のエダクトは、レザバー／複数のレザバーの非占有自由空間に収容することができる。レザバー形成層と、それに応じてレザバーとが、反応層内に及び得る。
有利には、反応層と反応することができ、少なくとも部分的に、好ましくは大部分、第１のエダクトからなる異なる種類のプラズマ種が存在する。第２のエダクトがＳｉ／Ｓｉである限りにおいて、Ｏｘプラズマ種が有利であることとなる。
レザバー／複数のレザバーは、次の考慮すべき事項に基づいて形成される。すなわち、細孔径は、１０ｎｍより小さい、好ましくは５ｎｍより小さい、より好ましくは１ｎｍより小さい、さらにより好ましくは０．５ｎｍより小さい、最も好ましくは０．２ｎｍ小さい。
細孔密度は、好ましくは衝突作用により細孔を生成する粒子の密度に正比例し、最も好ましくは衝突種の分圧により変化させることができ、処理時間及び特に用いられるプラズマシステムのパラメーターに依存する。
細孔分布は、好ましくはプラトー状の領域に重ね合されるいくつかの最大細孔濃度の領域のパラメーターの変化による、表面下の最大細孔濃度の少なくとも１つの領域を有することが好ましい（図７参照）。細孔分布は、深さの増加とともにゼロに収束する。衝撃時の表面に近い領域は、表面近くの細孔密度とほぼ同じ細孔密度を有する。プラズマ処理の終了後は、表面上の細孔密度は、応力緩和機構の結果として低下し得る。表面に対して厚さ方向の細孔分布は、１つの急な側面を有し、バルクに対しては、むしろより平坦であるが、連続的に低下しつつある側面を有する（図７参照）。
細孔径、細孔分布及び細孔密度について、プラズマによらないすべての方法に同様な考慮すべき事項が適用される。
レザバーは、工程パラメーターの管理された使用及び組合せにより設計することができる。図７に酸化ケイ素層への浸透深さの関数としてのプラズマにより注入された窒素原子の濃度の表示を示す。物理的パラメーターの変化により２つのプロファイルを発生させることが可能であった。第１のプロファイル１１は、酸化ケイ素内により深くより高度に加速された原子により発生し、逆にプロファイル１２は、工程パラメーターをより低い密度に変化させた後に得られた。２つのプロファイルの重ね合せにより、レザバーに特有の和曲線１３が得られる。注入原子及び／又は分子種の濃度の間の関係は明らかである。より高い濃度は、より高い欠陥構造、したがって、その後のエダクトを収容するより多くの空間を有する領域を示す。プラズマ活性化時に専用の方法で特別に制御される工程パラメーターの連続的変化により、（分布）ができる限り均一である深さにわたる付加イオンの分布を有するレザバーを実現することが可能となる。
プラズマにより生成されるレザバーに代わるべきものとしてのレザバーとして、基板の少なくとも１つ、少なくとも第１の基板におけるＴＥＯＳ（テトラエチルオルトケイ酸塩）酸化物層の使用が考えられる。この酸化物は、熱酸化物より一般的に密度が低く、その理由のために本発明において請求するように圧縮が有利である。圧縮は、レザバーの規定の多孔度を設定する目的での熱処理によって起こる。
本発明の１つの実施形態によれば、レザバーの充填は、第１の基板にレザバーを、第１のエダクトを既に含んでいるコーティングとして施すことによりレザバーの形成と同時に特に有利に行われ得る。
レザバーは、ナノメートル範囲の多孔性を有する多孔質層、又は１０ｎｍより小さい、より好ましくは５ｎｍより小さい、さらにより好ましくは２ｎｍより小さい、最も好ましくは１ｎｍより小さい、すべての中で最も好ましくは０．５ｎｍより小さいチャンネル密度を有するチャンネルを有する層と考えられる。
本発明において請求する、第１のエダクト又はエダクトの第１の群によるレザバーの充填のステップについて、以下の実施形態（組合せも）が考えられる。
−周囲雰囲気にレザバーを曝露するステップ、
−とりわけ脱イオン化された水によりフラッシングするステップ、
−エダクトを含む又はそれ、とりわけＨ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、ＮＨ４ＯＨからなる流体によりフラッシングするステップ、
−任意のガス雰囲気、とりわけ原子ガス、分子ガス、ガス混合物にレザバーを曝露するステップ、
−水蒸気又は過酸化水素蒸気を含む雰囲気にレザバーを曝露するステップ及び
−エダクトで既に充填されたレザバーを第１の基板上にレザバー形成層として堆積させるステップ。
−周囲雰囲気にレザバーを曝露するステップ、
−とりわけ脱イオン化された水によりフラッシングするステップ、
−エダクトを含む又はそれ、とりわけＨ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、ＮＨ４ＯＨからなる流体によりフラッシングするステップ、
−任意のガス雰囲気、とりわけ原子ガス、分子ガス、ガス混合物にレザバーを曝露するステップ、
−水蒸気又は過酸化水素蒸気を含む雰囲気にレザバーを曝露するステップ及び
−エダクトで既に充填されたレザバーを第１の基板上にレザバー形成層として堆積させるステップ。
次の化合物は、エダクトとして可能である。すなわち、Ｏｘ ＋、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２及び／又はＮＨ４ＯＨ。
上で挙げた過酸化水素蒸気の使用は、水を使用することのほかの好ましい変形形態である。過酸化水素は、より大きい酸素対水素比を有するという利点をさらに有する。さらに、過酸化水素は、特定の温度以上で、及び／又はＭＨｚ範囲の高周波場の使用により、水素と酸素に解離する。
主として異なる熱膨張係数を有する物質を用いる場合、注目に値する温度上昇又はせいぜい局所的／固有の温度上昇を引き起こさない前述の種の解離のための方法の使用が有利である。特に、解離を少なくとも促進する、好ましくは引き起こすマイクロ波照射が存在する。
本発明の１つの有利な実施形態によれば、成長層の形成及び不可逆的結合の強化が反応層中への第１のエダクトの拡散によって起こることがもたらされる。
本発明の他の有利な実施形態によれば、不可逆的結合の形成が一般的に３００℃未満、有利には２００℃未満、より好ましくは１５０℃未満、さらにより好ましくは１００℃未満の温度で、最も好ましくは室温で、とりわけ最長１２日間、より好ましくは最長１日間、さらにより好ましくは最長１時間、最も好ましくは最長１５分間に起こることがもたらされる。他の有利な熱処理方法は、マイクロウェーブによる誘電加熱である。
ここで、不可逆的結合が１．５Ｊ／ｍ２より大きい、とりわけ２Ｊ／ｍ２より大きい、好ましくは２．５Ｊ／ｍ２より大きい結合強さを有するならば、それはとりわけ有利である。
反応中に、本発明において請求するように、第２のエダクトのモル体積より大きいモル体積を有する生成物が反応層中に生成するという点で、結合強さをとりわけ有利に増加させることができる。本発明において請求するように、接触面間の隙間を化学反応により閉鎖することができる結果として、このように第２の基板上の成長が達成される。結果として、接触面間の距離、したがって平均距離が減少し、デッドスペースが最小限になる。
レザバーの形成が、とりわけ１０から６００ｋＨｚの間の活性化周波数及び／又は０．０７５から０．２ワット／ｃｍ２の間の電力密度及び／又は０．１から０．６ｍバールの間の圧力による加圧を用いたプラズマ活性化により起こる限りにおいて、接触面の平滑化、また接触面の親水性の明らかな増加などのさらなる効果が達成される。
或いはそれに加えて、レザバーの形成は、レザバー形成層として特定の多孔度まで制御された仕方で圧縮されたテトラエトキシシラン酸化物層の使用によって本発明において請求するように起こり得る。
本発明の他の有利な実施形態によれば、レザバー形成層が、主として、とりわけ本質的に完全に、とりわけ非晶質の二酸化ケイ素、とりわけ熱酸化により生成したものからなり、反応層が易酸化性物質から、とりわけ主として、好ましくは本質的に完全にＳｉ、Ｇｅ、ＩｎＰ、ＧａＰ又はＧａＮ（又は上で代わるべきものとして言及した他の物質）からなることがもたらされる。既存の隙間をとりわけ効果的に閉鎖するとりわけ安定な反応は、酸化により可能になる。
ここで、本発明において請求するように、第２の接触面と反応層との間にとりわけ主として天然二酸化ケイ素（又は上で代わりになるべきものとして述べた他の物質）からなる成長層が存在することがもたらされる。成長層は、本発明において請求するように反応によって引き起こされる成長を受ける。成長は、非晶質ＳｉＯ２の再形成によるＳｉ−ＳｉＯ２転移（７）並びにそれによって引き起こされる変形、とりわけ反応層との界面上の、とりわけ第１及び第２の接触面間の隙間の領域における成長層のとりわけ膨張から発して起こる。これは、２つの接触面の間の距離の減少又はデッドスペースの減少を引き起こし、その結果として２つの基板の間の結合強さが増加する。２００℃から４００℃の間の温度、好ましくは約２００℃及び１５０℃、より好ましくは１５０℃から１００℃の間の温度、最も好ましくは１００℃から室温の間の温度がとりわけ有利である。成長層は、いくつかの成長領域に分けることができる。成長層は、同時に、反応を促進する他のレザバーが形成される第２の基板のレザバー形成層であり得る。
ここで、成長層が不可逆的結合の形成の前に０．１ｎｍから５ｎｍの間の平均厚さＡを有するならば、それはとりわけ有利である。成長層が薄いほど、成長層を介しての第１及び第２のエダクト間のとりわけ反応層への成長層を介する第１のエダクトの拡散による反応がより速やか且つ容易に起こる。成長層を介するエダクトの拡散速度は、薄くされ、したがって、永久的結合の形成の少なくとも開始時又は反応の開始時に非常に薄い成長層により増加する。これは、同じ温度におけるエダクトのより低い移動時間につながる。
ここで、本発明において請求する薄層化は、決定的に重要な役割を果たし得る。その理由は、反応がそれによりさらに促進することができ、且つ／又は温度をさらに低下させることができるからである。薄層化は、好ましくは湿潤雰囲気中で、より好ましくは原位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）でとりわけエッチングにより行うことができる。或いは、薄層化は、好ましくは原位置でとりわけ乾式エッチングにより行われる。ここで、原位置は、少なくとも１つの前及び／又は少なくとも１つの次のステップが行われる同じチャンバー内での実施を意味する。ここで用いる原位置の概念に含まれる他のシステム配置は、個々の工程チャンバー間の物質の輸送を、とりわけ真空環境中を除く、例えば、不活性ガスを用いて制御された方法で調節することができる雰囲気中で行うことができるシステムである。湿式エッチングは、蒸気相中で化学物質を用いて行われるが、乾式エッチングは、液体状態の化学物質を用いて行われる。成長層が二酸化ケイ素からなる限り、フッ化水素酸又は希フッ化水素酸を用いるエッチングを行うことができる。成長層が純Ｓｉからなる限り、エッチングはＫＯＨを用いて行うことができる。
本発明の１つの実施形態によれば、レザバーの形成が真空中で行われることが有利にもたらされる。したがって、望ましくない物質又は化合物によるレザバーの汚染を避けることができる。
本発明の他の実施形態によれば、レザバーの充填が以下に挙げる１つ又は複数のステップにより起こることが有利にはもたらされる。
−大気中水分及び／又は空気に含まれる酸素でレザバーを充填するために、第１の接触面を大気に曝露するステップ、
−第１の接触面をとりわけ主に、好ましくはほぼ完全に、とりわけ脱イオン化されたＨ２Ｏ及び／又はＨ２Ｏ２からなる流体に大気に曝露するステップ、
−第１の接触面をとりわけ０〜２０００ｅＶの範囲のイオンエネルギーを有するＮ２ガス及び／又はＯ２ガス及び／又はＡｒガス及び／又はとりわけ９５％Ａｒ及び５％Ｈ２からなるフォーミングガスに曝露するステップ、
−既に挙げたエダクトでレザバーを充填するための蒸着。
−大気中水分及び／又は空気に含まれる酸素でレザバーを充填するために、第１の接触面を大気に曝露するステップ、
−第１の接触面をとりわけ主に、好ましくはほぼ完全に、とりわけ脱イオン化されたＨ２Ｏ及び／又はＨ２Ｏ２からなる流体に大気に曝露するステップ、
−第１の接触面をとりわけ０〜２０００ｅＶの範囲のイオンエネルギーを有するＮ２ガス及び／又はＯ２ガス及び／又はＡｒガス及び／又はとりわけ９５％Ａｒ及び５％Ｈ２からなるフォーミングガスに曝露するステップ、
−既に挙げたエダクトでレザバーを充填するための蒸着。
レザバーが好ましくは０．１ｎｍから２５ｎｍの間、より好ましくは０．１ｎｍから１５ｎｍの間、さらにより好ましくは０．１ｎｍから１０ｎｍの間、最も好ましくは０．１ｎｍから５ｎｍの間の厚さＲで形成されるならば、それは、工程手順においてとりわけ有効である。さらに、本発明の１つの実施形態によれば、不可逆的結合の形成の直前のレザバーと反応層との間の平均距離Ｂが０．１ｎｍから１５ｎｍの間、とりわけ０．５ｎｍから５ｎｍの間、好ましくは０．５ｎｍから３ｎｍの間であるならば、それは有利である。本発明において請求する距離Ｂは、薄層化により影響され又はもたらされる。
方法を実施するための装置は、本発明において請求するように、レザバーを形成するためのチャンバー、レザバーを充填するためのとりわけ別個に備えられたチャンバー及び前結合を形成させるためのとりわけ別個に備えられたチャンバーで構成されており、それらのチャンバーのすべては、真空システムにより互いに直接的に接続されている。
他の実施形態において、レザバーの充填は、直接雰囲気を介して、したがって、雰囲気に開放させることができるチャンバー内又は覆われていないが、半自動的及び／又は完全に自動的にウェーハを取り扱うことができる単に構造上でも行われ得る。
本発明の他の利点、特徴及び詳細は、好ましい具体例としての実施形態の以下の記述から、また図面を用いて明らかになる。
同じ又は同等の特徴は、図における同じ参照番号により特定される。
図１ａに示す状況において、第１の基板１の第１の接触面３と第２の基板の第２の接触面４との間の前結合ステップ中又はその直後に進行する化学反応の一抜粋のみを示す［ｓｉｃ］。表面は、極性ＯＨ基で終わり、したがって親水性である。第１の基板１と第２の基板２は、表面上に存在するＯＨ基とＨ２Ｏ分子との間、またＨ２Ｏ分子単独間の水素結合の引力により保持される。少なくとも第１の基板１の親水性は、先行するステップにおけるプラズマ処理により増加していた。
代替実施形態による第１の基板１のプラズマ処理ととりわけ同時に、第２の基板２又は第２の接触面４をプラズマ処理にさらにかけることがとりわけ有利である。
熱二酸化ケイ素からなるレザバー形成層６におけるレザバー５並びに図１ｂによる代替実施形態におけるレザバー形成層６’における第２の反対側のレザバー５’は、プラズマ処理により本発明において請求するように形成された。レザバー形成層６、６’の下に第２のエダクト又はエダクトの第２の群を含む反応層７、７’が直接隣接している。０から２０００ｅＶの間の範囲のイオンエネルギーを有するＯ２イオンを用いたプラズマ処理により、レザバー形成層６におけるイオン形成チャンネル又は細孔である約１５ｎｍの平均厚さＲのレザバー５が得られる。
レザバー形成層６と反応層７との間に同時に少なくとも部分的にレザバー形成層６’であり得る第２の基板２上の成長層８が存在する。したがって、レザバー形成層６’と反応層７’との間にさらに他の成長層が存在し得る。
同様にレザバー５（及び場合によってレザバー５’）は、図１に示すステップの前及びプラズマ処理の後に第１のエダクトとしてのＨ２Ｏで少なくとも主として充填されている。プラズマ工程で存在するイオンの還元種、とりわけＯ２、Ｎ２、Ｈ２、Ａｒもレザバーに見いだすことができる。
レザバー／複数のレザバー５、５’の形成の前又は後、いずれの場合にも基板１、２を接触させる前に、成長層８（及び場合によって他の成長層）をエッチングにより薄層化する（ここではレザバー５の形成の後、図２参照）。このようにして第２の接触面４と反応層７との間の平均距離Ｂを減少させる。同時に第２の接触面４が有利なことに平坦になる。
接触面３、４は、図１ａ及び図１ｂに示す段階において接触した後に接触面３、４の間に存在する水によってとりわけ決定づけられる比較的に広い隙間をまだ有する。したがって、現存する結合強さは、比較的に低く、約１００ｍＪ／ｃｍ２から３００ｍＪ／ｃｍ２の間、とりわけ２００ｍＪ／ｃｍ２超である。これに関連して、前プラズマ活性化は、とりわけプラズマ活性化第１の接触面３の親水性の増大及びプラズマ活性化によってもたらされる平滑化効果により決定的に重要な役割を果たす。
図１に示され、前結合と呼ばれる過程は、好ましくは周囲温度又は最高５０℃で進行し得る。図３ａ及び図３ｂに−ＯＨ終端表面による水の分解により生ずる親水性結合、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ架橋を示す。図３ａ及び図３ｂにおける過程は、室温で約３００時間持続する。５０℃では約６０時間である。図３ｂにおける状態は、レザバー５（又はレザバー５、５’）を生成することなく表示温度で発生する。
接触面３、４の間にＨ２Ｏ分子が形成され、まだ自由空間が存在する程度までの少なくとも部分的にレザバー５におけるさらなる充填をもたらす。他のＨ２Ｏ分子は除去される。図１によるステップにおいて、ＯＨ基又はＨ２Ｏの約３〜５層の個別層が存在し、図１によるステップから図３ａによるステップまでに１〜３単層のＨ２Ｏが除去されるか又はレザバー５に収容される。
図３ａに示すステップにおいて、水素架橋結合が今度はシロキサン基間に直接形成され、その結果として、より大きい結合力が生じる。これが接触面３、４を互いにより強く引きつけ、接触面３、４の間の距離を減少させる。それに応じて接触面１、２間にＯＨ基の１〜２層の個別層のみが存在する。
図３ｂに示すステップにおいて、次に下に挿入した反応によるＨ２Ｏ分子の分離により、はるかに強い結合力をもたらし、より少ない空間を必要とする、シラノール基の形の共有結合化合物が今度は接触面３、４間に形成され、そのため、最終的に接触面３、４が互いに直接接触することに基づく図３に示す最小距離に達するまで、接触面３、４間の距離がさらに減少する。
Ｓｉ−ＯＨ＋ＨＯ−Ｓｉ←→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋Ｈ２Ｏ
Ｓｉ−ＯＨ＋ＨＯ−Ｓｉ←→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋Ｈ２Ｏ
ステージ３に至るまで、とりわけレザバー５（及び場合によってさらなるレザバー５’）の形成により、温度を必要以上に上昇させることは必要でなく、室温でそれを処理することが可能である。このように図１ａ又は図１ｂ〜図４による工程ステップのとりわけ注意深い進行が可能である。
図５に示す方法ステップにおいて、第１及び第２の接触面間の不可逆的又は永久的結合を形成するために、温度を好ましくは最高５００℃に、より好ましくは最高３００℃に、さらにより好ましくは最高２００℃に、最も好ましくは最高１００℃に、最も好ましくは特に室温を上回らない温度に上昇させる。従来技術と対照的に比較的に低いこれらの温度が可能である。その理由は、レザバー５（及び場合によってさらにレザバー５’）が図６及び図７に示す反応のための第１のエダクトを含むためである。
Ｓｉ＋２Ｈ２Ｏ→ＳｉＯ２＋２Ｈ２
Ｓｉ＋２Ｈ２Ｏ→ＳｉＯ２＋２Ｈ２
とりわけレザバー形成層６’及び反応層７間の界面上（並びに場合によって、さらにレザバー形成層６及び反応層７’間の界面上）のＨ２Ｏ分子のモル体積及び拡散を増加させることにより、ギブス自由エネルギーを最小化する目的のために成長層８の形の体積が増加し、隙間９が接触面３、４間に存在する領域でエンタルピー増強成長が起こる。隙間９が成長層８の体積の増加により、近づく。より正確には：
上述のわずかに上昇した温度で、Ｈ２Ｏ分子は、第１のエダクトとしてレザバー５（又はレザバー５、５’）から反応層７（及び場合によって７’）に拡散する。この拡散は、酸化物層として形成されているレザバー形成層６、６’と各反応層７、７’（又は成長層８）との直接接触により、又は酸化物層間に存在する隙間９を介して若しくは隙間９から起こり得る。したがって純ケイ素より大きいモル体積を有する、酸化ケイ素が反応層７から前述の反応の反応生成物１０として形成される。二酸化ケイ素は、反応層７と成長層８及び／又はレザバー形成層６、６’の界面で成長し、それにより隙間９の方向に、特に天然酸化物として調製されている成長層８を形成する。ここでレザバーからのＨ２Ｏ分子も必要である。
ナノメートル範囲にある隙間の存在により、成長層８の膨張の可能性があり、その結果として、接触面３、４上の応力を低下させることができる。このようにして接触面３、４間の距離が減少し、その結果として、活性接触面とひいては結合強さがさらに増加する。このようにして生じ、すべての細孔を閉鎖し、ウェーハ全体にわたって生ずる溶接接合部は、部分的に溶接されていない従来技術における生産品と対照的に、結合力を増大させることに基本的に寄与している。互いに溶接されている２つの非晶質酸化ケイ素表面間の結合の種類は、共有結合及びイオン結合部分の混合形である。
第１のエダクト（Ｈ２Ｏ）と第２エダクト（Ｓｉ）との前述の反応は、反応層７において、第１の接触面３と反応層７との平均距離Ｂができる限り小さい限りとりわけ速やかに又はできる限り低い温度で起こる。
したがって、第１の基板１の前処理並びにケイ素の反応層７及び成長層８としてのできる限り薄い天然酸化物層からなる第２の基板２の選択／前処理は、決定的に重要である。２つの理由のためにできる限り薄い天然酸化物層が存在する。成長層８は、とりわけ本発明において請求する通りにもたらされる薄層化のため非常に薄く、その結果、反応層７上に新たに形成される生成物１０が原因で、主としてナノギャップ９の領域における、その層が酸化物層として調製されている反対側の基板１のレザバー形成層６の方に膨張し得る。さらに、できる限り速やかに、またできる限り低い温度で所望の効果を得るために、できる限り短い拡散経路が望ましい。第１の基板１は同様に、ケイ素層、及びレザバー５が少なくとも部分的又は完全に形成されているレザバー形成層６としてのその上に生成した酸化物層からなる。
レザバー５（又はレザバー５、５’）は、できる限り短い時間に及び／又はできる限り低い温度でナノギャップ９を閉鎖するために成長層８の最適の成長が起こり得るようにナノギャップ９を閉鎖するのに必要な量の第１のエダクトで少なくとも本発明で請求するように充填されている。
１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 第１の接触面
４ 第２の接触面
５、５’ レザバー
６、６’ レザバー形成層
７、７’ 反応層
８ 成長層
９ ナノギャップ
１０ 反応生成物
１１ 第１のプロファイル
１２ 第２のプロファイル
１３ 和曲線
Ａ 平均厚さ
Ｂ 平均距離
Ｒ 平均厚さ
２ 第２の基板
３ 第１の接触面
４ 第２の接触面
５、５’ レザバー
６、６’ レザバー形成層
７、７’ 反応層
８ 成長層
９ ナノギャップ
１０ 反応生成物
１１ 第１のプロファイル
１２ 第２のプロファイル
１３ 和曲線
Ａ 平均厚さ
Ｂ 平均距離
Ｒ 平均厚さ
Claims (15)
- 以下のステップ、とりわけ以下の順序：
−第１の接触面（３）上のレザバー形成層（６）中にレザバー（５）を形成するステップ、
−レザバー（５）を第１のエダクト又はエダクトの第１の群で少なくとも部分的に充填するステップ、
−前結合連結部の形成のために第１の接触面（３）を第２の接触面（４）と接触させるステップ、
−第２の基板（２）を薄層化するステップ、
−第１のエダクトと第２の基板（２）の反応層（７）に含まれている第２のエダクトとの反応により少なくとも部分的に強化された第１及び第２の接触面（３、４）間の永久的結合を形成するステップ
により、第１の基板（１）の第１の接触面（３）を、少なくとも１つの反応層（７）を有する第２の基板（２）の第２の接触面（４）に結合する方法。 - 薄層化がとりわけ湿潤雰囲気中で好ましくは原位置でのエッチングにより行われる、請求項１に記載の方法。
- 薄層化がとりわけ原位置での乾式エッチングにより行われる、請求項１に記載の方法。
- 第２の基板（２）の第２の接触面（４）上のレザバー形成層（６’）中に、とりわけ第１のレザバー（５）の形成と同時にさらなるレザバー（５’）を形成させる、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
- 反応中に第２のエダクトのモル体積より大きいモル体積を有する反応生成物（１０）が反応層（７）において形成される、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
- レザバー／複数のレザバー（５、５’）がプラズマ活性化により形成される、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
- レザバー形成層（６）としてとりわけ圧縮されたテトラエトキシシラン酸化物層を用いることによってレザバー（５、５’）を形成させる、請求項１から６の何れか一項に記載の方法。
- レザバー形成層（６）が、主として、とりわけ本質的に完全に、とりわけ非晶質の物質、とりわけ熱酸化により生成した二酸化ケイ素からなり、反応層（７）が易酸化性物質、とりわけ主として、好ましくは本質的に完全にＳｉ、Ｇｅ、ＩｎＰ、ＧａＰ又はＧａＮからなる、請求項１から７の何れか一項に記載の方法。
- 第２の接触面（４）と反応層（７）との間にとりわけ主として天然二酸化ケイ素の成長層（８）が存在し、成長層（８）が薄層化によって少なくとも部分的に、とりわけ完全に除去される、請求項１から８の何れか一項に記載の方法。
- 永久的結合の形成の前で薄層化の後に、成長層（８）が１オングストロームから１０ｎｍの間の平均厚さＡを有する、請求項９に記載の方法。
- レザバーの形成が真空中で行われる、請求項１から１０の何れか一項に記載の方法。
- レザバーが、以下に挙げる１つ又は複数のステップ：
−第１の接触面（３）をとりわけ高酸素及び／又は水含量を有する雰囲気に曝露するステップ、
−第１の接触面（３）をとりわけ主に、好ましくはほぼ完全にとりわけ脱イオン化されたＨ２Ｏ及び／又はＨ２Ｏ２からなる流体に曝露するステップ、
−第１の接触面（３）をとりわけ０〜２００ｅＶの範囲のイオンエネルギーを有するＮ２ガス及び／又はＯ２ガス及び／又はＡｒガス及び／又はとりわけ９５％Ａｒ及び５％Ｈ２からなるフォーミングガスに曝露するステップ
により充填される、請求項１から１１の何れか一項に記載の方法。 - レザバー（５）が０．１ｎｍから２５ｎｍの間、とりわけ０．１ｎｍから２０ｎｍの間の平均厚さ（Ｒ）で形成される、請求項１から１２の何れか一項に記載の方法。
- 永久的結合の形成の直前のレザバー（５）と反応層（７）との間の平均距離（Ｂ）が０．１ｎｍから１５ｎｍの間、とりわけ０．５ｎｍから５ｎｍの間、好ましくは０．５ｎｍから３ｎｍの間である、請求項１から１３の何れか一項に記載の方法。
- 不可逆的結合が前結合強さの２倍、好ましくは４倍、より好ましくは１０倍、最も好ましくは２５倍を含む結合強さを有する、請求項１から１４の何れか一項に記載の方法。
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