JP4316701B2 - ２つの構造体の分子結合および分子結合解除のための処理プロセス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、分子接着により２つの構造体を結合および結合解除(unbond)するための処理プロセスに関する。
構造体は、接着により他の部分と結合され得る任意の精密機械的な、または、集積された光学的な部分、または超小型電子部分である。例えば、この種の構造体は、電子式、光学式または機械式の要素が備えられまたは備えられていない基板または支持板とすることができる。
さらに、分子接着による結合は、相互に接触した構造体の表面に存在する化学的な終端間の相互作用を含んでいる。
【０００２】
この発明は、特に、集積回路を有する装置の製造に用途を有している。いくつかの製造プロセスにおいて、集積回路を包含する半導体基板は、補強基板と結合されなければならず、かつ、その後、処理の終了時に分離される。
【０００３】
【従来の技術】
上述したように、そして、特に、動力回路の製造に関する超小型電子アプリケーションにおいて、集積された電子回路からなる半導体ウェーハは、広くて薄い板の形態をしている。例えば、４インチ（約１０ｃｍ）の直径と２００μｍより小さい厚さ寸法を有するウェーハが使用される。
【０００４】
超小型電子装置の製造のための、例えば、フォトリピータ(photorepeater)のような標準的な装置は、この薄さの基板を処理するのには適していない。さらに、薄い半導体基板は、壊れやすく、取扱いステップ、特に、自動処理装置を使用した取扱いに適していない。この薄い基板または集積回路を有しまたは有しない基板の表面層は「取扱い基板(handling substrate)」とも呼ばれる処理サポート上に接着されてもよい。取扱い基板は、したがって、全ての必要な処理および操作のために十分な機械的強度を提供する。
【０００５】
以下に示された添付の図１〜図３は、一例として、集積回路を含む薄層の移動を示している。
図１において符号１０として示された薄層は、最初に、ソース基板と呼ばれる基板１２に固定されている。薄層は図示しない集積された電子部品および回路を具備している。
【０００６】
ソース基板１２および薄い表面層１０は、該薄い表面層を取扱い基板１４上に接着することにより、取扱い基板１４上に移動される。このようにして得られた構造体が、図１に示されている。
ソース基板は、その後、図２に示される構造体を得るために、研削または分割のような処理、エッチングおよび／またはポリッシングによって消滅される。
集積回路を具備する薄層１０は、その後、取扱い基板１４上に逆さまにして接着される。したがって、取扱い基板は、他の製造操作または処理のために必要な剛性をこの層に付与する。
【０００７】
図３に示される最終ステップにおいて、電子回路を含む薄層１０は、それが永久的に固定されるターゲット基板または目標基板１６に移動させられる。
目標基板１６への取付後に、薄層１０は、取扱い基板１４から分離される。したがって、取扱い基板１４は、図３に破線で示されている。
この種の処理は、文献（１）に詳細に説明されており、この文献については、この発明の詳細な説明の末尾に参照されている。
【０００８】
薄層１０は、例えば、適当な接着剤を用いて、熱を加えないで、取扱い基板１４に接着され得る。接着は、その後、撤回可能であり、薄層１０を取扱い基板から分離することができる。しかしながら、薄層１０と取扱い基板１４との間にある接着は、特に、その後の高温における処理に対しては不十分であってもよい。特に、接着剤は、高温に耐えることができない。
【０００９】
さらに、接着のために添加される材料（接着剤）は、その後の処理の間に、接着された部分の金属的な、または、有機的な汚染を生じることになる。
これらの不都合は、接着剤または添加材を全く使用しない分子結合による好適な接着により避けられる。２つの構造体の分子接着による結合は、４つの主なステップを含んでおり、これらについては以下に説明する。
【００１０】
第１のステップは、接触させられるようになる構造体の表面の準備である。良質の分子結合には、好ましくは０．５ｎｍ（４Å）より小さくあるべきである表面粗度、表面上に塵（粒子サイズ＞０．２μｍ）の無いこと、接触させられる表面の平坦度およびこれらの表面の化学的状態のような重要なパラメータの調節が必要である。
したがって、第１のステップは、主として、異質の粒子を消滅させ、これらの表面を親水性にするために接着されるべき構造体の表面を清掃することからなっている。
【００１１】
図４は、その１つの表面２２が親水性にされたシリコン基板２０からなる結合のための構造体を示している。表面２２は、本質的にＳｉ−ＯＨ化学基からなる第１の親水性層２４と、該親水性基２４上に吸収される１つ（または複数）の水Ｈ2Ｏの層２６とを具備している。
【００１２】
第２のステップは、２つの構造体の親水性表面を接触状態に結合されるようにすることからなっている。それらを接触状態とすることは、これらの構造体上に吸収された水層を、相互に作用させるように、それらに対して十分に近接させるようになる。水の分子間に印加される引力は、各構造体の表面全体に沿って徐々に伝播される。接触している表面は、その後、一体に結合される。
【００１３】
刃挿入方法(blade insertion method)により測定されるような結合エネルギは、０．１５Ｊ／ｍ2程度のものである。この値は、典型的には、各構造体上の２つの水層の間の水素形式の接着剤の値である。
この説明の末尾において参照されている文献（２）は、刃挿入方法の図示を含んでいる。
【００１４】
第３のステップは、接着剤の固化熱処理からなっている。
熱処理は、２００℃程度の温度まで及んで、組み立てられた構造体の間の水層を消滅させることができる。
【００１５】
構造体の接着は、その後、各構造体におけるＳｉ−ＯＨ化学基の層間のＯＨ基の結合によりそれぞれ行われる。Ｓｉ−ＯＨ基の層は、図４に参照符号２４として示されていることを特筆しておく。この相互作用は接触している２つ構造体の距離を低減させ、かつ、追加のＯＨ基の相互作用に帰結する。このように、結合エネルギは、２００℃〜９００℃の処理温度に対して増加する。
【００１６】
最後に、９００℃より高い熱処理からなる第４のステップが存在してもよい。このステップにおいて、相互作用するＳｉ−ＯＨ基は、より強靭なＳｉ−Ｏ−Ｓｉ形式の結合に変化する。したがって、これにより、結合エネルギの非常に大きな増加が与えられる。
【００１７】
図５のグラフは、分子接着により結合された構造体間の単位面積当たりの結合エネルギを縦座標とした、処理温度の関数として示している。結合エネルギは、Ｊ／ｍ2で表され、温度は℃で表されている。
【００１８】
グラフ中の領域３２，３３，３４は、結合プロセスにおける第２、第３および第４のステップに関連し、水層間の水素形式の相互作用、ＯＨ基（参照符号２４）間の水素相互作用、および、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ形式の相互作用にそれぞれ対応している。シリコンウェーハの結合のより良好な説明は、文献（３）に見いだすことができ、この文献はこの説明の末尾において参照されている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
６００℃を超える処理温度においては、２つの組み立てられた構造体を、それらの厳しい劣化を生じさせることなく分解することは不可能になる。組み立てられた構造体がシリコン基板である場合には、２Ｊ／ｍ2より大きな結合エネルギが得られ得る。これらのエネルギは、シリコン材料の凝集エネルギと同程度の大きさのものである。
【００２０】
図１〜図３に示されたような移動プロセスにおいて分子結合が使用される場合には、薄層または取扱い基板を破壊することなく、機械的な力をかけて薄層から取扱い基板を分離することが不可能であることは、即座に明らかである。
したがって、薄層は、取扱い基板を消滅させることにより該取扱い基板から分離される。例えば、取扱い基板は、研削および／または機械化学的浸食によって消滅され得る。
【００２１】
この場合に、薄層を移動するためのプロセスは、各処理された薄層のために取扱い層を犠牲にすることを含んでいる。この犠牲は、大きな生産コストをも生み出すものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、第１に非常に強力な分子結合を２つの構造体の間に与えることができ、かつ、結合界面に沿って該構造体を結合解除することもできる２つの構造体の結合のために処理を提供することである。
この発明の他の目的は、組み立てられた構造体に損傷を与えない結合解除を可能にする処理を提案することである。さらに詳細に、これらの目的を達成するために、この発明の目的は、２つの構造体を、結合界面上の分子接着により結合し、かつ該結合界面に沿って２つの構造体を分離するための処理プロセスである。
【００２３】
この発明によれば、
− 構造体内を結合界面に拡散することができる少なくとも１つの要素を含む少なくとも１つの構造体を使用して結合が行われ、
− 該結合界面を弱めるために、前記要素を結合界面に向けて拡散させるのに十分な熱供給による結合解除(unbonding)のために、熱処理が使用される。
【００２４】
拡散を生じさせることができる要素は、材料の中に本質的に存在するかまたは、材料内に故意にまたは偶発的に添加された任意の要素または化合物を指しており、結合界面と反応するために、結合界面に向かって材料内を移動することができる。この要素は、その後、熱処理中にこの界面を変質させることができ、かつ、界面の各側の２つの部材の分離を生じさせる。この分離は、熱処理中に界面において形成されるガス相により補助され得る。
【００２５】
さらに、熱供給は、構造体にかけられる時間／温度の対により実行されかつ定義される熱処理の合計を意味している。
したがって、（結合界面の各側の）２つの部材を分離するように設計された熱処理は、結合解除前の組み立てられた構造体にかけられる熱処理を考慮してもよい。
【００２６】
プロセスの１つの特定の実施形態によれば、水素注入が少なくとも一方の構造体内に、結合前に行われてもよい。前記要素を構成する水素は、構造体内で拡散可能である。
【００２７】
例えば、注入は、１０16〜５×１０16(５．１０16)（Ｈ+／ｃｍ2）の投与量および２０〜５００ｋｅＶのエネルギでシリコン内に実施される。好ましくは、投与量は３×１０16(３．１０16)（イオン／ｃｍ2）程度であり、注入エネルギは、７０ｋｅＶ程度である。投与量は、注入条件に依存し、特に、注入中の構造体の温度に依存する。
【００２８】
１つの変形例によれば、プラズマ強化化学蒸着により形成されＯＨ分子を含む表面酸化物層を具備する少なくとも１つの構造体が使用されてもよく、前記要素を形成する前記ＯＨ分子は拡散することができる。
例えば、結合解除のための熱処理は、６００〜１３５０℃の温度で、シリコンに対して実施され得る。この温度は、ガリウム砒素（ＡｓＧａ）に対しては、２００〜６００℃程度となるように選択される。炭化珪素（ＳｉＣ）に対して、選択された温度は、６００℃と１３５０℃を超える溶融温度との間の温度である。
【００２９】
例えば、熱処理は、加熱ランプの下で、または炉内において、行われ得る。
組み立てられる構造体は、単一の固体材料からなる構造体からなっていてもよく、または、処理されたまたは処理されていない領域を含む多層構造体からなっていてもよい。
【００３０】
構造体の多層の性質は、結合解除ステップ中の構造体の分離を容易にする内部応力を有益に発生する。
同様に、組み立てられるべき前記構造体の少なくとも１つにおける表面は、結合前に、レリーフを形成するように準備されてもよい。このレリーフも、結合解除に際して構造体の分離を容易にする。
【００３１】
最後に、結合解除をさらに容易にするために構造体に外部分離力が印加され得る。例えば、張力または曲げ力、またはせん断力が、構造体間の界面に刃を挿入することにより、構造体に印加され得る。
この発明の他の特徴および利点は、添付図面における図を参照した以下の説明からより明らかになる。この説明は、例示のためとしてのみ与えられるものであり、限定的な方法で与えられるものではない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
既に説明された図１は、取扱い基板と呼ばれる他の基板と組み合わせられたソース基板と呼ばれる基板上に薄層を具備する構造の概略的な断面図である。
既に説明された図２は、薄層が結合される取扱い基板の概略的な断面図である。
既に説明された図３は、目標基板と呼ばれる基板上に移動された薄層の概略的な断面図である。
図４は、分子結合のために準備された構造体の概略的な断面図である。
図５は、分子結合ステップ中の２つの構造体間の結合エネルギを示すグラフである。
図６は、シリコンウェーハを具備する構造体の概略的な断面図であり、この発明による分子結合のためのこの構造体の準備を示している。
図７は、シリコンウェーハを具備する他の構造体に結合された図６の構造体の断面図である。
図８および図９は、図７に示された組み立てられた構造体の断面を示しており、この発明に従う結合解除のための処理ステップを示している。
図１０は、この発明に従う２つの構造体の分子結合により得られた他の組立体の断面を示している。
図１１は、この発明による結合解除処理中の図１０における組立体の断面を示している。
【００３３】
図６は、この発明に従う分子接着により結合されるべき構造体１００を示している。この構造体１００は、表面珪素酸化物層１０４により被覆されたシリコン基板１０２を具備している。注入された水素層１０６は、酸化物層１０４を通してシリコン基板１０２への水素イオンの注入により形成される。この例では、７０ｋｅＶ程度のエネルギで注入された水素層は、３×１０16イオン／ｃｍ2の濃度および４００ｎｍの厚さを有しており、構造体１００の上表面１１０の下の３００ｎｍ程度の深さに埋め込まれている。（図は、一定の縮尺とはされておらず、これらの比率で示されてはいない。）
【００３４】
水素は、それらの原子形態（例えばＨ）またはそれらの分子形態（例えばＨ2）、またはそれらのイオン形態（Ｈ+、Ｈ2 +等）またはそれらの同位体（重水素）または同位体とイオン形態のいずれかにおいて形成されたガス状の物質を指している。
【００３５】
必要ならば、構造体１００の表面１１０は、その後、それを親水性にし、全ての粒子を除去するために洗浄される。水の膜（図示せず）が、表面１１０上に形成される。
小さい起伏が、構造体１００の表面１１０に設けられまたは維持されてもよい。
【００３６】
図７に示されるように、構造体１００は、その後、第２の構造体１２０と組み合わせられる。第２の構造体は、シリコン基板１２２からなり、構造体１００と接触しているその表面も、それを親水性とするために洗浄されていることが有利である。
参照符号１２４は、組み合わせられた構造体１００，１２０間の界面を指している。
【００３７】
構造体は、その後、第１に、組み立てられた構造体の間の水の層を消滅させ、接触している表面間に分子結合を形成する５００℃程度の温度で焼鈍される。
５００℃において達成される分子結合の結合エネルギは、０．５Ｊ／ｍ2程度のものである。例えば、この結合エネルギは、集積回路を含むシリコン基板を操作基板に接着するために十分なものである。特に、超小型電子装置の製造に通常使用される装置におけるウェーハのために想定される全ての処理に対して十分である。
【００３８】
熱処理が長くされたときに、または他の熱処理が８００℃程度またはそれ以上の温度で実施されたときに、結合解除領域（図８、図９において符号１３０として示されている）が組み合わせられた構造体１００，１２０間の界面に現れる。
【００３９】
結合解除領域の形成は、構造体にかけられる熱供給によって調節される。熱処理は、水素を構造体１００内の注入された層１０６から結合界面１２４に向けて（酸素が存在する場合には酸素を通して）拡散するように強制する。
【００４０】
拡散する水素は、界面において捕らえられ、該界面に蓄積し、ガス状の形態で該界面に沿って移動する。したがって、界面１２４における水素の蓄積は、少なくとも部分的に結合力に打ち勝つことができる。図８，９内の矢印１３２は、水素の結合界面１２４に向かう拡散を示している。
使用される熱供給の大きさに応じて、結合解除領域１３０は、局所的（図８）または界面の全表面にわたって広がる（図９）こともできる。
【００４１】
完全な結合解除を達成するために必要な熱供給は、材料内に存在する、少なくとも一方の構造体からの移動できる要素の量に依存している。その結果、この例において、熱供給は、水素注入量に関連している。例えば、３×１０16ｃｍ3の投与量に対する供給量は９００℃／３０分でよい。
【００４２】
図１０は、この発明の他の具体的な実施形態を示している。図１０は、第１の構造体２００と、上述したような分子結合により結合された第２の構造体２２０との組立体の断面図である。符号２２４は、組み立てられた構造体の表面間の結合界面を示している。
【００４３】
第１の構造体は、本質的に、その表面に酸化物層２０６が形成されているシリコンウェーハ２０２からなっている。該層２０６における酸化物は、プラズマ強化化学蒸着技術により蒸着されている。この種の酸化物は、拡散することができるＯＨ分子を含むという特殊な特徴を有している。
【００４４】
約５００℃以下の温度で実施される第１の熱処理は、分子結合エネルギを増大させる。
熱処理が継続され、または、約５００℃を超える温度において再開されるときに、酸化物層２０６に含まれているＯＨ基は、特に、それらが捕らえられる界面２２４に向かって拡散しかつ移動する。ＯＨ基の界面に向けた拡散は、矢印２３２で示されている。
【００４５】
界面２２４において、ＯＨ分子は、ガス状の形態および濃度で結合界面において放出される。この現象は、泡の形成を生じさせ、結合界面を弱くする。
ガスにより発生された圧力の作用下において、図１１に示された結合解除された領域２３０は、２つの構造体２００，２２０が完全に結合解除されるまで伝播する。構造体の分離は、機械的な外部の分離力をかけることにより容易になる。これらの力は、図１１に、矢印２４０，２４１によって示されている。これらの力は、張力および／またはせん断力である。
【００４６】
したがって、この発明に係るプロセスは、特に、集積回路ウェーハの分子結合のために、いかなる物質をも添加することなしに、撤回し得る結合を可能としながら、使用され得る。
【００４７】
さらに、この発明は、上記に定義されたようないかなる形式の構造体にも適用できる。この発明は、シリコンを含む構造体のみに関連するものではなく、半導体を用いた他の構造体（Ｓｉ，ＳｉＣ，ＡｓＧａ等）、絶縁構造体（ガラス、石英等）および導体構造体（金属合金等）にさえも関連していることを特筆しておく。
【００４８】
参照された文献
（１）仏国特許出願公開第２７４４２８５号公報
（２） "Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator"
W.P. Maszara, G. Goetz, A. Caviglia and J.B. McKitterick
Aerospace Technology Center, Allied signal Aerospace Company,
Columbia, Maryland 21045
(Received 12 April 1988, accepted for publication 28 July 1988).
（３） "A model for the silicon wafer bonding process"
R. Stengl, T. Tan and U. Gosele
School of Engineering, Duke University, Durham, North Carolina
27706, USA
(Received May 8, 1989, accepted for publication July 15, 1989).
Japanese Journal of Applied Physics, vol.28, No.10,
October 1989, pp.1735-1741.
【図面の簡単な説明】
【図１】 操作基板と呼ばれる他の基板と組み合わせられた、ソース基板と呼ばれる基板上に薄層を具備する構造体の概略的な断面図である。
【図２】 薄層が結合される操作基板の概略的な断面図である。
【図３】 目標基板と呼ばれる基板上に移動された薄層の概略的な断面図である。
【図４】 分子結合のために準備された構造体の概略的な断面図である。
【図５】 分子結合ステップ中の２つの構造体間の結合エネルギを示すグラフである。
【図６】 シリコンウェーハを具備する構造体の概略的な断面図であり、この発明による分子結合のためのこの構造体の準備を示している。
【図７】 シリコンウェーハを具備する他の構造体に結合された図６の構造体の断面図である。
【図８】 図７に示された組み立てられた構造体の断面を示しており、この発明に従う結合解除のための処理ステップを示している。
【図９】 図８と同様の処理ステップを示す図である。
【図１０】 この発明に従う２つの構造体の分子結合により得られた他の組立体の断面を示している。
【図１１】 この発明による結合解除処理中の図１０における組立体の断面を示している。
【符号の説明】
１００，１２０；２００，２２０ 構造体
１２４，２２４ 結合界面
２４０，２４１ 外部分離力
【発明の属する技術分野】
この発明は、分子接着により２つの構造体を結合および結合解除(unbond)するための処理プロセスに関する。
構造体は、接着により他の部分と結合され得る任意の精密機械的な、または、集積された光学的な部分、または超小型電子部分である。例えば、この種の構造体は、電子式、光学式または機械式の要素が備えられまたは備えられていない基板または支持板とすることができる。
さらに、分子接着による結合は、相互に接触した構造体の表面に存在する化学的な終端間の相互作用を含んでいる。
【０００２】
この発明は、特に、集積回路を有する装置の製造に用途を有している。いくつかの製造プロセスにおいて、集積回路を包含する半導体基板は、補強基板と結合されなければならず、かつ、その後、処理の終了時に分離される。
【０００３】
【従来の技術】
上述したように、そして、特に、動力回路の製造に関する超小型電子アプリケーションにおいて、集積された電子回路からなる半導体ウェーハは、広くて薄い板の形態をしている。例えば、４インチ（約１０ｃｍ）の直径と２００μｍより小さい厚さ寸法を有するウェーハが使用される。
【０００４】
超小型電子装置の製造のための、例えば、フォトリピータ(photorepeater)のような標準的な装置は、この薄さの基板を処理するのには適していない。さらに、薄い半導体基板は、壊れやすく、取扱いステップ、特に、自動処理装置を使用した取扱いに適していない。この薄い基板または集積回路を有しまたは有しない基板の表面層は「取扱い基板(handling substrate)」とも呼ばれる処理サポート上に接着されてもよい。取扱い基板は、したがって、全ての必要な処理および操作のために十分な機械的強度を提供する。
【０００５】
以下に示された添付の図１〜図３は、一例として、集積回路を含む薄層の移動を示している。
図１において符号１０として示された薄層は、最初に、ソース基板と呼ばれる基板１２に固定されている。薄層は図示しない集積された電子部品および回路を具備している。
【０００６】
ソース基板１２および薄い表面層１０は、該薄い表面層を取扱い基板１４上に接着することにより、取扱い基板１４上に移動される。このようにして得られた構造体が、図１に示されている。
ソース基板は、その後、図２に示される構造体を得るために、研削または分割のような処理、エッチングおよび／またはポリッシングによって消滅される。
集積回路を具備する薄層１０は、その後、取扱い基板１４上に逆さまにして接着される。したがって、取扱い基板は、他の製造操作または処理のために必要な剛性をこの層に付与する。
【０００７】
図３に示される最終ステップにおいて、電子回路を含む薄層１０は、それが永久的に固定されるターゲット基板または目標基板１６に移動させられる。
目標基板１６への取付後に、薄層１０は、取扱い基板１４から分離される。したがって、取扱い基板１４は、図３に破線で示されている。
この種の処理は、文献（１）に詳細に説明されており、この文献については、この発明の詳細な説明の末尾に参照されている。
【０００８】
薄層１０は、例えば、適当な接着剤を用いて、熱を加えないで、取扱い基板１４に接着され得る。接着は、その後、撤回可能であり、薄層１０を取扱い基板から分離することができる。しかしながら、薄層１０と取扱い基板１４との間にある接着は、特に、その後の高温における処理に対しては不十分であってもよい。特に、接着剤は、高温に耐えることができない。
【０００９】
さらに、接着のために添加される材料（接着剤）は、その後の処理の間に、接着された部分の金属的な、または、有機的な汚染を生じることになる。
これらの不都合は、接着剤または添加材を全く使用しない分子結合による好適な接着により避けられる。２つの構造体の分子接着による結合は、４つの主なステップを含んでおり、これらについては以下に説明する。
【００１０】
第１のステップは、接触させられるようになる構造体の表面の準備である。良質の分子結合には、好ましくは０．５ｎｍ（４Å）より小さくあるべきである表面粗度、表面上に塵（粒子サイズ＞０．２μｍ）の無いこと、接触させられる表面の平坦度およびこれらの表面の化学的状態のような重要なパラメータの調節が必要である。
したがって、第１のステップは、主として、異質の粒子を消滅させ、これらの表面を親水性にするために接着されるべき構造体の表面を清掃することからなっている。
【００１１】
図４は、その１つの表面２２が親水性にされたシリコン基板２０からなる結合のための構造体を示している。表面２２は、本質的にＳｉ−ＯＨ化学基からなる第１の親水性層２４と、該親水性基２４上に吸収される１つ（または複数）の水Ｈ2Ｏの層２６とを具備している。
【００１２】
第２のステップは、２つの構造体の親水性表面を接触状態に結合されるようにすることからなっている。それらを接触状態とすることは、これらの構造体上に吸収された水層を、相互に作用させるように、それらに対して十分に近接させるようになる。水の分子間に印加される引力は、各構造体の表面全体に沿って徐々に伝播される。接触している表面は、その後、一体に結合される。
【００１３】
刃挿入方法(blade insertion method)により測定されるような結合エネルギは、０．１５Ｊ／ｍ2程度のものである。この値は、典型的には、各構造体上の２つの水層の間の水素形式の接着剤の値である。
この説明の末尾において参照されている文献（２）は、刃挿入方法の図示を含んでいる。
【００１４】
第３のステップは、接着剤の固化熱処理からなっている。
熱処理は、２００℃程度の温度まで及んで、組み立てられた構造体の間の水層を消滅させることができる。
【００１５】
構造体の接着は、その後、各構造体におけるＳｉ−ＯＨ化学基の層間のＯＨ基の結合によりそれぞれ行われる。Ｓｉ−ＯＨ基の層は、図４に参照符号２４として示されていることを特筆しておく。この相互作用は接触している２つ構造体の距離を低減させ、かつ、追加のＯＨ基の相互作用に帰結する。このように、結合エネルギは、２００℃〜９００℃の処理温度に対して増加する。
【００１６】
最後に、９００℃より高い熱処理からなる第４のステップが存在してもよい。このステップにおいて、相互作用するＳｉ−ＯＨ基は、より強靭なＳｉ−Ｏ−Ｓｉ形式の結合に変化する。したがって、これにより、結合エネルギの非常に大きな増加が与えられる。
【００１７】
図５のグラフは、分子接着により結合された構造体間の単位面積当たりの結合エネルギを縦座標とした、処理温度の関数として示している。結合エネルギは、Ｊ／ｍ2で表され、温度は℃で表されている。
【００１８】
グラフ中の領域３２，３３，３４は、結合プロセスにおける第２、第３および第４のステップに関連し、水層間の水素形式の相互作用、ＯＨ基（参照符号２４）間の水素相互作用、および、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ形式の相互作用にそれぞれ対応している。シリコンウェーハの結合のより良好な説明は、文献（３）に見いだすことができ、この文献はこの説明の末尾において参照されている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
６００℃を超える処理温度においては、２つの組み立てられた構造体を、それらの厳しい劣化を生じさせることなく分解することは不可能になる。組み立てられた構造体がシリコン基板である場合には、２Ｊ／ｍ2より大きな結合エネルギが得られ得る。これらのエネルギは、シリコン材料の凝集エネルギと同程度の大きさのものである。
【００２０】
図１〜図３に示されたような移動プロセスにおいて分子結合が使用される場合には、薄層または取扱い基板を破壊することなく、機械的な力をかけて薄層から取扱い基板を分離することが不可能であることは、即座に明らかである。
したがって、薄層は、取扱い基板を消滅させることにより該取扱い基板から分離される。例えば、取扱い基板は、研削および／または機械化学的浸食によって消滅され得る。
【００２１】
この場合に、薄層を移動するためのプロセスは、各処理された薄層のために取扱い層を犠牲にすることを含んでいる。この犠牲は、大きな生産コストをも生み出すものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、第１に非常に強力な分子結合を２つの構造体の間に与えることができ、かつ、結合界面に沿って該構造体を結合解除することもできる２つの構造体の結合のために処理を提供することである。
この発明の他の目的は、組み立てられた構造体に損傷を与えない結合解除を可能にする処理を提案することである。さらに詳細に、これらの目的を達成するために、この発明の目的は、２つの構造体を、結合界面上の分子接着により結合し、かつ該結合界面に沿って２つの構造体を分離するための処理プロセスである。
【００２３】
この発明によれば、
− 構造体内を結合界面に拡散することができる少なくとも１つの要素を含む少なくとも１つの構造体を使用して結合が行われ、
− 該結合界面を弱めるために、前記要素を結合界面に向けて拡散させるのに十分な熱供給による結合解除(unbonding)のために、熱処理が使用される。
【００２４】
拡散を生じさせることができる要素は、材料の中に本質的に存在するかまたは、材料内に故意にまたは偶発的に添加された任意の要素または化合物を指しており、結合界面と反応するために、結合界面に向かって材料内を移動することができる。この要素は、その後、熱処理中にこの界面を変質させることができ、かつ、界面の各側の２つの部材の分離を生じさせる。この分離は、熱処理中に界面において形成されるガス相により補助され得る。
【００２５】
さらに、熱供給は、構造体にかけられる時間／温度の対により実行されかつ定義される熱処理の合計を意味している。
したがって、（結合界面の各側の）２つの部材を分離するように設計された熱処理は、結合解除前の組み立てられた構造体にかけられる熱処理を考慮してもよい。
【００２６】
プロセスの１つの特定の実施形態によれば、水素注入が少なくとも一方の構造体内に、結合前に行われてもよい。前記要素を構成する水素は、構造体内で拡散可能である。
【００２７】
例えば、注入は、１０16〜５×１０16(５．１０16)（Ｈ+／ｃｍ2）の投与量および２０〜５００ｋｅＶのエネルギでシリコン内に実施される。好ましくは、投与量は３×１０16(３．１０16)（イオン／ｃｍ2）程度であり、注入エネルギは、７０ｋｅＶ程度である。投与量は、注入条件に依存し、特に、注入中の構造体の温度に依存する。
【００２８】
１つの変形例によれば、プラズマ強化化学蒸着により形成されＯＨ分子を含む表面酸化物層を具備する少なくとも１つの構造体が使用されてもよく、前記要素を形成する前記ＯＨ分子は拡散することができる。
例えば、結合解除のための熱処理は、６００〜１３５０℃の温度で、シリコンに対して実施され得る。この温度は、ガリウム砒素（ＡｓＧａ）に対しては、２００〜６００℃程度となるように選択される。炭化珪素（ＳｉＣ）に対して、選択された温度は、６００℃と１３５０℃を超える溶融温度との間の温度である。
【００２９】
例えば、熱処理は、加熱ランプの下で、または炉内において、行われ得る。
組み立てられる構造体は、単一の固体材料からなる構造体からなっていてもよく、または、処理されたまたは処理されていない領域を含む多層構造体からなっていてもよい。
【００３０】
構造体の多層の性質は、結合解除ステップ中の構造体の分離を容易にする内部応力を有益に発生する。
同様に、組み立てられるべき前記構造体の少なくとも１つにおける表面は、結合前に、レリーフを形成するように準備されてもよい。このレリーフも、結合解除に際して構造体の分離を容易にする。
【００３１】
最後に、結合解除をさらに容易にするために構造体に外部分離力が印加され得る。例えば、張力または曲げ力、またはせん断力が、構造体間の界面に刃を挿入することにより、構造体に印加され得る。
この発明の他の特徴および利点は、添付図面における図を参照した以下の説明からより明らかになる。この説明は、例示のためとしてのみ与えられるものであり、限定的な方法で与えられるものではない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
既に説明された図１は、取扱い基板と呼ばれる他の基板と組み合わせられたソース基板と呼ばれる基板上に薄層を具備する構造の概略的な断面図である。
既に説明された図２は、薄層が結合される取扱い基板の概略的な断面図である。
既に説明された図３は、目標基板と呼ばれる基板上に移動された薄層の概略的な断面図である。
図４は、分子結合のために準備された構造体の概略的な断面図である。
図５は、分子結合ステップ中の２つの構造体間の結合エネルギを示すグラフである。
図６は、シリコンウェーハを具備する構造体の概略的な断面図であり、この発明による分子結合のためのこの構造体の準備を示している。
図７は、シリコンウェーハを具備する他の構造体に結合された図６の構造体の断面図である。
図８および図９は、図７に示された組み立てられた構造体の断面を示しており、この発明に従う結合解除のための処理ステップを示している。
図１０は、この発明に従う２つの構造体の分子結合により得られた他の組立体の断面を示している。
図１１は、この発明による結合解除処理中の図１０における組立体の断面を示している。
【００３３】
図６は、この発明に従う分子接着により結合されるべき構造体１００を示している。この構造体１００は、表面珪素酸化物層１０４により被覆されたシリコン基板１０２を具備している。注入された水素層１０６は、酸化物層１０４を通してシリコン基板１０２への水素イオンの注入により形成される。この例では、７０ｋｅＶ程度のエネルギで注入された水素層は、３×１０16イオン／ｃｍ2の濃度および４００ｎｍの厚さを有しており、構造体１００の上表面１１０の下の３００ｎｍ程度の深さに埋め込まれている。（図は、一定の縮尺とはされておらず、これらの比率で示されてはいない。）
【００３４】
水素は、それらの原子形態（例えばＨ）またはそれらの分子形態（例えばＨ2）、またはそれらのイオン形態（Ｈ+、Ｈ2 +等）またはそれらの同位体（重水素）または同位体とイオン形態のいずれかにおいて形成されたガス状の物質を指している。
【００３５】
必要ならば、構造体１００の表面１１０は、その後、それを親水性にし、全ての粒子を除去するために洗浄される。水の膜（図示せず）が、表面１１０上に形成される。
小さい起伏が、構造体１００の表面１１０に設けられまたは維持されてもよい。
【００３６】
図７に示されるように、構造体１００は、その後、第２の構造体１２０と組み合わせられる。第２の構造体は、シリコン基板１２２からなり、構造体１００と接触しているその表面も、それを親水性とするために洗浄されていることが有利である。
参照符号１２４は、組み合わせられた構造体１００，１２０間の界面を指している。
【００３７】
構造体は、その後、第１に、組み立てられた構造体の間の水の層を消滅させ、接触している表面間に分子結合を形成する５００℃程度の温度で焼鈍される。
５００℃において達成される分子結合の結合エネルギは、０．５Ｊ／ｍ2程度のものである。例えば、この結合エネルギは、集積回路を含むシリコン基板を操作基板に接着するために十分なものである。特に、超小型電子装置の製造に通常使用される装置におけるウェーハのために想定される全ての処理に対して十分である。
【００３８】
熱処理が長くされたときに、または他の熱処理が８００℃程度またはそれ以上の温度で実施されたときに、結合解除領域（図８、図９において符号１３０として示されている）が組み合わせられた構造体１００，１２０間の界面に現れる。
【００３９】
結合解除領域の形成は、構造体にかけられる熱供給によって調節される。熱処理は、水素を構造体１００内の注入された層１０６から結合界面１２４に向けて（酸素が存在する場合には酸素を通して）拡散するように強制する。
【００４０】
拡散する水素は、界面において捕らえられ、該界面に蓄積し、ガス状の形態で該界面に沿って移動する。したがって、界面１２４における水素の蓄積は、少なくとも部分的に結合力に打ち勝つことができる。図８，９内の矢印１３２は、水素の結合界面１２４に向かう拡散を示している。
使用される熱供給の大きさに応じて、結合解除領域１３０は、局所的（図８）または界面の全表面にわたって広がる（図９）こともできる。
【００４１】
完全な結合解除を達成するために必要な熱供給は、材料内に存在する、少なくとも一方の構造体からの移動できる要素の量に依存している。その結果、この例において、熱供給は、水素注入量に関連している。例えば、３×１０16ｃｍ3の投与量に対する供給量は９００℃／３０分でよい。
【００４２】
図１０は、この発明の他の具体的な実施形態を示している。図１０は、第１の構造体２００と、上述したような分子結合により結合された第２の構造体２２０との組立体の断面図である。符号２２４は、組み立てられた構造体の表面間の結合界面を示している。
【００４３】
第１の構造体は、本質的に、その表面に酸化物層２０６が形成されているシリコンウェーハ２０２からなっている。該層２０６における酸化物は、プラズマ強化化学蒸着技術により蒸着されている。この種の酸化物は、拡散することができるＯＨ分子を含むという特殊な特徴を有している。
【００４４】
約５００℃以下の温度で実施される第１の熱処理は、分子結合エネルギを増大させる。
熱処理が継続され、または、約５００℃を超える温度において再開されるときに、酸化物層２０６に含まれているＯＨ基は、特に、それらが捕らえられる界面２２４に向かって拡散しかつ移動する。ＯＨ基の界面に向けた拡散は、矢印２３２で示されている。
【００４５】
界面２２４において、ＯＨ分子は、ガス状の形態および濃度で結合界面において放出される。この現象は、泡の形成を生じさせ、結合界面を弱くする。
ガスにより発生された圧力の作用下において、図１１に示された結合解除された領域２３０は、２つの構造体２００，２２０が完全に結合解除されるまで伝播する。構造体の分離は、機械的な外部の分離力をかけることにより容易になる。これらの力は、図１１に、矢印２４０，２４１によって示されている。これらの力は、張力および／またはせん断力である。
【００４６】
したがって、この発明に係るプロセスは、特に、集積回路ウェーハの分子結合のために、いかなる物質をも添加することなしに、撤回し得る結合を可能としながら、使用され得る。
【００４７】
さらに、この発明は、上記に定義されたようないかなる形式の構造体にも適用できる。この発明は、シリコンを含む構造体のみに関連するものではなく、半導体を用いた他の構造体（Ｓｉ，ＳｉＣ，ＡｓＧａ等）、絶縁構造体（ガラス、石英等）および導体構造体（金属合金等）にさえも関連していることを特筆しておく。
【００４８】
参照された文献
（１）仏国特許出願公開第２７４４２８５号公報
（２） "Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator"
W.P. Maszara, G. Goetz, A. Caviglia and J.B. McKitterick
Aerospace Technology Center, Allied signal Aerospace Company,
Columbia, Maryland 21045
(Received 12 April 1988, accepted for publication 28 July 1988).
（３） "A model for the silicon wafer bonding process"
R. Stengl, T. Tan and U. Gosele
School of Engineering, Duke University, Durham, North Carolina
27706, USA
(Received May 8, 1989, accepted for publication July 15, 1989).
Japanese Journal of Applied Physics, vol.28, No.10,
October 1989, pp.1735-1741.
【図面の簡単な説明】
【図１】 操作基板と呼ばれる他の基板と組み合わせられた、ソース基板と呼ばれる基板上に薄層を具備する構造体の概略的な断面図である。
【図２】 薄層が結合される操作基板の概略的な断面図である。
【図３】 目標基板と呼ばれる基板上に移動された薄層の概略的な断面図である。
【図４】 分子結合のために準備された構造体の概略的な断面図である。
【図５】 分子結合ステップ中の２つの構造体間の結合エネルギを示すグラフである。
【図６】 シリコンウェーハを具備する構造体の概略的な断面図であり、この発明による分子結合のためのこの構造体の準備を示している。
【図７】 シリコンウェーハを具備する他の構造体に結合された図６の構造体の断面図である。
【図８】 図７に示された組み立てられた構造体の断面を示しており、この発明に従う結合解除のための処理ステップを示している。
【図９】 図８と同様の処理ステップを示す図である。
【図１０】 この発明に従う２つの構造体の分子結合により得られた他の組立体の断面を示している。
【図１１】 この発明による結合解除処理中の図１０における組立体の断面を示している。
【符号の説明】
１００，１２０；２００，２２０ 構造体
１２４，２２４ 結合界面
２４０，２４１ 外部分離力
Claims (10)
- 結合界面（１２４，２２４）における分子接着による２つの構造体（１００，１２０；２００，２２０）の結合および前記結合界面に沿う前記２つの構造体の結合解除のための処理プロセスであって、前記構造体内を前記結合界面に向かって拡散することができる少なくとも１つの要素を含む少なくとも１つの構造体（１００，２００）を使用して結合が行われ、前記要素を前記結合界面（１２４，２２４）に向かって拡散させて前記結合界面を弱めるガス相を該結合界面に形成するように十分な熱供給を伴う熱処理を使用して結合解除が行われることを特徴とするプロセス。
- 結合前に前記少なくとも１つの構造体（１００）内に水素注入が行われ、該水素が、前記構造体内を拡散することができる前記要素を形成していることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
- 注入が、シリコン内に、１０16〜５×１０16 （Ｈ ＋ ／ｃｍ ２ ）の間の投与量および２０〜５００ｋｅＶのエネルギで行われることを特徴とする請求項２記載のプロセス。
- プラズマ強化化学蒸着により形成され、かつ、ＯＨ分子を含む表面酸化物層を具備する少なくとも１つの構造体（２００）が使用され、前記ＯＨ分子が拡散可能な要素を形成していることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
- 前記熱処理が、６００〜１３５０℃の間の温度で行われることを特徴とする請求項３記載のプロセス。
- 前記熱処理が、結合された構造体を加熱ランプからの照射に晒すことにより実施されることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
- 前記熱処理が、炉内において行われることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
- 少なくとも１つの構造体が、多層の構造体であることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
- 前記少なくとも１つの構造体の表面が、そこにレリーフを形成するように結合前に準備されることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
- 結合解除時には、構造体に外部の分離力（２４０，２４１）が印加されることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
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