JP5769825B2 - ウェハーの恒久的な接合のための方法及び装置、並びに切削器具 - Google Patents

Description

本発明は、第一材料から成る第一固体基板の第一接合面を、第二材料から成る第二固体基板の第二接合面に接合する、請求項１に記載の方法であり、並びに請求項７に記載の対応する装置及び請求項９に記載の切削器具に関する。

固体基板の恒久的な又は不可逆的な接合の目的は、可能な限り強力な接合及び特に不可逆な接合、つまり２つの固体基板の接合面間での高い接合力を作り出すことである。この目的のために、従来技術における様々なアプローチ及び生産方法には、特に接合の溶接、又は高温での表面間における拡散接合の作成がある。

主に金属及び／又はセラミック以外のすべての種類の材料は、恒久的に接合されている。最も重要な恒久的な接合系の一つは金属−金属系である。近年、Ｃｕ−Ｃｕ系が普及し主要な系となっている。ほとんどの場合、３次元構造体の発展が異なる機能層の接合を特に必要とする。この接合はますます頻繁に、いわゆるＴＳＶ（シリコン貫通ビア）を用いて作成され行われている。これらのＴＳＶ間の接触の保証は、非常に多くの場合銅接点によって行われる。非常に多くの場合、本格的な、機能的な構造体、例えばマイクロチップは、接合時にすでに固体基板の１つ又は複数の表面に存在している。異なる熱膨張係数を有する異なる材料がマイクロチップ内で用いられているので、接合時の温度上昇は望ましいことではない。このような温度の上昇は、マイクロチップ又はその近傍の部位を破壊する可能性のある熱膨張ひいては熱応力へとつながり得る。

これまでとられてきた既知の製造方法及びアプローチは、異なる条件へ移行が特にほぼ不可能である、再現性のない又は再現性の低い結果へとしばしばつながる。特に、現在使用されている製造方法は多くの場合、再現性のある結果を保証するために、特に４００℃より高い高温を採用する。

高エネルギー消費、及び固体基板上に現れる構造体の破壊可能性のような技術的問題は、これまで高い接合力のために必要とされてきた高温、中には３００℃を大幅に超える温度に起因する。

その他の要件は：
−ラインの前工程（Ｆｒｏｎｔ−ｅｎｄ−ｏｆ−ｌｉｎｅ）の適合性。これは、電気的に能動素子の製造時のプロセスの適合性として定義されている。したがって接合プロセスは、ウェハー構造体上にすでに存在しているトランジスタのような能動素子が、プロセス中に危険にさらされる、又は損傷を受けることがないように設計されなくてはならない。適合性の基準は、特定の化学元素の純度（主にＣＭＯＳ構造体）、及び特に熱応力に起因する負荷に対する機械的負荷容量を主に含んでいる。
−低汚染。
−負荷が無い、又は可能な限り少量の負荷。
−異なる熱膨張係数を持つ材料の場合特に、可能な限り低い温度。

このような背景から、可能な限り低い温度及び圧力／力の条件下で、２つの金属表面間の直接的、恒久的な結合を作成する必要性が長らく存在してきた。直接の恒久的な接続は、接触している２つの金属表面間の境界面上での全く新しい構造体の作成として、当業者によって好ましくは定義される。

この場合新しい構造体の形成は、好ましくは再結晶化によって行われる。再結晶は、結晶粒成長による新たな構造体の作成として定義される。このような結晶粒成長のための条件として、材料の転位密度を増加させる、及びこうして材料をエネルギー的に準安定状態にする高い変形の度合いが挙げられ、臨界温度を超えたとき、これは新しい結晶粒の形成につながる。重工業において、ローリング、鍛造、深絞り、捻り、せん断などのような大規模な変形プロセスは、増加した転位の度合いを達成するために主に用いられる。

上述した準安定で転位が豊富な微細構造体が低温で作成されるこのような大規模な変形プロセスは、非常に微細な構造体を備える非常に薄い基板及び薄く脆いウェハーであるため、半導体産業で用いられることはできない。構造体又はウェハーは大規模な変形によって破壊されるので、構造体又はウェハーのいずれも、大規模な変形を受けることができない又は受けるべきでない。

それゆえ本発明の目的は、基板及び基板上の任意の構造体のために、より優しく且つより効果的な方法で行うことができる２つの固体基板の接合を行うことができる方法及び装置／切削器具の提案である。

この目的は、請求項１、７、及び９の特徴を用いて達成される。本発明の有利な発展は、従属請求項に示される。本発明は、明細書、特許請求の範囲、及び／又は図面で示される少なくとも２つの特徴から成るすべての組み合わせも含む。示された値の範囲の場合、提示された限度内にある値は、境界値として開示されたものとみなすこともあり、及び任意の組み合わせで主張され得る。

本発明の基本的な思想は、それらが接触された後に最適に、土台となる表面を溶着する／接合するために、接合面の表面粗さＯが最小化されるように、それらが接触させられる前に、２つの接合面の少なくとも１つを、及び好ましくは両方の接合面を平坦化することである。これに関連して、化学−機械研磨（ＣＭＰ）プロセスを排除することができる。さらに本発明によると、接合面にて高い変位密度及び／又はアモルファス層を得るために、接合面で準安定微細構造体が作成される。高い変位密度及び／又はアモルファス層は、再結晶化プロセスを促進及び／又は加速する。このプロセスでは滑らかな表面が特に提供される（表面粗さの低減）。

加えて、二つの面の優れた接合性を保証するために表面近傍のアモルファス領域が提供される。産業におけるアモルファス材料の製造は、冷却された基板上への材料の蒸着、イオンの打ち込み又は照射、非常に強力な機械的変形、などによって主になされる。ここで開示された本発明は、高い変位密度及び／又はアモルファス領域を備えた、すでに存在している表面近傍領域の作成方法を開示する。

準安定構造体の製造及び平坦化は、切削方法によって好ましくは行われる。

以下の材料で作られた固体基板は、本発明に係る固体基板として適している：
− Ｃｕ−Ｆｅ、Ｃｕ−Ｇｅ、Ｃｕ−Ｉｎ、Ｃｕ−Ｌｉ、Ｃｕ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｍｎ、Ｃｕ−Ｎｂ、Ｃｕ−Ｎｄ、Ｃｕ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｓｉ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｕ−Ｚｒ、Ｃｕ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ｔａ、Ｃｕ−Ａｕ、Ｃｕ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｃｕ− Ｗ−Ｆｅ、Ｗ−Ｇｅ、Ｗ−Ｉｎ、Ｗ−Ｌｉ、Ｗ−Ｍｇ、Ｗ−Ｍｎ、Ｗ−Ｎｂ、Ｗ−Ｎｄ、Ｗ−Ｎｉ、Ｗ−Ｓｉ、Ｗ−Ｓｎ、Ｗ−Ｚｎ、Ｗ−Ｚｒ、Ｗ−Ｔｉ、Ｗ−Ｔｉ、Ｗ−Ｔａ、Ｗ−Ａｕ、Ｗ−Ａｌ− Ｔｉ−Ｆｅ、Ｔｉ−Ｇｅ、Ｔｉ−Ｉｎ、Ｔｉ−Ｌｉ、Ｔｉ−Ｍｇ、Ｔｉ−Ｍｎ、Ｔｉ−Ｎｂ、Ｔｉ−Ｎｄ、Ｔｉ−Ｎｉ、Ｔｉ−Ｓｉ、Ｔｉ−Ｓｎ、Ｔｉ−Ｚｎ、Ｔｉ−Ｚｒ、Ｔｉ−Ｔａ、Ｔｉ−Ａｕ、Ｔｉ−Ａｌ− Ｔａ−Ｆｅ、Ｔａ−Ｇｅ、Ｔａ−Ｉｎ、Ｔａ−Ｌｉ、Ｔａ−Ｍｇ、Ｔａ−Ｍｎ、Ｔａ−Ｎｂ、Ｔａ−Ｎｄ、Ｔａ−Ｎｉ、Ｔａ−Ｓｉ、Ｔａ−Ｓｎ、Ｔａ−Ｚｎ、Ｔａ−Ｚｒ、Ｔａ−Ｔｉ、Ｔａ−Ｗ、Ｔａ−Ｔｉ、Ｔａ−Ｔａ、Ｔａ−Ａｕ、Ｔａ−Ａｌ− Ａｕ−Ｆｅ、Ａｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ−Ｌｉ、Ａｕ−Ｍｇ、Ａｕ−Ｍｎ、Ａｕ−Ｎｂ、Ａｕ−Ｎｄ、Ａｕ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｚｒ、Ａｕ−Ｔｉ、Ａｕ−Ｗ、Ａｕ−Ｔｉ、Ａｕ−Ａｕ、Ａｕ−Ａｕ、Ａｕ−Ａｌ− Ａｌ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｇｅ、Ａｌ−Ｉｎ、Ａｌ−Ｌｉ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｎｂ、Ａｌ−Ｎｄ、Ａｌ−Ｎｉ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｚｎ、Ａｌ−Ｚｒ、Ａｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｗ、Ａｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ａｌ、Ａｌ−Ａｌ、Ａｌ−Ａｌ

半導体の以下の混合形態は、固体基板としても考えられる。
−ＩＩＩ−Ｖ：ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ
−ＩＶ−ＩＶ：ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、
−ＩＩＩ−ＶＩ：ＩｎＡｌＰ。
−非線形光学：ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）
−太陽電池：ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＩｎＧａＳｅ_２、ＣｕＩｎＳ_２、ＣｕＩｎＧａＳ_２
−導電性酸化物：Ｉｎ_２−ｘＳｎ_ｘＯ_３―ｙ

マイクロ領域及び／又はナノ領域内の構造体に対する発明の思想の有用性を説明するために、最初に一般的な物理、化学、及び材料科学の原理が説明される。以下で器具という用語が用いられるとき、上記用語は一般的に特定の温度Ｔにて速度ｖで工作物を叩くことのできる器具のことを指している。これは工作物上での衝撃応力を意味する。その器具は、好ましくは標準化された器具であり、例えばシャルピー切欠試片衝撃試験機（ＤＩＮ ＥＮ １００４５−１）である。工作物は好ましくは標準試料である。図３ａ及び図３ｂは、バルク金属の場合における、へき開破壊強度（Ｔｆ）及び延性破壊強度（Ｇｆ）に対する器具の速度（図３ａ）及び温度（図３ｂ）の効果を模式的に示す。図は、これらの２つの物理特性の概略図である。異なる材料で数値が異なるので、絶対的な数値は示されていない。図３ａにおいて、材料のへき開破壊強度及び延性破壊強度の依存性は、器具の速度の関数として表される。

へき開破壊強度Ｔｆは、材料を断ち切ろうとする力に対して、塑性変形なしで、つまり理想的な脆性で材料が耐える抵抗である。延性破壊強度Ｇｆは、材料を塑性的に変形させようとする力、より具体的には推力に対して材料が耐える抵抗である。この場合の塑性変形のメカニズムは、主に転位運動及び転位生成の機械的塑性メカニズム、並びに、結晶双子の形成である。へき開破壊強度及び延性破壊強度の間の区別は、完全に材料に基づいて行うことはできない。したがって、もしそれらが埋め込まれた金属間相を有するならば、又はもし試料形状の理由で好ましくない応力条件が勝っているならば、延性材料でさえ脆性破壊挙動を示すことがある。さらに、器具の衝撃条件及び試料温度が決定的な役割を果たす。図３ａ及び図３ｂは、温度及び金属に対する器具の速度の関数としてへき開破壊強度及び延性破壊強度の概略プロットを、示す。図３ａにおいて、それぞれの材料に関して（特に厚さの余裕で）経験的に決定される臨界速度ｖｋ以下の低い器具の速度では、延性破壊強度Ｇｆがへき開破壊強度Ｔｆより低い値を有することは明らかである。したがって、臨界速度ｖｋ下の器具の速度では、材料はへき開破壊によってよりも変形破壊（つまり延性破壊）によって、より容易に破壊するであろう。臨界速度ｖｋ以上では、へき開破壊強度Ｔｆの値は、延性破壊強度Ｇｆの値よりも低い。臨界速度ｖｋ以上の速度で材料を叩く器具は、材料が脆性で、つまりへき開破壊によって壊れるようにするであろう。延性破壊強度Ｇｆが器具の速度ｖｋに大きく依存している一方、へき開破壊強度Ｔｆは器具の速度によってほとんど変化しないことは図３ａから明らかである。へき開破壊強度及び延性破壊強度は、さらに材料の温度に依存する（図３ｂ）。臨界温度Ｔｋ以上の温度では主に延性破壊が原因で材料破壊が起こり、一方逆に臨界温度Ｔｋ以下では主に脆性破壊（つまりへき開破壊）が原因で材料破壊が起こる。本発明によれば、転位の“凍結”は、このように低い温度で起こる。材料物理プロセスとしての転位運動は、温度に明示的に依存している。温度が低いほど、転位の移動度が低くなる、及び固体基板の転位を移動することよりが困難になるであろう。図３ａ及び図３ｂは、一般的に金属は、より高い器具の速度で、及びより低い温度でより脆性破壊することを示す。破壊挙動に応じて異なる材料を分類するために、実験的に決定された、材料を破壊するのにかかる切欠試片の衝撃仕事Ｋは、温度の関数としてプロットされる（図３ｃ）。このように切欠試片の衝撃仕事−温度図は、対象の材料に応じて得られ、切欠試片の衝撃仕事の明確な減少を有する（２）、又は切欠試片の衝撃仕事は温度範囲においてわずかにだけ変化する（１又は３）曲線プロット（１）を持つ材料は、全温度範囲にわたって非常に大きな切欠試片の衝撃仕事を必要とし、主に変形破壊によって破壊される。より高い切欠試片の衝撃仕事は、大量のエネルギーが転位を生成する及び移動することに投入される事実に起因する。曲線プロット（３）を持つ材料は、全温度範囲にわたって非常に少量の切欠試片の衝撃仕事を必要とし、主にへき開破壊により破砕される。低い切欠試片の衝撃エネルギーは、形成される又は存在している任意の亀裂が成長するエネルギー、つまり原子間の結合エネルギーのみを集める必要があるためである。変形破壊とは対照的に、転位の形成及び／又は移動にエネルギーが費やされない。したがって切欠試片の衝撃エネルギーがより低くなっている。さらに、切欠試片衝撃エネルギーが曲線プロット（３）を有する材料がある。この曲線のプロットは、温度の低下に伴い、変形破壊からへき開破壊への明確な遷移を示す。よって、この物理特性を備える材料の場合、破壊挙動は温度変化によって明示的に影響を受けることがある。

Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ又はオーステナイト鋼（一般的に、主に面心立方格子を有する材料）のような材料の切欠試片の衝撃仕事は曲線（１）で描かれることはここで言及されるべきである。体心立方材料の破壊挙動は、主に曲線（２）によって描かれる。高強度材料、ガラス、及びセラミックは曲線（３）によって描かれる挙動を主に表す。当業者は材料の物理特性から、又はより具体的にはバルク材料群から、これらすべての特性に精通している。ここに開示されている及び当業者に馴染みのあるバルク材料のすべての特性は、一方ではすでにウェハー上にある構造体の表面を平坦化する、並びに、他では表面近傍領域を他の構造体の他の表面との接合を促進する及び／又は加速する準安定状態にするために、今や活用されるべきである。

再結晶化を起こすために、本発明に従って２つの条件が累積的に満たされることになる。

まず、非常に変形した金属は、再結晶化温度以上に加熱する必要がある。例えばスズはおよそ０℃で、亜鉛はおよそ２０℃、アルミニウムは１００℃、銅はおよそ２７０℃、鉄はおよそ４５０℃、及びタングステンは１２００℃で再結晶化する。一般的に実際の再結晶化温度は、これらの値の上又は下にあるであろうと想定しなくてはならない。再結晶化温度の決定的な要因は、添加物の合金化による汚染である。したがって、例えば９９．９９９％の銅の再結晶化温度は１２０℃であるが、より不純な性質である電解析出した銅の再結晶化温度はおよそ２００℃である。電解による銅の析出は常に、有機添加剤、イオン及び不純物を伴う。ＣＶＤ及び／又はＰＶＤプロセスによって堆積した銅は、対照的に高純度である。

再結晶化のための第二の条件は、エネルギー的に準安定状態であることである。本発明によれば、この状態は増加した転位密度及び／又はアモルファス−結晶構造体及び／又は疑似結晶構造体によって生成される。好ましくは部分的に結晶相及び／又は疑似結晶相が存在する、最も好ましくは増加した転位密度を備えるマイクロ結晶及び／又はナノ結晶が存在するアモルファスマトリックスが提供される。結晶、疑似結晶、及びアモルファス構造要素の、任意の体積比での任意の組み合わせも考えられる。文章の残りの部分を明確にするために、結晶−アモルファス構造体が主に扱われる。

いわゆる“サイズ効果”が材料の物理−化学挙動を根本的に変える可能性を有することが知られている。特に非常に小さな寸法の銅の再結晶化は、上記最小の再結晶化温度である１２０℃以下でさえ起こりうる。従って本発明によると、設定された温度で高速度の器具によって表面が処理されたマイクロ構造体又はナノ構造体を備える高純度材料は、対応するバルク材料の温度よりも低い温度で、より効率的に再結晶化を引き起こす。

本発明によれば、第一処理（及び必要に応じて第二処理）の後できる限り早く、特に２時間以内に、好ましくは３０分以内に、さらにより好ましくは１０分以内に、及び理想的には５分以内に固体基板が接触させられると特に有利であれる。この措置は、固体基板の表面又は機能層の酸化のような任意の望ましくない反応を最小限にすることを保証する。

本発明による接合面は、１μｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満、最も好ましくは１０ｎｍ未満、及びさらにより特に１ｎｍ未満の二次粗さ（Ｒｑ）を備える表面粗さＯまで処理される。これらの経験的な値は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって決定される。

本発明のもう一つの側面は、接合される２つの固体基板間のシームレスな遷移の形成から成る。シームレスな遷移は、特に接合されたウェハーの一方から他方へ結晶粒構造体中を途切れることなく拡張する多結晶構造体として定義される。このようなシームレスな遷移の作成は、特に固体基板の材料及びそれらの寸法に経験的に関連する上述したパラメータの条件下での再結晶化によって特に行われる。再結晶化は、結晶粒成長によって本発明によって経験的に決定された温度及び増加した転位密度によって引き起こされる新規構造体の形成である。本発明によって設けられた増加した転位密度のために、構造体は準安定状態である。この準安定状態は、転位の歪み場の重ね合わせによって作成される。再結晶化温度以下では、相互に反発する歪み場に起因して、転位ネットワークの転位が自然に滑り始めることを引き起こすのには熱運動が足りない。転位は準“凍結”されている。もし温度が再結晶化温度を超えた場合、熱運動は転位運動により転位密度を減少するのに十分である。構造体の完全な再形成は、転位密度の減少を伴う。本発明によって得られる効果は、（表面粗さＯによって定義された／制限されている）接合界面を超えて構造の再形成が行われ、そこで実質的に接合面を完全に消滅させる事実にある。

従って、本発明による方法は、特に最も一般的な形態において、第一材料から成る第一固体表面の第一接合面を第二材料から成る第二固体基板の第二接合面に接合するための以下の段階を、特に次の順序で有する：
−特に臨界速度ｖｋ以下である速度ｖｓで、並びに臨界温度Ｔｋ以上である温度Ｔｓで少なくとも表面に近い領域内に準安定構造体を作成するための切削器具による、並びに１μｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満、最も好ましくは１０ｎｍ未満、及び最も特に１ｎｍの二次粗さ（Ｒｑ）までの好ましくは同時の又は連続する平坦化による第一及び又は第二接合面の処理、
−第一固体基板と第二固体基板との接合面での接触、並びに
−再結晶化温度を超える接合温度ＴＢで接合面の表面粗さＯよりも大きい再結晶化深さＲに至るまでいずれの場合も、接合面にて再結晶化によって少なくとも主に作成される恒久的な接合を形成するための、接触している固体基板の熱への暴露。

特に最も一般的な実施形態において、本発明に従う対応する装置は以下の特徴を有する：
−特に臨界速度ｖｋ以下である速度ｖｓで、並びに臨界温度Ｔｋ以上である温度Ｔｓで、少なくとも表面に近い領域内に準安定構造体を作成し、１μｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満、最も好ましくは１０ｎｍ未満、及び最も特に１ｎｍ未満の表面粗さＯまで下げるために第一及び／又は第二接合面を処理するための切削器具、
−接合面にて第一固体基板を第二固体基板に接触させる手段、並びに
−再結晶化温度を超える接合温度ＴＢで、接合面の表面粗さＯよりも大きい再結晶化深さＲにいずれの場合も至るまで、接合面にて少なくとも主に再結晶化によって作成される恒久的な接合を形成するために、接触している固体基板を熱に暴露する手段。

臨界速度ｖｋ以下である速度ｖｓで、並びに臨界温度Ｔｋ以上である温度Ｔｓで、第一及び／又は第二接合面を処理し、１μｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満、最も好ましくは１０ｎｍ未満、及び最も特に１ｎｍ未満の表面粗さＯまで下げるために、本発明に従う切削器具は設計された。

本発明の有利な実施形態は、第一及び第二材料が同一であるように選択されることを要求する。これは再結晶化を促進する。

本発明による他の一つの実施形態は、第一及び／又は第二材料が金属であることを要求する。本発明は金属材料に特に適しており、最適な結果を得ることができる。

臨界温度Ｔｋを超える接合温度ＴＢで恒久的な接合の形成が起こる程度まで、恒久的な接合の形成が加速される。

他の一つの有利な実施形態は、第一及び／又は第二接合面にてアモルファス層及び／又は増加した転位密度の層が形成されるように行われる、切削器具による処理を要求する。処理速度及び温度のパラメータは、この場合固体基板の材料及びそれらの寸法、特にそれらの厚さに特に依存する。適切なパラメータは、材料に特に特有なものとして経験的に決定されることができる。

他の一つの実施形態においては、第一処理の後及び接触される前に、臨界速度ｖｋ以上である速度ｖｏで、並びに臨界温度Ｔｋ以下である温度Ｔｓで、第一及び／又は第二接合面の第二処理が切削器具、特に同一の切削器具により行われ、１００ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満、さらに好ましくは１ｎｍ未満、及び最も特に０．１ｎｍ未満に表面粗さＯを減少させることが有利に定められる。これにより、微細構造体が作成された（第一処理）後に、表面粗さＯが特にへき開破壊によって減少する。もし表面粗さが、すでに第一処理で十分に減少されている場合、この工程段階は必要ない。

原理的に２種類のへき開破壊は区別される：粒界へき開破壊及び粒内へき開破壊（非常に多くの場合、文献でもへき開破壊を脆性破壊と呼ぶ）。粒界へき開破壊の場合、亀裂は結晶粒の粒界に沿って入る。粒内へき開破壊の場合、亀裂は逆に結晶粒を通って入る。もし実験データから、材料が好ましくない表面粗さ、つまり大きな表面粗さにつながる粒界破壊による破壊をしていることが明らかになれば、その後本発明に従うパラメータは表面粗さが最小になるように修正される必要がある。ここで明示的に開示される本発明とは逆に、この状態は非常に容易に延性破壊単独から生じ得るとも言える。しかしながら、用いられる材料の微細構造は好ましくしはナノメートル領域の結晶粒を有し、それゆえ粒界破壊の場合でさえ、単にナノメートル領域の粗さだけが存在するであろうことを言及すべきである。その結果特に、（平均）結晶粒径は、その結果この（平均）粗さの上限となるであろう。もし構造体がマイクロメートル領域の結晶粒を有していたならば、その時はいかなる場合も粒内へき開破壊が望まれる。決して排他的にではなく、例えば、粒界析出、結晶粒内の金属間相、亀裂を逸れさせる可能性のある指向性の微細構造要素などについてここで言及されるべきである。一般的に、結晶粒間の強度が結晶粒内の原子間の強度未満の時、結晶粒は好ましくは粒界に沿って砕けるであろうと述べることができる。

したがって本発明は、材料（固体基板の材料）の再結晶化が、構造体内の準安定エネルギー状態の生成を介して、接合面の表面近傍領域において比較的低温で実施される方法に関する。こうして互いに接触させられる２つの接合面は、比較的非常に低い表面粗さＯを備えて、恒久的に及びシームレスに互いに接合される。準安定エネルギー状態は好ましくは、接合面の表面近傍領域においてのみ好ましくは生成される。ここで、特に複数の器具から成る切削器具が用いられ、周波数、切削速度、工具形状、及び／又は切削挿入角度によって接合面で特定の微細構造を設けることが可能である。本発明によれば、表面及び接合面近傍の領域が器具の通過後に増加した転位密度を有するように、器具のパラメータ及び周囲のパラメータが選択されるならば、この場合特に有利である。

再結晶化後、構造体は好ましくはできる限り粗い結晶粒がよい。粗い結晶粒の構造体は、非常に低い熱抵抗及び特に非常に低い電気抵抗を有する。したがって、このような粗い結晶粒の構造体は、界面上で単結晶でさえあることが好ましく、特に導電性接続に適している。産業部門は本発明による方法を、導電性接続体として相互接続を作製するために好ましくしかし排他的でなく用いるだろうから、可能な限り低い電気抵抗ひいては可能な限り粗い結晶粒の構造体が多くの場合望ましい。このような構造体は特に交互の熱負荷環境下において高い疲労強度を有するため、本発明に従う方法によって相互に接続され、及び機械的な安定効果、特に熱機械的な安定効果のみを有するように意図された素子にとっては、そこで逆に細かい結晶粒の構造体が好ましい。

本発明の有利な実施形態では、第一処理の後、つまり器具が通過した後に接合面及び表面近傍領域が、好ましくは非常に増加した転位密度を有する結晶領域が設けられるアモルファス層から成るように、器具のパラメータ及び環境パラメータが選択される。アモルファス層の厚さは、特に（経験的に確立された）器具の速度によって決定される。

本発明の他の一つの基本的な側面は、接触面を越える／接触面近傍（特に表面粗さＯの領域内）を越える再結晶化である。本発明によれば、これは表面粗さＯを比較的低く調整することによって、つまり切削器具による操作によって達成及び最適化される。目標とされた方法で器具の速度及び温度を調整することによって、表面粗さＯが最適化できる。へき開破壊表面は、塑性変形工程を経た表面と比較してより滑らかであるため、大部分の材料の場合、最小の表面粗さＯは、高い器具の速度及び低い温度と関連する。物理学の観点から、低い表面粗さは再結晶化つまり構造体の修正に関してはなにも変化させない、しかしながら低い表面粗さに由来するより多くの接触点があることから、低い表面粗さは新しく形成される結晶粒が接触面をより容易に橋渡しするようにする。

再結晶化温度は固体基板に用いられる材料に依存しており、特に材料の転位密度に特に依存している。この仕様のために、材料の融点の５０％が再結晶化温度（０．５の相同温度）として採用される。本発明によれば、添加物、特に合金元素の目標とされる追加、又は目標とされた汚染を通じて、再結晶化温度に影響を与えること、並びに好ましくはそれを最小に減少させるために高純度材料を用いることが考えられる。

材料固有のパラメータの経験的な決定は、バルク材料への切欠試片の衝撃強度の測定によって特に行うことが可能である。さらに、本発明に従うパラメータの経験的な決定は、本発明に従う装置による試験シリーズによって、及び実際に実行することによって行われ得る。本発明に従うパラメータのためのバルク材料の基準値の薄い基板への移動は容易には不可能であり、少なくとも直接的ではないため、これは特に好まれる。

さらに本発明によれば、第一モジュールにて第一及び／又は第二接合面の処理段階を実行し、一方別の第二モジュールにてそれらを接触してそれらを配列する、及び接触している固体基板の熱暴露する段階を実行することは、本発明の１つの実施形態において有利である。

限定するものではなく一例として、図４は概略にて及び大幅に簡略された形式にて、切削器具を備える考えられる器具保持器の上面図を示すものであり、上記器具保持器はその軸の周りを回転し、処理されるウェハー上に正方向に押し出される。当業者は、これらの種類の器具又は同様に動作する器具に大変精通している。

本発明によれば、処理されるウェハーを所望の温度にするために、適切に能動的に昇温及び／又は冷却可能な試料保持器が提供される。本発明に従う処理工程後に、２つのウェハーがそれぞれ互いに配列できる／しなければならないこともまた開示される。

本発明に従う切削器具によって固体基板を処理するための、本発明に従う工程段階を示す。 増加した転位密度を有する表面近傍層を備える、本発明に従って処理された接合面を示す。 表面近傍のアモルファス層を備える、本発明に従って処理された接合面を示す。 増加した転位密度を有する表面近傍のアモルファス層を備える、本発明に従って処理された接合面を示す。 増加した転位密度を有する結晶領域を備える表面近傍のアモルファス層を備える、本発明に従って処理された接合面を示す。 本発明に従う図１ｂに類似する第一及び第二接合面の処理の工程段階を示す。 固体基板を接触させるための、本発明に従う工程段階を示す。 接合面にて再結晶化によって少なくとも主に生成される恒久的な接合を形成するために、接触している固体基板の熱暴露する、本発明に従う工程段階を示す。 器具の速度に対するへき開破壊強度及び延性破壊強度の依存性の略図を示す。 温度に対するへき開破壊強度及び延性破壊強度の依存性の略図を示す。 ３つの典型な分類の材料の場合の温度に対する切欠試片の衝撃仕事の依存性の略図を示す。 は、金属切削器具の考えられる実施形態を示す。

本発明の追加の利点、特徴、及び詳細は、図面、及び以下の好ましい例示の実施形態の記述において説明される。

図１ａは、第一材料（この場合金属）から成り且つ接合側面１ｓ上にて比較的高い表面粗さＯ（接合側面１ｓ全体、及び第一固体基板１の接合側面１ｓの接合される接合面１Ｏに対する平均二次粗さ）を有する第一固体基板を示す。図１ａから図１ｅ及び図２ａから図２ｃは、第一固体基板１及び第二固体基板２（図２ａから図２ｃ）の断面の小さな領域のみをそれぞれ示す。

第一接合面１ｏの処理のための第一段階のために、第一接合面１ｏで材料が除去されるように、第一接合面１ｏに沿って速度ｖｓで移動できるように切削器具５は設けられる。第一処理の間の温度Ｔｓと同様に切削器具５の相対速度ｖｓは、材料除去の重要な効果を有する。加えて、他の影響する要因は、切削器具５の形状（器具形状）、器具自体の温度、及び切削器具５の動作方向（速度ベクトルｖｓ）に対する切削先端の挿入角度αがある。

本発明によれば、接合面１ｏの第一処理後、及び必要に応じて少なくとも第二処理後に、表面近傍領域３（図１ｂ）、３’（図１ｃ）、３’’（図１ｄ）、又は３’’’（図１ｅ）が形成されるように（特に上述したパラメータの経験的な決定によって）上述したパラメータが設定される。

図１ｂに示される実施形態において、切削器具５による第一処理の後に、表面近傍領域３が図１ａによる固体基板１の第一材料と比較して増加した転位密度を有するように上述したパラメータが選択される。

図１ｃに示される実施形態において、切削器具５による第一処理の後に、表面近傍領域３’が少なくとも部分的に及び好ましくは主に、特にある領域内では完全にアモルファスであるアモルファス材料４から成るように上述したパラメータが選択される。

図１ｄに示される実施形態において、切削器具５による第一処理の後に、表面近傍領域３’’が少なくとも部分的に及び好ましくは主に、特にある領域内では完全にアモルファスであり及び特にアモルファス材料の外側の領域内では第一処理の前の第一固体基板１と比較して増加した転位密度を有するアモルファス材料４から成るように上述したパラメータが選択される。

図１ｅに示される実施形態において、上述したパラメータは、切削器具５による第一処理の後に、表面近傍領域３’’’が少なくとも部分的に、及び好ましくは主に、少なくとも部分的に及び特に完全に、特に増加した転位密度を有する結晶領域６が形成されるアモルファス材料４から形成されるように選択される。

本発明によれば、第一処理中の上述した実施形態のための上述したパラメータを変更すること、及び／又は、上述した特徴を生成するために追加の処理段階を提供すること、が考えられる。いずれの場合でも、材料が変形破壊によって主に除去されるように、少なくとも主に及び好ましくは完全に図３ａに従う臨界速度ｖｋ以下である速度ｖｓで、切削器具５は操作する。同時に第一処理中の温度は、変形破壊もそれによって促進されるように、少なくとも主に及び好ましくは完全に図３ｂに従う臨界温度Ｔｋ以上である。

もしこの第一処理段階後に必要な平坦化がいまだ達成されていないならば、必要な平坦化は少なくとも１つの追加の処理段階によって達成され得る。第二処理段階において、材料がへき開破壊によって主に除去されるように、図３ａに従う臨界速度ｖｋ以上の速度ｖｓを切削器具５が好ましくは有する。同時に第一処理中の温度は、へき開破壊がそれ自身によっても促進されるように、少なくとも主に及び好ましくは完全に、図３ｂに従う臨界温度Ｔｋ以下である。

アモルファス材料４から成る層の厚さは、特に器具の速度ｖｓによって決定されるが、これは材料固有のものであり及び材料の温度の関数として経験的に決定され得る。

本発明によれば図１ｂから図１ｅに従う実施形態において、表面近傍領域３、３’、３’’、３’’’の材料の変化が引き起こされるだけでなく、表面粗さＯが１μｍ未満、特に１００ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満、さらにより好ましくは１ｎｍ未満、及び最も好ましくは０．１ｎｍ未満になるように、少なくとも５分の１、特に少なくとも１０分の１、及び好ましくは２０分の１の表面粗さＯの有意な減少が特に存在する。

第一処理後、並びに必要に応じて追加の処理段階によって類似の接合面２ｏを生成するための接合側面２ｓ上における第二固体基板２の対応する処理、及び上述した措置の組み合わせによって、第一固体基板１及び第二固体基板２は、図２ａが示すように接合側面１ｓ及び接合側面２ｓが互いに対向する配置になるように、互いに配向されている。

図２ｂに示される工程段階において、第一固体基板１は、接合面１ｏ、２ｏ（接触面Ｅ）で第二固体基板２と接触される。２つの固体基板１、２の表面粗さ０の大幅の減少により、固体基板１、２間距離は極めて小さく、このため第二固体基板２の第二材料によって第一固体基板の第一材料の再結晶化が促進される。さらにそれと組み合わせて、再結晶化は本発明固有の表面近傍領域３、３’、３’’、３’’’の形成によって促進されるので、再結晶化の時間の後、特に熱への暴露により表面粗さＯよりも大きく、且つ特に表面近傍領域３、３’、３’’、３’’’の深さよりも大きい、再結晶深さＲに至るまで恒久的な接合が形成される。本発明に従って接合された固体基板７は図２ｃに示されるが、本発明に記載の措置により、接合面１ｏ、２ｏはもはや認識できす、及び特にアモルファス材料４はもはや存在もしない。

１ 第一固体基板
１ｏ 接合面
１ｓ 接合側面
２ 第二固体基板
２ｏ 接合面
２ｓ 接合側面
３，３’、３’’、３’’’ 表面近傍領域
４ アモルファス材料
５ 切削器具
６ 結晶領域
７ 接合された固体基板
８ 複数の切削器具用器具保持器
Ｔｓ 温度
Ｔｋ 臨界温度
ＴＢ 接合温度
ｖｓ 速度
ｖｋ 臨界速度
Ｏ 表面粗さ
Ｒ 再結晶化深さ
Ｅ 接触面
α 切削挿入角度

Claims (12)

1. 第一材料から成る第一固体基板（１）の第一接合面（１ｏ）を、第二材料から成る第二固体基板（２）の第二接合面（２ｏ）に接合するための方法であって、
   −少なくとも表面近傍領域内で準安定構造体を、１００ｎｍ未満に減少された表面粗さＯで生成するために、切削器具（５）による前記第一接合面（１ｏ）及び／又は前記第二接合面（２ｏ）の処理を行うステップであって、前記処理を行う間、前記切削器具（５）の速度及び温度を、前記第一固体基板及び前記第二固体基板の材料破壊が延性破壊で行われる速度及び温度に調整する、ステップと、
   −前記接合面（１ｏ、２ｏ）で前記第一固体基板（１）を前記第二固体基板（２）に接触させるステップと、
   −再結晶化温度を超える接合温度ＴＢで、前記接合面（１ｏ、２ｏ）の表面粗さＯよりも大きい再結晶化深さＲにいずれの場合も至る、前記接合面（１ｏ、２ｏ）における再結晶化によって少なくとも生成される恒久的な接合を形成するために、接触している前記固体基板（１，２）を熱へ暴露するステップとを含む、
   方法。
2. 前記第一及び前記第二材料が同一であるように選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第一及び／又は前記第二材料が金属である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第一接合面（１ｏ）及び／又は前記第二接合面（２ｏ）で、前記切削器具（５）による前記処理前の第一固体基板と比較して増加した転位密度を有する層（２）及び／又はアモルファス層（３）が形成されるように前記切削器具（５）による前記処理が行われる、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記切削器具（５）による前記処理を行うステップが行われた後且つ前記接触させるステップが行われる前に、前記表面粗さＯが１００ｎｍ未満に達していない場合に、前記表面粗さＯを１００ｎｍ未満に減少させるための、前記第一接合面（１ｏ）及び／又は前記第二接合面（２ｏ）の処理を、前記切削器具（５）によって、前記第一固体基板及び前記第二固体基板の材料破壊が脆性破壊によって行われる速度ｖｏ及び温度Ｔｏで実施する、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記再結晶化温度を最低まで低下させるために、合金元素の追加、又は、高純度金属を用いた不純物導入を行う、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記切削器具（５）による前記処理を行うステップは、第一モジュールで行われ、前記接触させるステップおよび前記熱へ暴露するステップは、前記第一モジュールとは別の第二モジュールにおいて行われる、請求項１から６の何れか一項に記載の方法。
8. 第一材料から成る第一固体基板（１）の第一接合面（１ｏ）を、第二材料から成る第二固体基板（２）の第二接合面（２ｏ）に接合する装置であって、
   −少なくとも表面近傍領域内で準安定構造体を、１００ｎｍ未満に減少された表面粗さＯで生成するための、前記第一接合面（１ｏ）及び／又は前記第二接合面（２ｏ）を処理するための切削器具（５）であって、前記処理を行う間、前記切削器具（５）の速度及び温度は、前記第一固体基板（１）及び前記第二固体基板（２）の材料破壊が延性破壊で行われる速度及び温度に調整されている、切削器具（５）と、
   −前記接合面（１ｏ、２ｏ）で前記第一固体基板（１）を前記第二固体基板（２）に接触させるための手段と、
   −再結晶化温度よりも高い接合温度ＴＢで、前記接合面（１ｏ、２ｏ）の表面粗さＯを超える再結晶化深さＲにいずれの場合も至る、前記接合面（１ｏ、２ｏ）における再結晶化によって少なくとも生成される恒久的な接合を形成するために、接触している前記固体基板（１、２）を熱へ暴露する手段とを備える装置。
9. 前記表面粗さＯが１００ｎｍ未満に達していない場合に、前記表面粗さＯを１００ｎｍ未満に減少させるための処理を、前記第一固体基板（１）及び前記第二固体基板（２）の材料破壊が脆性破壊によって行われる速度ｖｏ及び温度Ｔｏで実施するように、前記切削器具（５）が調整可能である、請求項８に記載の装置。
10. 前記再結晶化温度を最低まで低下させるために、合金元素の追加、又は、高純度金属を用いた不純物導入を行う、請求項８又は９に記載の装置。
11. 第一材料からなる第一固体基板（１）及び第二材料からなる第二固体基板（２）の材料破壊が延性破壊によって行われる速度ｖｓ及び温度Ｔｓに調整可能であり、且つ、１μｍ未満の表面粗さＯを有するように、前記第一固体基板（１）の第一接合面（１ｏ）及び／又は前記第二固体基板（２）の第二接合面（２ｏ）を処理するための切削器具（５）。
12. 前記切削器具（５）は、前記第一材料および前記第二材料の材料破壊に影響する形状を有する、請求項１１に記載の切削器具（５）。