JPH05509445A - 直接基板結合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 直接基板結合 技術分野 本発明は、少なくとも１つが、例えばシリコンのような半導体材料から構成され る２つのウェハ板の間の中実な（ｓｏｌｉｄ）表面結合を生成する方法に関する 。

従来の技術 微細構造技術では、複合微細システム、例えばセンサ、微細電子回路を含むアク チュエータの作製の際に、製造上の理由から、同−又は異なる材料の別々に作製 し加工したウェハ板の表面を介して複合微細システムに永久的に接合させるのが 有利である。

例えばエビタフチッププロセスを用いる層の配列の作製では、一部非常に複雑で 高価なエピタキシー機構は高い投資コストを必要とするという欠点が顕著にある 。これに対して、接合技術を使用する半導体層配列の作製は、比較的高価ではな い代替手段である。

しかしながら、ウェハ板の接合に関する従来技術は、相当多数の異なる不利な点 を有している。

直接基板結合方法の技術の現状では、７００℃〜１１００℃の範囲の温度が調質 （ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）手順の際に必要である。すなわち、このような高い温度 によってのみ、更なる加工手順について十分な接着力を有する永久的な接着ウェ ハ板が生成される。

これに関連して、例えばＥＰ−Ａ−０１３６０５０号が参照されるが、ここでは 「接着」シリコンウェハは６００’Ｃより高い温度になるまで必要な接着力を達 成しないことが明示されている。

更に、米国特許第４８８３２１５号から接合技術が公知であるが、これはガラス 素子のいわゆる「破裂」に類似して機能するものである。この接合技術を用いる 場合、シリコンウェハ板のみならずシリコン及び絶縁材料、例えばガラス又は半 導体酸化物のウェハ板も接合させることができる。

この結合技術では高温での調質手順は必要ではないが、板の間の接着力は多くの 個々の場合について十分ではない。

更に、米国特許第４９６２０６２号から、中間層によって２つの半導体ウェハ板 を接合する方法が公知である。しかしながら、この従来技術の方法では、少なく とも１つの表面に特別の凹部を導入することが必要であり、その後これを介して のみ接着が与えられる。

更にこの方法では、約５００’Ｃ−１２００℃の温度での調質手順も必要である 。

よって、高い加工温度及びウェハ表面の特別な調製のため、この従来の方法では 、微細電子表面構造を既に有するウェハ板、いわゆる加工されたウェハ板の接合 は困難であるばかりとなるが、これは通常は加工された標準的なシリコン基板を 更に加工することができる最高温度か４２０℃であるためである。

調質温度としてこのように低い温度は技術の現状によるものであり、基板材料と して又は中間層としてガラスを使用する結合方法を適用する場合にのみ十分なも のである。

いわゆる陽極結合法では、強い電場をかけることによってパイレックスガラスを 基板材料として３ｏｏ℃でシリコンウェハに結合させる。この場合の欠点は、基 板材料としてのパイレックスガラスに対する必要な制限であり、このためシリコ ンを使用する場合と比較して多くの加工が妨げられる（例えば異方性エツチング 、電気化学的エツチングが停止する）。

更に、２つのシリコン基板を接合させるためには、中間層としてガラス層を利用 できることが知られており、これは例えばパイレックス又は鉛ガラス層で構成す ることができ（厚さ約０．５〜５μｍ）、これはスパッタリングによって２つの ウェハの１つに適用される。

一方、ＣＶＤ法又はドーピングにより作製されたホウケイ酸ガラスも、被覆され ていないウェハ上に約４６０℃で押圧することにより、結合技術で適用される。

この方法に伴う問題は高い加工温度並びにホウケイ酸ガラス表面がホウ酸を沈殿 させる傾向が顕著なことであり、これによりウェハ板の接合がしばしば不可能と なる。

したがって、接合技術に基く全ゆる現状技術の結合技術は、それぞれの個々のプ ロセスでウェハ材料の特定の組合せのみを利用することができるものであり、ウ ェハ板間の接着力は後続する加工手順の要請に部分的に合致するのみであり、ま た調質手順における４２０℃を越える一部極めて高い温度による「予備加工」ウ ェハ板の接合が不可能であるという欠点を有する。

一方、公知の「低温法」は通常は特定の基板材料に限定されており、更に又複雑 であり、したがって実施するのに費用がかかる。

発明の説明 本発明の目的は、少な（とも１つが、例えばシリコンのような半導体材料から構 成される、特に高度に研磨された２つのウェハ板の間の中実な（ｓｏｌｉｄ）表 面結合を生成し、ウェハ板間のできるだけ大きな接着力を確実なものとし、異な るウェハ板材料の組合せを可能とする方法を提供することである。

更に、個々の方法工程は技術の現状の加工原理の手段を適用するのに簡単で容易 であるべきものとし、これにより発明方法を低いコストで実施することができる ものとする。

この発明によるこの目的の解決は、ここに請求の範囲第１項に記載する。本発明 の更なる改良は、ここに従属する請求の範囲の主題である。

本発明の要素は、少なくとも１つが、例えばシリコンのような半導体材料から構 成される、特に高度に研磨された２つのウェハ板の間の中実な表面結合を生成す る次の方法工程を備える方法を特徴する請求の範囲第１項）。すなわち、 一部なくとも１つのウェハ板の清浄な表面上に、ケイ酸塩又はリン酸塩を含む溶 剤の残余湿分を有する膜、−その少なくとも１つの上に前記膜が塗布されたウェ ハ表面の両者を接合させ、 一部４２０℃未満の温度で前記２つのウェハの両者を接合状態で調質（ｔｅｍｐ ｅｒｉｎｇ）する。

このようにして生成された結合は、高い機械的強度及び大きな機械的及び化学的 耐久性の両者によって区別される。測定により、機械的接着力は２５０〜３００ ｋｇ／ａｍ２の範囲であることが示された。よってこのような高い接着力により 、例えば高度に複合した微細構造又はセンサ等の作製について、ウェハ板の問題 のない更なる加工が可能となる。

例えばオーブン中で、ケイ酸塩を利用する場合は１５０℃〜３００℃の間の温度 でも調質が生起し得るのに対し、リン酸塩を利用する場合は３００℃〜４００℃ の間の温度で調質手順が生起する（請求の範囲第５項）。

調質手順により中間層が定置する。放出された水は、例えばシリコンウェハのシ リコン又は酸化シリコン表面により吸収され化学的に結合され得る。しかしなが ら、この手順は薄い層（≦１１００ｎ、請求の範囲第４項参照）でのみ信頼性よ く機能し、そうでない場合は過大な水分含量又は溶剤含量により泡の形成に至り 得る。

ウェハを室温で特に約２４時間、これらを固定した後に調質した後に保存するこ とは特に有用であることが分かった（請求の範囲第７項）。

更に非常に薄い中間層の形成により、特記すべきことに機械的張力が発生しない （請求の範囲第１７項）。

この場合、ウェハ板の接合の直後に膜により生起される接着力が全ゆるウェハの 反りを補償することが特に有利である。

少なくとも所定の残余湿分を膜に与える溶剤は、原則的には適用される材料のた めの全ゆる溶剤とすることができるが、ただし特に環境的観点並びに方法的観点 から、ここに請求の範囲第３項に記載する水の利用が好適である。

いずれにしろ、ここに請求の範囲第６項に記載するように、膜を塗布する前に接 合するウェハ表面を清浄にして乾燥すれば接着力の面で有利である。

発明方法は、ウェハ板材料とは概ね独立したものである。

例えば、請求の範囲第８項によれば、ウェハ板は金属化した領域を有することが できる。

更に、一方のウェハをシリコンウェハとし、他方のウェハを石英ガラスウェハ（ 請求の範囲第９項）、Ｇ　ａ　Ａ、　ｓウェハ（請求の範囲第１０項）又はＩｎ Ｐウェハ（請求の範囲第１１項）とすることができるが、請求の範囲に記載した ウェハ材料の列記は完全ではない。

異なる材料に対する発明方法の適用性は、特に約２００°Ｃ〜３００°Ｃの温度 で既に達成された結合が通常の場合とは異なり強力であることの結果であるが、 これにより特に異なる温度挙動を有するような異なる材料の基板を接合させる可 能性を開くものである。

したがって発明方法により、シリコンと石英ガラスとの間の結合を生成すること ができる。同様に、他の半導体材料又は光学活性材料、例えばニオブ酸リチウム との接合が可能である（請求の範囲第１２項）。

しかしながら後者の場合、酸化物中間層、特にウェハ層を設ければ有利であり、 これは例えばスピン・オン・ガラスで構成することができる（請求の範囲第１３ 項、特に第１４項）。

請求の範囲第１５項及び第１６項は膜材料、特にケイ酸ナトリウム及びリン酸ア ルミニウムを記載するものであるが、全体的な適用性を限定する意図ではない。

本発明により提供される膜は、流体膜として塗布することができる（請求の範囲 第１８項）。ただし特に有利なのは、残余湿分を有する膜材料をスピン・ドライ 法により塗布する場合である（請求の範囲第例として添付図面を参照する好適な 態様を使用する以下の記載において本発明をより明らかとする。ここで 図１にはウェハのコンディショニング、図２には膜の塗布、及び 図３には接合状態のウェハ板を示す。

好適な態様の説明 図１は、接合するウェハの両者１及び２のコンディショニングを示す。ウェハは 最初に高度に研磨し、これによりこれらを接合するのに用いる表面１１及び２１ を粒子密度が殆ど全くない「鏡面」とする。ウェハ板の間に耐久性がある中実な 結合のためには、特に対向するウェハ板の高度に研磨された表面が特に有利であ る。

その後の清浄化工程では、例えば、硝酸、ピラニア（ｐｉｒａｎｉａ）苛性アル カリ、アンモニウム過酸化水素、ＲＣＡクレンジングのような清浄化溶剤により 、表面１１及び２１が土質の表面粒子を有さないものとする。

その後ウェハをリンスして乾燥させる。このためには、主として公知のスピン技 術を利用する。

図２は、他の工程で、主として例えばケイ酸ナトリウム又はリン酸アルミニウム のようなケイ酸塩又はリン酸塩で構成される膜３をクリーンルーム条件下に塗布 し、特に２つのウェハの１つ、すなわちウェハ１の表面１１上にスピンさせるこ とを示す。

希釈した（水）溶液として又は所定の溶剤、例えば水の比較的少量の残余湿分を 有する膜として、半導体工業で使用されるようなラッカー被覆の際のスピンのた めのいわゆるスピン・ドライヤによって膜を塗布することができる。

示した好適な態様では、膜は１００　ｎ　ｍ未満の厚さを有する均一なケイ酸ナ トリウム層から構成される。

均−性及び薄い厚さのため、２つのウェハ板の間の接着力が増強される。

当然、膜３を各表面１１及び２１にそれぞれ塗布することもできる。

図３は、間に位置した膜３を有する２つのウェハ１及び２を室温で互いの頂部に 載置したことを示す。２つの親水性表面の強力な接着により、２つのウェハ、特 に基板１及び２の全表面に渡る非常に密接な接触が与えられる。２つのウェハの 間の接着力はウェハの両者１及び２の固定手段としては既に完全に十分であり、 ２つの表面１１及び２１の移動を不可能とする。

この際に、その後４２０℃までの温度で調質手順を行う。ただし好ましくは、調 質手順は、−ケイ酸塩溶液を使用する場合は１５０℃〜３００℃、特に２００℃ 、又 一リン酸塩溶液を使用する場合は３００℃〜４２０℃である温度で行う。

かくして生成した結合は、高い機械的強度により又大きな機械的及び化学的耐久 性の両者によって区別される。測定により、機械的接着力は（少な（とも）２５ ０〜３００ｋｇ／ｃｍ２の範囲であることが明らかとなった。この非常に高い接 着力により、例えば高度に複合した微細構造又はセンサ等の作製にこのウェハ板 を更に問題なく加工することが可能である。２つのウェハが高い結合力によって 接合されているため、２つの接合したウェハの更なる取扱いは簡単である。

１、ウェハのコンディショニング 要約書 少なくとも１つが、例えばシリコンのような半導体材料から構成される２つのウ ェハ板の間の中実な表面結合を生成する方法を開示する。

この方法は次の工程からなる。すなわち、−少なくとも１つのウェハ板の清浄な 表面上に、ケイ酸塩又はリン酸塩を含む溶剤に由来する残余湿分を有する膜を塗 布し、 −その少なくとも１つの上に膜が塗布された２つのウェハ表面を接合させ、 一部４２０℃未満の温度で２つのウェハを接合状態で調質する。

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも１つが、例えばシリコンのような半導体材料から構成される２つ のウエハ板の間の中実な表面結合を生成する次の工程からなる方法。 一少なくとも１つの前記ウエハ板（１）の清浄な表面上（１１）に、ケイ酸塩又 はリン酸塩を含む溶剤に由来する残余湿分を有する膜（３）を塗布し、ーその少 なくとも１つの上に前記膜（３）が塗布された前記２つのウエハ表面（１１，２ １）を接合させ、−約４２０℃未満の温度で前記２つのウエハ（１，２）を接合 状態で調質する。
2. ２．前記２つの接合ウエハ表面が高度に研磨されていることを特徴とする請求の 範囲第１記載の方法。
3. ３．前記溶剤が水であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の方 法。
4. ４．前記膜の層の厚さが最大１００ｎｍであることを特徴とする請求の範囲第１ 項乃至第３項のいずれか１項に記載の方法。
5. ５．前記調質手順を −ケイ酸塩溶液を使用する場合は１５０℃〜３００℃−リン酸塩溶液を使用する 場合は３００℃〜４２０℃である温度で行うことを特徴とする請求の範囲第１項 乃至第４項のいずれか１項に記載の方法。
6. ６．前記膜を塗布する前に、接合させる前記接合ウエハ表面を清浄にして乾燥さ せることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか１項に記載の方法 。
7. ７．互いの頂部に載置する前記ウエハ板を、前記調質手順の前に室温で約２４時 間保存することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項に記載 の方法。
8. ８．前記ウエハ板が金属化した領域を有することを特徴とする請求の範囲第１項 乃至第７項のいずれか１項に記載の方法。
9. ９．一方のウエハがシリコンウエハであり、他方のウエハが石英ガラスウエハで あることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか１項に記載の方法 。
10. １０．前記一方のウエハがシリコンウエハであり、前記他方のウエハがＧａＡｓ ウエハであることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか１項に記 載の方法。
11. １１．前記一方のウエハがシリコンウエハであり、前記他方のウエハがＩｎＰウ エハであることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか１項に記載 の方法。
12. １２．前記一方のウエハが半導体材料で作製されたウエハであり、前記他方のウ エハが例えばニオブ酸リチウムのような光学的に活性な材料で作製されたことを 特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか１項に記載の方法。
13. １３．前記ウエハの少なくとも１つが、接合される表面上に酸化物層を有するこ とを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか１項に記載の方法。
14. １４．前記酸化物層がスピン・オン・ガラスであることを特徴とする請求の範囲 第１３項記載の方法。
15. １５．前記塗布した膜がケイ酸ナトリウムで構成されることを特徴とする請求の 範囲第１項乃至第１４項のいずれか１項に記載の方法。
16. １６．前記塗布した膜がリン酸アルミニウムで構成されることを特徴とする請求 の範囲第１項乃至第１４項のいずれか１項に記載の方法。
17. １７．前記膜によって生起される接着力が前記ウエハ板の接合を直ちに追従し、 ウエハの全ゆる反りを補償することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１６項 のいずれか１項に記載の方法。
18. １８．前記膜を液体膜として塗布することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第 １７項のいずれか１項に記載の方法。
19. １９．膜材料が、スピン・ドライ法によって塗布された残余湿分を有することを 特徴とする請求の範囲第１項乃至第１７項のいずれか１項に記載の方法。