KR20150037854A - 웨이퍼의 영구적인 본딩을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 방법 - 상기 제2 기판(2)은 적어도 하나의 반응층(7)을 가짐 - 에 관한 것으로, 상기 방법은,
- 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이, 또는 코일(26) 내에 기판을 수용하는 단계와,
- 제1 접촉 영역(3)을 전극(21, 22)의 용량성 커플링에 의해 생성된 플라즈마에 노출시켜서, 제1 접촉 영역(3) 상의 저장소 형성층(6) 내에 저장소(5)를 형성시키기 위한 저장소를 형성하는 단계 - 제2 전극(22)의 제2 주파수(f22)와 상이한 제1 주파수(f21)는 플라즈마 생성 동안에 제1 전극(21)에 적용됨 - 이나, 제1 접촉 영역(3)을 코일(26)의 유도성 커플링에 의하여 생성된 플라즈마에 노출시켜서, 제1 접촉 영역(3) 상의 저장소 형성층(6) 내에 저장소(5)를 형성하는 - 제2 발전기(24)의 제2 주파수(f22)와 상이한 제1 주파수(f21)는 플라즈마 생성 동안에 제1 발전기(23)에 적용됨 - 와,
- 제1 추출물이나 제1 추출물 그룹으로 저장소(5)를 적어도 부분적으로 채우는 단계와,
- 사전-본딩 상호연결부의 형성을 위해 제2 접촉 영역(4)과 제1 접촉 영역(3)의 접촉을 만드는 단계와,
- 제2 기판(2)의 반응층(7) 내에 포함된 제2 추출물과 제1 추출물의 반응에 의하여, 적어도 부분적으로 강화된 제1 접촉 영역(3)과 제2 접촉 영역(4) 사이에 영구적인 본딩을 형성하는 단계를 포함하고, 본 발명은 이에 대응되는 장치에 관한 것이다.

Description

웨이퍼의 영구적인 본딩을 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PERMANENTLY BONDING WAFERS}
본 발명은, 청구항 1에서 청구된 바와 같은 제2 기판의 제2 접촉 영역으로 제1 기판의 제1 접촉 영역의 본딩을 위한 방법 및 청구항 7에서 청구된 바와 같은 장치에 관한 것이다.
기판의 영구적 또는 비가역적인 본딩의 목적은 강하고, 가능한 비가역적이어서, 기판의 두 접촉 영역 사이에 강한 본딩력이 있는 상호연결부를 생성하는 것이다. 기술 분야에서 이러한 목적을 위한 다양한 접근법과 생성 방법이 있다.
지금까지 알려진 생성 방법과 접근법은, 재생성 될 수 없거나 열악하게 재생성되거나, 특히 변화된 상태에서 거의 적용될 수 없는 결과를 종종 야기해왔다. 특히, 현재 사용되는 생성 방법은 재생성 결과를 보장하기 위해, 특히 400℃ 초과의 높은 온도를 사용한다.
높은 에너지 소비와 기판에 존재하는 구조의 파멸 가능성과 같은 기술적인 문제점은 지금까지 높은 본딩력에 필요했던 부분적으로 300℃ 이상의 높은 온도에 기인한다.
다른 요구는 다음 사항으로 구성된다.
- 프론트-엔드-오브-라인(front-end-of-line) 적합성
이는 전기적 능동 소자를 생성하는 동안 공정의 호환성으로 정의된다. 그러므로, 본딩 과정은, 구조 웨이퍼 상에 이미 존재하는 트랜지스터와 같은 능동 소자가 공정 동안에 악영향을 받지않고, 손상되지않도록 설계되어야 한다. 적합성 기준은 주로 열 응력에 의한, 주로 (주로 CMOS 구조 내의) 어떤 화학 성분의 순도 및 기계적 로드어빌리티(loadability)를 포함한다.
- 낮은 오염도
- 힘의 가함이 없음
- 특히 서로 다른 열 팽창 계수를 가진 물질에 대해서는 가능한 낮은 온도
본딩력이 감소하면, 구조 웨이퍼를 좀 더 조심스럽게 처리해야 하므로, 직접적인 기계적 적재(loading)에 의한 오류 가능성을 줄일 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 가능한 낮은 온도에서, 가능한 높은 본딩력으로 영구적인 본딩을 조심스러운 생성을 위한 방법 및 장치를 창안하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징으로 달성된다. 본 발명의 바람직한 발전은 종속항에서 주어진다. 명세서, 청구항 및/또는 도면에 주어진 적어도 두 개의 특징의 모든 조합은 본 발명의 틀 안에 있다. 주어진 범위 값에서, 표시된 제한 내의 값은 경계값으로 개시된 것으로 간주되고, 임의의 조합에서 청구될 것이다.
본 발명의 기본 사상은, 용량성으로 결합된 플라즈마 또는 유도성으로 결합된 플라즈마 또는 원격 플라즈마 장치로부터의 플라즈마를 사용하여, 플라즈마를 생성하고, 하나의 기판 내에 제1 추출물을 보유하기 위한 저장소가 형성되고, 기판들 사이에 접촉 또는 일시적인 본딩이 생성된 후에, 상기 추출물은 다른 기판 내에 존재하는 제2 추출물과 반응하여서, 기판들 사이에 비가역적이거나 영구적인 본딩을 형성한다. 제1 접촉 영역 상의 저장소 형성층 내의 저장소를 형성하기 전 또는 이후에, 일반적으로 기판 또는 기판들을 세척한다(특히, 플러싱 단계). 일반적으로, 이러한 세척은 본딩되지 않은 위치를 초래하는 기판상에 입자를 없애는 것을 보장해야 한다. 저장소 및 상기 저장소 내에 포함된 추출물은, 임시적 또는 가역적 본딩을 생성한 후에, 접촉 영역상에 전용 방식으로 직접 반응을 유도할 수 있고, 특히 반응에 의한 적어도 하나의 접촉 영역(바람직하게는 저장소의 반대편의 접촉 영역)의 변형에 의해, 상기 반응은 본딩 속도를 증가시키고 영구적 본딩을 강화한다(제1 추출물 또는 제1 추출물 그룹과 제2 추출물 또는 제2 추출물 그룹). 본 발명에서 청구된 바와 같은 반대편 제2 접촉 영역상에 성장층이 있는데, 본 발명에서 청구된 바와 같은 변형이 발생하고, 제1 추출물(또는 제1 그룹)은 제2 기판의 반응층에 존재하는 제2 추출물(또는 제2 그룹)과 반응한다. 제1 추출물(또는 제1 그룹)과 제2 추출물(또는 제2 그룹)사이의 반응을 가속시키기 위하여, 본 발명에서 청구된 바와 같은 바람직한 일 실시예에서는, 제2 기판의 반응층과 저장소 사이에 위치된 성장층이 기판이 접촉하기 전에 씨닝되고, 이러한 방식 때문에, 반응 파트너 사이의 거리는 조절 가능한 방식으로 줄어들고, 동시에, 본 발명에서 청구된 바와 같은 성장층의 변형/형성이 촉진된다. 성장층은 씨닝에 의해, 적어도 부분적으로, 특히, 대부분, 바람직하게는 전부 제거된다. 성장층이 완전히 제거됨에도 불구하고, 제2 추출물과의 제1 추출물의 반응에서 다시 성장한다. 이러한 성장층의 씨닝은 본 발명에서 청구된 바와 같이, 에칭, 특히, 건식 에칭, 폴리싱, 스퍼터링 또는 산화물의 환원에 의해 발생할 수 있다. 바람직하게는, 이들 방법의 조합, 특히 스퍼터링과 산화물 환원의 조합이 고려된다.
본 발명에서 청구된 바와 같이, 접촉 영역이 접촉하기 전에, 성장층의 성장을 막기 위한 수단이 있을 수 있는데, 특히, 제2 기판의 반응층의 패시베이션에 의해, 바람직하게는, 포밍 가스(forming gas) 또는 불활성 환경 또는 진공 상태, N2 , 에 노출함에 의하거나, 비정질화에 의한다. 이러한 이유로, 포밍 가스를 포함하는, 특히 대부분 포밍 가스로 구성된 플라즈마를 사용한 처리는 특히 적합한 것으로 입증되었다. 여기서, 포밍 가스는 적어도 2%, 더 우수하게는 4%, 이상적으로 10% 또는 15% 수소를 포함하는 가스로 정의된다. 혼합물의 잔여 부분은 가령, 질소와 아르곤과 같은 불활성 가스로 구성된다.
포밍 가스를 사용할 때, 특히, 스퍼터링과 산화물 환원에 기초한 공정에 의해 산화층을 씨닝할 수 있다.
이러한 조치에 대안적이거나 추가로, 본 발명에서 청구된 바와 같이, 씨닝과 접촉간의 시간을 최소로 하는 것이 바람직한데, 특히 2 시간 미만, 바람직하게는 30분 미만, 좀 더 바람직하게는 15분 미만, 이상적으로는 5분 미만이다. 따라서, 씨닝 이후에 발생하는 산화물 성장이 최소화될 수 있다.
씨닝되어서, 적어도 영구적인 본딩의 형서의 초기나 반응의 시작점에서 매우 얇은 성장층에 의해, 성장층을 통한 추출물의 확산 속도가 증가한다. 이는 동일한 온도에서 추출물의 더 짧은 운송 시간으로 이어진다.
사전 본딩 단계 동안에, 기판들 사이에 임시 또는 가역적인 본딩을 생성하기 위하여, 기판의 접촉 영역들 간에 약한 인력을 생성하는 목적으로서, 다양한 가능성이 있다. 사전 본딩 강도는 영구적 본딩 강도보다, 적어도 2 내지 3 팩터, 바람직하게는 5 팩터, 더욱 바람직하게는 15, 더욱 더 바람직하게는 25 팩터 정도 낮다. 가이드라인으로서, 순수하고, 비활성인 친수성 실리콘의 사전 본딩 강도는 대략 100 mJ/㎡ 이고, 플라즈마-활성화된 친수성 실리콘은 대략 200 -300 mJ/㎡이다. 분자-웨팅된 기판 사이의 사전 본딩은, 주로 서로 다른 웨이퍼 측면의 분자 간의 반데르 발스 힘에 의해 일어난다. 따라서, 영구 쌍극자 모멘트를 가진 대부분의 분자는 웨이퍼들 사이의 사전 본딩을 활성화시키는데 적합하다. 이하의 화학적 화합물은 상호연결 시약으로 예를 들지만, 여기에 제한되지 않는다.
- 물
- 티올(thiols)
- AP3000
- 실레인 및/또는
- 실라놀
본 발명에서 청구된 바와 같은 적합한 기판의 재료는 더 많은 몰 부피를 가진 생성물을 형성하기 위해, 추출물이 또 다른 공급된 추출물과 반응할 수 있어서, 그 결과 기판상의 성장층의 형성이 야기된다. 다음의 조합이 특히 바람직한데, 화살표의 왼쪽에 추출물의 이름이 있고, 화살표의 오른쪽에 생성물/생성물들이 있으며, 이는 특별히 언급된 추출물과 반응하는 공급된 추출물이나 부산물을 사용하지 않는다.
- 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.
더구나, 다음의 반도체의 혼합된 형태가 기판으로 상정될 수 있다.
- III-V: GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AlN, InN, AlxGaI - xAs, InxGaI - xN
- IV-IV: SiC, SiGe,
- III-VI: InAlP.
- 비선형 광학: LiNbO3, LiTaO3, KDP (KH2PO4)
- 태양 전지: CdS, CdSe, CdTe, CuInSe2, CuInGaSe2, CuInS2, CuInGaS2
- 전도성 산화물: In2 - xSnxO3 -y
본 발명에서 청구된 바와 같이, 적어도 하나의 웨이퍼 상 및 각각의 접촉 영역 상에 직접적으로, 저장소(또는 저장소들)이 있고, 부피 팽창을 위해 공급된 적어도 하나의 추출물의 특정 양이 저장될 수 있다. 그러므로, 추출물은 가령, O2, O3, H2O, N2, NH3, H2O2 등일 수 있다. 시스템 에너지를 감소시키기 위해 반응 파트너의 성향에 기초하는, 특히 산소 성장에 의한 팽창 때문에, 접촉 영역 사이의 가능한 갭, 기공 및 캐비티가 최소화되고, 본딩력은 이들 영역 내의 기판 사이의 거리를 좁힘에 따라 증가된다. 가장 가능한 경우, 기존의 갭, 기공 및 캐비티는 완전히 폐쇄되어서, 전체 본딩 영역은 증가하여서, 본 발명에서 청구된 바와 같은 본딩력은 이에 따라 증가된다.
종래적으로, 접촉 영역은 0.2 nm 의 이차 거칠기(Rq)를 가진 거칠기를 나타낸다. 이는 1 nm의 범위에서 표면의 피크와 피크 값에 해당한다. 이들 실험적인 값은 원자력 현미경(AFM)으로 결정되었다.
본 발명에서 청구된 바와 같은 반응은 물의 모노레이어(ML)를 가진 200 내지 300 mm 지름을 가진 원형 웨이퍼의 종래 웨이퍼 표면에 대해 0.1 내지 0.3 nm 만큼 성장층이 성장할 수 있기에 적합하다.
본 발명에서 청구된 바와 같이, 적어도 2 ML, 바람직하게는 적어도 5 ML, 더욱 바람직하게는 적어도 10 ML의 유체, 특히 물이 저장소 내에 저장되는 것이 제공된다.
플라즈마에의 노출에 의한 저장소의 형성이 특히 바람직한데, 이는 플라즈마 노출에 의해, 시너지 효과로서, 접촉 영역의 평활함과 친수성을 야기하기 때문이다. 표면은 저장소 형성층의 물질 및 옵션으로 반응층의 점성 흐름에 의해 우세한 플라즈마 활성화에 의해 평활하게 된다. 친수성의 증가는, 실리콘 하이드록실 화합물의 증가, 바람직하게는, 표면 상에 존재하는, Si-O-Si와 같은 Si-O 화합물의 증가에 의해 발생하는데, 특히 다음 반응에 따른다.
Si-O-Si + H2O ↔ 2SiOH
특히 상기 효과의 결과로서, 또 다른 부작용은 사전 본딩 강도가 2 내지 3 팩터 만큼 특히 개선된다는 것으로 구성된다.
제1 기판의 제1 접촉 영역상의 저장소 형성층 내의(및 옵션으로, 제2 기판의 제2 접촉 영역상의 저장소 형성층 내의) 저장소는 가령, 열 산화물로 코팅된 제1 기판의 플라즈마 활성화에 의해 형성된다. 플라즈마 활성화는, 플라즈마를 위한 필요한 조건을 설정하기 위해, 진공 챔버 내에서 수행된다. 본 발명에서 청구된 바와 같이, 플라즈마 방전을 위해, 0 내지 2000 eV 범위의 이온화 에너지를 가진 N2 가스, O2 가스 또는 아르곤 가스가 사용되고, 그 결과, 저장소는, 제1 접촉 영역의 경우에, 처리된 표면의 20 nm 이하, 바람직하게는 15 nm 이하, 좀 더 바람직하게는 10 nm 이하, 가장 바람직하게는 5 nm 이하의 깊이로 생성된다.
진공 챔버 내의 특정 압력을 설정함에 의하여, 플라즈마 이온에 대한 평균 자유 경로 길이는 상당히 영향 받거나, 본 발명에서 청구된 바와 같이 설정될 수 있다.
접촉 영역/영역들 상의 저장소의 생산에서의 재생산 가능한 결과는, 플라즈마를 생성하기 위한 마주보는 전극 상의 두 개의 서로 다른 주파수의 창의적인 사용에 의해 가능하고, 이러한 전극은 교류 전류 또는 ac 전압을 가하여, 및/또는 유도성으로 결합된 플라즈마 소스 및/또는 원격 플라즈마의 사용에 의해 플라즈마 이온을 가속시킨다.
용량성 결합의 경우, 전극이 플라즈마 챔버 내에 위치되는 것이 바람직하다.
여기서, 접촉 영역의 최적의 노출 및 특히 부피 및/또는 깊이의 관점에서, 정확히 형성된 저장소의 생성은 전극의 (서로 다른) 주파수, 진폭(특히, 바람직하게는 배타적으로), 제2 전극상에 가해진 전압의 주파수 및 챔버 압력의 파라미터를 설정함에 의해 활성화된다.
용량성으로 결합된 플라즈마 활성화 장치의 실행, 이중 주파수 플라즈마 장치는 바람직하게, 이온 밀도의 개별 설정 및 웨이퍼 표면으로의 이온의 가속화를 가능하게 한다. 따라서, 달성가능한 프로세스 결과는 넓은 윈도우 내에서 설정될 수 있고, 활용 분야의 요구에 최적화로 매칭될 수 있다.
바이어스 전압, 특히 제2의 바이어스 전압의 형태로, 특히 하단 전극은 기판의 접촉 영역상의 전극의 영향(속도)을 주는데 사용되고, 상기 접촉 영역은 제2 전극 상에 고정되어, 특히 이러한 영향을 감쇠 또는 가속시킨다.
특히, 저장소 내의 기공 밀도 분포는 상기 언급된 파라미터에 의해 조절가능하게 되고, 특히 바람직한 실시예는 아래에 기술된다.
유동성으로 결합된 플라즈마 소스에서, 자기장을 생성하는데 사용되는 전류를 교대시키기 위한 용량성 결합의 ac 전압에 대한 대응되는 유사 고려사항이 사용될 수 있다. 본 발명에서 청구된 바와 같이, 교류 전류 또는 다양한 강도 및/또는 주파수의 교류 자기장에 의해 유도성으로 결합된 플라즈마 소스의 플라즈마를 조작하여, 플라즈마는 본 발명에서 청구되 바와 같은 해당 특정을 가지는 것을 생각해 볼 수 있다.
원격 플라즈마에서, 실제로 사용된 플라즈마는 외부 소스에서 생성되고, 동일한 공간으로 도입된다. 특히, 이러한 플라즈마의 구성, 특히 이온은, 동일한 공간으로 전송된다. 소스 공간에서 기판 공간으로의 플라즈마의 경로는 락(lock), 가속기, 자기 및/또는 전기 렌즈, 다이아프램등과 같은 다양한 소자에 의해 확보될 수 있다. 주파수 및/또는 전기 및/또는 자기장의 강도로, 용량적으로 및/또는 유도적으로 결합된 플라즈마를 가하는 모든 고려사항들은 소스 공간으로부터 기판 공간으로의 플라즈마의 경로 및/또는 생산을 확보하는 모든 소자에 적용될 것이다. 예를 들어, 소스 공간에서 그리고 나중에 상기 언급된 소자를 통과하여 기판 공간으로, 본 발명에서 청구된 바와 같은 파라미터에 의해, 플라즈마는 용량적 또는 유도적 결합에 의해 생성될 것이다.
본 발명에서 청구된 바와 같은, 저장소를 생성하기에 적합한 임의의 특정 타입, 원자 및/또는 분자가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 이들 원자 및/또는 분자가 사용되고, 저장소는 요구되는 특성으로 생성한다. 관련 특성은 주로 기공 크기, 기공 분포 및 기공 밀도이다. 대안적으로, 본 발명에서 청구된 바와 같이, 가령, 공기 또는 95% Ar and 5% H2 로 구성되는 포밍 가스(forming gas)와 같은 가스 혼합물이 사용될 수 있다. 사용된 가스에 의존하여, 플라즈마 처리 동안에, 저장소 내에 특히 다음 이온이 존재한다. 이는 N+, N2+, O+, O2+, Ar+ 이다. 제1 추출물은 저장소/저장소들의 채워지지 않은 자유 공간 내에 수용될 수 있다. 저장소 형성층과 이에 따른 저장소는 반응층 내로 확장될 수 있다.
바람직하게는, 반응층과 반응할 수 있고, 적어도 부분적으로 대부분 제1 추출물로 구성된 다양한 타입의 플라즈마 종이 있다. 제2 추출물이 Si/Si라는 점에서, Ox 플라즈마 종이 바람직할 것이다.
저장소는 다음 고려사항에 기초하여 형성된다. 기공 크기는 10 nm 미만, 바람직하게는 5 nm 미만, 더욱 바람직하게는 1 nm 미만, 더욱 더 바람직하게는 0.5 nm 미만, 가장 바람직하게는 0.2 nm 미만이다.
기공 밀도는 입자의 밀도에 직접적으로 비례하는 것이 바람직하고, 상기 입자는 스트라이킹 액션(striking action)에 의해 기공을 생성하고, 더욱 바람직하게는, 스트라이킹 종의 부분압에 의해, 그리고, 처리 시간과 파라미터에 의존하여, 사용된 플라즈마 시스템에 의해 가변될 수 있다.
바람직하게는, 기공 밀도는, 바람직하게는 평탄-모양 영역(도 8 참조)으로 중첩된 이러한 여러 영역의 파라미터의 변형에 의해, 표면 하에 적어도 하나의 가장 많은 기공 집중 영역을 가지는 것이 바람직하다. 두께가 증가하면서, 기공 분포도는 영을 향하여 감소된다. 충격(bombardment) 동안에, 표면 근처의 영역은 기공 밀도를 가지는데, 이는 표면 근처의 기공 밀도와 거의 동일하다. 플라즈마 처리의 마지막 이후에, 표면상의 기공 밀도는 응력 완화 메카니즘의 결과로, 감소될 수 있다. 두께 방향으로의 기공 밀도는 표면에 대해, 하나의 가파른 측면을 가지고, 벌크에 대해, 더 평평하나, 연속적으로 감소하는 측면을 가진다(도 8 참조).
기공 크기에 있어서, 기공 분포와 기공 밀도, 유사한 고려사항이 플라즈마로 생성되지 않은 모든 방법에 적용된다.
저장소는 제어된 사용 및 프로세스 파라미터의 조합에 의해 설계될 수 있다. 도 8은 실리콘 산화층 내로의 관통 깊이의 함수로서, 플라즈마에 의해 주입된 질소 원자의 농도의 표현을 나타낸다. 물리적 파라미터의 변형에 의해 두 개의 프로필을 생성할 수 있었다. 제1 프로필(11)은 실리콘 산화물 내에 좀 더 깊숙히 더 많이 가속된 원자에 의해 생성된 것이고, 반대로, 프로필(12)은 낮은 농도로 프로세스 파라미터를 바꾼 후에 생성된 것이다. 두 개의 프로필의 중첩은 저장소의 특성인 합산 곡선(13)을 생성한다. 주입된 원자 및/또는 분자 종의 농도 사이의 관계는 명확하다. 더 높은 농도는 더 높은 결함 구조를 가진 영역을 지목하여서, 더 많은 공간이 이후의 추출물을 수용한다. 플라즈마 활성화 동안에, 특히 전용 방식으로 제어된 프로세스 파라미터의 연속적인 변화는 깊이 위에 이온의 분포를 가진 저장소를 달성할 수 있고, 이러한 분포는 가능한 균일하다.
플라즈마에 의해 생성되었던 저장소에 대안적으로, 적어도 하나의 기판, 적어도 제1 기판 상의 TEOS(테트라에틸오르쏘실리케이트) 산화층의 사용이 저장소로서 상정할 수 있다. 이 산화물은 열 산화보다 일반적으로 밀도가 덜하고, 이러한 이유로, 본 발명에서 청구된 바와 같이 압밀화(compaction)가 바람직하다. 압밀화는 저장소의 형성된 기공을 설정하는 목적으로 열 처리에 의해 발생한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 저장소를 채우는 단계는 제1 기판에 코팅물로서 도포되는 저장소에 의해(코팅물은 제1 추출물을 이미 포함함), 저장소의 형성과 동시에 발생하는 것이 특히 바람직하다.
저장소는 나노미터 범위에서의 기공을 가진 기공 레이어로서, 또는 10 nm 미만, 바람직하게는 5 nm 미만, 더욱 바람직하게는 2 nm 미만, 더욱 더 바람직하게는 1 nm 미만, 가장 바람직하게는 0.5 nm 미만의 채널 두께를 가진 채널을 가진 층으로서 상정할 수 있다.
본 발명에서 청구된 바와 같은, 제1 추출물 또는 제1 추출물 그룹을 가진 저장소를 채우는 단계에 있어서, 다음 실시예, 또한, 조합하여, 상정 가능하다.
- 저장소를 주변 환경에 노출시키는 것과,
- 특히 탈이온화된 물로 플러싱하는 것과,
- 추출물을 포함하거나, 특히 H2O, H2O2, NH4OH 으로 구성된 유체로 플러싱하는 것과,
- 저장소를 임의의 가스 환경, 특히 원자 가스, 분자 가스, 가스 혼합물에 노출시키는 것과,
- 저장소를 수증기-함유 또는 과산화수소 증기-함유 환경에 노출시키는 것과,
- 저장소 형성층으로서 추출물로 이미 채워진 저장소를 제1 기판상에 두는 것이다.
이하의 화합물이 추출물로서 가능하다. 이는 Ox +, O2, O3, N2, NH3, H2O, H2O2, 및/또는 NH4OH 이다.
상기 인용된 과산화수소 증기의 사용은, 물의 사용과 더불어 바람직한 버전으로 간주된다. 더구나, 과산화수소는 더 많은 산소 대 수소 비율을 가지는 이점을 가진다. 더구나, 과산화수소는 특정 온도 및/또는 수소와 산소 내로 MHz 범위의 고주파 장의 사용을 통해 분리된다.
다른 한 편으로, H2O는 작은 분자 크기를 가진 이점을 제공한다. H2O 분자의 크기는 O2 분자의 크기보다 작고, H2O 는 기공 내로 좀 더 용이하게 삽입되고, 성장층을 통해 좀 더 용이하게 확산될 수 있는 이점을 제공한다.
서로 다른 열 팽창 계수를 가진 물질을 주로 사용할 때, 임의의 주목할만한 온도 증가 또는 기껏해야, 부분/특정 온도 증가를 야기하지 않는 상기 언급된 종의 분리를 위한 방법의 사용이 바람직하다. 특히, 분리를 적어도 촉진시키는, 바람직하게는 야기시키는 마이크로파 방사가 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 성장층의 형성과 비가역적인 본드의 강화는 제1 추출물의 반응층으로의 확산에 의해 발생하는 것이 제공된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 비가역적인 본딩의 형성은 전형적으로 300℃ 미만, 바람직하게는 200℃ 미만, 더욱 바람직하게는 150℃ 미만, 더욱 더 바람직하게는 100℃ 미만, 가장 바람직하게는 상온에서, 특히 최대 12일, 더욱 바람직하게는 최대 1일, 더욱 더 바람직하게는 1시간, 가장 바람직하게는 15분 동안에 발생하는 것이 제공된다. 또 다른 바람직한 열처리 방법은 마이크로파에 의한 유전체 가열이다.
여기에, 비가역적인 본딩은 1.5 J/㎡, 더욱 바람직하게는 2 J/㎡, 더욱 더 바람직하게는 2.5 J/㎡ 이상의 본딩 강도를 가진다.
본딩 강도는, 반응 동안에, 본 발명에서 청구된 바와 같이, 제2 추출물의 몰부피보다 더 큰 몰부피를 가진 생성물이 반응층 내에서 형성된다는 점에서, 바람직하게 특히 증가될 수 있다. 이러한 방식으로, 제2 기판 상의 성장이 영향을 받고, 그 결과로, 접촉 영역 사이의 갭은 본 발명에서 청구된 바와 같은 화학 반응에 의해 폐쇄된다. 그 결과, 접촉 영역 사이의 거리, 따라서 평균 거리는 감소되고, 사각 지대는 최소화된다.
저장소 형성이, 특히 10 kHz 내지 20000 kHz, 바람직하게는 10 kHz 내지 5000 kHz, 더욱 바람직하게는 10 kHz 내지 1000 kHz, 가장 바람직하게는 10 kHz and 600 kHz 의 활성화 주파수를 사용하고, 및/또는 0.075 내지 0.2 watt/㎠의 전력 밀도, 및/또는 0.1 내지 0.6 mbar의 압력을 가진 압력화의 플라즈마 활성화에 의해 발생한다는 점에서, 접촉 영역의 평활화와 같은 추가 효과 및 접촉 영역의 명백히 증가된 친수성도 야기된다.
대안적으로, 본 발명에서 청구된 바와 같은 저장소의 형성은 저장소 형성층과 같은 어떤 기공성을 특히 제어된 방식으로 압밀화한 테트라에톡실레인 산화층을 사용하여 발생할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 저장소 형성층은 대부분, 특히, 완전히 무정형 이산화규소, 특히 열 산화에 의해 생성된 이산화규소로 구성되고, 반응층은, 특히, 대부분, 바람직하게는 완전히 산화 가능한 물질, Si, Ge, InP, GaP 또는 GaN (또는 대안적으로 상기 언급된 또 다른 물질)으로 구성되는 것이 제공된다. 기존 갭을 특히 효과적을 폐쇄시키는 특별히 안정한 반응은 산화에 의해 가능하다.
여기서, 본 발명에서 청구된 바와 같이, 제2 접촉 영역과 반응층 사이에 성장층이 있고, 특히, 대부분의 자연 이산화규소(또는 대안적으로, 상기 언급된 또 다른 재료)가 있다. 성장층은 본 발명에서 청구된 바와 같은 반응에 의해 성장하게 된다. 성장은 무정형 SiO2의 재형성 및 변형에 의해 천이 Si-SiO2(7)로부터, 특히, 반응층과의 인터페이스 상에서, 특히 제1 접촉 영역과 제2 접촉 영역 사이의 갭의 영역에서 특히 성장층의 벌징이 야기된다. 이는 두 개의 접촉 영역 사이에 사각 지대의 감소 또는 거리의 감소를 야기하고, 그 결과, 두 기판 사이의 본딩 강도가 증가된다. 200℃ 내지 400℃, 바람직하게는 대략 200℃ 내지 150℃, 더욱 바람직하게는 150℃ 내지 100℃, 가장 바람직하게는 100℃ 내지 상온의 온도가 특히 바람직하다. 성장층은 여러 성장 영역으로 나누어질 수 있다. 성장층은 제2 기판의 저장소 형성층일 수 있고, 동시에, 반응을 가속화시키는 또 다른 저장소가 형성된다.
여기서, 비가역적인 본딩의 형성 이전에, 성장층이 0.1 nm 내지 5 nm의 평균 두께를 가진다면 특히 바람직하다. 성장층이 얇을수록, 성장층을 통해, 특히, 성장층을 통해 반응층으로 제1 추출물의 확산에 의해, 제1 추출물과 제2 추출물 사이에 반응이 빠르고 용이하게 일어날 수 있다. 성장층을 통한 추출물의 확산 속도는 얇은 성장층에 의해 증가되고, 따라서, 성장층은 영구적인 본딩의 적어도 형성 초기 또는 반응의 시작점에서 매우 얇다. 이는 동일한 온도에서 추출물의 전달 시간을 더욱 줄여준다.
여기서, 본 발명에서 청구된 바와 같은 씨닝(thinning)은 결정적인 역할을 하는데, 왜냐하면, 씨닝에 의해 반응이 더욱 가속화될 수 있고, 및/또는 온도가 더욱 감소될 수 있기 때문이다. 씨닝은 에칭에 의해, 바람직하게는 습윤 환경에, 더욱 바람직하게는 원 위치(in-situ)에서 행해질 수 있다. 대안적으로, 씨닝은 건식 에칭에 의해, 바람직하게는 원 위치에서 발생한다. 여기서, 원 위치란, 적어도 하나의 이전 및/또는 이후의 단계들이 수행된 동일한 챔버 내에서의 수행을 의미한다. 본원에서 사용되는 원 위치 개념하에서의 추가적인 장치 준비는, 가령, 불활성 가스를 사용하나, 특히 진공 환경에서 제어된 방식으로 조절될 수 있는 환경에서 개개의 프로세스 챔버들 사이에서, 기판의 전달이 발생하는 장치이다. 습식 에칭은 증기 상에서 화학 물질로 발생하는 반면, 건식 에칭은 액체 상에서 화학 물질로 발생한다. 성장층이 이산화규소로 구성된다는 점에서, 불화수소산 또는 희석된 불화수소산을 사용한 에칭이 행해질 수 있다. 성장층이 순수한 Si로 구성된다는 점에서, 에칭은 KOH를 사용하여 행해질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 저장소의 형성은 진공에서 수행되는 것이 바람직하다. 그러므로, 원하지 않은 물질이나 화합물을 가진 저장소의 오염을 피할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 저장소의 채움은 아래 인용된 하나 이상의 단계에 의해 발생하는 것이 제공되는 것이 바람직하다.
- 저장소를 대기 습기 및/또는 공기에 포함된 산소로 채우기 위해, 제1 접촉 영역을 대기에 노출시키는 단계와,
- 제1 접촉 영역을 특히 우세적이고, 특히 거의 완벽하게, 탈이온화된 H2O 및/또는 H2O2 로 구성된 유체에 노출시키는 단계와,
- 제1 접촉 영역을 0 내지 2000 eV의 범위의 이온화 에너지를 가진, N2 가스 및/또는 O2 가스 및/또는 Ar 가스 및/또는, 95% Ar 및 5% H2로 구성되는 포밍 가스에 노출시키는 단계와,
- 임의의 이미 언급된 추출물로 저장소를 채우기 위해 증착시키는 단계이다.
저장소가, 바람직하게는 0.1 nm 내지 25 nm, 더욱 바람직하게는 0.1 nm 내지 15 nm, 더욱 더 바람직하게는 0.1 nm 내지 10 nm, 가장 바람직하게는 0.1 nm 내지 5 nm의 두께(R)로 형성되는 것이 프로세스 시퀀에 있어 특히 효과적이다. 더구나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 비가역적인 본딩의 형성 바로 전에, 저장소와 반응층 사이의 평균 거리(B)가 0.1 nm 내지 15 nm, 특히, 0.5 nm 내지 5 nm, 바람직하게는 0.5 nm 내지 3 nm 인 것이 바람직하다. 거리(B)는 본 발명에서 청구된 바와 같이, 씨닝에 의해 영향받거나 생산된다.
본 방법을 실행하기 위한 장치는, 본 발명에서 청구된 바와 같이, 저장소를 형성하기 위한 챔버, 저장소를 채우기 위해 이와 별도로 제공된 챔버 및 사전 본딩을 형성하기 위해 별도로 제공된 챔버를 포함하고, 상기 모든 챔버들은 진공 시스템을 통해 서로 직접 연결된다.
또 다른 실시예에서, 저장소의 채움은 대기를 통해 직접적으로 발생할 수도 있어서, 대기에 오픈될 수 있거나, 단순히 재킷팅(jacketing)을 가지지 않은 구조일 수 있는 챔버에서, 반자동으로 및/또는 완전히 자동으로 웨이퍼를 조작할 수 있다.
본 발명의 그 밖의 이점, 특징 및 세부 사항은 도면을 사용하는 이하의 바람직한 실시예로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 제1 기판이 제2 기판과 접촉한 다음에 바로, 본 발명에서 청구된 바와 같은 방법의 제1 단계를 도시한다.
도 1b는 제1 기판이 제2 기판과 접촉한 다음에 바로, 본 발명에서 청구된 바와 같은 방법의 대안적인 제1 단계를 도시한다.
도 2는 접촉 단계 이전에, 특히 제2 기판의 씨닝단계에서 발생하는 본 발명에서 청구된 바와 같은 방법의 단계를 도시한다.
도 3a 및 3b는 더 높은 본딩 강도를 형성하기 위해, 본 발명에서 청구된 바와 같은 방법의 또 다른 단계를 도시한다.
도 4는 기판과 접촉하는 접촉 영역에서, 도 1a 또는 1b, 도 2 및 도 3a 및 3b에 따른 단계에서 이어지는 본 발명에서 청구된 바와 같은 방법의 또 다른 단계이다.
도 5는 기판들 사이에 비가역적인/영구적인 본딩의 형성을 위해, 본 발명에서 청구된 바와 같은 단계를 도시한다.
도 6은 도 4 및 도 5에 따른 단계 동안에, 두 개의 접촉 영역 상에서 진행되는 화학적/물리적 공정의 확대도를 도시한다.
도 7은 도 4 및 도 5에 따른 단계 동안에, 두 개의 접촉 영역 사이의 인터페이스상에서 진행되는 화학적/물리적 공정의 추가 확대도를 도시한다.
도 8은 본 발명에서 청구된 바와 같은 저장소의 생성의 도면을 도시한다.
도 9는 진공에 노출될 수 있는 용량성 플라즈마 챔버의 개략도를 도시한다.
도 10은 진공에 노출될 수 있는 유도성 플라즈마 챔버의 개략도를 도시한다.
도 11은 진공에 노출될 수 있는 원격 플라즈마 챔버의 개략도를 도시한다.
도 12는 두 전극의 주파수의 주파수 행동에 대한 도면을 도시한다.
동일하거나 등가적인 특징은 도면에서 동일한 참조 번호로 표시된다.
여기서, 도 1에 도시된 것은, 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)과 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4) 사이에 사전 본딩 단계 동안 또는 바로 이후에 진행되는 화학 반응의 한 추출물이다. 표면은 극성 OH 그룹으로 종결되고, 따라서 친수성이다. 제1 기판(1)과 제2 기판(2)은, 표면에 존재하는 OH 그룹과 H2O 분자사이에, 또한 H2O 분자 단독에서의 수소 다리(hydrogen bridge)의 인력에 의해 유지된다. 적어도 제1 기판의 친수성은 이전 단계에서 플라즈마 처리에 의해 증가되었다.
플라즈마 처리는, 플라즈마, 그리고 도 9에서 정의된 가스 환경 및/또는 진공에서 노출될 수 있는 플라즈마 챔버(20)내에서 발생한다. 진공 및/또는 정의된 가스 환경에 노출되기 위한다는 것은 1 mbar 미만의 압력으로 설정되고 제어될 수 있다는 것을 의미한다. 본원에서 기술되는 예시적인 실시예에서, 가스는 0.3 mbar의 압력의 N2 이다. 본 발명에서 청구된 바와 같은 용량성 및 유도성 커플링의 실시예에서, 플라즈마 챔버(20)와 기판 챔버는 동일하다. 도 11에 따라 본 발명에서 청구된 바와 같은 원격 플라즈마의 실시예에서, 플라즈마 챔버(20")(플라즈마 생성 챔버가 더 우수함)는 기판을 수용하는 기판 챔버(27)와 분리된다.
도 9에 도시된 용량성 플라즈마 챔버(20)는 가스 용적의 이온화를 위해 (위에 위치되거나 상단 전극) 제1 전극(21)을 가지며, 이러한 이온화는 0.001 kHz 내지 100000 kHz, 바람직하게는 0.01 kHz 내지 10000 kHz, 좀 더 바람직하게는 0.1 kHz 내지 1000 kHz, 가장 바람직하게는 250 kHz 내지 550 kHz 주파수(f21)와 1 V 내지 1000 V, 바람직하게는 100 V 내지 800 V, 좀 더 바람직하게는 200 V 내지 600 V, 더욱 더 바람직하게는 300 V 내지 500 V인 진폭인 제1 전극(21) 상의 ac 전압에 의해 야기된다. 하나의 중요한 팩터는 상기 기술된 진공에 의해 형성된 평균 자유 경로 길이이다.
또 다른 제2 전극(22)(아래에 위치되거나 하단 전극)이 있는데, 이는 제1 전극(21)의 반대편에 있고, 제1 접촉 영역(3)의 노출을 위해서일 뿐만 아니라(상기 노출은 제1 전극(21)의 주파수와 결합됨), 플라즈마 이온의 영향을 가속 또는 감쇠시키는 기본 전압으로서의 바이어스 전압을 가진다. 일반적으로, 바이어스 전압은 ac 전압이나 dc 전압이다. 바람직하게는, dc 전압이 사용되고, 플라즈마 활성화 동안에 과정은 저장된/주어진 모양(포뮬러)에 정의된 곡선에 걸쳐 동적으로 변화될 수 있다. 본원에서 도시된 실시예에서의 제2 전극(22)은 0.001 kHz 내지 100000 kHz, 바람직하게는 0.01 kHz 내지 10000 kHz, 좀 더 바람직하게는 0.1 kHz 내지 1000 kHz, 가장 바람직하게는 15 kHz 내지 55 kHz의 주파수(f22)와 1 V 내지 1000 V, 바람직하게는 100 V 내지 800 V, 좀 더 바람직하게는 200 V 내지 600 V, 더욱 더 바람직하게는 300 V 내지 500 V인 진폭으로 작동한다. 또한, 제2 ac 전압은 표면(3)을 때리는 이온의 이온화 에너지의 변화를 야기하고, 이로 인해, 이온의 일정한 깊이 분포(uniform depth distribution)가 달성될 수 있다.
또한, 제2 전극(21)은 제1 기판(1)을 위한 수용부로서 사용되고, 수용하는 면은 제1 접촉 영역(3)과 외면한다. 따라서, 제1 기판(1)(제2 기판(2)이 아닌)은 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이에 위치된다. 전극(21, 22)을 위한 홀더는 도시되지 않는다.
각각의 전극(21, 22)은 제1 전극(21)을 위한 발전기(23) 및 이와 별도로 제어될 수 있는 제2 전극(22)을 위한 제2 발전기(24)의 형태로 자체 전력을 공급하도록 연결되는 것이 바람직하다. 제1 발전기(23)는 1 watt 내지 100000 watts, 바람직하게는 25 watts 내지 10000 watts, 좀 더 바람직하게는 30 watts 내지 1000 watts, 더욱 더 바람직하게는 50 watts 내지 200 watts, 가장 바람직하게는 70 watts 내지 130 watts로 작동한다. 마찬가지로, 제2 발전기는 1 watt 내지 100000 watts, 바람직하게는 25 watts 내지 10000 watts, 좀 더 바람직하게는 30 watts 내지 1000 watts, 더욱 더 바람직하게는 50 watts 내지 200 watts, 가장 바람직하게는 70 watts 내지 130 watts로 작동한다.
도 10에 따른 유도성 플라즈마 챔버(20')는 이를 둘러싸는 코일(26)을 가지고, 진폭을 가진 전류가 흐른다. 기판(1)은 샘플 홀더(25)에 놓인다. 바람직한 실시예에서, 플라즈마 챔버(20')는 정확히 두 개의 발전기(23 및 24)를 가진다.
유도성 플라즈마 챔버(20')는 코일(26)의 일 측에 제1 전류 발전기(23)를 가진다. 제1 발전기(23)에 의해 생성되어 코일(26)을 흐르는 전류는 0.001 kHz 내지 100000 kHz, 바람직하게는 0.01 kHz 내지 10000 kHz, 좀 더 바람직하게는 0.1 kHz 내지 1000 kHz, 가장 바람직하게는 400 kHz의 주파수(f21)와 0.001 A 내지 10000 A, 바람직하게는 0.01 A 내지 1000 A, 좀 더 바람직하게는 0.1 A 내지 100 A, 가장 바람직하게는 1 A 내지 10 A의 진폭을 가진다.
바람직하게는, 코일(26) 또는 플라즈마 챔버(20')는 제2 전류 발전기(24)를 가진다. 제2 전류 발전기(24)는 0.001 kHz 내지 100000 kHz, 바람직하게는 0.01 kHz 내지 10000 kHz, 좀 더 바람직하게는 0.1 kHz 내지 1000 kHz, 가장 바람직하게는 400 kHz의 주파수(f22)와 0.001 A 내지 10000 A, 바람직하게는 0.01 A 내지 1000 A, 좀 더 바람직하게는 0.1 A 내지 100 A, 가장 바람직하게는 1 A 내지 10 A의 진폭을 가진다.
도 11에 따른 또 다른 실시예에서, 생성될 플라즈마는 (원격) 플라즈마 챔버(20")에서 생성된다. 용량성 및/또는 유도성으로 결합된 플라즈마에 대한 모든 개시된 파라미터는 유사하게 적용된다.
도 12는 두 개의 서로 다른 주파수에 대해 깊이의 함수로서, 본 발명에서 청구된 바와 같이 생성되었던 플라즈마의 기공 밀도를 개략적으로 나타낸다. 밀도 프로필은 주파수를 변화시켜서 전용 방식으로 조절될 수 있는 것이 명백하다.
본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 제2 기판(2) 또는 제2 접촉 영역(4)에 추가적으로 플라즈마 처리를 가하는 것, 특히, 제1 기판(1)의 플라즈마 처리와 동시에 가하는 것이 특히 바람직하다.
본 발명에서 청구된 바와 같이, 도 1b에서의 저장소 형성층(6') 내의 제2 반대편 저장소(5')는 물론, 열 실리콘 다이옥사이드로 구성된 저장소 형성층(6) 내의 저장소(5)는 플라즈마 처리에 의해 형성된다. 저장소 형성층(6, 6')하에서, 제2 추출물 또는 제2 추출물 그룹을 포함하는 반응층(7, 7')은 서로 직접 붙어 있다. 상기 언급된 이온 에너지를 포함한 N2 이온을 사용한 플라즈마 처리는, 대략 15 nm의 저장소(5)의 평균 두께(R)를 생성하고, 이온은 저장소 형성층(6) 내의 채널 또는 기공을 형성한다.
저장소 형성층(6)과 반응층(7) 사이에, 적어도 부분적으로 동시에 저장소 형성층(6')일 수 있는 제2 기판(2) 상의 성장층(8)이 있다. 따라서, 저장소 형성층(6')과 반응층(7') 사이에 또 다른 성장층이 추가적으로 있을 수 있다.
마찬가지로, 저장소(5)(및 옵션으로 저장소(5'))는 도 1에 도시된 단계 이전 및 플라즈마 처리 이후에 제1 추출물로서 적어도 대부분 H2O 으로 채워진다. 플라즈마 공정에서 존재하는 이온의 감소된 종, 특히 O2, N2, H2, Ar 은 저장소 내에 위치될 수 있다.
저장소(5)/저장소들(5')의 형성 이전 또는 이후에, 기판들(1, 2)의 접촉 이전의 임의의 경우에서, 성장층(8)(및 옵션으로 그 밖의 성장층)은 에칭(여기서는 저장소(5)의 형성 이후에, 도 2 참조)에 의해 씨닝(thinned) 된다. 이러한 방식으로, 제2 접촉 영역(4)과 반응층(7) 사이의 평균 거리(B)는 감소된다. 동시에, 바람직하게는, 제2 접촉 영역(4)은 더욱 평면화된다.
접촉 영역(3, 4)의 거리는 여전히 비교적 길고, 특히 도 1a 또는 1b에 도시된 단계에서의 접촉 이후에, 접촉 영역(3, 4) 사이에 존재하는 물에 의해 영향을 받는다. 그러므로, 기존의 본딩 강도는 비교적 작고, 대략 100 mJ/㎠ 내지 300 mJ/㎠ 이고, 특히 200 mJ/㎠ 이다. 이러한 이유로, 특히 플라즈마-활성화된 제1 접촉 영역(3)의 증가된 친수성과 플라즈마 활성화에 의한 평활 작용 때문에, 이전의 플라즈마 활성화는 결정적인 역할을 한다.
도 1에 도시되고, 사전 본딩으로 불리는 공정은 상온 또는 최대 50℃에서 진행될 수 있다. 도 3a 및 3b는 친수성 본딩, -OH 종결된 표면에 의해 물의 조각(splitting)과 함께 올라온 Si-O-Si 브리지를 도시한다. 도 3a 및 3b에서의 공정은 상온에서 대략 300 시간 지속된다. 50℃ 에서는 대략 60 시간이다. 도 3b에서의 상태는 저장소(5)(또는 저장소들(5, 5'))을 생성하지 않고, 지정된 온도에서 발생한다.
접촉 영역(3, 4) 사이에, H2O 분자가 형성되고, 여전히 자유 공간이 있을 정도로 저장소(5) 내에 적어도 부분적으로 추가로 채워진다. 그 밖의 H2O 분자는 제거된다. 도 1에 따른 단계에서, 대략 3개 내지 5개의 OH 그룹 또는 H2O의 개개의 층이 존재하고, 1개 내지 3 개의 H2O 단일층이 제거되거나, 도 1에 따른 단계에서부터 도 3a에 따른 단계까지 저장소(5) 내에 수용된다.
도 3a에 도시된 단계에서, 수소 다린 본딩은 더 강한 본딩력이 발생한 결과, 실록산 그룹 사이에 직접 형성된다. 이는 접촉 영역(3, 4)을 서로 더 강하게 끌어당겨서, 접촉 영역(3, 4) 사이의 거리를 줄인다. 따라서, 접촉 영역(1, 2) 사이에 OH 그룹의 개별 층이 1개 내지 2개만 있다.
도 3b에 도시된 단계에서, 아래로 삽입된 반응에 따라 H2O 분자의 증착으로, 실라놀 그룹의 형태의 공유 화합물이 접촉 영역(3, 4) 사이에서 이제 형성되고, 이는 훨씬 강한 본딩력과 더 적은 공간으로 이어지며, 접촉 영역(3, 4) 사이의 거리는 도 3에 도시된 최소 거리가 서로 직접 만나는 접촉 영역(3, 4)의 결과에 도달할 때까지, 더욱 줄어든다.
Si-OH + HO-Si ↔ Si-O-Si + H2O
단계 3까지, 특히, 저장소(5)(및 옵션으로 추가적인 저장소(5'))의 형성 때문에, 온도를 과도하게 증가시킬 필요가 없으며, 그 보다는, 상온에서도 진행할 수 있다. 이러한 방식으로, 도 1a 또는 1b 내지 도 4에 따른 공정 단계의 특별히 조심스러운 진행이 가능하다.
도 5에 도시된 방법에서, 제1 접촉 영역과 제2 접촉 영역 사이에 비가역적이거나 영구적인 본딩을 형성하기 위하여, 온도는 최대 500℃, 바람직하게는 최대 300℃, 좀 더 바람직하게는 최대 200℃, 더욱 더 바람직하게는 최대 100℃, 가장 바람직하게는 상온 이하일 수 있다. 종래 기술에 비하여, 비교적 낮은 온도로 가능한데, 왜냐하면, 저장소(5)(및 옵션으로 또한 저장소(5'))은 도 6 및 7에 도시된 반응을 위한 제1 추출물을 포함하기 때문이다.
Si + 2H2O → SiO2 + 2H2
몰부피와 H2O 분자의 확산을 증가시켜서, 특히, 저장소 형성층(6')과 반응층(7) 사이의 인터페이스 상에서(및 옵션으로 또한 저장소 형성층(6)과 반응층(7') 사이의 인터페이스 상에서) 성장층(8)의 형태의 부피가 증가하고, 깁스 자유 엔탈피를 최소화하려는 목적 때문에, 갭(9)이 접촉 영역(3, 4) 사이에 존재하는 영역에서 집중 성장이 발생한다. 갭(9)은 성장층(8)의 부피 증가에 의해 폐쇄된다. 좀 더 구체적 설명은 다음과 같다.
상기 언급된 약간 증가된 온도에서, H2O 분자는 저장소(5)(또는 저장소들(5, 5'))에서 반응층(7)(및 옵션으로 7')으로 제1 추출물로서 확산된다. 이러한 확산은 반응층(7, 7')(또는 성장층(8))에 대해 산화층으로 형성된 저장소 형성층(6, 6')의 직접적인 접촉을 통하여, 또는 산화층 사이에 존재하는 갭(9)으로부터 또는 갭(9)을 통하여 발생할 수 있다. 그러므로, 이산화규소에서, 순수한 실로콘 보다 더 큰 몰부피를 가진 화학적 화합물은 반응층(7)으로부터 상기 언급된 반응의 반응 생성물(10)로서 형성된다. 이산화규소는 성장층(8) 및/또는 저장소 형성층(6, 6')과 반응층(7)의 인터페이스에서 성장하여서, 갭(9)의 방향으로, 특히 자연발생 산화막(native oxide)로서 형성된 성장층(8)을 형성한다. 여기서 저장소로부터의 H2O 분자도 요구된다.
나노미터 범위인 갭의 존재 때문에, 성장층(8)의 벌징(bulging)의 가능성이 있는데, 이는 접촉 영역(3, 4)에 대한 응력이 감소될 수 있어서 나온 결과이다. 이러한 방식으로, 접촉 영역(3, 4) 사이의 거리가 감소되면, 활성 접촉 영역도 결과적으로 감소되고, 따라서, 본딩 강도는 추가적으로 증가한다. 이러한 방식으로 발생한 웰드 연결(weld connection)은 모든 기공을 닫고, 전체 웨이퍼 상에 형성되는데, 이는 부분적으로 웰드되지 않은 종래의 생성물과 대비되고, 이는 기본적으로, 본딩력을 증가시키는데 기여한다. 서로 웰딩된 두 개의 무형의 실리콘 산화 표면 사이의 본딩 타입은 공유와 이온 부분의 혼합 형태이다.
제1 추출물(H2O)과 제2 추출물(Si)의 상기 반응은 반응층(7)에서 특히, 가능한 낮은 온도에서 빠르게 일어나서, 제1 접촉 영역(3)과 반응층(7) 간의 평균 거리(B)는 가능한 짧다.
그러므로, 제1 기판(1)의 사전 처리 및 성장층(8)과 같이 가능한 얇은 자연발생 산화막과 실리콘의 반응층(7)으로 구성된 제2 기판(2)의 선택/사전 처리가 결정적이다. 가능한 얇은 자연발생 산화막 층은 두 가지 이유로 본 발명에서 청구된 바와 같이 제공된다. 성장층(8)이 특히, 본 발명에서 청구된 바와 같이 제공된 씨닝때문에 매우 얇아서, 반응층(7) 상에 새로이 형성된 반응 생성물(10)을 통해 반대편 기판(1)의 저장소 형성층(6)을 향해 벌지(bulge)할 수 있고, 이는 나노갭(9)의 영역 대부분에서 저장소 형성층이 산화층으로 제조된다. 더구나, 가능한 빨리, 그리고, 가능한 낮은 온도에서 원하는 효과를 달성하기 위하여, 확산 경로를 가능한 짧게 하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 제1 기판(1)은, 실리콘 층 그리고, 그 위에 생성되어 저장소 형성층(6)으로서의 산화층으로 구성되고, 여기서, 저장소 형성층(6) 내에 저장소(5)가 적어도 부분적으로 또는 완전히 형성된다.
본 발명에서 청구된 바와 같은 저장소(5)(또는 저장소(5, 5')는 나노갭(9)을 폐쇄시키는데 필요한 제1 추출물의 양으로 채워져서, 성장층(8)의 최적의 성장이 발생하여 가능한 최소의 시간 및/또는 가능한 낮은 온도에서 나노갭(9)을 폐쇄시킬 수 있다.
1 제1 기판
2 제2 기판
3 제1 접촉 영역
4 제2 접촉 영역
5, 5' 저장소
6, 6' 저장소 형성층
7, 7' 반응층
8 성장층
9 나노갭
10 반응 생성물
11 제1 프로필
12 제2 프로필
13 합산 곡선
20, 20', 20" 플라즈마 챔버
21 제1 전극
22 제2 전극
23 제1 발전기
24 제2 발전기
25 기판 홀더
26 코일
27 원격 플라즈마를 위한 기판 챔버
28 유도된 플라즈마
29 dc 전압원
A 평균 두께
B 평균 거리
R 평균 두께
f21 제1 주파수
f22 제2 주파수

Claims (14)

  1. 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 방법 - 상기 제2 기판(2)은 적어도 하나의 반응층(7)을 가짐 - 에 있어서, 상기 방법은 특히 다음 단계를 따르는데,
    - 기판(1, 2)을 플라즈마 챔버(20, 20')나 플라즈마 챔버(20")와 연결된 기판 챔버(27)로 수용하는 단계 - 플라즈마 챔버(20, 20', 20")는 서로 다른 주파수(f21, f22)로 작동될 수 있는 적어도 두 개의 발전기(23, 24)를 포함하고, 특히 플라즈마를 생성하기 위해 서로 다른 주파수(f21, f22)로 작동됨 - 와,
    - 플라즈마 챔버(20, 20', 20")에 생성된 플라즈마를 제1 접촉 영역(3)에 도포하여서, 제1 접촉 영역(3) 상의 저장소 형성층(6) 내에 저장소(5)를 형성하는 단계와,
    - 제1 추출물이나 제1 추출물 그룹으로 저장소(5)를 적어도 부분적으로 채우는 단계와,
    - 사전-본딩 상호연결부의 형성을 위해 제2 접촉 영역(4)과 제1 접촉 영역(3)의 접촉을 만드는 단계와,
    - 제2 기판(2)의 반응층(7) 내에 포함된 제2 추출물과 제1 추출물의 반응에 의하여, 적어도 부분적으로 강화된 제1 접촉 영역(3)과 제2 접촉 영역(4) 사이에 영구적인 본딩을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 주파수(f21)는 1 Hz 내지 20 MHz, 바람직하게는 1 kHz 내지 1 MHz, 좀 더 바람직하게는 10 kHz 내지 800 kHz, 더욱 더 바람직하게는 300 kHz 내지 500 kHz 이고, 및/또는 제1 전극(21)은, 1 Hz 내지 20 MHz, 바람직하게는 1 kHz 내지 1 MHz, 좀 더 바람직하게는 10 kHz 내지 800 kHz, 더욱 더 바람직하게는 300 kHz 내지 500 kHz의 제1 주파수 범위에서 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제2 주파수(f22)는 1 Hz 내지 20 MHz, 바람직하게는 1 kHz 내지 1 MHz, 좀 더 바람직하게는 10 kHz 내지 800 kHz, 더욱 더 바람직하게는 30 kHz 내지 50 kHz 이고, 및/또는 제2 전극(22)은, 1 Hz 내지 20 MHz, 바람직하게는 1 kHz 내지 1 MHz, 좀 더 바람직하게는 10 kHz 내지 800 kHz, 더욱 더 바람직하게는 30 kHz 내지 50 kHz의 제2 주파수 범위에서 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및/또는 제2 전극(21, 22)의 전압 진폭은 1 V 내지 1000 V, 바람직하게는 100 V 내지 800 V, 좀 더 바람직하게는 200 V 내지 600 V, 더욱 더 바람직하게는 300 V 내지 500 V인 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 방법.
  5. 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 방법 - 상기 제2 기판(2)은 적어도 하나의 반응층(7)을 가짐 - 에 있어서, 상기 방법은 특히 다음 단계를 따르는데,
    - 기판을 유도성으로 결합된 플라즈마 챔버로 수용하는 단계와,
    - 제1 접촉 영역(3)을 코일(26)의 유도성 커플링에 의하여 생성된 플라즈마에 노출시켜서, 제1 접촉 영역(3) 상의 저장소 형성층(6) 내에 저장소(5)를 형성하는 단계 - 제2 발전기(24)의 제2 주파수(f22)와 상이한 제1 주파수(f21)는 플라즈마 생성 동안에 제1 발전기(23)에 적용됨 - 와,
    - 제1 추출물이나 제1 추출물 그룹으로 저장소(5)를 적어도 부분적으로 채우는 단계와,
    - 사전-본딩 상호연결부의 형성을 위해 제2 접촉 영역(4)과 제1 접촉 영역(3)의 접촉을 만드는 단계와,
    - 제2 기판(2)의 반응층(7) 내에 포함된 제2 추출물과 제1 추출물의 반응에 의하여, 적어도 부분적으로 강화된 제1 접촉 영역(3)과 제2 접촉 영역(4) 사이에 영구적인 본딩을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 제1 발전기(23)의 제1 주파수(f21)는 0.001 kHz 내지 100000 kHz, 바람직하게는 0.01 kHz 내지 10000 kHz, 좀 더 바람직하게는 0.1 kHz 내지 1000 kHz, 가장 바람직하게는 400 kHz이고, 및/또는 제2 발전기(24)는 0.001 kHz 내지 100000 kHz, 바람직하게는 0.01 kHz 내지 10000 kHz, 좀 더 바람직하게는 0.1 kHz 내지 1000 kHz의 주파수 범위에서 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 방법.
  7. 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치 - 상기 제2 기판(2)은 적어도 하나의 반응층(7)을 가짐 - 에 있어서, 상기 장치는,
    - 본딩 챔버(20, 20', 27)와,
    - 서로 반대편에 위치되는 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)과,
    - 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이에 기판(2, 3)을 수용하기 위한 수용 수단과,
    - 제1 접촉 영역(3)을 전극(21, 22)의 용량성 커플링에 의해 생성된 플라즈마에 노출시켜서, 제1 접촉 영역(3) 상의 저장소 형성층(6) 내에 저장소(5)를 형성시키기 위한 저장소 형성 수단 - 제2 전극(22)의 제2 주파수(f22)와 상이한 제1 주파수(f21)는 플라즈마 생성 동안에 제1 전극(21)에 적용됨 - 과,
    - 사전-본딩 상호연결부를 형성하기 위해 제2 접촉 영역(4)과 제1 접촉 영역(3)의 접촉을 만들기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 제1 및/또는 제2 주파수(f21, f22)는 조정가능한 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치.
  9. 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치 - 상기 제2 기판(2)은 적어도 하나의 반응층(7)을 가짐 - 에 있어서, 상기 장치는,
    - 본딩 챔버(20, 20', 27)와,
    - 코일(26)과,
    - 코일(26) 내에 기판(2, 3)을 수용하기 위한 수용 수단과,
    - 제1 접촉 영역(3)을 전극(21, 22)의 용량성 커플링에 의해 생성된 플라즈마에 노출시켜서, 제1 접촉 영역(3) 상의 저장소 형성층(6) 내에 저장소(5)를 형성시키기 위한 저장소 형성 수단 - 제2 전극(22)의 제2 주파수(f22)와 상이한 제1 주파수(f21)는 플라즈마 생성 동안에 제1 전극(21)에 적용됨 - 과,
    - 사전-본딩 상호연결부를 형성하기 위해 제2 접촉 영역(4)과 제1 접촉 영역(3)의 접촉을 만들기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 제1 및/또는 제2 주파수(f21, f22)는 조정가능한 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 본딩 챔버 내에서 수행되고, 최소한 저장소(5)의 형성에서, 본딩 챔버는 0.1 내지 0.9 mbar, 바람직하게는 0.7 mbar 미만, 좀 더 바람직하게는 0.5 mbar 미만, 더욱 더 바람직하게는 0.3 mbar 미만인 압력의 챔버에 노출되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 6항, 또는 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, O2 가스 및/또는 N2 가스 및/또는 Ar 가스가, 적어도 저장소(5)가 형성될 때, 본딩 챔버 내에서 지배적인 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치.
  13. 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치 - 상기 제2 기판(2)은 적어도 하나의 반응층(7)을 가짐 - 에 있어서, 상기 장치는,
    - 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 챔버(20") - 플라즈마 챔버(20")는 서로 다른 주파수(f21, f22)로 작동될 수 있는 적어도 두 개의 발전기(23, 24)를 포함하고, 특히, 플라즈마를 생성하기 위해 서로 다른 주파수(f21, f22)로 작동됨 - 와,
    - 플라즈마 챔버와 연결된 본딩 챔버(27)와,
    - 제1 접촉 영역(3)을 플라즈마 챔버(20")에서 생성된 플라즈마에 노출시켜서, 제1 접촉 영역(3) 상의 저장소 형성층(6) 내에 저장소(5)를 형성시키기 위한 저장소 형성 수단
    - 사전-본딩 상호연결부를 형성하기 위해 제2 접촉 영역(4)과 제1 접촉 영역(3)의 접촉을 만들기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 13 항에 있어서, 폐쇄가능한 개구부가 플라즈마 챔버(20")와 본딩 챔버(27) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(2)의 제2 접촉 영역(4)에 제1 기판(1)의 제1 접촉 영역(3)을 본딩하기 위한 장치.
KR1020157001449A 2012-07-24 2012-07-24 웨이퍼의 영구적인 본딩을 위한 방법 및 장치 KR101697028B1 (ko)

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