RU2244362C2 - Method for void-free splicing of substrates - Google Patents
Method for void-free splicing of substrates Download PDFInfo
- Publication number
- RU2244362C2 RU2244362C2 RU2002134319/28A RU2002134319A RU2244362C2 RU 2244362 C2 RU2244362 C2 RU 2244362C2 RU 2002134319/28 A RU2002134319/28 A RU 2002134319/28A RU 2002134319 A RU2002134319 A RU 2002134319A RU 2244362 C2 RU2244362 C2 RU 2244362C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrates
- pairs
- mirror
- substrate
- deionized water
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в процессе создания элементной базы микро-, микрофото-, опто- и наноэлектроники, силовой электроники, сенсорной микроэлектроники, а также при изготовлении многослойных полупроводниковых структур, в частности структур типа кремний на кремнии и кремний-на-изоляторе (КНИ).The invention relates to semiconductor technology and can be used in the process of creating the elemental base of micro-, microphoto-, opto- and nanoelectronics, power electronics, sensor microelectronics, as well as in the manufacture of multilayer semiconductor structures, in particular structures such as silicon on silicon and silicon-on -insulator (KNI).
В настоящее время описанный в работе [Shimbo M., Furukawa К., Fukuda К., Tanzawa К. // J. Appl. Phys., 1986, v.60, №8, рр.2987-89] способ получения многослойных полупроводниковых структур методом прямого сращивания (при температуре ниже температуры плавления материала подложки) без приложения электрических полей либо внешнего давления является одной из перспективных развивающихся в мире технологий по выпуску высококачественных подложек для современной микроэлектроники. Способ прямого сращивания пластин открывает множество новых возможностей при разработке элементной базы силовой интеллектуальной и сенсорной микроэлектроники, микрофото- и оптоэлектроники.Currently described in [Shimbo M., Furukawa K., Fukuda K., Tanzawa K. // J. Appl. Phys., 1986, v. 60, No. 8, pp. 2987-89] a method for producing multilayer semiconductor structures by direct splicing (at a temperature below the melting temperature of the substrate material) without applying electric fields or external pressure is one of the most promising technologies in the world for the production of high-quality substrates for modern microelectronics. The method of direct splicing of plates opens up many new possibilities in the development of the elemental base of power intellectual and sensory microelectronics, microphoto and optoelectronics.
Сущность способа прямого сращивания кремниевых пластин (ПСК) заключается в том, что прошедшие соответствующую химическую обработку (гидрофилизация поверхности) зеркально полированные (при изготовлении структур кремний на кремнии) или окисленные пластины кремния (КНИ-структуры) с требуемыми электрофизическими параметрами соединяются в обеспыленной контролируемой среде, затем проводятся многостадийные термообработки, в результате которых происходит трансформация Si-ОН:ОН-Si связей в Si-O-Si связи, а затем (для случая прямого сращивания) в процессе растворения кислорода в Si-Si связи [J.B. Lasky. // Appl. Phys. Lett., 1986, v.48, pp.78-80]. Затем полученные структуры проходят технологические операции по утонению рабочего слоя до необходимой толщины и доведению диаметра пластин до стандартных размеров. Наиболее распространенными дефектами в ПСК-структурах являются "пузырьковые" включения - участки площади на границе раздела, где между поверхностями сращиваемых пластин имеется зазор. Появление таких дефектов может быть обусловлено геометрическими параметрами (неплоскостность, шероховатость поверхности пластин), захватом воздуха между пластинами или твердыми частичками пыли. Пузырьки и поры могут также генерироваться на низкотемпературной стадии сращивания в результате скапливания на зародышах продуктов химических реакций. Из выше сказанного вытекают жесткие требования, предъявляемые к качеству поверхности исходных подложек, а также к производственным помещениям, технической и технологической базе [J.Haisma, G.A.C.M. Spierings, U.K.P.Biermann and J.A.Pals. // Jap J. Appl. Phys., 1989, v.28. №8, pp. 1426-1443].The essence of the direct bonding process of silicon wafers (UCSs) is that they have undergone appropriate chemical treatment (surface hydrophilization) mirror-polished (in the manufacture of silicon-on-silicon structures) or oxidized silicon wafers (SOI structures) with the required electrophysical parameters are connected in a dust-free controlled environment Then, multistage heat treatments are carried out, as a result of which the transformation of Si-OH: OH-Si bonds into Si-O-Si bonds occurs, and then (for the case of direct splicing) into p otsesse dissolving oxygen in the Si-Si linkages [J.B. Lasky. // Appl. Phys. Lett., 1986, v. 48, pp. 78-80]. Then, the resulting structures undergo technological operations to thin the working layer to the required thickness and bring the diameter of the plates to standard sizes. The most common defects in PSC structures are “bubble” inclusions — parts of the area at the interface where there is a gap between the surfaces of the spliced plates. The appearance of such defects may be due to geometric parameters (non-flatness, surface roughness of the wafers), air entrapment between the wafers or solid dust particles. Bubbles and pores can also be generated at the low-temperature stage of fusion as a result of the accumulation of chemical reaction products on the nuclei. From the foregoing, stringent requirements are imposed on the surface quality of the original substrates, as well as on production facilities, technical and technological base [J. Haisma, G.A.C.M. Spierings, U.K. P. Biermann and J. A. Pals. // Jap J. Appl. Phys., 1989, v. 28. No. 8, pp. 1426-1443].
Одним из наиболее важных параметров многослойных подложек для силовой интеллектуальной микроэлектроники, наноэлектроники является наличие электрически и рекомбинационно активных дефектов вблизи границы сращивания двух пластин. Большое количество работ указывает на высокую концентрацию электронных ловушек вблизи границы соединения, источником которых являются структурные дефекты и примеси, геттерируемые на границе соединения. Однако наиболее значительное влияние на тип и плотность поверхностных состояний оказывают неплоскостность и степень взаимной относительной кристаллографической разориентации подложек. Для того чтобы минимизировать плотность поверхностных состояний на границе сращивания, важным является тщательный контроль степени разориентации двух соединяемых пластин относительно друг друга. Угол разориентации не должен превышать 3° [Laporte A., Sarrabayrouse G., Lescouzeres L., PeyreLavigne A., Benamara M., Rocher A., Claverie A. // Proc. Of the 6th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's. Davos. Switzerland, May 31 - June 2, 1994; Ahn K.-Y., Stengi R., Tan T.Y., Gosele U. // J. Appl. Phys, 1989, v.65, №2, pp.561-563]. Способ прямого сращивания дает возможность значительно укоротить технологический цикл при создании элементной базы сенсорной микроэлектроники (например, МЕМS) за счет предварительного создания на поверхности сращиваемых подложек необходимого рельефа, что позволяет зачастую отказаться от двусторонней литографии и методов глубокого травления. Однако при этом требуется взаимное позицирование двух сращиваемых подложек относительно элементов рисунка с заданной точностью.One of the most important parameters of multilayer substrates for power intelligent microelectronics, nanoelectronics is the presence of electrically and recombination active defects near the boundary of the fusion of two plates. A large number of studies indicate a high concentration of electron traps near the boundary of the compound, the source of which are structural defects and impurities gettering at the boundary of the compound. However, the most significant effect on the type and density of surface states is exerted by non-flatness and the degree of mutual relative crystallographic misorientation of the substrates. In order to minimize the density of surface states at the splicing boundary, it is important to carefully control the degree of disorientation of the two connected plates relative to each other. The misorientation angle should not exceed 3 ° [Laporte A., Sarrabayrouse G., Lescouzeres L., PeyreLavigne A., Benamara M., Rocher A., Claverie A. // Proc. Of the 6 th International Symposium on Power Semiconductor Devices &IC's. Davos. Switzerland, May 31 - June 2, 1994; Ahn K.-Y., Stengi R., Tan TY, Gosele U. // J. Appl. Phys, 1989, v. 65, No. 2, pp. 561-563]. The direct splicing method makes it possible to significantly shorten the technological cycle when creating the element base of sensor microelectronics (for example, MEMS) due to the preliminary creation of the necessary relief on the surface of the spliced substrates, which often makes it possible to refuse double-sided lithography and deep etching methods. However, this requires the mutual positioning of the two spliced substrates relative to the picture elements with a given accuracy.
Известны способы плотного соединения двух полупроводниковых подложек путем прямого сращивания. Так, в патенте США №4962062 от 09.10.1990 г. описан способ, согласно которому процесс сращивания состоит из этапов получения двух полупроводниковых подложек, каждая из которых имеет плоскую и полированную поверхность, смачивания полированной поверхности, по крайней мере, одной из двух подложек жидкостью, не содержащей растворенных веществ, которые бы вызывали осаждение твердого вещества при испарении жидкости, помещения подложек одна на другую так, чтобы зеркальные поверхности пластин соприкасались друг с другом с формированием между ними тонкой пленки указанной жидкости и при этом обе подложки соединялись, затем в таком положении подложки подвергались тепловой обработке при температуре ниже температуры плавления материала полупроводниковой подложки.Known methods for tightly connecting two semiconductor substrates by direct splicing. So, in US patent No. 4962062 from 10/09/1990, a method is described according to which the splicing process consists of the steps of producing two semiconductor substrates, each of which has a flat and polished surface, wetting the polished surface of at least one of the two substrates with liquid containing no solutes that would precipitate solids upon evaporation of the liquid, place the substrates on top of one another so that the mirror surfaces of the plates come into contact with each other to form thinly between them film of the specified liquid and both substrates were connected, then in this position the substrates were subjected to heat treatment at a temperature below the melting temperature of the material of the semiconductor substrate.
К недостаткам описанного способа следует отнести то, что поверхности подложек остаются открытыми до их соединения зеркальными поверхностями, что может приводить к загрязнению частицами пыли из окружающей атмосферы и, как следствие, к неплотному соединению поверхностей подложек при сращивании. По описанию патента процесс подготовки подложек к сращиванию проводился в производственном помещении класса 1000 (менее 1000 частиц размером 0,3 мкм на кубический фут). После смачивания поверхности сращиваемых пластин для увеличения адгезионной способности пары соединенных пластин приходится держать в течение нескольких часов под внешним давлением 0,01 МПа. Кроме того, в описанном способе не решена проблема взаимной ориентации пары пластин перед сращиванием.The disadvantages of the described method include the fact that the surfaces of the substrates remain exposed to their mirror surfaces, which can lead to contamination by dust particles from the surrounding atmosphere and, as a consequence, to a loose connection of the surfaces of the substrates during splicing. According to the description of the patent, the process of preparing the substrates for splicing was carried out in an industrial building of class 1000 (less than 1000 particles with a size of 0.3 μm per cubic foot). After wetting the surface of the fused plates, in order to increase the adhesive ability, the pairs of connected plates have to be kept for several hours under an external pressure of 0.01 MPa. In addition, the described method does not solve the problem of the mutual orientation of the pair of plates before splicing.
Известен способ плотного беспустотного сращивания первых кремниевых подложек со вторыми кремниевыми либо со стеклянными подложками (патент США N4962879 от 16.10.1990 г., Н 01 L 21/30), при котором отсутствуют "пузырьковые включения" на границе сращивания и не требующий проведения операций в "чистых" помещениях. Способ включает в себя несколько этапов: размещения первых и вторых подложек обращенными друг к другу зеркально полированными поверхностями на небольшом расстоянии параллельно на специальной стойке или тому подобном приспособлении; химическую очистку поверхностей, обработку поверхностей в очищающем гидрофилизирующем растворе, содержащем Н2O, Н2O2, NН4OН, при температуре 50-60°С; промывку струей деионизованной воды; сушку зеркально полированных поверхностей указанных первых и вторых подложек центрифугированием и соединение подложек так, чтобы имел место контакт между противоположными зеркально полированными поверхностями и произошло плотное беспустотное сращивание. Согласно описанию способа зазор между подложками составляет 10-1000 мкм и обеспечивается тефлоновыми прокладками, которые вводят по краям подложек. После сушки тефлоновые прокладки удаляются в радиальных направлениях, подложки сближают полированньми сторонами до контакта в некоторых точках между двумя отполированньми поверхностями. Процесс сращивания осуществляется сжатием пластин в одной точке, от которой контактная волна сращивания пластин распространяется по всей поверхности. Затем пары сращенных подложек помещаются в контейнер для улучшения условий хранения.A known method of dense non-drift bonding of the first silicon substrates with the second silicon or glass substrates (US patent N4962879 from 10.16.1990, H 01 L 21/30), in which there are no "bubble inclusions" at the boundary of the splicing and does not require operations in "clean" rooms. The method includes several stages: placing the first and second substrates facing each other with mirror-polished surfaces at a small distance in parallel on a special rack or the like; chemical cleaning of surfaces, surface treatment in a cleaning hydrophilizing solution containing H 2 O, H 2 O 2 , NH 4 OH, at a temperature of 50-60 ° C; rinsing with a stream of deionized water; drying the mirror-polished surfaces of the first and second substrates by centrifugation and joining the substrates so that there is contact between the opposite mirror-polished surfaces and dense non-hollow splicing occurs. According to the description of the method, the gap between the substrates is 10-1000 μm and is provided by Teflon gaskets, which are introduced along the edges of the substrates. After drying, the teflon gaskets are removed in radial directions, the substrates are brought together by polished sides until contact at some points between two polished surfaces. The splicing process is carried out by compressing the plates at one point, from which the contact wave of the splicing of the plates propagates over the entire surface. Then, pairs of spliced substrates are placed in a container to improve storage conditions.
К недостаткам описанного способа следует отнести его нетехнологичность, т.к. он основан на индивидуальной подготовке пары подложек. Это исключает возможность групповой обработки подложек и плохо адаптируется к условиям промышленного производства. При этом остаются жесткие требования к плоскостности. Кроме того, описанный способ не позволяет укладывать подложки одна на другую с заданной разориентацией поверхностей друг относительно друга, поскольку при удалении тефлоновых прокладок возможен разворот подложек одна относительно другой.The disadvantages of the described method include its low technology, because It is based on the individual preparation of a pair of substrates. This excludes the possibility of group processing of substrates and does not adapt well to industrial production conditions. At the same time, strict requirements for flatness remain. In addition, the described method does not allow to lay the substrates on top of one another with a given misorientation of the surfaces relative to each other, since when the Teflon gaskets are removed, the substrates can be rotated one relative to the other.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение плотного беспустотного сращивания подложек на серийно выпускаемом оборудовании в условиях массового производства партиями (групповая обработка) в производственных помещениях пониженного класса чистоты (класс чистоты 1000) при сохранении качества. А это приводит: к снижению затрат при изготовлении многослойных подложек по технологии прямого сращивания в условиях массового производства без ухудшения качества сращивания (без образования дефектов в виде воздушных пузырьков), к повышению выхода годных многослойных полупроводниковых структур за счет уменьшения их дефектности.The technical result of the present invention is to obtain a dense driftless splicing of substrates on commercially available equipment under conditions of mass production in batches (batch processing) in production facilities of reduced purity class (purity class 1000) while maintaining quality. And this leads to: a reduction in costs in the manufacture of multilayer substrates using direct splicing technology in mass production without compromising the quality of splicing (without the formation of defects in the form of air bubbles), to increase the yield of suitable multilayer semiconductor structures by reducing their defectiveness.
Технический результат достигается тем, что в способе беспустотного сращивания подложек одинаковые или отличающиеся друг от друга первые полупроводниковые и вторые полупроводниковые либо стеклянные или кварцевые подложки, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одну зеркально полированную поверхность и один ориентированный срез (кристаллографически ориентированный базовый срез для полупроводниковых либо один краевой срез для стеклянных или кварцевых подложек), размещаются партиями в раздельные кассеты с промежутком между подложками, обеспечивающим свободный доступ химических растворов и воды к подложкам так, чтобы зеркально полированные поверхности были обращены в одну сторону для первых и в противоположную сторону для вторых подложек, очищаются в химических растворах, в том числе гидрофилизирующих поверхность, и промываются в деионизованной воде. После промывки деионизованной водой первые и вторые подложки размещаются парами в кассете с двойными пазами непосредственно в ванне с деионизованной водой таким образом, что зеркально полированная поверхность первой подложки обращена к зеркально полированной поверхности второй подложки с зазором между первой и второй подложками, достаточным для препятствия осаждению частиц из атмосферы рабочего помещения на сращиваемые поверхности первых и вторых подложек после извлечения кассеты с двойными пазами из ванны, а ориентированные срезы подложек совпадают. Затем пары из первых и вторых подложек подают на установку прижима, накладывают подложки друг на друга, а прижим осуществляют с помощью внешнего давления по всей поверхности подложек для плотного беспустотного ориентированного сращивания. Полученные таким образом сращенные пары из первых и вторых подложек помещают в контейнер для хранения или кассету для термообработок.The technical result is achieved in that in the method of continuous bonding of substrates the same or different from each other first semiconductor and second semiconductor or glass or quartz substrates, each of which has at least one mirror polished surface and one oriented slice (crystallographically oriented base slice for semiconductor or one edge cut for glass or quartz substrates), are placed in batches in separate cassettes with a gap between the substrates E, providing free access of chemical solutions and water to the substrates so that the mirror polished surfaces were facing in the same direction for the first and in the opposite direction for the second substrates, cleaned in chemical solutions, including hydrophilizing the surface, and rinsed in deionized water. After washing with deionized water, the first and second substrates are placed in pairs in a double-groove cassette directly in the bath with deionized water so that the mirror-polished surface of the first substrate faces the mirror-polished surface of the second substrate with a gap between the first and second substrates sufficient to prevent particles from settling from the atmosphere of the working room to the spliced surfaces of the first and second substrates after removing the cassette with double grooves from the bath, and oriented sections substrates match. Then, pairs of the first and second substrates are fed to the clamp installation, the substrates are laid on top of each other, and the clamp is carried out using external pressure over the entire surface of the substrates for dense, hollow-free oriented splicing. The spliced pairs thus obtained from the first and second substrates are placed in a storage container or a heat treatment cassette.
Перед прижимом с помощью внешнего давления по всей поверхности подложек первые и вторые подложки при необходимости высушивают в кассете на центрифуге.Before pressing using external pressure over the entire surface of the substrates, the first and second substrates are, if necessary, dried in a cassette on a centrifuge.
На пары из первых и вторых подложек прикладывают внешнее давление величиной 0,05-0,1 МПа и выдерживают при установленном давлении 10-30 секунд, после чего внешнее давление снимают.An external pressure of 0.05-0.1 MPa is applied to pairs of the first and second substrates and held at a set pressure of 10-30 seconds, after which the external pressure is removed.
В кассете с двойными пазами первые и вторые подложки размещены парами с зазором между первыми и вторыми подложками 0,3-0,5 мм.In the cassette with double grooves, the first and second substrates are arranged in pairs with a gap between the first and second substrates of 0.3-0.5 mm.
На первых и вторых полупроводниковых подложках выполняют дополнительный срез под заданным углом относительно базового кристаллографически ориентированного среза.On the first and second semiconductor substrates perform an additional slice at a given angle relative to the base crystallographically oriented slice.
На зеркально полированную поверхность, по меньшей мере, одной из первых или вторых полупроводниковых подложек наносят окисел.An oxide is deposited on a mirror-polished surface of at least one of the first or second semiconductor substrates.
Кроме того, на зеркально полированной поверхности, по меньшей мере, одной из первых или вторых подложек формируют, по меньшей мере, одну канавку или модифицированный слой.In addition, at least one groove or a modified layer is formed on the mirror-polished surface of at least one of the first or second substrates.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим текстом и примером реализации с рисунками, способ включает в себя три этапа. На первом этапе после получения одинаковых или отличающихся друг от друга первых и вторых подложек, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одну зеркально полированную поверхность и один ориентированный срез (кристаллографически ориентированный базовый срез для полупроводниковых либо один краевой срез для стеклянных или кварцевых подложек), проводится комплектование партии подложек, удовлетворяющих основным требованиям технологии прямого сращивания по геометрическим параметрам (диаметр, прогиб, локальная неплоскостность). После этого в зависимости от решаемых задач на поверхности одной или обеих полупроводниковых подложек наносят окисел, проводятся необходимые предварительные технологические операции по формированию рабочего слоя с модификацией приповерхностной области (ионная имплантация или стопорные слои для химико-механической полировки и/или избирательного травления и т.д.), вытравливаются канавки. Затем проводятся технологические процессы очистки поверхности подложек известными физико-химическими методами от посторонних частиц, органических и неорганических загрязнений с целью достижения необходимой химической чистоты поверхности и формирования на поверхности ионных гидроксильных групп (гидрофилизация). При необходимости перед химической очисткой поверхности осуществляется "освежение" поверхности методом ХМП (суперфинишная полировка). Поскольку сращиваемые пары подложек могут быть из разных материалов, иметь различные слои на поверхности, следовательно, процессы предварительной очистки будут отличаться, то первые и вторые подложки партиями размещаются в раздельные кассеты с промежутком между подложками, обеспечивающим свободный доступ химических растворов и воды к подложкам.The invention is illustrated by the following text and an example implementation with drawings, the method includes three steps. At the first stage, after obtaining the same or different first and second substrates, each of which has at least one mirror-polished surface and one oriented slice (crystallographically oriented base slice for semiconductor or one edge slice for glass or quartz substrates) , completing a batch of substrates that meet the basic requirements of direct splicing technology in geometric parameters (diameter, deflection, local non-flatness). After this, depending on the tasks to be solved, oxide is deposited on the surface of one or both semiconductor substrates, the necessary preliminary technological operations are carried out to form a working layer with modification of the near-surface region (ion implantation or retaining layers for chemical-mechanical polishing and / or selective etching, etc. .), the grooves are etched. Then, technological processes are carried out to clean the surface of the substrates by known physical and chemical methods from foreign particles, organic and inorganic contaminants in order to achieve the necessary chemical cleanliness of the surface and the formation of ionic hydroxyl groups on the surface (hydrophilization). If necessary, before chemical cleaning of the surface, the surface is "refreshed" by the CMP method (superfinishing polishing). Since the fused pairs of substrates can be of different materials, have different layers on the surface, therefore, the preliminary cleaning processes will be different, the first and second substrates are placed in batches in separate cassettes with a gap between the substrates, providing free access of chemical solutions and water to the substrates.
На втором этапе после промывки их в деионизованной воде кассеты с первыми и вторыми подложками поочередно стыкуются с кассетой с двойными пазами и подложки перегружаются прямо в ванне с деионизованной водой таким образом, чтобы зеркально полированные поверхности первых и вторых подложек располагались напротив друг друга с расстоянием, достаточным для препятствия осаждению частиц пыли из атмосферы помещения. Это достигается тем, что кассета с двойными пазами имеет пазы под первые и вторые подложки с заданным расстоянием и с шагом, равным промежутку между подложками в стандартных кассетах. В результате первые и вторые подложки оказываются размещенными парами так, что зеркально полированные поверхности первых подложек обращены к зеркально полированной поверхности вторых подложек, а ориентированные срезы подложек совпадают. В качестве кассеты с двойными пазами можно использовать и любую из кассет под первые или вторые подложки. Для этого она должна иметь двойные пазы под первые и вторые подложки с заданным расстоянием и с шагом, равным промежутку между подложками в стандартных кассетах. В этом случае кассеты с первыми и вторыми подложками стыкуются, и первые подложки перегружаются в кассету со вторыми подложками или наоборот.In the second stage, after washing them in deionized water, the cassettes with the first and second substrates alternately join the double-groove cassette and the substrates are reloaded directly in the bath with deionized water so that the mirror-polished surfaces of the first and second substrates are opposite each other with a distance sufficient to prevent the deposition of dust particles from the atmosphere of the room. This is achieved by the fact that the cassette with double grooves has grooves for the first and second substrates with a given distance and with a step equal to the gap between the substrates in standard cartridges. As a result, the first and second substrates are arranged in pairs so that the mirror-polished surfaces of the first substrates face the mirror-polished surface of the second substrates, and the oriented sections of the substrates coincide. As a cartridge with double grooves, you can use any of the cassettes for the first or second substrate. To do this, it should have double grooves for the first and second substrates with a given distance and with a step equal to the gap between the substrates in standard cartridges. In this case, the cassettes with the first and second substrates are joined, and the first substrates are reloaded into the cassette with the second substrates, or vice versa.
На третьем этапе (при необходимости после сушки подложек в центрифуге) пары из первых и вторых подложек поочередно подаются на установку прижима. Рабочий столик установки прижима имеет сменный вкладыш с диаметром, равным диаметру сращиваемых подложек, а также щечки под базовый и дополнительный срезы. Пары из первых и вторых подложек устанавливаются во вкладыш и упираются своими базовыми и дополнительными срезами в щечки вкладыша. В результате разориентация подложек относительно срезов не превышает 3°, а щечки препятствуют развороту подложек относительно друг друга. Затем подложки приводятся в контакт отполированными поверхностями. Процесс сращивания осуществляется сжатием пластин по всей поверхности. Максимальная величина прикладываемого внешнего давления выбирается исходя из механических свойств подложек и не должна приводить к их разрушению. С другой стороны, величина прикладываемого давления должна быть достаточной для сжатия подложек. Время действия сжимающей нагрузки должно быть достаточным для удаления лишней воды, захваченной между сращиваемыми поверхностями, а также распространения контактной волны сращивания пластин по всей поверхности. После этого пары сращенных подложек помещаются в лодочки для загрузки в печь или размещаются в контейнер для хранения.In the third stage (if necessary, after drying the substrates in a centrifuge), pairs of the first and second substrates are alternately fed to the clamping unit. The work table of the clamp installation has a removable liner with a diameter equal to the diameter of the spliced substrates, as well as cheeks for the base and additional sections. Pairs of the first and second substrates are installed in the liner and abut their base and additional sections in the cheeks of the liner. As a result, the misorientation of the substrates relative to the slices does not exceed 3 °, and the cheeks prevent the turn of the substrates relative to each other. Then the substrates are brought into contact by polished surfaces. The splicing process is carried out by compressing the plates over the entire surface. The maximum value of the applied external pressure is selected based on the mechanical properties of the substrates and should not lead to their destruction. On the other hand, the applied pressure should be sufficient to compress the substrates. The duration of the compressive load should be sufficient to remove excess water trapped between the spliced surfaces, as well as the propagation of the contact wave of the spliced plates across the entire surface. After that, pairs of spliced substrates are placed in boats for loading into the furnace or placed in a storage container.
Пример реализации способаAn example implementation of the method
На фиг.1 изображены схематично кассеты с первыми и вторыми подложками, каждая из которых имеет зеркально полированную поверхность.Figure 1 shows schematically cassettes with first and second substrates, each of which has a mirror-polished surface.
На фиг.2 изображена схематично кассета с двойными пазами с парами из первых и вторых подложек, каждая из которых имеет зеркально полированную поверхность и кристаллографически ориентированный базовый срез.Figure 2 shows schematically a cassette with double grooves with pairs of first and second substrates, each of which has a mirror-polished surface and a crystallographically oriented base slice.
На фиг.3 приведены тепловизионные изображения двухслойных кремниевых структур.Figure 3 shows thermal imaging images of two-layer silicon structures.
На фигурах представлены: 1 - первые подложки, 2 - вторые подложки, 3 - зеркально полированная поверхность подложки, 4 - кассета с первыми подложками, 5 - кассета со вторыми подложками, 6 - кристаллографически ориентированный базовый срез, 7 - кассета с двойными пазами с парами из первых и вторых подложек.The figures show: 1 — first substrates, 2 — second substrates, 3 — mirror-polished surface of the substrate, 4 — cassette with first substrates, 5 — cassette with second substrates, 6 — crystallographically oriented base slice, 7 — cassette with double grooves with pairs from the first and second substrates.
В качестве исходных применялись первые подложки (1) из нейтронно легированного БЗП-кремния с удельным сопротивлением 80 Ом·см (из которой впоследствии формировался рабочий слой) и вторые подложки (2) из кремния, выращенного по методу Чохральского с удельным сопротивлением 0,003 Ом·см (служат в качестве сильнолегированной подложки). Подложки (1) и (2) имели следующие характеристики:The first substrates (1) made of neutron-doped BZP-silicon with a resistivity of 80 Ohm · cm (from which the working layer was subsequently formed) and the second substrates (2) were used of silicon grown according to the Czochralski method with a resistivity of 0.003 Ohm · cm. (serve as a highly doped substrate). Substrates (1) and (2) had the following characteristics:
- кристаллографическая ориентация - (111)- crystallographic orientation - (111)
- диаметр - 78±0,1 мм- diameter - 78 ± 0.1 mm
- толщина подложек - 380 мкм- thickness of substrates - 380 microns
- тип проводимости - n- type of conductivity - n
- ориентация базового среза - (110)- orientation of the base slice - (110)
- финишная подготовка поверхности - односторонняя химико-механическая полировка.- surface finish - one-sided chemical-mechanical polishing.
Подложки (1) и (2) загружались в отдельные стандартные кассеты для химической обработки (4) и (5) соответственно таким образом, что зеркально полированные поверхности (3) подложек (1) были обращены в одну сторону, а зеркально полированные поверхности (3) подложек (2) были обращены в другую сторону (см. фиг.1). При этом промежутки 1-1 между первыми и промежутки 2-2 между вторыми подложками составляли 4 мм для свободного доступа к поверхности подложек химических растворов и деионизованной воды. В кассеты (4) и (5) одновременно загружались по 20 подложек. Групповая обработка подложек проводилась на стандартных линиях химической обработки пластин “ЛАДА-1Д”. Цикл стандартной RСА химической обработки заканчивался обработкой в гидрофилизирующем перекисно-аммиачном растворе состава Н2O2:NН4ОН:Н2O=1:1:4 в течение 10 минут при температуре раствора в ванне 80°С. Промывка подложек осуществлялась в деионизованной воде в ванне интенсивной отмывки с барботированием очищенным азотом до восстановления сопротивления воды до исходной величины.The substrates (1) and (2) were loaded into separate standard cassettes for chemical treatment (4) and (5), respectively, so that the mirror-polished surfaces (3) of the substrates (1) were turned in one direction, and the mirror-polished surfaces (3 ) substrates (2) were turned in the opposite direction (see figure 1). The gaps 1-1 between the first and the gaps 2-2 between the second substrates were 4 mm for free access to the surface of the substrates of chemical solutions and deionized water. In the cassettes (4) and (5), 20 substrates were simultaneously loaded. Group processing of the substrates was carried out on standard lines for the chemical treatment of LADA-1D wafers. The cycle of standard RCA chemical treatment ended with treatment in a hydrophilizing ammonia peroxide solution with the composition Н 2 O 2 : НН 4 ОН: Н 2 O = 1: 1: 4 for 10 minutes at a solution temperature in the bath of 80 ° С. The substrates were washed in deionized water in an intensive washing bath with sparging with purified nitrogen until the water resistance was restored to its original value.
После химической очистки и промывки подложки (1) и (2) перегружали в кассету с двойными пазами (7) (см. фиг.2) без соприкосновения с атмосферой непосредственно в ванне с деионизованной водой так, чтобы зеркально полированные поверхности (3) первых и вторых подложек были обращены друг к другу, образуя пару (1-2) из первых и вторых подложек, а промежуток между зеркально полированными поверхностями составлял 0,5 мм. Затем подложки ориентировались относительно базовых срезов 6 (см. фиг.2). Сушка подложек проводилась в кассете с дойными пазами (7) на стандартной центрифуге при скорости вращения 1400-1900 об/мин в течение 4 минут с подачей очищенного подогретого азота. После сушки пары подложек (1-2) поочередно доставались из кассеты и подавались на установку прижима на операцию сращивания.After chemical cleaning and washing, the substrates (1) and (2) were reloaded into a double-groove cassette (7) (see Fig. 2) without touching the atmosphere directly in a bath with deionized water so that the mirror-polished surfaces (3) of the first and the second substrates were facing each other, forming a pair (1-2) of the first and second substrates, and the gap between the mirror-polished surfaces was 0.5 mm. Then the substrate was oriented relative to the base sections 6 (see figure 2). The substrates were dried in a cassette with milking grooves (7) in a standard centrifuge at a rotation speed of 1400-1900 rpm for 4 minutes with the supply of purified heated nitrogen. After drying, the pairs of substrates (1-2) were alternately removed from the cassette and fed to a clamp for the splicing operation.
Рабочий столик установки прижима имеет сменный вкладыш с диаметром, равным диаметру сращиваемых подложек, а также щечки под базовый и дополнительный срезы. Пары подложек (1-2) устанавливаются во вкладыш и упираются своими базовыми срезами в щечки вкладыша. В результате разориентация не превышает 3°, а щечки препятствуют развороту подложек относительно друг друга. Сращивание проводилось на установке прижима при комнатной температуре при приложении внешнего давления по всей поверхности подложки 0,1 МПа в течение 20 сек. Затем сращенные пары укладывались в кварцевую лодочку для проведения отжигов в печи типа СДО-125.The work table of the clamp installation has a removable liner with a diameter equal to the diameter of the spliced substrates, as well as cheeks for the base and additional sections. Pairs of substrates (1-2) are installed in the liner and abut with their base sections in the cheeks of the liner. As a result, the disorientation does not exceed 3 °, and the cheeks prevent the turn of the substrates relative to each other. The splicing was carried out on the installation of the clamp at room temperature with the application of external pressure over the entire surface of the substrate of 0.1 MPa for 20 seconds. Then, the spliced pairs were placed in a quartz boat for annealing in an SDO-125 type furnace.
Все операции проводились в чистом производственном помещении класса 1000. При этом малый промежуток между зеркально полированными поверхностями (3) каждой пары подложек (1-2) препятствовал осаждению частиц пыли из атмосферы помещения. Эксперименты проводились с промежутком 0,3 мм, 0,4 мм, 0,5 мм. В таблице 1 представлены результаты наблюдений по скорости осаждения частиц пыли с промежутком между зеркально полированными поверхностями 0,5 мм. Как видно из таблицы, в поле зрения микроскопа в темном поле в зазоре между парой (1-2) частички пыли размером более 0,5 мкм появляются не ранее 30 минут нахождения пары подложек на воздухе в рабочей зоне.All operations were carried out in a clean industrial premises of class 1000. In this case, the small gap between the mirror-polished surfaces (3) of each pair of substrates (1-2) prevented the deposition of dust particles from the atmosphere of the room. The experiments were carried out with an interval of 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm. Table 1 presents the results of observations of the deposition rate of dust particles with a gap between the mirror polished surfaces of 0.5 mm. As can be seen from the table, in the field of view of the microscope in a dark field in the gap between a pair (1-2) dust particles larger than 0.5 μm appear no earlier than 30 minutes when a pair of substrates is in the air in the working area.
МинутTime,
Minutes
Все 20 пар из подложек (1) и (2) соединялись в течение 20 минут, что обеспечивало отсутствие пылинок на границе. Поэтому малый промежуток между зеркально полированными поверхностями (3) пары подложек (1-2), равный 0,5 мм, является оптимальным. Высокотемпературные обработки пар подложек (1-2) проводились в стандартной печи СДО-125 за счет проведения многостадийных термообработок в контролируемой газовой среде (в смеси азота с кислородом). Высокотемпературная стадия проводилась при температуре 1050°С в течение 2 часов. Контроль качества границы сращивания проводился на тепловизионной системе. На фиг.3 в качестве примера приведены тепловизионные изображения полученных двухслойных кремниевых структур. Как видно из фиг.3, кроме отдельных локальных несросшихся участков, наблюдается краевая зона, которая обусловлена присутствием фаски, скругляющей края подложек. Наличие фаски у подложек уменьшает вероятность появления сколов и трещин на ее кромке при транспортировках и перекладок из кассеты в кассету, в различные держатели, оснастку при проведении технологических операций [З.Ю.Готра. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.]. Это обстоятельство учитывается введением операции калибровки сращенной структуры по диаметру, при которой удаляется несросшийся край подложки и диаметр доводится от 78 мм до величины 76±0,5 мм, определенной техническими условиями на полированные подложки кремния. Затем были проведены операции по утонению рабочего слоя. Операции проводились на стандартном оборудовании с применением типовых процессов шлифовки, химического травления, химико-механической полировки. Конечная толщина рабочего слоя составляла 130 мкм.All 20 pairs of substrates (1) and (2) were connected for 20 minutes, which ensured the absence of dust particles at the boundary. Therefore, a small gap between the mirror-polished surfaces (3) of a pair of substrates (1-2), equal to 0.5 mm, is optimal. High-temperature treatments of pairs of substrates (1-2) were carried out in a standard SDO-125 furnace due to multi-stage heat treatments in a controlled gas environment (in a mixture of nitrogen and oxygen). The high temperature stage was carried out at a temperature of 1050 ° C for 2 hours. Quality control of the splice border was carried out on a thermal imaging system. Figure 3 shows, by way of example, thermal imaging images of the resulting bilayer silicon structures. As can be seen from figure 3, in addition to individual local non-fused areas, there is an edge zone, which is due to the presence of a chamfer, rounding the edges of the substrates. The presence of a chamfer on the substrates reduces the likelihood of chips and cracks on its edge during transportation and transfers from cartridge to cartridge, into various holders, equipment during technological operations [Z. Gotra. Microelectronic Device Technology: A Handbook. - M .: Radio and communications, 1991. - 528 p.]. This circumstance is taken into account by introducing the operation of calibrating the spliced structure by diameter, in which the non-grown edge of the substrate is removed and the diameter is brought from 78 mm to a value of 76 ± 0.5 mm, determined by the technical conditions for polished silicon substrates. Then, operations were performed to thin the working layer. The operations were carried out using standard equipment using typical grinding, chemical etching, and chemical-mechanical polishing processes. The final thickness of the working layer was 130 μm.
Также были изготовлены структуры, когда в качестве первой подложки применялась кремниевая зеркально полированная пластина, а в качестве второй - зеркально полированная окисленная кремниевая пластина с канавками и без канавок с толщиной диэлектрика 0,3 мкм или кремниевая зеркально полированная пластина с модифицированным ионной имплантацией легированным слоем, или стеклянная пластина с нанесенным на поверхности окислом кремния. Прижим по всей поверхности пластины осуществлялся в режимах: 0,05 МПа в течение 10 сек; 0,08 МПа в течение 30 сек. Во всех случаях был получен положительный эффект.Structures were also fabricated when a mirror-polished silicon wafer was used as the first substrate, and a mirror-polished oxidized silicon wafer with grooves and without grooves with a dielectric thickness of 0.3 μm or a mirror-polished silicon plate with a modified ion implantation alloy layer was used as the second substrate, or a glass plate coated on the surface with silicon oxide. The clamp over the entire surface of the plate was carried out in the following modes: 0.05 MPa for 10 sec; 0.08 MPa for 30 sec. In all cases, a positive effect was obtained.
Таким образом, применение настоящего способа плотного беспустотного сращивания двух подложек позволяет перейти к изготовлению многослойных структур партиями групповым способом, составляющим основу массового производства, в помещениях пониженного класса чистоты без ухудшения качества сращивания. При этом технологические операции проводятся на серийном промышленном оборудовании. Минимальные затраты на модернизацию и изготовление оснастки и громадный выигрыш от применения стандартного оборудования и возможность проведения технологических операций в помещениях пониженного класса чистоты делают настоящее изобретение привлекательным для серийных полупроводниковых предприятий. В частности, переход на изготовление силовых полупроводниковых приборов с толстопленочных (более 75 мкм) эпитаксиальных структур на подложки, полученные методом прямого сращивания, позволит резко повысить выход годных кристаллов на напряжения 400-500 В с малым разбросом параметров, а также освоить выпуск силовых приборов на рабочие напряжения выше 1000 В.Thus, the application of the present method of dense non-hollow adhesion of two substrates allows one to proceed to the manufacture of multilayer structures in batches in a group method, which forms the basis of mass production, in rooms of a reduced purity class without compromising the quality of splicing. At the same time, technological operations are carried out on serial industrial equipment. The minimal costs for the modernization and manufacturing of equipment and the huge gains from the use of standard equipment and the possibility of carrying out technological operations in rooms of reduced purity class make the present invention attractive for serial semiconductor enterprises. In particular, the transition to the manufacture of power semiconductor devices from thick-film (more than 75 microns) epitaxial structures on substrates obtained by direct splicing will dramatically increase the yield of suitable crystals at 400-500 V with a small variation in parameters, as well as master the production of power devices by operating voltages above 1000 V.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002134319/28A RU2244362C2 (en) | 2002-12-19 | 2002-12-19 | Method for void-free splicing of substrates |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002134319/28A RU2244362C2 (en) | 2002-12-19 | 2002-12-19 | Method for void-free splicing of substrates |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002134319A RU2002134319A (en) | 2004-06-10 |
| RU2244362C2 true RU2244362C2 (en) | 2005-01-10 |
Family
ID=34880829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002134319/28A RU2244362C2 (en) | 2002-12-19 | 2002-12-19 | Method for void-free splicing of substrates |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2244362C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2705518C1 (en) * | 2018-12-27 | 2019-11-07 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Method of splicing dielectric plates under action of strong electric field |
-
2002
- 2002-12-19 RU RU2002134319/28A patent/RU2244362C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2705518C1 (en) * | 2018-12-27 | 2019-11-07 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Method of splicing dielectric plates under action of strong electric field |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5314107A (en) | Automated method for joining wafers | |
| KR100796831B1 (en) | Process for transfer of a thin layer formed in a substrate with vacancy clusters | |
| KR101151458B1 (en) | Method for manufacturing bonded wafer and bonded wafer | |
| KR100796249B1 (en) | Method for manufacturing bonded wafer | |
| US5514235A (en) | Method of making bonded wafers | |
| JPH09252100A (en) | Manufacture of bonded wafer and the wafer manufactured by the method | |
| US6900113B2 (en) | Method for producing bonded wafer and bonded wafer | |
| JPH0712010B2 (en) | Silicon wafer bonding method | |
| TWI616966B (en) | Process for bonding in a gas atmosphere exhibiting a negative joule-thomson coefficient | |
| KR100882380B1 (en) | Method of producing thin layers of semiconductor material from a double-sided donor wafer and semiconductor-on-insulator structures thereby | |
| EP1571693A1 (en) | Method for manufacturing soi wafer | |
| KR20070055382A (en) | Method of manufacturing bonded wafer | |
| EP0940847A2 (en) | SOI substrate bonding under clean room conditions | |
| JPH11121310A (en) | Manufacture of semiconductor substrate | |
| EP0955670A3 (en) | Method of forming oxide film on an SOI layer and method of fabricating a bonded wafer | |
| RU2244362C2 (en) | Method for void-free splicing of substrates | |
| JPH1140786A (en) | Semiconductor substrate and its manufacture | |
| JP2961522B2 (en) | Substrate for semiconductor electronic device and method of manufacturing the same | |
| KR100253583B1 (en) | Fabricating method for junction soi wafer | |
| CN1033907A (en) | The process of directly bonding semiconductor | |
| JPS62283655A (en) | Manufacture of semiconductor multilayered substrate | |
| JPH09293845A (en) | Soi water and manufacture thereof | |
| RU2265255C2 (en) | Method for producing silicon-on-insulator structure | |
| JP2004128389A (en) | Manufacturing method of laminated soi wafer | |
| KR0180622B1 (en) | Method of manufacturing soi wafer having a multi-layer structure by silicon wafer junction at low temperature and soi wafer manufactured by this method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151220 |