TWI358084B - Process and equipment for bonding by molecular adh - Google Patents
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九、發明說明: 【潑^明片t雇之治】 本發明之領域係為藉由兩基材分子黏附至彼此來黏合 技術。 t先前技術3 本發明係有關一方法及黏合裝置。其同理延伸至一包 含一在一支撐基材上由一半導體材料所製成的薄層之結構 之形成。為了形成此一結構,典型程序係將一施體基材放 置成緊密接觸於支撐基材,以藉由基材分子黏附至彼此來 實行黏合。其後係為施體基材的一部分轉移至支撐基材, 藉以在支撐基材上形成薄層。 藉由分子黏附之黏合(根據英文術語係為“直接晶圓黏 合”或“熔合黏合”)係為一使兩具有完美扁平表面(經拋光面 鏡)的基材能夠黏至彼此而不施加黏劑(樹膠型、膠等)之技 術。 相關的表面一般係為一絕緣材料(譬如石英、玻璃)或一 半導體材料(譬如、GaAs、SiC、Ge等)所製成之基材者。 通常藉由將輕壓力局部施加至被置於緊密接觸之兩基 材來引發黏合。一黏合前緣隨後在數秒中分散於基材的整 體範圍上方。 相對於在共價性、離子性或金屬性連接中的兩固體之 間所觀察者’在環室溫度下獲得的黏合能量一般係夠低。 對於許多應用,因此藉由進行熱退火來強化黏合。在 -石夕表面#在另1或氧化料面上之案例中,黏合能量 係在1 loot至120(TC級數的溫度進行一黏合強化退火之後 達到最大值。 此外,為了獲得令人滿意的兩基材之黏合,黏合前之 典型程序係為製備欲黏合表面之一者及/或另一者。這代表 増加機械效能及/或提升黏合介面的品質。 目的在於使其較具親水性之欲黏合表面的製備係為用 以在黏合期間增加基材之間機械表現之此處理的一範例, 對於欲黏合表面偏好下列性質: --缺乏粒子; --缺乏碳氫化合物; --缺乏金屬性污染物; --一低表面粗度,通常小於5A RMS ; —強烈親水性,亦即終止於欲黏合表面之Si-OH矽醇黏 結的顯著密度。 一般利用一或多個化學處理來完成欲黏合表面之製 備。(親水性)黏附前之化學處理的範例中,可提及下列: --RCΑ型之清理’亦即適可用於碳氫化合物及粒子的收 縮之一SC 1 (ΝΗβΗ、H202 ' H20)池以及適可用於金屬性污 染物的收縮之一SC2 (Ηα、h2o2、h2o)池之組合; --藉由適可用於有機污染物的收縮之一臭氧溶液(03) 之清理; --藉由一含有硫酸及含氧水的一混合物(或SPM溶液、 過氧化硫混合物)之溶液之清理。 欲黏合表面的製備可同理包含表面的機械製備(輕拋 光、刷栻),且補充以化學處理或並無化學處理。 在對於習知分子黏附黏合方法之一補充中,最近已經 發展出處於低溫的強力黏合技術以製造異質結構(不同類 型的兩材料之黏附),黏接包含經部分或完全地製造的電子 組件之基材)(也就是經圖案化基材或經結構化晶圓),或甚 至用以黏接能夠在處於高溫的退火期間被更改之基材。 藉由電漿活化之分子黏附黏合係為在低溫進行之此強 力黏合技術的一範例。 在欲黏合表面的一者及/或另一者黏合至—電梁之 前’曝露係容許在黏合的相對較短強化退火之後(約2小時) 抵達強烈的黏合能量且在低溫執行(通常小於6〇〇。〇。譬 如’可提及下列文件: 電漿活化對於Si及Si〇2的親水性黏合之效應”,τ.
Suni等人 ’ J. Electroch. Soc,Vol. 149, No.6, p_348 (2002); 經Or電漿處理的矽(100)表面之晶圓黏合及時間依 附性表面性質”,M. Wiegand等人,J. Electroch. Soc. Vol.147, No_7, p.2734 (2000)。 顯然較早提及之用於表面製備的不同技術係系統性地 併入有至少一濕性階段’亦即至少藉由去離子水對於表面 之沖洗。 基材隨後譬如藉由離心(乾旋動)被乾燥。以其親水性程 度之一函數,基材的表面在乾燥之後具有數個單層的經吸 附水’這些單層係位於接觸期間負責黏附之分子間力量的 原點處。 1358084 基材彼此之分子黏附黏合一般係會造成瑕疵。由黏合 所造成之瑕疵的範例中,顯著範例係為兩基材之間介面的 黏合位階之氣泡型(或氣泡)的瑕疵、及轉移後所獲得之最終 結構的薄膜位階之邊緣型(或邊緣空隙)的瑕疵,“支撐基材 5 上之薄層”。 已瞭解氣泡係為由於兩基材之間的黏合介面處氣體及 /或水合併所導致之瑕庇。會在一低預算熱施加至經黏附結 構之後(譬如施加200°C熱退火超過2小時之後)出現氣泡且 可利用一紅外線攝影機來檢視黏合介面、或再度藉由聲學 10 顯微術予以觀察。氣泡將負責轉移後所獲得之最終結構的 位階之非經轉移區的出現。 文件“低溫晶圓黏合,最佳的〇2電漿表面預處理時 間 ”,X· Zhang及 J-P. Raskin,Electrochemical and Solid-State Letters,7(8) G 172-174 (2004),係顯示黏合介面之氣泡的 15 形成之現象。 已瞭解邊緣空隙係代表由於黏合所導致之瑕疵且通常 在最終結構(一般為一圓形板的形式)的周邊處予以觀察。 直接黏合之一應用係為在“semiconductor on insulator”SeOI(絕緣體上半導體)、且特別是“silicon on 20 insulator”SOI結構(絕緣體上矽)的生產結構之範圍内所進 行者。此應用範圍内,欲黏合基材的至少一者具有一表面 層的氧化物;範例中,通常採取Si/Si〇2黏合或Si02/Si02黏 合以形成一SOI結構。 具有三種藉由直接黏合來產生SeOI結構之主要方法: 8 SMART CUT® ’ BSOI(及BESOI) ,及ELTRAN®。與這些方 法各者相關聯之方法的描述請見“用於VLSI及MEMS應用
之石夕日日圓黏合技術’’,S.S. Lyer及A.J. Auberton-Herv6,IEE (2002) 〇 但黏合步驟所造成之邊緣空隙類型的瑕疵係能夠在薄 膜自施體基材轉移至支撐基材之後出現。 如第1圖示意地顯示,就形成一SOI結構而言,一邊緣 空隙P係為對應於未被轉移至支撐基材A之施體基材的—區 之薄經轉移層中的一孔(具有通常100 μιη至1 mm之間的直 徑)。 邊緣空隙最常出現在“支撐基材上的薄層”結構(圓形 晶圓)之邊緣(周邊區)處;其設置於晶圓邊緣通常呈1 mm至 5 mm之間的一距離處。 邊緣空隙係為晶圓邊緣處的不良黏合相關連之巨觀性 瑕庇。其可為殺手級瑕庇,因為在缺乏作為一邊緣空隙的 位置處形成電子組件的主動層之薄層之情形下此位置中 不可製作組件。在邊緣空隙的尺寸為給定之情形下,包含 至少—邊緣空隙之電子組件係必然具有瑕疵。 此外,一 SMARTCUT®型轉移方法之明顯有趣處係在 於其可容許回收施體基材。所以當一經回收施體基材的黏 附疋成時(亦即,一施體基材已經服務用來移除及轉移一薄 層,稱為“更新(refresh)’,晶圓)之後,觀察到比一原始施體 基材(從未服務用來移除及/或轉移一薄層;稱為“新鮮 (fresh)”晶圓)完成時更為大量的邊緣空隙。邊緣空隙的此增 1358084 加出現係傾向於阻止回收。 因為邊緣空隙的出現係引發品質與良率方面之損失, 因此需要防止形成此等瑕疵。 文件EP 1 566 830中已經提出限制由於分子黏合所獲 5 得之一 SOI晶圓的邊緣處之空隙型瑕疵的數量。根據此文 件,這些瑕疵總是相對於晶圓中心位居一特定位置,且似 乎由於晶圓的邊緣之組態所致。因此,為了減少瑕疵數, 此文件提出在製造期間修改晶圓的邊緣之組態。更精確地 說,此文件提出在相距晶圓周邊3 mm至10 mm之區中修改 10 邊緣下降的曲線。因此,此解決方案具有需要晶圓上的先 前機械性干預之缺點。 直接黏合的另一應用係為DSB(直接Si黏合)型的Si/Si 黏合。如前文所提及,氣泡型的瑕疵皆同樣能夠出現在黏 合介面處。 15 —種用以降低氣泡形成之解決方案係包含產生欲黏合表 面的生產電漿活化,藉以獲得良好的黏附能量。此解析度亦同 樣經證實未能令人滿意地降低黏合介面處之氣泡數。 【發明内容】 本發明之目的係提出一用以矯正先進技術的這些缺點 20 之黏合技術。 根據第一態樣,本發明有關一藉由兩基材分子黏附至 彼此之黏合方法,在其期間該等基材的表面被置於緊密接 觸且藉由一黏合前緣擴展於該等基材之間來發生黏合,其 特徵在於其在黏合之前包含一包含修改該等基材之一者及 10 1358084 /或另一者的表面狀態之步驟藉以調節黏合前緣的擴展速 度。 此方法的第一可能實施例之特定較佳、但非限制性態 樣如下: 5 --表面狀態的修改係為被吸附在欲黏合基材之一者及/ 或另一者的表面上之一層水的厚度之減小; --表面狀態的修改係由加熱完成; --在基材被置於彼此緊密接觸之前且至少直到黏合引 發為止施加加熱; 10 --在1至90秒的一期間中、較佳歷時30秒實行加熱; --經由來自一用以支撐欲黏合基材的一者之板的熱傳 輸藉由熱傳導來實行加熱; --藉由來自一用以照明欲黏合基材的一者之燈的輻射 來實行加熱; 15 --燈係為一在紅外線範圍中輕照之燈,具有0.8 μιη至5 μηι之間的波長; --在30°C至90°C間;較佳50°C至60°C間的一溫度實行加 孰; --將加熱均勻地施加至欲黏合基材的整體表面上方; 20 --將加熱局部地施加至欲黏合基材的一周邊區處; --在中心引發黏附,周邊係覆蓋住欲黏合基材的整體圓 周; --在邊緣處引發黏附,周邊區係描述在直徑方向與引發 的邊緣呈現相反且受限於約120°之中心處的一角度之一圓 11 1358084 形的一弧; 、-黏合之前,該方法包含一電漿活化欲黏合表面的—者 及/或另一者之階段。 此方法的第二可能實施例之特定、較佳但非限制性的 5態樣如下: 〜藉由粗化表面來實行表面狀態之修改; --表面狀態之修改步驟係包含形成欲黏合基材的一者 及/或另一者之一粗表面層; 為了形成該粗層,該方法包含基材的一者及/或另— ίο者之一熱氧化操作藉以形成一熱氧化物層於基材的—者及 /或另一者之表面上以及一用以處理熱氡化物層適可蝕刻 該氧化物層之操作; --熱氧化物層的處理係為化學處理; —該層熱氧化物係為一層的Si〇2且化學處理係為在長 15於三分鐘、較佳超過1〇分鐘的一期間於50。(:與80°C間的— 溫度所執行之SCI處理; --為了形成該粗層’該方法包含用以沉積—表面層的氧 化物於基材的一者及/或另一者之表面上之一操作; --沉積操作係包含沉積一層的TE0S氧化物、一層的 20 LTO乳化物、或一層的i化物; --s玄方法在黏合之後及該基材狀態的修改步驟之後包 含欲黏合表面的一者及/或另一者之一電漿活化階段。 根據第二態樣,本發明有關藉由兩基材分子黏附至彼 此之黏合裝置,特徵係為其包含用於在黏合前修改基材之 12 1358084 一者及/或另一者的表面狀態藉以調節黏合前緣的表面速 度之部件,特別是適可在黏合前升高及控制基材之一者及/ 或另一者的溫度之加熱部件。 本發明在另一態樣中亦有關一用以在一支撐基材上形成 5 一包含由一半導體材料製成之一薄層的結構之方法,包含以下 步驟,將一譬如源自回收的“更新”基材等施體基材放置成緊密 接觸於支撐基材藉以進行在一黏合前緣擴展於該等基材之間 之後藉由該等基材分子黏附至彼此之黏合,及施體基材的部分 對於支撐基材之轉移藉以在支撐基材上形成該薄層,其特徵係 10 為其在黏合之前包含一由修改施體基材及/或支撐基材的表面 狀態藉以調節黏合前緣的擴展速度所組成之步驟。而且,本發 明當然延伸至自實行此方法所獲得之“支撐基材上薄層”結構。 圖式簡單說明 參照上文已描述的第1圖以外的圖式並閱讀身為非限 15 制性範例之較佳實施例的下列詳細描述將可更清楚得知本 發明之其他態樣、目的及優點: 第1圖示意地顯示就形成一 S ΟI結構而言之一邊緣空隙 P ; 第2圖顯示身為黏附引發點的位置之一函數之邊緣空 20 隙的形成; 第3圖代表根據本發明第二態樣的裝置之不同圖式; 第4及5圖分別顯示將被置於緊壓之兩基材的均勻加熱 及局部化加熱以藉由分子黏附引發其黏合; 第6圖為顯示身為黏合前緣的擴展速度之一函數之邊 13 1358084 緣空隙的形成之圖式; 第7圖為顯示根據本發明第一態樣的黏合方法之一實 施例的圖式。 【貧施'式】 5 I據第—態樣’本發明係有關-藉由兩基材分子黏附 至,此來黏合的方法,在其期間該等基材被置於緊密接觸 且藉由-黏合前緣擴展於該等基材之間來發生黏合。 月瞭解本發明不限於藉由兩基材分子黏附至彼此之黏 合’而是同樣延伸至一在一支撐基材上形成包含一薄層# · 10半導體材料之結構,在其期間由一具有支樓基材之一施體 基材來進行分子黏附黏合,接著係為從施體基材至支撐基 材之薄層的轉移。 如前述,SMART CUT®、BSOI(及BESOI)、及ELTRAN® 方法係為利用分子黏附來黏合之方法的範例。 15 根據SMARTCUT®方法,黏合之前藉由將原子性或離 子性物種植入施體基材的厚度中來形成一脆化區,且黏合 之後,將進行脆化區處之施體基材的拆離以將薄層轉移至 鲁 支撐基材。 為了進行分子黏附,典型程序係將施體基材及支撐基 20材置於緊密接觸,然後藉由將輕壓力局部施加在置於緊密 接觸的兩基材上來引發黏合。一黏合前緣隨後分散於基材 的整體範圍上方。 最近並無法確定地決定出黏合所導致之瑕疵的起源。 申請人的分析係顯示,在Si/Si DSB型黏合的範圍内, 14 因為在欲黏合基材的表面處未出現有氧化物層(原生者以 卜)更特別地出現氣泡型瑕疵。申請人實質上係估計,在 層氧化物(譬如用於Si/Si〇2黏合,譬如鑒於形成一
Se〇1’’。構而舌)之黏附案例中’結合期間或稱後(譬如黏合的 、 處理湧間)出現的水及氣體較佳係擴散於氧化物層 t較不傾向於擴散至黏合介面。然而,在dsb黏合 / 、中缺乏此氧化物層,申請人估計黏合期間所包封 或出現的水及氣體因此傾向於擴散至黏合介面,在該處其 將被梳理且形成氣泡。 對於邊緣空隙型瑕疯,申請人的分析顯示出其係為黏 口關閉t成之瑕疯,其中黏合前緣遭馳黏基材的邊緣。 、第2圖的圖示係顯示申請人所作有關邊緣空隙形成之 分析。第2圖中’箭頭代表黏合前緣的擴展方向,指向線代 表黏合前緣在不同瞬間之位置,而點代表邊緣空隙。 如第2圖左方所不,申請人已經實質上能夠決定,當在 中。處引發黏合(藉由局部施加壓力)時在支擇基材的整體 周邊上方係潛在地發現邊緣空隙。然而,如第綿右方所 示’當在板丨發黏合時(通常位於晶圓板上所製作以 便利其操縱之-稱為“凹口⑽灿),,的凹部之位準),邊緣空 隙可出現在受限於位居約12代中心的一角度而與引發2 相對用以在直徑方向描繪一圓的一弧之支稽基材的邊 區中。 瓊 H ’本發明提議限制由黏合所造成之瑕疲的形 成’甚至藉由調節點合前緣的擴展速度來完全地防止形成 1358084 此等瑕疫。 現象的演化控 緣的擴展,而 請瞭解“調節”係指控制、維持及保存— 制權。本發明的範圍内,該現象係為黏合前 現象的演化係對應於黏合前緣的擴展速度。 5 擴展速度係被較精密地調節藉 所通常觀察到的速度被降低。 以相對於缺乏此控制下
為了容許調節黏合前緣的擴展速度,本發明提議在黏 合前進行欲黏合表面之一者及/或另一者的表面狀態之一 修改步驟。 10 根據第—可能的實施例,此部件特別係用以控制介面 處所吸附之水量’更確切來說係相對於正常所吸附水層的 厚度而5將所吸附水層的厚度減小而不完全消除。換言 之,這代表降低表面處所吸附之單層的水之數量。
分子黏附黏合係稱為直接黏合,因為其有關不需施加 15 黏劑(樹膠或其他膠類型)之黏合。實際上正是利用被置於接 觸且被吸附在各表面之水(數個水的單層)作為黏劑且確保 藉由凡得瓦力之黏附》 此第一實施例的範圍内,藉由在黏合前操弄該基材的 溫度,一基材的表面狀態受到修改,而黏合前緣的擴展速 2〇 度因此被調節。 不論是人工黏合之案例中或自動黏合之案例中,分子 黏附黏合習慣在環室溫度(20°C至25°C)進行。 申請人已經能夠確認,當基材在置於緊密接觸之前及 至緊密接觸為止被預熱時,可部分地或完全地消除邊緣空 16 1358084 隙及氣泡。加熱實際上係造成置於緊密接觸之基材的表面 狀態之修改,而能夠降低黏合前緣之擴展速度。藉由控制 此加熱,可以調節黏合前緣的擴展速度,亦即控制黏合前 緣的擴展速度之降低。 5 第6圖顯示一曲線,其顯示對於Si02黏合上的Si之身為 黏合前緣的擴展速度Vp(以公分每秒表示)之一函數之在轉 移後所觀察到的邊緣空隙數Np。 第6圖僅為純粹示範用的圖式。此外,不同數值範例顯 然依據黏附所使用的基材(基材源自於“更新基材”、或另屬 10 “新鮮基材”;包含基材之材料的類型,特別是其撓性,等) 而定。 對於低黏合速度(通常小於1.7 cm/s),申請人尚未記錄 任何邊緣空隙。對於1.7 cm/s的速度,申請人已經觀察到0 至1之間的邊緣空隙。 15 當黏合前緣的擴展速度升高時,邊緣空隙數隨後快速 地增加。申請人因此已經能夠對於2 cm/s級數的速度計數出 5個邊緣空隙且對於3 cm/s級數的速度計數出50至100個之 間的邊緣空隙。 當黏合之前只進行欲黏合基材的標準清理(譬如R C A) 20 時,申請人已經能夠觀察到1 cm/s至2.5 cm/s之間的黏合前 緣的整體擴展速度(圖中的GN)。平均而言,當RCA清理之 後完成黏合時在轉移後所獲得之所有結構上並未觀察到邊 緣空隙。但特定結構具有顯著數量的邊緣空隙;其通常係 為黏合前緣已經對於其以大於1.7 cm/s速度擴展者。 17 1358084 此處應提及,良好的黏合能量及黏合前緣的迅速擴展 一般係相關聯。美國專利案6 881 596號提出藉由測量黏合 前緣的擴展速度來決定黏合介面的品質。 瑞托德(Rieutord)、巴泰洛(Bataillou)及馬如梭 5 (Moriceau)在Physical Review Letters,PRL 94,236101 中的 文件“黏合前緣的動力學”係提出一顯示如果黏合能量增強 則擴展速度將增大之公式(請見等式5)。 如上文所提及,可已以對於標準RCA清理之一補充方 式來進行電漿活化。此電漿活化係特別著重在增加黏合能 10 量。 申請人已經能夠確認,在欲黏合基材的電漿活化之後 擴展速度更為顯著。第6圖示意地顯示RCA清理處理+電漿 活化(此處只活化欲黏合表面的一者)的範圍内之擴展速 度。亦可看出,擴展速度的增加係伴隨著顯著數量的邊緣 15 空隙之形成(請見圖中的GN+P)。 參照本發明的描述,在黏合之前修改欲黏合基材的一 者及/或另·者之表面狀態错以調郎黏合前緣的擴展速 度。第6圖的範例之範圍内’提供此調節使得黏合前緣的速 度位於GR範圍中(通常0.8 cm/s及1.7 cm/s之間;或對於3〇〇 20 mm直徑晶圓形式的基材之18至35秒之間的一整體點合時 間)藉以防止形成邊緣空隙。 藉由加熱之調節所作的第一應用係有關兩基材點合之 後之一SeOI結構的形成’其中至少一者具有一表面氣化物 層0 18 1358084 事實上’藉由降低黏合前緣的速度,可獲得更好品質 的黏合(特別是晶圓邊緣上),藉以防止施體基材的特定區未 轉移至支撐基材且因此防止形成邊緣空隙。申請人已經確 認利用此熱接觸,未觀察到邊緣空隙,在源自環室溫度置 5 於接觸的黏合之SOI結構上則可計數多達80至100個邊緣空 隙。將瞭解獲得此良好品質的黏合係能夠作回收,亦即利 用更新型基材。 此第一應用的範圍内,在3(TC至90。(:之間、較佳5(TC 至60°C之間的溫度執行加熱。此溫度範圍係導因於處於接 10近25°C溫度的邊緣空隙之外觀以及處於過度溫度之黏合能 量的下降之觀察之間的一妥協。 如果基材被加熱至一過度溫度,表面處所吸附之大部 份的水(甚至其全部)將蒸發,且黏合力有劇烈下降之風險。 其他類型的瑕疫係能夠由過低黏合能量所造成。極端時, 15 甚至可能不產生分子黏附。 為了顯示黏合能量的下降,參照Suni等人在j·
Electrochem. Soc. Vol.149 No.6 pp.348-351,2002名稱為 “電漿活化對於Si及Si〇2的親水性點合之效應’,之文件,其中 提及黏合能量從2.5 J/m2 (環室溫度的黏合之案例)下降至j 20 J/nl (150C執行的黏合之案例)’其皆位於2〇〇。(:所進行的黏 合增強退火之後。 此第-應用的範圍内,本發明提議使用可容許邊緣空 隙消失之最低溫度,藉以不造成點合能量的有害降低。 參照第6圖的範例,目的在於不小於0.8 m/s的黏合前緣 19 1358084 之擴展速度藉以不造成黏合能量的有害下降,且在小於1.7 m/s之案例中避免形成邊緣空隙。因此,無關乎黏合前所作 之表面製備,此處目的係在於尤其以一受控制方式藉由加 熱降低此速度之位於GR範圍中的一速度。提及在調節黏合 5 前緣的速度之範圍内可同樣利用電漿活化,其中電漿活化 有效地造成黏合前緣的擴展之加速(或擴展速度的增加)。 此第一可能實施例的第一變異係包含均勻地加熱欲黏 合基材之一者及/或另一者的整體。 第二變異係包含執行欲黏合基材的一者及/或另一者 10 之局部化加熱,只限於其中邊緣空隙有可能消失之區。如 上文對於第2圖所討論’這係有關於黏合前緣的終止區,此 區的範圍及局部化係依據已經引發黏合之方式而定。 為此,當在中心處引發兩圓形基材的黏合時,本發明 提議加熱整體周邊區(亦即’基材的所有圓周)。純粹示範性 15 範例中’此周邊區可視為佔據了相距一300直徑晶圓的邊緣 50 mm寬之一周邊帶。 然而,當在邊緣處引發兩圓形基材的黏合時,本發明 可有利地提議只加熱直徑方向與此點呈現相對之邊緣(特 別是由位於120。的中心處的一角度所劃定之周邊區)。 利用局部化加熱,局部地使黏合前緣獨特地減慢。這 防止了在黏合的其餘部分(非經加熱區)未更改及經歷黏合 能量損失之情形下形成邊緣空隙。 可藉由熱傳導來進行加熱(局部化或延伸至基材的一 者及/或另一者之全部)。可提供用以在其上安放欲黏合基材 20 1358084 的一者之板(“夾盤”板)以傳輸其熱量。 亦可提出藉由輻射來進行加熱,譬如利用一或多個用 來照明文加熱基材的全部或一部分之鹵素燈。 在欲黏合表面置於緊密接觸之前(基材隨後通常被放 5置成相對’藉由間隔件分開數公厘)及至少到黏合引發為止 完成加熱(基材隨後已置於緊《觸)。特定言之,進行加熱 使得其中能夠出現邊緣空隙之區係保持在所需要的溫度直 到基材黏附在此區中為止(假設,所局部脫附之水不必能夠 在黏合完成之前凝結)。 1〇力"熱的時程係大幅地依據用以升高然後控制經加熱區 的溫度之裝備而定。其通常位於1至9G秒之間。 範例中II由-5〇〇 w鹵素燈,加熱的時程通常為3〇 至90秒之間。 請注意此㈣範関理依據諸如燈與基材之間的距離 15 等其他參數而定。 用來加熱且使水脫附之燈的頻譜分佈同理係為一影響 加熱的時程之參數。事實上,一主要發射紅外線模式(平均 波長約為3 m,通常包含0 8μιη至5μπι之間)的光之燈係對於 實仃水的脫附特別有效(水分子的吸收頻帶實際上係接近 於3 m)且因此導致超快加熱、準瞬間地減小所吸附水層的 厚度。此外,利用紅外線輻射有助於選擇性地加熱經吸附 水同時遠為更小幅地加熱矽晶圓,一種在紅外線中相對較 透明的材料。 來自加熱之第二應用係有關於進行DSB型的黏附。 21 1358084 申請人已經實質能夠決定出,當基材在其置於緊密接 觸之前及為止被均勻地加熱時,在DSB型的Si/Si黏附之範 圍内係部分或完全地消除氣泡。即便氣泡已經消失,IR觀 察已因此顯示一顯著降低。 5 加熱實質上係減小吸附於基材的表面處之水層的厚 度。此時降低了能夠在黏合介面處擴散之水(及/或氣體) 量,其可容許黏合介面處所出現氣泡之消失。 有關於不同進行加熱的方式之先前討論係同理適用於 此第二應用,同樣請注意較佳在此處進行欲黏合基材的一 10 者及/或另一者之均勻加熱。 尤其可利用DSB黏劑來生成具有不同晶系定向之基材 的Si/Si黏合,或再度具有不同摻雜之基材,或甚至具有不 同拘束位準之基材。基材的一者或部分轉移至另一者以在 該處形成一薄層之後,產生“支撐基材上薄層”,其一側上 15 之薄層及另一側上之支撐基材具有不同的性質。 為了能夠調節黏合前緣的擴展速度,本發明提議在黏 附之前進行欲黏合表面的一者及/或另一者之表面狀態的 一修改步驟。根據第二可能實施例,藉由在黏合之前更改 表面粗度來修改一基材的表面狀態。 20 此第二實施例更特別適可形成一SeOI結構,對其而言 一絕緣層介於薄層與支撐基材之間(亦稱為一經埋設層)。此 絕緣層通常係藉由施體基材及/或支撐基材之熱氧化、或再 度藉由將一層氧化物沉積在施體基材及/或支撐基材的表 面上而形成。 22 1358084 此實施例證實特別有利於形成一具有一超薄絕緣層之 Se〇I結構。事實上,經過證實特別難以此—超薄層介於薄 膜與支樓基材之間之情形下利用先前技藝的技術來實行黏 附及/或轉移而無瑕疵。 5 一般在此處已瞭解超薄絕緣層係為具有小於500A、甚 至小於200A厚度之一層。 黏合前緣的擴展速度係對於置於接觸之基材的表面狀 態呈敏感性。黏合前所作之不同的表面清理及/或處理選項 (但亦包括表面粗度)因此係會影響黏合前緣分散之迅速程 10度。此第二實施例的範圍内,申請人提議控制一層氧化物 的表面粗度藉以調節黏合前緣的擴展速度,其方式係可控 制黏合别緣的擴展速度之降低。因為黏合前緣被減慢,其 結果係為晶圓邊緣處的邊緣空隙數減少。 此第二實施例的第一變異係包含在黏合之前,藉由執 15仃該層氧化物的表面之“侵略性,,清理來修改施體或支樓基 材的一者之表面上所形成之一熱氧化物層的表面狀態。 在任何電漿活化之前進行此清理。 虽然’一熱性氧化物層可形成於施體及支撐基材各者 上且可在該熱性氧化物層的表面之一者及/或另一者上進 20 行此“侵略性’,清理。 4如’在形成—包含250A至500A級數的一經埋設、超 薄熱性氧化物層(此層已知稱為“超薄箱,,)之S 01結構之案例 中’可進行經改用的化學處理藉以輕微地蝕刻氧化物層的 表面。 23 1358084 譬如,根據比起關於標準清理處理期間者更為顯著之 條件(溫度、時程)來·?€»加SCI處理。因此,可在本發明的範 圍内以50°C至80°c之間、譬如70°C級數的溫度以大於3分 鐘、譬如10分鐘級數的處理時程施加SCI處理。 5 第7圖為顯不根據本發明第一態樣的此變異之黏合方 法的圖式。在階段1 ’具有兩基材A及B。在階段b,程序係 包含基材A的熱氧化以形成一層氧化物〇於基材A的表面 處。在階段3,完成氧化物Ο層之侵略性清理以獲得基材a 的表面處之一粗層0’。在階段4,基材a及b藉由粗層〇,置 · 1〇於緊密接觸,且引發黏合以使一黏合前峰分散至黏合介面。 此第·一實Μ例的第·一變異係在黏合之前包含藉由將一 粗層沉積在該等基材的一及/或另一者上來修改施體及支 撑基材的一者及/或另一者之表面狀態。 第7圖的範例之範圍内,請瞭解根據此第二變異,藉由 15將一粗層〇’沉積於基材Α的表面上,在同時間完成第3圖的 步驟2及3。 譬如需要沉積一 TEOS層的氧化物(譬如藉由 鲁 LPCVD(低壓化學氣相沉積)或藉由PECVD(電聚增強式化 學氣相沉積)),一LTO層的氧化物(藉由矽烷與氧之化學反 20 應),或一層氮化物。 根據身為所需要最終厚度的函數之經改用的沉積條件 來實行沉積,以目標針對一特定粗度,且特別是一可使表 面狀態限制了黏合前緣的擴展速度之粗度。 範例中,位於2A RMS至5A RMS間的一TEO層之氧化 24 1358084 物的粗度係限制了黏合前緣的擴展速度,在此同時保持了 良好的黏合能量。 此處指明TEOS沉積特別適可用以形成超薄氧化物(小 於500 A、或甚至小於250 A的厚度)。實際上,此經沉積氧 5化物的粗度通常係為所想要的粗度,而不需額外處理。 有助於目標針對適當粗度之沉積條件譬如為下列: 300 mT至700 m丁之間的壓力,· 65〇t至7〇〇t之間的溫度。 請注意麼力的增加、且亦包括溫度的增加係導致粗度的減 小〇 1〇 冑注意此第二變異係可適用於厚的氧化物沉積物以及 超薄膜之沉積物,其隨後經歷或未經歷電漿活化處理。 根據第二態樣’本發明亦提出能夠將兩基材分子黏附 至彼此之裝置。 用以藉由分子黏附作人工黏合之裝置係通常包含一其 15上置有-第—基材之支樓件,第二基材隨後相對於第一基 材返回。藉由—觸筆來人工式確保黏合的引發(局部壓力 自動式裝置可尤其包含: •-一對準器,其用以對齊晶圓的中心及定向(特別是導 因於出現有—稱為“凹口,,之凹部); 或夕個站,其用以在黏合前之表面製備(用以清 理、沖洗、乾燥等之操作); _黏附支撐件,其接收第—基材,然後在黏劑終點時 第基材。同理可提供間隔件以在置於接觸之前使第 二基材維持位於第-基材上方數公厘; 25 1358084 --一自動活塞,其確保引發黏合; --一或多個裝載埠,其接收欲黏合或已黏基材的卡匣; --一機械臂,其確保晶圓自裝置的一元件運送至另一元 件。 5 —般而言,根據本發明第二態樣之裝置係重現分子黏 附黏合裝置(人工或自動式)之古典組態但進一步包含用以 在黏附前修改欲黏合基材之一者及/或另一者的表面狀態 之部件。其尤其係為用以升高及控制在置於緊密接觸之前 且亦包括置於緊密接觸期間(亦即,亦包括黏合前緣擴展期 10 間)之施體及支撐基材的一者及/或另一者的溫度之加熱部 件。 這些加熱部件可配送熱量於已就緒可被黏之基材上方 及/或下方。 用於下方加熱之裝備的範例中,參照第3圖,可提供一 15 “夾盤”C,而形成一“加熱晶圓”。這譬如用以一位於整合有 一或多個電阻器R的團塊中之夾盤(請見第3圖左方的圖 示),或一位於整合有用以流通流體來調節溫度(在第3圖的 中心處)的部件F之團塊中之“夾盤’’C。同理可能利用(第3圖 右方)一或多個加熱燈L而其熱量係導通至“夾盤”或經由一 20 透明板(至少對於IR輻射呈透明)直接地照射基材的一者之 後面。 第3圖(及第4及5圖,如下述)中可看出,將施體及支撐 基材顯示為在置於緊密接觸之前呈現相對(通常被間隔件E 分離數公厘)。 26 可分開地或合併地、局部地或在夾盤上整體地利用這 些不同技術β可以在表面的範圍上產生溫度梯度,或再度 生成局部溫度控制。 一能夠於上方加熱之裝備的範例中,可均勻地或刻意 局部化(尤其是在邊緣空隙能夠出現之處)提供直接地輻照 在基材上之燈配置。 為了控制經加熱區(不論為一或多個基材的部分或全 部)的溫度’裝置亦可有利地包含一用以測量經加熱區(未圖 示;譬如一南溫計或熱電偶的形式)中的溫度之裝備。 裝置亦可以一人工或自動版本取得。 下文中,在SMART CUT®型轉移方法的範圍内,提供 兩範例以使用根據本發明第一態樣之方法的第一實施例來 形成SOI結構。 第一範例係在於藉由一加熱夾盤對於基材的均勻加 熱。不同階段如下: --根據合併RCA清理及以臭氧為基礎的處理之潮濕清 理來製備欲黏合表面; --施體基材的表面之選用性電衆活化(〇2); --错由刷拭然後以超純水沖洗及藉由離心作乾燥,緊接 在黏合前之表面的清理; --藉由一其上置有尚未接觸但彼此相對放置且分開數 公厘的基材之加熱夾盤對於欲黏合基材的均勻加熱(請見 第4圖)。根據加熱裝備的功率,進行加熱數秒(1至90秒,通 常為30秒), 1358084 --將基材置於緊密接觸及引發黏合; --終止加熱。 第二範例係為其中能夠出現邊緣空隙之區處的局部化 加熱,且包含下列階段: 5 --根據合併RCA清理及以臭氧為基礎的處理之潮濕清 理來製備欲黏合表面; --施體基材的表面之選用性電漿活化(02); --藉由刷拭然後以超純水沖洗及藉由離心作乾燥,緊接 在黏附前之表面的清理; 10 --利用一放在一尚未置於接觸但彼此相對且分開數公 厘的基材上方之燈L只在與引發點相對之區中加熱欲黏合 基材(請見第5圖)。根據加熱裝備的功率,進行加熱數秒(1 至90秒,通常為30秒), --置於接觸及引發黏合(晶圓邊緣處之Ic局部化引發); 15 --終止加熱晶圓。 【圖式簡單說明3 第1圖示意地顯示就形成一 SOI結構而言之一邊緣空隙 P ; 第2圖顯示身為黏附引發點的位置之一函數之邊緣空 20 隙的形成; 第3圖代表根據本發明第二態樣的裝置之不同圖式; 第4及5圖分別顯示將被置於緊壓之兩基材的均勻加熱 及局部化加熱以藉由分子黏附引發其黏合; 第6圖為顯示身為黏合前緣的擴展速度之一函數之邊 28 1358084 緣空隙的形成之圖式 雙面影并
·,I -\ I 7C I 第7圖為顯示根據本發明第一態樣的黏合方法之一實 施例的圖式。 【主要元件符號說明 L···加熱燈 Np…邊緣空隙數 Ο…氧化物 0’…粗層 P…邊緣空隙 R…電阻器 Vp…黏合前緣的擴展速度 Α,Β…基材 C…失盤 Ε…間隔件 F…部件 GN,GN+P,GR · · ·黏合前緣的擴展 速度範圍 Ic…局部化引發
29
Claims (1)
1358084 修正曰
第95143196號申請案申請專利範圍修正頁 十、申請專利範圍: 1· 一種藉由兩基材互相的分子黏附來黏合之方法,在該方 法進行期間該等基材的該等表面被置於緊密接觸且黏 合是藉由該等基材之間的一黏合前緣之擴展來發生,其 特徵在於其在黏合之前包含一由修改該等基材十之一 者及/或另一者的該表面狀態所組成之步驟藉以調節該 黏合前緣的該擴展速度,其中該黏合前緣具有大於 0.8cm/s且小於1.7cm/s之一擴展速度。 2. 如申請專利範圍第1項之方法,其特徵在於該表面狀態 的修改係為欲黏合的該等基材中之一者及/或另一者的 該表面上所吸附之一水層的厚度之減小。 3. 如申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於該表面狀 態的修改係由加熱所生成。 4.如申凊專利範圍第3項之方法,其特徵在於加熱是施加 在該等基材被置於緊密接觸之前且至少直到該等基材 互相引發黏合為止。 5. 如申请專利範圍第3項之方法,其特徵在於加熱是在^ 90秒之間的-期間巾、較佳超過3()秒來實行。 6. 如申4專利範圍第3項之方法,其特徵在於加熱是藉由 經來自-用以支揮欲黏合的該等基材中的一者之板的 熱量傳輸的熱傳導來實行。 7. 如申請專利範圍第3項之方法,其特徵在於加熱是藉由 來自一用以照射欲黏結的該等基材中的一者之燈的輻 射來實行。 30 1358084 第95143196號申請案申請專利範圍修正頁 修正曰期 8.如申請專利範圍第7項之方法,其特徵在於該:¾為二 在紅外線範圍中’在〇·8 μιη至5 μηι之間的一波長輻射之 燈。 9_如申請專利範圍第3項之方法,其特徵在於加熱是在介 於30°C至90°C之間、較佳為5(Tc至6(TC之間的一溫度實 行p
10·如申請專利範圍第3項之方法,其特徵在於加熱係均勻 地施加至欲黏合的該基材的該表面範圍上方。 11.如申請專利範圍第3項之方法,其特徵在於加熱係局部 地施加至欲黏合的該基材的一周邊區。 12·如申請專利範圍第11項之方法,其中黏附是在欲黏合的 該基材的中心處引發,其特徵在於該周邊區係覆蓋住欲 黏合的該基材的整體周長。
13·如申請專利範圍第11項之方法,其中黏附是在欲黏合的 S亥基材的一邊緣處引發,其特徵在於該周邊區描述在直 徑方向與該彳丨發邊緣處呈現相反且受限於約120。之中 心處的一角度之一圓形的弧。 14.如申請專利範圍第丨項之方法,其特徵在於該表面狀態 之修改是藉由粗化該表面來生成。 15 如申請專利範圍第14項之方法,其特徵在於該表面狀態 之修改之階段係由形成一粗層於欲黏合的該等基材中 的一者及/或另一者之表面處所組成。 16·如申請專利範圍第15項之方法,其特徵在於為了形成該 粗層,其包含一將該等基材中的一者及/或另一者熱氧 31 1358084 修IE 補充 第95丨43丨96號申請案申請專利範圍修正頁 修正曰期:1%0.0§.07.日 化之操作藉以形成〆熱氧化物層於該等基材^的一者· 及/或另一者之表面處以及一供適於姓刻該氧化物層之 該熱氧化物層的處理用的操作。 17·如申請專利範圍第16項之方法’其特徵在於該熱氧化物 層的處理係為化學處理。 18. 如申請專利範圍第17項之方法,其特徵在於該熱氧化物 層係為一Si〇2層,且該化學處理係為在長於三分鐘、較 佳歷時10分鐘的一期間中於5〇。(:至80°C之間的一溫度 所進行之SCI處理。 19. 如申請專利範圍第15項之方法,其特徵在於為了形成該 粗層,其包含一用以將一氧化物層沉積於該等基材中的 一者及/或另一者之表面上之操作。 20. 如申請專利範圍第ι9項之方法,其特徵在於該用以沉積 之操作係由實行沉積一TE0S氧化物層、一LT〇氧化物 層、或一氮化物層所組成。 21. 如申料㈣㈣丨奴方法,其雜在於其在點合之 前進一步包含該等欲黏合的基材表面中的一者及/或另 一者的電漿活化之一步驟。 22·如申請專利範圍第21項之方法,其特徵在於該電裝活化 容許在約兩小時之該點合的一強化退火之後抵達強烈 的黏合能量。 ' 23. 如申請翻第22項之方法,其舰在於該退火是以 小於600。(:的一溫度執行。 24. 如申請專利範圍第2丨 ..^ ^ 項之方法,其令該表面狀態的修改 32 1358084
第95143196號申請案申請專利範圍修正頁 修正日期: 是藉由加熱來生成且其中該電聚活化是在藉由‘加熱修 改該表面狀態之前進行。 25. 如申請專利範圍第21項之方法,其中該表面狀態的修改 是藉由粗化該表面來生成且其中該電漿活化是在藉由 粗化修改該表面狀態之後進行。 26. —種用以在支撐基材上形成包含由半導體材料製成之 薄層的結構之方法,包含以下階段: 將原子性或離子性物種植入一施體基材以於其間 形成一脆化區; 將該施體基材放置成與該支撐基材緊密接觸以藉 由在該等基材之間的一黏合前緣的擴展之後藉由該等 基材互相的分子黏附來產生黏合; 拆離該脆化區之該施體基材以將該施體基材之部 分轉移至該支撐基材上並在該支撐基材上形成該薄層; 其特徵在於其在黏合之前包含一由修改該施體基 材及/或該支撐基材的表面狀態藉以調節該黏合前緣的 該擴展速度所組成之步驟,其中該黏合前緣具有大於 0.8cm/s且小於1.7cm/s之一擴展速度。 27. 如申請專利範圍第26項之方法,其中該施體基材係為一 源自於回收之更新基材。 28. —種用以在基材之間的黏合前緣的擴展之後藉由兩基 材互相的分子黏附來黏合之裝置,其特徵在於其在黏合 之前包含用以修改該等基材中的一者及/或另一者之表 面狀態以使得該黏合前緣的該擴展速度係大於0.8cm/s 33 1358084 第95143196號申請案申請專利範圍修正頁 修正日期fl^.09#7. /豪1匕 且小於1.7cm/s之部件。 1 _十 29. 如申請專利範圍第28項之裝置,其特徵在於該用以修改 該表面狀態之部件係由適於升高及控制被置於緊密接 觸前及至少直到該等基材互相引發黏合為止之該等基 材中的一者及/或另一者的溫度之加熱部件。 30. 如申請專利範圍第29項之裝置,包含一其上放置有欲黏 結的該等基材中的一者之板,其特徵在於該板形成一加 熱晶圓。 31. 如申請專利範圍第30項之裝置,其特徵在於一或多個電 阻器被整合在該板的團塊内。 32. 如申請專利範圍第30項之裝置,更包含被整合在該板的 團塊内以使一受溫度調節的流體循環之部件。 33. 如申請專利範圍第30項之裝置,其特徵在於其包含一或 多個用以照射該晶圓予以加熱之加熱燈。 34. 如申請專利範圍第29項之裝置,其特徵在於該等加熱部 件係由一或多個直接地輻射於該等基材上之加熱燈所 形成。 35. 如申請專利範圍第34項之裝置,其特徵在於該燈係為一 在紅外線範圍中,在0.8 μπι至5 μηι之間的一波長輕射之 燈。 34
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