TWI517204B - 晶圓永久結合之方法及裝置以及切割工具 - Google Patents

晶圓永久結合之方法及裝置以及切割工具 Download PDF

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Description

晶圓永久結合之方法及裝置以及切割工具
本發明係關於根據技術方案1之用於結合包括第一材料之第一固體基板之第一結合表面至包括第二材料之第二固體基板之第二結合表面之方法以及根據技術方案7之對應裝置及根據技術方案9之切割工具。
固體基板之永久或不可逆結合之目的係產生儘可能強的結合且尤其不可逆結合，即固體基板之兩個接觸表面之間之高結合力。為此目的，先前技術中存在不同方法及製作方法，尤其在高溫下在表面之間焊接結合或形成擴散結合。
所有類型之材料，但主要是金屬及/或陶瓷永久結合。最重要的永久結合系統之一係金屬-金屬系統。近年來，Cu-Cu系統已成為日漸流行的主要系統。多數情況中，3D結構的開發尤其需要不同功能層之接合。所完成之此接合越來越常使用所謂的TSV(矽穿孔)形成。確保此等TSV之間之接觸常藉由銅接觸點完成。在結合時，完善的功能結構(舉例而言，微晶片)常已存在在固體基板之一或多個表面上。由於具有不同熱膨脹係數之不同材料用於微晶片，故結合期間溫度升高係非所要。此一溫度升高可導致熱膨脹及因此導致可能損壞微晶片之部分或其附近之熱應力。
採用之已知製作方法及方式目前為止常導致尤其難以轉移為不同條件之不可重現或可重現性差的結果。特定言 之，目前使用之製作方法通常採用高溫(尤其大於400℃)以保證可重現結果。
存在在固體基板上之諸如高能耗及可能的結構破壞之技術問題由一些大大超過300℃之高溫導致，其為目前為止高結合力所需。
其他要求係：- 前道工序相容性。
此定義為電主動組件之製作期間製程之相容性。結合製程因此必須以已存在結構晶圓上之主動組件(諸如電晶體)在處理期間不受損或破損之方式設計。相容性標準主要包含特定化學元素(主要為CMOS結構)之純度及機械負載能力，尤其對於由熱應力產生之負載。
- 低污染。
- 不施加力或儘可能少施加力。
- 最低可能溫度，尤其在具有不同熱膨脹係數之材料之情況中。
針對此背景，長久以來已存在在最低可能溫度及壓力/力條件下形成兩個金屬表面之間之直接永久連接之需要。直接永久連接較佳由熟習此項技術者定義為在接觸的兩個金屬表面之間之邊界表面上方製作全新結構。
在此情況中，新結構之形成較佳藉由再結晶完成。再結晶定義為藉由顆粒生長製作新結構。此顆粒生長之必要條件包含高度變形，其增大材料之位錯密度及因此將材料帶入能量暫穩態；當超過臨界溫度時，此導致新顆粒形成。 在重工業中，塊狀相變製程(諸如軋製、鍛造、深沖、扭曲、剪切等)主要用於達成高度位錯。
此塊狀相變製程(可用其在低溫下形成上述暫穩態位錯豐富之微結構)因具有極精細結構及薄脆晶圓之非常薄的基板而無法在半導體產業中使用。結構及晶圓均無法或不得經歷塊狀相變，因為其等會藉此被破壞。
因此本發明之目標係提出一種方法及裝置/切割工具，可用其以對於基板及基板上之任意結構更柔和及更有效之方式完成兩個固體基板之結合。
此目標係用技術方案1、7及9之特徵達成。本發明之有利發展指示在附屬申請專利範圍中。本發明亦包含包括說明書、申請專利範圍及/或圖式中所指示之至少兩個特徵之所有組合。在所指示之值範圍之情況中，位於提出之限值內之值亦被視作被揭示為邊界值並可以任意組合主張。
本發明之基本理念係以(諸)結合表面之表面粗糙度O被最小化之方式在使兩個結合表面接觸前使兩個結合表面之至少一者及較佳兩個結合表面平坦化以最佳在使其等接觸之後使底部表面焊接在一起/結合。在此連接中，尤其提供免除化學機械拋光(CMP)製程。此外，根據本發明，在結合表面上製作暫穩態微結構以在結合表面上獲得高位移密度及/或非晶層。高位移密度及/或非晶層促進及/或加速再結晶過程。在此過程中，尤其提供光滑表面(減小表面粗糙度)。
此外，提供近表面非晶區以確保兩個表面之更好結合。產業中非晶材料之製作主要藉由將材料氣相沈積至冷卻基板上，藉由噴射離子或輻射，藉由極強機械變形等而完成。本文所揭示之本發明揭示一種形成具有高位移密度及/或非晶區之已有近表面區域之方式。
暫穩態結構之平坦化及製作較佳藉由切割方法完成。
由下列材料製成之固體基板適合作為根據本發明之固體基板：
- Cu-Fe,Cu-Ge,Cu-In,Cu-Li,Cu-Mg,Cu-Mn,Cu-Nb,Cu-Nd,Cu-Ni,Cu-Si,Cu-Sn,Cu-Zn,Cu-Zr,Cu-Ti,Cu-W,Cu-Ti,Cu-Ta,Cu-Au,Cu-Al,Cu-Cu
- W-Fe,W-Ge,W-In,W-Li,W-Mg,W-Mn,W-Nb,W-Nd,W-Ni,W-Si,W-Sn,W-Zn,W-Zr,W-Ti,W-Ti,W-Ta,W-Au,W-Al
- Ti-Fe,Ti-Ge,Ti-In,Ti-Li,Ti-Mg,Ti-Mn,Ti-Nb,Ti-Nd,Ti-Ni,Ti-Si,Ti-Sn,Ti-Zn,Ti-Zr,Ti-Ta,Ti-Au,Ti-Al
- Ta-Fe,Ta-Ge,Ta-In,Ta-Li,Ta-Mg,Ta-Mn,Ta-Nb,Ta-Nd,Ta-Ni,Ta-Si,Ta-Sn,Ta-Zn,Ta-Zr,Ta-Ti,Ta-W,Ta-Ti,Ta-Ta,Ta-Au,Ta-Al
- Au-Fe,Au-Ge,Au-In,Au-Li,Au-Mg,Au-Mn,Au-Nb,Au-Nd,Au-Ni,Au-Si,Au-Sn,Au-Zn,Au-Zr,Au-Ti,Au-W,Au-Ti,Au-Au,Au-Au,Au-Al
- Al-Fe,Al-Ge,Al-In,Al-Li,Al-Mg,Al-Mn,Al-Nb,Al-Nd,Al-Ni,Al-Si,Al-Sn,Al-Zn,Al-Zr,Al-Ti,Al-W,Al-Ti,Al-Al,Al-Al,Al-Al
下列混合形式之半導體亦可設想為固體基板：
- III-V：GaP,GaAs,InP,InSb,InAs,GaSb,GaN,AlN,InN,AlxGa1-xAs,InxGa1-xN
- IV-IV：SiC,SiGe,
- III-VI：InAlP.
- 非線性光學件：LiNbO3、LiTaO3、KDP(KH2PO4)
- 太陽能電池CdS、CdSe、CdTe、CuInSe2、CuInGaSe2、CuInS2、CuInGaS2
- 導電氧化物：In2-xSnxO3-y
為了說明本發明之理念至微範圍及/或奈米範圍之結構之應用，首先將給出一般物理、化學及材料科學原理的說明。當在下文中使用術語工具時，所述術語通常指代能夠在特定溫度T下以速度v撞擊工件之工具。此意謂工件上之衝擊應力。工具較佳為標準化工具，舉例而言，Charpy缺口棒衝擊測試機(DIN EN 10045-1)。工件較佳為標準樣本。圖3a及圖3b示意描繪塊狀金屬之情況中工具速度(圖3a)及溫度(圖3b)對解理斷裂強度(Tf)及延性斷裂強度(Gf)之影響。圖係此兩個物理性質之示意表示。由於不同材料之數值不同，故不給出絕對數值。在圖3a中，材料之解理斷裂強度及延性斷裂強度之相依性呈現為工具速度之函數。
解理斷裂強度Tf係材料忍受試圖在無塑性變形的情況下(即以理想脆性方式)切斷材料之力之抵抗力。延性斷裂強度Gf係材料忍受試圖使材料塑性變形之力(更具體言之推力)之抵抗力。在此情況中塑性變形之機制主要為位錯運動及位錯產生及孿晶形成之機械塑化機制。無法完全基於材料對解理斷裂強度與延性斷裂強度進行區分。因此，若其等具有嵌入金屬間相或若不利應力條件因樣本幾何形狀而主導，則甚至延性材料亦完全可能展現脆性斷裂行為。 此外，工具之衝擊條件及樣本溫度起到決定性作用。圖3a及圖3b展示作為金屬之溫度及工具速度之函數之解理斷裂強度及延性斷裂強度之示意曲線圖。在圖3a中，明顯的是，在低於在材料之各情況中憑經驗(尤其使用厚度容許量)決定之臨界速度vk之低工具速度下，延性斷裂強度Gf具有低於解理斷裂強度Tf之值。因此，在低於臨界速度vk之工具速度下，與藉由解理斷裂相比，材料將更容易藉由變形斷裂(即延性斷裂)而斷裂。高於臨界速度vk，解理斷裂強度Tf之值低於延性斷裂強度Gf之值。以高於臨界速度vk之速度撞擊材料之工具將導致材料以脆性方式(即藉由解理斷裂)斷裂。從圖3a中可見延性斷裂強度Gf極大地取決於工具速度vk，而解理斷裂強度Tf幾乎根本不隨工具速度而變化。解理斷裂強度及延性斷裂強度還取決於材料之溫度(圖3b)。在高於臨界溫度Tk之溫度下，材料破損主要歸因於延性斷裂而發生，而相比之下低於臨界溫度Tk材料破損主要歸因於脆性斷裂(即，解理斷裂)而發生。根據本發明，位錯之「凍結」因此在低溫下發生。作為材料物理過程之位錯運動明確取決於溫度。溫度越低，位錯遷移率越低且越難移動固體基板之位錯。圖3a及圖3b展示通常工具速度越高及溫度越低，金屬以更脆性方式斷裂。為了根據其斷裂行為將不同材料分類，用來斷裂材料之實驗決定缺口棒衝擊功K被繪製為溫度之函數(圖3c)。以此方式獲得缺口棒衝擊功-溫度圖，其取決於所述材料具有缺口棒衝擊功的明顯下降(2)或其缺口棒衝擊功僅在溫度範圍內稍微 變化(1或3)。具有曲線圖(1)之材料在整個溫度範圍內需要非常大的缺口棒衝擊功且主要藉由變形斷裂而斷裂。較高缺口棒衝擊功係歸因於大量能量用於產生及移動位錯之事實。具有曲線圖(3)之材料在整個溫度範圍內需要非常少量之缺口棒衝擊功且主要藉由解理斷裂而斷裂。低缺口棒衝擊能係形成或存在之任意裂紋僅需集合其用於生長之能量(即，原子之間之鍵合能)之事實之結果。與變形斷裂相比，無能量消耗用於位錯之形成及/或移動。因此，缺口棒衝擊能量較低。此外，存在缺口棒衝擊能量具有曲線圖(3)之材料。此曲線圖展現隨溫度降低從變形斷裂至解理斷裂之明顯過渡。在具有此物理性質之材料之情況中，斷裂行為因此可明確受溫度變化影響。
本文應提到材料(諸如Al、Cu、Ni或奧氏體鋼(通常主要是具有面心立方晶格之材料))之缺口棒衝擊功藉由曲線(1)描述。體心立方材料之斷裂行為主要藉由曲線(2)描述。高強度材料、玻璃及陶瓷主要展現藉由曲線(3)描述之行為。熟習此項技術者熟悉來自材料物理學或更具體言之來自塊狀材料之群組之所有此等性質。現將利用本文揭示且為熟習此項技術者所熟悉之塊狀材料之所有性質以一方面使已定位在晶圓上之結構之表面平坦化及另一方面將近表面區域帶入暫穩態，該暫穩態促進及/或加速至其他結構之其他表面之結合。
根據本發明，為了使再結晶發生，將累積滿足兩個條件。
首先，高度變形金屬需加熱到高於再結晶溫度。舉例而言，錫在大約0℃下再結晶，鋅在大約20℃下再結晶，鋁在大約100℃下再結晶，銅在大約270℃下再結晶，鐵在大約450℃下再結晶且鎢在大約1200℃下再結晶。通常，必須假設實際再結晶溫度將位於高於或低於此等值。再結晶溫度之決定因素係合金添加劑之污染。因此，舉例而言，99.999%銅之再結晶溫度位於120℃，但是電解沈積銅(其本質上非常不純)之再結晶溫度位於大約200℃。藉由電解之銅沈積總是與有機添加劑、離子及雜質相關。相比之下，藉由CVD及/或PVD製程沈積之銅為高純度。
再結晶之第二條件為能量暫穩態。根據本發明，此狀態由高位錯密度及/或非晶結晶結構及/或準結晶結構產生。較佳提供非晶基質，其中部分晶相及/或準晶相存在，最佳具有高位錯密度之微晶體及/或奈米晶體。亦可設想任意體積比之晶體、準晶體及非晶結構組份之任意組合。為了使本文之其餘部分更清楚，將主要說明結晶-非晶結構。
已知所謂的「尺寸效應」可根本改變材料之物理-化學行為。銅之再結晶(尤其對於非常小尺寸)甚至可在低於120℃之上述最小再結晶溫度下發生。因此，根據本發明，具有其表面由高速工具在提供的溫度下加工之微結構或奈米結構之高純度材料與對應塊狀材料相比在較低溫度下產生更高效之再結晶。
根據本發明，若在第一次加工(及視需要第二次加工) 後，立即(尤其在兩小時內，較佳在30分鐘內，更佳在10分鐘內及理想地在5分鐘內)使固體基板接觸，則尤為有利。此量測確保任意非所要反應，諸如固體基板之功能層或表面之氧化被最小化。
根據本發明之結合表面被加工為具有小於1 μm，較佳小於100 nm，最佳小於10 nm及甚至更特別小於1 nm之二次粗糙度(Rq)之表面粗糙度O。此等經驗值由原子力顯微鏡(AFM)決定。
本發明之另一態樣包括在待結合之兩個固體基板之間形成無縫過渡。無縫過渡定義為從結合晶圓之一側延伸至另一側，顆粒結構無中斷之多晶結構。此一無縫過渡之形成尤其在憑經驗特定言之與固體基板之材料及其尺寸相關之上述參數之條件下藉由再結晶而完成。再結晶係由已藉由顆粒生長根據本發明憑經驗決定之高位錯密度及溫度所導致之新結構之形成。由於根據本發明提供之高位錯密度，結構處於暫穩態。此暫穩態由位錯之重疊應變場形成。低於再結晶溫度，熱運動不足以導致位錯網路之位錯歸因於互相排斥之應變場而開始自行滑動。位錯係準「凍結」。若溫度超過再結晶溫度，則熱運動足以藉由位錯運動而減小位錯密度。結構之完全再形成與位錯密度之減小相關。根據本發明達成之效果包括結構之再形成超出結合介面(其由表面粗糙度O界定/限制)而發生且因此導致介面實際上完全消失之事實。
因此，根據本發明之方法尤其以其最一般形式具有下列 步驟(尤其以下列順序)用於將包括第一材料之第一固體表面之第一結合表面結合至包括第二材料之第二固體基板之第二結合表面：- 用切割工具加工第一及/或第二結合表面以至少在靠近表面之區域中及尤其以位於低於臨界速度vk之速度vs及在位於高於臨界溫度Tk之溫度Ts下形成暫穩態結構及較佳同時或隨後平坦化為小於1 μm，較佳小於100 nm，最佳小於10 nm及最特別小於1 nm之二次粗糙度(Rq)，- 使第一固體基板及第二固體基板在結合表面上接觸，及- 使接觸的固體基板暴露於溫度以形成永久結合，該永久結合在各情況中至少主要藉由再結晶而以超過再結晶溫度之結合溫度TB在結合表面上向下形成至大於結合表面之表面粗糙度O之再結晶深度R。
根據本發明之對應裝置尤其以其最一般實施例具有下列特徵：- 切割工具，其加工第一結合表面及/或第二結合表面以尤其以位於低於臨界速度vk之速度vs及在位於高於臨界溫度Tk之溫度Ts下至少在靠近表面之區域中形成暫穩態結構，且向下形成至小於1 μm、較佳小於100 nm、最佳小於10 nm及最特別小於1 nm之表面粗糙度O，- 用於使第一固體基板在結合表面上接觸第二固體基板之構件，及- 出於形成永久結合之目的使接觸的固體基板暴露於溫度之構件，該永久結合在各情況中至少主要藉由再結晶而 以超過再結晶溫度之結合溫度TB在結合表面上向下形成至大於結合表面之表面粗糙度O之再結晶深度R。
根據本發明之切割工具經設計用於在位於低於臨界速度vk之速度vs及高於臨界溫度Tk之溫度Ts下加工第一結合表面及/或第二結合表面且向下加工至小於1 μm，較佳小於100 nm，最佳小於10 nm及最特別小於1 nm之表面粗糙度O。
本發明之有利實施例要求所選擇的第一材料及第二材料相同。此促進再結晶。
根據本發明之另一實施例要求第一材料及/或第二材料為金屬。本發明特別適用於金屬材料使得最佳結果可用金屬材料獲得。
在永久結合之形成在超過臨界溫度Tk之結合溫度TB下發生之範圍內，永久結合之形成加速。
另一有利實施例要求用切割工具加工以在第一結合表面及/或第二結合表面上形成非晶層及/或高位錯密度層之方式完成。加工速度及溫度之參數在本情況中尤其取決於固體基板之材料及其等之尺寸，尤其其等之厚度。適當參數可憑經驗決定，尤其專門於材料。
在另一實施例中，有利地提供在第一次加工之後及在進行接觸之前，第一結合表面及/或第二結合表面之第二次加工以位於高於臨界速度vk之速度vo及在位於低於臨界溫度Tk之溫度Ts下用切割工具(尤其相同工具)完成，且完成以將表面粗糙度O減小至小於100 nm，較佳小於10 nm、更 佳小於1 nm及最特別小於0.1 nm。此確保在微結構形成(第一次加工)後，表面粗糙度O減小，尤其藉由解理斷裂。若表面粗糙度已藉由第一次加工而充分減小，則此製程步驟不需要。
原則上，區分兩種類型之解理斷裂：晶間解理斷裂及跨晶解理斷裂(文獻中亦常將解理斷裂稱作脆性斷裂)。在晶間解理斷裂之情況中，裂紋沿著顆粒之顆粒邊界延伸。在跨晶解理斷裂之情況中，裂紋橫向延伸穿過顆粒。若從經驗資料中表露材料歸因於晶間斷裂而斷裂，導致不利的表面粗糙度，即高表面粗糙度，則根據本發明之參數須以表面粗糙度被最小化之方式修改。與本文中明確揭示之本發明相比，此狀態亦可非常容易地單獨由延性斷裂導致。但是，應提到所使用之材料之微結構具有較佳在奈米範圍中之顆粒且因此甚至在晶間解理斷裂之情況中存在僅在奈米範圍中之粗糙度。特定言之，(平均)顆粒半徑隨後作為此(平均)粗糙度之上限。若結構應具有微米範圍中之顆粒，則在任意情況中需要跨晶解理斷裂。本文中應提及舉例而言，但非唯一地，顆粒間沉澱、顆粒內之金屬間相、可偏轉裂紋之定向微結構元素等。通常，據說當顆粒之間之強度小於顆粒內之原子之強度時顆粒將較佳沿著顆粒邊界斷裂。
本發明因此係關於一種方法，藉由該方法材料(固體基板之材料)之再結晶透過在結構中形成暫穩態能態而在相對較低溫度下在結合表面之近表面區域中執行。以此方 式，彼此接觸之兩個結合表面以相對非常低的表面粗糙度O永久及無縫地彼此結合。暫穩態能態較佳僅在結合表面之近表面區域中形成。在此，使用特別包括多個工具之切割工具，其能夠藉由頻率、切割速度、工具幾何形狀及/或切割刃口插入角在結合表面上創建特定微結構。在此情況中，根據本發明，若工具參數及環境參數以表面附近之區域及結合表面在工具經過後具有高位錯密度之方式選擇，則特別有利。
在再結晶後，結構較佳儘可能粗顆粒化。粗顆粒化之結構具有非常低的熱阻及特定言之非常低的電阻。因此，較佳甚至在介面上方為單晶之此粗顆粒化結構尤適於導電連接。由於產業將較佳但非唯一地使用根據本發明之方法製作互連，故在多數情況中需要儘可能導電之連接、儘可能低之電阻及因此儘可能粗顆粒化之結構。對於藉由根據本發明之方法互連且旨在僅具有機械穩定效果(特定言之熱機械穩定效果)之組件，則相反，細顆粒化之結構較佳，因為此一結構具有較高疲勞強度，尤其在交替熱負載存在的情況下。
在本發明之有利實施例中，工具參數及環境參數以在第一次加工後，即在工具經過後，結合表面及表面附近區域包括提供較佳具有非常高的位錯密度的結晶區域之非晶層。非晶層之厚度特定言之由(憑經驗創建之)工具速度決定。
本發明之另一、基本態樣係再結晶超過接觸平面/超過 接觸之近表面層(特定言之，在表面粗糙度O之區域中)。根據本發明，此藉由將表面粗糙度O設定為相對較低，即藉由用切割工具加工而達成和最佳化。藉由以標定方式調整工具之速度及溫度，可最小化表面粗糙度O。在多數材料之情況中，最小表面粗糙度O與高工具速度及低溫相關，因為解理斷裂表面比已經歷塑性變形製程之表面更光滑。雖然從物理角度看，較低表面粗糙度不改變有關再結晶之任何事物，即，結構之修改，但是較低表面粗糙度確實允許新形成之顆粒更簡單地橋接接觸平面，因為存在歸因於較低表面粗糙度之更多接觸點。
再結晶溫度取決於用於固體基板之材料且此尤其取決於材料之位錯密度。出於本說明書之目的，材料熔點之50%被用作再結晶溫度(同系溫度0.5)。根據本發明，可構想透過標定添加添加劑，尤其合金元素或標定污染物影響再結晶溫度及較佳使用高純度金屬以將其減小至最小值。
材料專門參數之經驗決定可尤其藉由針對塊狀材料之缺口棒衝擊強度測量而完成。此外，根據本發明之參數之經驗決定可藉由實際執行及藉由用根據本發明之裝置進行之測試系列完成。此係尤佳，因為根據本發明之參數之塊狀材料之標準值轉化為薄基板非簡單可行，至少非直接可行。
此外，根據本發明，在本發明之一實施例中有利地在第一模組中執行第一結合表面及/或第二結合表面之加工步驟，而使其等接觸、將其等對準及接觸之固體基板之溫度 暴露之步驟在單獨、第二模組(與第一模組實體分離)中完成。
舉例而言，但非限制，圖4以略圖及極簡化形式展示具有切割工具之可行工具固持器之俯視圖；該工具固持器圍繞其軸旋轉且在待加工之晶圓上方藉由向前饋送而推動。 熟習此項技術者最熟悉此等類型之工具或以類似方式運行之工具。
根據本發明，提供樣本固持器，其可適當地主動加熱及/或冷卻以使待加工晶圓至所要溫度。亦揭示兩個晶圓在根據本發明之處理製程後可/必須相對於彼此對準。
較佳例示性實施例之下列描述以及附圖中給出本發明之額外優點、特徵及細節。
圖1a展示第一固體基板1，其包括第一材料(在本情況中為金屬)及在結合側1s上具有相對較高表面粗糙度O(相對於總結合側1s及第一固體基板1之結合側1s之待結合之結合表面1o之平均二次粗糙度)。圖1a至圖1e及圖2a至圖2c在各情況中僅展示第一固體基板1及第二固體基板2之小面積截面(圖2a至圖2c)。
對於加工第一結合表面1o之第一步驟，提供切割工具5，其可以材料在第一結合表面1o上移除之方式以一速度vs沿著第一結合表面1o移動。第一次加工期間切割工具5之相對速度vs以及溫度Ts對材料移除具有明顯影響。此外，其他影響因素係切割工具5之形狀(工具幾何形狀)、工 具本身之溫度及相對於切割工具5之運動方向(速度向量vs)之切割刃口插入角α。
根據本發明，上述參數以在第一次加工及視需要至少在結合表面10之第二次加工後形成近表面區域3(圖1b)、3'(圖1c)、3"(圖1d)或圖3'''(圖1e)之此一方式(尤其藉由上述參數之憑經驗決定)設定。
在圖1b所示之實施例中，上述參數以在用切割工具5第一次加工後，近表面區域3具有與根據圖1a之固體基板1之第一材料相比較高之位錯密度之方式選擇。
在圖1c所示之實施例中，上述參數以在用切割工具5第一次加工後，近表面區域3'至少部分及較佳主要包括非晶材料4(其尤其在特定區域中完全非晶)之方式選擇。
在圖1d所示之實施例中，上述參數以在用切割工具5第一次加工後，近表面區域3"至少部分及較佳主要包括非晶材料4(其尤其在特定區域中完全非晶且尤其在非晶材料外之區域中具有相對於第一次加工前之第一固體基板1較高之位錯密度)之方式選擇。
在圖1e所示之實施例中，上述參數以在用切割工具5第一次加工後，近表面區域3'''至少部分及較佳主要由至少部分及尤其完全非晶材料4(其中形成結晶區域6，尤其具有提高之位錯密度)形成之方式選擇。
根據本發明，可構想在第一次加工期間修改上述實施例之上述參數及/或提供額外加工步驟以產生上述特徵。在任意情況中，切割工具5至少主要及較佳完全以低於根據 圖3a之臨界速度vk之速度vs運作使得材料主要藉由變形斷裂移除。同時，第一次加工期間之溫度至少主要及較佳完全位於根據圖3b之臨界溫度Tk之上使得變形斷裂亦藉此促進。
若在此第一次加工步驟之後，所需平坦度尚未達成，則所需平坦度可藉由至少一額外加工步驟達成。在第二加工步驟中，切割工具5較佳具有位於根據圖3a之臨界速度vk之上之速度vs使得材料主要藉由解理斷裂移除。同時，第一次加工期間之溫度至少主要及較佳完全位於根據圖3b之臨界溫度Tk之下使得解理斷裂亦藉此促進。
包括非晶材料4之層之厚度特定言之由工具速度vs決定，所述工具速度vs為材料專有且可依據材料溫度憑經驗決定。
根據本發明，在根據圖1b至圖1e之實施例中，不僅帶來近表面區域3、3'、3"、3'''之材料之改變，而且特定言之存在表面粗糙度O顯著減小達至少5倍，特別達至少10倍且較佳達至少20倍，使得表面粗糙度O小於1 μm，尤其小於100 nm，較佳小於10 nm，更佳小於1 nm及最佳小於0.1 nm。
藉由上述測量及在第一次加工後在其結合側2s上對應加工第二固體基板2以形成類似結合表面2o之組合及視需要藉由額外加工步驟，第一固體基板1及第二固體基板2如圖2a所示以結合側1s及結合側2s配置為面向彼此之方式相對於彼此定向。
在圖2b所示之製程步驟中，使第一固體基板1在結合表面1o、2o(接觸平面E)上接觸第二固體基板2。由於兩個固體基板1、2之顯著減小之表面粗糙度O，固體基板1、2之間之距離極小，因此促進第一固體基板1之第一材料與第二固體基板2之第二材料之再結晶。此外，及與其組合，藉由近表面區域3、3'、3"、3'''之發明專門形成而促進再結晶使得在再結晶時間後，尤其在暴露至溫度的情況下，向下形成永久結合至大於表面粗糙度O及特定言之大於近表面區域3、3'、3"、3'''之深度之再結晶深度R。根據本發明結合之固體基板7展示在圖2c中，其中由於根據本發明之量測，結合表面1o、2o不再可識別且特定言之亦不再存在非晶材料4。
1‧‧‧第一固體基板
1o‧‧‧結合表面
1s‧‧‧結合側
2‧‧‧第二固體基板
2o‧‧‧結合表面
2s‧‧‧結合側
3‧‧‧近表面區域
3'‧‧‧近表面區域
3"‧‧‧近表面區域
3'''‧‧‧近表面區域
4‧‧‧非晶材料
5‧‧‧切割工具
6‧‧‧結晶區域
7‧‧‧結合的固體基板
8‧‧‧多個切割工具的工具固持器
E‧‧‧接觸平面
O‧‧‧表面粗糙度
R‧‧‧再結晶深度
TB‧‧‧結合溫度
Tk‧‧‧臨界溫度
Ts‧‧‧溫度
vs‧‧‧速度
vk‧‧‧臨界速度
α‧‧‧切割刃口插入角
圖1a展示根據本發明之用於用根據本發明之切割工具加工固體基板之製程步驟；圖1b展示根據本發明加工之具有近表面層之結合表面，該近表面層具有高位錯密度；圖1c展示根據本發明加工之具有近表面非晶層之結合表面；圖1d展示根據本發明加工之具有近表面非晶層之結合表面，該近表面非晶層具有高位錯密度；圖1e展示根據本發明加工之具有近表面非晶層之結合表面，該近表面非晶層具有結晶區域，該結晶區域具有高位錯密度； 圖2a展示類似於根據本發明之圖1b之第一結合表面及第二結合表面之加工之製程步驟；圖2b展示根據本發明之用於使固體基板接觸之製程步驟；圖2c展示根據本發明之出於在結合表面上形成至少主要藉由結晶形成之永久結合之目的而將接觸之固體基板溫度暴露之製程步驟；圖3a展示解理斷裂強度及延性斷裂強度對工具速度之相依性之圖；圖3b展示解理斷裂強度及延性斷裂強度對溫度之相依性之圖；圖3c展示缺口棒衝擊功對三種典型種類之材料之溫度之相依性之圖；及圖4展示金屬切割工具之可行實施例。
1‧‧‧第一固體基板
2‧‧‧第二固體基板
E‧‧‧接觸平面

Claims (21)

  1. 一種用下列步驟，尤其以下列順序將包括一第一材料之一第一固體基板(1)之一第一結合表面(1o)結合至包括一第二材料之一第二固體基板(2)之一第二結合表面(2o)之方法：完成用一切割工具(5)加工該第一結合表面及/或該第二結合表面(1o、2o)以至少在一近表面區域中形成一暫穩態結構及產生小於100nm之減小之表面粗糙度，使該第一固體基板(1)在該等結合表面(1o、2o)上與該第二固體基板(2)接觸，及使該等接觸的固體基板(1、2)暴露於溫度以形成一永久結合，該永久結合至少主要藉由再結晶而以超過再結晶溫度之一結合溫度TB在該等結合表面(1o、2o)上向下產生至大於該等結合表面(1o、2o)之表面粗糙度O之一再結晶深度R。
  2. 如請求項1之方法，其中該減小之表面粗糙度小於10nm。
  3. 如請求項2之方法，其中該減小之表面粗糙度小於1nm。
  4. 如請求項3之方法，其中該減小之表面粗糙度小於0.1nm。
  5. 如請求項1之方法，其中該第一材料及該第二材料選擇為相同。
  6. 如請求項1至5中任一項之方法，其中該第一材料及/或該 第二材料為金屬。
  7. 如請求項1至5中任一項之方法，其中該永久結合之形成發生之該結合溫度TB大於一臨界溫度Tk。
  8. 如請求項1至5中任一項之方法，其中用該切割工具(5)加工以一非晶層(3)及/或一高位錯密度層(2)形成在該第一結合表面及/或該第二結合表面(1o、2o)上之方式完成。
  9. 如請求項1至5中任一項之方法，其中在一第一次加工完成之後及在進行接觸之前，該第一結合表面及/或該第二結合表面(1o、2o)用一工具(5)，尤其相同工具之一第二次加工在超過一臨界速度vk之一速度vo及尤其在低於一臨界溫度Tk之一溫度To下執行以將該表面粗糙度O減小至小於100nm。
  10. 如請求項9之方法，其中該表面粗糙度O減小至小於10nm。
  11. 如請求項10之方法，其中該表面粗糙度O減小至小於1nm。
  12. 如請求項11之方法，其中該表面粗糙度O減小至小於0.1nm。
  13. 一種用於將包括一第一材料之一第一固體基板(1)之一第一結合表面(1o)結合至包括一第二材料之一第二固體基板(2)之一第二結合表面(2o)之裝置，其具有：一切割工具(5)，其用於加工該第一結合表面及/或該第二結合表面(1o、2o)以至少在一近表面區域中形成一暫穩態結構及小於100nm之減小之表面粗糙度， 使該第一固體基板(1)在該等結合表面(1o、2o)上與該第二固體基板(2)接觸之構件，及使該等接觸的固體基板(1、2)暴露於溫度以形成一永久結合之構件，該永久結合在各情況中至少主要藉由再結晶而以大於該再結晶溫度之一結合溫度TB在該等結合表面(1o、2o)上向下產生至超過該等結合表面(1o、2o)之該表面粗糙度O之一再結晶深度R。
  14. 如請求項13之裝置，其中該減小之表面粗糙度小於10nm。
  15. 如請求項14之裝置，其中該減小之表面粗糙度小於1nm。
  16. 如請求項15之裝置，其中該減小之表面粗糙度小於0.1nm。
  17. 如請求項13之裝置，其中該切割工具(5)可以一第二次加工以超過一臨界速度vk之一速度vo，尤其在低於一臨界溫度Tk之一溫度Ts下執行以將該表面粗糙度O減小至小於100nm。
  18. 如請求項17之裝置，其中該表面粗糙度O減小至小於10nm。
  19. 如請求項18之裝置，其中該表面粗糙度O減小至小於1nm。
  20. 如請求項19之裝置，其中該表面粗糙度O減小至小於0.1nm。
  21. 如請求項13之裝置，其中該切割工具(5)用於以低於一臨 界速度vk之一速度vs及在高於一臨界溫度Tk之一溫度Ts下加工該第一結合表面及/或該第二結合表面(1o、2o)且向下加工至小於1μm之一表面粗糙度O。
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