TWI590341B - 晶圓永久結合之方法及裝置 - Google Patents

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Description

晶圓永久結合之方法及裝置
本發明係關於一種如技術方案1所主張之使第一基板之第一接觸面與第二基板之第二接觸面結合之方法及如技術方案7所主張之裝置。
基板永久或不可逆結合之目的為產生儘可能強且尤其儘可能不可逆之互連，因此要在基板之兩個接觸面之間產生高結合力。在先前技術中，存在用於此目的之各種途徑及生產方法。
迄今為止遵循之已知生產方法及途徑通常產生不可再生或再生可能不佳且幾乎不能特別應用於改變之條件的結果。詳言之，目前使用之生產方法通常使用高溫(尤其>400℃)以便確保可再生結果。
諸如高能量消耗及基板上存在之結構可能發生破壞之技術問題係因迄今為止高結合力所必需之在某種程度上遠高於300℃之高溫產生。
其他需求為以下：
- 前段工序相容性。
此定義為在生產主動式電子組件期間之製程相容性。因此結合製程必須經設計以使得已存在於結構晶圓上之主動式組件(諸如電晶體)在加工期間既不會受不利影響，亦不會被損壞。相容性準則主要包括某些化學元素(主要存在於CMOS結構中)之純度及主要受熱應力影響之機械負載能力。
- 低污染。
- 不施加力。
- 溫度儘可能低，尤其對於具有不同熱膨脹係數之材料。
結合力之降低使得處理結構晶圓更謹慎且從而降低由直接機械負載導致之故障機率。
因此本發明之目的為設計一種在儘可能低之溫度下謹慎產生同時以儘可能高之結合力永久結合之方法及裝置。
此目的藉由技術方案1之特徵達成。本發明之有利進展在附屬申請專利範圍中給出。說明書、申請專利範圍及/或圖式中給出之特徵中之至少兩者的所有組合亦屬於本發明之構架內。在值範圍給定的情況下，所指示界限內之值亦將被視為作為邊界值而揭示且將以任何組合主張。
本發明之基本思想為使用電容耦合式電漿或電感耦合式電漿或來自遠端電漿裝置之電漿，使用形成於一個基板中之容納第一離析劑之儲集器產生電漿，該離析劑在使基板之間接觸或產生暫時結合之後與存在於其他基板中之第二離析劑反應，且從而形成基板之間的不可逆或永久結合。在第一接觸面上之儲集器形成層中形成儲集器之前或之後，一般清潔該或該等基板，尤其藉由沖洗步驟清潔。此清潔一般應確保在表面上不存在會導致未結合位點的粒子。儲集器及儲集器中所含有之離析劑在技術上可在接觸面上在產生暫時或可逆結合之後以專門方式直接誘導反應(第一離析劑或第一組離析劑與第二離析劑或第二組離析劑)，該反應提高結合速度且增強永久結合，尤其藉由經該反應使至少一個接觸面、較佳儲集器對面之接觸面發生變形。如本發明所主張，在相對之第二接觸面上存在發生如本發明所主張之變形且第一離析劑(或第一組第一離析劑)與第二基板之反應層中存在之第二離析劑(或第二組離析劑)反應的生長層。為加速第一離析劑(或第一 組離析劑)與第二離析劑(或第二組離析劑)之間的反應，如本發明中之一個有利實施例中所主張，提供位於第二基板之反應層與儲集器之間、在基板接觸之前薄化之生長層，因為以此方式反應搭配物之間的距離會以可調方式減小且同時促進如本發明所主張之生長層之變形/形成。藉由薄化至少部分，尤其大部分，較佳完全移除生長層。即使已完全移除生長層，亦可在第一離析劑與第二離析劑之反應中再次生長生長層。薄化此生長層可如本發明所主張，尤其藉助於蝕刻(尤其乾式蝕刻)、拋光、濺鍍或減少氧化物來進行。較佳可以設想此等方法，尤其濺鍍與氧化物還原之組合。
如本發明中所主張，可存在用於在接觸面接觸之前尤其藉由鈍化第二基板之反應層，較佳藉由暴露於N2、成形氣體或惰性氛圍或在真空下或藉由非晶形化而抑制生長層之生長的構件。就此而論，藉由含有成形氣體，尤其主要由成形氣體組成之電漿的處理已證明為尤其合適的。此處，成形氣體定義為含有至少2%、較佳4%、理想地10%或15%之氫氣的氣體。混合物之剩餘部分由諸如氮氣或氬氣之惰性氣體組成。
當使用成形氣體時，尤其可藉由基於濺鍍及氧化物還原之方法薄化氧化層。
替代性地或除了此措施之外，如本發明所主張，最小化薄化與進行接觸之間的時間為有利的，尤其<2小時、較佳<30分鐘、甚至更佳<15分鐘、理想地<5分鐘。因此，可最小化在薄化之後發生的氧化物生長。
離析劑通過生長層之擴散速率由生長層增加，該生長層已薄化且因此至少在永久結合形成開始時或在反應開始時極其薄。由此導致在相同溫度下離析劑之傳輸時間較短。
對於預結合步驟而言，為產生基板之間的暫時或可逆結合，存 在各種可能性以達到在基板之接觸面之間產生弱相互作用之目的。預結合強度至少為永久結合強度的1/2至1/3、尤其1/5、較佳1/15、又更佳1/25。作為基準值，提及具有約100mJ/m2之非活化親水化純矽及具有約200-300mJ/m2之電漿活化親水化純矽的預結合強度。分子潤濕基板之間的預結合主要歸因於不同晶圓側之分子之間的凡得瓦爾相互作用(van der Waals interaction)而出現。因此，主要具有永久偶極矩之分子適用於實現晶圓之間的預結合。提及以下化合物作為互連劑，例如(但不限於)：
- 水
- 硫醇
- AP3000
- 矽烷及/或
- 矽烷醇。
如本發明所主張，適當基板為材料能夠作為離析劑與另一所提供離析劑反應以形成具有較高莫耳體積之產物的基板，作為該反應之結果，致使在基板上形成生長層。以下組合尤其有利，在箭頭之左側指定離析劑，且在箭頭之右側指定該/該等產物，與離析劑反應之所提供離析劑或副產物不特定指定：
- 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。
此外，設想以下混合形式之半導體為基板：
- III-V：GaP、GaAs、InP、InSb、InAs、GaSb、GaN、AlN、InN、AlxGaI-xAs、InxGaI-xN
- IV-IV：SiC、SiGe，
- III-VI：InAlP。
- 非線性光學器件：LiNbO3、LiTaO3、KDP(KH2PO4)
- 太陽能電池CdS、CdSe、CdTe、CuInSe2、CuInGaSe2、CuInS2、CuInGaS2
- 導電性氧化物：In2-xSnxO3-y
如本發明所主張，在至少一個晶圓上且直接在各別接觸面上，存在儲集器(或若干儲集器)，用於體積膨脹反應之一定量的至少一種所提供離析劑可儲存於儲集器中。因此，離析劑可為例如O2、O3、H2O、N2、NH3、H2O2等。歸因於尤其由氧化物生長支配之膨脹，基於反應搭配物減少系統能量之傾向，使接觸面之間的可能間隙、孔隙及腔室減至最小，且結合力因此藉由使此等區中之基板之間的距離變窄而增加。在最佳可能狀況下，將現有間隙、孔隙及腔室完全閉合以便使整個結合區域增加且因此如本發明所主張的結合力相應地上升。
接觸面通常展示二次粗糙度(Rq)為0.2nm之粗糙度。此情況與1nm範圍內之表面之峰間值對應。此等實驗值由原子力顯微術(AFM)測定。
如本發明所主張，對於具有1個水單層(ML)之直徑為200mm至300mm之圓形晶圓的習知晶圓表面，該反應適用於允許生長層生長0.1至0.3nm。
如本發明所主張，因此尤其規定儲集器中儲存至少2個ML、較佳至少5個ML、甚至更佳至少10個ML的流體(尤其為水)。
藉由暴露於電漿形成儲集器尤其較佳，因為電漿暴露此外會促使接觸面平滑及親水化作為協同效應。表面主要藉由儲集器形成層及視情況反應層之材料之黏性流藉由電漿活化而平滑。親水性尤其藉由增加矽羥基化合物而增加，較佳藉由表面上存在之Si-O化合物(諸如Si-O-Si)之裂解，尤其根據以下反應：
另一副效應(尤其作為上述效應之結果)為預結合強度提高尤其2至3倍。
第一基板之第一接觸面上之儲集器形成層(及視情況存在之第二 基板之第二接觸面上之儲集器形成層)中之儲集器例如藉由已塗有熱氧化物之第一基板之電漿活化形成。電漿活化係在真空腔室中進行以便能夠設定電漿所需之條件。如本發明所主張，電漿放電係使用離子能在0至2000eV範圍內之N2氣體、O2氣體或氬氣，從而產生經處理表面(在此狀況下為第一接觸面)之深度至多20nm、較佳至多15nm、更佳至多10nm、最佳至多5nm之儲集器。
藉由設定真空腔室中之某一壓力，可以可設想的方式影響或設定電漿離子之平均自由程長度，如本發明所主張。
該/該等接觸面上產生儲集器之可再生結果可藉由本發明之在相對電極上使用兩種不同頻率產生電漿來產生，該等電極尤其經由施加交流電流或交流電壓及/或藉由使用電感耦合式電漿源及/或遠端電漿來加速電漿離子。
在電容耦合之情況下，若電極位於電漿腔室內，則為有益的。
此處，接觸面之最佳暴露及因此產生尤其在體積及/或深度方面經精確界定之儲集器係藉由設定(不同)參數來實現：電極之頻率、振幅，尤其，完全較佳地為施加於第二電極上之偏壓及腔室壓力。
運作如電容耦合式倍頻電漿裝置之電漿活化裝置宜能各別設定離子密度及加速離子達到晶圓表面上。因此可得到之製程結果可設定在寬窗口內且可與應用需求最佳相配。
偏壓，尤其呈第二電極、尤其下電極之基極電壓形式之偏壓，係用於影響電極對固持於第二電極上之基板之接觸面之衝擊(速度)，尤其使其減弱或加速。
詳言之，儲集器中之孔隙密度分佈藉由前述參數，尤其下文所述之有利實施例而變得可調。
在電感耦合式電漿源中，可採用關於與用以產生磁場之交流電流電容耦合之交流電壓的相應類似考慮。如本發明所主張，可設想藉 由變化強度及/或頻率之交流電流或交變磁場操縱電感耦合式電漿源之電漿，以便電漿具有如本發明所主張之相應特性。
在遠端電漿中，實際上使用之電漿係在外部來源中產生且引入樣品空間中。詳言之，將此電漿之組分(尤其離子)傳輸至樣品空間中。電漿自源空間通入基板空間中可藉由不同元件來確保，諸如鎖、加速器、磁性及/或電透鏡、膜片等。就電場及/或磁場之頻率及/或強度而言，適用於電容及/或電感耦合式電漿之所有考慮將適用於確保電漿產生及/或電漿自源空間通入基板空間中的所有元件。舉例而言，可設想電漿在源空間中藉由如本發明所主張之參數、藉由電容或電感耦合產生且之後經前述元件滲入基板空間中。
如本發明所主張，可使用適用於產生儲集器之任何粒子類型(原子及/或分子)。較佳使用產生具有所要特性之儲集器的彼等原子及/或分子。相關特性主要為孔隙大小、孔隙分佈及孔隙密度。或者，如本發明所主張，可使用氣體混合物，諸如空氣或由95%之Ar及5%之H2組成的成形氣體。視所用氣體而定，在儲集器中在電漿處理期間尤其存在以下離子：N+、N2+、O+、O2+、Ar+。第一離析劑可容納於該/該等儲集器之未佔用的自由空間中。儲集器形成層及因此儲集器可延伸至反應層中。
宜存在可與反應層反應且至少部分、較佳大部分由第一離析劑組成之不同類型的電漿物質。就第二離析劑為Si/Si而言，Ox電漿物質為有利的。
儲集器基於以下考慮形成：孔隙大小小於10nm、較佳小於5nm、更佳小於1nm、甚至更佳小於0.5mm、最佳小於0.2nm。
孔隙密度較佳與藉由衝擊作用產生孔隙之粒子的密度成正比，最佳可甚至由於衝擊物質之分壓而變化，且取決於處理時間及尤其所用電漿系統的參數。
孔隙分佈較佳在表面下方具有至少一個最大孔隙密集度區，此係藉由疊加至較佳平台形區(見圖8)中之若干該等區之參數的變化達成。孔隙分佈隨厚度增加降至零。在轟擊期間在表面附近之區域具有與表面附近之孔隙密度幾乎相同的孔隙密度。在電漿處理結束之後，由於應力鬆弛機制，表面上之孔隙密度可降低。在厚度方向上之孔隙分佈相對於表面具有一陡峭側翼且相對於塊體具有較為平坦但持續降低之側翼(見圖8)。
對於孔隙大小、孔隙分佈及孔隙密度，類似考慮應用於未藉由電漿產生之所有方法。
可藉由控制使用及組合製程參數來設計儲集器。圖8展示藉由電漿注入之氮原子的濃度隨氧化矽層中之穿透深度而變的圖示。有可能藉由改變該等物理參數產生兩個曲線。第一曲線11係由氧化矽中較深處之加速得較快的原子產生，相反，曲線12係在改變製程參數之後在較低密度下產生。兩個曲線之疊加產生儲集器所特有的總和曲線13。注入原子及/或分子物質之濃度之間的關係為明顯的。較高濃度指示具有較高缺陷結構之區域，因此有更多空間容納後續離析劑。在電漿活化期間尤其以專門方式控制之製程參數之連續變化可使儲集器達成所添加離子之深度分佈，該分佈儘可能均勻。
作為藉由電漿產生之儲集器的替代方案，設想在至少一個基板、至少第一基板上使用TEOS(正矽酸四乙酯)氧化物層作為儲集器。此氧化物之密度一般低於熱氧化物，由此如本發明所主張，壓實為有利的。壓實藉由熱處理發生以達到設定所定義之儲集器孔隙率之目的。
根據本發明之一個實施例，填充儲集器可尤其宜與藉由將儲集器作為塗層塗覆至第一基板而形成儲集器同時發生，該塗層已包含第一離析劑。
可將儲集器設想為具有孔隙率在奈米範圍內之多孔層或具有通道之層，其中通道厚度小於10nm、更佳小於5nm、甚至更佳小於2nm、最佳小於1nm、尤其最佳小於0.5nm。
對於用第一離析劑或第一組離析劑填充儲集器之步驟，如本發明所主張，可設想以下實施例(亦為組合)：- 將儲集器暴露於環境氛圍，- 藉由尤其去離子水沖洗，- 藉由含有離析劑(尤其為H2O、H2O2、NH4OH)或由離析劑組成之流體沖洗，- 將儲集器暴露於任何氣氛，尤其原子氣體、分子氣體、氣體混合物，- 將儲集器暴露於含有水蒸氣或含有過氧化氫蒸氣之氛圍，及- 將已填充有離析劑之儲集器作為儲集器形成層沈積於第一基板上。
以下化合物可作為離析劑：Ox +、O2、O3、N2、NH3、H2O、H2O2及/或NH4OH。
上述過氧化氫蒸氣之使用被視為除了使用水之外的較佳版本。過氧化氫另外擁有氧氫比較大的優點。另外，過氧化氫在某些溫度以上及/或經由使用MHz範圍內之高頻場而解離為氫及氧。
另一方面，H2O提供分子尺寸小之優點。H2O分子尺寸甚至小於O2分子，由此H2O提供能更容易插入孔隙中及能更容易擴散於整個生長層中之優點。
主要在使用具有不同熱膨脹係數之材料時，宜使用不導致任何顯著溫度增加或充其量導致局部/特定溫度增加的前述物質解離方法。詳言之，存在至少促進，較佳導致解離之微波輻射。
根據本發明之一個有利實施例，規定生長層之形成及不可逆結 合之強化係藉由第一離析劑擴散至反應層中而發生。
根據本發明之另一個有利實施例，規定不可逆結合之形成係在通常小於300℃、宜小於200℃、更佳小於150℃、甚至更佳小於100℃之溫度下、最佳在室溫下，尤其在最多12天、更佳最多1天、甚至更佳最多1小時、最佳最多15分鐘期間發生。另一有利熱處理方法為藉由微波進行介電加熱。
此處，若不可逆結合之結合強度大於1.5J/m2、尤其大於2J/m2、較佳大於2.5J/m2，則尤其有利。
增加結合強度尤其有利之處在於，在反應期間，如本發明所主張，在反應層中形成莫耳體積比第二離析劑大之產物。以此方式，實現在第二基板上之生長，作為其結果，接觸面之間的間隙可藉由化學反應閉合，如本發明所主張。因而，接觸面之間的距離，因此平均距離減小，且死空間減至最小。
就藉由電漿活化形成儲集器而言，尤其在活化頻率在10kHz與20000kHz之間、較佳在10kHz與5000kHz之間、甚至更佳在10kHz與1000kHz之間、最佳在10kHz與600kHz之間及/或功率密度在0.075與0.2watt/cm2之間及/或以0.1與0.6毫巴之間的壓力加壓之情況下，產生諸如使接觸面平滑以及明確增加接觸面之親水性之其他作用。
或者，如本發明所主張形成儲集器可藉由使用已以特定控制方式壓實達某一孔隙率之四乙氧基矽烷氧化物層作為儲集器形成層進行。
根據本發明之另一個有利實施例，規定儲集器形成層主要、尤其基本上完全由尤其非晶形二氧化矽、尤其藉由熱氧化產生之二氧化矽組成，且反應層由可氧化材料、尤其主要、較佳基本上完全由Si、Ge、InP、GaP或GaN(或上文作為替代方案提及之另一材料)組成。尤其有效地閉合現存間隙之尤其穩定的反應係藉由氧化實現。
此處，如本發明所主張，規定在第二接觸面與反應層之間存在生長層，尤其主要為原生二氧化矽(或上文作為替代方案提及之另一材料)之生長層。如本發明所主張，生長層經受由反應導致之生長。尤其在與反應層之界面上，且尤其在第一接觸面與第二接觸面之間間隙之區域中，藉由非晶形SiO2之重新形成及由此導致之生長層之變形(尤其凸出)，生長發生於轉變Si-SiO2(7)。由此導致兩個接觸面之間的距離減少或死空間減少，作為其結果，兩個基板之間的結合強度增加。在200℃與400℃之間、較佳約200℃與150℃之間的溫度、更佳在150℃與100℃之間的溫度、最佳在100℃與室溫之間的溫度尤其有利。生長層可分為若干生長區。生長層可同時為第二基板之儲集器形成層，在該儲集器形成層中形成加速反應之另一儲集器。
此處，若在形成不可逆結合之前，生長層之平均厚度A在0.1nm與5nm之間，則尤其有利。生長層愈薄，則第一離析劑與第二離析劑之間的反應經由生長層，尤其藉由第一離析劑通過生長層擴散至反應層中而愈迅速且愈容易發生。離析劑通過生長層之擴散速率由生長層增加，該生長層已薄化且因此至少在永久結合形成開始時或在反應開始時極其薄。由此縮短離析劑在相同溫度下之傳輸時間。
此處，如本發明所主張，薄化起決定性作用，因為反應可藉由薄化進一步加速及/或溫度可進一步降低。薄化可尤其藉由蝕刻，較佳在潮濕氛圍中，又更佳原位進行。或者，薄化尤其藉由乾式蝕刻，較佳原位進行。此處，原位意謂在同一腔室中進行，在該腔室中進行至少一個先前及/或一個以下步驟。歸入此處所用之原位概念之另一裝置排列為基板之傳輸在可以控制方式調節之氛圍中(例如使用惰性氣體)，但尤其在真空環境中在個別製程腔室之間進行的裝置。濕式蝕刻藉由呈氣相之化學品進行，而乾式蝕刻藉由呈液態之化學品進行。就生長層由二氧化矽組成而言，可藉由氫氟酸或稀氫氟酸進行蝕 刻。就生長層由純Si組成而言，可藉由KOH進行蝕刻。
根據本發明之一個實施例，宜規定在真空中進行儲集器之形成。因此，可避免不需要之材料或化合物污染儲集器。
在本發明之另一個實施例中，宜規定藉由一或多個下述步驟進行儲集器之填充：- 將第一接觸面暴露於大氣，以用空氣中所含之大氣濕氣及/或氧氣填充儲集器，- 將第一接觸面暴露於尤其主要、較佳幾乎完全由尤其去離子H2O及/或H2O2組成之流體，- 將第一接觸面暴露於尤其具有0至2000eV範圍內之離子能之N2氣體及/或O2氣體及/或Ar氣體及/或尤其由95%之Ar及5%之H2組成的成形氣體，- 氣相沈積以用任何已指定離析劑填充儲集器。
若形成厚度R較佳在0.1nm與25nm之間、更佳在0.1nm與15nm之間、甚至更佳在0.1nm與10nm之間、最佳在0.1nm與5nm之間的儲集器，則對製程順序尤其有效。此外，根據本發明之一個實施例，若在即將形成不可逆結合之前，儲集器與反應層之間的平均距離B在0.1nm與15nm之間、尤其在0.5nm與5nm之間，較佳在0.5nm與3nm之間，則為有利的。如本發明所主張，距離B受薄化影響或藉由薄化產生。
如本發明所主張，執行該方法之裝置經製造而具有用以形成儲集器之腔室、尤其與其分別提供之用以填充儲集器之腔室及尤其分別提供之用於形成預結合之腔室，所有該等腔室均直接經由真空系統彼此連接。
在另一個實施例中，儲集器之填充亦可直接經由大氣進行，因此在可對大氣開放之腔室中抑或簡單地在不具有夾套但可半自動及/ 或完全自動地處理晶圓之結構上進行。
本發明之其他優點、特徵及細節將自較佳例示性實施例之以下描述且使用圖式變得顯而易見。
1‧‧‧第一基板
2‧‧‧第二基板
3‧‧‧第一接觸面
4‧‧‧第二接觸面
5、5'‧‧‧儲集器
6、6'‧‧‧儲集器形成層
7、7'‧‧‧反應層
8‧‧‧生長層
9‧‧‧奈米間隙
10‧‧‧反應產物
11‧‧‧第一曲線
12‧‧‧第二曲線
13‧‧‧總和曲線
20、20'、20"‧‧‧電漿腔室
21‧‧‧第一電極
22‧‧‧第二電極
23‧‧‧第一產生器
24‧‧‧第二產生器
25‧‧‧基板固持器
26‧‧‧線圈
27‧‧‧遠端電漿之基板腔室
28‧‧‧誘導之電漿
29‧‧‧直流電壓源
A‧‧‧平均厚度
B‧‧‧平均距離
f21‧‧‧第一頻率
f22‧‧‧第二頻率
R‧‧‧平均厚度
圖1a展示在使第一基板與第二基板接觸之後立即進行的如本發明所主張之方法之第一步驟，圖1b展示在使第一基板與第二基板接觸之後立即進行的如本發明所主張之方法之替代性第一步驟，圖2展示在進行接觸之前進行的如本發明所主張之方法之步驟，特定言之薄化第二基板，圖3a及圖3b展示用於形成較高結合強度的如本發明中主張之方法之其他步驟，圖4展示如本發明所主張之方法之另一步驟，其在圖1a或1b、圖2及圖3a及3b之步驟之後，其中基板接觸面處於接觸狀態，圖5展示用於在基板之間形成不可逆/永久結合的如本發明所主張之步驟，圖6展示在圖4及圖5之步驟期間在兩個接觸面上進行的化學/物理製程之放大圖，圖7展示在圖4及圖5之步驟期間在兩個接觸面之間的界面上進行的化學/物理製程之另一放大圖，圖8展示如本發明中主張之產生儲集器之圖。
圖9展示可暴露於真空之電容電漿腔室之示意圖，圖10展示可暴露於真空之電感電漿腔室之示意圖，圖11展示可暴露於真空之遠端電漿腔室之示意圖，及圖12展示兩個電極之頻率之頻率特性的圖。
在圖式中，相同或等效特徵以相同元件符號標識。
圖1中之情形僅展示在第一基板1之第一接觸面3與第二基板2之 第二接觸面4之間的預結合步驟期間或之後立即進行的化學反應之一個選段。表面以極性OH基封端且因此具有親水性。第一基板1及第二基板2由介於表面上存在之OH基與H2O分子之間且亦介於單獨H2O分子之間的氫橋之引力固持。至少第一基板1之親水性已藉由先前步驟中之電漿處理增加。
電漿處理係在圖9之可暴露於電漿及真空及/或規定氣體氛圍之電漿腔室20中進行。暴露於真空及/或規定氣體氛圍意謂可設定且控制壓力低於1毫巴。在本文所述之例示性實施例中，氣體為壓力為0.3毫巴之N2。在如本發明所主張之電容及電感耦合之實施例中，電漿腔室20與基板腔室相同。在圖11之如本發明所主張之遠端電漿之實施例中，電漿腔室20"(較佳為：電漿產生腔室)與容納基板之基板腔室27分開。
圖9中所示之電容電漿腔室20具有用於電離氣體體積之第一電極21(其位於頂部或作為上電極)，該氣體體積之電離係在頻率f21在0.001kHz與100000kHz之間、較佳0.01kHz與10000kHz之間、甚至更佳0.1kHz與1000kHz之間、最佳250與550kHz之間及振幅在1V與1000V之間、尤其100V與800V之間、較佳200V與600V之間、甚至更佳300V與500V之間的情況下由第一電極21上之交流電壓產生。一個重要因素為藉由上述真空所界定之平均自由程長度。
存在另一第二電極22(其位於下面或為下電極)，其與第一電極21相對，不僅暴露第一接觸面3(該暴露與第一電極21之頻率耦合)，而且具有加速或減弱電漿離子衝擊之偏壓作為基極電壓。偏壓一般為交流電壓或直流電壓。宜使用直流電壓，其在電漿活化過程中可隨儲存/既定形狀(規則)界定之曲線發生動態變化。此處，實施例中之第二電極22展示在頻率f22在0.001kHz與100000kHz之間、較佳在0.01kHz與10000kHz之間，甚至更佳在0.1kHz與1000kHz之間、最佳15kHz至 55kHz且振幅在1V與1000V之間、尤其在100V與800V之間、較佳在200V與600V之間，甚至更佳在300V且500V之間的情況下工作。此第二交流電壓亦導致衝擊表面3之離子之離子能發生變化，由此可獲得離子之均勻深度分佈。
另外第二電極21用作第一基板1之接收器，其接收側背向第一接觸面3。因此，第一基板1(在無第二基板2之情況下)位於第一電極21與第二電極22之間。電極21、22之固持器未圖示。
電極21、22各自較佳連接至其自身電源，自身電源之形式對於第一電極21而言為產生器23且對於第二電極22而言為可與產生器23分別控制之第二產生器24。第一產生器23的功率尤其在1瓦特與100000瓦特之間、較佳在25瓦特與10000瓦特之間、更佳在30瓦特與1000瓦特之間、最佳在50瓦特與200瓦特之間、尤其最佳在70瓦特與130瓦特之間。第二產生器24同樣提供1瓦特與100000瓦特之間、較佳25瓦特與10000瓦特之間、更佳30瓦特與1000瓦特之間、最佳50瓦特與200瓦特之間、最佳70瓦特與130瓦特之間的功率。
圖10之電感電漿腔室20'具有圍繞其且允許具有該振幅之電流流經之線圈26。基板1擱置於樣品固持器25上。在一個較佳實施例中，電漿腔室20'恰好具有兩個產生器23及24。
電感電漿腔室20'在線圈26之一側具有第一電流產生器23。第一產生器23產生之流經線圈26之電流之頻率f21在0.001kHz與100000kHz之間、較佳在0.01kHz與10000kHz之間、甚至更佳在0.1kHz與1000kHz之間、最佳恰好為400kHz且振幅在0.001A與10000A之間、較佳在0.01A與1000A之間、更佳在0.1A與100A之間、最佳在1A與10A之間。
線圈26或電漿腔室20'較佳具有第二電流產生器24。第二電流產生器24之頻率f22在0.001kHz與100000kHz之間、較佳在0.01kHz與 10000kHz之間、甚至更佳在0.1kHz與1000kHz之間、最佳恰好為400kHz且振幅在0.001A與10000A之間、較佳在0.01A與1000A之間、更佳在0.1A與100A之間、最佳在1A與10A之間。
在根據圖11之另一個實施例中，待產生之電漿係在(遠端)電漿腔室20"中產生。用於電容及/或電感耦合式電漿之所有所揭示參數均類似地應用。
圖12示意性地展示對於兩個不同頻率如本發明所主張產生之電漿之孔隙密度隨深度之變化。顯然密度曲線可以專門方式藉由改變頻率來調節。
根據替代實施例，尤其在電漿處理第一基板1的同時，另外對第二基板2或第二接觸面4進行電漿處理為尤其有利的。
如本發明所主張，由熱二氧化矽組成之儲集器形成層6中之儲集器5，以及在圖1b之替代實施例中，儲集器形成層6'中之第二相對儲集器5'已藉由電漿處理形成。儲集器形成層6、6'下之含有第二離析劑或第二組離析劑之反應層7、7'彼此直接鄰接。用具有前述離子能之N2離子進行電漿處理產生平均厚度R約15nm之儲集器5，亦即儲集器形成層6中之離子形成通道或孔隙。
在儲集器形成層6與反應層7之間，在第二基板2上存在生長層8，生長層8可同時至少部分為儲集器形成層6'。因此，在儲集器形成層6'與反應層7'之間可另外存在另一生長層。
同樣地，在圖1中所展示之步驟之前且在電漿處理之後，至少主要用作為第一離析劑之H2O填充儲集器5(及視情況存在之儲集器5')。電漿製程中存在之減少的離子物質亦可位於儲集器中，尤其O2、N2、H2、Ar。
在該/該等儲集器5、5'形成之前或之後，在任何情況下，在基板1、2進行接觸之前，藉由蝕刻薄化生長層8(及視情況存在之另一生 長層)(此處為在儲集器5形成之後，參見圖2)。以此方式，第二接觸面4與反應層7之間的平均距離B減小。同時，第二接觸面4宜變得更平坦。
在圖1a或1b中所示之階段接觸之後，接觸面3、4仍具有相對寬距離，尤其由存在於接觸面3、4之間的水所示。因此，現有結合強度相對低且大約在100mJ/cm2與300mJ/cm2之間，尤其大於200mJ/cm2。就此而言，先前電漿活化起決定性作用，尤其歸因於電漿活化之第一接觸面3之親水性增加及由電漿活化引起之平滑化效應。
圖1中所示且稱為預結合之製程較佳可在環境溫度或最大50℃下進行。圖3a及圖3b展示親水性結合，Si-O-Si橋隨著-OH封端表面分裂水而出現。圖3a及圖3b中之製程在室溫下持續約300小時。在50℃下約60小時。圖3b中之狀態在指定溫度下存在，且不會產生儲集器5(或儲集器5、5')。
在接觸面3、4之間，形成H2O分子且可至少部分地進一步填充於仍有自由空間之儲集器5中。移除其他H2O分子。在圖1之步驟中，存在約3至5個個別OH基或H2O層，且利用圖1之步驟至圖3a之步驟將1至3個H2O單層移除或容納於儲集器5中。
在圖3a所示之步驟中，矽氧烷基之間現直接形成氫橋鍵，作為其結果，出現更強結合力。由此使接觸面3、4更強烈地彼此吸引且減小接觸面3、4之間的距離。因此，在接觸面1、2之間僅存在1至2個個別OH基層。
在圖3b中所示之步驟中，又在根據下文插入之反應沈積H2O分子之情況下，由於接觸面3、4彼此直接接觸，因此接觸面3、4之間現形成呈矽烷醇基團形式之共價化合物，由此產生更強結合力且需要的空間更少，以便接觸面3、4之間的距離進一步減小直至最終達到圖3中所示之最小距離：
直至階段3，尤其歸因於儲集器5(及視情況存在之其他儲集器5')之形成，故不必不適當地增加溫度，而是允許其甚至在室溫下進行。以此方式，圖1a或圖1b至圖4之製程步驟尤其可謹慎進展。
在圖5中所示之方法步驟中，溫度較佳增至最大500℃、更佳最大300℃、甚至更佳最大200℃、最佳最大100℃、尤其最佳不超過室溫以形成第一與第二接觸面之間的不可逆或永久結合。與先前技術相比，此等溫度相對較低之為唯一原因為儲集器5(及視情況存在之另外儲集器5')涵蓋用於圖6及圖7中所示之反應的第一離析劑：Si+2H2O→SiO2+2H2
藉由增加莫耳體積及H2O分子之擴散，尤其在儲集器形成層6'與反應層7之間的界面(及另外視情況存在之儲集器形成層6與反應層7'之間的界面)上之擴散，呈生長層8形式之體積生長，此係歸因於使在接觸面3、4之間存在間隙9之區域中進行之自由吉布斯焓(Gibb's enthalpy)強化生長減至最小之目的。間隙9藉由生長層8之體積增加閉合。更特定言之：在前述輕微增加之溫度下，H2O分子作為第一離析劑自儲集器5(或儲集器5、5')擴散至反應層7(及視情況存在之7')。此擴散可經由已形成為氧化物層之儲集器形成層6、6'與各別反應層7、7'(或生長層8)之直接接觸，或經由氧化物層之間存在之間隙9或自間隙9進行。在彼處，自反應層7形成二氧化矽(因此為莫耳體積大於純矽之化合物)作為前述反應之反應產物10。二氧化矽在反應層7與生長層8及/或儲集器形成層6、6'之界面上生長，且因此使已尤其以原生氧化物形式形成之生長層8沿間隙9方向成形。此處，亦需要來自儲集器之H2O分子。
歸因於奈米範圍內之間隙的存在，存在生長層8凸出的可能性， 作為其結果，接觸面3、4上之應力可減小。以此方式，接觸面3、4之間的距離會減小，作為其結果，活性接觸面及因此結合強度進一步增加。與部分未熔接之先前技術產物形成對比，以此方式出現的閉合所有孔隙且在整個晶圓上形成之熔接連接在根本上有助於結合力增加。彼此熔接之兩個非晶形氧化矽表面之間的結合類型為共價及離子部分之混合形式。
第一離析劑(H2O)與第二離析劑(Si)之前述反應係在反應層7中尤其迅速或在儘可能低之溫度下進行，達到第一接觸面3與反應層7之間的平均距離B儘可能小之程度。
因此，第一基板1之預處理及由矽反應層7及儘可能薄之原生氧化物層作為生長層8組成之第二基板2之選擇/預處理具有決定性作用。如本發明所主張，出於兩個理由提供儘可能薄之原生氧化物層。生長層8極薄，尤其歸因於如本發明所主張提供之薄化，以便其可穿過反應層7上之新形成反應產物10朝向相對基板1之儲集器形成層6凸出，該儲集器形成層主要在奈米間隙9之區域中以氧化物層形式製得。此外，需要儘可能短之擴散路徑以儘可能快且在儘可能低之溫度下獲得所需效應。第一基板1同樣由矽層及其上所產生之呈儲集器形成層6形式之氧化物層組成，在該儲集器形成層中至少部分或完全形成儲集器5。
如本發明所主張，儲集器5(或儲集器5、5')至少以閉合奈米間隙9所需量之第一離析劑來填充，以便生長層8之最佳生長可在儘可能短之時間內及/或在儘可能低之溫度下進行以閉合奈米間隙9。
1‧‧‧第一基板
3‧‧‧第一接觸面
20‧‧‧電漿腔室
21‧‧‧第一電極
22‧‧‧第二電極
23‧‧‧第一產生器
24‧‧‧第二產生器
28‧‧‧誘導之電漿

Claims (14)

  1. 一種使第一基板(1)之第一接觸面(3)與第二基板(2)之第二接觸面(4)結合之方法，該第二基板(2)具有最少一個反應層(7)，該方法係依以下步驟、尤其以下順序進行：將該等基板(1、2)接收於電漿腔室(20、20')中或連接至電漿腔室(20")之基板腔室(27)中，該電漿腔室(20、20'、20")具有第一電極(21)及第二電極(22)，及至少兩個分別連接該第一電極(21)及該第二電極(22)之第一及第二產生器(23、24)，其可分別在第一頻率(f21)及不同於該第一頻率(f21)之第二頻率(f22)下操作以產生電漿，藉由將在該電漿腔室(20、20'、20")中產生之電漿施加於該第一接觸面(3)而在該第一接觸面(3)上之儲集器形成層(6)中形成儲集器(5)，用第一離析劑或第一組離析劑至少部分填充該儲集器(5)，使該第一接觸面(3)與該第二接觸面(4)接觸以形成預結合互連，藉由使該第一離析劑與該第二基板(2)之該反應層(7)中所含之第二離析劑反應來至少部分增強該第一接觸面(3)與第二接觸面(4)之間永久結合的形成。
  2. 如請求項1之方法，其中該第一頻率(f21)係在1Hz與20MHz之間、尤其在1kHz與1MHz之間、較佳在10kHz與800kHz之間、甚至更佳在300kHz與500kHz之間，及/或該第一電極(21)可設定在1Hz至20MHz、尤其1kHz與1MHz之間、較佳10kHz與800kHz之間、甚至更佳300kHz與500kHz之間的第一頻率範圍內。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該第二頻率(f22)係在1Hz與20MHz之 間、尤其在1kHz與1MHz之間、較佳在10kHz與800kHz之間、甚至更佳在30kHz與50kHz之間，及/或該第二電極(21)可設定在1Hz至20MHz、尤其1kHz與1MHz之間、較佳10kHz與800kHz之間、甚至更佳30kHz與50kHz之間的第二頻率範圍內。
  4. 如請求項1或2之方法，其中該第一電極(21)及/或第二電極(22)之電壓振幅係在1V與1000V之間、尤其在100V與800V之間、較佳在200V與600V之間、甚至更佳在300V與500V之間。
  5. 一種使第一基板(1)之第一接觸面(3)與第二基板(2)之第二接觸面(4)結合之方法，該第二基板(2)具有最少一個反應層(7)，該方法係依以下步驟、尤其以下順序進行：將該等基板接收於電感耦合式電漿腔室中，藉由使該第一接觸面(3)暴露於已藉助於線圈(26)之電感耦合所產生之電漿而在該第一接觸面(3)上之儲集器形成層(6)中形成儲集器(5)，在電漿產生期間對第一產生器(23)施加不同於第二產生器(24)之第二頻率(f22)之第一頻率(f21)，用第一離析劑或第一組離析劑至少部分填充該儲集器(5)，使該第一接觸面(3)與該第二接觸面(4)接觸以形成預結合互連，藉由使該第一離析劑與該第二基板(2)之該反應層(7)中所含之第二離析劑反應來至少部分增強該第一接觸面(3)與第二接觸面(4)之間永久結合的形成。
  6. 如請求項1或5之方法，其中該第一產生器(23)之該頻率(f21)係在0.001kHz與100000kHz之間、較佳在0.01kHz與10000kHz之間、更佳在0.1kHz與1000kHz之間、最佳恰好為400kHz及/或該第二產生器(24)可設定在0.001kHz與100000kHz之間、較佳在0.01kHz與10000kHz之間、更佳在0.1kHz與1000kHz之間的頻 率範圍內。
  7. 如請求項1或5之方法，其中該方法係在結合腔室中進行，且至少在儲集器(5)形成時，使該結合腔室暴露於0.1與0.9毫巴之間、尤其小於0.7毫巴、較佳小於0.5毫巴，甚至更佳小於0.3毫巴的腔室壓力下。
  8. 如請求項7之方法，其中至少在形成該儲集器(5)時，該結合腔室中係以O2氣體及/或N2氣體及/或Ar氣體為主。
  9. 一種使第一基板(1)之第一接觸面(3)與第二基板(2)之第二接觸面(4)結合之裝置，該第二基板(2)具有最少一個反應層(7)，該裝置具有以下特徵：結合腔室(20、20'、27)，位於相對位置之第一電極(21)及第二電極(22)，接收構件，位於該第一電極(21)與該第二電極(22)之間，用於接收該等基板(2、3)，儲集器形成構件，用於藉由使該第一接觸面(3)暴露於已藉助於該等電極(21、22)之電容耦合所產生之電漿而在該第一接觸面(3)上之儲集器形成層(6)中形成儲集器(5)，且在該電漿產生期間可向該第一電極(21)施加不同於該第二電極(22)之第二頻率(f22)之第一頻率(f21)，用於使該第一接觸面(3)與該第二接觸面(4)接觸以形成預結合互連之構件。
  10. 如請求項9之裝置，其中該第一頻率(f21)及/或該第二頻率(f22)係為可調。
  11. 一種使第一基板(1)之第一接觸面(3)與第二基板(2)之第二接觸面(4)結合之裝置，該第二基板(2)具有最少一個反應層(7)，該裝置具有以下特徵： 結合腔室(20、20'、27)，第一電極(21)及與其相對之第二電極(22)，線圈(26)，用於將該等基板(2、3)容納於該線圈(26)內之接收構件，儲集器形成構件，用於藉由使該第一接觸面(3)暴露於已藉助於該等第一及第二電極(21、22)之電容耦合所產生之電漿而在該第一接觸面(3)上之儲集器形成層(6)中形成儲集器(5)，且在該電漿產生期間可向該第一電極(21)施加不同於該第二電極(22)之第二頻率(f22)之第一頻率(f21)，用於使該第一接觸面(3)與該第二接觸面(4)接觸以形成預結合互連之構件。
  12. 如請求項11之裝置，其中該第一頻率(f21)及/或該第二頻率(f22)係為可調。
  13. 一種使第一基板(1)之第一接觸面(3)與第二基板(2)之第二接觸面(4)結合之裝置，該第二基板(2)具有最少一個反應層(7)，該裝置具有以下特徵：用於產生電漿之電漿腔室(20")，該電漿腔室(20")具有至少兩個可在不同頻率(f21、f22)下操作、尤其在用於產生該電漿之不同頻率(f21、f22)下操作之產生器(23、24)，連接至該電漿腔室之結合腔室(27)，儲集器形成構件，用於藉由將該第一接觸面(3)暴露於已在該電漿腔室(20")中產生之電漿而在該第一接觸面(3)上之儲集器形成層(6)中形成儲集器(5)，用於使該第一接觸面(3)與該第二接觸面(4)接觸以形成預結合互連之構件。
  14. 如請求項13之裝置，其中於該電漿腔室(20")與該結合腔室(27)之間設置可閉合開口。
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