TWI735895B - 共價接合之半導體界面 - Google Patents

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TWI735895B
TWI735895B TW108121770A TW108121770A TWI735895B TW I735895 B TWI735895 B TW I735895B TW 108121770 A TW108121770 A TW 108121770A TW 108121770 A TW108121770 A TW 108121770A TW I735895 B TWI735895 B TW I735895B
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漢斯 凡肯尼爾
法蘭克 布雷森
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瑞士商Ｇ射線工業公司
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Abstract

用於晶圓接合的生產系統包含用於濕化學晶圓清潔和表面鈍化的模組和具有超高真空狀態的基礎壓力的用於去除表面鈍化、晶圓翻轉和對準、低溫退火和晶圓接合之真空模組，藉由所有模組整合在相同的工具且為可個別服務的。無氧化物共價半導體晶圓接合的方法包括在低溫下與CMOS處理的晶圓相容的濕化學和真空處理。

Description

共價接合之半導體界面
本發明關於用於形成共價接合的半導體界面的工業系統、共價接合的半導體界面的結構以及用於在CMOS相容溫度下形成這種界面的方法。
在過去的幾十年中，在兩個半導體晶圓之間形成的導電共價鍵的形成受到越來越多的關注。特別是在低溫(典型地在室溫和約300℃之間)下進行的共價半導體接合可能導致整體結構，這種結構不能以任何其他方式實現，因為接合配對物通常包括不允許任何高溫處理的材料。例如，對於包含電介質和金屬層的溫度敏感堆疊的CMOS處理晶圓，或由具有不同熱膨脹係數和/或晶格參數的材料製成的晶圓，就是這種情況。單獨的低接合溫度不能保證跨接合界面的電傳導不受損害。此外，兩個接合配對物的表面典型地必須是原子清潔且無氧化物以及光滑和平坦的。已經證明，清潔矽晶圓在室溫下可在適合於100mm晶圓加工的超高真空(Ultra High Vacuum；下文定義UHV)接合工具中以接合接近體積接合強度自發接合，(參見，例如，U. Gösele等人。在Appl. Phys. Lett. 67, 3614(1995)中，其全部公開內容在此引入作為參考)。那麼問題是如何在低溫接合之前獲得清潔的半導體表面以及如何在形成共價鍵之前保持它們清潔。這仍然是一個嚴重的問題，特別是對於像矽一樣容易氧化的材料。獲得無氧化矽表面的一種方法是以HF浸漬的形式進行濕化學清洗。由此產生的氫終止使表面鈍化並保護其免於再氧化，即使在環境大氣中也可長達數小時。在接合之前需要除去氫鈍化，因為藉由氫橋的疏水接合很弱，因此需要在700℃以上的溫度下進行不希望的後接合退火以獲得高接合強度(參見，例如，Q.-Y. Tong等人在Appl. Phys. Lett. 64, 625 (1994)中，其全部公開內容在此引入作為參考)。藉由超高真空中的熱退火(UHV-達到約1×10-9 至1×10-10 毫巴或甚至10-10 至10-11 毫巴的基礎壓力)，可以從鈍化表面除去氫氣。這是Gösele等人使用的方法。然而，對於Si-Si接合，其缺點是需要高於單氫化物解吸溫度約550℃(參見，例如，P.Gupta等，Phys.Rev.B 37, 8234(1988)，和U.Gösele等人在Appl.Phys.Lett.67, 3614(1995)中，其全部公開內容在此引入作為參考)。遺憾的是，這與完全CMOS處理的晶圓不相容，這些晶圓不僅在接合期間需要低溫，而且在任何預接合清潔步驟中也需要低溫。
在低溫下除去表面氧化物的可能方法是所謂的表面活化方法。最初由T.Suga等人引入Al-Al接合。在Acta metall. mater 40，S133(1992)，其全部公開內容在此引入作為參考。該方法基本上由藉由離子束濺射以1keV量級的離子能量對氧化物進行乾法蝕刻，後來證明其也適用於Takagi等人的Si-Si接合。他們創造了表面活化接合(SAB)的表達(參見，例如，H. Takagi等人在Appl. Phys. Lett. 68, 2222(1996)中，其全部公開內容在此引入作為參考)。即使對於室溫接合，由SAB方法也實現了例外地高的接合強度。然而，氧化物的乾蝕刻具有與所使用的參數的細節無關的一個難以避免的缺點。藉由高能離子的表面轟擊不可避免地在氧化物去除期間引起表面損傷，導致在具有厚度典型地在幾奈米的量級上的接合界面處的非晶中間層(參見例如Takagi等人，在ECS Transactions 75, 3(2016)中)，其全部公開內容在此引入作為參考)。與破碎的Si-Si鍵相關的高懸空鍵密度在能隙中釘扎費米能級。可以藉由重結晶非晶層來降低懸空鍵密度，然而，這需要在典型地高於500℃的溫度下再次退火。取決於接合配對物的摻雜類型和密度，在接合界面處的費米能級釘扎可導致類似的帶彎曲和障壁形成，如在多晶晶界處可發現的那樣，對電性質具有類似的影響。特別是對於低摻雜密度，其特徵在於寬的空間電荷區域，透過該區域不可能進行隧穿，跨越這種接合界面的電阻可能超過體電阻多個數量級(參見，例如，A.Jung等人在J Appl.Phys.123,085701(2018)中，其全部公開內容在此引入作為參考)。顯然，在UHV中接合清潔的晶體表面可以提供盡可能低的界面缺陷狀態密度，雖然，除了非常精確的晶圓對準(在扭曲和傾斜態樣)之外，即使在這種情況下也不能防止障壁形成(參見例如A. Reznicek等人在MRS Symp. Proc. 681E，I4.4.1(2001)中，其全部公開內容在此引入作為參考)。
Suga等人在2001年已經引入了用於200mm晶圓的UHV接合系統，其基於SAB並且包括非常精確的晶圓對準特徵。在2001年電子元件和技術會議上，其全部公開內容在此引入作為參考。包括維持晶圓之間的平行度之高達到±0.5μm的晶圓對準精度是藉由壓電致動器和紅外攝影機建立，這就是為什麼該技術僅限於紅外透明度晶圓的接合。雖然非常適合於微電子機械系統(micro-electronic mechanical systems；MEMS)的封裝，但由於上述原因，由該系統產生的非晶半導體界面是電荷傳輸的主要關注點。
但就界面電傳輸而言，類似的缺點似乎存在於幾年前EV集團引入的高真空生產工具(參見例如Wimplinger等人的美國專利No.9,899,223，其全部公開內容在此藉由引用併入作為參考)。原因在於，藉由高能離子轟擊對SiO2 進行過度乾蝕刻導致非晶中間層的寬度為幾奈米(參見例如C.Flötgen等人，在ECS Transactions 64, 103(2014)中，其全部公開內容在此藉由引用併入作為參考)。
需要一種用於在超高真空中共價接合半導體晶圓的生產系統，其尺寸最大為300mm。
需要一種用於在超高真空中共價接合半導體晶圓的生產系統，其包括100nm尺度的相互晶圓對準。
需要一種用於共價半導體晶圓接合的生產系統和方法，其允許產生平滑的晶體晶圓表面並且在足以在生產條件下進行接合處理的一段時間內保持無氧化物。
需要一種用於共價半導體晶圓接合的生產系統和方法，其允許氧化物去除和表面鈍化而不會引起表面非晶化。
需要一種用於共價半導體晶圓接合的生產系統和方法，其允許去除晶圓上的鈍化層而不會引起表面非晶化。
需要一種用於共價半導體晶圓接合的生產系統和方法，其允許在生產條件下產生無氧化物的導電接合界面。
需要一種生產系統和方法，其允許在與CMOS處理的晶圓堆疊相容的溫度下共價半導體晶圓接合。
需要一種用於共價接合具有不同熱膨脹係數的半導體晶圓的生產系統和方法。
需要一種用於共價晶圓接合的生產系統和方法，其能夠提供具有足夠低的缺陷密度的接合界面，以確保最小的界面障壁形成。
提供了一種用於無氧化物的共價半導體晶圓接合的生產系統。該系統包括至少一個用於濕化學或蒸汽處理的模組和至少一個用於超高真空(ultra-high vacuum；UHV)晶圓處理的模組。用於濕化學或蒸汽處理的模組具有用於氧化物去除和用於在大氣壓或接近大氣壓下提供表面鈍化層的室。用於超高真空晶圓處理的模組包括至少一個室。該室可以是以下任何一種：(i)具有低能量電漿源的電漿室和適於去除表面鈍化的輔助雷射輻射，(ii)具有適用於表面鈍化層的光化學或光熱去除之可見雷射或紫外雷射的超高真空雷射室，(iii)適用於提供薄的、清潔的外延半導體表面層的超高真空薄膜沉積室，(iv)超高真空晶圓翻轉室，(v)超高真空晶圓退火室，(vi)超高真空晶圓預對準工具，和(v)超高真空晶圓接合室，包括用於以超高旋轉和平移精度進行相互晶圓對準的裝置，該接合室可選地與晶圓握持室振動去耦合。用於濕化學品的模組和用於超高真空處理的模組可透過分開的真空隔絕室進入，並且藉由至少一個緩衝室連接，緩衝室設計成避免晶圓握持器中的機器人在晶圓轉移期間的交叉污染。
本發明的一個目的是提供一種生產系統和方法，用於半導體晶圓的共價，無氧化物和無顆粒的接合，其尺寸可達300mm。
本發明的一個目的是提供一種用於半導體晶圓的共價，無氧化物和顆粒的接合的生產系統，其尺寸最大為300mm，相互對準，具有100nm範圍的精度。
本發明的一個目的是提供一種用於具有不同熱膨脹係數的半導體的共價晶圓接合的生產系統和方法。
本發明的一個目的是提供一種用於共價的，無氧化物的半導體晶圓接合的生產系統和方法，其組合用於濕化學晶圓處理的模組和用於在單個機器中用於基於真空的晶圓處理的模組。
本發明的一個目的是提供一種用於共價半導體晶圓接合的生產系統和方法，其包括超高真空(ultra-high vacuum；UHV)相容環境，以保持所有清潔晶圓表面無氧化物。
本發明的一個目的是提供一種用於共價半導體晶圓接合的生產系統和方法，其能夠提供適合於CMOS相容溫度下的晶圓接合的清潔、低粗糙度的晶圓表面。
本發明的一個目的是提供一種用於共價半導體晶圓接合的生產系統和方法，其能夠在CMOS相容溫度下提供晶體接合界面。
本發明的一個目的是提供一種用於共價半導體晶圓接合的生產系統和方法，其能夠在CMOS相容溫度下以藉由界面缺陷態形成最小的不希望的電障壁提供接合界面。
本發明的一個目的是提供一種用於共價半導體晶圓接合的生產系統和方法，該系統和方法能夠以在接合界面處具有最小的不希望的電荷俘獲和復合在CMOS相容溫度下提供接合界面。
本發明的一個目的是提供一種用於模組化設計的共價半導體晶圓接合的生產系統，該生產系統易於維護並且保持無顆粒。
現在參考圖1，用於高至大約300mm尺寸的半導體晶圓的低溫共價接合的生產系統的第一實施例100由兩個連接部件101、部件102組成。第一部件101是具有模組的真空系統，所有模組都與超高真空處理相容。第二部件102是基本上在大氣壓下操作的具有設計用於濕化學或蒸汽處理的模組之系統。兩個部件都可藉由分開的真空隔絕室116、真空隔絕室160進入，並透過緩衝室140連接，其目的是避免交叉污染。
用於在UHV相容處理條件下的低溫共價晶圓接合的生產系統100的第一部件101包括中央晶圓握持器104，其具有能夠服務於經由UHV相容閘閥112附接的多個處理室的機器人108。對於平均尺寸的處理室，可以獲得約(2-5)×10-10 毫巴的UHV，例如使用Pfeiffer/Edwards的渦輪分子真空泵和Edwards渦旋乾式前級泵在150℃烘烤24小時後的組合。例如，使用Ti昇華泵、低溫泵或離子吸氣泵甚至可以實現10-10 -10-11 毫巴範圍內的較低壓力。中央晶圓握持器104可以是“可烘烤的”，較佳地達到約150°-200℃的溫度以除去水分並允許例如，藉由渦輪分子和低溫泵的組合，泵送至約10-8 毫巴或10-8 -5×10-9 毫巴的基礎壓力或甚至5×10-9 -10-10 毫巴。生產系統包括至少一個用於插入晶圓盒的真空隔絕室116，其配備有用於抽真空至約0-6 -10-7 毫巴或甚至小於10-7 毫巴的真空泵。至少一個真空隔絕室116可以可選地配備有用於晶圓脫氣的裝置，例如，在100°-200℃的溫度範圍內。生產系統100可以進一步包括一個或多個具有UHV範圍內的基礎壓力的處理室120、處理室120’，專用於去除晶圓的表面鈍化以暴露具有適合於共價半導體接合的反應性懸掛鍵的清潔半導體表面。例如，一個處理室120’可以是配備用於表面的可見光或UV雷射曝光的UHV雷射處理室，該雷射提供約2-10eV範圍內的光子能量，允許例如從Si或其他氫鈍化的半導體表面的光化學或光熱氫解吸(參見，例如，A. Pusel等，在Phys. Rev. Lett. 81, 645(1998)中，其全部公開內容在此引入作為參考)。雷射處理室120’可以配備有可旋轉的晶圓台和輔助加熱器，用於均勻加熱晶圓背部。晶圓表面溫度的控制可以由紅外溫度感測器提供。感測器可以安裝在傾斜模組上，允許測量從晶圓的中心和邊緣之間的任何點發射的紅外輻射。感測器與晶圓台的旋轉速度和提供給雷射的功率之間的反饋迴路可以提供晶圓上任何位置處的表面溫度的實時控制。
替代地，處理室可配備有低能電漿源。作為示例性示例，我們考慮配備有真空泵的電漿室120，其能夠提供5×10-9 -5×10-10 毫巴或甚至5×10-10 -5×10-11 毫巴的UHV基礎壓力。(還參見圖5的更詳細的實施例500)。電漿室120容納低能電漿源，其提供低於大多數固體材料的濺射閾值的離子能量，例如，約10-15eV。例如，電漿源可以是電感耦合電漿源，例如來自CCR Technology (www.ccrtechnology.de/products.php)的Copra DN250 CF電漿源，其可以用不同的放電氣體操作，例如作為H、N2 、He、Ar、Ne、Kr或其混合物。電漿室120可以容納能夠提供約10-20eV或甚至5-10eV範圍內的低能離子的任何電漿源。供應低能電漿源的氣體管線較佳全部配備有除去水和氧的痕跡的吸附過濾器，以及本領域已知的顆粒過濾器。電漿室120還配備有可旋轉的晶圓台，其可任選地被加熱到約100°-300℃的溫度。低能電漿源與可加熱晶圓台的組合提供了去除例如H-鈍化半導體表面的氫覆蓋的可能性，而不會在電漿處理過程中引起任何實質的表面非晶化或氣體粒子的注入。作為可加熱晶圓台的替代或補充，電漿室120可以配備用於晶圓表面的雷射加熱。雷射加熱可以例如藉由具有從可見光到UV的發射波長的陣列雷射二極體來實現，由於適當選擇的波長用於小的穿透深度而僅提供局部表面加熱。由此藉由旋轉晶圓台保證整個晶圓表面的雷射曝光。強UV雷射還可以將引入室120中的稀有氣體原子電離或促進到高度激發態，其能量在轉移到表面時可以進一步增強吸附氫的釋放。在該實施例的一個態樣中，用於電漿處理的室120和用於雷射處理的室120’可以存在作為連接到中心晶圓握持器104的分開室，從而提供更大的靈活性，例如用於去除不同半導體表面上的氫鈍化。
用於低溫共價晶圓接合的生產系統100的部件101還包括至少一個UHV接合室124，其基礎壓力在5×10-9 -5×10-10 毫巴的範圍內。較佳地，整個接合室的溫度控制在約0.5°-1℃，或較佳在0.1°-0.5℃之間，或甚至更佳在0.05°-0.1℃之內。接合室124可以可選地配備有晶圓對準系統，該晶圓對準系統允許晶圓對在接合之前以例如50-200nm的精度相互對準。接合室124可以藉由波紋管與晶圓握持器104振動地分離以促進精確的晶圓對準。晶圓對準系統可以例如包括基於共焦干涉感測器的光學視覺控制系統，以及例如由步進電動機或壓電馬達驅動的精確平移和旋轉機械平台，用於平移和旋轉精細定位。
下面將進一步介紹配備有超精密晶圓對準系統的接合室的實施例400，該系統易於擴展到300mm晶圓的接合。可選地，保持晶圓的接合夾頭可以加熱到約100°-300℃的溫度。然而，晶圓接合較佳在室溫下在約0和200kN之間的接合壓力下進行。接合的晶圓可以替代地在UHV退火室128中任選地退火，這可以在100°-400℃的溫度範圍內提供分批退火。替代地，退火室128可以配備用於直到最高溫度為約900℃的單晶圓退火。單晶圓退火可用於例如來自不存在任何熱預算問題的半導體晶圓的氫解吸，例如鈍化的Si或Ge晶圓，針對單晶圓退火，完全熱H-解吸分別需要至多600℃和400℃的溫度。
用於低溫共價晶圓接合的生產系統100的部件101可以進一步包括針對具有基礎壓力在5×10-9 -5×10-10 毫巴或甚至5×10-10 -5×10-11 毫巴的範圍內之晶圓對準UHV室132用於晶圓預對準。其中晶圓可以旋轉預先對準在約0.1-0.5°的精度內，並且平移到約50-200μm的範圍內。除非需要對準接合配對物上的小特徵，否則這種預對準對於大多數共價接合應用可能足夠準確。可選地，晶圓的預對準可以在握持器104中而不是分開的UHV室132中進行。
此外，用於低溫共價晶圓接合的生產系統100的部件101配備有泵送至基礎壓力在5×10-9 -5×10-10 毫巴或甚至5×10-10 -5×10-11 毫巴的範圍內的UHV翻轉室136。可能需要在室136中翻轉晶圓以使晶圓表面面對面地接合在接合室124中。
最後，用於低溫共價半導體晶圓接合的生產系統100的部件101可任選地包括UHV室138，其基礎壓力在約5×10-9 至5×10-10 毫巴或甚至5×10-10 至5×10-11 毫巴的範圍內，其可配備有用於薄膜沉積的裝置，例如在室溫至約800℃的基板溫度下的氫鈍化表面。對於溫度敏感的基板，例如經處理的CMOS晶圓，在室溫至約300℃之間的基板溫度下的厚度中的數個單層，非常薄的外延半導體膜的緩慢沉積可以是製備光滑，無氫結晶表面的替代方式，如果膜材料和氫之間的化學鍵弱於Si-H鍵，則適合於共價晶圓接合。例如，室138可以配備有可選地可旋轉的基板支架，除了基板加熱器和氣體管線和質量流量控制器以及低能量電漿源，其提供的離子能量在約10-20eV或甚至5-10eV的範圍內，適用於電漿輔助化學氣相沉積，用於例如1-4個單層Ge在極低溫度下外延生長至氫端接的矽表面上，例如在150℃和300℃之間，以及非常低的速率，例如，每分鐘5-20個單層(monolayers；ML)或甚至每分鐘0.1到5ML。替代地，室138可配備有蒸發器，例如電子束蒸發器或瀉流槽，例如用於以類似的低速率外延沉積Ge或其他半導體薄膜。在室溫和約150°-300℃之間的UHV中緩慢外延生長實際上可能是有利的，因為它允許更快的晶圓轉移，因為與基於氣相的技術相比，不需要泵送下到UHV。此外，沉積速率可以很容易地控制，因為它們與基板溫度無關，允許在單層體系中精確制定層厚度。低沉積速率是希望(或甚至必要)的，以使氫從鈍化的Si基板表面分離到生長的Ge膜的表面(參見，例如，T.Fujino等，Jpn.J.Appl。物理40，L1173 (2001)，其全部公開內容在此引入作為參考)。當Ge膜的厚度保持在4ML以下時，僅形成二維相關應變(即，與界面平行的晶格參數等於Si晶格參數的層)潤濕層，並且島的成核由關於Stranski-Krastanow機制的方法被抑制(參見，例如，M. Tomitori等，Appl. Surf. Sci.76/77, 322 (1994)，其全部公開內容在此引入作為參考)。由於氫在約300℃下從Ge表面解吸，因此可以在UHV的CMOS相容溫度下獲得無氫Ge表面(參見，例如，D. Dick等，J. Phys. Chem. C118, 482(2014)，其全部公開內容藉由引用結合於此)。替代地，在電漿室120中短時間暴露於低能電漿或接近室溫的雷射照射可足以提供無氫的結晶Ge表面。因此，本發明允許例如藉由在矽晶圓上外延生長的兩個非常薄的Ge薄膜之間形成Ge-Ge鍵，例如在UHV中共價接合兩個Si晶圓，而不需要藉由高能粒子進行任何表面轟擊。因為所得的Ge界面層具有至多約1奈米的厚度，對應於約8ML的Ge，或甚至基本上更小，使得電子可以容易地隧穿過。因此，超薄的、相關應變的外延Ge中間層對跨越接合界面的電荷載流子傳輸沒有任何顯著的阻力。因為預期Ge原子的較高遷移率導致在較低溫度下在接合界面處的原子重新排序到Si接口，兩個Ge端接的Si晶圓的接合代替直接的Si-Si接合具有更低的界面缺陷密度的進一步優點。因此，由於僅在高於約800℃的退火溫度下為Si界面形成的晶圓扭曲和傾斜引起的常規錯位網絡(參見例如T.Akatsu等人在J. Mater. Sci.39, 3031(2004)和A Reznicek等在MRS Symp. Proc. 681E，I4.4.1(2001)中，其全部公開內容藉由引用結合到本文中)被預期存在於已經處於接合狀態或在低至約300℃(參見例如S. Ke等人，J. Phys. D：Appl. Phys. 51, 265306(2018)，其全部公開內容在此引入作為參考)溫度下退火後的Ge界面處。這當然不意味著接合界面處的錯位網絡不影響電傳輸，而是藉由保持晶圓扭曲和傾斜小，可以使錯位密度最小化。
外延Ge中間層的使用不限於Si-Si接合，而是可以容易地應用於具有類似有益效果的其他材料的接合。一個例子是GaAs與Si接合，其還具有Ge和GaAs之間的晶格匹配的優點，因此GaAs上的Ge外延層無缺陷而與其厚度無關。作為超薄Ge層的緩慢外延生長的替代，可以在室138中外延生長另一個較佳晶格匹配的半導體層，實現例如與半導體-半導體鍵交換氫-半導體鍵的相同任務。在該實施例的一個態樣中，用於晶圓接合的生產系統的UHV部件102可以可選地配備有一個或多個包含表面分析工具的室，用於在晶圓接合之前進行原位晶圓檢查。這些工具可以例如包括用於表面粗糙度測量的原子力顯微鏡(atomic force microscope；AFM)，以及用於化學表面分析的X射線光電子光譜學(X-ray photoelectron spectroscopy；XPS)或歐傑電子能譜術(Auger electron spectroscopy；AES)工具的光譜儀。
用於低溫共價晶圓接合的生產系統100的第二部件102包括晶圓握持室144，與具有機器人148的晶圓握持器104相比，其可以具有更簡單的設計，例如，用於線性晶圓傳送。除了連接到中央握持器104的緩衝室140沒有之外並且除了處理室144沒有之外，部件102的模組設計用於在基本上處於大氣壓的乾燥惰性氣體氣氛中處理。惰性氣體可以例如包括高純度無氧和無水氮或氬。部件102配備有真空隔絕室160，用於引入承載晶圓的晶圓盒，以進行化學濕法清洗或蒸汽清洗。在盒裝載之後，可以將真空隔絕室160抽空到大約10-5 到10-6 毫巴的壓力，然後在大氣壓或接近大氣壓下填充高純度N2 或Ar。濕化學可以在一系列濕化學處理模組或室1561 -156n 中的至少一個中進行，較佳地由不銹鋼或聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)製成，這取決於內部使用的化學品。1561 -156n 的每個模組包含來自工具列表的至少一個工具，例如用於脫脂的模組1561 溶劑浴、用於晶圓浸漬的模組1562 酸浴(例如用於CAROS清潔)、用於SC1和SC2的模組1563 和1564 浴槽RCA晶圓清潔處理、用於藉由HF浸漬去除濕化學氧化物的模組1565 以及例如用於藉由HF蒸汽的替代氧化物去除步驟的室1566 ，以及用於去離子水沖洗和旋轉乾燥的室1567 。室1561 -156n 中的濕化學處理再次在高純度N2 或Ar氣氛中進行。較佳地，酸浴、去離子水沖洗和惰性氣體管線都配備有顆粒過濾器，確保所有晶圓表面的無顆粒處理。Si晶圓上的天然氧化物可以例如在模組1565 中藉由稀釋的2-5%HF水溶液蝕刻約15-60秒，隨後在模組1567 中藉由18MΩ去離子水旋轉沖洗，其中H-鈍化的Si表面形成在18MΩ去離子水上。對於其他半導體表面，不同的蝕刻劑可能更合適，例如，對於GaAs，1：1或HCl：H2 O更多的稀釋溶液。替代地，可以配備至少一個處理室，例如1566 ，用於藉由蝕刻氣體或蒸汽來清潔晶圓，例如，從HF/水溶液或無水HF氣體蒸發的HF(參見，例如，P.A.M van der Heide等)。在J. Vac. Sci. Technol. A 7, 1719(1989)中，其全部公開內容在此引入作為參考)。大氣壓模組1561 -156n 藉由特殊的耐腐蝕閘閥164與處理室144分開，可選地除了真空閘閥152之外。藉由耐腐蝕閥164封閉處理室1561 -156n 可以允許容易且安全地移除維修所有部件均在大氣壓或接近大氣壓下運行。從真空隔絕室160到處理模組1561 -156n 以及進一步到緩衝室140的晶圓轉移由機器人148執行。處理室144可選地可加熱到100°-200℃，並且較佳地配備有用於抽空的快速泵，壓力約為10-4 至10-6 毫巴。緩衝室140還可以配備有加熱台，允許晶圓加熱到約100°-200℃，例如藉由加熱燈。這可能有利於將室抽空到壓力為約10-7 至10-8 毫巴的高真空，例如，藉由無油預真空泵和渦輪分子泵的組合。因此，藉由以增加真空品質為特徵的一系列步驟實現從大氣壓室156n 到UHV晶圓握持器104的晶圓轉移。
本發明的用於半導體晶圓接合的生產系統具有模組化設計，便於維護操作，例如濕化學室1561 -156n 和真空隔絕室160可以安全地從真空系統101移除以進行維修。類似的易維護性適用於真空室116、真空室120、真空室120’、真空室124、真空室128、真空室132、真空室136、真空室140、真空室144，所有這些都可以藉助於專門設計的裝配/拆卸工具進行安裝和重新安裝，而無需破壞握持器104中的真空。
本發明的半導體晶圓接合的生產系統可以在計算機控制下完全自動操作。可選地，控制計算機提供遠端存取，例如，透過網際網路或遠端桌面。
現在參考圖2，用於高至大約300mm的半導體晶圓的低溫共價接合的生產系統的第二實施例200由兩個連接部件201、部件202組成，部件201、部件202都包含具有機器人208、機器人258的中央晶圓握持器204、中央晶圓握持器254。第一部件201是具有模組的真空系統，所有模組都與超高真空處理相容，並且經由UHV相容閘閥212與中央握持器204連接。第二部件202是基本上在大氣壓下操作的系統，其中模組設計用於濕化學或蒸汽處理。這兩個部件透過緩衝室240連接，其目的是避免交叉污染。此外，兩個部件都可透過分開的真空隔絕室216、真空隔絕室260進入。與包括部件102中的線性晶圓傳送的實施例100相比，實施例200具有更容易和更快的晶圓處理的優點。然而，室及其目的基本上類似於實施例100和實施例200，這就是為什麼它們不會以同樣詳細的形式描述的原因。因此，真空系統201包含電漿處理室220，較佳地配備有可任選地被加熱到約100°-300℃的溫度以更容易地去除晶圓表面上存在的氫鈍化之可旋轉的晶圓台。替代地，處理室220’可以是配備用於表面的UV雷射曝光的UHV雷射處理室，該雷射提供約2-10eV範圍內的光子能量，允許從鈍化的半導體表面之光化學或光熱氫解吸。雷射處理室220’可以配備有可旋轉的晶圓台和輔助加熱器，用於均勻加熱晶圓背部。晶圓表面溫度的控制可以由紅外溫度感測器提供。感測器可以安裝在傾斜模組上，允許從待測量晶圓的中心和邊緣之間的任何點發射的紅外輻射。感測器與晶圓台的旋轉速度和雷射功率之間的反饋迴路可以提供晶圓上任何位置處的表面溫度的實時控制。
在實施例的一個態樣，室220、室220’可以存在作為連接到中央握持器204的兩個分開的室，一個用於電漿處理而另一個用於雷射處理，允許更大的靈活性，例如用於從不同的半導體表面去除氫鈍化。用於低溫共價晶圓接合的生產系統200還包括至少一個配備有晶圓對準系統的UHV接合室224，該晶圓對準系統允許晶圓對在接合之前以例如50-200nm的精度相互對準。較佳地，整個接合室224的溫度控制在約0.5°-1℃，或較佳地在0.1°-0.5℃之間，或甚至更較佳地在0.05°-0.1℃之內。此外，接合室224可以藉由波紋管與晶圓握持器204振動地分離以促進精確的晶圓對準。下面將進一步介紹容易擴展到300mm晶圓的接合之晶圓對準系統的實施例400。用於低溫共價晶圓接合的生產系統200的部件201可以進一步包括晶圓對準UHV室232，用於晶圓預對準。其中晶圓可以旋轉預先對準在約0.1-0.5°的精度內，並且平移到約50-200μm的範圍內。除非需要對準接合配對物上的小特徵，否則這種預對準對於大多數共價接合應用可能足夠準確。可選地，晶圓的預對準可以在握持器204中而不是分開的UHV室232中進行。除了UHV晶圓翻轉室236和薄膜沉積室238之外，配備有基板加熱器和用於電漿輔助CVD或者對於類似於室138的UHV中的薄膜沉積的工具之UHV真空系統201可以可選地包括額外的室，例如用於後接合退火的退火室228或用於預先接合單晶圓退火直至最高溫度為約900℃的室。單晶圓退火可用於例如來自不存在任何熱預算問題的半導體晶圓的氫解吸，例如鈍化的Si或Ge晶圓，針對單晶圓退火，完全熱H-解吸分別需要至多600℃和400℃的溫度。
可選地，用於低溫共價半導體晶圓接合的生產系統的UHV部件201還可以配備有基本壓力較佳在1×10-11 至5×10-11 毫巴範圍內的晶圓儲存室，允許從基本上大氣壓力部件202轉移的氫鈍化晶圓被儲存延長的時間段(舉例來說，例如一天)。這樣的室可以充當緩衝器以促進需要不同處理時間的過程的同步，以便整體上增加晶圓接合系統200的吞吐量。
用於晶圓接合的生產系統的部件202包含佈置在配備有機器人258的中央握持器254周圍的一系列處理模組。晶圓透過真空隔絕室260引入，真空隔絕室260藉由閘閥262與中央握持器254連接並轉移到一系列模組2561 …256n 中。模組2561 …256n 設計用於濕式化學和/或氣相清潔，所有這些都透過耐腐蝕的閘閥264連接到中央握持器254。室2561 可以是配備有用於對晶圓進行脫脂的溶劑浴的室，室2562 例如可以是配備有用於對於CAROS清潔的室，室2563 和室2564 可以是配備有用於對於SC1和SC2步驟的公知RCA清潔的室，室2565 可以是配備有用於對於藉由HF浸漬去除濕化學氧化物的室，並且例如室2566 可以是配備有對於藉由HF蒸氣替代氧化物去除步驟的室，和室2567 可以是配備有對於去離子水沖洗和旋轉乾燥的室。可選的室270可以例如用作來自藉由真空隔絕室260引入的盒子的晶圓的儲存室。室270透過閘閥262連接到中央握持器254，可以任選地抽空和/或填充惰性氣體氣氛。大氣壓力部件202藉由緩衝室250與UHV部件201分離或較佳藉由兩個緩衝室240、緩衝室250與UHV部件201分離，其中緩衝室240、緩衝室250從大氣壓連續泵送到UHV，以避免大氣壓和UHV部件之間的交叉污染。
現在參考圖3，用於高至大約300mm的半導體晶圓的低溫共價接合的生產系統的第三實施例300由兩個分開的部件301、部件302組成，兩個部件301、302都包含具有機器人308、機器人358的中央晶圓握持器304、中央晶圓握持器354。第一部件301是具有模組的真空系統，所有模組都與超高真空處理相容。第二部件302是基本上在大氣壓下操作的系統，具有設計用於濕化學或蒸汽處理的模組。這兩個部件通常是斷開連接的，並藉由可以連接到第二部件302的真空隔絕室360或用作該系統上的第二真空隔絕室之部件301的緩衝室340之UHV箱372進行通訊。此外，部件301可透過真空隔絕室316進入。與實施例100、實施例200相比，實施例300具有更容易維修的優點，因為大氣壓和UHV部件通常是分開的。然而，室及其目的對於實施例200和300基本相似，這就是為什麼它們不會以同樣詳細的形式描述的原因。因此，真空系統301包含電漿處理室320，較佳地配備有可旋轉的晶圓台，其可以任選地被加熱到約100°-800℃的溫度，以更容易地去除晶圓表面上存在的氫鈍化。替代地，處理室320’可以是配備用於表面的UV雷射曝光的UHV雷射處理室，該雷射提供約2-10eV的光子能量，允許光化學或光熱氫從鈍化的半導體表面解吸。雷射處理室320’可以配備有可旋轉的晶圓台和輔助加熱器，用於均勻加熱晶圓背部。晶圓表面溫度的控制可以由紅外溫度感測器提供。感測器可以安裝在傾斜模組上，允許測量從晶圓的中心和邊緣之間的任何點發射的紅外輻射。感測器與晶圓台的旋轉速度和雷射功率之間的反饋迴路可以提供晶圓上任何位置處的表面溫度的實時控制。
在實施例的一個態樣，室320、室320’可以作為連接到中央握持器304的兩個分開的室存在，一個用於電漿處理，另一個用於雷射處理，允許更大的靈活性，例如用於去除氫鈍化從不同的半導體表面。用於低溫共價晶圓接合的生產系統300還包括至少一個配備有晶圓對準系統的UHV接合室324，該晶圓對準系統允許晶圓對在接合之前以例如50-200nm的精度相互對準。較佳地，整個接合室324的溫度控制在約0.5°-1℃，或較佳地在0.1°-0.5℃之內，或甚至更較佳地在0.05°-0.1℃之內。此外，接合室324可以藉由波紋管與晶圓握持器304振動地分離，以促進精確的晶圓對準。下面將介紹晶圓對準系統的實施例400，該系統易於擴展到300mm晶圓的接合。用於低溫共價晶圓接合的生產系統300的部件301可以進一步包括用於晶圓預對準的晶圓對準UHV室332。其中晶圓可以旋轉預對準至約0.1-1°的精度，並且平移至約50-200μm。除非需要對準接合配對物上的小特徵，否則這種預對準對於大多數共價接合應用可能足夠準確。可選地，晶圓的預對準可以在握持器304中而不是分開的UHV室332中進行。除了UHV晶圓翻轉室336和薄膜沉積室338之外，配備有基板加熱器和用於電漿輔助CVD或者對於類似於室138的UHV中的薄膜沉積的工具之UHV真空系統301可以可選地包括額外的室，例如用於後接合退火的退火室328或用於預先接合單晶圓退火直至最高溫度為約900℃的室。單晶圓退火可用於例如來自不存在任何熱預算問題的半導體晶圓的氫解吸，例如鈍化的Si或Ge晶圓，針對單晶圓退火，完全熱H-解吸分別需要至多600℃和400℃的溫度。
可選地，用於低溫共價半導體晶圓接合的生產系統的UHV部件301還可以配備有晶圓儲存室，其基礎壓力較佳地在1×10-11 至5×10-11 毫巴的範圍內，允許藉由UHV箱372從基本上大氣壓力部件302轉移的氫鈍化晶圓被儲存延長的時間段(例如，如一天)。這樣的室可以充當緩衝器以促進需要不同處理時間的處理的同步，以便整體上增加晶圓接合系統300的吞吐量。
用於晶圓接合的生產系統的部件302包含圍繞配備有機器人358的中央握持器354佈置的一系列處理模組。晶圓透過真空隔絕室360引入並被轉移到設計用於濕化學品和/或氣相清潔的一系列模組3561 …356n 中，並經由耐腐蝕閘閥364連接到中央握持器254。室3561 可以是配備有用於晶圓脫脂的溶劑浴的室，室2562 ，例如用於CAROS清潔，室3563 和3564 用於SC1和SC2步驟是眾所周知的RCA清洗，室3565 用於藉由HF浸漬去除濕化學氧化物，例如室3566 用於藉由HF蒸汽替代氧化物去除步驟，以及室2567 用於去離子水沖洗和旋轉乾燥。可選的，室370可以例如用作來自透過真空隔絕室360引入的盒的晶圓的儲存室。可選地，在維修之後，部件302可以例如透過穿過UHV閘閥312、閘閥362連接的緩衝室340、室350連接到部件301，在此之後，實施例300的接合系統可以與實施例200的接合系統相同。
現在參考圖4A，實施例400，接合室404的壁406基本上由焊接金屬製成或由整體塊加工而成，並且溫度穩定在約0.5°-1℃，或較佳地在0.1°-0.5℃之內，或甚至更較佳地在0.05°-0.1℃之間。室壁406的加熱藉由幾個均勻分佈在其主體上的加熱筒408來實現，以保證均勻的溫度控制。溫度由溫度感測器410控制和測量，溫度感測器410的數量至少等於加熱筒408的數量。可選地，室404可以例如藉由矩形波紋管與握持器104、握持器204、握持器304振動地分離。UHV閘閥412佈置在金屬塊的主體上，使得其可以在不需要將接合室從中央握持器104、握持器204、握持器304分離的情況下進行維修。
在預對準工具132、工具232、工具332中預先對準晶圓並引入到接合室404中之後，晶圓被拾取並藉由銷426放置到靜電夾頭或夾頭模組430、模組440上，其可選地包括整合的主動加熱和/或冷卻。在啟動靜電夾頭之後，保持晶圓牢固固定，在對準程式開始之前縮回銷426。
接合室404配備有小電活塞416形式的致動器，其與晶圓對準系統的中心軸線對齊。一組至少三個活塞420形式的致動器對稱地佈置在距中心活塞416相等的距離處(也參見圖4B中的室404的頂視圖403)。所有活塞的殼體牢固地安裝在剛性板424上。活塞在超精密軸中移動，並且可以由選自多個電動機的電動機驅動，例如步進電動機、DC電動機、線性電動機、無刷DC電動機等。它們透過在上靜電吸盤模組430上移動波紋管432起作用，使其保持精確地平行於底部靜電吸盤模組440。一旦晶圓接觸，電動機允許並行控制和施加所需的接合壓力。對於活塞的線性運動，較佳使用高精度的反向行星滾柱絲槓軸，例如由Schaeffler(www.schaeffler.com)和RollvisSwiss(www.rollvis.com)製造。例如，對於20毫米的軸，螺釘的螺距為1.35毫米。因此，對於每個角度旋轉，軸移動3.75μm。藉由附加的齒輪箱，例如提供100的齒輪比，因此可以實現37.5nm的解析度。Harmonic Drive LLC(www.harmonicdrive.net)在他們的產品組合中有一個解析度為160nm的線性執行器。為了控制平行度，在室406的頂板407上安裝兩組共焦干涉感測器。共焦干涉感測器提供數十nm範圍內的解析度，例如Micro-Epsilon在其產品範圍(www.micro-epsilon.com)中所宣稱的16nm解析度。第一組至少三個內部感測器438用於在朝向底部夾頭模組440下降期間保持頂部夾頭模組水平並平行於室406的蓋子407。第二組至少三個外部感測器434用於超級精確地將上部夾頭模組430平行對準到底部夾頭模組440，一旦它們靠近。底部靜電吸盤模組安裝在平移台442上，平移台442可以分別藉由高精度機械致動器446和致動器448在x和y方向上平移±2mm。在圖4C的室404的底視圖405中更詳細地示出了平移台442。此外，平台442可以圍繞中心旋轉軸450整體旋轉。根據本發明，保持頂部和底部晶圓平行並確保旋轉和平移對準所需的所有高精度機構因此定位在UHV環境之外，使得維護非常容易。
類似於垂直晶圓對準，旋轉和平移晶圓對準再次由共焦干涉感測器443控制。這些感測器安裝在一組至少兩個可旋轉和可平移的致動器444上，藉由致動器444可以將它們移動到如圖4A所示晶圓之間的測量位置中或在最終接近晶圓以進行接合之前(圖4D)到原始位置。該組至少兩個致動器中的致動器444較佳地定位在夾頭模組430、模組440的相對側上，以允許感測器443分別在上部晶圓441和下部晶圓445(圖4E)的相對極端上找到對準特徵470、特徵472和特徵490、特徵492，所有這些特徵都是相同的。致動器444每個包括掃描單元，例如壓電致動器，一旦感測器443已經旋轉到它們的測量位置，允許它們在坐標系統482、系統486中沿x-y方向掃描。感測器可以例如包括具有光柵的光纖、透鏡和用於90°垂直光束偏轉的棱鏡。在感測器443中包含兩個這樣的組，一組用於向上聚焦的光束460，另一組用於向下聚焦的光束464，它們相對於彼此沿垂直軸(垂直於晶圓平面)精確對準。較佳地，與垂直方向的偏差保持在約10-4 至10-3 角度範圍內。在平行對準之後，晶圓可以分開約8至20mm範圍內的距離，足以將感測器443分別移動到底部晶圓445上方和上部晶圓441下方約2.7mm的測量位置。
在次100nm範圍內精確晶圓對準所需的全部是在兩個晶圓周邊的一些對準特徵470、特徵472、特徵490、特徵492，用於反射的聚焦光束提供對比度(圖4D，圖4E)。這可能是由於表面輪廓造成的對比，例如由不同深度的溝槽474、溝槽476引起，或者較佳地由材料對比(例如氧化物/半導體)引起，後者與待接合的平坦化晶圓相容。藉由在xy方向上的上部晶圓441的兩個極端上的第一掃描感測器443來完成對準，以在上部晶圓441上找到並成像對準特徵470、特徵472。一旦對準特徵470、特徵472被識別和成像，這允許向上聚焦的光束460從初始隨機位置483和位置487移動到精確地移動到對準特徵470、特徵472的中心484、中心488、中心471、中心473(圖4E)。在光束460對中之後，感測器443保持靜止，同時使晶圓445底部上的相應特徵490、特徵492重合。後者藉由圍繞軸450啟動平台442旋轉來實現。藉由旋轉掃描底部晶圓445上的對準特徵490、特徵492，可以藉由向下聚焦的光束464識別更深的溝槽474，從而產生溝槽輪廓的影像，允許對準特徵490、特徵492與上部晶圓441上的對應特徵470、特徵472旋轉對準。因此，上部晶圓和底部晶圓的溝槽例如沿坐標系統498的x軸對齊(圖4E)。光束464精確定位到底部晶圓445上的對準特徵490、特徵492的中心491、中心493中是藉由在坐標系498的xy方向上用機械致動器446、致動器448掃描平台442來執行的。由此產生的影像有助於定位對準特徵490、特徵492的坐標允許致動器446、致動器448將向下聚焦的光束646精確地移動到特徵中心491、中心493(圖4C，E)。
在所有旋轉和平移運動期間，晶圓藉由致動活塞420永久保持平行。在完成對準之後，感測器443旋轉到原始位置。最終晶圓方法在從晶圓平行度的任何偏差的永久補償期間發生，直到中心活塞416可被致動以在晶圓初始接觸之後開始接合波。此後，為了施加均勻分佈在晶圓上的恆定壓力，致動器420在扭矩控制下操作。可選地，附加的光學相機可以促進處理晶圓對準。此外，透過室406中的窗口接近夾頭模組430、模組440的一個或多個雷射干涉儀可以提供絕對對準參考點，例如由於熱不均勻性而校正任何不期望的內部運動。在施加由致動器420施加的接合力期間的任何室變形可以藉由分佈在室406上的壓力計來監測。
本發明的一個優點是晶圓對準不需要紅外透明度。相比之下，任何可接合晶圓無論其性質如何都可用於所述方法中。
現在參考圖5，電漿處理室504的實施例500基本上由焊接金屬製成或由整體塊506機械加工而成。UHV閘閥512佈置在金屬塊的主體上，使得它可以在不需要從中央握持器104、握持器204、握持器304拆卸接合室的情況下進行維修。較佳地，電漿處理室504由渦輪分子泵514泵送。安裝在電漿室504的頂板508上的低能電漿源516可以是例如電感耦合的電漿源，其可以是用不同的放電氣體操作，例如H、N2 、He、Ar、Ne、Kr或其混合物。更一般地，電漿源516可以是能夠提供約10-20eV或甚至5-10eV範圍內的低能離子的任何電漿源，適合於除氫但足夠溫和以避免處理過的晶圓的表面非晶化。供應低能電漿源的氣體管線較佳全部配備有除去水和氧的痕跡的吸附過濾器，以及本領域已知的顆粒過濾器。電漿室504還配備有整合模組530，該整合模組530配備用於藉由加熱器520從晶圓528後面輻射加熱晶圓528至溫度為約100°-300℃，晶圓528放置在托架526上。晶圓528的加熱進一步降低了在電漿處理過程中表面非晶化和/或氣體顆粒植入的可能性。外圍隔熱罩522和底部隔熱罩524增強了溫度均勻性和向晶圓528的熱傳遞。除了容納加熱器520和罩522、罩524之外，整合模組530包含用於將晶圓528提升到外圍隔熱罩522的水平之上的機構，使得它可以很容易地被機器人108、機器人208、機器人308拾取並傳送到晶圓握持器104、握持器204、握持器304。整合模組530還藉由用於將托架526旋轉到大約100rpm的速度的機構提供晶圓528的均勻電漿曝露。可選地，整合模組530還包括用於晶圓傾斜的機構。電漿室504還配備有遠端雷射加熱模組540，其具有不同的光束扇區542，其可以獨立供電，提供強烈的雷射照射以增加晶圓528的表面溫度，或藉由直接光化學反應促進氫解吸。藉由模組540的雷射照射可以例如藉由可見光或UV雷射二極體陣列來實現，該可見光或UV雷射二極體陣列適於僅藉由適當選擇的波長提供局部表面加熱以實現小的穿透深度。例如，對應於綠色和遠紫外(λ[µm]= 1.24/Eph [eV])之間的波長λ，對於在約2.5和10eV之間的矽光子能量Eph 適合於旋轉晶圓528的局部表面加熱。因此，藉由旋轉晶圓台保證整個晶圓表面的雷射曝光。晶圓528的局部表面溫度的控制由溫度感測器544提供。感測器544安裝在傾斜模組532上，借助於該傾斜模組532，可以測量從晶圓528的中心和邊緣之間的任何徑向距離發射的紅外輻射546。感測器544之間的反饋迴路、托架526的旋轉速度和施加到雷射模組540的不同光束扇區542的功率可以提供晶圓528上的任何位置處的表面溫度的實時控制。
現在參考圖6，用於共價無氧化物半導體接合的處理順序的第一實施例600可以包括以下步驟，其中一些步驟的順序可以任選地互換和/或同時進行。在步驟601中，將至少一個晶圓盒裝入真空隔絕室160、真空隔絕室260、真空隔絕室360中。可選地，然後可以在充滿大氣壓或接近大氣壓的惰性氣體氣氛之前抽空真空隔絕室160、真空隔絕室260、真空隔絕室360。在步驟6021 中，藉由機器人148、機器人258、機器人358從晶圓盒拾取第一晶圓#1並將其轉移到處理模組1561 、模組2561 、模組3561 中，其中它可以例如被脫脂。然後，晶圓#1經歷許多額外的清潔步驟6022 、步驟6023 、......步驟602n ，取決於生產系統100、系統200、系統300的部件102、部件202、部件302中存在的用於晶圓接合的清潔模組的數量n。這些步驟可以例如包括眾所周知的RCA晶圓清潔處理的SC1和SC2步驟，用於從晶圓表面去除金屬和其他污染物。在步驟602n-1 中，取決於半導體材料晶圓#1由何製造，後者可以藉由模組156n-1 、模組256n-1 、模組356n-1 中的專用化學蝕刻劑進行液體或氣體蝕刻和鈍化。濕化學表面清潔可以包括用HCl蝕刻或稀釋HF，或然後用去離子(deionized；DI)水沖洗。Si晶圓上的天然氧化物可以例如藉由在稀HF溶液(例如，5%水溶液)中蝕刻15-60秒來除去，然後旋轉沖洗乾燥。替代地，Si晶圓上的天然氧化物可以藉由HF氣體蝕刻從穩定在例如25℃的溫度的HF/H2 O中除去。該方法顯示出非常有效地除去存在於SiO2 /Si界面的任何亞氧化物(參見，例如，P.A.M van der Heide等人，J. Vac. Sci. Technol.A 7, 1719 (1989)，其全部公開內容在此引入作為參考)。本發明的一個優點是液態和氣態HF蝕刻都是在惰性氮氣或氬氣氛下進行的，並且在焊接工具的UHV部件中加工之前，清潔的半導體表面從來不必暴露在空氣中。這排除了表面的任何不希望的再氧化。處理模組156n-1 、模組256n-1 、模組356n-1 中的最終可選步驟602n 可以由具有兆聲波攪拌的去離子水沖洗組成，用於顆粒去除和旋轉乾燥。在步驟603中，藉由機器人148、機器人258或藉由UHV箱372將晶圓#1傳送到接合工具的UHV部件。在實施例100和實施例200中，第一晶圓#1分別進入晶圓握持室144或附加緩衝室250，在關閉閘閥152、閘閥252之後將其快速泵送至10-4 至10-6 毫巴。然後將晶圓#1轉移至緩衝室140、緩衝室240，其中可任選地將其加熱至約100°-200℃，便於將該室泵送到壓力約為10-8 毫巴的高真空，最後到中央晶圓握持器104、握持器204。替代地，在實施例300中，將晶圓#1裝載到真空隔絕室定360，其在關閉閘閥362之後被快速泵送到10-4 至10-6 毫巴。然後將晶圓#1轉移到UHV箱372，其在泵送到至少10-8 毫巴之後，可以在轉移到握持器304之前將其轉移到緩衝室340。同時，在步驟6041 中，晶圓#2藉由機器人148、機器人258、機器人358從真空隔絕室160、真空隔絕室260、真空隔絕室360中的晶圓盒拾取並轉移到處理模組1561 、模組2561 、模組3561 中，其中它可以例如被脫脂。然後，如果晶圓#1、晶圓#2兩者由相同的半導體材料製成，則晶圓#2經歷如晶圓#1的那些相同的清潔步驟6042 、步驟6043 、…步驟604n ，包括氧化物去除和去離子水沖洗/旋轉乾燥。替代地，在兩個晶圓的組成不同的情況下，可以使用不同的蝕刻劑。在步驟605中，藉由機器人108、機器人208、機器人308將晶圓#1轉移到UHV雷射處理室120’、室220’、室320’或電漿處理室120、室220、室320。可以在步驟606中去除表面鈍化，在許多方式中，取決於室120、室220、室320、室120’、室220’、室320’所配備的方式，並且取決於半導體材料，晶圓#1由何製成。去除表面鈍化可以包括低能量電漿曝露，任選地將晶圓保持在高溫下，例如在100℃-200℃的溫度範圍內，或者在低熱預算需求的情況下保持200℃-300℃，例如，對於CMOS處理的晶圓。較不精細的晶圓可能在300℃-400℃甚至更高的較高溫度下經受電漿曝露。除了電漿中的低能離子的表面轟擊之外或代替表面轟擊，晶圓#1可以經受具有低穿透深度的光，從而僅向半導體表面提供能量。例如，對於矽，可以採用綠光、藍光或UV光，例如藉由用高功率LED或半導體雷射或其他雷射照射表面。在該實施例的較佳態樣中，晶圓在電漿曝露和/或光照射期間旋轉。以低能量離子轟擊為例，例如，藉由CCR技術的電感耦合Copra DN250 CF電漿源，在對於室壓力為2.4×10-3 毫巴的12-15eV的範圍中且在基板和電漿源孔之間約為25厘米的距離，可以獲得近似單能量的氬離子或氖離子。例如，這允許消除Si表面上的鈍化表面氫而沒有非晶化的風險。在步驟607中，將晶圓#1轉移到預對準工具132、工具232、工具332，其中它可以旋轉預對準到約0.1-1°的精度，並且平移到約50-200μm。在隨後的步驟608中，將晶圓#1轉移到接合室124、室224、室324、室404，例如轉移到接合工具的下部夾頭上。同時，在步驟609中，藉由機器人148、機器人258或藉由UHV箱372將晶圓#2傳送到接合工具的UHV部件。在實施例100和實施例200中，第二晶圓#2分別進入晶圓握持室144或附加緩衝器室250，其在閘閥152、閘閥252關閉後快速泵送到10-4 至10-6 毫巴。然後將晶圓#2轉移至緩衝室140、緩衝室240，其中可任選地將其加熱至約100°-200℃，便於將該室泵送到壓力約為10-8 毫巴的高真空，最後到中心晶圓握持器104、握持器204。替代地，在實施例300中，將晶圓#2加載到真空隔絕室定360，在關閉閘閥362之後將其快速泵送至10-4 至10-6 毫巴。然後將晶圓#2轉移至UHV箱372，其在泵送到至少10-8 毫巴之後可在轉移至處理器304之前停靠在緩衝室340處。在步驟609中，由機器人108、機器人208、機器人308將晶圓#2轉移到UHV雷射處理室120’、室220’、室320’或電漿處理室120、室220、室320中進行。步驟611中的表面鈍化的去除可以以多種方式發生，取決於室120、室220、室320、室120’、室220’、室320’裝配的方式並且取決於晶圓#2是由何材料所製成。去除表面鈍化可以包括低能量電漿曝露，任選地將晶圓保持在高溫下，例如在100℃-200℃的溫度範圍內，或者在低熱預算需求的情況下保持200℃-300℃，例如，對於CMOS處理的晶圓。較不精細的晶圓可能在300℃-400℃甚至更高的較高溫度下經受電漿曝露。除了電漿中的低能離子的表面轟擊之外或代替表面轟擊，晶圓#1可以經受具有低穿透深度的光，從而僅向半導體表面提供能量。例如，對於矽，可以採用綠光、藍光或UV光，例如藉由用高功率LED或半導體雷射或其他雷射照射表面。在該實施例的較佳態樣中，晶圓在電漿曝露和/或光照射期間旋轉。以低能量離子轟擊為例，例如，藉由CCR技術的電感耦合Copra DN250 CF電漿源，在對於室壓力為2.4×10-3 毫巴的12-15eV的範圍中且在基板和電漿源孔之間約為25厘米的距離，可以獲得近似單能量的氬離子或氖離子。例如，這允許消除Si表面上的鈍化表面氫而沒有非晶化的風險。在步驟612中，將晶圓#2轉移到翻轉室136、室236、室336，其中晶圓#2在翻轉室136、室236、室336中翻轉，以使清潔表面在隨後的接合處理中面對晶圓#1的清潔表面。在步驟613中，將晶圓#2轉移到預對準工具132、工具232、工具332，其中它可以旋轉預對準到約0.1-1°的精度，並且平移到約50-200μm。在隨後的步驟614中，將晶圓#2轉移到接合室124、室224、室324、室404，例如轉移到接合工具的上部夾頭上。在步驟615中，晶圓#1精確地對準晶圓#2並且在隨後的步驟616中共價接合到接合室124、室224、室324、室404中的晶圓#2。在不需要高精度晶圓對準的情況下，接合處理在工具132、工具232、工具332中預先對準的晶圓上，在室溫下，或者在100-300℃的溫度範圍內，可以直接且較佳地進行，或替代地可以在100-300℃的溫度範圍內進行。對於高精度對準，兩個晶圓上的光學標記必須藉由使用由接合室404的致動器提供的高精度平移和旋轉運動使其重合。接合壓力可以在例如約0和100kN之間的範圍內。可選地，在步驟617中，可以將接合的晶圓對轉移到退火室128、室228、室328，其中可以將其退火到100°-800℃之內一段規定的時間。在最後的步驟618中，將接合的晶圓對轉移到生產系統100、系統200、系統300的真空隔絕室116、真空隔絕室216、真空隔絕室316中的晶圓盒。
現在參考圖7，用於共價無氧化物半導體接合的處理順序的第二實施例700可以包括以下步驟，其中一些步驟的順序可以任選地互換和/或同時進行。在步驟701中，將至少一個晶圓盒裝入真空隔絕室160、真空隔絕室260、真空隔絕室360中。可選地，然後可以在充滿大氣壓或接近大氣壓的惰性氣體氣氛之前抽空真空隔絕室160、真空隔絕室260、真空隔絕室360。在步驟7021 中，藉由機器人148、機器人258、機器人358從晶圓盒拾取第一晶圓#1並將第一晶圓#1轉移到清潔模組1561 、模組2561 、模組3561 中，其中它可以例如被脫脂。然後，晶圓#1經歷許多額外的清潔步驟7022 、步驟7023 、…步驟702n-2 ，取決於生產系統100、系統200、系統300的部件102、部件202、部件302中存在的用於晶圓接合的清潔模組的數量n。這些步驟可以例如包括眾所周知的RCA晶圓清潔處理的SC1和SC2步驟，用於從晶圓表面去除金屬和其他污染物。在步驟702n-1 中，取決於半導體材料晶圓#1由何製造，後者可以藉由模組156n-1 、模組256n-1 、模組356n-1 中的專用化學蝕刻劑進行液體或氣體蝕刻和鈍化。濕化學表面清潔可以包括用HCl蝕刻或稀釋HF，或然後用去離子(deionized；DI)水沖洗。Si晶圓上的天然氧化物可以例如藉由在稀HF溶液(例如，5%水溶液)中蝕刻15-60秒來除去，然後旋轉沖洗乾燥。替代地，Si晶圓上的天然氧化物可以藉由HF氣體蝕刻從穩定在例如25℃的溫度的HF/H2 O中除去。該方法顯示出非常有效地除去存在於SiO2 /Si界面的任何亞氧化物(參見，例如，P.A.M van der Heide等人，J.Vac.Sci.Technol.A 7, 1719 (1989)，其全部公開內容在此引入作為參考)。本發明的一個優點是液態和氣態HF蝕刻都是在惰性氮氣或氬氣氛下進行的，並且在焊接工具的UHV部件中加工之前，清潔的半導體表面從來不必暴露在空氣中。這排除了表面的任何不希望的再氧化。處理模組156n 、模組256n 、模組356n 中的最終可選步驟702n 可以由具有兆聲波攪拌的去離子水沖洗組成，用於顆粒去除和旋轉乾燥。在步驟703中，藉由機器人148、機器人258或藉由UHV箱372將晶圓#1傳送到接合工具的UHV部件。在實施例100和實施例200中，第一晶圓#1分別進入晶圓握持室144或附加緩衝室250，在關閉閘閥152、閘閥252之後將其快速泵送至10-4 至10-6 毫巴。然後將晶圓#1轉移至緩衝室140、緩衝室240，其中可任選地將其加熱至約100°-200℃，便於將該室泵送到壓力約為10-8 毫巴的高真空，最後到中央晶圓握持器104、握持器204。替代地，在實施例300中，將晶圓#2裝載到真空隔絕室定360，其在關閉閘閥362之後被快速泵送到10-4 至10-6 毫巴。然後將晶圓#2轉移到UHV箱372，其在泵送到至少10-8 毫巴之後，可以在轉移到握持器304之前將其轉移到緩衝室340。同時，在步驟7041 中，晶圓#2藉由機器人148、機器人258、機器人358從真空隔絕室160、真空隔絕室260、真空隔絕室360中的晶圓盒拾取並轉移到處理模組1561 、模組2561 、模組3561 中，其中它可以例如被脫脂。然後，如果晶圓#1、晶圓#2兩者由相同的半導體材料製成，則晶圓#2經歷如晶圓#1的那些相同的清潔步驟7042 、步驟7043 、…步驟704n ，包括氧化物去除和去離子水沖洗/旋轉乾燥。替代地，在兩個晶圓的組成不同的情況下，可以使用不同的蝕刻劑。在步驟705中，藉由機器人108、機器人208、機器人308將晶圓#1轉移到薄膜沉積室138、室238、室338。在室138、室238、室338中，晶圓#1的表面被修改以使其準備好用於共價半導體接合，針對此表面必須清潔，即無氫和無氧。在室138、室238、室338中配備有用於薄膜生長的蒸發器而不是氣體管線的情況下，可以在轉移到沉積室138、室238、室338之前，可選地將晶圓#1轉移到在其中上下顛倒的晶圓翻轉室136、室236、室336。室138、室238、室338中的基礎壓力在10­-9 至10-10 或更低的範圍內，並且在150℃和200℃之間的溫度下藉由室脫氣保證可忽略的水分壓。在步驟706中，H-鈍化的Si表面可以例如藉由以5-20ML/min或甚至0.1-5ML/min的低速率外延沉積2至4ML的Ge而轉變成無氫Ge表面，並且在CMOS相容溫度下，例如，在150°-300℃之間。在足夠低的沉積速率下，人們期望交換反應，由此吸附在Si表面上的氫遷移到Ge表面。與鈍化的Si表面相比，其必須被加熱到550℃以上以使它們不含H，較弱的Ge-H鍵允許在約300℃的溫度下從Ge表面完全H-解吸，例如，300℃-350℃或甚至290℃-320℃。在步驟707中，將清潔的無氫晶圓#1轉移到預對準工具132、工具232、工具332，在該預對準工具132、工具232、工具332中，其旋轉預對準到約0.1-1°的精度，並且平移到約50-200微米之內。在步驟708中，將晶圓#1轉移到接合室124、室224、室324、室404，例如轉移到接合工具的下部夾頭上，或者，如果在薄膜沉積之前將晶圓#1翻轉到接合工具的上部夾頭上。在步驟709中，藉由機器人148、機器人258或藉由UHV箱372將晶圓#2傳送到接合工具的UHV部件。在實施例100和實施例200中，晶圓#2分別進入晶圓握持室144或附加緩衝室250，在關閉閘閥152、閘閥252之後將其快速泵送至10-4 至10-6 毫巴。然後將晶圓#2轉移至緩衝室140、緩衝室240，其中可任選地將其加熱至約100°-200℃，便於將該室泵送到壓力約為10-8 毫巴的高真空，最後到中央晶圓握持器104、握持器204。替代地，在實施例300中，將晶圓#2裝載到真空隔絕室定360，其在關閉閘閥362之後被快速泵送到10-4 至10-6 毫巴。然後將晶圓#2轉移到UHV箱372，其在泵送到至少10-8 毫巴之後，可以在轉移到握持器304之前將其轉移到緩衝室340。在步驟710，藉由機器人108、機器人208、機器人308將晶圓#2從晶圓握持器104、254、354轉移到沉積室138、室238、室338。在室138、室238、室338中，晶圓#2的表面被修改以使其準備好用於共價半導體接合，針對此表面必須清潔，即無氫和無氧。在室138、室238、室338中配備有用於薄膜生長的蒸發器而不是氣體管線的情況下，可以在轉移到沉積室138、室238、室338之前，可選地將晶圓#2轉移到在其中上下顛倒的晶圓翻轉室136、室236、室336。室138、室238、室338中的基礎壓力在10-9 至10-10 或更低的範圍內，並且在150℃和200℃之間的溫度下藉由室脫氣保證可忽略的水分壓。在步驟711中，H-鈍化的Si表面可以例如藉由以5-20ML/min或甚至0.1-5ML/min的低速率外延沉積2至4ML的Ge而轉變成無氫Ge表面，並且在CMOS相容溫度下，例如，在150°-300℃之間。在足夠低的沉積速率下，人們期望交換反應，由此吸附在Si表面上的氫遷移到Ge表面。與鈍化的Si表面相比，其必須被加熱到550℃以上以使它們不含H，較弱的Ge-H鍵允許在約300℃的溫度下從Ge表面完全H-解吸，例如，300℃-350℃或甚至290℃-320℃。在步驟712中，任選地將清潔的無氫晶圓#2轉移到其中被翻轉的翻轉室136、室236、室336中，以使清潔表面在隨後的接合處理中面對晶圓#1的清潔表面。在步驟713中，將晶圓#2轉移到預對準工具132、工具232、工具332，在預對準工具132、工具232、工具332中，晶圓#2旋轉預對準到約0.1-1°的精度，並且平移到約50-200μm。在步驟714中，如果在薄膜沉積之前已經翻轉晶圓#1並且現在擱置在焊接工具的上部夾頭上，則晶圓#2被轉移到接合室124、室224、室324、室404，例如，接合到接合工具的下部夾頭上。替代地，如果晶圓#1在薄膜沉積之前沒有被翻轉並且現在擱置在下部夾頭上，則晶圓#2被轉移到接合工具的上部夾頭。在步驟715中，晶圓#1精確地對準晶圓#2並且在隨後的步驟716中共價接合到接合室124、室224、室324、室404中的晶圓#2。在不需要高精度晶圓對準的情況下，接合處理是在工具132、工具232、工具332中預先對準的晶圓上，在室溫下，或者在100℃-300℃的溫度範圍內，可以直接進行，也可以在100℃-300℃的溫度範圍內進行。為了高精度對準，兩個晶圓上的光學標記必須藉由使用由接合室404的致動器提供的高精度平移和旋轉運動使其重合。接合壓力可以在例如約0和100kN之間的範圍內。可選地，在步驟717中，可以將接合的晶圓對轉移到退火室128、室228、室328，其中可以將其退火到100°-800℃之內一段規定的時間。在最後的步驟718中，將接合的晶圓對轉移到生產系統100、系統200、系統300的真空隔絕室116、真空隔絕室216、真空隔絕室316中的晶圓盒。
現在參考圖8，用於對準的處理序列的實施例800可以包括以下步驟，其中一些步驟的順序可以可選地互換和/或同時執行。在步驟801中，在已經按照圖6和圖7中概述的步驟處理之後，藉由機器人108、機器人208、機器人308將晶圓#1透過閘閥412插入到接合室404中，接著是晶圓#2。銷426用於將上部晶圓441分別定位在上部夾頭模組430和底晶圓445上，分別安裝在底部夾頭模組440上。在定位晶圓之後立即啟動相應的夾頭。在步驟802中，借助於設計用於短工作距離的內共焦干涉感測器438，藉由致動器420在閉環位置控制下朝向底部夾頭440降低上部夾頭模組430，以便保持頂部夾頭水平並平行於頂板407。在接近最終位置時，透過具有外部感測器434的第二閉環控制建立大約100nm的超精確平行度，外部感測器434被設計用於更大的工作距離，使得它們可以聚焦在底部夾頭模組440上。上部夾頭模組430和下部夾頭模組440之間的最終位置距離應在5至20mm的範圍內，最佳約10mm。
在步驟803中，牢固地連接到精細解析度可旋轉和可平移致動器444的共焦感測器443在兩個晶圓之間移動到由位置控制器單元控制的預設感測區域。
在步驟804中，致動器444在xy方向上開始在感測器坐標系統482、系統486中掃描，以便找到存在於上部晶圓441上的幾何對準特徵470、特徵472。上部晶圓441上的對準特徵470、特徵472的形狀是藉由將坐標系統482、系統486中的感測器443的空間移動與從向上聚焦的光束460檢測到的訊號相關聯來確定。由此，可以重建表面形貌或者對準特徵的材料對比度，因為感測器可以區分不同的材料的光學性質，例如氧化物層或溝槽的深度。一旦藉由位於上部晶圓441的相對極端的至少兩個感測器443執行掃描，平台444從晶圓上的隨機位置向上移動感測器443的聚焦光束460，對應於感測器坐標系統482、系統486中的初始坐標483、坐標487精確地進入對應於掃描儀坐標484、坐標488的幾何對準特徵的中心471、中心473，於是再次檢查先前掃描的可靠性。在向上聚焦光束460精確定位到上部晶圓441的對準標記470、標記472的中心471、中心473之後，致動器444在所有後續對準序列期間保持靜止。在步驟805中，執行底部夾頭440的高精度對準，底部晶圓445牢固地附接到底部夾頭440。由感測器443的向下聚焦光束464控制的第一對準藉由致動底部夾頭模組440的旋轉450來執行，以使底部晶圓445的對準特徵490、特徵492平行於上部晶圓441的對準特徵470、特徵472定向。因此，藉由沿順時針和逆時針方向的旋轉掃描來監視頂部晶圓和底部晶圓上的對準特徵，允許對準特徵490、特徵492的更深的溝槽474被向下聚焦的光束464識別。已經產生了溝槽輪廓的影像，底部晶圓445允許上部和底部晶圓上的對準特徵的平行對準，例如沿著坐標系統498的x軸，藉由再次啟動旋轉450。
在底部晶圓的兩個極端上的特徵與上部晶圓上的相應極端上的特徵平行對準之後，平台442圍繞軸450的旋轉被停止。在步驟806中，向下聚焦光束464的對中開始於在平台坐標系統498的xy方向上掃描平台442的致動器446、致動器448，以便現在精確地找到底部晶圓445上存在的幾何對準特徵的中心491、中心493。一旦底部晶圓445的相對極端上的至少兩個感測器443的向下聚焦光束464已經居中，則上部晶圓和底部晶圓以100nm或甚至更小的非常高的精度對準。x-y電動平台446、平台448然後將最終位置保持在適當位置，並且不需要執行其他校正。
在步驟807中，臂443縮回到圖4D所示的原始位置。這確保了後續動作不會發生碰撞，其中頂部夾頭430接近底部夾頭440，以便在兩個晶圓之間進行接合。在步驟808中，由共焦距離感測器組438, 434控制的閉環位置控制驅動的致動器420使上部夾頭模組430朝向底部夾頭440降低，同時完美地保持平行度。在步驟809中，當保持晶圓的兩個夾頭模組430、夾頭模組440之間的距離在幾百微米的量級時，中心活塞416被致動，其確保兩個晶圓之間的第一次接觸以及因此接合波從晶圓的中心開始。在步驟810中，當兩個晶圓接觸並且上部夾頭模組430朝向底部夾頭440推動時，控制器基於馬達扭矩控制啟用另一個閉環控制。這確保了由預設參數數位控制的致動器420施加的均勻壓力。在步驟811中，在接合之後，將上部晶圓從靜電吸盤模組430釋放並移動到原始位置，使得接合的晶圓準備好被拾取用於下一個處理步驟。
應當理解，所示出的和本文描述的特定實施方式是本發明及其最佳模式的代表，並不旨在以任何方式限制本發明的範圍。
可以配製本發明的許多應用。如本領域技術人員將理解的，本發明可以體現為系統、設備或方法。
這裡參考方塊圖、設備、組件和模組，根據本發明的各個態樣描述了本發明。此外，該系統考慮了具有描述的類似功能的任何商品、服務或資訊。
說明書和圖式應以說明性方式考慮，而不是限制性的，並且本文描述的所有修改旨在包括在所要求保護的本發明的範圍內。因此，本發明的範圍應由所附申請專利範圍(當前存在或稍後修改或添加及其合法等同物)而不是僅藉由上述示例來確定。除非另有明確說明，否則任何方法項的申請專利範圍或處理項的申請專利範圍中記載的步驟可以以任何順序執行，並且不限於任何申請專利範圍中給出的特定順序。此外，裝置申請專利範圍中記載的元件和/或組件可以以各種排列組裝或以其他方式功能配置，以產生與本發明基本相同的結果。因此，不應將本發明解釋為限於申請專利範圍中所述的特定配置。
本文提及的益處，其他優點和解決方案不應被解釋為任何或所有申請專利範圍的關鍵、必需或必要的特徵或組件。
如本文所用，術語“包含”，“包含”或其變體旨在表示元素的非排他性列表，使得本發明的任何裝置，處理，方法，物品或組合物包括元素列表的元素列表，其不僅包括所述元素，還可以包括其他元素，例如本說明書中描述的元素。除非另有明確說明，否則除非另有說明，否則術語“組成”或“由......組成”或“基本上由......組成”的使用並非旨在將本發明的範圍限制於此後命名的所列舉的元件。在不脫離本發明的一般原理的情況下，本領域技術人員可以改變或調整在本發明的實踐中使用的上述元件，材料或結構的其他組合和/或修改。
除非另有說明，否則上文提及的專利和文章在此藉由引用併入本文，其程度與本公開內容不矛盾。
在所附申請專利範圍中描述了本發明的其他特徵和執行模式。
此外，本發明應被視為包括本說明書，所附申請專利範圍和/或圖式中描述的每個特徵的所有可能組合，其可被認為是新穎性的，進步性的和產業利用性的。
版權可以由申請人或其受讓人擁有，並且對於本文的一個或多個申請專利範圍中定義的權利的第三方的明確授權者，本文中未授予使用如在其餘的申請專利範圍。此外，相對於公眾或第三方，沒有明確或默示的許可來準備基於本專利說明書的衍生作品，包括本文的附錄和其中包含的任何計算機程式。
在所附申請專利範圍中描述了本發明的其他特徵和功能。這些申請專利範圍在此藉由引用整體併入本說明書中，並且應當視為提交的申請的一部分。
在此描述的本發明的實施例中可以進行多種變化和修改。儘管這裡已經示出和描述了本發明的某些說明性實施例，但是在前述公開中可以預期廣泛的改變，修改和替換。雖然以上描述包含許多具體細節，但這些不應被解釋為對本發明範圍的限制，而是舉例說明其一個或另一個較佳實施例。在某些情況下，可以採用本發明的一些特徵而無需相應地使用其他特徵。因此，將前述描述廣泛地理解並理解為僅是說明性的是恰當的，本發明的精神和範圍僅由最終在本申請中提出的申請專利範圍限制。 相關申請的比對參考
本申請要求2019年6月22日提交的美國臨時申請No.62/688, 420的優先權和權益，該臨時申請藉由引用併入本文並且依賴於此。 版權和法律聲明
本專利文件的公開內容的一部分包含受版權保護的材料。申請人不反對任何人對專利和商標局專利文件或記錄中出現的專利文件或專利公開內容進行傳真複製，但在其他態樣保留所有版權。此外，對本文中提及的第三方專利或物品的引用不應被解釋為承認本發明無權憑藉在先發明而先於這些材料。
100:實施例、生產系統 101:部件 102:部件 104:中央晶圓握持器 108:機器人 112:UHV相容閘閥 116:真空隔絕室、室 120:室 120’:室 124:室 128:室 132:室、工具 136:室 138:室 140:緩衝室 144:室 148:機器人 152:真空閘閥 1561:模組或室 1562:模組 1563:模組 1564:模組 1565:模組 1566:室 1567:室 156n:模組或室 160:真空隔絕室 164:耐腐蝕閥、耐腐蝕閘閥 200:實施例 201:部件、真空系統 202:部件 204:中央晶圓握持器 208:機器人 212:UHV相容閘閥 216:真空隔絕室 220:室 220’:室 224:室 228:室 232:室、工具 236:室 238:室 240:緩衝室 250:緩衝室 2561:中央晶圓握持器 2562:室、模組 2563:室 2564:室 2565:室 2566:室 2567:室 256n:室 262:模組 264:機器人 254:閘閥 258:閘閥 260:室 270:真空隔絕室 300:生產系統 301:部件 302:部件 304:中央握持器 312:閘閥 320:室 320’:室 324:室 328:室 332:室、工具 336:室 338:室 340:室 350:室 354:中央握持器 3561:室、模組 3562:室 3563:室 3564:室 3565:室 3566:室 3567:室 356n:模組 358:機器人 360:真空隔絕室 370:室 362:閘閥 364:閘閥 400:實施例 403:頂視圖 404:室 405:底視圖 406:壁、室 407:蓋子 408:加熱筒 410:感測器 416:活塞 420:活塞 424:剛性板 426:銷 430:模組 432:波紋管 434:感測器 438:感測器 440:模組 441:上部晶圓 442:台 443:感測器 444:致動器 445:下部晶圓、底部晶圓 446:致動器 448:致動器 450:軸 460:光束 464:光束 470:特徵 471:中心 472:特徵 473:中心 474:溝槽 482:系統 483:位置 484:中心 486:系統 487:位置 488:中心 490:特徵 491:中心 492:特徵 493:中心 498:系統 500:實施例 504:室 506:整體塊 508:頂板 512:UHV閘閥 514:渦輪分子泵 516:電漿源 520:加熱器 522:罩 524:罩 526:托架 528:晶圓 530:模組 532:模組 540:模組 542:光束扇區 544:感測器 546:紅外輻射 646:光束 附錄
以下美國專利文獻，外國專利文獻和另外的出版物藉由引用併入本文，如同在本文中完全闡述，並且依賴於：
Figure 02_image001
Figure 02_image003
圖1是用於共價半導體晶圓接合的生產系統的示意圖，其包括用於濕化學和UHV相容晶圓處理的部分。 圖2是用於共價半導體晶圓接合的生產系統的示意圖，其包括用於濕化學和UHV相容晶圓處理的部分，兩者都配備有中心晶圓握持器。 圖3是用於共價半導體晶圓接合的生產系統的示意圖，其包括用於藉由UHV晶圓箱或對接站進行通訊的濕化學和UHV相容晶圓處理的分開部分。 圖4A是包括致動器和感測器的用於超精確的相互晶圓對準之接合室的透視圖。 圖4B是具有用於晶圓的平行對準的致動器和感測器的接合室的頂視圖。 圖4C是具有致動器和共焦干涉感測器的接合室之底視圖，用於精確的旋轉和平移對準。 圖4D是具有共焦干涉感測器的接合室的下部的透視圖，用於超精確的旋轉和平移晶圓對準。 圖4E是藉由共焦干涉感測器精確對準之前和之後具有對準特徵的上部晶圓和底部晶圓的視圖。 圖5是具有可加熱晶圓台和遠端雷射表面加熱的電漿室的透視圖。 圖6是用於無氧化物的共價半導體晶圓接合的處理順序的示意圖，包括濕化學氧化物蝕刻和電漿處理的步驟。 圖7是用於無氧化物的共價半導體晶圓接合的處理順序的示意圖，包括濕化學氧化物蝕刻和外延生長的步驟。 圖8是用於在接合室中進行晶圓的超高精度對準的處理順序的示意圖。
100:實施例、生產系統
101:部件
102:部件
104:中央晶圓握持器
108:機器人
112:UHV相容閘閥
116:真空隔絕室、室
120:室
120’:室
124:室
128:室
132:室、工具
136:室
138:室
140:緩衝室
144:室
148:機器人
152:真空閘閥
1561:模組或室
1562:模組
1563:模組
1564:模組
1565:模組
1566:室
1567:室
156n:模組或室
160:真空隔絕室
164:耐腐蝕閥、耐腐蝕閘閥

Claims (14)

  1. 一種用於無氧化物的共價半導體晶圓接合的生產系統，該系統包含：a)晶圓握持室(144,254,354)，其在大氣壓或接近大氣壓的接合系統的實質上大氣壓的部件(102,202,302)中，具有機器人(148,258,358)，該機器人服務至少一個真空隔絕室(160,260,360)和用於複數個晶圓的濕化學或蒸汽處理的至少一個模組，該模組是選自複數個模組的列表中，包含：i)包含用於晶圓脫脂的溶劑浴的模組(1561,2561,3561)，ii)具有酸浴的模組(1562,2562,3562)，iii)用於SC1的模組(1563,2563,3563)和用於SC2RCA清潔處理的模組(1564,2564,3564)，iv)用於藉由稀釋的氫氟酸(HF)溶液去除複數個晶圓的氧化物和表面鈍化的模組(1565,2565,3565)，v)用於藉由氣態HF去除複數個晶圓的氧化物和表面鈍化的模組(1566,2566,3566)，vi)用於去離子水沖洗和旋轉乾燥的模組(1567,2567,3567)，b)晶圓握持室(104,204,304)，其在該接合系統的UHV部件(101,201,301)中，具有機器人(108,208,308)，該機器人服務至少一個真空隔絕室(116, 216,316)和用於超高真空晶圓處理的至少一個模組，該晶圓握持室包括至少一個室，該至少一個室選自以下複數個室組成的列表中的一個：i)具有適合於去除表面鈍化的低能電漿源的電漿處理室(120,220,320,504)，ii)具有可見雷射或紫外雷射的超高真空雷射室(120’,220’,320’)，適用於表面鈍化層的光化學或光熱去除，iii)適用於提供薄的、清潔的外延表面層的超高真空薄膜沉積室(138,238,338)，iv)超高真空晶圓翻轉室(136,236,336)，v)超高真空晶圓退火室(128,228,328)，vi)超高真空晶圓預對準工具(132,232,332)，以及vii)超高真空晶圓接合室(124,224,324,404)，其中用於濕化學處理的該等模組可透過該等真空隔絕室(160,260,360)進入，並且用於超高真空處理的該等模組可透過該等真空隔絕室(116,216,316)進入，並且其中該等模組透過至少一個緩衝室(140,240,340)通訊，該至少一個緩衝室被設計成避免從用於濕化學品的該等模組到用於超高真空處理的該等模組之晶圓轉移期間的交叉污染。
  2. 根據請求項1之系統，其中該電漿處理室(120,220,320,504)還配備有模組(530)，該模組包含來自 複數個工具的列表的至少一個工具，包含：a)加熱器(520)，適於從具有外圍和底部隔熱罩(522,524)的晶圓(528)的該背部進行輻射加熱，b)該晶圓(528)所放置於其上的托架(526)的旋轉機構(530)，c)該晶圓(528)所放置於其上的該托架(526)的傾斜機構(530)，d)用於將該晶圓(528)提升到該外圍隔熱罩(522)上以允許該晶圓被該機器人(108,208,308)拾取的機構(530)。
  3. 根據請求項1之系統，其中該電漿處理室(120,220,320,504)還配備有適於晶圓(528)的局部表面加熱的雷射模組(540)和安裝在傾斜模組(532)上的至少一個溫度感測器(544)，該傾斜模組適於測量該晶圓的該中心和該邊緣之間的任何徑向距離處的局部表面溫度，並適於提供對晶圓(528)的旋轉速度的反饋和被整合到該雷射模組(540)中之不同的光束扇區(542)的連續功率調變以用於實時控制晶圓(528)上任何位置處的該表面溫度。
  4. 根據請求項1之系統，其中該超高真空雷射室(120’,220’,320’)還配備有來自複數個工具的列表的至少一個工具，包含：a)可旋轉的晶圓台，b)用於均勻加熱晶圓的該背部的輔助加熱器，c)安裝在傾斜模組上的紅外溫度感測器， d)該感測器和該晶圓台之間的反饋迴路和用於實時控制該晶圓表面溫度的雷射功率。
  5. 根據請求項1之系統，其中該超高真空薄膜沉積室(138,238,338)包含來自複數個工具的列表的至少一個工具，包含：a)可旋轉的基板加熱器，b)用於電漿輔助CVD的複數個氣體管線和低能量電漿源，c)用於UHV中的薄膜沉積之至少一個蒸發器。
  6. 根據請求項1之系統，其中該超高真空晶圓接合室(124,224,324,404)還配備有來自複數個工具的列表的至少一個工具，包含：a)頂部夾頭模組(430)和底部夾頭模組(440)，b)在該接合室的該頂部的剛性板(424)上的中心致動器(416)，c)對稱地設置在該剛性板(424)上的至少三個致動器(420)，d)底部夾頭模組下具有中心旋轉軸(450)的平移台(442)，e)用於晶圓拾取並放置在頂部夾頭模組和底部夾頭模組上的複數個放置銷(426)，f)適於在該頂部夾頭模組接近該底部夾頭模組期間保持該頂部夾頭模組水平之一組至少三個共焦干涉感測器(438)， g)適於保持該頂部夾頭模組平行於該底部夾頭模組之一組至少三個共焦干涉感測器(434)，h)安裝在可旋轉且可平移的致動器(444)上之一組至少兩個共焦干涉感測器(443)，以複數個向上聚焦的光束(460)與複數個向下聚焦的光束精確對準(464)在垂直於晶圓平面的垂直軸上而位於該等夾頭模組(430,440)的相對極端上。
  7. 根據請求項6之接合室，其中該等室壁(406)適於由複數個溫度感測器(410)控制的加熱盒(408)在複數個溫度範圍內的溫度下之溫度控制，包含0.5℃-1℃和0.05℃-0.1℃。
  8. 根據請求項1之系統，其中含有酸浴的該等模組、用於RCA清潔處理的該等模組和用於藉由HF去除氧化物的該等模組都配備有複數個耐腐蝕的閘閥(164,264,364)。
  9. 根據請求項1之系統，其中該超高真空接合室(124,224,324,404)藉由抗振動波紋管與該處理室(104,204,304)振動地分離。
  10. 一種用於無氧化物、共價半導體晶圓接合的方法，該方法包含來自複數個步驟的列表的步驟，包含：a)將晶圓裝入真空隔絕室(160,260,360)，b)藉由晶圓握持室(144,254,354)的機器人(148,258,358)將晶圓輸送到接合系統的大氣壓部件(102,202, 302)的複數個模組中，c)從複數個處理步驟的列表的處理步驟中處理該等模組中的複數個晶圓，包含：i)在溶劑模組(1561,2561,3561)中將複數個晶圓脫脂，ii)在酸模組(1562,2562,3562)中清潔複數個晶圓，iii)在用於SC1的模組(1563,2563,3563)和用於SC2的模組(1564,2564,3564)中的複數個RCA清潔步驟中清潔複數個晶圓，iv)在模組(1565,2565,3565)中藉由稀HF溶液去除表面氧化物和表面鈍化，v)在模組(1566,2566,3566)中藉由氣態HF去除該表面氧化物和表面鈍化，vi)在模組(1567,2567,3567)中進行去離子水沖洗和旋轉乾燥，d)利用接合系統的機器人(108,208,308)將複數個晶圓轉移到連接到UHV部件(101,201,301)的晶圓握持器(104,204,304)的緩衝室，e)從複數個處理的列表的處理中處理複數個晶圓，包含i)在處理室(120,220,320,504)中藉由低能電漿去除該表面鈍化，ii)在超高真空雷射室(120’,220’,320’)中用可見 雷射或紫外雷射去除光化學或光熱處理中的該表面鈍化，iii)在超高真空薄膜沉積室(138,238,338)中形成薄的、清潔的外延表面層，iv)在超高真空晶圓翻轉室(136,236,336)中翻轉晶圓，v)在超高真空晶圓退火室(128,228,328)中退火晶圓，vi)在超高真空晶圓預對準工具(132,232,332)中預先對準晶圓，vii)在超高真空晶圓接合室(124,224,324,404)中共價接合複數個晶圓。
  11. 根據請求項10之方法，其中藉由複數個步驟的列表的步驟來輔助在處理室(120,220,320,504)中藉由低能電漿去除該表面鈍化，包含a)旋轉晶圓，b)藉由加熱器(520)從該晶圓的該背部輻射加熱晶圓，c)藉由包含複數個不同的光束扇區(542)的可見雷射模組或UV雷射模組(540)加熱晶圓的表面，並藉由安裝在傾斜模組(532)上的溫度感測器(544)、旋轉速度和供應至該等不同的光束扇區的功率之間的反饋迴路控制晶圓的局部表面溫度。
  12. 根據請求項10之方法，其中藉由複數個步驟的列表的步驟來輔助在超高真空雷射室 (120’,220’,320’)中藉由可見雷射或紫外雷射去除該表面鈍化，包含a)旋轉晶圓，b)藉由加熱器從該晶圓的該背部均勻加熱晶圓，c)藉由安裝在傾斜模組上的溫度感測器、旋轉速度和供應至該雷射的功率之間的反饋迴路控制在雷射加熱期間的該晶圓的局部表面溫度。
  13. 根據請求項10之方法，其中形成該薄的、清潔的外延表面層包含來自複數個步驟的列表的步驟，包含：a)在形成該薄表面層期間旋轉該基板，b)在形成該薄表面層期間加熱該基板，c)提供用於電漿輔助化學氣相沉積的低能電漿源、複數個氣體管線和複數個質量流量控制器以形成該薄表面層，d)從來自複數個蒸發器的列表中的蒸發器形成該薄表面層，包含i)複數個電子束蒸發器，ii)瀉流槽。
  14. 根據請求項10之方法，其中在超高真空晶圓接合室(124,224,324,404)中共價接合晶圓包含來自複數個步驟的列表的步驟，包含a)將第一晶圓(441)轉移到頂部夾頭模組(430)，b)將第二晶圓(445)轉移到底部夾頭模組(440)， c)將該頂部夾頭模組朝向底部夾頭模組降低至小於20mm的距離，同時藉由複數個共焦干涉感測器(438,434)保持底部夾頭模組和頂部夾頭模組之間的平行度，d)藉由啟動可旋轉和可平移的複數個致動器(444)將複數個共焦干涉感測器(443)移動到第一和第二晶圓之間的複數個測量位置，e)藉由向上聚焦光束(460)在該第一晶圓(441)上的複數個相對極端上找到並成像複數個對準標記(470,472)，同時藉由在x-y方向上致動該等致動器(444)以掃描該等共焦干涉感測器(443)，f)藉由致動該等致動器(444)以將複數個感測器(443)的該等向上聚焦光束(460)精確地定位到該等對準特徵的該中心，g)將具有複數個感測器(443)的該等致動器保持固定，h)致動該底部夾頭模組(440)的該旋轉(450)以藉由該等共焦干涉感測器(443)的向下聚焦光束(464)藉由沿順時針和逆時針方向掃描旋轉在該第二晶圓(445)上來找到複數個對準特徵(490,492)，從而產生該溝槽輪廓的影像以識別該等較深的溝槽的該等位置(474)，i)藉由啟動該旋轉(450)將該第二晶圓(445)上的複數個對準特徵(490,492)的該等溝槽(474)平行於該第一晶圓(441)上的該等對準特徵470,472的該等溝槽 (474)對準，j)保持該旋轉致動器固定，k)藉由沿x-y方向移動該平移台(442)使該等向下聚焦的光束(464)精確地進入該第二晶圓(445)上的該等對準特徵(490,492)的該中心，從而帶來該第一晶圓(441)上的該等對準特徵的該等中心(471,473)和該第二晶圓(445)上的該等對準特徵的該等中心(491,493)精確重合，l)將該等感測器(443)旋轉到該等夾頭模組外的原位，m)將該頂部夾頭模組(430)朝向該底部夾頭模組(440)降低至約100-200μm的距離，同時藉由該等共焦干涉感測器(438,434)保持底部和頂部夾頭模組(430,440)之間的平行度，n)藉由中央致動器(416)啟動推動動作來在該等晶圓(441,445)之間建立第一接觸，o)藉由在扭矩控制下致動對稱設置的複數個致動器(420)來施加壓力。
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