WO2014015912A1

WO2014015912A1 - Verfahren zum bonden von substraten

Info

Publication number: WO2014015912A1
Application number: PCT/EP2012/064736
Authority: WO
Inventors: Markus Wimplinger
Original assignee: Ev Group E. Thallner Gmbh
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-01-30
Also published as: WO2014015912A9; EP2847786A1; CN104508809B; US20150179604A1; US9673167B2; CN104508809A; KR101739210B1; SG2014013585A; KR20150037865A; TWI590485B; JP2015525975A; TW201411870A; JP6085677B2; EP2847786B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden einer ersten Kontaktfläche (3) eines ersten, zumindest überwiegend transparenten Substrats (1) mit einer zweiten Kontaktfläche (4) eines zweiten, zumindest überwiegend transparenten Substrats (2), wobei an mindestens einer der Kontaktflächen zum Bonden ein Oxid verwendet wird, aus dem eine zumindest überwiegend transparente Verbindungsschicht ( 14) mit: einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 10e1 S/cm² (Messung: Vierpunktmethode, bezogen auf Temperatur von 300K) und einem optischen Transmissionsgrad größer 0,8 (für einen Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1500 nm) an der ersten und zweiten Kontaktfläche (3, 4) ausgebildet wird.

Description

Verfahren zum Bonden von Sub straten

B e s c h r e i b u n g

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden einer ersten Kontaktfläche eines ersten, zumindest für einen bestimmten

Wellenlängenbereich überwiegend transparenten Substrats mit einer zweiten Kontaktfläche eines zweiten , zumindest für einen bestimmten

Well enlängenbereich überwi egend transparenten S ubstrats gemäß

Anspruch 1 , ein Verfahren zum Herstellen eines ersten Substrats gemäß Anspruch 2 sowi e ei n Verfahren zum Herstellen eines zweiten Substrats gemäß Anspruch 4.

Die gattungsgemäßen Verfahren dienen insbesondere zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiter-, Glas- oder Karamikverbunden. Eine besonders wichtige Anwendung betrifft die Herstellung von photovoltaischen

Mehrschichtzellen.

Eine der Hauptlimitierungen in der Herstellung von Mehrschichtzellen ist die Inkompatibilität der Gitterstrukturen der einzelnen Halbleitermaterialien hinsichtlich ihrer Dimension und Form. Dies führt bei der Herstellung der einzelnen Schichten durch direktes Aufwachsen der Schichten aufeinander zu Defekten in der, damit realisierten Halbleiterschicht. Diese Defekte beeinträchtigen die Qualität der erzeugten Schicht und insbesondere dem erzielbaren Wirkungsgrad für di e Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Daraus resultieren in der Praxis Einschränkungen hinsichtlich folgender Parameter:

a) Anzahl der realisierbaren aktiven Schichten im Aufbau. Dies ist aufgrund der oben beschriebenen Problematik heute auf 2 bis maximal drei Schichten begrenzt.

b) Optimierung der einzelnen Schichten hinsichtlich optimalem

Wellenlängenbereich. In der Praxis ist es heute nicht möglich, die einzelnen Schichten völlig frei hinsichtlich dem optimalen Wellenlängenbereich und damit assoziierten Umwandlungscharakteristiken für die Umwandlung von Licht in elektrische Energie zu optimieren, da immer hinsichtlich

Kompatibilität der Gitterstruktur Kompromisse eingegangen werden müssen. c) Einsatz günstigerer Materialien: Für bestimmte Wellenlängen wäre es wünschenswert, beispielsweise Silizium oder Germanium einzusetzen, da diese Materialien einen idealen Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Kosten erlauben würden. Häufig ist der Einsatz dieser Materialien jedoch nicht möglich, da die Gitterstruktur nicht ausreichend kompatibel mit den anderen, in der Zelle verwendeten Strukturen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Herstellung von vorgenannten Mehrschichtverbunden effizienter und mit vielseitigeren Parametern ermöglicht wird.

Diese Au gabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 2 und 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche

Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen

Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, statt eines Aufwachsens der Schichten zwei Substrate zu Bonden und durch das Bonden die mehreren Schichten mit verschiedenen Eigenschaften (insbesondere optischen) versehen zu können.

Der Erfindung liegt dabei insbesondere der Ansatz zugrunde, die einzelnen, im Zellenaufbau befindlichen Schichten, insbesondere die zum Bonden vorgesehene Verbindungsschicht, auf separaten Substraten vor einer

Kontaktierung herzustellen und erst später zu stapeln/bonden. Damit können die einzelnen Schichten auf dafür optimierten Wachstumssubstraten

hergestellt werden. Dies ist insbesondere mittels Aufwachsen durch MOCVD möglich.

Ein, insbesondere eigenständiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, wie diese Schichten in einer elektrisch leitfähigen und optisch transparenten Form mit einem gleichzeitig kostengünstigen Prozess gestapelt werden können. Darüber hinaus wird die, dafür notwenige Vorbereitung der Substrate beschrieben.

Das dabei beschriebene Verfahren eignet sich mit Vorzug für das Stapeln von Mehrschichtsolarzellen. Alternativ kann das Verfahren aber auch zur

Erzeugung jeglicher anderer Strukturen und Bauteile eingesetzt werden, bei denen optisch transparente und elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen beliebigen (insbesondere optischen) Materialien, insbesondere

Halbleitermaterialien, Gläsern und Keramiken notwendig sind. In diesem Segment ergeben sich zunehmend mehr Anwendungen aufgrund der stark steigenden Bedeutung von Festkörper-Lichtquellen wie LEDs und Laser in einer Vielzahl von Anwendungen wie Beleuchtung, Kommunikation,

Materialbearbeitung. Auch im Segment der Displayfertigung gewinnen neue, innovative Fertigungstechnologien zunehmend an Bedeutung, da zusätzliche Funktionen wie Berührungsdetektion (Feedback im Bereich von Touch Screens, etc.) in Displays integriert werden sollen. Vorteile der Erfindung sind vor allem:

Elektrisch Leitfähiges, optisch transparentes Bonding-Interface (Verbindungsschicht),

Sehr dünne, roboste und langzeit-stabile Schicht(en),

Temperaturbeständige Schicht(en) und

hohe Effizienz (schnell & kostengünstig in der Herstellung)

Ein zentraler, insbesondere eigenständiger Aspekt der vorliegenden

Erfindung ist die Nutzung von transparenten, leitfähigen Oxiden zur

Herstellung der elektrisch leitfähigen und optisch transparenten

V erbindungsschicht zwischen den Substraten. Die Verbindung wird insbesondere mittels Wafer Bonding, bevorzugt mit einem

Direktbond verfahren und noch bevorzugter einem Direktbond verfahren mit

Plasma- Aktivierung hergestellt.

Als transparente, elektrisch 1 ei t fähigen Oxide (auf Englisch auch

„Transparent Conductive Oxides" oder kurz„TCO" genannt) wird insbesondere Indium-Zinn-Oxid (Englisch:„Indium-tin-oxide" oder kurz „ITO") eingesetzt. Nachfolgend soll hier die Abkürzung ITO für Indium- Zinn-Oxid verwendet werden. ITO findet breite Anwendung in der

Herstellung von LCD Displays, wo es als optisch transparenter elektrischer Leiter zum Einsatz kommt. Alternativ werden folgende Materialen verwendet:

- dotierte Zink-Oxide, insbesondere Aluminium-dotiertes Zink-Oxid (Englisch:„Aluminum doped Zinc Oxide" kurz:„AZO"), Gallium dotiertes Zink-Oxid (Englisch:„Gallium doped Zinc Oxide" kurz: „GZO"),

- Fluor-dotierte Zinn-Oxide (Englisch:„Fluorine Tin Oxide" kurz: „FTO"), sowie

- Antimon -Zinn-Oxid (Englisch:„Antimony Tin Oxide" kurz:„ATO") Grundsätzlich kann jedes Material, das oxidierbar ist, und insbesondere mit entsprechender Dotierung die gewünschten Eigenschaften, insbesondere elektrische Leitfähigkeit und optische Transparenz aufweist, verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird in diesem Zusammenhang von elektrischer

Leifähigkeit gesprochen, wenn das Material eine Leitfähigkeit von > 1 Oe 1 S/cm², bevorzugt von 10e2 S/cm² und noch bevorzugter von >10e3 S/cm² (gemessen mit der in der Halbleitertechnologie üblichen Vierpunktmethode, bezogen auf eine Temperatur von 300K) verfügt. Die optische Transmission (Transmissionsgrad), definiert als jener Prozentsatz des Lichtes, eines bestimmten W ellenlängenbereiches, der verwendungs gemäß die Schicht passieren soll, soll durch einen Film mit verwendungsgemäßer Dicke mindestens >80%, mit Vorteil >87%, bevorzugt >93% und noch bevorzugter >96% betragen.

Erfindungsgemäß sind Wellenl ngenbereiche, die von 300nm bis 1800nm reichen, bevorzugt für PhotovVoltaikan Wendungen. Das heißt, dass der relevante Wellenlängenbereich jedenfalls größer ist als der für Menschen sichtbare Wellenlängenbereich. Dies soll gewährleisten, dass auch der UV Anteil im Licht und der TR Anteil im Licht in elektrische Energie

umgewandelt werden können. Da bei einer Mehrschicht-Solarzelle die oberste Schicht bereits einen Teil des Spektrums verarbeitet, und somit in elektrische Energie umwandelt, ist es akzeptabel, wenn die Bondverbindung einen etwas kleineren Wellenlängenbereich aufweist, in dem sie Transmission zulässt. Insbesondere sollen daher die oben genannten Transmissions werte zumindest für Wellenlängen > 600 nm, mit Vorteil >500 nm und mit größerem Vorteil >400 nm und mit allergrößtem Vorteil >350 nm gelten. Weiters sollen die Transmissionswerte insbesondere auch für den gesamten

Wellenlängenbereich ausgehend von der minimalen Wellenlänge bis maximal 1300 nm, mit Vorteil bis maximal 1500 nm, mit größerem Vorteil bis maximal 1700 nm und mit allergrößtem Vorteil bis maximal 1800 nm gelten. Die Oxide werden erfindungsgemäß insbesondere mittels folgender Verfahren auf die zu verbindenden Substrate aufgebracht:

- MO CVD, Metal Organic Molecular Beam Deposition,

Spray Pyrolyse, Pulsed Laser Deposition (PLD) oder

- Aufsputtern.

Um die gewünschten Eigenschaften der Schichten zu gewährleisten, ist es erfindungsgemäß kritisch, das richtige Mischungsverhältnis zu gewährleisten. Insbesondere der Anteil von Sauerstoff kann bei einigen dieser Oxide die optische Transparenz verbessern, wobei sichergestellt werden muss, dass der Sauerstoffanteil nicht zu hoch ausfällt, da ansonsten die elektrische

Leitfähigkeit reduziert wird.

Generell wird die Bondverbindung (Verbindungsschicht, auch Bonding- Interface) hergestellt, indem auf die zu verbündenden Substrate ein Pre- cursor Schichtaufbau abgeschieden wird. Anschließend werden die Schichten plasmaaktiviert und, insbesondere bei Raumtemperatur, gefügt, wodurch ein Pre-Bond (temporärer Bond) entsteht. Während dem darauf folgenden

Wärmebehandlungsprozess (Annealing) wird der Pre-Cursor- Schichtauftau in eine Schicht bestehend aus transparentem, elektrisch leitfähigem Oxid umgewandelt, wobei gleichzeitig die Bondverbindung gestärkt wird.

Eine erfindungsgemäße, insbesondere eigenständige, Ausführungsform des Verfahrens wird anhand zweier Halbleiterwafer (erstes und zweites Substrat) beschrieben. Das Verfahren kann aber analog auch auf jegliche andere, optisch spezifische Materialkombination angewendet werden.

In einem ersten Modul (Beschichtungsanlage) wird auf einem ersten Träger, welcher insbesondere durch das Substrat selbst gebildet ist (spätere

Rückdünnung), der sich aufgrund seiner Kristallstruktur und seiner

Oberfläche zum Aufwachsen einer ersten Halbleitcrschicht (erstes Substrat) eignet, die erste Halbleiterschicht aufgewachsen. Darauf wird in-situ, das heißt, ohne das Substrat aus der Beschichtungsanlage, die für das

Aufwachsen der Halbleiterschicht verwendet wurde, herauszunehmen, eine Schicht (erste Oxidschicht) des ausgewählten TCO abgeschieden. Der in-situ Prozess gewährleistet, dass dieses TCO direkt am Halbleiter anhaften kann, ohne dass dieser ein Oxid bilden könnte, welches die elektrische

Leitfähigkeit beeinflussen würde. Dies ist insbesondere dann gewährleistet, wenn das Substrat in-situ in der (aus weiteren Modulen bestehenden) Anlage in einer Schutzatmosphäre transportiert wird, die möglichst frei von oxidierenden Elementen in der Atmosphäre ist. Dies ist insbesondere in Atmosphären gewährleistet, die weitgehend frei von Sauerstoff und Wasser sind. Mit Vorzug wird dies durch Ausgestaltung der Anlage mit Hochvakuum Atmosphäre gewährleistet, in der der Druck weniger als 1 e-5 mbar, bevorzugt weniger als le-6 mbar und mit größtem Vorzug weniger als le-7 mbar beträgt.

Auf einem zweiten Träger, der hinsichtlich Kristallstruktur und Oberfläche für das Aufwachsen einer zweiten Halbleiterschicht (zweites Substrat) optimiert ist, wird die zweite Halbleiterschicht aufgewachsen. In-situ wird auf dieser Schicht optional eine TCO Schicht (zweite Oxidschicht) bestehend aus einem ausgewählten TCO-Material abgeschieden.

Auf dieser Schicht TCO 2" wird anschließend eine Pre-Cursor Schicht (dritte Oxidschicht) mit der Schichtdicke D3 abgeschieden. Diese Pre-Cursor Schicht ist so gewählt, dass hier das Material noch nicht vollständig oxidiert ist, sondern im Vergleich zur bereits abgeschiedenen TCO Schicht (zweite Oxidschicht) einen Sauerstoffmangel aufweist. Insbesondere fehlen

mindestens >30%, mit Vorzug mindestens >45% und mit noch größerem Vorzug mind. >60%, mit allergrößtem Vorzug >75% des Sauerstoffvolumens Smax, das für eine vollständige Oxidation notwendig wäre. Auf dieser Pre-Cursor-Schicht wird anschließend optional eine TCO Schicht (vierte Oxidschicht) bestehend aus dem gewählten TCO Material mit einer Dicke D4 abgeschieden.

D3 wird dabei so groß gewählt, dass ausreichend Volumen vorhanden ist, um während der Reaktion später einen ausreichend großen Volumenanwuchs zu gewährleisten, so dass ein vollständiges Schließen der Fehlstellen im

Bonding Interface gewährleistet ist. Gleichzeitig wird die Schichtdicke so gering gewählt, dass mit Vorzug das gesamte, in dieser Schicht enthaltene Material während des Prozesses vollständig oxidiert wird. Dies ist

insbesondere für Schichtdicken mit einer Dicke von 1 bis 10 nm

gewährleistet. Mit Vorzug liegt die Schichtdicke zwischen 1 bis 7 nm. Mit noch größerem Vorzug liegt die Schichtdicke zwischen 1 und 5 nm.

D4 wird dabei so gewählt, dass die Schichtdicke ausreichend groß ist, um die darunter liegende Schicht D3 vor einer Reaktion in der

Umgebungsatmosphäre zu schützen. Insbesondere soll weitgehend verhindert werden, dass die Pre-Cursorschicht mit Sauerstoff oder Feuchtigkeit aus der Umgebungsatmo Sphäre reagiert, insbesondere oxidiert. Unter weitgehend ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass bei einem Aussetzen des

Substrates gegenüber der Umgebungsatmosphäre bei Raumtemperatur für eine Dauer von maximal 2 Stunden mit Vorteil weniger als 20% der Pre-Cursor- Schicht reagieren soll. Mit noch größerem Vorteil reagieren weniger als 10% dieser Pre-Cursor-Schicht. Mit allergrößtem Vorteil reagieren weniger als 5% dieser Pre-Cursor-Schicht. Dies ist insbesondere für Schichtdicken der Pre- Cursorschicht von mindestens 0,5 bis 1 nm gewährleistet. Gleichzeitig soll die Schicht jedoch dünn genug sein, um später ein Diffundieren der Edukte / des Edukts aus dem Reservoir (siehe weiter unten) zu erlauben. Daher ist die maximale Dicke dieser Schicht mit Vorteil maximal 2 bis 3 nm. Mit noch größerem Vorteil liegt die maximale Schichtdicke bei maximal 1 ,5 bis 2 nm. Mit allergrößtem Vorteil liegt die maximale Schichtdicke bei maximal 1 bis 1 ,5 nm. Anschließend wird das erste Substrat einem Plasma Aktivierungsprozess unterzogen, um ein Reservoir zu erzeugen (Reservoirbildung siehe weiter unten).

Anschließend werden die Substrate bei Raumtemperatur verbondet, Dabei stellen Van-der-Waals Kräfte sicher, dass die Substrate schon bei

Raumtemperatur aneinander haften. Während einem späteren Annealing Prozess difffundiert ein in dem Reservoir eingelagertes erstes Edukt, insbesondere H₂0, durch die optionale (insbesondere ebenfalls vorher mit Plasma beaufschlagte) vierte Oxidschi cht Schicht und oxidiert die dritte Oxidschicht. Dadurch steigt das Volumen des oxidierten Materials, was zum Schließen der Fehlstellen in der Oberfläche führt (Aufwuchsschicht).

Anschließend können optional einer oder beide der Träger - soweit

vorhanden - entfernt werden. Alternativ könnte auch einer der Träger ebenfalls ein Halbleiterwafer sein, der später Teil der finalen Struktur wird.

Ein weiterer - insbesondere eigenständiger - Aspekt der vorliegenden

Erfindung ist es, mit Hilfe eines kapazitiv gekoppelten Plasmas oder eines induktiv gekoppelten Plasmas oder einem Plasma aus einer

Remoteplasmaanlage ein Plasma zu erzeugen, mit dessen Hilfe ein Reservoir zur Aufnahme eines ersten Edukts in einem Substrat geschaffen wird, das nach der Kontaktierung beziehungsweise Herstellung eines vorläufigen Bonds zwischen den Substraten mit einem zweiten Edukt, das in dem anderen

Substrat vorliegt, reagiert und dadurch einen irreversiblen beziehungsweise permanenten Bond zwischen den Substraten ausbildet. Vor oder nach der Ausbildung des Reservoirs in einer Oxidschicht an der ersten Kontaktfläche findet meist eine Reinigung des oder der Substrate, insbesondere durch einen Spülschritt, statt. Diese Reinigung soll zumeist sicherstellen, dass sich keine Partikel auf den Oberflächen befinden, die ungebondete Stellen zur Folge haben würden. Durch das Reservoir und das im Reservoir enthaltene Edukt wird eine technische Möglichkeit geschaffen, unmittelbar an den Kontaktflächen nach der Herstellung des vorläufigen beziehungsweise reversiblen Bonds gezielt eine den permanenten Bond verstärkende und die Bondgeschwindi gkeit erhöhende Reakti on (erstes Edukt oder erste Gruppe mit dem zweiten Edukt oder der zweiten Gruppe) zu induzieren , insbesondere durch Verformun g mindestens ei ner der Kontaktflächen durch die Reaktion , vorzugsweise der dem Reservoir gegenüberliegenden Kontaktfläche. An der gegenüberliegenden zweiten Kontaktfläche ist erfindungsgemäß eine

Aufwuchsschicht vorgesehen, in der die erfindungsgemäße Verformung stattfindet beziehungsweise das erste Edukt (oder die erste Gruppe) mit dem in der Reaktionsschi cht des zwei ten Substrats vorl iegenden zweiten Edukt (oder der zweiten Gruppe) reagi ert. Zur Beschl eunigung der Reaktion zwischen dem ersten Edukt (oder der ersten Gruppe) und dem zwei ten Edukt (oder der zweiten Gruppe) ist erfindungsgemäß in einer vorteilhaften

Ausführungsform vorgesehen, die zwischen der Reakti onsschicht des zwe iten Substrats und dem Reservoir l i egen de Aufw uch sschi cht vor Kontakti erung der Substrate zu dünnen, da h ierdurch der Abstand zw i schen den

Reaktionspartnern einstel lbar verringert wird und gleichzeitig die

erfindungsgemäße Verformung/Ausbildung der Aufwuchsschicht begünstigt wird. Di e Aufwuchsschicht wird durch das Dünnen zumindest tei lweise, insbesondere überwi egend, vorzugsweise vol l ständi g, ent fernt. Di e

Aufwuchsschicht wächst bei der Reaktion des ersten Edukts mit dem zweiten Edukt wieder an , auch wenn diese vol lständig entfernt wurde. Das Dünnen dieser Aufwuchsschicht könnte erfindungsgemäß insbesondere mittels Ätzen, insbesondere Trockenätzen, Pol ieren, Sputtern oder Reduktion von Ox i den erfo lgen . Mit Vorzug ist auch eine Kombination dieser Ve fahren,

insbesonderer Sputtern und Oxidreduktion, denkbar,

Er fin dun gs gemäß können M i ttel zur Hemmung des Anwachsens der

Aufwuchs Schicht vor dem Kontaktieren der Kontaktflächen vorgesehen sein , insbesond ere durch Passivierung der Reaktionssch icht des zweiten Substrats, vorzugsweise durch Beaufschlagung m it N₂, Formiergas oder einer inerten Atmosphäre oder unter Vakuum oder durch Amorphisieren. Als besonders geeignet hat sich in diesem Zusammenhang eine Behandlung mit Plasma, welches Formiergas enthält, insbesondere überwiegend aus Formiergas besteht, erwiesen. Als Formiergas sind hier Gase zu verstehen, die

mindestens 2%, besser 4%, idealerweise 10% oder 15% Wasserstoff

enthalten. Der restliche Anteil der Mischung besteht aus einem inerten Gas wie beispielsweise Stickstoff oder Argon.

Bei der Verwendung von Formiergas ist es insbesondere möglich, die

Oxidschicht durch einen Prozess, der auf Splittern und Oxidreduktion beruht, zu dünnen.

Alternativ oder zusätzlich zu dieser Maßnahme ist es erfindungsgemäß von Vorteil, die Zeit zwischen dem Dünnen und der ontaktierung zu minimieren, insbesondere <2 Stunden, vorzugsweise <30 Minuten, noch bevorzugter <15 Minuten, idealerweise <5 Minuten. Damit lässt sich das Oxidwachstum, welches nach dem Dünnen erfolgt, minimieren.

Durch die gedünnte und dadurch zumindest beim Beginn der Ausbildung des permanenten Bonds beziehungsweise beim Beginn der Reaktion sehr dünne Aufwuchsschicht wird die Diffusionsrate der Edukte durch die

Aufwuchs Schicht hindurch erhöht. Dies führt zu einer geringeren

Transportzeit der Edukte bei gleicher Temperatur.

Für den Pre- Bonding- Schritt zur Erzeugung eines vorläufigen oder

reversiblen Bonds zwischen den Substraten sind verschiedene Möglichkeiten vorgesehen mit dem Ziel, eine schwache Interaktion zwischen den

Kontaktflächen der Substrate zu erzeugen. Die Prebondstärken liegen dabei unter den Permanentbondstärken, zumindest um den Faktor 2 bis 3,

insbesondere um den Faktor 5, vorzugsweise um den Faktor 15, noch bevorzugter um den Faktor 25. Als Richtgrößen werden die Pre-Bondstärken von reinem, nicht aktiviertem, hydrophilisierten Silizium mit ca. 100mJ/m und von reinem, plasmaaktivierten hydrophiliserten Silizium mit ca.200- 300mJ/m erwähnt. Die Prebonds zwischen den mit Molekülen benetzten Substraten kommen hauptsächlich durch die van-der- Waals

Wechselwirkungen zwischen den Molekülen der unterschiedlichen

Waferseiten zustande. Dementsprechend sind vor allem Moleküle mit permanenten Dipolmomenten dafür geeignet, Prebonds zwischen Wafern zu ermöglichen. Als Verbindungsmittel werden folgende chemische

Verbindungen beispielhaft, aber nicht einschränkend, genannt

- Wasser,

- Tiole,

- AP3000,

- Silane und/oder

- Silanole

Als erfindungsgemäße Substrate sind solche Substrate geeignet, deren

Material in der Lage ist, als Edukt mit einem weiteren zugeführten Edukt zu einem Produkt mit einem höheren molaren Volumen zu reagieren, wodurch die Bildung einer Aufwuchsschicht auf dem Substrat bewirkt wird. Besonders vorteilhaft sind die nachfolgenden Kombinationen, wobei jeweils links vom Pfeil das Edukt und rechts vom Pfeil das Produkt / die Produkte genannt ist, ohne das mit dem Edukt reagierende zugeführte Edukt oder Nebenprodukte im Einzelnen zu benennen:

- Si->Si0₂, Si₃N₄, SiN_xO_y

- Ge-> Ge0₂, Ge₃N₄

- a-Sn- Sn0₂

- B- B₂0₃, BN

- Se- Se0₂

- Te-> Te0₂, Te0₃

- Mg^ MgO, Mg₃N₂

- AI-» A1₂0₃, A1N - Ti^ Ti0₂, TiN

- V₂0₅

- Mn^ nO, Mn0₂, Mn₂0₃, Mn₂0₇, Mn₃0₄

- Fe -» FeO, Fe₂0₃, Fe₃0₄

- Co^ CoO, Co₃0₄,

- Ni-> NiO, Ni₂0₃

- Cu-> CuO Cu₂0, Cu₃N

- Zn^ ZnO

- Cr-» CrN, Cr₂₃C₆, Cr₃C, Cr₇C₃, Cr₃C₂

- Ti^^> TiC

- Nb^ Nb₄C₃

- Ta~> Ta₄C₃

- Zr-> ZrC

- Hf^ HfC

- V- V₄C₃, VC

- W-» W₂C, WC

- Fe- Fe₃C, Fe₇C₃, Fe₂C.

- In -> ln₂0₃

- Sn -» Sn₂0₂

- Sn -» SnO

- Zn -» ZnO

- AI -» A1₂0₃

Als Substrate sind außerdem folgende Mischformen von Halbleitern denkbar:

- III-V: GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AIN, InN, Al_xGa_t- _xAs, In_xGa_]-xN

- IV-IV: SiC, SiGe,

- III-VI: InAlP.

- nichtlineare Optik: LiNb0₃, LiTa0₃, DP ( H₂P0₄) - Solarzellen: CdS, CdSe, CdTe, CuInSe₂, CuInGaSe₂, CuInS₂,

CuInGaS₂

- Leitende Oxide: ln_2-xSnx0_3-y

Erfindungsgemäß wird das Reservoir (oder die Reservoirs) an mindestens einem der Wafer, und zwar unmittelbar an der jeweiligen Kontaktfläche, vorgesehen, in welchem eine gewisse Menge mindestens eines der

zugeführten Edukte für die Volumenexpansionsreaktion speicherbar ist.

Edukte können also beispielsweise 0₂, 0₃, H₂0, N2, NH3, H₂0₂ etc. sein. Durch die Expansion, insbesondere bedingt durch Oxidwachstum, werden auf Grund der Bestrebung der Reaktionspartner, die Systemenergie abzusenken, etwaige Lücken, Poren, Hohlräume zwischen den Kontaktflächen minimiert und die Bondkraft entsprechend durch Annäherung der Abstände zwischen den Substraten in diesen Bereichen erhöht. Im bestmöglichen Fall werden die vorhandenen Lücken, Poren und Hohlräume komplett geschlossen, sodass die gesamte Bondingfläche zunimmt und damit die Bondkraft erfindungsgemäß entsprechend steigt.

Die Kontaktflächen zeigen üblicherweise eine Rauhigkeit mit einer

quadratischen Rauheit (R_q) von 0,2 nm auf. Dies entspricht Scheitel-Scheitel- W erten der Oberflächen im Bereich von 1 nm. Diese empirischen Werte wurden mit der Atomic Force Microscopy (AFM) ermittelt.

Die erfindungsgemäße Reaktion ist geeignet, bei einer üblichen Wa erfläche eines kreisförmigen Wafers mit einem Durchmesser von 200 bis 300 mm mit 1 Monolage (ML) Wasser die Aufwuchsschicht um 0, 1 bis 0,3 nm wachsen zu lassen.

Erfindungsgemäß ist daher insbesondere vorgesehen, mindestens 2 ML, vorzugsweise mindestens 5 ML, noch bevorzugter mindestens 10 ML Fluid, insbesondere Wasser, im Reservoir zu speichern. Besonders bevorzugt ist die Ausbildung des Reservoirs durch

Plasmabeaufschlagung, da durch die Plasmabeaufschlagung außerdem eine Glättung der Kontaktfläche sowie eine Hydrophilisierung als Synergieeffekte bewirkt werden. Die Glättung der Oberfläche durch Plasmaaktivierung erfolgt vorwiegend durch einen viskosen Fluss des Materials der Oxidschicht und gegebenenfalls der Reaktionsschicht. Die Erhöhung der Hydrophilizität erfolgt insbesondere durch die Vermehrung der Siliziumhydroxyl

Verbindungen, vorzugsweise durch Cracken von an der Oberfläche

vorhandenen Si-0 Verbindungen wie Si-O-Si, insbesondere gemäß

nachfolgender Reaktion:

Si-O-Si + H₂0 2SiOH

Für andere Oberflächen kann ganz generell gesagt werden, dass eine

Erhöhung der Dichte der freistehenden OH Verbindungen stattfindet, was eine verbesserte Hydrophilizität zur Folge hat.

Ein weiterer Nebeneffekt, insbesondere als Folge der vorgenannten Effekte, besteht darin, dass die Pre-Bond-Stärke, insbesondere um einen Faktor 2 bis 3, verbessert wird.

Die Ausbildung des Reservoirs in der Oxidschicht an der ersten

Kontaktfläche des ersten Substrats (und gegebenenfalls einer Oxidschicht an der zweiten Kontaktfläche des zweiten Substrats) erfolgt beispielsweise durch Plasmaaktivierung des mit einem thermischen Oxid beschichteten ersten Substrats. Die Plasmaaktivierung wird in einer Vakuumkammer durchgeführt, um die für das Plasma erforderlichen Bedingungen einstellen zu können. Erfindungsgemäß wird für die Plasmaentladung N₂-Gas, 0₂-Gas oder Argongas mit lonenenergien im Bereich von 0 bis 2000 eV (Amplitude) verwendet, wodurch ein Reservoir mit einer Tiefe von bis zu 20 nm, vorzugsweise bis zu 15 nm, mit größerem Vorzug bis zu 1 Onm, mit größtem Vorzug bis zu 5nm, der behandelten Oberfläche, in diesem Fall der ersten Kontaktfläche, hergestellt wird.

Durch Einstellung eines bestimmten Drucks in der Vakuumkammer ist eine Einflussnahme beziehungsweise Einstellung der mittleren freien Weglänge für die Plasmaionen erfindungsgemäß denkbar.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung zweier unterschiedlicher

Frequenzen an den gegenüberliegenden Elektroden zur Erzeugung des Plasmas, die insbesondere unter Anlegen eines Wechselstroms

beziehungsweise einer Wechselspannung die Plasmaionen beschleunigen, und/oder einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle und/oder einem

Remoteplasma sind reproduzierbare Ergebnisse bei der Erzeugung des Reservoirs an der/den Kontaktflächen möglich.

Im Falle der kapazitiven Kopplung ist es vorteilhaft, wenn die Elektroden innerhalb der Plasmakammer angeordnet sind.

Dabei wird durch Einstellung der Parameter (unterschiedliche) Frequenzen der Elektroden, Amplituden, einer, insbesondere, vorzugsweise

ausschließlich, an der zweiten Elektrode angelegten Biasspannung und Kammerdruck eine optimale Beaufschlagung der Kontaktflächen und somit Erzeugung eines exakt, insbesondere volumenmäßig und/oder tiefenmäßig definierten Reservoirs ermöglicht.

Die Ausführung der Plasmaaktivierungsanlage als kapazitiv gekoppelte Doppel frequenz- Plasmaanlage ermöglicht mit Vorteil ein getrenntes Einstellen der lonendichte und der Beschleunigung der Ionen auf die Waferoberfläche. Somit lassen sich erzielbare Prozessergebnisse in einem breiten Fenster einstellen und optimal an die Erfordernisse der Anwendung anpassen. Die Biasspannung dient, insbesondere in Form einer Grundspannung der zweiten, insbesondere unteren, Elektrode dazu, das Auftreffen

(Geschwindigkeit) der Elektroden auf die Kontaktfläche des auf der zweiten Elektrode aufgenommenen Substrats zu beeinflussen, insbesondere zu dämpfen oder zu beschleunigen.

Durch die vorgenannten Parameter wird insbesondere die

Porendichteverteilung im Reservoir einstellbar, wobei nachfolgend besonders vorteilhafte Ausführungsformen beschrieben werden.

Bei einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle können entsprechende

Analogieüberlegungen über die Wechselspannung der kapazitiven Kopplung auf Wechselströme, die zur Erzeugung eines magnetischen Feldes genutzt werden, übernommen werden. Erfindungsgemäß ist es denkbar, das Plasma der induktiv gekoppelten Plasmaquelle durch einen Wechselstrom bzw.

magnetisches Wechselfeld unterschiedlicher Stärke und/oder Frequenz so zu manipulieren, dass das Plasma entsprechende erfindungsgemäße

Eigenschaften aufweist.

Bei einem Remoteplasma, wird das eigentlich zu verwendende Plasma in einer externen Quelle erzeugt, und in den Probenraum eingeführt.

Insbesondere werden Bestandteile dieses Plasmas, insbesondere Ionen, in den Probenraum transportiert. Der Übergang des Plasmas vom Quellen- in den Substratraum kann durch unterschiedliche Elemente wie Schleusen,

Beschleuniger, magnetische und/oder elektrische Linsen, Blenden etc.

gewährleistet werden. Alle für das kapazitiv und/oder induktiv gekoppelte Plasma geltenden Überlegungen bezüglich Frequenzen und/oder Stärken der elektrischen und/oder magnetischen Felder soll für sämtliche Elemente, welche die Erzeugung und/oder den Übergang des Plasmas vom Quellen- in den Substratraum gewährleisten gelten. Denkbar wäre beispielsweise, dass ein Plasma durch kapazitive oder induktive Kopplung durch die erfindungsgemäßen Parameter im Quellenraum erzeugt wird und danach über die oben offenbarten Elemente in den Substratraum eindringt.

Erfindungsgemäß können jede Partikelart, Atome und/oder Moleküle, verwendet werden, die geeignet sind, das Reservoir zu erzeugen. Mit Vorzug werden jene Atome und/oder Moleküle verwendet, welche das Reservoir mit den benötigten Eigenschaften erzeugt. Die relevanten Eigenschaften sind vor allem die Porengröße, Porenverteilung und Porendichte. Alternativ können erfindungsgemäß Gasmischungen, wie beispielsweise Luft oder Formiergas bestehend aus 95% Ar und 5% H₂ verwendet werden. Abhängig von dem verwendeten Gas sind in dem Reservoir während der Plasmabchandlung unter anderem folgende Ionen anwesend: Ν+, N₂+, 0+, 0₂+, Ar+. Im nicht belegten Frei räum des/der Reservoirs ist das erste Edukt aufnehmbar. Die Oxidschicht und entsprechend das Reservoir kann sich bis in die Reaktionsschicht hinein erstrecken.

Mit Vorteil handelt es sich dabei um unterschiedliche Arten von

Plasmaspezies, die mit der Reaktionsschicht reagieren können und zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend aus dem ersten Edukt bestehen. Soweit das zweite Edukt Si/Si ist, wäre eine Οχ-Plasmaspezies vorteilhaft.

Die Ausbildung des/der Reservoirs erfolgt auf Grund folgender

Überlegungen:

Die Porengröße ist kleiner als lOnm, mit Vorzug kleiner als 5nm, mit größerem Vorzug kleiner als 1 nm, mit noch größerem Vorzug kleiner als 0.5nm, mit größtem Vorzug kleiner als 0.2nm.

Die Porendichte ist mit Vorzug direkt proportional zur Dichte der Partikel, welche die Poren durch Einschlagwirkung erzeugen, mit größtem Vorzug sogar durch den Partialdruck der Einschlagspezies variierbar, sowie abhängig von der Behandlungszeit und den Parametern, insbesondere des verwendeten Plasmasystems. Die Porenverteilung besitzt mit Vorzug mindestens einen Bereich größter Porenkonzentration unter der Oberfläche, durch Variation der Parameter mehrerer solcher Bereiche, welche sich zu einem, vorzugsweise

plateauförmigen Bereich, überlagern (siehe Fig.8). Die Porenverteilung nimmt mit zunehmender Dicke gegen null ab. Der oberflächennahe Bereich besitzt während des Beschüsses eine Porendichte, welche mit der Porendichte nahe der Oberfläche beinahe ident ist. Nach dem Ende der Plasmabehandlung kann die Porendichte an der Oberfläche auf Grund von

Spannungsrelaxationsmechanismen verringert werden. Die Porenverteilung in Dickenrichtung besitzt bezüglich der Oberfläche eine steile Flanke und bezüglich des Bulks eine eher flachere, aber stetig abnehmende Flanke (siehe Fig.8).

Für die Porengröße, die Porenverteilung und Porendichte gelten für alle nicht mit Plasma hergestellten Verfahren ähnliche Überlegungen.

Das Reservoir kann durch gezielte Verwendung und Kombination von

Prozessparametern designed werden. Fig.8 zeigt eine Darstellung der

Konzentration eingeschossener Stickstoffatome durch Plasma als Funktion der Eindringtiefe in eine Siliziumoxidschicht. Durch V ariation der

physikalischen Parameter konnten zwei Profile erzeugt werden. Das erste Profil 11 wurde durch stärker beschleunigte Atome tiefer im Siliziumoxid erzeugt, wohingegen das Profil 12, nach Abänderung der Prozessparameter in einer geringeren Dichte erzeugt wurde. Die Überlagerung beider Profile ergibt eine Summenkurve 13, welche charakteristisch für das Reservoir steht. Der Zusammenhang zwischen der Konzentration der eingeschossenen Atom und/oder Molekülspezies ist evident. Höhere Konzentrationen bezeichnen Gebiete mit höherer Defektstruktur, also mehr Raum um das anschließende Edukt aufzunehmen. Eine kontinuierliche, insbesondere gezielt gesteuerte kontinuierliche Änderung der Prozessparameter während der

Plasmaaktivierung ermöglicht es, ein Reservoir mit einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der eingebrachten Ionen über die Tiefe zu

erreichen. Diese Überlegungen gelten analog ebenfalls für andere Schichten als Siliziumoxid, in welchen das Reservoir im Falle anderer

Materialkombinationen gebildet werden kann. Insbesondere sind diese

Überlegungen auch für TCO Schichten anwendbar.

Als Reservoir ist alternativ zu einem durch Plasma erzeugten Reservoir die Verwendung einer TEOS (Tetraethylorthosilikat)-Oxidschicht auf mindestens einem der Substrate, zumindest dem ersten Substrat, denkbar. Dieses Oxid ist im allgemeinen weniger dicht als thermisches Oxid, weshalb

erfindungsgemäß eine Verdichtung vorteilhaft ist. Die Verdichtung erfolgt durch Wärmebehandlung mit dem Ziel einer Einstellung einer definierten Porosität des Reservoirs.

Besonders vorteilhaft kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Auffüllung des Reservoirs gleichzeitig mit der Ausbildung des Reservoirs erfolgen, indem das Reservoir als Beschiehtung auf dem ersten Substrat aufgebracht wird, wobei die Beschiehtung das erste Edukt bereits umfasst.

Das Reservoir ist als poröse Schicht mit einer Porosität im Nanometerb ereich oder als Kanäle aufweisende Schicht mit einer Kanaldicke kleiner lOnm, mit größerem Vorzug kleiner als 5 nm, mit noch größerem Vorzug kleiner als 2nm, mit größtem Vorzug kleiner als 1 nm, mit allergrößtem Vorzug kleiner als 0.5nm denkbar.

Für den Schritt des Auffüllens des Reservoirs mit dem ersten Edukt oder einer ersten Gruppe von Edukten sind erfindungsgemäß folgende

A us führungs formen, auch in Kombination, denkbar:

- Aussetzen des Reservoirs gegenüber der Umgebungsatmosphäre,

- Spülung mit, insbesondere deionisiertem, Wasser, - Spülen mit einem das Edukt enthaltenden oder aus diesem bestehenden Fluid, insbesondere H₂0, H₂0₂, NH40H

- Aussetzen des Reservoirs gegenüber einer beliebigen Gasatmosphäre, insbesondere atomares Gas, molekulares Gas, Gasmischungen,

- Aussetzen des Reservoirs gegenüber einer Wasserdampf oder

Wasserstoffperoxiddampf enthaltenden Atmosphäre und

- Ablagerung eines bereits mit dem Edukt befüllten Reservoirs als

Oxidschicht au f dem ersten Substrat.

Als Edukte kommen die folgenden Verbindungen in Frage: Οχ⁺, 0₂, 0₃, N₂, NH₃, H₂0, H₂0₂ und/oder NH₄OH.

Die Verwendung des oben angeführten Wasserstoffperoxiddampfes wird neben der Verwendung von Wasser als bevorzugte Variante angesehen.

Wasserstoffperoxid hat des Weiteren den Vorteil, ein größeres Sauerstoff zu Wasserstoffverhältnis zu besitzen. Des Weiteren dissoziiert

Wasserstoffperoxid über bestimmten Temperaturen und/oder der Verwendung von Hochfrequenzfeldern im MHz Bereich zu Wasserstoff und Sauerstoff.

Andererseits bietet H₂0 den Vorteil, eine kleine Molekülgröße aufzuweisen. Die Größe des H₂0-Moleküls ist sogar kleiner als jene des 0₂-Moleküls, womit H₂0 den Vorteil bietet, leichter in den Poren eingelagert werden zu können, sowie leichter durch die Aufwuchsschicht hindurch diffundieren zu können.

Vor allem bei Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen

thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist die Anwendung von Verfahren zur Dissoziierung der vorgenannten Spezies vorteilhaft, die keine nennenswerte oder allenfalls eine lokale/spezifische Temperaturerhöhung bewirken.

Insbesondere ist eine Mikrowellenbestrahlung vorgesehen, welche die

Dissoziierung zumindest begünstigt, vorzugsweise bewirkt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausbildung der Aufwuchsschicht und Verstärkung des irreversiblen Bonds durch Diffusion des ersten Edukts in die Reaktionsschicht erfolgt.

Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausbildung des irreversiblen Bonds bei einer

Temperatur von typischerweise weniger als 300°C, mit Vorteil von weniger als 200°C, mit größerem Vorzug weniger als 150°C, mit noch größerem

Vorzug weniger als 100°C, mit größtem Vorzug bei Raumtemperatur insbesondere während maximal 12 Tage, bevorzugter maximal 1 Tag, noch bevorzugter maximal 1 Stunde, am bevorzugtesten maximal 15 Minuten, erfolgt. Eine weitere, vorteilhafte Wärmebehandlungsmethode ist die dielektrische Erwärmung durch Mikrowellen.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der irreversible Bond eine

Bondstärke von größer 1 ,5 J/m², insbesondere größer 2 J/m², vorzugsweise größer 2,5 J/m² aufweist.

Die Bondstärke kann in besonders vorteilhafter Weise dadurch erhöht werden, dass bei der Reaktion erfindungsgemäß ein Produkt mit einem größeren molaren Volumen als das molare Volumen des zweiten Edukts in der Reaktionsschicht gebildet wird. Hierdurch wird ein Anwachsen am zweiten Substrat bewirkt, wodurch Lücken zwischen den Kontaktflächen durch die erfindungsgemäße chemische Reaktion geschlossen werden können. Als Folge hieraus wird der Abstand zwischen den Kontaktflächen, also der mittlere Abstand, reduziert und Toträume minimiert. Soweit die Ausbildung des Reservoirs durch Plasmaaktivierung, insbesondere mit einer Aktivierungsfrequenz zwischen 10 kHz und 20000 kHz, mit Vorzug zwischen 10 kHz und 5000 kHz, noch bevorzugter zwischen 10 kHz und 1000 kHz, mit größtem Vorzug zwischen 10 kHz und 600 kHz und/oder einer Leistungsdichte zwischen 0,075 und 0,2 Watt/cm² und/oder unter

Druckbeaufschlagung mit einem Druck zwischen 0,1 und 0,6 mbar, erfolgt, werden zusätzliche Effekte wie die Glättung der Kontaktfläche als auch eine deutlich erhöhte Hydrophilität der Kontaktfläche bewirkt.

Alternativ dazu kann die Ausbildung des Reservoirs erfindungsgemäß durch Verwendung einer, insbesondere kontrolliert auf eine bestimmte Porosität verdichteten, Tetraethoxysilan-Oxidschicht als Oxidschicht erfolgen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oxidschicht überwiegend, insbesondere im wesentlichen vollständig, aus einem, insbesondere amorphen, insbesondere einem durch thermische Oxidation erzeugten Siliziumdioxid, und die Reaktionsschicht aus einem oxidierbaren Material, insbesondere überwiegend, vorzugsweise im wesentlichen vollständig, aus Si, Ge, InP, GaP oder GaN (oder einem anderen, oben alternativ erwähnten Material), bestehen. Durch Oxidation wird eine besonders stabile und die vorhandenen Lücken besonders effektiv schließende Reaktion ermöglicht.

Dabei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen der zweiten

Kontaktfläche und der Reaktionsschicht eine Aufwuchsschicht, insbesondere überwiegend aus nativem Siliziumdioxid (oder einem anderen, oben

alternativ erwähnten Material), vorgesehen ist. Die Aufwuchsschicht unterliegt einem durch die erfindungsgemäße Reaktion bewirkten Wachstum. Das Wachstum erfolgt ausgehend vom Übergang Si-Si02 (7) durch

Neubildung von amorphem Si02 und dadurch hervorgerufener Verformung, insbesondere Ausbeulung, der Aufwuchsschicht, insbesondere an der

Grenzfläche zur Reaktionsschicht, und zwar insbesondere in Bereichen von Lücken zwischen der ersten und der zweiten Kontaktfläche. Hierdurch wird eine Reduzierung des Abstands beziehungsweise Verringerung des Totraums zwischen den beiden Kontaktflächen bewirkt, wodurch die Bondstärke zwischen den beiden Substraten erhöht wird. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Temperatur zwischen 200 und 400°C, bevorzugt in etwa 200°C und 150° C, bevorzugterweise eine Temperatur zwischen 150°C und 100°C, am bevorzugtesten eine Temperatur zwischen 100°C und Raumtemperatur. Die Aufwuchsschicht kann dabei in mehrere Aufwuchsbereiche unterteilt sein. Die Aufwuchsschicht kann gleichzeitig eine Oxidschicht des zweiten

Substrats sein, in der ein weiteres, die Reaktion beschleunigendes Reservoir ausgebildet wird.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Aufwuchsschicht vor der Ausbildung des irreversiblen Bonds eine mittlere Dicke A zwischen 0,1 nm und 5 nm aufweist. Je dünner die Aufwuchs Schicht, desto schneller und einfacher erfolgt die Reaktion zwischen dem ersten und dem zweiten Edukt durch die Aufwuchsschicht hindurch, insbesondere durch Diffusion des ersten Edukts durch die Aufwuchsschicht hindurch zur Reaktionsschicht. Durch die gedünnte und dadurch zumindest beim Beginn der Ausbildung des

permanenten Bonds beziehungsweise beim Beginn der Reaktion sehr dünne Aufwuchsschicht wird die Diffusionsrate der Edukte durch die

Aufwuchsschicht hindurch erhöht. Dies führt zu einer geringeren

Transportzeit der Edukte bei gleicher Temperatur.

Hier spielt das erfindungsgemäße Dünnen eine entscheidende Rolle, da die Reaktion hierdurch weiter beschleunigt und/oder die Temperatur weiter reduziert werden können. Das Dünnen kann insbesondere durch Ätzen, vorzugsweise in feuchter Atmosphäre, noch bevorzugter in-situ, erfolgen. Alternativ erfolgt das Dünnen insbesondere durch Trockenätzen,

vorzugsweise in-situ. In-situ bedeutet hier die Durchführung in ein und derselben Kammer, in der mindestens ein vorheriger und/oder ein

nachfolgender Schritt durchgeführt wird/werden. Eine weitere Anlagenanordnung, die untern den, hier verwendeten in-situ Begriff fällt ist eine Anlage, bei der der Transport der Substrate zwischen einzelnen

Prozesskammern in einer kontrolliert einstellbaren Atmosphäre,

beispielsweise unter Verwendung inerter Gase, insbesondere aber in Vakuum Umgebung erfolgen kann. Nassätzen findet mit Chemikalien in der

Dampfphase statt, währen Trockenätzen mit Chemikalien im flüssigen

Zustand stattfindet. Soweit die Aufwuchsschicht aus Siliziumdioxid besteht, kann mit Flusssäure oder verdünnter Flusssäure geätzt werden. Soweit die Aufwuchsschicht aus reinem Si besteht, kann mit KOH geätzt werden.

In vorteilhafter Weise ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Ausbildung des Reservoirs im Vakuum durchgeführt wird. Somit können Verunreinigungen des Reservoirs mit nicht erwünschten Materialien oder Verbindungen vermieden werden.

In einer weiteren Ausführungs orm der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Auffüllen des Reservoirs durch einen oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Schritte erfolgt:

- Aussetzen der ersten Kontaktfläche gegenüber der Atmosphäre, zur

Auffüllung des Reservoirs mit Luftfeuchtigkeit und / oder in der Luft enthaltenem Sauerstoff.

- Beaufschlagung der ersten Kontaktfläche mit einem, insbesondere

überwiegend, vorzugsweise nahezu vollständig, aus, insbesondere

deionisiertem, H₂0 und/oder H₂0₂ bestehenden, Fluid,

- Beaufschlagung der ersten Kontaktfläche mit N₂-Gas und/oder 0₂-Gas und/oder Ar-Gas und/oder Formiergas, insbesondere bestehend aus 95% Ar und 5% H₂, insbesondere mit einer Ionenenergie im Bereich von 0 bis 2000 eV. - Bedampfung zur Auffüllung des Reservoirs mit einem beliebigen bereits genannten Edukt.

Besonders effektiv für den Verfahrensablauf ist es, wenn das Reservoir mit Vorzug in einer Dicke R zwischen 0,1 nm und 25 nm, mit größerem Vorzug zwischen 0,1 nm und 15 nm, mit noch größerem Vorzug zwischen 0,1 nm und 10 nm, mit größtem Vorzug zwischen 0,1 nm und 5 nm ausgebildet wird.

Weiterhin ist es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, wenn der mittlere Abstand B zwischen dem Reservoir und der

Reaktionsschicht unmittelbar vor der Ausbildung des irreversiblen Bonds zwischen 0, 1 nm und 15 nm, insbesondere zwischen 0,5 nm und 5 nm, vorzugsweise zwischen 0,5 nm und 3 nm beträgt. Der Abstand B wird erfindungsgemäß durch das Dünnen beeinflusst beziehungsweise hergestellt.

Eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß mit einer Kammer zur Ausbildung des Reservoirs und einer, insbesondere separat dazu vorgesehenen Kammer zur Füllung des Reservoirs und einer,

insbesondere separat vorgesehenen Kammer zur Ausbildung des Pre-Bonds ausgebildet, die direkt über ein V akuumsystem miteinander verbunden sind.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Auffüllen des Reservoirs auch direkt über die Atmosphäre erfolgen, also entweder in einer Kammer, die zur Atmosphäre hin geöffnet werden kann oder ein ach auf einem Aufbau, welcher keine Ummantelung besitzt aber den Wafer semi- und/oder

vollautomatisch handhaben kann.

Die Nutzung der Sonnenenergie mittels Photovoltaik Anlagen gewinnt zunehmend an Bedeutung, da fossile Energieträger mittelfristig knapp werden und außerdem ein erhebliches Umweltproblem in der Gewinnung und der Nutzung, insbesondere durch den Beitrag zum Treibhauseffekt darstellen. Um die Konkurrenzfähigkeit von Photovoltaik aus rein wirtschaftlicher Sicht zu stärken ist es notwendig, den Wirkungsgrad der Umwandlung von Licht in elektrische Energie bei gleichen Kosten oder maximal moderater Kostensteigerung zu verbessern. Dabei sind dem möglichen Wirkungsgrad jedoch Grenzen gesetzt. Diese Grenzen resultieren primär aus der

Einschränkung, dass ein einzelnes Halbleitermaterial nur Licht mit einem eingeschränkten Wellenlängenbereich verarbeiten und in elektrische Energie umwandeln kann.

Eine Verwendung der vorliegenden Erfindung für die Herstellung von

Mehrschichtsolarzelle oder noch oder unter dem Englischen Ausdruck bekannten„Multi-Junction Solar Cells" ist daher besonders vorteilhaft.

Bei diesen liegen die einzelnen Schichten vertikal übereinander gestapelt in der Solarzelle. Einfallendes Licht tri fft zuerst die oberste Schicht, die dafür optimiert ist, Licht mit einem bestimmten, ersten Wellenlängenbereich in elektrische Energie umzuwandeln. Licht mit einem Wellenlängenbereich der weitgehend nicht in dieser Schicht verarbeitet werden kann, durchdringt diese erste Schicht und trifft auf die darunterliegende zweite Schicht, die dafür optimiert ist, einen zweiten Wellenlängenbereich zu verarbeiten und damit elektrische Energie zu produzieren. Optional ist es in diesen

Mehrschichtzellen möglich, dass Licht mit einem Wellenlängenbereich, der auch in dieser zweiten Schicht weitgehend nicht verarbeitet werden kann, auf eine darunterliegende dritte Schicht tri fft, die dafür optimiert ist, Licht mit einem dritten Wellenlängenbereich zu verarbeiten und in elektrische Energie umzuwandeln. Man kann sich vorstellen, dass rein theoretisch eine Vielzahl (n) solcher Schichten möglich ist. In der Pra is sind derartige Zellen so aufgebaut, dass die oberste Schicht, in das einfallende Licht als erstes eindringt, jenen Wellenlängenbereich mit der kürzesten Wellenlänge verarbeitet. Die zweite Schicht, den nächst kürzeren Wellenlängenbereich und so weiter. Dabei ist er findungs gemäß nicht nur ein zweischichtiger Aufbaus denkbar sondern drei oder mehr Schichten sind realisierbar. Dabei ist es vorgesehen, die Schichten vertikal elektrisch leitfähig, d.h. mit einem möglichst geringen Widerstand und optisch transparent miteinander zu verbinden. Das Abscheiden der Schichten erfolgt dabei insbesondere durch sogenannte„Metalorganic Chemical Vapor Deposition", kurz„MO CVD" Prozesse, wobei das Abscheiden der beiden aktiven Schichten der

Mehrfachzelle insbesondere„in-situ", das heißt ohne die Substrate zwischen den Abscheideprozessen der normalen Umgebungsatmosphäre auszusetzen, abgeschieden werden. Mit Vorzug werden zwischen die aktiven Schichten auch Sperrschichten (zweite oder vierte Oxidschicht) und/oder

Pufferschichten (zweite oder vierte Oxidschicht) eingebracht, die die Qualität der resultierenden Zelle verbessern.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der

vorliegenden Erfindung kurz vor dem Kontaktieren eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat.

Gleiche oder gleichwirkende Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In der in Figur 1 dargestellten Situation, die nur einen Querschnittsabschnitt einer ersten Kontaktfläche 3 eines ersten Substrats 1 und einer zweiten Kontaktfläche 4 eines zweiten Substrats 2 zeigt. Die Oberflächen der

Kontaktflächen 3, 4 sind mit polaren OH-Gruppen terminiert und

entsprechend hydrophil. Das erste Substrat 1 und das zweite Substrat 2 werden durch die Anziehungskraft der Wasserstoffbrücken zwischen den an der Oberfläche vorhandenen OH-Gruppen und den H₂0-Molekülen sowie zwischen den H₂0-Molekülen allein gehalten, unter anderem durch van-dcr- Waals-Kräfte und/oder Wasserstoffbrücken. Die Hydrophilizität zumindest des ersten Substrats 1 ist in einem vorangegangenen Schritt durch eine Plasmabehandlung erhöht worden. Die Plasmabehandlung erfolgt in einer mit Plasma und Vakuum und/oder einer definierten Gasatmosphäre beaufschlagbaren Plasmakammer, die in einem eigenen Modul einer entsprechenden Anlage vorgesehen sein kann. Mit Vakuum und/oder einer definierten Gasatmosphäre beaufschlagbar heißt, dass Drücke unter 1 mbar einstellbar und steuerbar sind. Als Gas wird beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel N₂ bei einem Druck von 0,3 mbar verwendet.

Besonders vorteilhaft ist es, gemäß der alternativen Ausführungsform zusätzlich das zweite Substrat 2 beziehungsweise die zweite Kontaktfläche 4 einer Plasmabehandlung zu unterziehen, insbesondere gleichzeitig mit der Plasmabehandlung des ersten Substrats 1.

Durch die Plasmabehandlung ist erfindungsgemäß ein Reservoir 5 in einer aus dem ausgewählten TCO bestehenden Oxidschicht 6 ausgebildet worden. Unter der Oxidschicht 6 schließt sich unmittelbar ein Halbleiter 7 an, der unter anderem optional auch als Reaktionsschicht dienen kann an, die ein zweites Edukt oder eine zweite Gruppe von Edukten enthält. Durch die Plasmabehandlung mit N₂-Ionen mit der oben genannten Ionenenergie wird eine mittlere Dicke R des Reservoirs 5 von etwa 15 nm erreicht, wobei die Ionen des Plasmas Kanäle beziehungsweise Poren in der Oxidschicht 6 ausbilden. Das Reservoir wird mit einem ersten Edukt aufgefüllt, das mit dem zweiten Edukt reagiert.

Der Halbleiter 7 wird bei der gezeigten Ausführungsform durch einen Träger 8 temporär gestützt.

Das zweite Substrat 2 besteht an der zweiten Kontaktfläche 4 aus einer vierten Oxidschicht 9, unmittelbar gefolgt von einer dritten Oxidschicht 10 (Precursor- Schicht), diese wiederum unmittelbar gefolgt von einer zweiten Oxidschicht 11. Die Oxidschicht 10 (Pre-Cursor-Schicht) besteht insbesondere aus einem TCO, in dem nicht vollständig oxidierte Komponenten enthalten sind, so dass die Schicht ein Sauerstoffvolumen Si aufweist, das kleiner als das maximalen Sauerstoffvolumen S_max ist, welches in der Schicht enthalten wäre, wenn das gesamte Volumen vollständig oxidiert wäre. Insbesondere ist das

Sauerstoffvolumen Si maximal 70% von S_max Mit Vorteil liegt dieser

Prozentsatz bei 55%, mit größerem Vorteil bei 40% und mit allergrößtem Vorteil bei 25%.

Die zweite Oxidschicht 11 ist fest mit einem Halbleiter 12 des zweiten Substrats 2 verbunden, der wiederum auf einem Träger 13 temporär fixiert ist.

Der Halbleiter 12 dient insbesondere als Reaktionsschicht, die ein zweites Edukt oder eine zweite Gruppe von Edukten enthält.

Jeweils zwischen den Oxidschichten 6, 9, 10, 11 und optional den

Reaktionsschichten (Halbleiter 7, 12) wird durch die Reaktion des ersten Edukts mit dem zweiten Edukt eine Aufwuchsschicht gebildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform reagiert das, in dem i der

Oxidschicht 6 gebildeten Reservoir 5 eingelagerte erste Edukt mit der Pre- Cursor-Schicht 10. Diese Reaktion hat eine Volumen erhöhung zur Folge, da das Reaktionsprodukt aus dem ersten Edukt und der Pre-Cursor-Schicht ein höheres molares Volumen aufweist.

Durch Vergrößerung des molaren Volumens und Diffusion der H₂0-Moleküle wächst insbesondere an der Grenzfläche zwischen den Oxidschichten 9 und 10 Volumen jeweils in Form der Aufwuchsschicht an, wobei wegen des Ziels einer Minimierung der freien Gibb'schen Enthalpie ein verstärktes

Anwachsen in Bereichen erfolgt, wo Lücken zwischen den Kontaktflächen 3, 4 vorhanden sind. Durch die Volumenerhöhung der Aufwuchsschichten werden die Lücken geschlossen.

Die Oxidschichten 6, 9, 10 und 11 bilden nach dem Bonden gemeinsam eine Verbindungsschicht 14.

Diese Verbindungsschicht besteht in einer bevorzugten Ausführungsform nach der Reaktion mit Vorteil aus einem homogenen Material, das im Wesentlichen demselben TCO entspricht, aus dem die ursprünglich abgeschiedenen Oxidschichten 9,11 und 6 bestehen.

Verfahren zum Bonden von Substraten

B e z u g s z e i c h e n l i s t e

erstes Substrat

zweites Substrat

erste Kontaktfläche

zweite Kontaktfläche

Reservoir

Erste Oxidschicht

Erster Halbleiter

Erster Träger

Vierte Oxidschicht

Dritte Oxidschicht

Zweite Oxidschicht

Zweiter Halbleiter

Zweiter Träger

Verbindungs Schicht

Claims

Verfahren zum Bonden von Substraten P a t e n t an s p rü c h e

1. Verfahren zum Bonden einer ersten Kontaktfläche (3) eines ersten, zumindest überwiegend transparenten Substrats (1) mit einer zweiten Kontaktfläche (4) eines zweiten, zumindest überwiegend transparenten Substrats (2), wobei an mindestens einer der Kontaktflächen (3, 4) zum Bonden ein Oxid verwendet wird, aus dem eine zumindest überwiegend transparente Verb indungs Schicht ( 14) mit:

einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens lOel S/cm² (Messung: Vierpunktmethode, bezogen auf Temperatur von 300K) und

einem optischen Transmissionsgrad größer 0,8 (für einen

Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1500 nm)

an der ersten und zweiten Kontaktfläche (3, 4) ausgebildet wird.

Verfahren zum Herstellen eines ersten Substrats (1) mit einer ersten Kontaktfläche (3) zum Bonden mit einer zweiten Kontaktfläche (4) eines zweiten Substrats (2), wobei auf das erste Substrat (1) eine erste Oxidschicht (6) mit:

einem optischen Transmissionsgrad größer 0,8 (für einen

Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1500 nm)

aufgebracht wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Kontaktfläche (3), insbesondere vor der Kontaktierung, plasmaaktiviert wird.

Verfahren zum Herstellen eines zweiten Substrats (2) mit einer zweiten Kontaktfläche (4) zum Bonden mit einer ersten Kontaktfläche (3) eines ersten Substrats (1), mit folgenden Schritten, insbesondere folgendem Ablauf:

Aufbringen einer zweiten Oxidschicht (11) auf das zweite

Substrat (2),

Aufbringen einer dritten Oxidschicht (10) auf die zweite

Oxidschicht (11), wobei die dritte Oxidschicht (10) ein

Sauerstoffvolumen Si aufweist, das kleiner 70% des maximalen Sauerstoffvolumens S_max der dritten Oxidschicht ( 10) ist und Aufbringen einer vierten Oxidschicht (9) auf die dritte

Oxidschicht (10). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Oxid oder eine oder mehrere der Oxidschichten (6, 9, 10, 11), insbesondere als Dotierung, mindestens eines der folgenden

Bestandteile enthält:

Indium,

Zinn,

Aluminium,

Zink,

Gallium,

Fluor oder

Antimon.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Oxid oder eine oder mehrere der Oxidschichten (6, 9, 10, 11 ) durch eines der nachfolgend aufgeführten Verfahren aufgebracht werden:

Metalorganic Chemical Vapor Deposition (Metallorganische

Chemische Gasphasenabscheidung),

Metal Organic Molecular Beam Deposition (Metallorganische Molekular Strahl Abscheidung),

Spray Pyrolyse (Sprühpyrolyse),

Pulsed Laser Deposition (Laserstrahlverdampfen) oder Aufsputtern