JP2017516306A - 持続的ボンディングのための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の基板（１）の第１の層（２）をボンディング界面（５）で第２の基板（１’）の第２の層（２’）に持続的にボンディングする方法に関する。本発明によれば、第１の層（２）及び／又は第２の層（２’）の転位（４）の転位密度が、少なくともボンディング界面（５）の領域においてボンディング前及び／又はボンディング中に高められる。本発明はさらに、対応する装置にも関する。

Description

本発明は、請求項１記載の方法及び請求項６記載の装置に関する。

ウェハボンディングの名称で知られるプロセスでは、２つの基板、特に（特にケイ素、石英などの材料又は任意の他の材料から形成される）２つのウェハが相互に接続される。ここではさしあたり一時的なボンディングと持続的なボンディングとが区別される。一時的なボンディングとは、２つの基板、特に２つのウェハが相互に接続され、製品基板が安定であって支持体基板からの分離なしに処理可能であり、ただしプロセスラインの最後には再び意図的に支持体基板から取り外し可能となる全てのプロセスを意味すると理解されたい。これに対して、持続的なボンディングとは、２つの基板、特に２つのウェハが、解離不能かつ持続的な接続を形成する目的で相互にボンディングされる。

以下に挙げるのは持続的なボンディング手段の概観である。マイクロシステム技術では、ウェハボンディングは例えば、キャビティを有するウェハを、マイクロメカニカル素子及びマイクロ光学素子でコーティングされた第２のウェハにボンディングしてこれを保護するために用いられる。また、持続的なボンディングとは、ケイ素表面もしくはケイ素酸化物表面にいわゆるダイレクトボンディングプロセスによって持続的な接続を形成するためにも用いられる。さらにまた、拡散ボンディングもしくは共晶ボンディングの持続的なボンディングプロセスによって、多くの金属表面を持続的に相互に接続できる。これらの金属表面は、ウェハ上の全面にわたるコーティングとして設けられなくてもよく、ウェハ全体に分散配置される複数の局限されたコーティングから成っていてよい。特に、このようにウェハ全体に分散配置される複数の局限されたコーティングは、誘電性材料、特に二酸化ケイ素によって包囲することができる。この場合、こうした表面はハイブリッド表面と称される。当該ハイブリッド表面は、持続的なボンディングプロセスにおいて、導電性の金属表面と誘電性領域とが相互に接続されるように、相互に配向及び相互にボンディングされる。これにより、同時に導電性接続を形成しながら、複数の基板の積層が可能となる。

すなわち、本来のボンディング法以外にも、接続されるウェハの材料タイプの相違によって区別される種々の形式のボンディング法が存在する。今日使用されている金属用の持続的なボンディングプロセスの重大な欠点は、きわめて大きな熱供給及び／又はきわめて高い圧力を用いたボンディング過程でないと満足のいくボンディング結果が得られないことにある。またここでの大きな熱負荷も、経済的な作業の観点から見ると特に不利であってコストがかかる。さらに、ますます大きくなる傾向にあるウェハを相互に全面で均等に接続するために相応に高い圧力を印加しなくてはならないボンディングシステムの建造及び生産は、相応に困難である。相応のボンディングシステムの製造は、任意の大きさの建造が許容されるのであれば、基本的には問題なく行える。ただし、ボンディングシステムは、特に半導体産業で定められた所定の寸法を有さなければならないので、相応にコンパクトに構成されなければならない。

上述した高い必要エネルギという欠点のほか、各基板材料が共通して受ける大きな熱供給量に対してそれぞれ異なって反応するという欠点もある。熱供給は使用される基板材料にとって相変わらずの欠点であり、基板及び特にその上に存在する構造体の完全な破壊をまねきかねない。

したがって、本発明の基礎とする課題は、２つの基板表面、特に２つの金属表面を、できるだけ熱供給なしに（理想的には室温で）持続的に接続できる方法を開発することである。

相互にボンディングすべき基板の表面は、本発明によれば、導電性材料及び非導電性材料から形成可能であり、又は、ハイブリッド特性を有することができる。特に本発明によれば、ボンディングプロセスとは、ハイブリッド表面を相互に接続するために用いられるものであると理解されたい。ここでは、上述したように、少なくとも１つの導電性材料及び非導電性材料から形成される表面をいう。この場合、導電性材料は、本発明の実施形態によれば、ボンディング過程に対して用意され、一方、非導電性表面は公知のボンディング機構にしたがって相互にボンディング可能である。本発明の実施形態をできるだけ簡単な実施形態として実現するために、本願明細書の以下の説明では、基板全体にわたって延在する全面での金属表面の利点を説明する。さらに、各図には、専ら全面ですなわち基板全体にわたって延在する金属表面が示されている。

本発明は特に、持続的なＣｕ‐Ｃｕボンディングに関する。本発明の方法は、基本的に、他の全ての材料及び材料組み合わせに移行可能であり、本発明の実施形態により、好ましくは組織の再結晶化を生じさせる少なくとも１つのメタ安定状態を形成可能である。２つのみの基板をボンディングするほか、本発明の方法で製造可能な基板積層体を形成したいというニーズも多い。こうした基板積層体を製造する場合にはまさに、材料のタイプと存在するキャビティとを考慮しつつ、組み立ての最適な順序を決定する必要がある。特に好ましくは、メタ安定状態は高い転位密度によって形成される。本発明の実施形態は、特に、
・金属、特にＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｐｔ，Ｗ，Ｃｒ，Ｐｂ，Ｔｉ，Ｔｅ，Ｓｎ，Ｚｎ
・合金、
・（相応のドープ物質を含む）半導体、特に元素半導体、好ましくはＳｉ，Ｇｅ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｂ，α‐Ｓｎ
・化合物半導体、好ましくはＧａＡｓ，ＧａＮ，ＩｎＰ，Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ，ＩｎＳｂ，ＩｎＡｓ，ＧａＳｂ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＰ，ＢｅＴｅ，ＺｎＯ，ＣｕＩｎＧａＳｅ_２，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，Ｈｇ（１−ｘ）Ｃｄ（ｘ）Ｔｅ，ＢｅＳｅ，ＨｇＳ，Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ，ＧａＳ，ＧａＳｅ，ＧａＴｅ，ＩｎＳ，ＩｎＳｅ，ＩｎＴｅ，ＣｕＩｎＳｅ_２，ＣｕＩｎＳ_２，ＣｕＩｎＧａＳ_２，ＳｉＣ，ＳｉＧｅ
に対して適用可能である。

例えばマイクロチップ、メモリチップもしくはＭＥＭＳなどの機能ユニットを備えた基板をボンディングする際には特に、電子モジュールの損傷のおそれを最小化もしくは排除するため、ボンディング過程を有利には低い温度で行うべきである。また、低温プロセスにより、異なる材料の熱膨張係数の差に基づく固有の熱ストレスによる障害も一貫して排除できる。

特に、基板、とりわけマイクロチップ、メモリモジュール、ＭＥＭＳなどの機能部品を備えた基板は、本来のボンディングプロセスの前に相互に配向される。ボンディングプロセスにおいてはまさに配向プロセス（英語ではアライメント）が特に重要である。なぜなら正確な配向と接触とによらないかぎり電子部品の機能性が保証されないからである。それぞれ異なる熱膨張係数を有するそれぞれ異なる材料から形成される２つのウェハを低温でボンディングする場合、特にそれぞれ異なるタイプの材料から形成されている２つの基板の膨張度の相違を生じさせる温度差が全くないか又はきわめて小さいので、アライメントが大幅に容易となる。したがって、低温ボンディングでは、室温で行われる配向の精度が維持されるか又はほとんど変化しない。このため、膨張係数などのアライメントに影響する要素を一貫して無視することができる。ただし、こうした低温の利用は、高温ボンディングプロセス（４００℃）の場合よりもボンディングが格段に困難となるという欠点を有する。

したがって、本発明の課題は、低温、好ましくは室温でのウェハボンディングを可能にする方法、及び、これに対応する装置を提供することである。

本発明の基本的な着想は特に、ボンディング時、とりわけＣｕ‐Ｃｕボンディングの際にボンディング界面全体に広がる再結晶化を達成することにある。再結晶化では特に、粒子の新生と新たに形成される粒界の拡大とによって、粒子成長及び／又は組織転換が生じる。再結晶化とは、粒子の新生及び／又は粒子成長による組織の新生であると理解されたい。２つの基板のボンディングの際には組織の新生が好ましくはボンディング界面を超えて行われるので、ボンディングされる２つの基板間、特に基板上に堆積される層間に連続した組織が生じる。

以下では、基板表面と基板上に堆積される層の表面とを区別しない。どちらの表現もほぼ同義に用いられうる。特に、第１の層及び／又は第２の層は第１の基板及び／又は第２の基板の要素であってよい。

中間温度での材料内、特に金属内での再結晶化のために、本発明によれば、高い転位密度を有する材料が用意され、形成され、又は、選択される。当該転位密度は特に１０^７ｃｍ^−２超、好ましくは１０^９ｃｍ^−２超、より好ましくは１０^１１ｃｍ^−２超、なお好ましくは１０^１３ｃｍ^−２超、さらに好ましくは１０^１５ｃｍ^−２超、特に好ましくは１０^１７ｃｍ^−２超であってよい。転位とは、材料の堆積時に又はその後の結晶内の可塑変形によって発生しうる１次元の格子欠陥をいうものと理解されたい。相応の高さの格子密度を有する材料は、特に少なくともメタ安定状態で存在し、熱的活性化により、転位の減成によって低いエネルギ状態へ移行させることができる。ここでの転位の減成とは、好ましくは高温での再結晶化によって行われ、その後で組織転換が生じる。転位の減成は、本発明によれば、代替的に、ヒーリング又は結晶治癒によって低温で行うことができる。ただし結晶治癒は再結晶化による組織転換には至らず、専ら転位の再結合が生じる。当該過程は本発明によれば望ましくなく、回避すべきである。

転位密度の増大は、特には、転位が個々のインパルス振動及び／又は超音波領域の持続的な振動によって達成される本発明の実施形態によって、行われる。個々のインパルス振動とは、特に以下で詳細に説明される１回かぎりの負荷であると理解されたい。持続的な振動とは、特には、複数回のこうした負荷であると理解されたい。当該インパルス振動は特に、高周波振動から低周波振動までの帯域幅全体をカバーする。振動周波数は、本発明によれば特に、１Ｈｚから１０^９Ｈｚ、好ましくは１０Ｈｚから１０^８Ｈｚ、より好ましくは１００Ｈｚから１０^７Ｈｚ、さらに好ましくは１０^４Ｈｚから１０^６Ｈｚである。本発明の実施形態において振動を利用してボンディングすべき基板どうしを接触させることで、高周波の振動性の機械負荷が印加され、これにより、ボンディングすべき各表面、特に各基板上に堆積された材料に相応の転位密度が形成される。２つの基板表面をできるだけ低い圧力で、好ましくはできるだけ低温で接触させることにより、ボンディング過程での組織の再結晶化が、特にボンディング界面を超えて行われる。

できるだけ低い温度で再結晶化を行えるようにするために、転位密度だけでなく、再結晶材料の純度もできるだけ高くなければならない。当該純度は技術的な目的に応じて最適に重量パーセント（ｍ％）の単位で示される。本発明によれば、材料純度は、特に９５ｍ％超、好ましくは９９ｍ％超、より好ましくは９９．９ｍ％超、さらに好ましくは９９．９９ｍ％超、特に好ましくは９９．９９９％超である。

再結晶化前、再結晶化すべき組織の粒径は、本発明によれば、特に１０００ｎｍ未満、好ましくは５００ｍｍ未満、より好ましくは１００ｎｍ未満、さらに好ましくは５０ｎｍ未満、特に好ましくは１０ｎｍ未満である。再結晶化後、再結晶化された組織の粒径は、本発明によれば、特に１０ｎｍ超、好ましくは１００ｎｍ超、より好ましくは５００ｎｍ超、さらに好ましくは５００ｎｍ超、特に好ましくは１０００ｎｍ超である。特に好ましい実施形態では、再結晶化によって形成される粒子の密度は、再結晶化された組織の密度に等しい。

再結晶化前及び／又は再結晶化中及び／又は再結晶化後の原子運動度を高めるために、組織は、できるだけ大きい点欠陥密度、特に空位密度を有する。空位の数が増大すると置換拡散が改善され、このことがボンディングすべき２つの表面の接合性の改善に寄与する。空位密度は、本発明によれば、特に１０^−１２超、好ましくは１０^−１０超、より好ましくは１０^−８超、さらに好ましくは１０^−６超、特に好ましくは１０^−４超である。約１０^−４の空位密度は融点近傍の金属に対する典型的な空位密度限界値である。

また、サンプルホルダ又は基板の下面を加熱する下面ヒータの凹状の成形部によって、ウェハをマイクロメートル領域で撓ませる／弛ませることもできる。凹状の成形部により、ウェハを撓ませることができる。こうした撓みにより、特にウェハに高周波の負荷が印加される際に、付加的な応力負荷、ひいては、ウェハ内、特にウェハの所定の層内に転位密度の増大を形成できる。特に当該ウェハの撓みによって、凹状の成形部の近傍にあるウェハの表面近傍領域に張力負荷が形成される一方、凹状の成形部の反対側のウェハ表面には応力がかかる。撓み負荷によって形成される張力又は応力は、中性線へ向かって低下する。張力又は応力の最大値は、特にウェハ表面に見出すことができる。ウェハの厚さが小さいため、撓みによって形成される張力又は応力は確かにきわめて小さいが、本発明によって２つの層のうち一方の層にメタ安定状態を形成することに対する正の作用は充分に得られる。

基板積層体への圧力印加のための圧力装置の構造高さは、特に圧電技術の使用によって小さく保つことができ、したがって本発明の装置への組み込みも問題ない。こうした方法は、ボンディングされる２つのウェハ相互の接着性に関して、今日公知の高温ボンディングにおける接着性に関する結果に近似的に匹敵する。

主要な利点は、ウェハ上に存在しかつ部分的に過敏な電子モジュールにボンディング中に生じる熱負荷を著しく低減し、これにより回復不能な損傷の生じるおそれが一貫して排除されるか又は著しく低減されるということである。また、低いボンディング温度により、格段に小さいエネルギ消費量が得られる。さらに、低温ボンディングによれば、ボンディングされたウェハでの時間のかかる冷却を省略できるので、高いスループットが達成される。

また、本発明の課題は、特に金属であるマイクロメートル構造及び／又はナノメートル構造において、転位密度の増大を形成する手段を提示することである。

転位密度は、本発明によれば、組織内で主として超音波によって高められる。本発明の対象となるのは特に、少なくとも、相互にボンディングされる領域の組織をメタ安定のエネルギ状態へ移行させることができ、これによって改善されたボンディング作用を達成できる振動装置を備えた装置である。特に、本発明の実施形態によれば、２つの基板のうち少なくとも一方の領域の転位密度が高められる。本発明の実施形態は、基板を基板表面へ接触させる前及び／又は接触させた後に適用可能である。特に好ましくは、本発明の転位密度の形成は、２つの基板を相互に接触させた後にはじめて行われる。本発明によれば、接触前もしくは接触後の転位密度の形成も可能である。

装置は、好ましくは、本発明の装置を制御された状態で加熱でき、ボンディング温度が有利には室温領域（３００℃を大きく下回る領域）で動作するサーモスタットを備える。これに代えて、制御された状態での加熱を、基板材料に依存して特に利用される製造法での他のプロセス関連パラメータを考慮する制御技術に担当させることもできる。また、相互にボンディングされる基板の処理を、本発明の実施形態から分離された固有の外部炉において行ってもよい。特に好ましくは、当該炉はトンネル型炉である。

本発明の実施形態は、好ましくは、基板の少なくとも一部又はプレボンディングによって既に相互接続されている基板積層体の少なくとも一部、好ましくはこれらの全体を振動によってメタ安定状態に移行させる装置に関する。振動とは、本発明によれば、唯一の周期又は複数の周期を有する振動であると理解されたい。

特に好ましくは、転位の形成及び組織転換は、直接に本発明の装置によってボンディング過程中に導入される。これにより、ボンディング過程前に形成されたメタ安定状態が弛緩プロセスによって再停止され、ボンディング過程中に使用できなくなることを防止できる。また、もちろん、本発明のメタ安定状態の形成は、ボンディング過程前に２つの基板の少なくとも一方において行うこともできるし、接触後、特にボンディング過程中に、メタ安定状態を付加的に２次的にもしくは事後的に形成するため又は増幅するために行うこともできる。特に、本発明によれば、微視的な力の投入によって生じるマイクロレベル及び／又はナノレベルの摩擦振動過程を扱うことができる。

特に、好ましくは独立の本発明の特徴は、基板積層体を、第１の層及び／又は第２の層の振動及び／又は変形を許容するように構成されたサンプルホルダで支持することにある。これは特に、専らサンプルホルダの周囲及び／又は振動体の周囲に配置された、サンプルホルダ及び／又は振動体を支持する固定側支承部によって行うことができる。

好ましくは、接続すべき双方の基板が配向ユニット（アライメントモジュール）内で相互に配向される。特に配向プロセスでは、２つの基板が特に基板の中央部から基板の半径方向の周に向かって接触する。

転位は、本発明によれば好ましくは、機械的なせん断応力の適用によって形成される。当該せん断応力は、外部から加わる応力負荷によって粒子内に形成される。

本発明の転位密度の形成は、以下に説明する本発明の各実施形態により、接触前、接触後であってボンディング前、又は、接触後のボンディング中のいずれかにおいて行うことができる。

本発明の第１の実施形態では、転位密度の形成は、局所的に集中して適用される振動エレメントによって行われる。当該本発明の実施形態では、振動は、基板もしくは基板積層体に対して特に位置的に制限した状態で負荷を印加する振動エレメントによって形成される。振動エレメントは、特に、電気式、機械式、ニューマチック式又はハイドロリック式のいずれかの方式で励振可能である。特に好ましくは、当該振動エレメントは、電気的に励振可能な圧電振動装置である。また、アライメントモジュール及び／又は振動装置及び／又は加熱に使用されるボンディングチャンバを可能空間において分離する構成も可能である。ただし、説明可能であるかぎり、上述した各装置を１つのクラスタに組み合わせたものもクレームアップ可能であることは明らかである。個々の方法ステップのシーケンスも同様にクレームアップ可能である。また、特に好ましい実施形態では、振動エレメントが既に負荷を印加した位置での再結晶化により、振動エレメントのみで双方の基板のボンディングを行うことができる。別の好ましい実施形態では、早期の再結晶化及びこれによる早期のボンディングにいたることなく、振動エレメントが転位密度のみを高めてもよい。この場合、本来のボンディング過程は、基板積層体の全体にさらに全面で圧力を印加可能な及び／又は基板積層体の全体を加熱可能な炉及び／又は固有のボンディングチャンバにおいて行うことができる。

本発明の別の実施形態では、基板又は基板積層体が全面にわたって、特に撓み振動及び／又はせん断振動で発振する。この場合、基板もしくは基板積層体はサンプルホルダ上に載置され、圧力プレート又は類似の本発明の装置によって、サンプルホルダの向かい側で固定され、特に圧力が印加される。その後、本発明によれば、特に局所的に及び／又は少なくとも基板もしくは基板積層体の表面の一部がカバーされるように、振動性の力が印加される。当該力の印加によって、基板もしくは基板積層体全体が発振する。この場合、サンプルホルダ及び／又は圧力プレートは特に、それ自体もともに振動できるように構成される。また、基板もしくは基板積層体に対するせん断振動負荷を形成するために、安定した厚いサンプルホルダ及び安定した圧力プレートを使用することもできる。同様の考察はトーション力の印加にも当てはまる。ただし、当該トーション力の印加は、変形部と基板もしくは基板積層体の中央部との半径方向依存性に基づくので、好ましい実施形態ではない。

本発明の別の実施形態では、メタ安定平衡の形成、特に充分な転位を有する層の形成は、静的なサンプルホルダ及び／又は静的な非平坦の圧力プレートの使用に基づく。この場合、サンプルホルダ及び／又は圧力プレートは、好ましくは凹状および／または凸状に成形される。特別な実施形態では、サンプルホルダ及び／又は圧力プレートは、負荷されていない状態では確かに平坦な表面を有するが圧力負荷のもとでは相応に凹状及び／又は凸状に成形しうる弾性材料から成形される。こうした成形可能性により、基板積層体も必然的に凹状及び／又は凸状の形状を取ることになり、これによって基板積層体ひいては相互にボンディングされる表面に相応の負荷が生じる。特には（上述した本発明の実施形態とは異なって）基板積層体への動的な振動性の圧力印加でなく、純粋に静的な、特に全面での基板積層体への圧力印加が行われる。

本発明の特別の実施形態では、本発明の特徴を実現するために、サンプルホルダの弾性が利用される。このため、サンプルホルダは或る程度の弾性を有し、よって圧力負荷のもとで変形できる状態にある。サンプルホルダは基本的には任意に、好ましくは凸状、凹状もしくは平坦に成形できる。ただし、本発明のここでの特別の実施形態ではとりわけ平坦なサンプルホルダが好適である。したがって、明細書の以下の部分では平坦なサンプルホルダに即して説明を行う。弾性変形可能であるが弾性変形前には平坦なサンプルホルダに圧力が印加されることにより、僅かに凹状の弾性変形が生じる。サンプルホルダは縁部においてよりも中央において強く弾性変形する。一般に任意の方向での最大変形量、特に力の印加方向での最大変形量は、特に１ｍｍ未満、好ましくは１００μｍ未満、より好ましくは１０μｍ未満、さらに好ましくは１μｍ未満、特に好ましくは１００ｎｍ未満である。サンプルホルダを形成する材料の弾性係数は、特には１０ＭＰａ超、好ましくは１００ＭＰａ超、より好ましくは１ＧＰａ超、さらに好ましくは１０ＧＰａ超、特に好ましくは１００ＧＰａ超である。本発明のこうした実施形態の特徴は、基板積層体に所定の力、特に平面状の力を適用することにある。サンプルホルダの弾性により、基板積層体はいわばサンプルホルダに押しつけられ、このサンプルホルダが最小限だけ特に凹状に変形する。基板積層体がごく僅かに湾曲することにより、まだ相互にボンディングされていない２つの基板の双方の表面が、水平方向に、特にそのボンディング界面に沿って相互に僅かにずれる。このとき相互にボンディングされる２つの表面間に生じる摩擦によって、特に充分な転位を有する組織に、本発明のメタ安定状態が形成される。基板積層体の負荷を離脱させれば、サンプルホルダの弾性エネルギを利用して、サンプルホルダと基板積層体とを再び初期形状に移行させることができる。この場合、もういちど反対方向に作用する摩擦が基板積層体に生じる。当該過程は、必要に応じて任意の頻度で反復できる。

本発明の別の実施形態では、圧力印加装置及び／又はサンプルホルダ及び／又はシステム全体を、サンプルホルダひいては力が印加される基板積層体の充分な撓みが負荷適用時にはじめて生じるよう、構造技術的に構成することができる。特には、サンプルホルダがその周囲（好ましくは排他的に周囲のみ）で、特には全周で、支承部、特に固定側支承部によって支持される一方、中央部は支持されないか又は可撓性を有するように支持されるという、きわめて好ましい実施形態が実現される。こうした特別の実施形態では、負荷が適用されない場合のサンプルホルダひいては基板積層体は、重力の作用と製造差とを無視すれば平坦であると見なされるが、所定の負荷、好ましくは圧力ピストンの対称軸線に沿った点負荷、より好ましくは圧力プレートに沿った面負荷のもとでは、中央部が凹状となる。

本発明の重要な特徴は、特に転位密度の高められた組織のメタ安定状態を、サンプルホルダの弾性変形及びこれによって惹起される２つの表面間の摩擦によって、相互にボンディングすべき２つの表面に形成するということである。

上の段落で述べた力の印加を実行するために、基板もしくは基板積層体を種々のサンプルホルダに支持させることもできる。サンプルホルダは、この場合、全面でもしくはその周囲のみで支持可能である。

励振装置の振幅は特には１００μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、さらに好ましくは１００ｎｍ未満、特に好ましくは１０ｎｍ未満である。

当該振幅によって形成される、特に基板表面に対して平行な水平方向のオフセットは、このオフセットにつき本発明の過程の終了後に残留する配向誤差を１００μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、より好ましくは１００ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ未満と想定したとき、本発明の過程中、理論的に任意の値を取ることができる。特に、水平方向のオフセットは、１０μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、より好ましくは１００ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ未満に設定される。垂直方向のオフセットは、本発明の過程中、特に１０μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、より好ましくは１００ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ未満である。

本発明によれば、特に全面で基板もしくは基板積層体に印加される少なくとも１つの応力が形成される。本発明の応力は、特には１０Ｎ／ｍｍ^２超、好ましくは１００Ｎ／ｍｍ^２超、より好ましくは２００Ｎ／ｍｍ^２超、さらに好ましくは１０００Ｎ／ｍｍ^２超である。

応力もしくは同等のフォンミーゼス応力は、本発明によれば特に、相応の転位形成を付加的に促進する可塑変形を支援できるよう、ボンディングに使用される基板もしくはそこに存在する層の材料の展性限界よりも大きい。材料の展性限界は、好ましくは５０００Ｎ／ｍｍ^２未満、好ましくは１０００Ｎ／ｍｍ^２未満、より好ましくは７５０Ｎ／ｍｍ^２未満、さらに好ましくは５００Ｎ／ｍｍ^２未満、特に好ましくは３００Ｎ／ｍｍ^２未満である。材料の引張り耐性は、好ましくは５０００Ｎ／ｍｍ^２未満、好ましくは１０００Ｎ／ｍｍ^２未満、より好ましくは７５０Ｎ／ｍｍ^２未満、さらに好ましくは５００Ｎ／ｍｍ^２未満、特に好ましくは３００Ｎ／ｍｍ^２未満である。冷間変形されないために固化していない純粋な銅は、例えば、約７０Ｎ／ｍｍ^２の展性限界と約２００Ｎ／ｍｍ^２の引張り耐性とを有する。

プレバイアス力に振動負荷を重畳することにより、時間変化する付加的な力が形成される。特に材料の展性限界を超えるプレバイアス力により、当該材料は少なくとも、その流れ領域において正の半波を有する。

ボンディング特性に正の作用をもたらす本発明の別の効果は、本発明の装置によって系に生じる熱エネルギ、ひいては達成可能な温度である。局所的に集中して振動エレメントを適用する本発明の実施形態では特に、きわめて高い熱密度ひいてはきわめて高い温度が生じ、これによってボンディング過程を局所的に開始することができる。このケースではさらなる熱処理を省略できるので特に好ましい。再結晶化は、好ましくはできるだけ小さな温度で行われ、このことによっても、好ましくは、局所的に振動エレメントが形成可能な温度を相応に小さくすることができる。局所的に集中して適用される振動エレメントによって生じる温度は、特には８００℃未満、好ましくは６００℃未満、より好ましくは４００℃未満、特に好ましくは２００℃未満、さらに好ましくは５０℃未満である。

使用されている本発明の実施形態に関係なく、基板積層体は、処理が成功した後に、本発明の実施形態とは別個の外部の炉において熱処理することができる。ただし、当該熱処理は、上述したように別個の炉を使用しなくても、ボンディングチャンバ又はプロセスラインに組み込まれた別のあらゆるモジュールにおいて行うこともできる。特に、熱処理によってはじめて組織に支配的な再結晶化が生じ、ひいては本来の持続的なボンディングが行われる。再結晶化は好ましくはできるだけ低い温度で行われる。炉又はボンダの内部温度は特に８００℃未満、好ましくは６００℃未満、より好ましくは４００℃未満、さらに好ましくは２００℃未満、特に好ましくは５０℃未満である。

ａはコーティングされた基板の概略断面図及びコーティングの微細構造の拡大図であり、ｂはコーティングされた基板の概略断面図及び転位密度を増大した後のコーティングの微細構造の拡大図であり、ｃはコーティングされた２つの基板の接触過程後の概略断面図及びコーティングの微細構造の拡大図であり、ｄはコーティングされた２つの基板のボンディング過程後の概略断面図及びボンディング界面を超える再結晶化が行われた微細構造の拡大図である。 ａは本発明の第１の実施形態が基板表面に直接に作用してボンディング界面を超える組織の新生が直ちに生じる場合の概略断面図であり、ｂは本発明の第１の実施形態が基板表面に直接に作用するがボンディング界面を超える組織の新生が生じない場合の概略断面図である。 ａは本発明の第２の実施形態の第１の状態の概略断面図であり、ｂは本発明の第２の実施形態の第２の状態の概略断面図であり、ｃは本発明の第２の実施形態の第３の状態の概略断面図であり、ｄは本発明の第２の実施形態の概略的な負荷ダイアグラムである。 ａは本発明の第３の実施形態の第１の状態の概略断面図であり、ｂは本発明の第３の実施形態の第２の状態の概略断面図であり、ｃは本発明の第３の実施形態の第３の状態の概略断面図であり、ｄは本発明の第３の実施形態の概略的な負荷ダイアグラムである。 本発明の第１の実施形態の全面での撓み振動を形成する装置の（縮尺通りでない）概略図である。 本発明の第２の実施形態の全面での撓み振動を形成する装置の（縮尺通りでない）概略図である。 本発明の第３の実施形態の全面での撓み振動を形成する装置の（縮尺通りでない）概略図である。 本発明の第４の実施形態の全面でのせん断振動を形成する装置の（縮尺通りでない）概略図である。 本発明の第５の実施形態の全面での静的な圧力印加を行う装置の（縮尺通りでない）概略図である。 本発明の第６の実施形態の静的な圧力印加を行う装置であって、材料に基づく可撓性を有するサンプルホルダを備えた装置の（縮尺通りでない）概略図である。 本発明の第７の実施形態の静的な圧力印加を行う装置であって、構造技術的な可撓性を有するサンプルホルダを備えた装置の（縮尺通りでない）概略図である。

図１のａには、基板上面１ｏに形成された層２、特に金属層、特に好ましくはＣｕ層を有する基板１が示されている。拡大図で示されているのは、層２の、複数の粒子３から成る微細構造である。層厚さｔがきわめて小さい場合、層厚さの方向に唯一の粒子３しか存在しないこともある。層２の層上面２ｏ及び基板上面１ｏは一般に、消失しない粗面性を有する。特にはこの粗面性は、本発明によれば無視できるほど小さく、好ましくは全く存在しない。当該粗面性は、平均粗さ（算術平均粗さ）、２乗粗さ（２乗平均平方根高さ）又は平均谷深さで表される。平均粗さ、２乗粗さ又は平均谷深さについて求められた値は、一般に、同じ測定区間もしくは同じ測定面積で見ると、異なってはいるが同じオーダー領域内にある。したがって、次に挙げる粗面性の数値範囲は、平均粗さ、２乗粗さ又は平均谷深さのいずれかの値であると理解されたい。粗面性は、特に１００μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、より好ましくは１００ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ未満、特に好ましくは１ｎｍ未満である。

本発明の任意の方法により、層２の粒子３において転位密度が高められる。複数の転位４が生じる。これにより粒子３は、相応の高さの転位密度を有する粒子３’へ移行する。粒子３’のエネルギレベルは、少なくとも部分的に、好ましくは大部分がメタ安定状態となる。

本発明の一実施形態によって準備される、層２，２’を有する２つの基板１，１’は、相互に接続もしくはボンディングされる。２つの基板を機能性ユニットに接続する際には、基板相互の予めの配向が必要となることがある。特別の実施形態では、基板１，１’の層２，２’の転位密度が接触前及び／又は接触後に本発明にしたがって高められる。この状態では、基板１，１’の２つの層２，２’が相互に接続されてメタ安定状態となっている。

図１のｄには、ボンディング界面（英語：bond interface）５を超える再結晶化による本発明の組織の新生が有効に行われたことが示されている。再結晶化による組織新生の開始は、好ましくは、特に僅かな温度上昇によって、開始される。温度上昇は、本発明の一実施形態によって開始されてもよいし、又は、本発明の実施形態とは別個の外部の炉、特にトンネル炉で行われてもよい。本発明の着想は特に、粒子３’の転位密度を高めることにより、組織新生のための温度を極端に低下させることができることにある。ボンディング時の温度は、特に３００℃未満、好ましくは２００℃未満、より好ましくは１５０℃未満、さらに好ましくは１００℃未満、特に好ましくは５０℃未満である。特別の実施形態では、基板上面１ｏの平均粗さは１００μｍ未満、好ましくは１０μｍ未満、より好ましくは１μｍ未満、さらに好ましくは１００ｎｍ未満、特に好ましくは１０ｎｍ未満である。

図１のａ−ｄに示されているボンディング過程を実行するために、以下に、粒子３内の転位密度を高めることのできる複数の本発明の実施形態を示す。もういちど言及するならば、各基板１の各層２の転位密度の増大は、２つの基板の接触前及び／又は接触後に形成することができる。図１のａ，ｂには、本来のボンディング過程前に充分な転位を有する層２が形成されたことが示されている。

本発明の第１の実施形態では、基板下面１ｒに沿って一方の運動方向に可動の振動装置６が使用される。振動装置６の接触面６ｋは特には基板上面１ｏより小さい。接触面６ｋと基板上面１ｏとの比は、特には１／２未満、好ましくは１／６未満、より好ましくは１／１０未満、さらに好ましくは１／２０未満、特に好ましくは１／１００未満である。本発明のきわめて小さい接触面６ｋによって、層２，２’で接触している基板１，１’から成る基板積層体８にきわめて大きな点状の力を加え、これを各層２，２’に伝搬させることができる。

振動装置６は、応力のもと、基板積層体８を受容するサンプルホルダ７の方向で、応力及び／又はプレバイアス力を基板積層体８に局所的に生じさせる。ついで、正の応力ｆに、周期的振動、好ましくは高周波振動が重畳される。当該高周波振動によって、層２，２’に局所的な交番負荷がかかる。当該交番負荷により、層２，２’は、好ましくは、本発明にしたがって粒子３内に転位４を形成するのに適した応力レベルに曝される。こうした転位を形成するための冶金学上の前提条件、例えばフランク‐リード源などが当業者に公知である。振動装置６は、速度ｖで基板積層体８の上方を移動し、その際つねに圧力Ｆを印加する。圧力Ｆに接続された振動装置６により、層２，２’の溶融温度の約２０％から約４０％の温度が生じ、力結合に基づく再結晶化に至り、基板積層体が形成される。図２のａでは区間ｌに沿ったボンディング界面５が既に接続されている。これは、組織新生を惹起するために、振動装置６の負荷によって既に充分な転位４が粒子３内に形成されたため、及び／又は、ボンディング界面５に熱が生じたためである。

多くの実施形態において、その場での（in situの）組織新生は望ましくなく、プロセスパラメータを適切に選定することによってこれを防止しなければならない。このため、粒子３’を含むメタ安定状態の組織は、明示的に実行される熱処理にかけられる。こうした状況が図２のｂに示されている。振動装置６はこの場合好ましくは少なくとも点状に溶接される２つの層２の組織に転位４を形成するが、ボンディング界面５を超える組織新生に必要な再結晶化はこの時点では好ましくはまだ行われない。

図３のａ−ｃには、本発明の第２の実施形態での振動装置６’による、３つの（広域的な）振動状態が示されている。本発明のここでの振動装置６’は、基板積層体８がそのボンディング界面全体に伝搬する全面での振動によって変形されることを特徴としている。この場合、基板積層体８には、基板上面１ｏ全体にわたる面状の力ｆによって予荷重が加えられ、基板積層体８は、本発明の振動負荷中、所定の圧力のもとに維持される。

本発明の実施形態では、基板積層体８を載置できる少なくとも１つの下方のサンプルホルダ７が設けられる。特に好ましくは、反対側の固定部、例えば圧力プレート１０も設けられる。

本発明によれば、面状の力ｆに対して局所的な振動の重畳を形成する力Ｆが、振動領域９に導入される。特には局所的な、好ましくは点状の振動領域９に力を導入することによって、基板積層体が法線方向で基板上面１ｏへ向かって偏向し、ここで、対抗力Ｆｇが特に基板１，１’の各支承部もしくは各支持部、又は、サンプルホルダ７及び圧力プレート１０の各支承部もしくは各支持部によって、形成される。振動領域９は中心に位置させる必要はなく、基板上面１ｏの任意の各位置に配置することができる。

図３のｄには、時間的に一定の面状の力ｆ（破線）と、これに重畳される、周期的かつ特には局所的に印加される力Ｆとから成る、時間変動性力の印加の概略図が示されている。合成力がつねに正の圧力領域に生じ、これにより基板１，１’がつねに相互に押し合わされることが見て取れる。

振動領域９を介した力の投入は、特に圧電エレメントすなわちハイドロリック式もしくはニューマチック式もしくは機械的に制御されるピンによって行われる。当該圧電エレメントは、サンプルホルダ７及び／又は圧力プレート１０ひいては基板積層体８が、振動力Ｆに一致しない対抗力Ｆｇ及び／又は振動力Ｆと一直線上にない対抗力Ｆｇに基づいて、相応に変形され、特には湾曲されるように調整される。

ここでの湾曲によって、層２，２’に所定の応力レベル及びこれにより高められた転位密度が形成される。サンプルホルダ７及び／又は圧力プレート１０に代えて、基板積層体８を支持する円形のリング支承部も可能である。これにより、基板上面１ｏには直接に、電気的もしくは機械的もしくはニューマチック式もしくはハイドロリック式の振動エレメントからのアクセスが可能となる。さらに、円形の載置台自体を圧電材料から形成する実施形態も可能である。その後で、基板積層体の円形載置台への固定が行われる。円形の載置台の圧電振動により、基板積層体８が相応に共振し、縁部において決定された初期条件及び境界条件のもとで振動する。こうした特別の実施形態により、中央部の電気的もしくは機械的もしくはニューマチック式もしくはハイドロリック式の変形エレメントを省略することができる。

図４のａ−ｄには、基板積層体８にせん断負荷（せん断力）Ｔが作用する点でのみ異なる類似の実施形態が示されている。ただし、図４のａ，ｃの基板積層体８のせん断力は実際よりも大きく示されている。せん断角度は小さな数度のみの値である。せん断角度は特には１０°未満、好ましくは１°未満、より好ましくは０．１°未満、さらに好ましくは０．０１°未満、特に好ましくは０．００１°未満である。基板積層体８の本発明のせん断力のために、好ましくは、基板下面１ｒの全面で特にサンプルホルダ７’’’及び／又は図８の圧力プレート１０’との接合が行われる。

図５には、全面での撓み振動の形成についての本発明の第１の実施形態が示されており、ここでの撓み振動は、特に静止状態で平坦な、基板積層体８を受容及び支持／固定するサンプルホルダ７と、特に静止状態で平坦な圧力プレート１０とから形成される。サンプルホルダ７及び圧力プレート１０は、それぞれの下面（７ｒ，１０ｒ）及び／又は周囲に、それぞれ少なくとも３つの点状の固定側支承部１２を介して、又は、唯一の放射対称的かつ全周形の固定側支承部を介して、固定されている。特に圧電エレメントとして構成される２つの振動エレメント１１は、サンプルホルダ７及び圧力プレート１０をそれぞれの表面に対して垂直に向けられ、それぞれの間に固定された基板積層体８に特には周期的に撓み負荷を印加するように構成されている。特に、本発明の実施形態では、好ましくは振動エレメント１１の一方もしくは双方の運動によって、応力ｆもしくはプレバイアス力も形成することができる。

図６には、全面での撓み振動を形成する本発明の第２の実施形態が示されており、ここでの撓み振動は、サンプルホルダ７’と静止状態では平坦な圧力プレート１０とから形成される。サンプルホルダ７’は受容面７ｏが凹状となるように成形されている。圧力プレート１０は図５の第１の実施形態と同様に構成されている。基板積層体８は、ここでは、唯一の上方の振動エレメント１１によってサンプルホルダ７’の静的な凹形状内へ押圧される。特に本発明の実施形態では、好ましくはサンプルホルダ７’の方向への振動エレメント１１の運動によって、応力ｆもしくはプレバイアス力も形成することができる。応力ｆは、好ましくは、基板積層体８をサンプルホルダ７’の凹形状内へ押圧し、これを所定の圧力のもとで一定に湾曲形状に負荷するために形成される。その後、好ましくは、振動エレメント１１を用いた本発明の振動負荷の重畳が行われる。

図７には、凸状のサンプルホルダ７’’を用いて全面での撓み振動を形成する本発明の第３の実施形態が示されている。その他は、図６の第２の実施形態の構造及び機能に相応する。

図８には、全面にせん断負荷（図４のａ−ｃを参照）を形成する本発明の第４の実施形態が示されている。基板積層体８は、平坦なサンプルホルダ７’^ｖと平坦な圧力プレート１０’との間に所定の圧力で固定される。その後、基板積層体８に対するせん断力が、サンプルホルダ７’^ｖ及び圧力プレート１０相互の交番振動によって形成される。当該運動は、サンプルホルダ７’^ｖ及び／又は圧力プレート１０’の側方の周縁に配置された振動エレメント１１によって行われる。固定側支承部１２は、特に圧電エレメントとして構成されかつそれぞれ各固定側支承部１２と圧力プレート１０’並びにサンプルホルダ７’^ｖとの間に配置される振動エレメント１１のための固定点として用いられる。

図９には、圧力プレート１０と静的に凹状湾曲したサンプルホルダ７’とを用いた図６に類似の本発明の第４の実施形態が示されている。特に面状の負荷として形成される応力ｆが圧力プレート１０に作用している。圧力プレート１０は、（図示されていない）基板積層体８を凹状のサンプルホルダ７’の箇所で押圧し、これにより、相互にボンディングすべき表面に、メタ安定状態、特に高められた転位密度を形成する。凹状に形成されたサンプルホルダ７’に代えて、図７に示されているような凸状に形成されるサンプルホルダ７’’も同様に使用可能である。

特に、図１０のサンプルホルダ７’’’の使用も可能であり、このサンプルホルダ７’’’は、圧力プレート１０を介して印加される応力ｆ（特別なここでのケースでは特に全面でのボンディング力）によって凹状となる弾性材料から形成されている。サンプルホルダ７’’’は特には弾性特性を有するので、応力ｆ、特に面状の力を解除させた後には、このサンプルホルダ７’’’は再びもとの初期位置に復帰することができる。

当該実施形態の本発明での特徴は、特に、本発明の過程前にはまだ相互にボンディングされていない表面間の摩擦付着であって、応力ｆが、基板積層体に作用し、かつ、サンプルホルダ７’’’の材料の弾性に基づいて基板積層体を押圧することにある。よって、サンプルホルダ７’’’は、弾性係数などの材料特有のパラメータに基づいて撓む。特にサンプルホルダ７’’’は、その弾性係数が中央部から縁部に向かって高まる場合に弾性によって凹状に変形し、したがって、好ましい実施形態によれば、サンプルホルダ７’’’は、弾性係数勾配を有する、及び／又は、面状の力ｆが、均等な面状負荷でなく、中央部から縁部へ向かって低下する面状負荷として形成される。

図１１には、固定側支承部１２に固定されたサンプルホルダ７の特に好ましい実施形態が示されている。サンプルホルダ７は、直接に固定側支承部１２に載置されてもよいし、又は、より好ましく、サンプルホルダ７と固定側支承部１２との間に配置される構造エレメント上に載置されてもよい。つまり、図１１はきわめて概略的に図示したのみのものである。本発明の着想は、専ら、基板積層体８を受容するサンプルホルダ７を、圧力印加時に力が固定側支承部１２を介して放出されてサンプルホルダ７の中央部が撓むように支持することにある。

固定側支承部１２は、サンプルホルダ７外部の周囲の位置にある、特には放射対称的かつ全周形の固定側支承部である。サンプルホルダ７に対向する圧力プレート１０は、好ましくは、圧力ピストン１３、特にボンダの圧力ピストン１３に固定される。圧力プレート１０とサンプルホルダ７との間に配置される（図示されていない）基板積層体８には、特に圧力ピストン１３の運動に基づく圧力プレート１０とサンプルホルダ７との相対的な接近によって、圧力が印加される。この場合、圧力ピストン１３は、好ましくは、中央部にかかる点状の力が圧力印加の進行中に均等な面状の力へ変換されるように構成される。

ただし、中央部の点状の力を、圧力ピストン１３及び圧力プレート１０を介して、基板積層体８に伝達させることもできる。こうした圧力負荷のもとでは、サンプルホルダ７ひいては基板積層体８が中央部で凹状に撓み、固定側支承部１２によって周辺で支持される。本発明の図１０の実施形態とは異なって、この場合、凹状の撓みは、弾性係数もしくは弾性係数勾配などの材料特有のパラメータに基づいてではなく、構造技術的な特徴、特には専ら固定側支承部１２によるサンプルホルダ７の周囲での支持、特に全周での支持に基づいて形成される。

上述した本発明の実施形態によれば、基板積層体８ひいては個々の基板１，１’は、負荷、特に層２，２’間の摩擦によって、高められた転位構造の組織にメタ安定平衡が形成されるという本発明の効果が達成されるように相互に位置をずらされる。このことは、さらなる結果として、層２，２’による２つの基板１，１’の最適な接続を生じさせる。

１，１’ 基板、 １ｏ 基板上面、 １ｒ 基板下面、 ２，２’ 層、 ２ｏ 層上面、 ３ 粒子、 ３’ 高い転位密度を有するメタ安定粒子、 ４ 転位、 ５ ボンディング界面、 ６，６’ 振動装置、 ６ｋ 接触面、 ７，７’，７’’，７’’’，７’^ｖ サンプルホルダ、 ７ｒ 下面、 ８ 基板積層体、 ９ 力の投入点、 １０，１０’ 圧力プレート、１０ｒ 下面、 １１ 振動素子、特に圧電エレメント、 １２ 固定側支承部、 １３ 圧力ピストン、 ｔ 層厚さ、 ｖ 運動装置／速度、 ｆ 応力、 Ｆ 振動力、 ｌ 区間、 Ｔ せん断負荷、 Ｆｇ 対抗力

Claims (8)

1. 第１の基板（１）の第１の層（２）をボンディング界面（５）で第２の基板（１’）の第２の層（２’）に持続的にボンディングする方法において、
   前記第１の層（２）及び／又は前記第２の層（２’）の転位（４）の転位密度を、少なくとも前記ボンディング界面（５）の領域において、ボンディング前及び／又はボンディング中に高める、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記転位密度を、少なくとも１つの振動、好ましくは複数の振動によって高め、
   前記少なくとも１つの振動を、好ましくは超音波領域で動作する振動装置（６，６’）によって、特には局所的に導入する、
   請求項１に記載の方法。
3. ボンディング時のボンディング温度を、最大３００℃、特に最大２００℃、好ましくは最大１５０℃、より好ましくは最大１００℃、さらに好ましくは最大５０℃とする、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 特に個別の、前記第１の層（２）、及び／又は、特に個別の、前記第２の層（２’）は、金属、特にＣｕであり、前記第１の基板（１）及び／又は前記第２の基板（１’）は、半導体である、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ボンディング界面（５）に対する横断方向で前記基板（１，１’）に作用する圧力ｆに、特に０より大きい最小合成力が生じるように、振動を重畳する、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 第１の基板（１）の第１の層（２）をボンディング界面（５）で第２の基板（１’）の第２の層（２’）に持続的にボンディングする装置において、
   前記第１の基板（１）を受容するサンプルホルダ（７，７’，７’’，７’’’，７’^ｖ）と、
   前記第１の層（２）及び／又は前記第２の層（２’）の転位（４）の転位密度を少なくとも前記ボンディング界面（５）の領域において高めるのに適した、前記基板（１，１’）に圧力を印加する圧力プレート（１０，１０’）と、
   を備える、
   ことを特徴とする装置。
7. 前記サンプルホルダ（７，７’，７’’，７’’’，７’^ｖ）及び／又は前記圧力プレート（１０，１０’）がそれぞれの下面（７ｒ，１０ｒ）側で固定側支承部（１２）によって支持されている、
   請求項６に記載の装置。
8. 少なくとも１つの振動、好ましくは複数の振動が印加される、
   請求項６又は７に記載の装置。

Images