JP2023002767A - Device and method for bonding substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、請求項１に記載した、第１基板のボンディング面と、第２基板のボンディング面との間の導電性の直接接合を形成する装置、および、請求項７に記載した対応する方法に関する。
The present invention provides an apparatus for forming a conductive direct bond between a bonding surface of a first substrate and a bonding surface of a second substrate, as defined in
特に、金属製または金属化された複数の基板、金属化された表面を有する複数の基板、複数の半導体基板または複数の化合物半導体基板をボンディングする際には、ボンディングすべき基板のボンディング面の酸化が重要な役割を果たす。なぜならば酸化によってボンディングプロセスが難しくなるからである。酸化物は、機械的および／または電気的に高品質の接触接続部の形成を阻止するかこれを低減する。これに付随するのは特に、長時間の高温加熱および冷却時間に起因してスループットが悪化することであり、また、ボンディング時の温度が高くなるかまたはこれを高くしなければならないのに伴い、温度差による膨張が、複数の基板の相互の配向ないしは位置調整精度に与える影響が大きくなることである。さらに例えば所定のＭＥＭＳおよび／または半導体デバイスでは、例えばマイクロチップまたはメモリチップなどでは、高いプロセス温度は使用できない。 In particular, when bonding metallic or metallized substrates, substrates with metallized surfaces, semiconductor substrates or compound semiconductor substrates, oxidation of the bonding surfaces of the substrates to be bonded is avoided. plays an important role. This is because oxidation makes the bonding process difficult. The oxide prevents or reduces the formation of mechanically and/or electrically high quality contact connections. Concomitant with this is, among other things, poor throughput due to long high temperature heating and cooling times, and as bonding temperatures are or must be increased, The expansion due to the temperature difference has a greater effect on the mutual alignment or positioning accuracy of the plurality of substrates. Furthermore, for example, high process temperatures cannot be used with certain MEMS and/or semiconductor devices, such as microchips or memory chips.
従来技術では、上記の複数の基板上に形成されひいてはボンディングプロセスによる複数の基板の最適なボンディングを阻止するかまたは少なくともこれを困難にする酸化物を除去するため、特に湿式エッチングプロセスが使用されている。この湿式エッチングプロセスでは主にフッ酸またはフッ酸を含有する混合物が使用される。酸化物を還元した後、水素原子が終端をなす表面が発生する。この疎水性の表面は、いわゆるプレボンド（英語：pre-bond）を形成するのに好適である。しかしながら２つのウェハを永続的に互いに接合したい場合には、還元プロセスによって発生しかつ基板表面の終端をなす水素をボンディング境界面から除去し、２つの基板表面、例えばシリコン表面間の永続的な接合が得られるようにするため、温度を上げてウェハ積層体を熱処理する必要がある。この基板積層体は、表面を接触接続させた後、熱処理される。シリコンウェハは、このような永続的な接合を保証するため、例えば約７００℃の温度で熱処理される。このタイプの方法は、特に多層の金属、半導体、ガラスまたはセラミック接合体を作製するのに使用される。特に重要な応用分野は、光起電力多層セルおよびフォトニック結晶、特にケイ素製のフォトニック結晶の作製である。 In the prior art, in particular wet etching processes are used to remove oxides which are formed on the substrates mentioned above and thus prevent or at least make it difficult to optimally bond the substrates by the bonding process. there is Hydrofluoric acid or mixtures containing hydrofluoric acid are mainly used in this wet etching process. After reduction of the oxide, a surface terminated with hydrogen atoms is generated. This hydrophobic surface is suitable for forming a so-called pre-bond. However, if it is desired to permanently bond two wafers together, the hydrogen generated by the reduction process and terminating the substrate surfaces is removed from the bonding interface to provide a permanent bond between the two substrate surfaces, for example silicon surfaces. It is necessary to heat treat the wafer stack at an elevated temperature in order to obtain . The substrate stack is heat treated after contacting the surfaces. The silicon wafers are heat treated, for example, at a temperature of approximately 700° C. to ensure such a permanent bond. Methods of this type are used in particular for making multi-layer metal, semiconductor, glass or ceramic joints. A particularly important application field is the fabrication of photovoltaic multilayer cells and photonic crystals, especially photonic crystals made of silicon.
多層セルの作製における複数の主な制約のうちの１つは、個々の半導体材料の格子構造の大きさおよび形状が互換性を有してないことである。このことは、複数の層を上下に直接成長させることによって個々の層を作製する際に、結果的に得られる半導体層の欠陥に結び付く。これらの欠陥は、形成される層の品質を損ない、特に光を電気エネルギに変換するための達成可能な効率を損なう。この効率は、量子効率（英語：quantum efficiency）とも称され、太陽電池に対し、所定の波長の吸収される光子の個数に対する光プロセスによって使用可能な電荷担体の比を定める。ここから実践的に以下のパラメタについての制限が発生する。すなわち、
ａ） 構造体において実現可能な活性層の個数。これは、上で説明した問題に起因して今日２つないし最大で３つの層に制限される。
ｂ） 最適な波長領域についての個々の層の最適化。今日、実践的に可能でないのは、波長領域およびこれに付随した光を電気エネルギに変換するための変換特性について、完全に自由に個々の層を最適化することである。なぜならば格子構造の互換性についてつねに妥協しなければならないからである。
ｃ） より好都合な材料の使用。所定の波長に対して望ましいと考えられるのは、例えばケイ素またはゲルマニウムを使用することである。なぜならばこれらの材料により、効率とコストとの間の理想的な妥協が可能になるからである。しかしながらこれらの材料は使用できないことが多い。なぜならば格子構造が、セルに使用される他の複数の構造体と十分に互換性を有してないからである。
One of the several major limitations in fabricating multi-layer cells is the incompatibility of the lattice structure sizes and shapes of the individual semiconductor materials. This leads to defects in the resulting semiconductor layers when fabricating individual layers by directly growing layers on top of each other. These defects impair the quality of the layers formed and in particular the achievable efficiency for converting light into electrical energy. This efficiency, also called quantum efficiency, determines for a solar cell the ratio of charge carriers available by photoprocesses to the number of absorbed photons of a given wavelength. Practically, this leads to restrictions on the following parameters. i.e.
a) the number of active layers achievable in the structure; This is currently limited to two or at most three layers due to the problems described above.
b) Optimization of individual layers for optimum wavelength range. What is not practically possible today is complete freedom in optimizing the individual layers with regard to the wavelength range and the concomitant conversion properties for converting light into electrical energy. This is because we always have to compromise on the compatibility of lattice structures.
c) Use of more convenient materials. For certain wavelengths it may be desirable to use silicon or germanium, for example. This is because these materials allow an ideal compromise between efficiency and cost. However, these materials are often unusable. This is because the lattice structure is not sufficiently compatible with other structures used in the cell.
後続のボンディング過程の前の酸化物処理、特に酸化物除去はフッ酸によって行われることが多い。酸化物除去の後、表面のコンタミネーションおよび特に酸化物の再生が行われることがある。 Oxide treatment, especially oxide removal, before the subsequent bonding process is often done with hydrofluoric acid. After oxide removal, surface contamination and especially oxide regeneration may occur.
これに関連した別の問題はまた、酸化物除去と、基板の後続処理との間の待機時間が異なると、ボンディングされる基板積層体のプロセス結果が異なってしまうことである。 Another problem associated with this is also that different waiting times between oxide removal and subsequent processing of the substrate will result in different process results for the bonded substrate stack.
従来の方法の別の欠点は、エッチングすべき酸化物にエッチングプロセスを合わせなければならないことである。したがって場合によっては、異なる半導体材料に対し、異なるエッチング化学物質も必要である。 Another drawback of conventional methods is that the etching process must be tailored to the oxide to be etched. Therefore, different etch chemistries are also necessary for different semiconductor materials in some cases.
さらに場合によっては、後続処理までの待機時間、プロセス周囲条件（例えばＯ２がないおよび場合によって水もない不活性の雰囲気）の種類についてのプロセス要求も材料に応じて異なる。このような理由から、種々異なる材料からなる異なる複数の基板をボンディングするボンディング装置は極めて複雑になってしまう可能性がある。付加的には、種々異なる材料に起因する種々異なる要求により、製造に新たな材料を導入しようとすれば、大きなプロセス開発コストも発生してしまい得る。 In addition, the process requirements for waiting time before further processing, type of process ambient conditions (eg inert atmosphere without O2 and optionally without water) may also differ depending on the material. For this reason, bonding equipment for bonding different substrates made from different materials can be quite complex. Additionally, the different requirements resulting from different materials can also result in significant process development costs when introducing new materials into manufacturing.
酸化物除去の別の可能性として、すでに上で挙げた化学プロセスの他に物理的なプロセスがある。酸化物除去のための最も重要な物理プロセスのうちの１つは、スパッタリングである。スパッタリングとは、イオン化されたスパッタリングガスの、イオン化されかつ電場および／または磁場によって加速された原子の衝突プロセスによって基板の表面の原子を除去することである。 Further possibilities for oxide removal are physical processes in addition to the chemical processes already mentioned above. One of the most important physical processes for oxide removal is sputtering. Sputtering is the removal of atoms on the surface of a substrate by a bombardment process of atoms of an ionized sputtering gas that are ionized and accelerated by electric and/or magnetic fields.
しかしながらスパッタリングの際には、このプロセスによって内在的に粒子が形成されるという欠点がある。なぜならば、物理的なプロセスによって表面から材料を除去することがこのプロセスの性質であるからである。この材料は、プロセスチャンバの様々な箇所に堆積し、この箇所から昇華することにより、ボンディングすべき基板に堆積するかまたは直接、再度基板上で昇華するかのいずれかである。これらの粒子は、最適な、すなわちボイドのないボンディング結果の妨げになる。さらにスパッタリングプロセスに対しては、基板の表面から材料を除去できるようにするため、極めて大きなイオンエネルギが必要である。これにより、イオンの一部は基板に打ち込まれ、これによって表面の近傍で層が損傷されることになる。この損傷された層は一般に、数ｎｍの厚さ、典型的には５ないし１０ｎｍの厚さにもなり得る。しかしながらこれらの損傷は、電気的および光学的なパラメタの特性についてボンディング接続部にマイナスに作用し得るため、これらの損傷は望ましくなく、実践的には問題である。 However, during sputtering, the disadvantage is that particles are inherently formed by this process. This is because it is the nature of the process to remove material from the surface by a physical process. This material is either deposited on the substrates to be bonded by being deposited at various points in the process chamber and sublimed from there, or sublimed directly on the substrates again. These particles interfere with optimal, ie, void-free, bonding results. Moreover, for sputtering processes, very high ion energies are required to be able to remove material from the surface of the substrate. This will drive some of the ions into the substrate, which will damage the layer near the surface. This damaged layer can generally be several nm thick, typically 5 to 10 nm thick. However, these damages are undesirable and practically problematic because they can negatively affect the bonding connection with respect to its properties of electrical and optical parameters.
多層セルを製造する際の別の基本的な問題は、多くのプロセスについて一般的な熱処理である。この熱処理は、１００℃と７００℃との間の温度で行われる。このような高い温度では、使用される原材料は機械的に大きな負荷がかかる。この機械的な負荷は、温度差が大きい場合、特に複数の熱応力によって特徴付けられる。これらの熱応力は、熱膨張係数および温度差に依存する。複数の原材料がボンディング境界面に沿って互いに溶接されているため、これらの原材料が互いに自由に膨張できない場合、熱膨張係数の差は、温度差がある場合、相応に大きな熱応力を発生させることになる。原材料の選択は、別の周囲条件によってなされることが極めて多いため、熱応力は、プロセスステップ内で温度差を可能な限りに小さくすることによってのみ回避することができる。 Another fundamental problem in manufacturing multilayer cells is the heat treatment common to many processes. This heat treatment is performed at a temperature between 100°C and 700°C. At such high temperatures, the raw materials used are mechanically highly stressed. This mechanical load is characterized by multiple thermal stresses, especially when the temperature difference is large. These thermal stresses depend on thermal expansion coefficients and temperature differentials. Since multiple raw materials are welded together along the bonding interface, if these raw materials cannot expand freely with respect to each other, the difference in thermal expansion coefficients will produce correspondingly large thermal stresses in the presence of temperature differences. become. Since the selection of raw materials is very often driven by other ambient conditions, thermal stress can only be avoided by minimizing temperature differences within the process steps.
ここでさらに述べておきたいのは、異なる格子パラメタおよび／または異なる熱膨張係数を有する複数の材料の一体化を行おうとするために、ボンディングプロセスによって最大の利点を提供しようとしている材料組み合わせがまさに、熱処理プロセスと最も互換性がないことである。なぜならばまさにこの際には大抵、熱膨張の最大の相違が発生するからである。 It should be further noted here that in order to achieve the integration of multiple materials with different lattice parameters and/or different coefficients of thermal expansion, it is precisely the material combination that is to be provided with the greatest advantage by the bonding process. , is the least compatible with heat treatment processes. This is because the greatest differences in thermal expansion usually occur precisely in this case.
したがって本発明の課題は、ボンディングプロセスを一層効率的かつ高品質に実行することができるボンディングのための装置および方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and a method for bonding with which the bonding process can be carried out more efficiently and with higher quality.
この課題は、請求項１および７の特徴的構成によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。本発明には、明細書、特許請求の範囲および／または図面に示された複数の特徴的構成のうちの少なくとも２つの組み合わせからなるすべての組み合わせも含まれる。ここに示す値の範囲において、挙げられた境界内にある値も、境界値として開示されまた任意の組み合わせで請求できるものである。
This task is solved by the characterizing features of
本発明には、基板の酸化物層をプラズマ処理する装置および方法が記載されている。このプラズマ処理は、本発明において完全な除去、部分的な除去および／また酸化物層の化学量論の変化、および／または、全体層または少なくとも表面近傍の層の非晶質化のいずれかに結び付き得る。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention describes an apparatus and method for plasma processing an oxide layer of a substrate. This plasma treatment in the present invention either completely removes, partially removes and/or changes the stoichiometry of the oxide layer and/or amorphizes the entire layer or at least the layer near the surface. can connect.
本発明によって特に、プラズマチャンバにおける酸化層のin-situ加工が可能になり、このプラズマは、少なくとも１つの還元性ガス、特に水素からなる。 The invention allows in particular the in-situ processing of oxide layers in a plasma chamber, the plasma consisting of at least one reducing gas, in particular hydrogen.
本発明による装置および本発明による方法により、酸化物の処理と、後続のボンディングプロセスとを完全に、雰囲気に対して密閉した作業チャンバにおいて、ないしは、作業チャンバに接続されたモジュールにおいて実行することができるため、酸化物を処理した後、表面が新たに酸化されることが阻止される。 The device according to the invention and the method according to the invention make it possible to carry out the oxide treatment and the subsequent bonding process in a working chamber completely closed to the atmosphere or in a module connected to the working chamber. Thus, after treating the oxide, the surface is prevented from being oxidized again.
本発明には、
（１） プラズマチャンバ内で還元性ガスを用いて、所期のように変化させた酸化物層を有する複数の基板を作製し、
（２） これらの基板を真空環境において、特に高真空環境においてボンディングモジュールに搬送し、
（３） これら基板をボンディングモジュールにおいて互いにボンディングできるようにする装置および方法が記載されている。
The present invention includes
(1) preparing a plurality of substrates having a modified oxide layer in a plasma chamber using a reducing gas;
(2) transporting the substrates to a bonding module in a vacuum environment, particularly a high vacuum environment;
(3) Apparatus and methods are described which enable these substrates to be bonded together in a bonding module.
本発明において変化とは、
・ デポジット中および／またはデポジット後に酸化物の化学量論比を変化させること、および／または、
・ 所望の新しい酸化物層厚さまで、既存の酸化物層の所定の量を取り去ること、または、
・ 酸化物層を完全に除去すること、および／または
・ 酸化物層を非晶質化すること
と理解される。
A change in the present invention is
- varying the oxide stoichiometry during and/or after deposition; and/or
- removing a predetermined amount of the existing oxide layer to the desired new oxide layer thickness, or
- completely removing the oxide layer; and/or - amorphizing the oxide layer.
これは、還元性ガスを含むプラズマに基板を曝すことの可能な装置によって実現される。ここでは特にＨ2が、少なくとも１つの第２の、特に不活性ガスとの混合物で使用される。有利な変形形態として判明しているのは、Ｈ2／Ａｒ混合物の使用である。 This is accomplished by a device capable of exposing the substrate to a plasma containing reducing gases. H 2 in particular is used here in a mixture with at least one second, in particular inert gas. An advantageous variant is the use of H 2 /Ar mixtures.
ガス混合物Ｈ2／Ａｒは、アルゴンと酸素との間の質量比によって最適である。酸素よりも若干重いアルゴン原子は、プラズマによってイオン化され、還元すべき酸化物に向かって加速され、この酸化物を運動エネルギによって物理的、特に機械的に砕く。これによって自由になった酸素はつぎに水素分子、水素イオンまたは水素ラジカルによって相応に捕捉される。これによって形成される熱力学的に比較的安定な水はつぎに、金属酸化物への逆反応を阻止するため、表面から取り除かれる。ヘリウムは、その質量が小さいことによって不適当である。ネオン原子は、酸素原子よりも質量が大きいが、ほんの違いはわずかである。クリプトンおよび別の希ガスは、コストがかかりすぎかつ希少すぎるため、酸化物の破砕には経済的に見合わない。 The gas mixture H2/Ar is optimal due to the mass ratio between argon and oxygen. Argon atoms, which are slightly heavier than oxygen, are ionized by the plasma and accelerated towards the oxide to be reduced, breaking it up physically, especially mechanically, with their kinetic energy. The oxygen thus freed is then correspondingly captured by hydrogen molecules, hydrogen ions or hydrogen radicals. The thermodynamically relatively stable water thus formed is then removed from the surface to prevent back reaction to metal oxides. Helium is unsuitable due to its low mass. Neon atoms have more mass than oxygen atoms, but the difference is only slight. Krypton and other noble gases are too costly and too rare to be economically viable for oxide crushing.
本発明による別の還元性ガスは、例えば、
・ 窒素酸化物、および／または、
・ 一酸化炭素、および／または、
・ メタン、および／または、
・ 水素、および／または、
・ 酢酸蒸気、および／または、
・ クエン酸蒸気
である。
Another reducing gas according to the invention is, for example,
- nitrogen oxides and/or
- carbon monoxide and/or
- methane and/or
- hydrogen and/or
- acetic acid vapor and/or
・ It is citric acid vapor.
不活性ガスとして、例えば、
・ キセノン、および／または、
・ アルゴン、および／または、
・ ヘリウム、および／または、
・ 窒素、および／または、
・ 二酸化炭素
が使用される。
As an inert gas, for example
xenon and/or
- argon and/or
- helium and/or
- nitrogen and/or
• Carbon dioxide is used.
基板は、プロセスチャンバにおいて、例えば真空中でプラズマに曝される。これによって酸化物層に変化が起こる。この変化は、酸化物の化学量論比の変化、および／または、所期かつ所望の値までの酸化物層厚さの除去、または、酸化物の完全な除去、または非晶質化のいずれかによって発生する。 A substrate is exposed to a plasma in a process chamber, for example in a vacuum. This causes changes in the oxide layer. This change can be either a change in the oxide stoichiometry and/or a removal of the oxide layer thickness to the intended and desired value, or a complete removal or amorphization of the oxide. Occurs depending on
プラズマのイオンエネルギは、１０００ｅＶ未満、好適には５００ｅＶ未満、より好適には２５０ｅＶ未満、さらにより好適には１５０ｅＶ未満であり、最も好適には３０ｅＶと１５０ｅＶとの間である。 The ion energy of the plasma is less than 1000 eV, preferably less than 500 eV, more preferably less than 250 eV, even more preferably less than 150 eV, most preferably between 30 and 150 eV.
引き続き、上記の複数の基板は、同じボンディングモジュール内、または、有利には専用に構成された独自のボンディングモジュール内のいずれかで、互いに整列されて互いに接触接続される。ここでこれらの基板がボンディングされる。このボンディングは、オプションで力を加えることによってさらに促進され、これによってこれらの基板が全面にわたって確実に接触接続されることが保証される。ここでプラズマモジュールとボンディングモジュールとの間の搬送は、移動装置によって高真空環境において行われる。これらの基板は有利にはロボットによって搬送される。 Subsequently, the substrates are aligned and contact-connected to one another, either in the same bonding module or, preferably, in their own dedicated bonding module. The substrates are now bonded. This bonding is optionally further facilitated by the application of force, which ensures that the substrates are reliably contacted over all surfaces. The transfer between the plasma module and the bonding module here takes place in a high-vacuum environment by means of a transfer device. These substrates are preferably transported by robots.
本発明では、２つの基板のボンディングプロセスの前に、１つの基板の表面だけを処理するか、または、２つの基板の表面を処理するかのいずれかを行うことが可能である。 In the present invention, it is possible to either treat only the surface of one substrate or to treat the surfaces of the two substrates prior to the bonding process of the two substrates.
発明の利点
・ 高速である、
・ 種々異なる多くの基板材料および酸化物タイプに対して汎用的に使用可能である、
・ プロセス結果が再現性を有する、
・ 表面の汚染を阻止する高真空においてプロセスを実行することにより、生産物の品質が高い、
・ 環境負荷が小さい、
・ コスト的に有利である、
・ 廃棄処理しなければならない廃棄生産物がない、
・ 打ち込みに起因して基板表面が理想的には全く損傷しないか、もしくは、わずかだけ損傷するか、または、少なくとも正確に位置調整可能な損傷が基板に生じる。
Advantages of the Invention ・ High speed,
- universally usable for many different substrate materials and oxide types;
・ process results are reproducible,
high product quality by running the process in a high vacuum which prevents surface contamination;
・ Low environmental impact,
・ It is advantageous in terms of cost.
- no waste products to dispose of;
• The substrate surface is ideally not damaged at all or only slightly due to the impact, or at least causes precisely positionable damage to the substrate.
本発明の着想は、少なくとも表面近傍の領域において、酸化物を処理することにあり、例えば、プラズマ装置内の還元性ガスおよび／またはガス混合物により、酸化物の化学量論比を所期のように設定すること、および／または、酸化物を非晶質化することにある。したがって本発明では、原子ガスおよび／または分子ガスが使用される。 The idea of the present invention is to treat oxides, at least in the near-surface region, e.g. and/or amorphizing the oxide. Accordingly, atomic and/or molecular gases are used in the present invention.
本発明は基本的に、プラズマの還元性雰囲気内で基板を処理することに基づいている。このために基本的には、ボンディング面に存在する酸化物の酸化物還元を生じさせるのに適した、少なくとも１つのガスからなるすべての雰囲気が考えられる。 The invention is basically based on processing the substrate in the reducing atmosphere of the plasma. In principle, all atmospheres of at least one gas are conceivable for this purpose which are suitable for effecting an oxide reduction of the oxides present on the bonding surfaces.
入手可能性および魅力的なコストに起因して、本発明ではＨ2を使用するのが好適である。複数の酸化物が半導体基板上でＨ2によって還元できることが文献において公知である。しかしながらこのためには一般的に極めて高い温度（＞６００℃）が必要である。このことは多くの基板にとって、特に複合的な化合物半導体基板にとって受け入れることができない。なぜならば、最悪の場合、材料の分解（例えばＧａＡｓは４００℃で分解する）が生じるか、または、拡散プロセスによって少なくとも、層構造の変化が生じるからである。したがって本発明の重要な一様相は、酸化物還元が低い温度で、最善には２００℃未満で、好適には１５０℃未満で、さらに有利には１００℃未満で、最も有利には室温で行われ得るようにプロセスを構成することにある。 Due to availability and attractive cost, it is preferred to use H2 in the present invention. It is known in the literature that several oxides can be reduced by H 2 on semiconductor substrates. However, this generally requires very high temperatures (>600° C.). This is unacceptable for many substrates, especially complex compound semiconductor substrates. This is because, in the worst case, either decomposition of the material occurs (for example GaAs decomposes at 400° C.) or at least changes in the layer structure due to diffusion processes. An important aspect of the invention is therefore that the oxide reduction is carried out at low temperatures, best below 200°C, preferably below 150°C, more preferably below 100°C and most preferably at room temperature. The idea is to structure the process so that it can be broken down.
これを可能にするため、選択された雰囲気からプラズマを点火する。このプラズマ内に形成されかつ基板に衝突するイオンのイオンエネルギに起因して、十分なエネルギが供給されるかないしは利用可能になるため、上記の反応を極めて低い温度で、有利に室温で生じさせることができ、かつ／または、酸化物の非晶質化が行われる。これにより、熱負荷について、材料を大いにいたわって加工することができる。 To enable this, a plasma is ignited from a selected atmosphere. Due to the ion energy of the ions formed in this plasma and striking the substrate, sufficient energy is supplied or made available to allow the above reactions to occur at very low temperatures, preferably at room temperature. and/or amorphization of the oxide is performed. This allows the material to be processed with great care in terms of thermal loads.
パラメタ設定することにより、同じ基本着想によって、基礎となる化学を変更することなく、多数の種々異なる基板を加工することができる。有利には、プロセスチャンバ用のガス供給システムの一部であるガス混合システムを用いて、２つまたはそれ以上のガスからなるガス混合物を式に依存して調整し、種々異なる基板に適合させることができる。 By parameterization, a large number of different substrates can be processed with the same basic idea without changing the underlying chemistry. Advantageously, using a gas mixing system, which is part of the gas supply system for the process chamber, a gas mixture of two or more gases can be adjusted formula-dependently to suit different substrates. can be done.
基本的には上記プロセスを実行するため、あるゆるタイプのプラズマチャンバが考えられる。これには、ＣＣＰチャンバ（英語："capacitively coupled plasma"、容量結合プラズマチャンバ）、ＩＣＰチャンバ（英語："inductively coupled plasma"、誘導結合プラズマチャンバ）およびリモートプラズマチャンバが含まれる。 Basically any type of plasma chamber is conceivable for carrying out the above process. This includes CCP chambers (English: "capacitively coupled plasma"), ICP chambers (English: "inductively coupled plasma") and remote plasma chambers.
しかしながら本発明では、構造が簡単であることと生産性が高いことに起因してＣＣＰチャンバが有利である。電極間の間隔は、２ｍｍよりも大きく、有利には６ｍｍよりも大きく、さらに好適には９ｍｍよりも大きく、さらに一層好適には１２ｍｍよりも大きく、最も好適に１６ｍｍよりも大きい。本発明では特に、下側電極が同時に基板ホルダとして構成されるようにする。この基板ホルダは同時に真空試料ホルダとしても、択一的かつより有利には静電式試料ホルダとして構成することができる。さらに、基板の（緩やかな）温度変化を可能にする加熱および／または冷却素子を組み込むことも考えられる。 However, in the present invention, the CCP chamber is advantageous due to its simple structure and high productivity. The spacing between the electrodes is greater than 2 mm, preferably greater than 6 mm, more preferably greater than 9 mm, even more preferably greater than 12 mm and most preferably greater than 16 mm. In particular, the invention provides that the lower electrode is simultaneously configured as a substrate holder. The substrate holder can simultaneously be configured as a vacuum specimen holder or alternatively and more preferably as an electrostatic specimen holder. Furthermore, it is conceivable to incorporate heating and/or cooling elements that allow a (gradual) temperature change of the substrate.
上側電極に印加される交流電圧の周波数は好適には、下側電極に印加される交流電圧の周波数よりも高い。これらの周波数間には有利には、少なくとも１０倍の、さらに有利には少なくとも１００倍の、さらに一層有利には少なくとも２５０倍の違いがある。これにより、これらの周波数の相互の影響を低減することができる。高い方の周波数は、例えば、１３．５６ＭＨｚまたは２７ＭＨｚの値をとることができるのに対し、下側電極に供給することができる周波数は、例えば４０ｋＨｚ，１００ｋＨｚまたは４００ｋＨｚをとり得る。この装置において、高い方の周波数はもっぱら雰囲気のイオン化に結び付くの対し、低い方の周波数は、基板表面へのイオン加速に結び付く。これにより、プラズマの密度およびイオンが基板に衝突するイオンエネルギおよびを別々に設定することができる。これによってこのプロセスをより良好に制御できるため有利である。なぜならば本発明ではイオン密度およびイオンエネルギを別々にかつ互いに依存せずに調整可能できるからである。 The frequency of the alternating voltage applied to the upper electrode is preferably higher than the frequency of the alternating voltage applied to the lower electrode. There is preferably a difference of at least 10 times, more preferably of at least 100 times, even more preferably of at least 250 times between these frequencies. This makes it possible to reduce the mutual influence of these frequencies. The higher frequency can, for example, take values of 13.56 MHz or 27 MHz, while the frequencies that can be supplied to the lower electrode can take, for example, 40 kHz, 100 kHz or 400 kHz. In this device, the higher frequencies are associated exclusively with ionization of the atmosphere, whereas the lower frequencies are associated with ion acceleration to the substrate surface. Thereby, the plasma density and the ion energy with which the ions collide with the substrate can be set separately. Advantageously, this allows for better control of the process. This is because the present invention allows the ion density and ion energy to be adjusted separately and independently of each other.
Ｓｉウェハの酸化物を還元するための有利な一実施形態において、上側電極の交流電圧の周波数は、１３．５６ＭＨｚであり、下側電極の交流電圧の周波数は８０ｋＨｚ～１２０ｋＨｚである。上側電極および下側電極に対する電力は、例えば５０Ｗ～５００Ｗである。ガス混合物として有利にはＨ2／Ａｒからなる混合物が使用され、その濃度値は、１００％Ｈ2／０％Ａｒと、０％Ｈ2／１００％Ａｒとの間にあり、特に１％を上回る、取るに足るような別の成分を有しない。上記の濃度は有利には８０％Ｈ2を下回り、さらに有利には６０％Ｈ2を下回り、さらに一層有利には４０％Ｈ2を下回り、最も有利には２０％Ｈ2を下回る。 In one advantageous embodiment for reducing the oxides of Si wafers, the frequency of the alternating voltage on the upper electrode is 13.56 MHz and the frequency of the alternating voltage on the lower electrode is between 80 kHz and 120 kHz. The power to the upper and lower electrodes is for example 50W-500W. A mixture of H 2 /Ar is preferably used as the gas mixture, the concentration values of which lie between 100% H 2 /0% Ar and 0% H 2 /100% Ar, in particular 1%. It does not have more than a negligible separate ingredient. Said concentration is preferably below 80% H 2 , more preferably below 60% H 2 , even more preferably below 40% H 2 and most preferably below 20% H 2 .
均一なプロセス結果を保証するため、ガスの供給はプラズマチャンバの周囲にわたって均一に分散して行われる。同様にプラズマチャンバからのガスの吸い取りは、均一な形態で、特に周囲に分散された出口を通して行われる。プラズマ処理プロセス中、このチャンバには連続してガス混合物が通流し、これによって還元時に発生する反応生成物、特にＨ2Ｏがこのチャンバから搬出される。このことは重要である。なぜならば、一層良好な酸化物還元のために特に、Ｈ2ＯによるＳｉの新たな酸化よりも多くの還元反応が行われるようになるからである。ウェハにわたるこの反応の均一性を保証するため、特に、このプロセス中にチャンバ内で均一にガスが流れるようにし、この結果、プロセスガスの濃度の均一になるようにする。 The gas supply is evenly distributed around the circumference of the plasma chamber to ensure uniform process results. Likewise, the wicking of gas from the plasma chamber takes place in a uniform fashion, especially through outlets distributed around the circumference. During the plasma treatment process, the chamber is continuously flowed with a gas mixture, whereby the reaction products generated during the reduction, in particular H 2 O, are carried out of the chamber. This is important. This is because, inter alia, more reduction reactions than the fresh oxidation of Si with H 2 O become available for better oxide reduction. To ensure uniformity of this reaction across the wafer, in particular, uniform gas flow within the chamber is ensured during this process, resulting in uniform concentration of the process gas.
粒子が基板表面に衝突するイオンエネルギは、下側電極によって主に制御される。このエネルギは、一方において基板表面における酸化物の処理を成功させるように、また、他方において基板表面およびこれに伴う損傷が最小になる最小の打ち込みだけが行われるように小さく選択される。 The ion energy with which particles strike the substrate surface is primarily controlled by the lower electrode. This energy is chosen to be small, on the one hand, for successful processing of oxides on the substrate surface, and on the other hand, so that only a minimal implant is performed, which results in minimal damage to the substrate surface and the associated damage.
しかしながら他方では、機械的な頑強さの比較的弱い層を形成するため、基板表面の調整可能かつ制御された損傷を形成することが所望されることがあり得る。このようにすることよって好適にも、複数の基板を接触接続した後、高い押圧力に基づく圧縮によって表面間のナノ間隙を閉鎖することができる。表面に加わる圧力は、０．０１ＭＰａ～１０ＭＰａであり、好適には０．１ＭＰａ～８Ｍａであり、さらに有利には１ＭＰａ～５ＭＰａであり、最も有利には１．５ＭＰａ～３ＭＰａである。これらの値は、流通している２００ｍｍ基板に対して、１ｋＮ～３２０ｋＮの力の印加におおよそ対応する。この制御された損傷により、本発明では有利にも、酸化物または少なくとも表面近傍の酸化物領域の非晶質化が行われる。表面の非晶質化は有利にはイオンエネルギを調整することによって行われる。この非晶質領域は、酸化物層全体を包囲することできるが、有利には表面近傍の領域に制限される。この非晶質層の厚さは特に、１０ｎｍ未満であり、好適には５ｎｍ未満であり、さらに好適には１ｎｍ未満であり、最も好適には０．１ｎｍ未満である。 On the other hand, however, it may be desirable to create adjustable and controlled damage to the substrate surface in order to create a layer of relatively weak mechanical robustness. Advantageously, after contacting the substrates, the nanogaps between the surfaces can be closed by compression based on a high pressing force. The pressure applied to the surface is 0.01 MPa to 10 MPa, preferably 0.1 MPa to 8 MPa, more preferably 1 MPa to 5 MPa, most preferably 1.5 MPa to 3 MPa. These values correspond roughly to application of forces from 1 kN to 320 kN for commercial 200 mm substrates. This controlled damage advantageously results in an amorphization of the oxide or at least the near-surface oxide regions in the present invention. Amorphization of the surface is preferably effected by adjusting the ion energy. This amorphous region can surround the entire oxide layer, but is advantageously restricted to regions near the surface. The thickness of this amorphous layer is in particular less than 10 nm, preferably less than 5 nm, more preferably less than 1 nm and most preferably less than 0.1 nm.
好適には、プロセス経過中、まず酸化物還元に最適なガス混合物によってこのプロセスを開始し、酸化物還元が成功した後、このガス混合物を変化させ、表面を所期のように損傷させるのに最適な混合物に置き換えることが考えられる。これは、上記のプロセスの間に動的に行うことができ、特にソフトウェアで支援された制御装置によって行うことができる。 Preferably, during the course of the process, the process is first initiated with a gas mixture that is optimal for oxide reduction, and after successful oxide reduction, this gas mixture is changed to provide the desired surface damage. It is conceivable to replace it with an optimal mixture. This can be done dynamically during the above process, especially by a software-assisted controller.
ガス混合物の上記の交換は、下側および／または上側電極に対する周波数発生の設定の適合化を伴うことも可能である。これによって好適にも、下側および／または上側の周波数発生器の電力を適合化し、これらの発生器に対する電圧および電流境界値を変更し、周波数を変化させることができる。ここでもこれを上記の制御装置によって動的に行うことができる。これらのパラメタを用い、損傷される層の厚さ、損傷の密度、および場合によって打ち込まれるイオンの種ないしは調量を設定することができる。 The above exchange of gas mixtures can also be accompanied by an adaptation of the frequency generation settings for the lower and/or upper electrodes. This advantageously makes it possible to adapt the power of the lower and/or upper frequency generators, change the voltage and current boundary values for these generators, and change the frequency. Again, this can be done dynamically by means of the control device described above. These parameters can be used to set the thickness of the layer to be damaged, the density of damage and possibly the species or dose of implanted ions.
したがって上記の損傷には多くの場合、表面近傍領域の非晶質化も伴うのである。 Therefore, the above damage is often accompanied by amorphization of the near-surface region.
酸化物が除去されるのが半導体基板である場合、上記の還元によって一般的に、その下にある単結晶または少なくとも結晶質の（ＭＯ ＣＶＤによって欠陥、例えば成長欠陥の少ない）半導体ウェハが露出する。 If it is the semiconductor substrate from which the oxide is to be removed, the reduction generally exposes the underlying monocrystalline or at least crystalline (low defect, e.g., growth defect by MO CVD) semiconductor wafer. .
したがって一般的なプロセスフローは、複数のボンディング層のうちの少なくとも１つの変化のために、例えば酸化物還元のためにプラズマチャンバに基板をセットすることと、酸化物還元プロセスと、基板の最も上の層を所期のように変化／損傷させるためのオプションのプロセスとから構成される。 A typical process flow is therefore to set the substrate in a plasma chamber for at least one of the bonding layers to be changed, for example for oxide reduction, an oxide reduction process, and and optional processes to purposely alter/damage the layer of
複数の基板はさらに高真空環境の作業空間においてボンディングチャンバに搬送され、そこで互いに機械的および／または光学的に位置合わせされて接触接続させられる。オプションではこれらに（大きな）力が加えられて互いに圧縮される。引き続いてこれらの基板を取り出すことができる。本発明においてこのボンディングチャンバは、上記のプラズマチャンバと同じものすることが可能であり、すなわち、ボンディングプラズマチャンバとすることが可能である。 The multiple substrates are then transported to a bonding chamber in a high-vacuum environment working space where they are mechanically and/or optically aligned and contact-connected to each other. Optionally, a (large) force is applied to them to compress them together. These substrates can subsequently be removed. In the present invention, this bonding chamber can be the same as the plasma chamber described above, ie it can be a bonding plasma chamber.
本発明において上記の高真空環境は、特に１×１０-5mbar、より有利には５×１０-6mbar，さらにより有利には１×１０-6mbar，極めて有利には５×１０-7mbar，最も有利には９×１０-8mbar未満の圧力を有する。 According to the invention, the high vacuum environment mentioned above is in particular 1×10 −5 mbar, more preferably 5×10 −6 mbar, even more preferably 1×10 −6 mbar, very preferably 5×10 −7 . mbar, most preferably less than 9×10 −8 mbar.
別の実施形態において本発明による還元プロセスは、酸化物の完全な除去に使用されるのではなく、この酸化物の正しい化学量論比を調整するのに使用される。これによって特に、酸素に結合する１つまたは複数の元素を過剰に有する層を形成することができる。例えば、酸化ケイ素は、化学量論的に正しい形態のＳｉＯ2ではなく、化学量論的でないＳｉＯ2-xになっている。したがって一般的には、例えば、化学量論的でない組成ＳｉＯ2-xが生じるのであり、ここでｘは０～２である。類似の考察は別の酸化物にも当てはまる。この非化学量論性は結晶物理学的には結晶格子において酸素原子がその位置にないことであると理解することできる。酸素原子がないことにより、原子空孔密度が高くなる。原子空孔それ自体は、あらゆるタイプの輸送過程に重要な意味を持つ。 In another embodiment, the reduction process according to the invention is not used to completely remove the oxide, but is used to adjust the correct stoichiometry of this oxide. This makes it possible in particular to form a layer with an excess of one or more elements that bind to oxygen. For example, silicon oxide is non-stoichiometric SiO 2-x instead of the stoichiometrically correct form of SiO 2 . Thus, in general, for example, non-stoichiometric compositions SiO 2-x are produced, where x is between 0 and 2. Similar considerations apply to other oxides. This non-stoichiometry can be understood in terms of crystal physics to be the absence of an oxygen atom in its position in the crystal lattice. The lack of oxygen atoms results in a high atomic vacancy density. Atomic vacancies themselves have important implications for all types of transport processes.
別の実施形態では、酸化物を完全に除去するために本発明による還元プロセスを使用するのではなく、所定の層厚の酸化物層を作製するために使用する。ここでは、本発明による還元プロセスにより、すでに存在する酸化物層を所望の層厚まで除去する。このようにして形成された層はつぎに、例えば国際公開第２０１２／１００７８６号（ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０００２９９），国際公開第２０１２／１３６２６７号（ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０５５４７０），国際公開第２０１２／１３６２６６号（ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０５５４６９），国際公開第２０１２／１３６２６８号（ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０５５４７１）に開示されたプロセスに使用することができる。本発明では、酸化物は、除去プロセスの前、１ｎｍより大きく、好適には１００ｎｍより大きく、さらに好適には１０μｍよりも大きく、さらに一層好適には１００μｍよりも大きく、最も好適には１０００μｍよりも大きい。除去プロセスの後、この酸化物は、好適には１００μｍよりも小さく、より好適には１０μｍよりも小さく、さらに一層好適には１００ｎｍよりも小さく、極めて好適には１０ｎｍよりも小さく、最も好適には１ｎｍよりも小さい。 In another embodiment, rather than using the reduction process according to the invention to completely remove the oxide, it is used to create an oxide layer of a given layer thickness. Here, the reduction process according to the invention removes an already existing oxide layer down to the desired layer thickness. The layer thus formed is then subjected to, for example, WO2012/100786 (PCT/EP2011/000299), WO2012/136267 (PCT/EP2011/055470), WO2012/136266 ( PCT/EP2011/055469), WO2012/136268 (PCT/EP2011/055471). In the present invention, the oxide is greater than 1 nm, preferably greater than 100 nm, more preferably greater than 10 μm, even more preferably greater than 100 μm, most preferably greater than 1000 μm before the removal process. big. After the removal process, this oxide is preferably less than 100 μm, more preferably less than 10 μm, even more preferably less than 100 nm, very preferably less than 10 nm, most preferably smaller than 1 nm.
酸化物層の所期の変化は特に、より最適なハイブリッドボンディングを作製するためにも使用される。ハイブリッドボンディングは、ここでも導電性領域および非導電性領域からなる２つの表面間の接合である。導電性領域とは主に金属からなる領域、特に銅からなる領域のことであり、これに対して非導電性領域とは主に酸化ケイ素のような誘電体からなる領域のことである。誘電性領域および電気的な領域は特に、同じレベルにまで研磨されるため、複数の電気的な領域は、１つの誘電体によって完全に包囲され、ひいては周囲から絶縁される。このような２つのハイブリッド表面の配向、接触接続およびボンディングにより、ハイブリッドボンディングが形成され、したがって有利には導電性領域と非導電性領域が互いにボンディングされる２つの基板間の接続が形成される。 In particular, the targeted alteration of the oxide layer is also used to produce a more optimal hybrid bond. A hybrid bond is again a bond between two surfaces consisting of a conductive area and a non-conductive area. Conductive regions are regions that are predominantly metal, especially copper, whereas non-conductive regions are regions that are predominantly dielectric, such as silicon oxide. Dielectric and electrical areas are especially polished to the same level so that multiple electrical areas are completely surrounded by one dielectric and thus insulated from the surroundings. Such orientation, contact connection and bonding of the two hybrid surfaces forms a hybrid bond and thus a connection between the two substrates in which the conductive and non-conductive areas are advantageously bonded to each other.
本発明の基板は特に、ボンディング面にＣｕ－ＣｕボンディングがあるＳｉ基板であり、このような複数のＳｉ基板が、プロセスのさらに別の工程においてボンディングされる。本発明では択一的に、例えばＡｕ，Ｗ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｓｎなどからなる別の金属層、または、複数の金属からなる組み合わせを使用することができる。このような例は、ＡｌでコーティングしたＳｉウェハ、ＣｕおよびＳｎでコーティングしたＳｉウェハ、ＴｉでコーティングしたＳｉウェハ、または、Ｃｕと、産業的には一般的である、Ｃｕの下にありかつ例えばＴｉ，Ｔａ，Ｗ，ＴｉＮ，ＴａＮ，ＴｉＷなどからなる当業者には公知の障壁層とによってコーティングされたＳｉ基板が使用され、ここでこの障壁層は、ＳｉへのＣｕの注入拡散を阻止しようとするものである。このような拡散バリアは、この分野の当業者には公知である。 The substrates of the invention are in particular Si substrates with Cu--Cu bonding on the bonding surface, and a plurality of such Si substrates are bonded in a further step of the process. Alternatively, other metal layers, such as Au, W, Ni, Pd, Pt, Sn, etc., or combinations of metals can be used in the present invention. Examples of such are Si wafers coated with Al, Si wafers coated with Cu and Sn, Si wafers coated with Ti, or Cu, which is industrially common under Cu and e.g. A Si substrate coated with a barrier layer known to those skilled in the art, consisting of Ti, Ta, W, TiN, TaN, TiW, etc., is used, where the barrier layer will block the implantation diffusion of Cu into the Si. and Such diffusion barriers are known to those skilled in the art.
これによれば、本発明において重要であるのは、周囲から、すなわち、酸化性雰囲気から、特に密閉した有利には気密に閉鎖可能な作業空間と、対応してこれに接続される複数のモジュールとを設け、これらのモジュールにおいて、ボンディング面上、有利に基板全体上に場合によって存在する酸化物層の還元も、ボンディングも共に実行できるようにすることである。これにより、本発明では、還元とボンディングプロセスとの間でボンディング面の新たな酸化が行われることを阻止することができる。基板の性質、特に基板上に存在する金属コーティングの性質に応じて、雰囲気の種々異なる成分が酸化的に作用し得る。しかしながら多くの場合、酸素および酸素を含有する化合物は、酸化性の作用を有し得る。したがって特に作業空間では、還元性の媒体組成を使用するのに加えて、酸素および水／水蒸気の濃度を大きく低減するかまたは近似的にゼロにする。作業空間は複数のモジュールを接続しているため、基板を再び雰囲気に曝すことなく、モジュールグループの複数のモジュール間で基板を搬送することができる。作業空間にただ１つのモジュールしか接続されていないが、このモジュールが本発明にしたがって必要なすべての作業を実行することができる実施形態も考えられる。この場合、この作業空間は、ロードおよび取り出し作業だけに使用される。 According to this, what is important in the context of the invention is a work space which can be closed from the surroundings, i.e. from an oxidizing atmosphere, in particular closed, preferably airtight, and correspondingly connected modules. so that in these modules both the reduction of any oxide layers present on the bonding surface, preferably over the entire substrate, and the bonding can be carried out. This makes it possible according to the invention to prevent further oxidation of the bonding surface between the reduction and the bonding process. Depending on the nature of the substrate, in particular the nature of the metal coating present on the substrate, different constituents of the atmosphere can act oxidatively. In many cases, however, oxygen and oxygen-containing compounds can have an oxidizing effect. Thus, in addition to using a reducing medium composition, especially in the working space, the concentrations of oxygen and water/water vapor are greatly reduced or nearly zero. Since the workspace connects multiple modules, substrates can be transported between multiple modules of a module group without re-exposing the substrates to the atmosphere. Embodiments are also conceivable in which only one module is connected to the workspace, but this module is able to perform all the work required according to the invention. In this case, this workspace is used only for load and retrieve operations.
本発明において特に考えることができるのは、さらにプロセスを最適化するため、付加的なモジュールを作業空間に接続することであり、これは、特に作業空間においてボンディングすべき基板の前および／または後処理、および／または、物理および／または化学的な特性を測定するために行われる。重要なステップは、加熱、還元、配向（アラインメント）、冷却、層厚測定、ボンディング強度測定などとすることが可能である。 Particularly conceivable in the context of the invention is the connection of additional modules to the working space, in particular in the working space before and/or after the substrates to be bonded, in order to further optimize the process. processing and/or to measure physical and/or chemical properties. Critical steps can be heating, reduction, alignment, cooling, layer thickness measurements, bond strength measurements, and the like.
作業空間の周りに、特に移動装置を含んで、特に還元モジュールおよびボンディングモジュールのような本発明による別の複数のモジュールが配置されている場合、特に有利にも本発明によって上記を実行することができ、これらのモジュールは、特に作業空間にドッキングすることができる。この移動装置は、好適には、対応するエンドエフェクタを有する市販の産業ロボットである。ここではこれらのモジュールは特に、中央モジュールの周りに星形またはクラスタ形に配置されるかまたは配置することができる。 It is particularly advantageous to carry out the above according to the invention if around the working space a plurality of further modules according to the invention, in particular a reduction module and a bonding module, in particular including a moving device, are arranged. and these modules can specifically be docked in the workspace. This mobile device is preferably a commercially available industrial robot with corresponding end effectors. The modules here are, in particular, arranged or can be arranged in a star or cluster around a central module.
最も理想的なケースでは、還元モジュールおよびボンディングモジュールを構成して、上記のプロセスステップについて全体装置のスループットが最大化されるようにする。 In the most ideal case, the reduction module and the bonding module are configured to maximize overall system throughput for the above process steps.
特に有利な実施形態では、ボンディングモジュールの前に少なくとも２つのモジュールを配置する。これらのうちの少なくとも１つは還元モジュールであり、第２のモジュールは一種の貯蔵モジュールである。ボンディングチャックは、載置されたウェハと共に還元モジュールにロードされて処理される。その後、このボンディングチャックは、貯蔵モジュールに一時的に貯蔵されて、いつでもボンディングに直ちに使用することができる状態になる。特別な実施形態では、貯蔵モジュールを還元モジュールとして構成することも可能である。この還元モジュールは有利には、複数のボンディングチャックおよび／または複数の基板を同時に収容できるように構成される。 In a particularly advantageous embodiment, at least two modules are arranged in front of the bonding module. At least one of these is a reduction module and the second module is a kind of storage module. The bonding chuck is loaded into the reduction module along with the mounted wafer for processing. This bonding chuck is then temporarily stored in a storage module and is ready for immediate use for bonding. In a special embodiment, it is also possible to configure the storage module as a reduction module. The reduction module is advantageously configured to accommodate multiple bonding chucks and/or multiple substrates simultaneously.
本発明の特に独自な様相は、どのようにしてこれらの層を導電性かつ光学的に透過な形態で、同時にコストに有利なプロセスによって積層できるかにある。さらに、これに必要な基板の準備を説明する。 A particularly unique aspect of the present invention is how these layers can be deposited in a conductive and optically transparent form, at the same time by a cost-effective process. Furthermore, preparation of the substrate required for this will be described.
ここで説明する方法は好適には、多層太陽電池を積層するのに適している。しかしながら択一的にこの方法は、任意の（特に光学的な）材料、特に半導体材料、ガラスおよびセラミック間の光学的に透過でありかつ導電性の複数の接続が必要な、任意の別の構造およびコンポーネントを形成するために使用することができる。このような部門では、照明、通信、材料加工のような多くの適用分野において、ＬＥＤおよびレーザのような固体光源が重要度が大きく増しているのに起因して、ますます多くの応用が増大している。ディスプレイ製造の部門においても新たな、革新的な製造技術がその重要度を増している。なぜならば、接触検出（タッチスクリーンの領域におけるフィードバックなど）の付加的な機能をディスプレイに組み込みたいからである。 The methods described herein are preferably suitable for stacking multilayer solar cells. Alternatively, however, this method can be applied to any other structure where multiple optically transparent and electrically conductive connections between any (especially optical) materials, especially semiconductor materials, glasses and ceramics are required. and can be used to form components. Such sectors see more and more applications due to the significant increase in importance of solid-state light sources such as LEDs and lasers in many application areas such as lighting, communications and materials processing. are doing. New and innovative manufacturing techniques are gaining importance in the display manufacturing sector as well. This is because we would like to incorporate the additional functionality of touch detection (such as feedback in the area of the touch screen) into the display.
本発明の利点は特に、
・ 導電性、光学的に透過なボンディング境界面ないしは接続層、
・ 極めて薄く、頑強かつ長時間安定なボンディング境界面または（複数の）層、
・ 温度耐性のあるボンディング境界面ないしは（複数の）層、
・ 高効率（製造が高速かつコスト的に有利である）
である。
Among the advantages of the invention are:
a conductive, optically transparent bonding interface or connecting layer;
- An extremely thin, robust and long-term stable bonding interface or layer(s),
a temperature tolerant bonding interface or layer(s),
High efficiency (manufacturing is fast and cost-effective)
is.
本発明の中心的な、特に独自の様相は、基板間に導電性かつ光学的に透過な接続層を作製するために透明かつ導電性の酸化物を利用することである。上記の接続は、特にウェハボンディングにより、有利には直接接合法により、さらに有利にはプラズマ活性を伴う直接接合法によって作製される。 A central and particularly unique aspect of the present invention is the utilization of transparent and conductive oxides to create conductive and optically transparent connecting layers between substrates. The connections are made in particular by wafer bonding, preferably by a direct bonding method, more preferably by a plasma-activated direct bonding method.
（英語では"Transparent Conductive Oxid"または略して"ＴＣＯ"とも称される）透明酸化物導電体として、特に（英語："Indium-tin-oxid"または略して"ＩＴＯ"とも称される）酸化インジウムすずが使用される。ここでは以下、酸化インジウムすずに略称ＩＴＯを使用する。ＩＴＯは、光学的に透過な導電体が使用されるＬＣＤディスプレイの製造において広く使用されている。択一的には以下の材料が使用される。すなわち、
・ ドーピングされた酸化亜鉛、特にアルミニウムがドーピングされた酸化亜鉛（英語："Aluminium doped Zinc Oxide"，略して"ＡＺＯ"）、ガリウムがドーピングされた酸化亜鉛（英語："Gallium doped Zinc Oxide"，略して"ＧＺＯ"），
・ フッ素がドーピングされた酸化亜鉛（英語："Fluorine Tin Oxide"、略して"ＦＴＯ"）、および、
・ アンチモン酸化すず（英語："Antimony Tin Oxide"，略して"ＡＴＯ"）が使用される。基本的には、酸化可能であり、かつ、特に所望の特性、特に導電性および光学的な透過性を備えた、対応するドーピングを有する任意の材料を使用することができる。
As transparent oxide conductors (also called "Transparent Conductive Oxid" or "TCO" for short in English), in particular indium oxide (also called "Indium-tin-oxid" or "ITO" for short) Tin is used. In the following, the abbreviation ITO is used for indium tin oxide. ITO is widely used in the manufacture of LCD displays where optically transparent conductors are used. Alternatively the following materials are used: i.e.
- Doped zinc oxide, especially aluminum doped zinc oxide (English: "Aluminium doped Zinc Oxide", abbreviated "AZO"), Gallium doped Zinc Oxide (English: "Gallium doped Zinc Oxide", abbreviated "GZO"),
Fluorine-doped zinc oxide (English: "Fluorine Tin Oxide", abbreviated "FTO"), and
・ Antimony Tin Oxide (English: "Antimony Tin Oxide", abbreviated as "ATO") is used. Basically any material can be used which is oxidizable and which has a corresponding doping, in particular with the desired properties, in particular electrical conductivity and optical transparency.
本発明では、この関連において、材料が１０ｅ１ Ｓ／ｃｍよりも大きい、有利には１０ｅ２ Ｓ／ｃｍよりも大きい、さらに有利には１０ｅ３ Ｓ／ｃｍより大きい（３００Ｋの温度について半導体技術において一般的である４探針法によって測定した）導電率を有する場合に、導電性があるという。一般的な使用において層を通過する所定の波長領域の光のパーセンテージとして定義される光学的な透過度（透過率）は、一般的に使用される厚さの薄膜を通して、少なくとも８０％よりも大きく、好適には８７％よりも大きく、さらに好適には９３％よりも大きく、さらに一層好適には９６％よりも大きくなる。 According to the invention, in this connection the material has a strength of more than 10e1 S/cm, preferably more than 10e2 S/cm, more preferably more than 10e3 S/cm (common in semiconductor technology for a temperature of 300 K). It is said to be conductive if it has electrical conductivity (measured by some four-probe method). The optical transmission (transmittance), defined as the percentage of light in a given wavelength range that passes through a layer in typical use, is at least greater than 80% through films of commonly used thicknesses. , preferably greater than 87%, more preferably greater than 93%, even more preferably greater than 96%.
本発明では、３００ｎｍ～１８００ｎｍに及ぶ波長領域が有利にも光起電力応用に使用される。すなわち、関連する波長領域はいずれにせよ、人間の眼に見える波長領域よりも広いのである。これによって保証しようとしているのは、光のＵＶ成分および光のＩＲ成分も電気エネルギに変換できることである。多層太陽電池では、最も上の層はすでにこのスペクトルの一部分を処理し、ひいては電気エネルギに変換するため、上記のボンディング接続部が、透過が可能になる波長領域がやや狭い場合であってもこれを受け入れることができる。したがって特に上記の透過値は、少なくとも、６００ｎｍよりも長い、好適には５００ｎｍよりも長い、さらに好適には４００ｎｍよりも長い、最も好適には３５０ｎｍよりも長い波長に当てはまるようにする。さらにこれらの透過値は特に、最小波長から出発して、最大で１３００ｎｍまでの、好適には最大１５００ｎｍまでの、さらに好適には最大１７００ｎｍまでの、最も好適には最大１８００ｎｍまでの全体波長領域に当てはまるようにする。 In the present invention, the wavelength range extending from 300 nm to 1800 nm is advantageously used for photovoltaic applications. That is, the relevant wavelength range is in any case wider than the wavelength range visible to the human eye. What this intends to ensure is that the UV component of the light and also the IR component of the light can be converted into electrical energy. In a multi-layer solar cell, the topmost layer already processes a portion of this spectrum and thus converts it into electrical energy, so that the above-mentioned bonding connections are effective even if the wavelength range in which transmission is possible is rather narrow. can accept. In particular, therefore, the above transmission values apply at least to wavelengths longer than 600 nm, preferably longer than 500 nm, more preferably longer than 400 nm and most preferably longer than 350 nm. Furthermore, these transmission values are in particular, starting from the minimum wavelength, over the entire wavelength range up to 1300 nm, preferably up to 1500 nm, more preferably up to 1700 nm, most preferably up to 1800 nm. make it applicable.
上記の酸化物は、本発明では特に以下の方法を用いて、接続すべき基板上に被着される。すなわち、
・ ＭＯ ＣＶＤ，有機金属分子線デポジット、
・ 噴霧熱分解、パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）または
・ スパッタリング
を用いて被着されるのである。
The oxides mentioned above are applied according to the invention on the substrates to be connected, in particular using the following method. i.e.
・ MO CVD, organometallic molecular beam deposition,
• It is deposited using spray pyrolysis, pulsed laser deposition (PLD) or • sputtering.
層の所望の特性を保証するため、本発明においてクリティカルであるのは、正確な混合比を保証することである。特に酸素の割合は、上記の酸化物のいくつかにおいて光学的な透過率を改善することができ、この際に保証しなければならないのは、酸素の割合が高くなり過ぎないようにすることである。なぜならばそうでないと、導電率が低下してしまうからである。 In order to guarantee the desired properties of the layer, it is critical in the present invention to guarantee the correct mixing ratio. In particular, the oxygen proportion can improve the optical transmission in some of the oxides mentioned, with the requirement that the oxygen proportion not be too high. be. This is because otherwise the conductivity will decrease.
一般的にはボンディング接続部（接続層、ボンディング境界面とも称される）が作製され、ここでこれは、ボンディングすべき基板上に前駆体層構造体をデポジットすることによって行われる。引き続いて特に室温において、層をプラズマ活性化して接合し、これによってプリボンディング（一時的なボンディング）が得られる。これに続く熱処理プロセス（アニーリング）中、前駆体層構造体が、透明酸化物導電体からなる層に変換され、同時に上記のボンディング接続部が強化される。特に有利にも少なくとも表面領域に存在する非晶質層は、ボンディングプロセスに作用し得る。対応する力を加えることにより、表面近傍の領域を成形することができ、この成形により、マイクロおよび／またはナノポアの最適な閉鎖が保証される。 Bonding connections (connection layers, also called bonding interfaces) are generally produced, where this is done by depositing a precursor layer structure on the substrates to be bonded. Subsequently, especially at room temperature, the layers are plasma-activated and bonded, whereby a prebond (temporary bond) is obtained. During a subsequent heat treatment process (annealing), the precursor layer structure is transformed into a layer of transparent oxide conductor and at the same time the bonding connection is strengthened. An amorphous layer, which is particularly advantageously present at least in the surface region, can influence the bonding process. By applying a corresponding force, the near-surface region can be shaped, which ensures optimal closure of the micro- and/or nanopores.
フォーミングガスを使用する際には特に、スパッタリングおよび酸化物還元に基づく１つのプロセスによって酸化物層を本発明にしたがって変化させ、特に完全に除去することできる。 In particular when using a forming gas, the oxide layer can be changed according to the invention, in particular completely removed, by a process based on sputtering and oxide reduction.
この手段とは択一的にまたは付加的に、本発明において有利であるのは、酸化物層の変化と、接触接続との間の時間を最短化することであり、特に２時間未満、有利には３０分未満、さらに有利には１５分未満、理想的には５分未満に最短化する。これにより、酸化物層を所期のように調整した後に発生する、不所望かつ変化性の酸化物成長を最小化することができる。 Alternatively or additionally to this measure, it is advantageous according to the invention to minimize the time between the change of the oxide layer and the contact connection, in particular less than 2 hours, preferably is minimized to less than 30 minutes, more advantageously less than 15 minutes and ideally less than 5 minutes. This can minimize unwanted and variable oxide growth that occurs after the oxide layer has been purposefully conditioned.
真空チャンバにおいて所定の圧力を設定することにより、プラズマイオンに対する平均自由経路長の変更ないしは調整を本発明によって行うことができる。 By setting a predetermined pressure in the vacuum chamber, the mean free path length for plasma ions can be changed or adjusted according to the present invention.
容量結合の場合、２つの電極をプラズマチャンバ内に配置すると有利である。 In the case of capacitive coupling, it is advantageous to arrange the two electrodes inside the plasma chamber.
ここでは、２つの電極の（種々異なる）周波数、振幅、一方の、特に有利には第２の電極に加わるバイアス電圧だけ、および、チャンバ圧力のパラメタを設定することにより、２つのコンタクト面の最適な衝突が行われる。 Here, the optimization of the two contact surfaces by setting the parameters of the (different) frequencies, the amplitudes of the two electrodes, the bias voltage applied only to one, particularly preferably the second electrode, and the chamber pressure. collision occurs.
容量結合の２重周波数プラズマ設備として上記プラズマ活性装置を構成することによって好適にも、イオン密度およびウェハ表面に向かうイオンの加速度を別々に設定することができる。これによって１つの幅の広い窓内で、達成可能なプロセス結果を設定し、応用の要求に最適に適合させることができる。 By configuring the plasma activation system as a capacitively coupled dual frequency plasma installation, the ion density and the acceleration of the ions towards the wafer surface can advantageously be set separately. Within one broad window, this allows the achievable process results to be set and optimally adapted to the requirements of the application.
上記のバイアス電圧は特に、第２の、殊に下側の電極の基礎電圧の形態で、第２電極上に収容される基板の接触接続面への電極の衝突（速度）に影響を及ぼすため、特に減衰または加速するために使用される。 Said bias voltage, in particular in the form of the base voltage of the second, in particular the lower electrode, in order to influence the impingement (velocity) of the electrode on the contact surface of the substrate accommodated on the second electrode. , especially used for damping or accelerating.
上記のパラメタにより、特に非晶質層の品質が調整可能であり、以下では特に有利な実施形態を説明する。 By means of the above parameters, in particular the quality of the amorphous layer can be adjusted, a particularly advantageous embodiment being described below.
誘導結合のプラズマ源において、容量結合の交流電圧についての対応する類似の考察を、磁場を形成するために利用される複数の交流電流に取り入れることができる。本発明では、誘導結合のプラズマ源のプラズマを、異なる強度および／または周波数の交流電流ないしは交番磁場によって操作して、このプラズマが、対応する本発明の特性を有するようにすることも考えられる。 Corresponding analogous considerations for capacitively coupled AC voltages in inductively coupled plasma sources can be incorporated into the multiple AC currents utilized to form the magnetic field. The present invention also contemplates manipulating the plasma of an inductively coupled plasma source with alternating currents or alternating magnetic fields of different intensities and/or frequencies so that the plasma has the corresponding inventive properties.
リモートプラズマでは、実際に使用されるプラズマは、外部のプラズマ源において形成され、試料室に導入される。特にこのプラズマの成分、特にイオンはこの試料室に搬送される。プラズマ源から基板室に至るプラズマの移行は、スルースゲート、加速器、磁気および／または電子レンズ、絞りなどのような種々異なる部材によって保証することができる。電場および／または磁場の周波数および／または強度についての、容量および／または誘導結合式プラズマに当てはまるすべての考察は、形成および／またはプラズマ源から基板チャンバへのプラズマの移行を保証するすべての部材に対して当てはまるはずである。例えば、本発明のパラメタによる容量または誘導結合によってプラズマ源室においてプラズマが形成され、その後、上で示した部材を介して基板室に進入することが考えられる。 In remote plasma, the plasma actually used is formed in an external plasma source and introduced into the sample chamber. In particular, constituents of this plasma, especially ions, are transported into this sample chamber. Plasma transfer from the plasma source to the substrate chamber can be ensured by different elements such as sluice gates, accelerators, magnetic and/or electron lenses, diaphragms and the like. All considerations applicable to capacitively and/or inductively coupled plasmas, regarding the frequency and/or strength of the electric and/or magnetic field, apply to all elements that ensure the formation and/or transfer of the plasma from the plasma source to the substrate chamber. should apply to. For example, it is contemplated that a plasma may be formed in the plasma source chamber by capacitive or inductive coupling according to the parameters of the present invention and then enter the substrate chamber via the members indicated above.
本発明の別の有利な実施形態では、一般的には３００℃未満の、好適には２００℃未満の、より好適には１５０℃未満の、さらに好適には１００℃未満の温度において、最も好適には室温において、特に最大１２日、より有利には最大１日、さらにより有利には最大１時間、最も有利には最大１５分の間、非可逆的なボンディングの形成が行われるようにする。別の有利な熱処理法は、マイクロ波による誘電加熱である。 In another advantageous embodiment of the present invention, the preferably at room temperature for a maximum of 12 days, more preferably a maximum of 1 day, even more preferably a maximum of 1 hour, most preferably a maximum of 15 minutes. . Another advantageous heat treatment method is microwave dielectric heating.
ここで特に有利であるのは、この非可逆的なボンディングが、１．５Ｊ／ｍ2よりも大きい、特に２Ｊ／ｍ2よりも大きい、有利には２．５Ｊ／ｍ2よりも大きい接合強度を有する場合である。 It is particularly advantageous here that this irreversible bond has a bond strength of greater than 1.5 J/m 2 , in particular greater than 2 J/m 2 , preferably greater than 2.5 J/m 2 is the case with
光起電力設備を用いた太陽エネルギの利用は、ますますその重要性を増している。なぜならば化石エネルギキャリアは、中期的にかろうじて足りている状態であり、さらに産出および利用において、特に温室効果への影響によって大きな環境問題になっているからである。純粋に経済的な見地から光起電力の競争力を高めるために必要なのは、同じコストまたは最大でもほどほどのコスト上昇で、光の変換効率を改善することである。しかしながら、達成可能な効率には限界がある。これらの限界は主に、個々の半導体材料により、限定された波長領域の光だけしか処理されず、電気エネルギに変換することができないという制限に起因している。 The utilization of solar energy with photovoltaic installations is gaining more and more importance. This is because fossil energy carriers are marginally sufficient in the medium term and also pose a major environmental problem in their production and utilization, particularly due to their impact on the greenhouse effect. What is needed to make photovoltaic more competitive from a purely economic standpoint is an improvement in light conversion efficiency at the same cost or at most a modest cost increase. However, there are limits to the efficiency that can be achieved. These limitations are primarily due to the fact that individual semiconductor materials only process light in a limited wavelength range and cannot convert it to electrical energy.
多層太陽電池、または、一層もしくは英語の表現において広く知られている「マルチジャンクションソーラセル」を製造するために本発明を使用することは特に有利である。 It is particularly advantageous to use the invention for producing multi-layer solar cells, or "multi-junction solar cells" as they are commonly known in the single-layer or English expression.
ここでは個々の層は、太陽電池において垂直方向に上下に積層される。入射光はまず、所定の第１波長領域の光を電気エネルギに変換するように最適化された最も上の層に当たる。この層では十分に処理することができない波長領域の光は、この第１層を貫通して、その下にありかつ第２波長領域を処理して電気エネルギを形成するように最適化された第２層に当たる。オプションでは、この多層太陽電池において、この第２層でも十分に処理できない波長領域の光が、その下にある第３層に当たるようにすることが可能であり、ここでこの第３層は、第３波長の光を処理して電気エネルギに変換するように最適化されている。純粋に理論的に見ると、多数のこのような層が可能であることを想像することができる。実践的にはこのような電池は、入射光が最初に進入する最も上の層が、波長の最も短いる波長領域を処理するように構成される。第２層は、つぎに短い波長領域を処理する等々である。本発明では、２層の構造だけが考えられるのではなく、３つまたはそれ以上の層を具現化することができる。その際には複数の層は、垂直方向に導電性を有し、すなわち、可能な限りに抵抗が小さく、かつ、光学的に透過に互いに接続されるようにする。これらの層のデポジットは、特にいわゆる"Metalorganic Chemical Vapor Deposition"，略して"ＭＯ ＣＶＤ"プロセスによって行われ、多重セルの２つの活性層のデポジットは、特に"in-situ"で行われる。すなわち、これらの基板が、複数のデポジットプロセス間に、通常の周囲雰囲気に曝されることなくデポジットされるのである。好適には複数の活性層間に障壁層（第２または第４の酸化物層）および／またはバッファ層（第２または第４の酸化物層）を入れ、これらの層によって、結果的に得られるセルの品質を改善する。 Here the individual layers are stacked vertically one above the other in the solar cell. Incident light first hits the topmost layer which is optimized to convert light in a predetermined first wavelength region into electrical energy. Light in wavelength regions that cannot be adequately processed by this layer passes through this first layer through an underlying second wavelength region optimized to process a second wavelength region to form electrical energy. It hits 2 layers. Optionally, in the multilayer solar cell, light in the wavelength range not well processed by the second layer can be directed to an underlying third layer, where the third layer It is optimized to process and convert three wavelengths of light into electrical energy. From a purely theoretical point of view, one can imagine that many such layers are possible. In practice, such cells are constructed so that the topmost layer, where the incident light enters first, handles the shortest wavelength region of the wavelengths. The second layer processes the next shorter wavelength region and so on. The present invention contemplates not only a two-layer structure, but three or more layers can be embodied. The layers are to be electrically conductive in the vertical direction, ie to be connected to one another in an optically transparent manner with the lowest possible resistance. The deposition of these layers takes place in particular by means of the so-called "Metalorganic Chemical Vapor Deposition", abbreviated "MO CVD" process, and the deposition of the two active layers of the multicell in particular "in-situ". That is, the substrates are deposited without being exposed to the normal ambient atmosphere during multiple deposition processes. A barrier layer (second or fourth oxide layer) and/or a buffer layer (second or fourth oxide layer) are preferably interposed between the active layers, these layers resulting in Improve cell quality.
ここまで、および／または、これに続く図面の説明において、装置の複数の特徴的構成が開示されているが、これらは、方法の特徴としても開示されておりかつ当てはまり、またその逆も成り立つはずである。 So far, and/or in the description of the drawings that follow, device features are disclosed, which should also be disclosed and apply as method features, and vice versa. is.
本発明の別の利点、特徴的構成および詳細は、複数の図面に基づくならびに有利な実施例の以下の説明から得られる。 Further advantages, features and details of the invention can be derived from the following description of preferred embodiments on the basis of several drawings.
これらの図において本発明の利点および特徴的構成は、本発明の複数の実施形態にしたがい、それぞれ識別的な参照符号によって特徴付けられている。同じ機能または同じ作用を及ぼす機能を備えたコンポーネントないしは特徴は、同じ参照符号で特徴付けられている。 In these figures, advantages and features of the invention, according to several embodiments of the invention, are each characterized by a distinctive reference numeral. Components or features with the same function or with the same effect are characterized by the same reference numerals.
図２に示した第１実施形態において、プラズマチャンバ４およびボンディングチャンバ５はモジュールグループ３の独立した２つのモジュールであり、これらのモジュールは、真空化可能な、作業チャンバ７によって定められる作業空間２２に特に気密に接続されている。作業チャンバ７は、特にソフトウェアに支援された制御装置によって制御されて、高真空に真空化することができる。作業チャンバ７内では、特に搬送のために設けられたロボット６が、貯蔵モジュール８と、プラズマチャンバ４と、ボンディングチャンバ５との間で基板１を搬送する。
In the first embodiment shown in FIG. 2, the
本発明の第２実施形態では、プラズマチャンバ４およびボンディングチャンバ５は、ただ1つのモジュールに、すなわちボンディングプラズマチャンバ２０にまとめられている。ロボット６は、貯蔵部８からボンディングプラズマチャンバ２０に基板１を搬送する。
In a second embodiment of the invention,
本発明の第３実施形態では、モジュールグループ３の１つまたは複数のプラズマモジュール４またはボンディングモジュール５またはボンディングプラズマモジュール２０が、作業チャンバ７に取り付けられ、かつ、この作業チャンバを構成しており、特に一緒に作業空間２２を構成している。ロボット６は、貯蔵部８からプラズマモジュール４および／またはボンディングモジュール５および／またはボンディングプラズマモジュール２０に基板１を搬送し、特にこれらの間でも基板１を搬送する。ここでは、本発明により、複数のプラズマモジュール４および／または複数のボンディングモジュール５および／または複数のボンディングプラズマモジュール２０が使用されるため、比較的高いスループットが得られる。この過程は制御装置によって制御される。
In a third embodiment of the invention, one or
本発明の第１プロセスにおいて、ボンディング面１ｏ上に形成された酸化物層２（図１ａ）を有する基板１は、ロボット６によって貯蔵部８から取り出される。
In a first process of the invention, a
基板１は、移動式試料ホルダに取り付けることができ、これによってプラズマモジュール４および／またはボンディングモジュール５および／またはボンディングプラズマモジュール２０間で相互に搬送することができる。しかしながら基板１の搬送は、移動式試料ホルダがなくても可能である。この場合に基板１は試料ホルダ１５に載置され、この試料ホルダはすでに、プラズマモジュール４および／またはボンディングモジュール５および／またはボンディングプラズマモジュール２０にあり、特にそこに固定に組み込まれている。
The
ロボット６はまず、プラズマモジュール４に基板１を搬送する。プラズマモジュール４は、特に上側の周囲に分散された複数の開口部を有するガス供給部１１と、特に下側の周囲に分散された複数の開口部を有する排気部１２とを有する。ガス供給部１１を介し、還元ガスを有する本発明のガス混合物がプラズマチャンバ４に導入される。
The
引き続いてプラズマの点火および／または維持は、下側電極９と上側電極１０との間で行われる。基板１は好適には電極上に直接載置される。基板１を試料ホルダ１５に載置する場合、試料ホルダ１５は本発明では電極９として形成しなければならない。
A plasma is subsequently ignited and/or maintained between the
還元生成物は、好適には排気部１２を介し、特に連続してプラズマチャンバ４から除去される。これにより、プラズマモジュール４において、本発明による酸化物層２の複数の加工のうちの１つが行われる。
The reduction products are removed from the
本発明の第１変形形態では、酸化物層２は、プラズマ１３によって酸化物層２’に変化し、この酸化物層２’は、酸化物層２とは化学量論比が異なるのが特徴である（図１ｂ）。この異なる化学量論比は、酸化物をデポジットする際にすでに、酸素欠乏によって作製することができる。そうでなければ、プロセスパラメタを所期のように選択することにより、化学量論比をプラズマによって設定し、かつ／または、少なくとも変化させることができる。
In a first variant of the invention, the
第２変形形態では、出発状態層厚ｄを有する酸化物層２が、プラズマ１３内の還元性ガスにより、最終状態層厚さｄ’を有する酸化物層２''まで薄くされる（図１ｃ）。
In a second variant, the
第３変形形態では、酸化物層２が完全に除去される（図１ｄ）。
In a third variant, the
酸化物２，２’，２''の状態の制御は好適には、照射源１８および検出器１９を有する照射源検出器システムによって行われ、この照射源検出システムにより、酸化物層２，２’，２''の表面２ｏを好適にはin-situで検査することができる。照射源１８および／または検出器１９は、プラズマチャンバ４の内部および／または外部に設けることができる。これらが外部に設けられる場合、これらは好適にはフランジ１７を介してプラズマチャンバ４に真空気密に接続される。照射源検出器システムとしては、酸化物層２，２’，２''の状態についてのデータを得るのに適した任意の公知の物理的な測定原理を使用することができる。これに属するのは、厚さ、多孔率、したがって酸化物層２，２’，２''の密度および反射率である。
The control of the state of the
有利には楕円偏光計または回折計を使用し、特別なケースでは反射率計を使用する。 Advantageously an ellipsometer or a diffractometer is used, in special cases a reflectometer.
このように加工した第１基板１は、特に作業空間２２内に配置された（図示しない）貯蔵部に貯蔵される。
The
特にボンディング面も本発明のプロセスによって同様に加工される本発明の第２基板１４は、準備された第１基板１と共にまたはこれに対してボンディングチャンバ５に搬送される。ボンディングチャンバ５では、第１基板１のボンディング面と、第２基板１４のボンディング面との間のボンディングプロセスが実行される。ボンダは当業者には公知である。このような装置がどのように組み立てられているか、どのように試料ホルダ１５および／または圧力プレート１６が構成されているか、２つの基板を互いにどのように接近させるか、２つの基板１，１４をボンディングするためにどのように力を加えるか、排気部２１を介してどのようにボンディングチャンバ５の真空化を行うかは当業者には公知である。試料ホルダ１５は、静電式試料ホルダおよび／または加熱式試料ホルダおよび／または冷却式試料ホルダとして構成することができる。有利にはプラズマチャンバ４からの搬送のために試料ホルダ１５を使用する。試料ホルダ１５は有利には、試料ホルダ１５における基板１の良好な熱膨張を保証するため、静電式試料ホルダとする。機械式のクランプまたは真空によるクランプでは、静電式試料ホルダ１５と同程度の基板１の自由な熱膨張は可能にならない。極めて有利な実施形態において、試料ホルダ１５は、前面および／または後面からＨｅで洗い流され、特に試料ホルダ１５に組み込まれた洗浄装置によって洗い流され、これによって熱結合が保証されるかまたはこれが改善される。
A
ボンディングプロセスが成功した後、ロボット６は、２つの基板１，１４からボンディングによって形成されたボンディング積層体を取り出し、好適には貯蔵部８にこれを貯蔵する。
After a successful bonding process, the
１ 基板、 １ｏ 基板表面、 ２，２’，２'' 酸化物層、 ２ｏ 酸化物層表面、 ３ モジュールグループ、 ４ プラズマチャンバ、 ５ ボンディングチャンバ、 ６ ロボット、 ７ 作業チャンバ、 ８ 貯蔵部、 ９ 下側電極、 １０ 上側電極、 １１ ガス供給部、 １２ 排気部、 １３ プラズマガス、 １４ 第２基板、 １５ 試料ホルダ、 １６ 圧力プレート、 １７ フランジ、 １８ 照射源、 １９ 検出器、 ２０ ボンディングプラズマチャンバ、 ２１ 排出部、 ２２ 作業空間、 ｄ，ｄ’ 酸化物層の厚さ
1 substrate
Claims (12)
当該装置は、
・ 周囲に対して気密に閉鎖可能でありかつ真空化可能な作業空間（２２）を有しており、
・ 前記作業空間（２２）には、
ａ） 複数の前記ボンディング面のうちの少なくとも１つを変化させる少なくとも１つのプラズマチャンバ（４）、および、複数の前記ボンディング面をボンディングする少なくとも１つのボンディングチャンバ（５）、および／または、
ｂ） 複数の前記ボンディング面のうちの少なくとも１つを変化させ、かつ、複数の前記ボンディング面をボンディングする少なくとも１つのコンビネーション型ボンディングプラズマチャンバ（２０）
が含まれている、
ことを特徴とする装置。 In an apparatus for forming a conductive direct bond between a bonding surface of a first substrate (1) and a bonding surface of a second substrate (14), comprising:
The device is
- has a working space (22) that can be hermetically closed to the surroundings and that can be evacuated,
- In the workspace (22),
a) at least one plasma chamber (4) for changing at least one of said plurality of bonding surfaces and at least one bonding chamber (5) for bonding said plurality of bonding surfaces, and/or
b) at least one combination bonding plasma chamber (20) for varying at least one of said plurality of bonding surfaces and bonding said plurality of bonding surfaces;
It is included,
A device characterized by:
請求項１に記載の装置。 a module group from a storage (8) for substrates, in particular hermetically connected to said workspace (22), for moving said first substrate and said second substrate in said workspace (22); having a moving device (6) that moves to the plurality of modules of (3);
A device according to claim 1 .
請求項１または２に記載の装置。 said plasma chamber (4) or said bonding plasma chamber (20) can be supplied with a reducing gas that modifies an oxide layer (2) provided on at least one of said plurality of bonding surfaces;
3. Apparatus according to claim 1 or 2.
前記上側電極（１０）と前記下側電極（９）との間に、１０００ｅＶ未満の、特に５００ｅＶ未満の、有利には２５０ｅＶ未満の、基板表面に衝突するイオンのイオンエネルギを印加可能である、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の装置。 The plasma chamber (4) or the bonding plasma chamber (20) has an upper electrode (10) capable of supplying an alternating voltage and a lower electrode (9) capable of supplying an alternating voltage,
between the upper electrode (10) and the lower electrode (9) an ion energy of less than 1000 eV, in particular less than 500 eV, preferably less than 250 eV, of the ions striking the substrate surface can be applied,
4. Apparatus according to any one of claims 1-3.
請求項４に記載の装置。 being able to supply the upper electrode (10) with an alternating voltage having a frequency higher than that of the alternating voltage applied to the lower electrode (9);
5. Apparatus according to claim 4.
請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。 in particular a radiation source detection system docked to or located in said workspace (22) and detecting a state or state change of the bonding layer during said change,
6. Apparatus according to any one of claims 1-5.
ａ） プラズマチャンバ（４）において複数の前記ボンディング面のうちの少なくとも１つを変化させ、引き続いてボンディングチャンバ（５）内で前記第２基板（１４）の前記ボンディング面とボンディングし、かつ／または、
ｂ） 複数の前記ボンディング面のうちの少なくとも１つをボンディングプラズマチャンバ（２０）内で変化させ、引き続いて当該ボンディングプラズマチャンバ（２０）内で前記第２基板（１４）の前記ボンディング面とボンディングする、
ことを特徴とする方法。 between the bonding surface of the first substrate (1) and the bonding surface of the second substrate (14) in a working space (22) which can be hermetically closed to the surroundings and which can be evacuated; In a method of forming an electrically conductive direct bond,
a) changing at least one of said bonding surfaces in a plasma chamber (4) followed by bonding with said bonding surface of said second substrate (14) in a bonding chamber (5); and/or ,
b) changing at least one of said bonding surfaces in a bonding plasma chamber (20) and subsequently bonding with said bonding surface of said second substrate (14) in said bonding plasma chamber (20); ,
A method characterized by:
ｂ） 複数の前記ボンディング面のうちの少なくとも１つのボンディング面の酸化物層（２）の一部分を少なくとも部分的に、特に完全に取り去ることにより、
前記変化を行う、
請求項７に記載の方法。 a) altering the oxide layer (2) on at least one of said bonding surfaces and/or
b) by at least partially, in particular completely removing a portion of the oxide layer (2) of at least one of said bonding surfaces,
making said change;
8. The method of claim 7.
・ 水素、
・ 窒素酸化物、
・ 一酸化炭素、
・ メタン
を導入する、
請求項７または８に記載の方法。 For said transformation, one or more of the following reducing gases are introduced into said plasma chamber (4):
・ Hydrogen,
- Nitrogen oxides,
· Carbon monoxide,
introducing methane,
9. A method according to claim 7 or 8.
・ キセノン、
・ アルゴン、
・ ヘリウム、
・ 窒素、
・ 二酸化炭素
を混合する、
請求項９に記載の方法。 mixing said reducing gas with one or more of the following inert gases:
xenon,
· Argon,
- Helium,
· nitrogen,
mixing carbon dioxide,
10. The method of claim 9.
当該イオンエネルギは、前記プラズマチャンバ（４）および／または前記ボンディングプラズマチャンバ（２０）の上側電極（１０）と下側電極（９）との間に印加される、
請求項７から１０までのいずれか１項に記載の方法。 supplying the bonding layer with an ion energy of less than 1000 eV, in particular less than 500 eV, preferably less than 250 eV;
the ion energy is applied between an upper electrode (10) and a lower electrode (9) of the plasma chamber (4) and/or the bonding plasma chamber (20);
A method according to any one of claims 7-10.
請求項１１に記載の方法。 supplying an alternating voltage to the upper electrode (10) having a frequency higher than that of the alternating voltage applied to the lower electrode (9);
12. The method of claim 11.
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