特許 6590961 接触面の少なくとも一方において、接触面の一方に施与された犠牲層を溶解させながら金属接触面を接合する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6590961

(24)【登録日】2019年9月27日

(45)【発行日】2019年10月16日

(54)【発明の名称】接触面の少なくとも一方において、接触面の一方に施与された犠牲層を溶解させながら金属接触面を接合する方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20191007BHJP

   H01L 21/02 20060101ALI20191007BHJP

   B23K 20/00 20060101ALI20191007BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 311Q

   H01L21/02 B

   B23K20/00 310L

【請求項の数】8

【外国語出願】

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-8675(P2018-8675)

(22)【出願日】2018年1月23日

(62)【分割の表示】特願2016-522292(P2016-522292)の分割

【原出願日】2013年7月5日

(65)【公開番号】特開2018-85535(P2018-85535A)

(43)【公開日】2018年5月31日

【審査請求日】2018年2月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】508333169

【氏名又は名称】エーファウ・グループ・エー・タルナー・ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ベアンハート レープハン

【審査官】 堀江 義隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１２９５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１９７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２５１４０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｂ２３Ｋ ２０／００

Ｈ０１Ｌ ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１基板（１、１'）の部分的に金属製の第１接触面と、第２基板の部分的に金属製の第２接触面との接合方法において、以下の経過：
‐固体の極薄い犠牲層を、前記接触面の少なくとも一方に堆積する工程、
‐前記犠牲層を洗浄する工程、
‐液体の極薄い犠牲層を、前記固体の犠牲層に堆積する工程、
‐前記基板（１、１'）を接合する工程
を有し、前記犠牲層が、接合工程の間に、基板を取り囲んでいる材料内で拡散またはインターフェース上で消費される、接合方法。

【請求項2】

１０００ｎｍ未満の厚さを有する前記犠牲層を堆積する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記犠牲層が少なくとも主に以下の材料の少なくとも一つからなる、請求項１または２に記載の方法：
‐金属である、
Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｔｅ、Ｓｎおよび／またはＺｎ、
‐合金、
‐半導体（相応するドープを有する）である、
元素半導体である、
Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂおよび／またはα‐Ｓｎ、
化合物半導体である、
ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、Ｉｎ_ｘＧａ_１-ｘＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＰ、ＢｅＴｅ、ＺｎＯ、ＣｕｌｎＧａＳｅ_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および／またはＳｉＧｅ、
有機半導体である、
フラバントロン、ペリノン、Ａｌｑ３、ペリノン、テトラセン、キナクリドン、ペンタセン、フタロシアニン、ポリチオフェン、ＰＴＣＤＡ、ＭｅＰＴＣＤＩ、アクリドンおよび／またはインダンスレン、
‐液体である、
水、
アルコール、
アルデヒド、
ケトン、
エーテル、
酸、
塩基。

【請求項4】

前記基板（１、１'）の厚さに対する前記犠牲層の厚さの割合は、１未満である、請求項１〜３までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記接触面の少なくとも一方が、複数の接合領域（３、３'）からなり、かつ前記接合領域（３、３'）を取り囲んでいるバルク材料（５）が形成されている、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記接触面の少なくとも一方が、接合領域（３）全面に配置されている、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

研磨プロセスを使用し、その後、前記接触面を、前記犠牲層で覆う、請求項１〜６までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

前記犠牲層である液体を、凝縮によって施与する、請求項１〜７までのいずれか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１に記載の、第１基板の第１接触面と第２基板の第２接触面とを接合する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

数年前から、半導体産業において、いわゆるボンディング技術が使用されている。ボンディング技術は、二つ以上の、たいてい極めて正確に相互に配向された基板の接続を可能にする。この接続は、たいていの事例において永久的、すなわち不可逆的に行われる。不可逆的とは、接合過程後の双方の基板の分離が、もはや基板の破壊、または少なくとも基板の部分的な破壊なしには可能ではないことを意味する。基板の接続の場合、永久的な接続を引き起こす、異なる化学的および物理的メカニズムが存在することが判明している。特に興味深いのは、非金属表面である。非金属表面の場合、純粋接触により、いわゆる予備接合（Ｐｒｅｂｏｎｄ）の形成が生じる。

【0003】

これらの自然に形成される、可逆的な、表面効果を介して引き起こされる双方の基板の接続を、後に付加的な熱処理により引き起こされる実際の、もはや分離不可能な、すなわち不可逆的な本来の接合と区別をするために、予備接合と呼ぶ。しかしながら、このように形成された予備接合は、過小評価されるべきではない強度を特徴としている。このように相互に結合されたウェハは、永久的な接合のためになお高温で熱処理されなければならないにも関わらず、予備接合の強度は、２つの基板の次のプロセス工程までの固定に既に十分である。予備接合は、２つの基板の事前固定に関し、中でも配向プロセス後に非常に有用な手段である。なぜなら双方の基板は、配向プロセス後、もはや相互に移動してはならないからである。予備接合は、主として、永久双極子（ｐｅｒｍａｎｅｎｔｅ Ｄｉｐｏｌｅ）および誘起双極子（ｉｎｄｕｚｉｅｒｔｅ Ｄｉｐｏｌｅ）により基板の表面上に存在しているファンデルワールス力に基づいているかもしれない。ファンデルワールス力は極めて弱いため、基板間に顕著な接着作用が生じるように、相応して大きな接触面が必要となる。未研磨固体表面は、相応して粗度が大きい場合、最適には接触しない。従って、純粋な固体接触の場合、予備接合は主として極めて平坦な、研磨された基板表面間で生じる。室温の場合、事情によっては基板表面間に既に散発的な共有結合もまた、それどころか基板の付加的な温度負荷および／または力負荷なしに生じうる。しかし、室温で形成された共有結合性化合物の数は、無視できるほどにわずかであるかもしれない。

【0004】

中でも液体の使用は、基板間の相応する接着力を高めることができるかもしれない。液体は、一方で基板の表面上の凸凹を均一にし、かつ有利には、それどころか永久双極子を自ら形成する。中でも非金属表面上で、顕著な予備接合能力（Ｐｒｏｂｅｎｆａｅｈｉｇｋｅｉｔ）が確認される。シリコン、セラミックのような半導体、ここでは中でも研磨され、かつ極めて平坦な酸化物や金属酸化物が、接触の場合に相応する特性を示す。

【0005】

非金属表面、つまり主として共有結合性を示す、例えばＳｉ、ＳｉＯ_２等の表面の場合、あらかじめ施与された液体膜は、熱処理中に発生した共有結合により、それどころか永久接合の強化に貢献することができる。非金属表面は、予備接合後に熱処理される。熱活性化は、表面間に共有結合を形成し、かつこのような不可逆的な結合を形成する。したがって単結晶の、高精度にカットされ、かつ研磨されたシリコンウェハは、中でもシリコン原子間の共有結合性化合物の形成により、相互に溶接される。一方のシリコンウェハ上に酸化シリコンが存在する場合、主として共有結合しているシリコン対酸化物結合および／または酸化物対酸化物結合の形成が行われる。極めて薄い液体層の使用、たいてい水の使用は、表面間の共有結合形成を引き起こすか、または少なくとも改善することが明らかになった。その際液体層は、数ナノメートルの厚さにすぎないか、またはそれどころか液体の単分子層のみからなる。それゆえに液体層は、必ずしも予備接合特性のみを改善するのではなく、共有結合の形成にも決定的に貢献する。その理由は水にあり、主として相互に結合されるべき基板表面の原子間の結合原子として酸素が供給されることにある。水分子の水素と酸素との結合エネルギーは、導入されるエネルギーで破壊されるには、十分に小さいものである。その後、酸素に対する新たな反応相手として、中でも基板表面の原子が対象になる。しかしながら、液体の原子が基板表面の永久接合プロセスに直接関与するような過程を必ずしも必要としない表面が存在することを言及しなければならない。

【0006】

純粋な金属表面の場合、接合プロセスは完全に異なる。金属は、その金属結合特性により化学的かつ物理的に全く異なる挙動をとるため、完全に異なる接合ストラテジー（Ｂｏｎｄｓｔｒａｔｅｇｉｅ）を必要とする。金属は、中でも比較的高い温度で、かつたいてい極めて高い圧力で相互に接合される。高い温度は、表面および／または粒界および／または容積体（Ｖｏｌｕｍｅｎ）に沿って増大した拡散を生じる。原子の高められた移動度により、双方の表面の溶接に繋がる、異なる物理的および化学的な効果が生じる。つまり、このような金属接合の欠点は、そもそも双方の基板の結合を保証するために、極めて高い温度および圧力を使用することにある。しかし、事例の圧倒的な数においては、純粋な金属表面は見いだせない。雰囲気中ほとんど全ての金属（Ｐｔ、ＡｕおよびＡｇのような極めて不活性な金属を除く）は、酸化物層が極めて薄い場合でも、酸化物層で覆われている。この酸化物層は、極めて薄い酸化物層で覆われた金属表面間でも予備接合を形成するのに十分である。ただしこの酸化物層は、２つの金属を直接相互に結合、例えば２つの導電コンタクトを相互に結合しようとする場合には、反対に望まれていない。

【0007】

基板の熱処理は、相応して長い加熱時間および冷却時間を必要とする。それに加えて、高い温度は、例えばマイクロチップおよび中でもメモリーチップ内のような機能ユニット内での障害に繋がりうり、かつこれらを使用不能になるまで損傷しうる。

【0008】

また、相応する表面を有する基板は、実際の接合工程の前に相互に配向されなければならない。この一度行われる配向は、最終的、つまり永久的な接合プロセスまでは、もはや破壊されてならない。ただし、中でも高温の場合、一般的に異なる材料の異なる熱膨張係数およびそこから生じる熱ひずみに基づいて、基板の異なる部分のシフトが相互に生じる。最悪の場合には、双方の相互に結合されるべき基板は、異なる熱膨張係数を有する２つの異なる材料からなる。これらのシフトは、異なる材料の熱膨張係数差が大きくなればなるほど大きくなる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の課題は、材料の低温接合および／または低圧力接合のためにできる限り効率的な方法を示すことである。

【0010】

本発明の課題は、請求項１に記載の特徴により解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。明細書、請求の範囲および／または図面に記載された少なくとも２つの特徴を組み合わせることも本発明の枠内である。記載された数値範囲の場合、閾値として上記の限界内である値もまた、公開、かつ任意の組み合わせで請求されるべきである。

【0011】

本発明が基礎とする着想は、本発明による接合工程の間に、基板を取り囲んでいる材料内で溶解またはインターフェース上で消費される、少なくとも一つの極薄い犠牲層を、接合されるべき基板の接触面の少なくとも一方に堆積することである。本発明の更なる観点は、材料、特に少なくとも主に液体、有利には少なくとも主に水である材料を用いて、事前の湿潤プロセスによって金属表面の接合を、犠牲層として、特に基板間の予備接合を形成するために使用することである。上下に重ねられた複数の犠牲層の組み合わせ、とりわけ有利には、固体の犠牲層の堆積およびその上に堆積される液体の犠牲層も考えられる。従って一般に、複数の犠牲層を上下に設けることができる。

【0012】

原則的には、開示された発明が、必要条件を満たす全材料種に適しているにもかかわらず、中でも金属は、本発明による実施形態に適している。従って更なる開示において、本発明による実施形態を、金属表面で例示的に示す。

【0013】

基板は特にシリコンからなり、その際、基板上に一枚の、特に金属の、有利にはＣｕからなる接合層が、少なくとも接合領域に施与している。接合層が基板全体を覆わない限り、接合領域は、有利には、特に基板のバルク材料に囲まれており、かつ一緒になって特に平坦な接触面を形成する。

【0014】

本発明の更なる、特に独立した観点によれば、相互に接合されるべき接合領域は、一方で予備接合を形成することができ、他方で犠牲層の原子が予備接合後、接合領域の材料のできるだけわずかな熱処理の際に材料中に溶解される犠牲層でコーティングされる。その際材料層は、有利には、犠牲層の材料に関する溶解限度が、いずれの時点においても達成されない材料からなる。本発明によれば、犠牲層の材料は、完全には、接触面の少なくとも一方で、有利には双方の接触面の材料層中に溶解する。濃度は、有利には原子パーセント（ａｔ％）で記載されている。本発明によれば、犠牲層の材料の溶解度は、特に接触面の少なくとも一方の金属材料において０〜１０ａｔ％、有利には０〜１ａｔ％、より有利には０〜０．１ａｔ％、さらに有利には０〜０．０１ａｔ％、最も有利には０〜０．００１ａｔ％、最も好ましくは０〜０．０００１ａｔ％である。

【0015】

本発明によれば、犠牲層の厚さは、１０００ｎｍ未満、有利には１００ｎｍ未満、より有利には１０ｎｍ未満、最も有利には１ｎｍ未満である。基板の厚さに対する犠牲層の厚さの割合、特に基板の接合領域の割合は、１未満、有利には１０^−２未満、より有利には１０^−４未満、さらに有利には１０^−６未満、最も有利には１０^−８未満である。

【0016】

犠牲層は、接触面の少なくとも一方に、各任意の堆積法により施与することができる。できるだけ粗粒な、かつ／または少なくとも主に単結晶の犠牲層を形成する堆積法が好ましい。本発明によれば、特に考えられる堆積法は以下の通りである：
‐原子層堆積法、
‐電気化学堆積法、
‐物理的蒸着法（ＰＶＤ）、
‐化学的蒸着法（ＣＶＤ）、
‐気相蒸着法（Ｄａｍｐｆｐｈａｓｅｎａｂｓｃｈｅｉｄｕｎｇ）、例えば表面上の水蒸気からの水の直接堆積のような、凝縮および／または再昇華による、
‐プラズマ蒸着法、
‐湿式化学堆積法、
‐スパッタリングおよび／または
‐分子線エピキタシー法

【0017】

本発明によれば、犠牲層、特にＳｉを、インシチュで接合層、特にＣｕと共に基板上に施与すると有利である。これによって、接合層上での酸化物の形成は回避される。

【0018】

本発明によれば、犠牲層は、特に予備接合の形成に適し、かつ接触されるべき基板の少なくとも一方の接触面上の接合領域および／またはバルク領域において可溶性を有する材料からなる。犠牲層は、特に少なくとも部分的に、有利には主に、少なくとも以下の材料もしくは物質の１つからなる：
‐金属、特に
Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｔｅ、Ｓｎおよび／またはＺｎ、
‐合金、
‐半導体（相応するドープを有する）、特に
元素半導体、有利には
Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂおよび／またはα‐Ｓｎ、
化合物半導体、有利には
ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、Ｉｎ_ｘＧａ_１-ｘＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＰ、ＢｅＴｅ、ＺｎＯ、ＣｕｌｎＧａＳｅ_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および／またはＳｉＧｅ、
有機半導体、有利には、
フラバントロン、ペリノン、Ａｌｑ３、ペリノン、テトラセン、キナクリドン、ペンタセン、フタロシアニン、ポリチオフェン、ＰＴＣＤＡ、ＭｅＰＴＣＤＩ、アクリドンおよび／またはインダンスレン、
‐液体、特に
水、
アルコール、
アルデヒド、
ケトン、
エーテル、
酸、
塩基。

【0019】

本発明による第１の実施形態において、接合領域は、基板の接触面全体に延びる層である。接合領域の表面の粗さは、特に公知の方法により低減される。有利には、化学機械研磨プロセス（ＣＭＰ）が使用される。その後、全接合領域表面は、本発明による犠牲層で覆われる。犠牲層は、平均粗さ値が１μｍ未満、有利には５００ｎｍ未満、より有利には１００ｎｍ未満、さらに有利には１０ｎｍ未満、最も有利には１ｎｍ未満であるように施与するか、または施与後に処理される。

【0020】

本発明による第２の実施形態において、複数の、全接触面にわたって分配される接合領域が設けられている。接合領域は、特に基板の少なくとも一方の接触面を突出するトポグラフィーを形成する、つまり基板の表面より突出している。接合領域は、好ましくは任意のバルク材料に囲まれている。バルク材料の表面および接合領域表面は、特に共通の平面Ｅを形成する。導電性領域から構成される、非導電性領域に囲まれた表面は、ハイブリッド表面という名称でも公知である。非導電性領域は、誘電体からなり、かつ導電性領域を絶縁する。考えられる最も単純な実施形態は、誘電体より絶縁された電荷輸送用接触箇所だろう。これらのハイブリッド表面の接合により、基板間の導電性の接続を、接合される接触箇所を介して達成することができる。

【0021】

本発明によれば、犠牲層は、接触面全体にわたって、つまりバルク材料表面でも接合領域表面でも堆積される。局部の接合領域は、特に銅コネクター（英語：Ｃｕ ｐａｄｓ）、金属接続（英語：ｍｅｔａｌ ｊｏｉｎｔｓ）またはパッケージ用金属フレームである。Ｃｕパッドは、特に異なる層体系中の機能ユニット間の電気接続に役立つ。金属ジョイントは、特にＳｉ貫通電極（英語：ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｌｉｃｏｎ ｖｉａｓ、ＴＳＶｓ）であってよい。金属フレームは、例えばＭＥＭＳデバイス用マイクロパッケージであってよい。これらの機能ユニットは、わかりやすくするために図示していない。

【0022】

本発明による第三の実施形態において、複数の、全接触面にわたって分配された接合領域は、直接基板内に設けられており、その際、基板をまずエッチング技術により構造化し、その後、相応する接合領域材料で埋め、次に犠牲材料で覆う。

【0023】

本発明による接合工程において、２つの任意の層体系として形成された基板は、相互に接近し、その結果、接触面上に施与された犠牲層は相互に触れ合い、かつ予備接合を形成する。犠牲層表面の粗さは、化学的なかつ／または機械的な方法により大幅に低減することができ、有利には排除することができる。特定の層体系の場合、層体系の配向を相互に配向単位（英語：ａｌｉｇｎｅｒ）において予備接合の前に行うことができる。

【0024】

予備接合の前に犠牲層表面を、本発明によれば液体で、有利には水で湿潤することができる。有利には、施与された液体層は１００ｎｍより薄く、より有利には１０ｎｍより薄く、さらに有利には１ｎｍより薄く、最も有利には分子層のみである。親水性の表面の場合、基板を周囲雰囲気にさらすことで十分である。その後表面を、雰囲気からの水蒸気によって湿らす。

【0025】

本発明によれば、液体は、特に凝縮によって施与することができる。有利な実施形態において、コーティングされるべき基板は、有利には冷却状態で、加熱された空間において、蒸気飽和雰囲気で導入される。基板の低温により、液体はその表面で急激に凝縮する。

【0026】

本発明の一つの択一的な実施形態において、犠牲層の材料を、特に液体として、回転コーティングプロセス（Ｓｃｈｌｅｕｄｅｒｂｅｌａｃｋｕｎｇｓｐｒｏｚｅｓｓ）によって施与する。

【0027】

本発明のさらに択一的な実施形態において、犠牲層の材料を、特に液体として、基板の少なくとも一方の接触面への吹き付けコーティング装置（Ｓｐｒｕｅｈｂｅｌａｃｋｕｎｇｓａｎｌａｇｅ）により吹き付ける。

【0028】

特別な実施態様において、水は、基板がある反応チャンバ内へ蒸気圧飽和器（英語：Ｂｕｂｂｌｅｒ）により導入される。このために、例えばアルゴン、ヘリウム、窒素のような不活性ガスは、水浴により導入される。不活性ガスは水を蒸発の際にサポートし、かつ水蒸気との反応チャンバを飽和させる。水は基板の表面上に凝縮し、かつ極めて薄い水膜を形成する。基板の冷却により、水の凝縮をサポートすることができる。

【0029】

別の特別な実施形態において、水は単純な蒸発器で蒸発し、かつ基板の表面に送られる。バブラーとは対照的に、ここでは必ずしも不活性ガスで作業するのではなく、水の運動エネルギーを増加させ、ひいては蒸発を促進するために、水の温度を沸点にできるだけ近づける。反応チャンバの排気により、沸点はそれに応じて下がり、かつそれにより過程を最適化することができる。

【0030】

本発明による犠牲層を正確に堆積することのできる、特別な反応チャンバを構築することができるという考察から、それに応じて本発明による装置も、反応チャンバとし特許文献の更なる過程において記載されている。

【0031】

有利には、予備接合は接触面の接触点において開始され、全面にわたる接合波により伝播する。その際、双方の犠牲層表面の接触は、特に双方の基板の一方を曲げて形をゆがめるコンタクトピン（Ｐｉｎ）により形成することができ、そのことによりこの基板の接触面は、凹に変形し、かつ第２の、特に取り付け面上に平坦に載っている基板の犠牲層表面と接触する。

【0032】

予備接合の形成後、双方の結合した基板を熱処理する。熱処理はできるだけ低温で、理想的な場合には室温で行う。その際温度は５００℃未満、有利には４００℃未満、より有利には３００℃未満、さらに有利には２００℃未満、最も有利には１００℃未満、最も好ましくは５０℃未満である。

【0033】

本発明による極めて薄い犠牲層の構成により、犠牲層の原子の迅速な拡散は、特にもっぱら接合領域において可能である。本発明による拡散は、熱処理により加速され、かつ／または助長される。本発明によれば、有利には、犠牲層の原子は、完全に接合領域の材料中および／またはバルク材料中に溶解する。本発明によれば、接合領域の原子が、犠牲層の極めてわずかな厚さに基づいて前述の構成と技術的に同一と見られる犠牲層中に溶解する過程もまた考えられる。

【0034】

有利には、本発明による接合領域への犠牲層の原子の拡散過程の間、基板に圧力が加えられる。表面上への圧力は、特に０．０１〜１０ＭＰａ、有利には０．１〜８ＭＰａ、より有利には１〜５ＭＰａ、最も有利には１．５〜３ＭＰａである。これらの値は、２００ｍｍ基板に対して、約１〜３２０ｋＮで力が加えられたことに相当する。

【0035】

犠牲層の表面は、本発明による予備接合過程前に、不純物および／または少なくとも主に、有利には完全に酸化物を含むべきではない。特に、犠牲層が施与される材料から酸化物を、犠牲層が施与される前に除去する必要があるかもしれない。従って、本発明による予備接合過程前に、有利には犠牲層表面の洗浄が行われる。酸化物の除去は、当業者に公知の物理的なおよび／または化学的な方法により行うことができる。これには、排出物の相応する排出輸送を伴うガスおよび／または液体による化学的還元、スパッタリングおよび／またはプラズマおよび／またはＣＭＰおよび／または以下の方法のうち一つまたは複数による酸化物の機械的除去が挙げられる：
‐化学的酸化物除去、特に
ガス状還元剤、
液状還元剤、
‐物理的酸化物除去、特に
プラズマ、
イオンアシスト化学エッチング、
高速イオン衝撃（ＦＡＢ，スパッタリング）、
研削、
研磨。

【0036】

化学的酸化物除去とは、化学過程による酸化物の除去を意味する。化学過程とは、物質変換を意味する。この場合、酸化物は還元剤により気相および／または液相中で還元され、かつ還元剤は新しい化合物に応じて酸化する。酸化された還元剤、つまり反応生成物は、相応して排出される。一つの典型的な還元剤は、例えば水素である。

【0037】

物理的酸化物除去とは、物理的プロセスによる酸化物の除去を意味する。物理的プロセスの場合、物質変換ではなく、基板の表面から酸化物が純粋に機械的に除去される。最も頻繁に使用される物理的な還元技術は、プラズマ技術である。その際、相応する界によって基板の表面上に加速され、かつ相応する物理的酸化物除去を行うプラズマが形成される。スパッタリング技術の使用もまた考えられる。その際プラズマとは対照的に、統計的な多粒子系が反応チャンバ内で形成されるのではなく、イオンを予備室内（Ｖｏｒｋａｍｍｅｒ）で形成し、かつこれらを意図的に基板上に加速する。最後に、研削および研磨を酸化物除去プロセスとして挙げることができる。研削ツールもしくは研磨ツールにより、酸化物は徐々に除去される。研削および研磨は、中でもマイクロメートル範囲内の極めて厚い酸化物層を扱う場合に、前処理工程として適している。これらの方法は、ナノメートル範囲内の酸化物層の正確な除去にはあまり適していない。

【0038】

表面純度の検出は、接触角法を用いて極めて迅速、かつ簡単に行うことができる。非酸化物表面、中でも純銅がむしろ親水特性を有することは公知である。これは、中でも極めて小さな接触角により明らかになる。表面が酸化物に、特に銅が酸化銅に酸化する場合、表面特性はますます疎水性になる。測定される接触角は、相応して大きい。接触角の変化を時間の関数として、ひいては進行する酸化銅の厚さの関数として表現するために、水滴の接触角は規定された時間単位に従って、天然酸化銅の完全な酸化物除去の時点に基づいて測定された。接触角は時間の増加に伴って飽和値に近づく。この関係は、急速に成長する酸化銅による表面の電子構造の変化で説明できるかもしれない。ある程度の酸化銅層の厚さから、酸化銅の更なる増大は、表面の電子構造の変化にもはや決定的に寄与せず、このことは、接触角の対数減衰に反映される（図４参照）。

【0039】

このように発生する酸化物は、好ましくは犠牲層表面を有する接合領域表面および／またはバルク材料表面のコーティング前に、かつ／または犠牲層表面の接合前に、相互に除去される。その際ここで挙げた接触角法は、酸化物状態の迅速、正確かつコスト効率のよい評価に役立つ。前記評価は、複雑な化学的および／または物理的な分析機器を必要としない。接触角測定器を、表面の完全自動測定および特徴付けをする装置の相応するモジュール群に組み込むことができる。代替的な測定方法は、エリプソメトリーまたはすべての他の公知の光学的および／または電気的方法だろう。

【0040】

本発明による更なる実施形態において、接合領域表面間の接合過程は、犠牲層として水を用いて行われる。本発明による着想は、酸化物の接合領域表面を完全に洗浄し、かつ後続の、直接酸化物除去に続く工程において、接合領域表面の湿潤を水を用いて行うことであり、室温において接合領域表面間の予備接合を可能にする。その際湿潤は、既に述べたＰＶＤ、ＣＶＤ、回転コーティングプロセス、気相堆積法のような手段、または十分に高い湿度を有する雰囲気中で基板表面を晒すことにより行われ、有利には、それどころか水蒸気で飽和する。

【0041】

犠牲層の施与は、反応チャンバ内で行われる。有利には、反応チャンバを排気することができる。特に連続的な反応チャンバの排気は、雰囲気の適切な調節を可能するためにさらに有利である。有利には反応チャンバは、真空クラスターのモジュールの一部、より有利には低真空クラスターの一部、さらに有利には高真空クラスターの一部、最も有利には超高真空クラスターの一部である。反応チャンバ内の圧力は、１バール未満、有利には１０^-１ミリバール未満、より有利には１０^-３ミリバール未満、さらに有利には１０^-５ミリバール未満、最も有利には１０^-８ミリバール未満である。

【0042】

本発明のさらなる利点、特徴および詳細は、好ましい実施例の明細書、並びに図面に基づいてもたらされる。これらは、以下のように図中で示される：

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】全面にわたる接合領域を有する、本発明による第１の実施形態の側面図

【図2】複数の、局部の接合領域を有する、本発明による第２の実施形態の側面図

【図3】基板内に複数の、局部の接合領域を有する、本発明による第三の実施形態の側面図

【図4】液滴の端と銅／酸化銅の表面との間の接触角（英語：ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅ）の経験的測定値、時間（英語：ｔｉｍｅ）の関数として

【図5】装置を含有するクラスターシステムの概略的な平面図

【0044】

図面においては、同一または機能的に同一の構成部品は同一の図面番号で示されている。図面は、本発明による実施形態を概略的にのみ示し、かつ縮尺どおりには示していない。従って、中でも犠牲層、接合領域および基板の相対的な厚さは、基板の直径に対する上述した厚さの割合と同じように相互に不釣り合いである。

【0045】

図１は界面１ｏを有する第１基板、接合領域表面３ｏを有する接合領域３、並びに犠牲層表面４ｏを有する犠牲層４からなる層体系７を示す。接合領域３は、第１の実施形態の場合、基板１の全界面１ｏにわたり伸びている。この場合、接合領域表面３ｏは、第１基板１の第１接触面を形成する。接合領域３は、特に一体材料（すなわち同一材料からなる）および／またはモノリシックな第１基板１の構成要素であってよい。犠牲層４は、第１接触面全面に施与している。

【0046】

図２は、複数の、好ましくは規則的に界面１ｏにわたって分配された接合領域３’が、相応する接合領域表面３ｏ’で第１基板上に施与している層体系７’を示す。これにより、接合領域３’は、基板１の表面１ｏにわたってトポグラフィーを形成する。図示された、好ましい実施形態において、接合領域３’は、バルク材料５によって取り囲まれている。バルク材料は、任意の金属、非金属、セラミックスまたはポリマー、例えばレジストであってよい。しかしながら、有利にはセラミックス、特にＳｉ_３Ｎ_４またはＳｉ_ｘＯ_ｘＮ_ｘ、さらに有利には酸化物セラミックス、特にＳｉＯ_２が重要である。接合領域表面３’およびバルク材料表面５ｏは、共通の平面Ｅ、つまり第１接触面を形成する。接合領域表面３’およびバルク材料表面５ｏの平坦さ並びにそれらの共平面性は、第１接触面上の犠牲層４の最適な堆積を可能にする。

【0047】

図３は、界面１ｏ'を有する構造化された第１基板１’および複数の、好ましくは規則的に基板１’中に分配された接合領域表面３ｏ’を有する接合領域３’からなる層体系７''を示す。基板１は、エッチングにより構造化され、これにより基板１’内に空洞２（Ｋａｖｉｔａｅｔｅｎ）が形成された。そのように発生した空洞２は、接合領域３’用材料で、特にＰＶＤまたはＣＶＤプロセスで充填された。共通の平面Ｅにわたって堆積される接合領域３’の材料は、引き続き背面薄化プロセス（Ｒｕｅｃｋｄｕｅｎｎｐｒｏｚｅｓｓ）により除去される。考えられる平面Ｅまでの除去は，研削プロセス、研磨プロセス、化学機械研磨等だろう。材料で充填することにより接合領域３’、ひいては共同で接触面を形成する空洞２を有するそのように製造された基板１’は、引き続き本発明によれば接触面上に犠牲層４で覆われる。

【0048】

犠牲層４の堆積は、全ての本発明による実施形態に対して、犠牲層４用材料が必要な層厚を達成するまで堆積されるよう、行うことができる。第２の方法は、第１工程において犠牲層４を所望よりも厚く形成し、かつ犠牲層を第２工程、つまり背面薄化プロセスにおいて、所望の厚さに低減することである。この場合、研削プロセスおよび／または研磨プロセスおよび／または化学機械研磨の適用も考えられる。液体の犠牲層の場合、必要な層厚もまた、犠牲層を成長させることにより、連続的に構築することができる。そのように例えば、相応する空気湿度を有する雰囲気が形成される場合、どの平衡層厚（Ｇｌｅｉｃｈｇｅｗｉｃｈｔｓｓｃｈｉｃｈｔｄｉｃｋｅ）が第１基板の表面上に生じるのかを知る。温度、圧力および湿度の適切な制御により、良好な層厚を基板表面上に形成することができる。

【0049】

二つの層体系７、７'、７''が形成された後、これらは低温かつ／または低圧で接合領域に予備接合の形成下で相互に接合される。

【0050】

予備接合前に犠牲層表面４ｏを、液体で、有利には水で付加的に湿らすことができる。有利には、施与された水層は１００ｎｍよりも薄く、より有利には１０ｎｍよりも薄く、さらに有利には１ｎｍよりも薄く、最も有利には単層のみである。例えば、ＳｉＯ_２層およびその上に存在する水層からなる２層体系の使用が考えられる。ＳｉＯ_２層は、例えば約１．５ｎｍの厚さであり、ＳｉＯ_２層上の水層は、単独で雰囲気中の水分子の凝縮により形成される。

【0051】

接近プロセスの間および／または接近プロセスの前に、双方の基板７、７'、７''は、配向マーク（Ａｕｓｒｉｃｈｔｕｎｇｓｍａｒｋｅｎ）および／他の配向特性（Ａｕｓｒｉｃｈｔｕｎｇｓｍｅｒｋｍａｌｅ）を介してｘ方向および／またはｙ方向における平面Ｅに沿って配向することができる。双方の犠牲層４の相互接触は、有利には一点で、双方の基板１、１'の一方をコンタクトピンによって凸型に形状することにより行われる。双方の犠牲層表面４ｏの接触後、双方の犠牲層表面を予備接合により固定して相互に結合するボンディング波（Ｂｏｎｄｗｅｌｌｅ）が発生する。

【0052】

本発明による更なる方法工程において、熱処理および／または低温での接合工程が行われる。高められた温度および／または力作用は、接合領域３、３'において犠牲層４の原子の拡散をもたらす。犠牲層４の原子は、有利には完全に接合領域３、３'において、かつ／または原子を取り囲んでいるバルク材料５中に溶解され、かつそれにより、本発明によるできるだけ低温での接合領域材料の直接接合につながる。直接接合は、例えば特許公報ＥＰ２３７２７５５または特許公報ＰＣＴ／ＥＰ２０１２／０６９２６８に記載のうちの一つの方法により行うことができ、この限りにおいて、これらの特許公報が関連する。

【0053】

犠牲層を形成するための本発明による実施形態は、有利にはクラスター９、特に低真空クラスター、より有利には高真空クラスター、さらに有利には超高真空クラスターのモジュール８（犠牲層モジュール）の一部である。クラスター９は、密閉し，モジュールスルースゲート（Ｍｏｄｕｌｓｃｈｌｅｕｓｅｎｔｏｒ）１１を介して、すべての既存のモジュールに分離可能な、排気可能な内部スペース１０からなる。内部スペース１０内でロボット１２は、製品ウェハ１をモジュールからモジュールへ運ぶ。その際製品ウェハ１は、取り込んだ製品ウェハ１用入口フープ１３のクラスタースルースゲート１５を介して内部スペース１０内に到着する。クラスター９内の製品ウェハ１の効果的なプロセス後、ロボット１２は、製品ウェハ１を、フープスルースゲート１５を介して再び出口フープ１４内に格納する。

【符号の説明】

【0054】

１、１' 基板
１ｏ、１ｏ' 界面
２ 空洞
３、３' 接合領域
３ｏ、３ｏ' 接合領域表面
４ 犠牲層
４ｏ 犠牲層表面
５ バルク材料
５ｏ バルク材料表面
７、７'、７'' 層体系
８ モジュール
９ クラスター
１０ 内部スペース
１１ モジュールスルースゲート、
１２ ロボット
１３ 入口フープ、
１４ 出口フープ、
１５ クラスタースルースゲート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】