晶片的永久粘合方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及第一襯底(1)的第一接觸面(3)與第二襯底(2)的第二接觸面(4)的粘合方法，其具有下列步驟，尤其是下列序列：在第一襯底(1)和/或第二襯底(2)上的至少一個儲庫形成層(6,6’)中形成至少一個儲庫(5,5’)，其中所述儲庫(5,5’)至少主要由非晶材料構(gòu)成，用第一原料物或第一組原料物至少部分填充儲庫(5,5’)，在儲庫(5)和/或儲庫(5’)上形成或施加含有第二原料物或第二組原料物的反應(yīng)層(17)，使第一接觸面(3)與第二接觸面(4)接觸以形成預(yù)-粘合-連接，在第一和第二接觸面(3,4)之間形成永久粘合，其通過第一原料物或第一組原料物與第二原料物或第二組原料物的反應(yīng)至少部分增強(qiáng)。
【專利說明】晶片的永久粘合方法
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于使第一襯底的第一接觸面與第二襯底的第二接觸面粘合的方法。
[0002]襯底永久性或不可逆粘合的目的是在該襯底的兩接觸面之間產(chǎn)生盡可能強(qiáng)的特別是不可再拆開的接合，即產(chǎn)生高的粘合力。為此，在現(xiàn)有技術(shù)中存在各種手段和制備方法。
[0003]已知的制備方法和迄今遵循的手段常導(dǎo)致不可再現(xiàn)的或再現(xiàn)性差的，且特別是幾乎不適用于改變的條件的結(jié)果。特別是現(xiàn)今所用的制備方法常利用高溫，尤其是> 400°C，以確?？稍佻F(xiàn)的結(jié)果。
[0004]技術(shù)問題如高能耗和襯底上存在的結(jié)構(gòu)的可能破壞均由至今為產(chǎn)生高粘合力所需的有時遠(yuǎn)高于300°C的高溫造成。
[0005]其它的要求在于:
-前道工序(Front-end-of-line)的相容性。
[0006]該意指在制備電有源部件(elektrisch aktiven Bauteilen)時工藝的兼容性。因此必須如此設(shè)計該粘合工藝，以使結(jié)構(gòu)晶片上已存在的有源部件，如晶體管在該加工過程中既不受負(fù)面影響也不受損。兼容性標(biāo)準(zhǔn)主要包括某些化學(xué)元素(主要在CMOS結(jié)構(gòu)中)的純度和機(jī)械承載能力(由熱應(yīng)力引起的)。
[0007]-低污染。
[0008]-不引入力。
[0009]-盡可能低的溫度，特別是在具有不同熱膨脹系數(shù)的材料的情況下。
[0010]粘合力的降低導(dǎo)致對結(jié)構(gòu)晶片的更小心處理和因此降低由直接機(jī)械負(fù)荷造成的失效概率。
[0011]因此本發(fā)明的目的在于提供在同時盡可能低的溫度下溫和制造具有盡可能高的粘合力的永久粘合的方法。
[0012]用權(quán)利要求1的特征實(shí)現(xiàn)這一目的。在從屬權(quán)利要求中給出本發(fā)明有利的擴(kuò)展方案。說明書、權(quán)利要求和/或附圖中給出的至少兩個特征的所有組合也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在給出的數(shù)值范圍中，在所述界限內(nèi)的數(shù)值也被視作界限值公開，并可以以任意組合要求保護(hù)。
[0013]本發(fā)明的基本思路是，至少在所述襯底之一上實(shí)現(xiàn)用于容納第一原料物的儲庫，該第一原料物在襯底之間接觸或產(chǎn)生暫時粘合后與存在于這兩個襯底之一中的，尤其是在反應(yīng)層中的第二原料物反應(yīng)并由此在襯底之間形成不可逆的或永久性的粘合。在第一和/或第二襯底中的儲庫形成層中形成儲庫之前或之后，大都清洗所述該一個或兩個襯底，尤其是通過沖洗步驟。該清洗通常應(yīng)確保表面上沒有微粒，這樣的微粒會產(chǎn)生不粘合部位。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，在形成一個或多個儲庫后，為了縮短原料物之間的距離，在至少一個儲庫上施加或在它們上形成至少一個反應(yīng)層。該反應(yīng)層尤其由第二原料物，優(yōu)選可氧化材料，更優(yōu)選娃構(gòu)成。
[0015]通過該儲庫和含于儲庫中的原料物實(shí)現(xiàn)了一種技術(shù)可能性，即在產(chǎn)生暫時的或可逆的粘合后直接在接觸面上有針對性地引發(fā)增強(qiáng)永久性粘合的和提高粘合速度的反應(yīng)(第一原料物或第一組與第二原料物或第二組)，尤其通過由該反應(yīng)使至少一個接觸面，優(yōu)選為與儲庫相對的接觸面或兩個接觸面變形。
[0016]對在襯底之間產(chǎn)生預(yù)粘合或可逆的粘合的預(yù)-粘合-步驟，提供了各種可能性，其目的是在襯底的接觸面之間產(chǎn)生弱的相互作用。該預(yù)粘合強(qiáng)度低于永久粘合強(qiáng)度，至少低2至3倍，尤其低5倍，優(yōu)選低15倍，還更優(yōu)選低25倍。作為基準(zhǔn)值，提及約100 mj/m2的純的未活化的親水化硅的預(yù)粘合強(qiáng)度和約200 - 300 mj/m2的純的經(jīng)等離子體活化的親水化硅的預(yù)粘合強(qiáng)度。被分子潤濕的襯底之間的預(yù)粘合主要通過不同晶片側(cè)的分子之間的范德華相互作用實(shí)現(xiàn)。因此，具有永久偶極矩的分子尤其適合實(shí)現(xiàn)晶片之間的預(yù)粘合。作為粘合劑可示例性提及下列的化學(xué)化合物，但不限于此
_水
-硫醇(Tiole)
-AP3000
-娃燒和/或 -硅烷醇。
[0017]適用于本發(fā)明的襯底是這類襯底，即其材料可作為原料物與加入的另一原料物反應(yīng)而形成具有更高摩爾體積的產(chǎn)物，由此導(dǎo)致在襯底上形成生長層。下列的組合特別有利，其中各箭頭左方列舉原料物，箭頭右方列舉一種產(chǎn)物/多種產(chǎn)物，沒有詳細(xì)列舉與該原料物反應(yīng)所加入的原料物或副產(chǎn)物:
【權(quán)利要求】
1.第一襯底(I)的第一接觸面(3)與第二襯底(2)的第二接觸面(4)的粘合方法，所述方法具有下列步驟，尤其是下列過程: -在第一襯底(I)和/或第二襯底(2)上的至少一個儲庫形成層出，6’)中形成至少一個儲庫(5，5’)，其中所述儲庫(5，5’ )尤其至少主要由非晶材料構(gòu)成， -用第一原料物或第一組原料物至少部分填充儲庫(5，5’)， -在儲庫(5)和/或儲庫(5，)上形成或施加含有第二原料物或第二組原料物的反應(yīng)層(17)， -使第一接觸面(3)與第二接觸面(4)接觸以形成預(yù)-粘合-連接， -在第一和第二接觸面(3，4)之間形成永久粘合，其通過第一原料物或第一組原料物與第二原料物或第二組原料物的反應(yīng)至少部分增強(qiáng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過使第一原料物擴(kuò)散到反應(yīng)層(17)中形成和/或增強(qiáng)永久粘合。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中在室溫至200°C的溫度下，尤其經(jīng)最多12天，優(yōu)選最多I天，還更優(yōu)選最多I小時，最優(yōu)選最多15分鐘形成所述永久粘合。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述不可逆粘合具有大于1.5 J/m2，尤其大于2 J/m2,優(yōu)選大于2.5 J/m2的粘合強(qiáng)度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中在所述反應(yīng)中，在反應(yīng)層(17)中形成具有比第二原料物的摩爾體積更大摩爾體積的反應(yīng)產(chǎn)物(10)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中通過等離子體活化形成儲庫(5)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述儲庫形成層出，6’)基本上完全由非晶材料，尤其是通過熱氧化制成的二氧化硅構(gòu)成，且反應(yīng)層(17)由可氧化材料，尤其主要，優(yōu)選基本上完全由S1、Ge、InP、GaP或GaN構(gòu)成。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述第一襯底(I)具有反應(yīng)層(7)和/或所述第二襯底(2)具有反應(yīng)層(7’)，其至少主要由第二原料物或第二組原料物構(gòu)成，與儲庫形成層(6，6’)相鄰。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在形成永久粘合之前，儲庫形成層出，6’)具有I埃至10 nm的平均厚度A。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述儲庫形成層出，6’)和/或反應(yīng)層(17)充當(dāng)生長層(8)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中通過一個或多個下述步驟填充儲庫(5，5，): -使第一(3)和/或第二接觸面(4)暴露在尤其具有高的氧-和/或水含量的氣氛中， -用特別是主要由，優(yōu)選幾乎完全由，特別是去離子的，H2O和/或H2O2組成的流體加載第一(3)和/或第二接觸面⑷， -用N2-氣和/或O2-氣和/或Ar-氣和/或組合氣，特別是由95% Ar和5% H2組成的組合氣，特別是以0-200 eV范圍的離子能量加載第一(3)和/或第二接觸面(4)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中在臨形成永久粘合之前儲庫(5，5’)與反應(yīng)層(7，V )之間的平均間距(B，B’)為0.1 nm至15 nm，尤其是0.5 nm至5 nm，優(yōu)選 0.5 nm 至 3 nm。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述不可逆粘合具有的粘合強(qiáng)度為預(yù)粘合強(qiáng)度的2倍，優(yōu)選4倍 ，更優(yōu)選10倍，最優(yōu)選25倍。
【文檔編號】H01L21/762GK103460342SQ201180069894
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月8日
【發(fā)明者】T.普拉赫, K.欣格爾, M.溫普林格, C.弗勒特根 申請人:Ev集團(tuán)E·索爾納有限責(zé)任公司